FI68129C - Foerfarande foer tiddelad kanalisering av flera rf-squid detektorer - Google Patents

Description

1 68129 MENETELMÄ USEAN RF-SQUID ANTURIN OHJAAMISEKSI AIKAJAKOPERI-

AATTEELLA

Esillä olevan keksinnön kohteena on menetelmä, jonka avulla voidaan aikajakoperiaatteella samanaikaisesti monitoroida useita radiotaajuisella virralla pumpattuja suprajohtavia kvantti-interferometrejä eli rf-SQUIDeja (englanninkielisestä nimestä 5 radio frequency Superconducting Quantum Interference Device), jossa menetelmässä kunkin SQUIDin tankkipiirin yli vaikuttava rf-jännite kytketään synkronoituna pientaajuiseen modulaatiosig-naaliin yhteiselle rf-vahvistimelle, ja jossa kaikki SQUIDit pidetään toimintatilassa käyttämällä jatkuvaa takaisinkytkentää.

10 Biomagneettisessa tutkimuksessa mitataan kehon eri osien (esim. sydän, aivot, luurankolihakset) sähköisen toiminnan synnyttämiä heikkoja magneettikenttiä. Normaalisti mittaukseen käytetään erittäin herkkää magneettivuon ja sähkövirran ilmaisinta eli SQUIDia. Tällainen SQUID-magnetometri on yleensä yksikanavainen 15 laitteisto, jolloin magneettikenttävektorin määrittämiseksi tarvitaan kolme erillistä mittausta. Tällä hetkellä biomagnetismiin kohdistuvan mielenkiinnon kasvaminen on luonut tarpeen kehittää mittaukseen soveltuvia monikanavaisia magnetometrejä, jolloin magneettikenttävektorin kolme komponenttia voidaan mitata saman-20 aikaisesti ja näin nähdään vektorin suunnan ja suuruuden muutokset reaaliajassa. Tällaisia mittalaitteita voidaan luonnollisesti käyttää myös muuhun magneettikenttätutkimukseen, kuten esimerkiksi geomagneettisiin mittauksiin. Tähän mennessä tällaisia monikanavaisia SQUID-magnetometrejä on konstruoitu kahdella eri peri-25 aatteella: 1) Monikanavainen järjestelmä kootaan useasta yksikanavaisesta SQUID-magnetometristä, jolloin kutakin rf-SQUIDia varten on olemassa oma jatkuvatoiminen ohjainyksikkönsä. Mittauskelat, joilla mitattava ulkoinen magneettivuo kytketään SQUIDin signaalikelaan, 30 on normaalisti käämitty yhteiselle kelarungolle tai sitten mitattava vuo kytkeytyy suoraan SQUID-anturille. Kukin ohjainyksikkö sisältää SQUIDin pumppaukseen käytettävän radiotaajuisen oskillaattorin. Oskillaattorit toimivat kaikki eri taajuuksilla. Ehnholm, G.J., Ilmoniemi, R.J. and Wiik, T.O., A seven channel 2 68129 SQUID magnetometer for brain research. Physica 107 B, 1981, s. 29-30. ja

Varpula, T., Karp, P., Katila, T., Poutanen, T. and Seppänen, M. , A three-channel superconducting vector magnetometer. Proc.

5 XVI Annual Conference of the Finnish Physical Society, Espoo, Finland, Feb 1982, s. 8:23.

2) Toinen esiintynyt periaate on käyttää erikoisvalmisteista SQUID-anturia. Anturi koostuu kolmesta rf-SQUIDista, jotka on valmistettu ohutkalvotekniikkaa käyttäen samalle substraatille 10 siten, että niitä voidaan monitoroida käyttämällä yhtä tankki-piiriä ja täten siis myös yhtä rf-vahvistinta. Myös SQUIDin pumppaus tehdään samalla radiotaajuisella signaalilla. Moduloivina signaaleina on käytetty eritaajuisia sinimuotoisia audiosignaaleja, jotka on kytketty induktiivisesti yhdessä takaisin-15 kytkennän kanssa SQUIDille. Kukin kanava ilmaistaan modulaatio-taajuudelle viritetyllä vaiheilmaisimella. Shirae, K., Furukawa, H. and Kishida, K., A new multielement rf SQUID system and its application to the magnetic vector gradiometer. Cryogenics 1981, s. 707-710.

20 Edellä esitetyillä ratkaisuilla on seuraavia haittapuolia: 1) Useita erillisiä ohjausyksiköltä käytettäessä komponentti-määrä on suuri ja laitteiston käsittely hankalaa.

2) Eritaajuisia rf-pumppusignaaleita käytettäessä syntyy inter-ferenssihäiriöitä, kun rf-signaali kytkeytyy, joko suoraan tai 25 mittauskelan kautta viereisten kanavien SQUIDin tankkipiirille. Häiriöitä on vaikea poistaa.

3) Erikoisvalmisteisen SQUIDin konstruoiminen vaatii ohutkalvo-tekniikan ja siihen liittyvän viritystekniikan hallintaa. Viritys on välttämätön, koska tässä tapauksessa kaikilla SQUIDeilla 30 pitää olla identtiset ominaisuudet.

Esillä olevan keksinnön mukaisen menetelmän avulla saadaan ratkaiseva parannus edellä esitettyihin epäkohtiin. Tämän toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen tunnusmerkkiosissa. Keksin-35 non mukaisen menetelmän tärkeimpiä etuja ovat:

Voidaan käyttää tavanomaisia, kaupallisesti saatavissa olevia 3 68129 rf-SQUIDeja. Vain yksi rf-SQUID on kerrallaan kytketty rf-vahvistimelle muiden kuitenkin säilyttäessä jatkuvan takaisinkytkennän takia toimintatilansa. Koska kaikille rf-SQUIDeille käytetään yhteisiä rf- ja audio-ohjaustaajuuksia, vältetään kaikki 5 keskinäiset interferenssihäiriöt. Lisäksi menetelmän vaatima komponenttimäärä on selvästi pienempi kuin erillisiä yksiköitä käytettäessä.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 10 kuva 1 esittää tavanomaisen jatkuvatoimisen ohjausmenetelmän lohkokaaviota, ja kuva 2 esittää esillä olevan keksinnön mukaisen menetelmän toteuttavan laitteen lohkokaaviota.

Kuvassa 1 esitetty rf-SQUIDin ohjaamiseen yleisesti käytet- 15 ty n.k. vuolukittu silmukka toimii seuraavasti:

Rf-SQUIDin pumppaukseen tarvittava radiotaajuinen virta saadaan rf-oskillaattorilta 1. Virran generoima, tankki- piirin yli oleva rf-jännite vahvistetaan pienikohinaisella rf-vahvistimella 2. Suorakaideaallon muotoinen modulointi- 20 vuo, jonka taajuus on muutamasta kymmenestä kilohertsistä muutamaan sataan kilohertsiin ja amplitudi noin φ /2 (φ -15 o o on vuokvantti, 2,0678*10 Wb), kytketään audio-oskillaat- torista 3 SQUIDille 4. Tämä signaalitaajuus kytketään myös vaiheilmaisimelle 5 referenssinä. Kun ulkoinen magneettivuo 25 kytkeytyy mittauskelan 6 välityksellä SQUIDiin 4, sen toimintapiste muuttuu ja tankkipiirin yli oleva rf-jännite moduloituu suorakaideaallolla. Modulaation vaihe riippuu vuon muutoksen suunnasta. Amplitudimoduloitunut rf-signaali kytketään am-ilmaisimelie 7 ja vaiheherkälle vahvistimelle 5, 30 jonka annossa esiintyy tasajännite, jonka arvo riippuu signaalin modulaatioasteestä. Jännite integroidaan integraat-torissa 8 ja kytketään virtana takaisin SQUIDin tankkipii-rille. Tämä takaisinkytkentävirta kompensoi ulkoa kytkeytyvän magneettivuon ja ajaa SQUIDin takaisin alkuperäiseen 35 toimintapisteeseen. Takaisinkytkentävastuksessa 9 syntyvä jännite on verrannollinen ulkoiseen vuonmuutokseen ja se 4 68129 kytketään alipäästösuotimen 10 kautta antoon. Kytkentä siis linearisoi SQUIDin vasteen.

Kuvan 2 esittämän aikajakokanavoidun vuolukitun silmukan toiminta on seuraava: 5 Kukin kolmesta mittauskelasta 11, jotka on käämitty yhteiselle kelarungolle, on kytketty yhteen kolmesta rf-SQUID-istä 12. Tämä n.k. vektorigradiometrianturi 11 ja rf-SQUIDit 12 ovat mittausdevarissa nestemäisessä heliumissa. Kullakin kanavalla rf-SQUIDin tankkipiiri on kytketty rf-10 esivahvistimen 13 ottoon. Esivahvistimet on sijoitettu de-varin kanteen kiinnitettyyn rf-yksikköön. Radiotaajuisen pumppuvirran generointiin tarvittava oskillaattori 14 sekä audiotaajuudella toimiva modulointisignaalioskillaattori 15 ovat yhteisiä kaikille rf-SQUIDeille. Rf-pumppuvirta, 15 modulointivirta sekä takaisinkytkentävirta takaisinkytken-täyksiköstä 16 on kytketty tavanomaisesti rf-SQUIDin tank-kipiirille kullakin kanavalla erikseen. Rf-SQUIDin tankki-piirin yli oleva rf-jännite vahvistetaan esivahvistimessa sekä kytketään tämän jälkeen vuorotellen päävahvistimelle 20 17 käyttäen nopeita elektronisia rf-kytkimiä 18. Kytkimiä ohjataan aikajakokanavoinnin ohjausyksiköllä 19 siten, että kytkentätaajuus on kolmasosa modulointisignaalin taajuudesta ja synkronoitu siihen. Tällöin siis kukin kanava on kytkettynä päävahvistimeen yhden modulointisiqnaalin jakson 25 ajan. Näin aikajakokanavoitu rf-signaali vahvistetaan pää-vahvistimessa 17, ilmaistaan am-ilmaisimessa 20 ja tuloksena saatava audiotaajuinen signaali kytketään vaiheilmai-simelle 21, jonka vertailusignaalina on modulointioskillaat-torin 15 antosignaali. Vaiheilmaisimen 21 annossa on näin 30 ollen jännite, joka sisältää peräkkäiset, kunkin kanavan SQUIDiin kytkeytyvään magneettivuohon verrannolliset jännitetasot. Tämän jälkeen kanavat erotetaan käyttämällä näytteenotto- ja pitopiirejä 22. Näytteenottopiiri kytkee vai-heilmaisimen annon kyseessäolevan kanavan integraattorille 35 23 modulointisignaalin jakson ajaksi. Kanavan päälläoloai- kana vuolukittu silmukka toimii siis kuten jatkuvatoimisessa menetelmässä. Kun vaiheilmaisimen anto kykeytyy seuraa-valle kanavalle, edellisen kanavan integraattori integroi 5 68129 tämän kanavan pitopiirin annossa olevaa vakiojännitettä, joka vastaa näytteen lopussa ollutta signaalin arvoa. Vuo-lukittu silmukka sulkeutuu takaisinkytkentäpiirin 16 kautta, jolla integraattorin anto pidetään jatkuvasti kytkettyni nä SQUIDin tankkipiirille ja estetään lukituksen avautuminen, mikä aiheuttaisi uuden lukituksen todennäköisesti eri tasolle. Mikäli modulointisignaalin taajuus valitaan riittävän suureksi niin, että näytteenottotaajuus on vähintään kaksi kertaa vuolukitun silmukan kaistanleveys, estetään 10 laskostumisilmiö ja vakiojännite, joka esiintyy pitopiirin annossa näytteiden välillä aproksimoi hyvin signaalia. Näytteenottotaajuus määrää myös suurimman mitattavan signaa-litaajuuden. Mikäli näytteenottotaajuus on esimerkiksi 10 kHz voidaan magnetometrillä mitata kaikilla kanavilla samanaikai-15 sesti magneettikenttiä, joiden taajuus on alle 5 kHz. Integ-raattorilta 23 saatava jännite on suoraan verrannollinen SQUIDeille kytkeytyvään magneettivuohon ja kunkin kanavan an-tosignaali saadaan alipäästösuodattimen 24 jälkeen. Integraattorin antojännitteen ylittäessä alueen ± 5 V, nollaus-20 piiri 25 nollaa integraattorin 23, Nollauspiiri sisältää jännitevertaajan, joka kytketään kulloinkin päällä olevan kanavan antoon.

Claims (2)

6 68129

1. Menetelmä usean radiotaajuisella virralla pumpatun suprajohtavan kvantti-interferometrin eli rf-SQUIDin samanaikaiseksi ohjaamiseksi aikajakoperiaatteella, jossa menetelmässä käytetään rakenteeltaan tavanomaisia rf-SQUIDeja, ja jossa yksi SQUID kerrallaan kytketään vuolukittuun silmukkaan, joka on kytkennän aikana jatkuvatoimisessa tilassa, tunnettu siitä, että kunkin rf-SQUIDin (12) tankkipiirin yli vaikuttava rf-jännite kytketään vuorotellen yhteiselle rf-vahvistimelle (17) käyttäen elektronisia rf-kytkimiä (18), joiden kytkentä-taajuus on synkronoitu rf-SQUIDille kytkettyyn modulaatiotaa- juuteen, ja että kaikille rf-SQUIDeille käytetään samaa rf-pumpputaajuutta sekä samaa modulaatiotaajuutta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kullakin kanavalla integraattorin (23) anto on jatkuvasti kyketty takaisinkytkentäpiirin (16) kautta rf-SQUIDin (12) tankkipiirille.