FI89417B - Detektorspole foer maetning av magnetfaelt - Google Patents

Description

1 89417

ANTURIKELA MAGNEETTIKENTÄN MITTAAMISEEN

Keksinnön kohteena on kela, jolla voidaan samalla kertaa mitata kahta magneettikentän tai sen gradienttien komponenttia, sekä magneettikentän gradientin yhden komponentin mittaamiseen tarkoitettu anturikela, jolla 5 on useita edullisia ominaisuuksia ja joka on lisäksi helposti muunnettavissa mittaamaan kahta riippumatonta gradientin komponenttia.

Heikkoja magneettikenttiä mitataan usein magneettikenttään asetetulla an-turikelalla, joka on kytketty virtaa mittaavaan elementtiin. Erittäin suurta herkkyyttä vaativissa sovelluksissa kela on valmistettu suprajohtavasta ma-10 teriaalista, ja se kytketään suprajohtavaan kvantti-interferenssilaitteeseen eli SQUIDiin. Tällaisen laitteen toimintaa on selostettu laajalti esimerkiksi artikkelissa Journal of Low Temperature Physics, voi. 76 (1989), n:o 5/6, ss. 287-386. Anturikela voi olla joko kytkettynä SQUID-renkaan päällä olevaan kelaan, joka kytkee signaalin induktiivisesti SQUID-renkaaseen tai sitten antu-15 rikela voi olla galvaanisesti kytketty osa itse SQUID-rengasta. On osoittautunut, että parhaimman herkkyyden saavuttamiseksi SQUID-renkaan induktanssin on oltava mahdollisimman pieni, luokkaa ΙΟ'*1 H ja että renkaan yli olevat hajakapasitanssit on minimoitava.

Optimaalisella anturikelalla on yleisesti sama impedanssi kuin mittaavan 20 elementin sisäänmenolla. Käytettäessä SQUIDiä virtaa mittaavana elementtinä on edullista käyttää mahdollisimman pieni-induktanssista anturikelaa, koska tällöin SQUID-renkaan päällä oleva hyvin kytketty signaalikela, jonka kierrosmäärä yhdessä SQUID-renkaan induktanssin kanssa määrää sisään-menoinduktanssin, voi sisältää vähän kierroksia. Tämä pienentää hajaka-25 pasitansseja ja parantaa sitä kautta anturin herkkyyttä. Vaatimus, että SQUIDin muodostavan silmukan induktanssin olisi oltava mahdollisimman pieni vaikeuttaa magneettikentän mittaamista suoraan SQUIDillä.

Erittäin herkkiä magneettikenttäantureita tarvitaan mm. mitattaessa ihmisaivojen synnyttämiä heikkoja magneettikenttiä. Menetelmän merkitys lää-30 ketieteellisessä tutkimuksessa ja diagnostiikassa on tulossa yhä suuremmaksi, sillä sen avulla on mahdollista paikantaa aivotoimintoihin liittyviä läh-devirtoja muutamien millimetrien ja millisekuntien paikka- ja aikaerotte-lukyvyllä. Mittaus on kyettävä tekemään samanaikaisesti useasta paikasta; jopa yli sadan magneettisen signaalin mittaaminen yhtäaikaisesti eri puolil- 2 89417 ta päätä on tarpeen. On osoitettu, että magneettikentän sijasta sen gradientin tiettyjen komponenttien, erityisesti poikittaisten gradienttien BBz/dx ja dBz/dy mittaaminen on edullista (ks. esim. kirjasta SQUID’85: Superconducting Quantum Interference Devices and their Applications, toimittaneet H. D.

5 Hahlbohm and H. Lubbig, Walter de Gruyter, Berlin (1985), ss. 939-944). Eräs tällainen mainittuja poikittaisia gradientin komponentteja mittaava laite, jossa on 24 kanavaa, on esitetty kirjassa Advances in Biomagnetism, toimittaneet S. J. Williamson, M. Hoke, G. Stroink ja M. Kotani, Plenum, New York (1989), ss. 673-679.

10 Kuvassa 1 on esitetty kaksi erilaista magneettikentän poikittaista gradienttia mittaavaa yleisesti tunnettua kelakonfiguraatiota: rinnan (a) tai sarjaan (b) kytkettyä kelaparia. Näistä sarjaan kytkettyä on käytetty enemmän (ks esim. US 4 320 341, EP 210 489, EP 399 499), koska siihen ei synny homogeenisessa magneettikentässä magneettikenttää hylkivää suojavirtaa kuten rinnan kyt-15 ketyssä konfiguraatiossa. Varsinkin ohutkalvorakenteisissa sensorikeloissa on mahdollista, että mainittu suojavirta on niin suuri, että suprajohtavan kalvon kriittinen virta ylitetään ja kalvo muuttuu normaalitilaiseksi. Lisäksi homogeenisesta kentästä aiheutuvat suojavirrat aiheuttavat lokaalin epähomogeenisen kenttäkomponentin; monikanavalaitteissa tämä ei-toivottu 20 gradientti kytkeytyy myös naapurikeloihin. Rinnan kytketyllä mallilla on kuitenkin se etu, että sen induktanssi on vain noin 1/4 samankokoisen sar-jaankytketyn kelan induktanssista. Tämän vuoksi sitä on käytetty laitteissa, joissa anturikela on galvaanisesti kytketty osa itse SQUID-rengasta, kuten on esitetty esimerkiksi julkaisussa Journal of Applied Physics, voi. 58 (1985), n:o ?5 11, ss. 4322-4325. Kelan induktanssin pienentämistä rinnakkaisilla silmu koilla on alalla käytetty yleisemminkin SQUIDin induktanssin pienentämiseen, kuten ilmenee esimerkiksi artikkeleista Journal of Applied Physics, voi. 42 (1971), n:o 11, ss. 4483-4487 ja Applied Physics Letters, voi. 57 n:o 4 (1990), ss. 406-408.

30 Poikittaiset gradienttikomponentit on mitattava mieluiten samassa pisteessä, joten on kyettävä valmistamaan kaksi ristikkäistä gradiometriä päällekkäin. Tällöin syntyvä, tavanomaisin keinoin tehty rakenne, joka on kuvattu esimerkiksi jo mainituissa julkaisuissa (US 4 320 341, EP 210 489, SQUID'85: Superconducting Quantum Interference Devices and their Applications, (1985), ss. 35 939-944), on väistämättä suhteellisen monimutkainen.

3 a 9 41 7 Tässä esitetyllä keksinnöllä saavutetaan ratkaiseva parannus edellä esitettyihin epäkohtiin. Keksinnölle on tunnusomaista patenttivaatimuksissa 1-7 esitetyt seikat.

Tällä uudella rakenteella on se ominaisuus ja etu, että yhdellä kelalla voidaan 5 mitata yhtä aikaa kaksi toisiaan vastaan kohtisuoraa gradienttia. Näin saadaan aikaan helpommin valmistettava rakenne kuin rakentamalla kaksi ristikkäistä gradiometriä päällekkäin. Tämä perustuu siihen, että kaksi virtaa mittaavaa elementtiä voidaan kytkeä kelaan siten, että niiden mittaamat virtakomponentit eivät kelan symmetriaominaisuuksien ansiosta kytkeydy 10 toisiinsa magneettisesti, vaikka virrat kulkevatkin galvaanisesti samassa johtimessa.

Keksinnön mukainen kela on tasomainen ja mittaa magneettikentän anturin tasoa vastaan kohtisuoran komponentin tason suuntaista gradienttia ja se muodostuu kahdesta rinnan kytketyistä silmukkaparista joissa silmukat 15 ovat kytketty sarjaan. Se yhdistää myös molemmat anturikelalta haluttavat ominaisuudet: siihen ei synny suojavirtaa homogeenisessa magneettikentässä ja sillä on lähes sama induktanssi kuin perinteisellä kuvan la mukaisella rinnankytketyllä kahdeksikolla. Nämä ominaisuudet saavutetaan 2. patenttivaatimuksen tunnusmerkkiosan mukaisella rakenteella. Rakenne ei 20 synny suoraviivaisesta pelkkien rinnakkaisten tai pelkkien sarjaankytkettyjen silmukoiden käytöstä, joita on sovellettu kaikissa edellämainituissa kirjallisuus- ja patenttihakemusviitteissä. Oleellista on induktanssin suuruuden kannalta vastakkaisiin suuntiin vaikuttavien sarjaan- ja rinnankytkentöjen yhdistäminen toisiinsa siten, että vältytään suojavirroilta homogeenisessa kentäs-25 sä. Se ei myöskään ole jo aikaisemmin tunnettu kentän kvadrupolikompo-nenttia mittaava kela, vaikka se ulkonäöltään sitä suuresti muistuttaakin. Tämän keksinnön mukainen kela mittaa gradienttia, jolle taas kvadrupoli-kela on epäherkkä.

Seuraavassa esitetään keksinnön eräs edullinen suoritusmuoto, viitaten ku-30 viin 2-4. Kuva 2 esittää silmukoiden kytkentää, kuva 3 sitä, miten kelaa voidaan käyttää mittaamaan kahta toisiaan vastaan kohtisuoraa poikittaista gradienttikomponenttia ja kuva 4 induktanssin pienentämistä edelleen käyttäen ylimääräistä rinnankytkentää.

Kuvassa 2 on esitetty keksinnön mukaisen kelan rakenne. Kelan toinen pää 35 on pisteessä (5) ja toinen pisteessä (6). Silmukat (1) ja (2) sekä toisaalta silmukat (3) ja (4) on kytketty sarjaan; näin syntyneet kahdeksikkokelat on sen jälkeen kytketty rinnakkain. Kuvaan on piirretty x-suuntaisen magneettiken- 4 39417 tän gradientin synnyttämän virran suunta ja eri silmukoiden herkkyyden polariteetti. Kuvassa 3 on esitetty miten kelaa käytetään mittaamaan kahta toisiaan vastaan kohtisuoraa gradienttia ylimääräisten ulosottojen (7) ja (8) avulla. Siinä pisteisiin (5) ja (6) kytketty virtaa mittaava elementti ilmaisee 5 x-suuntaista gradienttia ja pisteisiin (7) ja (8) kytketty elementti y-suuntaista gradienttia. Jos silmukat ovat symmetriset, ei x-suuntainen gradientti aiheuta virtaa pisteiden (7) ja (8) välille kytkettyyn virtamittariin. Kääntäen, y-suuntainen gradientti ei aiheuta virtaa pisteiden (5) ja (6) välille, joten gradientin komponentit voidaan siis mitata samanaikaisesti käyttäen vain I0 yksiä johtimia.

Kelan induktanssia voidaan pienentää vielä edellisestä tekemällä kukin kelan neljästä silmukasta useasta rinnakkaisesta osasta. Kuvassa 4 on esitetty tapa, jolla silmukat voidaan jakaa kahteen osaan (9, 10; 11, 12; 13, 14; 15, 16) siten, että kaikki silmukat ovat toisiinsa nähden samanarvoisissa asemissa 15 ja virta alisilmukoissa jakaantuu tasan puoliskojen välillä. Neljä pääsil-mukkaa (1, 2, 3, 4) voidaan jakaa vielä useampiinkin osiin, koska kelan erikoisesta kokonaisrakenteesta johtuen ei suojavirtaa homogeenisessa kentässä tällöinkään esiinny.

Edellä kuvatuissa keloissa voidaan käyttää virtaa mittaavana elementtinä 20 induktiivisesti kytkettyä SQUIDiä tai sitten kela voi olla galvaanisesti kytketty osa suprajohtavan kvantti-interferenssilaitteen rengasta, kun virtaa mittaavien elementtien tilalle asetetaan yksi tai kaksi Josephson-liitosta. Näin saadaan vanhastaan tunnettuja magneettikentän gradienttia suoraan mittaavia SQUIDejä parempi laite.

25 Oivallusta, että samassa kelassa kulkevia, toisiinsa magneettisesti kytkeyty-mättömiä virtakomponentteja voidaan yhtäaikaisesti mitata, voidaan soveltaa muunkin tyyppisiin keloihin kuin 2. patenttivaatimuksessa esitettyyn. Kuvassa 5 on esimerkki siitä, miten perinteisellä rinnan kytketyllä kahdeksikolla voidaan edellä kuvattuun periaatteeseen nojautuen mitata 30 kaksi toisistaan riippumatonta gradienttia kytkemällä yksi virta-anturi pisteiden (17) ja (18) välille ja toinen pisteiden (19) ja (20) välille. Kelaan syntyy suojavirta homogeenisessa kentässä, joten vaatimusten 2-5 mukaisia keloja on pidettävä suositeltavampina.

Claims (7)

1. Kela magneettivuon tiheyden tai sen ensimmäisen tai korkeamman kertaluvun gradienttien kahden tai useamman komponentin samanaikaiseen mittaamiseen, joka koostuu toisiinsa kytketyistä osasilmukoista, tun- 5 nettu siitä, että osasilmukat on kytketty ja varustettu väliulosotoin siten, että ulosottoihin on kytkettävissä virtaa mittaavat elementit ilmaisemaan samoissa, galvaanisesti yhtenevissä johtimissa kulkevia, mutta magneettisesti toisiinsa kytkeytymättömiä virtakomponentteja.

2. Kela magneettivuon tiheyden ensimmäisen kertaluvun gradientin 10 mittaamiseen, jossa on neljä samassa tai lähes samassa tasossa olevaa, kelan keskipisteen suhteen tai keskipisteen läpi kulkevan akselin suhteen symmetristä silmukkaa (1, 2, 3, 4), tunnettu siitä, että silmukat (1, 2, 3, 4) on kytketty sekä varustettu ulosotoin (5, 6) virtaa mittaavaan elementtiin liittämistä varten siten, että pareittain kaksi vierekkäistä silmukkaa (1, 2 ja 3, 4) 15 on kytketty sarjaan sekä nämä parit rinnan tavalla, jossa rinnankytkettyjen parien välisten ulosottojen (5, 6) kautta syötetyn virran kulkusuunta on vierekkäin olevissa sarjaankytketyissä silmukoissa (1, 2 ja 3, 4) toisiinsa nähden vastakkainen ja vierekkäin olevissa mutta eri sarjaankytkettyihin silmukkapareihin kuuluvissa silmukoissa (1, 3 ja 2, 4) saman suuntainen.

3. Patenttivaatimusten 1 ja 2 mukainen kela, tunnettu siitä, että kela si sältää lisäksi sarjaan kytkettyjen silmukkaparien keskikohdalle tehdyt ulosotot (7,8) ja että kummankin ulosottoparin (5, 6 sekä 7, 8) välille on erikseen kytketty virtaa mittaavat elementit.

4. Patenttivaatimusten 1, 2 tai 3 mukainen kela, tunnettu siitä, että jokai-25 nen mainitulla tavalla kytketyistä kelarakenteen pääsilmukoista (1, 2, 3, 4) on muodostettu kahdesta tai useammasta samaan suuntaan kiertävästä rinnan kytketystä silmukasta.

5. Patenttivaatimusten 3 ja 4 mukainen kela, tunnettu siitä, että kaikki mainitulla tavalla kytketyt neljä pääsilmukkaa (1, 2, 3, 4) on jaettu kahdeksi 30 yhtäsuureksi rinnankytketyksi silmukaksi (9,10; 11,12; 13,14; 15,16), joiden vierekkäin olevat sivut kulkevat 45 asteen kulmassa mitattavien gradienttien suuntiin nähden. 6 39417

5 3 9 117

6. Patenttivaatimusten 1, 2, 3, 4 tai 5 mukainen kela, tunnettu siitä, että virtaa mittaavana elementtinä on induktiivisesti kytketty suprajohtava kvantti-interferenssilaite.

7. Patenttivaatimusten 1, 2, 3, 4 tai 5 mukainen kela, tunnettu siitä, että 5 mainittu kela on osa suprajohtavaa kvantti-interferenssilaitetta. 7 39417