FI95628C - Menetelmä ja laite pienikohinaisen anturin lähtösignaalin käsittelemiseksi - Google Patents

Description

MENETELMÄ JA LAITE PIENIKOHINAISEN ANTURIN LÄHTÖSI G-NAALIN KÄSITTELEMISEKSI

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty menetelmä.

Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 11 johdanto-osassa määritelty laite.

Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 19 johdanto-osassa määritelty monikanavainen magnetometri .

Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 20 johdanto-osassa määritelty laite magneettikentän suuruuden ja/tai gradientin mittaamiseksi.

Keksinnön mukainen menetelmä ja laite kohdistuvat erityisesti SQUID-anturin ja yleensä vastaavat sähköiset ominaisuudet omaavien anturien lähtösignaali-en käsittelemiseen.

SQUID-anturia eli SQUID:iä (Superconducting Quantum Interference Device) käytetään heikkojen magneettikenttien mittaamiseen. SQUID:in lähtöimpedanssi on vain noin 1 - 5 Ω. Sen toimintalämpötila on tyypillisesti 4,2 °K, johon lämpötilaan se on sopivasti jäähdytetty. Toimintalämpötila riippuu SQUIDissa käytetystä suprajohdemateriaalista ja näinollen toimintalämpötila on niin matala kuin suprajohde toimiakseen vaatii. Kohina ulostulossa on hyvin pieni; se ei ole paljon Josephsonin liitosten vaimentamiseen käytettyjen vastusten termistä kohinaa suurempi. SQUID-antureilla mitataan usein pientaajuisia signaaleja alueella 0,1 Hz - 10 kHz.

Ongelmana edelläesitetyn kaltaisissa antureissa on, että lähtösignaalin vahvistaminen ilman ko-hinalisäystä on hankalaa. Syynä tähän on se, että lähtösignaalin jännitevaihtelu on suhteellisen pieni, noin 10 uV - 100 uV huipusta huippuun. Lisäksi SQUIDin kohina ulostulossa vastaa likipitäen Josephsonin liitosten vaimentamiseen käytettyjen vastusten termistä kohinaa.

956 2

956 2 CNJ

Jos 4/2 K°:n lämpötilassa olevaa SQUID:iä seuraavan vahvistimen kohinalämpötila on alle 10 °K:iä/ ei vahvistin sanottavasti lisää magneettivuon mittauksen epävarmuutta .

Mikään tavanomainen huoneenlämpötilassa toimiva dc-kytketty vahvistin ei ole suoraan SQUID-anturin kanssa riittävän pienikohinainen. Tämä johtuu SQUID:-in pienestä lähtöimpedanssista ja siitä/ että sillä usein mitataan pientaajuisia signaaleja alueella 0,1 Hz - 10 kHz. Koska FET-vahvistimilla on noin 1 kHz -100 kHz taajuusalueella erittäin pieni kohinalämpötila, dc SQUID-anturin yhteydessä käytetään vuomodulaattoria sekä kylmässä toimivaa muuntajaa SQUID:in matalan impedanssin sovittamiseksi FET-vahvistimelle. Näin menetellen magneettivuon mittauksen epävarmuus määräytyy yksinomaan SQUID:in kohinasta. Lisäksi voidaan osoittaa sekä teoreettisesti että kokeellisesti, että SQUID:in kohinan pienentyessä myös magneettivuo-jännite muunnos kasvaa siten, että vaatimukset signaalin käsittely elektroniikan osalta eivät lisäänny.

Ongelmia kuitenkin syntyy, kun useita SQUID-antureita kytketään yhteen ja niiden avulla muodostetaan monikanavaisia laitteita. Tällaista laitetta edustaa monikanavainen magnetometri. Niitä on viimeaikoina valmistettu aivojen ja sydänten heikkojen magneettisten kenttien mittaamiseksi. Nykyään pyrkimuksenä on 30 τ 120 kanavaisten magnetometrien toteuttaminen. Jos tällainen monikanavainen magnetometri realisoidaan SQUID-anturien avulla ja käytetään hyväksi vuomodulaatiotek-niikkaa, signaalien käsittelyelektroniikasta aiheutuvat kustannukset ovat merkittäviä, koska jokaista SQUIDia ja kanavaa kohti täytyy olla kryogeeninen muuntaja, etuvahvistin, modulaattori jne. Tällaisen monikanavaisen magnetometrin elekroniikka muodostuu todella monimutkaiseksi ja kalliiksi.

On sinänsä tunnettua, että positiivista takai-sinkytkentää käyttämällä saadaan vahvistimen vahvistus 11 3 ta lisättyä. Tähän menetelmään liittyy kuitenkin riski, että vahvistimesta tulee epästabiili ja/tai se ajautuu pois toimintapisteestään.

Lisäksi positiivisen takaisinkytkennän yhteydessä on vaikea toteuttaa signaalin käsittelylaitetta siten, että anturin kuten SQUID:in kohina ei riippuisi myös seuraavan vahvistinasteen kohinasta. Tämä johtuu siitä, että riittävän vahvistuksen järjestäminen tekee laitteesta lähes epästabiilin. Jos laite taas suunnitellaan erittäin stabiiliksi, positiivisen takaisinkytkennän aiheuttama vahvistuksen lisäys ei riitä takaamaan, etteikö seuraavan vahvistinasteen kohina vaikuttaisi kokonaiskohinaan.

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä esitetyt epäkohdat tai ainakin merkittävästi niitä lieventää.

Erityisesti tämän keksinnön tarkoituksena on tuoda esille menetelmä ja laite toteuttaa positiivinen takaisinkytkentä adaptiivisena siten, että vahvistus saadaan riittäväksi ilman epästabiilisuutta.

Kun käytetään positiivista adaptiivista takai-sinkytkentää, vuomodulaatiotekniikkaa ei välttämättä tarvita. Sen poistaminen aiheuttaa sen, että Joseph-sonin liitosten kriittisten virtojen lämpötilariippuvuus aiheuttaa mitattavaan vuohon lämpötilariippuvuuden. Tämän keksinnön tarkoituksena on myös esittää menetelmä ja laite yhdistää adaptiiviseen positiiviseen takaisinkytkentään kriittisen virran lämpötilariippuvuuden synnyttämän vuokohinan eliminoiminen.

Edelleen keksinnön tarkoituksena on esittää erilaisia menetelmiä negatiivisen taisinkytkennän järjestämiseksi.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1.

Keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 11.

Keksinnön mukaiselle monikanavaiselle magneto- 4 metrille on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 19.

Keksinnön mukaiselle laitteelle magneettikentän suuruuden ja/tai gradientin mittaamiseksi on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 20.

Keksinnön mukainen menetelmä kohdistuu pieni-kohinaisen anturin, erityisesti yhteen tai useampaan Josephsonin liitokseen perustuvan anturin, kuten SQUID-in, lähtösignaalin käsittelemiseen. Keksinnön mukaisesti lähtösignaali kytketään takaisin anturin tuloon vastuksen avulla positiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi; ja vahvistus asetetaan sopivaksi vastuksen arvoa säätämällä.

Keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista se, että anturin lähdön ja tulon väliin on sovitettu säädettävä vastus positiivisen takaisinkytkennän toteuttamiseksi, jonka vastuksen arvo asetetaan sopivaksi halutun vahvistuksen aikaansaamiseksi.

Laitteen eräässä sovellutuksessa säädettävä vastus on jännitteellä, virralla tai valolla anturin ulkopuolelta ohjattava vastus. Edullisesti säädettävä vastus on kanavatransistori, kuten GaAs JFET tai MES-FET,

Menetelmän eräässä sovellutuksessa mittaus-tapahtuman alussa vahvistettua lähtösignaalia tarkkaillaan ja vahvistus asetetaan sopivalle tasolle vastuksen arvoa säätämällä, jonka jälkeen varsinainen mittaus suoritetaan.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa vahvistetusta lähtösignaalista tarkkaillaan mittauskaistan ulkopuolista, edullisesti yläpuolista, kohinasignaalia, jonka mukaan vastuksen arvo säädetään.

Laitteen eräässä sovellutuksessa siihen kuuluu ilmaisin mittauskaistan yläpuolisen kohinan ilmaisemiseksi ja säätölaite vastuksen arvon ja sen avulla vahvistuksen asettamiseksi siten, että ulostulokohina on li 95628 5 ohjearvon suuruinen.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa anturiin syötetään tietyn taajuista vaihtosähkösignaalia, edullisesti sinimuotoista signaalia, jonka vahvistettua lähtösignaalia tarkkaillaan ja tämän perusteella säädetään vastuksen arvo sopivaksi.

Laitteen eräässä sovellutuksessa siihen kuuluu oskillaattori, joka on kytketty anturin lähtöön, ja ilmaisin oskillaattorin signaalin ilmaisemiseksi ja säätölaite vastuksen arvon asettamiseksi siten, että oskillaattorin vahvistettu lähtösignaali on ohjearvon suuruinen.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa vahvistettu lähtösignaali viedään säätäjän kautta takaisin anturin tuloon negatiivisen vastakytkennän aikaansaamiseksi ja lopullinen mittaus suoritetaan takaisinkytkentäjännit-teestä.

Laitteen eräässä sovellutuksessa laitteeseen kuuluu toinen säätäjä, jonka kautta vahvistettu lähtö-signaali viedään takaisin anturin tuloon negatiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa negatiivinen takaisinkytkentä sovitetaan siten, että se vaikuttaa olennaisesti vain sillä taajuusalueella, jolla mittaukset suoritetaan.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa SQUID:n negatiivinen takaisinkytkentä toteutetaan ulkoisen huoneenlämpötilasta tuodun magneetikentän kautta kumoamalla sen avulla SQUIDiin vaikuttava magneetikenttä.

Laitteen eräässä sovellutuksessa SQUID:n läheisyyteen huoneenlämpötilaan on järjestety erillinen käämi, jonka kautta vahvistettu lähtösignaali on kytketty takaisin SQUIDin tuloon negatiivisen takaisinkytkennän toteuttamiseksi ja magneetikentän kumoamiseksi .

Menetelmän eräässä sovellutuksessa käytetään SQUID-paria, joiden kahden SQUID:in lähtöjännitteiden 95628 6 summasignaali ilmaistaan ja summan negatiivinen vas-takytkentä järjestetään magneettikenttien kautta takaisin kumpaankin SQUIDiin; ja kahden SQUIDin lähtöjännit-teiden erotussignaali ilmaistaan ja erotuksen negatiivinen vastakytkentä järjestetään magneettikenttien kautta takaisin kumpaankin SQUIDiin ja jossa magneettikentän gradientti on verrannollinen virtaan, jonka avulla summasignaalin negatiivinen takaisinkytkentä aikaansaadaan ja jossa magneettikentän suuruus on verrannollinen virtaan, jonka avulla erotussignaalin negatiivinen takaisinkytkentä aikaansaadaan.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa yhteen tai useampaan Josephsonin liitokseen perustuvan anturin kuten SQUIDin, lähtösignaalin käsittelemiseksi Josephsonin liitoksen kriittisen virran lämpötilariipppuvuu-den synnyttämän vuokohinan eliminoimiseksi liitoksen lähelle asetetaan lämpötilasta riippuva vastus.

Menetelmän eräässä sovellutuksessa Josephsonin liitoksen kriittisen virran vuokohinan eliminoimiseksi biasvirtaa ja/tai biasjännitettä moduloidaan suurella taajuudella ja vuota siirretään samanaikaisesti puolet jaksonpituudesta.

Keksinnön mukaiseen monikanavaiseen magnetometriin kuuluu joukko yksittäisiä magnetometrejä, jotka on toteutettu SQUID-antureiden avulla, jotka anturit on järjestetty kylmään tilaan kuten dewariin, ja varustettu etuvahvistimella ja negatiivisella takaisinkytken-nällä. Keksinnön mukaisesti kunkin yksittäisen magnetometrin SQUID-anturin läheisyyteen kylmän tilan ulkopuolelle on järjestetty käämi, joka on yhdistetty ainakin vastaavan SQUIDin etuvahvistimen lähtöön, jonka käämin kautta takaisinkytkentä toteutetaan SQUIDiin vaikuttavan magneettikentän kumoamiseksi.

Keksinnön mukaisesti laitteeseen magneettikentän suuruuden ja/tai gradientin mittaamiseksi kuuluu kaksi SQUIDia, näiden etuvahvistimet ja SQUIDien läheisyyteen huoneenlämpötilaan järjestetyt erilliset kää- li 95628 7 mit, joiden etuvahvistimien lähdöt on yhdistetty sum-mauselimen ja ensimmäisen säätäjän kautta samansuuntaisesti molempien SQUIDien ensimmäisiin käämeihin summasignaalin negatiivisen takaisinkytkennän aikaan-5 saamiseksi, ja joiden etuvahvistimien lähdöt on yhdistetty vähennyselimen ja toisen säätäjän kautta vastak-kaissuuntaisesti molempien SQUIDien toisiin käämeihin erotussignaalin negatiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi ja jossa magneettikentän gradientti on ver-10 rannollinen virtaan, jonka avulla summasignaalin negatiivinen takaisinkytkentä aikaansaadaan ja jossa magneettikentän suuruus on verrannollinen virtaan, jonka avulla erotussignaalin negatiivinen takaisinkytkentä aikaansaadaan.

15 Laitteen eräässä sovellutuksessa SQUIDien keskinäisinduktanssien poikkeamien kompensoimiseksi laitteeseen kuuluu sähköinen korjauspiiri, joka on yhdistetty takaisinkytkentäpiirien välille siten, että pieni osa magneettkenttään verrannollisesta jännittees-20 tä summataan magneettikentän gradienttiin verrannolliseen jännitteeseen.

Laitteen eräässä sovellutuksessa kolme paria SQUID-antureita on kytketty kuvitellun kuution vastakkaisille sivuille magneettikentän suuruuden ja/tai 25 gradientin mittaamiseksi kolmessa avaruuden suunnassa.

Keksinnön etuna on, että positiivista ta-kaisinkytkentää voidaan soveltaa tehokkaasti pienikohinaisten anturien yhteydessä pienten signaalien vahvistamiseksi .

30 Keksinnön etuna on edelleen, että positiivinen takaisinkytkentä toteutetaan adaptiivisesti, jolloin järjestelmä pysyy stabiilina ja optimitilassa mittauksen aikana.

Keksinnön etuna on lisäksi se, että alhaiseen 35 lämpötilaan sijoitetaan pienempi määrä laitteen osia kuin aikaisemmissa laitteissa. Näin ylläpitokustannuksia kuten myös valmistuskustannuksia voidaan pienentää.

95628 8

Keksinnön etuna on myös se, että positiivisen adaptiivisen takaisinkytkennän lisäksi voidaan hyödyntää erilaisia negatiivisia takaisinkytkentämenettelyjä.

Keksinnön etuna on edelleen, että menetelmä 5 mahdollistaa anturin lähtösignaalin käsittelylaitteen yksinkertaistamisen.

Keksinnön ansiosta monimutkaisesta vuomodulaa-tiotekniikasta voidaan luopua ainakin SQUID-anturien lähtösignaalien käsittelyssä.

10 Edelleen keksinnön ansiosta voidaan toteuttaa uusi monikanavainen magnetometri aikaisempaa yksinkertaisemmin, suhteellisen taloudellisesti ja luotettavasti.

Edelleen keksinnön ansiosta voidaan toteuttaa 15 uusi laite magneettikentän suuruuden ja/tai gradientin mittaamiseksi, jonka tarkkuus on suuri ja dynamiikka laaja. Tällaisen laitteen etuna on myös, että sen avulla voidaan mitata sekä magneettikenttä että sen gra-dientti.

20 Keksinnön etuna on edelleen, että keksinnön mukaiseen menetelmään tukeutuen voidaan toteuttaa erittäin hyvin balansoitu gradiometri, jonka sähköinen virittäminen suoritetaan edullisesti vain kerran.

Seuraavassa keksintöä ja sen etuja selostetaan 25 yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin piirustuk siin, joissa kuva 1 esittää kaaviomaisesti SQUID-anturia ja tekniikan tason mukaista lähtösignaalin käsittelyä; kuva 2 esittää SQUID-anturin lähtöjännitteen riippu-30 vuutta tulevasta magneettivuosta kuvan 1 mukaisessa järjestelyssä; kuva 3 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaista laitetta positiivisen adaptiivisen takaisinkytkennän järjestämiseksi SQUID-anturin yhteyteen.

35 kuva 4 esittää SQUID-anturin lähtöjännitteen riippuvuutta tulevasta magneettivuosta kuvan 3 mukaisessa järjestelyssä;

II

95628 9 kuva 5 esittää kaaviomaisesti negatiivisen takaisinkytkennän järjestämistä ulkopuolisen käämin kautta SQUID-anturiin; kuva 6 esittää havainnollisesti kuvan 5 mukaisen jär-5 jestelyn soveltamista monikanavaiseen magnetometriin; kuva 7 esittää kaaviomaisesti magnetometrin ja/tai gradiometrin toteuttamista keksinnön mukaisesti SQUID-parin avulla; kuva 8 esittää kaaviomaisesti laitetta magneettikentän 10 ja magneettikentän gradienttien mittaamiseksi; kuva 9 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaista laitetta, jossa kohinan avulla säädetään takaisinkytkentä-vastuksen arvoa; kuva 10 havainnollistaa SQUID-anturin lähtöjännitteen 15 riippuvuutta ulkoisen magneettivuon voimakkuudesta silloin, kun biasvirtaa moduloidaan suurella taajuudella; ja kuva 11 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaista laitetta, jossa SQUID-anturin lämpötilariippuvuus voidaan 20 kompensoida kahdella eri tavalla.

Kuvassa 1 on esitetty kaaviomaisesti SQUID-anturi 1 ja siihen yhdistetty tavanomainen lähtösig-naalin käsittelylaite. Laitteeseen kuuluu muuntaja 2, jonka välityksellä anturi on sovitettu FET-esivahvis-25 timeen 3. Esivahvistimen lähtö on yhdistetty demodu-laattortin 7 ja säätäjän 4 kautta vuomodulaatiokäämiin 5, johon myös modulaattori 6 on yhdistetty. Käsittelylaitteen lähtösignaali saadaan säätäjän 4 lähdöstä. Laitteeseen on lisäksi merkitty signaalikäämi 8, jonka 30 kautta mitattava virta tai magneettikenttä siirretään SQUIDin 1 renkaaseen a.

SQUID 1 on muodostettu suprajohtavasta renkaasta a sekä yhdestä tai kahdesta Josephsonin liitoksesta, jotka on asetettu matalaan esim 4,2 °K:een lämpö-35 tilaan. Samaan lämpötilaan on asetettu myös muuntaja 2 ja käämit 5 ja 8 (eli katkoviivoin rajatut komponentit) . Tässä tapauksessa renkaassa a on kaksi Joseph- 95628 10 soriin liitosta b, c. Anturia kutsutaan tällöin dc SQUID:iksi. Tällainen anturi muuntaa suprajohtavan renkaan läpi kulkevan magneettikentän vuon Φ jännitteeksi U. Tyypillinen SQUID:in lähtöjännite U vuon Φ 5 funktiona on kuvan 2 mukaisesti jaksollinen ja siihen sisältyy vakio-osa Uv, joka riippuu Josephsonin liitosten kriittisestä virrasta. Jaksonpituus on yksi vuo-kvantti Φ0 - 2.05 10-15 Wb.

SQUID-anturin 1 yhteydessä käytetään modulaatio toria 4 eli ns vuomodulaattoria ja kylmässä toimivaa muuntajaa 2 SQUID:in matalan impedanssin sovittamiseksi FET-esivahvistimelle 3. Kenttävaikutustransistori eli FET-vahvistimilla on noin 1 kHz - 100 kHz taajuusalueella erittäin pieni kohinalämpötila.

15 Vuomodulaattorissa 4 sakara-aallon muotoisen vuomodulaation amplitudi on asetettu vastamaan puolta vasteen jaksonpituudesta (katso kuva 2), joten jokaista jaksoa kohti Φ on kaksi toimintapistettä siten, että vuomodulaatio ei aiheuta jännitevaihtelua SQUID:in 20 lähtöön. Jos ulkoinen vuo kuitenkin siirtää toimintapistettä, ilmestyy sakara-aalto SQUID:in yli ja se vahvistetaan muuntajaa 2 seuraavalla vahvistimella 3. Säätäjä 4 palauttaa vuon takaisin nollapisteeseen syöttämällä tarvittavan korjausvirran SQUIDin yhteydessä 25 olevaan käämiin 5.

Kuva 3 esittää kaaviomaisesti erästä keksinnön mukaista laitetta. SQUID 1 koostuu suprajohtavasta renkaasta a ja Josephsonin liitoksista b, c. SQUIDin lähtö d on kytketty takaisin tuloon eli takaisinkyt-30 kentäkäämiin 14 säädettävän vastuksen 9 kautta. Mitattava virta tai magneettikenttä tuodaan SQUID:in renkaaseen signaalikelan 8 kautta. Kaikki laitteen komponentit, so SQUID 1, takaisinkytkentäkäämi 14, signaalikää-mi 8 ja säädettävä vastus on asetettu sopivaan astiaan, 35 kuten dewariin 17, matalaan lämpötilaan, esim 4,2 °K lämpötilaan. Olennaista on, että ainakin säädettävä vastus 9 on SQUIDin 1 kanssa matalassa lämpötilassa.

il 11 SQUID biasoidaan yleensä tuomalla virtaa johtimen 10 kautta. Mittaus suoritetaan mittaamalla SQUID:in lähtö jännite U lähtönapojen 11 ja 12 väliltä.

Kuvan 3 mukainen takaisinkytkentä aiheuttaa sen, että SQUID:in lähtöjännitteen U riippuvuus mitattavasta magneettivuosta Φ tulee kuvan 4 mukaisesti epäsymmetriseksi; joka toinen jakso on loiva A eli negatiivisen takaisinkytkennän alue, ja joka toinen jakso on jyrkkä B eli positiivisen takaisinkytkennän alue.

Kuvassa 3 säädettävä vastus 9 on toteutettu siten, ettäää sen arvoa voidaan muuttaa johtimen 13 kautta syötettävän jännitteen avulla. Vastuksen arvoa säädetään huoneenlämpötilasta käsin, jolloin positiivisen takaisinkytkennän aiheuttama vahvistuksen kasvu voidaan periaatteessa säätää lähelle ääretöntä. Näin SQUID:in parametrivaihteluista huolimatta positiivisen adaptiivisen takaisinkytkennän avulla saada aikaan suuri vahvistus.

Vahvistuksen kasvun lisääntymisen myötä ulostulon kohina lisääntyy. Kun vahvistus on pieni, kohina määräytyy SQUID:iä seuraavan vahvistimen kohinasta. Vahvistuksen lisääntyessä riittävästi, edullisimmin noin 5-20 kertaiseksi, kohina määräytyy SQUID:in kohinasta ja vahvistimen efektiivinen lähtökohina lisääntyy.

Eräs menetelmä toteuttaa kuvan 3 mukaisessa laitteessa vastuksen 9 säätöjärjestely on seuraava. Ilmaistaan mittauskaistan ulkopuolella, erityisesti sen yläpuolella oleva lähtökohina sopivalla taajuudella tai taajuuskaistalla, kuten 10 kHz - 100 kHz. Tälle kohinalle asetetaan ohjearvo. Säädettävän vastuksen 9 arvoa kasvatetaan, kunnes lähtökohina on ohjearvon suuruinen. Säätäjä lukitsee esivahvistimen vahvistuksen siten, että ko. kohinataso saavutetaan. Näin voidaan automaattisesti huolehtia siitä, että SQUID:in lähtösignaalin kokonaisvahvistus on riittävä, jotta huoneenlämpötilas- 95628 12 sa toimiva esivahvistin ei lisää merkittävästi SQUID:in kohinaa. Säädettävän vastuksen arvo voidaan asettaa vain mittauksen alussa, mikäli SSQUID:in parametrien voidaan olettaa pysyvän mittauksen aikana riittävällä 5 tarkkuudella vakioina.

Edellä kuvassa 3 esitettyyn laitteeseen kuuluu lisäksi esivahvistin ja säätäjä, joita ei ole esitetty tässä piirustuksessa. Tähän toteutusesimerkkiin palataan myöhemmin. SQUIDin vahvistettu lähtösignaali vie-10 dään säätäjän kautta takaisin SQUID:in tuloon negatiivisen vastakytkennän aikaansaamiseksi. Lopullinen mittaus suoritetaan takaisinkytkentäjännitteestä, joka on lineaarisessa suhteessa mitattavaan ulkoiseen magneettivuohon. Negatiivinen takaisinkytkentä toteutetaan 15 siten, että sillä taajuudella tai yleensä taajuusalueella, jossa kohina mitataan, negatiivinen takaisinkytkentä ei vaikuta ainakaan merkittävästi.

Toinen menetelmä toteuttaa kuvan 3 mukaisessa laitteessa vastuksen 9 säätöjärjestely on seuraava.

20 SQUIDiin syötetään sopivan taajuista, edullisesti sinimuotoista, vaihtosähkösignaalia. Tällaisen signaalin taajuus voi olla välillä 10 kHz - 10 MHz. Tämä vahvistetaan esivahvistimella ja sitä verrataan ennaltamää-rättyyn signaaliarvoon. Vaihtosähkösignaalin amplitudi 25 tai muu vastaava suure säädetään jälleen vastuksen 9 arvoa muuttamalla esivahvistimen lähdössä suuruudeltaan sellaiseksi, että se vastaa ennaltamäärättyä signaaliarvoa.

Menetelmä vastaa periaatteessa edellä esitet-30 tyä kohinan mittaukseen perustuva menetelmää. Tämän menetelmän soveltaminen vaatii erillisen oskillaattorin lisäämisen SQUIDin lähtösignaalin käsittelylaitteeseen. Tätä menetelmää voidaan soveltaa edullisesti tapauksissa, joissa käytetään useita SQUID:eja samanaikaises-35 ti; yksi oskillaattori tai vaihtosähkögeneraattori voi syöttää useaa SQUID:iä.

Keksinnön mukaisesti olennainen osa adaptiivi- I» 95628 13 sessa posiivisessa takaisinkytkennässä on säädettävä vastus 9. Tämä voidaan realisoida edullisimmin matalassa lämpötilassa toimivalla kanavatransistorilla kuten esim GaAs JFET:illä tai MESFET:illä, piipohjäisellä MOSFET:tejä tai kvanttikaivoon perustuvalla HEMTrillä. Kanavatransistorin läpimenovastusta voidaan helposti säätää hilajännitettä säätämällä. GaAs JFETä on kokeiltu keksinnön mukaisessa laitteessa SQUIDin vahvistuksen lisäämiseksi ja todettu, että järjestelmän kohina saadaan riippumaan yksinomaan SQUID:in kohinasta.

Eräs mahdollisuus säädettävän vastuksen realisoimiseksi on käyttää erittäin voimakkaasti lämpötilasta riippuvaa vastusmateriaalia ja säätää virralla vastuksen lämpötilaa. Sopiva puolijohde soveltuu tarkoitukseen hyvin. Suprajohteissa tietyssä lämpötilassa tapahtuvaa transitiötä voidaan myös hyödyntää säädettävän vastuksen realisoimiseksi. Säädettävä vastus saadaan aikaan myös valaisemalla suprajohteesta tehtyä kappaletta tai puolijohteesta tehtyä vastusta. Suprajohteesta tehty ohut johdin voidaan jopa integroida SQUID-piirin kiinteäksi osaksi. Valon tai infrapuna-säteilyn käyttö suprajohteesta tehdyn vastuksen säätämiseen perustuu siihen, että suprajohteen perustana olevat Cooperin parit voidaan hajottaa valon avulla. Säteilyn voimakkuus määrää aikayksikössä tuhottujen parien määrän ja täten "suprajohteen" efektiivisen resistiivisyyden. On myös mahdollista käyttää piialus-taa puolijohdevastuksen tekemiseksi, jota voidaan käyttää valoherkkänä vastuksena. Valo tai pitkäaaltoinen säteily voidaan helposti kuljettaa dewariin sijoitettuun vastukseen valokuitua pitkin.

Edellä esitettyä adaptiivista positiivista takaisinkytkentää voidaan soveltaa yhdessä vuomodulaa-tiotekniikan kanssa. Mikäli SQUIDin lähtöjännite mitataan suoraan ilman vuomodulaatiota, lähtöjännite riippuu myös Josephsonin liitosten kriittisten virtojen fluktuaatiosta sekä niiden lämpötilariippuvuudesta.

95628 14 Lämpötilariippuvuus voidaan yksinkertaisesti elimimoida asettamalla SQUID:in lähelle lämpötilasta riippuva vastus ja säätämällä sen yli jännite siten, että virta kulkiessaan takaisinkytkentäkäämin lävitse kumoaa 5 SQUID:in lämpötilariippuvuuden vaikutuksen mittaustulokseen. Lämpötilasta riippuvana vastuksena voidaan käyttää esim. puolijohdemateriaalista valmistettua vastusta. Yleensä SQUID:it valmistetaan piialustalle, joten lämpötilasta riippuva vastus voidaan realisoida 10 myös integroimalla se samalle alustalle SQUIDin kanssa.

Magnetometreissä käytetään SQUID-antureita. Nykyisissä magnetometrisovellutuksissa negatiivinen takaisinkytkentä on toteutettu kuljettamalla ja yhdistämällä johtimet huoneenlämpötilasta esivahvistimen 15 lähdöstä takaisin matalassa lämpötilassa olevaan SQUID-:iin ja erityisesti tämän yhteydessä olevaan magneettikenttää kytkevään käämiin. Viittaamme kuvaan 1.

Negatiivinen takaisinkytkentä voidaan toteuttaa keksinnön mukaisesti myös SQUIDin ulkopuolelta ja 20 huoneenlämpötilasta kuten kuvissa 5 ja 6 on havainnollistettu.

Kuvan 5 sovellutusesimerkissä dewarissa 17 tai vastaavassa jäähdytetyssä astiassa olevan SQUIDn 1 lähtö on yhdistetty huoneenlämpötilassa olevaan vahvis-25 timeen ja mahdollisen säätäjään 15. Vahvistimen 15 lähtö on yhdistetty huoneenlämpötilassa olevaan käämiin 16, joka on sovitettu SQUIDin välittömään läheisyyteen siten, että takaisinkytkentä käämistä 16 siihen aikaansaadun magneettikentän ja SQUIDin renkaan läpi kulkevan 30 vuon Φ kautta SQUIDiin toteutuu.

Kuvassa 6 on esitetty havainnollisesti ja kaaviomaisesti monikanavainen magnetometri, joka on tarkoitettu erityisesti aivojen magneettikenttien mittaamiseen. Magnetometriin kuuluu jäähdytetty astia, 35 kuten dewari 17, jonka sisällä matalassa lämpötilassa on joukko yksittäisiä magnetometrejä eli SQUID-antureita 18. Dewarin 17 alapuolella, esim. dewarin alapintaan li 15 kiinnitettynä, on joukko käämejä 19, jotka ovat huoneenlämpötilassa. Ne on asetettu yksittäisten SQUIDien 18 kohdalle. Takaisinkytkemällä kunkin SQUID:in 18 lähtösignaali vahvistimesta 20 takaisin SQUID:iin vas-5 taavan käämin 19 kautta, SQUID:iin vaikuttava magneettikenttä voidaan kumota.

Jos kaikkien yksittäisten magnetometrien eli kanavien osalta menetellään edellä esitetyllä tavalla, dewarin 17 ulkopuolelle saadaan muodostettua käämien 19 10 avulla joukko virtadipoleja, jotka kumoavat magneettikentän kaikissa SQUID:eissä 18. Tällainen takaisinkytkentä on stabiili vaikka ulkopuolella oleva käämi 19 vaikuttaisi hajakentällään jonkin verran myös muihin lähellä oleviin SQUID:eihin. Jos kuitenkin takaisinkyt-15 kentä on säätöteknisesti epästabiili, jokaisesta SQUID-:istä voidaan helposti järjestää takaisinkytkentä sen lähellä olevan dipolilähteen lisäksi läheisiin dipoli-lähteisiin. Valitsemalla sopivasti takaisinkytkentävah-vistukset tällaisesta ristiinkytkeytymisestä aiheutuvat 20 ongelmat voidaan eliminoida.

Kun käämit 19 eli dipolilähdejoukko on kiinnitetty kupuun 21, joka on sovitettavissa esim. potilaan päähän, potilaan aivoissa olevan virtadipolin paikka saadaan paikallistettua, koska "lakissa" eli kuvussa 21 25 olevat dipolilähteet on helppo paikallistaa suhteessa potilaaseen. Jos näin menetellään, tulee kuitenkin huolehtia siitä, että "lakki" pysyy suhteellisen tarkasti vakiopaikassa suhteessa dewariin 17 sijoitettuihin SQUlD-antureihin 18. Näin varmistetaan takaisinkyt-30 kennän pysyminen stabiilina.

Edellä kuvien 5 ja 6 yhteydessöä selostettua takaisinkytkentämenettelyä voidaan soveltaa niin magnetometriin kuin myös gradiometriin. Magnetometrin yhteydessä gradientti voidaan mitata esim vähentämällä 35 kahden vierettäisen virtadipolin eli käämin 19 (vrt kuva 6) virrat keskenään. Vähennystekniikalla voidaan helposti myös rakentaa korkeamman kertaluvun gradio- 16 metrejä.

Negatiivinen takaisinkytkentä voidaan myös toteuttaa kuvan 7 mukaisella järjestelyllä. Tämä takaisinkytkentä soveltuu erityisesti suhteellisen pitkän 5 kannan omaavaan gradiometriin. Tällainen gradiometri on erittäin tarkka. Kun tässä hakemuksessa esitettyjä SQUIDin lähtösignaalin käsittelytapoja ja -laitteita sovelletaan mm magnetometriin ja gradiometriin, tällaiselle laitteelle saadaan lisäksi erittäin suuri dyna-10 miikka; pienimmän ja suurimman mitattavan suureen ero on edullisimmillaan luokkaa 108.

On tunnettua, että nykyaikaisella SQUID:ien valmistustekniikalla voidaan antennina toimivien renkaiden koko tehdä vakioksi muutaman mikrometrin epä-15 tarkkuudella. Vaikka renkaat poikkeaisivatkin hiukan toisistaan, pysyy silmukan koko ajan funktiona erittäin tarkasti vakiona. Näin ollen pystytään valmistamaan ainakin yksi SQUID-pari, jonka SQUIDit ovat olennaisesti samanlaiset.

20 Kuvan 7 mukaiseen laitteeseen magneettikentän suuruuden ja/tai gradientin mittaamiseksi kuuluu kaksi SQUIDia 22, 23 eli SQUID-pari, näiden esivahvistimet 24, 25 ja SQUIDien läheisyyteen järjestetyt ensimmäiset takaisinkytkentäkäämit 26, 27 ja toiset takaisinkyt- 25 kentäkäämit 28, 29. Laitteeseen kuuluu edelleen sum-mauselin 30 ja ensimmäinen säätäjä 32 sekä erotus- eli vähennyselin 31 ja toinen säätäjä 33. Esivahvistimien 24, 25 lähdöt on yhdistetty summauselimen 30 ja ensimmäisen säätäjän 32 kautta samansuuntaisesti molempien 30 SQUIDien 22, 23 ensimmäisiin käämeihin 26, 27, jotka on kytketty sarjaan. Esivahvistimien 24, 25 lähdöt on myös yhdistetty erotuselimen 31 ja toisen säätäjän kautta vastakkaissuuntaisesti molempien SQUIDien 22, 23 toisiin käämeihin 28, 29, jotka on kytketty sarjaan. En-35 simmäisten käämien 26, 27 ja vastaavasti toisten käämien 28, 29 kanssa on lisäksi sarjassa vastukset 34, 35 vastaavasti.

n 17

Kuvan 7 laitteessa kahden SQUID:in 22, 23 vahvistettujen lähtösignaalien summa on kytketty takaisin kummankin SQUID:in ensimmäisiin takaisinkytkentä-käämeihin 26, 27 samansuuntaisesti siten, että kumman-5 kin SQUIDin lähtösignaalit pienenevät. Toisin sanoen mittausten summasignaalilla on negatiivinen vastakyt-kentä magneettivoiden kautta takaisin SQUIDien tuloon. Toisaalta vahvistettujen lähtösignaalien erotus on takaisinkytketty toisten käämien 28, 29 kautta siten, 10 että ensimmäisen SQUID:in 22 lähtösignaali pienenee ja toisen SQUID:in 23 lähtösignaali suurenee. Toisin sanoen mittausten erotuksella on negatiivinen vastakyt-kentä magneettivoiden kautta takaisin SQUIDien tuloon.

Kun kuvan 7 mukainen järjestelmä on tasapai-15 nossa, gradientti saadaan yksinkertaisesti mittaamalla toisiin käämeihin 28, 29 syötetty virta IJ# joka synnyttää vuot SQUID:eissä 22, 23 vastakkaisiin suuntiin.

Magneettiikentän arvo saadaan mittaamalla ensimmäisiin käämeihin 26, 27 syötetty virta I2.

20 Keskinäisinduktanssit SQUID:ien 22, 23 välillä voivat poiketa toisistaan jonkin verran. Näiden poikkeamien kompensoimiseksi laitteeseen kuuluu korjaus-piiri 36, joka on yhdistetty kuvassa 7 takaisinkytken-täpiirien välille siten, että pieni osa magneettikent-25 tään verrannollisesta jännitteestä, kuten vastuksen 34 yli vaikuttavasta jännitteestä Ux, summataan magneettikentän gradienttiin verrannolliseen jännitteeseen, kuten vastuksen 35 yli vaikuttavaan jännitteeseen U2.

Kuvan 7 mukaisen laitteen periaatetta noudat-30 taen voidaan toteuttaa erittäin hyvin balansoitu gra-diometri, koska SQUID:ien rakenteet ovat erittäin stabiileja ja koska elektronisen korjauksen tarve on pieni. Tällaista gradiometriä ei tarvitse virittää sähköisesti kuin kerran. Toteutuksen etuna on myös se, 35 että samalla järjestelyllä voidaan mitata sekä magneettikenttä että gradientti. Säätämällä käämien pinta-aloja ja SQUID:ien etäisyyttä toisistaan voidaan erikseen 18 säätää magnetometrin herkkyys ja toisaalta gradiometrin herkkyys. Näin voidaan rakentaa erilaisiin sovellutuksiin, esim. geomagneettisiin mittauksiin, soveltuvia gradiometrejä ja magnetometrejä.

5 Kuvan 7 mukaisen laitteen periaatetta noudat taen voidaan toteuttaa laite magneettikentän suuruuden ja/tai gradientin mittaamiseksi kolmessa avaruuden suunnassa. Tässä sovellutuksessa kolme paria SQUID-an-tureita 22a, 23a; 22b, 23b; 22c, 23c on kytketty kuuti-10 on vastakkaisille sivuille, kuten havinnollisesti kuvassa 8 on esitetty. Kukin SQUID-pari on vuorostaan varustettu kuvan 7 mukaisella lähtösignaalin käsittelylaitteella.

Tämän järjestelyn avulla magneettikentän ja 15 gradienttien arvot voidaan mitata kolmeen avaruuden suuntaan. Tämä on riittävä määrä mittauksia, jotta magneettikenttä voitaidaan täysin karakterisoida. Järjestely sopii erityisen hyvin geologisiin magneettikentän kartoitusmittauksiin. On huomattava, että kuutio-20 järjestelyssä SQUID:ien paikka ei ole kovin kriittinen. Lisäksi riittää, jos vastakkaisten pintojen tasot pysyvät paikallaan toistensa suhteen ajan ja lämpötilan funktiona.

Kuvassa 9 on esitetty lohkokaavion muodossa 25 eräs keksinnön mukainen laite. Tässä laitteessa positiivista takaisinkytkentää sovelletaan SQUIDin lähtöjännitteen vahvistuksen lisäämiseksi ja takaisinkytkennän adaptiivinen säätö toteutetaan kohinasignaa-lin suuruutta tarkkailemalla. Laitteessa on lisäksi 30 SQUIDin Josephsonin liitosten lämpötilariippuvuus kumottu lämpötilasta riippuvalla vastuksella.

Kuvan 9 laitteeseen kuuluu SQUID-anturi 1, signaalikäämi 8, säädettävä vastus 9 ja takaisinkyt-kentäkäämi 14, jotka on asetettu matalaan lämpötilaan 35 dewariin tai vastaavaan 37. Signaalikäämi ja takaisin-kytkentäkäämi ovat SQUIDin 1 renkaan a välittömässä läheisyydessä. Signaalikäämin 8 kautta mitattava virta 95628 19 tai magneettikenttä siirretään SQUIDin 1 suprajohtavaan renkaaseen a. Säädettävä vastus 9 on kytketty SQUIDin lähdön ja takaisinkytkentäkäämin 14 väliin positiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi.

Laitteeseen kuuluu edelleen huoneenlämpötilassa olevat pienikohinainen esivahvistin 38, säätäjä 39 ja takaisinkytkentävastus 40. SQUID:in 1 lähtösignaali vahvistetaan esivahvistimella 38, jonka jälkeen vahvistettua lähtösignaalia verrataan referenssijännitteeseen Url ja erojännite kytketään säätäjän 39, kuten Pl-sää-täjän, ja takaisinkytkentävastuksen 40 kautta takaisin-kytkentäkäämiin 14 ja edelleen SQUIDiin negatiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi. Mittaussignaali Uout otetaan ulos säätäjän 39 lähdöstä.

Laitteeseen kuuluu edelleen vahvistin 41, suodin 42, edullisesti kaistanpäästösuodin, ilmaisin 43 ja säätäjä 44, edullisesti ΡΙ-säätäjä, jotka on kytketty toisiinsa ja edelleen säädettävään vastukseen 9. Kohinan tai muun säätösignaalin ilmaisemiseksi SQUIDin lähtösignaali viedään esivahvistimen 38 jälkeen vahvistimen 41 ja kaistanpäästösuodattimen 42 kautta ilmaisimelle 43. Ilmaisimen 43 lähtöjännitettä verrataan referenssi jännitteeseen Ur2 ja erojännite viedään säätäjän 44 kautta säädettävälle vastukselle 9. Referenssijännite Ur2 edustaa kohinasignaalin vertailuarvoa, joka pyritään saavuttamaan. Kohinasignaalin ja vertailuarvon erotuksen eli erojännitteen perusteella säädettävän vastuksen 9 vastusarvo asetetaan siten, että tämä asetettu vertailuarvo saavutetaan.

SQUID:in 1 toimintapiste on asetettu säädettävien vastusten 45 ja 46 avulla. Vastuksella 45 asetetaan biasvirta Ifa ja vastuksella 46 biasjännite Ub sopivaksi. Jännite Ur3 on kytketty lämpötilasta riippuvan vastuksen 47 kautta SQUID:in 1 takaisinkytkentäkäämiin 14. Oikein viritettynä SQUID:in lähtösignaali riippuu lineaarisesti tulovirrasta, so mitattavasta tulosig-naalista, ja sen kohinataso määräytyy SQUID:in omasta 95628 20 kohinasta. Jos lisäksi ulkoisen lämpötilan mukaan säätyvä vastus 47 ja/tai jännite Ur3 on oikein valittu, lähtösignaali on riippumaton SQUID:in Josephsonin liitosten kriittisten virtojen fluktuaatiosta ja käyttö-5 lämpötilasta.

Toinen tapa eliminoida Josephsonin liitosten kriittisten virtojen fluktuaatio ja lämpötilariippuvuus on moduloida biasvirtaa Ib tai biasjännitettä Ub suurella taajuudella. Samassa yhteydessä tulee magneettivuota 10 Φ siirtää puolet jaksonpituudesta. Mittaamalla SQUID:-in keskimääräinen lähtöjännite havaitaan, että se on vuosta riippuva sinimäinen jännite ja sen keskiarvo on nolla, jos SQUID virta/jänniteominaiskäyrä on symmetrinen .

15 Kuvassa 10 on havainnollisesti esitetty SQUID- in lähtöjännite U ulkoisen magneettivuon Φ funktiona.

Kun SQUID:in biasvirtaa Ib moduloidaan, SQUIDin lähtö hyppii kahden vaihtojännitteen Ux ja U2 välillä. Samanaikaisesti ja synkronisesti virran Ib moduloimisen 20 kanssa on vuota Φ siirretty puolet jaksonpituudesta, jolloin keskimääräinen jännite Uk saadaan riippumaan lähes sinimäisesti ulkoisesta vuosta Φ. Koska keskimääräisen jännitteen Uk nollakohdat 0 ovat riippumattomia alkuperäisen vasteen amplitudista ja keskiarvojännit-25 teestä, ei nollakohta riipu myöskään lämpötilasta. Jos SQUID lukitaan yhteen nollakohtaan, saadaan SQUID:in lähtösignaali riippumattomaksi lämpötilasta ja SQUID:in parametrien aikariippuvuudesta.

Kuva 11 esittää lohkokaaviorouodossa myös eräs-30 tä keksinnön mukaista laitetta. SQUID 1, takaisinkyt-kentäkäämi 14 ja säädettävä vastus 57 on sovitettu astiaan 37, joka on jäähdytetty matalaan lämpötilaan. Laite on varustettu adaptiivisella positiivisella ta-kaisinkytkennällä ja negatiivisella takaisinkytkennäl-35 lä. Tässä laitteessa SQUIDin 1 lämpötilariippuvuus voidaan kompensoida kahdella vaihtoehtoisella tavalla, jotka selostetaan seuraavassa.

Il 95628 21 SQUIDin 1 biasointi toteutetaan jännitelähteellä, joka on ensimmäisessä vaihtoehdossa tasajännitelähde 48. Tasajännite tuodaan vastusjakajan 54a, 54b kautta SQUIDiin ja edelleen vastuksen 49 kautta takaisinkytkentäkäämiin 14. SQUIDin lämpötilariippuvuus kompensoidaan lämpötilan mukaan säätyvän vastuksen 49 avulla aivan kuten kuvan 9 sovellutusesimerkissä.

SQUIDin 1 biasointi toteutetaan jännitelähteellä 48, joka on toisessa vaihtoehdossa vaihtojännitelähde so biasointijännitettä moduloidaan. Tarvittava vuon siirros tehdään vastuksen 49 avulla, joka tässä tapauksessa on lämpötilasta riippumaton vastus. Vastus 49 on valittu siten, että biasointijännitteen vaihtuminen positiivisesta negatiiviseksi saa aikaan magneettivuon siirtymisen puoli jaksonpituutta SQUIDin vasteessa. Vaihtojännitettä biasointiin käytettäessä SQUIDia 1 seuraa suodin 50, jonka avulla biasoinnin vaikutus lähtösignaali U suodatetaan. Suodattimeen 50 kuuluu esim kondensaattorit 51, 52 ja vastus 53.

On huomattava, että laite toimii samalla tavalla riippumatta moduloidaanko SQUID:in biasjännitettä vai ei. SQUIDin lähtöjännite U sisältää vaihtojännite-komponentin, mikäli biasjännite toteutetaan vaihtojännitteen avulla. Tämä vaihtojännitekomponentti poistetaan alipäästösuodattimen 50 avulla. Biasjännitteen modulointitaajuus on huomattavasti SQUID:in antoon asetetun suotimen 50 ylärajataajuutta suurempi.

Kuvan 11 laitteessa SQUID:in lähtösignaali viedään esivahvistimeen 55, joka on takaisinkytketty vastuksen 56 kautta takasin SQUID:iin. Koska pienillä taajuuksilla esivahvistimena 55 toimivan operaatiovahvistimen vahvistus on erittäin suuri, takaisinkytkentä-vastuksen 56 kautta kulkeva virta asettaa SQUID:in lähtösignaalin U vahvistimen tulon kohinajännitteen suuruiseksi.

Laitteeseen kuuluu edelleen säädettävä vastus, joka on toteutettu FETin 57 avulla. Tämä on kytketty 95628 22 SQUIDin lähdön, mikäli suodinta 50 käytetään tämän lähdön, ja takaisinkytkentäkäämin 14 väliin positiivisen takaisinkytkennän toteuttamiseksi.

Laitteeseen kuuluu myös vahvistin 58, suodatin ja ilmaisin 59 sekä säätäjä 60 FETin 57 vastuksen säätöä varten. Suotimen ja ilmaisimen 59 lähtöjännitettä verrataan vertailujännitteeseen Ur2, jonka erotuksen perusteella säädettävän vastuksen arvo säädetään eli tässä tapauksessa FETin S- ja D-napojen välinen vastus asetetaan FETin hilajännitettä H säätämällä. FETin toimintapiste on aseteltu potentiometrilla 61 vastuksen 62 kautta.

Laitteeseen kuuluu edelleen huoneenlämpötilassa olevat pienikohinainen esivahvistin 38, säätäjä 39 ja takaisinkytkentävastus 40 aivan kuten kuvan 9 sovellutusesimerkissä. SQUID:in 1 lähtösignaali vahvistetaan esivahvistimella 38, jonka jälkeen vahvistettua lähtösignaalia verrataan referenssijännitteeseen Url ja erojännite kytketään säätäjän 39, kuten PI-säätäjän, ja takaisinkytkentävastuksen 40 kautta takaisinkytkentä-käämiin 14 ja edelleen SQUIDiin negatiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi. Mittaussignaali U^ otetaan ulos säätäjän 39 lähdöstä.

SQUIDin 1 lähtöön yhdistetyn esivahvistimen 55 kohinajännite kulkee säädettävän vastuksen eli FETin 57 kautta takaisinkytkentäkäämiin 14. Se vahvistuu SQUI-Dissä synnyttäen vahvistimen kohinaan verrannollisen jännitteen SQUIDiin, joka sopivalla säädettävän vastuksen arvolla kumoaa esivahvistimen lähdössä kohina-jännitteen vaikutuksen. Voidaan helposti osoittaa, että sillä takaisinkytkentävastuksen eli säädettävän vastuksen 57 arvolla, joka kuvassa 2 annetun kytkennän tapauksessa synnyttää lähes äärettömän vahvistuksen, kuvan 11 sovellutuksessa kumoaa vahvistimen kohinajännitteen. Kuvassa 11 SQUIDin vaste mitattuna esivahvistimen 55 lähdössä on kuvan 10 käyrän U1 mukainen ilman jännitemodulaatiota ja käyrän Uk mukainen jännitemodu- 11 23 laation kanssa.

Kriittisesti viritetty positiivinen takaisinkytkentä näkyy siinä että toisella puolijaksolla kohina määräytyy esivahvistimesta kun taas toisella puolijak-5 solia kohina riippuu ainoastaan SQUID:in sisäisestä kohinasta tai mitattavan kohteen kohinasta. SQUID:in lähtöön kohdistuvasta negatiivisesta takaisinkytken-nästä johtuen vaste ei riipu positiivisesta takaisin-kytkennästä. Toisin sanoen vaste on kuva 10 mukainen. 10 Kun esivahvistimen 55 avoimen silmukan vahvistus kerrottuna positiivisen takaisinkytkennän aiheuttamalla vahvistuslisällä pienenee taajuuden kasvaessa alle suhteen, joka määräytyy takaisinkytkentävastuksen 57 ja SQUID:in dynaamisen vastuksen suhteena, niin esivahvis-15 timen lähdössä kohina pienikohinaisella luiskalla riippuu etuvahvistimen kohinasta sekä SQUIDin kohinasta kerrottuna positiivisen takaisinkytkennän aiheuttamalla vahvistuslisällä. Toisin sanoen taajuuksilla, missä esivahvistimen eli tässä tapauksessa operaatiovahvisti-20 men 55 vahvistus ei riitä takaisinkytkemään SQUIDin operaatiovahvistimen plus-tulon potentiaaliin, SQUID:in lähtö ja täten vahvistimen 55 lähtö kohisee kuten SQUID olisi luettu jännitevahvistimella ilman virtata-kaisinkytkentää. Tällä taajuusalueella voidaan edul-25 lisesti suorittaa positiivisen takaisinkytkennän eli vastuksen 57 arvon säätöön liittyvä vahvistuksien mittaus joko kohinaa tai keinotekoisesti oskillaattorin avulla muodostettua signaalia hyväksikäyttäen.

Kuvan 11 mukainen toteutusesimerkki varustet-30 tuna biasoinnin vaihtosähkömodulaation kanssa on edullinen, jos SQUIDin jännitemodulaatio on suuri (yli 50 uV) ja/tai jos käytetään useita SQUID:ejä samanaikaisesti. Jos SQUIDin jännitemodulaatio on suuri, esivahvistimen so operaatiovahvistimen 55 tulon jänniteryö-35 mintä ei vaikuta olennaisesti SQUIDin toimintapis-teasetteluun. Toisaalta käytettäessä jännitebiasointia, Josephsonin liitosten kriittisten virtojen muutos ei 95628 24 vaikuta kovin paljon SQUIDin avoimen silmukan vahvistukseen.

Kuvan 11 kytkentä huoneenlämpötilassa olevan elektroniikan osalta muistuttaa kuvan 9 kytkentää. Vaihtovirtaa käytettäessä esivahvistimen 55 lähdössä ei ole tasakompponenttia, joten vahvistimen lähtö voidaan kytkeä suoraan takaisin integroivan säätäjän 60 kautta ilman biasjännitettä Ur2 (kuva 9). Jos biasjännite on tuotu dewariin erillisellä koaksiaalikaapelilla ja jos lisäksi matalaan lämpötilaan on asetettu yksi symmet-riamuuntaja, monikanavaisessa järjestelmässä voidaan päästä yhdellä maajohtimella sekä neljällä johtimella yhtä SQUID-kanavaa kohti. Koska kuvan 9 mukaisessa kytkennässä vaihtosähkömodulaatiota käytettäessä maa-johdin SQUIDista huoneenlämpötilaan on käytännöllisesti katsoen virraton, ei eri kanavien välille synny häiritsevää kytkentää.

Voidaan osoittaa, että hyvin suunnitellussa SQUIDin lähtösignaalin käsittelylaitteessa lähtökohina on hiukan SQUIDin dynaamista impedanssia vastaavaa termistä kohinaa suurempi. Näin ollen positiivisen takaisinkytkennän toteuttavan säädettävän vastuksen arvon tulee olla suuruudeltaan SQUIDin dynaamisen vastuksen luokkaa. SQUIDin dynaaminen vastus on yleensä vain noin 1-5 ohmia, joten SQUIDin jännitekohina on pienimmillään vain noin 50 pV:in luokkaa. Koska hyvän esivahvistimena käytettävän operaatiovahvistimen kohina on noin 1 nV, positiivisen takaisinkytkennän synnyttämän vahvistuslisän tulee olla vähintään 20. Näin suurta vahvistuslisää on erittäin vaikea toteuttaa ilman keksinnön mukaista adaptiivista positiivista takaisinkyt-kentää.

Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitettyjä sovellutusesimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (22)

95628

1. Menetelmä pienikohinaisen anturin, erityisesti yhteen tai useampaan Josephsonin liitokseen perustuvan anturin, kuten SQUIDin, lähtösignaalin käsittelemiseksi, tunnettu siitä, että - lähtösignaali kytketään takaisin anturin (1) tuloon vastuksen (9; 57) avulla positiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi; ja - vahvistus asetetaan sopivaksi vastuksen arvoa säätämällä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittaustapahtuman alussa tarkkaillaan vahvistettua lähtösignaalia ja asetetaan vahvistus sopivalle tasolle vastuksen arvoa säätämällä, jonka jälkeen varsinainen mittaus suoritetaan.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vahvistetusta lähtösig-naalista tarkkaillaan mittauskaistan ulkopuolista, edullisesti yläpuolista, kohinasignaalia, jonka mukaan vastuksen arvo säädetään.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että anturiin syötetään tietyn taajuista vaihtosähkösignaalia, jonka vahvistettua lähtösignaalia tarkkaillaan ja tämän perusteella säädetään vastuksen arvo sopivaksi.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vahvistettu lähtösignaali viedään säätäjän kautta takaisin anturin tuloon negatiivisen vastakytkennän aikaansaamiseksi ja lopullinen mittaus suoritetaan takaisinkytkentäjännitteestä.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että negatiivinen takaisinkytkentä sovitetaan siten, että se vaikuttaa olennaisesti vain sillä taajuusalueella, jolla mittaukset suoritetaan. 95628

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen menetelmä yhteen tai useampaan Josephsonin liitokseen perustuvan anturin kuten SQUIDin lähtösignaalin käsittelemiseksi, tunnettu siitä, että SQUID:n negatiivinen takaisinkytkentä toteutetaan ulkoisen huoneenlämpötilasta tuodun magneetikentän kautta kumoamalla sen avulla SQUIDiin vaikuttava magneetikenttä.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittausjärjestelyssä käytetään SQUID-paria (22, 23), joiden kahden SQUID:in lähtöjännitteiden summasignaali ilmaistaan ja summan negatiivinen vastakytkentä järjestetään magneettikenttien kautta takaisin kumpaankin SQUIDiin; ja kahden SQUIDin lähtöjännitteiden erotussignaali ilmaistaan ja erotuksen negatiivinen vastakytkentä järjestetään magneettikenttien kautta takaisin kumpaankin SQUIDiin ja jossa magneettikentän gradientti on verrannollinen virtaan, jonka avulla summasignaalin negatiivinen takaisinkytkentä aikaansaadaan ja jossa magneettikentän suuruus on verrannollinen virtaan, jonka avulla erotus-signaalin negatiivinen takaisinkytkentä aikaansaadaan..

9. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä yhteen tai useampaan Josephsonin liitokseen perustuvan anturin kuten SQUIDin lähtösignaalin käsittelemiseksi tunnettu siitä, että Josephsonin liitoksen kriittisen virran lämpötilariipppuvuu-den synnyttämän vuokohinan eliminoimiseksi liitoksen lähelle asetetaan lämpötilasta riippuva vastus (49).

10. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä yhteen tai useampaan Josephsonin liitokseen perustuvan anturin kuten SQUIDin, lähtösignaalin käsittelemiseksi, tunnettu siitä, että Josephsonin liitoksen kriittisen virran vuokohinan eliminoimiseksi biasvirtaa ja/tai biasjännitettä moduloidaan suurella taajuudella ja vuota siirretään samanaikaisesti puolet jaksonpituudesta.

11. Laite pienikohinaisen anturin, erityisesti II 95628 yhteen tai useampaan Josephsonin liitokseen perustuvan anturin kuten SQUIDln, lähtöslgnaalln käsittelemiseksi, tunnettu siltä, että anturin (1) lähdön ja tulon väliin on sovitettu säädettävä vastus (9; 57) positiivisen takaisinkytkennän toteuttamiseksi, jonka vastuksen arvo asetetaan sopivaksi halutun vahvistuksen aikaansaamiseksi.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen laite, tunnettu siitä, että säädettävä vastus (9; 57) on jännitteellä, virralla tai valolla anturin ulkopuolelta ohjattava vastus.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen laite, tunnettu siitä, että säädettävä vastus (57) on kanavatransistori eli FET kuten GaAs JFET tai MESFET.

14. Patenttivaatimuksen 11, 12 tai 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteeseen kuuluu ilmaisin (43) mittauskaistan yläpuolisen kohinan ilmaisemiseksi ja säätölaite (44) vastuksen (9) arvon ja sen avulla vahvistuksen asettamiseksi siten, että ulos-tulokohina on ohjearvon suuruinen.

15. Patenttivaatimuksen 11, 12 tai 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteeseen kuuluu oskillaattori, joka on kytketty anturin lähtöön, ja ilmaisin (43) oskillaattorin signaalin ilmaisemiseksi ja säätölaite (44) vastuksen arvon asettamiseksi siten, että oskillaattorin vahvistettu lähtösignaali on ohjearvon suuruinen.

16. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 11-15 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteeseen kuuluu toinen säätäjä (39), jonka kautta vahvistettu lähtösignaali viedään takaisin SQUIDin tuloon negatiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi.

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen laite yhteen tai useampaan Josephsonin liitokseen perustuvan anturin kuten SQUIDin lähtösignaalin käsittelemiseksi, tunnettu siitä, että anturin läheisyyteen huoneenlämpötilaan on järjestety erillinen käämi (14), 95628 jonka kautta vahvistettu lähtösignaali on kytketty takaisin anturin tuloon negatiivisen takaisinkytkennän toteuttamiseksi.

18. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 11-17 mukainen laite yhteen tai useampaan Josephsonin liitokseen perustuvan anturin kuten SQUIDin lähtösignaalin käsittelemiseksi, tunnettu siitä, että laitteeseen kuuluu anturin (1) lähelle sovitettu lämpötilasta riippuva vastus (49) Josephson liitoksen lämpötilariippuvuuden eliminoimiseksi.

19. Monikanavainen magnetometri, johon kuuluu joukko yksittäisiä magnetometrejä, jotka on toteutettu SQUID-antureiden (1) avulla, joihin kuhunkin anturiin kuuluu jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 17 tai 18 mukainen laite anturin lähtösignaalin käsittelemiseksi, jotka anturit on järjestetty kylmään tilaan kuten dewa-riin (17), ja varustettu etuvahvistimella (15) ja negatiivisella takaisinkytkennällä, tunnettu siitä, että kunkin yksittäisen magnetometrin SQUID-anturin (1) läheisyyteen kylmän tilan (17) ulkopuolelle on järjestetty käämi (16), joka on yhdistetty ainakin vastaavan SQUIDin etuvahvistimen (15) lähtöön, jonka käämin kautta takaisinkytkentä toteutetaan SQUIDiin vaikuttavan magneettikentän kumoamiseksi.

20. Laite magneettikentän suuruuden ja/tai gradientin mittaamiseksi, joka laite on toteutettu SQUID-anturien avulla, joihin kuhunkin anturiin kuuluu jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 17 tai 18 mukainen laite anturin lähtösignaalin käsittelemiseksi, tunnettu siitä, että laitteeseen kuuluu kaksi SQUI- Dia (22, 23), näiden esivahvistimet (24, 25) ja SQUIDi-en läheisyyteen huoneenlämpötilaan järjestetyt erilliset käämit (26, 27; 28, 29), joiden etuvahvistimien lähdöt on yhdistetty summauselimen (30) ja ensimmäisen säätäjän (32) kautta samansuuntaisesti molempien SQUI-Dien ensimmäisiin käämeihin (26, 27) summasignaalin negatiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi, ja il 95628 joiden etuvahvistimien lähdöt on yhdistetty vähennys-elimen (31) ja toisen säätäjän (33) kautta vastakkais-suuntaisesti molempien SQUIDien toisiin käämeihin (28, 29) erotussignaalin negatiivisen takaisinkytkennän aikaansaamiseksi ja jossa magneettikentän gradientti on verrannollinen virtaan (l2), jonka avulla summasignaalin negatiivinen takaisinkytkentä aikaansaadaan ja jossa magneettikentän suuruus on verrannollinen virtaan (Ιχ), jonka avulla erotussignaalin negatiivinen takaisinkytkentä aikaansaadaan.

21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen laite, tunnettu siitä, että SQUIDien keskinäisinduk-tanssien poikkeamien kompensoimiseksi laitteeseen kuuluu sähköinen korjauspiiri (36), joka on yhdistetty takaisinkytkentäpiirien välille siten, että pieni osa magneettkenttään verrannollisesta jännitteestä summataan magneettikentän gradienttiin verrannolliseen jännitteeseen.

22. Patenttivaatimuksen 20 tai 21 mukainen laite, tunnettu siitä, että kolme paria SQUID-antureita on kytketty kuvitellun kuutio vastakkaisille sivuille magneettikentän suuruuden ja/tai gradientin mittaamiseksi kolmessa avaruuden suunnassa. 95628