DE19546670C2

DE19546670C2 - Mobile SQUID system

Info

Publication number: DE19546670C2
Application number: DE1995146670
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Krause; Walter Wolf; Helmut Soltner; Armin Binneberg; Gabriele Spoerl
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 1995-12-14
Filing date: 1995-12-14
Publication date: 2001-08-30
Anticipated expiration: 2015-12-15
Also published as: DE19546670A1

Description

Die Erfindung betrifft ein mobiles SQUID-System, beste hend aus einer Anordnung von Supraleitenden Quanten In terferenz Detektoren (SQUID) aus Hochtemperatur-Supra leiter (HTSL)-Material, geschaltet als höchstempfind licher Magnetfeldsensor, einem lageunabhängigen Kühl system für den Sensor unter Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel und Metallstrukturen als Käl tebrücke und einer Wirbelstromanregung sowie einer über elektrische Leitungen verbundenen Steuer- und Auswerte elektronik zur SQUID-Regelung und Wirbelstrommessung.The invention relates to a mobile SQUID system, best based on an arrangement of superconducting quanta In interference detectors (SQUID) made of high-temperature supra conductor (HTSL) material, switched as the highest sensitivity Magnetic field sensor, a position-independent cooling system for the sensor using liquid Nitrogen as a coolant and metal structures as a cold bridge and eddy current excitation and one over electrical lines connected control and evaluation electronics for SQUID control and eddy current measurement.

Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung metallischer Kon struktionen komplizierter Struktur, wie sie in Flugzeu gen, Spannstahl-Bauwerken, Kraftwerken und in vielen anderen Bereichen vorkommen, ist ein fundamentales Problem der heutigen Sicherheitstechnik, da ein Versa gen von Bauteilen durch Materialfehler oder -ermüdung fatale Konsequenzen haben kann. SQUID-Systeme als höchstempfindliche Magnetfeldsensoren zur zerstörungs freien Materialprüfung sind den Druckschriften EP 0 634 663 A1 und Patent abstracts of Japan, P-1776, July 26, 1994, Vol. 18, No. 399, JP 6-118151 (A) zu ent nehmen. In Zusammenhang mit der Wirbelstrom-Prüftechnik wird die Verwendung eines SQUID-Sensors zur zerstörungsfreien Materialprüfung in der Europäischen Patentschrift EP 0 787 293 B1 beschrieben.The non-destructive testing of metallic constructions of complex structures, such as those found in aircraft, prestressing steel structures, power plants and in many other areas, is a fundamental problem in today's safety technology, since failure of components due to material defects or fatigue can have fatal consequences . SQUID systems as highly sensitive magnetic field sensors for non-destructive material testing are described in the publications EP 0 634 663 A1 and Patent abstracts of Japan, P-1776, July 26 , 1994 , Vol. 18, No. 399, JP 6-118151 (A). In connection with eddy current testing technology, the use of a SQUID sensor for non-destructive material testing is described in the European patent EP 0 787 293 B1.

In der HTSL-SQUID-Meßtechnik ist es üblich, die SQUID- Sensoren in mit flüssigem Stickstoff gefüllten Badkryo staten zu betreiben. Die Abtastung nach Materialfehlern erfolgt bei solchen Messungen durch Bewegen der Testob jekte unter dem stationären SQUID-Sensor. In den meis ten realen Prüfsituationen ist es jedoch unumgänglich, den SQUID-Sensor zu bewegen, da die Prüfobjekte unbe weglich sind. Badkryostate sind dazu ungeeignet, man benötigt lageunabhängige Sensor-Kühlsysteme. Der HTSL- SQUID-Sensor wird hierbei nicht von flüssigem Stick stoff umspült, sondern befindet sich im Vakuum und ist über eine Kältebrücke an ein auslaufsicher konstruier tes Flüssig-Stickstoff-Reservoir angekoppelt. Eine sol che Anordnung zur Kühlung des SQUID-Meßkopfes in jeder beliebigen Lage wird in DE-OS 43 20 803 A1 beschrie ben.In HTSL-SQUID measurement technology, it is common to use the SQUID Sensors in Badkryo filled with liquid nitrogen to operate. Scanning for material defects is carried out in such measurements by moving the test ob objects under the stationary SQUID sensor. Most of the time In real test situations, however, it is essential to move the SQUID sensor because the test objects are mobile. Bad cryostats are unsuitable for this requires position-independent sensor cooling systems. The HTSL SQUID sensor does not become a liquid stick fabric is washed, but is in a vacuum and is via a cold bridge to a leakproof construction liquid nitrogen reservoir coupled. A sol che arrangement for cooling the SQUID measuring head in each any location is described in DE-OS 43 20 803 A1 ben.

Einrichtungen zur Kühlung einer SQUID-Meßvorrichtung bzw. eines SQUID-Magnetometers sind weiterhin den Druckschriften DE 40 39 129 A1 bzw. DE 42 27 878 A1 entnehmbar.Devices for cooling a SQUID measuring device or a SQUID magnetometer are still the Publications DE 40 39 129 A1 and DE 42 27 878 A1 removable.

Aus Geng, Z. K. et al., A dc SQUID for use below 1 K (In: Rev. Sci. Instrum. 64 (5) 1993, S. 1319-1323) ist bekannt, einen SQUID-Sensor bzw. SQUID-Chip mit einer Metallumhüllung magnetisch abzuschirmen und vollständig zu umschließen. Der SQUID-Sensor ist im Vakuumbereich symmetrisch zur Mittelachse eines Kryostaten angeordnet und steht mit diesem durch Wärmeleitung der Metallum hüllung in Verbindung. From Geng, ZK et al., A dc SQUID for use below 1 K (In: Rev. Sci. Instrum. 64 ( 5 ) 1993, pp. 1319-1323) it is known to use a SQUID sensor or SQUID chip magnetically shield and completely enclose a metal sheath. The SQUID sensor is arranged symmetrically to the central axis of a cryostat in the vacuum area and is connected to it by heat conduction of the metal sheath.

Bei der Anwendung von SQUID-Systemen ist die Kälteüber tragung auf den SQUID-Sensor problematisch. Die Sensor- Halterung muß einerseits eine gute Wärmeleitung besit zen, darf aber andererseits bei Bewegung im Erdmagnet feld keine Wirbelströme tragen, die zu parasitären Sig nalen am SQUID-Sensor führen. Weiterhin muß die Sensor- Halterung so konstruiert sein, daß Hochfrequenzstörun gen, die z. B. von Funk- und Radarsendern erzeugt wer den, nicht zum SQUID-Sensor durchdringen, da sie den SQUID-Betrieb beeinträchtigen können. Niederfrequente, elektromagnetische Felder bis hinauf zur höchsten vorgesehenen Wirbelstrom-Meßfre quenz müssen jedoch ungeschwächt durch die Sensor- Halterung zum SQUID-Sensor gelangen können.When using SQUID systems, the cold is over problematic on the SQUID sensor. The sensor Bracket must have good heat conduction zen, but on the other hand may move in the earth's magnet field do not carry eddy currents that lead to parasitic sig on the SQUID sensor. Furthermore, the sensor Bracket be constructed so that high-frequency interference gene, the z. B. generated by radio and radar transmitters do not penetrate to the SQUID sensor as they Affect SQUID operation can. Low frequency, electromagnetic fields up to up to the highest intended eddy current measurement fre However, the sensor must Bracket to the SQUID sensor.

Um den SQUID-Sensor als Sensor in einem höchstempfind lichen Wirbelstrom-Meßsystem zu nutzen, wird eine spe zielle Spulenkonfiguration zur Wirbelstromanregung be nötigt, die die Magnetfelder am Ort des Sensors mini mieren und gleichzeitig am Ort der Probe maximieren, Beispiele möglicher Spulenkonfigurationen finden sich in der Europäischen Patentschrift EP 0 787 293 B1 sowie in der Druckschrift US 4 827 217.To the SQUID sensor as a sensor in a highly sensitive Lichen eddy current measuring system will use a spe specific coil configuration for eddy current excitation the magnetic fields at the location of the sensor mini and maximize it at the location of the sample, Examples of possible coil configurations can be found in European Patent EP 0 787 293 B1 and in US 4 827 217.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein mobiles SQUID-System zu schaffen, das eine zuverlässige Kältebrücke zwischen dem Flüssig-Stickstoff-Behälter und dem SQUID-Sensor aufweist, die in jeder Lage des Kryostaten eine gute Kälteübertragung zum Meßkopf hin ermöglicht, aber die durch Bewegung im Erdmagnetfeld entstehenden, uner wünschten Wirbelströme in dieser Kältebrücke möglichst unterbindet. The object of the invention is a mobile SQUID system to create a reliable cold bridge between the liquid nitrogen tank and the SQUID sensor which is good in every position of the cryostat Cold transmission to the measuring head allows, but the caused by movement in the earth's magnetic field wanted eddy currents in this cold bridge if possible prevents.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein SQUID-System gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den auf diesen Anspruch rückbezogenen Unteran sprüchen.The task is solved by a SQUID system according to the entirety of the features according to claim 1. Further Find appropriate or advantageous embodiments the subordinate subordinate to this claim sayings.

Erfindungsgemäß weist das mobile SQUID-System ein Ge häuse auf, in dem ein inneres Gefäß als Vorratsbehälter einer Kühlflüssigkeit angeordnet ist. Ein SQUID- Sensor ist vollständig von einer Metallumhüllung im Va kuumbereich des Gehäuses umschlossen und symmetrisch im Zentrum der Metallumhüllung angeordnet. Zur Bildung einer Kältebrücke ragen Mittel zum SQUID-Sensor hin in das innere Gefäß derart hinein, daß ein in dem inneren Gefäß befindlicher Kühlmittel-Flüssigkeitsspiegel die Kältebrücke bei beliebiger Gefäßorientierung benetzt.According to the invention, the mobile SQUID system has a Ge housing in which an inner vessel serves as a storage container a cooling liquid is arranged. A SQUID Sensor is completely of a metal sheath in the Va vacuum area of the housing enclosed and symmetrical in the Center of the metal sheath arranged. For education In a cold bridge, means protrude towards the SQUID sensor the inner vessel in such a way that one in the inner Vessel-located coolant liquid level Cold bridge wetted with any vessel orientation.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen SQUID- Systems ist im Querschnitt in der Fig. 1 gezeigt.An exemplary embodiment of the SQUID system according to the invention is shown in cross section in FIG. 1.

In ein Gehäuse 1 mit Innenraum 2 wird über ein Einlaß rohr 3a Kühlmittel, z. B. flüssiges Stickstoff, einge lassen und am Rohrende 3b in das Innere 5 eines inneren Gefäßes 4 zur Aufnahme des Kühlmittels gegeben. Mit dem inneren Gefäß 4 verbunden sind Kryopumpen 6 und 7, die je nach Orientierung des SQUID-Systems einzeln oder beide zur Kühlung beansprucht werden können. In a housing 1 with interior 2 is a tube 3 a coolant, z. B. liquid nitrogen, and be given at the tube end 3 b in the interior 5 of an inner vessel 4 for receiving the coolant. Connected to the inner vessel 4 are cryopumps 6 and 7 which, depending on the orientation of the SQUID system, can be used individually or both for cooling.

Die das innere Gefäß als Kältebrücke dienende Metall fläche 8 zum an der Position 11 vorgesehenen, in der Fig. 1 im einzelnen nicht dargestellten SQUID 11 über trägt die Kälte an die Metallumhüllung 9 aus Kupfer und somit an den SQUID 11. Sowohl innerhalb als auch außer hald dieser Umhüllung 9 ist der Raum, in Verbindung mit dem Innenraum 2 des Gehaüses 1, über die Flanschverbin dung 16 mit Hilfe einer nicht dargestellten Pumpe va kuumgepumpt.The inner vessel serving as a cold bridge metal surface 8 to 11 at the position provided, in FIG. 1, not shown in detail SQUID 11 transfers the cold to the metal sheath 9 made of copper and thus to the SQUID 11. Both inside and outside this envelope 9 , the space, in connection with the interior 2 of the housing 1 , via the flange connection 16 with a pump, not shown, is vacuum-pumped.

Die Kälteübertragung auf den SQUID-Sensor und die An forderungen an die elektrischen Eigenschaften der Sen sor-Halterung werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der SQUID-Sensor 11 im Vakuumbereich 2 in einer als Wärmeleiter und Hochfrequenz-Abschirmung wirkenden Me tallumhüllung als Halterung 9 vollständig umschlossen angebracht ist.The cold transfer to the SQUID sensor and the requirements for the electrical properties of the sensor holder are achieved according to the invention in that the SQUID sensor 11 in the vacuum region 2 in a heat conductor and high-frequency shielding metal casing completely enclosed as a holder 9 is appropriate.

Damit die Sensor-Halterung 9 eine gute Wärmeleitung be sitzt und als Hochfrequenzschirmung wirkt, wird sie aus Metall, beispielsweise aus Kupfer, angefertigt. Zur Un terdrückung parasitärer Wirbelströme bei Bewegung im Erdmagnetfeld wird der SQUID-Sensor 11 genau symme trisch im Zentrum der Halterung 9 angebracht. Um Hoch frequenzstörungen, die z. B. von Funk- und Radarsendern erzeugt werden, abzuschirmen, andererseits aber die niederfrequenten elektromagnetischen Meßfelder bis hin auf zur höchsten vorgesehenen Wirbelstrom-Meßfrequenz ungeschwächt durch die Sensor-Halterung 9 zum SQUID- Sensor 11 durchdringen zu lassen, wird die Sensor- Halterung 9 so konstruiert, daß sie den SQUID-Sensor vollständig umschließt und die passende Materialstärke besitzt. Eine optimale Materialstärke d ergibt sich aus d = 1/√πσµf, wobei f die maximale Frequenz und σ die Leitfähigkeit des Metalls ist. Durch eine mehrlagige Ausführung und durch gute Erdung kann der Abschirmef fekt weiter verbessert werden.So that the sensor holder 9 is a good heat conduction sits and acts as a high-frequency shielding, it is made of metal, such as copper. To suppress parasitic eddy currents when moving in the earth's magnetic field, the SQUID sensor 11 is mounted exactly symmetrically in the center of the holder 9 . To high frequency interference, the z. B. generated by radio and radar transmitters to shield, but on the other hand to allow the low-frequency electromagnetic measuring fields down to the highest intended eddy current measuring frequency to pass through the sensor holder 9 to the SQUID sensor 11 , the sensor holder 9 is so constructed so that it completely encloses the SQUID sensor and has the appropriate material thickness. An optimal material thickness d results from d = 1 / √πσµf, where f is the maximum frequency and σ is the conductivity of the metal. The shielding effect can be further improved by a multilayer design and good grounding.

Zur Verbesserung der Funktion der als Kältebrücke die nende Metallfläche 8 können mit dieser in das im Innern 5 des inneren Gefäßes 4 hineinragende Metalldrähte oder Metallflächen verbunden sein. Dabei ist es zweckmäßig diese Drähte und/oder Metallflächen so auszubilden, daß sie von dem Kühlmittel bei jeglicher Orientierung des SQUID-Systems wenigstens zum Teil benetzt werden.In order to improve the function of the metal bridge 8 as a cold bridge, this can be connected to the metal wires or metal surfaces projecting into the interior 5 of the inner vessel 4 . It is expedient to design these wires and / or metal surfaces so that they are at least partially wetted by the coolant with any orientation of the SQUID system.

In der Fig. 1 gezeigt sind außerdem elektrische Durch führungen 13 und 14 zur Versorgung des SQUID-Detektors 11 sowie eine, hinter dem inneren Gefäß 4 gelegene, elektrische Durchführung 15 zur Versorgung von in der Fig. 1 nicht dargestellten Platin-Widerständen zur Er mittlung der Temperatur an bestimmten Punkten im Inne ren des SQUID-Systems gezeigt. Eine GFK-Abschirmung 10 umschließt die Umhüllung 9. Schließlich ist außerhalb des Gehäuses 1 in der Nähe des SQUID 11 eine Spulenan ordnung 12 zur Wirbelstromanregung angeordnet. In Fig. 1 are also electrical lead-throughs 13 and 14 for supplying the SQUID detector 11 and a, located behind the inner vessel 4 , electrical lead-through 15 for supplying platinum resistors (not shown in FIG. 1) for determination the temperature at certain points inside the SQUID system. A GRP shield 10 encloses the casing 9 . Finally, a Spulenan arrangement 12 for eddy current excitation is arranged outside the housing 1 near the SQUID 11 .

Selbstverständlich ist der Einsatz des mobilen SQUID- Systems nicht auf den Betrieb mit flüssigem Stickstoff sowie auf HTSL-SQUID begrenzt. Vielmehr ist auch der Einsatz mit SQUID vorstellbar, die aus Materialen mit erheblich von bei 77 K zum Einsatz kommenden keramischen HTSL abweichender Sprungtemperatur herstellbar sind und unter Einsatz anderer Kühlflüssigkeiten betrieben wer den.Of course, the use of the mobile SQUID Systems do not operate on liquid nitrogen as well as limited to HTSL-SQUID. Rather, it is Conceivable use with SQUID made of materials with considerably of ceramic used at 77K HTSL different jump temperature can be produced and operated using other coolants the.

Claims

1. Mobile SQUID system with a housing ( 1 ), in which an inner vessel ( 4 ) is arranged as a reservoir of a cooling liquid, a SQUID sensor ( 11 ) being completely covered by a metal sheath ( 9 ) in the vacuum region of the housing ( 1 ) is enclosed arranged symmetrically in the center of the metal casing (9), and the formation of a cold bridge means for SQUID sensor (11) towards fäß in the inner Ge (4) extend so that an in-the inner container (4) coolant Liquid level wetted the cold bridge with any vessel orientation.

2. Mobile SQUID system according to claim 1, characterized in that a metal surface ( 8 ) protrudes as a cold bridge to the SQUID sensor ( 11 ) into the inner vessel ( 4 ).

3. Mobile SQUID system according to claim 1 or 2, characterized in that on the metal surface ( 8 ) in the inner vessel ( 4 ) projecting metal wires or narrow metal surfaces are attached as a cold bridge so that a coolant liquid level in the vessel they wetted with any vessel orientation.

4. Mobile SQUID system according to one of claims 1 to 3, characterized in that there is working as a cryopump material ( 6 , 7 ) in the vacuum area ( 2 ).

5. Mobile SQUID system according to one of claims 1 to 4, characterized in that a coil arrangement for eddy current excitation ( 12 ) is fixedly connected to the housing ( 1 , 10 ).