DE4010973C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem
digitalen SQUID-Steuersystem zum Messen
eines von einem Objekt eingestrahlten schwachen
magnetischen Flusses nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
SQUID-Steuersysteme werden zum Detektieren eines
schwachen Magnetflusses mit hoher Empfindlichkeit
verwendet. Das heißt, das SQUID kann auf eine Änderung
in einem schwachen Magnetfluß ansprechen, basierend auf
dem Quanteninterferenzeffekt des Magnetflusses. Dement
sprechend wird das SQUID hauptsächlich und insbesondere
als hochempfindlicher Magnetflußmesser verwendet, wel
ches einen hochempfindlichen Magnetsensor hat. Der
hochempfindliche Magnetflußmesser wird z. B. bei
medizinischen Einrichtungen verwendet, um den Magnet
fluß von einem menschlichen Körper zu messen. Im allge
meinen kann man SQUID-Steuersysteme in zwei Typen
klassifizieren, d. h. ein SQUID vom analogen Typ und
ein SQUID vom digitalen Typ. Sowohl die analogen als
auch die digitalen Typen haben zwei Josephson-Übergänge
und eine supraleitende Spule. Die vorliegende Erfindung
betrifft ein digitales SQUID.
Der hochempfindliche Magnetflußmesser, der das SQUID
verwendet, enthält ein SQUID, eine Aufnehmerspule, die
den Magnetfluß von einem Objekt detektiert und magne
tisch mit dem SQUID gekoppelt ist und eine Rückkopp
lungsschaltung, die einen Steuerstrom an die Rückkopp
lungsspule liefert, die ebenfalls magnetisch mit dem
SQUID gekoppelt ist.
Aus der DE 36 168 665 A1 ist eine digitale Gegenkopplungsschaltung
bekannt, die aus einem Interferometer mit zwei Josephson-Kontakten, einem
Taktgenerator, einem binären Vorwärts-Rückwärtszähler und einem
D/A-Wandler besteht. Bei dieser Schaltung müssen die Josephson-Kontakte
im Gegensatz zu herkömmlichen Konzepten Hysterese in den
Strom-Spannungskennlinien aufweisen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein digitales
SQUID-Steuersystem zu schaffen, welches fähig ist, einen schwachen
Magnetfluß zu messen, der von einem Objekt, z. B. einem menschlichen
Körper, eingestrahlt wird, und zwar mit hoher Empfindlichkeit und sehr
hoher Präzision.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merk
malen gelöst.
Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand der Unter
ansprüche.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines
Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit der
Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigt
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines
Beispiels eines herkömmlichen digitalen SQUID-Steuer
systems,
Fig. 2A bis 2D Ansichten zur Erklärung des
Betriebs des SQUID der Fig. 1,
Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm des digi
talen SQUID-Steuersystems nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4A bis 4E Ansichten zur Erklärung des
Betriebs der in Fig. 3 gezeigten Schaltung,
Fig. 5 ein schematisches Blockdiagramm des digi
talen SQUID-Steuersystems nach einer anderen Ausfüh
rungsform der Erfindung,
Fig. 6 ein schematisches Blockdiagramm eines
digitalen SQUID-Steuersystems nach einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 7 eine Ansicht zur Erklärung eines Verschie
bepulses und einer Zählerrückstellung.
Vor Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
wird eine Erklärung eines herkömmlichen digitalen
SQUID-Steuersystems gegeben.
Die Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm von
einem Beispiel eines herkömmlichen digitalen SQUID-
Steuersystems, welches als ein Magnetflußmeter verwen
det wird. In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszahlen 11
einen Amplitudenmodulations-Wellengenerator, 12 einen
Aufwärts/Abwärts-Zähler, 13 einen digital-zu-analog-
Konverter, 14 einen Tiefpaßfilter und 15 einen Strom
wandler. Ferner ist in Fig. 1 ein SQUID bezeichnet,
welches eine Josephson-Vorrichtung hat, die Josephson-
Übergänge J 1, J 2 und eine supraleitende Spule L 2
enthält. L 1 bezeichnet eine supraleitende Eingangsspu
le, L 3 bezeichnet eine Rückkopplungsspule, und L 4
bezeichnet eine supraleitende Aufnahmespule.
Bei diesem Aufbau detektiert die Aufnehmerspule L 4 den
magnetischen Fluß Φc, der von einem Objekt eingestrahlt
wird, z. B. von einem menschlichen Körper und der
gemessen werden soll. Dementsprechend fließt in der
Eingangsspule L 1 ein Strom in Abhängigkeit von der
Änderung des magnetischen Flusses. Die Spule L 2 des
SQUID ist nahe der Eingangsspule L 1 angeordnet, um so
eine magnetische Kopplung miteinander zu erzielen. Das
SQUID besteht aus einem Kreis, der die Josephson-Über
gänge J 1, J 2 und die Spule L 2 enthält. Ferner fließt
ein Wechselvorspannungsstrom Ib, der von dem Amplitu
denmodulations-Wellengenerator 11 erzeugt wird, durch
einen Injektionsanschluß B in den Kreis. Dementspre
chend wird der Vorspannungsstrom Ib dem in dem Kreis
fließenden Strom überlagert.
Das SQUID ist eine Art Schaltelement. Das heißt, wenn
der Strom, der einen vorbestimmten Schwellenwert über
schreitet, in dem Kreis des SQUID fließt, wird von
diesem eine Spannung erzeugt. Dementsprechend wird, um
das SQUID in Abhängigkeit von dem Meßstrom zu schalten,
der wechselnde Vorspannungsstrom Ib dem SQUID in der
Nähe des Schwellenwertes des SQUID zugeführt.
Der Schaltimpuls des SQUID, welcher dem Vorspannungs
strom Ib überlagert ist, wird durch den Aufwärts/Ab
wärts-Zähler 12 über den Injektionsanschluß B gemessen.
Das heißt, die Zahl der positiven Impulse und der
negativen Impulse wird durch den Aufwärts/Abwärts-
Zähler 12 in solch einer Weise gemessen, daß der Zähler
erhöht wird, wenn ein positiver Impuls eingegeben wird,
und der Zähler vermindert wird, wenn ein negativer
Impuls eingegeben wird.
Da der Ausgang des Aufwärts/Abwärts-Zählers 12 ein
digitaler Wert ist, wird dieser Wert durch den D/A-Kon
verter 13 in eine analoge Spannung konvertiert. Der
Tiefpaßfilter 14 ist vorgesehen, um eine hochfrequente
Rauschkomponente zu eliminieren, die in der analogen
Spannung enthalten ist. Der Stromwandler 15 ist vorge
sehen, um die analoge Spannung in einen Strom zu
wandeln. Dementsprechend werden die positiven und
negativen Impulse an dem Injektionsanschluß B über den
Tiefpaßfilter 14 und den Stromwandler 15 als Rückkopp
lungsstrom If zu der Rückkopplungsspule L 3 zurückge
führt. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist die
Rückkopplungsspule L 3 nahe der supraleitenden Spule L 2
so angeordnet, daß eine magnetische Kopplung mit der
Spule L 2 erzielt wird.
Die Fig. 2A bis 2D sind Ansichten zur Erklärung des
Betriebs des in Fig. 1 gezeigten SQUID.
Eine Schwellenwertcharakteristikkurve TC der Josephson-
Übergänge J 1 und J 2 ist in Fig. 2A dargestellt. In
diesem Falle bezeichnet Ic einen zu messenden Strom
(unten, Meßstrom), der durch die Aufnehmerspule fließt,
+Io und -Io sind Schwellenwerte, und Ib ist ein
alternierender Vorspannungsstrom.
Unter der Annahme, daß der Meßstrom Ic gleich null ist,
das heißt, daß kein Magnetfluß von dem Objekt in der
Aufnehmerspule existiert, wenn die Amplitude des Vor
magnetisierungsstromes oder Vorspannungsstromes Ib
einen Wert zwischen dem Schwellenwert +Io und dem
Schwellenwert -Io hat, wird die Ausgangsspannung der
Josephson-Übergänge J 1 und J 2 in der Nähe der Zeiten t 1
und t 3 zu einem Nullpegel. Wenn dagegen der Meßstrom Ic
null ist und die Amplitude des Vormagnetisierungsstro
mes Ib größer als der Schwellenwert +Io und -Io ist,
nimmt die Ausgangsspannung der Josephson-Übergänge J 1
und J 2 in der Nähe der Zeit t 2 einen hohen Pegel an.
Dementsprechend ist dann, wenn der Meßstrom Ic null
ist, die Zahl der positiven Impulse (Ausgangsimpulse
von den Josephson-Übergängen) gleich derjenigen der
negativen Impulse, wie es in Fig. 2B gezeigt ist.
Wenn der Meßstrom Ic positiv ist und der Vormagnetisie
rungs- oder Vorspannungsstrom Ib einen Wert zwischen
dem Schwellenwert +Iop und dem Schwellenwert -Iop hat,
wird die Anzahl der positiven Impulse größer als dieje
nigen der negativen Impulse, weil die Schwellenwerte zu
dem Schwellenwert +Iop und dem Schwellenwert -Iop ver
schoben werden, entsprechend der Schwellenwertcharakte
ristikkurve TC, wie es in Fig. 2C gezeigt ist.
Wenn der Meßstrom Ic negativ ist und der Vormagnetisie
rungsstrom Ib einen Wert zwischen dem Schwellenwert
+Ion und dem Schwellenwert -Ion hat, wird die Zahl der
positiven Impulse kleiner als diejenigen der negativen
Impulse, wie es in Fig. 2D gezeigt ist.
Bei dem tatsächlichen Meßprozeß wird die Amplitude des
Vorspannungsstromes Ib in die Nähe des Schwellenwertes
Io gesetzt. Ein Differenzstrom, der einer Differenz
zwischen der Zahl der positiven Impulse und der Zahl
der negativen Impulse entspricht, wird der Rückkopp
lungsspule L 3 zugeführt.
Der Differenzstrom wird der Spule L 2 mittels der magne
tischen Kopplung zwischen der Spule L 3 und der Spule L 2
zugeführt. Das heißt, der Magnetfluß, der durch den
Differenzstrom bei der Rückkopplungsspule L 3 erzeugt
wird, wird zu der Spule L 2 gekoppelt. Dementsprechend
wird der Rückkopplungsstrom dem Meßstrom überlagert.
Infolgedessen zeigt der Rückkopplungsstrom den zu
messenden magnetischen Fluß an, weil der Magnetfluß Φc
von dem Objekt dem Rückkopplungsstrom If zu der Zeit
entspricht, wenn die Zahl der positiven Impulse gleich
derjenigen der negativen Impulse ist, wie es in Fig.
2B gezeigt ist.
Bei dem Stand der Technik wird die Amplitude des Vor
magnetisierungsstromes Ib, der den Josephson-Übergängen
J 1 und J 2 zugeführt ist, durch eine dreieckige Welle
moduliert, die eine kleine Amplitude und eine niedrige
Frequenz hat, wie es in Fig. 2A gezeigt ist.
Dementsprechend wird bei dem Stand der Technik, um die
Präzision der Messung zu erhöhen, die Amplitude der
dreieckigen Welle auf einen möglichst kleinen Wert
gesetzt (d.h. die Modulationsrate ist klein), oder die
Frequenz des Vormagnetisierungsstromes wird auf einen
möglichst hohen Wert gesetzt, um so die Zahl der posi
tiven und negativen Impulse pro Zeiteinheit an den
Injektionsanschluß B zu erhöhen.
Wenn die Amplitude der Dreieckswelle auf einen kleinen
Wert gesetzt ist, erhält man jedoch nicht die positiven
oder negativen Impulse, falls ein weicher Meßstrom Ic
in die Aufnehmerspule eingegeben wird wenn die Amplitu
de des Vormagnetisierungsstromes Ib sich zufällig zu
einer kleinen Amplitude ändert.
Im Gegensatz dazu ändert sich dann, wenn die Amplitude
des Vormagnetisierungsstromes Ib zu groß wird, die
Anzahl der positiven und negativen Impulse nicht, weil
die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes stets den
Schwellenwert überschreitet. Ferner werden die Kosten
der Teile, welche die Schaltung bilden, hoch, wenn die
Frequenz des Vormagnetisierungsstromes Ib zunimmt.
Dementsprechend wird, um das obige Problem zu lösen,
der Wechsel-Vormagne
tisierungsstrom Ib, der den Josephson-Übergängen zuge
führt wird, durch den Rückkopplungsbetrieb in Überein
stimmung mit der Zahl der positiven Impulse, der Zahl
der negativen Impulse und der Summe beider Impulse pro
Zeiteinheit gesteuert. Das heißt, die Amplitude des
Vormagnetisierungsstromes Ib wird auf solch eine Weise
gesteuert, daß diese Impulse an dem Injektionsanschluß
B konstant werden.
Infolge dessen ist es möglich, den magnetischen Fluß
von einem Objekt mit hoher Empfindlichkeit, hoher
Präzision und bei niedrigem Kostenaufwand zu messen,
wie es weiter unten im Detail erklärt wird.
Die Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines
digitalen SQUID-Steuersystems gemäß der vorliegenden
Erfindung. In Fig. 3 zeigt die Bezugszahl 1 dasselbe
SQUID wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Ferner sind der
Aufwärts/Abwärts-Zähler 4-1, der D/A-Konverter 4-2 und
der Stromwandler 4-3 dieselben Komponenten, wie in
Fig. 1 gezeigt.
Das Bezugsszeichen 2 bezeichnet einen Impulsratenmeß
kreis. 3 bezeichnet eine Wechselstromgeneratorschal
tung. Die Wechselstromgeneratorschaltung 3 umfaßt
ferner einen Verstärker 3-1, der einen Operationsver
stärker A hat, einen Wechselstromsignalgenerator 3-2
und einen Multiplizierer 3-3.
Wie in Fig. 3 dargestellt, ist das SQUID von einem
Kreis gebildet, der aus zwei Josephson-Übergängen J 1,
J 2 und der supraleitenden Spule L 2 besteht. Wie oben
beschrieben, wird der Ausgang des SQUID zwischen dem
"Null-Pegel-Zustand" (Ausgangsspannung ist null) und
dem "Hoch-Pegel-Zustand" (Ausgangsspannung ist nicht
null), geschaltet, übereinstimmend damit, ob der Meß
strom, der durch den Kreis fließt, den Schwellenwert
überschreitet oder nicht.
Wie oben erklärt wurde, ist die supraleitende Spule L 2
magnetisch mit der Eingangsspule L 1 gekoppelt und der
Meßstrom Ic, der durch die Spule L 1 fließt, wird den
Josephson-Übergängen J 1 und J 2 zugeführt.
Der Pulsratenmeßkreis 2 zählt die Summe (Npn) der Zahl
der positiven und der negativen Impulse, jeweils pro
Zeiteinheit, z. B. pro Stunde, an dem Injektionssan
schluß B. Diese Impulse werden von den Josephson-Über
gängen J 1 und J 2 ausgegeben. Vpn bezeichnet die
Spannung, die von der Summe Npn konvertiert wurde.
Der Wechselstromgenerator 3 erzeugt den wechselnden
Vormagnetisierungsstrom Ib und liefert ihn über den
Injektionsanschluß B an das SQUID. In diesem Fall wird
die Spannung Vpn von dem Impulsratenmeßkreis 2 über den
Widerstand R 2 in den Operationsverstärker A eingegeben.
Der Betrieb dieses Generators 3 wird im folgenden
detailliert erklärt.
Die Rückkopplungsspule L 3 ist magnetisch mit der supra
leitenden Spule L 2 gekoppelt und der Rückkopplungsstrom
If wird der Spule L 2 zugeführt.
Die Aufnehmerspule L 4 detektiert den weichen Magnet
fluß, der von dem Objekt eingestrahlt wird, und erzeugt
darin den induktiven Strom (d. h. den Meßstrom Ic). Der
Meßstrom Ic fließt in die Eingangsspule L 1 und die Ein
gangsspule L 1 erzeugt den Magnetfluß. Da die Eingangs
spule L 1 in der Nähe der Spule L 2 so angeordnet ist,
daß sie mit der Spule L 2 magnetisch gekoppelt ist, kann
der Meßstrom Ic in den Kreis des SQUID fließen.
Wenn der Vormagnetisierungsstrom Ib größer als der
vorbestimmte Schwellenwert ist, werden, wie es oben
erklärt wurde, die Josephson-Übergänge von dem Null-Pe
gel-Zustand zu dem Hoch-Pegel-Zustand umgeschaltet. In
diesem Fall wird der Vormagnetisierungsstrom Ib von dem
Wechselstromgenerator 3 dem Meßstrom des Kreises über
den Injektionsanschluß B überlagert. In diesem Falle
wird die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes in die
Nähe des Schwellenwertes des SQUID eingestellt. Dies
geschieht, weil das SQUID zwischen dem Null-Pegel und
einem hohen Pegel geschaltet wird, abhängig von dem
Schwellenwert. Dementsprechend ist es möglich, dann,
wenn der Vormagnetisierungsstrom Ib dem Meßstrom Ic
überlagert wird, leicht die positiven Impulse und die
negativen Impulse des SQUID zu erhalten. Diese positi
ven und negativen Impulse an dem Injektionsanschluß B
werden durch den Pulsratenmeßkreis 2 gezählt.
Der Verstärker 3-1 erzeugt eine Spannung Va von dem
Operationsverstärker A. In dem Operationsverstärker 3-1
werden die Spannung Vpn von dem Pulsratenmeßkreis 2 und
die Konstantspannung -V 1 an den Eingangsanschlüssen "a"
bzw. "b" eingegeben, und die Spannung Va wird durch
Addieren der Spannung Va und V 1 erhalten durch Inver
tieren der obigen Summe, und durch Verstärken der
invertierten Summe. Die Spannung Va wird dem Multipli
zierer 3-3 eingegeben.
Der Mulitplizierer 3-3 multipliziert die alternierende
Vorspannung Vbi des Generators 3-2 mit der Spannung Va
des Operationsverstärkers A. Infolgedessen erhält man
von dem Ausgang des Mulitplizierers 3-3 über den Wider
stand R 4 den Vormagnetisierungsstrom Ib. Der Vormagne
tisierungsstrom Ib wird dem Injektionsanschluß B zuge
führt. In dem Injektionsanschluß B wird die Amplitude
des Vormagnetisierungsstromes in solch einer Weise
gesteuert, daß die Summe der Zahl der positiven und der
negativen Impulse stets auf einen konstanten Wert
gesetzt werden kann.
Die Pulszählschaltung 4 wird aus dem Aufwärts/Abwärts-
Zähler 4-1 zur Ermittlung der Differenz zwischen der
Zahl der positiven Impulse und der Zahl der negativen
Impulse, dem D/A-Konverter 4-2 zum Konvertieren der
Differenz in eine analoge Spannung, und dem Stromwand
ler 4-3 zum Wandeln der analogen Spannung in einen
Strom und zur Lieferung des Stromes an die Rückkopp
lungsspule L 3, gebildet.
Die Rückkopplungsspule L 3 ist magnetisch mit der supra
leitenden Spule L 2 so gekoppelt, daß der Rückkopplungs
strom der Spule L 2 zugeführt wird. Wie oben erklärt
wurde, entspricht somit der Betrag des Rückkopplungs
stromes If zu dem SQUID dem magnetischen Fluß Φc, der
gemessen werden soll.
Die Fig. 4A bis 4E zeigen Darstellungen zur Erklä
rung des Betriebs der in Fig. 3 gezeigten Schaltungen.
In Fig. 4A ist, wie auch in Fig. 2A, die Kurve TC die
Charakteristikkurve des SQUID. Die Ordinate bezeichnet
den alternierenden Vormagnetisierungsstrom Ib und die
Abszisse bezeichnet den Meßstrom Ic.
Wenn der Meßstrom Ic gleich null ist und die Amplitude
des Vormagnetisierungsstromes Ib graduierlich in die
Nähe des Schwellenwertes erhöht wird, wird, in tatsäch
licher Praxis, die von dem SQUID erhöhte Rauschkompo
nente der Amplitude des Vormagnetisierungsstromes Ib
überlagert, wie dies in Fig. 4B gezeigt ist.
Die Zahl der positiven Impulse Np und die Zahl der
negativen Impulse Nn wird ebenfalls graduierlich
erhöht, wie es durch die Kurve in Fig. 4C gezeigt ist.
Das heißt, wenn die Amplitude des Vormagnetisie
rungsstromes Ib kleiner als der Schwellenwert Io ist,
werden fast alle positiven und negativen Impulse von
dem SQUID nicht ausgegeben. Wenn jedoch die Amplitude
des Vormagnetisierungsstromes Ib größer als der
Schwellenwert Io ist, werden die positiven und die
negativen Impulse vollständig von dem SQUID ausgegeben,
und sie ändern sich nicht in Übereinstimmung mit dem
Meßstrom. Wie in Fig. 4C gezeigt ist, sind dann, wenn
die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes Ib ferner
erhöht wird, die positiven und die negativen Impulse Np
und Nn gesättigt und werden gleich der Frequenz f 1 des
Vormagnetisierungsstromes Ib, wie es durch die Kurve in
Fig. 4C gezeigt ist.
In diesem Fall, wie es durch die Kurve in Fig. 4C
gezeigt ist, wird dann, wenn die Amplitude des Vormag
netisierungsstromes Ib der Schwellenwert Io ist, das
heißt, wenn die Zahl der positiven Impulse und die Zahl
der negativen Impulse gleich der Hälfte der Frequenz f 1
des Vormagnetisierungsstromes Ib ist, die Änderungsrate
der Zahl der positiven Impulse Np und der Zahl der
negativen Impulse Nn maximal. Dementsprechend kann an
diesem Punkt, da die Änderung der positiven und der
negativen Impulse maximal wird, die Detektionsempfind
lichkeit des Meßstromes auf den höchsten Zustand
gesetzt werden.
An dieser Stelle werden die positiven und negativen
Impulse in Übereinstimmung mit der Änderung des Rausch
pegels erzeugt, da die Rauschkomponente quer über den
Schwellenwert +Io oder -Io geht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird dementsprechend die
Amplitude des Vormagnetisierungsstromes Ib in solch
einer Weise gesteuert, daß die Summe der Zahl der
positiven und der negativen Impulse etwa gleich der
Frequenz f 1 des Vormagnetisierungsstromes Ib ist.
In Fig. 4D bezeichnet die Ordinate die Spannung Vpn
und die Abszisse bezeichnet die Summe Npn der Zahl der
positiven und der negativen Impulse. Der Pulsraten
meßkreis 2 wandelt die Summe Npn in die Spannung Vpn um
und gibt die Spannung Vpn aus.
In Fig. 4E bezeichnet die Ordinate die Spannung Va und
die Abszisse bezeichnet die Summe Npn der positiven und
der negativen Impulse. Der Verstärker 3-1 gibt die
Spannung Va aus, basierend auf der Eingangsspannung Vpn
und V 1. In diesem Falle ist die Relation zwischen der
Summe Npn und der Spannung Vpn in Fig. 4D gezeigt. Die
Spannung V 1, die dem Operationsverstärker A eingegeben
wird, entspricht der Frequenz f 1 des
Vormagnetisierungsstromes Ib.
Die Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines
digitalen SQUID-Steuersystems nach einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 5
bezeichnen die Bezugszahl 5 die Pulsratensetzschaltung,
6 einen Integrator und 7 den Wechselstromgenerator. Die
anderen Komponenten sind dieselben Komponenten, wie sie
in Fig. 3 gezeigt sind.
Wie oben erklärt wurde, wird die Spannung Vpn durch
Summieren der Zahl der positiven und der negativen
Impulse und durch Wandeln der Summe in der Pulsraten
meßschaltung 2 in eine Spannung erhalten. Die Pulsra
tensetzschaltung 5 erzeugt die Spannung Vf 1, die der
Frequenz f 1 des Vormagnetisierungsstromes Ib
entspricht. Die Spannungen Vf 1 und Vpn werden dem
Integrator 6 eingegeben. Der Integrator 6 gibt die
Spannung Va, die durch die Differenz zwischen der
Spannung Vf 1 und der Spannung Vpn erhalten wird, an den
Wechselstromgenerator 7 aus. Die Amplitude des Vormag
netisierungsstromes Ib wird in solch einer Weise
gesteuert, daß die Summe Npn der positiven und
negativen Impulse gleich der Frequenz f 1 des Vormagne
tisierungsstromes ist.
Die Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines
digitalen SQUID-Steuersystems nach einem wiederum ande
ren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 7 ist eine Darstellung zur Erklärung des Schiebe
impulses und der Zählerrückstellung.
In Fig. 6 bezeichnet 8 einen Pulsratenmeßkreis, der
einen Impulszähler 8-1, ein Register 8-2 und einen
D/A-Konverter 8-3 hat. Der Zähler 8-1 zählt die Zahl
der positiven und der negativen Impulse oder die Summe
davon, wenn der Meßstrom Ic bei einem Null-Pegel-Zu
stand ist. Das Register 8-2 setzt die Zahl der Impulse,
die von dem Zähler 8-1 gezählt werden, basierend auf
dem Schiebeimpuls, der über den Schalter SW 1 eingegeben
wird. Der Ausgang des Registers 8-2 wird durch den
D/A-Konverter 8-3 zu einer Analogspannung konvertiert
und die analoge Spannung wird dann dem Wechselstrom
generator 7 eingegeben, der den Vormagnetisierungsstrom
Ib ausgibt.
In diesem Fall wird der Schalter SW 1 in den offenen
Zustand geschaltet, wenn die Zahl der Impulse an dem
Injektionsanschluß B einen vorbestimmten Wert erreicht
und die Amplitude des Vormagnetisierungsstromes wird
dann, basierend auf der Zahl der Impulse, die in dem
Register 8-2 gehalten werden, gesteuert.
Claims (4)
1. Digitales SQUID-Steuersystem zum Messen eines
schwachen magnetischen Flusses, der von einem Objekt
eingestrahlt wird, mit:
einem SQUID, das Josephson-Übergänge (J1 und J2) und eine supraleitende Spule (L2) hat, die in Reihe mit den Josephson-Übergängen (J1 und J2) verbunden sind,
einer Detektoreinrichtung, die eine Aufnehmerspule (L4) und eine Eingangsspule (L1) hat, und die Aufnehmerspule (L4) den schwachen magnetischen Fluß von dem Objekt detektiert und einen Meßstrom (Ic) in der Aufnehmerspule (L4) fließen läßt, und die Eingangsspule (L1) über den Meßstrom (Ic) magnetisch mit der supraleitenden Spule (L2) gekoppelt ist,
einer Rückkopplungsspule (L3), die über einen Rückkopplungsstrom (If) magnetisch mit der supraleitenden Spule (L2) gekoppelt ist,
einer Pulszählschaltung (4), die mit dem SQUID an ihrer Eingangsseite verbunden ist und an ihrer Ausgangsseite mit der Rückkopplungsspule (L3) verbunden ist, um positive und negative Impulse zu zählen, die von dem SQUID eingegeben werden, um Zählwerte in eine analoge Spannung zu wandeln und um die analoge Spannung zu dem Rückkopplungsstrom (If) zu wandeln,
einer Wechselstromgeneratorschaltung (3), die über einen Injektionsanschluß (B) mit dem SQUID verbunden ist, um einen alternierenden Vormagnetisierungsstrom (Ib) zu erzeugen und diesen Vormagnetisierungsstrom (Ib) an das SQUID zu liefern, um dem Meßstrom (Ic) über den Injektionsanschluß (B) in das SQUID zu überlagern, und
einem Pulsratenmeßkreis (2), der über den Injektionsanschluß (B) an seiner Eingangsseite mit dem SQUID verbunden ist, und an seiner Ausgangsseite mit der Wechselstromgeneratorschaltung (3) verbunden ist, um eine Summe (Npn) von Zahlen von positiven und negativen Impulsen zu berechnen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrom generatorschaltung (3) eine Amplitude des wechselnden Vormagnetisierungsstromes in solch einer Weise steuert, daß die Summe der Zahl von positiven und negativen Impulsen pro Zeiteinheit konstant wird, und bei gleichzeitiger Steuerung der Amplitude des wechselnden Vormagnetisierungsstromes (Ib) durch die Wechselstromgeneratorschaltung (3),
die Pulszählschaltung (4) den Rückkopplungsstrom (If) in solche einer Weise steuert, daß eine Differenz zwischen den positiven Impulsen und den negativen Impulsen zu null wird.
einem SQUID, das Josephson-Übergänge (J1 und J2) und eine supraleitende Spule (L2) hat, die in Reihe mit den Josephson-Übergängen (J1 und J2) verbunden sind,
einer Detektoreinrichtung, die eine Aufnehmerspule (L4) und eine Eingangsspule (L1) hat, und die Aufnehmerspule (L4) den schwachen magnetischen Fluß von dem Objekt detektiert und einen Meßstrom (Ic) in der Aufnehmerspule (L4) fließen läßt, und die Eingangsspule (L1) über den Meßstrom (Ic) magnetisch mit der supraleitenden Spule (L2) gekoppelt ist,
einer Rückkopplungsspule (L3), die über einen Rückkopplungsstrom (If) magnetisch mit der supraleitenden Spule (L2) gekoppelt ist,
einer Pulszählschaltung (4), die mit dem SQUID an ihrer Eingangsseite verbunden ist und an ihrer Ausgangsseite mit der Rückkopplungsspule (L3) verbunden ist, um positive und negative Impulse zu zählen, die von dem SQUID eingegeben werden, um Zählwerte in eine analoge Spannung zu wandeln und um die analoge Spannung zu dem Rückkopplungsstrom (If) zu wandeln,
einer Wechselstromgeneratorschaltung (3), die über einen Injektionsanschluß (B) mit dem SQUID verbunden ist, um einen alternierenden Vormagnetisierungsstrom (Ib) zu erzeugen und diesen Vormagnetisierungsstrom (Ib) an das SQUID zu liefern, um dem Meßstrom (Ic) über den Injektionsanschluß (B) in das SQUID zu überlagern, und
einem Pulsratenmeßkreis (2), der über den Injektionsanschluß (B) an seiner Eingangsseite mit dem SQUID verbunden ist, und an seiner Ausgangsseite mit der Wechselstromgeneratorschaltung (3) verbunden ist, um eine Summe (Npn) von Zahlen von positiven und negativen Impulsen zu berechnen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrom generatorschaltung (3) eine Amplitude des wechselnden Vormagnetisierungsstromes in solch einer Weise steuert, daß die Summe der Zahl von positiven und negativen Impulsen pro Zeiteinheit konstant wird, und bei gleichzeitiger Steuerung der Amplitude des wechselnden Vormagnetisierungsstromes (Ib) durch die Wechselstromgeneratorschaltung (3),
die Pulszählschaltung (4) den Rückkopplungsstrom (If) in solche einer Weise steuert, daß eine Differenz zwischen den positiven Impulsen und den negativen Impulsen zu null wird.
2. Digitales SQUID-Steuersystem nach Anspruch 1, bei
dem die Wechselstromgeneratorschaltung (3) umfaßt:
einen Verstärker (3-1), der einen Operationsverstärker (A) hat, um eine Spannung (Vpn) von dem Pulsratenmeßkreis (2) und eine Konstantspannung (V1) einzugeben, die basierend auf der Frequenz (f1) des wechselnden Vormagnetisierungsstromes (Ib) bestimmt ist, um eine Summe der Spannungen Vpn und V1 zu invertieren und zu verstärken und um eine resultierende Spannung (Va) auszugeben, und
einen Multiplizierer (3-3) zum Multiplizieren einer alternierenden Vorspannung Vbi von einem Generator (3-2) mit einer Spannung (Va) von dem Operationsverstärker (A) und zum Ausgeben des wechselnden Vormagnetisierungsstromes (Ib) an den Injektionsanschluß (B).
einen Verstärker (3-1), der einen Operationsverstärker (A) hat, um eine Spannung (Vpn) von dem Pulsratenmeßkreis (2) und eine Konstantspannung (V1) einzugeben, die basierend auf der Frequenz (f1) des wechselnden Vormagnetisierungsstromes (Ib) bestimmt ist, um eine Summe der Spannungen Vpn und V1 zu invertieren und zu verstärken und um eine resultierende Spannung (Va) auszugeben, und
einen Multiplizierer (3-3) zum Multiplizieren einer alternierenden Vorspannung Vbi von einem Generator (3-2) mit einer Spannung (Va) von dem Operationsverstärker (A) und zum Ausgeben des wechselnden Vormagnetisierungsstromes (Ib) an den Injektionsanschluß (B).
3. Digitales SQUID-Steuersystem nach Anspruch 1,
welches ferner umfaßt:
einen Pulsratensetzkreis (5) zum Erzeugen einer Setzspannung (Vf1), die der Frequenz (f1) des Vormagnetisierungsstromes (Ib) entspricht, und
einen Integrator (6), der wirkungsmäßig mit der Pulsratensetzschaltung (5) und dem Pulsratenmeßkreis (2) an einer Eingangsseite verbunden ist, und der an einer Ausgangsseite mit dem Wechselstromgenerator (7) verbunden ist, um die Setzspannung (Vf1) und die Spannung (Vpn) diesem einzugeben, und um eine Differenzspannung (Va) zwischen der Setzspannung (Vf1) und der Spannung (Vpn) an den Wechselstromgenerator (7) abzugeben.
einen Pulsratensetzkreis (5) zum Erzeugen einer Setzspannung (Vf1), die der Frequenz (f1) des Vormagnetisierungsstromes (Ib) entspricht, und
einen Integrator (6), der wirkungsmäßig mit der Pulsratensetzschaltung (5) und dem Pulsratenmeßkreis (2) an einer Eingangsseite verbunden ist, und der an einer Ausgangsseite mit dem Wechselstromgenerator (7) verbunden ist, um die Setzspannung (Vf1) und die Spannung (Vpn) diesem einzugeben, und um eine Differenzspannung (Va) zwischen der Setzspannung (Vf1) und der Spannung (Vpn) an den Wechselstromgenerator (7) abzugeben.
4. Digitales SQUID-Steuersystem nach Anspruch 1, bei
dem der Pulsratenmeßkreis (2, 8) umfaßt:
einen Zähler (8-1), der wirkungsmäßig mit dem Injektionsanschluß (B) verbunden ist, um die Zahl der positiven Impulse, die Zahl der negativen Impulse und die Summe der positiven und der negativen Impulse zu zählen,
ein Register (8-2), das wirkungsmäßig mit dem Zähler (8-1) verbunden ist, um einen Wert, der von dem Zähler (8-1) gezählt wird, unter Verwendung eines Schiebeimpulses zu setzen, der über einen Schalter (SW1) eingegeben wird, und
einen Digital-zu-Analog-Konverter (8-3), der wirkungsmäßig mit dem Register (8-2) verbunden ist, um die in dem Register (8-2) gespeicherten Impulse zu einem analogen Wert zu konvertieren, und um den analogen Wert an den Wechselstromgenerator (7) auszugeben.
einen Zähler (8-1), der wirkungsmäßig mit dem Injektionsanschluß (B) verbunden ist, um die Zahl der positiven Impulse, die Zahl der negativen Impulse und die Summe der positiven und der negativen Impulse zu zählen,
ein Register (8-2), das wirkungsmäßig mit dem Zähler (8-1) verbunden ist, um einen Wert, der von dem Zähler (8-1) gezählt wird, unter Verwendung eines Schiebeimpulses zu setzen, der über einen Schalter (SW1) eingegeben wird, und
einen Digital-zu-Analog-Konverter (8-3), der wirkungsmäßig mit dem Register (8-2) verbunden ist, um die in dem Register (8-2) gespeicherten Impulse zu einem analogen Wert zu konvertieren, und um den analogen Wert an den Wechselstromgenerator (7) auszugeben.
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