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Simultane Messung kleinster Magnetfelder

Multikanal-Ausleseelektronik für neuartige SQUID-Sensorsysteme

PTBnews 1.2020
25.02.2020
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Entwickler supraleitender Sensorsysteme

Im Rahmen einer Industriekooperation hat die PTB eine neue Ausleseelektronik für dc-SQUID-Multikanalsysteme entwickelt. Sie ist hoch skalierbar und flexibel einsetzbar und erlaubt das zeitgleiche Auslesen von bis zu einigen tausend Kanälen.

Ausleseelektronik für dc-SQUID-Multikanalsysteme. Im Vordergrund: 19"-Einschubkarte mit Ausleseelektroniken für 9 Sensorkanäle.

SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) sind die weltweit empfindlichsten und genauesten Magnetfelddetektoren. Mit ihnen lassen sich die extrem kleinen Änderungen von Magnetfeldern des menschlichen Herzens oder Gehirns aufspüren, aber auch Eigenschaften magnetischer Nanopartikel bestimmen. Direkt gekoppelte (dc-) SQUIDs können ebenso zum Auslesen anderer hochempfindlicher supraleitender Sensoren verwendet werden. Bei der Entwicklung von SQUIDs und Ausleseelektroniken ist die PTB weltweit führend.

In den letzten Jahren zeigte sich ein zunehmender Bedarf an Elektroniken für Messsysteme mit einer hohen Anzahl an supraleitenden Sensoren. Als Antwort auf diese Marktbedürfnisse haben die PTB und die Firma Magnicon GmbH in Zusammenarbeit mit dem Institut für angewandte Photonik e. V. Berlin eine Ausleseelektronik für dc-SQUID-Multikanalsysteme entwickelt. Um sie einem weiten Anwenderbereich zur Verfügung stellen zu können, ist die Elektronik für ein weißes Spannungsrauschen von 0,7 nV/Hz1/2, eine maximale Bandbreite von ca. 5 MHz sowie einen Stromverbrauch von ca. 25 mA pro Kanal konzipiert. Mit dieser Auslegung ist der Kompromiss zwischen dem Gesamtstrombedarf eines vollbestückten Systems und der benötigten Performance akzeptabel für die avisierten Messungen. Für hochempfindliche Experimente können alle Mikrocontroller während der Messungen in einen Ruhemodus versetzt werden, um Störungen zu vermeiden. Dem Anwender stehen bis zu drei verschiedene galvanisch entkoppelte Signalleitungen zur asynchronen Hardwaresteuerung zur Verfügung. Diese Funktionalität ist existenziell wichtig z. B. in Anwendungen, in denen der Strom in den supraleitenden Sensoren zeitlich begrenzt limitiert werden muss – wie in Experimenten zur LF-NMR (Low-Field Nuclear Magnetic Resonance), zur MRI (Magnetic Resonance Imaging) oder zur Relaxometrie.

Die Multikanalelektronik wird den Betrieb neuer SQUID-Sensorsysteme in der PTB und anderen Institutionen ermöglichen. Das Vorhaben wurde durch das bei der Investitionsbank Berlin angesiedelte Programm zur Förderung von Forschung, Innovationen und Technologien (Pro FIT) und durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung gefördert.

Ansprechpartnerin

Sylke Bechstein
Fachbereich 7.6 Kryosensorik
Telefon: (030) 3481-7426
Opens window for sending emailsylke.bechstein(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

S. Bechstein, D. Drung, M. Scheiner, F. Petsche, S. Ali Valiollahi, R. Körber, H.J. Barthelmess: Highly scalable readout electronics for large multi-channel dc-SQUID systems. Accepted for publication in the proceedings of EUCAS 2019 Journal of Physics: Conference Series