Hochempfindliches SQUID-System

Der Einsatz von SQUID-Magnetometern (SQUID: Superconducting QUantum Interference Device) zur Bestimmung kleinster magnetischer Flussänderungen hat an der PTB eine lange Tradition. Die in der Vergangenheit verwendeten SQUID-Vielkanalsysteme wurden im Bereich der medizinischen Messtechnik vorwiegend für die Messung magnetischer Herzsignale (Magnetokardiografie) sowie für die Messung und Lokalisation von Ionenströmen im menschlichen Gehirn (Magnetoenzephalografie) eingesetzt. Für neue Anwendungen in der Ultraniedrigfeld-Magnetresonanz oder die Magnetorelaxometrie müssen Proben kurz vor der eigentlichen Messung mit einem Magnetfeld im Milli-Tesla-Bereich vorpolarisiert werden. Das erforderte eine Neuentwicklung von SQUID-Magnetometern, die robust gegenüber den um einen Faktor 1012 größeren Feldstärken der Vorpolarisationsphase sind, ohne dabei an Empfindlichkeit während der Messphase zu verlieren.

Um diese Anforderungen zu erreichen, wurde ein schon früher in der PTB entwickelter SQUIDStromsensor mit einer separaten Feldspule kombiniert. Die hochempfindlichen SQUIDs befinden sich in einer supraleitenden Abschirmung, um sie vor den hohen Feldstärken während der Vorpolarisation zu schützen. 18 dieser SQUID-Magnetometer sind in einem Sensormodul zusammengefasst. Jedes Modul verfügt über Sensoren in zwei Messebenen mit individuellen Feldspulen, empfindlich für alle drei Raumrichtungen, sowie über zwei unterschiedliche Spulendurchmesser. Die größere Spule verbessert dabei die Detektion von weiter entfernten Quellen. Die einzelnen Feldspulen sind so angeordnet, dass mehrere Sensormodule kombiniert werden können.

Es wurde gezeigt, dass das neue System robust gegenüber Vorpolarisationsfeldern bis in den mT-Bereich ist. Die neuen SQUID-Messsysteme erreichen mit den 17 mm und 75 mm großen Feldspulen ein minimales weißes Flussdichterauschen von 540 aT/√Hz bzw. 61 aT/√Hz. Damit wurden auch die Empfindlichkeit der Sensoren gegenüber dem bisherigen System mehr als verdoppelt und die Einsatzmöglichkeiten deutlich erweitert.