Kenttäsietoiset SQUID-anturit yhdistettyyn MEG-MRI järjestelmään

The simultaneous use of Magnetoencephalography (MEG) and low-field Magnetic resonance imaging (MRI) enables one to image the electrical activity of human brain with both high temporal and spatial accuracy, respectively. Recent research has shown that the detection of MEG and MRI signals could be performed with Superconducting QUantum Interference Device (SQUID). SQUID, based on the phenomena of Josephson tunneling and flux quantization, is an ultrasensitive sensor of magnetic flux traditionally employed in MEG. However, when exposed to high fields of MRI, the SQUID operation becomes complicated as large amount of flux enters the structures of the SQUID. Field tolerance can be enhanced with technological improvements in design, such as linewidth reduction, superconducting shielding, modifying pickup geometry and using flux dams. In this thesis, these remedies were employed in practice as SQUID development was performed at VTT as a part of the MEGMRI project financed by the EU. Flux tolerance of SQUIDs equipped with and without flux dams was measured by placing the SQUID in perpendicular magnetic field. It was found that flux dams are able to reduce the field captured by the pickup loop to a negligible level even with a magnetometer. Tolerance was further enhanced by placing superconducting shields on both sides of the SQUID. It is predicted from these results that current SQUID models are able to function in a homogeneous magnetic field of several hundreds ìT and recover independently from pulses as high as 50 mT. It is argued that the latter quantity could be restricted by the flux penetration from inner parts of the SQUID loop. However, the high field tolerance does not degrade the sensitivity properties of the SQUID which was verified in noise measurements. Flux tolerance is expected to rise even further as linewidth reduction was employed in designing a whole new generation of SQUIDs. In addition, the impedance matching between the SQUID loop and the pickup loop became easier.Yhdistämällä magnetoenkefalografia (MEG) ja matalan kentän magneettikuvantaminen (MRI) samanaikaisesti voidaan ihmisaivojen sähköisen toiminnan kuvantamisessa saavuttaa mahdollisimman hyvä aika- ja paikkaresoluutio. Viimeaikainen tutkimus on osoittanut, että sekä MEG- että MRI-signaali voidaan mitata SQUID-anturilla. SQUID, joka perustuu Josephsonin tunneloitumiseen ja vuon kvantittumiseen suprajohtavassa renkaassa, on erittäin herkkä magneettivuon ilmaisin, jota käytetään perinteisessä aivokuvantamisessa (MEG). Kun se altistetaan MRI:n korkealle magneettikentälle, vuo tunkeutuu SQUID:in rakenteisiin vaikeuttaen sen toimintaa huomattavasti. Kenttäsietoisuutta voidaan nostaa teknologisin parannuksin, kuten pienentämällä suprajohtavien osien viivanleveyttä, käyttämällä suprajohtavaa suojausta tai vuosulaketta sekä muuttamalla pickup-kelan geometriaa. Tässä diplomityössä näiden parannusten vaikutusta tutkittiin käytännössä. Työ suoritettiin VTT:llä osana EU:n rahoittamaa MEGMRI-projektia. Eri SQUID-mallien vuosietoisuus mitattiin asettamalla ne kohtisuoraan magneettikenttään. Tulokset osoittavat, että vuosulakkeet pystyvät suurelta osin estämään pickup-kelasta peräisin olevan kentän päätymisen SQUID-silmukkaan. Kelan geometrialla ei ole suurta väliä, sillä samankaltaiset tulokset mitattiin sekä gradiometrillä että magnetometrillä. Sietoisuutta pystyttiin parantamaan edelleen asentamalla suprajohtavat suojat SQUID:in molemmille puolille. Tulosten perusteella on arvioitavissa, että nykyiset SQUID-mallit kykenevät toimimaan usean sadan mikroteslan suuruisessa homogeenisessa magneettikentässä. Ne pystyvät myös toipumaan itsenäisesti jopa 50 mT:n suuruisesta magneettisesta pulssista. Työssä esitetään malli, jonka mukaan jälkimmäisen luvun määrittää vuon tukeutuminen suprajohtaviin rakenteisiin SQUID-silmukan sisäpuolella. Kohinamittaukset osoittavat, että tehdyt muutokset eivät heikennä antureiden herkkyyttä. On odotettavissa, että vuosietoisuutta pystytään parantamaan entisestään pienentämällä viivanleveyttä. Tätä pidettiin lähtökohtana uusia SQUID-malleja suunniteltaessa. Samalla impedanssimuunnos SQUID-silmukan ja pickup-kelan välillä tuli helpommaksi