專利名稱：次－皮可特斯拉磁場檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及測量磁場的領(lǐng)域。更具體而言，本發(fā)明涉及通過在非屏蔽環(huán)境中使用超導(dǎo)量子干涉設(shè)備(SQUID)，利用梯度計和磁強計來測量低電平磁場。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)量子干涉設(shè)備(SQUID)磁傳感器是旨在測量低于約10-12特斯拉(T)的許多靈敏磁強計的核心。這個水平在例如由活性有機體所產(chǎn)生的磁場(經(jīng)常被稱為生物磁場)范圍內(nèi)。
SQUID對磁通量φB敏感。磁通量φB可被定義為沿著正交于給定面積而被定位的矢量z穿過所述給定面積的平均磁場的投影，或從數(shù)學(xué)上φB＝Bz*A (1)低特斯拉直流(DC)SQUID典型地由兩個額定相同的Josephson結(jié)組成，所述結(jié)串連在典型直徑為10-14至10-2mm數(shù)量級的超導(dǎo)、電連續(xù)的回路中。基于SQUID的磁強計及梯度計是目前使用當(dāng)中的最靈敏的磁場檢測器。
SQUID典型地通過使用鈮-鋁-氧化鋁-鈮(Nb-Al-AlOx-Nb)結(jié)技術(shù)被制造在芯片上，其中相關(guān)的結(jié)以及SQUID環(huán)路由薄膜形成。所述設(shè)備的微米級特征可通過使用照相平版印刷技術(shù)而形成。SQUID芯片被典型地密封在超導(dǎo)屏蔽中用于將設(shè)備屏蔽于環(huán)境磁通量。要被測量的磁通量典型地被顯著較大直徑的環(huán)路或線圈(例如，10-20mm)截斷，所述環(huán)路或線圈經(jīng)由輸入線圈被感性耦合到SQUID。這些較大的線圈通常由在絕緣圓柱形支撐上面所纏繞的薄絕緣超導(dǎo)線(例如，鈮)構(gòu)成。具有單個線圈或環(huán)路的設(shè)備可被稱為磁強計，具有多于一個線圈或環(huán)路的組合的設(shè)備可被稱為梯度計。這樣的設(shè)備被示意性地示例于例如圖4中。
不幸地，基于SQUID的梯度計的這一史無前例的靈敏度的取得要付出很大代價，因為靈敏度可以致使設(shè)備被周圍噪聲所淹沒并且當(dāng)被暴露于射頻干擾(RFI)時則停止工作。結(jié)果是，這些設(shè)備經(jīng)常僅可以操作在高度屏蔽的密封內(nèi)，這對所有現(xiàn)實生活的應(yīng)用是不實際的。因而，如果基于SQUID的設(shè)備無需這種屏蔽而能夠操作，則將是非常有益的。如果我們能夠做到于此，則我們便擁有了實用的靈敏磁場測量儀器。本申請公開了用于取得這個目標(biāo)的方法和裝置。
在RFI存在時，SQUID可失去靈敏度，或甚至停止發(fā)揮作用。強的RFI源包括，例如在醫(yī)院中的超聲波機器、AM及FM無線電信號、電視和蜂窩通信傳輸。在低于RF帶的頻率下，SQUID電子裝置可以被用來測量噪聲，并且已知的軟件技術(shù)可以被用來消除這個噪聲(例如，Bick等人的“SQUID Gradiometry for Magnetocardiography Using DifferentNoise Cancellation Techniques”)。
在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中用來消除RFI的簡單但經(jīng)常不實用的方案一直是將系統(tǒng)環(huán)繞幾層精細(xì)的銅網(wǎng)并且對操作區(qū)域進行絕緣。銅網(wǎng)顯著地降低了RFI，但并不消除它，因為難以削減通過連接電纜的傳輸。雖然SQUID本身可被適宜地屏蔽在小的Nb管內(nèi)部，但是撿拾測量信號且將它饋送到SQUID的未被屏蔽的梯度計仍然要將RFI耦合進入SQUID，因為梯度計本身不能夠被屏蔽(否則它不可能撿拾要被測量的信號)。因此，存在對如此技術(shù)的需要，即其允許梯度計將感興趣的信號耦合進SQUID，而無需附加地將RFI耦合進入SQUID。
下述參考提供了對現(xiàn)有技術(shù)的SQUID系統(tǒng)的總體說明，但是它們未能提供有效手段用來將SQUID屏蔽于射頻干擾。
Fujimaki的日本專利(JP 4212079)提供了SQUID磁場傳感器，其中阻尼電阻器R1和R2被用來僅消除RFI的磁部分。
Ishikawa等人的題為“Effect of RF Interference on Characteristics ofDC SQUID System”以及Koch等人(Appl.Phys.Lett.，vol 65，pp.100-102)的題為“Effects of radio frequency radiation on the dc SQUID”的非專利文獻提供有關(guān)SQUID系統(tǒng)中RFI干擾的背景信息。
Bick等人(“SQUID Gradiometry for Magnetocardiography UsingDifferent Noise Cancellation Techniques”)及Tarasov等人(“Optimizationof Input Impedance and Mechanism of Noise Suppression in a DC SQUIDRF Amplifier”)的非專利文獻總體上示例SQUID設(shè)備使用噪聲消除技術(shù)。
Simmonds的U.S.專利(5,319,307)涵蓋了改善SQUID的性能。對超導(dǎo)屏蔽層的參考文獻相向使SQUID芯片屏蔽于RFI，并且應(yīng)該注意到總體上所有的SQUID，甚至是用在被屏蔽的密封內(nèi)的那些SQUID，均被保持在超導(dǎo)Nb管內(nèi)部，使梯度計經(jīng)過Nb管中的小孔從外部被連接。
Colclough的U.S.專利(5,532,592)涵蓋了在多通道系統(tǒng)中的電子裝置(通量被鎖定的環(huán)路)。應(yīng)該注意到對黃銅密封的參考是在電子裝置中用來屏蔽于RFI的常規(guī)程序；但是這個程序不適合于阻止通過穿過密封的線而傳輸?shù)腞FI。
Sepp的U.S.專利(6,066,948)公開了SQUID的阻尼獨立結(jié)。應(yīng)該注意到這是公用的程序且有關(guān)這個程序的更多信息可見于由Weinstock所著的題為“Applications of Superconductivity”(Kluwer，Netherlands，2000)的書籍。還應(yīng)該進一步注意到這個程序允許對影響SQUID操作的結(jié)的內(nèi)部振蕩進行阻尼并且并不降低被耦合到SQUID本身的RFI。
Steinbach等人的U.S.專利說明一種阻尼SQUID的內(nèi)部諧振的方法。所述阻尼有助于使SQUID屏蔽于RFI的磁部分并且類似于Goto(JP4160380)的日本專利，所述日本專利提供如在現(xiàn)有技術(shù)SQUID系統(tǒng)中所實施的噪聲抑制技術(shù)中的總體背景。
此外，Kawai(JP 7198815)的日本專利顯然講授沿著與Steinbach等人的專利相同的線路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種裝置和方法，用于防止RFI被耦合進SQUID而無需犧牲系統(tǒng)的信噪比，同時在未被屏蔽的真實情形下操作系統(tǒng)。
在優(yōu)選實施例中，濾波器電路以新穎的方式被結(jié)合以將RFI從SQUID中去除而無需屏蔽梯度計環(huán)路。濾波器電路采用電阻器和電容器的組合(RC電路)而形成，其中電阻器從SQUID的輸入線圈中將被磁耦合的RFI旁路，并且電容器從SQUID中將被電耦合的RFI旁路。應(yīng)該注意，盡管描述的是采用傳統(tǒng)電阻器和電容器的各種RC電路，但是可以使用具有類似特性(例如，就截止頻率和清晰度)的任何形式的濾波器電路。例如，可有效地使用由超導(dǎo)帶狀線制成的濾波器，所述超導(dǎo)帶狀線切斷RFI分量以免其從未被屏蔽的梯度計被耦合進被屏蔽的SQUID。
本發(fā)明還設(shè)想用于從電磁上將濾波器電路與SQUID隔離以用于改善的RFI屏蔽的密封罩，以及設(shè)想一種用于將經(jīng)改善的RFI從SQUID中去耦合的方法，其使輸入線圈與SQUID之間的阻抗Zci能夠得到增加而無需損失裝置的靈敏度。
本發(fā)明允許在未受屏蔽的環(huán)境中廣泛使用SQUID系統(tǒng)，甚至在存在強的RFI時。這提供了在各種生物醫(yī)療和無損評估應(yīng)用中無需犧牲性能而采用SQUID的可能性。事實上，本發(fā)明使能對實用的次-皮可特斯拉檢測器的制造。


通過閱讀本發(fā)明具體示例性實施例的下述說明并結(jié)合所附附圖，可獲得對本發(fā)明更全面的理解，其中圖1示出對稱式SQUID偏置電子裝置的示意圖，其中絞合線對(絞合未被示出)防止磁通量穿過環(huán)路；圖2示出對稱式SQUID加熱器電子裝置的示意圖，其中絞合線對(絞合未被示出)防止磁通量穿過環(huán)路；圖3示出被耦合到SQUID的反饋/調(diào)制線圈的示意圖；圖4示出本發(fā)明的第一實施例；圖5示出本發(fā)明的第二實施例；圖6示出在低頻情況下圖4實施例的等效電路圖；圖7示出在高頻情況下圖4實施例的等效電路圖；圖8示出圖4實施例的第一變型；圖9示出圖5實施例的第一變型；圖10示出圖4實施例的第二變型；圖11(a)-11(d)示出根據(jù)本發(fā)明原理的SQUID設(shè)計，其使能減少RFI被耦合進SQUID。傳統(tǒng)設(shè)計被示于圖11(a)和11(c)，并且發(fā)明性設(shè)計被示于圖11(b)和11(d)；以及圖12示出為將SQUID容納在腔中而設(shè)計的鈮屏蔽，所述室從電磁上隔離于圖4-10的濾波器電路。
在各種附圖中，同樣的參考數(shù)字指定同樣的或相似的本發(fā)明元件。
具體實施例方式
本公開內(nèi)容被視為對本發(fā)明原理的示范以及對其結(jié)構(gòu)的相關(guān)功能性技術(shù)說明，并且并不旨在意味著限制本發(fā)明超出具體要求的范圍。本領(lǐng)域中那些普通的技術(shù)人員可預(yù)想到超出在此所示范的、屬于所提出權(quán)利要求的本發(fā)明范圍之內(nèi)的其它可能的變型。
圖4呈現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明第一實施例而構(gòu)建的基于SQUID的梯度計的電路圖。傳統(tǒng)地，裝置100包括經(jīng)由輸入線圈30(由電感Li表示且相對于SQUID墊圈20具有互感Mi和電容Ci)被耦合到SQUID 20(具有墊圈電感LSQ)的梯度計10(在圖4中由電感Lg表示)。
RFI可以電和磁兩種方法被耦合進SQUID 20。例如，參考圖4，借助于充當(dāng)像電磁天線的連接線(如經(jīng)由輸入線圈耦合梯度計10的傳輸線14，14a和/或經(jīng)由變壓器40耦合放大器50的連接線45，和/或參考圈3，經(jīng)由反饋/調(diào)制線圈33耦合RFI的傳輸線15)RFI可耦合進SQUID墊圈20。RFI還可以經(jīng)由穿過由傳輸線14，14a和45所形成的各種環(huán)路的磁通量被耦合進SQUID墊圈20。此外，在一些情形下，RFI可在SQUID墊圈24上產(chǎn)生大的DC場。由于SQUID是非常低阻抗的設(shè)備，所以它們通常最受被磁耦合的RFI的影響。然而被磁耦合的RFI還可是大量的，特別地在接近及超出FM無線電帶頻率時，在此時SQUID連接線可以充當(dāng)傳輸線。
從根本上，RFI和其它形式的電磁干擾(EMI)可經(jīng)由任何電子連接被耦合進SQUID。正如已經(jīng)理解到的，通過采用允許人們?nèi)コ絊QUID的地連接的對稱電子裝置，RFI可被降低或消除。電子裝置的對稱性使被耦合進SQUID的經(jīng)傳輸?shù)腞F能量得到降低。例如，參考圖3，通過傳輸線15被撿拾的RFI，包括通過反饋/調(diào)制線圈33和到SQUID墊圈20的剩余電連接可被耦合的殘余能量，根據(jù)本發(fā)明的原理通過使用特殊的對稱濾波器電路可被消除。
對稱的SQUID電子裝置消除了接地環(huán)路問題。圖1和2分別示出對稱的SQUID偏置和加熱器電子裝置。在圖2中，加熱出現(xiàn)在電阻器7(被描述為RH)上。對稱性確保如果連接線充當(dāng)天線，則在它們上所感應(yīng)的RFI電壓可在SQUID位置處被抵消。
如由例如圖1-3所示，對稱信號源1、2和3將信號放置到傳輸線17、16和15上面。在進行此的同時，RFI和其它周圍的噪聲還經(jīng)由線15-17被傳輸。這在傳輸線15-17上感應(yīng)出RF電場，以及在由這些傳輸線15-17所形成環(huán)路上的磁通量Φ以及被磁耦合的干擾RFΦ。
如圖1和3所示，對稱的RC濾波器5(fc1-10兆赫)和電容器6防止駐波在諧振頻率被建立(a)在傳輸線15-17以及45上，在接近10-100兆赫，以及(b)在SQUID墊圈以及或者輸入線圈和/或者反饋/調(diào)制線圈33之間，處于幾千兆赫。附加地，如果傳輸線15-17和45被配置成牢固的絞合線對，實際上沒有磁通量Φ穿過相聯(lián)系的電路環(huán)路。電路對稱性確保例如，如果圖1的傳輸線17充當(dāng)天線，則在它們上面所感應(yīng)的RFI電壓在SQUID墊圈20處被抵消。
圖3示例反饋/調(diào)制線圈33，其共享SQUID反饋和調(diào)制電路。通過環(huán)路的磁干擾被形成傳輸線15的牢固的絞合線對消除(這樣Φ實際上為0)。應(yīng)該注意到RFI天線般的撿拾還可以通過反饋線圈33和SQUID墊圈20之間的電容耦合被耦合到SQUID。調(diào)制線圈33的電容Cf可典型地為約10皮法拉(pF)。調(diào)制信號具有最大達1兆赫(MHz)的分量。因此，RC濾波器5被如此選擇以便于它具有大于10MHz的有效帶寬，并且電容C足夠大(與Cf相比較)以縮小來自SQUID墊圈20的大多數(shù)RFI。RC濾波器5的代表值是R＝100歐姆(Ω)以及C＝1毫微法拉(nF)。
圖4示例作為測量裝置100部件的本發(fā)明的第一實施例。RC濾波器5(也被示例于圖3中)可以被用來減低經(jīng)天線耦合的RFI，但是梯度計10還引入穿過由傳輸線14所形成環(huán)路的磁通量。結(jié)果是，為了消除經(jīng)天線耦合的RFI以及磁通量RFΦ，圖4的本發(fā)明將電阻性旁路器60耦合到接地電容器70以為了將這個磁通量從分量環(huán)路14a和輸入線圈30中短路掉(short out)。作為選擇地，單個電阻性旁路器60可隨著如圖5中所示用于測量裝置的對稱RC濾波器5被耦合。
為了更好地理解本發(fā)明是如何工作的，適用于工作系統(tǒng)的參數(shù)被示例如下。應(yīng)該注意到這些具體的實例被提供僅用于示例性和說明性的目的，并且因此不應(yīng)該被推斷為對所提出權(quán)利要求的本發(fā)明范圍的限制。
針對圖4中的電路100，在各種操作頻率下的阻抗值被列表于表1中。各種參數(shù)的值是Ci＝140pF(測量的)，Li＝300毫微亨利(nH)，Cg＝10000nF，Rs＝1.5Ω。
表1 圖4中第一實施例的阻抗計算

圖5中電路200的阻抗值被提供在圖2中。除Rs＝3Ω和RG＝1.5Ω以外，所有的值與表1中的相同。圖5中的電路200因此基本上等效于圖4中的電路100。
表2 圖5中實施例的阻抗計算

對于被表示為圖6中等效電路300的圖4中的電路100，在較低的頻率(即低于5MHz)下，輸入線圈阻抗ZLi足夠低并且伴隨RFI的波長足夠長。正如可從表1和2以及圖4和5中所觀察到，接地抽頭電容器70(被表示為Cg)能夠有效地旁路出從SQUID中所撿拾的RFI電分量，因為輸入線圈30和SQUID墊圈20之間的電容性阻抗Zci遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Zcg+Rs(或表2中的Zcg+Rg)。
在較高頻率下，圖4中的電路100根據(jù)圖7中所示的等效電路400工作，其具有分布式的L-C電路元件經(jīng)由分布式電容性阻抗21和互感22被耦合的分布式的輸入線圈元件30和分布式的感應(yīng)SQUID墊圈元件20。在這種情況下元件dZCi、dZLi的表示性近似值被列表于表1和2中的最后兩列。通過考慮在相同的長度段上，一旦某一長度反饋線圈30的部分電感性阻抗(其中dZLi與輸入線圈30的長度成比例)開始變成大于反饋線圈30和SQUID墊圈20之間的電容性阻抗21(其中dZCi與輸入線圈30的長度成反比，因為對于L和C兩者線圈寬度被固定)時，這些近似值被加以估算，然后可以有效地被視為作為分布式LC網(wǎng)絡(luò)而工作。例如對于針對ZLi和ZCi約為10-20Ω的值這可發(fā)生。在那些頻率下這些數(shù)字仍然高出Zcg+Rs(或表2中的Zcg+Rg)約10這樣的因子，這樣由RC電路60、70進行的旁路仍然有效。在超出1GHz的頻率下，圖7中的系統(tǒng)30-21-22-20表現(xiàn)為被耦合到得到良好阻尼(具有Rs或Rg)的輸入環(huán)路電路的橫向磁(TM)模式諧振器，因此仍然避免了操作的非穩(wěn)定性。
如例如由圖4所示，通過對由傳輸線14所限定的梯度計環(huán)路進行短路，旁路電阻器60有效地去除穿過由傳輸線14a所限定的輸入環(huán)路的RF磁通量以防止影響SQUID。對于高于約5MHz的頻率ZLi遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Rs(例如，如表1和2中所示)。對于較低的頻率，通過將部分RF通量從SQUID墊圈20中旁路，旁路電阻器Rs仍然有所幫助。原則上，這個效應(yīng)可進一步通過降低Rs的值而得到改善。不幸地，在較小的Rs和通量噪聲之間存在平衡，根據(jù)下述關(guān)系式它(從通過輸入線圈30被耦合的Johnson電流噪聲中)添加進SQUID中⇒(in)=4kBT/R⇒(φn)=Mi(in)---(2)]]>其中KB是玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù)且T是電阻器R的溫度，in是Johnson電流噪聲且Φn是在SQUID中所感應(yīng)的通量噪聲。
因此我們可以得出結(jié)論對于圈4和5中的裝置100、200，Rs的最佳值是3Ω(在表1中是2*Rs或在表2中是Rs)。然而，應(yīng)該注意到這個最佳值可基于與本發(fā)明系統(tǒng)電路相聯(lián)系的其它參數(shù)而變化。
鑒于前面的討論，清楚地是它可證明消除被磁耦合的低頻RFI(低于5MHz)是非常困難的。在這種情況下，我們想要指出通過在5MHz或更高下使用傳統(tǒng)的SQUID通量鎖定環(huán)路(FLL)(例如，見由H.Weinstock所著題為“Applications of Superconductivity”，Kluwer，Netherlands，2000)我們可以被更好地加以服務(wù)。在這種情況下，棘手的低頻RFI可以被FLL作廢，因為現(xiàn)在它將足夠快以在這個頻率范圍跟蹤RFI。從增加FLL頻率將取得的另一優(yōu)點是回轉(zhuǎn)速率也將變快，并且因此對來自附近的主功率源和大氣中的電發(fā)光的快速切換噪聲更加具有免疫力。
圖4、5的創(chuàng)造性實施例的附加變化包括特色性的與旁路電阻器60串聯(lián)(見，例如圖8和9的電路500和600)的旁路電容器71(由Cs表示)，以及占主要位置的與由旁路電阻器60和接地電容器70所限定的電路(見，例如圖10的電路700)并聯(lián)的附加旁路電阻器61(由R表示)。旁路電容器71被如此選擇，以便于它形成阻擋低頻通量噪聲RFΦ進入SQUID墊圈20的高通電路(具有Rs和Li)。然而Cs的引入可在一些情況下導(dǎo)致SQUID操作的不穩(wěn)定性。這個問題可以由圖10的電路700加以避免，其中可以致使并聯(lián)的電路旁路電阻器61具有非常小的電阻。這有助于在低于5MHz的頻率下降低RFI。
在圖4和10中所示的實施例簡單且緊湊，并且因此較圖5、8和9中所示的實施例對寄生效應(yīng)具有更高的抵抗力。另一方面，在圖5中所示的實施例具有這樣的優(yōu)點，即可以使Rg更小，因此使ZCg+Rg遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ZCi。由于電路200的對稱性，這個方案將改善RF的電壓濾波而沒有將附加的通量噪聲引入進SQUID。同樣，如圖9中的電路600所示，Rs可以單獨地被降低用于對RF磁撿拾進行濾波，并且僅一個附加的旁路電容器71需要被添加。在圖8的電路500中，Rs可以得到降低，因此使ZCg+Rs遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ZCi，并且因此使能RF電壓濾波得到改善。但是，在這種情況下，需要兩個附加的旁路電容器71。
雖然在本說明中僅示例了幾個具體的電阻式和電容式濾波器，但是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將容易地意識到可使用具有類型特性(截止頻率和清晰度特征以及消除干擾的電及磁分量)的任何其它形式的濾波器電路。作為實例，一個實施例可以包括由超導(dǎo)帶狀線組成的超導(dǎo)濾波器，所述超導(dǎo)帶狀線切斷所有RFI分量以防從未經(jīng)屏蔽的梯度計被耦合進經(jīng)屏蔽的SQUID。
表1和2建議如果SQUID被如此重新設(shè)計，以便于輸入線圈30和SQUID墊圈20(由Ci所表示)之間的電容得到降低，則ZCi將變得較大。這個增加的阻抗使SQUID 20更加免疫于RFI的電分量。
圖11(a)-11(d)示出包括SQUID墊圈20和螺旋輸入線圈30、31的SQUID。線圈30、31通過提供間隔厚度t的隔離器29與SQUID墊圈20分開。為了清楚起見輸入線圈30、31的僅N＝5匝數(shù)被示出，但是在實際的設(shè)計中N可接近100(對于包括后面的感應(yīng)計算和公式的詳細(xì)討論，請參見由H.Weinstock所著題為“Applications ofSuperconductivity”Kluwer，Netherlands，2000的書籍中的章節(jié)1和2)。圖11(c)和11(d)示出SQUID的頂視圖，以及圖11(a)和11(b)示出通過虛線“e-e”所取的橫斷面視圖。與輸入線圈30相比較，降低輸入線圈31的線寬度w將以C∝N.w/t的比例來減少電容(比較圖11c和11d)。
輸入線圈30、31與SQUID墊圈20之間的互感Mi被給出如下Mi≈N.LSQ(3)其中LSQ是SQUID墊圈的電感。因而，通過降低線寬度w，Mi沒有被改變。輸入線圈的電感Li被給出如下Li＝N2.LSQ+Lstrip(4)其中Lstrip是組成輸入線圈30的線的帶狀線電感。雖然對于足夠大的N(對于額定的SQUID設(shè)計，這對應(yīng)于N大于20)當(dāng)w被減少時Lstrip≈μ0.t/(w+2t)增加，但是Lstrip可以被忽略且Li≈N2.LSQ。在此μ0是自由空間的介電常數(shù)。因此，對于實用設(shè)計，Li也獨立于w。
因此，概括地，輸入線圈線的線寬度的降低(如由圖11(c)和11(d)中的輸入線圈30和輸入線圈31所示)導(dǎo)致Ci的減小，但是當(dāng)Mi和Li未發(fā)生變化時，并不導(dǎo)致任何靈敏度S∝Miφ/(Li+Lg)的損失(在此Lg是梯度計的電感且獨立于SQUID的設(shè)計)。Ci的減小導(dǎo)致ZCi的增加從而使它遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ZCg，并且這反過來進一步降低進入SQUID墊圈20的電RFI(請參見表1和2以及圖6和7)。
如果濾波器線靠近SQUID墊圈20，則流經(jīng)濾波器電路線的RF電流還可以被耦合進SQUID。為了防止這(見，例如圖12(a)-12(c))，包括兩個被電磁隔離室91、92的SQUID屏蔽90可被用來單獨地容納SQUID 91a(被示出在室91中)和濾波器電路92a(被示出在室92中)。現(xiàn)有技術(shù)SQUID屏蔽僅具有一個室。雖然附加室的使用增添了制造過程的難度，但是它被需要以實現(xiàn)SQUID儀器非屏蔽操作所需要的RF免疫水平。
圖12(a)-12(c)示例了包括外殼96的示范性SQUID屏蔽90，所述外殼帶有孔97用于接收具有突出部分98、99的插件93。當(dāng)插件93被插入進孔97時，每個突出部分98、99密封地裝配在孔97內(nèi)以分別地限定被電磁密封的室91、92。
在插件93中的第二孔94(例如，小于屏蔽直徑的十分之一)允許在室91中的SQUID 91a與室92中的濾波器電路92a之間連接的電線通路，而沒有任何泄漏。為室92中的濾波器電路92a提供接地連接95，這樣現(xiàn)在接地環(huán)路電流屏蔽于SQUID。除了對稱性電子裝置以外，這個隔離完全消除了在裝置中的任何接地問題。
概括地，用于有效實施對RFI不靈敏的實用次-皮可特斯拉磁場檢測器的一種系統(tǒng)和方法被公開。雖然已經(jīng)示出和說明了各種實施例，但是要理解到這種公開內(nèi)容并不旨在限制本發(fā)明，而是它旨在涵蓋如所附權(quán)利要求所限定的屬于本發(fā)明的實質(zhì)和范圍之內(nèi)的許多修改和可選擇的結(jié)構(gòu)。例如，本發(fā)明不應(yīng)該被限制于具體的硬件或濾波器電路類型。因此，本領(lǐng)域中的一個技術(shù)人員可以通過使用具有類似特性(例如，截止頻率和特征的清晰度)的任何形式的濾波器電路(僅作為一實例，同超導(dǎo)帶狀線所構(gòu)成的濾波器)來加以設(shè)想。
權(quán)利要求
1.在用于測量磁場的包括被感應(yīng)耦合到梯度計的超導(dǎo)量子干擾設(shè)備(SQUID)的裝置中，一種用于將SQUID屏蔽于通過梯度計而撿拾的射頻干擾(RFI)的設(shè)備，所述設(shè)備包括濾波器電路，其具有被互連到第一和第二端子的電阻器-電容器(RC)組合，以便于濾波器電路從電氣上平行于SQUID的輸入線圈及梯度計兩者，其中濾波器電路有效地將在梯度計中所產(chǎn)生的被磁感應(yīng)以及被電感應(yīng)的RFI分量從輸入線圈中旁路掉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述濾波器電路包括連接在第一端子與第三端子之間的第一旁路電阻器Rs；連接在第二端子和第三端子之間的第二旁路電阻器Rs；以及連接在第三端子和系統(tǒng)地之間的接地電容器Cg。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述濾波器電路包括連接在第一端子和第二端子之間的第一旁路電阻器Rs；第一串聯(lián)接地電路，包括連接在所述第一端子和系統(tǒng)地之間的第一接地電阻器Rg和第一接地電容器Cg；以及第二串聯(lián)接地電路，包括被連接在所述第二端子和系統(tǒng)地之間的第二接地電阻器Rg和第二接地電容器Cg。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述濾波器電路包括第一串聯(lián)旁路電路，包括被連接在所述第一端子和第三端子之間的第一旁路電阻器Rs和第一旁路電容器Cs；以及第二串聯(lián)旁路電路，包括被連接在所述第三端子和第二端子之間的第二旁路電阻器Rs和第二旁路電容器Cs；以及被連接在第三端子和系統(tǒng)地之間的接地電容Cg。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述濾波器電路包括第一串聯(lián)旁路電路，包括被連接在所述第一端子和第二端子之間的第一旁路電阻器Rs和第一旁路電容器Cs；以及第一串聯(lián)接地電路，包括被連接在第一端子和系統(tǒng)地之間的第一接地電阻器Rg和第一接地電容器Cg；以及第二串聯(lián)接地電路，包括被連接在所述第二端子和系統(tǒng)地之間的第二接地電阻器Rg和第二接地電容器Cg。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述濾波器電路包括被連接在第一端子與第三端子之間的第一旁路電阻器Rs；被連接在第二端子和第三端子之間的第二旁路電阻器Rs；被連接在第一端子和第二端子之間的第三旁路電阻器R；以及被連接在第三端子和系統(tǒng)地之間的接地電容器Cg。
7.在用于測量磁場的包括被電耦合到梯度計的超導(dǎo)量子干擾設(shè)備(SQUID)的裝置中，其中所述SQUID包括將SQUID墊圈與輸入線圈分離開預(yù)定距離t的隔離器，所述輸入線圈被互連到梯度計，通過增加輸入線圈和SQUID墊圈之間的電容性阻抗ZCi，一種方法用于降低通過梯度計而將射頻干擾(RFI)耦合進SQUID，所述方法包括下述步驟減少輸入線圈中的導(dǎo)體寬度，以為了減少線圈的電容Ci；以及提供具有若干匝數(shù)N的線圈，以便于輸入線圈Lstrip的帶狀線電感同N2*LSQ相比較可被忽略，其中LSQ是SQUID墊圈的電感，這樣輸入線圈的電感Li約等于N2*LSQ；這樣Ci得到減少，并且ZCi得到增加，并且裝置的靈敏度S未被改變，其中S反比于梯度計電感Lg和輸入線圈電感Li之和。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中N超過20。
9.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中N超過100。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，進一步包括用于容納SQUID和RC電路的屏蔽，以便于RC電路與SQUID從電磁上被隔離。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中所述屏蔽包括兩個從電磁上被隔離的室，每個室用于容納SQUID和RC電路中的一個，其中所述兩個從電磁上被隔離的室由具有直徑為d的第三室互連。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其中所述直徑d小于屏蔽總直徑dSH的1/10。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其中用于容納RC電路的一個被電磁隔離的室包括接地端子。
全文摘要
一種通過使用被感應(yīng)性地耦合到未被屏蔽的梯度計的超導(dǎo)量子干擾設(shè)備(SQUID)而用于測量次－皮可特斯拉磁場的儀器包括一濾波器，所述濾波器用于將從磁和電上被耦合的射頻干擾(RFI)濾出SQUID。這個RFI經(jīng)由未被屏蔽的梯度計被大體上耦合到SQUID。此外，屏蔽密封被用來從電磁上將濾波器電路屏蔽于SQUID，并且采用一方法來增加輸入線圈與SQUID之間的阻抗而不減少儀器的總靈敏度。
文檔編號G01R33/035GK1639582SQ03804675
公開日2005年7月13日 申請日期2003年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月26日
發(fā)明者N·特拉爾沙瓦拉, A·巴克哈雷夫, Y·波利亞科夫 申請人:心臟磁力成像公司