次-皮可特斯拉磁场检测器制造技术

一种通过使用被感应性地耦合到未被屏蔽的梯度计的超导量子干扰设备（ＳＱＵＩＤ）而用于测量次－皮可特斯拉磁场的仪器包括一滤波器，所述滤波器用于将从磁和电上被耦合的射频干扰（ＲＦＩ）滤出ＳＱＵＩＤ。这个ＲＦＩ经由未被屏蔽的梯度计被大体上耦合到ＳＱＵＩＤ。此外，屏蔽密封被用来从电磁上将滤波器电路屏蔽于ＳＱＵＩＤ，并且采用一方法来增加输入线圈与ＳＱＵＩＤ之间的阻抗而不减少仪器的总灵敏度。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及测量磁场的领域。更具体而言，本专利技术涉及通过在非屏蔽环境中使用超导量子干涉设备(SQUID)，利用梯度计和磁强计来测量低电平磁场。
技术介绍
超导量子干涉设备(SQUID)磁传感器是旨在测量低于约10-12特斯拉(T)的许多灵敏磁强计的核心。这个水平在例如由活性有机体所产生的磁场(经常被称为生物磁场)范围内。SQUID对磁通量φB敏感。磁通量φB可被定义为沿着正交于给定面积而被定位的矢量z穿过所述给定面积的平均磁场的投影，或从数学上φB＝Bz*A (1)低特斯拉直流(DC)SQUID典型地由两个额定相同的Josephson结组成，所述结串连在典型直径为10-14至10-2mm数量级的超导、电连续的回路中。基于SQUID的磁强计及梯度计是目前使用当中的最灵敏的磁场检测器。SQUID典型地通过使用铌-铝-氧化铝-铌(Nb-Al-AlOx-Nb)结技术被制造在芯片上，其中相关的结以及SQUID环路由薄膜形成。所述设备的微米级特征可通过使用照相平版印刷技术而形成。SQUID芯片被典型地密封在超导屏蔽中用于将设备屏蔽于环境磁通量。要被测量的磁通量典型地被显著较大直径的环路或线圈(例如，10-20mm)截断，所述环路或线圈经由输入线圈被感性耦合到SQUID。这些较大的线圈通常由在绝缘圆柱形支撑上面所缠绕的薄绝缘超导线(例如，铌)构成。具有单个线圈或环路的设备可被称为磁强计，具有多于一个线圈或环路的组合的设备可被称为梯度计。这样的设备被示意性地示例于例如图4中。不幸地，基于SQUID的梯度计的这一史无前例的灵敏度的取得要付出很大代价，因为灵敏度可以致使设备被周围噪声所淹没并且当被暴露于射频干扰(RFI)时则停止工作。结果是，这些设备经常仅可以操作在高度屏蔽的密封内，这对所有现实生活的应用是不实际的。因而，如果基于SQUID的设备无需这种屏蔽而能够操作，则将是非常有益的。如果我们能够做到于此，则我们便拥有了实用的灵敏磁场测量仪器。本申请公开了用于取得这个目标的方法和装置。在RFI存在时，SQUID可失去灵敏度，或甚至停止发挥作用。强的RFI源包括，例如在医院中的超声波机器、AM及FM无线电信号、电视和蜂窝通信传输。在低于RF带的频率下，SQUID电子装置可以被用来测量噪声，并且已知的软件技术可以被用来消除这个噪声(例如，Bick等人的“SQUID Gradiometry for Magnetocardiography Using DifferentNoise Cancellation Techniques”)。在现有技术系统中用来消除RFI的简单但经常不实用的方案一直是将系统环绕几层精细的铜网并且对操作区域进行绝缘。铜网显著地降低了RFI，但并不消除它，因为难以削减通过连接电缆的传输。虽然SQUID本身可被适宜地屏蔽在小的Nb管内部，但是捡拾测量信号且将它馈送到SQUID的未被屏蔽的梯度计仍然要将RFI耦合进入SQUID，因为梯度计本身不能够被屏蔽(否则它不可能捡拾要被测量的信号)。因此，存在对如此技术的需要，即其允许梯度计将感兴趣的信号耦合进SQUID，而无需附加地将RFI耦合进入SQUID。下述参考提供了对现有技术的SQUID系统的总体说明，但是它们未能提供有效手段用来将SQUID屏蔽于射频干扰。Fujimaki的日本专利(JP 4212079)提供了SQUID磁场传感器，其中阻尼电阻器R1和R2被用来仅消除RFI的磁部分。Ishikawa等人的题为“Effect of RF Interference on Characteristics ofDC SQUID System”以及Koch等人(Appl.Phys.Lett.，vol 65，pp.100-102)的题为“Effects of radio frequency radiation on the dc SQUID”的非专利文献提供有关SQUID系统中RFI干扰的背景信息。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”)的非专利文献总体上示例SQUID设备使用噪声消除技术。Simmonds的U.S.专利(5,319,307)涵盖了改善SQUID的性能。对超导屏蔽层的参考文献相向使SQUID芯片屏蔽于RFI，并且应该注意到总体上所有的SQUID，甚至是用在被屏蔽的密封内的那些SQUID，均被保持在超导Nb管内部，使梯度计经过Nb管中的小孔从外部被连接。Colclough的U.S.专利(5,532,592)涵盖了在多通道系统中的电子装置(通量被锁定的环路)。应该注意到对黄铜密封的参考是在电子装置中用来屏蔽于RFI的常规程序；但是这个程序不适合于阻止通过穿过密封的线而传输的RFI。Sepp的U.S.专利(6,066,948)公开了SQUID的阻尼独立结。应该注意到这是公用的程序且有关这个程序的更多信息可见于由Weinstock所著的题为“Applications of Superconductivity”(Kluwer，Netherlands，2000)的书籍。还应该进一步注意到这个程序允许对影响SQUID操作的结的内部振荡进行阻尼并且并不降低被耦合到SQUID本身的RFI。Steinbach等人的U.S.专利说明一种阻尼SQUID的内部谐振的方法。所述阻尼有助于使SQUID屏蔽于RFI的磁部分并且类似于Goto(JP4160380)的日本专利，所述日本专利提供如在现有技术SQUID系统中所实施的噪声抑制技术中的总体背景。此外，Kawai(JP 7198815)的日本专利显然讲授沿着与Steinbach等人的专利相同的线路。
技术实现思路
本专利技术提供了一种装置和方法，用于防止RFI被耦合进SQUID而无需牺牲系统的信噪比，同时在未被屏蔽的真实情形下操作系统。在优选实施例中，滤波器电路以新颖的方式被结合以将RFI从SQUID中去除而无需屏蔽梯度计环路。滤波器电路采用电阻器和电容器的组合(RC电路)而形成，其中电阻器从SQUID的输入线圈中将被磁耦合的RFI旁路，并且电容器从SQUID中将被电耦合的RFI旁路。应该注意，尽管描述的是采用传统电阻器和电容器的各种RC电路，但是可以使用具有类似特性(例如，就截止频率和清晰度)的任何形式的滤波器电路。例如，可有效地使用由超导带状线制成的滤波器，所述超导带状线切断RFI分量以免其从未被屏蔽的梯度计被耦合进被屏蔽的SQUID。本专利技术还设想用于从电磁上将滤波器电路与SQUID隔离以用于改善的RFI屏蔽的密封罩，以及设想一种用于将经改善的RFI从SQUID中去耦合的方法，其使输入线圈与SQUID之间的阻抗Zci能够得到增加而无需损失装置的灵敏度。本专利技术允许在未受屏蔽的环境中广泛使用SQUID系统，甚至在存在强的RFI时。这提供了在各种生物医疗和无损评估应用本文档来自技高网...

【技术保护点】
在用于测量磁场的包括被感应耦合到梯度计的超导量子干扰设备（ＳＱＵＩＤ）的装置中，一种用于将ＳＱＵＩＤ屏蔽于通过梯度计而捡拾的射频干扰（ＲＦＩ）的设备，所述设备包括：滤波器电路，其具有被互连到第一和第二端子的电阻器－电容器（ＲＣ）组合 ，以便于滤波器电路从电气上平行于ＳＱＵＩＤ的输入线圈及梯度计两者，其中滤波器电路有效地将在梯度计中所产生的被磁感应以及被电感应的ＲＦＩ分量从输入线圈中旁路掉。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：N特拉尔沙瓦拉，A巴克哈雷夫，Y波利亚科夫，
申请(专利权)人：心脏磁力成像公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]