一種三階梯度線圈及探測器的製作方法

2023-04-25 19:09:46

本發明涉及微弱磁場探測領域，特別是涉及一種三階梯度線圈及探測器。

背景技術：

基於超導量子幹涉器件(Superconducting Quantum Interference Device,以下簡稱SQUID)的磁探測器是目前已知的噪聲水平最低、最靈敏的磁探測器。廣泛應用於生物磁場、地球磁場異常、極低場核磁共振等微弱磁場探測應用領域，其探測靈敏度已經達到飛特(10-15特斯拉)量級。在極微弱磁場探測、科學研究中具有很高的科研和應用價值。

如圖1所示，基於超導量子幹涉器件SQUID的磁探測器主要由以下幾個部分組成：

1、探測線圈，即超導拾取線圈：根據被測信號源的磁場空間分布，繞制線圈，用於耦合被測信號磁場產生的磁通。拾取線圈採用超導線繞制，並接入SQUID器件中同樣是超導線繞制的輸入線圈，構成一個超導環路。根據超導環路的磁通量子化效應，拾取線圈耦合的磁通將使超導環按比例產生電流Is，該電流流入SQUID器件的輸入線圈再產生磁通耦合到SQUID磁通傳感器中。

2、SQUID磁通傳感器由SQUID器件和其配套的SQUID讀出電路構成，將SQUID感受的磁通量按比例線性轉換成電壓Vout。

這樣超導繞制的磁通拾取線圈和SQUID磁通傳感器結合，就實現了被測磁場的捕獲的磁場-電壓的線性轉換。形成了具有磁場檢測能力的磁探測器。由於其靈敏度非常高，因此廣泛應用在微弱磁信號的儀器設備中。

超導量子幹涉其微弱磁探測器中的一個重要應用領域是生物磁場探測，構建心磁圖儀等高端醫療設備。其中胎兒心磁圖儀具有重要的應用潛力。胎兒心臟異常的探測手段非常有限，超聲只能進行結構性檢測，心電方法由於母體電導問題，難以獲得有效心電信號。只有心磁信號不受母體電導問題影響，可以有效反映胎兒心臟活動信息，同時完全無創檢測，因此胎兒心磁探測稱為胎兒心臟檢測的重要手段。

胎兒心臟很小，發出的信號非常微弱，只有pT(1pT＝10-12特斯拉)量級的信號，而地球本身就有高強的天然環境磁場(天然磁場50uT左右，天然環境場的波動在1個uT左右(1uT＝10-6特斯拉)。天然環境磁場對胎兒心磁信號的檢測形成了很強的幹擾，因此要從這麼強的環境幹擾磁提取胎兒心磁信號，就要設計具有很高環境磁場抑制能力探測線圈。

探測線圈形成差分的階數越高對環境磁場的抑制越有效。但隨著探測線圈差分階數的提高，整個探測線圈所佔的空間就越大，對低溫液氦的液面要求就高，同時線圈的繞制的誤差就會隨著線圈數的增多而增大，實際的環境磁場抑制效果有限。

技術實現要素：

鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種三階梯度線圈及探測器，用於解決現有技術中背景磁場對被測微弱磁場產生幹擾，影響探測結果等問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種三階梯度線圈，所述三階梯度線圈至少包括：

平行設置的第一平面二階梯度線圈及第二平面二階梯度線圈，所述第一平面二階梯度線圈與所述第二平面二階梯度線圈串聯後與SQUID磁傳感器連接，且所述第一平面二階梯度線圈與所述第二平面二階梯度線圈產生的感應電流方向相反。

優選地，所述第一平面二階梯度線圈與所述第二平面二階梯度線圈包括結構一致的第一超導差模線圈和第二超導差模線圈，所述第一超導差模線圈和所述第二超導差模線圈的超導線依第一對稱軸及第二對稱軸走線，所述第一對稱軸與所述第二對稱軸垂直分布，所述第一對稱軸及所述第二對稱軸形成的4個區域中的兩個環境磁場平衡區和兩個被測信號感應區面積相等、交替分布且相互對稱，所述第一對稱軸及所述第二對稱軸兩側超導線的繞線方向相反，超導線的線端在所述第一對稱軸和所述第二對稱軸的交匯處引出。

更優選地，所述第一平面二階梯度線圈還包括與所述第一超導差模線圈共面的第一超導共模線圈，所述第二平面二階梯度線圈還包括與所述第二超導差模線圈共面的第二超導共模線圈。

更優選地，所述第一超導共模線圈和所述第二超導共模線圈為分別位於一平面內的封閉線圈。

更優選地，所述環境磁場平衡區和所述被測信號感應區中還對稱地設置有高磁導率材料，所述高磁導率材料的相對磁導率不小於10。

更優選地，所述環境磁場平衡區和所述被測信號感應區中設置的高磁導率材料具有相同的介質參數。

更優選地，所述介質參數包括磁導率、填充空間。

優選地，在胎兒心磁檢測領域，所述第一平面二階梯度線圈與所述第二平面二階梯度線圈的平面間隔設定為10cm～30cm。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明還提供一種三階梯度探測器，所述三階梯度探測器至少包括：

上述三階梯度線圈以及SQUID磁傳感器，所述三階梯度線圈將被測磁場信號轉化為電流信號，所述SQUID磁傳感器將所述三階梯度線圈檢測到的電流信號轉換為相應的電壓信號。

優選地，所述SQUID磁傳感器包括SQUID器件和SQUID讀出電路，所述SQUID器件獲取所述三階梯度線圈檢測到的信號並輸出至所述SQUID讀出電路，所述SQUID讀出電路產生與所述三階梯度線圈檢測到的信號呈線性關係的電壓信號。

如上所述，本發明的三階梯度線圈及探測器，具有以下有益效果：

本發明的三階梯度線圈及探測器採用上下兩層面二階梯度線圈，同時檢測環境磁場的平面二階梯度信號，然後串聯送入SQUID磁傳感器的輸入線圈，接線時要求兩個梯度信號產生的電流互相抵消，形成再一次的差分，構成三階差分。由於環境磁場中該三階分量的成分少，因此可以大大減少環境磁場的幹擾，實現高信噪比的微弱磁場檢測。

附圖說明

圖1顯示為現有技術中的基於超導量子幹涉器件SQUID的磁探測器示意圖。

圖2顯示為本發明的三階梯度線圈示意圖。

圖3顯示為本發明的平面二階梯度線圈的一種結構示意圖。

圖4顯示為本發明的平面二階梯度線圈的另一種結構示意圖。

圖5顯示為本發明的平面二階梯度線圈填充高磁導率材料的示意圖。

圖6顯示為本發明的三階梯度探測器的結構示意圖。

元件標號說明

1 三階梯度線圈

11 第一平面二階梯度線圈

11a 第一超導差模線圈

11b 第一超導共模線圈

12 第二平面二階梯度線圈

12a 第二超導差模線圈

12b 第二超導共模線圈

13 高磁導率的磁芯

2 SQUID磁傳感器

21 SQUID器件

22 SQUID讀出電路

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖2～圖6。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。

實施例一

如圖2～圖3所示，本發明提供一種三階梯度線圈1，所述三階梯度線圈1至少包括：

平行設置的第一平面二階梯度線圈11及第二平面二階梯度線圈12，所述第一平面二階梯度線圈11與所述第二平面二階梯度線圈12串聯後與SQUID磁傳感器2連接，且所述第一平面二階梯度線圈11與所述第二平面二階梯度線圈12產生的感應電流方向相反。

具體地，如圖3所示，所述第一平面二階梯度線圈11包括第一超導差模線圈11a，所述第一超導差模線圈11a在一平面上布線，超導線依第一對稱軸及第二對稱軸走線，所述第一對稱軸與所述第二對稱軸相互垂直，在本實施例中，所述第一對稱軸為x軸方向的直線，所述第二對稱軸為y軸方向的直線，所述第一超導差模線圈11a沿所述第一對稱軸及所述第二對稱軸上下、左右分別對稱，即所述第一平面二階梯度線圈11位於xoy平面內。所述第一對稱軸及所述第二對稱軸將平面劃分為4個區域，這4個區域中線圈包圍的區域分別定義為環境磁場平衡區和被測信號感應區，交替分布、面積相等且相互對稱。在本實施例中，左下角、右上角區域定義為環境磁場平衡區，左上角、右下角區域定義為被測信號感應區，環境磁場平衡區和被測信號感應區的形狀為矩形，其他各種形狀均適用於本發明的三階梯度線圈，不以本實施例為限。所述第一對稱軸及所述第二對稱軸兩側超導線的繞線方向相反。如圖3所示，在本實施例中，電流從左下側線圈順時針流入，然後順時針流入右上側線圈，再逆時針流入右下側線圈，最後從左上側線圈逆時針流出。即在保持上下左右線圈所圍圖形完全對稱的情況下，線路的繞向是兩兩相反的，用電流來說明就是，當線圈中流過電流時，其在所述環境磁場平衡區和所述被測信號感應區所產生的磁場分布對稱，但方向相反，所述第一超導差模線圈11a只耦合法線方向的磁場，所述環境磁場平衡區和所述被測信號感應區耦合形成的磁通互相抵消。超導線的線端在所述第一對稱軸和所述第二對稱軸的交匯處引出，接入SQUID傳感器，實現信號的檢測。

具體地，如圖2所示，所述第二平面二階梯度線圈12與所述第一平面二階梯度線圈11的結構相同，包括第二超導差模線圈12a，同樣位於xoy平面內，其具體走線方式與所述第一超導差模線圈11a相同，在此不一一贅述。

具體地，所述第一平面二階梯度線圈11與所述第二平面二階梯度線圈12採用印製電路板(Printed Circuit Board，PCB)或微電子加工工藝，通過光刻工藝加工而成，具有極高的加工精度，可儘可能地減少加工誤差引入的誤差面積。

採用微電子加工工藝，以矽片作為基片通過鍍膜工藝，生長一層超導材料鈮膜，通過刻蝕工藝構成上述的一個平面二階梯度線圈。將兩個微加工工藝製成的平面二階梯度線圈通過金屬鈮線按所述三階梯度線圈的構型，連結成拾取線圈，接入SQUID器件。

採用印製電路板(Printed Circuit Board,PCB)設計並實現的二階梯度線圈，有效面積更大，但使用的是銅膜，因此還需要在銅線的表面，鍍上鉛，或含鉛50％以上的鉛銦或鉛錫合金，使得PCB板上的線成為超導線，再按上述方法通過鈮線將兩個線圈連接起來。

具體地，如圖2所示，所述第一平面二階梯度線圈11與所述第二平面二階梯度線圈12在xoy平面的法線方向(z軸方向)上分上下兩層，同時檢測環境磁場的平面二階梯度信號，然後串聯送入所述SQUID磁傳感器2的輸入線圈，接線時要求所述第一平面二階梯度線圈11與所述第二平面二階梯度線圈12產生的電流互相抵消，形成再一次的差分，構成三階差分。通過兩個平面二階梯度線圈串聯構成三階梯度線圈，其中兩個平面二階梯度線圈所在平面平行，所述三階梯度線圈1檢測的磁場的梯度分量是：由於環境磁場中該三階分量的成分少，因此可以大大減少環境磁場的幹擾。

具體地，所述第一平面二階梯度線圈11與所述第二平面二階梯度線圈12所在平面平行設置，在胎兒心磁檢測領域，所述第一平面二階梯度線圈11與所述第二平面二階梯度線圈11的平面間隔設定為10cm～30cm，以得到較精準的檢測結果。在檢測胎兒心磁信號時，所述第一平面二階梯度線圈11靠近被測胎兒的心臟，實現胎兒心磁信號的拾取，所述第二平面二階梯度線圈12則相對於所述第一平面二階梯度線圈11保持一定的高度(10cm～30cm)，遠離被測胎兒心磁信號，即不對胎兒產生的心磁信號產生響應，當所述第一平面二階梯度線圈11與所述第二平面二階梯度線圈12串聯進行差分的時候，就能將胎兒心磁信號送入SQUID磁傳感器2中進行識別。所述第一平面二階梯度線圈11與所述第二平面二階梯度線圈12的工作原理一致，所述第一平面二階梯度線圈11與所述第二平面二階梯度線圈12均可作為靠近被測胎兒的心臟的一端，另一端遠離被測胎兒的心臟，不限於本實施例。

實施例二

如圖4所示，本實施例提供一種三階梯度線圈，所述三階梯度線圈的結構與實施例一中的三階梯度線圈一致，不同之處在於，本實施例中的第一平面二階梯度線圈11和第二平面二階梯度線圈12還包括分別與所述第一超導差模線圈11a和所述第二超導差模線圈12a共面的超導共模線圈。

具體地，如圖4所示，所述第一平面二階梯度線圈11還包括與所述第一超導差模線圈11a共面的第一超導共模線圈11b，所述第一超導共模線圈11b為平面線圈，在所述第一超導差模線圈11a所在平面內形成封閉線圈。超導線同樣依所述第一對稱軸及所述第二對稱軸走線，所述第一超導共模線圈11b圍繞著所述第一超導差模線圈11a走線，形成緊密耦合，在本實施例中，所述第一超導共模線圈11b為包圍於所述第一超導差模線圈11a外側的矩形線圈。所述第一超導共模線圈11b對所述第一超導差模線圈11a所處的共模環境磁場進行抑制，大大減小所述第一超導差模線圈11a耦合的共模磁通，提高所述三階梯度線圈1對環境磁場的共模抑制能力，從而提高所述第一超導差模線圈11a探測信號的信噪比。

所述第二超導共模線圈12b在所述第二超導差模線圈12a所在平面內形成封閉線圈，走線方式與所述第一超導共模線圈11b一致，在此不一一贅述。

本實施例的三階梯度線圈增加了共面的共模抑制線圈，可進一步提高對環境磁場的抑制，實現高信噪比的胎兒心磁檢測。

實施例三

如圖5所示，本實施例提供一種三階梯度線圈，所述三階梯度線圈的結構與實施例一中的三階梯度線圈一致，不同之處在於，實施例一中的超導磁傳感器探測線圈的環境磁場平衡區和被測信號感應區內未填充高磁導率材料，實施例三中的超導磁傳感器探測線圈的環境磁場平衡區和被測信號感應區內填充有高磁導率材料，用於增強被測信號的強度，通過高磁導率材料提升了被測信號的磁感應強度，使得耦合的被測信號的磁通呈數量級的增強，這對胎兒心磁等微弱磁場信號的檢測非常有效，提升了胎兒心磁圖儀的診斷能力，對該儀器的應用具有重要的意義。

具體地，如圖5所示，將高磁導率的磁芯13對稱地填充於所述第一平面二階梯度線圈11的環境磁場平衡區和被測信號感應區內，所述環境磁場平衡區和所述被測信號感應區內的高磁導率的磁芯13具有相同的介質參數，該介質參數包括磁導率、填充空間等。磁導率(magnetic permeability)是表徵磁介質磁性的物理量，表示在空間或在磁芯空間中的線圈流過電流後、產生磁通的阻力、或者是其在磁場中導通磁力線的能力。磁導率的公式為μ＝B/H，其中H為磁場強度、B為磁感應強度，常用符號μ表示，μ為介質的磁導率，或稱絕對磁導率。本發明中所說的磁導率是指相對磁導率μr，其定義為磁導率μ與真空磁導率μ0之比，即μr＝μ/μ0。一般而言：空氣或者非磁性材料的相對磁導率是1，鐵磁性等順磁性的材料的磁導率>1，本發明中的高磁導率材料指相對磁導率μr不小於10的導磁材料。常見的高磁導率材料為鐵磁性材料，如軟鐵，鐵氧體等，其中，鑄鐵為200～400；矽鋼片為7000～10000；鎳鋅鐵氧體為10～1000。由於軟鐵等金屬材料有導電性，容易引起渦流，不作為首選材料，因此，在本實施例中，以鐵氧體作為高磁導率材料的首選，常見的如鎳鋅鐵氧體材料或錳鋅鐵氧體材料。

所述第二平面二階梯度線圈12中同樣對稱地填充高磁導率的磁芯13，在此不一一贅述。

進一步地，可以在實施例二的基礎上在所述環境磁場平衡區和所述被測信號感應區內對稱地填充高磁導率的磁芯，以達到增強被測信號強度的作用，在此不一一贅述。

本發明要求以軸對稱的方式，在兩個對稱軸兩側線圈區域對稱地進行高磁導率材料(優選為高磁導率的磁芯)的布置，保持對稱布置，保證環境磁場的共模抑制；同時高磁導率材料增強被測信號的耦合，進一步提高在無屏蔽環境下檢測微弱磁信號的信噪比。

如圖6所示，本發明還提供一種三階梯度探測器，所述三階梯度探測器至少包括：

上述三階梯度線圈1以及SQUID磁傳感器2，所述三階梯度線圈1將被測磁場信號轉化為電流信號，所述SQUID磁傳感器2將所述三階梯度線圈1檢測到的電流信號轉換為相應的電壓信號。

具體地，如圖6所示，所述三階梯度線圈1包括串聯的第一平面二階梯度線圈11和第二平面二階梯度線圈12，且同名端(圖6中「*」端)相反放置，所述第一平面二階梯度線圈11與所述第二平面二階梯度線圈12分上下兩層，同時檢測環境磁場的平面二階梯度信號，產生的電流互相抵消，形成再一次的差分，構成三階差分，即所述三階梯度線圈1檢測的磁場的梯度分量是：

具體地，如圖6所示，所述SQUID磁傳感器2包括SQUID器件21和SQUID讀出電路22，所述SQUID器件21包括輸入線圈和SQUID。所述SQUID器件21獲取所述三階梯度線圈1檢測到的信號並輸出至所述SQUID讀出電路22，所述SQUID讀出電路22產生與所述三階梯度線圈1檢測到的信號呈線性關係的電壓信號。更具體地，所述三階梯度線圈1和輸入線圈構成的超導環路中產生電流Is，電流流入輸入線圈產生磁通耦合到SQUID中，SQUID及SQUID讀出電路將檢測磁通轉換成電壓Vout。

具體地，在本實施例中，本方案所述三階梯度線圈及所述SQUID器件可以採用工作於4.2K液氦溫區的的低溫超導線圈材料和低溫超導SQUID器件，也可以採用工作於77K液氮溫區的高溫超導材料及高溫SQUID器件來實現。

上述實施實例是以低溫鈮系低溫超導材料來說明的，對於高溫超導材料和高溫SQUID器件，上述實施方案同樣適用，只是選用材料不同。

如上所述，本發明的三階梯度線圈及探測器，具有以下有益效果：

本發明的三階梯度線圈及探測器採用上下兩層面二階梯度線圈，同時檢測環境磁場的平面二階梯度信號，以平面為主、軸向為輔，構成三階差分；通過增加共模抑制線圈進一步提高共模抑制；通過填充高磁導率材料進一步增強被測信號的強度；進而大大減少環境磁場的幹擾，實現高信噪比的胎兒心磁信號檢測，以最少的線圈實現探測面積的最大化、環境磁場抑制的最大化。

綜上所述，本發明提供一種三階梯度線圈，包括：平行設置的第一平面二階梯度線圈及第二平面二階梯度線圈，所述第一平面二階梯度線圈與所述第二平面二階梯度線圈串聯後與SQUID磁傳感器連接，且所述第一平面二階梯度線圈與所述第二平面二階梯度線圈產生的感應電流方向相反。還提供一種三階梯度探測器，包括上述三階梯度線圈以及SQUID磁傳感器，所述三階梯度線圈將被測磁場信號轉化為電流信號，所述SQUID磁傳感器將所述三階梯度線圈檢測到的電流信號轉換為相應的電壓信號。本發明的三階梯度線圈及探測器採用上下兩層面二階梯度線圈，同時檢測環境磁場的平面二階梯度信號，以平面為主、軸向為輔，構成三階差分；通過增加共模抑制線圈進一步提高共模抑制；通過填充高磁導率材料進一步增強被測信號的強度；進而大大減少環境磁場的幹擾，實現高信噪比的胎兒心磁信號檢測，以最少的線圈實現探測面積的最大化、環境磁場抑制的最大化。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。