CN101422365B

CN101422365B - 高温squid应用中平衡脉冲外磁场的调节装置及调节方法

Info

Publication number: CN101422365B
Application number: CN2008102397265A
Authority: CN
Inventors: 李绍�; 王宁; 储海峰; 黎松林; 田野; 任育峰; 陈莺飞; 李洁; 陈赓华; 郑东宁
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2028-12-16
Also published as: CN101422365A

Abstract

本发明公开了一种基于高温SQUID的低场核磁共振系统中通过电调节平衡脉冲外加场的调节装置以及使用该装置平衡脉冲外加场的调节方法。本发明的调节方法采用在脉冲极化场上并联一对反绕的的线圈，通过调节串联在该线圈中的电位器来实现对垂直于SQUID器件方向上磁场的调节。该方法可以实现对脉冲极化场的远距离平衡调节，并且可以达到很高的精度。这种调节装置和调平衡方法对低场核磁共振系统是非常有效的。

Description

高温SQUID应用中平衡脉冲外磁场的调节装置及调节方法

技术领域

本发明属于低场核磁共振系统领域，具体来说涉及一种基于高温SQUID的低场核磁共振系统中通过电调节使脉冲极化场平衡的调节装置以及使用该调节装置平衡脉冲外磁场的调节方法。

背景技术

核磁共振(NMR)是一种探测物质内部结构的强有力的工具，它被广泛应用于物理、化学、生物、医学等领域，并在这些领域中发挥越来越重要的作用。例如，医院中的核磁共振成像是一些医疗诊断的重要参考标准。此外，在测定生物大分子结构和测量某些特定元素方面也有广泛的应用。因为物质的核磁化强度M与外加磁场H成正比，又因为法拉第电磁感应强度也与频率成正比，所以采用法拉第电磁感应法测量的高场核磁共振信号与测量场H的平方成正比关系。故此人们一直通过提高测量场的值来增大高场核磁共振信号的信噪比。但是，随着磁场的增高实现10^-9均匀度外场的造价变得非常的昂贵；并且还因为场的不均匀性使信号基线展宽而掩盖了反映原子核自旋之间耦合的信息，即J耦合常数。低场核磁共振除了克服了以上的缺点，还由于低场核磁共振的共振频率较低，能穿透金属板，为探测必须封闭在金属盒内样品的核磁信号提供了很好的途径。

然后，采用低场的低场核磁共振产生的信号幅值很小，已超出法拉第电磁感应法的测量灵敏度。目前都采用一个高极化场来增加信号幅值和使用超导量子干涉仪(SQUID)来增加测量灵敏度的方法。超导量子干涉仪是基于超导量子宏观效应的器件，具有极高的低磁场灵敏度。高温SQUID的磁场灵敏度可以达到10fT量级，低温SQUID的磁场灵敏度可以达到1fT量级。因为地磁场(50μT)和环境磁场(μT)比我们测量的NMR信号(pT量级)要大很多，所以低场核磁共振大都在磁屏蔽间中进行。最近二十年来，基于SQUID的低场NMR发展很快，例如美国加州大学伯克利分校的John Clarke在低场核磁共振以及成像方面做了很多有意义的工作，Los amose国家实验室在同时测定低场核磁共振和生物信号(心磁，脑磁)方面做了大量的工作。

国内低场核磁共振试验起步较晚，最近两年中科院物理研究所和中科院微系统和信息技术研究所分别用高温SQUID和低温SQUID成功实现了低场核磁共振的测量。低场核磁共振的测量场一般只有几十微特斯拉，极化场高达10mT的量级，要使SQUID器件在测量中对施加的外场没有反应，防止脉冲场冲击SQUID器件而俘获磁通降低器件的灵敏度，外场的平衡测量场的平衡是十分重要。测量场的调节比较简单，可以通过机械装置也可以转动杜瓦调节器件在测量场中的位置来实现；脉冲极化场的幅值比较大，单纯通过机械调节装置很难达到很高的精度，此外，最终的平衡调节能够远离实验装置避免人体对场分布的影响。因此，寻找一种更精确、更灵活、远距离调节磁场平衡的调节装置和调节方法非常必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温SQUID应用中平衡脉冲外磁场的调节装置，该装置显著提高了平衡外磁场的精度，可以实现远距离调节脉冲极化场的平衡。

本发明的另一目的在于提供一种使用上述装置来平衡脉冲外磁场的调节方法。该方法简单易行，有效地将机械调节和远距离电调节相结合，显著提高了平衡脉冲外磁场的精度。

本发明的高温SQUID应用中平衡脉冲外磁场的调节装置，包括：用于为高温SQUID器件提供低温环境的无磁低温杜瓦、机械调节装置、低温杜瓦下方设置的低场线圈、脉冲高场线圈，脉冲高场线圈与低场线圈在平面内沿线圈轴向相互垂直设置，分别提供了脉冲高场和低场，其中，高场线圈上下设置一对反绕的轴向与高场线圈、低场线圈垂直的补偿线圈以提供高磁场的补偿磁场。补偿线圈通过电调节电路调节补偿线圈电流分布来补偿垂直SQUID平面的磁场，实现平衡。

其中，所述高场线圈为极化场线圈，所述低场线圈为测量场线圈，且测量场线圈单独供电；所述补偿线圈是一对反绕的线圈。

其中，所述电调节电路包括脉冲高场线圈、补偿线圈、电位器，电阻。脉冲高场线圈和补偿线圈电路并联，共用一个电源。一对补偿线圈中的电流方向相反。与补偿线圈串联的电位器能够调节补偿线圈中的电流分布。调节电位器放置在屏蔽间外，实现室外调节。

其中，机械调节装置是本领域中公知的结构，在此不再赘述。

本发明的使用上述调节装置来平衡脉冲外磁场的调节方法，包括以下步骤：

1)机械调节

首先，通过给低场线圈施加微小的电流时间脉冲序列，调节机械调节装置的机械旋钮使SQUID器件输出与无外加磁场时相同；逐步增加低场线圈的电流重复调节机械旋钮使SQUID器件输出与无外加磁场时相同直至到达需要的场强。此时SQUID对Z方向的磁场变化最灵敏。固定低场线圈与SQUID器件的位置；然后，将电位器置中心位置，重复机械调节步骤完成对高场线圈空间位置的调节。最终，SQUID、高场线圈和低场线圈的相对位置都固定不能动了。

2)电调节

通过电调节电路中的电位器来调节一对补偿线圈中的电流分配来进一步补偿由于其他因素(如微振动)引起的微弱的磁场不平衡。

其中，所述脉冲高场线圈为脉冲极化场线圈，所述低场线圈为测量场线圈，且测量场线圈单独供电。

进一步地，脉冲极化场线圈为螺线管形式和/或赫姆霍兹形式。

其中，所述电调节电路包括脉冲高场线圈、补偿线圈、电位器，电阻，脉冲高场线圈和补偿线圈共用一个电源，补偿线圈中的电流方向相反，补偿线圈电路和高场线圈电路并联。与补偿线圈串联的电位器能够调节补偿线圈中的电流分布。电位器设置在屏蔽间外，实现室外调节。电路中的电阻串联起限流作用。

其中，机械调节装置包括有机械调节支架。

本发明的高温SQUID应用中平衡脉冲外磁场的调节装置也可用于高温dc-SUID和rf-SQUID的低场核磁共振系统。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点：

本发明在现有的通过机械调节装置来平衡外磁场的装置基础上，巧妙地在脉冲高场线圈(如极化线圈)的上下方提供一个电流相反的可调节的补偿线圈。通过调节补偿线圈的电流分布来改变其磁场以平衡高温SQUID应用中的脉冲外磁场。该装置具有非常高的平衡脉冲外磁场的精确度，而且操作简单，易于工业化生产。

附图说明

图1是本发明的实施方案之一的高温dc-SQUID应用中平衡脉冲外磁场的调节装置的结构示意图。

其中，1、低温无磁杜瓦；2、机械调节装置；3、低场线圈；4、脉冲高场线圈；5、补偿线圈；6、高场电源；7、低场电源；8、样品；9、SQUID器件。

图2是本发明的高温SQUID应用中平衡脉冲外磁场的调节装置中的电调节电路的系统图。

具体实施方式

以下结合实施方式对本发明进行详细说明，以便更好地理解本发明的内容。

参照图1，图1是本发明的实施方案之一的高温SQUID应用中平衡脉冲外磁场的调节装置的结构示意图。其中，高温SQUID应用中平衡脉冲外磁场的调节装置，包括：用于为高温SQUID器件9提供低温环境的无磁低温杜瓦1、机械调节装置2、低温杜瓦1下方设置的低场线圈3(例如测量场线圈)、脉冲高场线圈4(例如极化场线圈)，脉冲高场线圈4与低场线圈3在平面内沿线圈轴向相互垂直设置，分别提供了脉冲高磁场和低磁场，其中，脉冲高场线圈4上下设置一对轴向与脉冲高场线圈4、低场线圈3垂直的补偿线圈5以提供高场的补偿磁场，补偿线圈5通过电调节电路调节其电流来补偿垂直于SQUID平面的磁场，实现外场的平衡。其中，低场线圈3(如测量场线圈)由低场电源7单独供电，高场线圈4和补偿线圈5共用一个高场电源6。测量时，测量样品8置于低温杜瓦1的正下方。

图2显示了脉冲高场线圈为极化场线圈时，极化场线圈与补偿线圈5的电调节电路的连接示意图。由图2可以看出，一对补偿线圈5的上下线圈中的电流方向相反，可以通过电位器调节线圈中的电流分布，以补偿z方向的剩余场。补偿线圈电路和极化场线圈电路并联。电调节电路中的电阻起到限流的作用。电位器放置在屏蔽间的外面，实现远距离调节。

本发明的使用高温SQUID应用中平衡脉冲外磁场的调节装置进行调节的方法包括：1)机械调节步骤和2)电调节步骤。其中，机械调节步骤：首先，通过给低场线圈施加微小的电流时间脉冲序列，调节机械调节装置的机械旋钮使SQUID器件输出与无外加磁场时相同；逐步增加低场线圈的电流重复调节机械旋钮使SQUID器件输出与无外加磁场时相同直至到达需要的场强。此时SQUID对Z方向的磁场变化最灵敏。固定低场线圈与SQUID器件的位置；然后，将电位器置中心位置，重复机械调节步骤完成对高场线圈空间位置的调节。最终，SQUID、高场线圈和低场线圈的相对位置都固定不能动了。具体来说，机械调节脉冲外场平衡其实是一个粗调的过程，在SQUID器件的锁定模式下，给外加低场线圈加上一个很微小的电流时间脉冲序列，从而产生一个微小的磁场时间脉冲序列，此时监视SQUID输出信号，调节机械旋钮，使得该器件的输出和无外加磁场时相同，即微弱外加磁场对器件的影响为零；然后重复上述步骤，逐步增加低场线圈的电流，如此反复一直增加到实验需要的场强为止。此时，一个非常微小的机械变化会在SQUID器件上产生很大的输出，即对z方向的磁场变化已调节到最灵敏了。SQUID器件与低场线圈的位置已固定，不能再动。用另一个机械调节支架，重复低外场的调节步骤，完成对高磁场的平衡调节。完成后，同样SQUID器件与较高场线圈的相对位置也已固定，不能再动。

本发明巧妙地将电调节步骤与机械调节步骤相结合，在机械调节后，更精细地采用电调节进行脉冲外磁场平衡调节。机械调节后，最后残留的z方向的磁场只能由电调节来进行平衡。具体来说，通过电调节电路中的电位器来调节补偿线圈的电流，使SQUID器件对外加磁场的反应为零。脉冲高场线圈为极化场线圈，且低场线圈为测量场线圈，测量场线圈单独供电。

此外，本发明的高温SQUID应用中平衡脉冲外磁场的调节装置也可用于高温dc-SUID和rf-SQUID的低场核磁共振系统。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高温SQUID应用中平衡脉冲外加磁场的调节装置，包括：用于为高温SQUID提供低温环境的低温无磁杜瓦、机械调节装置、低温无磁杜瓦下方设置的低场线圈、脉冲高场线圈，脉冲高场线圈与低场线圈在平面内沿线圈轴向相互垂直设置，分别提供脉冲高磁场和直流低磁场，其中，高场线圈上下设置一对反绕的分别与高场线圈、低场线圈垂直的补偿线圈以提供高场的补偿磁场，补偿线圈通过电调节电路调节其上下线圈的电流来抵消垂直于SQUID平面的磁场，实现外磁场的平衡。

2.如权利要求1所述的调节装置，其中，所述脉冲高场线圈为极化场线圈，所述低场线圈为测量场线圈。

3.如权利要求2所述的调节装置，其中所述测量场线圈单独供电。

4.如权利要求1所述的调节装置，其中，所述电调节电路包括所述脉冲高场线圈、所述一对补偿线圈、电位器和电阻；脉冲高场线圈和补偿线圈共用一个电源，所述电阻与电源串接，补偿线圈电路和脉冲高场线圈电路相并联，所述电位器与补偿线圈串联，并能够调节一对补偿线圈中的电流分配，所述低温无磁杜瓦、机械调节装置、低场线圈、脉冲高场线圈和一对补偿线圈设置在屏蔽间内；所述电位器和电阻设置在屏蔽间外，实现远距离磁场平衡调节。

5.一种使用权利要求1-4任一项所述调节装置来平衡脉冲外磁场的调节方法，包括以下步骤：

1)机械调节

首先，通过给低场线圈施加微小的电流时间脉冲序列，调节机械调节装置的机械旋钮使SQUID输出与无外加磁场时相同，逐步增加低场线圈的电流，重复调节机械旋钮使SQUID输出与无外加磁场时相同直至到达需要的场强，此时SQUID对Z方向的磁场变化最灵敏，固定低场线圈与SQUID器件的位置；然后，将电位器置中心位置，重复机械调节步骤完成对高场线圈空间位置的调节；最终，SQUID、高场线圈和低场线圈的相对位置都固定不能动了；

2)电调节

通过电调节电路中的电位器调节一对补偿线圈中的电流分配来进一步补偿微弱的磁场不平衡。

6.如权利要求5所述的调节方法，其中，所述脉冲高场线圈为极化场线圈，所述低场线圈为测量场线圈，且测量场线圈单独供电。

7.如权利要求5所述的调节方法，其中，脉冲高场线圈为螺线管形式和/或赫姆霍兹形式。

8.如权利要求5所述的调节方法，其中，所述电调节电路包括所述脉冲高场线圈、一对反绕的所述补偿线圈、所述电位器和电阻；脉冲高场线圈和补偿线圈共用一个电源，补偿线圈电路和脉冲高场线圈电路相并联，与补偿线圈串联的电位器能够调节一对补偿线圈中的电流分配，所述低温无磁杜瓦、所述机械调节装置、所述低场线圈、所述脉冲高场线圈和所述一对补偿线圈位置在所述屏蔽间内，所述电位器和所述电阻位置在屏蔽间外，实现远距离磁场平衡调节。

9.一种权利要求1所述的高温SQUID应用中平衡脉冲外加磁场的调节装置，所述装置能用于高温直流SQUID和射频SQUID的低场核磁共振系统。