CN105895294B - 一种超导二阶梯度线圈及其制造方法 - Google Patents

一种超导二阶梯度线圈及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超导二阶梯度线圈及其制造方法，包括梯度线圈支架、接收线圈、中补偿线圈、上补偿线圈和双绞线；所述梯度线圈支架用于由下到上依次横向绕制接收线圈、中补偿线圈和上补偿线圈，以及纵向引出双绞线；接收线圈包括N匝直径为Dp的同向线圈；中补偿线圈包括单匝直径为(2N)1/2 Dp的线圈，且中补偿线圈与接收线圈的绕制方向相反；上补偿线圈包括单匝直径为(N)1/2 Dp的线圈，且上补偿线圈与接收线圈的绕制方向相同；双绞线用于由下至上依次纵向连接各匝接收线圈、中补偿线圈和上补偿线圈，并由上补偿线圈向上引出。本发明的超导二阶梯度线圈及其制造方法在不影响信号磁通的前提下，有效降低了线圈的总体电感，提高了信号传输效率，同时简化了绕制工艺。

Description

一种超导二阶梯度线圈及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种线圈及其制造方法，特别是涉及一种超导二阶梯度线圈及其制造方法。
背景技术
作为一种极高灵敏度的磁传感器，超导量子干涉器件(Superconducting QuantumInterference Device，SQUID)广泛地应用于生物磁、低场核磁共振、地球物理、无损检测等微弱磁探测领域。
SQUID微弱磁探测面临的主要挑战之一就是抑制强大的环境磁场。以生物磁信号为例，心磁和脑磁的典型强度分为几十pT和百fT量级，而环境磁场非常强，如地球磁场的典型强度为30～50μT，城市环境磁场的变化也达到了数百nT。为了有效地抑制环境磁场，除了高性能的磁屏蔽室，SQUID硬件梯度计技术得到了广泛的使用。
SQUID硬件梯度计主要由SQUID器件和梯度线圈组成，并连接形成超导磁通回路。其中，梯度线圈接收外界信号，传输到SQUID器件中进行读出。从梯度线圈的组成上说，其一般包括接收线圈和补偿线圈。接收线圈距离信号源较近，用于接收信号，其面积及匝数越大越好。接收线圈上是补偿参数，主要探测背景磁场，通过反向绕制的方式构筑梯度计。从磁通传输最大化的角度看，补偿线圈的电感及匝数越少越好。
在无屏蔽环境条件下，线绕轴向二阶梯度线圈得到了广泛的使用。目前，二阶梯度线圈通常选择等面积结构，匝数比例为N-2N-N(N＝1,2……)。为了有效地提高梯度线圈的平衡度，紧密贴合的多匝线圈通常会用短的双绞线分开，从而保证各圈面积的一致性。以最常用的1-2-1二阶梯度线圈为例，中间2匝的线圈采用分开绕制，间距尽量小且中间通过双绞线过渡连接。上述结构虽然能有效地提高平衡度，但是由于仍然属于密绕的结构，中间2匝补偿线圈的电感势必会大大增加，从而降低了梯度线圈的信号传输效率。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超导二阶梯度线圈及其制造方法，采用非等面积结构，将梯度线圈的2层补偿线圈各等效为单匝，即N-1-1结构，从而在确保梯度计性能的情况下简化梯度线圈绕制工艺，大大提高信号传输效率。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超导二阶梯度线圈，包括梯度线圈支架、接收线圈、中补偿线圈、上补偿线圈和双绞线；所述梯度线圈支架用于由下到上依次横向绕制接收线圈、中补偿线圈和上补偿线圈，以及纵向引出双绞线；所述接收线圈包括N匝直径为Dp的线圈，各匝线圈同向绕制，相邻线圈间通过垂直于所述接收线圈表面的双绞线连接；所述中补偿线圈包括单匝直径为(2N)1/2Dp的线圈，与所述接收线圈的最后一匝通过垂直于所述接收线圈表面的双绞线连接，且所述中补偿线圈与所述接收线圈的绕制方向相反；所述上补偿线圈包括单匝直径为(N)1/2Dp的线圈，与所述中补偿线圈通过垂直于所述中补偿线圈表面的双绞线连接，且所述上补偿线圈与所述接收线圈的绕制方向相同；所述双绞线用于由下至上依次纵向连接各匝接收线圈、中补偿线圈和上补偿线圈，并由所述上补偿线圈向上引出。
根据上述的超导二阶梯度线圈，其中：所述梯度线圈支架包括由下到上依次横向设置的接收线圈槽、中补偿线圈槽和上补偿线圈槽以及纵向设置的垂直纵向槽；所述接收线圈槽、中补偿线圈槽和上补偿线圈槽分别用于横向绕制所述接收线圈、所述中补偿线圈和所述上补偿线圈；所述垂直纵向槽用于纵向引出所述双绞线。
进一步地，根据上述的超导二阶梯度线圈，其中：所述梯度线圈支架中，相邻两个线圈槽之间的距离为基线长度；所述基线长度大于等于30mm。
根据上述的超导二阶梯度线圈，其中：所述梯度线圈支架采用环氧或陶瓷材料制成。
根据上述的超导二阶梯度线圈，其中：所述上补偿线圈引出的双绞线用于连接至SQUID器件的输入端。
同时，本发明还提供一种超导二阶梯度线圈的制造方法，包括以下步骤：
设置梯度线圈支架，所述梯度线圈支架用于由下到上依次横向绕制接收线圈、中补偿线圈和上补偿线圈，以及纵向引出双绞线；
在梯度线圈支架上绕制接收线圈，所述接收线圈包括N匝直径为Dp的线圈，各匝线圈同向绕制，相邻线圈间通过垂直于接收线圈表面的双绞线连接；
在梯度线圈支架上绕制中补偿线圈，所述中补偿线圈包括单匝直径为(2N)1/2Dp的线圈，与接收线圈的最后一匝通过垂直于接收线圈表面的双绞线连接，且中补偿线圈与接收线圈的绕制方向相反；
在梯度线圈支架上绕制上补偿线圈，所述上补偿线圈包括单匝直径为(N)1/2Dp的线圈，与中补偿线圈通过垂直于中补偿线圈表面的双绞线连接，且上补偿线圈与接收线圈的绕制方向相同；
在上补偿线圈上向上引出双绞线。
根据上述的超导二阶梯度线圈的制造方法，其中：所述梯度线圈支架包括由下到上依次横向设置的接收线圈槽、中补偿线圈槽和上补偿线圈槽以及纵向设置的垂直纵向槽；所述接收线圈槽、中补偿线圈槽和上补偿线圈槽分别用于横向绕制所述接收线圈、所述中补偿线圈和所述上补偿线圈；所述垂直纵向槽用于纵向引出所述双绞线。
进一步地，根据上述的超导二阶梯度线圈的制造方法，其中：所述梯度线圈支架中，相邻两个线圈槽之间的距离为基线长度；所述基线长度大于等于30mm。
根据上述的超导二阶梯度线圈的制造方法，其中：所述梯度线圈支架采用环氧或陶瓷材料制成。
根据上述的超导二阶梯度线圈的制造方法，其中：所述上补偿线圈引出的双绞线用于连接至SQUID器件的输入端。
如上所述，本发明的超导二阶梯度线圈及其制造方法，具有以下有益效果：
(1)在增加接收线圈磁通的情况下，采用非对称单匝补偿线圈的结构，简化了绕制工艺；
(2)在不影响信号磁通的前提下，有效降低了线圈的总体电感；
(3)大大提高了接收磁通的传输效率。
附图说明
图1显示为本发明的1-1-1型超导二阶梯度线圈的结构示意图；
图2显示为本发明的超导二阶梯度线圈的制造方法的流程图。
元件标号说明
1 梯度线圈支架
11 接收线圈槽
12 中补偿线圈槽
13 上补偿线圈槽
14 垂直纵向槽
2 接收线圈
3 中补偿线圈
4 上补偿线圈
5 双绞线
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
SQUID器件外接线圈的磁通传输原理可表述为下式：
其中，Φs为传输到SQUID器件的磁通；Φg为外接线圈检测的磁通；Mi为SQUID器件的输入互感；Lin为SQUID器件的输入线圈电感；Lg为外接线圈的电感。
SQUID外接线圈使用中，SQUID器件的磁通来自于外接线圈的传输。对于固定的SQUID器件，其输入电感Lin和输入互感Mi是固定不变的。为此，实际应用中，为了增大Φs，可以在增大Φg的情况下，减小Lg，从而有效地提高梯度线圈的磁通传输效率。
二阶梯度线圈的电感Lg可表示为下式：
Lg＝Lp+Lc1+Lc2+Ltw
其中，Lg为二阶梯度线圈的电感；Lp为二阶梯度线圈的接收线圈电感；Lc1为二阶梯度线圈的中间层补偿线圈电感；Lc2为二阶梯度线圈的上层补偿线圈电感；Ltw为二阶梯度线圈的双绞线电感。
在实际的二阶梯度线圈中，Lp对应接收线圈的面积及匝数，与Φg正向相关，双绞线电感Ltw与线圈的面积和匝数无关，与双绞线长度正向相关，基本保持不变。因此，本发明的超导二阶梯度线圈通过减小Lc1和Lc2来减小Lg的大小，从而在保证Φg基本不变的情况下有效提高梯度线圈的磁通传输效率。
因此，本发明的超导二阶梯度线圈基于信号磁通传输的最大化原则，采用N-1-1结构减小补偿线圈电感，从而构建绕制工艺简单、信号传输率高的线圈结构。
具体的，根据二阶梯度线圈结构，将Lc1和Lc2对应补偿线圈组均调整为1匝。以N-2N-N二阶梯度线圈结构为例，Lc1对应的补偿线圈为2N匝，根据等面积原理，调整成1匝后的直径为(2N)1/2Dp，其中N和Dp分别对应接收线圈的匝数和直径；Lc2对应的补偿线圈为N匝，根据等面积原理，调整成1匝后的直径为(N)1/2Dp。
参照图1，本发明的超导二阶梯度线圈包括梯度线圈支架1、接收线圈2、中补偿线圈3、上补偿线圈4和双绞线5。
梯度线圈支架1用于由下到上依次横向绕制接收线圈2、中补偿线圈3和上补偿线圈4，以及纵向引出双绞线5。
具体地，梯度线圈支架1包括由下到上依次横向设置的接收线圈槽11、中补偿线圈槽12和上补偿线圈槽13以及纵向设置的垂直纵向槽14。接收线圈槽11、中补偿线圈槽12和上补偿线圈槽13分别用于横向绕制接收线圈2、中补偿线圈3和上补偿线圈4；垂直纵向槽14用于纵向引出双绞线5。
优选地，梯度线圈支架1利用低热膨胀系数、高加工精度的环氧或陶瓷等材料制成。
梯度线圈支架1的总长度由梯度线圈的基线长度、匝数等决定。其中，相邻两个线圈槽之间的距离为基线长度。即接收线圈槽与中补偿线圈槽之间的距离，中补偿线圈槽与上补偿线圈槽之间的距离均为基线长度。实际的应用中，为了增加梯度线圈的信号检测效率，基线长度越长越好，考虑到环境噪声抑制效果，通常是一个折中处理，基线长度选择大于等于30mm。
接收线圈2包括N匝直径为Dp的线圈，各匝线圈同向绕制，相邻线圈间通过垂直于接收线圈表面的双绞线5连接。
其中，每匝线圈绕制结束后，沿着垂直纵向槽向上引出双绞线，并绕制下一匝线圈。需要说明的是，相邻接收线圈之间的双绞线需要尽可能的短。
中补偿线圈3包括单匝直径为(2N)1/2Dp的线圈，与接收线圈2的最后一匝通过垂直于接收线圈表面的双绞线5连接，且中补偿线圈3与接收线圈2的绕制方向相反。
具体地，接收线圈2绕制完成之后，在接收线圈2的最后一匝沿着垂直纵向槽向上引出双绞线直至中补偿线圈槽12，并绕制中补偿线圈3。
上补偿线圈4包括单匝直径为(N)1/2Dp的线圈，与中补偿线圈3通过垂直于中补偿线圈3表面的双绞线5连接，且上补偿线圈4与接收线圈2的绕制方向相同。
具体地，中补偿线圈3绕制完成之后，沿着垂直纵向槽向上引出双绞线直至上补偿线圈槽13，并绕制上补偿线圈4，再将双绞线5向上引出，即制备出的二阶梯度线圈。
双绞线5用于由下至上依次纵向连接各匝接收线圈2、中补偿线圈3和上补偿线圈4，并由上补偿线圈4向上引出。
其中，上补偿线圈4引出的双绞线连接至SQUID器件的输入端，其长度由SQUID器件的放置位置决定。在保证连接和不影响梯度线圈工作质量的情况下，双绞线长度越短越好。
因此，本发明的超导二阶梯度线圈通过采用N-1-1结构，在增加接收线圈磁通的情况下，采用非对称单匝补偿线圈的结构，简化了绕制工艺，并大大了提高接收磁通的传输效率。
参照图2，本发明的超导二阶梯度线圈的制备方法包括以下步骤：
步骤S1、设置梯度线圈支架，其中梯度线圈支架用于由下到上依次横向绕制接收线圈、中补偿线圈和上补偿线圈，以及纵向引出双绞线。
具体地，梯度线圈支架包括由下到上依次横向设置的接收线圈槽、中补偿线圈槽和上补偿线圈槽以及纵向设置的垂直纵向槽。接收线圈槽、中补偿线圈槽和上补偿线圈槽分别用于横向绕制接收线圈、中补偿线圈和上补偿线圈；垂直纵向槽用于纵向引出双绞线。
优选地，梯度线圈支架利用低热膨胀系数、高加工精度的环氧或陶瓷等材料制成。
梯度线圈支架的总长度由梯度线圈的基线长度、匝数等决定。其中，相邻两个线圈槽之间的距离为基线长度。即接收线圈槽与中补偿线圈槽之间的距离，中补偿线圈槽与上补偿线圈槽之间的距离均为基线长度。实际的应用中，为了增加梯度线圈的信号检测效率，基线长度越长越好，考虑到环境噪声抑制效果，通常是一个折中处理，基线长度选择大于等于30mm。
步骤S2、在梯度线圈支架上绕制接收线圈，其中，接收线圈包括N匝直径为Dp的线圈，各匝线圈同向绕制，相邻线圈间通过垂直于接收线圈表面的双绞线连接。
其中，每匝线圈绕制结束后，沿着垂直纵向槽向上引出双绞线，并绕制下一匝线圈。需要说明的是，相邻接收线圈之间的双绞线需要尽可能的短。
步骤S3、在梯度线圈支架上绕制单匝中补偿线圈，其中中补偿线圈包括单匝直径为(2N)1/2Dp的线圈，与接收线圈的最后一匝通过垂直于接收线圈表面的双绞线连接，且中补偿线圈与接收线圈的绕制方向相反。
具体地，接收线圈绕制完成之后，在接收线圈的最后一匝沿着垂直纵向槽向上引出双绞线直至中补偿线圈槽，并绕制中补偿线圈。
步骤S4、在梯度线圈支架上绕制单匝上补偿线圈，其中上补偿线圈包括单匝直径为(N)1/2Dp的线圈，与中补偿线圈通过垂直于中补偿线圈表面的双绞线连接，且上补偿线圈与接收线圈的绕制方向相同。
具体地，中补偿线圈绕制完成之后，沿着垂直纵向槽向上引出双绞线直至上补偿线圈槽，并绕制上补偿线圈。
步骤S5、在上补偿线圈上向上引出双绞线。
其中，引出的双绞线连接至SQUID器件的输入端，其长度由SQUID器件的放置位置决定。在保证连接和不影响梯度线圈工作质量的情况下，双绞线长度越短越好。至此，制备出的超导二阶梯度线圈。
综上所述，本发明的超导二阶梯度线圈及其制造方法采用非等面积结构，将各层补偿线圈均等效为单匝，从而在不影响信号磁通的前提下，有效降低了线圈的总体电感，提高了信号传输效率，同时简化了绕制工艺。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种超导二阶梯度线圈，其特征在于：包括梯度线圈支架、接收线圈、中补偿线圈、上补偿线圈和双绞线；
所述梯度线圈支架用于由下到上依次横向绕制接收线圈、中补偿线圈和上补偿线圈，以及纵向引出双绞线；
所述接收线圈包括N匝直径为Dp的线圈，各匝线圈同向绕制，相邻线圈间通过垂直于所述接收线圈表面的双绞线连接；
所述中补偿线圈包括单匝直径为(2N)1/2Dp的线圈，与所述接收线圈的最后一匝通过垂直于所述接收线圈表面的双绞线连接，且所述中补偿线圈与所述接收线圈的绕制方向相反；
所述上补偿线圈包括单匝直径为(N)1/2Dp的线圈，与所述中补偿线圈通过垂直于所述中补偿线圈表面的双绞线连接，且所述上补偿线圈与所述接收线圈的绕制方向相同；
所述双绞线用于由下至上依次纵向连接各匝接收线圈、中补偿线圈和上补偿线圈，并由所述上补偿线圈向上引出。
2.根据权利要求1所述的超导二阶梯度线圈，其特征在于：所述梯度线圈支架包括由下到上依次横向设置的接收线圈槽、中补偿线圈槽和上补偿线圈槽以及纵向设置的垂直纵向槽；所述接收线圈槽、中补偿线圈槽和上补偿线圈槽分别用于横向绕制所述接收线圈、所述中补偿线圈和所述上补偿线圈；所述垂直纵向槽用于纵向引出所述双绞线。
3.根据权利要求2所述的超导二阶梯度线圈，其特征在于：所述梯度线圈支架中，相邻两个线圈槽之间的距离为基线长度；所述基线长度大于等于30mm。
4.根据权利要求1所述的超导二阶梯度线圈，其特征在于：所述梯度线圈支架采用环氧或陶瓷材料制成。
5.根据权利要求1所述的超导二阶梯度线圈，其特征在于：所述上补偿线圈引出的双绞线用于连接至超导量子干涉器件的输入端。
6.一种超导二阶梯度线圈的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
设置梯度线圈支架，所述梯度线圈支架用于由下到上依次横向绕制接收线圈、中补偿线圈和上补偿线圈，以及纵向引出双绞线；
在梯度线圈支架上绕制接收线圈，所述接收线圈包括N匝直径为Dp的线圈，各匝线圈同向绕制，相邻线圈间通过垂直于接收线圈表面的双绞线连接；
在梯度线圈支架上绕制中补偿线圈，所述中补偿线圈包括单匝直径为(2N)1/2Dp的线圈，与接收线圈的最后一匝通过垂直于接收线圈表面的双绞线连接，且中补偿线圈与接收线圈的绕制方向相反；
在梯度线圈支架上绕制上补偿线圈，所述上补偿线圈包括单匝直径为(N)1/2Dp的线圈，与中补偿线圈通过垂直于中补偿线圈表面的双绞线连接，且上补偿线圈与接收线圈的绕制方向相同；
在上补偿线圈上向上引出双绞线。
7.根据权利要求6所述的超导二阶梯度线圈的制造方法，其特征在于：所述梯度线圈支架包括由下到上依次横向设置的接收线圈槽、中补偿线圈槽和上补偿线圈槽以及纵向设置的垂直纵向槽；所述接收线圈槽、中补偿线圈槽和上补偿线圈槽分别用于横向绕制所述接收线圈、所述中补偿线圈和所述上补偿线圈；所述垂直纵向槽用于纵向引出所述双绞线。
8.根据权利要求7所述的超导二阶梯度线圈的制造方法，其特征在于：所述梯度线圈支架中，相邻两个线圈槽之间的距离为基线长度；所述基线长度大于等于30mm。
9.根据权利要求6所述的超导二阶梯度线圈的制造方法，其特征在于：所述梯度线圈支架采用环氧或陶瓷材料制成。
10.根据权利要求6所述的超导二阶梯度线圈的制造方法，其特征在于：所述上补偿线圈引出的双绞线用于连接至超导量子干涉器件的输入端。
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