CN106154187B - 一种三阶梯度线圈及探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三阶梯度线圈及探测器，包括：平行设置的第一平面二阶梯度线圈及第二平面二阶梯度线圈，所述第一平面二阶梯度线圈与所述第二平面二阶梯度线圈串联后与SQUID磁传感器连接，且所述第一平面二阶梯度线圈与所述第二平面二阶梯度线圈产生的感应电流方向相反。基于上述三阶梯度线圈以及SQUID磁传感器构成的三阶梯度探测器。本发明采用上下两层面二阶梯度线圈，同时检测环境磁场的平面二阶梯度信号，以平面为主、轴向为辅，构成三阶差分；通过增加共模抑制线圈进一步提高共模抑制；通过填充高磁导率材料进一步增强被测信号的强度；进而大大减少环境磁场的干扰，实现高信噪比的胎儿心磁信号检测。

Description

一种三阶梯度线圈及探测器

技术领域

本发明涉及微弱磁场探测领域，特别是涉及一种三阶梯度线圈及探测器。

背景技术

基于超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device,以下简称SQUID)的磁探测器是目前已知的噪声水平最低、最灵敏的磁探测器。广泛应用于生物磁场、地球磁场异常、极低场核磁共振等微弱磁场探测应用领域，其探测灵敏度已经达到飞特(10^-15特斯拉)量级。在极微弱磁场探测、科学研究中具有很高的科研和应用价值。

如图1所示，基于超导量子干涉器件SQUID的磁探测器主要由以下几个部分组成：

1、探测线圈，即超导拾取线圈：根据被测信号源的磁场空间分布，绕制线圈，用于耦合被测信号磁场产生的磁通。拾取线圈采用超导线绕制，并接入SQUID器件中同样是超导线绕制的输入线圈，构成一个超导环路。根据超导环路的磁通量子化效应，拾取线圈耦合的磁通将使超导环按比例产生电流Is，该电流流入SQUID器件的输入线圈再产生磁通耦合到SQUID磁通传感器中。

2、SQUID磁通传感器由SQUID器件和其配套的SQUID读出电路构成，将SQUID感受的磁通量按比例线性转换成电压Vout。

这样超导绕制的磁通拾取线圈和SQUID磁通传感器结合，就实现了被测磁场的捕获的磁场-电压的线性转换。形成了具有磁场检测能力的磁探测器。由于其灵敏度非常高，因此广泛应用在微弱磁信号的仪器设备中。

超导量子干涉其微弱磁探测器中的一个重要应用领域是生物磁场探测，构建心磁图仪等高端医疗设备。其中胎儿心磁图仪具有重要的应用潜力。胎儿心脏异常的探测手段非常有限，超声只能进行结构性检测，心电方法由于母体电导问题，难以获得有效心电信号。只有心磁信号不受母体电导问题影响，可以有效反映胎儿心脏活动信息，同时完全无创检测，因此胎儿心磁探测称为胎儿心脏检测的重要手段。

胎儿心脏很小，发出的信号非常微弱，只有pT(1pT＝10-12特斯拉)量级的信号，而地球本身就有高强的天然环境磁场(天然磁场50uT左右，天然环境场的波动在1个uT左右(1uT＝10-6特斯拉)。天然环境磁场对胎儿心磁信号的检测形成了很强的干扰，因此要从这么强的环境干扰磁提取胎儿心磁信号，就要设计具有很高环境磁场抑制能力探测线圈。

探测线圈形成差分的阶数越高对环境磁场的抑制越有效。但随着探测线圈差分阶数的提高，整个探测线圈所占的空间就越大，对低温液氦的液面要求就高，同时线圈的绕制的误差就会随着线圈数的增多而增大，实际的环境磁场抑制效果有限。

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三阶梯度线圈及探测器，用于解决现有技术中背景磁场对被测微弱磁场产生干扰，影响探测结果等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三阶梯度线圈，所述三阶梯度线圈至少包括：

平行设置的第一平面二阶梯度线圈及第二平面二阶梯度线圈，所述第一平面二阶梯度线圈与所述第二平面二阶梯度线圈串联后与SQUID磁传感器连接，且所述第一平面二阶梯度线圈与所述第二平面二阶梯度线圈产生的感应电流方向相反。

优选地，所述第一平面二阶梯度线圈与所述第二平面二阶梯度线圈包括结构一致的第一超导差模线圈和第二超导差模线圈，所述第一超导差模线圈和所述第二超导差模线圈的超导线依第一对称轴及第二对称轴走线，所述第一对称轴与所述第二对称轴垂直分布，所述第一对称轴及所述第二对称轴形成的4个区域中的两个环境磁场平衡区和两个被测信号感应区面积相等、交替分布且相互对称，所述第一对称轴及所述第二对称轴两侧超导线的绕线方向相反，超导线的线端在所述第一对称轴和所述第二对称轴的交汇处引出。

更优选地，所述第一平面二阶梯度线圈还包括与所述第一超导差模线圈共面的第一超导共模线圈，所述第二平面二阶梯度线圈还包括与所述第二超导差模线圈共面的第二超导共模线圈。

更优选地，所述第一超导共模线圈和所述第二超导共模线圈为分别位于一平面内的封闭线圈。

更优选地，所述环境磁场平衡区和所述被测信号感应区中还对称地设置有高磁导率材料，所述高磁导率材料的相对磁导率不小于10。

更优选地，所述环境磁场平衡区和所述被测信号感应区中设置的高磁导率材料具有相同的介质参数。

更优选地，所述介质参数包括磁导率、填充空间。

优选地，在胎儿心磁检测领域，所述第一平面二阶梯度线圈与所述第二平面二阶梯度线圈的平面间隔设定为10cm～30cm。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种三阶梯度探测器，所述三阶梯度探测器至少包括：

上述三阶梯度线圈以及SQUID磁传感器，所述三阶梯度线圈将被测磁场信号转化为电流信号，所述SQUID磁传感器将所述三阶梯度线圈检测到的电流信号转换为相应的电压信号。

优选地，所述SQUID磁传感器包括SQUID器件和SQUID读出电路，所述SQUID器件获取所述三阶梯度线圈检测到的信号并输出至所述SQUID读出电路，所述SQUID读出电路产生与所述三阶梯度线圈检测到的信号呈线性关系的电压信号。

如上所述，本发明的三阶梯度线圈及探测器，具有以下有益效果：

本发明的三阶梯度线圈及探测器采用上下两层面二阶梯度线圈，同时检测环境磁场的平面二阶梯度信号，然后串联送入SQUID磁传感器的输入线圈，接线时要求两个梯度信号产生的电流互相抵消，形成再一次的差分，构成三阶差分。由于环境磁场中该三阶分量的成分少，因此可以大大减少环境磁场的干扰，实现高信噪比的微弱磁场检测。

附图说明

图1显示为现有技术中的基于超导量子干涉器件SQUID的磁探测器示意图。

图2显示为本发明的三阶梯度线圈示意图。

图3显示为本发明的平面二阶梯度线圈的一种结构示意图。

图4显示为本发明的平面二阶梯度线圈的另一种结构示意图。

图5显示为本发明的平面二阶梯度线圈填充高磁导率材料的示意图。

图6显示为本发明的三阶梯度探测器的结构示意图。

元件标号说明

1 三阶梯度线圈

11 第一平面二阶梯度线圈

11a 第一超导差模线圈

11b 第一超导共模线圈

12 第二平面二阶梯度线圈

12a 第二超导差模线圈

12b 第二超导共模线圈

13 高磁导率的磁芯

2 SQUID磁传感器

21 SQUID器件

22 SQUID读出电路

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。

请参阅图2～图6。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。

实施例一

如图2～图3所示，本发明提供一种三阶梯度线圈1，所述三阶梯度线圈1至少包括：

平行设置的第一平面二阶梯度线圈11及第二平面二阶梯度线圈12，所述第一平面二阶梯度线圈11与所述第二平面二阶梯度线圈12串联后与SQUID磁传感器2连接，且所述第一平面二阶梯度线圈11与所述第二平面二阶梯度线圈12产生的感应电流方向相反。

具体地，如图3所示，所述第一平面二阶梯度线圈11包括第一超导差模线圈11a，所述第一超导差模线圈11a在一平面上布线，超导线依第一对称轴及第二对称轴走线，所述第一对称轴与所述第二对称轴相互垂直，在本实施例中，所述第一对称轴为x轴方向的直线，所述第二对称轴为y轴方向的直线，所述第一超导差模线圈11a沿所述第一对称轴及所述第二对称轴上下、左右分别对称，即所述第一平面二阶梯度线圈11位于xoy平面内。所述第一对称轴及所述第二对称轴将平面划分为4个区域，这4个区域中线圈包围的区域分别定义为环境磁场平衡区和被测信号感应区，交替分布、面积相等且相互对称。在本实施例中，左下角、右上角区域定义为环境磁场平衡区，左上角、右下角区域定义为被测信号感应区，环境磁场平衡区和被测信号感应区的形状为矩形，其他各种形状均适用于本发明的三阶梯度线圈，不以本实施例为限。所述第一对称轴及所述第二对称轴两侧超导线的绕线方向相反。如图3所示，在本实施例中，电流从左下侧线圈顺时针流入，然后顺时针流入右上侧线圈，再逆时针流入右下侧线圈，最后从左上侧线圈逆时针流出。即在保持上下左右线圈所围图形完全对称的情况下，线路的绕向是两两相反的，用电流来说明就是，当线圈中流过电流时，其在所述环境磁场平衡区和所述被测信号感应区所产生的磁场分布对称，但方向相反，所述第一超导差模线圈11a只耦合法线方向的磁场，所述环境磁场平衡区和所述被测信号感应区耦合形成的磁通互相抵消。超导线的线端在所述第一对称轴和所述第二对称轴的交汇处引出，接入SQUID传感器，实现信号的检测。

具体地，如图2所示，所述第二平面二阶梯度线圈12与所述第一平面二阶梯度线圈11的结构相同，包括第二超导差模线圈12a，同样位于xoy平面内，其具体走线方式与所述第一超导差模线圈11a相同，在此不一一赘述。

具体地，所述第一平面二阶梯度线圈11与所述第二平面二阶梯度线圈12采用印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)或微电子加工工艺，通过光刻工艺加工而成，具有极高的加工精度，可尽可能地减少加工误差引入的误差面积。

采用微电子加工工艺，以硅片作为基片通过镀膜工艺，生长一层超导材料铌膜，通过刻蚀工艺构成上述的一个平面二阶梯度线圈。将两个微加工工艺制成的平面二阶梯度线圈通过金属铌线按所述三阶梯度线圈的构型，链接成拾取线圈，接入SQUID器件。

采用印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)设计并实现的二阶梯度线圈，有效面积更大，但使用的是铜膜，因此还需要在铜线的表面，镀上铅，或含铅50％以上的铅铟或铅锡合金，使得PCB板上的线成为超导线，再按上述方法通过铌线将两个线圈连接起来。

具体地，如图2所示，所述第一平面二阶梯度线圈11与所述第二平面二阶梯度线圈12在xoy平面的法线方向(z轴方向)上分上下两层，同时检测环境磁场的平面二阶梯度信号，然后串联送入所述SQUID磁传感器2的输入线圈，接线时要求所述第一平面二阶梯度线圈11与所述第二平面二阶梯度线圈12产生的电流互相抵消，形成再一次的差分，构成三阶差分。通过两个平面二阶梯度线圈串联构成三阶梯度线圈，其中两个平面二阶梯度线圈所在平面平行，所述三阶梯度线圈1检测的磁场的梯度分量是：由于环境磁场中该三阶分量的成分少，因此可以大大减少环境磁场的干扰。

具体地，所述第一平面二阶梯度线圈11与所述第二平面二阶梯度线圈12所在平面平行设置，在胎儿心磁检测领域，所述第一平面二阶梯度线圈11与所述第二平面二阶梯度线圈11的平面间隔设定为10cm～30cm，以得到较精准的检测结果。在检测胎儿心磁信号时，所述第一平面二阶梯度线圈11靠近被测胎儿的心脏，实现胎儿心磁信号的拾取，所述第二平面二阶梯度线圈12则相对于所述第一平面二阶梯度线圈11保持一定的高度(10cm～30cm)，远离被测胎儿心磁信号，即不对胎儿产生的心磁信号产生响应，当所述第一平面二阶梯度线圈11与所述第二平面二阶梯度线圈12串联进行差分的时候，就能将胎儿心磁信号送入SQUID磁传感器2中进行识别。所述第一平面二阶梯度线圈11与所述第二平面二阶梯度线圈12的工作原理一致，所述第一平面二阶梯度线圈11与所述第二平面二阶梯度线圈12均可作为靠近被测胎儿的心脏的一端，另一端远离被测胎儿的心脏，不限于本实施例。

实施例二

如图4所示，本实施例提供一种三阶梯度线圈，所述三阶梯度线圈的结构与实施例一中的三阶梯度线圈一致，不同之处在于，本实施例中的第一平面二阶梯度线圈11和第二平面二阶梯度线圈12还包括分别与所述第一超导差模线圈11a和所述第二超导差模线圈12a共面的超导共模线圈。

具体地，如图4所示，所述第一平面二阶梯度线圈11还包括与所述第一超导差模线圈11a共面的第一超导共模线圈11b，所述第一超导共模线圈11b为平面线圈，在所述第一超导差模线圈11a所在平面内形成封闭线圈。超导线同样依所述第一对称轴及所述第二对称轴走线，所述第一超导共模线圈11b围绕着所述第一超导差模线圈11a走线，形成紧密耦合，在本实施例中，所述第一超导共模线圈11b为包围于所述第一超导差模线圈11a外侧的矩形线圈。所述第一超导共模线圈11b对所述第一超导差模线圈11a所处的共模环境磁场进行抑制，大大减小所述第一超导差模线圈11a耦合的共模磁通，提高所述三阶梯度线圈1对环境磁场的共模抑制能力，从而提高所述第一超导差模线圈11a探测信号的信噪比。

所述第二超导共模线圈12b在所述第二超导差模线圈12a所在平面内形成封闭线圈，走线方式与所述第一超导共模线圈11b一致，在此不一一赘述。

本实施例的三阶梯度线圈增加了共面的共模抑制线圈，可进一步提高对环境磁场的抑制，实现高信噪比的胎儿心磁检测。

实施例三

如图5所示，本实施例提供一种三阶梯度线圈，所述三阶梯度线圈的结构与实施例一中的三阶梯度线圈一致，不同之处在于，实施例一中的超导磁传感器探测线圈的环境磁场平衡区和被测信号感应区内未填充高磁导率材料，实施例三中的超导磁传感器探测线圈的环境磁场平衡区和被测信号感应区内填充有高磁导率材料，用于增强被测信号的强度，通过高磁导率材料提升了被测信号的磁感应强度，使得耦合的被测信号的磁通呈数量级的增强，这对胎儿心磁等微弱磁场信号的检测非常有效，提升了胎儿心磁图仪的诊断能力，对该仪器的应用具有重要的意义。

具体地，如图5所示，将高磁导率的磁芯13对称地填充于所述第一平面二阶梯度线圈11的环境磁场平衡区和被测信号感应区内，所述环境磁场平衡区和所述被测信号感应区内的高磁导率的磁芯13具有相同的介质参数，该介质参数包括磁导率、填充空间等。磁导率(magnetic permeability)是表征磁介质磁性的物理量，表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后、产生磁通的阻力、或者是其在磁场中导通磁力线的能力。磁导率的公式为μ＝B/H，其中H为磁场强度、B为磁感应强度，常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称绝对磁导率。本发明中所说的磁导率是指相对磁导率μr，其定义为磁导率μ与真空磁导率μ0之比，即μr＝μ/μ0。一般而言：空气或者非磁性材料的相对磁导率是1，铁磁性等顺磁性的材料的磁导率>1，本发明中的高磁导率材料指相对磁导率μr不小于10的导磁材料。常见的高磁导率材料为铁磁性材料，如软铁，铁氧体等，其中，铸铁为200～400；硅钢片为7000～10000；镍锌铁氧体为10～1000。由于软铁等金属材料有导电性，容易引起涡流，不作为首选材料，因此，在本实施例中，以铁氧体作为高磁导率材料的首选，常见的如镍锌铁氧体材料或锰锌铁氧体材料。

所述第二平面二阶梯度线圈12中同样对称地填充高磁导率的磁芯13，在此不一一赘述。

进一步地，可以在实施例二的基础上在所述环境磁场平衡区和所述被测信号感应区内对称地填充高磁导率的磁芯，以达到增强被测信号强度的作用，在此不一一赘述。

本发明要求以轴对称的方式，在两个对称轴两侧线圈区域对称地进行高磁导率材料(优选为高磁导率的磁芯)的布置，保持对称布置，保证环境磁场的共模抑制；同时高磁导率材料增强被测信号的耦合，进一步提高在无屏蔽环境下检测微弱磁信号的信噪比。

如图6所示，本发明还提供一种三阶梯度探测器，所述三阶梯度探测器至少包括：

上述三阶梯度线圈1以及SQUID磁传感器2，所述三阶梯度线圈1将被测磁场信号转化为电流信号，所述SQUID磁传感器2将所述三阶梯度线圈1检测到的电流信号转换为相应的电压信号。

具体地，如图6所示，所述三阶梯度线圈1包括串联的第一平面二阶梯度线圈11和第二平面二阶梯度线圈12，且同名端(图6中“*”端)相反放置，所述第一平面二阶梯度线圈11与所述第二平面二阶梯度线圈12分上下两层，同时检测环境磁场的平面二阶梯度信号，产生的电流互相抵消，形成再一次的差分，构成三阶差分，即所述三阶梯度线圈1检测的磁场的梯度分量是：

具体地，如图6所示，所述SQUID磁传感器2包括SQUID器件21和SQUID读出电路22，所述SQUID器件21包括输入线圈和SQUID。所述SQUID器件21获取所述三阶梯度线圈1检测到的信号并输出至所述SQUID读出电路22，所述SQUID读出电路22产生与所述三阶梯度线圈1检测到的信号呈线性关系的电压信号。更具体地，所述三阶梯度线圈1和输入线圈构成的超导环路中产生电流Is，电流流入输入线圈产生磁通耦合到SQUID中，SQUID及SQUID读出电路将检测磁通转换成电压Vout。

具体地，在本实施例中，本方案所述三阶梯度线圈及所述SQUID器件可以采用工作于4.2K液氦温区的的低温超导线圈材料和低温超导SQUID器件，也可以采用工作于77K液氮温区的高温超导材料及高温SQUID器件来实现。

上述实施实例是以低温铌系低温超导材料来说明的，对于高温超导材料和高温SQUID器件，上述实施方案同样适用，只是选用材料不同。

如上所述，本发明的三阶梯度线圈及探测器，具有以下有益效果：

本发明的三阶梯度线圈及探测器采用上下两层面二阶梯度线圈，同时检测环境磁场的平面二阶梯度信号，以平面为主、轴向为辅，构成三阶差分；通过增加共模抑制线圈进一步提高共模抑制；通过填充高磁导率材料进一步增强被测信号的强度；进而大大减少环境磁场的干扰，实现高信噪比的胎儿心磁信号检测，以最少的线圈实现探测面积的最大化、环境磁场抑制的最大化。

综上所述，本发明提供一种三阶梯度线圈，包括：平行设置的第一平面二阶梯度线圈及第二平面二阶梯度线圈，所述第一平面二阶梯度线圈与所述第二平面二阶梯度线圈串联后与SQUID磁传感器连接，且所述第一平面二阶梯度线圈与所述第二平面二阶梯度线圈产生的感应电流方向相反。还提供一种三阶梯度探测器，包括上述三阶梯度线圈以及SQUID磁传感器，所述三阶梯度线圈将被测磁场信号转化为电流信号，所述SQUID磁传感器将所述三阶梯度线圈检测到的电流信号转换为相应的电压信号。本发明的三阶梯度线圈及探测器采用上下两层面二阶梯度线圈，同时检测环境磁场的平面二阶梯度信号，以平面为主、轴向为辅，构成三阶差分；通过增加共模抑制线圈进一步提高共模抑制；通过填充高磁导率材料进一步增强被测信号的强度；进而大大减少环境磁场的干扰，实现高信噪比的胎儿心磁信号检测，以最少的线圈实现探测面积的最大化、环境磁场抑制的最大化。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 (9)

1.一种三阶梯度线圈，其特征在于，所述三阶梯度线圈至少包括：

平行设置的第一平面二阶梯度线圈及第二平面二阶梯度线圈，所述第一平面二阶梯度线圈与所述第二平面二阶梯度线圈串联后与SQUID磁传感器连接，且所述第一平面二阶梯度线圈与所述第二平面二阶梯度线圈产生的感应电流方向相反；

其中，所述第一平面二阶梯度线圈与所述第二平面二阶梯度线圈包括结构一致的第一超导差模线圈和第二超导差模线圈，所述第一超导差模线圈和所述第二超导差模线圈的超导线依第一对称轴及第二对称轴走线，所述第一对称轴与所述第二对称轴垂直分布，所述第一对称轴及所述第二对称轴形成的4个区域中的两个环境磁场平衡区和两个被测信号感应区面积相等、交替分布且相互对称，所述第一对称轴及所述第二对称轴两侧超导线的绕线方向相反，超导线的线端在所述第一对称轴和所述第二对称轴的交汇处引出。

2.根据权利要求1所述的三阶梯度线圈，其特征在于：所述第一平面二阶梯度线圈还包括与所述第一超导差模线圈共面的第一超导共模线圈，所述第二平面二阶梯度线圈还包括与所述第二超导差模线圈共面的第二超导共模线圈。

3.根据权利要求2所述的三阶梯度线圈，其特征在于：所述第一超导共模线圈和所述第二超导共模线圈为分别位于一平面内的封闭线圈。

4.根据权利要求1所述的三阶梯度线圈，其特征在于：所述环境磁场平衡区和所述被测信号感应区中还对称地设置有高磁导率材料，所述高磁导率材料的相对磁导率不小于10。

5.根据权利要求4所述的三阶梯度线圈，其特征在于：所述环境磁场平衡区和所述被测信号感应区中设置的高磁导率材料具有相同的介质参数。

6.根据权利要求5所述的三阶梯度线圈，其特征在于：所述介质参数包括磁导率、填充空间。

7.根据权利要求1所述的三阶梯度线圈，其特征在于：在胎儿心磁检测领域，所述第一平面二阶梯度线圈与所述第二平面二阶梯度线圈的平面间隔设定为10cm～30cm。

8.一种三阶梯度探测器，其特征在于，所述三阶梯度探测器至少包括：

如权利要求1～7任意一项所述的三阶梯度线圈以及SQUID磁传感器，所述三阶梯度线圈将被测磁场信号转化为电流信号，所述SQUID磁传感器将所述三阶梯度线圈检测到的电流信号转换为相应的电压信号。

9.根据权利要求8所述的三阶梯度探测器，其特征在于：所述SQUID磁传感器包括SQUID器件和SQUID读出电路，所述SQUID器件获取所述三阶梯度线圈检测到的信号并输出至所述SQUID读出电路，所述SQUID读出电路产生与所述三阶梯度线圈检测到的信号呈线性关系的电压信号。