CN106680746A - 基于squid三轴磁强计的工频噪声抑制装置 - Google Patents

基于squid三轴磁强计的工频噪声抑制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，应用于极低场核磁共振系统中，包括杜瓦、SQUID二阶梯度计、SQUID三轴磁强计和读出电路；所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计均设置在所述杜瓦内；所述SQUID二阶梯度计用于探测极低场核磁共振系统中的核磁共振信号；所述SQUID三轴磁强计包括三个相互正交的SQUID磁强计，用于探测环境磁场中的工频噪声；所述读出电路用于读出所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计的输出电压，并处理得到工频噪声抑制后的核磁共振信号。本发明的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置有效抑制工频噪声干扰，提高核磁共振信号的信噪比。

Description

基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置
技术领域
本发明涉及超导电子学的技术领域，特别是涉及一种基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置。
背景技术
超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)是一种能测量微弱磁信号的极其灵敏的仪器，就其功能而言是一种磁通传感器，不仅可以用来测量磁通量的变化，还可以测量能转换为磁通的其他物理量，如电压、电流、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率等。SQUID的基本原理是建立在磁通量子化和约瑟夫森效应的基础上的。根据偏置电流的不同，分为直流和射频两类。SQUID作为探测器，可以测量出10-11高斯的微弱磁场，仅相当于地磁场的一百亿分之一，比常规的磁传感器灵敏度提高几个数量级，是进行超导、纳米、磁性和半导体等材料磁学性质研究的基本仪器设备，特别是对薄膜和纳米等微量样品是必需的。利用SQUID探测器侦测直流磁化率信号，灵敏度可达10-8emu；样品温度变化范围为1.9K～400K；磁场强度变化范围为0～70000高斯。
核磁共振技术被广泛应用于凝聚态物理、分析化学、生物学和医学等领域，基于SQUID的极低场核磁共振的主磁场强度在地球磁场量级，被证明在检测异核标量耦合、纵向弛豫时间加权成像等方面具有明显优势。
然而，如图1所示，环境磁场中的工频及其谐波干扰会严重影响极低场核磁共振系统中被测样品的核磁共振信号，进而影响谱线或成像质量。
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基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，由SQUID二阶梯度计构建信号通道，由SQUID三轴磁强计构建参考通道，利用工频谐波在参考通道和信号通道中的相关性补偿SQUID二阶梯度计的输出，从而抑制工频噪声干扰，提高核磁共振信号的信噪比。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，应用于极低场核磁共振系统中，包括杜瓦、SQUID二阶梯度计、SQUID三轴磁强计和读出电路；所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计均设置在所述杜瓦内；所述杜瓦用于存储低温液体以提供所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计工作所需的低温环境；所述SQUID二阶梯度计用于探测极低场核磁共振系统中的核磁共振信号；所述SQUID三轴磁强计包括三个相互正交的SQUID磁强计，用于探测环境磁场中的工频噪声；所述读出电路分别与所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计相连，用于读出所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计的输出电压，并处理得到工频噪声抑制后的核磁共振信号。
于本发明一实施例中，还包括屏蔽室，所述杜瓦和所述读出电路均设置在所述屏蔽室内，所述屏蔽室用于屏蔽环境磁场中的射频干扰。
于本发明一实施例中，所述SQUID二阶梯度计包括梯度计天线、天线支架和SQUID芯片；所述梯度计天线绕制在所述天线支架上，并通过环氧组件与所述SQUID芯片固定。
于本发明一实施例中，所述梯度计天线由铌线绕制或集成在硅片上。
于本发明一实施例中，所述SQUID磁强计包括探测线圈、环氧棒和SQUID芯片；所述探测线圈绕制在环氧棒上，通过环氧组件与所述SQUID芯片固定。
于本发明一实施例中，所述杜瓦内设置有环氧板，所述SQUID三轴磁强计与所述SQUID二阶梯度计均固定在所述环氧板上，所述环氧板固定于所述杜瓦的杜瓦塞上。
于本发明一实施例中，所述读出电路通过带有射频屏蔽层的低温线与所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计分别相连。
于本发明一实施例中，所述读出电路通过雷莫连接器固定在所述杜瓦的杜瓦塞上。
于本发明一实施例中，所述读出电路包括磁通锁定电路和控制电路；所述磁通锁定电路用于提供工作电流至所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计；所述控制电路用于控制所提供工作电流的大小。
于本发明一实施例中，所述读出电路将所述SQUID二阶梯度计探测到的核磁共振信号减去所述SQUID三轴磁强计探测到的工频噪声，得到抑制工频噪声后的核磁共振信号。
如上所述，本发明的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，具有以下有益效果：
(1)由SQUID二阶梯度计构建信号通道，由SQUID三轴磁强计构建参考通道，利用工频谐波在参考通道和信号通道中的相关性补偿被测SQUID二阶梯度计的输出，抑制工频噪声干扰；
(2)显著提升极低场核磁共振系统中核磁共振信号的信噪比；
(3)能够抑制频率范围约为3kHz—15kHz的工频谐波干扰噪声；
(4)不仅可以抑制来自竖直方向的工频谐波干扰，也可以抑制水平方向的工频谐波干扰。
附图说明
图1显示为现有技术中环境磁场中的工频谐波噪声示意图；
图2显示为本发明的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置的结构示意图。
元件标号说明
1 杜瓦
2 SQUID二阶梯度计
3 SQUID三轴磁强计
4 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。
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。
如图2所示，本发明的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，应用于极低场核磁共振系统中，包括杜瓦1、SQUID二阶梯度计2、SQUID三轴磁强计3和读出电路4。SQUID二阶梯度计2和SQUID三轴磁强计3均设置在杜瓦1内。优选地，极低场是指磁场强度小于2.5高斯。
杜瓦1用于存储低温液体以提供SQUID二阶梯度计2和SQUID三轴磁强计3工作所需的低温环境。优选地，杜瓦1包括杜瓦桶及杜瓦塞，杜瓦桶内放置有提供低温环境的低温液体，如液氦。
SQUID二阶梯度计2用于探测极低场核磁共振系统中的核磁共振信号。
SQUID三轴磁强计3包括三个相互正交的SQUID磁强计，用于探测环境磁场中的工频噪声。
读出电路4分别与SQUID二阶梯度计2和SQUID三轴磁强计3相连，用于读出SQUID二阶梯度计2和SQUID三轴磁强计3的输出电压，并处理得到工频噪声抑制后的核磁共振信号。由于SQUID三轴磁强计3探测到的工频噪声和SQUID二阶梯度计2中含有的工频谐波噪声具有高度的一致性，故SQUID三轴磁强计3探测到的工频噪声可以有效消除SQUID二阶梯度计2探测到的核磁共振谱线或图像中的工频噪声，从而显著提高SQUID二阶梯度计2所获取的核磁共振信号的信噪比。具体地，将SQUID二阶梯度计2探测到的核磁共振信号减去SQUID三轴磁强计3探测到的工频噪声，即可得到抑制工频噪声后的核磁共振信号，从而显著提高核磁共振信号的信噪比。
优选地，还包括屏蔽室(图中未示出)，杜瓦1和读出电路4均设置在屏蔽室内，屏蔽室用于屏蔽环境磁场中的射频干扰。具体地，屏蔽室1既可以屏蔽环境磁场中的射频干扰，如广播电台信号，雷达信号，手机信号等等，也可以抑制环境磁场中的低频磁场波动，从而避免高灵敏度的SQUID三轴磁强计输出饱和。
于本发明一实施例中，SQUID二阶梯度计包括梯度计天线、天线支架和SQUID芯片；梯度计天线绕制在天线支架上，并通过环氧组件与SQUID芯片固定。优选地，梯度计天线由铌线绕制或集成在硅片上；天线支架由陶瓷制成。当需要同时对多个SQUID二阶梯度计探测到的核磁共振信号进行工频噪声抑制时，可以在杜瓦内设置多个SQUID二阶梯度计。
于本发明一实施例中，SQUID磁强计包括探测线圈、环氧棒和SQUID芯片；探测线圈绕制在环氧棒上，通过环氧组件与SQUID芯片固定。优选地，环氧棒的直径为1mm；探测线圈由铌线绕制或集成在硅片上。探测线圈的方向须与SQUID二阶梯度计的探测方向一致。
于本发明一实施例中，读出电路包括磁通锁定电路和控制电路。磁通锁定电路用于提供工作电流至SQUID二阶梯度计和SQUID三轴磁强计；控制电路用于控制所提供工作电流的大小，以保证SQUID二阶梯度计和SQUID磁强计能够正常工作。
优选地，杜瓦内设置有环氧板，SQUID三轴磁强计与SQUID二阶梯度计均固定在环氧板上，环氧板固定于杜瓦的杜瓦塞上。
于本发明一实施例中，读出电路通过带有射频屏蔽层的低温线与SQUID二阶梯度计和SQUID三轴磁强计分别相连，从而提高超导电子设备的电磁兼容和环境适应能力。优选地，读出电路通过标准10芯雷莫连接器固定在杜瓦的杜瓦塞上，以减小低温线的长度。
综上所述，本发明的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置由SQUID二阶梯度计构建信号通道，由SQUID三轴磁强计构建参考通道，利用工频谐波在参考通道和信号通道中的相关性补偿被测SQUID二阶梯度计的输出，抑制工频噪声干扰；显著提升极低场核磁共振系统中核磁共振信号的信噪比；能够抑制频率范围约为3kHz—15kHz的工频谐波干扰噪声；不仅可以抑制来自竖直方向的工频谐波干扰，也可以抑制水平方向的工频谐波干扰。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)

1.一种基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，其特征在于：应用于极低场核磁共振系统中，包括杜瓦、SQUID二阶梯度计、SQUID三轴磁强计和读出电路；所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计均设置在所述杜瓦内；
所述杜瓦用于存储低温液体以提供所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计工作所需的低温环境；
所述SQUID二阶梯度计用于探测极低场核磁共振系统中的核磁共振信号；
所述SQUID三轴磁强计包括三个相互正交的SQUID磁强计，用于探测环境磁场中的工频噪声；
所述读出电路分别与所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计相连，用于读出所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计的输出电压，并处理得到工频噪声抑制后的核磁共振信号。
2.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，其特征在于：还包括屏蔽室，所述杜瓦和所述读出电路均设置在所述屏蔽室内，所述屏蔽室用于屏蔽环境磁场中的射频干扰。
3.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，其特征在于：所述SQUID二阶梯度计包括梯度计天线、天线支架和SQUID芯片；所述梯度计天线绕制在所述天线支架上，并通过环氧组件与所述SQUID芯片固定。
4.根据权利要求3所述的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，其特征在于：所述梯度计天线由铌线绕制或集成在硅片上。
5.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，其特征在于：所述SQUID磁强计包括探测线圈、环氧棒和SQUID芯片；所述探测线圈绕制在环氧棒上，通过环氧组件与所述SQUID芯片固定。
6.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，其特征在于：所述杜瓦内设置有环氧板，所述SQUID三轴磁强计与所述SQUID二阶梯度计均固定在所述环氧板上，所述环氧板固定于所述杜瓦的杜瓦塞上。
7.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，其特征在于：所述读出电路通过带有射频屏蔽层的低温线与所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计分别相连。
8.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，其特征在于：所述读出电路通过雷莫连接器固定在所述杜瓦的杜瓦塞上。
9.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，其特征在于：所述读出电路包括磁通锁定电路和控制电路；所述磁通锁定电路用于提供工作电流至所述SQUID二阶梯度计和所述SQUID三轴磁强计；所述控制电路用于控制所提供工作电流的大小。
10.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的工频噪声抑制装置，其特征在于：所述读出电路将所述SQUID二阶梯度计探测到的核磁共振信号减去所述SQUID三轴磁强计探测到的工频噪声，得到抑制工频噪声后的核磁共振信号。
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