CN110907870B - 磁屏蔽设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对磁场探头进行屏蔽的磁屏蔽装置。所述屏蔽装置包括外侧屏蔽和包含在外侧屏蔽内的内侧屏蔽。磁场传感器被容纳在内侧屏蔽中，外侧屏蔽和内侧屏蔽包括透磁材料，其封闭一定体积并且至少具有开放的第一末端。

Description

磁屏蔽设备
技术领域
本发明涉及磁屏蔽，并且特别涉及磁信号感测应用中的磁屏蔽。
背景技术
磁场探头被用来检测从来源发出的差模辐射。比如原子磁力计探头之类的灵敏探头被用于小磁场的检测。小磁场对于许多应用来说是很重要的，包括许多新兴的量子技术。这方面的实例包括具有适合于生物和技术应用的带宽和灵敏度的原子磁力计探头的商用化，包括：心脏和大脑电流的完全被动式医学诊断以及胎儿心脏模式测量；例如针对机场安保监控等等所提出的金属封装内部的爆炸物检测(比如磁视觉创新原型或“Magviz”)；低场NMR成像；磁性纳米粒子追踪；用于肺部活动的医学成像的极化惰性气体等等。在使用原子磁力计的医学成像的情况中，焦点在于把必要装置的尺度从医院尺度装置减小到医疗实践尺度，从而极大地扩大可能的市场。在基础科学研究中可以找到其他应用。
具有所选择的检测带宽和灵敏度的磁力计可以被使用在例如用于机场安保监控的金属封装内部的爆炸物检测中，或者可以被使用在磁性纳米粒子追踪中。磁力计还可以被使用在医学成像中，以便出于医学诊断目的来测量心脏和大脑电流。低场核磁共振(NMR)成像被使用在波谱分析中以便获得关于材料和结构的物理、化学、电子和结构信息，并且通常被使用在磁共振成像(MRI)机器中以用于研究和医学诊断。
在NMR成像中，强静磁场中的原子核受到近场中的弱振荡磁场的扰动，并且通过产生具有原子核处的磁场的频率特征的电磁信号而作出响应。当振荡频率与原子核的固有频率匹配时，这一过程在接近共振下发生，这取决于静磁场的强度、化学环境以及所涉及的同位素的磁属性。特定的简单物质的共振频率通常与所施加的磁场的强度成正比。
例如超导量子接口设备(SQuID)之类的超灵敏检测器通常被用于检测从大脑发出的超弱磁场，以便在脑磁图描记中对神经活动进行被动式测量。SQuID越来越多地也被使用在超低场磁共振中，其运作方式类似于MRI机器。SQuID能够探测化学环境以及如同传统MRI机器那样提供组织对比的图像。但是SQuID所利用的是不强于地球磁场的磁场，因此很重要的是从直接检测区域中屏蔽掉任何局部或环境场，以便减少误差和错误度数。
发明内容
因此，本发明提供一种磁屏蔽装置，包括外侧屏蔽和包含在外侧屏蔽内的内侧屏蔽，以及包含在内侧屏蔽内的磁场传感器元件，其中外侧屏蔽和内侧屏蔽分别包括透磁材料的表面，其封闭一定体积并且至少具有开放的第一末端，并且内侧屏蔽的开放末端面对外侧屏蔽的表面。
通过这种方式，围绕传感器的体积不需要被完全封闭。我们发现，屏蔽只需要产生围绕传感器的低场，传感器可以从该位置处检测由正被检查的物品所产生的场。本发明提供了一种屏蔽安排，其允许在无需打开和关闭封装的情况下插入样品。
我们优选的是外侧屏蔽和内侧屏蔽分别包括一个细长构件，其中内侧屏蔽的轴被安排成横断外侧屏蔽的轴。外侧屏蔽的轴优选的是基本上水平的。其开放末端优选的是部分地关闭的，以便至少部分地遮蔽内侧屏蔽。
内侧屏蔽的表面可以包括孔径，以便允许内侧屏蔽外部的场到达传感器。
留置装置可用于将发出磁场的样品留置在邻近内侧屏蔽的开放末端。
所述磁屏蔽还可以包括补偿线圈。该补偿线圈可以被包含在内侧屏蔽内，理想的是在内侧屏蔽与留置装置(如果提供的话)之间。补偿线圈可以包括金属套圈(wire loop)。
可以在外侧屏蔽的外部提供预极化器线圈。
用于施加NMR脉冲的线圈可以位于外侧屏蔽内。
所述传感器元件可以是需要保持场的传感器元件。其可以是单个传感器或者是一个传感器阵列。
外侧屏蔽和内侧屏蔽优选地由坡莫合金或铁氧体材料或者具有高透磁率的其他材料构成。
附图说明
现在将参照附图通过举例的方式来描述本发明的一个实施例，其中：
图1示出了磁屏蔽设备；
图2示出了磁屏蔽设备的第二实施例的等距视图；
图3示出了图2的磁屏蔽设备的剖面图；
图4示出了实际应用中的磁屏蔽设备的第二实施例；以及
图5示出了源自磁屏蔽设备中的样品的剩余场分布。
具体实施方式
本发明提供了一种用以对磁场探头的直接环境进行屏蔽的设备。所述设备提供了从屏蔽外部到场探头的很容易的接进，从而可以将待测量的样品很容易地放置在探头的范围内。
图1示出了包括外侧屏蔽20和内侧屏蔽90的磁屏蔽设备10。外侧屏蔽具有基本上圆柱形的轮廓，并且在本实施例中具有基本上水平的轴。外侧屏蔽20在第一末端30和第二末端40处是开放的。外侧屏蔽20具有在第一末端30处通过端壁30并且在第二末端处通过端壁40结合的内侧表皮50和外侧表皮60，从而形成中空主体。在一个优选实施例中，外侧屏蔽20具有1到1.3m的长度。在本实施例中，外侧屏蔽具有1到1.3m的优选外直径。
内侧屏蔽90被包含在外侧屏蔽20内，并且由同心的杯体和圆柱体构成，其在本实施例中被描绘成外侧表皮100和内侧表皮110，所述外侧表皮100和内侧表皮110被结合形成具有管状形式的分立元件以便提供被动式屏蔽。在一个优选实施例中，内侧屏蔽90(在凸缘的内沿上)具有20到30cm的内直径。
在替换实施例中，内侧屏蔽90和外侧屏蔽20都可以被提供在正方形、六边形、八角形或其他轮廓形状中，从而提供用以引导磁通量的封闭表面。内侧屏蔽90可以不具有与外侧屏蔽20相同的形状。
内侧屏蔽90在一个末端处具有底座130，并且在与底座130相反的末端处具有开放末端120。在一个优选实施例中，内侧屏蔽90具有10到25cm的深度。内侧屏蔽在本实施例中被描绘成管状，但是可以是定义一个内部体积的任何细长形状。
内侧屏蔽90的纵轴基本上垂直于外侧屏蔽20的纵轴。本实施例的内侧屏蔽90的纵轴被示出为基本上垂直。底座130在靠近或处于外侧屏蔽20的轴心的位置处被固定到外侧屏蔽20的内侧表皮50的一部分。内侧屏蔽90离开底座130朝向与底座130被固定的部分相反的内侧表皮50的一部分延伸到小于外侧屏蔽20的内直径的距离。内侧屏蔽90的开放末端120面对外侧屏蔽20的内侧表皮50。通过这种方式，特别在开放末端120处，外侧屏蔽20保护内侧屏蔽90免于杂散磁场。
补偿线圈160被提供在外侧屏蔽20内。补偿线圈160与内侧屏蔽90同心并且被安排成围绕内侧屏蔽90同心地延伸，以便提供补偿电流从而减少开放末端120的区段中的杂散、剩余或环境磁场。在一个优选实施例中，补偿线圈160具有单匝285mA电流。
磁屏蔽设备10由坡莫合金或铁氧体材料形成。在一个优选实施例中，磁屏蔽10是高导磁率合金(Mumetal)。但是磁屏蔽10可以由任何具有高透磁率的适当材料形成，包括铁和镍合金。高透磁率被定义成高于软铁的透磁率(μr>100)。在此实施例中，μr是10000。
图2示出了磁屏蔽设备10的第二实施例。在第二实施例中，外侧屏蔽20的第一末端30被剖面屏蔽(section shield)70部分地关闭。剖面屏蔽70封闭邻近内侧屏蔽90的第一末端30的一部分。第一末端30的剩下的开放部分允许接进到内侧屏蔽90的开放末端120。剖面屏蔽70的尺寸被确定成当沿着外侧屏蔽20的纵轴观看磁屏蔽设备10时，邻近开放末端120的内侧屏蔽90的一部分是可见的。由剖面屏蔽70、80形成的半关闭末端提供对于外部场的附加屏蔽，同时允许在无需打开或关闭磁屏蔽设备10的封装的情况下插入样品。外侧屏蔽20连同补偿线圈160具有把插入在磁屏蔽设备10内的样品200与磁屏蔽设备10的直接环境中的振荡磁场隔离的重要功能。这就允许磁屏蔽设备10内的磁屏蔽传感器150以源自磁屏蔽设备10外部的场的最小失真或干扰来检测由样品200产生的场。通过提供具有基本上相等的长度和直径的外侧屏蔽20增强了剖面屏蔽70、80的屏蔽效果。
图3示出了图2的磁屏蔽设备10的剖面图，该剖面是沿着外侧屏蔽20的纵轴垂直地取得的。可以看到与剖面屏蔽70相反地安排的剖面屏蔽80部分地关闭外侧屏蔽20的第二末端40。剖面屏蔽70、80封闭外侧屏蔽20的一个区域，从而为内侧屏蔽90屏蔽进入外侧屏蔽20的第一末端30和第二末端40的杂散、剩余或环境磁场。
内侧屏蔽90的内部体积容纳用于检测磁场的传感器150。所述传感器可以是单个传感器或者是一个传感器阵列。内侧屏蔽90把容纳传感器150的内部体积屏蔽到几毫微特斯拉剩余场的水平。这对于操作原子磁力计是足够的。
在一个优选实施例中，磁屏蔽传感器150是被放置在屏蔽中以用于检测电磁信号的原子无自旋交换弛豫(SERF)磁力计的阵列。原子SERF磁力计适合于检测由任何动物或人类的心脏或大脑构成的样品200所产生的电磁信号。SERF磁力计与传统的原子磁力计相比实现了更高的灵敏度，这是通过消除由被利用来检测磁场的蒸气中的自旋交换碰撞所导致的原子自旋退相关的主要成因。
在另一个优选实施例中，磁屏蔽传感器150是光学磁力计。光学磁力计所“看到”的噪声特性不同于其他传感器，这是因为光学磁力计不具有和SQuID一样大的带宽，因此对于高频噪声较不敏感。因此所述屏蔽可以是开放的而不是完全关闭的。
磁场的强度以与磁场源的距离的三次方成反比的速率降低。在本实施例中，围绕内侧屏蔽90的补偿线圈160帮助操作传感器150，这是因为目标区域中的磁通量密度是线圈电流的线性函数。传感器150的空间集成帮助避免失真并且允许检测所有方向上的信号。在这样的实施例中，传感器150可以替换地被定位在内侧屏蔽90的表面上或者内侧屏蔽90的上方，从而把传感器带到更靠近从样品200发出的信号。内侧屏蔽90的底座130具有用于使内侧屏蔽90消磁的孔径140。根据所期望或容许的剩余场的程度来选择用于通过减少或消除杂散、剩余或环境磁场而去除不需要的磁性的消磁规程。通过去除不需要的场从而使得剩余场低于一毫微特斯拉是可能的。
使内侧屏蔽90消磁的能力意味着内侧屏蔽90和/或外侧屏蔽20可以被定型成提供并非圆柱形的封闭表面，比如立方形、六边形或八边形。提供从平坦的薄片制作并且因此具有平坦的表面和角落的屏蔽套件的优点在于，与使用成形技术所形成的屏蔽相比，所述屏蔽在形式方面具有改进的机械属性并且在屏蔽材料方面具有减小的应力。这一改进导致更容易消磁的几何结构，从而导致更小的梯度，这对于屏蔽中的传感器性能是有利的。此外，特别当屏蔽的规格更大时，对于内部的接进和非圆柱形屏蔽的拆卸在实践中也更加容易。
内侧屏蔽90用来对源自磁屏蔽设备10外部的进入杂散通量进行整形，从而使得杂散通量不会到达传感器的位置。
图4示出了实践中的磁屏蔽设备10的第二实施例。所述磁屏蔽被安排成围绕基本上水平的床或传送带190，其纵向延伸经过整个外侧屏蔽20并且延伸超出第一30和第二40末端当中的每一个。支撑传送带的机械支撑件未被示出。传送带190被定位成位于剖面屏蔽70、80和内侧屏蔽90的开放末端120的上方。传送带190与剖面屏蔽70、80和外侧屏蔽20的内表面50的一部分组合产生围绕内侧屏蔽90的封装。内侧屏蔽90在传送带190的区段中面对传送带190的下面，以便留置待测量的样品200。
用于磁化样本200的预极化器线圈170在邻近第二末端40的外侧屏蔽20外部的传送带190的一部分中被紧密地定位在传送带下方。当磁屏蔽设备10被用于低场核磁共振测量时，样品200在屏蔽外部被磁化并且随后由传送带190传送到磁屏蔽设备10中，并且传送到用于留置待测量的样品200的传送带190的区段。
在取得低场NMR测量时，在磁屏蔽10内部需要用于施加横断保持场的NMR脉冲的附加的圆形线圈180。在适合于低场NMR测量的磁屏蔽设备10的实施例中，保持场由补偿线圈160生成，其中附加的圆形线圈180与外侧屏蔽同轴对准。在一个优选实施例中，附加的圆形线圈180被安放在第一末端30与第二末端40之间的外侧屏蔽20的内侧表皮50与外侧表皮60之间。确切的位置是相对灵活的；可以根据确切位置来调节电流水平。在所示出的实例中，选择线圈的位置以避免其干扰将样品放置在屏蔽内的能力。或者，保持场可以由内侧屏蔽90内部的金属套圈(未示出)生成，其指向类似于补偿线圈160的指向。保持场和预极化场被安排成彼此基本上垂直以便最大化NMR信号强度。
图5示出了源自样品200的示例性剩余场分布。每一个样品200具有取决于结构和/或细胞构成的独立场。通过邻近内侧屏蔽90将样品200放置在传送带190上，随着样品的偶极或磁信号经由开放末端120进入内侧屏蔽90，允许来自样品200的场到达传感器150。虽然样品200的磁信号受到内侧屏蔽90的干扰，但是该信号具有与未受干扰的信号类似的分布，因此传感器150读数不受内侧屏蔽90的存在的影响。
磁屏蔽设备是基于这样的安排，其中仅有传感器必须被良好地屏蔽杂散、剩余或环境磁场。于是固有地独立于周围场的从样品发出的场是仅有的到达(多个)传感器的场就足够了。因此，在其中传送带190把样品200从磁屏蔽设备10的外部递送到内侧屏蔽90的开放末端120附近并且从而递送到传感器150及其之后的实施例中，外侧屏蔽可以是允许连续扫描的通过隧道。但是在其中选择静止床190的实施例中，批处理扫描得到促进。
当然将会理解的是，在不背离本发明的范围的情况下，可以对前面描述的实施例作出许多变化。
磁屏蔽设备10在图1到5中被示出为具有外侧屏蔽20和内侧屏蔽90，其中外侧屏蔽20具有基本上水平的轴并且内侧屏蔽90具有基本上垂直的轴。但是如果样品200的性质和可用于磁屏蔽设备10的空间决定的话，外侧屏蔽20可以具有基本上垂直的轴并且内侧屏蔽90可以具有基本上垂直的轴。磁屏蔽设备10可以被安排在任何适当的角度或指向以用于进行筛检。

Claims (22)

1.一种磁屏蔽装置，包括：
由固定到外侧屏蔽的内侧屏蔽形成的屏蔽装置，所述内侧屏蔽包含在所述外侧屏蔽内，包含在内侧屏蔽内的磁场传感器元件，以及纵向延伸经过外侧屏蔽的传送带；
其中，
外侧屏蔽和内侧屏蔽分别包括透磁材料的表面，其封闭所述外侧屏蔽的空间并且至少具有开放的第一末端用于在无需打开和/或关闭所述外侧屏蔽的情况下接触该空间，并且内侧屏蔽的开放末端面对外侧屏蔽的表面，
其中，外侧屏蔽的开放末端被部分地关闭以便至少部分地遮蔽内侧屏蔽，并且
其中，所述内侧屏蔽的开放末端布置成面向所述传送带的表面，使得所述内侧屏蔽被所述外侧屏蔽的内表面的一部分、所述外侧屏蔽的开放末端被部分地关闭的部分以及所述传送带的表面包围。
2.根据权利要求1所述的磁屏蔽装置，其中，外侧屏蔽和内侧屏蔽分别包括一个细长构件，内侧屏蔽的轴被安排成横断外侧屏蔽的轴。
3.根据权利要求2所述的磁屏蔽装置，其中，外侧屏蔽的轴是基本上水平的。
4.根据权利要求1所述的磁屏蔽装置，其中，内侧屏蔽的表面包括孔径。
5.根据权利要求1所述的磁屏蔽装置，其中，所述传送带包括用于将发出磁场的样品留置在邻近内侧屏蔽的开放末端的留置装置。
6.根据权利要求1至 5中任一项 所述的磁屏蔽装置，其中，所述磁屏蔽还包括补偿线圈。
7.根据权利要求6所述的磁屏蔽装置，其中，补偿线圈被包含在内侧屏蔽内。
8.根据权利要求6所述的磁屏蔽装置，其中，补偿线圈处于内侧屏蔽与用于将发出磁场的样品留置在邻近内侧屏蔽的开放末端的所述传送带的区段之间。
9.根据权利要求7至 8中任一项 所述的磁屏蔽装置，其中，补偿线圈包括金属套圈。
10.根据权利要求1至 5中任一项 所述的磁屏蔽装置，其中，所述磁屏蔽还包括外侧屏蔽外部的预极化器线圈。
11.根据权利要求10所述的磁屏蔽装置，还包括用于在外侧屏蔽的内部施加NMR脉冲的线圈。
12.根据权利要求7至 8中任一项 所述的磁屏蔽装置，其中，所述传感器元件需要保持场。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的磁屏蔽装置，其中，所述传感器元件是一个传感器阵列。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的磁屏蔽装置，其中，外侧屏蔽和内侧屏蔽由坡莫合金或铁氧体材料构成。
15.根据权利要求6所述的磁屏蔽装置，其中，补偿线圈包括金属套圈。
16.根据权利要求6所述的磁屏蔽装置，其中，所述磁屏蔽还包括外侧屏蔽外部的预极化器线圈。
17.根据权利要求6所述的磁屏蔽装置，其中，所述传感器元件需要保持场。
18.根据权利要求9所述的磁屏蔽装置，其中，所述传感器元件需要保持场。
19.根据权利要求10所述的磁屏蔽装置，其中，所述传感器元件需要保持场。
20.根据权利要求11所述的磁屏蔽装置，其中，所述传感器元件需要保持场。
21.根据权利要求6所述的磁屏蔽装置，其中，所述传感器元件是一个传感器阵列。
22.根据权利要求6所述的磁屏蔽装置，其中，外侧屏蔽和内侧屏蔽由坡莫合金或铁氧体材料构成。
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