CN114167321B - 一种超导量子磁力梯度仪及磁场梯度值测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导量子磁力梯度仪及磁场梯度值测量方法，磁力梯度仪包括磁梯度线圈、超导量子干涉器件(SQUID)、超导屏蔽筒和位置调节机构；磁梯度线圈用于与被测磁场耦合，并将磁场信号转换为磁通信号耦合到SQUID中；SQUID用于精确测量耦合的磁通信号；超导屏蔽筒具有双重作用，既根据超导体的完全抗磁性保护SQUID不受干扰，又能改变磁梯度线圈的周围磁场；位置调节机构用于在低温环境下调整磁梯度线圈与超导屏蔽筒的相对位置，从而等效调节磁场梯度线圈中单个线圈的有效面积，提高磁梯度线圈的平衡度。通过理论计算，本发明可以有效地降低引入到SQUID环路中的共模噪声，提高磁力梯度仪共模抑制比。

Description

一种超导量子磁力梯度仪及磁场梯度值测量方法

技术领域

本发明属于磁场梯度测量技术领域，更具体地，涉及一种具有实时共模平衡调节能力的超导量子磁力梯度仪及磁场梯度值测量方法，主要应用在非屏蔽环境下测量弱磁场梯度。

背景技术

基于超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device,以下简称SQUID)的磁探测器是目前噪声水平最低、灵敏度最高的磁探测器，在医学、地球物理学、军事装备等领域应用广泛。它根据磁通量子化和超导体的约瑟夫森效应工作，按照冷却介质为液氦(4.2K)或液氮(77K)分为低温SQUID和高温SQUID，按照读出电路的形式与约瑟夫森节的数量，分为直流SQUID和射频SQUID。SQUID的灵敏度非常高，先进的低温直流SQUID的分辨率一般可达10^-3Φ₀(Φ₀＝h/2e≈2.0678×10-15Wb)。其读出电路采用磁通锁定放大电路，导致在噪声较高的环境下容易失锁，造成数据失真，这是限制目前超导磁力梯度仪分辨率无法进一步提高的主要原因。

典型磁力梯度仪原理如图1所示，中心距离为l的上、下两个磁场感应线圈S1、S2差分连接构成差分磁梯度线圈，其电感为L1、L2。对于超导环路，线圈中的电流满足磁通守恒定律。其公共导线上的电流ΔI与磁场梯度关系为：

在理想情况下，上、下两个线圈的有效面积S与电感L都相同，由于两个线圈中电流的方向相反，连接后相互抵消，所以线圈在均匀磁场条件下(B₁＝B₂时)没有响应，在非屏蔽环境下工作性能优异。在测量有梯度的磁场(B₁≠B₂)时候，感应电流与所测磁场梯度

成正比，通过右端的线圈L_in与SQUID环路耦合，通过处理SQUID的输出信号可计算出磁场梯度值。但实际条件下，加工和装配误差不可避免，两个线圈的有效面积存在偏差，使得这种磁梯度仪对均匀磁场也会产生响应。这里用一个无量纲量磁梯度仪线圈不平衡度b来描述，它是线圈有效面积的差值与线圈总面积的比值，即b＝(S₁-S₂)/S₁,先进的加工装配工艺使得磁梯度仪线圈不平衡度在10^-3～10^-4左右。

典型差分式超导磁力梯度仪输出主要包括：(1)差模磁场梯度信号；(2)由于梯度线圈的不平衡度引入的共模磁场信号；(3)SQUID自身环路与背景磁场耦合引入的共模磁场信号；(4)梯度线圈到SQUID之间引线与背景磁场耦合的共模磁场信号。在弱磁场探测领域，因受地磁场(约为50～60μT)影响产生的共模信号远大于差模磁梯度信号，必须将其分离。共模平衡调节的过程就是调节梯度仪上下两个线圈的一致性，减弱其对均匀磁场的响应程度，提高共模抑制比。

实际应用中为了获得准确的差模信号，一般采用磁强计测量线圈处的磁感应强度，根据背景磁场强度与线圈的不平衡度扣除共模误差。磁梯度仪的实际输出信号可表示为G_out＝g_real+mB_x+nB_y+lB_z，这里g_real表示磁场梯度真值，B_x、B_y、B_z表示背景磁场的三个正交分量大小，m、n、l表示磁场与磁梯度仪的耦合系数，通过对输出数据进行统计学分析处理，可以达到2～3个数量级的共模抑制比。但这种方法并没有从源头降低因磁梯度线圈不平衡引入到SQUID环路中的共模噪声，不能实时调整磁梯度仪的共模平衡，无法提高超导磁力梯度仪的稳定性，野外无屏蔽环境下测量效果不佳。高温超导磁力梯度仪的主流做法是将平面磁梯度线圈做得很小，并与SQUID环路集成在一起，从而减小共模噪声的引入，但磁力梯度仪的分辨率也同样降低了。另一种常用方法是采用一个超导屏蔽筒包裹SQUID环路与输入线圈，避免其引入共模干扰信号。但额外引入的超导体改变了线圈周围磁场分布，带来额外误差。若将其远离线圈，梯度线圈与SQUID之间的引线加长，也会引入更多的共模磁通信号。

综上所述，抑制通过各种途径输入到SQUID中的共模磁场噪声，提升磁梯度仪的共模平衡，提高磁梯度仪的共模抑制比，是弱磁场梯度测量领域的重点问题之一。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于进一步提高超导磁力梯度仪的共模抑制比，旨在解决线圈不平衡度受限于加工精度难以提高，造成超导磁力梯度仪非屏蔽环境工作不够稳定，分辨率难以进一步提高的问题。

本发明提供了一种具有实时共模平衡调节能力的超导量子磁力梯度仪，包括磁梯度线圈、SQUID、超导屏蔽筒和位置调节机构；磁梯度线圈用于与被测磁场耦合，并将磁场信号转换为磁通信号耦合到SQUID中；SQUID用于精确测量耦合的磁通信号；超导屏蔽筒用于具有双重作用，既根据超导体的完全抗磁性保护SQUID不受干扰，并又能改变磁梯度线圈的周围磁场；位置调节机构用于调整磁梯度线圈与超导屏蔽筒的相对位置，线圈在超导体影响后的磁场中移动，可等效改变所述磁梯度线圈与轴向磁场耦合的有效面积，从而通过这种调节方法提高磁梯度线圈的平衡度。

更进一步地，磁梯度线圈包括：第一磁场感应线圈和第二磁场感应线圈，第一磁场感应线圈和第二磁场感应线圈均设置在超导屏蔽筒的外围，且与超导屏蔽筒同轴放置，第一磁场感应线圈与第二磁场感应线圈之间相隔一定距离。

其中，磁梯度线圈采用铌质材料，可以是铌质材料的导线绕制而成，也可以是超导平面材料切割而成，还可以是高温超导材料刻蚀而成等等。

更进一步地，超导屏蔽筒可以为空心的圆柱体、棱柱或椭球形状的结构。

其中，超导屏蔽筒的材料为铌质材料，还可以为Pb(铅)临界温度7.2K，临界磁场0.08T；也可以是其他超导合金、高温超导材料。

更进一步地，位置调节机构设置在超导屏蔽筒的下方，用于调节超导屏蔽筒与所述磁梯度线圈沿超导屏蔽筒轴向上的相对位置。

本发明还提供了一种基于上述的超导量子磁力梯度仪测量磁场梯度值的方法，包括下述步骤：

(1)通过位移台将磁力梯度仪线圈的不平衡度调节至最低；

(2)将调节后的磁力梯度仪放置在目标位置，并测量需要的磁梯度数据；

(3)根据过程(1)获得磁梯度线圈的剩余不平衡度，并根据所述剩余不平衡度对测量的磁梯度数据进行修正，获得磁场梯度值。

本发明实施例中，可以通过纳米微位移台调整磁感应线圈的位置，使得梯度线圈平衡度达到最高。

更进一步地，步骤(1)具体包括：

(11)在磁屏蔽室内产生一个方向沿屏蔽筒轴向的均匀时变磁场；

(12)将磁力梯度仪放置在均匀磁场中，并记录所述SQUID的输出信号；

(13)根据所述输出信号确定待调整的位置，并沿屏蔽筒轴向调整所述磁梯度线圈与所述超导屏蔽筒的相对位置，使得磁梯度线圈平衡度达到最高。

其中，待调整的位置为：通过在XY平面移动超导屏蔽筒，使得超导屏蔽筒与磁梯度线圈的同轴度达到最高是的位置。

其中，剩余不平衡度为：实际情况中，经过过程(1)的调节后，磁力梯度仪仍剩余的、无法消除的不平衡度。可以根据SQUID输出值、背景磁场参数和磁梯度仪参数估算出来。

本发明通过位移台实时调整磁力梯度仪的不平衡度，可使磁力梯度仪得不平衡度达到10^-6～10^-7量级。

本发明从两个方面提高磁力梯度仪共模抑制比，其中，第一个方面是加强对SQUID的屏蔽保护，避免环路与背景磁场直接耦合。采用超导材料圆筒包裹SQUID，利用超导体的完全抗磁性，可以完全阻隔铌筒外部磁场对内部SQUID环路的影响；另一方面是降低因磁梯度线圈不平衡而引入到SQUID的共模信号，本发明还通过调整铌筒与磁梯度线圈在Z轴上的相对位置，可以使得磁梯度仪中单个线圈相对于轴向磁场的有效面积增大或减小，从而调整磁梯度仪上下线圈有限面积的差值，即通过调整磁梯度线圈的不平衡度调整了磁力梯度仪的共模平衡，从而减小磁力梯度仪输出值对均匀磁场的响应。

附图说明

图1为现有技术提供的典型磁力梯度仪的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的具有实时共模平衡调节能力的超导量子磁力梯度仪的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的线圈结构图，其中(a)为共轴式二阶磁梯度线圈，(b)为平面一阶磁梯度线圈，(c)为平面一阶磁梯度线圈；

图4为本发明实施例提供的磁感应强度分布图；

图5为本发明实施例提供的均匀磁场下线圈位置与磁通量关系；

图6为本发明实施例提供的均匀磁场下磁场畸变分析结果；

图7为本发明实施例提供的均匀磁梯度场下磁场畸变分析结果；

图8中(a)为本发明实施例提供的均匀磁场下屏蔽筒形状结构示意图，(b)为本发明实施例提供的均匀磁场下屏蔽筒形状与磁场畸变程度的关系示意图。

其中，2为第一磁场感应线圈，3为超导屏蔽筒，4为第二磁场感应线圈，5为位置调节机构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种高共模抑制比的磁力梯度仪，具有高共模抑制比和高分辨率，在野外无屏蔽环境下工作能力更强。为了能够既对SQUID进行屏蔽保护又能最小化引线产生的噪声，本发明借助超导体对磁场的影响，如图2所示，将圆柱形铌质超导屏蔽筒放置在磁梯度线圈中心位置，通过纳米微位移台调节梯度线圈与超导屏蔽筒的相对位置。线圈在超导体影响后的磁场中移动，可等效改变所述磁梯度线圈与轴向磁场耦合的有效面积，从而通过这种调节方法提高磁梯度线圈的平衡度。仿真结果表明，本发明可以将超导体对磁梯度线圈的不利影响转化为有利影响，得到高平衡度的超导磁力梯度仪。

本发明实施例提供的一种具有实时共模平衡调节能力的超导量子磁力梯度仪的结构如图2所示，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

具有实时共模平衡调节能力的超导量子磁力梯度仪包括SQUID、磁梯度线圈、超导屏蔽筒3和位置调节机构5；其中，SQUID用于测量磁信号，SQUID放置在超导屏蔽筒内部；磁梯度线圈用于与被测磁场耦合；超导屏蔽筒3既用于根据超导体的完全抗磁性保护SQUID不受干扰，又用于改变磁梯度线圈的周围磁场；位置调节机构5用于调整磁梯度线圈与超导屏蔽筒3的相对位置，线圈在超导体影响后的磁场中移动，可等效改变所述磁梯度线圈与轴向磁场耦合的有效面积，从而通过这种调节方法提高磁梯度线圈的平衡度。

本发明实施例提供的磁力梯度仪工作时，第一步要调整磁梯度仪的初始位置，即通过纳米位移台在XY平面移动超导屏蔽筒，使超导屏蔽筒与梯度线圈的同轴度达到最高。第二步是调整磁梯度仪的不平衡度。

本发明实施例提供的磁力梯度仪中，可以选用噪声更低、分辨率更高的低温直流SQUID，工作在液氦(4.2K)环境下。所有超导材料可以都选用超导临界温度在8.2K左右的铌，而且铌材是超导临界磁场最大的材料，抗干扰能力更强。其中，低温通常指液氮(77K)温度以下，低温直流SQUID是指工作在液氦环境下的直流SQUID，本发明中之所以选择低温直流SQUID的原因是：与高温SQUID相比，低温SQUID噪声更低，分辨率更高，直流SQUID自身电感更小，不容易受到外界磁信号干扰。

具体地，SQUID包括带有约瑟夫森节的超导环路、锁相放大电路和读出电路等。SQUID是根据约瑟夫森效应工作的高分辨率磁通探测装置。包括低温直流SQUID、低温交流SQUID、高温直流SQUID和高温交流SQUID等。其中，高分辨率的超导量子干涉器件在工作时受到超导屏蔽筒保护。

在本发明实施例中，磁梯度线圈包括：差分连接的第一磁场感应线圈2和第二磁场感应线圈4，可用于直接测量磁场差值；其中，第一磁场感应线圈2和第二磁场感应线圈4均设置在超导屏蔽筒3的外围，且与超导屏蔽筒3同轴放置，第一磁场感应线圈2与第二磁场感应线圈4之间相隔一定距离。

在本发明实施例中，采用一阶磁梯度仪可以测量一阶磁场梯度，采用二阶磁梯度仪可以测量二阶磁场梯度；如图3所示，其中(a)为共轴式二阶磁梯度线圈，用于直接测量二阶梯度

(b)为平面一阶磁梯度线圈，用于直接测量一阶梯度值

(c)为平面二阶磁梯度线圈用于直接测量一阶磁梯度值

当采用一阶磁力梯度仪时，第一磁场感应线圈2和第二磁场感应线圈4与屏蔽筒同轴设置，且第一磁场感应线圈2和第二磁场感应线圈4之间相隔100mm放置，差分连接，第一磁场感应线圈2和第二磁场感应线圈4均可以采用铌质导线绕成。

在本发明实施例中，磁梯度线圈需要校准，即通过纳米微位移台调整磁感应线圈的位置，使得梯度线圈平衡度达到最高。具体地，在磁屏蔽室内，通过亥姆霍兹线圈产生一个时变均匀磁场，方向沿屏蔽筒轴向。然后将磁力梯度仪放置在均匀磁场中，观察SQUID的信号输出。首先在XY平面移动，使得上下两个磁场感应线圈同轴度达到最高。然后再进行Z轴方向上的调整，使得磁梯度线圈平衡度达到最高；第二步就是将磁力梯度仪放置在目标位置，测量需要的磁梯度数据。根据第一步中对均匀磁场的最小响应值，可以推算出磁梯度线圈的不平衡度，然后可以根据这个不平衡度对测量数据进一步修正，得到更精确的磁场梯度值。

在本发明实施例中，超导屏蔽筒3可以保护SQUID不受外界磁场干扰。同时利用超导体影响线圈周围磁场，通过实时调节超导屏蔽筒位置来实时调整磁梯度仪共模平衡。具体地，超导屏蔽筒3可以为空心的圆柱体、棱柱、椭球等形状的结构，用于将SQUID及其附属电路整合在一起，放入其中，保护内部电路不受环境磁场干扰。之所以选择空心结构，其目的是为了能够将SQUID放入其中；另外，之所以采用圆柱体形状，其目的是为了超导屏蔽筒能够均匀且对称。

作为本发明的一个实施例，超导屏蔽筒的材料可以为铌质材料，之所以选用铌材，是因为它的超导临界磁场最大，可使得磁磁梯度仪能在更大的背景磁场环境下工作。高纯度铌材是为了减少材料杂质造成的晶体缺陷，缺陷会形成涡流捕获磁通形成不规则的超导剩磁。另外，超导屏蔽筒的材料还可以采用Pb(铅)，且Pb的临界温度7.2K，Pb的临界磁场0.08T；或者其他超导合金、高温超导体等材料。

在本发明实施例中，位置调节机构设置在超导屏蔽筒的下方，用于调节超导屏蔽筒与磁梯度线圈沿超导屏蔽筒轴向上的相对位置。作为本发明的一个实施例，位置调节机构设置可以采用纳米微位移台实现，纳米微位移台是由无磁材料制成，用于实时调整超导屏蔽筒的位置，工作时，整个磁梯度仪浸泡在液氦中。具体地，纳米微位移台可以采用型号为JPE-CS02的纳米微位移台。

具体地，可以采用三轴纳米微位移台，可分别在XYZ方向上平动，其中Z轴与所测磁场分量方向平行，即与线圈平面垂直的方向。X方向和Y方向为线圈平面上两个正交的方向。步长范围为5纳米到5000纳米。位移台直接移动超导屏蔽筒的位置，这样可将磁梯度仪线圈固定，防止线圈位置松动，并减小系统调节自由度。屏蔽筒XY平面的移动是为了补偿装配时屏蔽筒距线圈中心的误差。

本发明还提供了一种基于上述的超导量子磁力梯度仪测量磁场梯度值的方法，包括下述步骤：

(1)通过位移台将磁力梯度仪中的磁梯度线圈的不平衡度调节至最低；

(2)将调节后的磁力梯度仪放置在目标位置，并测量需要的磁梯度数据；

(3)根据步骤(1)获得磁梯度线圈的剩余不平衡度，并根据所述不平衡度对测量的磁梯度数据进行修正，获得磁场梯度值。

其中，步骤(1)具体包括：

(11)在磁屏蔽室内产生一个方向沿屏蔽筒轴向的均匀时变磁场；

(12)将磁力梯度仪放置在所述均匀磁场中，并记录SQUID的输出信号；

(13)根据输出信号确定待调整的位置，并沿屏蔽筒轴向调整磁梯度线圈与超导屏蔽筒的相对位置，使得磁梯度线圈平衡度达到最高。

在本发明实施例中，待调整的位置为：在XY平面移动所述超导屏蔽筒，使得超导屏蔽筒与所述磁梯度线圈的同轴度达到最高时的位置。剩余不平衡度为：实际情况中，经过步骤(1)的调节后，磁力梯度线圈仍剩余的、无法消除的不平衡度。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的超导量子磁力梯度仪及其测量磁场梯度值的方法，现从原理层面详述如下：

本发明根据超导体的迈斯纳效应，超导体内部不允许磁场穿过。本发明采用超导空心圆柱体包裹SQUID环路，使其完全不受外界磁场的干扰，阻止SQUID环路与外界磁场直接耦合，借此提高共模抑制比。但超导体的存在会影响其周围原本的电磁场分布。所以本发明核心原理是既利用超导体对SQUID进行超导屏蔽，又避免超导体影响空间磁场分布进而造成数据失真。

在地磁场(50μT～60μT)环境中，虽然铌为第二类超导体，但其下临界磁场(0.195T)远高于地磁场，铌处于理想的迈斯纳态。所以此情况下铌质超导体与磁场的相互作用可用伦敦方程非常精确地描述，通过仿真模拟软件验证本发明的原理是可行的。在有限元分析软件comsol中使用二维轴对称模型对本发明中的磁力梯度仪进行简化，简化的原理验证模型暂不考虑加工装配误差的影响。本超导磁力梯度仪典型应用环境的背景均匀磁场在10^-5到10^-4量级，目标磁场梯度在10^-9到10^-12量级，频率在0.1Hz到1000Hz以内。仿真模拟时的背景磁场参数以上述内容为主。仿真模型如图4所示，其中6和7分别代表磁力梯度仪的上、下磁场感应线圈且对应图2中的2和4；8代表铌质超导屏蔽筒且对应图2中的3。

均匀磁场下超导磁力梯度仪周围磁场如图4所示，右侧为超导体存在时候的磁感应强度分布图，中间为把超导体替换为空气时候的磁感应强度分布图。背景磁场是由线圈组产生的均匀磁场，分析图像中的磁感线可以明显看出，磁感线因为超导体的存在被向外挤压，磁场畸变主要发生在圆柱体的两端，在顶端边线附近最明显。实际情况下，均匀轴向磁场情况下，磁力梯度仪上下两个线圈在z轴方向上的有效投影面积不相同，此时磁力梯度仪的输出值就是共模噪声，表示为：ΔΦ＝B S₁-B S₂。这时沿z轴方向移动超导屏蔽筒，使一个线圈远离超导体，一个线圈靠近超导体，使得磁力梯度仪的上下两个线圈位置的磁感线密集程度变化，将超导屏蔽筒移动到合适的位置能够使通过两个线圈的磁通相等。或者只移动磁梯度仪下磁场感应线圈的位置，通过改变通过下磁场感应线圈的磁通量大小，来使得磁力梯度仪输出值为0。此时磁梯度仪输出值可表示为：ΔΦ＝B S₁-αB S₂＝0

这里αB表示加入超导体后线圈位置的磁场，定义α为磁场畸变系数，此时S₁＝αS₂，这说明磁场的畸变可以等效为线圈有效面积的改变。同样的线圈，处在超导体周围的位置不同，有效面积也就不同，下一步需要验证磁场畸变系数α是否只与线圈位置和大小有关，与背景磁场强度大小无关。如果成立，则本发明的技术方案就是可行的。

均匀背景磁场下的结果如图5所示，横坐标为磁力梯度仪下磁场感应线圈的Z轴坐标，纵坐标为通过该线圈的磁通量大小。均匀背景磁场由亥姆霍兹线圈产生，线圈电流大小与背景磁场强度成正比，图中电流变化从0.1A到9.7A，对应背景磁场变化为2×10^-6T到为2×10^-4T。明显看出，随着线圈Z轴位置的变化，因为超导体的存在，本应保持不变的磁通量发生了变化，线圈离超导体越远磁通量越大，这表明磁场畸变系数是存在的，而且在小范围内，磁场畸变系数与线圈位移之间的关系是线性的。如图6所示，在仿真模型中，上下线圈有效面积是相等的，所以可用通过磁梯度仪上下两个线圈的磁通量的比值代表磁场畸变系数。图中横坐标为亥姆霍兹线圈电流，纵坐标为磁场畸变系数。可以明显看出，在较大范围内，磁场畸变系数不随背景磁场强度变化。至此可以证明，本发明通过改变超导体与线圈相对位置来调节梯度线圈不平衡度的方法是可行的。通过进一步的数据处理，得到磁场畸变系数与线圈Z轴坐标的关系为α＝-0.03601×z-0.80158，则采用本发明中的纳米位移台移动5纳米，磁场畸变系数变化1.8×10^-7。此值即为本发明中的磁力梯度仪能达到的极限不平衡度。

如图7所示，背景磁场变均匀磁梯度场。背景均匀磁梯度场由梯度线圈组产生，横坐标为线圈组中的电流，磁场梯度的大小与电流大小成正比，纵坐标为磁力梯度仪线圈输出的差分磁通。横坐标代表的磁场梯度变化范围为10^-13T/m到10^-8T/m，线圈所在位置的磁场变化范围为10^-14到10^-9T。从图像上可以明显看出，在均匀磁梯度场情况下，磁场畸变系数也是与磁场强度无关的量。则根据磁场叠加原理，现实中的复杂磁场是均匀磁场和均匀磁梯度场的线性叠加，此时本发明的原理依然适用。

进一步分析超导屏蔽筒形状对本发明的影响，由于超导屏蔽筒需要尽可能得均匀对称，且基线组构长。如图8(a)所示为模型侧视图，分析模型在圆柱体两端各与半个椭球结合。分析椭球半长轴与磁场畸变系数范围的关系。如图8(b)所示，由分析结果可知，半长轴越长表示连接处过度越平滑，此时在4mm的线圈移动范围内，磁场畸变系数变化范围越小。即半长轴越短，位移台所能调节的不平衡度范围越大。故优选实例中选中标准圆柱体，这样可以确保由于加工误差过大造成过大的不平衡度时候，仍可以通过位移台调整到最佳工作位置。

梯度仪的共模平衡与其两个线圈的一致性相关，包括线圈与目标磁场分量的有效耦合面积和线圈自身电感。对于本发明中的磁梯度仪，共模平衡主要与线圈有效面积相关。根据上述内容，通过改变超导屏蔽筒与线圈的相对位置，可以等效改变线圈的有效面积。所以说，通过位移台调整磁力梯度仪的共模平衡是可行的。

综上，添加超导屏蔽筒后，超导体使得磁场发生畸变，但磁场畸变程度与磁场绝对值的大小无关，所以可将磁场畸变等效为线圈有效面积的变化。进而可以通过低温位移台调节磁梯度仪的不平衡度。在背景为均匀磁场或均匀磁梯度场条件下，磁梯度线圈对背景磁场的响应都是线性的，而且线性关系不受频率影响，则根据磁场叠加原理，实际情况下的复杂磁场不影响磁梯度仪测量，本发明的方法是有效的。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

目前超导磁力梯度仪的相关技术主要是通过设计更有效的SQUID读取电路和更有效的误差补偿模型，虽然取得了不错的成果。但主要通过更高精度的加工和装配降低磁梯度线圈的不平衡度，没有从源头处降低共模噪声的引入，不能降低SQUID失锁概率，超导磁力梯度仪的分辨率与抗干扰能力有待进一步提高。

本发明与现有技术的侧重点不同，本发明主要通过纳米位移台实时调整超导屏蔽筒位置从而调整磁梯度仪线圈不平衡度的方式实时调节磁梯度仪的共模平衡，从而提高磁力梯度仪的共模抑制比。理论计算表明，本发明中的超导磁力梯度仪的不平衡度低于10^-7，远低于现有技术条件下制造的磁场梯度线圈。并且本发明采用的技术方法与目前主流技术可以形成互补，借助高水平的数据处理与误差补偿技术，可以进一步提高超导量子磁力梯度仪的共模抑制比，得到更精确的磁场梯度数据，探测距离更长。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有实时共模平衡调节能力的超导量子磁力梯度仪，包括SQUID，其特征在于，所述超导量子磁力梯度仪还包括：磁梯度线圈、超导屏蔽筒和位置调节机构；

所述SQUID用于测量磁信号；

所述磁梯度线圈用于与被测磁场耦合；

所述超导屏蔽筒设置在所述SQUID的外围，用于根据超导体的完全抗磁性保护所述SQUID不受干扰，并改变所述磁梯度线圈的周围磁场；

所述位置调节机构用于在低温环境下实时调整所述磁梯度线圈与所述超导屏蔽筒的相对位置，改变所述磁梯度线圈的有效面积，从而提高磁梯度线圈的平衡度；

所述磁梯度线圈包括：第一磁场感应线圈和第二磁场感应线圈，所述第一磁场感应线圈和所述第二磁场感应线圈均设置在所述超导屏蔽筒的外围，且与所述超导屏蔽筒同轴放置，所述第一磁场感应线圈与所述第二磁场感应线圈之间相隔一定距离。

2.如权利要求1所述的超导量子磁力梯度仪，其特征在于，所述磁梯度线圈采用铌质材料。

3.如权利要求1所述的超导量子磁力梯度仪，其特征在于，所述超导屏蔽筒为空心圆柱体结构。

4.如权利要求1-3任一项所述的超导量子磁力梯度仪，其特征在于，所述超导屏蔽筒的材料为铌质材料。

5.如权利要求1-3任一项所述的超导量子磁力梯度仪，其特征在于，所述位置调节机构设置在所述超导屏蔽筒的下方，用于调节所述超导屏蔽筒与所述磁梯度线圈沿所述超导屏蔽筒轴向上的相对位置。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的超导量子磁力梯度仪测量磁场梯度值的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)通过位置调节机构将磁力梯度仪线圈的不平衡度调节至最低；

(2)将调节后的磁力梯度仪放置在目标位置，测量磁场梯度数据；

(3)根据步骤(1)得出磁梯度线圈的剩余不平衡度，并根据所述不平衡度对测量的磁梯度数据进行修正，获得磁场梯度值。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)具体包括：

(11)在磁屏蔽室内产生一个方向沿屏蔽筒轴向的均匀时变磁场；

(12)将磁力梯度仪放置在所述均匀时变磁场中，并记录所述SQUID的输出信号；

(13)根据所述输出信号确定待调整的位置，并沿屏蔽筒轴向调整所述磁梯度线圈与所述超导屏蔽筒的相对位置，使得磁梯度线圈平衡度达到最高。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(1)之前还包括：通过在XY平面移动所述超导屏蔽筒，使得所述超导屏蔽筒与所述磁梯度线圈的同轴度达到最高，即步骤(13)中的待调整位置。

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