CN1245562A - 多共振超导探测器 - Google Patents

Abstract

一种多共振超导探测器,应用于磁共振成象、显微镜检查和分光镜检查,可以探测在不同频率下共振的多个原子核。探测器的结构包括两个或多个接近的超导线圈(101,103),每个线圈被调谐到不同的频率,并针对线圈间互感所产生的频移而进行调节。线圈可以同心地放在一平面(120)内,或者可以垂直叠放。

Description

多共振超导探测器

发明领域

本发明涉及一种用于探测多核的多共振超导探测器。例如，该探测器可以用来产生高质量的磁共振图象。

发明背景

以前，在诸如磁共振成象等许多场合，用磁环形探测器探测一选定频率范围内的信号。现今一般使用的传统接收环是由铜线制成的。

磁共振成象(MRI)用于医学领域，它通过测量人体受磁场作用时体内被选定原子核的响应，来产生人体各个部位的图象，供检查和诊断之用。MRI探测器的构造使其共振频率与所选原子核的共振频率相等。MRI的一个例子是乳房摄影术，它用于检测妇女乳房中的肿块。将线圈式的探测器放在被检查的乳房周围，拍MRI“照片”。该MRI照片基于线圈对组织中一种特定原子核的探测，线圈的共振频率与被成象的特定原子核相同。另一例MRI的应用是人的头部，可用于检测肿瘤或癌。有两种常用的MRI探测器：体线圈和面线圈。体线圈非常大，足以围住一部分人体或动物的身体，例如头部线圈。面线圈为平面形状，或者是身体器官的局部表面形状。面线圈贴近成象区域放置，因此它具有一个小的视野(“FOV”)，可以显示所关心局部区域的高分辨率图象。传统上，用于MRI的线圈不用超导材料制作。

近年来，已在MRI，显微镜检查(MRM)和分光镜检查(MRS)中使用超导探测器，用于提高该探测器的信噪比(SNR)，使之优于传统的铜线探测器。这些超导探测器通过降低接收线圈的噪声成份来提供充分的SNR增益。这是由于超导体在射频频率(1-500 MHz)和低温下的电阻值大约比金属电阻值小三个数量级。超导体较低的电阻导致了用超导体制成的线圈具有较高的品质因子(Q)，由于SNR正比于Q的平方根，所以可以提高探测器的SNR。作为比较，由高温超导体(“HTS”)制成的薄膜线圈在33.7 MHz和77K下具有大于10,000的Q值，而用金属Ag制成的类似薄膜线圈在相同频率和温度下，Q值为10。

由于在实践中，金属薄膜线圈的Q值很低，所以金属线(主要为铜)被用来制造传统的体线圈和面线圈。一般地说，用铜线制造的线圈具有100-500的Q值。超导体的低电阻可以使薄膜线圈的Q值大于导线线圈。

磁环形探测器已被开发用来产生以钠23(²³Na)的存在为基础的MRI图像，其中钠23是一种对医学成象很有用的原子核。用超导材料制成的探测器，其信噪比(“SNR”)至少大于铜线圈的10倍，铜线圈因其较高的固有电阻，会产生较大振幅的噪声。这种SNR增益对于活体的²³Na MRI是极为重要的，由于²³Na总的灵敏性较低，所以活体²³Na MRI的SNR较差。与²³Na MRI相关的另一个主要的实践性困难在于，要把探测器准确定位在将作成象的区域。

因此，若能同时对不同共振频率的两个或多个共振原子核进行探测将是有利的。希望能够用单个探测器检测多个共振，以便合适地定位和聚焦在希望扫描的区域。但是，如果将多个接收线圈放得非常靠近，那么必须考虑两个线圈之间产生的互感，以便对探测器进行合适的调谐。

发明内容

本发明是一种多共振超导体探测器，它可用于MRI、MRM和MRS等场合。多共振探测器具有多个由超导薄膜制成的线圈，超导薄膜位于一衬底上。每个线圈最好包括一个螺旋形电感器，内外环之间有叉指式凸起相互交叉。较佳实施例中的线圈绕一公共点同心，以便就多个接收线圈提高探测器的总视场。探测器的构造考虑了衬底上个别接收线圈的互感效应，并且通过改变与特定线圈上的叉指数，可就每个线圈结构对探测器进行进一步的精细调谐。多共振探测器可以通过从附加共振频率获得的附加数据来改善所需物体的成象。多共振探测器可以用以下方式来制作：将超导薄膜沉积在衬底上；制作合适的线圈结构，以便解决互感问题，并精细调谐个别线圈。

还可将每个接收线圈放在分立的层中来构造多共振探测器，其中可以把缓冲层放在任何两个相邻的线圈层之间。多层结构便于使用相同直径的线圈，以便增加所有接收线圈的相互视场。

附图概述

结合附图，阅读以下关于本发明较佳实施例的详细描述，将清楚本发明的其他目的、特点和长处。附图有：

图1是依照本发明构造的多共振超导探测器的平面图；

图2A是一曲线图，示出了频率较高的接收线圈之共振频率对两线圈间耦合系数的关系；

图2B是一曲线图，示出了频率较低的接收线圈之共振频率对两线圈间耦合系数的关系；

图3是一电路图，模拟了多共振探测器中的两个相邻线圈；

图4是一谱线图，示出了图1中双共振超导探测器的响应频谱；

图5是一流程图，示出了制作图1中多共振探测器的频步骤；

图6示出了多共振超导探测器的多层结构；

图7是一流程图，示出了制作图6中多层多共振探测器的步骤；

图8示出了用于多共振超导探测器的接收线圈的矩形结构；

图9示出了另一种在多共振超导探测器中使用的接收线圈的结构。

较佳实施例的描述

多共振超导探测器将提高磁共振图象的质量，或者促进能够利用阅读多共振频率所得数据的其他应用。将多个共振线圈放在单个探测器中，以便同时利用两个或多个不同的原子核来检查同一区域。可以用来自一个原子核的信息确定探测器的准确位置，而将来自另一个原子核的、具有较低分辨率的信息用于分析，分辨率较低的信息本身可能不能确定探测器的位置。

这里所描述的较佳实施例是用于MRI的双共振探测器。但是，本发明不限于两个接收线圈，它还可以包含三个或多个用下述相同原理的技术构造的接收线圈。另外，多共振探测器不限于这里描述的MRI应用，它还可以为任何目的探测某一频谱中的多个频率。

使用¹H和²³Na的多共振超导探测器产生MRI图象可以建立¹H的高分辨解剖图像和²³Na分布间的相关。另外，合并¹H和²³Na的MRI提供了补充信息，可以更好地描述被成象的组织。

这里作为第一较佳实施例描述的探测器设计由两个分立的同轴线圈组成，这两个线圈位于同一衬底上，将每个线圈的频率调谐到²³Na或¹H的共振频率。与该超导双共振探测器设计相关的挑战是计算线圈之间的耦合，以便计算互感。互感与共振电路中的阻抗有效耦合，使共振频率发生频移。通过确定耦合系数，可以求出线圈频移后的共振频率。相应地，已知耦合系数，可以计算探测器的合适的共振频率，以便计算正确调谐的探测器。如果在设计线圈时不考虑耦合阻抗，那么会导致探测器不共振。

图1示出了依照本发明构造的多共振超导探测器的平面图。尽管该例仅示出了两个分立的接收线圈，但也可以将用于接收附加共振频率的附加线圈同心围绕放置，或放在所示的线圈内。如图所示，超导探测器100具有两个线圈，即外接收线圈101和内接收线圈103，两个线圈都位于一个衬底120上。每个线圈由诸如Y₁Ba₂Cu₃O_7-x等超导材料制成。外线圈101具有一螺旋形线圈105和多个“叉指”，叉指是超导材料的延伸部分。图中例示了叉指107和109。螺旋形线圈部分为接收线圈提供电感，而互相交织的叉指为接收线圈提供必要的电容，以便调谐它的共振频率。线圈的共振频率直接与结构的电感和电容相关。线圈101的电容直接与线圈中的叉指数相关。内线圈103也具有一个螺旋形线圈111和多个与螺旋形线圈111相连的叉指，例如叉指113。衬底120可以是平面的，或柔性的，以便将其弯曲或包裹在被成象物体上。

当进行磁共振成象时，每个接收线圈检测由磁化的原子核产生的不同频率。图1探测器的构造用内接收线圈检测¹H，用外接收线圈检测²³Na。将诸线圈同心地放在衬底上可以提高两个接收线圈的相互视场，同时可以降低线圈之间的互感。

图1中的诸接收线圈可以用Y₁Ba₂Cu₃O_7-x(YBCO)超导薄膜制成，位于单个晶体LaAlO₃衬底上，并且可以用活性离子移植技术，或者干或湿蚀刻技术制成图形。探测器包括两个分立的同轴线圈，线圈位于同一衬底上，并且在大小为3T的磁场中调谐到²³Na和¹H的Larmor频率，所述频率分别对应于33.77 MHz和127.71 MHz。如上所述，每个接收线圈包括单个环形电感器，交叉叉指的电容器位于电感器的环形圈之间。对于本例的外线圈，电感器的线宽度为275微米，而交叉叉指的宽度为33微米，间距为22微米。对于本例的内线圈，电感器的线宽度为139微米，而交叉叉指的宽度为90微米，间距为60微米。频率较高的共振线圈(外线圈)有100-200对左右的叉指，而频率较低的共振线圈(内线圈)具有500-600对左右的叉指。本发明不限于所述的具体尺寸，但尺寸将根据所需的FOV、预期的互感以及将检测的共振频率来改变。

选择线圈的尺寸，平衡以下目标：显著的SNR增益因子，足够大的视场和共振体之间较弱的耦合。在本例中，外线圈直径为和内线圈直径分别为2.44厘米和1.39厘米。两个线圈的互感会使每个线圈的共振频率改变。为了探测某特定原子核的所选频率，线圈设计必须考虑互感。

图2A和2B是曲线图，示出了图1所示多共振超导线圈之共振频率与两接收线圈之间耦合系数之间的函数关系。当线圈靠近时，耦合系数增大到1。图2A表示，当线圈靠近时，外线圈101的共振频率急剧增加。图2B表示，当线圈靠近时，内线圈103的共振频率急剧降低。在最终设计作为探测器一部分的每个线圈时，必须计算该共振频移效应。

现在将描述对两接收线圈之互感的调整作用和方法。以下分析也适用于同一探测器内的三个或多个接收线圈。两个非常接近的共振体将使其各自的磁场耦合。共振体之间的这种磁场耦合可以用下式给出的互感(M)来描述： $M=k\sqrt{L_{11}{L}_{22}}----\left(1\right)$ 其中k是耦合系数，L₁₁是第一接收线圈的初级自感，而L₂₂是第二接收线圈的次级自感。如图3所示，用两个简单的电路可以模拟两个耦合的共振线圈。图3的每个电路都包含串联连接的电容器、电阻器和电感器，每个电路的电感器耦合。

图3示出了第一电路301，该电路包括电容器C1 303，电容器C1 303与电阻器R1 305串联连接，而电阻器R1 305又与电感器L1 307串联连接。第二电路309放在第一电路301的附近，它包括电容器311，该电容器与电阻器313串联连接，而电阻器313又与电感器315串联连接，电感器与电容器311相连，形成一个完整的电路。由图可见，次级耦合电路309的存在给初级电路301增加了等效阻抗(ωM)²/Z_s，从而初级电路将根据互感移动共振频率。同样，第一电路301也会影响第二电路309的共振频率。当耦合系数可以忽略时，耦合阻抗相应较小，初级电路几乎与次级电路不存在时相同。频谱将在所预定的两个中心频率处存在两个峰。当耦合系数增加时，频率较低的共振体向下频移，而频率较高的共振体向上频移。为了设计双共振探测器，使其以正确频率共振，必须考虑线圈之间的互感。这需要两个步骤：确定耦合系数，并导出作为耦合函数的探测器共振频率。

线圈的大小、几何形状以及它们的相对位置决定了耦合系数。为了计算耦合，将线圈模拟成两个导线环，其半径分别为a和b，平行轴相距c，并且平面相距d。这两个导线环之间的互感的一般形式由下式表示： $M=\mathrm{\μnab}\underset{0}{\overset{k}{\∫}}{J}_1\left(\mathrm{Ka}\right)J_1\left(\mathrm{Kb}\right)J_0\left(\mathrm{Kc}\right)e^{-\mathrm{Kd}}\mathrm{dK}----\left(2\right)$ 其中μ为磁导率，J1(Ka)，J1(Kb)，J0(Kc)是第一和第二阶的Bessel函数，并且K由下式表示： $K=\sqrt{\frac{4\mathrm{ab}}{{(a+b)}^2+c^2}}----\left(3\right)$ 对于这里所考虑的情况，由于环是同轴和共平面的，所以对于图1结构，c＝0并且d＝0。导线环的自感L₁₁和L₂₂可以用下式计算： $L_{11}=\mathrm{\μa}(\ln \frac{8a}{r}-1.75)$ $L_{22}=\mathrm{\μb}(\ln \frac{8b}{r}-1.75)----\left(4\right)$ 其中r是导线的半径。在把式(2)和(4)代入式(1)之后，获得耦合系数。导线环之间的耦合随比b/a接近于1而增加。因此，当两线圈移动得靠近在一起时，耦合增加。为了使耦合最小，应该使b/a的比尽可能的小，因此要将线圈放得相距尽可能地远。但是，只能将比值减小到某一点，在该点之后，探测器的用处会减弱，因为视场(FOV)变小到不可用。

图3中初级电路301和次级电路309的阻抗由电阻部分和电抗部分组成，它们分别可以写成： $Z_p=R_1+j(\mathrm{\ω}{L}_1-\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_1})\≡R_1+j{X}_1$ $Z_s=R_2+j(\mathrm{\ω}{L}_2-\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_2})\≡R_2+j{X}_2----\left(5\right)$ 其中R₁305和R₂313是电阻，L₁307和L₂315是电感，C₁303和C₂313是电容，而X₁和X₂被定义为每个电路的总电抗。通过对电路应用Kirchoff定律，可以获得次级电路中的电流I₂。次级电流的绝对值可以用以下表达式表示： $\left|I_2\right|=\frac{\mathrm{E\ωM}}{\sqrt{{(R_1{R}_2-X_1{X}_2+{\mathrm{\ω}}^2{M}^2)}^2+{(X_1{R}_2+X_2{R}_1)}^2}}----\left(6\right)$ 当分母最小时，次级电流将最大。就分母对X₂求微分，当以下式子成立时，I₂将最大。 $X_2=X_1\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{R_1^2+X_1^2}----\left(7\right)$ 对于初级电路可以找到类似的表述式。定义以下关系： ${\mathrm{\ω}}_1^2=\frac{1}{L_1{C}_1},{\mathrm{\ω}}_2^2=\frac{1}{L_2{C}_2},Q_1=\frac{\mathrm{\ω}{L}_1}{R_1},Q_2=\frac{\mathrm{\ω}{L}_2}{R_2}----\left(8\right)$ 并将X₁和X₂的值代入式(7)中，给出： $f^4(1-k^2)-f^2(f_1^2+f_2^2)+f_1^2{f}_2^2=0----\left(9\right)$ 其中f的根是考虑互感后探测器的共振频率，而f₁和f₂是当耦合为零时线圈的共振频率。在获得等式(9)时假设初级共振体的品质因子较高，以致于1/Q₁ ²可以忽略，对于超导共振体来说，这不是不合理的。f的根为±f₁′和±f₂′的形式，并且由以下等式给出： $f_1^{\′}=\frac{\sqrt{\frac{1}{2}(f_1^2+f_2^2)-\frac{1}{2}\sqrt{{(f_1^2-f_2^2)}^2+4k^2{f}_1^2{f}_2^2}}}{\sqrt{1-k^2}}$ $f_2^{\′}=\frac{\sqrt{\frac{1}{2}(f_1^2+f_2^2)+\frac{1}{2}\sqrt{{(f_1^2-f_2^2)}^2+4k^2{f}_1^2{f}_2^2}}}{\sqrt{1-k^2}}----\left(10\right)$ 方程式(10)允许根据耦合系数以及f₁和f₂的值来计算频移后的共振频率。如果两个线圈的耦合可以忽略，那么方程式(10)简化为f₁′＝f₂和f₂′＝f₂。至于为了忽略k值必须多小，则依赖于f₁和f₂的相对值。图2A和2B是对于f₁＝33.77 MHz，f₂＝127.71MHz(它们分别对应于²³Na和¹H的共振频率)时，作为耦合之函数的f₁′和f₂′的曲线图。这两个曲线图表示，耦合作用是将频率较低的共振体向下频移，将频率较高的共振体向上频移。结果，被适当调谐在零耦合处的线圈对于k＞0的情况将不共振。对于将正确调谐探测器的一特定耦合系数来说，确定合适的f₁和f₂值是有用的。就方程式(9)求f₁和f₂的解： $f_1=f_1^{\′}\sqrt{1-\frac{f_1^{\′2}{k}^2}{f_1^{\′2}-f_2^2}}$ $f_2=f_2^{\′}\sqrt{1-\frac{f_2^{\′2}{k}^2}{f_2^{\′2}-f_1^2}}----\left(11\right)$ 通过给方程式(11)中的f₁′和f₂′赋值，使其等于探测器的合适共振频率，便可以确定f₁和f₂。

对于具有图1所述尺寸的探测器，两线圈的相应b/a比为0.6，这意味着从方程式(1)到(4)，耦合系数大约为0.15。通过就k＝0.2，以及f₁′＝33.77 MHz和f₂′＝127.71 MHz的情况，对方程式(11)求解，应该将线圈设计成在f₁＝33.82 MHz和f₂＝129.93 MHz处共振，以便探测器发生共振。对于本例中选择的b/a比，频移只对频率较高的共振体很重要。

图4示出了如图1所示的双共振超导探测器的响应频谱。频谱包括两个峰401和403，它们分别对应于²³Na和¹H的频率。两个峰位于其被设计共振频率的几百千赫兹内。实验发现耦合系数为0.2，它与计算值0.15具有合理的一致性。对于²³Na和¹H，分别测得线圈的空载Q值为7.9×10³和11.7×10³。

用Hewlett-Packard 8712B网络分析仪测量多共振超导探测器。在大约30K温度下，在常规流低温控制器中测量探测器。用电感性耦合的同轴电缆进行反射测量，从而确定探测器的响应和品质因子(Q)。对幻影进行两维的(2-D)傅里叶成象，并且获取²³Na和¹H图象。

与传统的磁环形探测器相比，多共振超导探测器至少有三个明显的优点：较高的SNR；可以有效地将探测器相对所关心的区域定位，并且能够获得所关心的同一区域的¹H和²³Na图象，并提供补充信息，导致更佳的组织描述。另外，探测器设计可以适用于诸如钾、碳、氮和氟等其他原子核。

图5是一流程图，示出了制作图1所示多共振频率超导探测器的步骤。这些步骤很容易修改成制作用于探测三个或多个共振频率的超导探测器。

步骤501选择一个衬底，在该衬底上将沉积一由超导材料制成的薄膜。应该将衬底选择成晶格匹配，或者与HTS材料类似晶体结构，以便在上面生长高质量的HTS薄膜。衬底可以是平面的或柔软的，以便可以弯曲或包裹在被成象物体的周围。可以使用的衬底的例子是LaAlO₃。步骤503将一由超导材料制成的薄膜沉积在衬底上。可以使用材料的例子是Y₁Ba₂Cu₃O_7-x(YBCO)。

然后，步骤505在超导薄膜上形成线圈图案。设计线圈图案，以便调谐电感(螺旋形电感器的长度)和电容(线圈中叉指的数目)，获取大致与设计相等的共振频率。设计根据对以下因素的考虑：显著的SNR增益因子(要求较小的线圈)、较大的FOV(要求较大的线圈)和线圈之间较弱的耦合。设计运用上述模型，考虑了线圈之间的任何互感。

例如，用于或湿蚀刻技术或离子移植技术完成线圈制作过程。在湿蚀刻工艺中，将掩膜放在将要保留的超导薄膜部分上，然后将薄膜放在化学浴中，从没有掩膜的衬底上除去超导材料。在使用干蚀刻工艺(例如，离子碾磨)时，同样将掩膜放在将构成接收线圈的超导薄膜部分上，然后将离子射向薄膜，除去一部分超导材料，而只留下掩膜下的超导薄膜。在离子移植工艺，将活性离子(诸如Si、B、Al等)通过掩膜注入一部分HTS材料中，其中掩膜按所需线圈结构的形状覆盖在超导层上。以20-200KeV能量率和10¹⁴-10¹⁷/厘米²的剂量注入离子，以便将植入部分转移到绝缘体内，并使未植入部分超导。这些工艺的结果是获取超导薄膜的所需结构，诸如图1中的结构。

然后，如果必要，步骤507将多接收线圈精细调谐到合适的共振频率，以便计及制造过程中的任何容限或设计中微小的不精确。用以下方式进行调谐，即从每个接收线圈上除去若干叉指，以便改变线圈电容，从而改变共振频率。在对线圈精细调谐后，每个线圈将具有合适的共振频率，以便检测探测它们要接收的共振原子核的频率。

图6示出了多共振超导探测器的第二较佳实施例。在图6中，用薄膜将接收线圈分立地叠放在一衬底上。叠层结构不同于所有接收线圈同心地放在同一平面上。图6示出了多层的多共振超导探测器601，该探测器具有衬底层603、第一线圈层605、缓冲层607和第二线圈层609。尽管在本例中仅画出了两个接收线圈，但本发明可以使用依照本发明构造的三个或多个接收线圈。这种叠层结构允许两个线圈具有相同或类似的尺寸，并仍能探测两个不同的频率。图6示出，第一接收线圈层605的线圈直径为D₁，该直径与第二接收线圈的直径D₂相等。用激光束或其他方法从接收线圈上除去若干叉指，从而改变电容仍至改变共振频率。用这种方法可以在制造后调谐每个线圈层的共振频率。具有相同直径并在空间上重叠的两个或多个接收线圈还将具有相同的视场，这可以提高探测器的探测面积。另外，用一缓冲层将重叠层分开的结构实际上可以消除接收线圈间的互感。

衬底603的宽度一般在0.5毫米和1毫米之间。在衬底上沉积线圈层605，其宽度一般在0.1微米和0.5微米之间。接下来，在第一线圈层上沉积一缓冲层607，以便两个相邻的线圈层不会接触并发生短路。另外，缓冲层可以减小任何互感作用。缓冲层的厚度一般为0.2到2微米。最后，在缓冲层的顶部沉积第二线圈层609，并且将其与第一线圈层605对准。第二线圈层的厚度一般为0.1微米至0.5微米。依照本发明，也可使用其他厚度。

在线圈层顶上放一附加缓冲层，并在附加缓冲层的顶上放一附加线圈层，由此很容易在多层结构上增加附加的线圈层。每个线圈层将检测不同的共振频率，以提高成象质量。

图7示出了制作如图6所示多层多共振超导探测器的步骤。很容易增加制作多层探测器的附加步骤，以便形成具有三个或多个共振接收线圈的探测器。

步骤701选择一个将在其上沉积超导材料薄膜的衬底。衬底可以是平面的或柔软的，以便可以弯曲或包裹在被成象物体的周围。可以使用的衬底例子是LaAlO₃。步骤703将一由超导材料制成的薄膜沉积在衬底上。可以使用的超导材料例子是Y₁Ba₂Cu₃O_7-x(YBCO)。

然后，步骤705在超导薄膜中形成单个接收线圈的图案。设计线圈图案，以便调谐电感(螺旋形电感器的长度)和电容(线圈中叉指的数目)，获取大致与设计相等的共振频率。设计根据对以下因素的考虑：显著的SNR增益因子(要求较小的线圈)、较大的FOV(要求较大的线圈)和线圈之间较弱的耦合。设计运用上述模型，考虑了线圈之间的任何互感。

可以用离子移植技术完成该制作过程。将掩膜覆盖在将形成接收线圈的超导材料上。然后，用离子移植技术使其接触的超导材料失去超导性，并变成绝缘。但是，对于接收线圈部分和绝缘部分，薄膜的高度保持相同。这与化学蚀刻或离子碾磨相反，在后一情况下，薄膜表面因蚀刻而变得不均匀。在多层探测器的情况下，为了向外沉积下一层薄膜，被植入和未被植入的薄膜表面部分必须具有相同晶体结构并且必须是平面的。

步骤709在第一超导层的顶部沉积一缓冲层。缓冲层将直接位于该缓冲层上下的接收线圈电气隔离。可以从具有与HTS类似晶体结构的氧化物中选择缓冲层材料，诸如LaAlO₃、SrTiO₃或CeO₂。然后，步骤711在缓冲层的顶部沉积第二超导薄膜层。步骤713再次用离子移植技术在超导薄膜上形成接收线圈，使薄膜的未掩蔽部分失去它的超导性。最后，为了改变影响共振频率的线圈电容，步骤715通过(例如，用激光)从线圈上除去叉指，来精细调谐接收线圈。如果位于底部薄膜层上的接收线圈需要调谐，那么，在将缓冲层放在超导薄膜顶上之前，需先调谐电容。在实际制作探测器之前，如前所述计算互感。然后，在制作后，在特定线圈层顶上沉积下一层之前，对接收线圈进行精细调谐。

图8示出了依照本发明布置的另一种接收线圈的结构。尽管该图中只示出了两个线圈，但是根据希望探测的不同频率数，探测器可以包含任何数目的线圈。线圈的矩形形状产生一矩形视场，如果对窄长的身体部分(诸如，脊椎或手叉指)取MRI，这是有利的。外线圈801包括一螺旋线圈802和多个固定的叉指。举例示出叉指803和805。内线圈807包含螺旋线圈808和固定的叉指。举例示出叉指809和811。用以前所述方程式，可以计算互感和对互感的相应校正。可以调谐探测器的宽度和长度，以便对某一特定身体部分得到最优适配因子(和视场)。还可以定制其他的线圈形状，用于所需的视场。

图9示出了可与本发明一起使用的另一种接收线圈结构。线圈900包括电感部分901和多个固定的叉指。举例示出叉指903和905。为了获取平面型探测器，可以将线圈900结构中的另一个接收线圈放在电感部分901确定的区域内。另一种方法是，在上述多层探测器结构的多个线圈层中，使用这种接收线圈。只要包含合适的电感部分和电容部分，该发明中使用的每个接收线圈可以用多种方式构造，以便使接收线圈获得所需的共振频率。

上面仅说明了本发明的原理。因此应该理解，本领域的熟练技术人员将能作出各种通过实施本发明原理的系统、设备和方法，尽管这些系统、设备和方法没有在此明确说明或描述，但它们是在本发明权利要求限定的精神和范围内的。

例如，可以将多共振超导探测器用作某种装置的一部分，这种装置可以接收选定共振频率的无线电、微波或蜂窝式传输。

Claims (22)

1.一种多共振超导探测器，其特征在于，包括：

一衬底；

多个不重叠的薄膜线圈，所述线圈固定在所述衬底上；

其中，每个所述线圈由超导材料制成，并且被调谐到选定的不同共振频率。

2.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述调谐对所述多个线圈之间的所述互感敏感。

3.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，每个所述线圈包括多个叉指，所述线圈的所述共振频率对所述叉指的总数敏感。

4.如权利要求3所述的探测器，其特征在于，所述叉指的所述总数在100到200之间。

5.如权利要求3所述的探测器，其特征在于，所述叉指的所述总数在500到600之间。

6.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，每个所述线圈具有相同的中心点。

7.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，每个所述线圈的形状是圆形的。

8.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，每个所述线圈的形状是矩形的。

9.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述探测器具有一个视场，关于被成象选定区域，而所述线圈离开一最大距离放置，并仍然为所述探测器保持可接受的所述视场。

10.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述衬底是柔软的。

11.一种多共振超导探测器，其特征在于，包括：

一衬底；

至少两个线圈薄膜层，将每个所述线圈调谐到选定的不同共振频率，包括超导线圈；和

一缓冲层，它位于相邻的所述线圈层之间。

12.如权利要求11所述的探测器，其特征在于，所述线圈包括多个叉指，所述线圈的所述共振频率对所述叉指的总数敏感。

13.如权利要求11所述的探测器，其特征在于，每个所述线圈具有相同的中心点。

14.如权利要求11所述的探测器，其特征在于，每个所述线圈的形状为圆形的。

15.如权利要求11所述的探测器，其特征在于，每个所述线圈的形状是矩形的。

16.如权利要求11所述的探测器，其特征在于，所述衬底是柔软的。

17.一种制作多共振超导探测器的方法，其特征在于，包括以下步骤；

选择一衬底；

在所述衬底上沉积一薄的超导膜；

在所述薄膜上形成多个同心线圈；并且

将每个所述线圈调谐到一共振频率，所述调谐对所述多个线圈的互感敏感。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，每个所述线圈包括许多叉指，并且所述方法还包括下述步骤：从所述线圈除去选定数目的所述叉指，以改变所述线圈的所述共振频率。

19.一种制作多共振超导探测器的方法，其特征在于，包括以下步骤；

选择一衬底；

在所述衬底上沉积第一超导薄膜；

在所述薄膜上形成一个线圈，所述薄膜大致保持水平；

在所述第一超导薄膜上沉积缓冲层；

在所述缓冲层上沉积第二超导薄膜；

在所述第二薄膜中形成线圈，所述第二薄膜大致保持水平；

将每个所述线圈调谐到一共振频率，所述调谐对所述多个线圈的互感敏感。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，每个所述线圈包括许多叉指，并且所述方法还包括下述步骤：从所述线圈除去选定数目的所述叉指，以改变所述线圈的所述共振频率。

21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在所述第二薄膜层上沉积一附加缓冲层；

在所述附加缓冲层上沉积一附加超导薄膜；并

在所述附加薄膜中形成一线圈，所述薄膜大致保持水平。

22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述形成线圈的步骤用离子移植技术来完成。

Images