CN1672059A - 核四极矩共振高q天线接收系统以及检测物质的方法 - Google Patents

Abstract

与一个天线装置(19)连接的一个接收系统(11)，用于检测源自一种物质的响应信号，物质具有受激励的四极核子以至于产生四极核子的核四极矩共振。同时描述的还有借助天线装置(19)接收一个响应信号的一种方法。接收系统(11)包括一个放大器(17)用于放大天线装置(19)的接收响应信号以便进行后续处理，一个匹配段(15)用于匹配放大器(17)和天线(19)，以及一个隔离开关(13)用于将天线从接收系统(11)隔离。匹配段(15)的噪声在一个接收时段期间将接收系统(11)与天线(19)匹配，以减小天线的Q值而无需特别地降低信噪比。隔离开关(13)用于在一个发射时段期间将接收系统(11)从天线(19)隔离，此时天线(19)发射一个激励信号以辐照物质。紧接发射时段后的一个接收时段期间，开关也可以通过电方式将接收系统(11)连接到天线上。

Description

核四极矩共振高Q天线接收系统以及检测物质的方法

技术领域

本发明涉及核四极矩共振(NQR)光谱装置以及利用这种装置进行检测的方法。尤其是本发明涉及的这些装置在接收一个响应信号时要求扩展的带宽，相位稳定或减小的Q值，响应信号源于一种物质，物质包含处于适当受激态的四极核子。这些装置特别地包含一个高Q的谐振电路天线，天线设计成为用于截听磁场的变化并且将它们转变成放大的输出电压，以致NQR响应信号能够被记录。

整篇说明书，除非是上下文所另外需要的，词语“包括”(comprise)或者变形，例如“包括”(comprises)或“包括”(comprising)理解成为是指包含一个规定整数或整数组，但不排除其他任何整数或整数组。

背景技术

以下对背景技术的讨论仅仅是用来帮助理解本发明。值得注意的是，对于任何涉及的内容现在是或以前是在申请优先权日的公有一般知识的一部分这一观点，讨论不是对其确认或承认。

NQR响应信号用于识别在特定的化学环境下具有一个四极矩的核子。产生这样一个响应信号的激励频率取决于电场梯度与核子的电四极矩之间的相互作用，电场梯度由在核子周围的电荷分布产生。电荷分布与分子化学键的特性直接相关。NQR技术在检测炸药和违禁毒品方面已经广泛应用，这主要是¹⁴N同位素的性质所致。接收的NQR响应直接与这种核子的数量成比例，幸而违禁品中的¹⁴N十分充足，含量相对很高。

¹⁴N同位素中有一个1核旋，并且拥有一个四极矩，其依赖于化学环境将在一个施加的无线电频率(RF)场中共振。NQR的应用不限于这样一种同位素，同样存在多种其它的用于物质识别的四极核子。激励技术基本上是相同的。激励频率是不连续的，大多数关系物质的值是在100KHz至30MHz的范围内。

通过一系列应用于一个天线的RF脉冲，激励开始进行，天线接近样本。这一系列RF脉冲是指一个脉冲序列。处于适当激励频率的脉动RF场以一个相干的方式激励核子旋转，以致能够接收到从这种同步核子旋转中产生的磁场。与激励天线或天线相同的接收天线或天线将获得一个与这个磁场的时间导数成比例的感应信号电压。问题是如何以最佳的方式激励且接收这个信号以便获得最大的信噪比(SNR)。特别地，接收信号小于激励信号几个数量级，且小于或相似于由天线系统产生的热噪声的量值。

为了提取NQR信号，接收天线的构造成截听尽可能多的样本磁场，形成一个感应元件L。通常天线的这个元件共振以提高信噪比，其中包括一个合适的并联电容C。这个电子谐振电路或储能电路将从处于或接近一个共振角频率(ω₀)的样本中存储能量，优先地增加相对于非相干源的一个相干源信号，非相干源譬如是热噪声或寄生噪声。消耗这个能量的速度决定了SNR且可以由电路的品质因数(Q)表现出来。电阻损耗在电路中发生并且涉及包括样本的天线周围的环境。整个电路设计成三个元件并联，L，C以及R，其中R代表了电阻损耗。共振中的Q能够从以下计算出来：

Q＝R/(ω₀L)＝Rω₀C，

其中ω₀＝(LC)^-1/2，ω₀与调谐频率f₀相关，ω₀＝2πf₀。

对于一个连续的接收信号，呈现的电压SNR与Q^1/2成比例。显然，对于这个特有的天线，一个高Q值非常希望得到优良的SNR。通过最小化天线中的电阻损耗的方式以及通过轻微耦合需要放大共振信号的电子电路的方式，可以获得这种效果。对于一个最佳的天线，在接收一部分激励序列的过程中，Q值至少是200。

如图1所示的在先技术，特别地加入了一个1/4波长隔离装置，其使用反向连接的二极管以便在发射信号的过程中在放大器上设置一个节点。放大器特别地具有50欧姆的输入阻抗且配置成允许最大的信号功率传输。隔离装置保护了50欧姆阻抗放大器，并且在发射部分序列的过程中维持单独天线的Q值。一旦天线的信号电平下降到小于二极管的正向电压，放大器会与天线连接。

使用一个高Q值天线，存在多个缺陷。

(1)清除激励信号后，储存的能量在天线中保持一段很长的时间。直到能量清除，感生的振荡电压将倾向于使接收系统饱和，并且在外加脉冲和接收时段的始点之间产生一个至关重要的死时间。这种指数减小信号的振荡时间常数τ可以从以下计算出来：

τ＝2Q/ω₀

一个高Q电路典型地具有一个几毫秒的振荡时间，激励频率大约是1MHz。这诱发大量的死时间并且脉冲序列的符号只能通过仪器来测定。延长的时间导致在一个固定的接收时段内截听的信号强度小和一个有效性差的脉冲序列。延长的时间还导致了一个对样本的急变频率响应，这是由于多重脉冲发射信号的傅立叶分量相加所致。

解决这个问题的方法是增加一个“Q开关”，该开关能够受控制以便在接收过程开始之前转换一个低阻抗，跨接或部分跨接储能电路从而形成一个短路时段。如图2所示的电路图。较低的阻抗快速地从储能电路中吸收能量，从而降低Q。当使用一个开关时，在断路时段通过寄生电容或半导体结电容将恒定地感生一个瞬时脉冲。也可以通过使用半导体设备来完成Q开关的作用，一旦将半导体设备开关则对高阻抗有一个自恢复时段。这些设备在给予一个足够高的dv/dt或电压振幅时能够自触发。

(2)调谐频率或Q中的微小仪器偏差或误差能够引起振幅和相位的变化，这是由于接近共振的天线电抗中的快速改变造成的。除了仪器的误差，在一个检测操作中，精确的NQR频率不为准确获悉。因而，在一个高Q的系统中，接收系统的相位稳定性较差。

在如上所述设计的储能电路中，小频率和电感偏移的阻抗大约是：

Z＝R+2iL(ω-ω₀)，

其中，i代表一个复数，R是共振时的实际阻抗，L是电感的值，以及括号内的项代表弧度频率偏差。

这个等式表明了共振时阻抗是具有电阻性的，但是偏离这个主题而言，负载日益地呈现出电抗性。这个渐增的电抗将在发射阶段改变一个外加磁场的相位，而且再次通过天线接收来自信号源的磁场。

理想状态天线中的相移由以下几个原因产生。将信号分布在一个频率范围内的一个NQR状态的寿期是一个原因。相似地，振动和/或天线的微小变形，电感性元件和电容性元件的热漂移，邻近天线的一个样本的移动，由于扫描对象组成部分的缘故天线没有恰当地调谐，以及引发NQR信号中频移的温度变化，这些全都是其它源的实例。

一个预定的相位间隔或相位加权图常常用作识别物质信号的部分过程，以及将其从其它信号源中鉴别出来。这个方法限制了最终的检测率以及误报率。为了保持仅由物质引起的这个相位信息，减小对这些其它势源的仪器敏感度变得十分重要。

(3)一个高Q值系统的带宽将比一个低Q值系统的带宽窄，这一点可以从模仿系统的一个3db带宽的定义得出：

Δf_3db＝f₀/Q

3db的范围与频率间隔一致，通过间隔利用至少是最大功率的50％来接收一个信号。减小一个单独窄频NQR信号的带宽将不会影响处于正确调谐点上的接收信号。处于这种理想情形的信号将位于天线响应频率的最大值。

样本的NQR频率也不为精确所知。例如，在光谱操作中，许多NQR状态已经确定。在检测操作中，也许最大的非确定源来自在已发现物质中的不为精确所知的样本温度。大多数NQR线的频率取决于样本温度，此时温度影响电子分布产生的平均电四极矩。一个温度系数将近似地描述一个单独跃迁的NQR频率的运动。对于一个高Q的天线系统，由于NQR频率从调谐频率漂移的缘故，接收信号将在很大程度上减小振幅。因此，对于一个有效的检波器来讲需要接收一个频率范围。

检测到的物质可以由多种化学制品组成。在每种化学制品结构中，对于包含的四极核子将存在数个NQR谐振模型。每个这些变异引出了识别NQR频率的一个特殊序列。例如，炸药TNT具有6条线的两个组，其在室温下落入30kHZ内。有利的是，发现许多个这些共振激励频率并同时用于辅助识别。对于一个高Q系统，在一个特定的调谐点上通常仅可能有效地接收一条线。

无须逐一细说，激励频率和接收频率通常在一个特定的脉冲序列中不是精确相同的。这称之为一个非共振激励。如果一个检测系统使用调谐至一个单独频率的高Q发射接收天线，由于这种偏差将存在性能上的下降。

在NMR和MRI相关领域，消除天线的上述每个缺陷(1)，(2)和(3)的影响且不以牺牲SNR为代价的方法是提供一个实用的工作设备。其中一种方法是使用一个负反馈放大器以降低现存的放大器阻抗。公认的是，使用反馈电阻的一个系统将从一个大值电阻器中产生无法接受的热噪声或高输入电容，然而使用电容性反馈的一个系统将不会出现这种情况。这种想法已经得到延伸，在反馈中增加了一个电容式分压器或网络且连接输入端，其降低了在放大器输入端的有效反馈电阻，因此有助于保持一个优良的SNR。电路配置如图3所示。

技术问题是难于匹配一个指定的天线。技术上没有指定最佳的接收机带宽或者一个恒定的接收机相位的最佳特性，相位跨越一个NQR信号的一个温度范围。而且，在一个反馈回路中使用电容，其不便于在一个工业放大器中使用，会产生高频率振动模型的可能性，令NQR信号难于理解。

发明内容

依照本发明，对于看待提供一个最佳的NQR接收机系统这个问题的一个不同方式是，在一个指定的温度下完成接近最佳宽度带宽的操作。对于这个带宽，SNR仅仅与天线近似相同。提供这个带宽，设备将必然获得一个低Q，且缓解了(1)，(2)和(3)点。

本发明的一个目标是提供比以上描述的在先技术先进的NQR检测，其相对容易实行。

按照本发明的一个方面，提供与一个天线装置连接的一个接收系统，用于检测源自一种物质的响应信号，物质具有受激励的四极核子以致在其中产生核四极矩共振，系统包括：

一个放大器，将接收响应信号放大以便进行后续处理；和

一个匹配段，将放大器与天线匹配；

其中匹配段噪声在一个接收时段期间将接收系统与天线匹配，并且减小天线的Q值而不需要特别地降低信噪比。

优先地，匹配段为天线呈现一个有效的低阻抗。这提供了最佳的接收带宽和减小的相位误差。

优先地，匹配段由一个阻尼装置组成，以衰减来自天线的存储的发射能量，而不需要进一步开关转换或改变配置。

优先地，接收系统包括隔离装置将天线从接收系统隔离；隔离装置包括开关装置，用于在一个发射时段期间将接收系统从天线隔离，此时天线发射一个激励信号以辐照物质，且紧接发射时段后的一个接收时段期间，开关装置通过电方式将接收系统连接到天线上。

如此，在发射时段期间系统能够在天线上采用循环的方式保持一个高Q，紧接下来的整个任何数据的接收时段是一个低Q，发射信号脉冲序列聚集在场内辐照物质。因此，高Q相允许动力传输到天线中以在一个频率带宽上进行有效的激励，且在接收时段的低Q允许系统去测量及时接近激励发射信号脉冲的信号。从而确保了信号快速积累以到达其最大幅度，加宽了频率带宽去接收一个信号或数个信号，且极大地提高了接收信号相位的稳定性。所有的这些特点允许在数据收集阶段更好地进行动力SNR测量以及从其它竞争信号中，例如那些由磁声物体或热噪声产生的信号，更好地对一个真正的响应信号进行选择。

优先地，隔离装置置于天线和匹配段之间，以便阻塞在发射时段期间可能在天线上产生的高电压。这些电压可以具有几千伏特的幅度。在这种高压环境下，首选的是隔离装置包括1/4波长线，其终止于反向连接的二极管并提供隔离效应，并且通过保护二极管与邻近放大器的节点相结合。作为选择，隔离装置可以通过一个π网络操作，该网络在实施中等同于一个1/4波长线，且终止于反向连接的二极管。在这种配置中，系统因此依赖被确定的频率，使系统依靠检查的NQR线。

还可以作为选择，隔离装置可以产生一个电感变化，在开关转换过程中从一个高阻抗值变化到一个低阻抗值，隔离装置的较低阻抗值小于匹配段特有的输入阻抗。

优先地，隔离装置是自动开关的，通过电子方式监控输入信号电平的一个升高或降低，超过一个极限值时引起触发。

可选择地，隔离装置可以自动开关，由一个第二输入触发，其利用电子方式监控来自发射机组件输出信号的一个升高或降低。

优先地，隔离装置由一个可再生的电子信号触发，其与发射序列同步。

优先地，开关装置具有及时断开以及闭合的特点。

优先地，开关装置不是频率依赖NQR关系线的一般范围。这种设备用于检查一种物质中的NQR响应的几条明显的线，无论其来自加宽的带宽或同一个应对一个天线的接收设备，天线调谐至其它的共振频率，或者是一个多调谐接收天线。

在隔离装置之后，一个低Q信号接收电路紧随接收系统，其降低天线中的能量并且在整个接收时段期间保持低Q状态。如此，发送激励信号脉冲之后的能量储存在天线内，接收系统明显的低阻抗将能量快速清除。整个接收时段都会保持这种状态。

重要地，低输入阻抗没有将有影响的热噪声加入到信号中去，匹配段最好是由高品质因数的晶体管构成，建立接近周围温度的热噪声以匹配天线。在这种布置中，在天线中心带呈现的阻抗可以被认为是一个有效的冷电阻器，其具有输入阻抗产生的一个电阻，并且具有一个产生相同热噪声功率的有效温度。

将这个能量从天线中清除的时间指数地依赖于在隔离装置之后的输入阻抗。在一些应用中需要增加的Q阻尼，超出其可得到一个正确匹配接收系统的噪声。在这些情况下，首选的是包括一个附加的低阻抗低电压且高速度的半导体开关，其放置在隔离装置之后充当一个阻尼开关。这个阻尼开关最好是具有预定的转变速率，以致不会通过寄生电容或状态变化而再次激励天线。

优先地，阻尼开关基于晶体管并且处于匹配段输入端，可控制地降低信号接地的输入阻抗，阻尼开关由一个与发射序列同步的脉冲驱动。

在阻尼开关的一个装置中，首选的是阻尼开关基于一个场效应晶体管(FET)或者并联的多个场效应晶体管，脉冲触发栅极或者多个栅极。

阻尼开关的另一个装置中，首选的是阻尼开关基于一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者并联的多个金属氧化物半导体场效应晶体管，其中源极和漏极一端连接信号输入端且另一端接地，并且一个栅极脉冲触发阻尼开关。

优先地，阻尼开关的开启或关闭特性通过时间控制。

在匹配段的一个实施例中，首选的是晶体管是并联的结型场效应晶体管(JFETs)，源极和漏极在信号接地端与它们的栅极相连。

在匹配段装置的另一个实施例中，晶体管包括多个结型场效应晶体管，其布置在带有一个负反馈电路的一个栅地-阴地放大器装置中。

在结型场效应晶体管的栅地-阴地放大器装置中，首选的是双极晶体管与结型场效应晶体管的源极连接。

优先地，负反馈电路等效于一个冷电阻器。

优先地，负反馈电路是一个电容器或者感应器的组合。

优先地，负反馈电路对大多数反馈电流具有电阻性，通过一个电容式或者电感式分压器将电流从信号输入端传送到信号接地端。

优先地，匹配段的带宽限于通过一个调谐电路获得。首选的是在这个装置中，选择的带宽典型地处于1KHz至200KHz的范围内。

优先地，放大器具有一个低噪声系数的负反馈。

优先地，通过等效于一个冷电阻器的一个负反馈电路，反馈电压。

优先地，反馈电路对大多数反馈电流具有电阻性，通过一个电容性或者电感性分压器从信号输入端将电流分流。

优先地，经由选择的多个低正向电压二极管，其反向连接并且处于输入端，而且连接匹配段的接地端。

优先地，二极管是肖特基二极管和/或锗二极管。

优先地，将直流偏压加到二极管上以降低它们的截止电压范围。

优先地，接收天线装置的输出端不止一个，每个输出端的电压具有近似相同的值。在这个装置中，每个输出端发出的信号通过分开的接收信道，信道可以是也可以不是同一个。相应地，接收系统并联的电路具有降低天线装置组件之间耦合的作用。

优先地，接收天线包括一个具有两个端的线圈，每个端的信号在量值上近似相同，但是相对于两端之间的一个信号接地点的极性是相反的。

优先地，隔离装置具有两个差分输入端和两个相对于地面的平衡输出端，且匹配段具有两个差分输入端和相对于地面的一个单独的输出端。

可选择地，首选的是隔离装置具有两个差分输入端和两个相对于地面的平衡输出端，匹配段具有两个差分输入端和两个输出端，且放大器具有两个差分输入端和一个单独的输出端。

优先地，将匹配段冷却以获得改进的热噪声和散粒噪声性能。

优先地，一个附加的阻尼开关一端接地且另一端连接天线的输出端，阻尼开关由发射信号脉冲序列的一个同步脉冲触发。

依照本发明的另外一个方面，这里提供了借助于一个天线装置从一种物质中接收一个响应信号的方法，物质具有受激励的四极核子以致产生四极核子的核四极矩共振，包括：

在进一步处理接收信号前，在一个接收时段期间，噪声将一个放大器与天线匹配并且降低天线系统的Q值，此时天线装置可以接收响应信号。

优先地，方法包括在接收时段开始时从天线中快速清除能量。

优先地，方法包括在接收时段期间，提高响应信号的相位稳定性。

优先地，方法包括在一个发射时段期间将天线装置隔离，此时天线发射一个激励信号以辐照物质，并且通过电子方式连接天线装置以确保在接收时段期间的噪声匹配。

如此，在发射时段期间，可以采用的方法是在天线上循环地保持一个高Q，紧接下来的整个接收任何数据的时段是一个低Q，在场内聚集发射信号脉冲序列以辐照物质。因此，如前所述的接收系统，高Q相允许动力传输到天线中以在一个频率带宽上进行有效的激励，且在接收时段的低Q允许测量信号及时接近激励发射信号脉冲。从而确保了响应信号的一个快速积累达到其最大幅度，加宽了频率带宽以接收响应信号或多个响应信号，且极大地提高了接收信号相位的稳定性。所有的这些特点允许在数据收集阶段进行更好的动力SNR测量以及从其它竞争信号中，例如那些由磁声物体或热噪声产生的信号，更好地对一个真正的响应信号进行选择。

附图说明

图1是在先技术的一幅具有代表性的电路图，显示了一个天线的串联连接，其连接到一个高电压隔离装置上，然后连接一个放大器。

图2是在先技术的一幅具有代表性的电路图，显示了如图1所示的相同的设备，在隔离电路和天线之间使用了一个Q开关。

图3是在先技术的一幅具有代表性的电路图，显示了一个放大器，其利用电容性分离的方式减小反馈噪声。

图4是一幅结构图，显示了接收系统的全面的配置，其使用了最佳的模式以实施发明。

图5是一幅电路图，显示了在每个实施例中使用的隔离开关。

图6是匹配段的一幅示意图，匹配段使用结型场效应晶体管，这符合第一至第六实施例，晶体管布置在一个接地栅极结构中。

图7是一幅示意图，根据第二个实施例对隔离装置作出的可选择的布置。

图8是按照第三个实施例作出的一幅反馈放大器的示意图。

图9是按照第四个实施例作出的由冷却部件冷却的匹配段的一幅示意图。

图10是一幅结构图，显示了第五个实施例以及本发明的第六个实施例的一个示意性的布置，其中一个低电压Q开关放置在隔离开关之后。

图11是匹配段的一幅示意图，其中匹配段使用第七至第十三实施例中的场效应晶体管，晶体管布置在一个栅地-阴地放大器构造中并且具有一个有效的冷电阻器作为反馈。

图12是一幅结构图，显示了一个结构的全面设计，其中包括一个单独的Q开关，以便从天线中清除一些能量。

具体实施方式

以下是对实施本发明的最佳模式的一个详细说明，详述了本发明的不同实施例，其中恰当地参考了附图。

实施本发明的最佳模式集中在一个检测响应信号的接收系统，信号从一种物质中发射出来，物质具有受激励的四极核子以致产生核四极矩共振，以及一种方法，接收系统通过此方法进行操作。

含有四极核子的物质可以由各种已知的已发展的技术激励，技术涉及发射用于辐照物质的一个发射信号脉冲。由于这些技术一般是公知的且除了它们涉及发射一个发射信号脉冲这一事实之外，与本发明没有联系，这些技术在这里没有进一步地详细描述。对于NQR现象的一个详细解释以及含有四极核子的物质是如何受激励的，这些在申请人的相应国际专利申请PCT/AU00/0124(WO 01/25809)中有叙述，可以作为参考。

如图4所示，最佳模式的接收系统11由一个隔离开关13，一个匹配段15以及一个放大器17组成，其通过电子方式连接一个具有高品质因数(高Q)的天线装置19。

高Q天线装置19和用于物质激励的天线是同一个，可以通过为该技术领域中的技术人员所能得到的任何方式来构造。例如，一个螺线管和平衡电容器可以用于组成带有天线线圈的一个共振电路，其能够检测磁场中的变化。天线装置19不必要与激励谐振腔物理连接，谐振腔内放置用于检测目的的物质，尽管可以最佳地接收一个感应信号，正如该技术领域中公知的互易定理确定的，其是最佳的理想配置。

接收系统11的输出电压或电流包含放大的模拟信号，其可以传入一个数字化部件中(没有显示)，由一个计算部件(也没有显示)作进一步处理，以便检测一个NQR信号的存在，信号取决于一个被检测到的物质。

隔离开关13包括一个感应元件，元件的阻抗能够在两种不同的状态之间变化。这两种状态是一个高阻抗模式，其由具有一个高电抗的感应元件设置，和一个低阻抗模式，其由具有一个低电抗的相同的感应元件设置。这可以通过多种方式获得，有关实施本发明的最佳模式的特定实施例的特定装置将在随后描述。

匹配段15是一个热噪声匹配电路，其由N中继半导体晶体管元件构成。选定的晶体管在电源电阻具有最低的噪声系数，具有典型的天线装置19的频率以及偏压配置。

半导体晶体管的选择取决于天线呈现出来的电源阻抗(R)。对于大约是200-2000的Q值以及1MHz左右的频率，电源阻抗具有1000欧姆等级。对于一个低于1.0分贝预定的噪声系数而言，可以在双极晶体管(BJT)和场效应晶体管(FETs)之间作出选择。优选结型场效应晶体管(JFETs)，因为它们具有极好的低电压和电流噪声特性，可以很容易地并联获得与一个指定的电源电阻匹配的最佳噪声。偏压配置用于将散粒噪声减小至一个点，此时其所起的作用可以忽略不计。

鉴于每个设备的等效电压噪声(V_n)以及电流噪声(I_n)，匹配段15中的场效应晶体管的大概数目(N)由以下给出：

N＝V_n/(I_nR)

匹配段15本来就降低了输入阻抗，这一点由线圈可知。

处于一个基极接地配置的场效应晶体管，小信号输入阻抗R_input大体上由以下给出：

R_input＝1/(Ng_m)

其中g_m是每个场效应晶体管的跨导。

以上的近似值呈现了一个合理的低输出负载阻抗(～1000欧姆)。最佳噪声匹配的几个场效应晶体管的输入阻抗在1-30欧姆之间，这取决于对场效应晶体管的选择，以及偏压元件和匹配段电路设计中的电流。精选晶体管输入电阻的温度在一个调谐点上小于0.5K。

为了获取这种效果，将要控制天线的减幅振荡，举例子来讲，输入阻抗的最差限制是20欧姆。天线上阻抗的减少将Q值降低到50左右，并且给出了一个衰减常数，这可以从具有6μs且f₀＝1MHz的在先的公式中计算出来。为了将减幅振荡的电平减小到接收的目标材料信号电平之下，常常假定这是在时间常数为20的一个时段内发生的。因此，匹配放大器17的输入阻抗最差在大约120μs内消除了天线的减幅振荡。

在非匹配的系统中，天线的减幅振荡持续大约6ms。这个长时间的间隔降低了接收系统的性能，不仅增加有效的死时间，而且强制改变用在NQR激励中的脉冲序列而延长了发射脉冲之间的延迟。

考虑到相移，减小Q的效果显现出来，相移是由调谐点上的一个频率偏置产生。这个相移φ在以下给出：

φ＝2Q(ω-ω₀)/ω₀

其中ω是线的角频率且接近ω₀，ω₀是天线的角中心频率。相位灵敏度直接与天线的Q成比例。

如以上的例子所述，Q从1000减小到50，改进是一个特殊频率偏置的一个因数20。当进一步处理涉及响应信号的相干相加或相减，相位选择或对于一个检测算法的一个相位加权方法时，这一点尤为重要。

基于本发明最佳模式的放大器17是一个具有高输入阻抗的标准放大器。这种构造的放大器17在其输入端具有低电流和电压噪声的特性，以致其不会较大地增加由先前元件产生的热噪声电平。采用这种装置，接收系统11有效地加宽带宽且降低了高输入阻抗放大器17的输入阻抗。

匹配段15必须具有一个0.5至50的低增益以避免饱和，于是通常需要跟踪一个高增益放大器17以产生有足够量值的一个被捕获的信号，超出了在数字部件(没有显示)中的一个模数转换器(ADC)的数字噪声。

因此，最佳模式的放大器17具有极好的噪声系数，增益大于100。在实践中，放大器部件17可以分离成几个增益等级或者是集成的，且放大器拥有反馈元件以设置期望的低噪声输入特性。

实施本发明的最佳模式将通过几个实施例描述。根据第一个实施例，隔离开关13包括由一个控制电路控制的一个低损耗射频变压器，匹配段15包括多个并联的共栅极结型场效应晶体管，且放大器17包括一个高输入阻抗放大器。

隔离开关装置如图5所示，其中带原线圈和次级线圈的一个低损耗射频变压器具有一种低损耗高导磁率的材料。变压器的原侧21a形成了信号接收系统11的串联电路，且次级侧21b借助于一个控制电路23和开关25形成断开或闭合的电路以促使在电抗和阻抗中发生一个变化。

隔离开关13在断开状态时不传导有效的电流，且在发射了用以激励物质中四极核子的发射信号脉冲后，开关是能够闭合的，以致提供低于匹配段15的输入阻抗的一个低阻抗通路。本实施例中的隔离开关13的控制电路23应用从一台计算机或定时电子设备中发出的一个外部控制信号，其与激励电路的发射信号脉冲同步。这个控制信号触发开关25，令其在一个指定持续时间内处于一个闭合位置，这与接收系统11的接收时段重叠。

随着隔离开关13闭合，天线19中的信号将到达噪声匹配段15。匹配段15的目标是在一个电路配置中将接收系统11的信噪带宽最优化，电路配置向天线19呈现出一个低负载阻抗。这个在匹配段15输入端的降低的阻抗将有效地减少天线19的Q。减少的Q具有三个主要有益的作用，第一是增加了接收机系统的带宽，第二是有效地清除了储存在天线中的能量以及第三是在响应信号接收阶段提高了稳定性。这些可以与在先技术相比较，在先技术中的一个典型的高Q天线系统将使放大器处于几毫秒的饱和状态。

依照本发明现在的实施例，匹配段15如图6所示。本图显示了并联的共栅极结型场效应晶体管27重复的部件以及偏压网络元件29a。

在根据本实施例的一个匹配段的结构中，特别引起注意的是最小化密勒效应(噪声的电容性放大)，且具有一个信号接地的有效冷电阻输入端。匹配天线19的噪声确定了在一个选定的偏压点上的部件数量。设备的选择很大程度上决定了一个合适的偏压网络。带有一个适合的设备，偏压网络可以简化成非常简单，即便是任何电子组件。组件的减少通常对元件加宽带宽很有作用。在这种结构中，在每个部件27的漏极侧，置于工作点的一个低值电阻器31与一个电容器33并联以最小化它的相对于高频信号的串联电阻。通过一个简单的网络29a和29b轻易地加偏压到结型场效应晶体管27，网络可以由一个宽带调谐元件组成。

穿过场效应晶体管引线的偏压保持低压，以致减少结式泄漏电流中的电流噪声。偏压电平在某种程度上与源漏电流量进行交换，其同时规定了每个器件27的跨导。理想地，选定的场效应晶体管27具有相同的特性且具有最佳的品质因数(等于g_m/2πC_j，其中C_j是结电容)。

本实施例的匹配段15具有一个缓冲网络35，如图所示，其将匹配段与后续放大级17隔离。这个缓冲网络35可以如同一个电容器般简单。

第二实施例与第一实施例实质上是相同的，除了隔离开关装置13由一个控制器取代，控制器监听激励电路的发射信号，并且一旦发射信号电平升高超过一个指定的电平则触发一个断开状态，以及一旦发射信号电平低于一个指定的电平则触发一个闭合状态。这种配置具有自保护的优点，且借助于一个不正确的定时触发脉冲来自动保护后面的电子设备免受天线上高电压的损害，触发脉冲由第一实施例中隔离开关装置产生。

如图7所示第二实施例的一个实例，其中隔离开关13使用一个1/4波长线41代替变压器21，波长线具有一个末端43，其通过断开或闭合一个导电元件46而形成一个节点或腹点。在这个实例中，1/4波长线末端43终止于反向连接的信号二极管47，其依赖于控制器23传感的发射信号的电平而自动断开以及闭合。

第三实施例实质上与第一或第二实施例相同，除了放大器17由一个反馈放大器所代替，反馈放大器是用于降低它的输入阻抗而从一个电阻反馈电路元件中没有产生噪声，如图8所示。网络盒子60可以是一个电阻器，电容器或者是构成一个反馈放大器的一系列电路。

第四实施例实质上与第一或第二实施例相同，除了在这个实施例中匹配段15被冷却，如图9所示。这通过一个珀耳帖效应部件30完成，其中冷面连接到结型场效应晶体管27上。温度降低到室温以下时减小了设备的散粒噪声。为了有效地减少匹配段的热噪声，需要使用一个再循环的冷却系统来进一步的冷却。

第五实施例实质上与第一，第二，第三或第四实施例相同，除了在这个实施例中增加了反向连接的信号保护二极管形式的阻尼装置。如前所述，在隔离开关13刚闭合后，在一个高Q的天线内存留明显的能量。这个能量很有可能使匹配段15饱和，而在这个时段趋向一个较高的输入阻抗。如图10所示，为了避免饱和以及损害，增加反向连接的保护信号二极管49，其一端连接信号输入端而另一端信号接地。这种结构的二极管49削弱了超出这个截止电压的输入信号，流经它们的总电流依赖于选择的二极管。

为了它的低正向电压和IV陡曲线而选择二极管的类型，以致具有尽可能低的截止电压(代表的是小于0.3V)和尽可能大的实际电阻(大于10000欧姆)而无法导电。起这种作用的二极管类型是锗二极管和肖特基二极管。

反向连接的二极管对49并联将截止电压减小到某种程度或者可控制地将一个直流电压加偏压于二极管以减小有效的电压波段，二极管在此电压波段不能导电。

在这个实施例中，匹配段的输入阻抗通过输入电压的范围保持它的值小于一个低值。输入端的二极管是经过精心选择的，所以它们的正向电压允许匹配放大器17总是呈现低阻抗而不产生过多的噪声。如前所述的这些二极管49在输入端是反向连接的。在二极管不导电的电压上，匹配段15能够保持低输入阻抗以降低输入电压。肖特基二极管被认为是用于此目的的最佳二极管。

第六实施例实质上与第一，第二，第三，第四或第五实施例相同，在匹配级的输入端增加一个信号接地的半导体箝位开关从而避免饱和。如图10所示的阻尼开关50，在一个定长的时间内箝位开关闭合以便从天线中清除能量，且在隔离开关闭合后电压减小到一个充分的等级。这个箝位开关的断开是受控制的，以致不会再次激励天线17。也可以再次布置箝位开关而不允许控制信号再次激励天线。

本实施例的一个实例涉及箝位开关，开关包括一个低栅以消耗电容金属氧化物半导体场效应晶体管器件或并联的金属氧化物半导体场效应晶体管器件，栅由一个成形控制信号驱动以增加导电性。

第七至第十三实施例实质上与第一至第六实施例相同，除了匹配段15中的结型场效应晶体管由场效应晶体管代替。如图11所示，场效应二极管51布置成一个栅地-阴地放大器的形式。

在这些实施例中，如第一实施例中所述，匹配段15具有晶体管网络的N中继元件以便获得匹配天线有效并联电阻的一个闭噪声，对于一个场效应晶体管栅地-阴地放大器的实施例，输入阻抗是巨大的，但是通过一个负反馈网络53，其一端连接输出终端55，另一端连接匹配段15的输入终端57，能够很容易地降低输入阻抗。

在这种情况下，注意确保反馈网络53的噪声没有到达放大器17的输入端。这个实施例使用电阻性反馈，其中反馈网络53减小这个分配在匹配段15输入端57的电阻的热噪声。换句话说，提供的一个反馈网络53充当一个“冷电阻器”。

作为这个“冷电阻器”的一个实施例，网络53是一个串联电路，其中带有一个电容器(没有显示)的一个工作放大器(没有显示)紧随电阻器之后，作为一个提供负反馈的积分器，这个积分器的输出端连接到一个微分电路(没有显示)的输入端。微分电路可以简化成一个电容器。微分电路的输出端连接到匹配段的输入端形成闭合的反馈回路。

如图11所示的缓冲网络59将从场效应晶体管级51分离输出端的直流偏压，缓冲网络可以简化成一个电容器。

另外一种布置需要一个更加复杂的缓冲网络59以提供额外的增益和相位校正。

电阻器R_D控制场效应晶体管级51的断开回路增益。栅地-阴地放大器中的较高的场效应晶体管没有必要同较低的场效应晶体管相同，事实上，在这个实施例的优选的布置中，较高品质因数的场效应晶体管有一个高于每对较低场效应晶体管的I_dss。

首选的是，当前的实施例可以用作同其它引入的阻尼设备相结合。例如，图7所示，一个单独的控制开关46部分地影响电路的阻尼，开关一端连接天线信号导线且另一端信号接地。图12是一个普通的例子。实施例14至26实质上与实施例1至13是相同的，具有一个阻尼方法或多个阻尼方法，其能够清除天线中的一些能量，天线置于隔离装置之前，隔离装置断开允许阻尼通过匹配段继续下去。作为这个方法的一个实例是一个Q开关，其一端连接天线的输出端，另一端信号接地，而且一个半导体设备担当该开关，例如一个合适的高电压三端双向可控硅开关元件。另一个阻尼的例子是通过一种方法，紧接在激励时段后，利用功率放大器从天线中清除能量。在这个例子中，在一个短时段内清除了一些能量，其中发射信号是180度，与激励信号的激励异相而及时地领先于它。

值得注意的是，本实施例的范围不限于在这里描述的独特的实施例，且本发明的其它实施例也可以想象的到，它们既不偏离本发明范围也不偏离本发明的实质。

Claims (54)

1、与一个天线装置连接的一个接收系统，用于检测源自一种物质的响应信号，该物质具有受激励的四极核子以致在其中产生核四极矩共振，系统包括：

一个放大器，将接收响应信号放大以便进行后续处理；以及

一个匹配段，将放大器与天线匹配；

其中匹配段噪声在一个接收时段期间将接收系统与天线匹配，并且减小天线的Q值而不需要特别地降低信噪比。

2、如权利要求1中所述的一个接收系统，其中匹配段向天线呈现一个有效的较低阻抗。

3、如权利要求1或2中所述的一个接收系统，其中所述匹配段包括一个阻尼装置，以衰减来自天线的存储的发射能量，而不需要进一步开关转换或改变配置。

4、如前所述的任意一项权利要求中的一个接收系统，包括隔离装置，其可选择地将天线从接收系统隔离；隔离装置包括开关装置，用于在一个发射时段期间将接收系统从天线隔离，此时天线发射一个激励信号以辐照物质，且紧接发射时段后的一个接收时段期间，开关装置通过电方式将接收系统与天线连接。

5、如权利要求4中所述的一个接收系统，其中隔离装置置于天线和匹配段之间，以便阻塞在发射时段期间可以在天线上产生的高电压。

6、如权利要求4或5中所述的一个接收系统，其中隔离装置包括具有隔离作用的在反向连接的二极管终止的1/4波长线，并且通过保护二极管与邻近放大器的节点结合。

7、如权利要求4或5中所述的一个接收系统，其中隔离装置可以通过一个π网络操作，该网络在实施中等同于一个1/4波长线，且终止于反向连接的二极管。

8、如权利要求4或5中所述的一个接收系统，其中隔离装置产生一个电感变化，在开关转换的过程中从一个高阻抗值变化到一个低阻抗值，隔离装置的较低阻抗值小于匹配段的特性输入阻抗。

9、如权利要求4至8任意一项中所述的一个接收系统，其中隔离装置是自动开关的，通过电子方式监控输入信号电平的升高或降低，超过一个极限值时引起触发。

10、如权利要求4至8任意一项中所述的一个接收系统，其中隔离装置是自动开关的，并且由一个第二输入触发，其通过电子方式监控来自发射机组件输出信号的一个升高或降低。

11、如权利要求4至10任意一项中所述的一个接收系统，其中隔离装置由一个可再生的电子信号触发，其与发射序列同步。

12、如权利要求4至11任意一项中所述的一个接收系统，其中开关装置具有及时断开以及闭合的特点。

13、如权利要求4至12任意一项中所述的一个接收系统，其中开关装置不是频率依赖核四极矩共振关系线的一般范围。

14、如权利要求4至13任意一项中所述的一个接收系统，其中紧随在所述隔离装置之后的是一个低阻抗信号接收电路，其减少天线中的能量并且在整个接收时段期间保持低阻抗状态。

15、如前所述的任意一项权利要求中的一个接收系统，其中所述的匹配段由高品质因数的晶体管构成，建立接近于周围温度的热噪声以匹配天线。

16、如前所述的任意一项权利要求中的一个接收系统，其中包括一个附加的低阻抗低电压且高速度的半导体开关，其放置在所述隔离装置之后充当一个阻尼开关。

17、如权利要求16中所述的一个接收系统，其中阻尼开关具有预定的转变速率，以致不会通过寄生电容或状态变化而再次激励天线。

18、如权利要求16或17中所述的一个接收系统，其中阻尼开关基于晶体管并且处于匹配段输入端，可控制地降低信号接地的输入电阻，阻尼开关由与发射序列同步的一个脉冲激励。

19、如权利要求16至18任意一项中所述的一个接收系统，其中阻尼开关基于一个场效应晶体管或者并联的多个场效应晶体管，脉冲触发栅极或者多个栅极。

20、如权利要求16至18任意一项中所述的一个接收系统，其中阻尼开关基于一个金属氧化物半导体场效应晶体管或者并联的多个金属氧化物半导体场效应晶体管，其中源极和漏极一端连接信号输入并且另一端接地，一个栅极脉冲触发阻尼开关。

21、如权利要求16至20任意一项中所述的一个接收系统，其中阻尼开关的开启或关闭特性通过时间控制。

22、如前所述的任意一项权利要求中的一个接收系统，其中在匹配段包括并联的结型场效应晶体管，源极和漏极在信号接地端与它们的栅极相连。

23、如权利要求1至21任意一项中所述的一个接收系统，其中匹配段包括多个结型场效应晶体管，其布置在具有一个负反馈电路的一个栅地-阴地放大器装置中。

24、如权利要求23中所述的一个接收系统，双极晶体管与结型场效应晶体管的源极相连。

25、如权利要求23或24中所述的一个接收系统，其中负反馈电路等效于一个冷电阻。

26、如权利要求23至25任意一项中所述的一个接收系统，其中负反馈电路是电容器或者感应器的一个组合。

27、如权利要求23至25任意一项中所述的一个接收系统，其中负反馈电路对大多数反馈电流具有电阻性，通过一个电容式或者电感式分压器将电流从信号输入端传送到信号接地端。

28、如前所述的任意一项权利要求中的一个接收系统，其中匹配段的带宽限于通过一个调谐电路获得。

29、如权利要求28中所述的一个接收系统，其中选择的带宽典型地处于从1KHz至200KHz的一个范围内。

30、如前所述的任意一项权利要求中的一个接收系统，其中放大器具有一个低噪声系数的负反馈。

31、如权利要求30中所述的一个接收系统，其中通过等效于一个冷电阻的一个负反馈电路将电压反馈。

32、如权利要求31中所述的一个接收系统，其中反馈电路对大多数反馈电流具有电阻性，通过一个电容式或者电感式分压器将电流从信号输入端转移。

33、如前所述的任意一项权利要求中的一个接收系统，其中包括多个经由选择的低正向电压且反向连接的二极管，它们处于输入端并且连接匹配段的接地端。

34、如权利要求33中所述的一个接收系统，其中二极管是肖特基二极管和/或锗二极管。

35、如权利要求33或34中所述的一个接收系统，其中在二极管上加直流偏压以减小它们的截止电压范围。

36、如前所述的任意一项权利要求中的一个接收系统，包括一个天线装置，其输出端不止一个，每个输出端的电压具有近似相同的值。

37、如权利要求36中所述的一个接收系统，其中每个输出端发出的信号通过分离的相同接收信道。

38、如权利要求36中所述的一个接收系统，其中每个输出端发出的信号通过分离的不同的接收信道。

39、如权利要求36至38任意一项中所述的一个接收系统，其中接收天线包括一个具有两个端的线圈，每个端信号的量值近似相等，但是相对于两端之间的一个信号接地点的极性是相反的。

40、如权利要求4至39任意一项中所述的一个接收系统，其中隔离装置具有两个差分输入端和两个相对于接地的平衡输出端，且匹配段具有两个差分输入端和相对于接地的一个单独的输出端。

41、如权利要求36至39任意一项中所述的一个接收系统，其中隔离装置具有两个差分输入端和两个相对于接地的平衡输出端，匹配段具有两个差分输入端和两个输出端，且放大器具有两个差分输入端和一个单独的输出端。

42、如权利要求36至41任意一项中所述的一个接收系统，其中包括另外一个的阻尼开关，其一端信号接地且另一端连接天线的输出端，阻尼开关由与发射信号脉冲序列同步的一个脉冲触发。

43、如前所述的任意一项权利要求中的一个接收系统，其中冷却匹配段以获得改进的热噪声和散粒噪声性能。

44、借助一个天线装置从一种物质中接收一个响应信号的方法，物质具有受激励的四极核子以致产生四极核子的核四极矩共振，包括：噪声，在进一步处理接收信号前，在一个接收时段期间噪声匹配放大器和天线并且降低天线系统的Q值，此时天线装置可以接收响应信号。

45、如权利要求44中所述的一种方法，其中通过向天线呈现一个有效低阻抗的方式获得噪声匹配。

46、如权利要求44或45中所述的一种方法，包括衰减来自天线的存储的发射能量，而不需要进一步开关转换或改变配置。

47、如权利要求46中所述的一种方法，其中所述的衰减包括在接收时段开始时从天线中快速清除能量。

48、如权利要求44至47任意一项中所述的一种方法，包括在接收时段期间提高响应信号的相位稳定性。

49、如权利要求44至48任意一项中所述的一种方法，包括在一个发射时段期间将天线装置隔离，此时天线发射一个激励信号以辐照物质，并且通过电子方式连接天线装置确保在接收时段期间的热噪声匹配。

50、如权利要求49中所述的一种方法，其中隔离包括阻塞在发射时段期间可以在天线上产生的高电压。

51、如权利要求49或50中所述的一种方法，其中隔离产生电感变化，在开关转换的过程中从一个高阻抗值变化到一个低阻抗值，较低阻抗值小于匹配段的特性输入阻抗。

52、如权利要求44至51中所述的一种方法，包括发射时段期间在天线上采用循环的方式保持一个高Q值，紧接下来的整个接收任何数据的时段是一个低Q值，在场内聚集发射信号脉冲序列以辐照物质。

53、在这里充分描述的一个接收系统应适当地参照附随的附图。

54、在这里充分描述的一种方法应适当地参照附随的附图。

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