TW200823482A - Superconductive quantum interference device (SQUID) system for measuring magnetic susceptibility of materials - Google Patents

Description

200823482 zzuz/rwr.doc/n 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於量測材料之磁化率（magnetic susceptibility)。更特定言之，本發明是關於藉由超導量子 干涉兀件（superconductive quantum interference device)來 量測材料之磁化率。 【先前技術】 • 吾人已知超導量子干涉元件（SQUID)具有用於感測 磁通量（magnetic flux)之高能力，也因此已開發出許多 種使用 SQUID 之磁债測糸統（magneuc detecti〇n SyStem )。 由於SQUID元件對磁通量具有高靈敏性，所以已將其應 用於偵測極小之磁信號，諸如由生物活性體（bi〇_activky) 或奈米區塊（nano-bl〇ck)所產生之磁信號。 圖1A至圖lc為示意性地說明SQUID設計之若干類 型的圖式。在圖1A中，通常在基板上製造SQUID 100。 此基板具有邊界1〇1。邊界1〇1 (例如）形成具有晶粒邊界 (gram boundary)之兩個晶粒區域1〇2a以及1〇2b。或者， 例如，兩個區域102a以及l〇2b可具有梯段高度（step height)以形成梯段邊界。SQUID 100具有如圖1A中以陰 影所不之超導膜（superconductivefilrn)。squid 100 包括 並％連接之兩個約瑟芬接面（j〇sephs〇njuncti〇n) 110。電 極引線（electrode lead) 104a在區域102a處沈積於基板上， 其通常具有兩個引線端子（lead terminal)。一端子I ι〇8 疋用於施加電流通過約瑟芬接面11()，且另一端子V 1〇6 6 200823482 /iwr.doc/n 是用於偵測感測電壓信號（induced voltage signal)。電極 引線104b接地。 如下描述SQUID之基本特徵。當在端子〗1〇8處注入 略南於臨界電流之偏流（bias current)且偏流流過約瑟芬 接面11〇時，約瑟芬接面變為電阻分路之接面（resistiw^ shunted junction )，且在約瑟芬接面上出現電壓。歸因於超 導材料之麥士納效應（Meissenereffect)，當外部磁通量通 過SQUID上時，感應出穿過此等兩個接面之循環電流 (circulating current)以補償在此等兩個約瑟芬接面之超^ 環所封閉之區域内的外部磁通量。因此，產生由外部磁通 里所感應之電流以流過約瑟芬接面之有效分路的電阻哭。 因此，在端子V 106處所偵測之電壓歸因於外部磁通量之 施加而變化。接面上之電壓為回應於所施加之磁通量的週 期函數（periodic function)。 在圖1B中，以圖1A中之SQmD設計，將兩個超導 線圈連接至SQUID元件，以便具有兩個偵測區域9〇a以及 9〇b。若磁場不均勻，則偵測區域9〇a與偵測區域9〇b產生 不平衡效應（unbalanceeffect)。因此，可藉由梯产，來偵 測磁梯度（magnetic gradient)。以直流電流（Dc)模式來 操作進行中的SQUID。然而，在圖1C之另一實例中=可 設計射頻（radio-frequency，RF ) SQUID 磁力含十 (magnetometer )。LC諧振電路94可偵測投至超導線圈％ 上之磁場，其中約瑟芬接面插入環中。另外，若以共用約 瑟芬接面之兩個線圈來替代超導線圈92，則可赛得好 200823482 zzuz /rwr.doc/n SQUID梯度計。可以各種方式來設計SQUID。 藉由利用SQUID感測磁通量（尤其是極弱之磁通量） 的能力，已在不同的應用態樣中開發了各種基於squid 之系統，諸如心磁圖（magnetocard〇graphy )、腦磁圖 (magnet0encephal〇graphy )、非破壞性偵 (一―，等等。然而，仍尚未考慮基於= 之AC磁化率—的特性。本發明更針對於Ac磁化率 之量測。 【發明内容】 本fx明k供一種用於置測材料之磁化率的squid系 、、充由於使用SQUID元件，所以靈敏性得以顯著地改良。 本發明提供一種用於量測材料之磁化率的超導量子干 涉兀件（SQUID)系統。SQUID系統包括具有激發線圈組 (exC，ati〇n coil set)以及拾取線圈組（pick_up _ 奶）之 磁通虽源供單元（magnetic-flux sourcing unit)。激發線圈 組將變化之磁通量供應至材料上，且拾取線圈組感測來自 材料之感應磁通量。磁通量轉移路線（magnetic_flux tmnsfb^o^te)耦接至拾取線圈組以用於將感應磁通量轉移 至磁通置讀取區塊所處之位置。磁通量讀取區塊在此位置 處具有至少SQUID組以感測此感應磁通量以及電子電路 區塊以自SQUID組讀取此感測磁通量。 換§之’ SQUID系統之進行中的實施例包括藉由磁通 量轉移單元而耦接在一起的感測區塊以及讀取區塊。因 此’可彳貞測樣本材料之磁化率特性。 8 200823482 § C r» JL. doc/n 或者，本發明提供一種用於量測磁化率之SQUID系 統，其包括處於具有變化之磁場之環境下的拾取線圈組， 以便產生感應電流。變換元件耦接至拾取線圈組以用於將 感應免流轉移至-位置，其巾感應電流流過線圈迴路以產 生感應磁場。SQUID單元位於此位置處則貞測磁場。 應理解，進行中的概述以及以下詳細描述為例示性 的，且思欲提供對所主張之本發明的進一步闡釋。

【實施方式】 ^在本發明中，提供一種用於量測變化之磁場的squid 糸統。因為磁隨時間而變化，所以變化之磁場亦產 生變化之磁通量，變化之磁通量在迴路上感應電流。 性的化’磁ϊ率χ為用以描述材料之磁特 〔 寸疋5之，當將具有所要頻率（其可為單 、之AC磁場Hac施加至樣本材料上時，萨由 A材料之磁化率^，其中心為職 狀·在所施加之AC磁場I下的ac磁化強度。AC 磁化強度不僅是表树料之爾性的重要量，而且亦是 徵以磁標記所標記之目_敲量的指 $ Μ疫檢二，知方式之I可藉㈣端法= (〇pen-endFaradaycoil)來量測。然而 = 發明以改良之靈敏性來量測。以下提供—衫施例 描述本發明之特徵而非用於限制本發日月。 、 圖2為根據本發明之實施例示意性地說明 統之操作機制的圖式。在圖2中，本發明_ S^UID^ 9 200823482 zzuz/iwi.doc/n 統，其至少可以咼敏感性來量測材料之mac。本發明之用 於ϊ測磁化率的SQUID系統包括（例如）拾取線圈組12〇， 其安置於具有變化之磁感應強度（magnetic induction)B/t) 的環境下，以便在拾取線圈組120上產生感應電流‘Τ 。 拾取線圈組120可為（例如）單迴路線圈或螺線管線圈， 或甚至為待描述於圖3中之具有相反捲繞方向的一對螺線 管。在另一應用中，例如，亦以變化之磁感應強度Bi(t) 來使具有拾取線圈組120之材料磁化且產生磁化強度μ。 變化之磁感應強度B^t)(例如）為具有所要頻率之磁 場。接著根據電磁現象而產生此磁化強度Mac。MAC之量 亦相應地改變感應電流“r。換言之，感應電流載運Mac 之資訊。接著，亦可間接量測磁化率。稍後將進一步描述 作為實例之量測機制。 另外，變換元件122耦接至拾取線圈組12〇以將感應 電流“i”轉移至遠端位置，在此遠端位置處，可以高敏感 性來量測感應電流。感應電流“i”流過線圈迴路124以在 物理現象下產生感應磁感應強度B2⑴。換言之，其在B^t) 與B2(t)之間具有關係，其中由b2⑴來載運磁化率之資訊。 §然’ B；2(t)亦導致線圈迴路124上之磁通量變化。線圈迴 路124可為單迴路或螺線管。通常，感應磁感應強度B2(t) 較小。鑒於此，可（例如）包括電流放大器126或替代以 諧振電路以將磁場轉移至遠端位置。可在此位置處使用 SQUID單元128來偵測磁感應強度B2(t)。由於SQUID單 元128對磁通量較敏感，所以可精確地量測Byt)，且可（例 200823482 ζζυζ/iwi.doc/n

Γ28) Γ:二而言 ’ s_ 單元 至圖1C科中作騎例前在圖1A

匕在圖2巾、線圈迴路124亦可能拾取來自磁場 之背景效應，而$僅錢M對拾取線_ i2G之效應。然 而匕可>(例如）藉由圖3所示之設計來移除來自磁場邮） 之背景效應。在圖3中’拾取線圈組可由串聯祕但具有 相反旋轉方向之-對螺線管13()與132形成。舉例而古， 螺線管130自端子136至端子138順時針捲繞，而螺線管 132自子140至％子136反時針捲繞。根據電磁現象， 當施加外部磁感應強度B(t) 134穿過螺線管13〇以及132 時，在螺線管130以及螺線管132上感應電流“以及電流 b。然而’歸因於相反捲繞方向，電流L自端子136流至 端子138，而電流丨2自端子136流至端子14〇。因此，兩 電流ii與匕亦相反，且因此相互抵消。若電流“與電流^ 之量相等，則其導致在端子138與端子140之間的電流為 零。以此方式，可消除背景電流。根據所欲之應用，可以 圖3中之結構來設計圖2中之拾取線圈組120。以此方式， 當將磁化材料安置於一螺線管中時’輸出電流可直接反映 磁化強度Μ⑴，而不包括背景電流。圖3之設計更有助於 移除背景電流。 基於進行中的設計機制，本發明提出SQUID系統。 圖4為示意性地說明用於量測材料之磁化率之SQUID系 統之結構的圖式。在圖4中，提供基於SQUID之AC磁化 11 200823482 22U2/twt.doc/n 率量測法作為實施例。設計原理是基於圖2之結構。一般 而言，SQUID系統包括磁通量源供單元400，其具有激發 線圈組（ 156+160)以及拾取線圈組142。激發線圈組在此 實例中包括（例如）捲繞在圓筒154以及158上之兩個線 圈150以及160。線圈156、線圈ι6〇可為（例如）螺線管 設計’但螺線管設計並非唯一的選擇。此外，激發線圈組 中線圈的數目可視所要之實際操作頻率而為一或多個。基 本上’由函數產生器以給定頻率來驅動每一線圈，以產生 與磁場H(t)成比例之磁感應強度b⑴。當將多個線圈包括 在一起時’可獲得諸如mfi+nf2之混合AC頻率，其中m 以及η為整數，&以及f2為激發頻率。激發線圈組將對樣 本材料162產生時變磁場，以便以磁化強度μ⑴來使材料 162磁化。材料162之磁化強度μ⑴可以被量測，以便獲 得AC磁化率。 為了感測材料162之磁化強度Μ⑴的效應，筒140上 之拾取線圈142可债測材料162。自激發線圈組中所產生 之磁感應強度（或磁場）可進入拾取線圈142以及材料 162。接著使材料162磁化。如先前在圖3中所述，可將拾 取線圈142設計成具有一對具有相反捲繞方向之螺線管 142、146。螺線管142以及螺線管146可（例如）捲繞在 筒140以及筒144上。若螺線管142與螺線管146之尺寸 以及圈數相同，則可消除背景感應電流。淨感應電流實質 上僅來自材料162之磁化強度的效應。元件150以及元件 152為（例如）用以支撐並覆蓋拾取線圈内部之材料的支 12 200823482 zzuz /rwi.doc/n 撐元件。此處，磁通量源單元400更需要一些機械支撐元 件’等等。此處不描述機械支撐元件之細節。 可經由磁通量轉移路線164而將來自拾取線圈142之 • 感應電流轉移至遠端，例如，此遠端可為線圈迴路168。 當感應電流“i”流過末端線圈迴路168時，可相應地產生 磁感應強度B(t)。作為設計選項，末端線圈迴路可為 單迴路或螺線管。感應磁感應強度B(t)/磁場H(t)亦形成磁 • 場通量。此處，感應電流“i”可能較小，且可由諸如諧振 電路或電流放大器之電路166放大。末端線圈168之位置 可經定位成遠離材料162。 ^此外，通常，包括磁通量讀取單元402以讀取感應磁 %。此處，使用位於末端線圈168附近的至少§quid組 170來感測感應磁通量。使用電子電路區塊以自組 170讀取感應磁通量。電子電路區塊可（例如）包括sQum 電子電路Π2以及讀出電子電路丨74。根據待偵測之資訊， 鲁 SQUID組17〇可為（例如）射頻SQUID磁力計、射頻squid 梯度計、直流SQUID磁力計、直流squid梯度計或電子 梯度計’而無特定限制。與習知通量偵測器相比，SqUID 對磁通量更為敏感，使得可改良量測精確性以及敏感性。 另外’由於SQUID在與高溫超導材料有關的範圍内 在低溫下操作，所以SQUID在可由罩殼182所形成之液 氮環境184下操作。另外，也可使用具有磁及/或RF屏蔽 功能之外罩殼176。另外，也可可使用海綿178或彈性支 撐兀件來避免振動。此處不描述機械支撐元件之細節。 13 200823482 zzuz/rwi.doc/n 生物==SQUID系統以(例如)量測來自可為 生物k本料之材料的AC磁化率。可藉 至少'線圈的混合物而獲得所施力心員 果明之實施例在量測材料之磁化率時的實驗結 果。在圖5中，以兩個目標頻率f=mfi+nf2來 SQUID系統充當（例如）AC磁化率量測法。上部圖$為 在不具有材料162之情況下的頻譜，而下部圖式為^有

材料162之情況下的頻譜。可清楚地看出，偵測出顯著之

Xac峰值。換言之，本發明實際上可良好地工作。、 、熟習此項技術者將顯而易見，在不脫離本發明之範疇 或精神的前提下，可對本發明之結構作出各種修改以及改 變。鑒於以上描述，若本發明之修改以及改變在以下申請 專利範圍以及其均等物之範疇内，則希望本發明涵蓋本發 明之修改以及改變。 皿 X 【圖式簡早說明】 隨附圖式經包括以提供對本發明之進一步理解，且被 併入本說明書中並構成本說明書之部分。此等圖式說明本 發明之實施例且連同描述一起用以闡釋本發明之原理。 圖1A至圖1C為示意性地說明SQUID設計之若干類 型的圖式。 圖2為根據本發明之實施例示意性地說明SQUID系 統之操作機制的圖式。 圖3為根據本發明之實施例示意性地說明拾取線圈之 結構的圖式。 14 200823482 / LWi.doc/π 圖4為根據本發明之實施例示意性地說明用於量测材 料之磁化率的SQUID系統之結構的圖式。 圖5為根據本發明之實施例在量測材料之磁化率時的 實驗結果。 【主要元件符號說明】 90a :偵測區域 90b ··偵測區域 92 :超導線圈 94 : LC諧振電路 100 ··超導量子干涉元件（SQUID) 101 ··邊界 102a :區域 102b :區域 104a ·電極引線 104b :電極引線 106 端子V 108 端子I 110 約瑟分接面 120 拾取線圈組 122 變換元件 124 線圈迴路 126 電流放大 128 SQUID單元 130 螺線管 15 200823482 / LWI.d〇C/n 132 :螺線管 134 :磁感應強度B(t) 136 :端子 138 :端子 140 :端子/筒 ' 142 :拾取線圈/螺線管 144 :筒 I 146 :螺線管 150 :元件 152 :元件 154 :圓筒 156 :線圈 158 :圓筒 160 :線圈 162 ·樣本材料 _ 164 :磁通量轉移路線 _ 166 :電路 168 :線圈迴路/末端線圈 170 : SQUID 組 172 ·· SQUID電子電路 174 :讀出電子電路 176 :外罩殼 178 :海綿 182 :罩殼 16 200823482 jLjl\ja / iwi.d〇c/n 184 :液氮環境 400 :磁通量源供單元 402 :磁通量讀取單元 B(t):磁感應強度 Βι⑴：磁感應強度 B2⑴·磁感應強度 i: 電流 I : 端子 ii •電流 12 •電流 V •端子 17

Claims (1)

1. 200823482 /.AKJ.L / LWi.d〇c/n 十、申請專利範圍： 1· 一種用於量測材料之磁化率的超導量子干涉元件 (SQUID)系統，包括： 磁通置源供單元，其包括激發線圈組以及拾取線圈 組，其中所述激發線圈組將變化之磁通量供應至所述材 料上，且所述拾取線圈組固持所述材料且自所述材料偵 測感應磁通量； • 磁通量轉移路線，其耦接至所述拾取線圈組以用於 將所述感應磁通量轉移至位置；以及 磁通量讀取單元，其包括位於所述位置處之至少一 SQUID組以感測所述感應磁通量以及電子電路區塊以 自所述SQUID組讀取所述感應磁通量。 2·如申請專利範圍第1項所述之SqUID系統，苴中 所述磁通量讀取單元亦將所述感應磁通量轉換為所述材料 之磁化率。 _ 3·如申請專利範圍第i項所述之8(?1；11)系統，其中 所述磁通量源供單元之所述激發線圈組包括一線圈，^函 數產生器以特定操作頻率所驅動。 4. 如申請專利範圍第1項所述之SQUID系統，其中 所述磁通量源供單元之所述激發線圈組包括多個線圈了分 別由多個函數產生器以多個特定操作頻率所驅動。 5. 如申請專利範圍第1項所述之SQUID系统，其中 =述拾取線陳包括串聯但具有相反捲繞方向之兩個螺線 管0 18 200823482 ----------doc/n 述SQUID組 6.如申請專利範圍第1項所述iSQUID系統，其中 在用於產生超導性之溫度下操作所述磁通量讀取單元之所 7·如申請專利範圍第1項所述之SqUID系統，其中 所述磁通量轉移路線包括末端線圈以產生所述感應磁通 量0

   8·如申請專利範圍第7項所述之SQUID系統，其中 所述磁通量轉移路線更包括諳振電路或電流放大器。 9·如申請專利範圍第1項所述之sqUID系統，其中 所述SQUID組包括射頻SqUID磁力計、射頻SQUm梯 度計、直流SQUID磁力計、直流SQUID梯度計或電子梯 度計。 10.如申請專利範圍第1項所述之SqUED系統，其中 藉由流過所述激發線圈組之交流而感應所述變化之磁通 量。 11· 一種用於量測磁化率之超導量子干涉元件 (SQUID)系統，包括： 拾取線圈組，其安置於具有變化之磁場的環境下以 產生感應電流； 變換元件，其耦接至所述拾取線圈組以用於將所述 感應電流轉移至位置，其中所述感應電流流過線圈迴路 以產生感應磁場；以及 SQUID單元，其在所述位置處用以偵測所述磁場。 12·如申請專利範圍第η項所述之SQUID系統，其中 19 200823482 7 ----------doc/π 所述拾取線圈組包括線圈以用於根據穿過所述線圈之磁通 量的變化速率來產生所述感應電流。 13·如申請專利範圍第12項所述之SQIHD系統，其中 所述線圈包括螺線管。 14·如申請專利範圍第12項所述之SQUID系統，其中 所述線圈包括具有相反捲繞方向之一對串聯螺線管。

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