专利名称：：次-皮可特斯拉磁场检测器的制作方法
技术领域：
：本发明总体上涉及测量磁场的领域。更具体而言，本发明涉及通过在非屏蔽环境中使用超导量子干涉设备(SQUID)，利用梯度计和磁强计来测量低电平磁场。
背景技术：
：超导量子干涉设备(SQUID)磁传感器是旨在测量低于约10-12特斯拉(T)的许多灵敏磁强计的核心。这个水平在例如由活性有机体所产生的磁场(经常被称为生物磁场)范围内。SQUID对磁通量(J)B敏感。磁通量(I)B可被定义为沿着正交于给定面积而被定位的矢量z穿过所述给定面积的平均磁场的投影，或从数学上<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>低特斯拉直流(DC)SQUID典型地由两个额定相同的Josephson结组成，所述结串连在典型直径为10_14至10-2mm数量级的超导、电连续的回路中。基于SQUID的磁强计及梯度计是目前使用当中的最灵敏的磁场检测器。SQUID典型地通过使用铌-铝-氧化铝-铌(Nb-Al-A10x-Nb)结技术被制造在芯片上，其中相关的结以及SQUID环路由薄膜形成。所述设备的微米级特征可通过使用照相平版印刷技术而形成。SQUID芯片被典型地密封在超导屏蔽中用于将设备屏蔽于环境磁通量。要被测量的磁通量典型地净皮显著较大直径的环路或线圈(例如，10-20mm)截断，所述环路或线圈经由输入线圏被感性耦合到SQUID。这些较大的线圈通常由在绝缘圆柱形支撑上面所缠绕的薄绝缘超导线(例如，铌)构成。具有单个线圏或环路的设备可被称为磁强计，具有多于一个线圏或环路的组合的设备可被称为梯度计。这样的设备被示意性地示例于例如图4中。不幸地，基于SQUID的梯度计的这一史无前例的灵敏度的取得要付出很大代价，因为灵敏度可以致使设备被周围噪声所淹没并且当^J^露于射频干扰(RFI)时则停止工作。结果是，这些设备经常仅可以操作在高度屏蔽的密封内，这对所有现实生活的应用是不实际的。因而，如果基于SQUID的设备无需这种屏蔽而能够操作，则将是非常有益的。如果我们能够做到于此，则我们便拥有了实用的灵敏磁场测量仪器.本申请公开了用于取得这个目标的方法和装置。在RFI存在时，SQUID可失去灵敏度，或甚至停止发挥作用。强的RFI源包括，例如在医院中的超声波机器、AM及FM无线电信号、电视和蜂窝通信传输。在低于RF带的频率下，SQUID电子装置可以被用来测量噪声，并且已知的软件技术可以被用来消除这个噪声(例如，Bick等人的"SQUIDGradiometryforMagnetocardiographyUsingDifferentNoiseCancellationTechniques")。在现有技术系统中用来消除RFI的简单但经常不实用的方案一直是将系统环绕几层精细的铜网并且对操作区域进行绝缘.铜网显著地降低了RFI，但并不消除它，因为难以削减通过连接电缆的传输.虽然SQUID本身可被适宜地屏蔽在小的Nb管内部，但是捡拾测量信号且将它馈送到SQUID的未被屏蔽的梯度计仍然要将RFI耦合进入SQUID,因为梯度计本身不能够被屏蔽(否则它不可能捡拾要被测量的信号)。因此，存在对如此技术的需要，即其允许梯度计将感兴趣的信号耦合进SQUID,而无需附加地将RFI耦合进入SQUID。下述参考提供了对现有技术的SQUID系统的总体说明，但是它们未能提供有效手段用来将SQUID屏蔽于射频干扰。Fujimaki的日本专利(JP4212079)提供了SQUID磁场传感器，其中阻尼电阻器Rl和R2被用来仅消除RFI的磁部分。Ishikawa等人的题为"EffectofRFInterferenceonCharacteristicsofDCSQUIDSystem"以及Koch等人(Appl.Phys.Lett.,vol65，pp.100-102)的题为"EffectsofradiofrequencyradiationonthedcSQUID"的非专利文献提供有关SQUID系统中RFI干扰的背景信息。Bick等人("SQUIDGradiometryforMagnetocardiographyUsingDifferentNoiseCancellationTechniques")及Tarasov等人("OptimizationofInputImpedanceandMechanismofNoiseSuppressioninaDCSQUIDRFAmplifier")的非专利文献总体上示例SQUID设备使用噪声消除技术。Simmonds的U.S.专利(5,319,307)涵盖了改善SQUID的性能。对超导屏蔽层的参考文献指向使SQUID芯片屏蔽于RFI，并且应该注意到总体上所有的SQUID，甚至是用在被屏蔽的密封内的那些SQUID,均被保持在超导Nb管内部，使梯度计经过Nb管中的小孔从外部被连接。Colclough的U.S.专利(5,532,592)涵盖了在多通道系统中的电子装置(通量被锁定的环路)。应该注意到对黄铜密封的参考是在电子装置中用来屏蔽于RFI的常规程序；但是这个程序不适合于阻止通过穿过密封的线而传输的RFI。Seppa的U.S.专利(6,066,948)公开了SQUID的阻尼独立结。应该注意到这是公用的程序且有关这个程序的更多信息可见于由Weinstock所著的题为"ApplicationsofSuperconductivity"(Kluwer，Netherlands,2000)的书籍。还应该进一步注意到这个程序允许对影响SQUID操作的结的内部振荡进行阻尼并且并不降低被耦合到SQUID本身的RFI。Steinbach等人的U.S.专利说明一种阻尼SQUID的内部谐振的方法。所述阻尼有助于4吏SQUID屏蔽于RFI的磁部分并且类似于Goto(JP4160380)的日本专利，所述日本专利提供如在现有技术SQUID系统中所实施的噪声抑制技术中的总体背景。此外，Kawai(JP7198815)的日本专利显然讲授沿着与Steinbach等人的专利相同的线路。
发明内容本发明提供了一种装置和方法，用于防止RFI被耦合进SQUID而无需牺牲系统的信噪比，同时在未被屏蔽的真实情形下操作系统。在优选实施例中，滤波器电路以新颖的方式被结合以将RFI从SQUID中去除而无需屏蔽梯度计环路。滤波器电路采用电阻器和电容器的组合(RC电路)而形成，其中电阻器从SQUID的输入线圈中将被磁耦合的RFI旁路，并且电容器从SQUID中将被电耦合的RFI旁路。应该注意，尽管描述的是采用传统电阻器和电容器的各种RC电路，但是可以使用具有类似特性(例如，就截止频率和清晰度)的任何形式的滤波器电路。例如，可有效地使用由超导带状线制成的滤波器，所述超导带状线切断RFI分量以免其从未被屏蔽的梯度计被耦合进被屏蔽的SQUID.本发明还设想用于从电磁上将滤波器电路与SQUID隔离以用于改善的RFI屏蔽的密封罩，以及设想一种用于将经改善的RFI从SQUID中去耦合的方法，其使输入线圈与SQUID之间的阻抗Zci能够得到增加而无需损失装置的灵敏度。本发明允许在未受屏蔽的环境中广泛使用SQUID系统，甚至在存在强的RFI时。这提供了在各种生物医疗和无损评估应用中无需牺牲性能而采用SQUID的可能性。事实上，本发明使能对实用的次-皮可特斯拉检测器的制造。通过阅读本发明具体示例性实施例的下述说明并结合所附附图，可获得对本发明更全面的理解，其中图l示出对称式SQUID偏置电子装置的示意图，其中绞合线对(绞合未被示出)防止磁通量穿过环路；图2示出对称式SQUID加热器电子装置的示意图，其中绞合线对(绞合未被示出)防止磁通量穿过环路；图3示出被耦合到SQUID的反馈/调制线圈的示意图4示出本发明的第一实施例；图5示出本发明的第二实施例；图6示出在低频情况下图4实施例的等效电路图7示出在高频情况下图4实施例的等效电路图8示出图4实施例的第一变型；图9示出图5实施例的笫一变型；图IO示出图4实施例的第二变型；图11(a)-11(d)示出根据本发明原理的SQUID设计，其使能减少RFI被耦合进SQUID。传统设计被示于图11(a)和11(c)，并且发明性设计被示于图11(b)和ll(d);以及图12示出为将SQUID容纳在腔中而设计的铌屏蔽，所述室从电磁上隔离于图4-10的滤波器电路。在各种附图中，同样的参考数字指定同样的或相似的本发明元件。具体实施例方式本公开内容被视为对本发明原理的示范以及对其结构的相关功能性技术说明，并且并不旨在意味着限制本发明超出具体要求的范围。本领域中那些普通的技术人员可预想到超出在此所示范的、属于所提出权利要求的本发明范围之内的其它可能的变型。图4呈现根据本发明第一实施例而构建的基于SQUID的梯度计的电路图。传统地，装置100包括经由输入线圏30(由电感Li表示且相对于SQUID垫圈20具有互感Mi和电容d)被耦合到SQUID20(具有垫圈电感LsQ)的梯度计IO(在图4中由电感Lg表示).RFI可以电和磁两种方法被耦合进SQUID20。例如，参考图4，借助于充当像电磁天线的连接线(如经由输入线圈耦合梯度计10的传输线14,14a和/或经由变压器40耦合放大器50的连接线45，和/或参考图3，经由反馈/调制线圈33耦合RFI的传输线15)RFI可耦合进SQUID垫圏20。RFI还可以经由穿过由传输线14，14a和45所形成的各种环路的磁通量被耦合进SQUID垫圈20。此外，在一些情形下，RFI可在SQUID垫圈24上产生大的DC场。由于SQUID是非常低阻抗的设备，所以它们通常最受被磁耦合的RFI的影响.然而被磁耦合的RFI还可是大量的，特别地在接近及超出FM无线电带频率时，在此时SQUID连接线可以充当传输线。从根本上，RFI和其它形式的电磁干扰(EMI)可经由任何电子连接被耦合进SQUID。正如已经理解到的，通过采用允许人们去除到SQUID的地连接的对称电子装置，RFI可被降低或消除。电子装置的对称性使被耦合进SQUID的经传输的RF能量得到降低。例如，参考图3，通过传输线15被捡拾的RFI，包括通过反馈/调制线圈33和到SQUED垫團20的剩余电连接可被耦合的残余能量，根据本发明的原理通过使用特殊的对称滤波器电路可^L消除。对称的SQUID电子装置消除了接地环路问题。图1和2分别示出对称的SQUID偏置和加热器电子装置。在图2中，加热出现在电阻器7(被描述为RH)上。对称性确保如果连接线充当天线，则在它们上所感应的RFI电压可在SQUID位置处被抵消。如由例如图1-3所示，对称信号源1、2和3将信号放置到传输线17、16和15上面。在进行此的同时，RFI和其它周围的噪声还经由线15-17被传输。这在传输线15-17上感应出RF电场，以及在由这些传输线15-17所形成环路上的磁通量①以及被磁耦合的干扰RF<p。如图1和3所示，对称的RC滤波器5(fc:l-10兆赫)和电容器6防止驻波在谐振频率被建立(a)在传输线15-17以及45上，在接近10-100兆赫，以及(b)在SQUID垫圏以及或者输入线圏和/或者反馈/调制线圈33之间，处于几千兆赫。附加地，如果传输线15-17和45被配置成牢固的绞合线对，实际上没有磁通量0穿it^目联系的电路环路。电路对称性确保例如，如果图1的传输线17充当天线，则在它们上面所感应的RFI电压在SQUID垫圈20处被抵消.图3示例反馈/调制线圏33，其共享SQUID反馈和调制电路。通过环路的磁干扰被形成传输线15的牢固的绞合线对消除(这样①实际上为0)。应该注意到RFI天线般的捡拾还可以通过反馈线圏33和SQUID垫圈20之间的电容耦合^皮耦合到SQUID。调制线圏33的电容Cf可典型地为约10皮法拉(pF)。调制信号具有最大达l兆赫(MHz)的分量.因此，RC滤波器5被如此选择以便于它具有大于10MHz的有效带宽，并且电容C足够大(与Cf相比较)以缩小来自SQUID垫圈20的大多数RFI。RC滤波器5的代表值是R=100欧姆(Q)以及C=l毫微法拉(nF),图4示例作为测量装置IOO部件的本发明的第一实施例。RC滤波器5(也被示例于图3中)可以被用来减低经天线耦合的RFI，但是梯度计10还引入穿过由传输线14所形成环路的磁通量。结果是，为了消除经天线耦合的RFI以及磁通量RF。，图4的本发明将电阻性旁路器60耦合到接地电容器70以为了将这个磁通量从分量环路14a和输入线围30中短路掉(shortout).作为选择地，单个电阻性旁路器60可随着如图5中所示用于测量装置的对称RC滤波器5净皮耦合。为了更好地理解本发明是如何工作的，适用于工作系统的参数,皮示例如下。应该注意到这些具体的实例^t提供仅用于示例性和说明性的目的，并且因此不应该被推断为对所提出权利要求的本发明范围的限制。针对图4中的电路100，在各种操作频率下的阻抗值被列表于表1中。各种参数的值是Ci=140pF(测量的)，Li=300毫微亨利(nH)，Cg=10000nF，Rs=1.5Q。表l图4中第一实施例的阻抗计算<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>图5中电路200的阻抗值被提供在图2中。除Rs-3Q和RG=1.5Q以外，所有的值与表l中的相同'图5中的电路200因此基本上等效于图4中的电路IOO。表2图5中实施例的阻抗计算<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>对于被表示为图6中等效电路300的图4中的电路IOO，在较低的频率(即低于5MHz)下，输入线圏阻抗ZLi足够低并且伴随RFI的波长足够长。正如可从表1和2以及图4和5中所观察到，接地抽头电容器70(,練示为Cg)能够有效地旁路出从SQUID中所捡拾的RFI电分量，因为输入线围30和SQUID垫團20之间的电容性阻抗Zci远远大于Zcg+Rs(或表2中的Zcg+Rg)。在较高频率下，图4中的电路IOO根据图7中所示的等效电路400工作，其具有分布式的L-C电路元件经由分布式电容性阻抗21和互感224皮耦合的分布式的输入线圈元件30和分布式的感应SQUID垫圈元件20。在这种情况下元件dZci、dZLi的表示性近似值被列表于表1和2中的最后两列。通过考虑在相同的长度段上，一旦某一长度反馈线圏30的部分电感性阻抗(其中dZLi与输入线團30的长度成比例)开始变成大于反馈线圈30和SQUID垫圈20之间的电容性阻抗21(其中dZa与输入线圈30的长度成反比，因为对于L和C两者线圏宽度被固定)时，这些近似值4皮加以估算，然后可以有效地被视为作为分布式LC网络而工作。例如对于针对Zu和Za约为10-20Q的值这可发生。在那些频率下这些数字仍然高出Zcg+Rs(或表2中的Zcg+Rg)约10这样的因子，这样由RC电路60、70进行的旁路仍然有效。在超出1GHz的频率下，图7中的系统30-21-22-20表现为被耦合到得到良好阻尼(具有Rs或Rg)的输入环路电路的横向磁(TM)模式谐振器，因此仍然避免了操作的非稳定性.如例如由图4所示，通过对由传输线14所限定的梯度计环路进行短路，旁路电阻器60有效地去除穿过由传输线14a所限定的输入环路的KF磁通量以防止影响SQUID。对于高于约5MHz的频率Zu远远大于Rs(例如，如表1和2中所示)。对于较低的频率，通过将部分RF通量从SQUID垫圈20中旁路，旁路电阻器Rs仍然有所帮助。原则上，这个效应可进一步通过降低Rs的值而得到改善。不幸地，在较小的Rs和通量噪声之间存在平衡，根据下述关系式它(从通过输入线圏30净皮耦合的Johnson电流噪声中)添加进SQUID中其中KB是玻尔兹曼(Boltzmaim)常数且T是电阻器R的温度，in是Johnson电流噪声且①n是在SQUID中所感应的通量噪声。因此我们可以得出结论对于图4和5中的装置100、200，Rs的最佳值是3Q(在表l中是2*1^或在表2中是Rs)。然而，应该注意到这个最佳值可基于与本发明系统电路相联系的其它^而变化。鉴于前面的讨论，清楚地是它可证明消除被磁耦合的低频RFI(低于5MHz)是非常困难的。在这种情况下，我们想要指出通过在5MHz或更高下使用传统的SQUID通量锁定环路(FLL)(例如，见由H.Weinstock所著题为"ApplicationsofSuperconductivity"，Kluwer，Netherlands,2000)我们可以被更好地加以服务。在这种情况下，棘手的低频RFI可以被FLL作废，因为现在它将足够快以在这个频率范围跟踪RFI。从增加FLL频率将取得的另一优点是回转速率也将变快，并且因此对来自附近的主功率源和大气中的电发光的快速切换噪声更加具有免疫力。图4、5的创造性实施例的附加变化包括特色性的与旁路电阻器60串联(见，例如图8和9的电路500和600)的旁路电容器71(由Cs表示)，以及占主要位置的与由旁路电阻器60和接地电容器70所限定的电路(见，例如图10的电路700)并联的附加旁路电阻器61(由R表示)。旁路电容器71被如此选择，以便于它形成阻挡低频通量噪声RF。进入SQUID垫圈20的高通电路(具有Rs和Li).然而Cs的引入可在一些情况下导致SQUID操作的不稳定性。这个问题可以由图10的电路700加以避免，其中可以致使并联的电路旁路电阻器61具有非常小的电阻。这有助于在低于5MHz的频率下降低RFI。在图4和10中所示的实施例简单且紧凑，并且因此较图5、8和9中所示的实施例对寄生效应具有更高的抵抗力。另一方面，在图5中所示的实施例具有这样的优点，即可以使Rg更小，因此使Zcg+Rg远远小于Za。由于电路200的对称性，这个方案将改善RF的电压滤波而没有将附加的通量噪声引入进SQUID。同样，如图9中的电路600所示，Rs可以单独地被降低用于对RF磁捡拾进行滤波，并且仅一个附加的旁路电容器71需要被添加。在图8的电路500中，Rs可以得到降低，因此使ZCg+Rs远远小于Zci，并且因此使能RF电压滤波得到改善。但是，在这种情况下，需要两个附加的旁路电容器71。虽然在本说明中仅示例了几个具体的电阻式和电容式滤波器，但是本领域中的技术人员将容易地意识到可使用具有类型特性(截止频率和清晰度特征以及消除干扰的电及磁分量)的任何其它形式的滤波器电路。作为实例，一个实施例可以包括由超导带状线组成的超导滤波器，所述超导带状线切断所有RFI分量以防从未经屏蔽的梯度计被耦合进经屏蔽的SQUID。表1和2建议如果SQUID被如此重新设计，以便于输入线圏30和SQUID垫圈20(由Ci所表示)之间的电容得到降低，则Za将变得较大.这个增加的阻抗4吏SQUID20更加免疫于RFI的电分量。图11(a)-11(d)示出包括SQUED垫圏20和螺旋输入线圈30、31的SQUID。线圈30、31通过提供间隔厚度t的隔离器29与SQUID垫圈20分开。为了清楚起见输入线圏30、31的仅N-5匝数被示出，但是在实际的设计中N可接近IOO(对于包括后面的感应计算和公式的详细讨论，请参见由H.Weinstock所著题为"ApplicationsofSuperconductivity"Kluwer，Netherlands,2000的书籍中的章节l和2)。图ll(c)和ll(d)示出SQUID的顶视图，以及图11(a)和11(b)示出通过虚线"e-e"所取的横断面视图。与输入线圏30相比较，降低输入线圈31的线宽度w将以C"N.w/t的比例来减少电容(比较图llc和lld)。输入线圈30、31与SQUID垫圏20之间的互感Mi;故给出如下械,Z^e(3)其中Lsq是SQUID垫围的电感。因而，通过降低线宽度w，Mi没有^t改变。输入线圈的电感LH皮给出如下丄尸7V2丄sQ+L—(4)其中Lstrip是组成输入线圈30的线的带状线电感。虽然对于足够大的N(对于额定的SQUID设计，这对应于N大于20)当w被减少时Lstrips//0.t/(w+2t)增加，但是Lstrip可以被忽略且丄,-7V2./^2。在此//。是自由空间的介电常数.因此，对于实用设计，Li也独立于w.因此，概括地，输入线團线的线宽度的降低(如由图ll(c)和ll(d)中的输入线圈30和输入线圈31所示)导致Ci的减小，但是当Mi和Li未发生变化时，并不导致任何灵敏度S"Mi4)/(Li+Lg)的损失(在此Lg是梯度计的电感且独立于SQUID的设计)。Q的减小导致Za的增加从而使它远远大于Zcg，并且这反过来进一步降低进入SQUID垫圈20的电RFI(请参见表1和2以及图6和7),如果滤波器线靠近SQUID垫圈20，则流经滤波器电路线的RF电流还可以4皮耦合进SQUID。为了防止这(见，例如图12(a)-12(c))，包括两个被电磁隔离室91、92的SQUID屏蔽卯可被用来单独地容纳SQUID91a(被示出在室91中)和滤波器电路92a(被示出在室92中)。现有技术SQUID屏蔽仅具有一个室。虽然附加室的使用增添了制造过程的难度，但是它被需要以实现SQUID仪器非屏蔽操作所需要的RF免疫水平。图12(a)-12(c)示例了包括外壳96的示范性SQUID屏蔽90，所述外壳带有孔97用于接收具有突出部分98、99的插件93.当插件93被插入进孔97时，每个突出部分98、99密封地装配在孔97内以分别地限定4皮电磁密封的室91、92.在插件93中的第二孔94(例如，小于屏蔽直径的十分之一)允许在室91中的SQUID91a与室92中的滤波器电路92a之间连接的电线通路，而没有任何泄漏。为室92中的滤波器电路92a提供接地连接95，这样现在接地环路电流屏蔽于SQUID。除了对称性电子装置以外，这个隔离完全消除了在装置中的任何接地问题。概括地，用于有效实施对RFI不灵敏的实用次-皮可特斯拉磁场检测器的一种系统和方法被公开。虽然已经示出和说明了各种实施例，但是要理解到这种公开内容并不旨在限制本发明，而是它旨在涵盖如所附权利要求所限定的属于本发明的实质和范围之内的许多修改和可选择的结构。例如，本发明不应该被限制于具体的硬件或滤波器电路类型。因此，本领域中的一个技术人员可以通过使用具有类似特性(例如，截止频率和特征的清晰度)的任何形式的滤波器电路(仅作为一实例，同超导带状线所构成的滤波器)来加以设想.权利要求1.在用于测量磁场的包括被电耦合到梯度计的超导量子干扰设备SQUID的装置中，其中所述SQUID包括将SQUID垫圈与输入线圈分离开预定距离t的隔离器，所述输入线圈被互连到梯度计，通过增加输入线圈和SQUID垫圈之间的电容性阻抗ZCi，一种方法用于降低通过梯度计而将射频干扰RFI耦合进SQUID，所述方法包括下述步骤减少输入线圈中的导体宽度，以为了减少线圈的电容Ci；以及提供具有若干匝数N的线圈，以便于输入线圈Lstrip的带状线电感同N2*LSQ相比较可被忽略，其中LSQ是SQUID垫圈的电感，这样输入线圈的电感Li约等于N2*LSQ；这样Ci得到减少，并且ZCi得到增加，并且装置的灵敏度S未被改变，其中S反比于梯度计电感Lg和输入线圈电感Li之和。2.根据权利要求1的方法，其中N超过20。3.根据权利要求1的方法，其中N超过100。全文摘要一种通过使用被感应性地耦合到未被屏蔽的梯度计的超导量子干扰设备(SQUID)而用于测量次-皮可特斯拉磁场的仪器包括一滤波器，所述滤波器用于将从磁和电上被耦合的射频干扰(RFI)滤出SQUID。这个RFI经由未被屏蔽的梯度计被大体上耦合到SQUID。此外，屏蔽密封被用来从电磁上将滤波器电路屏蔽于SQUID，并且采用一方法来增加输入线圈与SQUID之间的阻抗而不减少仪器的总灵敏度。文档编号G01R33/035GK101303398SQ20081009601公开日2008年11月12日申请日期2003年2月26日优先权日2002年2月26日发明者A·巴克哈雷夫,N·特拉尔沙瓦拉,Y·波利亚科夫申请人:心脏磁力成像公司