專利名稱：高溫squid應用中平衡脈沖外磁場的調節裝置及調節方法
技術領域：
本發明屬于低場核磁共振系統領域，具體來說涉及一種基于高溫 SQUID的低場核磁共振系統中通過電調節使脈沖極化場平衡的調節裝置 以及使用該調節裝置平衡脈沖外磁場的調節方法。
背景技術：
核磁共振(NMR)是一種探測物質內部結構的強有力的工具，它被 廣泛應用于物理、化學、生物、醫學等領域，并在這些領域中發揮越來 越重要的作用。例如，醫院中的核磁共振成像是一些醫療診斷的重要參 考標準。此外，在測定生物大分子結構和測量某些特定元素方面也有廣 泛的應用。因為物質的核磁化強度M與外加磁場H成正比，又因為法拉 第電磁感應強度也與頻率成正比，所以采用法拉第電磁感應法測量的高 場核磁共振信號與測量場H的平方成正比關系。故此人們一直通過提高 測量場的值來增大高場核磁共振信號的信噪比。但是，隨著磁場的增高 實現10—9均勻度外場的造價變得非常的昂貴；并且還因為場的不均勻性 使信號基線展寬而掩蓋了反映原子核自旋之間耦合的信息，即J耦合常 數。低場核磁共振除了克服了以上的缺點，還由于低場核磁共振的共振 頻率較低，能穿透金屬板，為探測必須封閉在金屬盒內樣品的核磁信號 提供了很好的途徑。
然后，采用低場的低場核磁共振產生的信號幅值很小，己超出法拉 第電磁感應法的測量靈敏度。目前都采用一個高極化場來增加信號幅值 和使用超導量子干涉儀(SQUID)來增加測量靈敏度的方法。超導量子干 涉儀是基于超導量子宏觀效應的器件，具有極高的低磁場靈敏度。高溫 SQUID的磁場靈敏度可以達到10fT量級，低溫SQUID的磁場靈敏度可以 達到lfT量級。因為地磁場(50pT)和環境磁場(pT)比我們測量的麗R 信號(PT量級)要大很多，所以低場核磁共振大都在磁屏蔽間中進行。 最近二十年來，基于SQUID的低場醒R發展很快，例如美國加州大學伯 克利分校的John Clarke在低場核磁共振以及成像方面做了很多有意義 的工作，Losamose國家實驗室在同時測定低場核磁共振和生物信號(心 磁，腦磁)方面做了大量的工作。
國內低場核磁共振試驗起步較晚，最近兩年中科院物理研究所和中 科院微系統和信息技術研究所分別用高溫SQUID和低溫SQUID成功實現了低場核磁共振的測量。低場核磁共振的測量場一般只有幾十微特斯拉，
極化場高達10mT的量級，要使SQUID器件在測量中對施加的外場沒有反 應，防止脈沖場沖擊SQUID器件而俘獲磁通降低器件的靈敏度，外場的 平衡測量場的平衡是十分重要。測量場的調節比較簡單，可以通過機械 裝置也可以轉動杜瓦調節器件在測量場中的位置來實現；脈沖極化場的 幅值比較大，單純通過機械調節裝置很難達到很高的精度，此外，最終 的平衡調節能夠遠離實驗裝置避免人體對場分布的影響。因此，尋找一 種更精確、更靈活、遠距離調節磁場平衡的調節裝置和調節方法非常必 要。
發明內容
本發明的目的在于提供一種高溫SQUID應用中平衡脈沖外磁場的調 節裝置，該裝置顯著提高了平衡外磁場的精度，可以實現遠距離調節脈 沖極化場的平衡。
本發明的另一目的在于提供一種使用上述裝置來平衡脈沖外磁場的 調節方法。該方法簡單易行，有效地將機械調節和遠距離電調節相結合， 顯著提高了平衡脈沖外磁場的精度。
本發明的高溫SQUID應用中平衡脈沖外磁場的調節裝置，包括用 于為高溫SQUID器件提供低溫環境的無磁低溫杜瓦、機械調節裝置、低 溫杜瓦下方設置的低場線圈、脈沖高場線圈，脈沖高場線圈與低場線圈 在平面內沿線圈軸向相互垂直設置，分別提供了脈沖高場和低場，其中， 高場線圈上下設置一對反繞的軸向與高場線圈、低場線圈垂直的補償線 圈以提供高磁場的補償磁場。補償線圈通過電調節電路調節補償線圈電 流分布來補償垂直SQUID平面的磁場，實現平衡。
其中，所述高場線圈為極化場線圈，所述低場線圈為測量場線圈， 且測量場線圈單獨供電；所述補償線圈是一對反繞的線圈。
其中，所述電調節電路包括脈沖高場線圈、補償線圈、電位器，電 阻。脈沖高場線圈和補償線圈電路并聯，共用一個電源。 一對補償線圈 中的電流方向相反。與補償線圈串聯的電位器能夠調節補償線圈中的電 流分布。調節電位器放置在屏蔽間外，實現室外調節。
其中，機械調節裝置是本領域中公知的結構，在此不再贅述。
本發明的使用上述調節裝置來平衡脈沖外磁場的調節方法，包括以 下步驟
1)機械調節
首先，通過給低場線圈施加微小的電流時間脈沖序列，調節機械調 節裝置的機械旋鈕使SQUID器件輸出與無外加磁場時相同；逐步增加低場線圈的電流重復調節機械旋鈕使SQUID器件輸出與無外加磁場時相同 直至到達需要的場強。此時SQUID對Z方向的磁場變化最靈敏。固定低 場線圈與SQUID器件的位置；然后，將電位器置中心位置，重復機械調 節步驟完成對高場線圈空間位置的調節。最終，SQUID、高場線圈和低 場線圈的相對位置都固定不能動了。 2)電調節
通過電調節電路中的電位器來調節一對補償線圈中的電流分配來進 一步補償由于其他因素(如微振動)引起的微弱的磁場不平衡。
其中，所述脈沖高場線圈為脈沖極化場線圈，所述低場線圈為測量 場線圈，且測量場線圈單獨供電。
進一步地，脈沖極化場線圈為螺線管形式和/或赫姆霍茲形式。
其中，所述電調節電路包括脈沖高場線圈、補償線圈、電位器，電 阻，脈沖高場線圈和補償線圈共用一個電源，補償線圈中的電流方向相 反，補償線圈電路和高場線圈電路并聯。與補償線圈串聯的電位器能夠 調節補償線圈中的電流分布。電位器設置在屏蔽間外，實現室外調節。 電路中的電阻串聯起限流作用。
其中，機械調節裝置包括有機械調節支架。
本發明的高溫SQUID應用中平衡脈沖外磁場的調節裝置也可用于高 溫dc-SUID和rf-SQUID的低場核磁共振系統。 與現有技術相比，本發明具有以下的優點
本發明在現有的通過機械調節裝置來平衡外磁場的裝置基礎上，巧 妙地在脈沖高場線圈(如極化線圈)的上下方提供一個電流相反的可調 節的補償線圈。通過調節補償線圈的電流分布來改變其磁場以平衡高溫 SQUID應用中的脈沖外磁場。該裝置具有非常高的平衡脈沖外磁場的精 確度，而且操作簡單，易于工業化生產。
圖1是本發明的實施方案之一的高溫dc-SQUID應用中平衡脈沖外磁 場的調節裝置的結構示意圖。
其中，1、低溫無磁杜瓦；2、機械調節裝置；3、低場線圈；4、脈 沖高場線圈；5、補償線圈；6、高場電源；7、低場電源；8、樣品；9、 SQUID器件。
圖2是本發明的高溫SQUID應用中平衡脈沖外磁場的調節裝置中的 電調節電路的系統圖。
具體實施例方式
以下結合實施方式對本發明進行詳細說明，以便更好地理解本發明的內容。
參照圖1，圖1是本發明的實施方案之一的高溫SQUID應用中平衡 脈沖外磁場的調節裝置的結構示意圖。其中，高溫SQUID應用中平衡脈 沖外磁場的調節裝置，包括用于為高溫SQUID器件9提供低溫環境的 無磁低溫杜瓦1、機械調節裝置2、低溫杜瓦1下方設置的低場線圈3 (例 如測量場線圈)、脈沖高場線圈4 (例如極化場線圈)，脈沖高場線圈4與 低場線圈3在平面內沿線圈軸向相互垂直設置，分別提供了脈沖高磁場 和低磁場，其中，脈沖高場線圈4上下設置一對軸向與脈沖高場線圈4、 低場線圈3垂直的補償線圈5以提供高場的補償磁場，補償線圈5通過 電調節電路調節其電流來補償垂直于SQUID平面的磁場，實現外場的平 衡。其中，低場線圈3 (如測量場線圈)由低場電源7單獨供電，高場線 圈4和補償線圈5共用一個高場電源6。測量時，測量樣品8置于低溫杜 瓦l的正下方。
圖2顯示了脈沖高場線圈為極化場線圈時，極化場線圈與補償線圈5 的電調節電路的連接示意圖。由圖2可以看出， 一對補償線圈5的上下 線圈中的電流方向相反，可以通過電位器調節線圈中的電流分布，以補 償z方向的剩余場。補償線圈電路和極化場線圈電路并聯。電調節電路 中的電阻起到限流的作用。電位器放置在屏蔽間的外面，實現遠距離調
本發明的使用高溫SQUID應用中平衡脈沖外磁場的調節裝置進行 調節的方法包括1)機械調節步驟和2)電調節歩驟。其中，機械調節
步驟首先，通過給低場線圈施加微小的電流時間脈沖序列，調節機械 調節裝置的機械旋鈕使SQUID器件輸出與無外加磁場時相同；逐歩增加 低場線圈的電流重復調節機械旋鈕使SQUID器件輸出與無外加磁場時相 同直至到達需要的場強。此時SQUID對Z方向的磁場變化最靈敏。固定 低場線圈與SQUID器件的位置；然后，將電位器置中心位置，重復機械 調節步驟完成對高場線圈空間位置的調節。最終，SQUID、高場線圈和 低場線圈的相對位置都固定不能動了。具體來說，機械調節脈沖外場平 衡其實是一個粗調的過程，在SQUID器件的鎖定模式下，給外加低場線
圈加上一個很微小的電流時間脈沖序列，從而產生一個微小的磁場時間 脈沖序列，此時監視SQUID輸出信號，調節機械旋鈕，使得該器件的輸 出和無外加磁場時相同，即微弱外加磁場對器件的影響為零；然后重復 上述步驟，逐步增加低場線圈的電流，如此反復一直增加到實驗需要的 場強為止。此時， 一個非常微小的機械變化會在SQUID器件上產生很大 的輸出，即對z方向的磁場變化已調節到最靈敏了。 SQUID器件與低場 線圈的位置已固定，不能再動。用另一個機械調節支架，重復低外場的 調節步驟，完成對高磁場的平衡調節。完成后，同樣SQUID器件與較高場線圈的相對位置也已固定，不能再動。
本發明巧妙地將電調節步驟與機械調節步驟相結合，在機械調節后， 更精細地采用電調節進行脈沖外磁場平衡調節。機械調節后，最后殘留 的Z方向的磁場只能由電調節來進行平衡。具體來說，通過電調節電路中
的電位器來調節補償線圈的電流，使SQUID器件對外加磁場的反應為零。 脈沖高場線圈為極化場線圈，且低場線圈為測量場線圈，測量場線圈單 獨供電。
此外，本發明的高溫SQUID應用中平衡脈沖外磁場的調節裝置也可 用于高溫dc-SUID和rf-SQUID的低場核磁共振系統。
盡管上文對本發明的具體實施方式
給予了詳細描述和說明，但是應 該指明的是，我們可以依據本發明的構想對上述實施方式進行各種等效 改變和修改，其所產生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神 時，均應在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種高溫SQUID應用中平衡脈沖外磁場的調節裝置，包括用于為高溫SQUID器件提供低溫環境的低溫無磁杜瓦、機械調節裝置、低溫無磁杜瓦下方設置的低場線圈、脈沖高場線圈，脈沖高場線圈與低場線圈在平面內沿線圈軸向相互垂直設置，分別提供了脈沖高場和直流低場，其中，高場線圈上下設置一對反繞的軸向與高場線圈、低場線圈軸向垂直的補償線圈以提供高場的補償磁場，補償線圈通過電調節電路調節其上下線圈的電流來抵消垂直于SQUID平面的磁場，以便平衡外磁場。
2、 如權利要求1所述的調節裝置，其中，所述脈沖高場線圈為極化場線 圈，所述低場線圈為測量場線圈。
3、 如權利要求2所述的調節裝置，其中所述測量場線圈單獨供電。
4、 如權利要求1-3任一項所述的調節裝置，其中，所述電調節電路包括 脈沖高場線圈、補償線圈、電位器，電阻；脈沖高場線圈和補償線圈共 用一個電源，補償線圈中的電流方向相反，補償線圈電路和高場線圈電 路相并聯，與補償線圈串聯的電位器能夠調節補償線圈中的電流，電阻 串接在屏蔽間外的電路中，實現遠距離磁場平衡調節。
5、 如權利要求l-3任一項所述的調節裝置，其中，所述補償線圈是一對 反繞的線圈。
6、 一種使用權利要求l-5任一項所述調節裝置來平衡脈沖外磁場的調節 方法，包括以下步驟1) 機械調節首先，通過給低場線圈施加微小的電流時間脈沖序列，調節機械調 節裝置的機械旋鈕使SQUID器件輸出與無外加磁場時相同；逐步增加低 場線圈的電流，重復調節機械旋鈕使SQUID器件輸出與無外加磁場時相 同直至到達需要的場強；此時SQUID對Z方向的磁場變化最靈敏；固定 低場線圈與SQUID器件的位置；然后，將電位器置中心位置，重復機械 調節步驟完成對高場線圈空間位置的調節；最終，SQUID、高場線圈和 低場線圈的相對位置都固定不能動了-，2) 電調節通過電調節電路中的電位器來調節一對補償線圈中的電流分配來進 一步補償微弱的磁場不平衡。
7、 如權利要求6所述的調節方法，其中，所述脈沖高場線圈為極化場線 圈，所述低場線圈為測量場線圈，且測量場線圈單獨供電。
8、 如權利要求6所述的調節方法，其中，極化場線圈為螺線管形式和/ 或赫姆霍茲形式。
9、 如權利要求6所述的調節方法，其中，所述電調節電路包括脈沖高場 線圈、 一對反繞的補償線圈、電位器，電阻；脈沖高場線圈和補償線圈共用一個電源，補償線圈中的電流方向相反，補償線圈電路和脈沖高場 線圈電路相并聯，與補償線圈串聯的電位器能夠調節補償線圈中的電流 分配，電阻串接在屏蔽間外的電路中，實現遠距離外磁場平衡調節。
10、 一種權利要求1-5任一項所述的高溫SQUID應用中平衡外磁場的調 節裝置的用途，所述裝置能用于高溫dc-SQUID和rf-SQUID的低場核磁 共振系統。
全文摘要
本發明公開了一種基于高溫SQUID的低場核磁共振系統中通過電調節平衡脈沖外加場的調節裝置以及使用該裝置平衡脈沖外加場的調節方法。本發明的調節方法采用在脈沖極化場上并聯一對反繞的的線圈，通過調節串聯在該線圈中的電位器來實現對垂直于SQUID器件方向上磁場的調節。該方法可以實現對脈沖極化場的遠距離平衡調節，并且可以達到很高的精度。這種調節裝置和調平衡方法對低場核磁共振系統是非常有效的。
文檔編號A61B5/055GK101422365SQ20081023972
公開日2009年5月6日 申請日期2008年12月16日 優先權日2008年12月16日
發明者任育峰, 儲海峰, 潔 李, 紹 李, 寧 王, 野 田, 鄭東寧, 陳鶯飛, 陳賡華, 黎松林 申請人:中國科學院物理研究所