專利名稱：多共振超導(dǎo)探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于探測多核的多共振超導(dǎo)探測器。例如，該探測器可以用來產(chǎn)生高質(zhì)量的磁共振圖象。
背景技術(shù)：
以前，在諸如磁共振成象等許多場合，用磁環(huán)形探測器探測一選定頻率范圍內(nèi)的信號?，F(xiàn)今一般使用的傳統(tǒng)接收環(huán)是由銅線制成的。
磁共振成象(MRI)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它通過測量人體受磁場作用時體內(nèi)被選定原子核的響應(yīng)，來產(chǎn)生人體各個部位的圖象，供檢查和診斷之用。MRI探測器的構(gòu)造使其共振頻率與所選原子核的共振頻率相等。MRI的一個例子是乳房攝影術(shù)，它用于檢測婦女乳房中的腫塊。將線圈式的探測器放在被檢查的乳房周圍，拍MRI“照片”。該MRI照片基于線圈對組織中一種特定原子核的探測，線圈的共振頻率與被成象的特定原子核相同。另一例MRI的應(yīng)用是人的頭部，可用于檢測腫瘤或癌。有兩種常用的MRI探測器體線圈和面線圈。體線圈非常大，足以圍住一部分人體或動物的身體，例如頭部線圈。面線圈為平面形狀，或者是身體器官的局部表面形狀。面線圈貼近成象區(qū)域放置，因此它具有一個小的視野(“FOV”)，可以顯示所關(guān)心局部區(qū)域的高分辨率圖象。傳統(tǒng)上，用于MRI的線圈不用超導(dǎo)材料制作。
近年來，已在MRI，顯微鏡檢查(MRM)和分光鏡檢查(MRS)中使用超導(dǎo)探測器，用于提高該探測器的信噪比(SNR)，使之優(yōu)于傳統(tǒng)的銅線探測器。這些超導(dǎo)探測器通過降低接收線圈的噪聲成份來提供充分的SNR增益。這是由于超導(dǎo)體在射頻頻率(1-500 MHz)和低溫下的電阻值大約比金屬電阻值小三個數(shù)量級。超導(dǎo)體較低的電阻導(dǎo)致了用超導(dǎo)體制成的線圈具有較高的品質(zhì)因子(Q)，由于SNR正比于Q的平方根，所以可以提高探測器的SNR。作為比較，由高溫超導(dǎo)體(“HTS”)制成的薄膜線圈在33.7 MHz和77K下具有大于10,000的Q值，而用金屬Ag制成的類似薄膜線圈在相同頻率和溫度下，Q值為10。
由于在實踐中，金屬薄膜線圈的Q值很低，所以金屬線(主要為銅)被用來制造傳統(tǒng)的體線圈和面線圈。一般地說，用銅線制造的線圈具有100-500的Q值。超導(dǎo)體的低電阻可以使薄膜線圈的Q值大于導(dǎo)線線圈。
磁環(huán)形探測器已被開發(fā)用來產(chǎn)生以鈉23(23Na)的存在為基礎(chǔ)的MRI圖像，其中鈉23是一種對醫(yī)學(xué)成象很有用的原子核。用超導(dǎo)材料制成的探測器，其信噪比(“SNR”)至少大于銅線圈的10倍，銅線圈因其較高的固有電阻，會產(chǎn)生較大振幅的噪聲。這種SNR增益對于活體的23Na MRI是極為重要的，由于23Na總的靈敏性較低，所以活體23Na MRI的SNR較差。與23Na MRI相關(guān)的另一個主要的實踐性困難在于，要把探測器準(zhǔn)確定位在將作成象的區(qū)域。
因此，若能同時對不同共振頻率的兩個或多個共振原子核進(jìn)行探測將是有利的。希望能夠用單個探測器檢測多個共振，以便合適地定位和聚焦在希望掃描的區(qū)域。但是，如果將多個接收線圈放得非常靠近，那么必須考慮兩個線圈之間產(chǎn)生的互感，以便對探測器進(jìn)行合適的調(diào)諧。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種多共振超導(dǎo)體探測器，它可用于MRI、MRM和MRS等場合。多共振探測器具有多個由超導(dǎo)薄膜制成的線圈，超導(dǎo)薄膜位于一襯底上。每個線圈最好包括一個螺旋形電感器，內(nèi)外環(huán)之間有叉指式凸起相互交叉。較佳實施例中的線圈繞一公共點同心，以便就多個接收線圈提高探測器的總視場。探測器的構(gòu)造考慮了襯底上個別接收線圈的互感效應(yīng)，并且通過改變與特定線圈上的叉指數(shù)，可就每個線圈結(jié)構(gòu)對探測器進(jìn)行進(jìn)一步的精細(xì)調(diào)諧。多共振探測器可以通過從附加共振頻率獲得的附加數(shù)據(jù)來改善所需物體的成象。多共振探測器可以用以下方式來制作將超導(dǎo)薄膜沉積在襯底上；制作合適的線圈結(jié)構(gòu)，以便解決互感問題，并精細(xì)調(diào)諧個別線圈。
還可將每個接收線圈放在分立的層中來構(gòu)造多共振探測器，其中可以把緩沖層放在任何兩個相鄰的線圈層之間。多層結(jié)構(gòu)便于使用相同直徑的線圈，以便增加所有接收線圈的相互視場。
附圖概述結(jié)合附圖，閱讀以下關(guān)于本發(fā)明較佳實施例的詳細(xì)描述，將清楚本發(fā)明的其他目的、特點和長處。附圖有

圖1是依照本發(fā)明構(gòu)造的多共振超導(dǎo)探測器的平面圖；圖2A是一曲線圖，示出了頻率較高的接收線圈之共振頻率對兩線圈間耦合系數(shù)的關(guān)系；圖2B是一曲線圖，示出了頻率較低的接收線圈之共振頻率對兩線圈間耦合系數(shù)的關(guān)系；圖3是一電路圖，模擬了多共振探測器中的兩個相鄰線圈；圖4是一譜線圖，示出了圖1中雙共振超導(dǎo)探測器的響應(yīng)頻譜；圖5是一流程圖，示出了制作圖1中多共振探測器的頻步驟；圖6示出了多共振超導(dǎo)探測器的多層結(jié)構(gòu)；圖7是一流程圖，示出了制作圖6中多層多共振探測器的步驟；圖8示出了用于多共振超導(dǎo)探測器的接收線圈的矩形結(jié)構(gòu)；圖9示出了另一種在多共振超導(dǎo)探測器中使用的接收線圈的結(jié)構(gòu)。
較佳實施例的描述多共振超導(dǎo)探測器將提高磁共振圖象的質(zhì)量，或者促進(jìn)能夠利用閱讀多共振頻率所得數(shù)據(jù)的其他應(yīng)用。將多個共振線圈放在單個探測器中，以便同時利用兩個或多個不同的原子核來檢查同一區(qū)域?？梢杂脕碜砸粋€原子核的信息確定探測器的準(zhǔn)確位置，而將來自另一個原子核的、具有較低分辨率的信息用于分析，分辨率較低的信息本身可能不能確定探測器的位置。
這里所描述的較佳實施例是用于MRI的雙共振探測器。但是，本發(fā)明不限于兩個接收線圈，它還可以包含三個或多個用下述相同原理的技術(shù)構(gòu)造的接收線圈。另外，多共振探測器不限于這里描述的MRI應(yīng)用，它還可以為任何目的探測某一頻譜中的多個頻率。
使用1H和23Na的多共振超導(dǎo)探測器產(chǎn)生MRI圖象可以建立1H的高分辨解剖圖像和23Na分布間的相關(guān)。另外，合并1H和23Na的MRI提供了補(bǔ)充信息，可以更好地描述被成象的組織。
這里作為第一較佳實施例描述的探測器設(shè)計由兩個分立的同軸線圈組成，這兩個線圈位于同一襯底上，將每個線圈的頻率調(diào)諧到23Na或1H的共振頻率。與該超導(dǎo)雙共振探測器設(shè)計相關(guān)的挑戰(zhàn)是計算線圈之間的耦合，以便計算互感?；ジ信c共振電路中的阻抗有效耦合，使共振頻率發(fā)生頻移。通過確定耦合系數(shù)，可以求出線圈頻移后的共振頻率。相應(yīng)地，已知耦合系數(shù)，可以計算探測器的合適的共振頻率，以便計算正確調(diào)諧的探測器。如果在設(shè)計線圈時不考慮耦合阻抗，那么會導(dǎo)致探測器不共振。
圖1示出了依照本發(fā)明構(gòu)造的多共振超導(dǎo)探測器的平面圖。盡管該例僅示出了兩個分立的接收線圈，但也可以將用于接收附加共振頻率的附加線圈同心圍繞放置，或放在所示的線圈內(nèi)。如圖所示，超導(dǎo)探測器100具有兩個線圈，即外接收線圈101和內(nèi)接收線圈103，兩個線圈都位于一個襯底120上。每個線圈由諸如Y1Ba2Cu3O7-x等超導(dǎo)材料制成。外線圈101具有一螺旋形線圈105和多個“叉指”，叉指是超導(dǎo)材料的延伸部分。圖中例示了叉指107和109。螺旋形線圈部分為接收線圈提供電感，而互相交織的叉指為接收線圈提供必要的電容，以便調(diào)諧它的共振頻率。線圈的共振頻率直接與結(jié)構(gòu)的電感和電容相關(guān)。線圈101的電容直接與線圈中的叉指數(shù)相關(guān)。內(nèi)線圈103也具有一個螺旋形線圈111和多個與螺旋形線圈111相連的叉指，例如叉指113。襯底120可以是平面的，或柔性的，以便將其彎曲或包裹在被成象物體上。
當(dāng)進(jìn)行磁共振成象時，每個接收線圈檢測由磁化的原子核產(chǎn)生的不同頻率。圖1探測器的構(gòu)造用內(nèi)接收線圈檢測1H，用外接收線圈檢測23Na。將諸線圈同心地放在襯底上可以提高兩個接收線圈的相互視場，同時可以降低線圈之間的互感。
圖1中的諸接收線圈可以用Y1Ba2Cu3O7-x(YBCO)超導(dǎo)薄膜制成，位于單個晶體LaAlO3襯底上，并且可以用活性離子移植技術(shù)，或者干或濕蝕刻技術(shù)制成圖形。探測器包括兩個分立的同軸線圈，線圈位于同一襯底上，并且在大小為3T的磁場中調(diào)諧到23Na和1H的Larmor頻率，所述頻率分別對應(yīng)于33.77 MHz和127.71 MHz。如上所述，每個接收線圈包括單個環(huán)形電感器，交叉叉指的電容器位于電感器的環(huán)形圈之間。對于本例的外線圈，電感器的線寬度為275微米，而交叉叉指的寬度為33微米，間距為22微米。對于本例的內(nèi)線圈，電感器的線寬度為139微米，而交叉叉指的寬度為90微米，間距為60微米。頻率較高的共振線圈(外線圈)有100-200對左右的叉指，而頻率較低的共振線圈(內(nèi)線圈)具有500-600對左右的叉指。本發(fā)明不限于所述的具體尺寸，但尺寸將根據(jù)所需的FOV、預(yù)期的互感以及將檢測的共振頻率來改變。
選擇線圈的尺寸，平衡以下目標(biāo)顯著的SNR增益因子，足夠大的視場和共振體之間較弱的耦合。在本例中，外線圈直徑為和內(nèi)線圈直徑分別為2.44厘米和1.39厘米。兩個線圈的互感會使每個線圈的共振頻率改變。為了探測某特定原子核的所選頻率，線圈設(shè)計必須考慮互感。
圖2A和2B是曲線圖，示出了圖1所示多共振超導(dǎo)線圈之共振頻率與兩接收線圈之間耦合系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)線圈靠近時，耦合系數(shù)增大到1。圖2A表示，當(dāng)線圈靠近時，外線圈101的共振頻率急劇增加。圖2B表示，當(dāng)線圈靠近時，內(nèi)線圈103的共振頻率急劇降低。在最終設(shè)計作為探測器一部分的每個線圈時，必須計算該共振頻移效應(yīng)。
現(xiàn)在將描述對兩接收線圈之互感的調(diào)整作用和方法。以下分析也適用于同一探測器內(nèi)的三個或多個接收線圈。兩個非常接近的共振體將使其各自的磁場耦合。共振體之間的這種磁場耦合可以用下式給出的互感(M)來描述M=kL11L22----(1)]]>其中k是耦合系數(shù)，L11是第一接收線圈的初級自感，而L22是第二接收線圈的次級自感。如圖3所示，用兩個簡單的電路可以模擬兩個耦合的共振線圈。圖3的每個電路都包含串聯(lián)連接的電容器、電阻器和電感器，每個電路的電感器耦合。
圖3示出了第一電路301，該電路包括電容器C1 303，電容器C1 303與電阻器R1 305串聯(lián)連接，而電阻器R1 305又與電感器L1 307串聯(lián)連接。第二電路309放在第一電路301的附近，它包括電容器311，該電容器與電阻器313串聯(lián)連接，而電阻器313又與電感器315串聯(lián)連接，電感器與電容器311相連，形成一個完整的電路。由圖可見，次級耦合電路309的存在給初級電路301增加了等效阻抗(ωM)2/Zs，從而初級電路將根據(jù)互感移動共振頻率。同樣，第一電路301也會影響第二電路309的共振頻率。當(dāng)耦合系數(shù)可以忽略時，耦合阻抗相應(yīng)較小，初級電路幾乎與次級電路不存在時相同。頻譜將在所預(yù)定的兩個中心頻率處存在兩個峰。當(dāng)耦合系數(shù)增加時，頻率較低的共振體向下頻移，而頻率較高的共振體向上頻移。為了設(shè)計雙共振探測器，使其以正確頻率共振，必須考慮線圈之間的互感。這需要兩個步驟確定耦合系數(shù)，并導(dǎo)出作為耦合函數(shù)的探測器共振頻率。
線圈的大小、幾何形狀以及它們的相對位置決定了耦合系數(shù)。為了計算耦合，將線圈模擬成兩個導(dǎo)線環(huán)，其半徑分別為a和b，平行軸相距c，并且平面相距d。這兩個導(dǎo)線環(huán)之間的互感的一般形式由下式表示M=μnab∫0kJ1(Ka)J1(Kb)J0(Kc)e-KddK----(2)]]>其中μ為磁導(dǎo)率，J1(Ka)，J1(Kb)，J0(Kc)是第一和第二階的Bessel函數(shù)，并且K由下式表示K=4ab(a+b)2+c2----(3)]]>對于這里所考慮的情況，由于環(huán)是同軸和共平面的，所以對于圖1結(jié)構(gòu)，c＝0并且d＝0。導(dǎo)線環(huán)的自感L11和L22可以用下式計算L11=μa(ln8ar-1.75)]]>L22=μb(ln8br-1.75)----(4)]]>其中r是導(dǎo)線的半徑。在把式(2)和(4)代入式(1)之后，獲得耦合系數(shù)。導(dǎo)線環(huán)之間的耦合隨比b/a接近于1而增加。因此，當(dāng)兩線圈移動得靠近在一起時，耦合增加。為了使耦合最小，應(yīng)該使b/a的比盡可能的小，因此要將線圈放得相距盡可能地遠(yuǎn)。但是，只能將比值減小到某一點，在該點之后，探測器的用處會減弱，因為視場(FOV)變小到不可用。
圖3中初級電路301和次級電路309的阻抗由電阻部分和電抗部分組成，它們分別可以寫成Zp=R1+j(ωL1-1ωC1)≡R1+jX1]]>Zs=R2+j(ωL2-1ωC2)≡R2+jX2----(5)]]>其中R1305和R2313是電阻，L1307和L2315是電感，C1303和C2313是電容，而X1和X2被定義為每個電路的總電抗。通過對電路應(yīng)用Kirchoff定律，可以獲得次級電路中的電流I2。次級電流的絕對值可以用以下表達(dá)式表示|I2|=EωM(R1R2-X1X2+ω2M2)2+(X1R2+X2R1)2----(6)]]>當(dāng)分母最小時，次級電流將最大。就分母對X2求微分，當(dāng)以下式子成立時，I2將最大。X2=X1ω2M2R12+X12----(7)]]>對于初級電路可以找到類似的表述式。定義以下關(guān)系ω12=1L1C1,ω22=1L2C2,Q1=ωL1R1,Q2=ωL2R2----(8)]]>并將X1和X2的值代入式(7)中，給出f4(1-k2)-f2(f12+f22)+f12f22=0----(9)]]>其中f的根是考慮互感后探測器的共振頻率，而f1和f2是當(dāng)耦合為零時線圈的共振頻率。在獲得等式(9)時假設(shè)初級共振體的品質(zhì)因子較高，以致于1/Q12可以忽略，對于超導(dǎo)共振體來說，這不是不合理的。f的根為±f1′和±f2′的形式，并且由以下等式給出f1′=12(f12+f22)-12(f12-f22)2+4k2f12f221-k2]]>f2′=12(f12+f22)+12(f12-f22)2+4k2f12f221-k2----(10)]]>方程式(10)允許根據(jù)耦合系數(shù)以及f1和f2的值來計算頻移后的共振頻率。如果兩個線圈的耦合可以忽略，那么方程式(10)簡化為f1′＝f2和f2′＝f2。至于為了忽略k值必須多小，則依賴于f1和f2的相對值。圖2A和2B是對于f1＝33.77 MHz，f2＝127.71MHz(它們分別對應(yīng)于23Na和1H的共振頻率)時，作為耦合之函數(shù)的f1′和f2′的曲線圖。這兩個曲線圖表示，耦合作用是將頻率較低的共振體向下頻移，將頻率較高的共振體向上頻移。結(jié)果，被適當(dāng)調(diào)諧在零耦合處的線圈對于k＞0的情況將不共振。對于將正確調(diào)諧探測器的一特定耦合系數(shù)來說，確定合適的f1和f2值是有用的。就方程式(9)求f1和f2的解f1=f1′1-f1′2k2f1′2-f22]]>f2=f2′1-f2′2k2f2′2-f12----(11)]]>通過給方程式(11)中的f1′和f2′賦值，使其等于探測器的合適共振頻率，便可以確定f1和f2。
對于具有圖1所述尺寸的探測器，兩線圈的相應(yīng)b/a比為0.6，這意味著從方程式(1)到(4)，耦合系數(shù)大約為0.15。通過就k＝0.2，以及f1′＝33.77 MHz和f2′＝127.71 MHz的情況，對方程式(11)求解，應(yīng)該將線圈設(shè)計成在f1＝33.82 MHz和f2＝129.93 MHz處共振，以便探測器發(fā)生共振。對于本例中選擇的b/a比，頻移只對頻率較高的共振體很重要。
圖4示出了如圖1所示的雙共振超導(dǎo)探測器的響應(yīng)頻譜。頻譜包括兩個峰401和403，它們分別對應(yīng)于23Na和1H的頻率。兩個峰位于其被設(shè)計共振頻率的幾百千赫茲內(nèi)。實驗發(fā)現(xiàn)耦合系數(shù)為0.2，它與計算值0.15具有合理的一致性。對于23Na和1H，分別測得線圈的空載Q值為7.9×103和11.7×103。
用Hewlett-Packard 8712B網(wǎng)絡(luò)分析儀測量多共振超導(dǎo)探測器。在大約30K溫度下，在常規(guī)流低溫控制器中測量探測器。用電感性耦合的同軸電纜進(jìn)行反射測量，從而確定探測器的響應(yīng)和品質(zhì)因子(Q)。對幻影進(jìn)行兩維的(2-D)傅里葉成象，并且獲取23Na和1H圖象。
與傳統(tǒng)的磁環(huán)形探測器相比，多共振超導(dǎo)探測器至少有三個明顯的優(yōu)點較高的SNR；可以有效地將探測器相對所關(guān)心的區(qū)域定位，并且能夠獲得所關(guān)心的同一區(qū)域的1H和23Na圖象，并提供補(bǔ)充信息，導(dǎo)致更佳的組織描述。另外，探測器設(shè)計可以適用于諸如鉀、碳、氮和氟等其他原子核。
圖5是一流程圖，示出了制作圖1所示多共振頻率超導(dǎo)探測器的步驟。這些步驟很容易修改成制作用于探測三個或多個共振頻率的超導(dǎo)探測器。
步驟501選擇一個襯底，在該襯底上將沉積一由超導(dǎo)材料制成的薄膜。應(yīng)該將襯底選擇成晶格匹配，或者與HTS材料類似晶體結(jié)構(gòu)，以便在上面生長高質(zhì)量的HTS薄膜。襯底可以是平面的或柔軟的，以便可以彎曲或包裹在被成象物體的周圍?？梢允褂玫囊r底的例子是LaAlO3。步驟503將一由超導(dǎo)材料制成的薄膜沉積在襯底上?？梢允褂貌牧系睦邮荵1Ba2Cu3O7-x(YBCO)。
然后，步驟505在超導(dǎo)薄膜上形成線圈圖案。設(shè)計線圈圖案，以便調(diào)諧電感(螺旋形電感器的長度)和電容(線圈中叉指的數(shù)目)，獲取大致與設(shè)計相等的共振頻率。設(shè)計根據(jù)對以下因素的考慮顯著的SNR增益因子(要求較小的線圈)、較大的FOV(要求較大的線圈)和線圈之間較弱的耦合。設(shè)計運(yùn)用上述模型，考慮了線圈之間的任何互感。
例如，用于或濕蝕刻技術(shù)或離子移植技術(shù)完成線圈制作過程。在濕蝕刻工藝中，將掩膜放在將要保留的超導(dǎo)薄膜部分上，然后將薄膜放在化學(xué)浴中，從沒有掩膜的襯底上除去超導(dǎo)材料。在使用干蝕刻工藝(例如，離子碾磨)時，同樣將掩膜放在將構(gòu)成接收線圈的超導(dǎo)薄膜部分上，然后將離子射向薄膜，除去一部分超導(dǎo)材料，而只留下掩膜下的超導(dǎo)薄膜。在離子移植工藝，將活性離子(諸如Si、B、Al等)通過掩膜注入一部分HTS材料中，其中掩膜按所需線圈結(jié)構(gòu)的形狀覆蓋在超導(dǎo)層上。以20-200KeV能量率和1014-1017/厘米2的劑量注入離子，以便將植入部分轉(zhuǎn)移到絕緣體內(nèi)，并使未植入部分超導(dǎo)。這些工藝的結(jié)果是獲取超導(dǎo)薄膜的所需結(jié)構(gòu)，諸如圖1中的結(jié)構(gòu)。
然后，如果必要，步驟507將多接收線圈精細(xì)調(diào)諧到合適的共振頻率，以便計及制造過程中的任何容限或設(shè)計中微小的不精確。用以下方式進(jìn)行調(diào)諧，即從每個接收線圈上除去若干叉指，以便改變線圈電容，從而改變共振頻率。在對線圈精細(xì)調(diào)諧后，每個線圈將具有合適的共振頻率，以便檢測探測它們要接收的共振原子核的頻率。
圖6示出了多共振超導(dǎo)探測器的第二較佳實施例。在圖6中，用薄膜將接收線圈分立地疊放在一襯底上。疊層結(jié)構(gòu)不同于所有接收線圈同心地放在同一平面上。圖6示出了多層的多共振超導(dǎo)探測器601，該探測器具有襯底層603、第一線圈層605、緩沖層607和第二線圈層609。盡管在本例中僅畫出了兩個接收線圈，但本發(fā)明可以使用依照本發(fā)明構(gòu)造的三個或多個接收線圈。這種疊層結(jié)構(gòu)允許兩個線圈具有相同或類似的尺寸，并仍能探測兩個不同的頻率。圖6示出，第一接收線圈層605的線圈直徑為D1，該直徑與第二接收線圈的直徑D2相等。用激光束或其他方法從接收線圈上除去若干叉指，從而改變電容仍至改變共振頻率。用這種方法可以在制造后調(diào)諧每個線圈層的共振頻率。具有相同直徑并在空間上重疊的兩個或多個接收線圈還將具有相同的視場，這可以提高探測器的探測面積。另外，用一緩沖層將重疊層分開的結(jié)構(gòu)實際上可以消除接收線圈間的互感。
襯底603的寬度一般在0.5毫米和1毫米之間。在襯底上沉積線圈層605，其寬度一般在0.1微米和0.5微米之間。接下來，在第一線圈層上沉積一緩沖層607，以便兩個相鄰的線圈層不會接觸并發(fā)生短路。另外，緩沖層可以減小任何互感作用。緩沖層的厚度一般為0.2到2微米。最后，在緩沖層的頂部沉積第二線圈層609，并且將其與第一線圈層605對準(zhǔn)。第二線圈層的厚度一般為0.1微米至0.5微米。依照本發(fā)明，也可使用其他厚度。
在線圈層頂上放一附加緩沖層，并在附加緩沖層的頂上放一附加線圈層，由此很容易在多層結(jié)構(gòu)上增加附加的線圈層。每個線圈層將檢測不同的共振頻率，以提高成象質(zhì)量。
圖7示出了制作如圖6所示多層多共振超導(dǎo)探測器的步驟。很容易增加制作多層探測器的附加步驟，以便形成具有三個或多個共振接收線圈的探測器。
步驟701選擇一個將在其上沉積超導(dǎo)材料薄膜的襯底。襯底可以是平面的或柔軟的，以便可以彎曲或包裹在被成象物體的周圍?？梢允褂玫囊r底例子是LaAlO3。步驟703將一由超導(dǎo)材料制成的薄膜沉積在襯底上。可以使用的超導(dǎo)材料例子是Y1Ba2Cu3O7-x(YBCO)。
然后，步驟705在超導(dǎo)薄膜中形成單個接收線圈的圖案。設(shè)計線圈圖案，以便調(diào)諧電感(螺旋形電感器的長度)和電容(線圈中叉指的數(shù)目)，獲取大致與設(shè)計相等的共振頻率。設(shè)計根據(jù)對以下因素的考慮顯著的SNR增益因子(要求較小的線圈)、較大的FOV(要求較大的線圈)和線圈之間較弱的耦合。設(shè)計運(yùn)用上述模型，考慮了線圈之間的任何互感。
可以用離子移植技術(shù)完成該制作過程。將掩膜覆蓋在將形成接收線圈的超導(dǎo)材料上。然后，用離子移植技術(shù)使其接觸的超導(dǎo)材料失去超導(dǎo)性，并變成絕緣。但是，對于接收線圈部分和絕緣部分，薄膜的高度保持相同。這與化學(xué)蝕刻或離子碾磨相反，在后一情況下，薄膜表面因蝕刻而變得不均勻。在多層探測器的情況下，為了向外沉積下一層薄膜，被植入和未被植入的薄膜表面部分必須具有相同晶體結(jié)構(gòu)并且必須是平面的。
步驟709在第一超導(dǎo)層的頂部沉積一緩沖層。緩沖層將直接位于該緩沖層上下的接收線圈電氣隔離?？梢詮木哂信cHTS類似晶體結(jié)構(gòu)的氧化物中選擇緩沖層材料，諸如LaAlO3、SrTiO3或CeO2。然后，步驟711在緩沖層的頂部沉積第二超導(dǎo)薄膜層。步驟713再次用離子移植技術(shù)在超導(dǎo)薄膜上形成接收線圈，使薄膜的未掩蔽部分失去它的超導(dǎo)性。最后，為了改變影響共振頻率的線圈電容，步驟715通過(例如，用激光)從線圈上除去叉指，來精細(xì)調(diào)諧接收線圈。如果位于底部薄膜層上的接收線圈需要調(diào)諧，那么，在將緩沖層放在超導(dǎo)薄膜頂上之前，需先調(diào)諧電容。在實際制作探測器之前，如前所述計算互感。然后，在制作后，在特定線圈層頂上沉積下一層之前，對接收線圈進(jìn)行精細(xì)調(diào)諧。
圖8示出了依照本發(fā)明布置的另一種接收線圈的結(jié)構(gòu)。盡管該圖中只示出了兩個線圈，但是根據(jù)希望探測的不同頻率數(shù)，探測器可以包含任何數(shù)目的線圈。線圈的矩形形狀產(chǎn)生一矩形視場，如果對窄長的身體部分(諸如，脊椎或手叉指)取MRI，這是有利的。外線圈801包括一螺旋線圈802和多個固定的叉指。舉例示出叉指803和805。內(nèi)線圈807包含螺旋線圈808和固定的叉指。舉例示出叉指809和811。用以前所述方程式，可以計算互感和對互感的相應(yīng)校正?？梢哉{(diào)諧探測器的寬度和長度，以便對某一特定身體部分得到最優(yōu)適配因子(和視場)。還可以定制其他的線圈形狀，用于所需的視場。
圖9示出了可與本發(fā)明一起使用的另一種接收線圈結(jié)構(gòu)。線圈900包括電感部分901和多個固定的叉指。舉例示出叉指903和905。為了獲取平面型探測器，可以將線圈900結(jié)構(gòu)中的另一個接收線圈放在電感部分901確定的區(qū)域內(nèi)。另一種方法是，在上述多層探測器結(jié)構(gòu)的多個線圈層中，使用這種接收線圈。只要包含合適的電感部分和電容部分，該發(fā)明中使用的每個接收線圈可以用多種方式構(gòu)造，以便使接收線圈獲得所需的共振頻率。
上面僅說明了本發(fā)明的原理。因此應(yīng)該理解，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將能作出各種通過實施本發(fā)明原理的系統(tǒng)、設(shè)備和方法，盡管這些系統(tǒng)、設(shè)備和方法沒有在此明確說明或描述，但它們是在本發(fā)明權(quán)利要求限定的精神和范圍內(nèi)的。
例如，可以將多共振超導(dǎo)探測器用作某種裝置的一部分，這種裝置可以接收選定共振頻率的無線電、微波或蜂窩式傳輸。
權(quán)利要求
1.一種多共振超導(dǎo)探測器，其特征在于，包括一襯底；多個不重疊的薄膜線圈，所述線圈固定在所述襯底上；其中，每個所述線圈由超導(dǎo)材料制成，并且被調(diào)諧到選定的不同共振頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，所述調(diào)諧對所述多個線圈之間的所述互感敏感。
3.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，每個所述線圈包括多個叉指，所述線圈的所述共振頻率對所述叉指的總數(shù)敏感。
4.如權(quán)利要求3所述的探測器，其特征在于，所述叉指的所述總數(shù)在100到200之間。
5.如權(quán)利要求3所述的探測器，其特征在于，所述叉指的所述總數(shù)在500到600之間。
6.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，每個所述線圈具有相同的中心點。
7.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，每個所述線圈的形狀是圓形的。
8.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，每個所述線圈的形狀是矩形的。
9.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，所述探測器具有一個視場，關(guān)于被成象選定區(qū)域，而所述線圈離開一最大距離放置，并仍然為所述探測器保持可接受的所述視場。
10.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，所述襯底是柔軟的。
11.一種多共振超導(dǎo)探測器，其特征在于，包括一襯底；至少兩個線圈薄膜層，將每個所述線圈調(diào)諧到選定的不同共振頻率，包括超導(dǎo)線圈；和一緩沖層，它位于相鄰的所述線圈層之間。
12.如權(quán)利要求11所述的探測器，其特征在于，所述線圈包括多個叉指，所述線圈的所述共振頻率對所述叉指的總數(shù)敏感。
13.如權(quán)利要求11所述的探測器，其特征在于，每個所述線圈具有相同的中心點。
14.如權(quán)利要求11所述的探測器，其特征在于，每個所述線圈的形狀為圓形的。
15.如權(quán)利要求11所述的探測器，其特征在于，每個所述線圈的形狀是矩形的。
16.如權(quán)利要求11所述的探測器，其特征在于，所述襯底是柔軟的。
17.一種制作多共振超導(dǎo)探測器的方法，其特征在于，包括以下步驟；選擇一襯底；在所述襯底上沉積一薄的超導(dǎo)膜；在所述薄膜上形成多個同心線圈；并且將每個所述線圈調(diào)諧到一共振頻率，所述調(diào)諧對所述多個線圈的互感敏感。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，每個所述線圈包括許多叉指，并且所述方法還包括下述步驟從所述線圈除去選定數(shù)目的所述叉指，以改變所述線圈的所述共振頻率。
19.一種制作多共振超導(dǎo)探測器的方法，其特征在于，包括以下步驟；選擇一襯底；在所述襯底上沉積第一超導(dǎo)薄膜；在所述薄膜上形成一個線圈，所述薄膜大致保持水平；在所述第一超導(dǎo)薄膜上沉積緩沖層；在所述緩沖層上沉積第二超導(dǎo)薄膜；在所述第二薄膜中形成線圈，所述第二薄膜大致保持水平；將每個所述線圈調(diào)諧到一共振頻率，所述調(diào)諧對所述多個線圈的互感敏感。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，每個所述線圈包括許多叉指，并且所述方法還包括下述步驟從所述線圈除去選定數(shù)目的所述叉指，以改變所述線圈的所述共振頻率。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在所述第二薄膜層上沉積一附加緩沖層；在所述附加緩沖層上沉積一附加超導(dǎo)薄膜；并在所述附加薄膜中形成一線圈，所述薄膜大致保持水平。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述形成線圈的步驟用離子移植技術(shù)來完成。
全文摘要
一種多共振超導(dǎo)探測器,應(yīng)用于磁共振成象、顯微鏡檢查和分光鏡檢查,可以探測在不同頻率下共振的多個原子核。探測器的結(jié)構(gòu)包括兩個或多個接近的超導(dǎo)線圈(101,103),每個線圈被調(diào)諧到不同的頻率,并針對線圈間互感所產(chǎn)生的頻移而進(jìn)行調(diào)節(jié)。線圈可以同心地放在一平面(120)內(nèi),或者可以垂直疊放。
文檔編號G01R33/34GK1245562SQ97181555
公開日2000年2月23日 申請日期1997年11月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月2日
發(fā)明者張寬, 杰森·R·米勒, 穆殷吉, 馬啟元 申請人:紐約市哥倫比亞大學(xué)托管會