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用DC SQUID检测分析个体宽频段内脑磁脑电信号功率谱实验方案

已有 66 次阅读2018-1-5 08:43 |个人分类:极微弱电波检测| 极微弱电磁波检测

用DC SQUID检测分析个体宽频段内脑磁脑电信号功率谱实验方案
说明:
作者:惧己过劳死
摘要:目前的超导磁强计都是采用SQUID作为传感器,超导环后接磁通锁定环路,这种检测磁场的方法能检测的磁场最高频率只能达到几兆赫兹。本方案所采用的探测方法是直接从超导环引出电压,然后接超低噪声的频谱仪或放大器进行信号分析,但要控制输入超导环的磁通量小于半个磁通量子,这里采用的措施是检测超导环输出电压,让SQUID逐步靠近被测磁源,保证超导环输出最大电压不大于干涉曲线最大值但接近最大值。

Abstracts:Thecurrent superconducting magnetometer uses SQUID as a sensor,aftersuperconducting loop we meet flux locking loop,this method of detectingmagnetic fields can detect magnetic fields with a maximum frequency ofonly  several millions  hertz .This method directly extraction the voltage from the superconductingring,then the ultra low noise spectrum analyzer or amplifier is used for signalanalysis,but the magnetic flux of the input superconducting ring is less thanhalf of the flux quantum,the measure adopted here is to detect the outputvoltage of the  superconductingring,adjust SQUID to close to the magnetic source being measured,ensure thatthe output voltage of the superconducting ring is not greater than but close tothe maximum value of  interference curve.
关键字:  DC超导量子干涉仪(SQUID)  环电压半磁通量子 梯度计 带通滤波 射频电路
Key words:  DC superconducting quantum interference device ,Ring voltage,Half magnetic flow quantum, gradient meter,Highpassfiltering,RF circuit.

一,      探测试验原理
已知的最灵敏的弱磁探测器就是超导量子干涉仪即SQUID(见附录简介),被广泛应用于心磁,脑磁等生物磁场探测【5】(存在随机的低频脑电脑磁信号,也存在高频的脑电脑磁【6】,检测设备灵敏度高一定可测到)。其价位可能在四五十万元左右,美国等发达国家有公司已出售该产品,网上可搜到国内的代理公司。
人脑内神经元同步电活动会产生脑磁【3】,作用在SQUID超导环上的磁通量使环输出端(环输出端子间距几毫米)产生频谱仪可分析的电压。DC SQUID的噪声在十分之一纳伏数量级【11】(这是直流到几十赫兹频段噪声,到几十兆赫兹频段总噪声要乘以1000即根号下一万,可能达零点几微伏,这就需要对SQUID输出进行带通滤波);输出电压可达微伏毫伏级,当然几纳伏的电压仍可检测;输出阻抗应很小,大致150欧姆左右,可以通过网络分析仪测出阻抗在各频点具体数值(本人认为十分难测且复杂,要用到的设备多且性能很好);超导环输出端电压用超低噪声放大器【10】或者DC SQUID构成的放大器进行放大后,进行阻抗匹配转换成输出阻抗50欧姆(用电阻构成宽带阻抗匹配转换电路)后通过50欧姆传输线电缆先后与输入阻抗50欧姆的示波器和频谱仪【9】相连。
本次探测是从超导环输出端直接输出电压,只在20千赫兹到50兆赫兹频段探测,DCSQUID能满足频率响应要求,因为DC SQUID在磁通量变化频率达到吉赫兹时,仍存在输出电压与磁通量对应关系曲线【7】。虽然SQUID输出电压与磁通量关系曲线呈现周期性,但在高屏蔽效能屏蔽室中,通过改变squid前端与头皮距离,在输入线圈前添加高通滤波器,使用梯度计和穿电磁屏蔽服装(屏蔽人体其他磁场)等措施,通过示波器(注意考虑电压反射系数等综合比例系数,示波器示值不等于超导环电压)监测输出电压使之始终小于特性曲线上峰值电压,总可以使作用在SQUID超导环上的磁通量小于半个磁通量子,保证了电压与磁通单值对应关系【1,2】。
我的探测试验电路器件组成和连接方式是磁通变换器后接SQUID,SQUID环后串接隔直电容可接高频升压变压器,也可不接升压变压器,其输出电压加隔直电容后经带通滤波器等接可传输高频电压的传输线输入频谱分析仪(频域示波器)。磁通变换器的探测线圈采用让SQUID厂家定做的一阶梯度计,输入线圈与SQUID环紧耦合。我的分析推理过程是作用在SQUID环上的外加磁通X1与探测线圈探测到的磁场梯度差X2(假定小探测线圈内磁场均匀,磁通与磁通密度成正比)存在确定的函数关系,并且是单调增函数,而X2就反映电磁波的强弱P1;SQUID环输出电压U与外加磁通X1在第一个半周期内也成单调增函数关系;SQUID环输出电压分析仪即频域示波器显示值X3对应。因此按照我使用SQUID的方法,SQUID环输出电压U就与电磁波的强弱P1成单调增函数关系,所以SQUID可以探测高频脑电波并比较不同人的大小。这里要考虑把功率谱分析结果除以放大器增益和乘以反射系数以及除以阻抗匹配网络的衰减系数。
由于脑磁中包含诱发脑磁,因此被测对象在探测过程中要能听到声音看到物体。由于不知道脑磁源在头部的具体位置和磁场方向,因此探测过程中人头不动要不断改变SQUID的位置和倾斜角,我准备采集四个位置的数据,头部的前后左右四个位置,每个位置处SQUID采取两种放置方式,即探头水平和竖直放置,分别采集数据,这样就是一共8种情况的信号频谱数据。
干扰磁场的屏蔽和衰减:由于SQUID灵敏度极高,但脑电波极微弱,因此干扰场的排除极为重要。必须要在电磁屏蔽室内检测,要求电磁屏蔽室屏蔽效果十分好【8】;前置梯度计衰减效果十分好,线圈平衡度甚高,性能极佳【1】。屏蔽效果很好的屏蔽室中对脑磁干扰最严重的是心磁场,可以穿用电磁屏蔽布做的脖子处紧口衣服密封包裹脖子以下(不用扣用粘接密封方式)进一步衰减之。为了衰减低频磁场,还要在梯度计和输入线圈之间添加20千赫兹阻容高通滤波器。
根据频谱仪一次最多记录的点数和选定的一千赫兹的频率分辨率,取二者乘积计算出一次扫频分析的带宽W,50除以W既是需要分析的总小频段数,并可确定各个小频段的起止频率点。
二,      探测试验目的
          通过探测这些频段,可以为其他试验比如新频段内无线脑机接口和无线脑电图仪提供必要的依据【4】。
三,      所需试验器材及场所
1,    带有梯度计的DC SQUID ,不需读出电路,具体要求是:
       (1) ,超导环输出端噪声尽量小;要选用尽量低噪声的恒流源偏置电源。
      (2),环输出端要带有两个接线点或接线柱或者接口,用于分别接放大器的输入端和地线,     
(3),用一个SQUID即可,探头要能竖直紧贴头部或者平放紧贴头部
      (4),输出电压调制深度尽量大;
      (5),探测过程中用电瓶或电池供电
(6),梯度计两线圈平衡度优良,距离不大于10厘米,衰减效果十分好。由于脑磁场分布情况未知,能够保证最大脑磁磁通聚焦放大倍数的最优线圈面积只有通过试验确定,应该准备线圈面积大小不同且相差不小的多个梯度计。
(7),梯度计和输入线圈之间添加20KHzRC高通滤波器,电阻用非超导金属材料做,放置在屏蔽罩外。
(8),消除厂家配置的反馈补偿线圈的影响。
2,4.2K无磁非屏蔽液氦超低温制冷设备
      要求准备能让SQUID工作1小时的液氦和全套制冷设备。
3,            能达100兆赫兹的电压表或示波器和网络分析仪
     要求工作频带或最高可测频率能达100兆赫兹,最大量程大于SQUID峰值电压。用于监视输出电压是否达到输出特性曲线的峰值点电压。
4,            电磁屏蔽室
     要求具有十分好的屏蔽作用,还要留有孔,直径1厘米的电缆能穿过。
5,            频谱分析仪
要求 :
(1),输入端噪声小于或等于SQUID的输出端噪声;
(2),工作频段或可测频段覆盖20千赫兹到50兆赫兹频段
(3),频率分辨率能小到一千赫兹,每次可分析扫频频段可调;
(4),频谱分析结果可保存到外存储器中,并可保存成电子表格形式。
6,            同轴传输线和接口
     直径一厘米,长度满足要求的情况下尽量短(被测人与设备尽量靠近),特性阻抗50欧姆。接口用于连接SQUID和频谱仪等,需要了解SQUID的输出接口和频谱仪示波器输入接口型号后确定。
7,            手电筒和收音机。
8,            两个隔离直流的电容,25伏,1微法,起隔离器的作用。
9,            电磁屏蔽室
  要求电磁屏蔽室屏蔽效果十分好,在20千赫兹到100兆赫兹频段衰减倍数达10的八次方即80分贝,屏蔽体接地良好。
10,高端输入输出阻抗是50欧姆的覆盖20千赫兹到50兆赫兹频段窄带带通滤波器,输出阻抗50欧姆的电阻宽带阻抗匹配转换电路,二者要进行高屏蔽效果的屏蔽;
11,能达100兆赫兹的超低噪声放大器和扫频仪(附带能达100兆赫兹的12伏宽带放大器)以及网络分析仪,要对超低噪声放大器进行高屏蔽效果的屏蔽。
四,      探测实验原理电路连接方式简介
首先把DC SQUID看做宽频段随机变化的电压源,输出阻抗150欧姆左右。我的探测试验电路器件组成和连接方式是磁通变换器(包括梯度计,高通滤波器,输入线圈)后接DC SQUID(带恒流偏置电源),SQUID环后串接隔直电容,再接超低噪声放大器或者DC SQUID放大器和20千赫兹到50兆赫兹带通滤波器,后可接高频升压变压器初级,接下来次级一定要加隔直电容,幅度足够大于电阻白噪声的输出电压进入输出阻抗是50欧姆的电阻宽带阻抗匹配转换网络,再接特征阻抗 50欧姆的传输线,出屏蔽室后接无白噪声的lc型20千赫兹到50兆赫兹带通滤波器。然后先接输入阻抗50欧姆的示波器,如果电压不超过干涉特性曲线的峰值,再断开示波器将信号输入50欧姆频谱分析仪(频域示波器)。磁通变换器的探测线圈采用让SQUID厂家定做的一阶梯度计,输入线圈与SQUID环紧耦合。需要说明的是,如果DC SQUID和示波器之间距离小于十分之一探测的最小波长,检测电路属于集中参数电路,传输线直接看做无电抗的很小电阻的导线,不用超低噪声放大器和电阻阻抗匹配转换电路,不用考虑放大器增益、阻抗匹配转换电路衰减系数和传输线的反射系数。也可以采用带通滤波的方式,分成两个互不影响的频段,20千赫兹到30兆赫兹作为一个探测频段,按集中参数电路处理;30兆赫兹到50兆赫兹作为集中到分布参数电路的过渡频段,考虑分布电抗的影响,仍采用前述电路形式。
探测电路图(超低噪声放大器后必须要补充接带通滤波器):
file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image002.gif
                                                           
五 ,探测试验步骤及方法
  预备试验
超导环后系统功率反射系数和波形失真度【13】频率特性测试:
用扫频仪和超宽带放大器输出大幅度点频信号,用示波器和网络分析仪,测输出阻抗是50欧姆的电阻宽带阻抗匹配转换网络和50欧姆传输线小组合系统的波形失真度和电压或功率反射系数。若波形失真严重,则需采取措施。
1,    用短传输线先后连接SQUID输出端与示波器和频谱仪;
2,    关闭屏蔽室门,关闭屏蔽室内除SQUID超低噪声放大器之外任何电器设备,所有人员离开屏蔽室;
3,    打开偏置恒流源电源,使SQUID正常输出电压。
4,先测由DC SQUID、超低噪声放大器以及电阻型宽带阻抗匹配网络和传输线构成的系统的本底噪声并记录和做好标记。然后被试进入屏蔽室,先连接示波器,要从探头紧贴头皮某个位置开始逐渐远离头皮,直到检测到输出电压不大于最大值后,再连接频谱仪测功率谱。需要强调的是,这里示波器显示电压与SQUID环端电压存在一个比例系数,这是由阻抗失配电压反射以及阻抗匹配网络衰减和放大器放大共同作用造成的,这个比例系数的确定用到网络分析仪。
5,            帮忙人员在屏蔽室外打开收音机,紧贴屏蔽体。被测人进入屏蔽室后,打开手电筒,保证自己能看到物体。被测人听不到声音可以大声自言自语。
6,             频谱仪操作人员发出口令,要求被试将SQUID分别放在头部的前后左右四个位置,每个位置处分竖直和水平两种放法。具体8种情况数据的采集顺序由频谱仪操作人员决定。每种情况下各个小频段分别采集,保存的数据文件名中包含“被测人名字位置放法频段序号脑磁信号”这些词以便区别。举个例子来说。
频谱仪操作人员向屏蔽室内发出口令“前面水平放置”,被测人按要求大致放在这个位置,放好后喊话放好。频谱仪操作人员开始分别分析记录各个小频段数据,各个小频段频谱分析出的数据文件保存下来,每个文件名中都要包含“前面水平信号”六个字,与位置放法情况一致。
           记录完上面情况的数据后,频谱仪操作员再发出口令“前面竖直放置”,“后面水平放置”等,8种情况都要探测,每种情况还都要分析记录各个小频段数据。
7,            探测分析多人的脑磁功率谱数据并分别保存到U盘中,不同的人的数据按名字或代号区分开,在电子表格中对不同的人进行同频段同位置同种放法情况下功率谱大小比较,找出个人高功率频段,计算是他人多少倍。
8,             为了验证探测到的个体高功率频段是否正确,设置频谱仪的分析频段为此频段,应该是被试在时该段功率大,被试离开时功率等于噪声。
六,补充说明
  本检测方法有三点首创:1,直接从SQUID两端引出电压为首创,这样可以连接超低噪声放大器或超高灵敏度频谱仪,2,保持作用在超导环上的磁通量始终小于半个磁通量子的做法也是首创,保证电压与磁通量的线性对应关系,但不易控制可能需多次调整距离,3,在梯度计的探测线圈与输入线圈之间添加非超导无剩磁材料如铜银等做的电阻和电容构成的高通滤波器,滤除20千赫兹以下功率谱大的频段的磁场分量,衰减了作用在超导环上的外磁通量,使外磁通量幅值尽量不接近半个磁通量子,可以提高检测的较高频段磁场的幅度动态范围,但高通滤波器的体积形状要合适,要选用贴片元件且结构紧凑,以便能放置在探头有限空间内,还要求电阻尽量小以免引入噪声淹没有用信号【6】。
  七,附录:DCSQUID简介
    直流超导量子干涉仪即DC SQUID的结构组成是一个直径1毫米的超导环,中间被两个约瑟夫森结隔开,需加恒定直流偏置电流,放在4K温度的密封的液氦中,属于量子传感器(量子磁力仪),其作用是将外界极其微弱磁场在超导环上产生的极小磁通量(输入量,在超导环上外界磁通小于半个磁通量子条件下)转换成可测的纳伏级的输出电压(从超导环两端直接输出的输出量),并保持一一对应关系,输入输出量之间的函数关系式非常复杂(近似为余弦函数关系)。这种器件在外磁通接近零时噪声极小,即最小输出电压低至零点几纳伏级,输出阻抗很小,最大输出电压可达几毫伏,响应的磁场频率高达THz。因此可把DCSQUID看成接收极弱磁场的极高灵敏度的天线,使用时要采取措施保证作用在超导环上的磁通量小于半个磁通量子(常量)。注:大于情况下如果从超导环两端直接输出电压信号就不能保证一一对应关系,但仍可采用磁通锁定反馈办法使用即构成超导磁强计,响应的磁场频率只能限制在兆赫兹数量级。
用于检测极微弱的脑磁场的DC SQUID,作用在超导环上的磁通量是通过探测线圈和输入线圈传递耦合过来的,不是脑磁场直接作用在环上。探测线圈(线圈直径10毫米左右)和输入线圈包括高通滤波器构成磁通变换器,常做成磁通聚焦器,探测线圈还必须做成中间有间距(尺寸不能大到可与工作波长相比拟)的两个,构成梯度计来衰减心磁场等人体磁场,高通滤波器用来衰减低频磁场。
输入线圈和SQUID要封闭在屏蔽罩内,梯度计和屏蔽罩要放置在4.2K无磁非屏蔽液氦杜瓦瓶中,添加在梯度计和输入线圈之间的RC高通滤波器要放置在屏蔽罩外。这里牵扯到梯度计和RC高通滤波器输入线圈之间焊接问题,SQUID和输入线圈固定在屏蔽罩上问题,屏蔽罩和梯度计固定在杜瓦瓶上问题,杜瓦瓶支撑问题。
八,关于传输线阻抗匹配问题
探测方案用到了50欧姆同轴电缆传输线,低频段可以作为无电抗的长导线,高频段就要考虑分布电抗,也就是要考虑阻抗匹配问题,不匹配频段会有反射电压。这里我要测的是不同人同频段的功率谱即电压的平方除以输入阻抗相对大小,就是要分析相差多少倍。由于从电压反射系数计算公式可看出,反射电压大小只与DC SQUID输出阻抗、传输线特征阻抗和频谱仪输入阻抗有关,与人无关,也就是说每个人的电压反射系数相同【12】,也就是说对任何人的功率衰减相同的倍数,因此用该套系统分析不同人功率谱相差多少倍,即使不匹配也不影响倍数值,但这套系统测得的功率谱不能跟别的探测系统进行大小比较。
九,DC SQUID的主要性能指标
磁通电压转换比,噪声(由带宽决定),输出阻抗(与频点有关),最大最小输出电压,磁通分辨率,电压调制深度。
由于时间仓促加之本人近期头痛,读者若有不明白的地方请参看《超导物理》以及《电路原理》,《射频电路原理与分析》,《微波电路原理》等书。另外,本论文层次有点混乱,但对专业人员来说必能理清头绪,且必有十分重要的参考价值。如有兴趣和需要,欲共同开展探测试验,可以与我联系,探讨交流方案部分细节和需要补充之处,本人急盼合作者。
附:航天科技集团公司二院203所电磁兼容检测中心邮箱203emc@sina.com
参考文献:
1,章立源 张金龙等著 《超导物理》第一版 电子工业出版社 1987年 378-379
2,张裕恒著 《超导物理》中国科学技术大学
3,颜威利等著 《生物电磁场数值计算》  河北工业大学
4,郑君里等著 《信号与系统》 第二版 高等教育出版社2002年 349
5,魏景汉等著《认知神经科学基础》第一版 人民教育出版社 2008年
6,康华光等著 《电子技术基础》模拟部分  第四版  高等教育出版社 1998年 7
7,陈正想  卢俊杰  《水雷战与舰船防护》 2011.04  《弱磁探测技术发展现状》
8,杨士元著  《电磁屏蔽理论与实践》国防工业出版社2005年
9,是德科技频谱仪产品目录
10,日本NF株式会社回路设计电子测量仪器SA系列规格介绍
11, 中国  专利申请号 : CN201510628225.6   SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器  中国科学院上海微系统所
12, 钟顺时编  《电磁场基础》  第一版  清华大学出版社 2006年 240
13,逮贵祯等著 《射频电路的分析和设计》 第一版 北京广播学院出版社  2003年 32
作者简介:化名惧己过劳死 电机电器专业       联系邮箱lhr706791@163.com
本文是我放弃专升本函授考试后,根据个人探测极微弱电磁波的爱好,通过电话邮件咨询高校教授和中科院研究员DC SQUID知识,结合高频探测需求提出的方案,目前未见其他专家提出此种方案。由于本文章的探测方法能解决一些紧迫的实际问题,很多急需的人不知道 ,所以请编辑帮帮我们,给发表的机会,因为这种极弱磁探测属于冷门知识,应用领域不广。谢谢编辑!

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