專利名稱：核四極矩共振高q天線接收系統(tǒng)以及檢測物質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核四極矩共振(NQR)光譜裝置以及利用這種裝置進行檢測的方法。尤其是本發(fā)明涉及的這些裝置在接收一個響應(yīng)信號時要求擴展的帶寬，相位穩(wěn)定或減小的Q值，響應(yīng)信號源于一種物質(zhì)，物質(zhì)包含處于適當受激態(tài)的四極核子。這些裝置特別地包含一個高Q的諧振電路天線，天線設(shè)計成為用于截聽磁場的變化并且將它們轉(zhuǎn)變成放大的輸出電壓，以致NQR響應(yīng)信號能夠被記錄。
整篇說明書，除非是上下文所另外需要的，詞語“包括”(comprise)或者變形，例如“包括”(comprises)或“包括”(comprising)理解成為是指包含一個規(guī)定整數(shù)或整數(shù)組，但不排除其他任何整數(shù)或整數(shù)組。
背景技術(shù)：
以下對背景技術(shù)的討論僅僅是用來幫助理解本發(fā)明。值得注意的是，對于任何涉及的內(nèi)容現(xiàn)在是或以前是在申請優(yōu)先權(quán)日的公有一般知識的一部分這一觀點，討論不是對其確認或承認。
NQR響應(yīng)信號用于識別在特定的化學(xué)環(huán)境下具有一個四極矩的核子。產(chǎn)生這樣一個響應(yīng)信號的激勵頻率取決于電場梯度與核子的電四極矩之間的相互作用，電場梯度由在核子周圍的電荷分布產(chǎn)生。電荷分布與分子化學(xué)鍵的特性直接相關(guān)。NQR技術(shù)在檢測炸藥和違禁毒品方面已經(jīng)廣泛應(yīng)用，這主要是14N同位素的性質(zhì)所致。接收的NQR響應(yīng)直接與這種核子的數(shù)量成比例，幸而違禁品中的14N十分充足，含量相對很高。
14N同位素中有一個1核旋，并且擁有一個四極矩，其依賴于化學(xué)環(huán)境將在一個施加的無線電頻率(RF)場中共振。NQR的應(yīng)用不限于這樣一種同位素，同樣存在多種其它的用于物質(zhì)識別的四極核子。激勵技術(shù)基本上是相同的。激勵頻率是不連續(xù)的，大多數(shù)關(guān)系物質(zhì)的值是在100KHz至30MHz的范圍內(nèi)。
通過一系列應(yīng)用于一個天線的RF脈沖，激勵開始進行，天線接近樣本。這一系列RF脈沖是指一個脈沖序列。處于適當激勵頻率的脈動RF場以一個相干的方式激勵核子旋轉(zhuǎn)，以致能夠接收到從這種同步核子旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的磁場。與激勵天線或天線相同的接收天線或天線將獲得一個與這個磁場的時間導(dǎo)數(shù)成比例的感應(yīng)信號電壓。問題是如何以最佳的方式激勵且接收這個信號以便獲得最大的信噪比(SNR)。特別地，接收信號小于激勵信號幾個數(shù)量級，且小于或相似于由天線系統(tǒng)產(chǎn)生的熱噪聲的量值。
為了提取NQR信號，接收天線的構(gòu)造成截聽盡可能多的樣本磁場，形成一個感應(yīng)元件L。通常天線的這個元件共振以提高信噪比，其中包括一個合適的并聯(lián)電容C。這個電子諧振電路或儲能電路將從處于或接近一個共振角頻率(ω0)的樣本中存儲能量，優(yōu)先地增加相對于非相干源的一個相干源信號，非相干源譬如是熱噪聲或寄生噪聲。消耗這個能量的速度決定了SNR且可以由電路的品質(zhì)因數(shù)(Q)表現(xiàn)出來。電阻損耗在電路中發(fā)生并且涉及包括樣本的天線周圍的環(huán)境。整個電路設(shè)計成三個元件并聯(lián)，L，C以及R，其中R代表了電阻損耗。共振中的Q能夠從以下計算出來Q＝R/(ω0L)＝Rω0C，其中ω0＝(LC)-1/2，ω0與調(diào)諧頻率f0相關(guān)，ω0＝2πf0。
對于一個連續(xù)的接收信號，呈現(xiàn)的電壓SNR與Q1/2成比例。顯然，對于這個特有的天線，一個高Q值非常希望得到優(yōu)良的SNR。通過最小化天線中的電阻損耗的方式以及通過輕微耦合需要放大共振信號的電子電路的方式，可以獲得這種效果。對于一個最佳的天線，在接收一部分激勵序列的過程中，Q值至少是200。
如圖1所示的在先技術(shù)，特別地加入了一個1/4波長隔離裝置，其使用反向連接的二極管以便在發(fā)射信號的過程中在放大器上設(shè)置一個節(jié)點。放大器特別地具有50歐姆的輸入阻抗且配置成允許最大的信號功率傳輸。隔離裝置保護了50歐姆阻抗放大器，并且在發(fā)射部分序列的過程中維持單獨天線的Q值。一旦天線的信號電平下降到小于二極管的正向電壓，放大器會與天線連接。
使用一個高Q值天線，存在多個缺陷。
(1)清除激勵信號后，儲存的能量在天線中保持一段很長的時間。直到能量清除，感生的振蕩電壓將傾向于使接收系統(tǒng)飽和，并且在外加脈沖和接收時段的始點之間產(chǎn)生一個至關(guān)重要的死時間。這種指數(shù)減小信號的振蕩時間常數(shù)τ可以從以下計算出來τ＝2Q/ω0一個高Q電路典型地具有一個幾毫秒的振蕩時間，激勵頻率大約是1MHz。這誘發(fā)大量的死時間并且脈沖序列的符號只能通過儀器來測定。延長的時間導(dǎo)致在一個固定的接收時段內(nèi)截聽的信號強度小和一個有效性差的脈沖序列。延長的時間還導(dǎo)致了一個對樣本的急變頻率響應(yīng)，這是由于多重脈沖發(fā)射信號的傅立葉分量相加所致。
解決這個問題的方法是增加一個“Q開關(guān)”，該開關(guān)能夠受控制以便在接收過程開始之前轉(zhuǎn)換一個低阻抗，跨接或部分跨接儲能電路從而形成一個短路時段。如圖2所示的電路圖。較低的阻抗快速地從儲能電路中吸收能量，從而降低Q。當使用一個開關(guān)時，在斷路時段通過寄生電容或半導(dǎo)體結(jié)電容將恒定地感生一個瞬時脈沖。也可以通過使用半導(dǎo)體設(shè)備來完成Q開關(guān)的作用，一旦將半導(dǎo)體設(shè)備開關(guān)則對高阻抗有一個自恢復(fù)時段。這些設(shè)備在給予一個足夠高的dv/dt或電壓振幅時能夠自觸發(fā)。
(2)調(diào)諧頻率或Q中的微小儀器偏差或誤差能夠引起振幅和相位的變化，這是由于接近共振的天線電抗中的快速改變造成的。除了儀器的誤差，在一個檢測操作中，精確的NQR頻率不為準確獲悉。因而，在一個高Q的系統(tǒng)中，接收系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性較差。
在如上所述設(shè)計的儲能電路中，小頻率和電感偏移的阻抗大約是Z＝R+2iL(ω-ω0)，其中，i代表一個復(fù)數(shù)，R是共振時的實際阻抗，L是電感的值，以及括號內(nèi)的項代表弧度頻率偏差。
這個等式表明了共振時阻抗是具有電阻性的，但是偏離這個主題而言，負載日益地呈現(xiàn)出電抗性。這個漸增的電抗將在發(fā)射階段改變一個外加磁場的相位，而且再次通過天線接收來自信號源的磁場。
理想狀態(tài)天線中的相移由以下幾個原因產(chǎn)生。將信號分布在一個頻率范圍內(nèi)的一個NQR狀態(tài)的壽期是一個原因。相似地，振動和/或天線的微小變形，電感性元件和電容性元件的熱漂移，鄰近天線的一個樣本的移動，由于掃描對象組成部分的緣故天線沒有恰當?shù)卣{(diào)諧，以及引發(fā)NQR信號中頻移的溫度變化，這些全都是其它源的實例。
一個預(yù)定的相位間隔或相位加權(quán)圖常常用作識別物質(zhì)信號的部分過程，以及將其從其它信號源中鑒別出來。這個方法限制了最終的檢測率以及誤報率。為了保持僅由物質(zhì)引起的這個相位信息，減小對這些其它勢源的儀器敏感度變得十分重要。
(3)一個高Q值系統(tǒng)的帶寬將比一個低Q值系統(tǒng)的帶寬窄，這一點可以從模仿系統(tǒng)的一個3db帶寬的定義得出Δf3db＝f0/Q3db的范圍與頻率間隔一致，通過間隔利用至少是最大功率的50％來接收一個信號。減小一個單獨窄頻NQR信號的帶寬將不會影響處于正確調(diào)諧點上的接收信號。處于這種理想情形的信號將位于天線響應(yīng)頻率的最大值。
樣本的NQR頻率也不為精確所知。例如，在光譜操作中，許多NQR狀態(tài)已經(jīng)確定。在檢測操作中，也許最大的非確定源來自在已發(fā)現(xiàn)物質(zhì)中的不為精確所知的樣本溫度。大多數(shù)NQR線的頻率取決于樣本溫度，此時溫度影響電子分布產(chǎn)生的平均電四極矩。一個溫度系數(shù)將近似地描述一個單獨躍遷的NQR頻率的運動。對于一個高Q的天線系統(tǒng)，由于NQR頻率從調(diào)諧頻率漂移的緣故，接收信號將在很大程度上減小振幅。因此，對于一個有效的檢波器來講需要接收一個頻率范圍。
檢測到的物質(zhì)可以由多種化學(xué)制品組成。在每種化學(xué)制品結(jié)構(gòu)中，對于包含的四極核子將存在數(shù)個NQR諧振模型。每個這些變異引出了識別NQR頻率的一個特殊序列。例如，炸藥TNT具有6條線的兩個組，其在室溫下落入30kHZ內(nèi)。有利的是，發(fā)現(xiàn)許多個這些共振激勵頻率并同時用于輔助識別。對于一個高Q系統(tǒng)，在一個特定的調(diào)諧點上通常僅可能有效地接收一條線。
無須逐一細說，激勵頻率和接收頻率通常在一個特定的脈沖序列中不是精確相同的。這稱之為一個非共振激勵。如果一個檢測系統(tǒng)使用調(diào)諧至一個單獨頻率的高Q發(fā)射接收天線，由于這種偏差將存在性能上的下降。
在NMR和MRI相關(guān)領(lǐng)域，消除天線的上述每個缺陷(1)，(2)和(3)的影響且不以犧牲SNR為代價的方法是提供一個實用的工作設(shè)備。其中一種方法是使用一個負反饋放大器以降低現(xiàn)存的放大器阻抗。公認的是，使用反饋電阻的一個系統(tǒng)將從一個大值電阻器中產(chǎn)生無法接受的熱噪聲或高輸入電容，然而使用電容性反饋的一個系統(tǒng)將不會出現(xiàn)這種情況。這種想法已經(jīng)得到延伸，在反饋中增加了一個電容式分壓器或網(wǎng)絡(luò)且連接輸入端，其降低了在放大器輸入端的有效反饋電阻，因此有助于保持一個優(yōu)良的SNR。電路配置如圖3所示。
技術(shù)問題是難于匹配一個指定的天線。技術(shù)上沒有指定最佳的接收機帶寬或者一個恒定的接收機相位的最佳特性，相位跨越一個NQR信號的一個溫度范圍。而且，在一個反饋回路中使用電容，其不便于在一個工業(yè)放大器中使用，會產(chǎn)生高頻率振動模型的可能性，令NQR信號難于理解。

發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明，對于看待提供一個最佳的NQR接收機系統(tǒng)這個問題的一個不同方式是，在一個指定的溫度下完成接近最佳寬度帶寬的操作。對于這個帶寬，SNR僅僅與天線近似相同。提供這個帶寬，設(shè)備將必然獲得一個低Q，且緩解了(1)，(2)和(3)點。
本發(fā)明的一個目標是提供比以上描述的在先技術(shù)先進的NQR檢測，其相對容易實行。
按照本發(fā)明的一個方面，提供與一個天線裝置連接的一個接收系統(tǒng)，用于檢測源自一種物質(zhì)的響應(yīng)信號，物質(zhì)具有受激勵的四極核子以致在其中產(chǎn)生核四極矩共振，系統(tǒng)包括一個放大器，將接收響應(yīng)信號放大以便進行后續(xù)處理；和一個匹配段，將放大器與天線匹配；其中匹配段噪聲在一個接收時段期間將接收系統(tǒng)與天線匹配，并且減小天線的Q值而不需要特別地降低信噪比。
優(yōu)先地，匹配段為天線呈現(xiàn)一個有效的低阻抗。這提供了最佳的接收帶寬和減小的相位誤差。
優(yōu)先地，匹配段由一個阻尼裝置組成，以衰減來自天線的存儲的發(fā)射能量，而不需要進一步開關(guān)轉(zhuǎn)換或改變配置。
優(yōu)先地，接收系統(tǒng)包括隔離裝置將天線從接收系統(tǒng)隔離；隔離裝置包括開關(guān)裝置，用于在一個發(fā)射時段期間將接收系統(tǒng)從天線隔離，此時天線發(fā)射一個激勵信號以輻照物質(zhì)，且緊接發(fā)射時段后的一個接收時段期間，開關(guān)裝置通過電方式將接收系統(tǒng)連接到天線上。
如此，在發(fā)射時段期間系統(tǒng)能夠在天線上采用循環(huán)的方式保持一個高Q，緊接下來的整個任何數(shù)據(jù)的接收時段是一個低Q，發(fā)射信號脈沖序列聚集在場內(nèi)輻照物質(zhì)。因此，高Q相允許動力傳輸?shù)教炀€中以在一個頻率帶寬上進行有效的激勵，且在接收時段的低Q允許系統(tǒng)去測量及時接近激勵發(fā)射信號脈沖的信號。從而確保了信號快速積累以到達其最大幅度，加寬了頻率帶寬去接收一個信號或數(shù)個信號，且極大地提高了接收信號相位的穩(wěn)定性。所有的這些特點允許在數(shù)據(jù)收集階段更好地進行動力SNR測量以及從其它競爭信號中，例如那些由磁聲物體或熱噪聲產(chǎn)生的信號，更好地對一個真正的響應(yīng)信號進行選擇。
優(yōu)先地，隔離裝置置于天線和匹配段之間，以便阻塞在發(fā)射時段期間可能在天線上產(chǎn)生的高電壓。這些電壓可以具有幾千伏特的幅度。在這種高壓環(huán)境下，首選的是隔離裝置包括1/4波長線，其終止于反向連接的二極管并提供隔離效應(yīng)，并且通過保護二極管與鄰近放大器的節(jié)點相結(jié)合。作為選擇，隔離裝置可以通過一個π網(wǎng)絡(luò)操作，該網(wǎng)絡(luò)在實施中等同于一個1/4波長線，且終止于反向連接的二極管。在這種配置中，系統(tǒng)因此依賴被確定的頻率，使系統(tǒng)依靠檢查的NQR線。
還可以作為選擇，隔離裝置可以產(chǎn)生一個電感變化，在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中從一個高阻抗值變化到一個低阻抗值，隔離裝置的較低阻抗值小于匹配段特有的輸入阻抗。
優(yōu)先地，隔離裝置是自動開關(guān)的，通過電子方式監(jiān)控輸入信號電平的一個升高或降低，超過一個極限值時引起觸發(fā)。
可選擇地，隔離裝置可以自動開關(guān)，由一個第二輸入觸發(fā)，其利用電子方式監(jiān)控來自發(fā)射機組件輸出信號的一個升高或降低。
優(yōu)先地，隔離裝置由一個可再生的電子信號觸發(fā)，其與發(fā)射序列同步。
優(yōu)先地，開關(guān)裝置具有及時斷開以及閉合的特點。
優(yōu)先地，開關(guān)裝置不是頻率依賴NQR關(guān)系線的一般范圍。這種設(shè)備用于檢查一種物質(zhì)中的NQR響應(yīng)的幾條明顯的線，無論其來自加寬的帶寬或同一個應(yīng)對一個天線的接收設(shè)備，天線調(diào)諧至其它的共振頻率，或者是一個多調(diào)諧接收天線。
在隔離裝置之后，一個低Q信號接收電路緊隨接收系統(tǒng)，其降低天線中的能量并且在整個接收時段期間保持低Q狀態(tài)。如此，發(fā)送激勵信號脈沖之后的能量儲存在天線內(nèi)，接收系統(tǒng)明顯的低阻抗將能量快速清除。整個接收時段都會保持這種狀態(tài)。
重要地，低輸入阻抗沒有將有影響的熱噪聲加入到信號中去，匹配段最好是由高品質(zhì)因數(shù)的晶體管構(gòu)成，建立接近周圍溫度的熱噪聲以匹配天線。在這種布置中，在天線中心帶呈現(xiàn)的阻抗可以被認為是一個有效的冷電阻器，其具有輸入阻抗產(chǎn)生的一個電阻，并且具有一個產(chǎn)生相同熱噪聲功率的有效溫度。
將這個能量從天線中清除的時間指數(shù)地依賴于在隔離裝置之后的輸入阻抗。在一些應(yīng)用中需要增加的Q阻尼，超出其可得到一個正確匹配接收系統(tǒng)的噪聲。在這些情況下，首選的是包括一個附加的低阻抗低電壓且高速度的半導(dǎo)體開關(guān)，其放置在隔離裝置之后充當一個阻尼開關(guān)。這個阻尼開關(guān)最好是具有預(yù)定的轉(zhuǎn)變速率，以致不會通過寄生電容或狀態(tài)變化而再次激勵天線。
優(yōu)先地，阻尼開關(guān)基于晶體管并且處于匹配段輸入端，可控制地降低信號接地的輸入阻抗，阻尼開關(guān)由一個與發(fā)射序列同步的脈沖驅(qū)動。
在阻尼開關(guān)的一個裝置中，首選的是阻尼開關(guān)基于一個場效應(yīng)晶體管(FET)或者并聯(lián)的多個場效應(yīng)晶體管，脈沖觸發(fā)柵極或者多個柵極。
阻尼開關(guān)的另一個裝置中，首選的是阻尼開關(guān)基于一個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)或者并聯(lián)的多個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，其中源極和漏極一端連接信號輸入端且另一端接地，并且一個柵極脈沖觸發(fā)阻尼開關(guān)。
優(yōu)先地，阻尼開關(guān)的開啟或關(guān)閉特性通過時間控制。
在匹配段的一個實施例中，首選的是晶體管是并聯(lián)的結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFETs)，源極和漏極在信號接地端與它們的柵極相連。
在匹配段裝置的另一個實施例中，晶體管包括多個結(jié)型場效應(yīng)晶體管，其布置在帶有一個負反饋電路的一個柵地-陰地放大器裝置中。
在結(jié)型場效應(yīng)晶體管的柵地-陰地放大器裝置中，首選的是雙極晶體管與結(jié)型場效應(yīng)晶體管的源極連接。
優(yōu)先地，負反饋電路等效于一個冷電阻器。
優(yōu)先地，負反饋電路是一個電容器或者感應(yīng)器的組合。
優(yōu)先地，負反饋電路對大多數(shù)反饋電流具有電阻性，通過一個電容式或者電感式分壓器將電流從信號輸入端傳送到信號接地端。
優(yōu)先地，匹配段的帶寬限于通過一個調(diào)諧電路獲得。首選的是在這個裝置中，選擇的帶寬典型地處于1KHz至200KHz的范圍內(nèi)。
優(yōu)先地，放大器具有一個低噪聲系數(shù)的負反饋。
優(yōu)先地，通過等效于一個冷電阻器的一個負反饋電路，反饋電壓。
優(yōu)先地，反饋電路對大多數(shù)反饋電流具有電阻性，通過一個電容性或者電感性分壓器從信號輸入端將電流分流。
優(yōu)先地，經(jīng)由選擇的多個低正向電壓二極管，其反向連接并且處于輸入端，而且連接匹配段的接地端。
優(yōu)先地，二極管是肖特基二極管和/或鍺二極管。
優(yōu)先地，將直流偏壓加到二極管上以降低它們的截止電壓范圍。
優(yōu)先地，接收天線裝置的輸出端不止一個，每個輸出端的電壓具有近似相同的值。在這個裝置中，每個輸出端發(fā)出的信號通過分開的接收信道，信道可以是也可以不是同一個。相應(yīng)地，接收系統(tǒng)并聯(lián)的電路具有降低天線裝置組件之間耦合的作用。
優(yōu)先地，接收天線包括一個具有兩個端的線圈，每個端的信號在量值上近似相同，但是相對于兩端之間的一個信號接地點的極性是相反的。
優(yōu)先地，隔離裝置具有兩個差分輸入端和兩個相對于地面的平衡輸出端，且匹配段具有兩個差分輸入端和相對于地面的一個單獨的輸出端。
可選擇地，首選的是隔離裝置具有兩個差分輸入端和兩個相對于地面的平衡輸出端，匹配段具有兩個差分輸入端和兩個輸出端，且放大器具有兩個差分輸入端和一個單獨的輸出端。
優(yōu)先地，將匹配段冷卻以獲得改進的熱噪聲和散粒噪聲性能。
優(yōu)先地，一個附加的阻尼開關(guān)一端接地且另一端連接天線的輸出端，阻尼開關(guān)由發(fā)射信號脈沖序列的一個同步脈沖觸發(fā)。
依照本發(fā)明的另外一個方面，這里提供了借助于一個天線裝置從一種物質(zhì)中接收一個響應(yīng)信號的方法，物質(zhì)具有受激勵的四極核子以致產(chǎn)生四極核子的核四極矩共振，包括在進一步處理接收信號前，在一個接收時段期間，噪聲將一個放大器與天線匹配并且降低天線系統(tǒng)的Q值，此時天線裝置可以接收響應(yīng)信號。
優(yōu)先地，方法包括在接收時段開始時從天線中快速清除能量。
優(yōu)先地，方法包括在接收時段期間，提高響應(yīng)信號的相位穩(wěn)定性。
優(yōu)先地，方法包括在一個發(fā)射時段期間將天線裝置隔離，此時天線發(fā)射一個激勵信號以輻照物質(zhì)，并且通過電子方式連接天線裝置以確保在接收時段期間的噪聲匹配。
如此，在發(fā)射時段期間，可以采用的方法是在天線上循環(huán)地保持一個高Q，緊接下來的整個接收任何數(shù)據(jù)的時段是一個低Q，在場內(nèi)聚集發(fā)射信號脈沖序列以輻照物質(zhì)。因此，如前所述的接收系統(tǒng)，高Q相允許動力傳輸?shù)教炀€中以在一個頻率帶寬上進行有效的激勵，且在接收時段的低Q允許測量信號及時接近激勵發(fā)射信號脈沖。從而確保了響應(yīng)信號的一個快速積累達到其最大幅度，加寬了頻率帶寬以接收響應(yīng)信號或多個響應(yīng)信號，且極大地提高了接收信號相位的穩(wěn)定性。所有的這些特點允許在數(shù)據(jù)收集階段進行更好的動力SNR測量以及從其它競爭信號中，例如那些由磁聲物體或熱噪聲產(chǎn)生的信號，更好地對一個真正的響應(yīng)信號進行選擇。


圖1是在先技術(shù)的一幅具有代表性的電路圖，顯示了一個天線的串聯(lián)連接，其連接到一個高電壓隔離裝置上，然后連接一個放大器。
圖2是在先技術(shù)的一幅具有代表性的電路圖，顯示了如圖1所示的相同的設(shè)備，在隔離電路和天線之間使用了一個Q開關(guān)。
圖3是在先技術(shù)的一幅具有代表性的電路圖，顯示了一個放大器，其利用電容性分離的方式減小反饋噪聲。
圖4是一幅結(jié)構(gòu)圖，顯示了接收系統(tǒng)的全面的配置，其使用了最佳的模式以實施發(fā)明。
圖5是一幅電路圖，顯示了在每個實施例中使用的隔離開關(guān)。
圖6是匹配段的一幅示意圖，匹配段使用結(jié)型場效應(yīng)晶體管，這符合第一至第六實施例，晶體管布置在一個接地柵極結(jié)構(gòu)中。
圖7是一幅示意圖，根據(jù)第二個實施例對隔離裝置作出的可選擇的布置。
圖8是按照第三個實施例作出的一幅反饋放大器的示意圖。
圖9是按照第四個實施例作出的由冷卻部件冷卻的匹配段的一幅示意圖。
圖10是一幅結(jié)構(gòu)圖，顯示了第五個實施例以及本發(fā)明的第六個實施例的一個示意性的布置，其中一個低電壓Q開關(guān)放置在隔離開關(guān)之后。
圖11是匹配段的一幅示意圖，其中匹配段使用第七至第十三實施例中的場效應(yīng)晶體管，晶體管布置在一個柵地-陰地放大器構(gòu)造中并且具有一個有效的冷電阻器作為反饋。
圖12是一幅結(jié)構(gòu)圖，顯示了一個結(jié)構(gòu)的全面設(shè)計，其中包括一個單獨的Q開關(guān)，以便從天線中清除一些能量。
具體實施例方式
以下是對實施本發(fā)明的最佳模式的一個詳細說明，詳述了本發(fā)明的不同實施例，其中恰當?shù)貐⒖剂烁綀D。
實施本發(fā)明的最佳模式集中在一個檢測響應(yīng)信號的接收系統(tǒng)，信號從一種物質(zhì)中發(fā)射出來，物質(zhì)具有受激勵的四極核子以致產(chǎn)生核四極矩共振，以及一種方法，接收系統(tǒng)通過此方法進行操作。
含有四極核子的物質(zhì)可以由各種已知的已發(fā)展的技術(shù)激勵，技術(shù)涉及發(fā)射用于輻照物質(zhì)的一個發(fā)射信號脈沖。由于這些技術(shù)一般是公知的且除了它們涉及發(fā)射一個發(fā)射信號脈沖這一事實之外，與本發(fā)明沒有聯(lián)系，這些技術(shù)在這里沒有進一步地詳細描述。對于NQR現(xiàn)象的一個詳細解釋以及含有四極核子的物質(zhì)是如何受激勵的，這些在申請人的相應(yīng)國際專利申請PCT/AU00/0124(WO 01/25809)中有敘述，可以作為參考。
如圖4所示，最佳模式的接收系統(tǒng)11由一個隔離開關(guān)13，一個匹配段15以及一個放大器17組成，其通過電子方式連接一個具有高品質(zhì)因數(shù)(高Q)的天線裝置19。
高Q天線裝置19和用于物質(zhì)激勵的天線是同一個，可以通過為該技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員所能得到的任何方式來構(gòu)造。例如，一個螺線管和平衡電容器可以用于組成帶有天線線圈的一個共振電路，其能夠檢測磁場中的變化。天線裝置19不必要與激勵諧振腔物理連接，諧振腔內(nèi)放置用于檢測目的的物質(zhì)，盡管可以最佳地接收一個感應(yīng)信號，正如該技術(shù)領(lǐng)域中公知的互易定理確定的，其是最佳的理想配置。
接收系統(tǒng)11的輸出電壓或電流包含放大的模擬信號，其可以傳入一個數(shù)字化部件中(沒有顯示)，由一個計算部件(也沒有顯示)作進一步處理，以便檢測一個NQR信號的存在，信號取決于一個被檢測到的物質(zhì)。
隔離開關(guān)13包括一個感應(yīng)元件，元件的阻抗能夠在兩種不同的狀態(tài)之間變化。這兩種狀態(tài)是一個高阻抗模式，其由具有一個高電抗的感應(yīng)元件設(shè)置，和一個低阻抗模式，其由具有一個低電抗的相同的感應(yīng)元件設(shè)置。這可以通過多種方式獲得，有關(guān)實施本發(fā)明的最佳模式的特定實施例的特定裝置將在隨后描述。
匹配段15是一個熱噪聲匹配電路，其由N中繼半導(dǎo)體晶體管元件構(gòu)成。選定的晶體管在電源電阻具有最低的噪聲系數(shù)，具有典型的天線裝置19的頻率以及偏壓配置。
半導(dǎo)體晶體管的選擇取決于天線呈現(xiàn)出來的電源阻抗(R)。對于大約是200-2000的Q值以及1MHz左右的頻率，電源阻抗具有1000歐姆等級。對于一個低于1.0分貝預(yù)定的噪聲系數(shù)而言，可以在雙極晶體管(BJT)和場效應(yīng)晶體管(FETs)之間作出選擇。優(yōu)選結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFETs)，因為它們具有極好的低電壓和電流噪聲特性，可以很容易地并聯(lián)獲得與一個指定的電源電阻匹配的最佳噪聲。偏壓配置用于將散粒噪聲減小至一個點，此時其所起的作用可以忽略不計。
鑒于每個設(shè)備的等效電壓噪聲(Vn)以及電流噪聲(In)，匹配段15中的場效應(yīng)晶體管的大概數(shù)目(N)由以下給出N＝Vn/(InR)匹配段15本來就降低了輸入阻抗，這一點由線圈可知。
處于一個基極接地配置的場效應(yīng)晶體管，小信號輸入阻抗Rinput大體上由以下給出Rinput＝1/(Ngm)
其中g(shù)m是每個場效應(yīng)晶體管的跨導(dǎo)。
以上的近似值呈現(xiàn)了一個合理的低輸出負載阻抗(～1000歐姆)。最佳噪聲匹配的幾個場效應(yīng)晶體管的輸入阻抗在1-30歐姆之間，這取決于對場效應(yīng)晶體管的選擇，以及偏壓元件和匹配段電路設(shè)計中的電流。精選晶體管輸入電阻的溫度在一個調(diào)諧點上小于0.5K。
為了獲取這種效果，將要控制天線的減幅振蕩，舉例子來講，輸入阻抗的最差限制是20歐姆。天線上阻抗的減少將Q值降低到50左右，并且給出了一個衰減常數(shù)，這可以從具有6μs且f0＝1MHz的在先的公式中計算出來。為了將減幅振蕩的電平減小到接收的目標材料信號電平之下，常常假定這是在時間常數(shù)為20的一個時段內(nèi)發(fā)生的。因此，匹配放大器17的輸入阻抗最差在大約120μs內(nèi)消除了天線的減幅振蕩。
在非匹配的系統(tǒng)中，天線的減幅振蕩持續(xù)大約6ms。這個長時間的間隔降低了接收系統(tǒng)的性能，不僅增加有效的死時間，而且強制改變用在NQR激勵中的脈沖序列而延長了發(fā)射脈沖之間的延遲。
考慮到相移，減小Q的效果顯現(xiàn)出來，相移是由調(diào)諧點上的一個頻率偏置產(chǎn)生。這個相移φ在以下給出φ＝2Q(ω-ω0)/ω0其中ω是線的角頻率且接近ω0，ω0是天線的角中心頻率。相位靈敏度直接與天線的Q成比例。
如以上的例子所述，Q從1000減小到50，改進是一個特殊頻率偏置的一個因數(shù)20。當進一步處理涉及響應(yīng)信號的相干相加或相減，相位選擇或?qū)τ谝粋€檢測算法的一個相位加權(quán)方法時，這一點尤為重要。
基于本發(fā)明最佳模式的放大器17是一個具有高輸入阻抗的標準放大器。這種構(gòu)造的放大器17在其輸入端具有低電流和電壓噪聲的特性，以致其不會較大地增加由先前元件產(chǎn)生的熱噪聲電平。采用這種裝置，接收系統(tǒng)11有效地加寬帶寬且降低了高輸入阻抗放大器17的輸入阻抗。
匹配段15必須具有一個0.5至50的低增益以避免飽和，于是通常需要跟蹤一個高增益放大器17以產(chǎn)生有足夠量值的一個被捕獲的信號，超出了在數(shù)字部件(沒有顯示)中的一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的數(shù)字噪聲。
因此，最佳模式的放大器17具有極好的噪聲系數(shù)，增益大于100。在實踐中，放大器部件17可以分離成幾個增益等級或者是集成的，且放大器擁有反饋元件以設(shè)置期望的低噪聲輸入特性。
實施本發(fā)明的最佳模式將通過幾個實施例描述。根據(jù)第一個實施例，隔離開關(guān)13包括由一個控制電路控制的一個低損耗射頻變壓器，匹配段15包括多個并聯(lián)的共柵極結(jié)型場效應(yīng)晶體管，且放大器17包括一個高輸入阻抗放大器。
隔離開關(guān)裝置如圖5所示，其中帶原線圈和次級線圈的一個低損耗射頻變壓器具有一種低損耗高導(dǎo)磁率的材料。變壓器的原側(cè)21a形成了信號接收系統(tǒng)11的串聯(lián)電路，且次級側(cè)21b借助于一個控制電路23和開關(guān)25形成斷開或閉合的電路以促使在電抗和阻抗中發(fā)生一個變化。
隔離開關(guān)13在斷開狀態(tài)時不傳導(dǎo)有效的電流，且在發(fā)射了用以激勵物質(zhì)中四極核子的發(fā)射信號脈沖后，開關(guān)是能夠閉合的，以致提供低于匹配段15的輸入阻抗的一個低阻抗通路。本實施例中的隔離開關(guān)13的控制電路23應(yīng)用從一臺計算機或定時電子設(shè)備中發(fā)出的一個外部控制信號，其與激勵電路的發(fā)射信號脈沖同步。這個控制信號觸發(fā)開關(guān)25，令其在一個指定持續(xù)時間內(nèi)處于一個閉合位置，這與接收系統(tǒng)11的接收時段重疊。
隨著隔離開關(guān)13閉合，天線19中的信號將到達噪聲匹配段15。匹配段15的目標是在一個電路配置中將接收系統(tǒng)11的信噪帶寬最優(yōu)化，電路配置向天線19呈現(xiàn)出一個低負載阻抗。這個在匹配段15輸入端的降低的阻抗將有效地減少天線19的Q。減少的Q具有三個主要有益的作用，第一是增加了接收機系統(tǒng)的帶寬，第二是有效地清除了儲存在天線中的能量以及第三是在響應(yīng)信號接收階段提高了穩(wěn)定性。這些可以與在先技術(shù)相比較，在先技術(shù)中的一個典型的高Q天線系統(tǒng)將使放大器處于幾毫秒的飽和狀態(tài)。
依照本發(fā)明現(xiàn)在的實施例，匹配段15如圖6所示。本圖顯示了并聯(lián)的共柵極結(jié)型場效應(yīng)晶體管27重復(fù)的部件以及偏壓網(wǎng)絡(luò)元件29a。
在根據(jù)本實施例的一個匹配段的結(jié)構(gòu)中，特別引起注意的是最小化密勒效應(yīng)(噪聲的電容性放大)，且具有一個信號接地的有效冷電阻輸入端。匹配天線19的噪聲確定了在一個選定的偏壓點上的部件數(shù)量。設(shè)備的選擇很大程度上決定了一個合適的偏壓網(wǎng)絡(luò)。帶有一個適合的設(shè)備，偏壓網(wǎng)絡(luò)可以簡化成非常簡單，即便是任何電子組件。組件的減少通常對元件加寬帶寬很有作用。在這種結(jié)構(gòu)中，在每個部件27的漏極側(cè)，置于工作點的一個低值電阻器31與一個電容器33并聯(lián)以最小化它的相對于高頻信號的串聯(lián)電阻。通過一個簡單的網(wǎng)絡(luò)29a和29b輕易地加偏壓到結(jié)型場效應(yīng)晶體管27，網(wǎng)絡(luò)可以由一個寬帶調(diào)諧元件組成。
穿過場效應(yīng)晶體管引線的偏壓保持低壓，以致減少結(jié)式泄漏電流中的電流噪聲。偏壓電平在某種程度上與源漏電流量進行交換，其同時規(guī)定了每個器件27的跨導(dǎo)。理想地，選定的場效應(yīng)晶體管27具有相同的特性且具有最佳的品質(zhì)因數(shù)(等于gm/2πCj，其中Cj是結(jié)電容)。
本實施例的匹配段15具有一個緩沖網(wǎng)絡(luò)35，如圖所示，其將匹配段與后續(xù)放大級17隔離。這個緩沖網(wǎng)絡(luò)35可以如同一個電容器般簡單。
第二實施例與第一實施例實質(zhì)上是相同的，除了隔離開關(guān)裝置13由一個控制器取代，控制器監(jiān)聽激勵電路的發(fā)射信號，并且一旦發(fā)射信號電平升高超過一個指定的電平則觸發(fā)一個斷開狀態(tài)，以及一旦發(fā)射信號電平低于一個指定的電平則觸發(fā)一個閉合狀態(tài)。這種配置具有自保護的優(yōu)點，且借助于一個不正確的定時觸發(fā)脈沖來自動保護后面的電子設(shè)備免受天線上高電壓的損害，觸發(fā)脈沖由第一實施例中隔離開關(guān)裝置產(chǎn)生。
如圖7所示第二實施例的一個實例，其中隔離開關(guān)13使用一個1/4波長線41代替變壓器21，波長線具有一個末端43，其通過斷開或閉合一個導(dǎo)電元件46而形成一個節(jié)點或腹點。在這個實例中，1/4波長線末端43終止于反向連接的信號二極管47，其依賴于控制器23傳感的發(fā)射信號的電平而自動斷開以及閉合。
第三實施例實質(zhì)上與第一或第二實施例相同，除了放大器17由一個反饋放大器所代替，反饋放大器是用于降低它的輸入阻抗而從一個電阻反饋電路元件中沒有產(chǎn)生噪聲，如圖8所示。網(wǎng)絡(luò)盒子60可以是一個電阻器，電容器或者是構(gòu)成一個反饋放大器的一系列電路。
第四實施例實質(zhì)上與第一或第二實施例相同，除了在這個實施例中匹配段15被冷卻，如圖9所示。這通過一個珀耳帖效應(yīng)部件30完成，其中冷面連接到結(jié)型場效應(yīng)晶體管27上。溫度降低到室溫以下時減小了設(shè)備的散粒噪聲。為了有效地減少匹配段的熱噪聲，需要使用一個再循環(huán)的冷卻系統(tǒng)來進一步的冷卻。
第五實施例實質(zhì)上與第一，第二，第三或第四實施例相同，除了在這個實施例中增加了反向連接的信號保護二極管形式的阻尼裝置。如前所述，在隔離開關(guān)13剛閉合后，在一個高Q的天線內(nèi)存留明顯的能量。這個能量很有可能使匹配段15飽和，而在這個時段趨向一個較高的輸入阻抗。如圖10所示，為了避免飽和以及損害，增加反向連接的保護信號二極管49，其一端連接信號輸入端而另一端信號接地。這種結(jié)構(gòu)的二極管49削弱了超出這個截止電壓的輸入信號，流經(jīng)它們的總電流依賴于選擇的二極管。
為了它的低正向電壓和IV陡曲線而選擇二極管的類型，以致具有盡可能低的截止電壓(代表的是小于0.3V)和盡可能大的實際電阻(大于10000歐姆)而無法導(dǎo)電。起這種作用的二極管類型是鍺二極管和肖特基二極管。
反向連接的二極管對49并聯(lián)將截止電壓減小到某種程度或者可控制地將一個直流電壓加偏壓于二極管以減小有效的電壓波段，二極管在此電壓波段不能導(dǎo)電。
在這個實施例中，匹配段的輸入阻抗通過輸入電壓的范圍保持它的值小于一個低值。輸入端的二極管是經(jīng)過精心選擇的，所以它們的正向電壓允許匹配放大器17總是呈現(xiàn)低阻抗而不產(chǎn)生過多的噪聲。如前所述的這些二極管49在輸入端是反向連接的。在二極管不導(dǎo)電的電壓上，匹配段15能夠保持低輸入阻抗以降低輸入電壓。肖特基二極管被認為是用于此目的的最佳二極管。
第六實施例實質(zhì)上與第一，第二，第三，第四或第五實施例相同，在匹配級的輸入端增加一個信號接地的半導(dǎo)體箝位開關(guān)從而避免飽和。如圖10所示的阻尼開關(guān)50，在一個定長的時間內(nèi)箝位開關(guān)閉合以便從天線中清除能量，且在隔離開關(guān)閉合后電壓減小到一個充分的等級。這個箝位開關(guān)的斷開是受控制的，以致不會再次激勵天線17。也可以再次布置箝位開關(guān)而不允許控制信號再次激勵天線。
本實施例的一個實例涉及箝位開關(guān)，開關(guān)包括一個低柵以消耗電容金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管器件或并聯(lián)的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管器件，柵由一個成形控制信號驅(qū)動以增加導(dǎo)電性。
第七至第十三實施例實質(zhì)上與第一至第六實施例相同，除了匹配段15中的結(jié)型場效應(yīng)晶體管由場效應(yīng)晶體管代替。如圖11所示，場效應(yīng)二極管51布置成一個柵地-陰地放大器的形式。
在這些實施例中，如第一實施例中所述，匹配段15具有晶體管網(wǎng)絡(luò)的N中繼元件以便獲得匹配天線有效并聯(lián)電阻的一個閉噪聲，對于一個場效應(yīng)晶體管柵地-陰地放大器的實施例，輸入阻抗是巨大的，但是通過一個負反饋網(wǎng)絡(luò)53，其一端連接輸出終端55，另一端連接匹配段15的輸入終端57，能夠很容易地降低輸入阻抗。
在這種情況下，注意確保反饋網(wǎng)絡(luò)53的噪聲沒有到達放大器17的輸入端。這個實施例使用電阻性反饋，其中反饋網(wǎng)絡(luò)53減小這個分配在匹配段15輸入端57的電阻的熱噪聲。換句話說，提供的一個反饋網(wǎng)絡(luò)53充當一個“冷電阻器”。
作為這個“冷電阻器”的一個實施例，網(wǎng)絡(luò)53是一個串聯(lián)電路，其中帶有一個電容器(沒有顯示)的一個工作放大器(沒有顯示)緊隨電阻器之后，作為一個提供負反饋的積分器，這個積分器的輸出端連接到一個微分電路(沒有顯示)的輸入端。微分電路可以簡化成一個電容器。微分電路的輸出端連接到匹配段的輸入端形成閉合的反饋回路。
如圖11所示的緩沖網(wǎng)絡(luò)59將從場效應(yīng)晶體管級51分離輸出端的直流偏壓，緩沖網(wǎng)絡(luò)可以簡化成一個電容器。
另外一種布置需要一個更加復(fù)雜的緩沖網(wǎng)絡(luò)59以提供額外的增益和相位校正。
電阻器RD控制場效應(yīng)晶體管級51的斷開回路增益。柵地-陰地放大器中的較高的場效應(yīng)晶體管沒有必要同較低的場效應(yīng)晶體管相同，事實上，在這個實施例的優(yōu)選的布置中，較高品質(zhì)因數(shù)的場效應(yīng)晶體管有一個高于每對較低場效應(yīng)晶體管的Idss。
首選的是，當前的實施例可以用作同其它引入的阻尼設(shè)備相結(jié)合。例如，圖7所示，一個單獨的控制開關(guān)46部分地影響電路的阻尼，開關(guān)一端連接天線信號導(dǎo)線且另一端信號接地。圖12是一個普通的例子。實施例14至26實質(zhì)上與實施例1至13是相同的，具有一個阻尼方法或多個阻尼方法，其能夠清除天線中的一些能量，天線置于隔離裝置之前，隔離裝置斷開允許阻尼通過匹配段繼續(xù)下去。作為這個方法的一個實例是一個Q開關(guān)，其一端連接天線的輸出端，另一端信號接地，而且一個半導(dǎo)體設(shè)備擔(dān)當該開關(guān)，例如一個合適的高電壓三端雙向可控硅開關(guān)元件。另一個阻尼的例子是通過一種方法，緊接在激勵時段后，利用功率放大器從天線中清除能量。在這個例子中，在一個短時段內(nèi)清除了一些能量，其中發(fā)射信號是180度，與激勵信號的激勵異相而及時地領(lǐng)先于它。
值得注意的是，本實施例的范圍不限于在這里描述的獨特的實施例，且本發(fā)明的其它實施例也可以想象的到，它們既不偏離本發(fā)明范圍也不偏離本發(fā)明的實質(zhì)。
權(quán)利要求
1.與一個天線裝置連接的一個接收系統(tǒng)，用于檢測源自一種物質(zhì)的響應(yīng)信號，該物質(zhì)具有受激勵的四極核子以致在其中產(chǎn)生核四極矩共振，系統(tǒng)包括一個放大器，將接收響應(yīng)信號放大以便進行后續(xù)處理；以及一個匹配段，將放大器與天線匹配；其中匹配段噪聲在一個接收時段期間將接收系統(tǒng)與天線匹配，并且減小天線的Q值而不需要特別地降低信噪比。
2.如權(quán)利要求1中所述的一個接收系統(tǒng)，其中匹配段向天線呈現(xiàn)一個有效的較低阻抗。
3.如權(quán)利要求1或2中所述的一個接收系統(tǒng)，其中所述匹配段包括一個阻尼裝置，以衰減來自天線的存儲的發(fā)射能量，而不需要進一步開關(guān)轉(zhuǎn)換或改變配置。
4.如前所述的任意一項權(quán)利要求中的一個接收系統(tǒng)，包括隔離裝置，其可選擇地將天線從接收系統(tǒng)隔離；隔離裝置包括開關(guān)裝置，用于在一個發(fā)射時段期間將接收系統(tǒng)從天線隔離，此時天線發(fā)射一個激勵信號以輻照物質(zhì)，且緊接發(fā)射時段后的一個接收時段期間，開關(guān)裝置通過電方式將接收系統(tǒng)與天線連接。
5.如權(quán)利要求4中所述的一個接收系統(tǒng)，其中隔離裝置置于天線和匹配段之間，以便阻塞在發(fā)射時段期間可以在天線上產(chǎn)生的高電壓。
6.如權(quán)利要求4或5中所述的一個接收系統(tǒng)，其中隔離裝置包括具有隔離作用的在反向連接的二極管終止的1/4波長線，并且通過保護二極管與鄰近放大器的節(jié)點結(jié)合。
7.如權(quán)利要求4或5中所述的一個接收系統(tǒng)，其中隔離裝置可以通過一個π網(wǎng)絡(luò)操作，該網(wǎng)絡(luò)在實施中等同于一個1/4波長線，且終止于反向連接的二極管。
8.如權(quán)利要求4或5中所述的一個接收系統(tǒng)，其中隔離裝置產(chǎn)生一個電感變化，在開關(guān)轉(zhuǎn)換的過程中從一個高阻抗值變化到一個低阻抗值，隔離裝置的較低阻抗值小于匹配段的特性輸入阻抗。
9.如權(quán)利要求4至8任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中隔離裝置是自動開關(guān)的，通過電子方式監(jiān)控輸入信號電平的升高或降低，超過一個極限值時引起觸發(fā)。
10.如權(quán)利要求4至8任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中隔離裝置是自動開關(guān)的，并且由一個第二輸入觸發(fā)，其通過電子方式監(jiān)控來自發(fā)射機組件輸出信號的一個升高或降低。
11.如權(quán)利要求4至10任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中隔離裝置由一個可再生的電子信號觸發(fā)，其與發(fā)射序列同步。
12.如權(quán)利要求4至11任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中開關(guān)裝置具有及時斷開以及閉合的特點。
13.如權(quán)利要求4至12任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中開關(guān)裝置不是頻率依賴核四極矩共振關(guān)系線的一般范圍。
14.如權(quán)利要求4至13任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中緊隨在所述隔離裝置之后的是一個低阻抗信號接收電路，其減少天線中的能量并且在整個接收時段期間保持低阻抗狀態(tài)。
15.如前所述的任意一項權(quán)利要求中的一個接收系統(tǒng)，其中所述的匹配段由高品質(zhì)因數(shù)的晶體管構(gòu)成，建立接近于周圍溫度的熱噪聲以匹配天線。
16.如前所述的任意一項權(quán)利要求中的一個接收系統(tǒng)，其中包括一個附加的低阻抗低電壓且高速度的半導(dǎo)體開關(guān)，其放置在所述隔離裝置之后充當一個阻尼開關(guān)。
17.如權(quán)利要求16中所述的一個接收系統(tǒng)，其中阻尼開關(guān)具有預(yù)定的轉(zhuǎn)變速率，以致不會通過寄生電容或狀態(tài)變化而再次激勵天線。
18.如權(quán)利要求16或17中所述的一個接收系統(tǒng)，其中阻尼開關(guān)基于晶體管并且處于匹配段輸入端，可控制地降低信號接地的輸入電阻，阻尼開關(guān)由與發(fā)射序列同步的一個脈沖激勵。
19.如權(quán)利要求16至18任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中阻尼開關(guān)基于一個場效應(yīng)晶體管或者并聯(lián)的多個場效應(yīng)晶體管，脈沖觸發(fā)柵極或者多個柵極。
20.如權(quán)利要求16至18任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中阻尼開關(guān)基于一個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或者并聯(lián)的多個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，其中源極和漏極一端連接信號輸入并且另一端接地，一個柵極脈沖觸發(fā)阻尼開關(guān)。
21.如權(quán)利要求16至20任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中阻尼開關(guān)的開啟或關(guān)閉特性通過時間控制。
22.如前所述的任意一項權(quán)利要求中的一個接收系統(tǒng)，其中在匹配段包括并聯(lián)的結(jié)型場效應(yīng)晶體管，源極和漏極在信號接地端與它們的柵極相連。
23.如權(quán)利要求1至21任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中匹配段包括多個結(jié)型場效應(yīng)晶體管，其布置在具有一個負反饋電路的一個柵地-陰地放大器裝置中。
24.如權(quán)利要求23中所述的一個接收系統(tǒng)，雙極晶體管與結(jié)型場效應(yīng)晶體管的源極相連。
25.如權(quán)利要求23或24中所述的一個接收系統(tǒng)，其中負反饋電路等效于一個冷電阻。
26.如權(quán)利要求23至25任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中負反饋電路是電容器或者感應(yīng)器的一個組合。
27.如權(quán)利要求23至25任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中負反饋電路對大多數(shù)反饋電流具有電阻性，通過一個電容式或者電感式分壓器將電流從信號輸入端傳送到信號接地端。
28.如前所述的任意一項權(quán)利要求中的一個接收系統(tǒng)，其中匹配段的帶寬限于通過一個調(diào)諧電路獲得。
29.如權(quán)利要求28中所述的一個接收系統(tǒng)，其中選擇的帶寬典型地處于從1KHz至200KHz的一個范圍內(nèi)。
30.如前所述的任意一項權(quán)利要求中的一個接收系統(tǒng)，其中放大器具有一個低噪聲系數(shù)的負反饋。
31.如權(quán)利要求30中所述的一個接收系統(tǒng)，其中通過等效于一個冷電阻的一個負反饋電路將電壓反饋。
32.如權(quán)利要求31中所述的一個接收系統(tǒng)，其中反饋電路對大多數(shù)反饋電流具有電阻性，通過一個電容式或者電感式分壓器將電流從信號輸入端轉(zhuǎn)移。
33.如前所述的任意一項權(quán)利要求中的一個接收系統(tǒng)，其中包括多個經(jīng)由選擇的低正向電壓且反向連接的二極管，它們處于輸入端并且連接匹配段的接地端。
34.如權(quán)利要求33中所述的一個接收系統(tǒng)，其中二極管是肖特基二極管和/或鍺二極管。
35.如權(quán)利要求33或34中所述的一個接收系統(tǒng)，其中在二極管上加直流偏壓以減小它們的截止電壓范圍。
36.如前所述的任意一項權(quán)利要求中的一個接收系統(tǒng)，包括一個天線裝置，其輸出端不止一個，每個輸出端的電壓具有近似相同的值。
37.如權(quán)利要求36中所述的一個接收系統(tǒng)，其中每個輸出端發(fā)出的信號通過分離的相同接收信道。
38.如權(quán)利要求36中所述的一個接收系統(tǒng)，其中每個輸出端發(fā)出的信號通過分離的不同的接收信道。
39.如權(quán)利要求36至38任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中接收天線包括一個具有兩個端的線圈，每個端信號的量值近似相等，但是相對于兩端之間的一個信號接地點的極性是相反的。
40.如權(quán)利要求4至39任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中隔離裝置具有兩個差分輸入端和兩個相對于接地的平衡輸出端，且匹配段具有兩個差分輸入端和相對于接地的一個單獨的輸出端。
41.如權(quán)利要求36至39任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中隔離裝置具有兩個差分輸入端和兩個相對于接地的平衡輸出端，匹配段具有兩個差分輸入端和兩個輸出端，且放大器具有兩個差分輸入端和一個單獨的輸出端。
42.如權(quán)利要求36至41任意一項中所述的一個接收系統(tǒng)，其中包括另外一個的阻尼開關(guān)，其一端信號接地且另一端連接天線的輸出端，阻尼開關(guān)由與發(fā)射信號脈沖序列同步的一個脈沖觸發(fā)。
43.如前所述的任意一項權(quán)利要求中的一個接收系統(tǒng)，其中冷卻匹配段以獲得改進的熱噪聲和散粒噪聲性能。
44.借助一個天線裝置從一種物質(zhì)中接收一個響應(yīng)信號的方法，物質(zhì)具有受激勵的四極核子以致產(chǎn)生四極核子的核四極矩共振，包括噪聲，在進一步處理接收信號前，在一個接收時段期間噪聲匹配放大器和天線并且降低天線系統(tǒng)的Q值，此時天線裝置可以接收響應(yīng)信號。
45.如權(quán)利要求44中所述的一種方法，其中通過向天線呈現(xiàn)一個有效低阻抗的方式獲得噪聲匹配。
46.如權(quán)利要求44或45中所述的一種方法，包括衰減來自天線的存儲的發(fā)射能量，而不需要進一步開關(guān)轉(zhuǎn)換或改變配置。
47.如權(quán)利要求46中所述的一種方法，其中所述的衰減包括在接收時段開始時從天線中快速清除能量。
48.如權(quán)利要求44至47任意一項中所述的一種方法，包括在接收時段期間提高響應(yīng)信號的相位穩(wěn)定性。
49.如權(quán)利要求44至48任意一項中所述的一種方法，包括在一個發(fā)射時段期間將天線裝置隔離，此時天線發(fā)射一個激勵信號以輻照物質(zhì)，并且通過電子方式連接天線裝置確保在接收時段期間的熱噪聲匹配。
50.如權(quán)利要求49中所述的一種方法，其中隔離包括阻塞在發(fā)射時段期間可以在天線上產(chǎn)生的高電壓。
51.如權(quán)利要求49或50中所述的一種方法，其中隔離產(chǎn)生電感變化，在開關(guān)轉(zhuǎn)換的過程中從一個高阻抗值變化到一個低阻抗值，較低阻抗值小于匹配段的特性輸入阻抗。
52.如權(quán)利要求44至51中所述的一種方法，包括發(fā)射時段期間在天線上采用循環(huán)的方式保持一個高Q值，緊接下來的整個接收任何數(shù)據(jù)的時段是一個低Q值，在場內(nèi)聚集發(fā)射信號脈沖序列以輻照物質(zhì)。
53.在這里充分描述的一個接收系統(tǒng)應(yīng)適當?shù)貐⒄崭诫S的附圖。
54.在這里充分描述的一種方法應(yīng)適當?shù)貐⒄崭诫S的附圖。
全文摘要
與一個天線裝置(19)連接的一個接收系統(tǒng)(11)，用于檢測源自一種物質(zhì)的響應(yīng)信號，物質(zhì)具有受激勵的四極核子以至于產(chǎn)生四極核子的核四極矩共振。同時描述的還有借助天線裝置(19)接收一個響應(yīng)信號的一種方法。接收系統(tǒng)(11)包括一個放大器(17)用于放大天線裝置(19)的接收響應(yīng)信號以便進行后續(xù)處理，一個匹配段(15)用于匹配放大器(17)和天線(19)，以及一個隔離開關(guān)(13)用于將天線從接收系統(tǒng)(11)隔離。匹配段(15)的噪聲在一個接收時段期間將接收系統(tǒng)(11)與天線(19)匹配，以減小天線的Q值而無需特別地降低信噪比。隔離開關(guān)(13)用于在一個發(fā)射時段期間將接收系統(tǒng)(11)從天線(19)隔離，此時天線(19)發(fā)射一個激勵信號以輻照物質(zhì)。緊接發(fā)射時段后的一個接收時段期間，開關(guān)也可以通過電方式將接收系統(tǒng)(11)連接到天線上。
文檔編號G01R33/36GK1672059SQ03818243
公開日2005年9月21日 申請日期2003年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月13日
發(fā)明者約翰·哈羅德·弗萊克斯曼, 彼得·亞拉里克·海斯, 沃里克·保羅·奇澤姆, 瓦斯里·帝姆費維奇·米哈爾特斯維奇, 塔里斯·尼克萊維奇·魯?shù)驴品?申請人:Qr科學(xué)有限公司