超导在医学上的两大应用黄芷君郑雅丹林裕欣（华南农业大学理学院应用化学系）摘要：随着超导技术研究的发展，扩大了磁力控制技术的应用领域，这是因为利用超导磁技术可以产生高磁场和高磁场梯度。磁力控制技术已被应用在医学上。本文主要对已应用在医学上的超导核磁共振成像和超导量子干涉仪的基本原理作了阐述，同时就其在医学中的实际应用方面作了实例说明。关键词：超导,医学，核磁共振，量子干涉仪引言：近些年来,生物磁学作为一门磁学和生物学相交叉的边缘学科,获得了迅速发展。核磁共振成像技术和超导量子干涉仪作为获得超高强磁场和高精度的磁学计量手段是一般常规方法所无法相比的。随着超导技术的发展,它已在医学及其它领域内得到了应用,并显示其令人瞩目的前景,现作简单的介绍。一、超导量子干涉仪及其原理1.SQUID实质是一种将磁通转化为电压的磁通传感器,其基本原理是基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象.被一薄势垒层分开的两块超导体构成一个约瑟夫森隧道结.当含有约瑟夫森隧道结的超导体闭合环路被适当大小的电流偏置后,会呈现一种宏观量子干涉现象,即隧道结两端的电压是该闭合环路环孔中的外磁通量变化的周期性函数,其周期为单个磁通量子Ф0=2.07×10-15Wb,这样的环路就叫做超导量子干涉仪2．SQUID的应用和发展2．1SQUID在超导陀螺中的应用国外已经提出了三种与旋转角速度有关的磁场供超导量子干涉仪进行测量。伦敦磁矩利用了旋转时表层对滞后于带电晶格而产生的伦敦效应；巴伦特磁矩利用了高速旋转的铁棒使棒磁化而产生回转效应；旋转库伦电荷则是利用了电荷旋转理论。设U是筒形电容器充电电压，假定U=3000V；C是光速，C≈3*108m/s，m是电子质量，m≈9.11*10-19C（库伦）；g是铁磁材料的旋转比，典型值g≈1.9；用这些参量计算得出的10000r/min的磁感应强度，1mrad/s转角变化对应的磁场变化也分别列于表1。从表1可以看出，与旋转角度成正比的伦敦磁矩的灵敏度最高，其次是巴伦特磁矩，旋转库伦电荷最小。国外利用上述磁场把超导量子干涉仪作为检测元件的超导陀螺已出现数种：1：斯坦福大学的超导陀螺仪2.美国超导陀螺仪专利3.美国海军研制约瑟夫逊结陀螺仪的计划,下面主要介绍美国超导陀螺仪专利：1995年4月Rowe等人申请的超导陀螺仪专利发布，这种陀螺仪由旋转同步磁场产生电路，同步磁场检测电路以及信号处理电路构成。图2是其剖面图。为了防止外磁场的干扰，使用了两层超导屏蔽37和35.该发明的特点主要是引入了巴伦特磁场，它是由旋转的铁磁体产生的磁场，该磁场与旋转角度成正比。使用超导量子干涉仪作为同步磁场检测。由图2可知，环形铁心15旋转时产生的巴伦特磁场，通过空气间隙20形成环路，空气间隙的长度为l。紧靠着铁心的超导屏蔽层在旋转时形成伦敦磁场。伦敦磁场与巴伦特磁场相互叠加，该磁场由探测线圈22检测，squid输入线圈24与探测线圈22连接，通过磁场耦合与squid超导环32联系，超导环32加有偏置电流Ib，输出电压V随磁场变化周期性变化。信号处理电路可对所得的信号作处理2.2无损探伤无损探伤是一种材料、机械等领域广泛使用的检查材料的不连续性和缺陷的方法.SQUID作为最灵敏的磁场探测器,可以通过缺陷的磁性反常来探伤.由于SQUID可以工作到10Hz以下直到直流,这一点在金属材料的深层检测中具有很大的优势.SQUID用于无损检测在20世纪80年代被提出之后,国外科研工作者就对此高度关注，并在这一领域展开了广泛的实验研究.使用高温SQUID,探测线圈与室温样品可距离更近,信噪比高,价格便宜,这将给无损探伤带来很好的前景.国外利用这种方法在实验阶段已经能够实现对飞机机翼的内部缺陷进行检测,能够实现金属材料的腐蚀性检测、桥梁建筑的检测、对集成电路中的短路进行定位等。SQUID应用于无损测量必须解决两个问题:(1)由于涡旋激励场的幅度比较大,要求SQUID的动态和摆率必须达到一定要求.(2)激励场和环境噪声必须加以抑制,可以使用梯度计。二、核磁共振成像超导是指某些金属导体在温度降到接近绝对零度(－273℃)时，阻值接近于零。电子流在这种金属导体(即线圈)内高速运动从而产生高磁场。超导磁共振必须使用液氦作为制冷介质，氦是已知所有物质中沸点最低的，沸点是4．2K，而且只有氦在非常接近绝对零度时不会凝成固体，利用液氦可获得接近绝对零度的低温为超导线圈建立和保持超导环境(4．2K，－269℃)。磁体采用多层真空绝热结构，但由于结构支撑等多种因素，不可能完全阻止热传导，所以液氦会以蒸发的形式带出导入的热量，以维持4．2K的低温。为减少液氦的蒸发，超导磁共振上一般都配有制冷系统，提供冷量减少液氦蒸发。我们可以称低温致冷剂(液氦)的挥发为“自冷”而