專利名稱：通過低頻頻譜表征樣本的系統(tǒng)和方法
相關(guān)申請的相互引用本申請是下述申請的繼續(xù)并且要求它們的利益2002年3月29日申請的標(biāo)題為“利用超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)和測量低閾值信號的隨機(jī)共振測量分子電磁信號的設(shè)備和方法(APPARATUS ANDMETHOD FOR MEASURING MOLECULARELECTROMAGNETIC SIGNALS WITH A SQUID DEVICE ANDSTOCHASTIC RESONANCE TO MEASURE LOW-THRESHOLDSIGNALS)”的美國專利申請10/112,927號(代理文件編號38547.8007.US00)，2003年3月28日申請的標(biāo)題為“通過低頻頻譜表征樣本的系統(tǒng)和方法(SYSTEM AND METHOD FORCHARACTERIZING A SAMPLE BY LOW-FREQUENCYSPECTRA)”的國際專利申請PCT/US03/09544號(代理文件編號38547.8005.WO00)以及2003年4月18日申請的標(biāo)題為“基于低頻頻譜分量的樣本檢測的系統(tǒng)和方法(SYSTEM AND METHOD FORSAMPLE DETECTION BASED ON LOW-FREQUENCYSPECTRAL COMPONENTS)”的國際專利申請PCT/US03/11834號(代理文件編號38547.8006.WO00)，所有這些申請都收錄作為參考。
背景技術(shù)：
存在各種表征原子或分子復(fù)合物的譜工具。它們包括但不限于X射線、UV(紫外線)、可見光、紅外和微波光譜學(xué)以及核和電子旋轉(zhuǎn)共振(NMR和ESR)光譜學(xué)。通常至少對于四種不同類型的化學(xué)分析問題譜工具是有用的第一，根據(jù)它的譜特征，例如光譜分量，表征原子和分子復(fù)合物；第二，根據(jù)構(gòu)成某復(fù)合物的原子的譜特征確定該復(fù)合物的原子成分；第三，根據(jù)某分子復(fù)合物中的原子對原子相互作用的譜特征確定該復(fù)合物的2維或3維結(jié)構(gòu)；以及，第四，根據(jù)被檢測的復(fù)合物的不同譜特征檢測和辯別樣本中的成分例如污染物。
大多數(shù)現(xiàn)有譜工具在靈敏性、獲取的信息、容易測量和成本上提供獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槊糠N工具提供其它工具不能得到的信息，由于許多有關(guān)的譜工具是可能的，總的好處是每種工具可用于任何化學(xué)分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在一個(gè)方面上包括一種表征樣本材料的譜輻射特性，例如和該樣本內(nèi)的分子運(yùn)動關(guān)聯(lián)的低頻輻射的方法。該方法使用樣本持續(xù)時(shí)間為T的樣本時(shí)域信號并且在采樣速率F下對該時(shí)域信號采樣，其中F×T是總樣本計(jì)數(shù)S，F(xiàn)大約是按采樣速率F采樣的時(shí)域信號的實(shí)快速傅里葉變換的頻域分辨率f的二倍，并且S＞f×n，其中n至少為10。程序從存儲的時(shí)域信號中選擇S/n個(gè)樣本并對這些樣本進(jìn)行實(shí)快速傅里葉變換(RFFT，(Real Fast Fourier Transform))。接著標(biāo)稱化RFFT(例如通過把最大值設(shè)成1)，并且從標(biāo)稱化的信號計(jì)算信號的平均功率。接著，該程序在每組f個(gè)選定頻率事件倉(bin)中置入事件計(jì)數(shù)，其中在對應(yīng)的選定頻率≥平均功率×ε下得到測量功率，其中0＜ε＜1，并且把ε選成使事件位中置入的總計(jì)數(shù)量在該倉的最大可能倉計(jì)數(shù)的約20-50％之間。重復(fù)這些步驟n次以得到一個(gè)直方圖(histogram)，該直方圖在選定的頻率范圍內(nèi)為每個(gè)事件倉f示出每個(gè)倉中的事件計(jì)數(shù)。
該方法還包括把來自RFFT的標(biāo)稱化功率值置在f個(gè)對應(yīng)頻率功率倉中的步驟，并且在程序運(yùn)算的n次循環(huán)后，(a)用n除該f個(gè)功率倉中的每個(gè)倉上置入的累積值以產(chǎn)生每個(gè)倉中的平均功率，以及(b)在該直方圓中顯示每個(gè)倉中的平均功率。該方法還包括識別該直方圖中那些事件計(jì)數(shù)高于給定閾值和平均功率的倉。
還揭示和感興趣的材料關(guān)聯(lián)的低頻譜簽名，其包括通過上述方法產(chǎn)生的DC-50kHz頻率范圍中的頻率分量列表。從若干和樣本相關(guān)的隨機(jī)事件的直方圖可以識別該列表中的頻率，這些隨機(jī)事件是在DC和50kHz之間的選定頻率范圍內(nèi)的多個(gè)譜增量的每個(gè)增量下出現(xiàn)的。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明包括一種用來詢問展現(xiàn)低頻分子運(yùn)動的樣本的設(shè)備。該設(shè)備包括適于接納該樣本的磁和電磁屏蔽容器，用于當(dāng)樣本位于所述容器中時(shí)把高斯噪聲注入到樣本中的可調(diào)節(jié)電源以及用來檢測由疊加在注入的高斯噪聲上的樣本源輻射構(gòu)成的電磁時(shí)域信號的檢測器。該設(shè)備中的電子計(jì)算機(jī)接收來自該檢測器的時(shí)域信號并且處理該信號以產(chǎn)生譜圖，該譜圖在該高斯噪聲源的選定功率設(shè)定下顯示該樣本在DC和50kHz之間的選定頻率范圍內(nèi)的低頻譜分量。
在一通用實(shí)施例中，該電子計(jì)算機(jī)包括一個(gè)信號分析器，后者的作用是(i)計(jì)算在DC和50kHz之間的選定頻率范圍內(nèi)的多個(gè)規(guī)定時(shí)段的每個(gè)時(shí)段上該時(shí)域信號的一系列傅里葉譜，以及(ii)對該傅里葉譜取平均。
典型地，至少計(jì)算五個(gè)傅里葉譜，每個(gè)譜取1到5秒的時(shí)域間隔。
在另一通用實(shí)施例中，該電子計(jì)算機(jī)包括可操作的機(jī)器可讀碼以實(shí)現(xiàn)上面說明的用來生成譜事件直立圖的方法。
該設(shè)備中的高斯噪聲源可以是一個(gè)功率可調(diào)的高斯噪聲發(fā)生器和一個(gè)亥姆霍茲線圈，該亥姆霍茲線圈包含在磁籠和法拉第籠中并且接收來自該噪聲發(fā)生器中的范圍在100mV到1V的選定噪聲輸出信號。注入器設(shè)計(jì)成在某頻率，例如DC和8kHz之間，下把高斯噪聲注入到該樣本中。
該設(shè)備中的該檢測器可以是一個(gè)輸出電流信號的一次導(dǎo)數(shù)超導(dǎo)梯度計(jì)和一個(gè)操作上和該梯度計(jì)連接以把該電流信號轉(zhuǎn)換成放大電壓信號的SQUID。
該設(shè)備中的該容器可包括帶有樣本保持區(qū)的衰減管，圍繞該保持區(qū)的磁屏蔽籠以及包含在該磁屏蔽籠內(nèi)并且也圍繞該保持區(qū)的法拉第籠。在此實(shí)施例中，該高斯噪聲源可包括高斯噪聲發(fā)生器和亥姆霍茲線圈，該亥姆霍茲線圈包含在該磁籠和該法拉第籠內(nèi)并且接收來自該噪聲發(fā)生器的噪聲輸出信號，該亥姆霍茲線圈還可以包括一個(gè)用來去掉時(shí)變信號中的固定噪聲分量的信號反相器，該信號反相器操作上和所述噪聲源以及所述SQUID連接，用于從該噪聲源接收高斯噪聲并且對該所述SQUID輸出相對于注入到樣本中的高斯噪聲反相形式的高斯噪聲。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明包括一種詢問展現(xiàn)低頻分子運(yùn)動的樣本的方法。在實(shí)踐該方法中，把樣本置入帶有磁和電磁屏蔽的容器中，并且在選定的噪聲振幅下把高斯噪聲注入到樣本中。記錄由疊加在注入的高斯噪聲的樣本源輻射構(gòu)成的電磁時(shí)域信號并且生成譜圖，該譜圖包含高斯噪聲源的選定功率設(shè)定下在DC和50kHz之間的選定頻率范圍內(nèi)的該樣本的低頻、和樣本相關(guān)的譜分量特征。在不同的選定噪聲振幅下重復(fù)這些步驟，直至生成一個(gè)顯示這樣本的最大數(shù)量或接近最大數(shù)量譜分量特性圖。
在一實(shí)施例中，通過(i)在DC和50kHz之間的選定頻率范圍內(nèi)在多個(gè)規(guī)定的時(shí)段的每個(gè)時(shí)段上計(jì)算該時(shí)域信號的一系列傅里葉譜以及(ii)平均這些傅里葉譜產(chǎn)生該譜圖。
在另一實(shí)施例中，通過上面的直方圖方法生成該譜圖。


當(dāng)連帶著附圖閱讀下面的本發(fā)明的詳細(xì)說明時(shí)，本發(fā)明的這些以及其它目的和特征會更全面地變得清楚。
圖1是依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例形式的分子電磁信號檢測設(shè)備實(shí)施例的等角圖；圖2是圖1中示出的法拉第籠和它的內(nèi)容的放大詳細(xì)圖；以及圖3是圖1和2中示出的衰減管之一的放大剖面圖。
圖4是圖2中示出的法拉第籠和它的內(nèi)容的剖面圖。
圖5是圖1至4示出的發(fā)明的一替代實(shí)施例的剖面圖。
圖6是支持其中所說明的亥姆霍茲變壓器的線圈的框架的放大詳細(xì)圖。
圖7是一種替代的電磁輻射檢測系統(tǒng)。
圖8是上面圖的檢測系統(tǒng)中包含的處理單元。
圖9是對圖8的處理單元的一種替代處理單元。
圖10是該系統(tǒng)進(jìn)行的信號檢測和處理的流程圖。
圖11A是第一樣本的輻射譜圖。
圖11B是第二樣本的輻射譜圖。
圖12A和12B是譜區(qū)500-530赫下對飽和NaCl通過對不相關(guān)時(shí)域樣本信號進(jìn)行傅里葉變換(12A)以及對互相關(guān)樣本譜(12B)進(jìn)行傅里葉變換產(chǎn)生的譜圖)。
圖13A和13B是譜區(qū)500-530赫下對烷基乙醚硫酸鹽通過對不相關(guān)時(shí)域樣本信號進(jìn)行傅里葉變換(13A)以及對互相關(guān)聯(lián)樣本譜(13B)進(jìn)行傅里葉變換產(chǎn)生的譜圖。
圖14A-14F是譜區(qū)500-530赫下對去離子水樣本(14A)，飽和NaCl溶液樣本(14B)，去離子水1％NaCl溶液樣本(14C)，飽和NaBr樣本(14D)，去離子水中的烷基乙醚硫酸鹽(14E)和無樣本(14F)的譜圖。
圖15A-15F是譜區(qū)500-535赫下對1∶100重量/體積溶液下的氨基酸樣本(15A)和重量/體積稀釋度加大到1∶10,000(15B)、1∶1百萬(1SC)、1∶100百萬(15D)、1∶100億(15E和15F)下的譜圖，其中圖15A-15E中的譜是通過50秒記錄和40分鐘相關(guān)下產(chǎn)生的，而圖15F的譜是在帶有12小時(shí)相關(guān)的4:25分鐘記錄下產(chǎn)生的。
圖16是說明分子電磁信號檢測設(shè)備的替代實(shí)施例的示意圖。
圖17A是圖16的替代實(shí)施例的剖面圖。
圖17B是圖17A的一部分的放大圖。
圖18是圖17B的剖視等角圖。
圖19是對圖9的處理單元的替代處理單元的圖。
圖20是本發(fā)明的直方圖式譜圖方法的數(shù)據(jù)流的高層流程圖。
圖21是依據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生譜圖直方圖的算法的流程圖。
圖22A-22D是四種不同噪聲功率電平下對一樣本得到的直方圖譜。
圖23A-23C是計(jì)算機(jī)屏幕快照，以顯示用來產(chǎn)生和顯示譜圖直方圖的用戶界面，其中圖23C是彩色的。
圖24是類似于圖8、16和19的一種電磁輻射檢測系統(tǒng)實(shí)施例的示意圖。
圖25是說明對圖24的系統(tǒng)的第一替代實(shí)施例的示意圖。
圖26是圖24系統(tǒng)的第二替代實(shí)施例的示意圖。
圖27是圖24的系統(tǒng)的第三替代實(shí)施例的部分圖示、部分方塊圖。
在這些圖中，相同的參數(shù)數(shù)字標(biāo)識相同的或基本類似的零件或動作。為了便于確定對任何特定零件或技術(shù)的討論，參考數(shù)字的最高數(shù)字位或位組代表該零件首先引入的圖號。
具體實(shí)施例方式
I.定義除非另外指出下面的術(shù)語具有如下定義。
“展現(xiàn)分子轉(zhuǎn)動的樣本”指的是可以是氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)(不是固體金屬)的樣本材料，其中組成樣本或樣本中存在的一種或多種分子復(fù)合物或原子離子展現(xiàn)轉(zhuǎn)動。
“磁屏蔽”指的是通過屏蔽材料的磁導(dǎo)率禁止或防止磁通通過的屏蔽。
“電磁屏蔽”指的是例如標(biāo)準(zhǔn)法拉第電磁屏蔽。
“時(shí)域信號”或“時(shí)序信號”指的是帶有隨時(shí)間變化的瞬態(tài)信號特性的信號。
“樣本源輻射”指的是樣本的分子運(yùn)動，例如磁場中的分子偶極子的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的磁通輻射。
“高斯噪聲”意思是帶有高斯功率分布的隨機(jī)噪聲。
“平穩(wěn)白高斯噪聲”意思是不帶有可預(yù)測的未來分量的隨機(jī)高斯噪聲。
“頻域譜”指的是時(shí)域信號的傅里葉頻率圖。
“譜分量”指的是時(shí)域信號中的可以在頻率、振幅和/或相位域中測量的奇異特性或重復(fù)特性。譜分量典型地指的是頻域中存在的信號。
對第一樣本引用的“類似樣本”指的是相同樣本或者具有和第一樣本大致具有相同樣本成分的樣本。
“法拉第籠”指的是對不希望的電磁輻射提供至地的電通道從而使電磁環(huán)境靜噪的電磁屏蔽配置。
II.設(shè)備下面詳細(xì)說明的是一種用來檢測、處理并顯示感興趣的樣本的低頻電磁輻射或信號的系統(tǒng)和方法。在一實(shí)施例中，對樣本引入已知的白或高斯噪聲。該高斯噪聲配置成能使信號檢測系統(tǒng)充分地檢測來自該樣本的電磁輻射。檢測的信號集一起處理以確保可重復(fù)性和統(tǒng)計(jì)相關(guān)。得到的輻射圖或譜可被顯示，存儲和/或標(biāo)識為特定物質(zhì)。
下面的說明為透徹理解以及能描述本發(fā)明的實(shí)施例提供特定細(xì)節(jié)。但是，業(yè)內(nèi)人士理解，可以在不帶有這些細(xì)節(jié)下實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在其它實(shí)例中，為了避免不必要地模糊對本發(fā)明的實(shí)施例的說明，不詳細(xì)地示出或說明周知的結(jié)構(gòu)和功能。
如下面詳細(xì)解釋那樣，本發(fā)明的各實(shí)施例目的是提供一種用于重復(fù)檢測和記錄低閾值分子電磁信號的設(shè)備和方法。磁屏蔽法拉第籠使樣本材料和檢測設(shè)備與外部電磁信號隔離。在該磁屏蔽法拉第籠內(nèi)，線圈注入白或高斯噪聲，非鐵盤保持樣本并且梯度計(jì)檢測低閾值分子電磁信號。該設(shè)備還包括超導(dǎo)量子干涉器件(“SQUID”)和前置放大器。
通過非?？拷肼暰€圈和梯度計(jì)地把樣本放在該磁屏蔽法拉第籠中使用該設(shè)備。通過該噪聲線圈注入白噪聲并進(jìn)行調(diào)制，直至通過隨機(jī)共振增強(qiáng)分子電磁信號。該通過該法拉第籠和外部干擾以及該噪聲線圈產(chǎn)生的場隔離的增強(qiáng)的分子電磁信號接著由該梯度計(jì)以及SQUID檢測和測量。然后放大該信號并發(fā)送到任何適當(dāng)?shù)挠涗浕驕y量設(shè)備。
參照圖1，圖中示出屏蔽結(jié)構(gòu)10，其在從外到內(nèi)的方向上包括磁屏蔽的導(dǎo)線籠16以及提供電磁屏蔽的內(nèi)導(dǎo)線籠18和20。在另一實(shí)施例中，該外磁屏蔽由帶有鋁鎳合金涂層的固體鋁板材料構(gòu)成，而電磁屏蔽是通過二個(gè)各由固體鋁形成的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)提供的。
參照圖2，法拉第籠10在頂上是開放的，并且包括側(cè)口12和14。法拉第籠10還包括三個(gè)彼此挨靠的銅網(wǎng)籠16、18和20。通過每個(gè)籠之間的介質(zhì)隔板(未示出)各個(gè)銅網(wǎng)籠16、18和20彼此電絕緣。
側(cè)口12和14還包括衰減管22和24，以便進(jìn)入法拉第籠10的內(nèi)部同時(shí)使籠的內(nèi)部和外部干擾源絕緣。參照圖3，衰減管包括三個(gè)彼此挨靠的銅網(wǎng)管26、28和30。外銅網(wǎng)籠16、18和20分別和銅網(wǎng)管26、28和30之一電連接。衰減管24還覆蓋著帶有孔34的帽32。衰減管22類似地包括銅網(wǎng)管26、28和30，但是不包含帽32。
再現(xiàn)參照圖2，在法拉第籠10內(nèi)安裝低密度非鐵樣本盤50。樣本盤50安裝成可以通過衰減管22和側(cè)口12把它從法拉第籠10中取出。三個(gè)桿52附著在樣本盤50上，每個(gè)桿52的長度大于從法拉第籠10的中心垂直軸到衰減管22的外緣的距離。這三個(gè)桿52適于遵從衰減管22的內(nèi)弧線，從而通過把這些桿放在衰減管中使樣本盤50定位在法拉第籠10的中心上。在該示出的實(shí)施例中，樣本盤50和桿52是用玻璃纖維環(huán)氧樹脂做成的。業(yè)內(nèi)人士容易明白，樣本盤和桿52可以用其它非鐵材料做成，并且可以通過其它手段，例如單根桿，把該盤安裝在法拉第籠10中。
再次參照圖2，低溫真空瓶100安裝在法拉第籠10內(nèi)并位于樣本盤50的上方。在該公開的實(shí)施例中，真空瓶100適于和法拉第籠10的頂上的開口配合并且是Tristan技術(shù)公司制造的BMD-6型號液氦真空瓶。真空瓶100是用玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合物做成的。在真空瓶100中安裝的視界非常窄的梯度計(jì)110定位成使它的視界包含樣本盤50。在該示出的實(shí)施例中，梯度計(jì)110是一個(gè)一階軸向檢測線圈，標(biāo)稱直徑為1厘米并帶有2％差額，并且它是用超導(dǎo)做成的。除平面型梯度計(jì)外，該梯度計(jì)可以是任何形式的梯度計(jì)。該梯度計(jì)110和低溫直流超導(dǎo)量子干涉器件(“SQUID”)120的輸入線圈連接。在該公開的實(shí)施例中，該SAQUID是Tristan技術(shù)公司制造的型號LSQ/20 LTS dcSQUID。業(yè)內(nèi)人士會意識到，可以使用高溫或交流SQUID，其不背離本發(fā)明的精神和范圍。在一替代實(shí)施例中，SQUID120包含噪聲消除線圈124。
該公開的梯度計(jì)110和SQUID120的組合在測量磁場時(shí)具有5微 的靈敏度。
SQUID120的輸出連接到Tristan技術(shù)公司制造的SP型低溫電纜130。代溫電纜130能耐得住真空瓶100內(nèi)和沒有真空瓶的溫度并且把信號從SQUID120傳送到磁通鎖定回路140，后者安裝在法拉第籠10和真空瓶100的外面。該公開的實(shí)施例中的磁通鎖定回路140是Tristan技術(shù)公司制造的iFI-301-L磁通鎖定回路。
參照圖1，磁通鎖定回路140還放大從SQUID120接收到的信號并且經(jīng)高電平輸出電路142輸出到iMC-303 iMAGSQUID控制器150。磁通鎖定回路140還通過CC-60型號六米光纖復(fù)合連接電纜144和SQUID控制器150連接。光纖連接電纜144和SQUID控制器150是由Tristan技術(shù)公司制造的?？刂破?50安裝在磁屏蔽籠40的外面。光纖連接電纜144把控制信號從SQUID控制器150傳送到磁通鎖定回路140，并且減小對測量的信號電磁干擾的可能性。業(yè)內(nèi)人士清楚，可以使用其它磁通鎖定回路，連接電纜和SQUID控制器，這不背離本發(fā)明的精神和范圍。
SQUID控制器150還包括高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器152，輸出數(shù)字化信號的標(biāo)準(zhǔn)GP-IB總線154以及輸出模擬信號的BNC連接器156。在該示出的實(shí)施例中，通過軟線162該BNC連接器和雙波形示波器160連接。
參照圖2，當(dāng)把樣本盤全部插入到法拉第籠10內(nèi)時(shí)在樣本盤50的二側(cè)安裝雙元件(two-element)亥姆霍茲變壓器60。在該示出的實(shí)施例中亥姆霍茲變壓器60的繞圈繞組62和64設(shè)計(jì)成在直流到50千赫的范圍中工作，其中中心頻率為25千赫并且自諧振頻率為8.8兆赫。在該示出的實(shí)施例中，線圈繞組62和64形狀上大致為矩形并且約為8英寸高4英寸寬?？梢圆捎闷渌ツ坊羝澗€圈形狀，但應(yīng)把形狀和尺寸定成把梯度計(jì)110和樣本盤50定位在亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的場內(nèi)。每個(gè)線圈繞組62和64安裝在二個(gè)低密度非鐵框架66和68之一上。框架66和68彼此鉸鏈連接并由支腿70支承。框架66和68可滑動地附著在各支腿70上以允許各框架相對于真空瓶100的下部垂直移動?？蚣艿囊苿釉试S調(diào)整亥姆霍茲變壓器60的線圈繞組62和64以改變梯度計(jì)110上接收的白噪聲的振幅。各支腿70靠在或者粘在法拉第籠10的底部上。在該示出的實(shí)施例，框架66和68以及支腿70是用玻璃纖維環(huán)氧樹脂做成的。可以在樣本盤50的周圍采用其它變壓器或線圈配置，這不背離本發(fā)明的精神和范圍。
參照圖4，其示出法拉第籠和它的內(nèi)容的剖視圖，其中相對于真空瓶100和法拉第籠10示出亥姆霍茲變壓器60的繞組62。還請注意圖4中樣本盤50和樣本200的定位。
參照圖5，其示出一替代實(shí)施例，其中亥姆霍茲線圈繞組62和64在垂直定向上是固定的并且另一個(gè)噪聲線圈300位于樣本盤50的下方。該加性噪聲線圈300的繞組大致垂直于亥姆霍茲變壓器60的垂向繞組62和64，并且該加性噪聲線圈300的繞組對法拉第籠10的底大致平行取向。
在該替代實(shí)施例中，應(yīng)從對亥姆霍茲線圈供電的相同的雙絞線把噪聲饋送到噪聲線圈300。噪聲源應(yīng)來自對亥姆霍茲線圈提供噪聲的同一個(gè)噪聲發(fā)生器。應(yīng)在噪聲發(fā)生器上通過加性噪聲輸出連接或者通過從輸出連接到該噪聲發(fā)生器的平衡分離器對噪聲采樣。該加性噪聲線圈300上的噪聲信號衰減應(yīng)通過商業(yè)上可買到的各種可調(diào)RF信號衰減電路或者通過固定值RF衰減濾波器的適當(dāng)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。
參照圖6，圖中可以看到支持亥姆霍茲變壓器60的各線圈的框架細(xì)節(jié)；圖6的參照點(diǎn)和圖4的視角成90度并且略去法拉第籠10?？蚣?6和68布置成示出亥姆霍茲線圈的線圈繞組大致處于垂直位置并且彼此平行。框架66′和68′示出所述框架繞把所述框架接合起來的鉸鏈連接的軸轉(zhuǎn)動，從而把亥姆霍茲變壓器的線圈繞組布置成彼此不平行的關(guān)系。
再次參照圖1，振幅可調(diào)白噪聲發(fā)生器80位于磁屏蔽籠40的外面，并且經(jīng)過濾波器90由電纜82和亥姆霍茲變壓器60電連接。參照圖3，電纜82穿過側(cè)口12、衰減管24并且經(jīng)孔34穿過帽32。電纜82是同軸電纜并且還包括由內(nèi)、外磁屏蔽86和88包圍的雙絞銅導(dǎo)體對84。在其它實(shí)施例中，這些導(dǎo)體可以是任何非磁性導(dǎo)電材料，例如銀或金。內(nèi)、外磁屏蔽86和88端接到帽32，讓雙絞線84跨越圖1中所示的從該端帽到亥姆霍茲變壓器60的剩余距離。內(nèi)磁屏蔽86通過帽32和法拉第籠16電連接，而外磁屏蔽86電連接到圖1中所示的磁屏蔽籠40。
參照圖1，白噪聲發(fā)生器80可以在從零到100千赫的頻譜上產(chǎn)生幾乎均勻的噪聲。在該示出的實(shí)施例中，濾波器90濾掉50千赫以上的噪聲，但是可以使用其它頻率范圍，這不背離本發(fā)明的精神和范圍。
白噪聲發(fā)生器80還通過軟線164和雙波形示波器160的另一輸入電連接。
參照圖1、2和3，要測量的物質(zhì)樣本200放在樣本盤50上并且把該樣本盤放在法拉第籠10內(nèi)。在第一實(shí)施例中，白噪聲發(fā)生器80用來通過亥姆霍茲變壓器60注入白噪聲。該白噪聲在梯度計(jì)110中形成感應(yīng)電壓。接著通過SQUID120檢測和放大梯度計(jì)110中的感應(yīng)電壓，SQUID的輸出進(jìn)一步通過磁通鎖定回路140放大并發(fā)送到SQUID控制器150，并且再發(fā)送到雙波形示波器160。雙波形示波器160還用于顯示白噪聲發(fā)生器80生成的信號。
通過改變白噪聲發(fā)生器80并且通過繞樣本200轉(zhuǎn)動亥姆霍茲變壓器60，如圖2中所示。繞框架66和68的鉸鏈連接軸轉(zhuǎn)動亥姆霍茲變壓器60改變它相對于梯度計(jì)110的定相。取決于期望的相位改變，框架66和68的鉸鏈連接允許繞組62和64在繞樣本盤50大約轉(zhuǎn)動30到40度下彼此保持平行。該鉸鏈連接還允許繞組62和64不平行地最多轉(zhuǎn)動大約60度以便相對于梯度計(jì)110改變亥姆霍茲變壓器60產(chǎn)生的場的信號定相。典型的相位調(diào)整應(yīng)包括該不平行取向，盡管在某些環(huán)境下其它定向可能是優(yōu)選的，例如適應(yīng)形狀不規(guī)則的樣本200。施加并且調(diào)整噪聲，直至噪聲比試圖檢測的分子電磁輻射高30到35分貝。在這種噪聲等級下，通過周知的隨機(jī)諧振現(xiàn)象噪聲呈現(xiàn)分子電磁信號的特征。當(dāng)反映梯度計(jì)110檢測的信號的示波器波形和反映直接來自白噪聲發(fā)生器80的信號的波形不同時(shí)，觀察到尋找的隨機(jī)結(jié)果。在替代實(shí)施例中，可以通過任何市場上買到的設(shè)備記錄和/或處理該信號。
在一替代實(shí)施例中，該檢測分子電磁信號的方法還包括通過SQUID120的噪聲消除線圈124注入和施加到亥姆霍茲變壓器60上的原始噪聲信號180°不同相的噪聲。接著可以在反映梯度計(jì)110檢測到的信號的示波器波形變成不是隨機(jī)的時(shí)觀察到尋找的隨機(jī)結(jié)果。
和如何注入并調(diào)整噪聲無關(guān)，還可以通過觀察何時(shí)出現(xiàn)譜峰值的增加確定隨機(jī)結(jié)果?？梢酝ㄟ^示波器160上的掃描圖或數(shù)值值或者通過其它周知的測量部件觀察譜峰值。
本發(fā)明的各實(shí)施例提供用來無外部干擾地檢測閾值特別低的分子電磁信號的方法和設(shè)備。它們還在容易被各種各樣的信號記錄和處理設(shè)備使用的格式下提供這些信號的輸出。
現(xiàn)參照圖7，圖中示出對前面各圖的分子電磁輻射檢測和處理系統(tǒng)的一種替代實(shí)施例。系統(tǒng)700包括和處理單元704連接的檢測單元702。盡管把處理單元704示出位于檢測單元702的外面，至少處理單元的一部分可以位于檢測單元內(nèi)。
圖7中以剖視圖示出的檢測單元702包括多個(gè)彼此相套或同心的構(gòu)件。樣本室或法拉第籠706套在金屬籠708內(nèi)。樣本室706和金屬籠708各可由鋁材構(gòu)成。樣本室706可以保持為真空并且可以把溫度控制在預(yù)置溫度上。金屬籠708配置成充當(dāng)?shù)屯V波器。
一組平行的加熱線圈或元件710位于樣本室706和金屬籠708之間并且環(huán)繞樣本室706。一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器711也定位成靠近加熱元件710和樣本室706。例如，可以圍繞樣本室706的外面在不同位置上定位四個(gè)溫度傳感器。加熱元件710和溫度傳感器(組)711配置成在樣本室706的內(nèi)部保持某溫度。
屏蔽712環(huán)繞金屬籠708。屏蔽712配置成為樣本室706提供補(bǔ)充的磁場屏蔽或隔離。屏蔽712可以由鉛或其它磁屏蔽材料構(gòu)成。當(dāng)樣本室706和/或金屬籠708提供足夠隔離時(shí)屏蔽712是選用的。
帶有G10絕熱材料的冷卻劑層716包圍屏蔽712。冷卻劑可以是液氦。冷卻劑層716(也稱為冷卻真空瓶)的運(yùn)行溫度是開氏4度。外屏蔽718圍繞冷卻劑層716。外屏蔽718由鎳合金構(gòu)成并且配置成對磁屏蔽。在笛卡兒坐標(biāo)系的三個(gè)正交平面上，檢測單元702提供的磁屏蔽總量約為-100分貝、-100分貝和-120分貝。
上面說明的各個(gè)零件彼此通過氣隙或介質(zhì)隔板電絕緣。應(yīng)注意，為了便于說明這些零件彼此是不按相對尺寸示出的。
可以人工地或機(jī)械地把樣本容器720定位在樣本室706?？梢越档?、升高或者從樣本室706的頂部取出樣本容器720。樣本容器720是用不會引入雜散電流并且很小或者不呈現(xiàn)固有分子轉(zhuǎn)動的材料做成。例如，可以用高品質(zhì)玻璃或硼硅酸玻璃做成。
檢測單元702配置成處理固體、液體或氣體樣本?？梢栽跈z測單元702中使用各種樣本容器。例如，取決于樣本的尺寸，可以采用較大的樣本容器。作為另一個(gè)例子，當(dāng)樣本可對空氣起反應(yīng)時(shí)，樣本容器可以配置成是密封的或者在樣本周圍形成氣密。在又一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)樣本為氣體狀態(tài)時(shí)，可以在沒有樣本容器720下把樣本引入到樣本室706內(nèi)。對于這樣的樣本，樣本室706保持為真空。樣本室706頂部上的真空密封721輔助保持真空和/或容納樣本容器720。
分別在樣本容器720的上方和下方設(shè)置也稱為檢測線圈的感測線圈722和感測線圈724。感測線圈722、724的線圈繞組配置成在直流(DC)到大約50千赫(kHz)的范圍內(nèi)工作，其中中心頻率為25kHz并且自諧振頻率為8.8MHz。感測線圈722、724為二次導(dǎo)數(shù)(secondderivative)形式并且配置成達(dá)到大約100％的耦合。在一實(shí)施例中，線圈722、724大致為矩形并且通過G10緊固件保持就位。線圈722、724充當(dāng)二次導(dǎo)數(shù)梯度計(jì)。
如本文解釋那樣，可以垂向地把亥姆霍茲線圈726和7728定位在屏蔽712和金屬籠708之間。線圈726和728可以彼此獨(dú)立地升高或降低。也稱為白或高斯噪聲發(fā)生線圈的線圈726和728處在室溫或環(huán)境溫度下。線圈726、728產(chǎn)生的噪聲約為0.1高斯。
通過相對于線圈722、724重新定位樣本容器720或者通過相對于樣本容器720重新定位線圈726、728中的一個(gè)或二個(gè)，可以改變來自樣本的輻射和線圈722、724之間的耦合程度。
處理單元704和線圈722、724、726和728電連接。處理單元704規(guī)定通過線圈726、728注入到樣本中的白或高斯噪聲。處理單元104還接收線圈722、724上的來自樣本的混合著注入的高斯噪聲的電磁輻射的感應(yīng)電壓。
參照圖8，一種采用本發(fā)明的各個(gè)方面的處理單元包括允許把樣本842置在其中和從其中取出的樣本盤840，法拉第籠844以及亥姆霍茲線圈746。SQUID/梯度計(jì)檢測器組件848放在低溫真空瓶850內(nèi)。在SQUID/梯度計(jì)檢測器組件848和SQUID控制器854之間連接磁通鎖定回路852。SQUID控制器854可以是Tristan公司提供的iMC-303 iMAG型多通道控制器。
模擬噪聲發(fā)生器856對鎖相回路858提供噪聲信號(如前面指出那樣)。該鎖相回路的X軸輸出提供給探回線圈846，并且可以衰減例如20分貝。鎖相回路的y軸輸出由信號分配器860分離。部分y軸輸出輸入到SQUID上的噪聲消除線圈，其具有用于梯度計(jì)的獨(dú)立輸入。另一部分的y軸信號輸入到示波器862，例如帶有傅里葉函數(shù)的模擬/數(shù)字示波器，諸如Tektronix TDS3000b(例如，型號3032b)。即，鎖相回路的x軸輸出驅(qū)動亥姆霍茲線圈，而反相形式的y軸輸出分隔成輸入到SQUID和示波器。這樣，該鎖相回路充當(dāng)信號反相器。示波器波形用來監(jiān)視該模擬噪聲信號，例如用來判定何時(shí)達(dá)到足夠的用來產(chǎn)生不平穩(wěn)譜分量的噪聲電平。和控制器854連接的模擬帶式記錄器或記錄部件864記錄從該控制器輸出的信號，它最好是寬帶(例如50千赫)記錄器。PC控制器866可以是基于MS WINDOW系統(tǒng)的PC，其例如通過RS232端口和控制器854接口。
在圖9中示出處理單元的另一實(shí)施例的方塊圖。雙相鎖定放大器202配置成對線圈726、728提供第一信號(例如，“x”或噪聲信號)并對超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)206的噪聲消除線圈提供第二信號(例如，“y”或噪聲消除信號)。放大器202配置成無需外部基準(zhǔn)而鎖定并且可以是Perkins Elmer公司的7265 DSP型號鎖定放大器。該放大器在“虛擬方式”下工作，其中它鎖定初始基準(zhǔn)頻率，接著去掉該基準(zhǔn)頻率以允許它自由運(yùn)行并且鎖定“噪聲”。
模擬噪聲發(fā)生器200和放大器202電連接。發(fā)生器200配置成通過放大器202在線圈726、728上生成或引入模擬白高斯噪聲。發(fā)生器200例如可以是General Rddio公司制造的1380型號。
阻抗變換器204電耦合在SQUID206和放大器202之間。阻抗變換器204配置成在SQUID206和放大器202之間提供阻抗匹配。
可以接通或者斷開SQUID206的噪聲消除特性。當(dāng)接通該消除特性時(shí)，SQUID206能從檢測到的輻射上消除或取消注入的噪聲分量。為了提供噪聲消除，至線圈726、728的第一信號是比要檢測的尋找的分子電磁輻射高20分貝或35分貝的噪聲信號。在此水平下，注入的噪聲通過隨機(jī)諧振呈現(xiàn)分子電磁信號的特征。至SQUID206的第二信號是噪聲消除信號并且在足以取消SQUID輸出處的噪聲的振幅下是反相的(例如對第一信號180度不同相)。
SQUID206是低溫直流SQUID。作為一個(gè)例子，SQUID206是Tristan技術(shù)公司制造的型號為LSQ/20 LTS dc的SQUID。替代地，可以使用高溫或交流SQUID。線圈722、724(例如梯度計(jì))和SQUID206的組合(集體地稱為SQUID/梯度計(jì)檢測器組件)具有大約5微 的磁場測量靈敏度。通過SQUID206檢測并放大線圈722、724中的感應(yīng)電壓。SQUID206的輸出是范圍大約在0.2-0.8微伏的電壓。
SQUID206的輸出是SQUID控制器208的輸入。SQUID控制器208配置成控制SQUID206的操作狀態(tài)并且進(jìn)一步調(diào)整檢測信號。作為一個(gè)例子，SQUID控制器208可以是Tristan技術(shù)公司制造的iMC-303 iMAG多通道SQUID控制器。
SQUID控制器208的輸出輸入到放大器210。放大器210配置成提供0-100分貝范圍的增益。當(dāng)在SQUID206上接通噪聲消除節(jié)點(diǎn)時(shí)提供大約20分貝的增益。當(dāng)SQUID206不提供噪聲消除時(shí)，提供大約50分貝的增益。
放大后的信號輸入到記錄器或存儲部件212。記錄器212配置成把模擬放大信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并且存儲該數(shù)字信號。在一實(shí)施例中，記錄器212每赫存儲8600個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)并且可以處理2.46兆位/秒。作為一個(gè)例子，記錄器212可以是索尼公司的數(shù)字音頻帶(DAT)記錄器。利用DAT記錄器可以把原始信號或數(shù)據(jù)集發(fā)送到第三方以供顯示或按希望的那樣特別處理。
低通濾波器214過濾來自記錄器212的數(shù)字化數(shù)據(jù)集。低通濾波器214是模擬濾波器并且可以是巴特沃思濾波器。截止頻率約為50千赫。
接著帶通濾波器216過濾過濾后的數(shù)據(jù)集。帶通濾波器216是按一個(gè)帶寬在DC和50kHz之間的數(shù)字濾波器配置的?？梢园褞V波器216調(diào)整到不同的帶寬上。
帶通濾波器216的輸出是傅里葉變換處理器218的輸入。傅里葉變換處理器218配置成把時(shí)域中的數(shù)據(jù)集變換成頻域中的數(shù)據(jù)集。傅里葉變換處理器218完成快速傅里葉變換(FFT)式變換。
傅里葉變換后的數(shù)據(jù)集輸入到相關(guān)和比較處理器220。記錄器212的輸出也是對處理器220的輸入。處理器220配置成把該數(shù)據(jù)集和先前記錄的數(shù)據(jù)集相關(guān)聯(lián)，確定閾值并且進(jìn)行噪聲消除(當(dāng)SQUID206不提供噪聲消除時(shí))。處理器220的輸出是代表樣本的分子低頻電子輻射譜的最終數(shù)據(jù)集。
用戶接口(UI)222，例如圖形用戶接口(GUI)也可以至少和濾波器216以及處理器220連接以規(guī)定信號處理參數(shù)。濾波器216、處理器218和處理器220可以用硬件、軟件或固件實(shí)現(xiàn)。例如，濾波器216和處理器218可以在一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片上實(shí)現(xiàn)。處理器220可以是在計(jì)算部件中實(shí)現(xiàn)的軟件。
該放大器在“虛擬模式”下工作，其中它鎖定初始基準(zhǔn)頻率，然后去掉該基準(zhǔn)頻率以允許它自由運(yùn)行并鎖定“噪聲”。模擬噪聲發(fā)生器(其是General Radio公司生產(chǎn)的一種真正模擬噪聲發(fā)生器)要求分別對亥姆霍茲線圈和噪聲消除線圈具有20dB和45-dB的衰減。
亥姆霍茲線圈可以具有一立方英寸的甜(sweet)點(diǎn)和1％的平衡。在一替代實(shí)施例中，亥姆霍茲線圈可以垂直地和轉(zhuǎn)動地(繞垂直入口)移動，并且從平行改變成餅狀式地展開。在一實(shí)施例中，SQUID、梯度計(jì)和驅(qū)動變換器(控制器)分別具有1.8、1.5和0.3微亨的值。亥姆霍茲線圈在該甜點(diǎn)下可具有每安培0.5高斯的靈敏度。
為了隨機(jī)響應(yīng)可能需要大約10到15微伏。通過注入噪聲，該系統(tǒng)提高SQUID器件的靈敏性。有沒有噪聲下SQUID器件具有大約5飛泰斯拉的靈敏度。通過注入噪聲并且利用隨機(jī)諧振響應(yīng)該系統(tǒng)已經(jīng)能按25到35分貝地改進(jìn)靈敏度，該量是接近1500％的增大。
在接收和記錄來自該系統(tǒng)的信號后，計(jì)算機(jī)，例如主計(jì)算機(jī)、超級計(jì)算機(jī)或者高性能計(jì)算機(jī)，進(jìn)行預(yù)處理和后處理，例如利用加州Richmond鎮(zhèn)的Systat軟件公司的Autosignal軟件產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)處理同時(shí)利用Flexpro軟件產(chǎn)品進(jìn)行后處理。Flexpro是Dewetron公司提供的數(shù)據(jù)(統(tǒng)計(jì))分析軟件?？梢栽贏utosignal和Flexpro產(chǎn)品中應(yīng)用下述方程或選項(xiàng)。
正向變換Xn=Σk=0N-1kei2πknN]]>反向變換Xk=1v/Σn=0N-1Xne-i2πknN]]>FFT算法利用Temperton的基本因素FFT(prime factor FFT)最佳提取N(C.Temperton，Implementation of a Self-Sorting In-Place PrimeFactor FFT Algorithm，Journal of Computation Physics，v.58，p.283，1985)。
數(shù)據(jù)坡度窗口[cs4 BHarris min]0.35875-0.48829*cos(2*Pi*i/(n-1))+0.14128*cos(4*Pi*i/(n-1))-0.01168*(6*Pi*i/(n-1))，i＝0.n-1[矩形]不能得到固定形狀坡度(示波器)量值sqrt(Re*Re+Im*Im) [Re＝實(shí)部，Im＝虛部]振幅2.0*sqrt(Re*Re+Im*Im)/n分貝10.0*log10(Re*Re+Im*Im)平均重復(fù)重復(fù)基于遵守1e-8精度的X值。
基準(zhǔn)扣除沿X(時(shí)間)軸在Y軸(振幅)對每個(gè)點(diǎn)(通道)進(jìn)行基準(zhǔn)信號扣除(基線噪聲)。負(fù)的Y值則歸零。
互相關(guān)該函數(shù)利用相加和積分計(jì)算互相關(guān)函數(shù)。由于信號是瞬變的，利用直接相乘和積分計(jì)算相關(guān)函數(shù)。該計(jì)算所需的所有位于源通道(數(shù)據(jù)序列)外面的值取0值。還計(jì)算t＜0的點(diǎn)。
傅里葉顯著水平使Monte Carlo數(shù)據(jù)和參數(shù)模型配合。當(dāng)數(shù)據(jù)量N是唯一因素時(shí)，采用單變量Tablecurve 2維參數(shù)模型。對于其中分段長度和重疊是附加影響的分段FFT，實(shí)現(xiàn)三變量Chebyshev多項(xiàng)式。它們是Autosignal軟件中供選的選項(xiàng)?？梢元?dú)立地分析各個(gè)數(shù)據(jù)集，或者可以以重疊方式分析各數(shù)據(jù)集，其中先分析數(shù)據(jù)集1，接著分析數(shù)據(jù)集1的后半部分和數(shù)據(jù)集2的前半部分，接著分析數(shù)據(jù)集2并且接著分析數(shù)據(jù)集2的后半部分。
圖10中示出系統(tǒng)100進(jìn)行的信號檢測和處理流程。當(dāng)對某樣本感興趣時(shí)，至少進(jìn)行四種信號檢測或數(shù)據(jù)試驗(yàn)時(shí)刻t1不帶有樣本的第一數(shù)據(jù)試驗(yàn)，時(shí)刻t2帶有樣本的第二數(shù)據(jù)試驗(yàn)，時(shí)刻t3帶有樣本的第三數(shù)據(jù)試驗(yàn)，以及時(shí)刻t4不帶有樣本的第四數(shù)據(jù)試驗(yàn)。進(jìn)行多于一次的數(shù)據(jù)試驗(yàn)并且收集數(shù)據(jù)集提高最終(例如相關(guān)的)數(shù)據(jù)集的精度。在這四次數(shù)據(jù)試驗(yàn)中，保持系統(tǒng)100的參數(shù)和狀態(tài)不變(例如，溫度，放大量，線圈位置，噪聲信號等)。
在框300，把適當(dāng)樣本(或者如果是第一或第四次數(shù)據(jù)試驗(yàn)則沒有樣本)放在系統(tǒng)100中。給定樣本不注入噪聲下在約等于或小于0.001微泰斯拉的幅值下發(fā)出DC-50kHz范圍內(nèi)的電磁輻射。為了捕獲這種低頻輻射，在框301注入白高斯噪聲。
在框302，線圈722、724檢測代表樣本的輻射和注入的噪聲的感應(yīng)電壓。該感應(yīng)電壓由作為數(shù)據(jù)試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)的時(shí)間函數(shù)的連續(xù)電壓值(振幅和相位)流構(gòu)成。數(shù)據(jù)試驗(yàn)可以2-20分鐘長，從而和該數(shù)據(jù)試驗(yàn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)集包括2-20分鐘的作為時(shí)間的函數(shù)的電壓值。
在框304，在檢測感應(yīng)電壓中消除注入的噪聲。當(dāng)關(guān)掉SQUID206的噪聲消除特性時(shí)略去該框。
在框306，取決于是否在框304進(jìn)行噪聲消除，按20-50分貝放大數(shù)據(jù)集的電壓值。并在步驟308，放大后的數(shù)據(jù)集歷經(jīng)模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換并存儲在記錄器212中。數(shù)字化數(shù)據(jù)集可包括幾百萬行的數(shù)據(jù)。
在存儲捕獲的數(shù)據(jù)集后，在框310進(jìn)行檢查以判定是否對該樣本至少發(fā)生了四次數(shù)據(jù)試驗(yàn)(例如，具有至少四個(gè)數(shù)據(jù)集)。如果已經(jīng)得到給定樣本的四個(gè)數(shù)據(jù)集，則在框312出現(xiàn)低通濾波。反之，啟動下個(gè)數(shù)據(jù)試驗(yàn)(返回到框300)。
低通濾波(框312)以及帶通濾波(在框314)數(shù)字化數(shù)據(jù)集后，在傅里葉變換框316把數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換到頻域。
接著，在框318，在各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上彼此相關(guān)類似的數(shù)據(jù)集。例如，和第一次數(shù)據(jù)試驗(yàn)(例如基線或環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)試驗(yàn))對應(yīng)的第一數(shù)據(jù)集與和第四次數(shù)據(jù)試驗(yàn)(例如，另一次噪聲數(shù)據(jù)試驗(yàn))對應(yīng)的第四數(shù)據(jù)集彼此相關(guān)。如果一給定頻率下第一數(shù)據(jù)集的振幅值和該給定頻率下第四數(shù)據(jù)集的振幅值相同，該給定頻率的相關(guān)值或相關(guān)數(shù)為1.0。還對第二和第三數(shù)據(jù)試驗(yàn)(例如，樣本數(shù)據(jù)試驗(yàn))進(jìn)行這種相關(guān)或比較。由于獲取的數(shù)據(jù)集是存儲的，可以晚些時(shí)候完成其它數(shù)據(jù)試驗(yàn)時(shí)訪問它們。
當(dāng)SQUID206不提供噪聲消除時(shí)，則對每個(gè)相關(guān)的數(shù)據(jù)集施加預(yù)定的閾平以消除統(tǒng)計(jì)不相干的相關(guān)值。取決于數(shù)據(jù)試驗(yàn)的長度(數(shù)據(jù)試驗(yàn)越長，獲取的數(shù)據(jù)的精度越高)以及樣本的實(shí)際輻射譜對其它類型樣本的可能相似性，可能采用不同的閾平。除了閾平外，還平均相關(guān)。利用閾值并且對相關(guān)結(jié)果取平均，在得到的相關(guān)數(shù)據(jù)集中注入噪聲分量變成非常小。
如果在SQUID206提供噪聲消除，則不需要采用閾值和對相關(guān)取平均。
一旦把二個(gè)樣本數(shù)據(jù)集精煉成相關(guān)樣本數(shù)據(jù)集并且把二個(gè)噪聲數(shù)據(jù)集精煉成相關(guān)噪聲數(shù)據(jù)集，從相關(guān)樣本數(shù)據(jù)集中減去相關(guān)噪聲數(shù)據(jù)集。結(jié)果數(shù)據(jù)集是最終數(shù)據(jù)集(例如，代表樣本的輻射譜的數(shù)據(jù)集)(框320)。
由于每赫可以有8600個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)并且最終數(shù)據(jù)集可以具有頻率范圍在DC-50kHz的數(shù)據(jù)點(diǎn)，該最終數(shù)據(jù)集可以包括幾十億行的數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)行可以包括頻率、振幅、相位和相關(guān)值。
在圖11A和11B中示出樣本輻射譜的例子。圖11A中示出的傅里葉曲線400對應(yīng)于飽和氯化鈉溶液樣本的譜。圖11B中示出的傅里葉曲線500對應(yīng)一種酶樣本的譜。
參照圖16，現(xiàn)在按系統(tǒng)1600說明對前面說明的各系統(tǒng)的另一替代實(shí)施例。通常，本文中說明的替代和替代實(shí)施例大致類似于前面說明的實(shí)施例，并且相同的參考數(shù)字通常標(biāo)識共同的零部件和功能。只詳細(xì)說明結(jié)構(gòu)和操作上的明顯不同。
用1602示出二次導(dǎo)數(shù)梯度計(jì)，其中把目標(biāo)樣本定位在上、下線圈對之間。樣本兩側(cè)的二個(gè)內(nèi)線圈彼此補(bǔ)充，而二個(gè)外線圈(頂和底線圈)彼此補(bǔ)充并且對著二個(gè)內(nèi)線圈。這種結(jié)構(gòu)允許從樣本提取更大的信號并且改進(jìn)噪聲注入。
雖然在圖中示出并且下面更詳細(xì)說明，系統(tǒng)1600采用同心零件序列以及沿中心軸延伸到真空瓶中的布局。步進(jìn)馬達(dá)1604允許軸向地把樣本定位在該同心零件布局內(nèi)。具體地，可以把樣本定位在梯度計(jì)1602中間的期望位置上。
類似地，千分尺調(diào)整機(jī)構(gòu)1606，例如機(jī)械千分尺和步進(jìn)電機(jī)，允許相對于該系統(tǒng)中的零部件(例如樣本和梯度計(jì))對齊亥姆霍茲線圈。這種對亥姆霍茲線圈的調(diào)整輔助系統(tǒng)1600的制造和標(biāo)定，并且允許在該系統(tǒng)內(nèi)準(zhǔn)確地對齊場，例如對梯度計(jì)1602提供均勻場。它還可以用于對場梯度提供場偏離設(shè)置或變化以產(chǎn)生更好的隨機(jī)結(jié)果，用于偏置系統(tǒng)中的噪聲或者提供其它好處。
圖17A、17B和18更清楚地示出系統(tǒng)1600中各零部件的同心布局，其中樣本管軸向穿過低通濾波金屬屏蔽1802(例如不銹鋼合金)的中心以讓2kHz以下的信號通過。外磁(MU)屏蔽包圍梯度計(jì)、亥姆霍茲線圈和樣本。參照這些圖，系統(tǒng)1600的結(jié)構(gòu)大致是自解釋的。
General Radio公司制造的并在前面說明的1381型號隨機(jī)白噪聲發(fā)生器可以由Noise/Com公司制造的可編程高斯白噪聲發(fā)生器替代。這種發(fā)生器采用二個(gè)彼此反相的輸出。一個(gè)輸出可以和亥姆霍茲線圈連接，另一個(gè)(反相的)輸出和前面提到的SQUID噪聲消除線圈連接。
類似地，如圖19中所示，上面提到的Tektronix數(shù)字示波器可以由Stanford Research Systems公司制造的SR 785型雙通道動態(tài)信號分析儀1902替代。這種信號分析儀能通過對多個(gè)時(shí)域信號采樣并且在多個(gè)頻域FFT上對它們?nèi)∑骄幚磔斎胄盘?。這可以產(chǎn)生所有非隨機(jī)信號分量的全譜頻域記錄。其它可進(jìn)行的改變包括用數(shù)字通用光盤(DVD)記錄器1904替代數(shù)字音頻帶存儲系統(tǒng)。另外，可以使用Keithley公司制造的3801型數(shù)據(jù)采集板1906，如后面說明那樣它和軟件一直工作產(chǎn)生直方圖。
在圖19中示出的一替代實(shí)施例中，在梯度計(jì)和SQUID之間連接噪聲消除線圈1908。(盡管示出一次導(dǎo)數(shù)梯度計(jì)，可以使用圖16中示出的二次導(dǎo)數(shù)梯度計(jì))。盡管未在圖19中示出，可以對噪聲消除線圈1908施加反相噪聲通道(相對于對亥姆霍茲線圈施加的噪聲反相)(并且可能首先通過例如按45分貝衰減噪聲信號的阻抗變換器)。在一未示出的實(shí)施例中，該噪聲消除線圈可以定位在SQUID120內(nèi)SQUID的輸入和輸出線圈之間。
參照圖24-27，其中給出前面說明的各系統(tǒng)的替代實(shí)施例。參照圖24，噪聲源2402對檢測器系統(tǒng)2400提供噪聲輸入。它可以提供平穩(wěn)白高斯噪聲，這是不具有可預(yù)測未來分量的隨機(jī)高斯噪聲。替代地，噪聲源2402可提供結(jié)構(gòu)化噪聲，其是含有把能量從譜的一個(gè)區(qū)偏移到另一區(qū)中的對數(shù)特征的噪聲，或者在振幅保持不變下提供隨機(jī)時(shí)間分量(例如寬度變化的脈沖，但是是振幅基本不變的脈沖)。和不帶有可預(yù)測未來分量的真正隨機(jī)噪聲相比，這二個(gè)噪聲代表粉紅的和均勻的噪聲。另外，該噪聲源可產(chǎn)生均勻噪聲，其中振幅不變但在時(shí)間、頻率或二者上改變的噪聲。
噪聲源2402是對亥姆霍茲線圈126和728發(fā)送噪聲并且向噪聲線圈1908發(fā)送反相噪聲的雙通道噪聲發(fā)生器。如所示，噪聲線圈1908實(shí)際上是一對形成感性耦合這二個(gè)線圈的變壓器的噪聲線圈。當(dāng)然，可以采用其它線圈或方法以對SQUID206的輸入施加反相噪聲，如業(yè)內(nèi)人士認(rèn)識那樣。該反相的噪聲消除二次導(dǎo)數(shù)梯度計(jì)1602檢測到的殘余不反相噪聲。
參照圖25，對系統(tǒng)2400的一種替代實(shí)施例是按檢測系統(tǒng)2500示出的。這里，噪音源2402和第二個(gè)獨(dú)立噪聲源2502一起是成對的。第一噪聲源2402按系統(tǒng)2400中那樣操作。該噪聲源利用分子振蕩通過隨機(jī)諧振原理把低于閾的分子信號提高到可檢測電平?？梢曰绢愃朴诘谝辉肼曉吹牡诙肼曉?502對位于噪聲線圈1908和SQUID206的輸入之間的第二噪聲線圈2504提供未反相的噪聲信號。通過噪聲線圈(或變壓器)2506把反相的噪聲施加到SQUID206的輸出。第二噪聲源2502使用SQUID的輸入上的噪聲并且消除SQUID輸出上的噪聲。
系統(tǒng)2500的噪聲消除模型利用SQUID的充當(dāng)一個(gè)組合低于閾的分子信號和噪聲的雙穩(wěn)振蕩器的能力，從而通過隨機(jī)諧振把低于閾的信號提高到可檢測電平。系統(tǒng)2500實(shí)際上提供二級隨機(jī)放大。另外，系統(tǒng)2500允許用戶獨(dú)立地在梯度計(jì)上和SQUID上改進(jìn)信噪比。盡管噪聲源可能基本類似，取決于應(yīng)用可使用不同的噪聲源。
參照圖26，對系統(tǒng)2400和2500的另一替代實(shí)施例用系統(tǒng)2600示出。和系統(tǒng)2400不同，系統(tǒng)2600在SQUID206的輸出處施加反相的噪聲。這樣，噪聲的反相拷貝傳送到位于SQUID206和磁通鎖定回路或其它信號處理件(未示出)之間的噪聲消除線圈1908上。(該實(shí)施例需要對相位改變的校正，這可以由磁通鎖定回路，由鎖定放大器等處理。)系統(tǒng)2600再次利用SQUID的充當(dāng)把亥姆霍茲線圈726、728輻射的噪聲和低于閾的分子信號組合起來的雙穩(wěn)振蕩器的能力，以利用隨機(jī)諧振把低于閾的分子信號提高到可檢測電平。
參照圖27，系統(tǒng)2700采用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器或其它基于軟件的系統(tǒng)以在SQUID206的輸出端產(chǎn)生隨機(jī)放大。這里，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器或其它適當(dāng)?shù)幕谲浖南到y(tǒng)把工程化噪聲2701注入到亥姆霍茲線圈726、728。該工程化噪聲是可以以Excel格式存儲的隨機(jī)數(shù)序列集。這些隨機(jī)數(shù)用來驅(qū)動用于通過隨機(jī)諧振把低于閾的信號提高到可檢測電平的噪聲的產(chǎn)生。
通過數(shù)據(jù)記錄器212記錄SQUID206的輸出。信號處理器2704(其可以是在計(jì)算機(jī)、一個(gè)或多個(gè)DSP等上運(yùn)行的軟件)從記錄的數(shù)據(jù)信號中減掉工程化噪聲。換言之，通過后處理以從SQUID輸出減去隨機(jī)數(shù)的方式從SQUID輸出中提出以Excel格式表達(dá)的隨機(jī)數(shù)。利用來自SQUID的輸出所有隨機(jī)放大都是在軟件下發(fā)生的。通過利用軟件和信號處理，產(chǎn)生其中噪聲振幅是均勻的但是其頻率是隨機(jī)的均勻噪聲。一種能產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)信號(并且接著去掉它)的軟件包的例子是Mathsoft公司的Mathcad。
隨機(jī)數(shù)序列中可以包含計(jì)時(shí)標(biāo)志，例如間隔規(guī)則的升高的振幅，以輔助噪聲輸入信號和SQUID輸出信號的對齊。通過在輸入和輸出信號之間對齊這些標(biāo)志能方便地減掉噪聲。其結(jié)果是信號產(chǎn)品2706，其只包括從中減掉工程化噪聲后的分子信號。
III.產(chǎn)生譜信息的直方圖方法圖20是用來產(chǎn)生譜信息的直方圖方法中的高層數(shù)據(jù)流程圖。從SQUID(框2002)或從存儲數(shù)據(jù)(框2004)得到的數(shù)據(jù)按16位WAV數(shù)據(jù)保存(框2006)，并且轉(zhuǎn)換成雙精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)(框2008)。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可以保存(框2010)或者作為原始波形顯示(框2012)。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)接著通過下面參照圖21說明的和通過框2014用傅里葉分析標(biāo)示的算法?？稍诳?016顯示直方圖。
參照圖21，直方圖算法的總流程取得離散采樣的時(shí)域信號并且利用傅里葉分析把它轉(zhuǎn)換成頻域譜供進(jìn)一步分析。從ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)得到時(shí)域信號并且存儲在緩沖區(qū)中，如框2012中所示。該樣本為SampleDuration秒長并且在每秒SampleRate個(gè)樣本下采樣，從而產(chǎn)生SampleCount(SampleDuration×SampleRate)個(gè)樣本。如奈奎斯特定義那樣，可以從該信號轉(zhuǎn)換的FrequencyRange是按Sample Rate的一半定義的。這樣，如果按每秒10,000個(gè)樣本采樣時(shí)序信號，F(xiàn)requencyRange會為0赫到5千赫。一種可以采用的傅里葉算法是基數(shù)2實(shí)快速傅里葉變換(RFFT)，其具有高達(dá)216的2的冪的可選頻域分辨率(FFTSize)。選擇8192的FFTSize，以便只要FrequencyRange保持或低于8千赫提供每赫至少一個(gè)譜倉(bin)的分辨率。SampleDuration應(yīng)足夠長到使SampleCount＞(2×)FFTSize×10以確?？煽康慕Y(jié)果。
由于該FFT只可以一次在FFTSize個(gè)樣本上起作用，該程序必須順序地在樣本上進(jìn)行FFT并且對各結(jié)果取平均以得到最后的譜。如果選擇每次FFT跳過FFTSize個(gè)樣本，則引入1/FFTSize0.5的統(tǒng)計(jì)誤差。但是，如果選擇按FFTSize的一半重疊FFT，則誤差減小到1/(0.81×2×FFTSize)^0.5。這把誤差從0.0110485435減小到0.0086805556。有關(guān)誤差和相關(guān)分析的其它總體信息請參閱Bendat和Piersol的“Enginoering Applications of Correlation and SpectralAnalysis”，1993。
在給定窗口上進(jìn)行FFT之前，可以施加數(shù)據(jù)梯度濾波器以避免采樣假頻造成的譜泄漏。例如可以從以下選擇該濾波器矩形(無濾波器)、Hamming、Hanning、Bartlett、Blackman和Blackman/Harris濾波器。
在一示例方法中，并且如框2104中所示，我們對可變的FFTSize選擇8192，這是每次操作的時(shí)域采樣數(shù)量也是FFT輸出的離散頻率數(shù)量。注意FFTSize＝8192是分辨率，或者該采樣速率指示的范圍中的倉數(shù)。指示進(jìn)行多少次離散RFFT(實(shí)FFT)的變量n是通過SampleCount除去FFTSize×2(FFT倉數(shù))設(shè)定的。為了使該算法產(chǎn)生可感測的結(jié)果，該數(shù)n應(yīng)至少為10到20(盡管其它值是可能的，其中為了拾取較弱的信號最好次數(shù)更多。這意味著對于給定的SampleRate和FFTSize，Sample Duration必須足夠長。還在框2104中示出把從0計(jì)數(shù)到n的計(jì)數(shù)器m初始化為零。
該程序首先建立三個(gè)緩沖區(qū)用于FFTSize直方圖倉的緩沖區(qū)2108，其在每個(gè)倉頻率下累積計(jì)數(shù)；用于每個(gè)倉頻率的平均功率的緩沖區(qū)2110；以及含有每次m的FFTSize個(gè)拷貝采樣的緩沖區(qū)2112。
該程序初始化直方圖和數(shù)組(框2113)，在框2114把波數(shù)據(jù)的FFTSize個(gè)彩樣拷貝到緩沖區(qū)2112中，并且在這些波數(shù)據(jù)上進(jìn)行RFFT(框2115)。FFT是標(biāo)稱化的從而最大振幅為1(框2116)并且從標(biāo)稱化信號確定所有FFTSize倉的平均功率(框2117)。對于每個(gè)倉頻率，把來自FFT的該頻率上的標(biāo)稱化值加到緩沖區(qū)2108中的每個(gè)倉上(框2118)。
在框2119該程序接著相對于以前計(jì)算的平均功率檢查每個(gè)倉頻率下的功率。如果功率在平均功率的一特定因子ε(在0和1之間)之內(nèi)，則對它計(jì)數(shù)并且對應(yīng)的倉在直方圖中按16增量。反之廢棄它。
注意只是對該FFT實(shí)例比較平均功率。一種增強(qiáng)型的但較慢的算法可以在設(shè)定直方圖電平之前二次通過數(shù)據(jù)并且在整個(gè)時(shí)間上取平均。這種對小正數(shù)的比較幫助表示足以用于某頻率倉的功率值?；蛘咴诟鼘挼囊饬x上，該采用小正數(shù)ε的幫助回答“比刻是否存在該頻率下的信號”的問題。如果答案為是，它可以是二種情況之一(1)剛好在此刻在該倉上著陸的平穩(wěn)噪聲，或者(2)幾乎在任何時(shí)刻出現(xiàn)的真實(shí)低電平周期信號。這樣，直方圖計(jì)數(shù)會除去噪聲沖擊但提高低電平信號沖擊。從而，取平均和小正數(shù)因素允許選擇被認(rèn)為是重要的最小的功率電平。
在框2120對計(jì)數(shù)器遞增，并且對WAN數(shù)據(jù)的每n個(gè)集重復(fù)上面的處理直至m等于n(框2121)。每次循環(huán)中，在2118把每個(gè)倉的平均功率添加到關(guān)聯(lián)的倉上，并且當(dāng)滿足2114中的功率幅值條件的對每個(gè)直方圖倉遞遞增。
當(dāng)已經(jīng)考慮了所有n次數(shù)據(jù)循環(huán)后，通過每個(gè)倉中的總累積平均功率除以n(總的循環(huán)次數(shù))確定每個(gè)倉中的平均功率(框2122)并且顯示結(jié)果(框2123)。除了存在結(jié)構(gòu)性噪聲的地方，例如DC＝0或者60赫的倍數(shù)上，每個(gè)倉中的平均功率會是某個(gè)相對小的數(shù)。這在圖22A-22D示出的曲線上表示(在400、600、700和900mV下產(chǎn)生直方圖)。圖22A-22D的曲線只示出部分直方圖倉，即從7953赫到8533赫的譜。如圖22A和22B中所示，分別在400mV或600mV的注入噪聲下未看到隨機(jī)事件。但是，如圖22C所示，在700mV下可見的隨機(jī)事件是明顯的。然后如圖22D是所示，在900mV下丟失隨機(jī)事件。
通過上面的步驟產(chǎn)生的直方圖在每個(gè)倉中包含一個(gè)在0和n之間的該頻率下的功率超過(ε×整個(gè)FFT輸出的平均功率)的次數(shù)。如果由于非結(jié)構(gòu)性噪聲倉計(jì)數(shù)遞增，則隨著時(shí)間該噪聲會分布到所有頻率倉中，從而不會對某給定倉增加很多。如果存在一給定頻率的相容(consistent)信號，它會在n個(gè)時(shí)隙中每個(gè)上出現(xiàn)，從而具有接近n的倉計(jì)數(shù)。大振幅噪聲，例如60赫以及其諧波會具有高的倉計(jì)數(shù)以及高的平均功率。我們可以區(qū)分這些頻率，而我們感興趣的是平均功率低但倉計(jì)數(shù)高的頻率。
圖22A-22D示出通過該方法在四種不同噪聲功率下產(chǎn)生的直方圖。如所示，該程度可以在每個(gè)頻率用垂直條顯示平均功率?？梢杂靡粭l上連線表示直方圖倉計(jì)數(shù)。如果功率明顯“低”(例如小于均值/3)并且直方圖具有某計(jì)數(shù)，則可能變成在功率條的峰值和直方圖條的峰值之間觀察到連線。這些連線突出的倉象是低能分子譜的可能候選。
從圖22A-22D和從上面可以清楚，在產(chǎn)生有意義的直方圖即相對于詢問的樣本示出隨機(jī)諧振效應(yīng)的直方圖上，存在二個(gè)值得注意的設(shè)定。第一個(gè)是對樣本提供的高斯白噪聲的功率電平。如果該電平太低，噪聲電平不足以形成隨機(jī)諧振并且倉直方圖只反映噪聲。如果功率輸入過高，對每個(gè)倉計(jì)數(shù)的平均功率高從而不能分出隨機(jī)事件。
第二個(gè)設(shè)定是小正數(shù)ε的值。該值決定用來在平均值上區(qū)別出事件的功率值。當(dāng)值為1時(shí)，不會檢測事件，因?yàn)楣β视肋h(yuǎn)不會大于平均功率。當(dāng)ε接近零時(shí)，實(shí)際上會在倉中置入每個(gè)值。在0和1之間并且典型地在給出結(jié)構(gòu)性噪聲的總倉計(jì)數(shù)的約20％到50％的倉計(jì)數(shù)的值下，ε會具有最大的“譜特征”，這意味著在純噪聲上隨機(jī)諧振事件是極為有利的。
從而，在實(shí)踐本發(fā)明中，可以有規(guī)則地提高噪聲輸入的功率增益，例如從0到1伏以100mV遞增，并且在每個(gè)功率設(shè)定下調(diào)整ε直至觀察到帶有良好定義峰值的直方圖。其中，例如，被處理的樣本代表20秒的時(shí)間間隔，每種不同功率和ε的總處理時(shí)間約為25秒。當(dāng)觀察到良好定義的信號時(shí)，可以細(xì)化功率設(shè)定和ε或者二者直到產(chǎn)生意味著可識別峰值數(shù)量最多的最優(yōu)直方圖。
在這種算法下，由于常常出現(xiàn)的低頻噪聲(例如環(huán)境噪聲)會填充大量的反映低頻的倉并且給出關(guān)聯(lián)的直方圖。這樣，該系統(tǒng)可能簡單地忽略低于某給定頻率(例如低于1千赫)的倉，但是仍在較高頻率下呈現(xiàn)足夠的倉值以確定樣本間的唯一信號簽名。
替代地，由于該ε變量的用途是容納每次循環(huán)中確定的不同平均功率電平，該程序自己可以利用和平均功率電平相關(guān)的預(yù)定函數(shù)自動調(diào)整ε得到ε的最優(yōu)值。
類似地，該程序可以比較每種功率設(shè)定下的峰值高度，并且自動調(diào)整噪聲功率設(shè)定，直至在直方圖中觀察到最優(yōu)的峰值高度或特征。
盡管對于所有頻率ε的值可以是固定值，還預(yù)期對ε采用和頻率相關(guān)的值，以調(diào)整可在低頻，例如DC至1000，下觀察值較高的平均能量。例如通過對大量的低頻FFT區(qū)取平均并且確定把平均值“調(diào)整到”和較高頻率觀察的值相類似的值上的ε值，可以確定和頻率相關(guān)的ε因子。
參照圖23A-23C，其中示出用來產(chǎn)生直方圖的用戶接口的一個(gè)例子?；瑮l2302確定樣本波形段的長度，例如高達(dá)300-600秒，并且用戶在波形中有效地滾動?？?304允許用戶設(shè)定奈奎斯特頻率例如5、10或20千赫并且還提供一個(gè)相鄰的復(fù)位按鈕。滑條2306允許用戶為直方圖移動基線，而60赫檢查框2308允許用戶利用垂線標(biāo)識60赫倉以及所有相關(guān)的60赫諧波(如圖23C所示)。當(dāng)選擇獲取鈕2312時(shí)，軟件產(chǎn)生或獲得來自樣本的波形，如圖23B中所示。當(dāng)選擇fft鈕2310時(shí)，軟件產(chǎn)生直方圖曲線，如圖23C中所示。
IV.方法和應(yīng)用本章說明利用上面說明的設(shè)備詢問樣本，以及該設(shè)備在表征樣本和檢測樣本成分上的各種應(yīng)用。還依據(jù)本發(fā)明公開一種可以通過它表征樣本的低頻頻譜簽名或數(shù)據(jù)集，并且公開一種例如用來產(chǎn)生樣本頻譜簽名的樣本的時(shí)域信號。
A.詢問樣本的方法本發(fā)明的方法的一個(gè)目的是產(chǎn)生有關(guān)被詢問的樣本的頻譜信息。如會看出那樣，該信息可以以選定低頻頻譜范圍內(nèi)的譜曲線為形式，或者以標(biāo)識表征該樣本的低頻譜分量的數(shù)據(jù)集為形式，或者以基于標(biāo)識樣本的特征頻率的對該樣本或樣本成分的實(shí)際標(biāo)識為形式。
樣本可以是任何帶有原子或分子成分的材料，例如離子鹽成分或者離子化或不離子化形式下的分子成分或者質(zhì)子化或不質(zhì)子化形式下的分子成分，它們具有分子轉(zhuǎn)動并且最好具有偶極矩，從而磁場下，例如地球磁場下，分子轉(zhuǎn)動有效地產(chǎn)生低頻電磁輻射。樣本典型地是液體樣本，但是也可以是氣體，固體或半固體，只要樣本的至少一個(gè)成分具有一個(gè)或更多的轉(zhuǎn)動自由度。典型樣本是帶有一個(gè)或更多的溶質(zhì)成分的水溶液或有機(jī)溶液，它可以是溶解在溶劑中的感興趣的樣本材料。
把樣本放在適當(dāng)?shù)钠髅?，最好是可觀測到的低頻譜分量很低的硼硅酸玻璃中，接著把該器皿定位在第II章中說明的設(shè)備容器里。在樣本是位在設(shè)備容器中情況下，激勵(lì)高斯噪聲發(fā)生器以把高斯噪聲注入到樣本中。注入的高斯噪聲的振幅(平均振幅)最好足以產(chǎn)生不平穩(wěn)復(fù)合時(shí)域信號分量。這可以例如帶有傅里葉變換能力的示波器進(jìn)行并觀察適當(dāng)范圍例如200-800赫窗口中的頻域信號。當(dāng)首先觀察到可檢測的頻率分量時(shí)選擇適當(dāng)?shù)脑肼曤娖健?br> 在噪聲注入期間，記錄部件記錄預(yù)置時(shí)段的來自檢測器的時(shí)域電磁信號。該記錄時(shí)段可以相對短，例如30-60秒，或者可能為幾分鐘或更長，這取決于所需的最終譜分辨率。記錄的信號存儲在適當(dāng)?shù)男盘柎鎯ζ骷?，例如帶或硬盤，以供現(xiàn)在要說明的隨后的信號處理噪聲中使用。
通常，希望通過使記錄的樣本時(shí)域信號和同一樣本的或者不那么優(yōu)選地和相同樣本或者具有相同的感興趣的樣本成分的樣本的第二時(shí)域信號互相關(guān)增強(qiáng)樣本的信號分量。第二信號的記錄時(shí)間最好和第一信號是一樣的。利用時(shí)域中的標(biāo)準(zhǔn)互相關(guān)算法互相關(guān)這二個(gè)信號。其結(jié)果是標(biāo)明二個(gè)信號中整個(gè)時(shí)間上共有的信號譜分量的電子數(shù)據(jù)表或頻譜，以及每個(gè)分量上的用來測量二個(gè)信號共有的譜分量之間的關(guān)系的相關(guān)值。
在圖12A和12B以及圖13A和13B中看出通過互相關(guān)得到的譜分辨率的改進(jìn)。這些圖是頻域中的第一時(shí)變信號的快速傅里葉變換(圖12A和13A)以及第一和第二互相關(guān)頻域譜(上面稱為數(shù)據(jù)表)的快速傅里葉變換以繪出頻域中譜范圍在500-530赫的譜分量。
比較用于NaCI樣本的圖12A和12B，可以看出互相關(guān)信號處理明顯提高信噪比，更詳細(xì)得多的顯示出峰值在525.5赫上的樣本特有譜分量的細(xì)節(jié)并且還產(chǎn)生明顯細(xì)化的峰值位置。對于烷基乙醚硫酸鹽樣本也觀察到類似的(和示例的)結(jié)果，在圖13A和13B分別示出該樣本的未相關(guān)和相關(guān)信號在500-530赫范圍中的譜特性。和NaCI樣本一樣，從相關(guān)信號得出的譜信噪比低得多并且有關(guān)樣本特有譜分量的細(xì)節(jié)和信息多得多。還可以常規(guī)地應(yīng)用信號相關(guān)產(chǎn)生有關(guān)頻率和相位(而不是頻率和振幅)的電子數(shù)據(jù)表。
來自上面的相關(guān)后的時(shí)域譜通過對譜施加快速傅里葉變換繪到頻域上，其中在y軸表示作為振幅的譜相關(guān)值。曲線在DC到50千赫的頻率范圍內(nèi)，最好在DC到6.5千赫區(qū)段內(nèi)。如后面看出那樣，在100-1500赫范圍尤其在500-550赫范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)許多樣本的主譜特征，這樣可以相應(yīng)地把產(chǎn)生的譜限制在例如500-530赫的范圍上。通過周知的FTT算法實(shí)現(xiàn)FTT。還可以或替代地把相關(guān)的時(shí)域信號變換成相域或者振幅或幅值域信號，以提取和樣本譜的相位分量或者振幅分量有關(guān)的信號信息。
一旦通過互相關(guān)或FFT步驟產(chǎn)生頻域譜，利用該譜確定表征被詢問樣本的一個(gè)或更多的低頻信號分量。該步驟可以通過用戶直接觀察譜或者通過計(jì)算機(jī)分析譜進(jìn)行。
圖14A-14F示出去離子水(圖14A)，飽和NaCl(圖14B)，去離子水中1％的NaCl(圖14C)，飽和NaBr(圖14D)和烷基乙醚硫酸鹽(圖14E)樣本以及無樣本器皿(圖14F)的譜特征，所有都在約500-530赫的譜范圍內(nèi)。如看到那樣，每種樣本具有通過明確規(guī)定頻率下的一個(gè)或多個(gè)峰值表征的特殊譜分量。
B.表征樣本依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，上面的方法還用于產(chǎn)生給定樣本的低頻譜分量數(shù)據(jù)集，本文中也稱為材料的低頻簽名信號。
上面為數(shù)種樣本示出的500-530譜范圍是選擇用來說明不同樣本具有的顯著譜特征。為了得到樣本的更完整的譜頻率分量數(shù)據(jù)集，應(yīng)確定更寬頻率范圍例如100-1500赫內(nèi)的譜分量。在一個(gè)方面上，本發(fā)明包括和給定樣本材料，例如溶液中的溶劑，氣體或溶質(zhì)成分，關(guān)聯(lián)的譜分量數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集包括樣本的低頻譜分量列表，例如在100-1500赫范圍內(nèi)，它們的互譜相關(guān)具有選定的對背景譜噪聲的統(tǒng)計(jì)測量或者具有從該樣本的獨(dú)特分量中選出的一些分量。
可以利用各種樣號分析方法產(chǎn)生給定樣本的低頻數(shù)據(jù)集。在一示例方法中，互相關(guān)后的樣本信號譜和互相關(guān)后的噪聲(沒有樣本)信號相比。接著該算法沿著互相關(guān)樣本譜和互相關(guān)噪聲譜按增量，例如0.1赫間隔，前進(jìn)，以在每個(gè)頻率點(diǎn)上查找相關(guān)值并且在該點(diǎn)上從樣本相關(guān)減去噪聲相關(guān)以產(chǎn)生相關(guān)值修正后的頻率曲線。這些值會和具體的樣本有關(guān)并且例如取決于任何噪聲分量的相對振幅。
通常，帶有較高相關(guān)值(相對于該樣本的其它值)的頻率分量趨于在對相同樣本的多次詢問中保持(被觀察到)。為了確定這些的確保持的分量，比較樣本的二個(gè)或更多個(gè)采樣集(按上述得到每個(gè)采樣集)上觀察到的頻率分量，并且只把那些在二個(gè)(或更多個(gè)，若可得到的話)集中都看的頻率分量當(dāng)成是該樣本的數(shù)據(jù)集的有效成分。在下面的表中，給出幾種樣本(如表中所標(biāo)識)的數(shù)據(jù)集并且給出單次樣本詢問中確定的相關(guān)。那些未發(fā)現(xiàn)在相同樣本材料的多個(gè)數(shù)據(jù)集中保持的值用斜體表示(典型地具有較小的相關(guān)值)。
這樣，例如從表1中的飽和NaCl樣本，522.58、523.12、523.47和523.85赫下的譜分量在各個(gè)樣本間相關(guān)，從而應(yīng)為該樣本在500-530赫頻率范圍內(nèi)形成一個(gè)數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集可以在擴(kuò)大的頻率范圍中包括其它成員。
類似地，對于表3的氨基酸樣本，在約250到1400赫的頻率范圍內(nèi)該數(shù)據(jù)集應(yīng)包括262.93、257.81、257.23、536.68、448.05、531.37、528.80、593.44、583.74、578.61、769.59和744.14上的分量。相對于NaCl，氨基酸樣本譜成分更多部分地反映該樣本的分子更復(fù)雜。



上面的數(shù)據(jù)表明，簡單的和更復(fù)雜的分子樣本都可以用唯一低頻譜分量表征。和給定樣本材料關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集還可以包括(如表中所示)譜分量的關(guān)聯(lián)相關(guān)值。例如可以在識別未知樣本中的成分和/或估計(jì)樣本中某種物質(zhì)的相對濃度上使用該數(shù)據(jù)庫。下一節(jié)中討論利用該方法識別樣本中的低濃度成分。
C.識別樣本中的成分常常希望檢測多成分樣本物質(zhì)，例如含有未知污染物質(zhì)的液體樣本或者其它能保存或支承希望檢測出的污染物質(zhì)的樣本，中存在的樣本成分，例如跟蹤污染物質(zhì)。
依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種檢測樣本的成分的分析方法包括首先識別樣本中的(i)位于DC到50千赫之間的選定頻率范圍內(nèi)的以及(ii)如前面說明那樣其互譜相關(guān)具有選定的高于背景譜噪聲的統(tǒng)計(jì)測量的低頻樣本譜分量。
接著樣本的譜分量和懷疑在該樣本中存在的已知成分的低頻特征頻分量比較。在一典型例子中，樣本分量和懷疑存在在該樣本中的并且期望要檢測的每種成分的數(shù)據(jù)集比對。如果一種成分例如復(fù)合物的低頻特征頻分量中的一個(gè)或多個(gè)和某已知樣本的一個(gè)或多個(gè)低頻譜分量對應(yīng)，判定該樣本中存在該成分。
如圖11A-11F中的數(shù)據(jù)集所示，可能在非常低的水平例如百萬分之幾或更低上出現(xiàn)某復(fù)合物(某氨基酸)的檢測。具體地，即使在1∶100億W/V的稀度下，觀察到531赫附近特征譜分量。這些圖表明，當(dāng)增大成分的稀度時(shí)對應(yīng)于增分量相關(guān)的信號振幅確實(shí)下降。但是，通過延長記錄時(shí)間(本例中從第一組圖的50秒延長到最稀樣本(圖11F)的4.25分鐘)可以補(bǔ)償?shù)蜐舛认碌男盘栒穹鶕p失。
如上面的例子中那樣，當(dāng)譜分量振幅隨濃度減小下降時(shí)，可以在假定復(fù)合物的數(shù)據(jù)集還包括和濃度相關(guān)的振幅信息下根據(jù)信號振幅估計(jì)復(fù)合物的數(shù)量。
在一些情況中還觀察到，特征譜分量的頻率可能在改變濃度下按規(guī)則的方式偏移，最多達(dá)3赫。對于這樣的成分，可以通過一個(gè)或多個(gè)頻分量振幅和/或頻率偏移上的改變估計(jì)樣本中存在的物質(zhì)量。會理解對于顯示出濃度相關(guān)的頻率偏移的物質(zhì)該復(fù)合物的數(shù)據(jù)集可以包括特定成分的濃度相關(guān)的頻率以及濃度相關(guān)的振幅。
D.時(shí)域信號在又一個(gè)方面，本發(fā)明包括和感興趣的材料關(guān)聯(lián)的時(shí)域信號。前面已經(jīng)討論過時(shí)域信號以及它的產(chǎn)生方法。概括地，信號是這樣產(chǎn)生的把感興趣的樣本放在帶有磁以及電磁屏蔽的容器中，把高斯噪聲注入到該樣本中，以及記錄由疊加在注入的高斯噪聲上的樣本源輻射構(gòu)成的時(shí)域電磁信號。
可以利用該信號表征樣本，就像利用譜分量數(shù)據(jù)集表征物質(zhì)那樣。替代地，可以利用該信號產(chǎn)生和感興趣的物質(zhì)關(guān)聯(lián)的低頻信號譜分量簽名。也如前面說明那樣可以這樣產(chǎn)生信號簽名，使從相同樣本或類似樣本分別記錄的時(shí)域信號和第二時(shí)域信號互相關(guān)，以產(chǎn)生DC到50千赫頻率范圍內(nèi)的頻域譜。
結(jié)論除非上下文明確要求之外，在整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中詞“包括”、“包括著”等是在包含意義下而不是在排斥或排它意義下解釋的；即在“包括但不限于”的意義下解釋的。上面詳細(xì)說明中采用單數(shù)或多數(shù)的詞也可以分別包括多數(shù)或單數(shù)。另外，在本申請中使用時(shí)，詞“其中”、“上面”、“下面”和類似含義的詞是對整個(gè)申請而不是對本申請的一部分引用的。當(dāng)權(quán)利要求書在對照二個(gè)或更多的項(xiàng)的列表使用詞“或”時(shí)，該詞覆蓋下述所有的對該詞的解釋該表中的任一項(xiàng)，該表中的所有項(xiàng)以及該表中的項(xiàng)的任何組合。
上面對本發(fā)明的各實(shí)施例的詳細(xì)說明不是用來排它的或者不是用來把本發(fā)明限制在上面公開的準(zhǔn)確形式上。盡管上面出于示例目的說明了本發(fā)明特定實(shí)施例或例子，各種本發(fā)明的范圍之內(nèi)的等同修改是可能的，如業(yè)內(nèi)人士會理解那樣。例如，盡管在給定次序下給出各個(gè)處理或步驟，替代的實(shí)施例可以完成不同次序的步驟例程，并且一些步驟可能被刪除，去掉，加上，細(xì)分，組合和/或修改。這些步驟中的每個(gè)步驟可以在各種不同的方式實(shí)現(xiàn)。另外，盡管這些步驟示成是串行執(zhí)行的，可以替代地并行地進(jìn)行這些步驟，或者可以在不同的時(shí)刻進(jìn)行。
本文提供的本發(fā)明的講授可以應(yīng)用到其它系統(tǒng)，不必必須是本文描述的系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)本詳細(xì)說明可以對本發(fā)明完成這些和其它改變。可以組合上面說明的各種實(shí)施例的元部件和動作以提供其它實(shí)施例。
所有方面的專利和申請以及其它文獻(xiàn)，包括可能在伴隨申請資料中所列出的，都收錄作為參考。如果需要可以修改本發(fā)明的各個(gè)方面，以便采用上面說明的各種資料的系統(tǒng)，功能和概念以提供本發(fā)明的另一些實(shí)施例。
可以根據(jù)上面的詳細(xì)說明對本發(fā)明做出這些和其它改變。盡管上面的說明詳述本發(fā)明的某種實(shí)施例并且描述預(yù)期的最佳方式，可以在許多方式下實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。實(shí)施中可以相應(yīng)地改變信號采集和分析系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，但仍由本文所公開的本發(fā)明所包含。如前面指出那樣，說明本發(fā)明的某些特征或方面時(shí)使用的具體術(shù)語不應(yīng)看成是意味著在本文再定義該術(shù)語以把本發(fā)明的任何特定特性，特征或方面限制在關(guān)聯(lián)的術(shù)語上。通常，不應(yīng)把后面權(quán)利說明書中使用的條目不應(yīng)解釋成把本發(fā)明限制在說明書中公開的特定實(shí)施例上，除非上面的詳細(xì)說明的章節(jié)明確定義這樣的條目。相應(yīng)地，本發(fā)明的實(shí)際范圍不僅包含公開的各實(shí)施例，并且還包括根據(jù)權(quán)利要求書實(shí)踐或?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的所有等同方式。
盡管下面在某些權(quán)利要求形式下給出本發(fā)明的某些方面，發(fā)明小組預(yù)期本發(fā)明的各個(gè)方面在任何數(shù)量的權(quán)利要求形式下。例如，盡管只在方法權(quán)利要求格式下收錄本發(fā)明的一個(gè)方面，它可以類似地收錄在計(jì)算機(jī)可讀媒體權(quán)利要求格式下。因此，發(fā)明小組保留本申請申請后添加補(bǔ)充權(quán)利要求的權(quán)利以使這種補(bǔ)充的權(quán)利要求形成本發(fā)明的其它方法。
權(quán)利要求
1.一種用于詢問呈現(xiàn)低頻分子運(yùn)動的樣本的設(shè)備，包括適宜接納該樣本的容器，該容器具有磁屏蔽以及電磁屏蔽；功率可調(diào)的高斯噪聲源，用于樣本位于該容器中時(shí)向樣本引入高斯噪聲；檢測器，用于檢測電磁時(shí)域信號，該電磁時(shí)域信號包括疊加著引入的高斯噪聲的樣本源輻射；以及電子計(jì)算機(jī)，適于接收來自該檢測器的時(shí)域信號并且處理該信號以產(chǎn)生譜曲線，該譜曲線顯示該高斯噪聲源的選定功率設(shè)定下該樣本在DC和50千赫之間的選定頻率范圍中的低頻譜分量特性。
2.如權(quán)利要求1的設(shè)備，其中該電子計(jì)算機(jī)包括信號分析儀，該分析儀的功能是(i)計(jì)算該時(shí)域信號在多個(gè)規(guī)定的時(shí)段的每個(gè)時(shí)段上在100赫和50千赫之間的選定頻率范圍中的傅里葉譜序列，以及(ii)對該傅里葉譜取平均。
3.如權(quán)利要求2的設(shè)備，其中該計(jì)算包括計(jì)算至少五個(gè)傅里葉譜，其中每個(gè)取1-5秒時(shí)域區(qū)段。
4.如權(quán)利要求1的設(shè)備，其中該電子計(jì)算機(jī)包括可操作的執(zhí)行以下各項(xiàng)的機(jī)器可讀碼(i)存儲采樣持續(xù)時(shí)間T上的樣本時(shí)域信號；(ii)選擇對該時(shí)域信號采樣的采樣速率F，其中F×T是總采樣計(jì)數(shù)S，F(xiàn)大約是按采樣速率F采樣的時(shí)域信號的實(shí)快速傅里葉變換的頻域分辨率f的二倍，并且S＞f×n，其中n至少為10；(iii)從存儲的時(shí)域信號中選擇S/n個(gè)采樣并且在這些選取的采樣上進(jìn)行實(shí)快速傅里葉變換(RFFT)以產(chǎn)生RFFT信號；(iv)標(biāo)稱化RFFT信號并且計(jì)算RFFT信號的平均功率；(v)在f個(gè)選定的頻率事件倉的每個(gè)倉中置入事件計(jì)數(shù)，其中在對應(yīng)選定頻率的測率功率大于平均功率乘以值ε，其中0＜ε＜1并且ε選擇成使置入在一個(gè)事件倉中的總計(jì)數(shù)量在該倉的最大可能倉計(jì)數(shù)的約20％-50％之間；(vi)重復(fù)(iii-v)；以及(viii)產(chǎn)生對每個(gè)事件倉f顯示選定頻率范圍內(nèi)每個(gè)倉中的事件計(jì)數(shù)數(shù)量的直方圖。
5.如權(quán)利要求4的設(shè)備，其中該機(jī)器可讀碼還可操作成，在(iv)中，把來自該RFFT信號的標(biāo)稱化功率值置在f個(gè)對應(yīng)的頻率功率倉內(nèi)，以及，在(viii)中，(a)把f個(gè)功率倉中的每個(gè)倉中置入的累積值除以n，以產(chǎn)生每個(gè)倉中的平均功率，并且(b)在直方圖中顯示每個(gè)倉中的平均功率。
6.如權(quán)利要求4的設(shè)備，其中該機(jī)器可讀碼還可操作成，在(viii)識別在直方圖中那些具有事件計(jì)數(shù)高于給定閾和平均功率的倉。
7.如權(quán)利要求1的設(shè)備，其中該高斯噪聲源包括功率可調(diào)高斯噪聲發(fā)生器和包含在該磁或電磁屏蔽內(nèi)的亥姆霍茲線圈，并且該亥姆霍茲線圈接收來自該噪聲發(fā)生器的100mV到1V范圍內(nèi)的選定噪聲輸出信號。
8.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其中該發(fā)生器設(shè)計(jì)成向樣本注入頻率在DC和2千赫之間的高斯噪聲。
9.如權(quán)利要求1的設(shè)備，其中該檢測器是輸出電流信號的二次導(dǎo)數(shù)梯度計(jì)，以及操作上和該梯度計(jì)連接的以把該電流信號轉(zhuǎn)換成放大的電壓信號的SQUID。
10.如權(quán)利要求9的設(shè)備，其中該容器是一個(gè)具有樣本保持區(qū)的衰減管，一個(gè)磁屏蔽籠包圍該保持區(qū)并且一個(gè)法拉第籠也包圍該保持區(qū)，其中該高斯噪聲源包括高斯噪聲發(fā)生器和亥姆霍茲線圈，其中該亥姆霍茲線圈包含在該磁籠和該法拉第籠之內(nèi)并且接收來自該噪聲發(fā)生器的噪聲輸出信號，以及其中該設(shè)備為了去掉平穩(wěn)噪聲分量還包括信號轉(zhuǎn)換器，該信號轉(zhuǎn)換器操作地和該噪聲發(fā)生器和該SQUID連接用于從該噪聲發(fā)生器接收高斯噪聲并對該SQUID輸出相對于注入到樣本中的高斯噪聲為反相形式的高斯噪聲。
11.一種用于詢問呈現(xiàn)低頻分子運(yùn)動的樣本的方法，包括把樣本放在帶有磁屏蔽以及電磁屏蔽的容器中，(a)把選定噪聲振幅下的高斯噪聲注入該樣本；(b)記錄由疊加在注入的高斯噪聲上的樣本源輻射構(gòu)成的電磁時(shí)域信號；(c)產(chǎn)生譜曲線，其包含該樣本在100和50千赫之間的選定頻率范圍上的、于該高斯噪聲源的選定功率設(shè)定下的低頻、樣本相關(guān)的譜分量特性；(d)在不同的選定的噪聲振幅下重復(fù)(a)-(c)，直至生成一條示出該樣本的最多數(shù)量或接近最多數(shù)量的譜分量特性的曲線。
12.如權(quán)利要求11的方法，其中該產(chǎn)生包括(i)在100赫和50千赫之間的選定頻率范圍內(nèi)計(jì)算該時(shí)域信號在多個(gè)規(guī)定的時(shí)段的每個(gè)時(shí)段上的傅里葉譜序列，以及(ii)對該傅里葉譜取平均。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中該計(jì)算包括(i)存儲采樣持續(xù)時(shí)間T上的樣本時(shí)域信號；(ii)選擇對該時(shí)域信號采樣的采樣速率F，其中F×T是總采樣計(jì)數(shù)S，F(xiàn)大約是按采樣速率F采樣的時(shí)域信號的實(shí)快速傅里葉變換的頻域分辨率f的二倍，并且S＞f×n，其中n至少為10；(iii)從存儲的時(shí)域信號中選擇S/n個(gè)采樣并且在這些選取的采樣上進(jìn)行實(shí)快速傅里葉變換(RFFT)以產(chǎn)生RFFT信號；(iv)標(biāo)稱化RFFT信號并且計(jì)算RFFT信號的平均功率；(v)在f個(gè)選定的頻率事件倉的每個(gè)倉中置入事件計(jì)數(shù)，其中在對應(yīng)的選定頻率的測量功率大于平均功率乘以ε，其中0＜ε＜1并且ε選擇成使置入在一個(gè)事件倉中的總計(jì)數(shù)量在該倉的最大可能倉計(jì)數(shù)的約20％-50％之間；(vi)重復(fù)(iii)到(v)；以及(viii)產(chǎn)生對每個(gè)事件倉f顯示選定頻率范圍內(nèi)每個(gè)倉中的事件計(jì)數(shù)數(shù)量的直方圖。
14.如權(quán)利要求13的方法，還包括，在(iv)中，把來自該RFFT信號的標(biāo)稱化功率置在f個(gè)對應(yīng)的頻率功率倉內(nèi)，以及，在(viii)中，(a)把f個(gè)功率倉中的每個(gè)倉中置入的累積值除以n，以產(chǎn)生每個(gè)倉中的平均功率，并且(b)在直方圖中顯示每個(gè)倉中的平均功率。
15.如權(quán)利要求14的方法，還包括，識別在直方圖中那些具有事件計(jì)數(shù)高于給定閾和平均功率的倉。
16.一種在選定的頻率范圍R上表征樣本材料的譜輻射特性的方法，包括從時(shí)域信號選擇S/n個(gè)采樣并對這些采樣進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)以產(chǎn)生一個(gè)FFT信號，其中F是對該時(shí)域信號采樣的采樣速率，其中F×T是總采樣計(jì)數(shù)S，F(xiàn)大于按采樣速率F采樣的時(shí)域信號的FFT的頻域分辨率f，并且S＞f×n，其中n至少為5；計(jì)算該FFT信號的平均功率；在f個(gè)選定的頻率事件倉的每個(gè)倉中置入事件計(jì)數(shù)，其中在對應(yīng)的選定頻率的測量功率大于平均功率乘以ε，其中0＜ε＜1并且ε選擇成使置入在一個(gè)事件倉中的總計(jì)數(shù)量在該倉的最大可能倉計(jì)數(shù)的約20％-50％之間，以及產(chǎn)生對每個(gè)事件倉f示出在選定頻率范圍每個(gè)倉中的事件計(jì)數(shù)數(shù)量的顯示。
17.如權(quán)利要求16的方法，還包括在計(jì)算平均功率之前標(biāo)稱化該FFT信號，把來自FFT的標(biāo)稱化功率值置在f個(gè)對應(yīng)頻率的功率倉中，把f個(gè)功率倉中的每個(gè)倉中置入的累積值除以n以產(chǎn)生每個(gè)倉中的平均功率，以及在直方圖中顯示每個(gè)倉中的平均功率。
18.如權(quán)利要求17的方法，還包括，識別在該直方圖中那些具有事件計(jì)數(shù)高于給定閾和平均功率的倉。
19.如權(quán)利要求18的方法，其中按赫茲表示的R約等于f，并且按采樣/秒表示的采樣速率F約等于2f。
20.如權(quán)利要求19的方法，其中該方法檢測和樣本中的分子輻射有關(guān)的低頻輻射事件，并且其中R至少包括100赫到5千赫的頻率范圍。
21.如權(quán)利要求16的方法，還包括在計(jì)算平均功率之前標(biāo)稱化該FFT信號，并且其中該FFT是實(shí)快速傅里葉變換。
22.如權(quán)利要求16的方法，還包括選擇之前存儲樣本在采樣持續(xù)時(shí)間T上的時(shí)域信號。
23.如權(quán)利要求16的方法，在包括產(chǎn)生該顯示之前重復(fù)選擇、計(jì)算和置入。
24.一種和感興趣的材料關(guān)聯(lián)的低頻譜簽名，包括在通過如權(quán)利要求16的方法產(chǎn)生的DC-50千赫頻率范圍中的頻率分量列表。
25.如權(quán)利要求24的譜簽名，其中該列表中的各個(gè)頻率是從該選定的DC和50千赫之間的頻率范圍之內(nèi)多個(gè)譜增量的每個(gè)譜增量下出現(xiàn)的多個(gè)樣本相關(guān)隨機(jī)事件的直方圖中識別的。
26.一種從樣本檢測分子信號的設(shè)備，其中該樣本充當(dāng)信號源，該設(shè)備包括用于檢測位于樣本附近的電磁輻射的裝置；和該用于檢測的裝置電連接的超導(dǎo)量子干涉器件，其中該超導(dǎo)量子干涉器件位于用于低溫冷卻的裝置內(nèi)；噪聲發(fā)生裝置，用于用結(jié)構(gòu)化或均勻噪聲信號包圍該信號源和該用于檢測信號的裝置；用于電磁上使該信號源、該用于檢測的裝置以及該超導(dǎo)量子干涉器件和外部電磁輻射隔離開來的電磁屏蔽裝置，并且其中該用于電磁屏蔽的裝置位于該低溫冷卻裝置的外面；用于控制該超導(dǎo)量子干涉器件的裝置；以及用于觀察該用于檢測電磁輻射的裝置檢測的信號的裝置。
27.如權(quán)利要求26的設(shè)備，還包括用于在其中垂向接納信號源的管裝置，其中該管裝置提供至少2千赫的低通濾波。
28.如權(quán)利要求26的設(shè)備，還包括自動裝入裝置，用于自動地和垂向地把信號源定位在該設(shè)備內(nèi)。
29.如權(quán)利要求26的設(shè)備，還包括超導(dǎo)鉛屏蔽，其至少部分地包圍該信號源和該檢測裝置。
30.如權(quán)利要求26的設(shè)備，其中該檢測裝置包括二次導(dǎo)數(shù)梯度計(jì)。
31.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其內(nèi)容造成至少一個(gè)數(shù)據(jù)處理部件執(zhí)行顯示代表來自樣本的電磁輻射的數(shù)據(jù)的方法，該方法包括接收通過對位于磁屏蔽檢測設(shè)備內(nèi)的樣本施加噪聲產(chǎn)生的樣本信號，其中通過隨機(jī)諧振該噪聲和該樣本發(fā)射的電磁信號的組合呈現(xiàn)和該噪聲不同的特征，并且其中該磁屏蔽檢測設(shè)備在其中包含電氣上和至少一個(gè)電磁輻射檢測線圈連接的超導(dǎo)量子干涉器件；對該樣本信號進(jìn)行快速傅里葉變換；以及通過圖形用戶界面顯示該樣本信號，其中該樣本信號是按以選定頻率的一系列峰值顯示的，其中這些峰值實(shí)質(zhì)上大于該樣本信號中的其它峰值，并且其中這些其它峰值的至少一部分代表該噪聲。
32.如權(quán)利要求31的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)是該數(shù)據(jù)處理部件的存儲器。
33.如權(quán)利要求31的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中接收所述內(nèi)容的邏輯節(jié)點(diǎn)。
34.如權(quán)利要求31的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)是計(jì)算機(jī)可讀盤。
35.如權(quán)利要求31的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)是承載含有所述內(nèi)容的生成的數(shù)據(jù)信號的數(shù)據(jù)傳輸媒體。
36.如權(quán)利要求31的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲器。
37.一種用于檢測來自樣本的分子信號的設(shè)備，其中該樣本充當(dāng)信號源，該設(shè)備包括位于樣本附近用于檢測來自該信號源的輻射信號的電磁輻射檢測器；和該電磁輻射檢測器電連接的超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)，其中該超導(dǎo)量子干涉器件是低溫冷卻的；噪聲消除元件；噪聲發(fā)生器，用于對來自該信號源的輻射信號提供結(jié)構(gòu)化的或均勻的噪聲并且對該噪聲消除元件提供該噪聲的反相版本；電磁屏蔽，其配置成使該信號源，電磁輻射檢測器和超導(dǎo)量子干涉器件和外部電磁輻射隔離；控制該超導(dǎo)量子干涉器件的控制器；以及用于輸出放大的輻射信號的輸出端口，其中該放大的輻射信號代表該噪聲通過隨機(jī)諧振對信號源信號的放大。
38.如權(quán)利要求37的設(shè)備，其中該噪聲消除器位于該電磁輻射檢測器和該SQUID的一個(gè)輸入之間。
39.如權(quán)利要求37的設(shè)備，其中該噪聲消除位于該電磁輻射檢測器和該SQUID的一個(gè)輸出之間。
40.如權(quán)利要求37的設(shè)備，其中該噪聲發(fā)生器包括第一和第二噪聲發(fā)生元件，并且噪聲消除元件包括第一和第二噪聲消除元件，其中第一噪聲消除元件位于該電磁輻射檢測器和該SQUID的一個(gè)輸入之間并且和第一噪聲發(fā)生器耦合，并且其中第二噪聲消除元件定位在該SQUID的輸出處并且和第二噪聲發(fā)生器耦合。
41.如權(quán)利要求37的設(shè)備，其中該噪聲發(fā)生器提供來自隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的隨機(jī)值序列，并且該噪聲消除元件從該放大的輻射信號減去該隨機(jī)值序列。
全文摘要
公開一種用于詢問呈現(xiàn)分子轉(zhuǎn)動的樣本的方法和設(shè)備。在實(shí)踐該方法中，把樣本放在帶有磁和電磁屏蔽的容器中并且把高斯噪聲注入到該樣本中。檢測由疊加在該注入的高斯噪聲上的樣本源輻射構(gòu)成的電磁時(shí)域信號，并且利用該信號生成譜曲線，該譜曲線顯示該高斯噪聲源的選定功率設(shè)定下該樣本在DC和50千赫之間的選定頻率范圍中的低頻譜分量特性。在一實(shí)施例中，該生成的譜曲線是該選定的頻率范圍上的隨機(jī)諧振事件直方圖。從該譜上識別一個(gè)或多個(gè)表征該被詢問樣本的低頻信號分量。
文檔編號G01R23/16GK1864073SQ200480029490
公開日2006年11月15日 申請日期2004年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月9日
發(fā)明者本尼特·M·布特斯, 帕瑞克·諾頓, 米歇爾·萊奧納德, 季米特里奧斯·沃熱阿迪斯, 馬爾科奧·卡里斯托德-安德拉德 申請人:納特維斯公司