第三章 實驗方法
3.1 八通道高溫超導免疫分析儀製作
此次實驗中，八通道高溫超導免疫分析儀整體架構(圖九)，首先 我們使用函數產生器產生兩個頻率(以 f1、f2 代表)的正弦波電壓，經 過 Switch (主要做用為切換線圈)切換至八組激發線圈 Excitation Coil) 中的其中一組線圈，產生兩種頻率的交流磁場，磁化磁性奈米粒子，磁 性奈米粒子產生的混頻交流磁訊號，經由擷取線圈 (Pick-up Coil)接收，
再經過 Switch，利用磁通轉換技術將訊號傳至 接收線圈(Receiving coil)，如圖十，最後由高溫超導 rf SQUID 感應其 磁通量，為使高溫 超導 rf SQUID 呈現超導狀態，我們將高溫超導 rf SQUID 放置於液態氮 中，杜爾瓶盛裝液態氮用，再將杜爾瓶放置於電磁 波屏蔽桶中，抵擋 外界雜訊。將高溫超導 rf SQUID 感應的磁訊號轉換成電壓訊號，傳 入資料擷取卡(DAQ)後，經電腦軟體進行快速傅立葉轉 換後，顯示出特 定混頻頻率下的訊號強度。
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圖九. 八通道高溫超導免疫分析儀整體架構，紅色箭頭表示控制，藍色箭頭表示回傳 訊號。
圖十. 函數產生器產生兩個頻率(以 f1、f2 代表)的正弦波電壓，經過 Switch ，切換至八組激發線圈(Excitation Coil)中其中一組線圈，產生
兩種頻率的交流磁場磁化，磁性奈米粒子，磁性米粒子產生的混頻交 流磁訊號，經由擷取線圈(Pick-up Coil)接收，再經過 Switch，利用磁通 轉換技術將訊號傳至接收線圈(Receiving coil)。
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高溫超導 rf SQUID 無法在充滿雜訊干擾的狀態下進行量測，所以 我們製作了電磁波屏蔽桶來隔絕外界雜訊。我們所使用的高溫超導 rf SQUID 放置於電磁波屏蔽桶中，高溫超導 rf SQUID 必須浸泡在液態氮 中來維持超導狀態，所以我們使用了一個杜爾瓶儲存液態氮。如此，高 溫超導 rf SQUID 放置在杜爾瓶內，杜爾瓶又放在電磁波屏蔽桶中。由 圖九可知。
八通道高溫超導免疫分析儀的主要器件有電磁波屏蔽桶、Switch、
線圈組、高溫超導 rf SQUID Holder 等，其中 Switch、線圈組、高溫超 導 rf SQUID Holder 為我們為改良四通道高溫超導免疫分析儀的器件，
各器件的主要功能與特性，在下一節中詳細說明。
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3.1.2 免疫分析儀各部器件特性
本節說明八通道高溫超導免疫分析儀各主要器件的功能與特性。
A. 電磁波屏蔽桶
電磁波屏蔽桶(圖十一)主要用來隔絕外界雜訊對高溫超導 rf SQUID 的干擾，在八通道高溫超導免疫分析儀中扮演著極為重要的角色。高 溫超導 rf SQUID 對磁訊號非常敏感，為了得到品質好的訊號，我們必 須減低外界對 SQUID 的干擾，因此我們必須製作一個具有高度屏蔽效 果的電磁波屏蔽桶，將高溫超導 rf SQUID 放置在裡面隔絕雜訊。
圖十一. 電磁波屏蔽桶外觀示意圖。
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電磁波屏蔽桶材料選用，主要為 μ-metal(鐵鈷鎳合金金屬)、鋁金 屬材料、銅金屬編織網及碳纖維布。選用這些材料主要是針對外界訊 號有效的屏蔽，每種材料都有其屏蔽的頻率區段，比如 μ-metal 用來 屏蔽低頻的雜訊，碳纖維布用來隔絕高頻雜訊。我們製作的電磁波屏 蔽桶為五層結構，需要注意每一層之間必須絕緣防止各層金屬接觸，各 層導通會使屏蔽效果減低，每層的接合處必須密合，以防萬一我們使用 導電鋁箔補強，以免電磁波從接合處溢入。我們用屏蔽係數(Shielding Factor，SF)來判定屏蔽桶的屏蔽效果，方程式如下:
SF = -20 log(Bref/Binside)， (3) 其中 Bref表示在未屏蔽下量測到的參數，Binside表示在屏蔽下量測到的 參數。
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為了量測屏蔽係數，我們製作一個線圈，線圈直徑 25cm，線徑 1.4mm，繞至線圈直徑 40cm，利用電腦控制資料擷取卡(DAQ)輸出固定 電流，經由功率放大器傳送給線圈，利用 Magneto meter 接收訊號，經 由頻譜分析儀輸入電腦，得到該頻率量測到的值，如圖十二。首先在無 電磁波屏蔽桶的環境下用 Magneto meter 測量，掃描頻率 0~1KHz，且 同時輸出固定電流供給線圈，得到頻率 0~1KHz 的 Bref；同樣的條件，
將 Magneto meter 放置在電磁波屏蔽桶內，我們可以也可得到一組頻率 0~1KHz 的 Binside的數據，套用方程式 (3)，我們可以得到隨著頻率變化 對應到的屏蔽係數。
圖十二. Shielding Factor 量測示意圖，使用電腦控制資料擷取卡(DAQ)輸出 0~1KHz 的 固定電流，經由功率放大器輸入線圈，經由 Magneto meter 量測，由頻譜分析 儀將量測到的結果傳回電腦，即可得到 Shielding Factor。
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使用量測屏蔽係數的系統，我們將線圈放置於於屏蔽桶外，距離 Magneto meter 40 cm 處，量測 Shielding Factor，如圖十三。我們得到 隨著頻率從 0 Hz 上升到 1000 Hz，屏蔽係數由 80 上升到 100 dB，過了 200 Hz 後，直到 1000 Hz，屏蔽係數由 100 降到 80 dB，由此我們得 到，當距離 Magneto meter 40 cm 處時，屏蔽係數為 80~100 dB，如圖十 四。
圖十三. Shielding Factor 量測示意圖，將線圈放置於屏蔽桶外，距離 Magneto meter 40 cm 處，量測 Shielding Factor。
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圖十四. 頻率從 0 Hz 上升到 1000 Hz，屏蔽係數在 200 Hz 時上升到 100 dB，而後又降至 80 dB。
0 20 40 60 80 100 120
0 200 400 600 800 1000
S hieldi ng f ac tor ( dB)
Frequency (Hz) shielding ability
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使用量測屏蔽係數的系統，我們將線圈放置於於屏蔽桶上，距離 Magneto meter 70 cm 處，量測 Shielding Factor，如圖十五。我們得到 隨著頻率從 0 Hz 上升到 1000 Hz，屏蔽係數由 70 上升到 80 dB，過了 200 Hz 後，直到 1000 Hz，屏蔽係數由 80 降到 60 dB，由此我們得到，
當距離 Magneto meter 70 cm 處時，屏蔽係數為 60~80 dB，如圖十六。
圖十五. Shielding Factor 量測示意圖，將線圈放置於屏蔽桶上，距離 Magneto meter 70 cm 處量測 Shielding Factor。
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B. Switch
我們從四通道高溫超導免疫分析儀的 Switch 中得到，Switch 只能四 支線圈輪流量測，無法做固定一組線圈的量測，也無法跳線圈量測，所 以我們又另外製作 Switch 來控制八組線圈的量測方式。電腦可 以 控 制 Switch (圖十七)，控制目前需切換至哪一組線 圈，可 以 八 組 線 圈 輪 流一起量測，也可以控制某幾組線圈量測，共需要使用三片 Switch。
其中 P0.1~ P0.8 為資料擷取卡(DAQ)輸出電壓的連接點，Switch 下面的 數字為線圈組連接點，其中的 S 則是看板子需求為何，選擇連接 Receiving Coil 或函數產生器。
圖十七. SWICH 電路板 Layout 示意圖。其中 P0.1~ P0.8 為資料擷取卡(DAQ)
輸出電壓的連接點，下面的數字為線圈組連接點，其中的 S 則是看板 子需求為何，選擇連接 Receiving Coil 或函數產生器。
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電路板所選用的 Relay 繼電器為 OMRON G6K-2P-Y-4.5V，圖十八 為 Relay 繼電器示意圖，繼電器初始為 2-3、7-6 是導通的，當電源輸 出時，則變為 3-4、5-6 導通。我們使用的 Switch 電路板，一片電路板 所需繼電器為八顆，一台資料擷取卡(DAQ)需要輸出三片 Switch 的電壓 量，資料擷取卡(DAQ)的電源輸出又是從電腦來的電源，所需電流有限 制，所挑選的繼電器為符合資料擷取卡(DAQ)最大輸出電壓量，故選用 此繼電器，當切換通道時，資料擷取卡(DAQ)在該通道的繼電器，輸出 大於 3.3V 即可工作。
圖十八. Relay 繼電器示意圖，繼電器初始為 2-3、7-6 是導通的，
當電源輸出時，則變為 3-4、5-6 導通。
24 發線圈(Excitation Coil)、接收線圈 (Receiving Coil)。
激發線圈以 f1、f2 代表，對整體構造而言一內一外組合而成，如 圖十九， f1、f2 激發線圈負責接收函數產生器輸出的訊號，以混頻交 流的方式驅動磁性奈米粒子，目的在得到較高的 SNR(Single Noise Rate)，使量測樣品時增加靈敏度，在後續分析樣品時，其特性也能夠 清楚觀察到磁減量。
擷取線圈(Pick-up Coil)為最內層線圈。構造為兩端反方向繞線的法 拉第線圈，此機制用於減低雜訊，使量測時受外界干擾減到最低，量 測時更加精準，經由訊號線連結，和接收線圈 (Receiving Coil)連接在 一起。
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圖十九. 線圈整體示意圖。激發線圈以 f1、f2 代表，對整體 構造而言一內一外組合而成激發線圈以 f1、f2 代表，
對整體構造而言一內一外組合而成，擷取線圈為最 內層線圈。
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為了得到正確且重複性高的訊號，每組線圈距離決定了互相干擾 的程度，組裝起來的線圈，我們以放射狀方式擺放，參考四通道高溫超 導免疫分析儀研製 7，我們得知當線圈距離大於 10 公分的時候，線圈 間幾乎沒有干擾訊號，我們得到這個距離參數後，為將系統彼此干擾情 況減至最低，我們設定八通道高溫超導免疫分析儀線圈組的距離參數最 小為 20 公分，最大有至 60 公分，如圖二十，線圈間幾乎沒有干擾。
圖二十. 線圈位置距離擺放方式，每組線圈最小距離 20 公分，最大距離 60 公分，線圈間幾乎沒有干擾訊號。
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接收線圈套在高溫超導 rf SQUID 外圍(圖二十一)，接收擷取線圈所 產生的感應電動勢，同時接收線圈也產生感應電動勢，經由高溫超導 rf SQUID，感應其磁通量，因此我們可以量測到擷取線圈所感應到的訊 號。
(4) 接收線圈 (Receiving Coil)製作 A. 0.37 mm 漆包線繞 20 層。
B. 利用 RLC Meter 工作頻率下時量測：
電感 26 ± 0.5 mH、電阻 45 ± 0.5 Ohm。
圖二十一. 接收線圈 (Receiving Coil)。線圈內為 rf SQUID，
經由高溫超導 rf SQUID，感應其磁通量，可以 量測到擷取線圈所感應到的訊號。
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D. rf SQUID Holder 製作
rf SQUID Holder 製作時，因為之前有發現四通道與單通道灌液氮 後，會經常結冰，所以我們重新設計了 rf SQUID Holder 出線方式，我 們使用壓克力管固定接收線圈 (Receiving Coil) ， 製 作 時 rf SQUID Holder 必須預留灌液態氮的孔洞、出氣孔、Coupling coil 出線孔、高溫 超導 rf SQUID 出線孔，如圖二十二。 為了灌液氮時液氮可以均勻地 在杜爾瓶內，故壓克力管必須預留液態 氮進出的孔洞，如圖二十三，液 態氮從 Glass fiber tube 加入之後會經由 壓克力管壁上的孔洞流出，使高 溫超導 rf SQUID 能處於超導狀態。
圖二十二. rf SQUID Holder 上視實體圖。
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圖二十三. rf SQUID Holder 實體圖，壓克力管必須要打洞，
液態氮從 Glass fiber tube 加入之後會經由壓克力 管壁上的孔洞流出，使高溫超導 rf SQUID 能處 於超導狀態。
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E. 電腦軟體操作介面
本軟體為磁量生技以 Labview 系統所開發，搭配八通道高溫超導免 疫分析儀，配合控制高溫超導 rf SQUID、函數產生器、資料截取卡(DAQ) 等儀器，需和整套八通道高溫超導免疫分析儀系統做統合。當軟體啟動 之後，進入設定存檔參數、開始量測後會開始掃描線圈組，執行中皆 可中途離開，量測完成後會自動存檔。軟體中另外有一校正模式，可以 進入調整每組線圈的χac,SNR，完成調整後可以再回到開始量測。
本軟體為磁量生技以 Labview 系統所開發，搭配八通道高溫超導免 疫分析儀，配合控制高溫超導 rf SQUID、函數產生器、資料截取卡(DAQ) 等儀器，需和整套八通道高溫超導免疫分析儀系統做統合。當軟體啟動 之後，進入設定存檔參數、開始量測後會開始掃描線圈組，執行中皆 可中途離開，量測完成後會自動存檔。軟體中另外有一校正模式，可以 進入調整每組線圈的χac,SNR，完成調整後可以再回到開始量測。