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超导量子干涉器（Superconducting QUantum Interference Device，SQUID）是以约瑟夫森结为核心元件的极其灵敏的磁通-电压转换器。以它为核心部件的心磁测量装置（心磁图仪）已具有40年的发展历史，并且已经显示出了一定的临床应用价值。其中，以低温直流超导量子干涉器（低Tc dc SQUID）为核心部件的多通道低温超导心磁图仪自20世纪80年代末期起就已达到商用标准，但是，由于需要利用昂贵的液氦来制冷，这种仪器的日常维护费用相当昂贵，因此它一直未能在临床诊断中得到大规模应用。而以高温超导量子干涉器（高Tc SQUID）为核心部件的高温超导心磁图仪，由于只需利用价格便宜的液氮来制冷，在最近二十几年间吸引了人们大量的目光。截至目前，世界各地已有若干台多通道高温超导心磁图仪样机问世。但是，由于成熟的高Tc SQUID制备技术尚未出现，目前高温超导心磁图仪就测量通道数目和系统噪声水平而言还远不能满足临床诊断的需求，高温超导心磁图仪的研发还有很长的道路要走。
考虑到多通道高温超导心磁图仪与人类的健康密切相关，并且它要比多通道低温超导心磁图仪更具实用性，我们拟发展出四通道高温超导心磁测量系统。
由于高温射频超导量子干涉器（高Tc rf SQUID）比高温直流超导量子干涉器（高Tc de SQUID）制备工艺更为简单，我们计划利用高Tc rf SQUID来制造四通道高温超导心磁图仪。
而高Tc rf SQUID在自出现之日至今的二十几年间，基本上都是用YBa2Cu3O7-δ（YBCO）材料制备而成的。到目前为止，所形成的成熟的高Tc rf SQUID设计方案是：以YBCO c轴外延薄膜制备垫圈型rf SQUID器件，并将其与谐振频率在0.3-1GHz的附有薄膜磁通聚焦器的高品质因数微波谐振器进行适当耦合。截至目前，共出现了三种满足上述高Tc rf SQUID成熟设计方案的微波谐振器，它们是共面谐振器、梳齿谐振器和介质谐振器。其中，共面谐振器和梳齿谐振器通常制备在介电常数较低的LaAlO3（LAO）单晶衬底上。共面谐振器由一个大面积的YBCO磁通聚焦垫圈及环绕着它的两条同心YBCO微带共同组成；梳齿谐振器由一个两末端为梳齿状结构的非闭合YBCO薄膜外环构成（它环绕着一个大面积的YBCO磁通聚焦垫圈）。对于这两种谐振器的谐振频率与图案设计形式之间的关系，人们已经通过理论计算和实际测量进行了较为深入的研究。共面谐振器的空载品质因数Q0一般可达几千；与rf SQUID和电子学系统相耦合之后，共面谐振器的谐振频率f0一般取在800-900 MHz之间，有载品质因数Q一般可以达到200-300。而梳齿谐振器的空载品质因数Q0一般可在1000以上；与rf SQUID和电子学系统相耦合之后，梳齿谐振器的谐振频率f0一般可取在350-400 MHz或800-900 MHz，有载品质因数Q一般也可以达到200-300。与共面谐振器或梳齿谐振器相耦合的YBCO高Tc rf SQUID可以呈现相当低的磁通白噪声（典型值不超过2×10-5φ0/Hz1/2），但是其磁通低频噪声仍然不是十分理想（在1 Hz处可以接近10-4φ0/Hz1/2量级）。为使YBCO高Tc rf SQUID在低频段具有更低的磁通噪声，人们近来经常使用另外一种满足高Tc rf SQUID成熟设计方案的微波谐振器-介质谐振器。介质谐振器是由10×10×1 mm3的SrTiO3（STO）标准衬底及覆盖在其上的YBCO c轴外延薄膜磁通聚焦器共同构成的。介质谐振器的空载品质因数Q0一般也可达到几千；与rf SQUID和电子学系统相耦合之后，介质谐振器的谐振频率f0一般可在550-650MHz之间，有载品质因数Q可以达到100-200。与介质谐振器相耦合的YBCO高Tc rf SQUID也可以呈现相当低的磁通白噪声（典型值可以达到7.3×10-6φ0/Hz1/2）；而且，由于STO极高的介电常数有利于射频场能量聚集在STO衬底之中，与介质谐振器相耦合的YBCO高Tc rf SQUID，其工作点受环境的影响较小，因而其磁通低频噪声得到了大幅降低（在1 Hz处可以达到2.5×10-5φ0/Hz1/2）。
可以说，截至目前，将YBCO垫圈型rf SQUID与覆盖有YBCO薄膜磁通聚焦器的STO介质谐振器相配，是最佳的一种高Tc rf SQUID设计方案。因此，我们计划在四通道高温超导心磁图仪中采用这种高Tc rf SQUID设计方案。在多通道高Tc rf SQUID心磁图仪中，相邻通道探头之间的距离一般只有4 cm，各通道探头之间有可能发生射频场的串扰，使它们的工作频率彼此错开是有利的。但是，对于这种覆盖有YBCO薄膜磁通聚焦器的STO介质谐振器的谐振频率特性，人们至今尚不是十分清楚。迄今并未有文献详细报道过这种介质谐振器的谐振频率f0会受哪些因素影响。而这种对介质谐振器谐振频率特性的不了解势必会对我们四通道高温超导心磁图仪所用高Tc rf SQUID探头的优化设计与制造十分不利。
为便于优化设计并制造用于四通道高温超导心磁图仪的高Tc rf SQUID探头，本文针对高Tc rf SQUID探头所用STO介质谐振器的谐振频率特性展开研究。为提高研究效率、降低资源消耗，本文借助ANSOFT公司出品的HFSS微波仿真软件来对STO介质谐振器的谐振频率特性进行大规模研究，并辅以极少量的实验来对仿真结果加以验证。
在真正展开对STO介质谐振器谐振频率特性的大规模研究之前，我们先对HFSS是否适宜仿真STO介质谐振器进行了调查。我们利用HFSS软件的本征模求解模式和终端驱动求解模式对一个磁通聚焦孔半径r=500μm、磁通聚焦器开缝宽度w=500μm的介质谐振器进行了仿真，得到了与实测谐振频率值相接近的仿真谐振频率值，由此我们认为HFSS是比较适用于对介质谐振器进行仿真的。
在验明用HFSS仿真STO介质谐振器确实具有可行性之后，我们采用HFSS软件对若干具有不同磁通聚焦器构形的介质谐振器进行了谐振频率特性研究；同时，抽样制备出少量介质谐振器并实际测量了它们的谐振频率，与仿真结果进行了比对。我们的实验测量结果与仿真所得结果十分接近。我们的仿真和实验研究都表明：磁通聚焦器的磁通聚焦孔半径r和开缝宽度w是影响介质谐振器谐振频率f0的重要因素，介质谐振器的谐振频率f0会随磁通聚焦孔半径r的减小或磁通聚焦器开缝宽度w的增大而提高。
从本文的研究可以看出：改变磁通聚焦器构形是调节高Tc rf SQUID所用介质谐振器谐振频率的一种有效方法。这一结论的得出，便是为用于四通道高温超导心磁图仪的高Tc rf SQUID探头的优化设计与制造奠定了基础。