[发明专利]一种全集成SBC超导量子干涉器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁探测传感器，更确切地说本发明涉及一种全集成SBC超导量子干涉器件。属于超导量子干涉器件（SQUID）技术领域。

背景技术

超导量子干涉器件（SQUID）是以磁通量子化和约瑟夫森效应为理论基础，由超导约瑟夫森结和超导环组成的超导电子器件，它能将磁场的微小变化转换为可测量的电压，相当于一个磁通-电压转换器，是目前为止测量磁场灵敏度最高的传感器。低温超导SQUID器件通常工作在液氦温度（4.2K）下，它的磁通灵敏度通常在10^-6Φ₀/Hz^1/2量级（Φ₀＝2.07×10^-15Wb），对磁场的灵敏度在fT/Hz^1/2量级（1fT＝1×10^-15T）。由于低温SQUID器件具有极高的磁场灵敏度，因此在极微弱磁信号探测领域具有重要的应用价值。例如，在生物磁探测方面，目前国际上多家研究机构发展了基于SQUID器件的脑磁图仪和心磁图仪，使用这些仪器对人体脑磁信号和心磁信号进行研究，已经取得丰富的研究成果；在地球磁场探测领域，发展了基于SQUID器件的航空超导全张量磁测量系统，是目前唯一能够进行地球磁场全张量磁梯度信息探测的系统，这套系统可高效率、高精度的对地下磁性地质体实现三维定位，获取它们的空间分布信息，与其它地球磁场测量系统相比，能够获得更多的信息。在重力探测、无损检测等微弱信号探测方面，SQUID器件同样具有非常重大的应用潜力。

基于SQUID器件的磁测量系统在进行微弱磁信号测量时，尤其在测量微弱磁信号的空间分布特性时，为了提高探测效率，系统通常采用多个测量通道同时对信号进行测量，多者甚至上百个测量通道。每一个通道主要由工作于低温环境下的SQUID传感器及相应的室温状态下的读出电路组成，其中，SQUID传感器的功能是感应微弱磁信号并将其转化为电压信号，但是由于SQUID器件的磁通－电压函数是周期性的，并非线性关系或者单值函数，因此，需要合适的读出电路方案将SQUID输出转化为线性化输出，目前，SQUID读出电路应用最普遍的是磁通调制锁定式读出电路方案，利用调制的方法将SQUID器件响应的信号调制成远离低频噪声频段的交流信号，通过信号变压器对其进行低噪声放大和实现SQUID器件和前置放大器阻抗匹配，再经过解调、积分和磁通反馈构成磁通锁定环（FLL）实现SQUID输出的线性化输出功能。磁通调制锁定电路方案能够很好的实现SQUID读出电路的功能，但是因为电路调试参数较多，体积较大，因此在基于SQUID器件的多通道磁测量系统中不方便使用，为此，一些直读式SQUID器件和电路方案被设计和发明出来以解决上述问题。主要有附加正反馈（Additional Positive Feedback，APF）、噪声消除（Noise Cancellation,NC）和SQUID自举器件（Superconducting Bootstrap Circuit,SBC）等几种。其中，SBC方案是近二年刚被发明出来的新方案（Xiaoming Xie,Yi Zhang,HuiwuWang,Yongl iangWang,MichaelMueck,Hui Dong,Hans-Joachim Krause,Alex I Braginski,Andreas Offenhausser and Mianheng Jiang，’A voltage biased superconductingquantum interference device bootstrap circuit’,Supercond.Sci.Technol.23(2010)065016），实验证明这种方案在SQUID读出技术方面是完全可行的，其性能与磁通调制锁定方案相当。其原理如图1所示，SBC是由传统SQUID器件集成两个同其耦合的线圈构成的，它包括两个支路，一个支路由一个的SQUID串联线圈L1构成，串联的线圈同SQUID耦合实现磁通的正反馈，用于提高SQUID的磁通电流传输率另一个支路则由线圈L2和串联的电阻R构成，线圈L2同SQUID耦合，实现噪声消除的功能。由于SBC器件比常规SQUID器件具有更大的磁通－电流传输率和更低噪声，可以利用直读式电路实现其磁通－电压的线性转换，但上述SBC器件及原理验证是通过分立的SQUID部件、电感、电阻等原件来实现的，存在一致性差，SBC器件的环境适应能力存在问题。

发明内容