[发明专利]一种二阶SBC超导量子干涉梯度计及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁探测传感器及制作方法，更确切地说本发明涉及一种二阶多环SBC超导量子干涉梯度计及制作方法。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)是由超导约瑟夫森结和超导环等结构组成的超导电子器件，它相当于一个磁通-电压转换器，能将所感应磁场的微小变化转换为电压输出，这种器件是目前为止磁场灵敏度最高的传感器，其磁通灵敏度通常在10^-6Φ₀/Hz^1/2量级(Φ₀＝2.07×10^-15Wb)，磁场的灵敏度在fT/Hz^1/2量级(1fT＝1×10^-15T)。由于SQUID器件具有极高的磁场灵敏度，而且SQUID器件的频带宽，器件体积小，因此它在生物磁探测、地球磁场探测、无损检测等微弱磁信号探测领域具有重要的应用潜力和价值。

在基于SQUID传感器的地球磁场探测应用中，经过各国科研人员的研究，已经取得了非常大的进展，将SQUID器件应用于TEM、CSAMT、航空磁测量、磁异常测量等各方面的应用中。例如，美国橡树岭国家实验室研制了基于超导SQUID器件的磁测量组件，利用8个SQUID器件构建的超导磁测量组件不仅能够测量地球磁场，而且能够测量磁场的梯度值，已经取得了地面试验的初步测试结果。德国光学分子研究中心(IPHT)开发了基于SQUID的超导全张量磁力梯度测量组件，并实现了该系统在航空平台上的航磁测量。这些研究为SQUID器件在地球磁场探测、矿产勘探方面的应用打下了坚实的基础，有利于得到更准确的地球磁场信息。

但是，将SQUID器件应用于地球磁场环境中进行弱磁信号测量时，因为SQUID器件是工作于无磁屏蔽地球环境磁场中，因此，有如下几个方面的关键问题需要解决。首先，地磁场幅度在几十微特斯拉，这个数值比超导SQUID器件灵敏度(典型值10fT)高8个量级左右，对于SQUID器件来说，地球磁场是很强的磁场。强磁场极易进入超导芯片的超导薄膜部分形成陷入磁通，磁通的蠕动或磁通跳跃使芯片的性能恶化，甚至无法正常工作。这是SQUID器件工作过程中的一个极大的挑战。其次，目前针对不同结构的SQUID器件，其读出电路主要有磁通调制锁定电路和直读式锁定电路两种，目前应用比较普遍的传统结构SQUID器件(即在超导环中插入两个约瑟夫森结形成的结构)的磁通-电压转换系数不高，其读出电路通常使用磁通调制锁定电路来提高其数值；某些特殊结构的SQUID器件(如Additional Positive Feedback器件，APF)具有较大的磁通-电压转换系数，可以使用直读式读出电路。由于典型的磁通调制电路比直读式电路结构复杂、调整参数数目多、频带窄等，因此在野外环境中使用测试设备时，直读式电路比磁通调制电路更具有优势，而且使用更加方便，所以直读式电路更受到用户的欢迎。另外，SQUID器件在微弱磁场探测中一个令人感兴趣的课题是对磁场梯度的测量，磁梯度测量可以更加精确反应目标体的磁场变化信息，能够准确定位磁场异常的位置。

针对上述关键问题，世界各地科研人员提出了多种解决方法，例如，针对SQUID器件的磁通陷入问题，可以通过减小SQUID器件中的超导薄膜的尺寸来减轻磁通陷入器件的几率(Dantsker etc.1997,Appl.Phys.Lett.70,2037-2039)；直读式电路对应的SQUID器件有APF、SBC等种类，这些器件的原理都已经得到了验证，对其研究和应用仍在发展之中(Drung etc.1990,Appl.Phys.Lett.57,406-408)；对于梯度测量，人们发明了SQUID梯度计来实现梯度测量(Ketchen etc.1978,J.Appl.Phys.49,4111-4116)；这些方法和技术丰富了SQUID在地球磁场探测应用的内容，并在实际应用中取得了较好的效果，但这些进展都是针对其中单一问题。

针对上述磁场梯度测量的需要，本发明拟提出一种二阶多环结构SBC梯度计，通过综合多环结构SQUID、SBC器件和二阶梯度结构的优点，提供一种既能降低器件磁通陷入风险，又能使用直读式读出电路的超导SQUID梯度芯片，以增加超导梯度计的工作稳定性和方便性，为其在微弱磁场和磁场梯度测量方面尤其在无屏蔽环境中的磁场梯度测量奠定坚实的硬件基础。

发明内容