[发明专利]测量重力的低温超导装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量重力的低温超导装置。

背景技术

重力仪一般通过测量物体的微小位移变化来间接测出此处重力的变化。传统重力测量一般采用测量机械弹簧的形变量来测量重力变化量。由于弹簧蠕变和零点漂移造成测量精度不高，随着科学技术的发展，出现了基于石英谐振、液浮、气浮、磁浮等方式的重力测量仪器。此类重力仪测量精度可达到微加量级。重力测量的用途包括为预报地震、飓风等灾害性天气提供参数，可用来进行矿产及低热资源的勘探，用来研究天体运动对地球重力场产生的影响。

超导材料和低温技术的不断发展使得超导技术在各个领域应用越来越广泛，其不断满足我国工业现代化建设的需求，大大提高了各种装备的性能和精度。低温装置是实现超导低温环境的必要装置，低温装置的设计和性能是研究和发展超导仪器设备的基础，有着重要的意义。制冷机及传导冷却技术的发展对低温装置设计结构和应用场合提供更多了的选择，目前制冷机二级冷头的温度可达到4K以下。超导温区大致可分为高温超导和低温超导温区，一般在10K温度以下实现超导态的温区称为低温超导温区，10K以上至100K温度范围实现超导态的温区称为高温超导温区。利用低温超导磁屏蔽和材料的零蠕变特性设计的测量重力的低温超导装置具有其他重力测量装置不可比拟的巨大优势，目前低温超导装置主要采用液氦制冷，若低温装置仅靠液氦制冷，对低温装置漏热的设计要求较高，并且多次输液过程操作繁琐，需定期补充液氦保持低温环境，不能保证装置长期独立运行，长期使用运行成本较高。并且装置体积也较大，不利于装置能在各种复杂野外场地条件下长期使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有测量重力的超导装置不能长期独立运行的缺点，提供一种制冷机制冷的超导重力测量装置。该装置测量时间短、测量精度高、能够满足长期独立运行，适应各种野外环境下使用。

本发明测量重力的低温超导装置包括低温容器、制冷机、防辐射屏、转子腔、超导转子、悬浮线圈和磁屏蔽腔。

所述的制冷机安装在低温容器的上端。低温容器内部通过拉杆在制冷机的一级冷头下端固定卷筒形状的防辐射屏。在防辐射屏筒内布置有转子腔，所述的转子腔固定在制冷机的二级冷头的下端。上悬浮线圈和下悬浮线圈分别布置在转子腔内部的上端和下端，通过上、下悬浮线圈使超导转子悬浮。转子腔的中间布置有磁屏蔽腔，超导转子位于磁屏蔽腔内。在磁屏蔽腔沿赤道位置一周布置有圆环形的中间电极，在磁屏蔽腔上端中心位置布置有上电极，在磁屏蔽腔下端的中心位置布置有下电极，磁屏蔽腔、上电极的内表面、中间电极的内表面，以及下电极的内表面共同组成一个完整的球腔。

所述的转子腔内布置有悬浮线圈、上电极、中间电极、下电极和磁屏蔽腔。转子腔为圆柱形腔体，磁屏蔽腔由具有迈斯纳效应的超导金属材料制成，磁屏蔽腔的外表为圆柱形，内部为球形腔体。上电极、中间电极、下电极均为金属材料。

所述的上电极位于超导转子的顶部，下电极位于超导转子的底部，中间电极围绕在超导转子的赤道面上。上电极、中间电极和下电极组成测量超导转子悬浮位移变化的三个电极。

悬浮线圈产生的磁场利用超导体迈斯纳效应产生悬浮力，使超导转子悬浮。所述的磁场在球形的超导转子表面产生的作用力的方向指向超导转子的球心，因此悬浮线圈产生的磁场力的合力方向沿超导转子的极轴方向，即地垂线方向。超导转子悬浮时，位于超导转子底部的下悬浮线圈产生的磁场力与位于超导转子顶部的上悬浮线圈产生的磁场力的差值等于超导转子的重力。当超导转子悬浮在磁屏蔽腔中时，当地球表面的重力场不变时，增加下悬浮线圈电流则超导转子向上发生位移变化，增加上悬浮线圈则超导转子向下发生位移变化；同理，当悬浮线圈电流不变时，所述的重力场变小时超导转子向上发生位移变化，当所述的重力场变大时超导转子向下发生位移变化。上悬浮线圈和下悬浮线圈分别由直流程控电源供电。

所述的上电极、中间电极和下电极组成测量超导转子悬浮位移变化的三个电极。上电极和中间电极组成第一电容，下电极和中间电极组成第二电容。超导转子悬浮在磁屏蔽腔的中心位置时，中间电极与上电极间的第一电容和中间电极与下电极间的第二电容相等，从中间电极上输出的电压为零，电桥平衡。当地球表面的重力场发生变化，超导转子离开中心位置向上或向下移动一定距离，这时所述的第一电容和第二电容不相等，中间电极上有输出电压，所输出电压的正负由超导转子位移的方向决定。中间电极的输出端连接在超导量子干涉器的输入线圈两端，便有电流通过输入线圈，输入线圈与超导量子干涉器中的超导环耦合，超导量子干涉器便有相应的电压输出。