[发明专利]一种超导量子干涉装置

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种量子干涉装置，特别是涉及一种超导量子干涉装置。

背景技术

超导量子干涉器(superconducting Quantum Interference Device，简称SQUID)是一种非常灵敏的磁通电压转换元件。采用SQUID制作的传感器具有极高的灵敏度，就其功能而言是一种磁通传感器，不仅可以用来测量磁通量的变化，还可以测量能转换为磁通的其他物理量，如电压、电流、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率等。SQUID的基本原理是建立在磁通量子化和约瑟夫森效应的基础上的，根据偏置电流的不同，分为直流和射频两类。SQUID作为探测器，可以测量出10^-11高斯的微弱磁场，仅相当于地磁场的一百亿分之一，比常规的磁强计灵敏度提高几个数量级，是进行超导、纳米、磁性和半导体等材料磁学性质研究的基本仪器设备，特别是对薄膜和纳米等微量样品是必需的。超导量子干涉器广泛应用于心磁、脑磁、极低场核磁共振以及地球物理磁探测等极微弱磁信号检测和极微弱磁场异常研究中，具有很好的应用前景。

直流SQUID是由两个超导约瑟夫森结并联构成的一个超导环，在约瑟夫森结的两端引出端子，通以一定的偏置电流，SQUID两端的电压将具有随其感应磁场发生变化的特性。该特性使得SQUID成为磁敏元件。

现有技术中SQUID传感器由SQUID器件配合放大电路工作，并放置在低温保持器中，构建成实用的SQUID磁传感器装置。请参阅图1，显示为现有技术中典型的SQUID磁传感器装置结构示意图，其中，SQUID磁传感器装置1包括低温保持器11、连接导线12、SQUID器件13，及放大电路14，其中所述低温保持器11中具有液氦或液氮。但是现有SQUID器件在制作成磁传感器的实际应用中，存在有以下几个问题：

第一，噪声抑制问题：SQUID器件需要工作在超导状态，因此必须将其放置在低于其超导临界转变温度以下的环境中，低温超导SQUID通常浸泡在液氦(温度是4.2K)环境下，高温超导SQUID则浸泡在液氮(温度是77K)的低温环境下。而与之匹配的放大器则工作在室温(温度是300K)环境下，放大器输入端的电流噪声In和电压噪声Vn相对于低温环境下的SQUID器件而言都是不可忽略的。影响SQUID低噪声性能的发挥。因此如何抑制室温环境下SQUID前置放大器的电压和电流噪声的影响，是提高SQUID磁传感器性能一个重要问题。

第二，抗干扰问题：SQUID器件必须工作在低温环境下保持超导状态，在实际应用中，SQUID通常放置在灌注液氦或液氮的低温保持容器中，而放大器电路则在容器的外部，因此SQUID器件与放大器需要通过一段较长(通常达到1米以上)电缆进行连接，SQUID信号非常微弱，其信号传输到放大器输入端的过程中，极易受到电磁干扰的影响，产生电压噪声，破坏SQUID感应信号，降低传感器性能。传统读出电路对导线中引入电磁噪声没有抑制能力，抗干扰能力很差。

第三，工作点稳定问题：SQUID器件工作点的保持需要放大器电路提供稳定的偏置电流Ib和偏移电压Vb,如图2所示。由于电路在室温环境下，环境温度的波动对Ib和Vb产生影响，引起的波动直接影响SQUID的工作点，进而找出SQUID传感器性能的变化。传统电路无Ib和Vb都在室温电路中调节，无法有效抑制波动对SQUID工作点的影响。

第四，电路连线优化问题：由于SQUID器件和放大电路分别工作在两个温度差异很大的环境下，温度相近300度，环境绝热问题将影响SQUID内低温环境的维持。SQUID器件与放大电路之间通常采用低电阻率的导线，而铜线是热的良导体，因此在多通道SQUID传感器应用中，铜导线数量随着SQUID器件数量而增加，给低温保持系统的绝热设计带来挑战。尽量减少SQUID器件与放大电路的引线数量，是SQUID磁传感器的设计要求。传统电路为了解决抗高问题，采用四引线检测接线，却增加了导线的数量，给多通道应用的热隔离设计带来挑战。

因此，如何提供一种超导量子干涉装置，以解决现有技术中的超导量子干涉装置中存在的室温环境下SQUID前置放大器的电压和电流噪声、极易受到电磁干扰的影响、电流波动对SQUID工作点的影响、及电路布线不优化等种种缺陷，实已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。

发明内容