[发明专利]一种超导约瑟夫森平面磁梯度计

说明书

一种超导约瑟夫森平面磁梯度计，包括下层超导层(1)、非超导介质层(2)及上层超导层(3)。所述的下层超导层(1)为闭合双环结构。组成闭合双环的两个环路形状及尺寸相同，闭合双环之间存在公共环路区域。非超导介质层(2)位于下层超导层(1)的公共环路区域上方，上层超导层(3)位于非超导介质层(2)上方。下层超导层(1)、非超导介质层(2)，及上层超导层(3)共同覆盖的区域构成一个约瑟夫森结。约瑟夫森结沿下层超导层公共环路区域的环路切线方向的长度(4)大于约瑟夫森结的穿透深度λ_J，且二者的比值大于2π。

技术领域

本发明涉及一种超导平面磁梯度计。

背景技术

高灵敏度磁强计在科学研究、国防军工、工业生产以及医疗等领域都发挥着重要作用。然而在大多数应用场合，实际待测信号比背景噪声信号低好几个数量级，因此，在无屏蔽的环境中需要采用梯度计的形式消除远距离噪声源对实际信号源造成的影响。目前，超低磁场平面梯度的探测主要采用超导量子干涉器件(SQUID)与磁场梯度线圈组合而成的SQUID平面磁梯度计进行测量。传统的SQUID平面磁梯度计的梯度线圈是将一闭合超导环路绕制成两个面积相等绕向相反的环路组成的。当有外磁场穿过梯度线圈时，梯度线圈的两个超导环路中产生的感应电流方向相反；在磁场存在梯度时，梯度线圈内存在净余感应电流，该电流大小与两个超导环路之间的磁场梯度成正比；梯度线圈与SQUID之间或通过间接耦合的方式将净余感应电流输入耦合线圈并转换为磁通耦合到SQUID中，或通过直接耦合的方式将感应电流直接输入SQUID；测量SQUID电压-磁通响应曲线进而实现梯度信号的检测。然而，SQUID平面磁梯度计需要制备两个相同的约瑟夫森结并对称地嵌入超导回路，而且需要考虑SQUID与磁场梯度线圈的电感匹配问题，增加了器件的制备困难；其次，SQUID自身就是一个超导环，也可以响应磁场信号，这样在外磁场梯度为零时存在非零响应，输出不是理想的梯度计信号；另外，SQUID电压-磁场响应曲线为正旋波形式，每一个周期对应一个磁通量子Φ₀，器件的线性响应区间不会超过0.5Φ₀；若选取典型的SQUID电压-磁通响应比值为50～100μV/Φ₀，磁场-磁通的响应比值1nT/Φ₀，则电压的线性响应区间不会超过25～50μV，磁场的线性相应区间不会超过0.5nT，这使得SQUID平面磁梯度计需要加入磁通锁定电路等辅助电子设备，增加了仪器制造的复杂程度及不稳定因素。

发明内容

本发明的目的是克服现有超导量子干涉器件(SQUID)平面磁梯度计存在的制备困难，外磁场梯度为零时有非零响应，线性响应区间小，需要加入磁通锁定等辅助电子设备，而导致仪器制造复杂程度及不稳定因素增加等缺陷，提出一种新的超导约瑟夫森平面磁梯度计。

本发明超导约瑟夫森平面磁梯度计包括下层超导层、非超导介质层以及上层超导层。所述的下层超导层为闭合双环结构，组成闭合双环的两个环路形状及尺寸相同，闭合双环之间存在公共环路区域；所述的非超导介质层位于下层超导层的公共环路区域上方，所述的上层超导层位于非超导介质层上方。

所述非介质超导层的尺寸不大于下层超导层公共环路区域的尺寸，上层超导层的尺寸不大于非超导介质层的尺寸；非超导介质层位于下层超导层公共环路区域的中心位置，上层超导层位于非介质超导层覆盖区域的中心位置。

所述下层超导层、非超导介质层，以及上层超导层共同覆盖的区域构成一个约瑟夫森结。

所述约瑟夫森结沿下层超导层公共环路区域的环路切线方向的长度大于约瑟夫森结的穿透深度λ_J，且二者的比值大于2π。