CN106526508A - 一种用于探测磁场强度张量的squid磁通变换器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置，包括：全张量铜线圈梯度计、耦合线圈和SQUID磁强计，其中，耦合线圈分别与全张量铜线圈梯度计和SQUID磁强计进行双向耦合，以将全张量铜线圈梯度计的铜线圈内的磁通量，耦合至SQUID磁强计的拾取线圈中，通过将全张量铜线圈梯度计内的铜线圈磁通转换到SQUID磁强计中拾取线圈中，并将磁通转换成电压值，以由SQUID磁强计进行测量。本发明仅使用一个SQUID磁强计即可实现测量全张量磁场梯度数据，通过SQUID实现高精度磁场的测量，可以测量FT(10‑15T)级别的磁场，从而大大节约了成本。

Description

一种用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置
技术领域
本发明涉及磁测量技术领域，特别涉及一种用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置。
背景技术
全张量磁场梯度是指磁场矢量的三个分量沿着三维空间基底方向的变化量。对于全张量磁场梯度信息的测量是以磁传感器为基本单元通过合理的空间排布和适当连接方式而构成的。磁测量技术在科研、医学及国民经济各部门的重要性日益凸显。针对各种磁场测量的不同要求，具有不同优点和性能的磁传感器也层出不穷，如磁通门传感器、GMR、GMI、SQUID、核进动、光泵磁传感器等。在磁源定位系统的设计中，所采用的传感器的精度越高，其测量的准确度越高，其测量误差越小。而由于磁场梯度张量解算方法的原因，其测量误差呈指数函数增长。因此，选择精度高的传感器，对定位误差的减小具有重要意义。
目前，能达到pT量级的磁传感器包括磁通门传感器、光泵磁传感器、光纤磁传感器和SQUID。下面分别就磁通门传感器和SQUID进行对比。
磁通门磁力仪是利用高导磁材料在传感器线圈系统中的饱和特性来测量磁场的仪器，是应用最为广泛的测弱磁仪器之一，其测量范围为10-12～10-3T，分辨率约为10-8～10-10T，适用于测量恒定和缓慢变化的磁场。磁通门磁力计可检测磁向量场，但因其探头以及电路装置体积重量都较大而限制了它们的广泛应用。
SQUID是超导磁力仪是利用约瑟夫效应测量磁场微小变化的一类装置。SQUID用来检测非常微弱的磁场，是目前人类所知道的最灵敏的磁场检测装置，高温SQUID磁场灵敏度可达10fT/Hz1/2，而低温SQUID磁场灵敏一般可达1fT/Hz1/2。超导量子磁力仪是弱磁场仪器中最为精密的手段。
目前国外对中国进行严密的技术封锁，世界上掌握基于SQUID全张量矢量磁场测量技术的国家只有三个，典型代表有：美国特瑞斯坦技术公司(Tristan Technologies，Inc.)研制的三轴SQUID磁力仪(Model G377)，德国耶拿物理学高技术研究所(InstituteforPhysical High-Technology，IPHT)研制的MAGSAFE系统和澳大利亚联邦科学工业研究组织(CSIRO)研究的GETMAG装置。三家单位均获得很好的实验结果，同时SQUID需要在低温下进行工作，使用和维护费用高昂。
超导量子干涉仪是基于超导约瑟夫森结(Josephson)效应制作的磁传感器，因为其及高的探测精度，广泛用于生物磁测量、无损探伤、军事探潜等领域，是高温超导最早走向实用化的领域之一。而高温超导技术(HTS)的发展提高了SQUIDs的工作温度，另一方面，高温超导薄膜技术的发展也提高了SQUIDs的灵敏度。
目前，对于全张量的磁通测量，国际上通常使用多个SQUID磁强计来实现测量。由于每个SQUID磁强计的费用昂贵，如果要实现全张量的测量则需要的花费较大。如何用最少量的SQUID实现全张量的磁通测量，是当前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置，仅使用一个SQUID磁强计即可实现测量全张量磁场梯度数据，通过SQUID实现高精度磁场的测量，可以测量FT(10-15T)级别的磁场，从而大大节约了成本。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置，包括：
全张量铜线圈梯度计、耦合线圈和SQUID磁强计，其中，
所述耦合线圈分别与所述全张量铜线圈梯度计和所述SQUID磁强计进行双向耦合，以将所述全张量铜线圈梯度计的铜线圈内的磁通量，耦合至所述SQUID磁强计的拾取线圈中，由所述SQUID磁强计测量所述全张量铜线圈梯度计的磁场信息，其中，所述全张量铜线圈梯度计和所述SQUID磁强计之间的关系如下式：
na为全张量铜线圈梯度计的铜线圈匝数，LA为与全张量铜线圈梯度计中铜线圈相连的小线圈的电感，LB为铜线圈的电感，Kext为互感系数，Li为次级线圈的电感，Ks表示互感系数，np为SQUID磁强计的初始线圈匝数，Lp为SQUID磁强计的初始线圈的电感，Ls为SQUID磁强计中约瑟夫森结的感应电感，为SQUID磁强计中通过约瑟夫森结的磁通；为通过铜线圈的磁通；
通过上式的磁通变换，将所述全张量铜线圈梯度计内的铜线圈磁通转换到所述SQUID磁强计中拾取线圈中，并将磁通转换成电压值，以由所述SQUID磁强计进行测量。
进一步，所述耦合线圈与所述全张量铜线圈梯度计中的铜线圈、所述SQUID磁强计的拾取线圈进行等面积耦合。
进一步，所述SQUID磁强计的工作环境位于的低温环境中，所述全张量铜线圈梯度计的工作环境位于室温中。
进一步，所述SQUID磁强计位于液氮杜瓦或液氦杜瓦的低温环境中。
进一步，所述SQUID磁强计测量9个全张量磁场梯度值和3个磁场强度值。
根据本发明实施例的用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置,通过将全张量铜线圈梯度计中铜线圈内的磁通量，通过耦合线圈变换到SQUID磁强计的拾取线圈中，从而实现仅使用一个SQUID磁强计即可实现测量全张量磁场梯度数据，通过SQUID实现高精度磁场的测量，可以测量FT(10-15T)级别的磁场，从而大大节约了成本。本发明通过将全张量数据和SQUID进行耦合，可以实现一个SQUID磁强计测量9个全张量磁场梯度值和3个磁场强度值，可以一次性获得磁性目标定位所需的全部磁场信息。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置的结构图；
图2为DC-SQUID的电路测量示意图；
图3为根据本发明实施例的用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置，包括：全张量铜线圈梯度计、耦合线圈和SQUID磁强计。
首先，需要说明的是，本发明的SQUID磁强计的工作环境位于的低温环境中，全张量铜线圈梯度计的工作环境位于室温中。
优选的，SQUID磁强计位于液氮杜瓦或液氦杜瓦的低温环境中。
本发明仅使用一个SQUID磁强计，将其放置于小型杜瓦中即可满足条件，其余全张量铜线圈梯度计可以工作在室温条件下，从而可以大大节约空间体积。
具体地，耦合线圈分别与全张量铜线圈梯度计和SQUID磁强计进行双向耦合，从而建立全张量铜线圈梯度计和SQUID磁强计之间的联系，将全张量铜线圈梯度计的铜线圈内的磁通量，耦合至SQUID磁强计的拾取线圈中。
在本发明的一个实施例中，耦合线圈与全张量铜线圈梯度计中的铜线圈、耦合线圈与SQUID磁强计的拾取线圈均采用等面积耦合，从而可以实现磁通量的完整传递，将将全张量铜线圈梯度计中的铜线圈磁通量通过耦合线圈传递至SQUID磁强计的拾取线圈。
下面对建立的全张量铜线圈梯度计和SQUID磁强计之间的公式联系进行说明。
首先，对SQUID磁强计进行说明。
SQUID实质是基于约瑟夫森结效应的一种将磁通转化为电压的磁通传感器，利用了超导约瑟夫森结效应和磁通量子化现象。两块超导体被一个薄的绝缘层(也可以叫势垒层)分开构成一个约瑟夫森隧道结，当通过超导结的直流电流小于某一临界值Ic时，超导结两端的电压为零。超导结的临界电流与外加磁场有关，当外加磁场单调增加时，它会改变约瑟夫森结两侧超导体波函数的相位差，使Ic随之周期性变化，其变化周期为磁通量子Φ0，这种现象称为超导量子干涉现象。
在发现约瑟夫森结效应以来，很快就利用这种效应制成了利用直流电流进行偏置的DC-SQUID(如图2所示)。这种器件实质上就是一种磁通检测器。利用约瑟夫森结和超导体连成闭合回路，再用射频电流进行偏置来实现的RF-SQUID，这种结构更容易制备。
基于全张量磁场梯度的磁性目标定位方法应用越来越广泛，其定位公式
公式(1)为梯度张量矩阵、磁场和目标位置的表达式，如果测量出空间中某一点的梯度张量矩阵的元素和磁场大小，就能对空间中的磁性目标进行定位。
基于上述SQUID磁强计和全张量磁场梯度的磁性目标定位的原理，本发明的用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置，使用全张量铜线圈梯度计耦合SQUID磁强计实现用于探测磁场梯度张量的SQUID磁通变换器，从而可以实现高精度全张量磁场梯度的测量。
下面参考图3对由全张量铜线圈梯度计的铜线圈磁通耦合至SQUID磁强计的拾取线圈的推导过程进行说明：
其中，np为SQUID磁强计的初始线圈匝数，为通过初始线圈的磁通量，Lp为SQUID磁强计的初始线圈的电感，Ls为SQUID磁强计中约瑟夫森结的感应电感，i0为感应电流。
通过约瑟夫森结的磁通可以表示如下
其中，Ms表示初级线圈和次级线圈之间的互感，
其中，Li表示次级线圈的电感，Ks表示互感系数。
根据式(2)-(4)可以得到如下关系
其中，为SQUID磁强计中通过约瑟夫森结的磁通。
由全张量铜线圈梯度计，可以得到如下关系
其中，na为全张量铜线圈梯度计的铜线圈匝数，LA为与全张量铜线圈梯度计中铜线圈相连的小线圈的电感，LB为铜线圈的电感，Kext为互感系数，iext为铜线圈内的感应电流，Mm为互感，为通过铜线圈的磁通。
根据式(5)和(6)可以得到如下关系
式(7)即为全张量线圈中的磁通量与SQUID拾取线圈中磁通量之间的公式联系。
根据式(7)建立起全张量铜线圈与SQUID拾取线圈磁通量之间的关系，根据式(7)的磁通变换，由SQUID磁强计测量全张量铜线圈梯度计的磁场信息，实现全张量数据的高精度测量。通过磁通变换把全张量铜线圈内的磁通转换到SQUID拾取线圈中，将磁通转换成电压值，通过SQUID磁强计的高灵敏性，实现FT(1FT＝10-15T)级别的磁场测量。
通过全张量数据和SQUID之间的线圈耦合，可以实现一个SQUID磁强计测量9个全张量磁场梯度值和3个磁场强度值，将SQUID磁强计的高灵敏性和全张量铜线圈梯度计的整体一次性获得定位所需的全部磁场信息结合在一起，实现了双重功能。
根据本发明实施例的用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置,通过将全张量铜线圈梯度计中铜线圈内的磁通量，通过耦合线圈变换到SQUID磁强计的拾取线圈中，从而实现仅使用一个SQUID磁强计即可实现测量全张量磁场梯度数据，通过SQUID实现高精度磁场的测量，可以测量FT(10-15T)级别的磁场，从而大大节约了成本。本发明通过将全张量数据和SQUID进行耦合，可以实现一个SQUID磁强计测量9个全张量磁场梯度值和3个磁场强度值，可以一次性获得磁性目标定位所需的全部磁场信息。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (5)

1.一种用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置，其特征在于，包括：全张量铜线圈梯度计、耦合线圈和SQUID磁强计，其中，
所述耦合线圈分别与所述全张量铜线圈梯度计和所述SQUID磁强计进行双向耦合，以将所述全张量铜线圈梯度计的铜线圈内的磁通量，耦合至所述SQUID磁强计的拾取线圈中，由所述SQUID磁强计测量所述全张量铜线圈梯度计的磁场信息，其中，所述全张量铜线圈梯度计和所述SQUID磁强计之间的关系如下式：
na为全张量铜线圈梯度计的铜线圈匝数，LA为与全张量铜线圈梯度计中铜线圈相连的小线圈的电感，LB为铜线圈的电感，Kext为互感系数，Li为次级线圈的电感，Ks表示互感系数，np为SQUID磁强计的初始线圈匝数，Lp为SQUID磁强计的初始线圈的电感，Ls为SQUID磁强计中约瑟夫森结的感应电感，为SQUID磁强计中通过约瑟夫森结的磁通；为通过铜线圈的磁通；
通过上式的磁通变换，将所述全张量铜线圈梯度计内的铜线圈磁通转换到所述SQUID磁强计中拾取线圈中，并将磁通转换成电压值，以由所述SQUID磁强计进行测量。
2.如权利要求1所述的用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置，其特征在于，所述耦合线圈与所述全张量铜线圈梯度计中的铜线圈、所述SQUID磁强计的拾取线圈进行等面积耦合。
3.如权利要求1所述的用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置，其特征在于，所述SQUID磁强计的工作环境位于的低温环境中，所述全张量铜线圈梯度计的工作环境位于室温中。
4.如权利要求3所述的用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置，其特征在于，所述SQUID磁强计位于液氮杜瓦或液氦杜瓦的低温环境中。
5.如权利要求1所述的用于探测磁场强度张量的SQUID磁通变换器装置，其特征在于，所述SQUID磁强计测量9个全张量磁场梯度值和3个磁场强度值。
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