CN106707203B - 一种超导约瑟夫森平面磁梯度计 - Google Patents

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Abstract

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λJ，且二者的比值大于2π。

Description

一种超导约瑟夫森平面磁梯度计
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λJ，且二者的比值大于2π。
所述的下层超导层用于感应外部磁场，并在闭合双环的两个环路中分别产生围绕各自环路的屏蔽电流。所述两个环路中的屏蔽电流在公共环路区域相互抵消。当穿过环路的磁场沿闭合双环中两个环路的中心连线的方向存在梯度时，在公共环路区域有净余屏蔽电流流过，屏蔽电流产生的感应磁场被公共环路区域上方的约瑟夫森结感应，依据约瑟夫森结在磁场中的自测效应，约瑟夫森结上下两层超导层之间的电流-电压曲线出现电流台阶，即Eck台阶。Eck台阶位置的电压与磁场呈线性关系，通过外部测试电路测量Eck台阶所在位置的电压值，根据测得的电压值计算得出闭合双环中两个环路的中心之间的磁场差值，再由闭合双环中两个环路的中心之间的距离，计算得出平面磁场梯度。
优选的，所述下层超导层中的闭合双环中的两个环路形状为方形或圆形。
优选的，在所述下层超导层公共环路区域中加入电流压缩结构来放大磁场，提升该梯度计的灵敏度。
优选的，所述下层超导层、非超导介质层及上层超导层可通过磁控溅射或化学气相沉积或分子束外延薄膜生长工艺进行生长，所述闭合双环及约瑟夫森结可通过微纳刻蚀加工技术获得。
优选的，所述下层超导层和上层超导层选用铌或铅或锡制作，所述非超导介质层选用铝或三氧化二铝制作。
本发明相比于现有技术方案具有以下优点：
本发明最主要的改进在于提出一种新的超导约瑟夫森平面磁梯度计，下层超导层闭合双环的两个环路在外磁场的作用下分别产生围绕各自环路的屏蔽电流；当闭合双环中两个环路的中心连线方向存在磁场梯度时，公共环路区域存在净余屏蔽电流，该电流被公共环路区域上方的约瑟夫森结感应，依据约瑟夫森结在磁场中的自测效应，测量约瑟夫森结电流-电压曲线中Eck台阶位置的电压值，计算得出闭合双环中两个环路的环路中心之间的磁场差值，再根据闭合双环中两个环路的中心之间的距离，计算得出平面磁场梯度；相比于SQUID平面磁梯度计需要制备两个完全相同的约瑟夫森结，且存在SQUID与磁场梯度线圈的电感匹配问题，本发明结构简单，只需制备一个约瑟夫森结，对约瑟夫森结的尺寸只要求其沿着公共环路区域的环路切线方向长度大于约瑟夫森结的穿透深度λJ的2π倍，且无需考虑约瑟夫森结与梯度线圈的电感匹配问题，降低了器件的制备难度。其次，本发明梯度计自身除了下层超导层的闭合双环中的两个环路之外，不存在其它感应外磁场的环路，避免了梯度计在外磁场梯度为零时的非零响应。同时，该梯度计的电压-磁场线性响应区间较之SQUID平面磁梯度计要大几十至上百倍，使得本发明不需要额外加入磁通锁定电路等辅助电子设备，在降低了弱磁传感器信号读出电路的设计难度的同时，增加了探测器与外部电路整体设备的稳定性。
本发明较之目前的SQUID平面磁梯度计，其结构更为简单，避免了梯度计在外磁场梯度为零时的非零响应，器件的电压-磁场线性响应区间更大，进而降低了磁场信号读出电路的设计难度以及外部设备的使用及维护成本。
附图说明
图1为本发明超导约瑟夫森平面磁梯度计的俯视图；
图2为约瑟夫森结的侧视图；
图中，1下层超导层，2非超导介质层，3上层超导层，4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。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明实施例的超导约瑟夫森平面磁梯度计包括闭合双环结构的下层超导层1，非超导介质层2及上层超导层3，下层超导层1的闭合双环的两个环路的形状及尺寸相同。
如图2所示，非超导介质层2附着在下层超导层1的上方，上层超导层3位于非介质超导层2的上方。
如图1所示，非介质超导层2的尺寸不大于下层超导层1的公共环路区域的尺寸，上层超导层3的尺寸不大于非超导介质层2的尺寸；非超导介质层2位于下层超导层1的公共环路区域的中心位置，上层超导层3位于非介质超导层2覆盖区域的中心位置，下层超导层1，非超导介质层2和上层超导层3共同覆盖的区域构成约瑟夫森结。
如图1所示，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λJ，且二者的比值大于2π。
如图1所示，下层超导层1的闭合双环的作用是感应外磁场梯度，并在公共环路区域产生净余屏蔽电流，屏蔽电流产生可被探测的感应磁场。
如图2所示，净余屏蔽电流产生的感应磁场穿过约瑟夫森结，根据约瑟夫森结在磁场中的自测效应，当有磁场穿过约瑟夫森结时，会在约瑟夫森结上下两层超导层之间的电流-电压曲线上出现电流台阶，即Eck台阶，Eck台阶对应的电压值与磁场存在线性关系：
式中，VE为Eck台阶对应的电压值，B为磁感应强度，u为电磁波在约瑟夫森结中的传播速度，λ1以及λ2分别为下层超导层1和上层超导层2的伦敦穿透深度，d为非超导介质层2的厚度。
利用上述约瑟夫森结电压-磁场关系，通过测量Eck台阶对应的电压值，以及下层超导层1中闭合双环中两个环路的中心之间的距离，可以计算得出平面磁场梯度。
如图1所示，下层超导层1的闭合双环的两个环路形状为方形或圆形。
如图1所示，可以在下层超导层1的公共环路区域加入电流压缩结构来放大磁场，提高该梯度计的灵敏度。
如图1和图2所示，所述下层超导层1、非超导介质层2、上层超导层3可通过磁控溅射、化学气相沉积、分子束外延等薄膜生长工艺制备，所述闭合双环、约瑟夫森结可在薄膜制备完毕后通过微纳加工刻蚀工艺获得。
如图1和图2所示，所述下层超导层1和上层超导层3选用铌或铅或锡制作，所述非超导介质层2选用铝或三氧化二铝制作。

Claims (3)

1.一种超导约瑟夫森平面磁梯度计，其特征在于：所述的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；所述的非超导介质层(2)的尺寸不大于下层超导层(1)公共环路区域的尺寸，上层超导层(3)的尺寸不大于非超导介质层(2)的尺寸；非超导介质层(2)位于下层超导层(1)公共环路区域的中心位置，上层超导层(3)位于非介质超导层(2)覆盖区域的中心位置；所述的下层超导层(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(4)；下层超导层(1)用于感应外部磁场，并在闭合双环的两个环路中分别产生围绕各自环路的屏蔽电流，所述两个环路中的屏蔽电流在公共环路区域相互抵消；当穿过环路的磁场沿闭合双环中两个环路的中心连线的方向存在梯度时，在公共环路区域有净余屏蔽电流流过，屏蔽电流产生的感应磁场被公共环路区域上方的约瑟夫森结感应，依据约瑟夫森结在磁场中的自测效应，约瑟夫森结上下两层超导层之间的电流-电压曲线出现电流台阶，即Eck台阶，Eck台阶位置的电压与磁场呈线性关系，通过外部测试电路测量Eck台阶所在位置的电压值，根据测得的电压值计算得出闭合双环中两个环路的中心之间的磁场差值，再由闭合双环中两个环路的中心之间的距离，计算得出平面磁场梯度。
2.根据权利要求1所述的超导约瑟夫森平面磁梯度计，其特征在于：所述的约瑟夫森结沿下层超导层(1)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λJ，且二者的比值大于2π。
3.根据权利要求1所述的超导约瑟夫森平面磁梯度计，其特征在于：在所述的下层超导层(1)公共环路区域中加入电流压缩结构来放大磁场，提升该梯度计的灵敏度；所述的下层超导层(1)和上层超导层(3)选用铌或铅或锡制作，所述非超导介质层(2)选用三氧化二铝制作。
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