CN109765505A - 一种磁场补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁场补偿装置，在超导屏蔽装置内首先采用超导量子干涉仪测量感应线圈感应到的磁通变化，超导量子干涉仪的稳定性比磁通门磁强计、光泵磁强计高三个数量级以上，则超导量子干涉仪测量的磁场噪声精度更高；补偿线圈采用超导材料构成，则在超低温环境下补偿线圈的电阻为零，可直接采用超导量子干涉仪的输出的第二感应电流进行驱动，不需要驱动电压；补偿线圈被驱动后，产生一个与磁通变化大小相等、方向相反的磁通来补偿引起磁通变化的磁场噪声；因此，本发明特别适用在低温超导屏蔽筒内实现超低噪声补偿，可以为超高精度的原子光学磁强计、超导磁强计建立fT级噪声的磁场空间。

Description

一种磁场补偿装置

技术领域

本发明属于磁场计量技术领域，尤其涉及一种磁场补偿装置。

背景技术

在地磁场环境下，现在技术通常采用磁通门传感器或者光泵传感器进行磁场噪声补偿。补偿原理一般采用负反馈的原理，建立滤波补偿电路，反馈的信号与原来的噪声信号相抵消，从而实现磁场的补偿。

零磁空间是高精度的弱磁测量仪器工作的必要环境，高灵敏度的磁传感器必须在低于其磁场噪声环境下进行调试。高精度的磁测量仪器在军事、环境监测、地质勘测、医学方面都有着重要的应用，磁通门传感器噪声补偿后的环境可以为质子磁强计等磁场噪声不高的仪器提供磁场环境。光泵磁强计补偿可以为光泵磁强计、Overhauser磁强计等高精度的磁场环境提供低噪声的磁场空间。然而，磁通门传感器磁场补偿技术和光泵磁强计磁场补偿技术，最低仅可达到5pT的低磁空间，无法为磁场噪声为fT量级的仪器提供磁场环境。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种磁场补偿装置，能够建立fT级噪声的磁场空间。

一种磁场补偿装置，包括位于待补偿的超导屏蔽筒内部的感应线圈1、辅助线圈2、超导量子干涉仪3、补偿线圈6，以及位于超导屏蔽筒外部的电感匹配模块4，其中，感应线圈1和补偿线圈6由超导材料制成，且两者相互反接并共轴；

所述感应线圈1用于感应超导屏蔽筒内部的磁通变化，并生成第一感应电流；

所述辅助线圈2用于在第一感应电流的作用下，生成感应磁场；

所述超导量子干涉仪3用于在所述感应磁场的作用下，产生量子干涉效应，并对量子干涉效应形成的感应电流进行放大，得到第二感应电流；

所述电感匹配模块4采用电感对所述第二感应电流进行分流，使得流入补偿线圈6的部分第二感应电流的大小与第一感应电流大小相同；

所述补偿线圈6用于在部分第二感应电流的作用下，产生与超导屏蔽筒内部的磁通大小相同、方向相反的磁通，实现超导屏蔽筒内部磁场噪声的补偿。

进一步地，一种磁场补偿装置，还包括位于超导屏蔽筒内部的第一连接件5；

所述第一连接件5用于实现感应线圈1和辅助线圈2的电连接，将第一感应电流传递到辅助线圈2上。

进一步地，一种磁场补偿装置，还包括第二连接件7；

所述第二连接件7用于实现电感匹配模块4与补偿线圈6之间的电连接。

进一步地，所述补偿线圈6采用超导铌材线制成。

进一步地，所述超导铌线的直径不低于0.1mm，纯度不低于99.99％，残余电阻率大于300。

有益效果：

本发明提供一种磁场补偿装置，在超导屏蔽装置内首先采用超导量子干涉仪测量感应线圈感应到的磁通变化，超导量子干涉仪的稳定性比磁通门磁强计、光泵磁强计高三个数量级以上，则超导量子干涉仪测量的磁场噪声精度更高；

补偿线圈采用超导材料构成，则在超低温环境下补偿线圈的电阻为零，可直接采用超导量子干涉仪的输出的第二感应电流进行驱动，不需要驱动电压；补偿线圈被驱动后，产生一个与磁通变化大小相等、方向相反的磁通来补偿引起磁通变化的磁场噪声；因此，本发明特别适用在低温超导屏蔽筒内实现超低噪声补偿，可以为超高精度的原子光学磁强计、超导磁强计建立fT级噪声的磁场空间，克服了超导屏蔽装置内的磁场噪声不能满足超导磁强计的调试要求的难题。

附图说明

图1为本发明提供的一种磁场补偿装置的结构示意图；

1-感应线圈、2-辅助线圈、3-超导量子干涉仪、4-电感匹配模块、5-第一连接件、6-补偿线圈、7-第二连接件。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，该图为本实施例提供的一种磁场补偿装置的结构示意图。一种磁场补偿装置，包括位于待补偿的超导屏蔽筒内部的感应线圈1、辅助线圈2、超导量子干涉仪3、第一连接件5以及补偿线圈6，位于超导屏蔽筒外部的电感匹配模块4，以及第二连接件7，其中，感应线圈1和补偿线圈6由超导材料制成，且感应线圈1和补偿线圈6相互反接，且两者的磁轴共轴，即感应线圈1和补偿线圈6的中心重合，磁轴在一条直线上，感应线圈1在补偿线圈6的正上方或者正下方。

所述感应线圈1用于感应超导屏蔽筒内部的磁通变化，并生成第一感应电流。

所述第一连接件5用于实现感应线圈1和辅助线圈2的电连接，将第一感应电流传递到辅助线圈2上；可选的，第一连接件5可以为两根导线。

所述辅助线圈2用于在第一感应电流的作用下，生成感应磁场；

所述超导量子干涉仪3用于在所述感应磁场的作用下，产生量子干涉效应，并对量子干涉效应形成的感应电流进行放大，得到形成第二感应电流。

需要说明的是，所述超导量子干涉仪3包括两个约瑟夫逊结简称SQUID结、超导环以及一个放大模块，且两个SQUID结并联在超导环上；SQUID结是通过连接在结上的感应线圈产生量子干涉效应，从而测量出外磁场在超导环上产生的磁通，流过SQUID结的电流取决于超导环通过的磁通量，由于超导环上的超导电流是通过电磁感应产生的，因此可以计算出外部磁场噪声的变化；同时，第二感应电流从SQUID结流出超导量子干涉仪时，会经过放大模块对感应电流进行放大，则超导量子干涉仪输出的感应电流将会比第一感应电流大，因此，需要设置一个电感对第二感应电流分流，使得流入补偿线圈6的感应电流与感应线圈中感应到的第一感应电流大小相等，两者产生的磁通才能相互抵消。

所述电感匹配模块4采用电感对所述第二感应电流进行分流，使得流入补偿线圈6的部分第二感应电流的大小与第一感应电流大小相同；

需要说明的是，电感匹配模块4能够对第二感应电流进行分流，说明电感模块的电感与补偿线圈并联；同时，电感匹配模块4的电感大小连续可调，具体取值可以根据第一感应电流的大小以及超导量子干涉仪3的放大倍数确定。例如，假设超导量子干涉仪3的放大倍数为K，其输出的第二感应电流为I₂，则第一感应电流I₁＝I₂/K；同时假设电感匹配模块提供的电感大小为L_x，分流的电流为I_x，补偿线圈的电感为L₀，则若要求流入补偿线圈6的部分第二感应电流的大小与第一感应电流大小相同，则有：

也就是说，电感匹配模块4提供的电感大小其中，第二感应电流I₂的大小可以通过超导量子干涉仪3直接显示并读取，补偿线圈的电感为L₀也可实现获取，则根据上述公式调节电感的大小，即可使得流入补偿线圈6的部分第二感应电流的大小与第一感应电流大小相同。

需要说明的是，如果超导屏蔽筒内部磁场噪声发生变化，则第一感应电流的大小也会随之变化，而第二感应电流也会跟随第一感应电流的变化而变化，最终电感匹配模块4需要提供的电感大小也要随之调节；因此，将电感匹配模块4放在超导屏蔽筒的外部，便于实验人员根据超导屏蔽筒内部磁场噪声的变化，实时调节电感匹配模块4中电感的大小，实现超导屏蔽筒内部磁场噪声的补偿。

也就是说，电感匹配模块4是用于对所述补偿线圈6进行电感补偿的；可选的，经过电感匹配模块4的补偿后，补偿线圈6电感为感应线圈1电感的整数倍；

所述第二连接件7用于实现电感匹配模块4与补偿线圈6之间的电连接；可选的，第二连接件7也可以为两根导线；

所述补偿线圈6用于在部分第二感应电流的作用下，产生与超导屏蔽筒内部的磁通大小相同、方向相反的磁通，实现超导屏蔽筒内部磁场噪声的补偿。

可选的，为了使补偿线圈6的电阻足够小，产生足够大的超导电流，补偿线圈6采用超导铌材线制成，超导铌线的直径不低于0.1mm，纯度不低于99.99％，残余电阻率大于300。

针对超导量子干涉仪3测量的磁场量子化；测量的磁通为磁通量子数的整数倍，超导量子干涉仪的输出电流取决于其测量的磁通。感应线圈采用超导材料制作，其产生的磁通也是量子化，根据磁通量子化的原理，通过对补偿线圈6的电感匹配，使超导量子干涉仪3感应磁场的磁通量子数等于补偿磁场的磁通量子数，两者单位匝面积磁通相同，实现磁场噪声补偿。

本实施例的磁场补偿装置的工作原理为：

感应线圈1感应超导屏蔽筒内磁通变化，感应线圈1和超导量子干涉仪3上的超导环采用超导材料制成，电阻为零，两者通过辅助线圈2实现磁通变化的传递，组成一个闭合回路；在变化磁通作用下，根据电磁感应定律，变化的磁场产生电流，超导量子干涉仪3的超环和SQUID结产生量子干涉效应，流过SQUID结的电流取决于变化的磁通，SQUID结输出的电流，输出到电感匹配模块4和补偿线圈6；由于补偿线圈6在超导状态下，电阻为零，没有电压，可以直接用电流驱动；又由于在超导状态下感应线圈1感应的磁场、补偿线圈6产生的磁场都是量子化的，为了提高补偿精度，使感应线圈1和补偿线圈6上的电流方向相反、大小相同，则感应线圈1感应的磁场和补偿线圈6产生的磁场量值相同，方向相反，采用电感匹配模块4和补偿线圈6连接，进行电感匹配。当补偿线圈6产生的磁通和感应线圈1感应磁通的磁通量子数相同，则两者磁通相同，实现磁通的抵消，实现磁场噪声补偿。

由此可见，本实施例提供的磁场补偿装置，采用低温超导屏蔽筒磁场屏蔽，超导量子干涉仪补偿的方式，建立fT级磁场空间，相对现在应用的补偿技术，可以使磁场噪声降低3个以上的数量级；因此，本实施例提供的磁场补偿装置，可以为超高精度的原子光学磁强计、超导磁强计建立超低噪声磁场空间，而原子光学磁强计和超导磁强计是现在磁场测量仪器发展的重点，未来在军事上磁场监测、反潜领域，医学心磁、脑磁测量领域有着广泛的应用，则本实施例建立的磁场环境也可以建立脑磁、心磁等测量中低噪声磁场环境。

此外，本实施例的补偿线圈采用超导材料构成，则在超低温环境下补偿线圈的电阻为零，可直接采用超导量子干涉仪的输出的第二感应电流进行驱动，不需要驱动电压即可产生补偿磁场，消除补偿电路的噪声，降低了磁场补偿噪声；也就是说，本实施例的补偿系统没有额外的补偿电路，屏除补偿电路对补偿效果的影响，采用超导补偿线圈解决了电路驱动的问题，提高了噪声补偿水平，本补偿系统特别适用于在实验室中制造出超低噪声的磁场空间，达到在产生fT级磁场空间的要求，用于超导磁强计的研究和调试，补偿系统具有易于加工、安装的技术特点。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种磁场补偿装置，其特征在于，包括位于待补偿的超导屏蔽筒内部的感应线圈(1)、辅助线圈(2)、超导量子干涉仪(3)、补偿线圈(6)，以及位于超导屏蔽筒外部的电感匹配模块(4)，其中，感应线圈(1)和补偿线圈(6)由超导材料制成，且两者相互反接并共轴；

所述感应线圈(1)用于感应超导屏蔽筒内部的磁通变化，并生成第一感应电流；

所述辅助线圈(2)用于在第一感应电流的作用下，生成感应磁场；

所述超导量子干涉仪(3)用于在所述感应磁场的作用下，产生量子干涉效应，并对量子干涉效应形成的感应电流进行放大，得到第二感应电流；

所述电感匹配模块(4)采用电感对所述第二感应电流进行分流，使得流入补偿线圈(6)的部分第二感应电流的大小与第一感应电流大小相同；

所述补偿线圈(6)用于在部分第二感应电流的作用下，产生与超导屏蔽筒内部的磁通大小相同、方向相反的磁通，实现超导屏蔽筒内部磁场噪声的补偿。

2.如权利要求1所述的一种磁场补偿装置，其特征在于，还包括位于超导屏蔽筒内部的第一连接件(5)；

所述第一连接件(5)用于实现感应线圈(1)和辅助线圈(2)的电连接，将第一感应电流传递到辅助线圈(2)上。

3.如权利要求1所述的一种磁场补偿装置，其特征在于，还包括第二连接件(7)；

所述第二连接件(7)用于实现电感匹配模块(4)与补偿线圈(6)之间的电连接。

4.如权利要求1所述的一种磁场补偿装置，其特征在于，所述补偿线圈(6)采用超导铌材线制成。

5.如权利要求4所述的一种磁场补偿装置，其特征在于，所述超导铌线的直径不低于0.1mm，纯度不低于99.99％，残余电阻率大于300。