CN111983533A - 一种应用于多种低温平台的超导测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于多种低温平台的超导测试装置，包括样品固定器、顶盖、超导线圈、接线PCB板与线圈支架，所述超导线圈位于线圈支架的中部，所述样品固定器位于线圈支架的内部，所述接线PCB板位于样品固定器的一侧，所述接线PCB板的上端活动连接有顶盖，本装置适用与多种类型低温测试系统的测试装置，能够集成微波测试天线。本发明能够减小线圈导线电阻，能够增大相同匝数和电流下的磁场大小和均匀性，为了让磁场均匀能够施加在磁场，顶盖可以密封测试装置，密封可以隔离电磁辐射等，产生的磁场比较均匀，而且在较小的电流下，能够产生较大的磁场，能够满足低温测试环境需求。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，特别涉及一种应用于多种低温平台的超导测试装置。
背景技术
近年来，量子信息技术不断地取得新的突破，全球的各大科技公司，例如IBM、谷歌、阿里等都投入大量的资金进行研究，多个国家也将量子科技研究放在国家战略位置，以促进量子技术的研究与应用，超导约瑟夫森结是一种宏观量子器件，具有约瑟夫森效应、量子化能级、高非线性、低功耗、量子极限灵敏度等特征，被广泛应用于量子技术研究中，目前来说，超导约瑟夫森结是量子技术研究的基础器件。
超导约瑟夫森结对周围环境要求极高，需要极低温、低噪声等，其中极低温达到液氦(4.2 K)级别温度，而噪声不仅包括环境中的电磁噪声，也包括热噪声，对于超导约瑟夫森结的研究，需要提供极低温、低噪声的环境，例如在研究超导约瑟夫森结的电学输运特性时，需要避免热噪声、电磁波的干扰，但是在研究超导约瑟夫森结的性质时，需要一定方向的均匀磁场。
低温设备为研究超导约瑟夫森结提供低温测试环境，目前有多种低温设备，例如：GM制冷机、Montana制冷机、史特林制冷机、稀释制冷机等，各种低温制冷设备外形尺寸相差较大，特别对于各种制冷机的恒温箱，因不同品种设备和不同厂家、不同功率等，其尺寸相差较大，因此，外置产生磁场装置不能通用，目前，为了测试磁场对超导约瑟夫森结的影响，多采用外置线圈产生磁场作用于超导约瑟夫森结的方法，例如，制备大型亥姆赫兹线圈套在GM制冷机外壳上，而对于一些具有屏幕外部磁场的恒温腔室的外壳，则需要更换外壳，然后放置配套相应的线圈，同时，由于腔室一般都比较大，配套线圈绕制半径也比较大，由于线圈内部均匀磁场与线圈半径有关，因此需要绕制线圈数量多，或者通过线圈较大电流，以达到所需的磁场大小，另外外置磁场的方法，在一定程度上也会磁化恒温腔室部件，会一定程度上破坏恒温腔室的无磁环境。
总的来说，目前的产生磁场的设备具有以下缺陷：
1、制冷设备恒温腔室外型和尺寸不同，需要不同的尺寸的外置线圈来产生磁场，有时为了与线圈配套，还需要更换恒温腔室外壳，这些都使得外置线圈测试受到设备型号限制，测试装置搭建复杂，外置线圈会在一定的程度上磁化恒温腔室；
2、外置线圈，由线圈半径较大，因此，需要通过增加绕制线圈的匝数或者增大通过线圈电流来增大均匀磁场，这带来热噪声和受到电流源的提供的功率限制，另外对于低温设备内部较小的加热装置都会影响制冷效果，使用普通的铜制导线绕制线圈时会引入发热电阻，当通电流时会产生焦耳热，热辐射不仅影响制冷效果，而且热辐射会产生热噪声，为此我们应当提出一种应用于多种低温平台的超导测试装置。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种应用于多种低温平台的超导测试装置，主要解决以下技术问题：现有的一种应用于多种低温平台的超导测试装置，制冷设备恒温腔室外型和尺寸不同，需要不同的尺寸的外置线圈来产生磁场，有时为了与线圈配套，还需要更换恒温腔室外壳，这些都使得外置线圈测试受到设备型号限制，测试装置搭建复杂，外置线圈会在一定的程度上磁化恒温腔室；外置线圈，由线圈半径较大，因此，需要通过增加绕制线圈的匝数或者增大通过线圈电流来增大均匀磁场，这带来热噪声和受到电流源的提供的功率限制，另外对于低温设备内部较小的加热装置都会影响制冷效果，使用普通的铜制导线绕制线圈时会引入发热电阻，当通电流时会产生焦耳热，热辐射不仅影响制冷效果，而且热辐射会产生热噪声，为此我们应当提出一种应用于多种低温平台的超导测试装置。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种应用于多种低温平台的超导测试装置，包括样品固定器、顶盖、超导线圈、接线PCB板与线圈支架，所述超导线圈位于线圈支架的中部，所述样品固定器位于线圈支架的内部，所述接线PCB板位于样品固定器的一侧，所述接线PCB板的上端活动连接有顶盖，本装置适用与多种类型低温测试系统的测试装置，能够集成微波测试天线。
进一步的，所述样品固定器包括样品固定器接触面，所述样品固定器接触面的内部开设有两组长方形定位孔，所述长方形定位孔的内部螺纹连接有螺丝，两组所述长方形定位孔在样品固定器接触面呈对称分布，且长方形定位孔尺寸在2.0 cm到4.5 cm之间，两组所述长方形定位孔的内部均设置有凹槽，所述线圈支架的内侧位于样品固定器接触面的一端，所述螺丝的头部位于长方形定位孔的凹槽内部，使线圈支架的一端内侧与样品固定器接触面紧密贴合。
进一步的，长方形定位孔能够满足不同测试设备定位安装孔尺寸L，本发明所设计的测试装置，能够满足定位孔装置尺寸在2.0 cm到4.5 cm之间，这能够满足多种低温测试装备，对于测试装置样品固定器凹槽设计，是为了满足不同类型的螺丝，同时，凹槽也能够是螺丝头淹没在凹槽内部使得线圈支架能够和测试装置样品固定器顶视图接触良好，利于导热。
进一步的，所述样品固定器接触面的一端设置有接线PCB板固定座，所述接线PCB板固定座的上端面均开设有四组固定孔，且四组固定孔呈两两对称分布，所述接线PCB板固定座远离样品固定器接触面的一端开设有若干组均匀分布的槽孔，所述接线PCB板固定座的中心处设置有样品台，所述样品台位于四组固定孔之间，所述接线PCB板固定座以样品台为中心开设有一圈凹框，所述凹槽的四端高度与四组固定孔的一侧沿口高度相同。
进一步的，所述接线PCB板与接线PCB板固定座穿插连接，所述接线PCB板的前端两侧均开设有连接孔，所述连接孔的数量为四组，其中两组连接孔位于接线PCB板上端面的中下部，且四组连接孔与固定孔位置相互对应，所述接线PCB板的上下两端均设置有若干组排列整齐的凸块，所述凸块与槽孔相互活动连接，所述接线PCB板的中心处设置有通框，所述通框的内部穿插于样品台外部凹框的内部。
进一步的，所述顶盖的侧面开设了两组孔，所述顶盖的内部开设有半钢电缆槽，所述半钢电缆槽位于顶盖的中部。
进一步的，所述顶盖的底部设置有四组均匀对称分布的固定柱，所述固定柱的位置与连接孔的位置相对应，所述固定柱的外部贯穿设置于连接孔的内部，且固定柱的中下部固定于固定孔的内部。
进一步的，所述顶盖的一端开设有半钢电缆孔，所述半钢电缆孔与半钢电缆槽呈连接设置，所述半钢电缆孔位于顶盖的上部，所述半钢电缆槽的内部设置有卡槽，所述卡槽为半圆弧状，所述卡槽位于顶盖的顶端中心处。
进一步的，本装置为内置装置，所述超导线圈为Nbti超导线，所述超导线圈的内径为1.8cm，能够大大缩小线圈的绕制直径，本发明设计的线圈内径为1.8cm，绕制线圈内径减小，不仅能够减小线圈导线电阻，而且能够增大相同匝数和电流下的磁场大小和均匀性，为了让磁场均匀能够施加在磁场。
进一步的，所述线圈支架、顶盖、样品固定器均采用紫铜材料，本装置为底面圆半径为2.75cm，高为4.0cm的圆柱体。
与现有技术相比，本发明的一种应用于多种低温平台的超导测试装置，本发明设计的测试装置为内置装置，能够大大缩小线圈的绕制直径，绕制线圈内径减小，不仅能够减小线圈导线电阻，而且能够增大相同匝数和电流下的磁场大小和均匀性，为了让磁场均匀能够施加在磁场；
本发明使用NbTi超导线，其在较大的背景磁场下，临界电流能达到毫安级，另外，使用紫铜制备的测试装置样品固定器配套顶盖，用于隔离可能存在的其他热辐射问题，采用紫铜的线圈支架，可以导出线圈可能存在焦耳热，同时，顶盖可以密封测试装置，密封可以隔离电磁辐射等，产生的磁场比较均匀，而且在较小的电流下，能够产生较大的磁场，能够满足低温测试环境需求，可应用于超导材料、超导约瑟夫森结等样品的测试。
该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
附图说明
图1为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的整体结构示意图。
图2为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的整体装配图。
图3为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的样品固定器
俯视图。
图4为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的样品固定器
放大图。
图5为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的样品固定器配套接线PCB放大图。
图6为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的样品固定器配套接线PCB的俯视图。
图7为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置样品固定器配套顶盖的放大图。
图8为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的样品固定器配套顶盖的剖视图。
图9为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的配套顶盖的卡槽放大图。
图10为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的线圈支架放大图。
图11为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的线圈支架侧视图。
图12为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的样品固定器接触面结构示意图。
图13为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的侧视图。
图14为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的样品台示意图。
图15为本发明一种应用于多种低温平台的超导测试装置的磁场校准曲线。
图中：1、线圈支架；2、超导线圈；3、样品固定器；4、接线PCB板固定座；5、固定孔；501、连接孔；502、固定柱；6、凹槽；7、长方形定位孔；8、样品台；9、接线PCB板；901、凸块；10、顶盖；101、半钢电缆槽；102、孔；103、半钢电缆孔；11、样品固定器接触面；12、卡槽。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-15所示，一种应用于多种低温平台的超导测试装置，包括样品固定器（3）、顶盖（10）、超导线圈（2）、接线PCB板（9）与线圈支架（1），超导线圈（2）位于线圈支架（1）的中部，样品固定器（3）位于线圈支架（2）的内部，接线PCB板（9）位于样品固定器（3）的一侧，接线PCB板（9）的上端活动连接有顶盖（10），本装置适用与多种类型低温测试系统的测试装置，能够集成微波测试天线。
本发明将产生磁场装置集成到样品固定器，内置在恒温腔室内部，这样设计既可以解决因低温装置恒温腔室外型和尺寸不同，限制磁场产生装置的使用，又可以解决外置磁场会对低温装置恒温腔室外壳以及内部零件的磁环问题。本发明的磁场产生装置小型化，使得测试装置能够用于多种设备，例如：GM制冷机、稀释制冷机、Montana制冷机等等，只要低温测试设备恒温腔室能够容纳下所设计的测试装置尺寸，本发明所设计的测试设备尺寸为底面圆半径为2.75cm，高为4.0cm的圆柱体，这个尺寸是大部分低温制冷设备恒温腔室都能够容纳下的，因此所设计测试装置能够应用于多种低温测试装置。
进一步的，所述样品固定器（3）包括样品固定器接触面（11），样品固定器接触面（11）的内部开设有两组长方形定位孔（7），长方形定位孔（7）的内部螺纹连接有螺丝，两组长方形定位孔（7）在样品固定器接触面（11）呈对称分布，且长方形定位孔（7）尺寸在2.0 cm到4.5 cm之间，两组长方形定位孔（7）的内部均设置有凹槽（6），线圈支架（1）的内侧位于样品固定器接触面（11）的一端，螺丝的头部位于长方形定位孔（7）的凹槽（6）内部，使线圈支架（1）的一端内侧与样品固定器接触面（11）紧密贴合。
进一步的，所述长方形定位孔（7），能够满足不同测试设备定位安装孔尺寸L，本发明所设计的测试装置，能够满足定位孔装置尺寸在2.0 cm到4.5 cm之间，这能够满足多种低温测试装备，对于测试装置样品固定器凹槽（6）设计，是为了满足不同类型的螺丝，同时，凹槽（6）也能够是螺丝头淹没在凹槽（6）内部使得线圈支架（1）能够和测试装置样品固定器顶视图接触良好，利于导热。
进一步的，所述样品固定器接触面（11）的一端设置有接线PCB板固定座（4），接线PCB板固定座（4）的上端面均开设有四组固定孔（5），且四组固定孔（5）呈两两对称分布，接线PCB板固定座（4）远离样品固定器接触面（11）的一端开设有若干组均匀分布的槽孔，接线PCB板固定座（4）的中心处设置有样品台（8），样品台（8）位于四组固定孔（5）之间，接线PCB板固定座（4）以样品台（8）为中心开设有一圈凹框，凹槽（6）的四端高度与四组固定孔（5）的一侧沿口高度相同。
进一步的，所述接线PCB板（9）与接线PCB板固定座（4）穿插连接，接线PCB板（9）的前端两侧均开设有连接孔（501），连接孔（501）的数量为四组，其中两组连接孔（501）位于接线PCB板（9）上端面的中下部，且四组连接孔（501）与固定孔（5）位置相互对应，接线PCB板（9）的上下两端均设置有若干组排列整齐的凸块（901），凸块（901）与槽孔相互活动连接，接线PCB板（9）的中心处设置有通框（902），通框（902）的内部穿插于样品台（8）外部凹框的内部。
进一步的，所述顶盖（10）的侧面开设了两组孔（102），顶盖（10）的内部开设有半钢电缆槽（101），半钢电缆槽（101）位于顶盖（10）的中部。
顶盖（10）的底部设置有四组均匀对称分布的固定柱（502），固定柱（502）的位置与连接孔（501）的位置相对应，固定柱（502）的外部贯穿设置于连接孔（501）的内部，且固定柱（502）的中下部固定于固定孔（5）的内部。
进一步的，所述顶盖（10）的一端开设有半钢电缆孔（103），半钢电缆孔（103）与半钢电缆槽（101）呈连接设置，半钢电缆孔（103）位于顶盖（10）的上部，半钢电缆槽（101）的内部设置有卡槽（12），卡槽（12）为半圆弧状，卡槽（12）位于顶盖（10）的顶端中心处。
进一步的，所述本装置为内置装置，超导线圈（2）为Nbti超导线，超导线圈（2）的内径为1.8cm。
本发明设计的测试装置为内置装置，能够大大缩小线圈的绕制直径，本发明设计的线圈内径为1.8cm，绕制线圈内径减小，不仅能够减小线圈导线电阻，而且能够增大相同匝数和电流下的磁场大小和均匀性，为了让磁场均匀能够施加在磁场。
如图7-9所示，本发明所设计顶盖（10）进行特殊设计，在顶盖（10）侧面开一个与用以通微波的半钢电缆的孔（102），另外，在顶盖（10）内部开放置半钢电缆槽（101），并设计了固定的卡槽（12）。
进一步的，所述线圈支架（1）、顶盖（10）、样品固定器均采用紫铜材料，本装置为底面圆半径为2.75cm，高为4.0cm的圆柱体。
如图15可以看出，产生的磁场比较均匀。而且在较小的电流下，能够产生较大的磁场，能够满足低温测试环境需求，可应用于超导材料、超导约瑟夫森结等样品的测试。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种应用于多种低温平台的超导测试装置，其特征在于：包括样品固定器、顶盖、超导线圈、接线PCB板与线圈支架，所述超导线圈位于线圈支架的中部，所述样品固定器位于线圈支架的内部，所述接线PCB板位于样品固定器的一侧，所述接线PCB板的上端活动连接有顶盖；所述样品固定器包括样品固定器接触面。
2.根据权利要求1所述的一种应用于多种低温平台的超导测试装置，其特征在于：所述接线PCB板与接线PCB板固定座穿插连接，所述接线PCB板的中心处设置有通框，所述通框的内部穿插于样品台外部凹框的内部。
3.根据权利要求2所述的一种应用于多种低温平台的超导测试装置，其特征在于：所述接线PCB板的前端两侧均开设有连接孔，所述连接孔的数量为四组，其中两组连接孔位于接线PCB板上端面的中下部，且四组连接孔与固定孔位置相互对应，所述接线PCB板的上下两端均设置有若干组排列整齐的凸块，所述凸块与槽孔相互活动连接。
4.根据权利要求1所述的一种应用于多种低温平台的超导测试装置，其特征在于：所述顶盖的侧面开设了两组孔，所述顶盖的内部开设有半钢电缆槽，所述半钢电缆槽位于顶盖的中部。
5.根据权利要求1所述的一种应用于多种低温平台的超导测试装置，其特征在于：所述顶盖的一端开设有半钢电缆孔，所述半钢电缆孔与半钢电缆槽呈连接设置，所述半钢电缆孔位于顶盖的上部，所述半钢电缆槽的内部设置有卡槽，所述卡槽为半圆弧状，所述卡槽位于顶盖的顶端中心处。
6.根据权利要求1所述的一种应用于多种低温平台的超导测试装置，其特征在于：所述顶盖的底部设置有四组均匀对称分布的固定柱，所述固定柱的位置与连接孔的位置相对应，所述固定柱的外部贯穿设置于连接孔的内部，且固定柱的中下部固定于固定孔的内部。
7.根据权利要求1所述的一种应用于多种低温平台的超导测试装置，其特征在于：本装置为内置装置，所述超导线圈为Nbti超导线。
8.根据权利要求3所述的一种应用于多种低温平台的超导测试装置，其特征在于：所述线圈支架、顶盖、样品固定器均采用紫铜材料，本装置为底面圆半径为2.75cm，高为4.0cm的圆柱体。
9.根据权利要求1所述的一种应用于多种低温平台的超导测试装置，其特征在于：所述样品固定器接触面的一端设置有接线PCB板固定座，所述接线PCB板固定座的上端面均开设有四组固定孔，且四组固定孔呈两两对称分布，所述接线PCB板固定座远离样品固定器接触面的一端开设有若干组均匀分布的槽孔；所述接线PCB板固定座的中心处设置有样品台，所述样品台位于四组固定孔之间，所述接线PCB板固定座以样品台为中心开设有一圈凹框，所述凹槽的四端高度与四组固定孔的一侧沿口高度相同。
10.根据权利要求1所述的一种应用于多种低温平台的超导测试装置，其特征在于：所述样品固定器接触面的内部开设有两组长方形定位孔，所述长方形定位孔的内部螺纹连接有螺丝，两组所述长方形定位孔在样品固定器接触面呈对称分布，两组所述长方形定位孔的内部均设置有凹槽，所述线圈支架的内侧位于样品固定器接触面的一端，所述螺丝的头部位于长方形定位孔的凹槽内部，使线圈支架的内侧与样品固定器接触面紧密贴合。
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