CN114675224B - 一种超导量子干涉器件测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于超导磁测量领域的一种超导量子干涉器的测试装置及测试方法。该测试装置包含：外整体屏蔽层、内整体屏蔽层、SQUID屏蔽层、SQUID屏蔽盖、超导线圈屏蔽层和整体吊装，其中，整个测试装置通过整体吊装可以固定在装有液氦的真空腔中。通过两个低温温度传感器实现整体的温度监测与控制。超导线圈提供测试信号，超导线圈屏蔽盖提供良好电磁与信号屏蔽。实现SQUID输出信号与输入信号关系的测量。本发明装置结构简单，方法简便，多重电磁屏蔽层为SQUID提供良好的电磁环境，通过超导线圈实现SQUID相关测试，整体测试装置可为SQUID提供稳定的工作环境，保障了SQUID的有效输出。
Description
技术领域
本发明属于重力测试技术领域，特别涉及一种超导量子干涉器件测试装置及测试方法，具体是一种应用于超导磁悬浮监测的超导量子干涉仪的测试装置。
背景技术
约瑟夫森效应的发现，将超导的应用拓展到弱电弱磁领域中，超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Devices，SQUID)是一种以约瑟夫森结为核心部分发展起来的超导电子器件，它是目前最灵敏的商用磁传感器，由于其极高的灵敏度广泛应用于生物医学、太空探索、地球勘探、精密测量等领域。SQUID应用于超导重力仪等高精度重力监测仪器，能够很好的提高仪器的精度。
SQUID与其它种类的微弱磁场测量仪器相比，具备在仪器工作在液氦(4.2K)环境下，系统的热噪声相对于常温时较低，材料的机械稳定性优于其他金属，超导电路中的超导电流基本不随时间衰减(相对变化大概为10-8/年)，SQUID放大器的噪声非常低等优点。
SQUID需要工作在液氦温度下，约瑟夫森结需要在液氦温度下才能够处于超导态。SQUID对温度变化以及电磁信号十分敏感，常规的测试装置无法达到相应的屏蔽要求。该SQUID测试装置可以在液氦温度下实现温度实时监测，实时控制，并利用含有磁屏蔽的超导线圈实现磁场变化测量。
发明内容
本发明的目的是一种超导量子干涉器件测试装置及测试方法，其特征在于，
所述超导量子干涉器件测试装置主要由外整体屏蔽层、内整体屏蔽层、外低温低温加热丝、外低温温度传感器、内低温温度传感器、SQUID屏蔽层、SQUID屏蔽盖、环氧隔离柱、超导线圈屏蔽层、超导线圈屏蔽盖和外整体吊装组成；其中，外整体吊装2固定在外整体屏蔽层1上端，内整体屏蔽层3通过SQUID屏蔽盖13与外整体吊装2的中部连接，外整体吊装2的中心设置整体吊装引线孔14；SQUID屏蔽层11顶端与内整体屏蔽层3顶端同轴固定；超导线圈屏蔽层4通过超导线圈屏蔽盖9、环氧隔离柱10与SQUID屏蔽层11同轴固定；超导线圈绕在线圈骨架5上，线圈骨架5固定在超导线圈屏蔽层4内；内低温温度传感器6放置在内整体屏蔽层3与超导线圈屏蔽层4之间的内整体屏蔽层3的底面上；缠有低温加热丝的外低温温度传感器7固定在外整体屏蔽层1与内整体屏蔽层3之间的外整体屏蔽层1的底面上；
所述外整体屏蔽层1、内整体屏蔽层3、超导线圈屏蔽层4、SQUID屏蔽层11均为圆柱形筒状结构。
所述超导线圈分别绕制在线圈骨架5上下端，其上部分直径大于下部分直径1mm；并通过超导线圈屏蔽层引线孔8将引线引出，超导上线圈19绕制在线圈骨架5的上端，超导下线圈20绕制在线圈骨架5的下端。
所述超导线圈屏蔽盖9盖住超导线圈屏蔽层4并与环氧隔离柱10固定，利用低温胶带与SQUID屏蔽层11底部相连。
所述SQUID屏蔽盖13中心开SQUID屏蔽盖引线孔12，并与整体吊装引线孔14同心。
所述外整体屏蔽层为圆柱形状结构，材料为坡莫合金，且厚度为1-5mm。
所述内整体屏蔽层、SQUID屏蔽层、超导线圈屏蔽层皆为圆柱筒结构，材料为铌，且圆柱筒壁厚度为1-2mm。
一种超导量子干涉器件的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)首先进行超导线圈绕制，超导线圈骨架5分上下两个部分，上部分直径大于下部分直径1mm，上超导线圈19绕制于上部分，匝数为5-10匝；使用低温胶进行固定，并采用双绞线接入内部SQUID输入端；下超导线圈20绕制于下部分，匝数为1-5匝，使用低温胶进行固定，并使用低温胶带与热缩管将两超导线圈进行绝缘；将下超导线圈的超导引线从超导线圈屏蔽层4外侧的超导线圈屏蔽层引线孔8引出超导线圈屏蔽层4；然后该引线及SQUID导线通过SQUID屏蔽盖13的引线孔12引出，最后将超导线圈屏蔽盖9盖好；
步骤2)将需要测试的SQUID装入SQUID屏蔽层11内，用螺钉进行固定。将装有超导线圈的超导线圈屏蔽层4与环氧隔离柱10用低温胶带固定于SQUID屏蔽层11的底上；将内低温温度传感器6放置在内整体屏蔽层3与超导线圈屏蔽层4之间的内整体屏蔽层3的底面上，将超导线圈引线、SQUID引线、温度传感器引线进行绝缘处理，并分别套上电磁屏蔽外层，将引线从SQUID屏蔽盖13的引线孔12引出，并将SQUID屏蔽盖13与内整体屏蔽层3固定于外整体吊装2上；
步骤3)将缠有低温加热丝的外低温温度传感器7固定在内整体屏蔽筒3内，低温加热丝与外低温温度传感器的引线分别进行绝缘，并分别套上电磁屏蔽外层，从外整体吊装2的整体吊装引线孔14引出；
步骤4)将装置安装完毕，利用外整体固定螺孔15、SQUID固定螺孔16、内整体固定螺孔17将整个测试装置内外进行机械固定，之后将整个装置置于液氦中，液氦从SQUID屏蔽盖13流入内整体屏蔽层3，使整个装置冷却至液氦温度，通过内低温温度传感器6示数确定SQUID处于超导态，进行步骤5；
步骤5)将超导下线圈20引线接入直流信号源18，SQUID输出接入精密电压表23；通过直流信号源18向超导下线圈20通入不同的电压信号；通过改变直流信号源18的输出，同时记录观察SQUID输出到精密电压表23的变化。
本发明的有益效果为：
装置结构简单，方法简便，多重磁屏蔽为SQUID提供良好的电磁环境，通过超导线圈也可以实现SQUID信号输入，整体测试装置为SQUID提供稳定的工作环境。
附图说明
图1是超导量子干涉器测试装置的结构示意图。
图2是超导量子干涉器测试装置的外屏蔽层的俯视示意图；
图3是利用Ansoftmaxwell实现的含屏蔽超导线圈磁场仿真结果图。
图4是实施例中SQUID输入与输出测试原理图。
图5是实施例中SQUID输入与输出结果关系曲线。
图中：1-外整体屏蔽层、2-外整体吊装、3-内整体屏蔽层、4-超导线圈屏蔽层、5-线圈骨架、6-低温温度传感器、7-缠有低温加热丝的低温温度传感器、8-超导线圈屏蔽层引线孔、9-超导线圈屏蔽盖、10-环氧隔离柱10、11-SQUID屏蔽层、12-SQUID屏蔽盖引线孔、13-SQUID屏蔽盖、14-整体吊装引线孔、15-外整体固定螺孔、16-SQUID固定螺孔、17-内整体固定螺孔、18-直流信号源、19-超导上线圈、20-超导下线圈、21-SQUID内部输入线圈、22-SQUID的输出、23-精密电压表。
具体实施方式
本发明提出一种超导量子干涉器件测试装置及测试方法，下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1、图2所示的超导量子干涉器测试装置的结构示意图；图中所示超导量子干涉器件测试装置主要由外整体屏蔽层、内整体屏蔽层、外低温低温加热丝、外低温温度传感器、内低温温度传感器、SQUID屏蔽层、SQUID屏蔽盖、环氧隔离柱、超导线圈屏蔽层、超导线圈屏蔽盖和外整体吊装组成；其中，外整体吊装2固定在外整体屏蔽层1上端，内整体屏蔽层3通过SQUID屏蔽盖13与外整体吊装2的中部连接，外整体吊装2的中心设置整体吊装引线孔14；SQUID屏蔽层11顶端与内整体屏蔽层3顶端同轴固定；超导线圈屏蔽层4通过超导线圈屏蔽盖9、环氧隔离柱10与SQUID屏蔽层11同轴固定；超导线圈绕在线圈骨架5上，线圈骨架5固定在超导线圈屏蔽层4内；内低温温度传感器6放置在内整体屏蔽层3与超导线圈屏蔽层4之间的内整体屏蔽层3的底面上；缠有低温加热丝的外低温温度传感器7固定在外整体屏蔽层1与内整体屏蔽层3之间的外整体屏蔽层1的底面上；在图1、2中，所述外整体屏蔽层为圆柱形筒状结构，材料为坡莫合金，且厚度为1-5mm。在实际使用中，内整体屏蔽层3、SQUID屏蔽层11、超导线圈屏蔽层4的厚度选择范围为1-2mm，材料为铌，
如图3所示，通过Ansoft Maxwell仿真软件进行计算，内整体屏蔽层3、SQUID屏蔽层11、超导线圈屏蔽层4的厚度优选为1mm，SQUID屏蔽层11与超导线圈屏蔽层4之间用环氧隔离柱相连，避免超导线圈信号输入产生的电磁影响SQUID。所述超导线圈屏蔽盖9盖住超导线圈屏蔽层4并与环氧隔离柱10固定(如图1所示)，利用低温胶带与SQUID屏蔽层11底部相连。在对超导线圈通电的情况下，内部磁场强度在外整体屏蔽层1的作用下，进入内部整体的电磁影响将进一步削弱。
如图4所示为SQUID测试方法的原理图，超导线圈分别绕在线圈骨架5上下端，分别为超导上线圈19与超导下线圈20；分别对应于图4中的L3与L2，并通过超导线圈屏蔽层引线孔8将引线引出，SQUID内部输入线圈21为L0，通过直流信号源18向线圈骨架5上绕制的超导下线圈20通入不同电压的信号，通过超导线圈之间的互感，超导上线圈19将磁通变化反馈给SQUID内部输入线圈21，最后利用精密电压表23读出SQUID输出信号。得到的直流信号源18输入与所需测试的SQUID输出关系曲线(如图5所示)。
实施例
将整个SQUID测试装置封装于真空腔中进行测试，外低温低温加热丝与低温温度传感器与传感器用于控制整个测试装置的温度，内温度传感器用于确保SQUID处于超导态，超导线圈线通过超导线圈屏蔽层引线孔引出，该引线可接入信号发生器用于SQUID测试。具体操作如下：
所需测试的SQUID放置于SQUID屏蔽层11中，并通过螺孔栓接固定，在SQUID屏蔽层11粘贴低温温度传感器，将超导线圈引线、SQUID引线、温度传感器引线进行绝缘处理，并分别套上电磁屏蔽外层，将引线从SQUID屏蔽盖引线孔12引出，SQUID屏蔽层11整体通过螺孔栓接固定在内整体屏蔽层3上，并通过SQUID屏蔽盖13螺孔栓接固定在外整体吊装2上。外整体屏蔽层1将内部整体包裹并用螺孔栓接在外整体吊装上。整个测试系统置于液氦中。
在本实施例中，内整体屏蔽层3、SQUID屏蔽层11、超导线圈屏蔽层4为超导屏蔽层，制造材料为金属铌。由于铌在液氦温度下处于超导态，由铌制成的超导屏蔽层表面由于迈斯纳效应会产生感应电流，从而抵消屏蔽层外界的电磁场影响，在液氦条件下，超导屏蔽层内表面感应的电流可以阻止其内部的引线带来的电磁影响穿透到屏蔽层中。
在本实施例中，超导线圈引线、SQUID引线、温度传感器引线分别进行绝缘处理，采用热缩管、低温胶带进行绝缘处理，并分别套上电磁屏蔽外层，尽量减少电磁信号引入SQUID屏蔽层11。另外，为达到更理性的屏蔽效果，可以采用多层电磁屏蔽外层包裹引线，引线要尽量整齐，必要时使用双绞线，进一步减小电磁信号对SQUID的影响。
在本实施例中，外整体屏蔽层1由坡莫合金制成，坡莫合金是一种高磁导率材料，能够有效隔绝电磁场；在本实施例的实际使用中，外整体屏蔽层1厚度的优选为5mm，内部整体位于外整体屏蔽层1内但不要接触外整体屏蔽层1底部。另外，为达到更理想的屏蔽效果，外整体屏蔽层1的层数可采用多层。
本实施例中超导量子干涉器件的测试方法包括如下步骤：
步骤1)首先进行超导线圈绕制，超导线圈骨架5分上下两个部分，上部分直径大于下部分直径1mm，上超导线圈19绕制于上部分，匝数为5-10匝，使用低温胶进行固定，并采用双绞线接入内部SQUID输入端；下超导线圈20绕制于下部分，匝数为1-5匝；使用低温胶进行固定，并使用低温胶带与热缩管将两超导线圈进行绝缘；将下超导线圈20的超导引线从超导线圈屏蔽层4外侧的超导线圈屏蔽层引线孔8引出超导线圈屏蔽层4；然后该引线及SQUID导线通过SQUID屏蔽盖13的引线孔12引出，最后将超导线圈屏蔽盖9盖好；
步骤2)将需要测试的SQUID装入SQUID屏蔽层11内，用螺钉进行固定；将装有超导线圈的超导线圈屏蔽层4与环氧隔离柱10用低温胶带固定于SQUID屏蔽层11的底上；将内低温温度传感器6放置在内整体屏蔽层3与超导线圈屏蔽层4之间的内整体屏蔽层3的底面上，将超导线圈引线、SQUID引线、温度传感器引线进行绝缘处理，并分别套上电磁屏蔽外层，将引线从SQUID屏蔽盖13的引线孔12引出，并将SQUID屏蔽盖13与内整体屏蔽层3固定于外整体吊装2上；
步骤3)将缠有低温加热丝的外低温温度传感器7固定在内整体屏蔽筒3内，低温加热丝与外低温温度传感器的引线分别进行绝缘，并分别套上电磁屏蔽外层，从外整体吊装2的整体吊装引线孔14引出；
步骤4)将装置安装完毕，利用外整体固定螺孔15、SQUID固定螺孔16、内整体固定螺孔17将整个测试装置内外进行机械固定，之后将整个装置置于液氦中，液氦从SQUID屏蔽盖13流入内整体屏蔽层3，使整个装置冷却至液氦温度，通过内低温温度传感器6示数确定SQUID处于超导态，进行步骤5)；
步骤5)将超导下线圈20引线接入直流信号源18，SQUID输出22接入精密电压表23；通过直流信号源18向线圈骨架5上的超导下线圈20通入不同电压的信号，通过改变直流信号源18的输出，同时记录观察SQUID输出到精密电压表23的变化。
Claims (8)
1.一种超导量子干涉器件测试装置，其特征在于，所述超导量子干涉器件测试装置主要由外整体屏蔽层、内整体屏蔽层、低温加热丝、外低温温度传感器、内低温温度传感器、SQUID屏蔽层、SQUID屏蔽盖、环氧隔离柱、超导线圈屏蔽层、超导线圈屏蔽盖和外整体吊装组成；其中，外整体吊装(2)固定在外整体屏蔽层(1)上端，内整体屏蔽层(3)通过SQUID屏蔽盖(13)与外整体吊装(2)的中部连接，外整体吊装(2)的中心设置整体吊装引线孔(14)；SQUID屏蔽层(11)顶端与内整体屏蔽层(3)顶端同轴固定；超导线圈屏蔽层(4)通过超导线圈屏蔽盖(9)、环氧隔离柱(10)与SQUID屏蔽层(11)同轴固定；超导线圈绕在线圈骨架(5)上，线圈骨架(5)固定在超导线圈屏蔽层(4)内，内低温温度传感器(6)放置在内整体屏蔽层(3)与超导线圈屏蔽层(4)之间的内整体屏蔽层(3)的底面上；外低温温度传感器(7)上缠有低温加热丝；并固定在外整体屏蔽层(1)与内整体屏蔽层(3)之间的外整体屏蔽层(1)的底面上。
2.根据权利要求1所述超导量子干涉器件测试装置，其特征在于，所述外整体屏蔽层(1)、内整体屏蔽层(3)、超导线圈屏蔽层(4)、SQUID屏蔽层(11)均为圆柱形筒状结构。
3.根据权利要求1所述超导量子干涉器件测试装置，其特征在于，所述超导线圈分别绕制在线圈骨架(5)上下端，其上部分直径大于下部分直径1mm；并通过超导线圈屏蔽层引线孔(8)将引线引出，绕制在线圈骨架(5)上端的为上超导线圈(19)与绕制在线圈骨架(5)下端的为下超导线圈(20)。
4.根据权利要求1所述超导量子干涉器件测试装置，其特征在于，所述超导线圈屏蔽盖(9)盖住超导线圈屏蔽层(4)并与环氧隔离柱(10)固定，利用低温胶带与SQUID屏蔽层(11)底部相连。
5.根据权利要求1所述超导量子干涉器件测试装置，其特征在于，所述SQUID屏蔽盖(13)中心开SQUID屏蔽盖引线孔(12)，并与整体吊装引线孔(14)同心。
6.根据权利要求1所述超导量子干涉器件测试装置，其特征在于，所述外整体屏蔽层为圆柱形状结构，材料为坡莫合金，且厚度为1-5mm。
7.根据权利要求1所述超导量子干涉器件测试装置，其特征在于，所述内整体屏蔽层、SQUID屏蔽层、超导线圈屏蔽层皆为圆柱筒结构，材料为铌，且圆柱筒壁厚度为1-2mm。
8.一种权利要求1所述超导量子干涉器件测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)首先进行超导线圈绕制，超导线圈骨架(5)分上下两个部分，上部分直径大于下部分直径1mm，上超导线圈(19)绕制于上部分，匝数为5-10匝，使用低温胶进行固定，并采用双绞线接入内部SQUID输入端；下超导线圈(20)绕制于下部分，匝数为1-5匝；使用低温胶进行固定，并使用低温胶带与热缩管将两超导线圈进行绝缘；将下超导线圈(20)的超导引线从超导线圈屏蔽层(4)外侧的超导线圈屏蔽层引线孔(8)引出超导线圈屏蔽层(4)；然后该引线及SQUID导线通过SQUID屏蔽盖(13)的引线孔(12)引出，最后将超导线圈屏蔽盖(9)盖好；
步骤2)将需要测试的SQUID装入SQUID屏蔽层(11)内，用螺钉进行固定；将装有超导线圈的超导线圈屏蔽层(4)与环氧隔离柱(10)用低温胶带固定于SQUID屏蔽层(11)的底上；将内低温温度传感器(6)放置在内整体屏蔽层(3)与超导线圈屏蔽层(4)之间的内整体屏蔽层(3)的底面上，将超导线圈引线、SQUID引线、温度传感器引线进行绝缘处理，并分别套上电磁屏蔽外层，将引线从SQUID屏蔽盖(13)的引线孔(12)引出，并将SQUID屏蔽盖(13)与内整体屏蔽层(3)固定于外整体吊装(2)上；
步骤3)将缠有低温加热丝的外低温温度传感器(7)固定在内整体屏蔽层(3)内，低温加热丝与外低温温度传感器(7)的引线分别进行绝缘，并分别套上电磁屏蔽外层，从外整体吊装(2)的整体吊装引线孔(14)引出；
步骤4)将装置安装完毕，利用外整体固定螺孔(15)、SQUID固定螺孔(16)、内整体固定螺孔(17)将整个测试装置内外进行机械固定，之后将整个装置置于液氦中，液氦从SQUID屏蔽盖(13)流入内整体屏蔽层(3)，使整个装置冷却至液氦温度，通过内低温温度传感器(6)示数确定SQUID处于超导态，进行步骤5)；
步骤5)将下超导线圈(20)引线接入直流信号源(18)，通过直流信号源(18)向线圈骨架(5)上的下超导线圈(20)通入不同电压的信号，SQUID的输出(22)接入精密电压表(23)，通过改变直流信号源(18)的输出，同时记录观察SQUID输出到精密电压表(23)的变化。
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