CN1227536C - 高温超导射频量子干涉仪的探头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高温超导射频量子干涉仪(HTc rfSQUID)的探头，包括由三条不闭合的环线构成的超导薄膜空心共面谐振器、与该空心共面谐振器相分离的超导薄膜磁通聚焦器、SQUID器件、微波耦合环，SQUID器件位于磁通聚焦器上方，空心共面谐振器位于SQUID器件上方，处于SQUID器件和微波耦合环之间。本发明的探头，由于空心共面谐振器和磁通聚焦器分离，所以磁通聚焦器的面积可以做得较大，从而可得到更大的有效面积，可提高磁场灵敏度。进一步设计空心共面谐振器的尺寸，该探头可以工作在1.23～1.42GHz频率范围之间，中心频率约为1.3GHz，从而躲开无线通讯频段的干扰。
Description
技术领域：
本发明属于微弱磁场测量装置领域，尤其涉及高温超导射频量子干涉仪(HTcrf SQUID)的探头。
背景技术：
目前高温超导量子干涉仪(HTc SQUID)，无论是直流超导量子干涉仪(dcSQUID)还是射频超导量子干涉仪(rf SQUID)，其基础性研究已取得重要进展，其性能指标已可满足许多应用的需要。HTc SQUID的应用研究已逐渐成为HTcSQUID研究的重点。其中HTc SQUID器件技术的研究更是一直受到人们的重视，其主要原因一方面是人们仍然希望能进一步提高HTc SQUID的磁场灵敏度，另一方面由于高温超导材料本身的固有特征，构成HTc SQUID的超导结的工艺很难控制，特别是性能好的HTc SQUID器件的成品率很低，因此研制新型结构的HTc SQUID器件技术一直是值得注意的研究方向。
超导量子干涉仪(SQUID)的灵敏度决定于SQUID系统的噪声，SQUID的噪声越小，其灵敏度越高。SQUID的磁场噪声谱密度(T/√Hz)为：
式中SΦ 1/2是磁通噪声谱密度(Φ0/√Hz)，
是SQUID探头的磁场磁通转换系数，它是有效面积Aeff的倒数。为了使SQUID有高的磁场灵敏度，除了需要尽量减小系统的磁通噪声SΦ 1/2外，增大有效面积Aeff是有重要作用的。
rf SQUID系统的磁通噪声与射频谐振回路有密切关系。理论分析和实验研究表明，谐振回路的谐振频率越高，谐振回路的品质因素Q越高，rf SQUID磁通噪声越小。利用高温超导薄膜容易制成高谐振频率和高Q值的谐振器。
在HTc rf SQUID的研究中，德国张懿小组(Y.Zhang和M.Muck)曾发展了S型的高温超导YBCO薄膜半波长微带谐振器，由于谐振器结构的限制，SQUID器件的有效面积很小，因而此种结构未能得到高的磁场灵敏度。为了使HTc rfSQUID能得到大的有效面积，高的磁场灵敏度，张懿(Y.Zhang)开发了一种YBCO超导薄膜共面谐振器，如图1(b)所示，它是一种变型的共面微带线半波长谐振器，它和SQUID器件及控制电路间的耦合结构如图1(a)所示。超导薄膜谐振器由三条不闭合的环线构成，中间的环线为半波长微带线，内外环线相当于地线。为了使系统有较大的有效面积，将内环线作得很宽，内孔约为1.5mm，它兼作磁通聚焦器。外径＝3.5mm的rf SQUID器件面对面地与共面谐振器相贴。工作在800MHz频段的高温超导薄膜共面谐振器制作在10mm×10mm的LaAlO3衬底上，中心线尺寸约为8mm，配上内孔为10×500μm2，外经＝3.5mm的rf SQUID器件，其磁场磁通转换系数B/φ＝2.56nT/φ0，即有效面积约为Aeff＝0.81mm2。高温超导共面谐振器的Q值很容易做到几千，配以好的SQUID器件，系统的磁通噪声容易做到2×10-5Φ0/√Hz，最好可以做到8.5×10-6Φ0/√Hz。
这种结构的HTc rf SQUID磁场灵敏度一般可到50fT/√Hz，最好做到23fT/√Hz。然而在这种结构中，器件的有效面积受到超导薄膜共面谐振器尺寸的限制，不能进一步提高。特别是如果人们为了躲开无线通讯(手机)频段而进一步提高工作频率，例如提高到1.23～1.42GHz，此时共面谐振器的尺寸需按比例减小，结果会使SQUID的有效面积减小，因而会降低磁场灵敏度。
发明内容：
本发明的目的提供一种新型结构的HTc rf SQUID探头，既得到低的磁通噪声，又得到高的磁场灵敏度。
进一步设计探头中的共面谐振器的尺寸，可以使得所述探头可以工作在1.23～1.42GHz频率范围之间，中心频率约为1.3GHz，带宽为190MHz，以躲开无线通讯(手机)频段的干扰。
本发明的技术方案如下：
高温超导射频量子干涉仪探头，包括磁通聚焦器，共面谐振器，SQUID器件，微波耦合环。所述磁通聚焦器、共面谐振器均为超导薄膜；所述SQUID器件位于所述磁通聚焦器上方；所述共面谐振器是由三条不闭合的环线构成的空心共面谐振器，该共面谐振器和所述磁通聚焦器相分离，并且位于所述SQUID器件上方，即处于所述SQUID器件和所述微波耦合环之间。
所述的高温超导射频量子干涉仪探头，共面谐振器与SQUID器件之间的距离可以通过加入一定厚度的垫片进行调节，以改变SQUID器件与谐振器回路之间的耦合系数。
所述的高温超导射频量子干涉仪探头，进一步设计共面谐振器的尺寸，该探头可以工作在1.23～1.42GHz频率范围之间，中心频率约为1.3GHz，带宽为190MHz，具体方案如下：所述空心共面谐振器制作在10×10mm2的衬底上；所述三条不闭合环线的宽度均为200μm，线间距离为100μm，中间环线的边长或直径为4.4mm；所述三条不闭合环线上的开口长度为50μm，且外环与中环开口处成180°角。所述衬底为LaAlO3衬底或者SrTiO3衬底。
本发明的优点和积极效果：
本发明的探头，由于超导薄膜空心共面谐振器和磁通聚焦器分离，所以磁通聚焦器的面积可以做得较大，从而可得到更大的有效面积，可提高磁场灵敏度，而且便于推广到更高频率范围时并不损失器件的有效面积。发明人用1.3GHz射频工作电路对本发明的探头进行了测试，探头采用的是无磁通聚焦器的超导薄膜空心共面谐振器和大面积磁通聚焦器这种新型结构形式，并用HP 35665A动态信号分析仪测量了系统的噪声谱曲线。测量是在μ合金屏蔽筒内进行的，测量结果示于图3，可以看出其白噪声为SΦ 1/2＝2.8×10-5Φ0/√Hz；发明人对该结构系统的磁场磁通转换系数进行了定标，在谐振器与rf SQUID器件之间加了2mm的LaAlO3垫片的情况下，测量得B/φ＝1.52nT/Φ0，有效面积Aeff＝1.35mm2。由此可得系统的磁场灵敏度SB 1/2＝43fT/√Hz(白噪声区)。
附图说明：
图1(a)为现有的HTc rfSQUID探头结构示意图，图中：
11、14-衬底，12、13-超导薄膜，15-微波耦合环
11和12共同组成超导薄膜共面谐振器
13和14共同组成SQUID器件
图1(b)为现有的HTc rfSQUID探头采用的共面谐振器结构示意图；
图2(a)为本发明的HTc rf SQUID探头结构示意图，图中：
21、24、27-衬底，22、23、26-超导薄膜，25-微波耦合环，28-垫片
21和22共同组成超导薄膜磁通聚焦器
23和24共同组成SQUID器件
26和27共同组成超导薄膜空心共面谐振器
图2(b)为本发明的HTc rfSQUID探头采用的超导薄膜空心共面谐振器的结构示意图；
图2(c)为本发明的HTc rfSQUID探头采用的磁通聚焦器器结构示意图；
图3为本发明的HTc rf SQUID探头与1.3GHz射频电路组成的HTc rfSQUID系统的磁通噪声谱曲线。
具体实施方式：
如图2(a)所示，探头是由三层结构构成。磁通聚焦器(21和22)由面积较大的YBCO超导薄膜制成，外经＝3.5mm的SQUID器件(23和24)与磁通聚焦器面对面相贴。超导薄膜空心共面谐振器(26和27)放在SQUID器件上方、在SQUID器件和微波耦合环25中间。超导薄膜空心共面谐振器与SQUID器件之间的距离可以通过加入一定厚度的LaAlO3垫片28来调节，以改变SQUID器件和谐振器回路之间的耦合系数κ。
如图2(b)和(c)所示，分别为构成空心共面谐振器的超导薄膜26和构成磁通聚焦器的超导薄膜22，分别制作在LaAlO3衬底27和21上。薄膜用脉冲激光淀积制备，厚度约为300nm。图型采用标准光刻工艺制备，即甩胶、烘烤、爆光、显影、定影，最后用2％的稀磷酸湿法腐蚀而成。
超导薄膜空心共面谐振器的谐振频率设计为1.3GHz频段，中心环线尺寸为4.4mm，它制作在10×10mm2的LaAlO3衬底27上。三条开口环的宽度均为200μm，开口大小是50μm，线间距离为100μm，外环与中环开口处成θ＝180°角。用反射法在HP8590L谱仪上对该共面谐振器的谐振频率和无载品质因数Q0进行测量，测得谐振频率f0在1.24GHz左右，无载品质因数Q0在1850左右。
超导薄膜磁通聚焦器作在15×15×mm2的LaAlO3衬底21上，为了充分利用衬底面积，超导薄膜一直延伸到衬底边缘。磁通聚焦器中心孔尺寸为1.2×1.2mm2，在开缝的外端口设计了一个方形缺口，在整个图形光刻爆光以前，此处预先经较长时间爆光，以避免制作过程中狹缝在端点连接。
整个探头按图2(a)所示装配，所用SQUID器件(23和24)外径＝3.5mm，内孔为10×500μm2，制作在5×5mm2的SrTiO3衬底24上，器件上的Josephson结为衬底台阶结。微波耦合环和超导薄膜空心共面谐振器之间的距离可以通过调节垫片28的厚度进行调节，用于调节rf SQUID器件的谐振器与微波传输线之间的耦合系数，以此改变探头的有载品质因素QL。用HP 8590L频谱仪测得探头的谐振频率f0是1.27GHz，Δf＝5.3MHz，QL为240。
Claims (4)
1.高温超导射频量子干涉仪探头，包括磁通聚焦器，共面谐振器，超导量子干涉仪器件，微波耦合环，所述磁通聚焦器、共面谐振器均为超导薄膜，所述超导量子干涉仪器件位于所述磁通聚焦器上方，其特征在于：
所述共面谐振器是由三条不闭合的环线构成的空心共面谐振器，该共面谐振器和所述磁通聚焦器相分离，并且位于所述超导量子干涉仪器件上方，处于所述超导量子干涉仪器件和所述微波耦合环之间。
2.如权利要求1所述的高温超导射频量子干涉仪探头，其特征在于：所述空心共面谐振器与所述超导量子干涉仪器件之间设有垫片。
3.如权利要求1或2所述的高温超导射频量子干涉仪探头，其特征在于：所述空心共面谐振器制作在10×10mm2的衬底上；所述三条不闭合环线的宽度均为200μm，线间距离为100μm，中间环线的边长或直径为4.4mm；所述三条不闭合环线上的开口长度为50μm，且外环与中环开口处成180°角。
4.如权利要求3所述的高温超导射频量子干涉仪探头，其特征在于：所述衬底为LaAlO3衬底或者SrTiO3衬底。
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