CN1525190A

CN1525190A - 平面磁场梯度计

Info

Publication number: CN1525190A
Application number: CNA031053734A
Authority: CN
Inventors: 郎佩琳; 漆汉宏; 郑东宁; 向建勇; 陈珂; 赵忠贤
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-01
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: CN1261768C

Abstract

本发明公开了一种平面磁场梯度计，包括一个闭合环路；另一线路将闭合环路分成两个闭合环路，分别为第一闭合环路和第二闭合环路；所述线路还将闭合环路分成N×M个开环路，该N×M个开环路排列成N行M列。一个或多个超导量子干涉器件与所述另一线路耦合。依据本发明提供的平面磁场梯度计的技术方案，可以构成二维以及任意阶梯度的平面磁场梯度计；而且可以有多个超导量子干涉器件与线路耦合，其位置相对灵活，可提高成品率；其用于探测磁场时，对梯度计的方向性要求不强。

Description

平面磁场梯度计

技术领域

本发明涉及一种磁场探测器件，特别涉及一种利用超导量子干涉器件形成的平面磁场梯度计。

背景技术

超导量子干涉器件(英文简称SQUID)是非常灵敏的磁场探测器件。在检测非常微弱的磁场信号时，环境中一些杂散磁场(如地磁场和空间电磁波)很难采用有效的屏蔽方法。环境噪声往往掩盖了磁信号，甚至会由于磁场太强而使SQUID磁强计不能工作。为了消除环境噪声的影响，在实际应用中往往采用磁场梯度计的形式。梯度计的主要参数是基线长度和阶数，基线长度是指两个采样点之间的距离，阶数是指梯度计所读出的信号对应磁场对空间的导数的次数。一般而言，基线长度越长，则梯度计的灵敏度越高，而阶数越高，则梯度计的抗干扰能力越强。对高温超导而言，由于没有超导线材，不能采取超导线圈的方法来实现梯度计，目前大多采用电子学梯度计和平面式梯度计(见文献1，D.Koelle，R.Kleiner，F.Ludwig，E.Dantsker and J.Clark，’High-transition-temperature superconducting quantuminterference devices’，Rev.Mod.Phys.Vol.71，631(1999)；文献2，S.-G.Lee，Y.Hwang，B.-C.Nam，J.-T.Kim，I.-S.Kim，’Direct-coupled second-order superconductingquantum interference device gradiometer from single layer of high temperaturesuperconductor’，Appl.Phys.Lett.vol.73 2345(1998)；文献3，专利申请号：01131235.1)。

所谓电子学梯度计是指利用多个磁强计在不同位置测得磁场信号，再用电子学的方法将其相减，从而得到梯度计。电子学梯度计的优点是基线长度可任意长，平衡度可以外部调节，且可以构成任意阶数的梯度计，其缺点是电子线路复杂，且如果某一个SQUID磁强计由于外界磁场干扰而不能工作，则梯度计也就不能工作了。平面式梯度计是指将SQUID和梯度探测线圈集成在一片高温超导薄膜上形成梯度计。平面式梯度计的优点是抗干扰能力较强，电子线路相对简单，使用比较方便，但是在已公开的文献中，对于平面式梯度计，没有二维的高温超导梯度计以及三阶及三阶以上的高温超导梯度计的报道。

发明内容

本发明的目的在于采用双闭合环路探测线圈，实现一维和二维任意阶梯度的平面磁场梯度计。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种平面磁场梯度计，包括基片和一设于基片上的闭合环路1，以及超导量子干涉器件7；基片上的另一线路2将闭合环路1分成两个闭合环路，分别为第一闭合环路3和第二闭合环路4，所述线路2是第一闭合环路3和第二闭合环路4的公共部分；

所述线路2还将闭合环路1分成N×M个开环路，该N×M个开环路排列成N行M列，将第i行第j列的开环路编号为[i，j]；

第[i，j]号开环路的面积为第[1，1]号开环路面积的C_M-1 ^i-1C_N-1 ^j-1倍，其中C_M ¹为组合数；面积相等的开环路的电感也相等；

编号i和j相加为奇数的开环路通过第一连接通道5连通成第一闭合环路3，编号i和j相加为偶数的开环路通过第二连接通道6连通成第二闭合环路4；

超导量子干涉器件7与线路2耦合。

为了保证面积相等的开环路其电感也相等，优选地，面积相等的开环路其形状也相等；所述超导量子干涉器件7为一个或一个以上；为了提高共模抑制比，所述第一连接通道5和第二连接通道6的面积与第[1，1]号开环路的面积比小于0.1；所述闭合环路1和线路2为高温超导膜线，所述高温超导膜的材料为钇钡铜氧薄、铋锶钙铜氧、铊钡钙铜氧、汞钡钙铜氧或镧锶铜氧。对于N×M个开环路，其中N≥1且M≥2；对于N×M个开环路，其中N＝2且M＝2、N＝1且M＝4或N＝2且M＝3。

当N＝1时，所有开环路形成排成一行，此平面梯度计即为一维平面梯度计，其阶数为(M-1)；当N≥2时，所有开环路形成一个多行的矩阵，此平面梯度计即为二维平面梯度计，其阶数为(M-1)+(N-1)。

与现有技术相比，依据本发明提供的平面磁场梯度计的技术方案，可以构成二维以及任意阶梯度的平面磁场梯度计；而且本梯度计中SQUID的位置相对灵活，可以有多个SQUID与线路耦合，从而提高成品率；且其用于探测磁场时，对梯度计的方向性要求不强。

附图说明

图1是本发明实施例1的1+1阶二维平面磁场梯度计的结构示意图；

图2是本发明实施例2的3阶平面磁场梯度计的结构示意图；

图3是本发明实施例3的2+1阶二维平面磁场梯度计的结构示意图；

图面说明：

闭合环路1 线路2 第一闭合环路3 第二闭合环路4

第一连接通道5 第二连接通道6 超导量子干涉器件7

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图1所示，在基片(未示出)上设置线路2和闭合环路1，线路2在闭合环路1内绕行，将闭合环路1分成两行两列四个开环路，分别编号为[1，1]、[1，2]、[2，1]和[2，2]，这四个开环路面积相同。开环路[1，2]和[2，1]通过第一连接通道5连通成第一闭合环路3；开环路[1，1]和[2，2]通过第二连接通道6连通成第二闭合环路4。其中，线路2是第一闭合环路3和第二闭合环路4的公共部分。超导量子干涉器件7与线路2耦合。这样就构成了本发明的1+1阶二维平面磁场梯度计。

实施例2：

如图2所示，在基片(未示出)上设置线路2和闭合环路1，线路2在闭合环路1内绕行，将闭合环路1分成排成一行的四个开环路，分别编号为[1，1]、[1，2]、[1，3]和[1，4]，开环路[1，1]和[1，4]的面积相等，开环路[1，2]和[1，3]的面积相等，而开环路[1，2]的面积是[1，1]的三倍。开环路[1，2]和[1，4]通过第一连接通道5连通称第一闭合环路3，开环路[1，1]和[1，3]通过第二连接通道6连通称第二闭合环路4。其中，线路2是第一闭合环路3和第二闭合环路4的公共部分。超导量子干涉器件7与线路2耦合。这样就构成了本发明的3阶平面磁场梯度计。

以此实施例说明本发明的工作原理：

当本梯度计处于在与环路所在平面垂直的磁场中时，由磁通守恒定律，在环路中激发出与磁通大小Φ成正比的电流I。I＝Φ/L其中，Φ是环路内的磁通，L是环路的电感。

第二闭合环路4上的电流大小I₂＝(Φ_[1，1]+Φ_[1，3]+Φ₆)/(L_[1，1]+L_[1，3]+L₆)，第一闭合环路3上的电流大小I₁＝(Φ_[1，2]+Φ_[1，4]+Φ₅)/(L_[1，2]+L_[1，4]+L₅)，其中Φ_[i，j]、L_[i，j]分别是开环路[i，j]内的磁通与环路的电感，Φ₆和L₆是第二连接通道6的磁通与电感，Φ₅和L₅是第一连接通道5的磁通与电感。由于第一连接通道5与第二连接通道6的面积很小，因此Φ₅、Φ₆和L₅、L₆可以忽略不计，则I₂＝(Φ_[1，1]+Φ_[1，3])/(L_[1，1]+L_[1，3])，I₁＝(Φ_[1，2]+Φ_[1，4])/(L_[1，2]+L_[1，4])。因此线路2上的电流I＝I₂-I₁＝(Φ_[1，1]+Φ_[1，3])/(L_[1，1]+L_[1，3])-(Φ_[1，2]+Φ_[1，4])/(L_[1，2]+L_[1，4])。由于开环路[1，1]、[1，4]和[1，2]、[1，3]面形状都分别相等，因此设L_[1，2]＝L_[1，3]＝L，L_[1，1]＝L_[1，4]＝L’，则：I＝(Φ_[1，1]+Φ_[1，3])/(L+L’)-(Φ_[1，2]+Φ_[1，4])/(L+L’)＝(Φ_[1，1]-Φ_[ 1，2]+Φ_[1，3]-Φ_[1，4])/(L+L’)。由Φ＝BA，其中B是磁感应强度，A是环路所围的面积。又因为开环路[1，2]、[1，3]的面积是[1，1]、[1，4]的三倍，设[1，1]的面积为A，则I＝(B_[1，1]-3B_[1，2]+3B_[1，3]-B_[1，4])A/(L+L′)。线路2上的电流产生的磁场与超导量子干涉器件7耦合，从而构成三阶平面磁场梯度计。

实施例3：

如图3所示，在基片(未示出)上设置线路2和闭合环路1，线路2在闭合环路1内绕行，将闭合环路1分成排成两行三列共六个开环路，分别编号为[1，1]、[1，2]、[1，3]、[2，1]、[2，2]和[2，3]，开环路[1，1]、[1，3]、[2，1]和[2，3]的面积相等，开环路[1，2]和[2，2]的面积相等，而开环路[1，2]的面积是[1，1]的两倍。开环路[1，2]、[2，1]和[2，3]通过第一连接通道5连通称第一闭合环路3，开环路[1，1]、[1，3]和[2，2]通过第二连接通道6连通称第二闭合环路4。其中，线路2是第一闭合环路3和第二闭合环路4的公共部分。3个超导量子干涉器件7在不同的位置与线路2耦合。这样就构成了本发明的2+1阶二维平面磁场梯度计。

以上三个实施例的平面梯度计可通过如下方法制备：

首先，按图1～3所示的图形，制作成掩模版。其次，取一片钛酸鍶或铝酸镧基片，利用离子束刻蚀的方法在超导量子干涉器件位置出刻出用于台阶；在此基片上用磁控溅射的方法溅射一层钇钡铜氧薄膜。再次，用已制作好的掩模版，采用光刻的方法，把钇钡铜氧薄膜刻成如图1～3所示的图形，其中台阶要对准图形中的超导量子干涉器件。最后将超导量子干涉器件的电极连接好，便制成了平面磁场梯度计。其中的薄膜材料除钇钡铜氧外，常用的还有铋锶钙铜氧、铊钡钙铜氧、汞钡钙铜氧和镧锶铜氧等，钇钡铜氧中的钇还可换成其他稀土元素。

Claims

1、一种平面磁场梯度计，包括基片和一设于基片上的闭合环路(1)，以及超导量子干涉器件(7)；其特征在于，基片上的另一线路(2)将闭合环路(1)分成两个闭合环路，分别为第一闭合环路(3)和第二闭合环路(4)，所述线路(2)是第一闭合环路(3)和第二闭合环路(4)的公共部分；

所述线路(2)还将闭合环路(1)分成N×M个开环路，该N×M个开环路排列成N行M列，将第i行第j列的开环路编号为[i，j]；

第[i，j]号开环路的面积为第[1，1]号开环路面积的C_M-1 ^i-1C_N-1 ^j-1倍，其中C_M ⁱ为组合数；面积相等的开环路的电感也相等；

编号i和j相加为奇数的开环路通过第一连接通道(5)连通成第一闭合环路(3)，编号i和j相加为偶数的开环路通过第二连接通道(6)连通成第二闭合环路(4)；

超导量子干涉器件(7)与线路(2)耦合。

2、根据权利1所述的平面磁场梯度计，其特征在于，面积相等的开环路其形状也相等。

3、根据权利1所述的平面磁场梯度计，其特征在于，所述超导量子干涉器件(7)为一个或一个以上。

4、根据权利1所述的平面磁场梯度计，其特征在于，所述第一连接通道(5)和第二连接通道(6)的面积与第[1，1]号开环路的面积比小于0.1。

5、根据权利1所述的平面磁场梯度计，其特征在于，所述闭合环路(1)和线路(2)为高温超导膜线。

6、根据权利5所述的平面磁场梯度计，其特征在于，所述高温超导膜的材料为钇钡铜氧薄、铋锶钙铜氧、铊钡钙铜氧、汞钡钙铜氧或镧锶铜氧。

7、根据权利1所述的平面磁场梯度计，其特征在于，其中N≥1且M≥2。

8、根据权利1所述的平面磁场梯度计，其特征在于，其中N＝2且M＝2。

9、根据权利1所述的平面磁场梯度计，其特征在于，其中N＝1且M＝4。

10、根据权利1所述的平面磁场梯度计，其特征在于，其中N＝2且M＝3。