CN1632962A - 一种增加超导量子干涉器件灵敏度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增加超导量子干涉器件灵敏度的方法，它采用在磁通变换器和SQUID耦合这种结构中置入一层磁性介质来增加磁通密度提高其灵敏度。与同等有效面积的SQUID相比外磁场改变一个磁通量子对应着更小的磁场的变化，从而相当于增加了SQUID的有效面积。这种方法可以把有效面积增大到原来的μ介质磁导率倍，μ为介质磁导率，与现有技术相比，可以提高2至3个数量级。
Description
技术领域
本发明涉及一种增加超导量子干涉器件有效面积，提高其灵敏度的方法。
背景技术
超导隧道效应的发现曾得到科学界和社会的广泛重视，由此发展起来的超导量子干涉器件(SQUID)作为超灵敏探测器已得到广泛应用，至今，SQUID的出现虽已有三十多年，但只在薄膜技术发展以后才真正得到应用，用SQUID作为敏感元件测定磁场的变化，是目前所有检测磁场或磁通的最灵敏的方案。随着高温超导研究的进展，各种高温超导薄膜SQUID的性能也在不断提高，如采用YBCO斜面结(ramp-type Josephsonjunction)，PBCO势垒，多圈的磁通变换器，与多圈输入线圈耦合，磁通噪声密度(1Hz，77K)为
(详见参考文献[1])；国内的双晶结SQUID，利用磁通变换器在1Hz处磁场的分辨率77K下可降至几个
虽然高温器件给应用带来了便利，但目前高温SQUID的性能仍是限制其实际应用范围的主要因素。例如，心磁、脑磁等生物磁学领域就对高温SQUID提出了更高磁场分辨率的要求，通常生物磁信号在50-500fT范围。许多科研小组致力于如何改进设计，改善工艺和实验条件，来提高SQUID的性能以满足这个性能指标，为了增大有效面积，采用了多种高温SQUID的设计方案，现已研究的各种各样磁通变换器的结构和SQUID的结构详见参考文献[2]-[4]。这些方案为了得到大的有效面积不得不把大电感(大面积)拾取线圈与小电感的SQUID相耦合，从而带来了不少匹配和工艺问题。
参考文献：
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发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种通过在磁通变换器和SQUID耦合结构中置入一层磁性介质来增加超导量子干涉器件有效面积、提高其灵敏度的方法，该方法包括以下步骤：
1)在基片上淀积铁磁膜；
2)测弱磁场下磁膜的磁滞回线，找出磁滞回线狭长、包围面积小且矫顽力低的磁介质薄膜，备用；
3)制备多圈磁通变换器；
4)制备双结SQUID即dc SQUID；
5)将磁通变换器、镀有磁性薄膜的基片和SQUID耦合封装。
进一步地，在步骤1中用脉冲激光淀积法分别沉积1000-5000的铁氧体或坡莫合金薄膜。
进一步地，在步骤2中采用振动样品磁强计在fT的弱磁场下测磁膜的磁滞回线，寻找回线狭长且矫顽力低的磁膜。
进一步地，在步骤3中制备多圈磁通变换器的方法如下：
先在φ18mm×0.5mm的钛酸锶(SiTrO3)基底上制备三层薄膜(YBCO-PBCO-YBCO)8-18圈输入线圈的磁通变换器：先外延生长底层YBCO超导薄膜，高入射角离子束刻蚀制备小角度边缘底膜，刻蚀后图形为可把磁通变换器上层外圈即拾取线圈的超导薄膜与中间多圈输入线圈的内圈相连接、形成回路的超导膜条；再采用遮挡掩膜法制备中间层的PBCO薄膜做为隔离层，然后外延生长顶层YBCO超导薄膜，镀上电极用银膜，刻蚀出顶层由一个大的拾取线圈与中心部分的多圈输入线圈形成的的超导线圈回路图形。
进一步地，在步骤4中制备dc SQUID的方法如下：
在10mm×10mm×0.5mm的钛酸锶基底上外延生长1800左右厚度的YBCO超导薄膜，通过离子束刻蚀在同一基片上制备两个具有相同设计参数的双结SQUID，目的是为了保证至少一个双节SQUID可以使用，而且对称结构在耦合时也比较方便。
进一步地，在步骤5中，将由步骤1、2制备的磁膜置入dc SQUID和磁通变换器耦合结构中，由下到上分别为磁通变换器、镀有磁膜的玻璃片、dc SQUID，外面由密封盒封装，调制反馈线圈。
进一步地，在步骤1、2中，首先在不同基片上生长不同厚度、面积的铁氧体或坡莫合金的薄膜，然后在fT以下的弱磁场中，测量磁介质薄膜的磁滞回线。
进一步地，所述磁膜直接长在dc SQUID环孔上，与环孔形状相同，以此来取代步骤1、2，然后将此dc SQUID与磁通变换器耦合，由下到上分别为磁通变换器、隔离层、环孔镀有磁膜的dc SQUID，调制反馈线圈，外边用密封盒封装，其上设有引线。
进一步地，所述基片为玻璃片或硅片。
进一步地，对磁通变换器、镀有磁性薄膜的基片、dc SQUID耦合封装与磁通变换器、隔离层、环孔镀有磁膜的dc SQUID耦合封装这两种封装方式之间SQUID探头的性能进行比较，择优选用。
本发明通过在多圈磁通变换器和dc SQUID耦合的结构中置入一层磁性介质来增加dc SQUID的有效面积，dc SQUID在外磁场增加一个磁通量子时，零压隧道电流变化一个周期。在耦合结构中置入一层磁性介质后，增加了SQUID有效面积内的磁通密度(
μ为介质磁导率)，与同等有效面积的dc SQUID相比，外磁场改变一个磁通量子对应着更小的磁场的变化，从而相当于增加了dc SQUID的有效面积。这种设计在理论上最大可以把有效面积增大到μ(磁导率)倍，与上面提到的文献[2]-[4]中增加灵敏度的方案相比，可以容易的提高二至三个数量级，但是由于磁性物质有回滞，实际上并不能达到μ倍，而是小于μ倍。所以对置入磁性介质的材料要进行选择，其H-B，H-M曲线必须狭长且矫顽力小。
附图说明
图1为本发明制备的多圈输入线圈磁通变换器；
图2为本发明中dc SQUID的设计图形；
图3为耦合后的图形；
图4为本发明中SQUID探头耦合封装后的结构示意图。
具体实施方式
图号说明
1-多圈输入线圈磁通变换器
2-dc SQUID设计图形
3-隔离层
4-调制反馈线圈
本发明要置入的磁介质要求在弱磁场下矫顽力很小，近似为0或小于10-15量级，且初始磁导率比较高，由下表，选择铁氧体和坡莫合金。
典型软磁材料的磁导率及其他性能
| 材料 | 化学成分(％) | 起始导磁率 | 最大导磁率 | 矫顽力安培/米(奥斯特) | μ0MS特斯拉(高斯) | 电阻率104欧姆·米 | 居里点℃ |
| 纯铁 | 0.05杂质 | 10000 | 200000 | 4.0(0.05) | 2.15(21500) | 10 | 770 |
| 硅钢(热轧) | 4硅，余为铁 | 450 | 8000 | 4.8(0.6) | 1.97(19700) | 60 | 690 |
| 硅钢(冷轧晶粒取向) | 3.3硅，余为铁 | 600 | 10000 | 16(0.2) | 2.0(20000) | 50 | 700 |
| 45坡莫合金 | 45镍，余为铁 | 2500 | 25000 | 24(0.3) | 1.6(16000) | 50 | 440 |
| 78坡莫合金 | 78.5镍，余为铁 | 8000 | 100000 | 4.0(0.05) | 1.0(10000) | 16 | 580 |
| 超坡莫合金 | 79镍，5钼，0.5锰，余为铁 | 10000～12000 | 1000000～1500000 | 0.32(0.004) | 0.8(8000) | 60 | 400 |
| 铁氧体 | - | 103～104 | - | 10～1(～0.1-0.01) | 0.5(5000) | 104～103 | 100～600 |
实施例1：
先在多个10mm×10mm×0.4mm的玻璃基片上，用脉冲激光淀积法分别沉积1000-5000的铁氧体薄膜，然后在fT的弱磁场下用振动样品磁强计测量磁膜的磁滞回线，选择回线狭长且矫顽力低的磁膜，备用。
再制备多圈磁通变换器和dc SQUID环：先在φ18mm×0.5mm的钛酸锶(SiTrO3)上制备三层薄膜(YBCO-PBCO-YBCO)14圈输入线圈的磁通变换器，首先在基底上外延生长底层YBCO超导薄膜，采用高入射角离子束刻蚀制备小角度边缘底膜；再用遮挡掩膜法制备中间层的PBCO薄膜做为隔离层；然后外延生长顶层YBCO超导薄膜，镀上电极用银膜，刻蚀出顶层图形，如图1所示，这里我们设计的是14圈的输入线圈，虽然理论上这种结构的磁通变换器输入线圈最佳为18圈，但实际上此线圈整体只在1mm2左右的面积上，圈数多、膜条窄、容易断裂，所以8-14圈是较佳的选择。dc SQUID是在10mm×10mm×0.5mm的钛酸锶基底上外延生长1800厚度的YBCO超导薄膜，通过离子束刻蚀出SQUID图形，如图2所示。
最后把磁通变换器，镀有铁氧体薄膜的玻璃基片和dc SQUID进行封装。封装时图形如图3进行耦合，封装示意图如图4所示，探头组装完毕后进行测试，与不置入磁介质薄膜的探头进行比较。
拟实施例2：
本实施例首先要在10mm×10mm×0.4mm的玻璃基片上，用脉冲激光淀积法分别沉积1000-5000的78坡莫合金和45坡莫合金薄膜，再在fT的弱磁场下采用振动样品磁强计测量磁膜的磁滞回线，寻找回线狭长且矫顽力低的磁膜。
制备用于耦合的磁通变换器和dc SQUID环：先在φ18mm×0.5mm的钛酸锶(SiTrO3)上制备三层薄膜(YBCO-PBCO-YBCO)14圈输入线圈的磁通变换器，外延生长底层YBCO超导薄膜，高入射角离子束刻蚀制备小角度边缘底膜，再用遮挡掩膜法制备中间层的PBCO薄膜做为隔离层，然后外延生长顶层YBCO超导薄膜，先刻蚀出顶层图形再镀上电极用银膜，最后图形如图1所示。dc SQUID是在10mm×10mm×0.5mm的钛酸锶基底上外延生长1800厚度的YBCO超导薄膜，通过离子束刻蚀出SQUID图形，在SQUID环孔(大约4μm×110μm)中间镀上一层坡莫合金薄膜(厚度由测试弱磁下磁滞回线时测量决定)，如图2所示。
最后把磁通变换器、隔离层、镀有磁膜的SQUID进行封装，封装时图形如图3所示进行耦合，封装示意图如图4所示，探头组装完毕后进行测试，与不置入磁介质薄膜的探头进行比较。
Claims (10)
1、一种增加超导量子干涉器件有效面积的方法，该方法包括以下步骤：
1)在基片上淀积铁磁膜；
2)测弱磁场下磁膜的磁滞回线，找出磁滞回线狭长、包围面积小且矫顽力低的磁介质薄膜，备用；
3)制备多圈磁通变换器；
4)制备双结SQUID即dc SQUID；
5)将磁通变换器、镀有磁性薄膜的基片和SQUID耦合封装。
2、如权利要求1所述的增加超导量子干涉器件有效面积的方法，其特征在于，在步骤1中用脉冲激光淀积法分别沉积1000-5000的铁氧体或坡莫合金薄膜。
3、如权利要求1所述的增加超导量子干涉器件有效面积的方法，其特征在于，在步骤2中采用振动样品磁强计在fT的弱磁场下测磁膜的磁滞回线，寻找回线狭长且矫顽力低的磁膜。
4、如权利要求1所述的增加超导量子干涉器件有效面积的方法，其特征在于，在步骤3中制备多圈磁通变换器的方法如下：
先在钛酸锶基底上制备三层薄膜多圈输入线圈的磁通变换器：外延生长底层YBCO超导薄膜，高入射角离子束刻蚀制备小角度边缘底膜，刻蚀后图形为可把磁通变换器上层外圈即拾取线圈的超导薄膜与中间多圈输入线圈的内圈相连接、形成回路的超导膜条；再采用遮挡掩膜法制备中间层的PBCO薄膜做为隔离层，然后外延生长顶层YBCO超导薄膜，镀上电极用银膜，刻蚀出顶层的由一个大的拾取线圈与中心部分的多圈输入线圈形成的的超导线圈回路图形，钛酸锶基底尺寸可为φ18mm×0.5mm，输入线圈可为8-18圈输入线圈。
5、如权利要求1所述的增加超导量子干涉器件有效面积的方法，其特征在于，在步骤4中制备dc SQUID的方法如下：
在钛酸锶基底上外延生长YBCO超导薄膜，通过离子束刻蚀制备两个具有相同设计参数的双结SQUID，所述钛酸锶基底尺寸可为10mm×10mm×0.5mm，YBCO超导薄膜厚度可为1800。
6、如权利要求1所述的增加超导量子干涉器件有效面积的方法，其特征在于，在步骤5中，将由步骤1、2制备的磁膜置入dc SQUID和磁通变换器耦合结构中，由下到上分别为磁通变换器、镀有磁膜的玻璃片、dc SQUID，外面由密封盒封装，调制反馈线圈。
7、如权利要求1所述的增加超导量子干涉器件有效面积的方法，其特征在于，在步骤1、2中，首先在不同基片上生长不同厚度、面积的铁氧体或坡莫合金的薄膜，然后在fT以下的弱磁场中，测量磁介质薄膜的磁滞回线。
8、如权利要求1所述的增加超导量子干涉器件有效面积的方法，其特征在于，所述磁膜直接长在dc SQUID环孔上，与环孔形状相同，以此来取代步骤1、2，然后将此dc SQUID与磁通变换器耦合，由下到上分别为磁通变换器、隔离层、环孔镀有磁膜的dc SQUID，调制反馈线圈，外边用密封盒封装，其上设有引线。
9、如权利要求1所述的增加超导量子干涉器件有效面积的方法，其特征在于，所述基片为玻璃片或硅片。
10、如权利要求1所述的增加超导量子干涉器件有效面积的方法，其特征在于，对磁通变换器、镀有磁性薄膜的基片、dc SQUID耦合封装与磁通变换器、隔离层、环孔镀有磁膜的dc SQUID耦合封装这两种封装方式之间SQUID探头的性能进行比较，择优选用。
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