本發(fā)明涉及磁傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置、方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

基于超導(dǎo)量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)的磁傳感器是目前已知的最靈敏的磁探測(cè)器。廣泛應(yīng)用于生物磁場(chǎng)、地球磁場(chǎng)異常、極低場(chǎng)核磁共振等微弱磁場(chǎng)探測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域，其探測(cè)靈敏度已經(jīng)達(dá)到飛特(10^-15特斯拉)量級(jí)。SQUID磁傳感器是極限探測(cè)、科學(xué)研究中重要的磁傳感器設(shè)備，具有很高的科研和應(yīng)用價(jià)值。

SQUID器件是SQUID磁傳感器中最核心的磁敏感元件。通常采用直流SQUID器件(以下所述的SQUID都指直流SQUID器件)，該器件是由兩個(gè)超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)并聯(lián)構(gòu)成的一個(gè)超導(dǎo)環(huán)，在約瑟夫森結(jié)的兩端引出端子，加載一定的偏置電流，SQUID兩端的電壓將具有隨其感應(yīng)磁場(chǎng)發(fā)生變化的特性，即SQUID感應(yīng)外界磁通，輸出響應(yīng)的電壓，輸入磁通和電壓構(gòu)成對(duì)應(yīng)的傳輸特性，典型的SQUID磁通-電壓傳輸特性曲線如圖1所示，該磁通-電壓傳輸特性類(lèi)似于正弦波，是周期非線性的，周期為一個(gè)磁通量子Φ₀(2.07×10^-15韋伯)。

SQUID磁傳感器就是依賴上述SQUID磁通-電壓傳輸特性應(yīng)用磁通-電壓鎖定環(huán)路(Flux-Locked Loop，F(xiàn)LL)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)磁通檢測(cè)并線性轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，構(gòu)成基于SQUID的高靈敏度低噪聲磁傳感器?；诖磐?鎖定環(huán)路的SQUID磁傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理是：選擇SQUID磁通-電壓傳輸特性其中一個(gè)工作點(diǎn)，在工作點(diǎn)處，SQUID輸出電壓為零，積分器沒(méi)有積分，所有輸出穩(wěn)定，達(dá)到負(fù)反饋的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)外部被測(cè)磁通發(fā)生變化，SQUID感應(yīng)到偏離工作點(diǎn)的磁通ΔΦ，將根據(jù)磁通-電壓傳輸特性曲線輸出電壓ΔV，該電壓經(jīng)低噪聲前置放大器進(jìn)行信號(hào)放大，并送入積分器，積分器根據(jù)輸入電壓大小積分調(diào)制輸電電壓V_FLL，該電壓V_FLL驅(qū)動(dòng)反饋電阻產(chǎn)生反饋電流I_f，反饋電流通過(guò)反饋電感L_f與磁敏感元件SQUID的互感M_f產(chǎn)生抵消磁通，抵消外部輸入的磁通，直到完全抵消，使得輸入積分器的電壓V_FLL歸零，整個(gè)負(fù)反饋環(huán)路恢復(fù)平衡，SQUID狀態(tài)回到工作點(diǎn)。從磁通-電壓鎖定環(huán)路的負(fù)反饋工作過(guò)程可知，輸入的被測(cè)磁通大小與抵消磁通始終相同，因此被測(cè)磁通Φ大小產(chǎn)生抵消磁通的積分器輸出電壓V_FLL成比例關(guān)系，只要檢測(cè)積分器輸出電壓V_FLL，即 可獲知外部被測(cè)磁通Φ的大小，SQUID磁傳感器就是利用該原理實(shí)現(xiàn)磁通-電壓的線性轉(zhuǎn)換。

SQUID工作在低溫環(huán)境下(低溫SQUID采用低溫超導(dǎo)材料制成，通常工作在4.2K的液氦環(huán)境下，高溫SQUID采用高溫超導(dǎo)材料制成，通常工作在77K的液氦環(huán)境下)，因此熱噪聲很低。而與之匹配的前置放大器工作在常溫環(huán)境下(300K左右)，因此熱噪聲比較高。低噪聲放大器的電壓噪聲V_n通常為1nV/√Hz，在與SQUID噪聲進(jìn)行比較時(shí)，將其轉(zhuǎn)換成等效磁通噪聲，放大器的等效磁通噪聲為：為SQUID的磁通電壓傳輸率，典型的磁通-電壓傳輸率為100μV/Φ₀，因此低噪聲放大器典型的磁通噪聲為10μΦ₀/√Hz，而典型SQUID的本征磁通噪聲為1μΦ₀/√Hz，低噪聲放大器磁通噪聲比SQUID本征磁通噪聲大10倍左右，因此出現(xiàn)了SQUID器件與低噪聲放大器噪聲不匹配問(wèn)題。由于噪聲不匹配，即前置放大器的噪聲遠(yuǎn)高于SQUID磁敏感元件的噪聲，當(dāng)SQUID器件由常溫放大電路直接讀取時(shí)，其構(gòu)建磁的傳感器的噪聲水平主要由前置放大器主導(dǎo)，不能體現(xiàn)出SQUID低噪聲特性，因此SQUID低噪聲的性能得不到發(fā)揮。

為了使SQUID與前置放大器匹配，要么降低前置放大器的噪聲，要么提升SQUID的磁通電壓傳輸率，由于前置放大器工作在常溫下，由有源半導(dǎo)體器件構(gòu)成，本征熱噪聲難以降低，因此提升SQUID磁通電壓傳輸率是比較可行的方案。為了降低SQUID前置放大器的磁通噪聲，就要提高SQUID的磁通-電壓傳輸率至少10倍，也就是要在接入前置放大器之前將SQUID信號(hào)進(jìn)行10倍左右的低噪聲放大，以提高SQUID的信號(hào)強(qiáng)度與前置放大器匹配，以免SQUID信號(hào)被前置放大器的電壓噪聲淹沒(méi)。

目前為了提升SQUID磁通-電壓傳輸率通常采用兩種方法：

方法一：兩個(gè)普通SQUID的級(jí)聯(lián)，如圖3所示，通過(guò)SQUID1檢測(cè)被測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)，輸出電壓驅(qū)動(dòng)電阻和電感回路，將檢測(cè)到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，再通過(guò)電感轉(zhuǎn)換成磁通耦合到SQUID2中，SQUID2再將磁通轉(zhuǎn)換成電壓，輸入前置放大器中進(jìn)行放大。兩級(jí)放大器如果都工作在各自最佳的工作點(diǎn)上，那么實(shí)現(xiàn)的磁通-電壓傳輸率就可以得到很大的提高，因此是一個(gè)有效提升SQUID傳感器性能的解決方案。但是，兩個(gè)普通SQUID的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)高磁通-電壓傳輸率的方案存在工作點(diǎn)多值問(wèn)題：如圖4所示，兩個(gè)普通SQUID的磁通-電壓傳輸特性是周期性非線性的，當(dāng)兩個(gè)SQUID級(jí)聯(lián)后，形成的磁通-電壓傳輸特性如圖5所示，出現(xiàn)了在一個(gè)磁通周期內(nèi)具有多個(gè)可鎖定的工作點(diǎn)，即工作點(diǎn)多值情況，其中只有具有最大磁通-電壓傳輸率的工作點(diǎn)P為最佳工作點(diǎn)。普通單個(gè)SQUID構(gòu)成的SQUID磁傳感器一個(gè)周期內(nèi)只有一個(gè)可鎖定的工作點(diǎn)，因此傳感器工作后必然鎖定在所設(shè)定的工作點(diǎn)上，傳感器的操作 簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。而采用雙級(jí)SQUID構(gòu)建的SQUID磁傳感器，由于存在多個(gè)工作點(diǎn)，且不同工作點(diǎn)處磁通-電壓傳輸率不同，因此SQUID傳感器鎖定后，其性能將因鎖定的工作點(diǎn)不同而不一致，由于SQUID磁傳感器的常規(guī)操作不能控制工作點(diǎn)選擇到最佳工作點(diǎn)上，因此難以確保雙級(jí)SQUID磁傳感器的性能。

方法二：第二級(jí)SQUID采用基于SQUID磁通鎖定環(huán)路實(shí)現(xiàn)的線性磁通-電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖6所示，通過(guò)SQUID1檢測(cè)被測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)，輸出電壓驅(qū)動(dòng)電阻和電感回路，將檢測(cè)到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，再通過(guò)電感轉(zhuǎn)換成磁通耦合到SQUID2中，SQUID2再將感應(yīng)到的磁通轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，以此將被測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)通過(guò)電壓方式表示。由于第二級(jí)SQUID構(gòu)成了磁通鎖定環(huán)路，其傳輸特性是線性的，因此合成的磁通-電壓傳輸特性可以避免工作點(diǎn)多值問(wèn)題。但是，由基于SQUID磁通鎖定環(huán)路實(shí)現(xiàn)的線性磁通-電壓轉(zhuǎn)換電路的第二級(jí)SQUID和基于普通SQUID的第一級(jí)SQUID級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)高磁通-電壓傳輸率的方案存在傳輸特性多值問(wèn)題：如圖7所示，第一級(jí)SQUID的磁通-電壓傳輸特性是周期性非線性的，而第二級(jí)SQUID的磁通-電壓傳輸特性是周期性線性的，當(dāng)兩個(gè)SQUID級(jí)聯(lián)后，形成的磁通-電壓傳輸特性如圖8所示，磁通-電壓傳輸特性會(huì)因SQUID工作點(diǎn)不同而不同，主要區(qū)別是直流偏移不同。因此第二SQUID鎖定在不同工作點(diǎn)上，其傳輸特性不同，造成雙級(jí)SQUID磁通-電壓轉(zhuǎn)換模塊的傳輸特性發(fā)生變化。因此所謂的傳輸特性多值，就是指對(duì)應(yīng)相同的磁通輸入，第二SQUID磁探測(cè)器輸出會(huì)因其工作點(diǎn)不同而不同。由于傳輸特性不確定，因此級(jí)聯(lián)后的傳輸特性中的工作點(diǎn)也會(huì)不確定。具有多值傳輸特性的第二SQUID磁通-電壓轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)用到雙級(jí)SQUID中形成整體的磁通-電壓傳輸特性曲線，將隨著第二SQUID傳輸特性的變化而變化。SQUID傳感器在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到外界干擾經(jīng)常出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，當(dāng)重新恢復(fù)鎖定后，會(huì)因第二級(jí)SQUID工作點(diǎn)的變動(dòng)，使級(jí)聯(lián)后模塊的工作零點(diǎn)發(fā)生變動(dòng)，因而整個(gè)SQUID磁傳感器的工作點(diǎn)發(fā)生變動(dòng)，因而也無(wú)法確保傳感器工作在最佳工作點(diǎn)上。同時(shí)第二級(jí)SQUID也采用磁通鎖定環(huán)路，與整個(gè)磁通鎖定環(huán)路構(gòu)成雙環(huán)路結(jié)構(gòu)，操作復(fù)雜，鎖定困難，難以實(shí)用化。

工作點(diǎn)多值和傳輸特性多值使得兩級(jí)SQUID級(jí)聯(lián)形成的SQUID傳感器無(wú)法確保工作在最佳工作點(diǎn)上，因此性能不能穩(wěn)定發(fā)揮，嚴(yán)重影響了雙級(jí)SQUID磁傳感器的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置、方法及其應(yīng)用，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換中工作點(diǎn)多值、性能不穩(wěn)定、實(shí)用性差等問(wèn)題。使得雙級(jí)SQUID磁傳感器至今無(wú)法實(shí)用化，當(dāng)前 的SQUID磁傳感器始終無(wú)法將SQUID的低噪聲性能發(fā)揮出來(lái)，本發(fā)明將完全解決這個(gè)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)高性能、可操作、實(shí)用化的雙級(jí)SQUID磁傳感器，具有重要的價(jià)值。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置，所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置至少包括：

具有正反饋和限幅特性的SQUID磁通放大模塊，用于檢測(cè)被測(cè)磁通信號(hào)，并將所述被測(cè)磁通信號(hào)限幅放大后輸出所述被測(cè)磁通信號(hào)的響應(yīng)磁通信號(hào)；

具有自復(fù)位特性的SQUID磁通探測(cè)模塊，與所述SQUID磁通放大模塊耦合相連，用于將所述響應(yīng)磁通信號(hào)以唯一確定的傳輸特性轉(zhuǎn)換為響應(yīng)電壓信號(hào)。

優(yōu)選地，還包括連接于所述SQUID磁通探測(cè)模塊輸出端的工作點(diǎn)對(duì)齊檢測(cè)模塊，用于根據(jù)所述SQUID磁通探測(cè)模塊輸出的響應(yīng)電壓信號(hào)判斷所述SQUID磁通探測(cè)模塊的工作點(diǎn)是否對(duì)齊。

優(yōu)選地，所述SQUID磁通放大模塊包括：

串聯(lián)構(gòu)成回路的第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器，轉(zhuǎn)換電阻，轉(zhuǎn)換線圈及正反饋線圈；

其中，所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器檢測(cè)被測(cè)磁通信號(hào)，并輸出相應(yīng)的電壓；

所述轉(zhuǎn)換電阻將第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器輸出的電壓轉(zhuǎn)換為電流；

所述轉(zhuǎn)換線圈將回路中的電流轉(zhuǎn)換為所述響應(yīng)磁通信號(hào)；

所述正反饋線圈與所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器耦合相連，將回路中的電流轉(zhuǎn)換成反饋磁通并耦合到所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器，形成電流正反饋，提升工作點(diǎn)處的磁通-電流傳輸率。

優(yōu)選地，所述SQUID磁通探測(cè)模塊采用電壓欠反饋SQUID電路或電流欠反饋SQUID電路來(lái)實(shí)現(xiàn)具有自復(fù)位特性的SQUID磁通探測(cè)模塊。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換方法，所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換方法至少包括：

基于具有正反饋和限幅特性的SQUID磁通放大模塊通過(guò)電流正反饋和限幅放大將被測(cè)磁通信號(hào)放大為響應(yīng)磁通信號(hào)，并對(duì)所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度進(jìn)行限定，所述SQUID磁通放大模塊包括用于檢測(cè)所述被測(cè)磁通信號(hào)的第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器；

基于具有自復(fù)位特性的SQUID磁通探測(cè)模塊將與所述響應(yīng)磁通信號(hào)耦合的第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的周期非線性磁通-電壓轉(zhuǎn)換特性改造為周期單調(diào)的傳輸特性，根據(jù)輸入磁通的范圍可跳躍到對(duì)應(yīng)的單調(diào)傳輸特性曲線上，以得到唯一確定的傳輸特性，所述響應(yīng)磁通信號(hào)在所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間內(nèi)以唯一確定的傳輸特性轉(zhuǎn)換成響應(yīng)電壓信號(hào)；

所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度滿足如下關(guān)系：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{pp}}^{12}\<2{\mathrm{\Φ}}_0,$

所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度與所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間滿足如下關(guān)系：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{pp}}^{12}\<{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}\<{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{pp}}^{12}+2{\mathrm{\Φ}}_0,$

其中為所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度，為所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間，Φ₀為一個(gè)磁通量子。

優(yōu)選地，還包括工作點(diǎn)對(duì)齊檢測(cè)：對(duì)所述響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，若所述響應(yīng)電壓信號(hào)跳變且峰谷相對(duì)于零點(diǎn)的電壓差不等，則所述SQUID磁通探測(cè)模塊的工作點(diǎn)未對(duì)齊，需對(duì)所述SQUID磁通探測(cè)模塊的工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整；反之，所述SQUID磁通探測(cè)模塊的工作點(diǎn)對(duì)齊。

優(yōu)選地，對(duì)所述響應(yīng)磁通信號(hào)進(jìn)行放大和限幅的方法進(jìn)一步包括：基于第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器檢測(cè)被測(cè)磁通信號(hào)，產(chǎn)生響應(yīng)電流，基于一正反饋線圈將所述響應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為反饋磁通信號(hào)后耦合至所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器，進(jìn)而提升工作點(diǎn)處磁通-電壓傳輸率，放大工作點(diǎn)處所述響應(yīng)電流，再基于一轉(zhuǎn)換線圈將所述響應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為幅度受限的所述響應(yīng)磁通信號(hào)。

更優(yōu)選地，通過(guò)調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)換線圈與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的互感來(lái)設(shè)定所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度，其中：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{pp}}^{12}=I_{\mathrm{pp}}\·M_{12},$

I_pp為所述響應(yīng)電流的最大幅度，M₁₂為所述轉(zhuǎn)換線圈與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的互感。

更優(yōu)選地，通過(guò)調(diào)節(jié)所述正反饋線圈與所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的互感，以及所述轉(zhuǎn)換線圈與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的互感來(lái)設(shè)定所述響應(yīng)磁通信號(hào)的磁通放大倍數(shù)，其中：

$G_{\mathrm{\Φ}}=\frac{1}{1-M_S\·\frac{\∂I}{\∂\mathrm{\Φ}}}\·\frac{\∂I}{\∂\mathrm{\Φ}}\·M_{12},$

M_S為所述正反饋線圈與所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的互感，M₁₂為所述轉(zhuǎn)換線圈與所第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的互感，為第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的磁通-電壓傳輸特性工作點(diǎn)處的磁通-電流傳輸率，即斜率。

優(yōu)選地，采用電壓欠反饋SQUID電路或電流欠反饋SQUID電路實(shí)現(xiàn)所述具有傳輸特性 回滯的自復(fù)位SQUID磁探測(cè)器，所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間通過(guò)調(diào)節(jié)欠反饋系數(shù)設(shè)定。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種SQUID磁傳感器，所述SQUID磁傳感器至少包括：上述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置，積分器，反饋電阻及反饋電感；所述反饋電阻與所述積分器和所述反饋電感分別相連；所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置的輸入端與所述反饋電感耦合相連，所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置的輸出端與所述積分器相連。

如上所述，本發(fā)明的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置、方法及其應(yīng)用，具有以下有益效果：

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了SQUID磁傳感器與前置放大器的噪聲匹配，使SQUID低噪聲性能得以充分發(fā)揮；同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)噪聲匹配的基礎(chǔ)上本發(fā)明以唯一確定的傳輸特性進(jìn)行磁通-電壓轉(zhuǎn)換，解決了現(xiàn)有技術(shù)中工作點(diǎn)不穩(wěn)定的問(wèn)題。本發(fā)明改變了目前SQUID傳感器的技術(shù)現(xiàn)狀，突破了技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)高性能、可操作、實(shí)用化的雙級(jí)SQUID磁傳感器，具有重要的價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的典型的SQUID磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖2顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的基于磁通-鎖定環(huán)路的SQUID磁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3～圖5顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的兩個(gè)普通SQUID級(jí)聯(lián)構(gòu)成的磁通-電壓轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)、原理及傳輸特性曲線示意圖。

圖6～圖8顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)普通SQUID與SQUID磁通鎖定環(huán)路級(jí)聯(lián)構(gòu)成的磁通-電壓轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)、原理及傳輸特性曲線示意圖。

圖9顯示為本發(fā)明的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置示意圖。

圖10顯示為本發(fā)明的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置的一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11顯示為經(jīng)電流正反饋后的第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的磁通-電流傳輸特性曲線示意圖。

圖12顯示為經(jīng)電流正反饋后的SQUID磁通放大模塊的磁通-磁通傳輸特性曲線示意圖。

圖13顯示為本發(fā)明的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置的信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程示意圖。

圖14顯示為本發(fā)明的第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖15顯示為本發(fā)明的電壓欠反饋SQUID電路的磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖16顯示為本發(fā)明的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置的另一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖17顯示為本發(fā)明的第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的磁通-電流傳輸特性曲線示意圖。

圖18顯示為本發(fā)明的電流欠反饋SQUID電路的磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖19顯示為欠反饋電路實(shí)現(xiàn)的自復(fù)位回滯傳輸特性曲線示意圖。

圖20顯示為本發(fā)明的SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間范圍最小時(shí)磁通信號(hào)的響應(yīng)示意圖。

圖21顯示為本發(fā)明的SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間范圍最大時(shí)磁通信號(hào)的響應(yīng)示意圖。

圖22顯示為本發(fā)明的工作點(diǎn)未對(duì)齊時(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程示意圖。

圖23顯示為本發(fā)明的SQUID磁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖24顯示為本發(fā)明的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換方法流程示意圖。

元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明

1 雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置

11 SQUID磁通放大模塊

12 SQUID磁通探測(cè)模塊

121 電壓欠反饋SQUID電路

122 電流欠反饋SQUID電路

13 工作點(diǎn)對(duì)齊檢測(cè)模塊

2 積分器

3 反饋電阻

4 反饋電感

S1～S3 步驟

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

請(qǐng)參閱圖9～圖24。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

如圖9所示，本發(fā)明提供一種雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置，所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置1至少包括：

SQUID磁通放大模塊11、SQUID磁通探測(cè)模塊12以及工作點(diǎn)對(duì)齊檢測(cè)模塊13。

所述SQUID磁通放大模塊11具有正反饋和限幅特性，用于檢測(cè)被測(cè)磁通信號(hào)Φ，并將所述被測(cè)磁通信號(hào)Φ限幅放大，輸出所述被測(cè)磁通信號(hào)Φ的響應(yīng)磁通信號(hào)Φ₁₂。

具體地，如圖10及圖16所示，所述SQUID磁通放大模塊11包括第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1、轉(zhuǎn)換電阻R_s、轉(zhuǎn)換線圈L₁以及正反饋線圈L_s。

所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1、所述轉(zhuǎn)換電阻R_s、所述轉(zhuǎn)換線圈L₁以及所述正反饋線圈L_s串聯(lián)形成回路，但在回路中的具體位置不限。在本實(shí)施例中，所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1檢測(cè)所述被測(cè)磁通信號(hào)Φ，將所述被測(cè)磁通信號(hào)Φ轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)；所述轉(zhuǎn)換電阻R_s連接于所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1，用于將所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1輸出的電壓轉(zhuǎn)換為響應(yīng)電流I_s；所述轉(zhuǎn)換線圈L₁一端連接于所述轉(zhuǎn)換電阻R_s、另一端接地，用于將所述響應(yīng)電流I_s轉(zhuǎn)換為所述響應(yīng)磁通信號(hào)Φ₁₂并耦合到第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2；所述正反饋線圈L_s一端連接所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1、另一端接地，將所述響應(yīng)電流I_s轉(zhuǎn)換成反饋磁通并耦合到所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1，提升工作點(diǎn)處磁通-電壓傳輸率，放大工作點(diǎn)處所述響應(yīng)電流I_s，進(jìn)而放大所述響應(yīng)磁通信號(hào)Φ₁₂?；芈分屑虞d恒定的第一偏置電流I_b1，當(dāng)外部輸入所述被測(cè)磁通信號(hào)Φ時(shí)，由于所述第一偏置電流I_b1不變，所述響應(yīng)電流I_s將隨所述被測(cè)磁通Φ發(fā)生變化。

電流正反饋使得所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1的磁通-電流傳輸特性變得不對(duì)稱，如圖11所示，工作點(diǎn)處(傳輸特性的中部位置)的磁通-電流傳輸率變大為因此工作點(diǎn)處磁通-電流轉(zhuǎn)化能力變強(qiáng)了；但同時(shí)，磁通-電流傳輸特性的響應(yīng)電流最大幅度I_pp不會(huì)發(fā)生變化，和所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1的電流最大幅度一致。由于所述SQUID磁通放大模塊11輸出的響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度是受所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1的磁通-電流傳輸特性限制，最大響應(yīng)電流幅度I_pp是有限的，因此通過(guò)所述轉(zhuǎn)換線圈耦合到所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的互感M₁₂是有限的，通過(guò)調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)換線圈與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的互感M₁₂就可以限定所述SQUID磁通放大模塊11輸出的響應(yīng)磁通的最大幅度。

通過(guò)所述轉(zhuǎn)換線圈L₁與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的互感以及所述正反饋線圈L_s與所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1的互感，對(duì)所述響應(yīng)磁通信號(hào)Φ₁₂的幅度及放大倍數(shù)進(jìn)行設(shè)定，具體方法如下：

對(duì)所述轉(zhuǎn)換電阻R_s進(jìn)行選擇時(shí)，其熱噪聲要小于SQUID的本征噪聲，所述轉(zhuǎn)換電阻R_s應(yīng)小于10Ω，這樣不會(huì)因引入所述轉(zhuǎn)換電阻R_s而使電路的噪聲水平變差；同時(shí)考慮其對(duì)所述第一偏置電流I_b1的分流作用，所述轉(zhuǎn)換電阻R_s的電阻值也不能過(guò)小，通常大于0.1Ω；因此，所述轉(zhuǎn)換電阻R_s的阻值選擇為0.1Ω<R_s<10Ω。

由于所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1周期非線性變換作用，所述被測(cè)磁通信號(hào)Φ經(jīng)所述SQUID磁通放大模塊11再輸出時(shí)，其幅度是受所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1輸出的響應(yīng)電流幅度I_pp限制的，即所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度為了實(shí)現(xiàn)所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置的輸出信號(hào)的工作點(diǎn)單值和穩(wěn)定性，需要對(duì)所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度進(jìn)行限定，在本實(shí)施例中，所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度限制于2個(gè)磁通量子，即I_PP·M₁₂<2Φ₀。另一方面，所述轉(zhuǎn)換線圈L₁與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的互感M₁₂的選擇要符合磁通放大功能，其放大倍數(shù)需大于1，即其中，因此，綜合以上兩點(diǎn)，通過(guò)選擇合適的所述轉(zhuǎn)換線圈L₁與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的互感M₁₂使所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度滿足如下條件：

$\frac{{\mathrm{\&Phi;}}_0}{2}\&lt;I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_{12}\&lt;2{\mathrm{\&Phi;}}_0.$

經(jīng)電流正反饋后的所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1的磁通-電流傳輸曲線就變?yōu)橹芷趦?nèi)非對(duì)稱，如圖11所示。經(jīng)過(guò)電流正反饋后的所述SQUID磁通放大模塊11的磁通-磁通傳輸特性如圖12所示，在工作點(diǎn)處的磁通放大倍數(shù)：

$G_{\mathrm{\&Phi;}}=\frac{{\mathrm{\&Phi;}}_{12}}{\mathrm{\&Phi;}}=\frac{{\&PartialD;I}_s}{\&PartialD;\mathrm{\&Phi;}}\&CenterDot;M_{12}=\frac{1}{1-M_S\&CenterDot;\frac{\&PartialD;I}{\&PartialD;\mathrm{\&Phi;}}}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;I}{\&PartialD;\mathrm{\&Phi;}}\&CenterDot;M_{12}=g_1\&CenterDot;g_2,$

其中，由于所述轉(zhuǎn)換線圈L₁與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的互感M₁₂的選擇是受限的，它能實(shí)現(xiàn)的磁通-電壓傳輸率是有限的，最大的放大倍數(shù) 也在4倍左右(當(dāng)取同極性情況，I_pp·M₁₂≈2Φ₀，那么工作點(diǎn)處輸入磁通到輸出磁通的放大倍數(shù))。為了使SQUID與常溫下工作的半導(dǎo)體低噪聲放大器匹配，需要提高本發(fā)明的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置的磁通-電壓傳輸率，也就是要在接入前置放大器之前將本發(fā)明的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置的輸出信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大。在本實(shí)施例中，以提高10倍為例，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行設(shè)定，不以本實(shí)施例為限。為了實(shí)現(xiàn)10倍以上的磁通-電壓傳輸率，就要求將所述SQUID磁通放大模塊11工作點(diǎn)處磁通電壓傳輸率通過(guò)所述轉(zhuǎn)換線圈L₁與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的互感M₁₂提高3倍以上，其余的增益則要通過(guò)引入電流正反饋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)對(duì)所述反饋線圈L_s與所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1的互感M_S的選擇提高磁通-電壓的傳輸率。經(jīng)電流正反饋后，在工作點(diǎn)處的磁通-電壓傳輸率隨著所述反饋線圈L_s與所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1的互感M_S的作用而變化，即只要，就可以使得工作點(diǎn)處的磁通電壓傳輸率得到提升。同時(shí)，該電流正反饋原理不會(huì)改變所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1的磁通-電流轉(zhuǎn)換幅度，即I_pp的值不變。在本實(shí)施例中，設(shè)定所述反饋線圈L_s與所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1的互感M_S值，1)使得則2)滿足I_PP·M₁₂<2Φ₀，使得I_PP·M₁₂≈1.5Φ₀，則那么所述響應(yīng)磁通信號(hào)Φ₁₂的磁通放大倍數(shù)因此通過(guò)電流正反饋增強(qiáng)工作點(diǎn)處的磁通-電流傳輸率，并選擇合適的耦合系數(shù)M₁₂，使其承擔(dān)3倍以上的磁通放大作用，同時(shí)使所述響應(yīng)磁通Φ₁₂的幅度(即峰峰值)限定在2Φ₀以內(nèi)。兩種放大效果綜合，可實(shí)現(xiàn)10倍以上的磁通放大能力，由于沒(méi)有引入額外的噪聲源，所述SQUID磁通放大模塊11仍保持低噪聲特性。

所述SQUID磁通探測(cè)模塊12具有自復(fù)位特性，自復(fù)位特性本質(zhì)是：將傳統(tǒng)SQUID周期非線性的磁通-電壓轉(zhuǎn)換特性(類(lèi)正弦形狀)改造成，周期單調(diào)(即斜率始終為正或始終為負(fù))的磁通-電壓傳輸特性，每根傳輸特性是單調(diào)的，同時(shí)磁通檢測(cè)范圍是有限的，代表該單調(diào)傳輸特性覆蓋的磁通輸入范圍。如果輸入超過(guò)該范圍，將跳躍到相鄰的傳輸特性上，因此具有了自復(fù)位的功能，即根據(jù)輸入范圍，自動(dòng)跳躍到對(duì)應(yīng)的傳輸特性曲線上，避免了傳輸特 性不確定的問(wèn)題。所述SQUID磁通探測(cè)模塊12與所述SQUID磁通放大模塊耦合相連，用于將所述響應(yīng)磁通信號(hào)Φ₁₂以唯一確定的傳輸特性轉(zhuǎn)換為響應(yīng)電壓信號(hào)。如圖13所示，所述SQUID磁通探測(cè)模塊12將所述響應(yīng)磁通信號(hào)Φ₁₂在單調(diào)特性區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的周期性響應(yīng)電壓信號(hào)V_out。

具體地，所述SQUID磁通探測(cè)模塊12可由任意具有自復(fù)位、單調(diào)傳輸特性的轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，不以本實(shí)施例為限，在本實(shí)施例中，所述SQUID磁通探測(cè)模塊12可以采用電壓欠反饋SQUID電路或電流欠反饋SQUID電路來(lái)實(shí)現(xiàn)具有自復(fù)位特性的SQUID磁通探測(cè)模塊。

如圖10所示，采用電壓欠反饋SQUID電路121實(shí)現(xiàn)的具有自復(fù)位特性的SQUID磁通探測(cè)模塊，包括第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2，連接于所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2輸出端的前置放大器U1，連接于所述前置放大器U1輸出端的反饋電阻R_f，連接于所述反饋電阻R_f的反饋線圈L_f，所述反饋電阻R_f與所述反饋線圈L_f之間還連接有工作點(diǎn)調(diào)節(jié)電路，所述工作點(diǎn)調(diào)節(jié)電路包括串聯(lián)的可調(diào)電阻R_dc和可調(diào)電壓V_dc。在本實(shí)施例中，所述前置放大器U1為低噪聲固定增益的放大器，放大倍數(shù)為G₀。給所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2加載第二偏置電流I_b2，使得所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2具有了磁通-電壓傳輸特性，所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2輸出的電壓經(jīng)所述前置放大器U1以放大倍數(shù)為G₀放大，放大后的電壓輸出驅(qū)動(dòng)所述反饋電阻R_f和所述反饋線圈L_f，產(chǎn)生反饋電流I_f，所述反饋電流I_f通過(guò)所述反饋線圈L_f產(chǎn)生反饋磁通耦合到所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2中，形成抵消磁通有限的欠反饋回路。

電壓欠反饋回路實(shí)現(xiàn)所述自復(fù)位SQUID磁通探測(cè)模塊的工作原理是：所述前置放大器U1將所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2輸出的電壓放大后驅(qū)動(dòng)反饋磁通回路(包括反饋電阻R_f和反饋電感L_f)，產(chǎn)生反饋磁通抵消輸入磁通，由于所述前置放大器U1是有限增益的，因此產(chǎn)生的抵消磁通只能抵消部分輸入磁通，當(dāng)外部輸入磁通達(dá)到一個(gè)磁通量子時(shí)，這種欠補(bǔ)償反饋達(dá)到臨界狀態(tài)而失衡，平衡點(diǎn)躍變到下一個(gè)工作點(diǎn)，重新建立欠反饋平衡。

如圖14所示為所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的周期非線性傳輸特性，經(jīng)過(guò)欠反饋?zhàn)饔煤螅鲭妷呵贩答丼QUID電路121傳輸特性的單調(diào)區(qū)間被擴(kuò)展，如圖15所示，所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2傳輸特性中單調(diào)遞增段Φ_pp被對(duì)應(yīng)擴(kuò)展到單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間傳輸特性被局部線性化，在本實(shí)施例中，所述單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸 入?yún)^(qū)間為2Φ₀，在應(yīng)用中可視具體情況做不同的設(shè)定，不以本實(shí)施例為限。通過(guò)設(shè)定所述電壓欠反饋SQUID電路121的參數(shù)：包括所述前置放大器增益G₀，所述反饋電阻R_f及所述反饋線圈L_f與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的互感M_f，當(dāng)滿足以下條件時(shí)，可實(shí)現(xiàn)如圖15所示的回滯自復(fù)位的磁通-電壓傳輸特性曲線：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}+V_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;k={\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}},k=G_0\&CenterDot;\frac{M_f}{R_f}$

其中，V_PP為所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2磁通-電壓傳輸特性中能響應(yīng)電壓的最大值，即峰-峰值。Φ_pp為所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2磁通電壓傳輸特性曲線中電壓從最小峰值到最大峰值所對(duì)應(yīng)輸入的磁通量。為所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間。為欠反饋系數(shù)，代表欠反饋的反饋深度。反饋深度越大，則實(shí)現(xiàn)單調(diào)特性的所述輸入磁通區(qū)間越大，因此電壓欠反饋回路可通過(guò)設(shè)定電路的參數(shù)(包括前置放大器增益G₀，反饋電阻R_f及所述反饋線圈L_f與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的互感M_f)選擇合適的欠反饋深度來(lái)設(shè)置所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間的范圍。

如圖16所示，采用電流欠反饋SQUID電路122實(shí)現(xiàn)的具有自復(fù)位特性的SQUID磁通探測(cè)模塊，包括第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2，所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的一端連接反饋線圈L_f、另一端連接于前置放大器U1的反向輸入端。所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2與所述反饋線圈L_f之間還連接有工作點(diǎn)調(diào)節(jié)電路，所述工作點(diǎn)調(diào)節(jié)電路包括串聯(lián)的可調(diào)電阻R_dc和可調(diào)電壓V_dc。所述前置放大器U1的正向輸入端連接可調(diào)偏置電壓V_b，所述前置放大器U1的輸出端與反向輸入端之間連接反饋電阻R_f。在本實(shí)施例中，所述前置放大器U1為低噪聲固定增益的放大器，放大倍數(shù)為G₀。所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2與反饋電感L_f的耦合互感為M_f，當(dāng)所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2流過(guò)電流時(shí)，該電流也流過(guò)電感L_f產(chǎn)生反饋磁通，通過(guò)互感耦合到所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2中，形成電流欠反饋。所述前置放大器U1將流經(jīng)所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的電流I_s放大成電壓信號(hào)，即放大器輸出電壓V₀＝I_s·R_f。前置放大器U1的正端接可調(diào)直流電源V_b，調(diào)節(jié)產(chǎn)生偏置電壓。所 述前置放大器U1工作時(shí)，其正輸入端的電壓與負(fù)輸入端的電壓相等，因此SQD2工作在恒壓偏置下，偏置電壓大小由V_b調(diào)節(jié)。

如圖17所示為所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的周期非線性磁通-電流傳輸特性，經(jīng)過(guò)欠反饋?zhàn)饔煤?，所述電流欠反饋SQUID電路122傳輸特性的單調(diào)區(qū)間被擴(kuò)展，如圖18所示，所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2傳輸特性中單調(diào)遞增段Φ_pp被對(duì)應(yīng)擴(kuò)展到單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間傳輸特性被局部線性化，在本實(shí)施例中，所述單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間為2Φ₀，在應(yīng)用中可視具體情況做不同的設(shè)定，不以本實(shí)施例為限。通過(guò)設(shè)定所述電流欠反饋SQUID電路的參數(shù)：包括所述前置放大器增益G₀，所述反饋電阻R_f及所述反饋線圈L_f與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的互感M_f，當(dāng)達(dá)到臨界條件時(shí)，就可構(gòu)成如圖18所示的回滯自復(fù)位的磁通-電壓傳輸特性：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}+I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;k={\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}},k=G_0\&CenterDot;\frac{M_f}{R_f},$

其中，V_PP為所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2磁通-電壓傳輸特性中能響應(yīng)電壓的最大值，即峰-峰值。Φ_pp為所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2磁通電壓傳輸特性曲線中電壓從最小峰值到最大峰值所對(duì)應(yīng)輸入的磁通量。為所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間。k為欠反饋系數(shù)，代表欠反饋的反饋深度。由于G₀對(duì)應(yīng)的是R_f將電流信號(hào)放大成電壓信號(hào)，因此反饋系數(shù)：電流欠反饋實(shí)現(xiàn)單調(diào)線性傳輸特性的條件是：${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}+V_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_f={\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}.$

如圖19所示，經(jīng)欠反饋改造后的磁通-電壓傳輸特性是周期分布的，單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間是在本實(shí)施例中，所述單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間為2Φ₀，在應(yīng)用中可視具體情況做不同的設(shè)定，不以本實(shí)施例為限。當(dāng)輸入磁通減小，小于當(dāng)前傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通區(qū)間，該欠反饋電路的傳輸特性則躍遷到左側(cè)工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傳輸特性曲線上，在左側(cè)工作點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的欠反饋輸出；同理，當(dāng)輸入磁通增大，超過(guò)當(dāng)前傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通區(qū)間時(shí)，傳輸特性躍遷到右側(cè)工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傳輸特性曲線上，在右側(cè)工作點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的欠反饋輸出。因此，只要使所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度不超過(guò)所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間就可以唯一穩(wěn)定的以當(dāng)前工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單調(diào)傳輸特性 進(jìn)行磁通-電壓轉(zhuǎn)換。

根據(jù)所述SQUID磁通放大模塊11輸出的所述響應(yīng)磁通的幅度確定所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間的范圍。

1)所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間的范圍最小的情況，也即欠反饋系數(shù)最小的情況，如圖20所示，所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間至少要大于所述SQUID磁通放大模塊11輸出的所述響應(yīng)磁通的幅度。因此，該情況要求所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間滿足如下要求：${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}>{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}=I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_{12}.$

2)所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間的范圍最大的情況，也即欠反饋系數(shù)最大的情況，如圖21所示，如果繼續(xù)增強(qiáng)欠反饋系數(shù)，所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間繼續(xù)擴(kuò)大，相鄰工作點(diǎn)的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間重疊，當(dāng)相鄰工作點(diǎn)傳輸特性也能覆蓋所述SQUID磁通放大模塊11輸出的所述響應(yīng)磁通的幅度時(shí)，就可能因?yàn)閿_動(dòng)進(jìn)入相鄰工作點(diǎn)，以相鄰工作的傳輸特性工作，這樣就會(huì)出現(xiàn)傳輸特性多值問(wèn)題。為避免傳輸特性多值問(wèn)題，所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間最大時(shí)，不能出現(xiàn)相鄰工作點(diǎn)傳輸特性重疊的情況，即：${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}\&lt;{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}+2{\mathrm{\&Phi;}}_0=I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_{12}+2{\mathrm{\&Phi;}}_0.$

因此，需通過(guò)設(shè)置所述欠反饋系數(shù)，使所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間滿足如下條件：

$I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_{12}\&lt;{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}\&lt;I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_{12}+2{\mathrm{\&Phi;}}_0.$

在本實(shí)施例中，如果設(shè)置因此所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間滿足如下條件：

當(dāng)相鄰工作點(diǎn)的傳輸特性曲線不能覆蓋所述SQUID磁通放大模塊11輸出的所述響應(yīng)磁通的幅度時(shí)，欠反饋電路將會(huì)在輸入磁通的激勵(lì)下從相鄰工作點(diǎn)躍遷到當(dāng)前工作點(diǎn)，恢復(fù)按當(dāng)前工作點(diǎn)的傳輸特性曲線工作。因此，電流或電壓欠反饋SQUID電路具有工作點(diǎn)自動(dòng)復(fù)位功能，確保以固定工作點(diǎn)下的確定的傳輸特性對(duì)所述SQUID磁通放大模塊11輸出磁通進(jìn)行磁通-電壓轉(zhuǎn)換，解決了傳輸特性多值問(wèn)題，按上述條件設(shè)置的電流或電壓欠反饋SQUID電 路能確定的唯一工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傳輸特性對(duì)所述SQUID磁通放大模塊11輸出的磁通進(jìn)行磁通-電壓轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置1將SQUID磁通放大模塊11中的電流正反饋、限幅技術(shù)和SQUID磁通探測(cè)模塊12中的欠反饋技術(shù)結(jié)合，將被測(cè)磁通信號(hào)以唯一確定的磁通-電壓傳輸特性轉(zhuǎn)換為工作點(diǎn)穩(wěn)定的響應(yīng)電壓信號(hào)?；谒鯯QUID磁通放大模塊11及所述SQUID磁通探測(cè)模塊12即可完成磁通-電壓傳輸率的提升和工作點(diǎn)的穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提供所述工作點(diǎn)對(duì)齊檢測(cè)模塊13，連接于所述SQUID磁通探測(cè)模塊12的輸出端，用于檢測(cè)所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置1的工作點(diǎn)是否對(duì)齊，以便于操作者對(duì)所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置中的工作零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，使所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置的性能進(jìn)一步提升。

當(dāng)工作點(diǎn)對(duì)齊時(shí)，所述SQUID磁通探測(cè)模塊的輸出與輸入磁通的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖13所示，所述SQUID磁通探測(cè)模塊12以其單調(diào)放大傳輸特性實(shí)現(xiàn)了所述SQUID磁通放大模塊11輸出信號(hào)的放大，因此使總的傳輸特性同第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的傳輸特性相同，即周期傳輸特性，且周期內(nèi)只有一個(gè)工作零點(diǎn)。

當(dāng)工作點(diǎn)未對(duì)齊時(shí)，所述SQUID磁通探測(cè)模塊12的輸出與輸入磁通的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖22所示，所述響應(yīng)電壓信號(hào)V_out的幅度變大，且峰谷相對(duì)于零點(diǎn)的電壓差不同，出現(xiàn)了不對(duì)稱情況；此外，所述響應(yīng)電壓信號(hào)V_out出現(xiàn)了電壓跳變，說(shuō)明所述SQUID磁通探測(cè)模塊12跳變到相鄰的另一條傳輸特性曲線上。

工作點(diǎn)調(diào)節(jié)在具體電路中通過(guò)V_dc和R_dc構(gòu)成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)V_dc的大小，即可調(diào)節(jié)加入第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的直流磁通量，從而實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)對(duì)齊：在本實(shí)施例中，調(diào)節(jié)范圍為1個(gè)磁通，按照上述工作點(diǎn)對(duì)齊與偏離情況下電壓輸出信號(hào)的不同來(lái)判斷工作點(diǎn)是否對(duì)齊，通過(guò)調(diào)節(jié)V_dc的電壓，調(diào)節(jié)直流磁通偏移量，直到工作點(diǎn)對(duì)齊(即所述響應(yīng)電壓信號(hào)V_out不存在電壓跳變且峰谷相對(duì)于零點(diǎn)的電壓差相同)。工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)可由操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可通過(guò)控制電路根據(jù)偏移情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，在此不一一贅述。根據(jù)所述工作點(diǎn)對(duì)齊檢測(cè)模塊13判斷出工作點(diǎn)是否對(duì)齊，便于最佳工作點(diǎn)的調(diào)制。

本發(fā)明的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置只有唯一能穩(wěn)定工作的傳輸特性與之對(duì)應(yīng)，解決了傳統(tǒng)SQUID線性磁通-電壓轉(zhuǎn)換電路有可能在不同傳輸特性下工作的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高性能、可操作、實(shí)用化的雙級(jí)SQUID磁傳感器，具有重要的價(jià)值。

本發(fā)明還提供一種SQUID磁傳感器，如圖23所示，包括上述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置1，積分器2、反饋電阻3及反饋電感4。所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn) 換裝置的輸入端與所述反饋電感耦合相連，所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置的輸出端與所述積分器相連。反饋電阻與所述積分器相連，反饋電感與所述反饋電阻串聯(lián)。所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置1的具體結(jié)構(gòu)及工作原理如上所述，在此不一一贅述。

本發(fā)明還提供一種雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換方法，該方法可以由本發(fā)明所述的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)，但本發(fā)明所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換方法的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)包括但不限于本實(shí)施例列舉的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置。

如圖24所示，所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換方法如下：

步驟S1：基于具有正反饋和限幅特性的SQUID磁通放大模塊11通過(guò)電流正反饋和限幅放大將被測(cè)磁通信號(hào)Φ放大為響應(yīng)磁通信號(hào)Φ₁₂，并對(duì)所述響應(yīng)磁通信號(hào)Φ₁₂的幅度進(jìn)行限定，所述SQUID磁通放大模塊11包括用于檢測(cè)所述被測(cè)磁通信號(hào)Φ的第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1。

具體地，基于第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1檢測(cè)被測(cè)磁通信號(hào)Φ，產(chǎn)生響應(yīng)電流，基于一正反饋線圈L_s將所述響應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為反饋磁通信號(hào)后耦合至所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1，通過(guò)電流正反饋提高工作點(diǎn)處的磁通-電流傳輸率，進(jìn)而放大所述響應(yīng)電流，再基于一轉(zhuǎn)換線圈L₁將所述響應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為幅度受限的所述響應(yīng)磁通信號(hào)Φ₁₂。

其中，所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度通過(guò)調(diào)節(jié)所述轉(zhuǎn)換線圈L₁與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的互感來(lái)設(shè)定，I_pp為所述響應(yīng)電流的幅度，M₁₂為所述轉(zhuǎn)換線圈與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的互感，在本實(shí)施例中，只要通過(guò)選擇合適的所述轉(zhuǎn)換線圈L₁與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的互感M₁₂即可使所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度滿足如下關(guān)系：其中為所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度，Φ₀為一個(gè)磁通量子。

其中，所述響應(yīng)磁通信號(hào)的磁通放大倍數(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)所述正反饋線圈L_s與所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD1的互感，以及所述轉(zhuǎn)換線圈與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的互感來(lái)設(shè)定，M_S為所述正反饋線圈與所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的互感，M₁₂為所述轉(zhuǎn)換線圈與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器的互感。

步驟S2：基于具有自復(fù)位特性的SQUID磁通探測(cè)模塊12在所述SQUID磁通探測(cè)模塊12的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間內(nèi)以唯一確定的傳輸特性將所述響應(yīng)磁通信號(hào) Φ₁₂轉(zhuǎn)換成響應(yīng)電壓信號(hào)V_out，所述SQUID磁通探測(cè)模塊12包括用于耦合所述響應(yīng)磁通信號(hào)Φ₁₂的第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2。所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度與所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間滿足如下關(guān)系：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}\&lt;{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}\&lt;{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}+2{\mathrm{\&Phi;}}_0,$

其中為所述響應(yīng)磁通信號(hào)的幅度，為所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間，Φ₀為一個(gè)磁通量子。

具體地，所述SQUID磁通探測(cè)模塊12可由任意具有自復(fù)位、單調(diào)傳輸特性的轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，不以本實(shí)施例為限，在本實(shí)施例中，采用電壓欠反饋SQUID電路或電流欠反饋SQUID電路實(shí)現(xiàn)所述具有傳輸特性回滯的自復(fù)位SQUID磁探測(cè)器，所述SQUID磁通探測(cè)模塊的單調(diào)傳輸特性對(duì)應(yīng)的磁通輸入?yún)^(qū)間通過(guò)調(diào)節(jié)欠反饋系數(shù)設(shè)定，其中欠反饋系數(shù)G₀為前置放大器的增益，R_f反饋電阻阻值，M_f為所述反饋線圈L_f與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的互感。

步驟S3：基于工作點(diǎn)對(duì)齊檢測(cè)模塊13對(duì)所述響應(yīng)電壓信號(hào)V_out進(jìn)行檢測(cè)，若所述響應(yīng)電壓信號(hào)V_out跳變且峰谷相對(duì)于零點(diǎn)的電壓差不等，則所述SQUID磁通探測(cè)模塊12的工作點(diǎn)未對(duì)齊，需對(duì)所述SQUID磁通探測(cè)模塊12的工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整；反之，所述SQUID磁通探測(cè)模塊的工作點(diǎn)對(duì)齊。

具體地，調(diào)整所述SQUID磁通探測(cè)模塊12的工作點(diǎn)的方法包括調(diào)節(jié)所述SQUID磁通探測(cè)模塊12中直流磁通的偏移量，從而實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)對(duì)齊。工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)可由操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可通過(guò)控制電路根據(jù)偏移情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，在此不一一贅述。

本發(fā)明所述的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換方法的保護(hù)范圍不限于本實(shí)施例列舉的步驟執(zhí)行順序，凡是本領(lǐng)域技術(shù)人員利用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)本發(fā)明所述方案的變形都包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

本發(fā)明的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置、方法及其應(yīng)用在所述SQUID磁通放大模塊中采用兩種技術(shù)結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)磁通放大功能，即采用電流正反饋技術(shù)提升工作點(diǎn)處的磁通-電壓傳輸率，同時(shí)設(shè)定所述轉(zhuǎn)換線圈L₁與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器SQD2的互感M₁₂的大小，實(shí)現(xiàn)磁通限幅放大，使得所述SQUID磁通放大模塊輸出磁通的幅度在2Φ₀以內(nèi)，既實(shí)現(xiàn)了磁通-電壓傳輸率的提升，又避免了傳輸特性多零點(diǎn)問(wèn)題。同時(shí)在所述SQUID磁通探測(cè) 模塊采用欠反饋原理實(shí)現(xiàn)自復(fù)位且傳輸特性單調(diào)的磁通探測(cè)器，欠反饋SQUID電路具有工作點(diǎn)自動(dòng)復(fù)位功能，確保以固定工作點(diǎn)下的確定的傳輸特性對(duì)所述SQUID磁通放大模塊輸出磁通進(jìn)行磁通-電壓轉(zhuǎn)換，解決了傳輸特性多值問(wèn)題。結(jié)合所述SQUID磁通放大模塊和所述SQUID磁通探測(cè)模塊合成的磁通-電壓轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)了同普通SQUID相同的周期內(nèi)工作點(diǎn)單值的傳輸特性，同時(shí)磁通電壓傳輸率提升10倍，使前放噪聲等效磁通噪聲降低至1/10。本發(fā)明的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器磁通-電壓轉(zhuǎn)換裝置、方法操作簡(jiǎn)單，可形成實(shí)用化高性能的SQUID磁傳感器。

綜上所述，本發(fā)明采用SQUID磁通放大模塊使得工作點(diǎn)處的磁通電壓傳輸率得到提高；同時(shí)輸出的放大后的磁通的峰峰值小于2Φ₀；針對(duì)磁通變化峰峰值小于2Φ₀的磁通，使用欠反饋機(jī)制的磁通探測(cè)器進(jìn)行磁通-電壓轉(zhuǎn)換和放大，避免了磁通-傳輸特性在2Φ₀內(nèi)出現(xiàn)傳輸特性出現(xiàn)多個(gè)零點(diǎn)問(wèn)題及傳輸特性多值問(wèn)題。本發(fā)明使得雙級(jí)SQUID放大模塊在提升磁通-電壓傳輸率的同時(shí)，其傳輸特性中工作點(diǎn)周期單值，避免出現(xiàn)多值問(wèn)題，操作簡(jiǎn)單，同時(shí)由于傳輸率大大提升，噪聲性能得到很大提升，發(fā)揮出了SQUID低噪聲的性能，進(jìn)而可形成實(shí)用化高性能的SQUID磁傳感器。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。