本發(fā)明涉及一種超導平面磁梯度計。

背景技術：

高靈敏度磁強計在科學研究、國防軍工、工業(yè)生產以及醫(yī)療等領域都發(fā)揮著重要作用。然而在大多數應用場合，實際待測信號比背景噪聲信號低好幾個數量級，因此，在無屏蔽的環(huán)境中需要采用梯度計的形式消除遠距離噪聲源對實際信號源造成的影響。目前，超低磁場平面梯度的探測主要采用超導量子干涉器件(SQUID)與磁場梯度線圈組合而成的SQUID平面磁梯度計進行測量。傳統(tǒng)的SQUID平面磁梯度計的梯度線圈是將一閉合超導環(huán)路繞制成兩個面積相等繞向相反的環(huán)路組成的。當有外磁場穿過梯度線圈時，梯度線圈的兩個超導環(huán)路中產生的感應電流方向相反；在磁場存在梯度時，梯度線圈內存在凈余感應電流，該電流大小與兩個超導環(huán)路之間的磁場梯度成正比；梯度線圈與SQUID之間或通過間接耦合的方式將凈余感應電流輸入耦合線圈并轉換為磁通耦合到SQUID中，或通過直接耦合的方式將感應電流直接輸入SQUID；測量SQUID電壓-磁通響應曲線進而實現(xiàn)梯度信號的檢測。然而，SQUID平面磁梯度計需要制備兩個相同的約瑟夫森結并對稱地嵌入超導回路，而且需要考慮SQUID與磁場梯度線圈的電感匹配問題，增加了器件的制備困難；其次，SQUID自身就是一個超導環(huán)，也可以響應磁場信號，這樣在外磁場梯度為零時存在非零響應，輸出不是理想的梯度計信號；另外，SQUID電壓-磁場響應曲線為正旋波形式，每一個周期對應一個磁通量子Φ₀，器件的線性響應區(qū)間不會超過0.5Φ₀；若選取典型的SQUID電壓-磁通響應比值為50～100μV/Φ₀，磁場-磁通的響應比值1nT/Φ₀，則電壓的線性響應區(qū)間不會超過25～50μV，磁場的線性相應區(qū)間不會超過0.5nT，這使得SQUID平面磁梯度計需要加入磁通鎖定電路等輔助電子設備，增加了儀器制造的復雜程度及不穩(wěn)定因素。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有超導量子干涉器件(SQUID)平面磁梯度計存在的制備困難，外磁場梯度為零時有非零響應，線性響應區(qū)間小，需要加入磁通鎖定等輔助電子設備，而導致儀器制造復雜程度及不穩(wěn)定因素增加等缺陷，提出一種新的超導約瑟夫森平面磁梯度計。

本發(fā)明超導約瑟夫森平面磁梯度計包括下層超導層、非超導介質層以及上層超導層。所述的下層超導層為閉合雙環(huán)結構，組成閉合雙環(huán)的兩個環(huán)路形狀及尺寸相同，閉合雙環(huán)之間存在公共環(huán)路區(qū)域；所述的非超導介質層位于下層超導層的公共環(huán)路區(qū)域上方，所述的上層超導層位于非超導介質層上方。

所述非介質超導層的尺寸不大于下層超導層公共環(huán)路區(qū)域的尺寸，上層超導層的尺寸不大于非超導介質層的尺寸；非超導介質層位于下層超導層公共環(huán)路區(qū)域的中心位置，上層超導層位于非介質超導層覆蓋區(qū)域的中心位置。

所述下層超導層、非超導介質層，以及上層超導層共同覆蓋的區(qū)域構成一個約瑟夫森結。

所述約瑟夫森結沿下層超導層公共環(huán)路區(qū)域的環(huán)路切線方向的長度大于約瑟夫森結的穿透深度λ_J，且二者的比值大于2π。

所述的下層超導層用于感應外部磁場，并在閉合雙環(huán)的兩個環(huán)路中分別產生圍繞各自環(huán)路的屏蔽電流。所述兩個環(huán)路中的屏蔽電流在公共環(huán)路區(qū)域相互抵消。當穿過環(huán)路的磁場沿閉合雙環(huán)中兩個環(huán)路的中心連線的方向存在梯度時，在公共環(huán)路區(qū)域有凈余屏蔽電流流過，屏蔽電流產生的感應磁場被公共環(huán)路區(qū)域上方的約瑟夫森結感應，依據約瑟夫森結在磁場中的自測效應，約瑟夫森結上下兩層超導層之間的電流-電壓曲線出現(xiàn)電流臺階，即Eck臺階。Eck臺階位置的電壓與磁場呈線性關系，通過外部測試電路測量Eck臺階所在位置的電壓值，根據測得的電壓值計算得出閉合雙環(huán)中兩個環(huán)路的中心之間的磁場差值，再由閉合雙環(huán)中兩個環(huán)路的中心之間的距離，計算得出平面磁場梯度。

優(yōu)選的，所述下層超導層中的閉合雙環(huán)中的兩個環(huán)路形狀為方形或圓形。

優(yōu)選的，在所述下層超導層公共環(huán)路區(qū)域中加入電流壓縮結構來放大磁場，提升該梯度計的靈敏度。

優(yōu)選的，所述下層超導層、非超導介質層及上層超導層可通過磁控濺射或化學氣相沉積或分子束外延薄膜生長工藝進行生長，所述閉合雙環(huán)及約瑟夫森結可通過微納刻蝕加工技術獲得。

優(yōu)選的，所述下層超導層和上層超導層選用鈮或鉛或錫制作，所述非超導介質層選用鋁或三氧化二鋁制作。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術方案具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明最主要的改進在于提出一種新的超導約瑟夫森平面磁梯度計，下層超導層閉合雙環(huán)的兩個環(huán)路在外磁場的作用下分別產生圍繞各自環(huán)路的屏蔽電流；當閉合雙環(huán)中兩個環(huán)路的中心連線方向存在磁場梯度時，公共環(huán)路區(qū)域存在凈余屏蔽電流，該電流被公共環(huán)路區(qū)域上方的約瑟夫森結感應，依據約瑟夫森結在磁場中的自測效應，測量約瑟夫森結電流-電壓曲線中Eck臺階位置的電壓值，計算得出閉合雙環(huán)中兩個環(huán)路的環(huán)路中心之間的磁場差值，再根據閉合雙環(huán)中兩個環(huán)路的中心之間的距離，計算得出平面磁場梯度；相比于SQUID平面磁梯度計需要制備兩個完全相同的約瑟夫森結，且存在SQUID與磁場梯度線圈的電感匹配問題，本發(fā)明結構簡單，只需制備一個約瑟夫森結，對約瑟夫森結的尺寸只要求其沿著公共環(huán)路區(qū)域的環(huán)路切線方向長度大于約瑟夫森結的穿透深度λ_J的2π倍，且無需考慮約瑟夫森結與梯度線圈的電感匹配問題，降低了器件的制備難度。其次，本發(fā)明梯度計自身除了下層超導層的閉合雙環(huán)中的兩個環(huán)路之外，不存在其它感應外磁場的環(huán)路，避免了梯度計在外磁場梯度為零時的非零響應。同時，該梯度計的電壓-磁場線性響應區(qū)間較之SQUID平面磁梯度計要大幾十至上百倍，使得本發(fā)明不需要額外加入磁通鎖定電路等輔助電子設備，在降低了弱磁傳感器信號讀出電路的設計難度的同時，增加了探測器與外部電路整體設備的穩(wěn)定性。

本發(fā)明較之目前的SQUID平面磁梯度計，其結構更為簡單，避免了梯度計在外磁場梯度為零時的非零響應，器件的電壓-磁場線性響應區(qū)間更大，進而降低了磁場信號讀出電路的設計難度以及外部設備的使用及維護成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明超導約瑟夫森平面磁梯度計的俯視圖；

圖2為約瑟夫森結的側視圖；

圖中，1下層超導層，2非超導介質層，3上層超導層，4約瑟夫森結沿下層超導層公共環(huán)路區(qū)域的環(huán)路切線方向的長度。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式進一步說明本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明實施例的超導約瑟夫森平面磁梯度計包括閉合雙環(huán)結構的下層超導層1，非超導介質層2及上層超導層3，下層超導層1的閉合雙環(huán)的兩個環(huán)路的形狀及尺寸相同。

如圖2所示，非超導介質層2附著在下層超導層1的上方，上層超導層3位于非介質超導層2的上方。

如圖1所示，非介質超導層2的尺寸不大于下層超導層1的公共環(huán)路區(qū)域的尺寸，上層超導層3的尺寸不大于非超導介質層2的尺寸；非超導介質層2位于下層超導層1的公共環(huán)路區(qū)域的中心位置，上層超導層3位于非介質超導層2覆蓋區(qū)域的中心位置，下層超導層1，非超導介質層2和上層超導層3共同覆蓋的區(qū)域構成約瑟夫森結。

如圖1所示，約瑟夫森結沿下層超導層公共環(huán)路區(qū)域的環(huán)路切線方向的長度4大于約瑟夫森結的穿透深度λ_J，且二者的比值大于2π。

如圖1所示，下層超導層1的閉合雙環(huán)的作用是感應外磁場梯度，并在公共環(huán)路區(qū)域產生凈余屏蔽電流，屏蔽電流產生可被探測的感應磁場。

如圖2所示，凈余屏蔽電流產生的感應磁場穿過約瑟夫森結，根據約瑟夫森結在磁場中的自測效應，當有磁場穿過約瑟夫森結時，會在約瑟夫森結上下兩層超導層之間的電流-電壓曲線上出現(xiàn)電流臺階，即Eck臺階，Eck臺階對應的電壓值與磁場存在線性關系：

式中，V_E為Eck臺階對應的電壓值，B為磁感應強度，u為電磁波在約瑟夫森結中的傳播速度，λ₁以及λ₂分別為下層超導層1和上層超導層2的倫敦穿透深度，d為非超導介質層2的厚度。

利用上述約瑟夫森結電壓-磁場關系，通過測量Eck臺階對應的電壓值，以及下層超導層1中閉合雙環(huán)中兩個環(huán)路的中心之間的距離，可以計算得出平面磁場梯度。

如圖1所示，下層超導層1的閉合雙環(huán)的兩個環(huán)路形狀為方形或圓形。

如圖1所示，可以在下層超導層1的公共環(huán)路區(qū)域加入電流壓縮結構來放大磁場，提高該梯度計的靈敏度。

如圖1和圖2所示，所述下層超導層1、非超導介質層2、上層超導層3可通過磁控濺射、化學氣相沉積、分子束外延等薄膜生長工藝制備，所述閉合雙環(huán)、約瑟夫森結可在薄膜制備完畢后通過微納加工刻蝕工藝獲得。

如圖1和圖2所示，所述下層超導層1和上層超導層3選用鈮或鉛或錫制作，所述非超導介質層2選用鋁或三氧化二鋁制作。