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超导量子干涉仪磁传感器电路关键技术研究

王永良  
【摘要】:超导量子干涉仪(Superconducting Quantum Interference Device,SQUID)磁传感器是目前工程实用化中最灵敏的磁传感器之一,已广泛应用于生物磁学、地球物理等研究领域的微弱磁信号探测系统中,如心磁仪、脑磁图仪、超导全张量磁梯度测量装置等。SQUID磁传感器系统由SQUID低温电路、室温读出电路、低温恒温器、及外围设备构成,涉及超导电路设计和参数优化、高性能读出电路设计、无屏蔽环境下SQUID传感器系统电磁兼容等电路技术问题。为了提高SQUID磁传感器的工程化应用水平,本文从器件、电路、系统三个层面开展关键技术研究。首先,开展了超导量子干涉混合电路通用分析技术研究。提出了通用的网孔电流分析方法,采用超导宏观波函数描述元件和网孔电流的关系,可直接获得超导量子干涉电路的统一电路方程,并建立通用动力学模型。电路方程和动力学模型揭示了超导量子干涉电路的内部微波干涉机理,用于SQUID静态工作特性的仿真计算,指导器件参数优化。其次,开展了 SQUID线性化读出电路技术研究。提出了基于SQUID磁通反馈运算放大器模型的读出电路设计方法,相比传统基于积分器的磁通锁定环路(Flux-Locked Loop,FLL)模型更具一般性和灵活性。基于SQUID运算放大器模型,成功实现了只需2个运算放大器的高摆率读出电路,摆率达到106Φ0/S;实现了基于比例反馈自动复位的大量程读出电路,误差低于0.1Φ0;实现了实用化的双级SQUID低噪声读出电路,测得电路噪声水平低于1μΦ0/√Hz,解决了以往双级SQUID读出电路中存在的多工作点问题。最后,开展了多通道SQUID磁传感器系统集成技术研究。提出了多通道SQUID磁传感器一体化集成设计方案。一体化集成方案采用小型化、数字化、光电隔离的读出电路设计,将整个基于SQUID的运算放大电路嵌入到低温恒温器中,实现与外部设备的电磁兼容,提高SQUID磁传感器在无屏蔽环境下的抗干扰能力。一体化系统集成技术成功应用于多通道无屏蔽心磁图仪和航空超导全张量磁梯度测量装置中,实现了应用演示。本文通过SQUID磁传感器电路关键技术研究,形成了包括超导器件分析、读出电路设计、及系统集成的通用电路理论和方法,为SQUID磁传感器系统开发提供了完整的技术解决方案,对推动SQUID磁探测系统的工程化应用具有重要的意义。


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