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1、北京大学博士学位论文高温超导rfSQUID系统优化和应用研究姓名：谢飞翔申请学位级别：博士专业：凝聚态物理指导教师：王世光;戴远东2000.6.1高温超导rf SQUID系统优化和应用研究，、谢飞翔(北京大学物理系凝聚态物理专业)摘要本博士论文_作的!的是低噪声、大带宽、高摆率并具有较好稳定性的高温超r rfSQUID系统的研制及优化.和高温超导rf SQUID系统的实际应用研究。个rf SQUID系统山三部分组成:rf SQUID器件，谐振回路和读出电路。在器件方面，我们在仔细分析高Tc时的:f SQUID噪声理论的基础上，最佳磁场分辨率的高Tc rf SQUID器件电感的最佳取值。推导了可
2、获得在谐振回路和读出电路方面，文中给出了我们所研制的350MHz rf SQUID系统所用的梳齿式超导共面谐振器和读出电路的设计思想和实现方法，1f对多种谐振回路的性能进行了优化比较。11J外，我们研制了SQUID系统的数字化控制电路及计算机接u电路。(If SQUID系统的噪声、带宽、摆率是衡量其性能的主要指标。我们从理论和实验:研究了在实际应用中至关重要的摆率问题，得到了在实际SQUID系统中计入噪声后的摆率和噪声及带宽的关系，给出了提高系统摆率的方法。另外，我们从理论和实验土研究了SQUID系统应用中的屏蔽问题。摆率和屏蔽问题的研究为实际I,诩l打卜了从础。在应用方面，文I对:f SQU
3、ID系统应用十瞬变电磁法野外大地电磁测量中和传统的方法作了理论分析比较，给出了使用SQUID系统时的测深公式。文，还探讨了对SQUID样，;，的磁通磁场转换系数的实验测定方法.k lit:,效应的优化进行了分析井且对磁摆rf i划门所研制的系统的最付磁通噪声为2.6 X 10 N,/ VHz，带宽大- IOOkHz,令达5刃2 X 1054)/S.人Xf净磁场分辨率93汀/JHz我们月J所研制的，;芍温超导SQUID矛炸hk,1JJ地州乒断变姗法野外人地L, T6I9!(i 1,1了、J兄介“、“甘SPL4,il!9，以及磁IJr蔽和无磁屏蔽)健 i小高温超Lrrf SQUID (;1JIJi
4、超L, G1:J=I沙器)瞰强i卜梯度i仁摆率，超r共向谐抓器The Study of Low Noise HTS rf SQUIDs Optimization and ApplicationsFeixiang Me (condensed matter physics)Directed by Prof. Shiguang Wang，Prof. Yuan-dong Dai, Prof. Shouzheng WangThe application requires the superconducting quantum interference devices(SQUIDs) being of l
5、ow noise, broad bandwidth, high slew rate and good stability. Thedestination of the work is to develop and improve the performance of the hightemperature superconductor radio frequency (HTS rf) SQUID systems, and to researchits applications.In an rf SQUID system, there are three parts which determin
6、e the performance ofthe system: the sensor of rf SQUID, the tank circuit and the readout electronics. Wededuce the best selection of high Tc rf SQUID inductance value corresponding to thebest field sensitivity based on high Tc rf SQUID noise theory. And we develop 350MHzrf SQUID systems and invent c
7、omb style superconducting coplanar resonator. Besides,we developed micro controller unit for our SQUID systemsWe study optimization of the slew rate of SQUID systems both theoretically andexperimentally and find the optimum bandwidth for the maximum slew rate, which isthe key point to applications.
8、Also we investigate the shielding of SQUID systems boththeoretically and experimentally. These two aspects are the basis for applications in non-shielding environment.This thesis compares the traditional method and the method of applying SQUIDs ingeophysical surveying, and gives the evaluation of de
9、pth explored by SQUIDs.In this thesis, we describe the determination of field to flux coefficient and theoptimization of the design of flux focuser to reach maximum efficiency.We achieve the flux white noise of 2.6X 10(DoNHz and field white noise of93(1/JHz, with the bandwidth of moreHTS rf SQUID sy
10、stem developed bythan I OOkHz and slew rate of 2 X 10q)o/S.us demonstrates a good performance inThetheapplication of geophysical exploration and ntagnetocardiology measurementsKeywords: rf SQUID (radio frequency superconducting quantum interference device),slec rate, magnetometer, gradiometer. super
11、conducting coplanar resonator为便于本论文的阅读，下面列出本论文中出现的部分标准符号及其含义:中。是磁通量子kB为Boltzmann常数T为SQUID器件的工作温度。为rf SQUID系统的射频工作频率R是Josephson结的l=常态电阻Ic是Josephson结的临界电流Ls为SQUID器件的电感PL是器件的电感参数waa为Josephson结的特征频率k为谐振回路与SQUID器件的祸合系数T。为谐振回路的等效噪声温度Q为谐振回路的品质因数第一章高温超导SQUID和应用综述SQUID是超导量子干涉器(Superconducting Quantum Interfe
12、renceDevices)的英文缩写。根据所使用的超导材料，可分为低温超导SQUID和高温超导SQUID。又可根据超导环中插入数分为rf SQUID和do SQUID.Josephson结的个常在采用射频偏置，rf SQUID只有一个Josephson结，do SQUID有两个Josephson结，常采用直流偏置。现行的do SQUID和rf SQUID方案中，SQUID是一个磁通电压转换的传感器。SQUID用来检测非常微弱的磁场，是H前人类所知道的最灵敏的磁场检测装置，尤其在低频段，从而应用于生物磁测量、地磁测量、材料的无损检测、扫描磁显微镜、基础物理研究等很多领域。SQUID高温超导材料发
13、现之后，对高温超导SQUID系统研制和应用的研究非常活跃。第一节高911超导SQUID应用进展41为一个磁通电压转换的传感器，当外磁通或磁场加到SQUID F.时，SQUID的状态会曾现周期性的变化，通过特定的读出电路可读出电从信号，从而检测出外磁场的变化。关于do SQUID的工作原理，nJ参考文献草1.1;关于:f SQUID的工作原理可参阅本论文的第二低; SQUID般一上作在液氦温度(4.2K)，所需要的制冷设备复杂昂,a.Oil 1;11，实验Me) 11也很高，关于低温SQUID的应用综述可见文献1.20ii , 7 fiu超 YBCO SQUID _1_作在液kUiui/x(77
14、K), 1t1它所需要的制冷设务II=常简单，实验费用低廉，所以对高温超导SQUID的应用研究有实川价值，日前1要集!，在三个领域1.3-1.4:仁物磁测量，材料的无损检测，地磁测量，另外还有扫描磁显微镜。1.1 f_物磁测量生物磁测量泛指对活细胞体产生的磁场的测量，信号的强度从心脏信号的儿十pT到脊髓信号的几十fT不等1.5，只有SQUID可以用来检测。高Tc SQUID的应用主要集中在信号最强的心磁测量，相比与心电图测量的优点是:可得到心脏里的封闭和不封闭的电流的信息，一以反演心脏表面的3维电流分布，某些心脏疾病的早期诊断，卜于妾触式。在无磁屏蔽环境下，背景磁场噪声很大:50Hz及其谐波的
15、干扰幅度更大，可达儿十nT甚至几百nT，见图1.11.3。为在大的环境噪声中检测到象心磁信号这样小的磁信号，一般y;.川ell六件右ini种.了1、平田猫尾筋的有井价1梁用梯冷计呼一.ac!卜agnefic，仇.Ea而瓜，_月卜目匕。，。，.碑赴之帅陆一.司后二奋品，.令卜屯户、.州一一r.曲onmealVon_ -at AZ,%Q4 LIIA*HeartIBrctin ，!.之卜闷tn4屯I匕一，召二盖，、盏淤一.石函、吮石.口卜Shielded room卜。，LTS SQugo厂里匕卫召名吕牙盔1 10Frequency Hz10310咚!1.1环境噪声随频率变化示意图心磁测量的五封卜结果
16、是Drung厅，的钻宝进行的1.6-1.71a等人用YBCO do SQUID在Y1林的磁他们使i1的do SQUIDfa通变换器，磁场灵敏度为为多层结构，n有多圈为200Hz时无电源FIOfI/伯z I kHz,频陷波I时的实时信号的信53 fINHz 1 Hz.带宽噪比为130，如图1.2所示。一.一一一一一fi一份任三、1丫 ，一、一一份、_ Q;IS、种尹、一、0云0.云202三图1.2无工频限波器，带宽0.016-200Hz的心磁信号，信噪比为130hi然大型磁屏蔽室对环境磁噪声的屏蔽效果比较好，但造价昂贵。Drung等利用中型磁屏蔽室和简易的一阶电子梯度计进行了心磁图的研究工作1.7。其中磁屏蔽室由两层片金属和一层铝板构成1.8，内部尺寸为2.44m
