[實用新型]一種無死區時間的磁通量子計數裝置

有效

• 申請號: 201520108827.4
• 申請日: 2015-02-13
• 公開（公告）號: CN204495982U
• 公開（公告）日: 2015-07-22
• 發明（設計）人: 伍俊;張國峰;榮亮亮;蔣坤;孔祥燕;謝曉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G01R33/035
• 分類號: G01R33/035
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 余明偉

技術領域

本實用新型涉及屬于超導電子技術領域，尤其是一種基于超導量子干涉儀實現無死區時間磁通量子計數的裝置。

背景技術

超導量子干涉儀(SQUID：Superconducting?QUantum?Interference?Device)是基于約瑟夫森結構建的一種磁通電壓轉換器，也是目前已知靈敏度最高的磁傳感器，在生物磁、地球物理和低場核磁共振等極微弱磁場探測領域已有眾多應用。

在電流偏置工作模式下，SQUID兩端的輸出電壓V隨著外部磁通Φ的增加而呈現周期性變化，這是它量程巨大的根本所在，但是SQUID的V–Φ特性并不是線性的，通常需要在噪聲匹配后通過磁通鎖定環(Flux?Lock?Loop)線性化以達到實用化的目的，而FLL的主要工作原理是通過SQUID旁邊的反饋線圈抵消外界磁場的變化，使其工作點始終保持在V–Φ曲線中某個位置附近，但同時這也限制了SQUID的量程和帶寬。

在無屏蔽的工作環境下，尤其是運動或者磁場干擾嚴重的環境，基于FLL的SQUID讀出電路非常容易受量程所限而導致電路失鎖。雖然可通過復位的方式使SQUID讀出電路重新鎖定，但電路重新鎖定后的工作點已發生不可預知的跳躍，而SQUID測量的是相對量，無法進行插值，從而使失鎖后測得的數據失去意義。

現有技術有通過磁通調制的大量程SQUID讀出電路，將被測磁場通過拾取線圈分別耦合到兩個不同靈敏度的SQUID中，而且這兩個SQUID具有自己獨立的FLL電路，該做法雖然法極大地擴展了動態范圍，但如果低靈敏度的SQUID讀出電路失鎖，工作點跳躍的問題同樣存在，而且整個量程內的線性度會受拾取線圈和讀出電路有效工作區間影響。此外，采用該技術的兩級拓撲結構實現大量程時容易因為非線性和分辨率造成誤判，而采用多級拓撲結構則很難平衡通道串擾和磁梯度所引起的測量誤差，同時會大大增加系統的復雜性。

現有技術還有通過磁通計數單元進行邏輯判定、控制波形發生與整形后，通過放電開關對積分器進行復位操作，實現磁通量子計數，其中磁通計數單元的正負計數脈沖作為電路輸出，并與積分器輸出共同用于波形重構。雖然該技術具有相對簡單的電路結構，但在對積分器進行復位時存在死區時間，如果這段死區時間磁通波動超過一個Φ0，那么測量數據將是不連續的且未知的，其結果與前面所述工作點跳躍的問題一樣。

綜上所述，現有大量程的SQUID讀出電路不是存在量程不夠，就是因存在死區時間而導?致工作點跳躍不可控的問題，極大地影響了超導磁傳感器在工業、科研和醫療領域的廣泛應用和推廣。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，為了解決在運動或者磁場干擾嚴重的環境下SQUID讀出電路量程不足的問題，本實用新型提供一種無死區時間的磁通量子計數裝置，不但能通過有序地主動復位和重新鎖定在SQUID的正常工作區間內無限擴展其讀出電路的量程，并改善其整個量程內的線性度，而且能有效避免傳統磁通量子計數在死區時間內存在工作點跳躍的風險。

為實現上述目標及其他相關目標，本實用新型提供一種無死區時間的磁通量子計數裝置，包括：第一磁通鎖定環及第二磁通鎖定環，分別連接相對為高靈敏度的第一SQUID及相對為低靈敏度的第二SQUID；閾值檢測單元，分別連接所述第一磁通鎖定環及第二磁通鎖定環的輸出端；復位單元，分別接入所述第一磁通鎖定環及第二磁通鎖定環；磁通互鎖單元，連接在所述閾值檢測單元及復位單元之間；數據采集單元，連接所述第一磁通鎖定環及第二磁通鎖定環的輸出端、連接所述閾值檢測單元的輸出端、并連接所述磁通互鎖單元的輸入端。

可選的，所述第一磁通鎖定環及第二磁通鎖定環為相同電路結構，所述電路結構包括：前端放大器，其包括：分別連接SQUID及偏置電壓源的兩個輸入端、及一輸出端；積分器，其輸入端連接所述前端放大器的輸出端，其輸出端作為磁通鎖定環的輸出端；反饋線圈，經反饋電阻連接至所述積分器的輸出端，磁性耦合于所述前端放大器輸入端連接的SQUID。

可選的，所述前端放大器，包括：第一級運放，其負極輸入端接SQUID；第一電阻，其兩端分別連接所述第一級運放的負極輸入端和輸出端；其中，所述第一級運放的正極連接所述偏置電壓源的正極，所述偏置電壓源的負極接地；所述積分器，包括：第二級運放，其負極輸入端接至所述第一級運放的輸出端，所述第二級運放的正極輸入端接地；電容，兩端分別連接至所述第二級運放的負極輸入端和輸出端。