高臨界溫度超導厚膜磁通變換器的製作方法

2023-10-23 19:42:32 4

專利名稱：高臨界溫度超導厚膜磁通變換器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及與超導量子幹涉器(SQUID)配合使用的測量磁場的磁通變換器。
超導量子幹涉器，常用於測量弱磁場，這種超導量子幹涉器特別適用於醫學工程領域，如磁醫腦電描記法，磁心臟病學以及計量技術、地質、生物等技術領域。因為心臟或腦所產生的磁波非常弱，它們分別為50PT和0.1PT量級，因此使用超導量子幹涉器測量弱磁場具有獨特之處，但是在大多數情況下，為了進一步提高超導量子幹涉器磁場測量靈敏度，還需配用磁通變換器。
以往的超導量子幹涉器及與其配用的磁通變換器工作在液氦溫區下工作，而且所用的磁通變換器一般採用很細的金屬鈮線製成，用金屬鈮線繞成截面很小的線圈，但是，如果超導量子幹涉器在液氮溫區工作，則與之配用的磁通變換器必需用高Tc超導材料製成，而現有的高Tc材料、如Y系、Bi系超導材料，它們都是脆性的氧化物材料，並且不易加工成很細的線材，即使做出細的線材，在把它們繞製成線圈時，由於彎曲也會破壞其超導性。為了保證器件的超導性，所繞成的線圈還必需進行退火處理，在退火過程中，由於所繞成的線圈與管架的膨脹係數不完全相同，超導線可能會斷開。此外，如何形成探測線圈與輸入線圈之間的閉合超導迴路也是一個比較複雜的，有待解決的問題。基於上述所提到的這些問題，限制了高Tc磁通變換器的發展，進而也影響到高Tc超導量子幹涉器的應用發展。
本實用新型的目的就在於克服上述所提到的問題，設計一種新結構的高Tc磁通變換器，開拓以高Tc超導量子幹涉器在液氮溫區的實際應用。所設計的磁通變換器其特點是1.超導線材製備工藝簡單、穩定。
2.超導線無需繞制就可製成線圈，從而保證其超導性能不受影響。
3.超導線與襯底管架連接牢固，不受燒結及室溫－液氮溫度熱衝擊的影響。
4.超導線可以加工成很細，可以容易地實現閉合迴路。
5.可以根據要求製成很小孔徑的線圈。
本實用新型設計的磁通變換器是由探測線圈和輸入線圈組成的超導閉合迴路，其中，探測線圈和輸入線圈都由襯底及與之牢固結合的超導厚膜螺旋線圈組成，各線圈之間由回線使之形成閉合迴路。襯底是用各種絕緣陶瓷製成的不同截面形狀的棒材和管材。超導厚膜螺旋線圈用各種高Tc的氧化物系超導材料，採用絲網印刷技術製成。超導厚膜螺旋線圈可以設置在襯底本身的內外表面的螺紋凹槽中，也可以設置在襯底的內外表面。超導厚膜回線可以與超導厚膜螺旋線圈在襯底的同側，也可以分別在襯底的兩側。探測線圈的參數將根據實際需要而定，輸入線圈的孔徑和體積接近超導量子幹涉器的環孔的孔徑和體積，這是本技術領域的技術人員所熟知的。


圖1表示磁通變換器的示意圖。
圖2 A－C分別表示襯底管內、外側的回線與線圈之間的三種超導閉合迴路連接方法示意圖。
圖3A－B分別表示在襯底管一側的線圈與回線之間交疊的另兩種構成超導閉合迴路的連接方法示意圖。
圖4表示本實用新型設計的一種磁通變換器的示意圖。
圖5表示本實用新型設計的另一種磁通變換器的示意圖。
圖6表示本實用新型設計的一種外壁具有凹槽的襯底結構示意圖。
圖7為內壁帶凹槽的襯底結構圖。
下面將結合附圖對本實用新型設計的磁通變換器的實施方式及效果作進一步的說明。
參見圖1，所示的磁通變換器是由一個探測線圈L和一個輸入線圈L2構成的閉合迴路。其中探測線圈L1的直徑較大，一般在φ10－200mm範圍內。
磁通變換器的磁通轉換係數在探測線圈的自感大約等於輸入線圈的自感時，達到最大值。
在超導量子幹涉器加上磁通變換器之後，對於給定的超導量子幹涉器，當探測線圈的幾何形狀一定時，磁通變換器的性能主要取決於輸入線圈與超導量子幹涉器的耦合程度。通常輸入線圈與超導量子幹涉器的孔徑與體積越為接近，則他們的耦合性能越好，信噪比越高。
當輸入線圈的形狀一定時，耦合係數與輸入線圈的匝數與自感值無關，所以磁通變換器中電感的選擇具有一定的自由度。但是在實際應用中，要求連線的雜散電感與探測線圈和輸入線圈的自感相比可以忽略不計，自感值通常約為幾個微享。
另一方面，超導量子幹涉器的等效噪聲磁通是按照φNα Ly2或更快地隨自感的增加而增加。所以其自感值有一定的限度，因此其尺寸尤其是環孔的尺寸不能過大。對於實際應用的超導量子幹涉器來說，其孔徑一般為1－3mm左右，這樣，對有一定自感值的輸入線圈、要求其孔徑也較小，匝數多，例如對L＝4μH，孔徑為2mm，長為10mm的輸入線圈，其匝數約為100匝。對此，要求用很細的(約0.1mm)超導線來繞制孔徑很小的輸入線圈。顯然，採用常規的線圈結構是很難製成符合要求的高Tc磁通變換器用線圈的。而採用本實用新型設計的結構就很容易實現。
圖4是本實用新型設計的一種磁通變換器的結構示意圖。它由襯底41及與襯底結合的輸入線圈L43、探測線圈L41和回線43構成的閉合迴路所組成。襯底為圓形氫化鋁陶瓷管。輸入線圈和探測線圈使用Y系氧化物超導材料，回線和線圈分別位於襯底的內外側。其中，輸入線圈L43和探測線圈牢固連接在襯底41上，輸入線圈與探測線圈同軸布置，輸入線圈和探測線圈用回線43連接構成閉合超導迴路。探測線圈和輸入線圈是在襯底管41的粗管上加工出的超導厚膜螺旋線圈。探測線圈和輸入線圈的形狀及大小將根據實際需要而選定，而且襯底和線圈的截面也可選擇採用其它形狀。兩線圈的直徑由襯底各部分的外徑(或內徑)決定，探測線圈的直徑在10－100mm範圍內，輸入線圈的直徑在0.8－4mm範圍內，螺線及回線寬度在0.1－0.5mm範圍內。與超導量子幹涉器配合使用時，輸入線圈可插在超導量子幹涉器的環孔內，也可套在超導量子幹涉器的外面。在後一種情況下，管壁應儘可能地落實際上，為了降低線圈部分的雜散電感，也要求管壁儘可能薄。
在襯底管上的超導螺旋線圈可以通過絲網印刷直接在帶有螺旋凹槽的襯底管內壁或外壁印製形成，也可以在襯底管上先製成整體超導厚膜，再用機械加工或雷射、光刻方法加工出超導厚膜螺旋線圈。超導回線可直接製備在襯底管上，也可以在襯底管的內壁或外壁預先加工出具有回線形狀的凹槽，然後在凹槽中製成超導厚膜，從而方便地構成所希望的超導磁通變換器。
圖5表示本實用新型的另一種磁通變換器結構。這種變換器與圖4所示的不同點在於輸入線圈L53與探測線圈L51不是同軸布置的，而是互相垂直的。這種結構實用於測礦樣，可以使樣品在探測線圈內自由方便地移動。另外，把圖4或圖5所示的兩個磁通變換器組合成一體，使兩個探測線圈互相垂直，就可以同時對礦樣做三維測量，只需把襯底加工成所要求的結構就可以實現上述目的。
圖6示意地表示一段外壁有螺旋凹槽65的襯底61，管外壁的螺旋凹槽用以容納超導厚膜螺旋線圈。內壁的直凹槽66用以容納超導回線。螺紋的形狀可以按需選定，螺矩按磁通變換器的設計要求而定，螺紋深度可在幾十微米到幾百微米範圍之內。根據需要，容納超導線圈的螺旋凹槽75也可設在襯底的內壁，容納回線的凹槽76設在襯底的外壁，如圖7所示，閉合超導迴路可以採用下述方法予以實現〔1〕 使回線和超導厚膜螺旋線圈分別布置在圓管襯底的內外側，回線與線圈中間隔著絕緣襯底，回線與線圈之間的連通可以通過以下方法實現，一種是使超導厚膜螺旋線22翻過管口從管狀襯底21的外側到內側與回線23連接〈圖2A〉，另一種，為了消除管口外超導線受到磨擦而損壞，在襯底管上開一個小槽25〈圖2B〉或在管壁開一個小孔26〈圖2C〉，使超導厚膜螺旋線從槽25或小孔26中通過，不致使超導厚膜線輕易受損。
〔2〕 使回線與線圈布置在襯底管的同一側壁上，它們之間用一層絕緣材料隔開，例如對YBa2Cu3O超導厚膜，中間可用Y2BaCuO，BaCuO或ZrO，AL2O3，MgO，SrTi3O，PrBa2Cu3O等絕緣材料隔開。
圖3中A和B分別表示帶絕緣層的兩種構成超導閉合迴路的方法。圖中，螺線和回線布置在襯底管的同一側，在襯底管上加工出一定深度的槽，在槽中先製備出超導回線33′〈圖3A〉或超導螺旋線32〈圖3B〉，然後再在槽中填上一層絕緣中間層34′或34，使之與槽齊平，最後再在襯底管表面製備出螺旋線32′〈圖3A〉或回線33〈圖3B〉。
若用Y Ba2Cu3O超導材料作超導厚膜螺旋線圈和回線，還可採用BaCuO／Y2BaCuO／BaCuO或Y2BaCuO／BaCu O／Y2BaCuO疊層反應法構成交疊結構。即，先在槽中形成一層BaCuO或Y2BaCuO，再填一層Y2BaCuO或BaCuO，最後再在襯底面上形成一層BaCuO或Y2BaCuO，然後進行燒結處理，使三層材料發生反應，適當控制各層厚度和反應條件，就可形成如圖3A和3B所示的疊層結構。
由於BaCuO和Y2BaCuO本身是絕緣的，因此適當地安排三疊層的厚度，使中間層稍厚，熱處理後中間層中仍有部分未反應，這部分位於回線與線圈之中，起絕緣作用。
本實用新型採用在襯底上印製高Tc超導厚膜、再刻線形成線圈的方法，採用絲網印刷法可以製成具有良好超導性的超導厚膜，所製得的膜厚為10－100μm，其77K臨界電流密度可達1000A／cm2。製成的線寬100μm截面為1mm2的螺旋線圈採用小孔〈直徑0.1mm〉法實現閉合超導迴路。77K時的臨界電流可達200μA。超導厚膜與襯底的連接經高溫燒結後，可以變得非常牢固，基本上不受室溫－液氮溫度熱衝擊的影響，並可以方便地加工成各種精細的圖形，如可以做成寬為0.1mm以下的超導線，和孔徑為1mm以下的線圈。
另外，超導厚膜的形狀是由其襯底的形狀決定的，採用圓棒形或圓管形的襯底，在其表面上就可製得圓筒形的超導膜螺旋線圈，而不存在一般繞制的線圈因機械彎曲而破壞材料超導性的問題。只要選擇適當結構的襯底，就可以很容易地解決閉合超導迴路的問題。本實用新型設計的結構既適用於氧化物系高Tc超導材料，也適用於其它不易拉製成細線的其它化合物型超導材料。
權利要求1.一種高TC超導厚膜磁通變換器，它是輸入線圈、探測線圈、以及回線組成的閉合迴路，其特徵在於[1]所說的輸入線圈和探測線圈由襯底及與之牢固結合的超導厚膜螺旋線圈組成，線圈間由回線連接成閉合迴路，[2]所說的襯底是用各種絕緣陶瓷製成的不同截面形狀的棒材和管材中的一種，[3]所說的超導厚膜螺旋線圈和超導厚膜回線之間互相絕緣，它們可以在襯底的同側，也可以分別在襯底的兩側。
2.按權利要求1所說的磁通變換器，其特徵是所說的超導厚膜螺旋線圈和回線布置在襯底的兩側，襯底的內(外)壁上有螺旋凹槽，超導厚膜螺旋線圈位於凹槽內，襯底的外(內)壁上有直凹槽，超導厚膜回線在凹槽內。
3.如權利要求2所說的磁通變換器，其特徵是所說的螺線與回線之間的閉合迴路是採用超導螺線的端線翻過管狀襯底的管口與管另一側的回線構成閉合迴路。
4.如權利要求2所說的磁通變換器，其特徵是襯底管端側壁開有小槽，超導螺線的端部通過小槽與襯底管另一側的回線構成迴路。
5.如權利要求2所說的磁通變換器，其特徵是襯底管的端側壁上開有小孔，超導螺線的端部通過小孔與襯底管另一側的回線構成迴路。
6.按權利要求1所說的磁通變換器，其特徵是所說的超導厚膜螺旋線圈和回線在襯底的一側，襯底的外壁上有螺旋凹槽，凹槽的底部有超導厚膜螺旋線圈，凹槽的上部有絕緣層，所說的超導厚膜回線在絕緣層之外，呈軸向布置，回線與超導厚膜螺旋線圈在端部連通。
7.按權利要求1所說的磁通變換器，其特徵是所說的超導厚膜螺旋線圈和回線在襯底的一側，襯底的外壁上有軸向L
，凹槽的底部有超導厚膜回線，凹槽的上部有絕緣層，所說 超導厚膜螺旋線圈在絕緣層之外，端部與回線連通。
8.按權利要求1或2或3或4或5或6或7所說的磁通交換器，其特徵是輸入線圈和探測線圈相互垂直。
9.按權利要求1或2或3或4或5或6或7所說的磁通交換器，其特徵是輸入線圈和探測線圈相互平行。
10.按權利要求6或7所說的磁通變換器，其特徵是所說的螺線和回線採用BaCuO／Y2BaCuO／BaCuO／或Y2BaCuO／BaCuO／Y2BaCuO疊層反應法構成的交疊結構，即在槽中形成一層BaCuO或Y2BaCuO再填一層Y2BaCuO或Ba CuO，最後在襯底上形成一層BaCuO或Y2BaCuO然後燒結，控制層厚以構成疊層結構。
11.按權利要求1或2或3或4或5或6或7所說的磁通變換器，其特徵是所說的超導厚膜螺旋線圈和超導厚膜回線是用高Tc的氧化物系超導材料製成的。
專利摘要本實用新型涉及與超導量子幹涉器(SQUID)配用的高TC超導厚膜磁通變換器，主要包括襯底、高TC超導厚膜螺旋線圈，厚膜回線和中間絕緣層，所用超導材料是Y系或Bi系氧化物，襯底用ZrO，Al
文檔編號G01R33/035GK2068690SQ9020690
公開日1991年1月2日 申請日期1990年5月28日 優先權日1990年5月28日
發明者李漢青, 林安中 申請人:北京有色金屬研究總院