[实用新型]读出电路及所适用的双级的超导量子干涉传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种双级超导量子干涉传感器，特别是涉及一种读出电路及所适用的双级的超导量子干涉传感器。 

背景技术

超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device以下简称SQUID)是目前已知最灵敏的磁传感器，在微弱磁信号探测，如心磁、脑磁、核磁共振、地球物理探测中具有重要的应用。 

由于SQUID的信号非常微弱，最大响应磁场输出的电压只有几十个uV，同时工作在液氦(4.2K)或液氮(77K)的超导环境下，需要通过较长(1米以上)的电缆，才能将信号接到常温的放大器中，传输距离远易导致信号衰减。因此，技术人员实用新型了双级超导量子干涉组件(two-stage SQUIDs)来提升整个传感器的磁通-电压传输率，其原理图如图1所示。 

由于SQUID的个体差异，每个SQUID不可能工作在同样的工作点上，因此，在使用双级超导量子干涉组件时，需要调试每个SQUID的工作点。因此，其相匹配的读出电路不仅需要对所感应的信号进行放大、积分处理，还需要具备提供调试各SQUID工作点的能力。 

现有技术中，双级型放大的超导量子干涉器件的读出可采用单磁通锁定环和双磁通锁定环路两种方式进行读出。 

所谓单磁通锁定环读出电路方案即单反馈读出方式为整个双级的SQUID超导量子干涉器作为一个非线性磁通电压转换器整体来看待：及外部磁通Φe被第1级的SQUID捕获经过第1级的磁通放大电路实现磁通放大，并通过互感M2将放大后的磁通量Φe^*耦合到第2级SQUID器件中，实现磁通电压转换，第2级SQUID输出电压信号。该双级放大的SQUID器件输出的信号被读出电路的前置放大检测并放大送入积分通过反馈电阻和反馈线圈实现磁通锁定读出。 

上述单磁通锁定环路的读出方案中，由于两级SQUID电路级联，其磁通电压-传输特性中最佳工作点(即磁通电压传输率最大的点)线性范围更小，且具有多个能让上述磁通锁定环路保持锁定工作的其他非最大磁通电压传输率的次工作点。因此要使得磁通锁定环路在最佳的工作点下锁定，就要求器件在调节时，要尽量保持外部磁通的变化在最佳工作点线性区范围内，否则无法确保工作点正好锁定在所要的最佳工作点上。而上述的两级放大超导量子干涉器其最佳工作点的线性范围随着第一级磁通放大倍数的增大而大大减小，因此在实用过 程中，工作点的选定和保持工作点锁定在最佳工作点的操作变得困难，要求电路在锁定时刻外部磁场的扰动控制在最佳工作点的线性区内，否则就有可能锁定在其他的不具有最大磁通电压传输率的工作点上，而无法发挥双级放大的超导量子干涉器件在低温环境下具备的低噪声性能。 

为了解决上述问题，技术人员还采用了双磁通锁定环路的读出电路，其构成原理如图2所示，第二级SQUID器件和前置放大器及积分器A21、反馈电阻A22，反馈线圈A23构成一个内部的磁通锁定环，其作用是实现第二级SQUID器件最佳工作点的锁定，同时实现磁通电压线性转换，因此该环路构成了有第二级SQUID实现的磁通线性放大器。以此磁通线性放大器为基础，实现第一级SQUID构成的磁通放大器的输出特性的检测。通过给反馈线圈A23加偏移电流实现磁通偏移，实现第一级磁通放大器特性曲线中最佳工作点的选取，由积分器A11和反馈电阻A12、反馈线圈A13，构成第二个磁通锁定环，定义为外环，该环最终完成整个双级放大的磁通量子干涉器件检测所感应外磁通的磁通-电压线性转换。 

上述双磁通锁定环路方案存在的问题：双磁通锁定环路方案使用了两个反馈回路，两级积分器，因此整个电路的传输函数产生了至少2个极点，因此两个积分器的配置要受约束，否则整个环路不稳定，产生振荡现象。因此在实践中，积分器1的配置要使得外环路的带宽远低于积分器2实现的内环路的带宽(内外环带宽保持在10倍以上的差异)。因此采用双环路方式的读出电路解决了双级超导量子干涉器件工作点调节和选定的问题，但牺牲了整个传感器(双级超导量子干涉器件和读出电路)的带宽。 

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种读出电路及所适用的双级的超导量子干涉传感器，用于解决现有技术中读出电路无法灵活调节各SQUID工作点的问题。