[发明专利]一种无死区时间的磁通量子计数装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及属于超导电子技术领域，尤其是一种基于超导量子干涉仪实现无死区时间磁通量子计数的装置及方法。

背景技术

超导量子干涉仪(SQUID：Superconducting QUantum Interference Device)是基于约瑟夫森结构建的一种磁通电压转换器，也是目前已知灵敏度最高的磁传感器，在生物磁、地球物理和低场核磁共振等极微弱磁场探测领域已有众多应用。

在电流偏置工作模式下，SQUID两端的输出电压V随着外部磁通Φ的增加而呈现周期性变化，这是它量程巨大的根本所在，但是SQUID的V–Φ特性并不是线性的，通常需要在噪声匹配后通过磁通锁定环(Flux Lock Loop)线性化以达到实用化的目的，而FLL的主要工作原理是通过SQUID旁边的反馈线圈抵消外界磁场的变化，使其工作点始终保持在V–Φ曲线中某个位置附近，但同时这也限制了SQUID的量程和带宽。

在无屏蔽的工作环境下，尤其是运动或者磁场干扰严重的环境，基于FLL的SQUID读出电路非常容易受量程所限而导致电路失锁。虽然可通过复位的方式使SQUID读出电路重新锁定，但电路重新锁定后的工作点已发生不可预知的跳跃，而SQUID测量的是相对量，无法进行插值，从而使失锁后测得的数据失去意义。

现有技术有通过磁通调制的大量程SQUID读出电路，将被测磁场通过拾取线圈分别耦合到两个不同灵敏度的SQUID中，而且这两个SQUID具有自己独立的FLL电路，该做法虽然法极大地扩展了动态范围，但如果低灵敏度的SQUID读出电路失锁，工作点跳跃的问题同样存在，而且整个量程内的线性度会受拾取线圈和读出电路有效工作区间影响。此外，采用该技术的两级拓扑结构实现大量程时容易因为非线性和分辨率造成误判，而采用多级拓扑结构则很难平衡通道串扰和磁梯度所引起的测量误差，同时会大大增加系统的复杂性。

现有技术还有通过磁通计数单元进行逻辑判定、控制波形发生与整形后，通过放电开关对积分器进行复位操作，实现磁通量子计数，其中磁通计数单元的正负计数脉冲作为电路输出，并与积分器输出共同用于波形重构。虽然该技术具有相对简单的电路结构，但在对积分器进行复位时存在死区时间，如果这段死区时间磁通波动超过一个Φ0，那么测量数据将是不连续的且未知的，其结果与前面所述工作点跳跃的问题一样。

综上所述，现有大量程的SQUID读出电路不是存在量程不够，就是因存在死区时间而导致工作点跳跃不可控的问题，极大地影响了超导磁传感器在工业、科研和医疗领域的广泛应用和推广。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，为了解决在运动或者磁场干扰严重的环境下SQUID读出电路量程不足的问题，本发明提供一种无死区时间的磁通量子计数装置及方法，不但能通过有序地主动复位和重新锁定在SQUID的正常工作区间内无限扩展其读出电路的量程，并改善其整个量程内的线性度，而且能有效避免传统磁通量子计数方法在死区时间内存在工作点跳跃的风险。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种无死区时间的磁通量子计数装置，包括：第一磁通锁定环及第二磁通锁定环，分别连接相对为高灵敏度的第一SQUID及相对为低灵敏度的第二SQUID；阈值检测单元，分别连接所述第一磁通锁定环及第二磁通锁定环的输出端；复位单元，分别接入所述第一磁通锁定环及第二磁通锁定环；磁通互锁单元，连接在所述阈值检测单元及复位单元之间；数据采集单元，连接所述第一磁通锁定环及第二磁通锁定环的输出端、连接所述阈值检测单元的输出端、并连接所述磁通互锁单元的输入端；其中，当所述第一磁通锁定环的输出达到第一预设阈值时，所述阈值检测单元输出第一复位信号；所述磁通互锁单元在接收到所述第一复位信号时，通过复位单元对第一磁通锁定环复位后再重新锁定；所述数据采集单元收集所述第一磁通锁定环从复位至重新锁定之间的死区时间内发生的磁通变化来补偿第一磁通锁定环供锁定工作点；并且，当检测到所述第一磁通锁定环重新锁定后且收到所述阈值检测单元由于第二磁通锁定环的输出达到第二预设阈值而输出的第二复位信号时，所述数据采集单元控制所述磁通互锁单元通过所述复位单元对所述第二磁通锁定环进行复位后再重新锁定，所述数据采集单元收集所述第二磁通锁定环复位至锁定间的死区时间内发生的磁通变化来补偿第二磁通锁定环供锁定工作点。