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高臨界溫度超導(dǎo)厚膜磁通變換器的制作方法

文檔序號(hào):6085459閱讀:259來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:高臨界溫度超導(dǎo)厚膜磁通變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型涉及與超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)配合使用的測(cè)量磁場(chǎng)的磁通變換器。
超導(dǎo)量子干涉器,常用于測(cè)量弱磁場(chǎng),這種超導(dǎo)量子干涉器特別適用于醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域,如磁醫(yī)腦電描記法,磁心臟病學(xué)以及計(jì)量技術(shù)、地質(zhì)、生物等技術(shù)領(lǐng)域。因?yàn)樾呐K或腦所產(chǎn)生的磁波非常弱,它們分別為50PT和0.1PT量級(jí),因此使用超導(dǎo)量子干涉器測(cè)量弱磁場(chǎng)具有獨(dú)特之處,但是在大多數(shù)情況下,為了進(jìn)一步提高超導(dǎo)量子干涉器磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度,還需配用磁通變換器。
以往的超導(dǎo)量子干涉器及與其配用的磁通變換器工作在液氦溫區(qū)下工作,而且所用的磁通變換器一般采用很細(xì)的金屬鈮線制成,用金屬鈮線繞成截面很小的線圈,但是,如果超導(dǎo)量子干涉器在液氮溫區(qū)工作,則與之配用的磁通變換器必需用高Tc超導(dǎo)材料制成,而現(xiàn)有的高Tc材料、如Y系、Bi系超導(dǎo)材料,它們都是脆性的氧化物材料,并且不易加工成很細(xì)的線材,即使做出細(xì)的線材,在把它們繞制成線圈時(shí),由于彎曲也會(huì)破壞其超導(dǎo)性。為了保證器件的超導(dǎo)性,所繞成的線圈還必需進(jìn)行退火處理,在退火過(guò)程中,由于所繞成的線圈與管架的膨脹系數(shù)不完全相同,超導(dǎo)線可能會(huì)斷開。此外,如何形成探測(cè)線圈與輸入線圈之間的閉合超導(dǎo)回路也是一個(gè)比較復(fù)雜的,有待解決的問(wèn)題?;谏鲜鏊岬降倪@些問(wèn)題,限制了高Tc磁通變換器的發(fā)展,進(jìn)而也影響到高Tc超導(dǎo)量子干涉器的應(yīng)用發(fā)展。
本實(shí)用新型的目的就在于克服上述所提到的問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種新結(jié)構(gòu)的高Tc磁通變換器,開拓以高Tc超導(dǎo)量子干涉器在液氮溫區(qū)的實(shí)際應(yīng)用。所設(shè)計(jì)的磁通變換器其特點(diǎn)是1.超導(dǎo)線材制備工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。
2.超導(dǎo)線無(wú)需繞制就可制成線圈,從而保證其超導(dǎo)性能不受影響。
3.超導(dǎo)線與襯底管架連接牢固,不受燒結(jié)及室溫-液氮溫度熱沖擊的影響。
4.超導(dǎo)線可以加工成很細(xì),可以容易地實(shí)現(xiàn)閉合回路。
5.可以根據(jù)要求制成很小孔徑的線圈。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的磁通變換器是由探測(cè)線圈和輸入線圈組成的超導(dǎo)閉合回路,其中,探測(cè)線圈和輸入線圈都由襯底及與之牢固結(jié)合的超導(dǎo)厚膜螺旋線圈組成,各線圈之間由回線使之形成閉合回路。襯底是用各種絕緣陶瓷制成的不同截面形狀的棒材和管材。超導(dǎo)厚膜螺旋線圈用各種高Tc的氧化物系超導(dǎo)材料,采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制成。超導(dǎo)厚膜螺旋線圈可以設(shè)置在襯底本身的內(nèi)外表面的螺紋凹槽中,也可以設(shè)置在襯底的內(nèi)外表面。超導(dǎo)厚膜回線可以與超導(dǎo)厚膜螺旋線圈在襯底的同側(cè),也可以分別在襯底的兩側(cè)。探測(cè)線圈的參數(shù)將根據(jù)實(shí)際需要而定,輸入線圈的孔徑和體積接近超導(dǎo)量子干涉器的環(huán)孔的孔徑和體積,這是本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)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(nèi)、外側(cè)的回線與線圈之間的三種超導(dǎo)閉合回路連接方法示意圖。
圖3A-B分別表示在襯底管一側(cè)的線圈與回線之間交疊的另兩種構(gòu)成超導(dǎo)閉合回路的連接方法示意圖。
圖4表示本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種磁通變換器的示意圖。
圖5表示本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的另一種磁通變換器的示意圖。
圖6表示本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種外壁具有凹槽的襯底結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為內(nèi)壁帶凹槽的襯底結(jié)構(gòu)圖。
下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的磁通變換器的實(shí)施方式及效果作進(jìn)一步的說(shuō)明。
參見(jiàn)圖1,所示的磁通變換器是由一個(gè)探測(cè)線圈L和一個(gè)輸入線圈L2構(gòu)成的閉合回路。其中探測(cè)線圈L1的直徑較大,一般在φ10-200mm范圍內(nèi)。
磁通變換器的磁通轉(zhuǎn)換系數(shù)在探測(cè)線圈的自感大約等于輸入線圈的自感時(shí),達(dá)到最大值。
在超導(dǎo)量子干涉器加上磁通變換器之后,對(duì)于給定的超導(dǎo)量子干涉器,當(dāng)探測(cè)線圈的幾何形狀一定時(shí),磁通變換器的性能主要取決于輸入線圈與超導(dǎo)量子干涉器的耦合程度。通常輸入線圈與超導(dǎo)量子干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(dāng)輸入線圈的形狀一定時(shí),耦合系數(shù)與輸入線圈的匝數(shù)與自感值無(wú)關(guān),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(shí)際應(yīng)用中,要求連線的雜散電感與探測(cè)線圈和輸入線圈的自感相比可以忽略不計(jì),自感值通常約為幾個(gè)微享。
另一方面,超導(dǎo)量子干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(huán)孔的尺寸不能過(guò)大。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的超導(dǎo)量子干涉器來(lái)說(shuō),其孔徑一般為1-3mm左右,這樣,對(duì)有一定自感值的輸入線圈、要求其孔徑也較小,匝數(shù)多,例如對(duì)L=4μH,孔徑為2mm,長(zhǎng)為10mm的輸入線圈,其匝數(shù)約為100匝。對(duì)此,要求用很細(xì)的(約0.1mm)超導(dǎo)線來(lái)繞制孔徑很小的輸入線圈。顯然,采用常規(guī)的線圈結(jié)構(gòu)是很難制成符合要求的高Tc磁通變換器用線圈的。而采用本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)就很容易實(shí)現(xiàn)。
圖4是本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種磁通變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。它由襯底41及與襯底結(jié)合的輸入線圈L43、探測(cè)線圈L41和回線43構(gòu)成的閉合回路所組成。襯底為圓形氫化鋁陶瓷管。輸入線圈和探測(cè)線圈使用Y系氧化物超導(dǎo)材料,回線和線圈分別位于襯底的內(nèi)外側(cè)。其中,輸入線圈L43和探測(cè)線圈牢固連接在襯底41上,輸入線圈與探測(cè)線圈同軸布置,輸入線圈和探測(cè)線圈用回線43連接構(gòu)成閉合超導(dǎo)回路。探測(cè)線圈和輸入線圈是在襯底管41的粗管上加工出的超導(dǎo)厚膜螺旋線圈。探測(cè)線圈和輸入線圈的形狀及大小將根據(jù)實(shí)際需要而選定,而且襯底和線圈的截面也可選擇采用其它形狀。兩線圈的直徑由襯底各部分的外徑(或內(nèi)徑)決定,探測(cè)線圈的直徑在10-100mm范圍內(nèi),輸入線圈的直徑在0.8-4mm范圍內(nèi),螺線及回線寬度在0.1-0.5mm范圍內(nèi)。與超導(dǎo)量子干涉器配合使用時(shí),輸入線圈可插在超導(dǎo)量子干涉器的環(huán)孔內(nèi),也可套在超導(dǎo)量子干涉器的外面。在后一種情況下,管壁應(yīng)盡可能地落實(shí)際上,為了降低線圈部分的雜散電感,也要求管壁盡可能薄。
在襯底管上的超導(dǎo)螺旋線圈可以通過(guò)絲網(wǎng)印刷直接在帶有螺旋凹槽的襯底管內(nèi)壁或外壁印制形成,也可以在襯底管上先制成整體超導(dǎo)厚膜,再用機(jī)械加工或激光、光刻方法加工出超導(dǎo)厚膜螺旋線圈。超導(dǎo)回線可直接制備在襯底管上,也可以在襯底管的內(nèi)壁或外壁預(yù)先加工出具有回線形狀的凹槽,然后在凹槽中制成超導(dǎo)厚膜,從而方便地構(gòu)成所希望的超導(dǎo)磁通變換器。
圖5表示本實(shí)用新型的另一種磁通變換器結(jié)構(gòu)。這種變換器與圖4所示的不同點(diǎn)在于輸入線圈L53與探測(cè)線圈L51不是同軸布置的,而是互相垂直的。這種結(jié)構(gòu)實(shí)用于測(cè)礦樣,可以使樣品在探測(cè)線圈內(nèi)自由方便地移動(dòng)。另外,把圖4或圖5所示的兩個(gè)磁通變換器組合成一體,使兩個(gè)探測(cè)線圈互相垂直,就可以同時(shí)對(duì)礦樣做三維測(cè)量,只需把襯底加工成所要求的結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)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(dǎo)厚膜螺旋線圈。內(nèi)壁的直凹槽66用以容納超導(dǎo)回線。螺紋的形狀可以按需選定,螺矩按磁通變換器的設(shè)計(jì)要求而定,螺紋深度可在幾十微米到幾百微米范圍之內(nèi)。根據(jù)需要,容納超導(dǎo)線圈的螺旋凹槽75也可設(shè)在襯底的內(nèi)壁,容納回線的凹槽76設(shè)在襯底的外壁,如圖7所示,閉合超導(dǎo)回路可以采用下述方法予以實(shí)現(xiàn)〔1〕 使回線和超導(dǎo)厚膜螺旋線圈分別布置在圓管襯底的內(nèi)外側(cè),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(guò)以下方法實(shí)現(xiàn),一種是使超導(dǎo)厚膜螺旋線22翻過(guò)管口從管狀襯底21的外側(cè)到內(nèi)側(cè)與回線23連接〈圖2A〉,另一種,為了消除管口外超導(dǎo)線受到磨擦而損壞,在襯底管上開一個(gè)小槽25〈圖2B〉或在管壁開一個(gè)小孔26〈圖2C〉,使超導(dǎo)厚膜螺旋線從槽25或小孔26中通過(guò),不致使超導(dǎo)厚膜線輕易受損。
〔2〕 使回線與線圈布置在襯底管的同一側(cè)壁上,它們之間用一層絕緣材料隔開,例如對(duì)YBa2Cu3O超導(dǎo)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(gòu)成超導(dǎo)閉合回路的方法。圖中,螺線和回線布置在襯底管的同一側(cè),在襯底管上加工出一定深度的槽,在槽中先制備出超導(dǎo)回線33′〈圖3A〉或超導(dǎo)螺旋線32〈圖3B〉,然后再在槽中填上一層絕緣中間層34′或34,使之與槽齊平,最后再在襯底管表面制備出螺旋線32′〈圖3A〉或回線33〈圖3B〉。
若用Y Ba2Cu3O超導(dǎo)材料作超導(dǎo)厚膜螺旋線圈和回線,還可采用BaCuO/Y2BaCuO/BaCuO或Y2BaCuO/BaCu O/Y2BaCuO疊層反應(yīng)法構(gòu)成交疊結(jié)構(gòu)。即,先在槽中形成一層BaCuO或Y2BaCuO,再填一層Y2BaCuO或BaCuO,最后再在襯底面上形成一層BaCuO或Y2BaCuO,然后進(jìn)行燒結(jié)處理,使三層材料發(fā)生反應(yīng),適當(dāng)控制各層厚度和反應(yīng)條件,就可形成如圖3A和3B所示的疊層結(jié)構(gòu)。
由于BaCuO和Y2BaCuO本身是絕緣的,因此適當(dāng)?shù)匕才湃B層的厚度,使中間層稍厚,熱處理后中間層中仍有部分未反應(yīng),這部分位于回線與線圈之中,起絕緣作用。
本實(shí)用新型采用在襯底上印制高Tc超導(dǎo)厚膜、再刻線形成線圈的方法,采用絲網(wǎng)印刷法可以制成具有良好超導(dǎo)性的超導(dǎo)厚膜,所制得的膜厚為10-100μm,其77K臨界電流密度可達(dá)1000A/cm2。制成的線寬100μm截面為1mm2的螺旋線圈采用小孔〈直徑0.1mm〉法實(shí)現(xiàn)閉合超導(dǎo)回路。77K時(shí)的臨界電流可達(dá)200μA。超導(dǎo)厚膜與襯底的連接經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后,可以變得非常牢固,基本上不受室溫-液氮溫度熱沖擊的影響,并可以方便地加工成各種精細(xì)的圖形,如可以做成寬為0.1mm以下的超導(dǎo)線,和孔徑為1mm以下的線圈。
另外,超導(dǎo)厚膜的形狀是由其襯底的形狀決定的,采用圓棒形或圓管形的襯底,在其表面上就可制得圓筒形的超導(dǎo)膜螺旋線圈,而不存在一般繞制的線圈因機(jī)械彎曲而破壞材料超導(dǎo)性的問(wèn)題。只要選擇適當(dāng)結(jié)構(gòu)的襯底,就可以很容易地解決閉合超導(dǎo)回路的問(wèn)題。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)既適用于氧化物系高Tc超導(dǎo)材料,也適用于其它不易拉制成細(xì)線的其它化合物型超導(dǎo)材料。
權(quán)利要求1.一種高TC超導(dǎo)厚膜磁通變換器,它是輸入線圈、探測(cè)線圈、以及回線組成的閉合回路,其特征在于[1]所說(shuō)的輸入線圈和探測(cè)線圈由襯底及與之牢固結(jié)合的超導(dǎo)厚膜螺旋線圈組成,線圈間由回線連接成閉合回路,[2]所說(shuō)的襯底是用各種絕緣陶瓷制成的不同截面形狀的棒材和管材中的一種,[3]所說(shuō)的超導(dǎo)厚膜螺旋線圈和超導(dǎo)厚膜回線之間互相絕緣,它們可以在襯底的同側(cè),也可以分別在襯底的兩側(cè)。
2.按權(quán)利要求1所說(shuō)的磁通變換器,其特征是所說(shuō)的超導(dǎo)厚膜螺旋線圈和回線布置在襯底的兩側(cè),襯底的內(nèi)(外)壁上有螺旋凹槽,超導(dǎo)厚膜螺旋線圈位于凹槽內(nèi),襯底的外(內(nèi))壁上有直凹槽,超導(dǎo)厚膜回線在凹槽內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所說(shuō)的磁通變換器,其特征是所說(shuō)的螺線與回線之間的閉合回路是采用超導(dǎo)螺線的端線翻過(guò)管狀襯底的管口與管另一側(cè)的回線構(gòu)成閉合回路。
4.如權(quán)利要求2所說(shuō)的磁通變換器,其特征是襯底管端側(cè)壁開有小槽,超導(dǎo)螺線的端部通過(guò)小槽與襯底管另一側(cè)的回線構(gòu)成回路。
5.如權(quán)利要求2所說(shuō)的磁通變換器,其特征是襯底管的端側(cè)壁上開有小孔,超導(dǎo)螺線的端部通過(guò)小孔與襯底管另一側(cè)的回線構(gòu)成回路。
6.按權(quán)利要求1所說(shuō)的磁通變換器,其特征是所說(shuō)的超導(dǎo)厚膜螺旋線圈和回線在襯底的一側(cè),襯底的外壁上有螺旋凹槽,凹槽的底部有超導(dǎo)厚膜螺旋線圈,凹槽的上部有絕緣層,所說(shuō)的超導(dǎo)厚膜回線在絕緣層之外,呈軸向布置,回線與超導(dǎo)厚膜螺旋線圈在端部連通。
7.按權(quán)利要求1所說(shuō)的磁通變換器,其特征是所說(shuō)的超導(dǎo)厚膜螺旋線圈和回線在襯底的一側(cè),襯底的外壁上有軸向L
,凹槽的底部有超導(dǎo)厚膜回線,凹槽的上部有絕緣層,所說(shuō) 超導(dǎo)厚膜螺旋線圈在絕緣層之外,端部與回線連通。
8.按權(quán)利要求1或2或3或4或5或6或7所說(shuō)的磁通交換器,其特征是輸入線圈和探測(cè)線圈相互垂直。
9.按權(quán)利要求1或2或3或4或5或6或7所說(shuō)的磁通交換器,其特征是輸入線圈和探測(cè)線圈相互平行。
10.按權(quán)利要求6或7所說(shuō)的磁通變換器,其特征是所說(shuō)的螺線和回線采用BaCuO/Y2BaCuO/BaCuO/或Y2BaCuO/BaCuO/Y2BaCuO疊層反應(yīng)法構(gòu)成的交疊結(jié)構(gòu),即在槽中形成一層BaCuO或Y2BaCuO再填一層Y2BaCuO或Ba CuO,最后在襯底上形成一層BaCuO或Y2BaCuO然后燒結(jié),控制層厚以構(gòu)成疊層結(jié)構(gòu)。
11.按權(quán)利要求1或2或3或4或5或6或7所說(shuō)的磁通變換器,其特征是所說(shuō)的超導(dǎo)厚膜螺旋線圈和超導(dǎo)厚膜回線是用高Tc的氧化物系超導(dǎo)材料制成的。
專利摘要本實(shí)用新型涉及與超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)配用的高TC超導(dǎo)厚膜磁通變換器,主要包括襯底、高TC超導(dǎo)厚膜螺旋線圈,厚膜回線和中間絕緣層,所用超導(dǎo)材料是Y系或Bi系氧化物,襯底用ZrO,Al
文檔編號(hào)G01R33/035GK2068690SQ9020690
公開日1991年1月2日 申請(qǐng)日期1990年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月28日
發(fā)明者李漢青, 林安中 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院
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