专利名称：测量重力的低温超导装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量重力的低温超导装置。
背景技术：
重力仪一般通过测量物体的微小位移变化来间接测出此处重力的变化。传统重力测量一般采用测量机械弹簧的形变量来测量重力变化量。由于弹簧蠕变和零点漂移造成测量精度不高，随着科学技术的发展，出现了基于石英谐振、液浮、气浮、磁浮等方式的重力测量仪器。此类重力仪测量精度可达到微加量级。重力测量的用途包括为预报地震、飓风等灾害性天气提供参数，可用来进行矿产及低热资源的勘探，用来研究天体运动对地球重力场产生的影响。 超导材料和低温技术的不断发展使得超导技术在各个领域应用越来越广泛，其不断满足我国工业现代化建设的需求，大大提高了各种装备的性能和精度。低温装置是实现超导低温环境的必要装置，低温装置的设计和性能是研究和发展超导仪器设备的基础，有着重要的意义。制冷机及传导冷却技术的发展对低温装置设计结构和应用场合提供更多了的选择，目前制冷机二级冷头的温度可达到4K以下。超导温区大致可分为高温超导和低温超导温区，一般在IOK温度以下实现超导态的温区称为低温超导温区，IOK以上至100K温度范围实现超导态的温区称为高温超导温区。利用低温超导磁屏蔽和材料的零蠕变特性设计的测量重力的低温超导装置具有其他重力测量装置不可比拟的巨大优势，目前低温超导装置主要采用液氦制冷，若低温装置仅靠液氦制冷，对低温装置漏热的设计要求较高，并且多次输液过程操作繁琐，需定期补充液氦保持低温环境，不能保证装置长期独立运行，长期使用运行成本较高。并且装置体积也较大，不利于装置能在各种复杂野外场地条件下长期使用。
发明内容
本发明的目的是克服现有测量重力的超导装置不能长期独立运行的缺点，提供一种制冷机制冷的超导重力测量装置。该装置测量时间短、测量精度高、能够满足长期独立运行，适应各种野外环境下使用。本发明测量重力的低温超导装置包括低温容器、制冷机、防辐射屏、转子腔、超导转子、悬浮线圈和磁屏蔽腔。所述的制冷机安装在低温容器的上端。低温容器内部通过拉杆在制冷机的一级冷头下端固定卷筒形状的防辐射屏。在防辐射屏筒内布置有转子腔，所述的转子腔固定在制冷机的二级冷头的下端。上悬浮线圈和下悬浮线圈分别布置在转子腔内部的上端和下端，通过上、下悬浮线圈使超导转子悬浮。转子腔的中间布置有磁屏蔽腔，超导转子位于磁屏蔽腔内。在磁屏蔽腔沿赤道位置一周布置有圆环形的中间电极，在磁屏蔽腔上端中心位置布置有上电极，在磁屏蔽腔下端的中心位置布置有下电极，磁屏蔽腔、上电极的内表面、中间电极的内表面，以及下电极的内表面共同组成一个完整的球腔。
所述的转子腔内布置有悬浮线圈、上电极、中间电极、下电极和磁屏蔽腔。转子腔为圆柱形腔体，磁屏蔽腔由具有迈斯纳效应的超导金属材料制成，磁屏蔽腔的外表为圆柱形，内部为球形腔体。上电极、中间电极、下电极均为金属材料。所述的上电极位于超导转子的顶部，下电极位于超导转子的底部，中间电极围绕在超导转子的赤道面上。上电极、中间电极和下电极组成测量超导转子悬浮位移变化的三个电极。悬浮线圈产生的磁场利用超导体迈斯纳效应产生悬浮力，使超导转子悬浮。所述的磁场在球形的超导转子表面产生的作用力的方向指向超导转子的球心，因此悬浮线圈产生的磁场力的合力方向沿超导转子的极轴方向，即地垂线方向。超导转子悬浮时，位于超导转子底部的下悬浮线圈产生的磁场力与位于超导转子顶部的上悬浮线圈产生的磁场力的差值等于超导转子的重力。当超导转子悬浮在磁屏蔽腔中时，当地球表面的重力场不变时，增加下悬浮线圈电流则超导转子向上发生位移变化，增加上悬浮线圈则超导转子向下发生位移变化；同理，当悬浮线圈电流不变时，所述的重力场变小时超导转子向上发生位移变化，当所述的重力场变大时超导转子向下发生位移变化。上悬浮线圈和下悬浮线圈分别 由直流程控电源供电。所述的上电极、中间电极和下电极组成测量超导转子悬浮位移变化的三个电极。上电极和中间电极组成第一电容，下电极和中间电极组成第二电容。超导转子悬浮在磁屏蔽腔的中心位置时，中间电极与上电极间的第一电容和中间电极与下电极间的第二电容相等，从中间电极上输出的电压为零，电桥平衡。当地球表面的重力场发生变化，超导转子离开中心位置向上或向下移动一定距离，这时所述的第一电容和第二电容不相等，中间电极上有输出电压，所输出电压的正负由超导转子位移的方向决定。中间电极的输出端连接在超导量子干涉器的输入线圈两端，便有电流通过输入线圈，输入线圈与超导量子干涉器中的超导环耦合，超导量子干涉器便有相应的电压输出。所述的超导量子干涉器放置于转子腔的外侧壁上。超导量子干涉器带有自屏蔽功能来抑制外界干扰磁场对其测量精度的影响。本发明装置测量重力的原理和方法是，利用所述的上、下悬浮线圈通电产生的磁悬浮力将超导转子悬浮在磁屏蔽腔的中心平衡位置，此时超导转子受到的磁悬浮力的合力等于超导转子的重力；当超导转子由于地球表面重力场变化而发生位移时，中间电极输出电压产生的电流通过超导量子干涉器的输入线圈，所述的输入线圈与超导量子干涉器中的超导环耦合，超导量子干涉器便有相应的电压输出，并通过反馈电流形式供给上悬浮线圈或者下悬浮线圈，反馈电流产生的磁力使超导转子回到中心平衡位置；标定所述的反馈电流与超导转子的悬浮力关系，即可通过测量所述的反馈电流得到超导转子的悬浮力的数值，从而得到重力变化的数值。所述的反馈电流与超导转子的悬浮力的标定，首先可采用有限元数值计算的方法，建立悬浮力与悬浮电流分析模型，根据实验中超导转子在悬浮中心位置时的悬浮力等于超导转子的重力及此时对应的悬浮线圈电流的大小，计算超导转子在悬浮中心位置上下微小位移不同位置时的悬浮电流与悬浮力的关系，从而得到需要使超导转子回复到悬浮中心位置时的反馈电流与悬浮力的关系。所述的超导转子悬浮位置的变化可以通过标定中间电极输出电压与超导转子悬浮位移变化的关系来测量超导转子的悬浮位置。本发明低温容器带有自动调节水平的功能，以保证超导转子的极轴与水平面垂直。
图I测量装置示意图，图中1低温容器、2制冷机、3防辐射屏、4转子腔、5超导转子、6上悬浮线圈、6’下悬浮线圈、7上电极、8中间电极、9下电极、10拉杆、11磁屏蔽腔；图2转子腔结构示意图；图3转子检测反馈电路示意图，12输入线圈、13超导环、14超导量子干涉器。
具体实施方式
·以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。本发明装置包括低温容器I、制冷机2、防辐射屏3、转子腔4、超导转子5、上悬浮线圈6、下悬浮线圈6’、上电极7、中间电极8、下电极9、拉杆10、磁屏蔽腔11。所述的制冷机2安装在低温容器I的上端，低温容器I内部通过拉杆10在制冷机2的一级冷头下端固定卷筒形状的防辐射屏3。在防辐射屏3筒内布置有转子腔4，转子腔4固定在制冷机2的二级冷头的下端。上悬浮线圈6布置在转子腔4内部的上端，下悬浮线圈6’布置在转子腔4内部的下端，通过上、下悬浮线圈6、6’使超导转子5悬浮。转子腔4的中间布置磁屏蔽腔11，超导转子5位于磁屏蔽腔11内。磁屏蔽腔11沿赤道位置一周布置有圆环形的中间电极8，磁屏蔽腔11上端的中心位置布置上电极7，磁屏蔽腔11下端的中心位置布置下电极9。磁屏蔽腔11、上电极7、中间电极8、下电极9的内表面共同组成一个完整的球腔。如图2所示，所述的转子腔4内布置有上、下悬浮线圈6、6’、上电极7、中间电极8、下电极9和磁屏蔽腔11。转子腔4为圆柱形腔体，材料为导热性能好的金属，如高纯铜。转子腔4的上端面连接制冷机2的二级冷头，二级冷头的冷量通过转子腔传导给上、下悬浮线圈6、6’，以及磁屏蔽腔11和超导转子5，使上、下悬浮线圈6、6’，以及磁屏蔽腔11和超导转子5在低温下处于超导态。超导转子5和磁屏蔽腔11由具有迈斯纳效应的超导金属材料制成，如铌材料。磁屏蔽腔11的外表为圆柱形，内部为球形腔体。上电极7、中间电极8、下电极9的制作材料均为导电性能好的金属材料，如钛材料。磁屏蔽腔11与上电极7、中间电极8、下电极9之间用绝缘层隔开。所述的上电极7位于超导转子5顶部，下电极位9于超导转子5底部，中间电极8围绕在超导转子5赤道面上。上电极7、中间电极8和下电极9组成测量超导转子5悬浮位移的三个电极。由上、下悬浮线圈6、6’产生的磁场利用超导体迈斯纳效应产生的悬浮力，使超导转子5悬浮。所述的磁场在球形的超导转子5表面产生的作用力的方向指向超导转子5的球心，因此上、下悬浮线圈6、6’产生的磁场力的合力方向沿超导转子的极轴方向。超导转子5悬浮时，超导转子5底部的下悬浮线圈6’产生的磁场力与超导转子5顶部的上悬浮线圈6产生的磁场力的差值等于超导转子5的重力。中间电极8的输出端连接在超导量子干涉器14的输入线圈12的两端，所述的超导量子干涉器14放置于转子腔的外侧壁上。
超导转子5悬浮在磁屏蔽腔11的中心位置时，中间电极8与上电极7组成的第一电容和中间电极8与下电极9组成的第二电容相等，从中间电极8上输出的电压为零，电桥平衡。当重力场发生变化，超导转子5离开中心位置向上或向下移动一定距离，这时所述的第一电容与所述的第二电容不相等，中间电极8有电压输出，输出电压的正负由超导转子5位移的方向決定。中间电极8上的输出电压产生的电流通过超导量子干渉器14的输入线圈12，输入线圈12与超导量子干渉器14中的超导环13耦合，超导量子干渉器14便有相应的电压输出。超导量子干渉器14为圆柱状，超导量子干渉器14放置于转子腔4外侧壁上，超导量子干渉器14可通过超导物理学中的约瑟夫森效应来测量极微弱的磁场，比一般的磁场测量仪器高数个量级。超导量子干渉器14外表镀有铌膜，可抑制外界干扰磁场对其测量精度的影响。超导量子干渉器14包括ー个输入线圈12和ー个超导环13，中间电极8可看作是ー个探测线圈将输出的待测电压接在输入线圈12的两端，输入线圈12与超导环13耦合把待测信号输入到超导环13中，采用锁相放大技术从超导环13中得到输出电压信号大小，再通过电路转化成反馈电流供给上悬浮线圈6或下悬浮线圈6’。 图3为转子检测反馈电路示意图。本发明装置測量重力的方法是，利用所述的上悬浮线圈6和下悬浮线圈6’通电产生的磁悬浮力将超导转子5悬浮在磁屏蔽腔11的中心平衡位置，此时超导转子5受到的磁悬浮力的合力等于超导转子5的重力；当超导转子5由于重力变化而发生位移时，中间电极8便会产生输出电压产生的电流通过超导量子干渉器14的输入线圈12，所述的输入线圈12与超导量子干渉器14中的超导环13耦合，超导量子干渉器14便有相应的电压输出并通过反馈电流形式供给上悬浮线圈6或者下悬浮线圈6’，反馈电流产生的磁力使超导转子5回到中心平衡位置；标定所述的反馈电流与超导转子5的悬浮力关系，即可通过测量所述的反馈电流得到超导转子5的悬浮力的数值，从而得到重力变化的数值。所述的反馈电流与超导转子5的悬浮力的标定，首先可采用有限元数值计算的方法，建立悬浮力与悬浮电流分析模型，根据实验中超导转子5在悬浮中心位置时的悬浮力等于超导转子的重力及此时对应的悬浮线圈电流的大小，计算超导转子5在悬浮中心位置上下微小位移不同位置时的悬浮电流与悬浮力的关系，从而得到需要使超导转子5回复到悬浮中心位置时的反馈电流与悬浮力的关系。本装置通过标定中间电极8输出电压与超导转子5悬浮位移关系来測量超导转子的悬浮位置变化。
权利要求
1.一种测量重力的低温超导装置，其特征在于所述的装置包括低温容器(I)、制冷机(2)、防辐射屏(3)、转子腔(4)、超导转子(5)、上悬浮线圈(6)、下悬浮线圈(6’)上电极(7)、中间电极(8)、下电极(9)、拉杆(10)和磁屏蔽腔(11);所述的制冷机(2)安装在低温容器(I)的上端，低温容器(I)内部通过拉杆(10)在制冷机(2)的一级冷头下端固定卷筒形状的防辐射屏(3);在防辐射屏(3)筒内布置转子腔(4)，转子腔(4)固定在制冷机(2)的二级冷头的下端；转子腔(4)内的上端布置上悬浮线圈(6)，转子腔(4)内的下端布置下悬浮线圈(6’);转子腔(4)的中间位置布置磁屏蔽腔(11);超导转子(5)位于磁屏蔽腔(11)内；沿磁屏蔽腔(11)的赤道位置一周布置圆环形的中间电极(8)，磁屏蔽腔(11)的上端中心位置布置有上电极(7)，磁屏蔽腔(11)的下端中心位置布置有下电极(9)，磁屏蔽腔(11)、上电极(7)、中间电极(8)、下电极(9)的内表面共同组成一个球腔。
2.按照权利要求I所述的测量重力的低温超导装置，其特征在于所述的上电极(7)位于超导转子(5)的顶部，下电极(9)位于超导转子(5)的底部，圆环形的中间电极(8)围绕在超导转子(5)赤道面上；上电极(7)和中间电极(8)组成第一电容，下电极(9)和中间电极(8)组成第二电容；所述的上电极(7)、中间电极(8)和下电极(9)组成测量超导转子(5)悬浮位移变化的三个电极；所述的中间电极(8)的输出连接在超导量子干涉器(14)的输入线圈(12)两端；所述的超导量子干涉器(14)放置于转子腔(5)的外侧壁上。.按照权利要求I所述的测量重力的低温超导装置，其特征在于采用所述的装置测量重力的方法是，利用所述的上悬浮线圈(6)和下悬浮线圈(6’)通电产生的悬浮力将超导转子(5)悬浮在磁屏蔽腔(11)的中心平衡位置，此时超导转子(5)受到的悬浮力的合力等于超导转子(5)的重力；当超导转子(5)由于地球表面重力场变化而发生位移时，中间电极(8)输出电压产生的电流通过超导量子干涉器(14)的输入线圈(12)，所述的输入线圈(12)与超导量子干涉器(14)中的超导环(13)耦合，超导量子干涉器(14)便有相应的电压输出并通过反馈电流形式供给上悬浮线圈(6 )或者下悬浮线圈(6 ’)，反馈电流产生的悬浮力使超导转子(5)回到中心平衡位置；标定所述的反馈电流与超导转子(5)的悬浮力关系，即可通过测量所述的反馈电流得到超导转子(5)的悬浮力的数值，从而得到重力变化的数值。
全文摘要
一种测量重力的低温超导装置，包括低温容器(1)、制冷机(2)、防辐射屏(3)、转子腔(4)、超导转子(5)、悬浮线圈(6)、上电极(7)、中间电极(8)、下电极(9)、拉杆(10)和磁屏蔽腔(11)。超导转子(5)悬浮于磁屏蔽腔(11)内的中心平衡位置。当超导转子(5)由于重力变化发生位移时，通过上电极(7)、中间电极(8)、下电极(9)和超导量子干涉器(14)，测得超导转子(5)回复到中心平衡位置所需要的反馈电流值，从而得到重力变化的数值。
文档编号G01V7/00GK102866431SQ201210340049
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者胡新宁, 王秋良, 李毅, 崔春艳, 王晖, 戴银明, 王厚生, 倪志鹏 申请人:中国科学院电工研究所