专利名称：高临界温度超导厚膜磁场梯度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量磁场空间变化的磁场梯度测量装置.尤其与高临界温度(Tc)的磁场梯度计有关.
磁场梯度计是由一对相隔一定距离的、匝数、尺寸相同，同轴反向串联的探测线圈和一个输入线圈构成的超导闭合回路.配用超导量子干涉器(SQUID)用于测量磁场的空间变化.
已有的超导量子干涉器(SQUID)及与其配用的磁场梯度计必需在液氦温区下工作，梯度计通常采用金属铌线制成，所用的金属铌线很细，可以把它任意绕成截面很小的线圈.但是，在液氮温区工作的高Tc SQUID必需使用高Tc超导材料制成磁场梯度计.而现有的高Tc材料、如Y系、Bi系超导材料都是脆性的氧化物材料，因此不易做成很细的线材，即使做出细的线材，在绕制线圈时的弯曲也会导致其超导性的破坏.为了保证器件的超导性，所绕成的线圈还必需进行退火处理，在退火过程中，由于所绕成的线圈与管架的热膨胀系数不完全相同，超导线可能会断开.此外如何形成探测线圈与输入线圈之间的闭合超导回路也是一个比较复杂的，有待解决的问题.基于上述所提到的这些问题，限制了高Tc磁场梯度计的发展，进而也影响到高Tc SQUID的应用发展.
本发明的目的在于设计出一种新的高Tc磁场梯度计的结构装置，所设计的梯度计可以克服上述所提到的问题.这种磁场梯度计的结构特点是1.超导线材制备工艺简单、稳定.
2.超导线无需绕制就可制成线圈，从而保证其超导性能不受影响.
3.超导线与衬底管架连接牢固，不受烧结及室温液氮温度热冲击的影响.
4.超导线可以加工成很细，容易实现闭合回路.
5.可以根据要求制成很小孔径的线圈.
本发明设计的磁场梯度计是由一对或一对以上的探测线圈和输入线圈组成的超导闭合回路，其中，探测线圈和输入线圈都由衬底及与之牢固结合的超导厚膜螺旋线圈组成，各线圈之间由回线使之形成闭合回路.衬底是用各种绝缘陶瓷制成的不同截面形状的棒材和管材.超导厚膜螺旋线圈用各种高Tc的氧化物系超导材料，采用丝网印刷技术制成.超导厚膜螺旋线圈可以设置在衬底本身的内外表面的螺纹凹槽中，也可以设置在衬底的内外表面.超导厚膜回线可以与超导厚膜螺旋线圈在衬底的同侧，也可以分别在衬底的两侧.探测线圈是一对匝数、尺寸相同，相隔一定间隔，同轴反向串联的线圈，其参数将根据实际需要而定，输入线圈的孔径和体积接近SQUID的环孔的孔径和体积，这是本技术领域的技术人员所熟知的.
根据需要还可以用两个梯度探测线圈的线圈对和一个输入线圈构成二次磁场梯度计.
下面将结合附图对本发明设计的磁场梯度计的实施方式及效果作进一步的描述.
图1 为已有磁场梯度计的示意图.
图2 A-C分别表示衬底管内、外侧的回线与线圈之间的三种超导闭合回路连接方法示意图.
图3 A-B分别表示在衬底管一侧的线圈与回线之间交叠的两种构成超导闭合回路的连接方法示意图.
图4 表示本发明设计的一种磁场梯度计的示意图.
图5 表示本发明设计的一种外壁具有凹槽的衬底结构示意图.
图6 为内壁带凹槽的衬底结构图.
图7 为另一种磁场梯度计的示意图.
图8 为一种二次磁场梯度计.
图9 为另一种二次磁场梯度计.
图1中的已有的磁场梯度计是由一对探测线圈L11和L12以及输入线圈L13构成的闭合回路.探测线圈是一对匝数、尺寸相同，相隔一定间隔、同轴反向串联的线圈，输入线圈的孔径与体积接近于SQUID环孔的孔径与体积.探测线圈对的匝数、大小和间隔将根据实际需要而定.此外，用两个梯度探测线圈的线圈对和一个输入线圈还可构成二次磁场梯度计.图8和图9分别为探测线圈和输入线圈垂直布置和同轴布置的二次磁场梯度计示意图.
在与SQUID配用的情况下，其输入线圈和一对探测线圈构成超导闭合回路.其中，探测线圈的面积较大，输入线圈的孔径和体积与SQUID的相接近，两个探测线圈必需做得尽可能地相同，线圈与其衬底结合牢固，不得有任何位移.
实用的SQUID，孔径一般为1-3mm左右.这样，与之配合使用的梯度计的输入线圈要具有一定的自感值必然要求其孔径小，匝数多，例如自感L为4μH，孔径为2mm，长为10mm的输入线圈、其匝数约为100匝.因此，必须要求用很细的(约0.1mm)超导线来绕制孔径很小的输入线圈.显然，采用常规的线圈结构是很难制成符合要求的高Tc梯度计用线圈的.而采用本发明设计的结构就很容易实现.
图4是本发明设计的一种梯度计的结构示意图.它由衬底41及与衬底结合的输入线圈L43、一对探测线圈L41、L42和回线43构成的闭合回路所组成.衬底为圆形氢化铝陶瓷管.输入线圈和探测线圈使用Y系氧化物超导材料，回线和线圈分别位于衬底的内外侧.其中，输入线圈L43和同轴反向串联的探测线圈对L41和L42牢固连接在衬底41上，输入线圈与探测线圈互相垂直，输入线圈和探测线圈用回线43连接构成闭合超导回路.探测线圈和输入线圈是在衬底管41的粗管上加工出的超导厚膜螺旋线圈.探测线圈和输入线圈的形状及大小，以及探测线圈对之间的间隔将根据实际需要而选定.根据区要输入线圈和探测线圈也可平行同轴布置，如图7所示.
在衬底管上的超导螺旋线圈可以通过丝网印刷直接在带有螺旋凹槽的衬底管内壁或外壁印制形成，也可以先在衬底管上先制成整体超导厚膜，再用机械加工或激光、光刻方法加工出超导厚膜螺旋线圈.超导回线可直接制备在衬底管上，也可以在衬底管的内壁或外壁预先加工出具有回线形状的凹槽，然后在凹槽中制成超导厚膜，从而方便地构成所希望的超导磁场梯度计.
图5示意地表示一段外壁有螺旋凹槽55的衬底51，管外壁的螺旋凹槽用以容纳超导厚膜螺旋线圈.内壁的直凹槽56用以容纳超导回线.螺纹的形状可以按需选定，螺矩按磁场梯度计的设计要求而定.螺纹深度可在几十微米到几百微米范围之内.根据需要，容纳超导线圈的螺旋凹槽65也可设在衬底的内壁，容纳回线的凹槽66设在衬底的外壁，如图6所示.闭合超导回路可以采用下述方法予以实现〔1〕使回线和超导厚膜螺旋线圈分别布置在圆管衬底的内外侧，回线与线圈中间隔着绝缘衬底，回线与线圈之间的连通可以通过以下方法实现，一种是使超导厚膜螺旋线22翻过管口从管状衬底21的外侧到内侧与回线23连接(图2A)，另一种，为了消除管口外超导线受到磨擦而损坏，在衬底管上开一个小槽25(图2B)或在管壁开一个小孔26(图2C)，使超导厚膜螺旋线从槽25或小孔26中通过，不致使超导厚膜线轻易受损.
〔2〕使回线与线圈布置在衬底管的同一侧壁上，它们之间用一层绝缘材料隔开，例如对YBa2Cu3O超导厚膜，中间可用Y2BaCuO，BaCuO或ZrO，AL2O3，MgO，SrTi3O，PrBa2Cu3O等绝缘材料隔开.
图3中A和B分别表示带绝缘层的两种构成超导闭合回路的方法.图中，螺线和回线布置在衬底管的同一侧，在衬底管上加工出一定深度的槽，在槽中先制备出超导回线33′(图3A)或超导螺旋线32(图3B)，然后再在槽中填上一层绝缘中间层34′或34，使之与槽齐平，最后再在衬底管表面制备出螺旋线32′(图3A)或回线33(图3B).
若用YBa2Cu3O超导材料作超导厚膜螺旋线圈和回线，还可采用BaCuO/Y2BaCuO/BaCuO或Y2BaCuO/BaCuO/Y2BaCuO叠层反应法构成交叠结构.即，先在槽中形成一层BaCuO或Y2BaCuO，再填一层Y2BaCuO或BaCuO，最后再在衬底面上形成一层BaCuO或Y2BaCuO.然后进行烧结处理，使三层材料发生反应.适当控制各层厚度和反应条件，就可形成如图3A和3B所示的叠层结构.
由于BaCuO和Y2BaCuO本身是绝缘的，因此适当地安排三叠层的厚度，使中间层稍厚，热处理后中间层中仍有部分未反应，这部分位于回线与线圈之中，起绝缘作用.
本发明采用在衬底上印制高Tc超导厚膜、再刻线形成线圈的方法.采用丝网印刷法可以制成具有良好超导性的超导厚膜，所制得的膜厚为10-100μm，其77K临界电流密度可达1000A/cm2.制成的线宽100μm截面为1mm2的螺旋线圈采用小孔(直径0.1mm)法实现闭合超导回路.77K时的临界电流可达200μA.超导厚膜与衬底的连接经高温烧结后可以变得非常牢固，基本上不受室温-液氮温度热冲击的影响，并可以方便地加工成各种精细的图形，如可以做成宽为0.1mm以下的超导线，和孔径为1mm以下的线圈.
另外，超导厚膜的形状是由其衬底的形状决定的，采用圆棒形或圆管形的衬底，在其表面上就可制得圆筒形的超导膜螺旋线圈，而不存在一般绕制的线圈因机械弯曲而破坏材料超导性的问题.只要选择适当结构的衬底，就可以很容易地解决闭合超导回路的问题.本发明设计的结构既适用于氧化物系高Tc超导材料，也适用于其它不易拉制成细线的其它化合物型超导材料.
权利要求
1.一种高Tc超导厚膜磁场梯度计，它是输入线圈、探测线圈、以及回线组成的闭合回路，探测线圈是一对或一对以上匝数、尺寸相同，定间隔，同轴反向串联的线圈，其特征在于[1]所说的输入线圈和探测线圈由衬底及与之牢固结合的超导厚膜螺旋线圈组成，线圈间由回线连接成闭合回路，[2]所说的衬底是用各种绝缘陶瓷制成的不同截面形状的棒材和管材中的一种，[3]所说的超导厚膜螺旋线圈和超导厚膜回线之间互相绝缘，它们可以在衬底的同侧，也可以分别在衬底的两侧。
2.按权利要求1所说的磁场梯度计，其特征是所说的超导厚膜螺旋线圈和回线布置在衬底的两侧，衬底的内(外)壁上有螺旋凹槽，超导厚膜螺旋线圈位于凹槽内，衬底的外(内)壁上有直凹槽，超导厚膜回线在凹槽内.
3.如权利要求2所说的磁场梯度计，其特征是所说的螺线与回线之间的闭合回路是采用超导螺线的端线翻过管状衬底的管口与管另一侧的回线构成闭合回路.
4.如权利要求2所说的磁场梯度计，其特征是衬底管端侧壁开有小槽，超导螺线的端部通过小槽与衬底管另一侧的回线构成回路.
5.如权利要求2所说的磁场梯度计，其特征是衬底管的端侧壁上开有小孔，超导螺线的端部通过小孔与衬底管另一侧的回线构成回路.
6.按权利要求1所说的磁场梯度计，其特征是所说的超导厚膜螺旋线圈和回线在衬底的一侧，衬底的外壁上有螺旋凹槽，凹槽的底部有超导厚膜螺旋线圈，凹槽的上部有绝缘层，所说的超导厚膜回线在绝缘层之外，呈轴向布置，回线与超导厚膜螺旋线圈在端部连通.
7.按权利要求1所说的磁场梯度计，其特征是所说的超导厚膜螺旋线圈和回线在衬底的一侧，衬底的外壁上有轴向凹槽，凹槽的底部有超导厚膜回线，凹槽的上部有绝缘层，所说的超导厚膜螺旋线圈在绝缘层之外，端部与回线连通.
8.按权利要求1或2或3或4或5或6或7所说的磁场梯度计，其特征是输入线圈和探测线圈相互垂直.
9.按权利要求1或2或3或4或5或6或7所说的磁场梯度计，其特征是输入线圈和探测线圈相互平行.
10.按权利要求2或6或7所说的磁场梯度计，其特征是所说的探测线圈有两对.
11.如权利要求6或7所说的磁场梯度计，其特征是所说的螺线和回线采用BaCuO/Y2BaCuO/BaCuO/或Y2BaCuO/BaCuO/Y2BaCuO叠层反应法构成的交叠结构，即在槽中形成一层BaCuO或Y2BaCuO再填一层Y2BaCuO或BaCuO，最后在衬底上形成一层BaCuO或Y2BaCuO然后烧结，控制层厚以构成叠层结构.
12.按权利要求1或2或3或4或5或6或7所说的磁场梯度计，其特征是所说的超导厚膜螺旋线圈和超导厚回线是用高Tc的氧化物系超导材料制成的.
全文摘要
本发明涉及与超导量子干涉器(SQUID)配用的高Tc超导厚膜磁场梯度计，主要包括衬底、输入线圈、探测线圈以及回线和中间绝缘层，探测线圈是一对匝数、尺寸相同、定间隔同轴反向串联的线圈，它们与输入线圈、回线一起构成超导闭合回路，所用超导材料是Y系或Bi系氧化物，衬底用ZrO，Al
文档编号G01R33/022GK1056935SQ90103699
公开日1991年12月11日 申请日期1990年5月28日 优先权日1990年5月28日
发明者李汉青, 林安中 申请人:北京有色金属研究总院