专利名称：高临界温度超导厚膜磁通变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及与超导量子干涉器(SQUID)配合使用的测量磁场的磁通变换器。
超导量子干涉器简称为SQUID，常用于测量弱磁场，这种SQUID特别适用于医学工程领域，如磁医脑电描记法，磁心脏病学以及计量技术、地质、生物等技术领域。因为心脏或脑所产生的磁波非常弱，它们分别为50PT和0.1PT量级，因此使用超导量子干涉器测量弱磁场具有独特之处，但是在大多数情况下，为了进一步提高SQUID磁场测量灵敏度，还需配用磁通变换器。
以往的超导量子干涉器及与其配用的磁通变换器工作在液氦温区下工作，而且所用的磁通变换器一般采用很细的金属铌线制成，用金属铌线绕成截面很小的线圈。但是，如果SQUID在液氮温区工作，则与之配用的磁通变换器必需用高Tc超导材料制成。而现有的高Tc材料、如Y系、Bi系超导材料，它们都是脆性的氧化物材料，并且不易加工成很细的线材，即使做出细的线材，在把它们绕制成线圈时，由于弯曲也会破坏其超导性。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磁通变换器的发展，进而也影响到高Tc SQUID的应用发展。
本发明的目的就在于克服上述所提到的问题，设计一种新结构的高Tc磁通变换器，开拓以高Tc超导量子干涉器在液氮温区的实际应用。所设计的磁通变换器其特点是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，可以容易地实现闭合回路。
5.可以根据要求制成很小孔径的线圈。
本发明设计的磁通变换器是由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，探测线圈的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。
图1 表示磁通变换器的示意图。
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3A-B分别表示在衬底管一侧的线圈与回线之间交叠的另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通变换器的示意图。
图5 表示本发明设计的另一种磁通变换器的示意图。
图6 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7 为内壁带凹槽的衬底结构图。
下面将结合附图对本发明设计的磁通变换器的实施方式及效果作进一步的说明。
参见图1，所示的磁通变换器是由一个探测线圈L1和一个输入线圈L2构成的闭合回路。其中探测线圈L1的直径较大，一般在φ10-200mm范围内。
磁通变换器的磁通转换系数在探测线圈的自感大约等于输入线圈的自感时，达到最大值。
在超导量子干涉器SQUID加上磁通变换器之后，对于给定的SQUID，当探测线圈的几何形状一定时，磁通变换器的性能主要取决于输入线圈与SQUID的耦合程度。通常输入线圈与SQUID的孔径与体积越为接近，则他们的耦合性能越好，信噪比越高。
当输入线圈的形状一定时，耦合系数与输入线圈的匝数与自感值无关。所以磁通变换器中电感的选择具有一定的自由度。但是在实际应用中，要求连线的杂散电感与探测线圈和输入线圈的自感相比可以忽略不计，自感值通常约为几个微享。
另一方面，SQUID的等效噪声磁通是按照φNαL1/2或更快地随自感的增加而增加。所以其自感值有一定的限度，因此其尺寸尤其是环孔的尺寸不能过大。对于实际应用的SQUID来说，其孔径一般为1-3mm左右，这样，对有一定自感值的输入线圈、要求其孔径也较小，匝数多，例如对L＝4μH，孔径为2mm，长为10mm的输入线圈、其匝数约为100匝。对此，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磁通变换器用线圈的。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磁通变换器的结构示意图。它由衬底41及与衬底结合的输入线圈L43、探测线圈L41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和探测线圈牢固连接在衬底41上，输入线圈与探测线圈同轴布置，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将根据实际需要而选定。而且衬底和线圈的截面也可选择采用其它形状。两线圈的直径由衬底各部分的外径(或内径)决定，探测线圈的直径在10-100mm范围内，输入线圈的直径在0.8-4mm范围内，螺线及回线宽度在0.1-0.5mm范围内。与SQUID配合使用时，输入线圈可插在SQUID的环孔内，也可套在SQUID的外面。在后一种情况下，管壁应尽可能地薄，实际上，为了降低线圈部分的杂散电感，也要求管壁尽可能薄。
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通变换器。
图5表示本发明的另一种磁通变换器结构。这种变换器与图4所示的不同点在于输入线圈L53与探测线圈L51不是同轴布置的，而是互相垂直的。这种结构实用于测矿样，可以使样品在探测线圈内自由方便地移动。另外，把图4或图5所示的两个磁通变换器组合成一体，使两个探测线圈互相垂直，就可以同时对矿样做三维测量，只需把衬底加工成所要求的结构就可以实现上述目的。
图6示意地表示一段外壁有螺旋凹槽65的衬底61，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66用以容纳超导回线。螺纹的形状可以按需选定，螺矩按磁通变换器的设计要求而定。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75也可设在衬底的内壁，容纳回线的凹槽76设在衬底的外壁，如图7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超导厚膜磁通变换器，它是输入线圈、探测线圈、以及回线组成的闭合回路，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所说的磁通变换器，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所说的磁通变换器，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所说的磁通变换器，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所说的磁通变换器，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所说的磁通变换器，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所说的磁通变换器，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所说的磁通变换器，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所说的磁通变换器，其特征是输入线圈和探测线圈相互平行。
10.按权利要求6或7所说的磁通变换器，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。
11.按权利要求1或2或3或4或5或6或7所说的磁通变换器，其特征是所说的超导厚膜螺旋线圈和超导厚膜回线是用高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超导厚膜磁通变换器，主要包括衬底、高Tc超导厚膜螺旋线圈，厚膜回线和中间绝缘层，所用超导材料是Y系或Bi系氧化物，衬底用ZrO，Al
文档编号G01R33/035GK1056936SQ9010377
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