伍 俊，榮亮亮，謝曉明

(中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

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基于SQUID自舉電路的新型高精度超導(dǎo)磁力儀

伍 俊，榮亮亮，謝曉明

(中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

數(shù)據(jù)采集；磁力儀；超導(dǎo)量子干涉儀；磁場測量；直讀電路；電磁兼容

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)對礦產(chǎn)資源的需求日益增長，如何增加資源儲備已成為十分重要的戰(zhàn)略安全問題，但我國未探明的礦產(chǎn)資源卻基本分布在深部礦或隱伏礦中。為提高物探中常用磁法探測的深度和精確度，采用性能優(yōu)異的磁傳感器無疑是最理想的解決方案[1-2]。超導(dǎo)量子干涉儀是目前世界上已知最靈敏的磁傳感器，而且其靈敏度除1/f頻段外幾乎與頻率無關(guān)，但在應(yīng)用時需要極低噪聲的讀出電路與其匹配，而通常匹配是通過變壓器和磁通調(diào)制間接完成的[3]，從而影響其擺率，并增加了SQUID應(yīng)用的難度。此外，在基于低溫SQUID構(gòu)建磁力儀時，良好的測控接口對發(fā)揮SQUID的優(yōu)勢至關(guān)重要，尤其是在動態(tài)范圍和電磁兼容方面。

1 SQUID及其工作原理

SQUID是基于約瑟夫森結(jié)構(gòu)建的磁通電壓轉(zhuǎn)換器，也是迄今為止靈敏度最高的磁傳感器，可實(shí)現(xiàn)多分量磁場和梯度測量。SQUID有電壓和電流偏置兩種工作模式，其中在電壓偏置時其兩端的輸出電流I隨著外部磁通Φ的增加而呈現(xiàn)周期性變化，這是它量程巨大的根本所在，但是SQUID的I-Φ特性并不是線性的，需要在噪聲匹配后通過磁通鎖定環(huán)(Flux Lock Loop)線性化以達(dá)到實(shí)用化的目的[4]。

基于FLL工作模式的SQUID讀出電路工作原理是通過SQUID自身的反饋線圈抵消外界磁場的變化，使其工作點(diǎn)始終保持在I-Φ(V-Φ)曲線中某個靈敏度最高的點(diǎn)附近。雖然SQUID讀出電路工作原理相對簡單，但受限于現(xiàn)有運(yùn)算放大器的噪聲要遠(yuǎn)比SQUID高而無法直接適配，長期以來通常會選擇通過變壓器間接完成匹配，但由于變壓器有隔直的特性，故還須引入磁通調(diào)制技術(shù)保證低頻信號的傳輸。如圖1所示為經(jīng)典的基于磁通調(diào)制的SQUID讀出電路。

圖1 基于磁通調(diào)制的SQUID讀出電路原理圖

基于磁通調(diào)制的SQUID讀出電路由于變壓器的存在，直接影響其帶寬及擺率，并增加了SQUID應(yīng)用的難度，因此研制一種可直接與運(yùn)算放大器適配的SQUID非常有實(shí)用價值。如圖2所示為工作在電壓偏置模式下的一種新型可直讀的低溫SQUID：SQUID自舉電路(SQUID Bootstrap Circuit，簡稱SBC)，它主要由兩條支路構(gòu)成，其中一條支路(SQUID和電感L1)用于增加SQUID 的磁通電流轉(zhuǎn)換系數(shù)，另一條支路(電感L2和電阻Rs)則用于提高SQUID的動態(tài)電阻。通過上述兩個參數(shù)的優(yōu)化，SBC的磁通電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)即可得到明顯的提高，從而可以有效地抑制前置運(yùn)算放大器的噪聲，實(shí)現(xiàn)SQUID輸入信號的直接讀出[5-6]。

圖2 工作在電壓偏置下的可直讀SQUID自舉電路

2 新型超導(dǎo)磁力儀設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

研制的超導(dǎo)磁力儀主要由低溫超導(dǎo)載體液氦及其容器杜瓦、SQUID及其讀出電路、測量控制組件3大部分組成，其中固定于杜瓦的SQUID可提供最多3個正交通道的高靈敏度磁場信息，并采用我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SQUID自舉電路；測量控制組件則主要用于與SQUID讀出電路適配，提供其所需的程控和數(shù)據(jù)采集接口，并集成人機(jī)交互接口，該組件是基于PXI總線和Labview構(gòu)建的，以求SQUID信號輸出在數(shù)字化過程中的最優(yōu)化。

2.1 SBC程控直讀電路

SQUID讀出電路主要是用于SQUID輸入信號的測量，但因受目前超導(dǎo)工藝的影響，SQUID工作參數(shù)并不穩(wěn)定，尤其在外界磁場波動大時，每次上電時均需要通過外部測試信號對TUNE信號進(jìn)行遍歷以找到最佳的工作點(diǎn)進(jìn)行鎖定，故讀出電路須可加載測試信號以調(diào)節(jié)工作參數(shù)。

本超導(dǎo)磁力儀受益于新型SQUID自舉電路而可以采用基于FLL的直讀方式，同時為方便多通道讀出電路的集成并保障信號的完整性，特將SQUID讀出電路分成FLL前端和主控器兩部分，其硬件框圖如圖3所示，其中FLL前端主要實(shí)現(xiàn)SBC程控直讀電路的模擬部分，并通過光電隔離的I2C總線與主控器通訊以提高電磁兼容性，而主控器則主要用于集成多通道的FLL前端，并與測控組件適配。

SBC程控直讀電路的FLL前端采用電壓偏置工作模式，其模擬電路主要由前端放大器、帶偏移電壓調(diào)節(jié)的多級放大器、多功能積分器、正反邊選擇器、測試信號加載器以及集成在SBC上的反饋線圈組成，并通過電壓跟隨器緩沖輸出，其電路原理圖如圖4所示，其中調(diào)節(jié)SBC工作參數(shù)的偏置電壓Vbias和偏移電壓Voffset由基于I2C總線的DAC提供；積分器除可通過模擬開關(guān)提供兩個不同積分常數(shù)(結(jié)合反饋電阻，對應(yīng)2個不同的量程)外，還提供了TUNE信號輸出(切換成反向放大器)和復(fù)位功能；正反邊選擇器則用于將SQUID工作點(diǎn)鎖定在I-Φ曲線的上升沿或下降沿。

圖3 SBC程控直讀電路硬件框圖

圖4 FLL前端模擬電路的原理圖

2.2 測控組件及其軟件設(shè)計

測控組件主要用于與SBC程控直讀電路適配，并提供其所需的程控和數(shù)據(jù)采集接口，其中其程控接口采用串行總線RS485。此外，鑒于SQUID具有極低噪聲、高動態(tài)范圍以及對射頻敏感等特性，因此在設(shè)計數(shù)據(jù)采集接口時需要充分考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量程、輸入電壓噪聲、有效分辨率、動態(tài)范圍、采樣率以及它與SQUID的電磁兼容性等技術(shù)指標(biāo)。

鑒于SQUID測量的是相對量，從而為在無屏蔽環(huán)境下測量fT量級的磁場提供了可能，但無屏蔽環(huán)境下的磁場波動隨應(yīng)用場合大不相同，其中本課題組野外測試常需要用到2個量程(15 nT和420 nT)，而本超導(dǎo)磁力儀的磁通磁場轉(zhuǎn)換系數(shù)經(jīng)標(biāo)定為1.2 nT/Φ0，因此在模數(shù)轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓為10 V的情況下，經(jīng)計算可知SBC直讀電路對應(yīng)的磁通電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)約為0.8 V/Φ0和28 mV/Φ0，然后讓該系數(shù)與決定超導(dǎo)磁力儀量程的反饋電阻Rf進(jìn)行匹配，并按照電阻標(biāo)稱值將其分別設(shè)定為50 kΩ和2 kΩ,最后經(jīng)標(biāo)定可得超導(dǎo)磁力儀實(shí)際的磁通電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.75 V/Φ0和30 mV/Φ0。

測控組件軟件主要包括SBC工作參數(shù)設(shè)置程序和數(shù)據(jù)采集程序兩部分，其實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示，其中SBC工作參數(shù)設(shè)置程序是基于前面板控件的觸發(fā)事件實(shí)現(xiàn)的，而數(shù)據(jù)采集程序則是基于生產(chǎn)者消費(fèi)者架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。

圖5 測控組件軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

3 試驗(yàn)設(shè)計及驗(yàn)證

3.1 SBC性能驗(yàn)證

為更好地評估研制的超導(dǎo)磁力儀，特設(shè)計如圖6所示的SBC性能驗(yàn)證試驗(yàn)。首先在杜瓦上繞制一單匝平面線圈，其位置與測量垂直方向磁場的SBC等高，并通過串聯(lián)一個精密電阻連接至磁屏蔽室外經(jīng)電阻分壓后的信號源；然后將超導(dǎo)磁力儀中的測控組件放置在磁屏蔽室，同時再將它的其他組件放置在位于磁屏蔽室中心位置的磁屏蔽桶中；最后在測試時將超導(dǎo)磁力儀的輸出改接至安捷倫的動態(tài)信號分析儀35 670A。此外，有關(guān)SQUID磁通電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)和磁通磁場轉(zhuǎn)換系數(shù)的標(biāo)定均有經(jīng)典的方法，在此不再贅述。

圖6 SBC性能驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計

(1)

式中：u0為真空磁導(dǎo)率；I為線圈的電流；R為線圈半徑。

圖7 SBC及其直讀電路性能測試

3.2 電磁兼容評估

SQUID獨(dú)一無二的靈敏度是把雙刃劍，在帶來前所未有高靈敏度技術(shù)指標(biāo)的同時，也極大地增加系統(tǒng)的電磁兼容性要求。為對測控組件與SBC的電磁兼容性進(jìn)行定性和定量的評估，本文在磁屏蔽室中采用動態(tài)信號分析儀分別在室內(nèi)和室外對干擾源進(jìn)行定位，并測試其干擾強(qiáng)度。

圖8所示是PXI測控組件對SBC的EMI評估，通過在磁屏蔽室室內(nèi)和室外測試的數(shù)據(jù)與SQUID的磁通本底噪聲以功率譜密度的方式進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)據(jù)采集模塊在無屏蔽環(huán)境下對SQUID的干擾以輻射為主，其中PXI測控組件近距離(約1.5 m)時在1 kHz左右的低頻段引入的干擾將SQUID本底噪聲抬高2～3個數(shù)量級。

圖8 PXI測控組件對SBC的EMI測試

3.3 野外試驗(yàn)與驗(yàn)證

(a)上海橫沙島野外測試時域數(shù)據(jù)

(b)上海橫沙島野外測試頻域數(shù)據(jù)圖9 上海橫沙島野外試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

[1] 黃大年，于平，底青云，等.地球深部探測關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢.吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版)，2012，42(5):1485-1496.

[2] 董樹文，李廷棟，陳宣華，等.我國深部探測技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展綜述.地球物理學(xué)報，2012，55(12):3884-3901.

[3] 劉明，徐曉峰，王永良，等.超導(dǎo)量子干涉器件讀出電路中匹配變壓器的傳輸特性研究.物理學(xué)報，2013，62(18):188501.

[4] CLARKE J,BRAGINSKI A I.The SQUID Handbook Vol.I Fundamentals and Technology of SQUIDs and SQUID Systems.WILEY-VCH:WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA,2004.

[5] XIE X M，ZHANG Y，WANG H W,et al.A voltage biased superconducting quantum interference device bootstrap circuit.Superconductor Science and Technology,2010,23(6):065016.

[6] ZHANG Y,ZHANG G F,WANG H W,et al.Comparison of noise performance of dc SQUID bootstrap circuit with that of the standard flux modulation dc SQUID readout scheme.IEEE Trans Appl Supercond,2011,21(3):501-504.

[7] 楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計技術(shù).2版.北京：人民郵電出版社,2011：177.

New High-precision Superconducting Magnetometer Based on SQUID Bootstrap Circuit

WU Jun,RONG Liang-liang,XIE Xiao-ming

(Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China;)

DAQ;magnetometer;SQUID;magnetic field measurement;direct readout circuit;EMC

國家重大科研裝備研制項(xiàng)目(ZDYZ2012-1-02)

2014-12-22 收修改稿日期：2015-06-25

TH763

A

1002-1841(2015)09-0028-03

伍俊(1983—)，工程師，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域是測量控制與信號處理。E-mail：wujun@mail.sim.ac.cn 榮亮亮(1982—)，副研究員，博士研究生，主要研究領(lǐng)域是超導(dǎo)地球物理勘探。E-mail：rong_elec@mail.sim.ac.cn