简介概要

超导磁屏蔽对高Tc-SQUID磁强计噪声的影响

来源期刊：稀有金属2000年第2期

论文作者：陈烈杨涛陈岚峰吴培钧王俊平古宏伟陈珂袁冠森

关键词：超导量子干涉器件; 磁强计; 超导屏蔽; 噪声;

摘要：在SrTiO3 (STO) 双晶衬底上激光沉积YBCO超导薄膜, 并光刻成DC SQUID, 在超导屏蔽和μ合金屏蔽桶两种情况下, 测量了DC SQUID磁强计的噪声, 前种情况下的噪声只是后种情况下噪声的三分之一.

稀有金属 2000,(02),141-143 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2000.02.014

超导磁屏蔽对高T_c-SQUID磁强计噪声的影响

王俊平古宏伟吴培钧陈烈杨涛陈珂陈岚峰袁冠森

中国科学院物理研究所凝聚态物理中心国家超导实验室!北京100080

北京有色金属研究总院超导中心,北京100088

河北工业大学应用数理系,天津300130,北京有色金属研究总院超导中心!北京100088,中国科学院物理研究所凝聚态物理中心国家超导实验室!北京100080,中国科学院物理研究所?

摘要：

在SrTiO3 (STO)双晶衬底上激光沉积YBCO超导薄膜 ,并光刻成DCSQUID ,在超导屏蔽和 μ合金屏蔽桶两种情况下 ,测量了DCSQUID磁强计的噪声 ,前种情况下的噪声只是后种情况下噪声的三分之一。

关键词：

超导量子干涉器件;磁强计;超导屏蔽;噪声;

中图分类号： TM936

作者简介：王俊平,女,1968年生;联系地址:天津市河北工业大学文理学院物理部。;

收稿日期：1999-01-05

Effect of Superconducting Magnetic Shield on Noise of High T_c-SQUID Magnetometer

Abstract：

Superconducting YBCO thin film was prepared on SrTiO 3 bicrystal substrate by pulse laser ablation, while DC SQUID was fabricated by lithographic technology. The noises of DC SQUID magnetometer were measured with superconducting shield and with μ metal shield respectively, and the results indicated that noise with superconducting shield is one third of that with μ metal shield.

Keyword：

DC SQUID, Magnetometer, Superconducting shield, Noise;

Received： 1999-01-05

近来,高温超导量子干涉器件得到很大的发展,特别是磁场灵敏度不断提高,发展了许多人工可控的高T_cJosephson技术,在台阶边缘结 ^[1] 、自然晶界结 ^[2] 、双晶结 ^[3] 和双外延结 ^[4] 等多种不同结型方面都取得了长足进步,器件的稳定性不断提高,噪声渐渐降低。其中在双晶衬底上制作的SQUID因制作工艺较简单、重复性好、可控性高而受到人们的重视。磁通噪声是SQUID磁强计的最重要技术指标之一。人们通常认为高T_cSQUID的噪声要比低T_cSQUID的噪声大很多。实际上,随着高T_c薄膜质量的提高,制结工艺的改进,测量环境的改善,高T_cSQUID的噪声渐渐接近低T_cSQUID的噪声。目前,国际上采用偏置电流反转技术可使1/f噪声在1 Hz处的本征能量分辨率达10^-29 J/Hz,白噪声区的本征能量分辨率可达10^-30 J/Hz量级 ^[5] ,同时利用直接藕合和偏置电流反转技术可使1 Hz处磁场分辨率在77 K处可达 ,相应的白噪声能量分辨率为2×10^-31 J/Hz,这已和商用铌SQUID的情况相类似 ^[6] 。

本文将报道一种制备YBCO超导磁屏蔽圆筒的工艺,这种YBCO屏蔽筒不但价格便宜,而且性能优良,降低了DC SQUID磁强计的噪声,提高了系统的灵敏度。

1 双晶结DC SQUID磁强计

采用脉冲激光沉积镀膜法,在晶面夹角24°的STO双晶衬底上制备了YBCO超导膜,厚度约250nm。采用金属掩膜法,在新鲜的YBCO膜上镀上金电极膜,应用紫外曝光技术形成DC SQUID胶膜图形,用化学腐蚀的方法刻蚀掉未被胶膜掩盖的YBCO薄膜,丙酮去胶,即成YBCO薄膜DC SQUID。

DC SQUID图形如图1所示,结宽3μm,SQUID面积为30μm×30μm,包围它的垫圈(Washer)的大小为3mm×3mm的正方形。由于垫圈的面积远大于SQUID的面积,SQUID的电感可用L=1.25μ₀d(d为SQUID方形环孔的边长)来计算,得L=47.1 pH(1 pH=10^-12 H),该图形具有较好的磁聚焦效果。SQUID的直流特性用四引线法测量。77 K时的临界电流为2I_c=9.2μA,薄膜跨晶界的电流密度为6.1×10³ A/cm²。

图1 DC SQUID图形

DC SQUID磁强计是在中国科学院物理研究所设计的DC SQUID磁强计基础上改造了DC SQUID传感器(探头)而成的 ^[7] ,一个μ合金屏蔽桶置于盛液氮的杜瓦瓶中,另一个μ合金屏蔽桶置于盛液氮的杜瓦瓶外,一个直径为13.3 mm的螺线管被放入内μ合金屏蔽桶内,用来校准电压磁通系数,噪声测量就是在此双层μ合金屏蔽桶中进行的。

锁定状态下,慢、中、快三挡的白噪声分别为 ,一个Υ₀代表2 V,用HP35665动态分析仪测量的磁通噪声与频率的关系曲线如图2所示。在开环状态时,在77K时观察到电压随磁通周期性变化的三角波形(图2中的插图),从前级放大器输出的三角波幅度可达80 mV。

图2 磁通噪声与频率的关系曲线

由螺线管磁场标定得到的SQUID磁场量子H₀=6.7×10^-8 T,由此得SQUID有效面积为A_eff=Υ₀/H₀=3.1×10^-2 mm²,有效面积增益为g=3.1×10^-2 mm²/(30μm×30μm)=34。

2 超导磁屏蔽

作者曾测试过不同磁屏蔽下SQUID磁强计的噪声。实验表明,同一个SQUID探头,在不同磁屏蔽系统中,SQUID磁强计的噪声是不同的 ^[8] ,在低T_cSQUID磁强计系统中,多采用超导磁屏蔽,效果良好。高T_cSQUID磁强计系统中,多采用μ合金屏蔽,一个好的μ合金屏蔽筒不但价格昂贵,而且效果也不理想。曾试过两种工艺制备的YBCO屏蔽筒,效果都不太好,一是屏蔽效果与μ合金屏蔽筒差不多,二是长时间使用,磁通冻结十分厉害。最近,用一种等静压成型制备的YBCO屏蔽筒,效果十分良好。其制备工艺如下:

2.1 烧结熟粉

与烧结YBCO靶的工艺相同,把Y₂O₃、BaCO₃、CuO按钇∶钡∶铜=1∶2∶3的比例进行混合,并研磨成细粉,利用模具压制成型,然后在马弗炉中烧结24 h,温度为960℃,后缓慢降温到500℃,保温4 h后随炉冷。

2.2 超导筒的烧结

把烧好的靶研磨成细粉,装入特制的筒型模具,利用等静压成型,压强为200 MPa,把成型的YBCO筒再在960℃下烧结20 h,降温到550℃,低温处理10 h后随炉冷即成。

用这种工艺制备的YBCO屏蔽筒,质地松软,易于加工。本研究加工了一个长120 mm,内径18mm,壁厚约3 mm的圆柱形超导筒,把它用缩荃胶粘套在一个外径18 mm的黄铜套外,并在YBCO屏蔽筒外也涂上一层缩荃胶。DC SQUID磁强计在这个系统中测量的白噪声为1.1×10^-5Υ₀/Hz是只有μ合金屏蔽筒测得的噪声的三分之一,长时间工作在液氮中,也没有出现磁通冻结现象。