一种超导微弱磁场补偿设备

摘要

一种超导微弱磁场补偿设备，包括超导圆筒(1)、顶盖(2)、旋转轴(4)、转速控制系统(5)及磁场探测器(3)。超导圆筒(1)为底部封闭、顶部敞开的空心圆柱，超导圆筒(1)位于旋转轴(4)的上方，与旋转轴(4)同心；超导圆筒(1)的底部与旋转轴(4)的顶部相连，旋转轴(4)的底部与转速控制系统(5)连接；顶盖(2)位于超导圆筒(1)上方，超导圆筒(1)及顶盖(2)随旋转轴(4)同步旋转。磁场探测器(3)将探测到的超导圆筒(1)内的剩余磁场强度反馈给转速控制系统(5)，转速控制系统(5)调整旋转轴(4)及超导圆筒(1)的旋转速度，依据旋转超导体会在超导体内部空间产生London磁场，以London磁场作为补偿磁场。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微弱磁场的补偿设备。

背景技术

弱磁探测技术在科学研究工业生产以及医疗等领域都发挥着重要作用。由于被探测的目标磁场十分微弱，例如生物体产生的磁场、高灵敏度磁传感器的噪声磁场等，需要在一个没有外界磁场干扰的环境中进行测试。目前屏蔽外界磁场的主要方式是利用高磁导率的材料、或者超导材料制备磁屏蔽室，进而在一定空间范围内营造一个近零磁场的环境。利用磁屏蔽室可将屏蔽后的剩余磁场降低至nT量级。然而，对于一些生物体，例如人的大脑，以及高灵敏度磁传感器的噪声而言，其磁场信号大小只有pT，甚至fT量级，因此需要加入磁场补偿设备进行正负磁场抵消，从而进一步降低剩余磁场。

现有的磁场补偿设备采用补偿线圈，由电流源为补偿线圈提供电流产生补偿磁场，对于nT量级以下的剩余磁场，需要对补偿线圈通入μA量级的微弱电流，并精确稳定地控制电流强度，而能够提供微弱电流输出的电流源价格昂贵、内部结构复杂，且难以提供稳定持续的电流输出，进而影响补偿磁场的稳定性，因此制约了磁场补偿设备在弱磁补偿方面的应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有磁场补偿设备，如电流源及补偿线圈存在的电流源价格昂贵，难以提供稳定持续的微弱电流输出，进而影响补偿磁场的稳定性等缺陷，提出一种新的超导微弱磁场补偿设备。

本发明超导微弱磁场补偿设备，主要包括超导圆筒、顶盖、旋转轴、转速控制系统以及磁场探测器；其中，所述的超导圆筒为底部封闭、顶部敞开的空心圆柱，超导圆筒位于旋转轴的上方，超导圆筒的底部与旋转轴的顶部相连接，旋转轴的底部与转速控制系统相连接；顶盖位于超导圆筒的顶部上方，超导圆筒及顶盖随旋转轴同步旋转，超导圆筒与旋转轴同心；转速控制系统控制旋转轴、超导圆筒及顶盖的旋转速度；磁场探测器位于超导圆筒内，通过反馈电路与转速控制系统相连接。

进一步地，所述的磁场探测器用于探测超导圆筒内的剩余磁场，并将剩余磁场强度反馈给转速控制系统，由转速控制系统调整旋转轴及超导圆筒的旋转速度，通过控制超导圆筒的旋转角速度，控制超导圆筒内产生的London磁场，以London磁场作为补偿磁场。

进一步地，所述的超导圆筒及顶盖由超导材料制作，旋转轴由非磁性材料制作。

优选地，所述的磁场探测器选用超导量子干涉器件(SQUID)。

优选地，所述的超导圆筒、顶盖及超导探测器采用低温氮气、氦气冷却至超导转变温度以下。

优选地，所述的转速控制系统控制旋转轴、超导圆筒以及顶盖的旋转速度从0到100转/秒连续可调。

相比于现有微弱磁场补偿设备存在的电流源价格昂贵，难以提供稳定持续的微弱电流输出，进而影响补偿磁场的稳定性等缺陷，本发明结构简单，无需电流源提供微弱电流产生补偿磁场，而是利用超导体在旋转过程中产生与超导体旋转角速度成线性正比的London磁场作为补偿磁场，降低了设备的成本。同时，London磁场随旋转角速度的变化率为70.96pT/(转/秒)，现有的转速控制系统可以精确稳定地将转速的变化控制在0.01转/秒，意味着本发明可以提供稳定的微弱补偿磁场，并且补偿磁场的变化精确地控制在1pT以下，进而保证了设备对于微弱补偿磁场精度和稳定性的控制。

附图说明

图1为本发明中所述超导微弱磁场补偿设备的侧视示意图，其中1为超导圆筒，2为顶盖，3为磁场探测器，4为旋转轴，5为转速控制系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步书明本发明。

如图1所示，本发明超导微弱磁场补偿设备的实施例包括超导圆筒1，顶盖2，磁场探测器3，旋转轴4及转速控制系统5，其中超导圆筒1以及顶盖2由超导材料制作，旋转轴4由非磁性材料制作，超导圆筒1及顶盖2工作在超导转变温度以下。

超导圆筒1为底部封闭、顶部敞开空心圆柱结构，超导圆筒1位于旋转轴4的上方，超导圆筒1的底部与旋转轴4的顶部相连接，旋转轴4的底部与转速控制系统5相连接。

顶盖2位于超导圆筒1的顶部上方，超导圆筒1及顶盖2随着旋转轴3一起沿着Z轴同步旋转，超导圆筒1与旋转轴4同心。

转速控制系统5用来控制旋转轴4、超导圆筒1以及顶盖2的旋转速度，转速控制系统5可控制旋转速度从0到100转/秒连续可调。

磁场探测器3位于超导圆筒1内部并通过反馈电路与转速控制系统5相连接。磁场探测器3用于探测超导圆筒1内的剩余磁场，并将剩余磁场强度反馈给转速控制系统5，由转速控制系统5调整旋转轴3、超导圆筒1以及顶盖2的旋转速度，依据旋转超导体会在超导体内部空间产生London磁场，并且磁场大小只与超导体的旋转速度有关，London磁场与超导体旋转速度存在正比关系的原理：

式中，B为London磁场强度，m为电子质量，e为电子电荷，ω为超导体旋转的角速度。

通过控制超导圆筒1的旋转速度，在超导圆筒1的内部产生London磁场，以此London磁场作为补偿磁场。

超导圆筒1及顶盖2选用钇钡铜氧、铋锶钙铜氧等高温超导材料制作。

磁场探测器3选用超导量子干涉器件(SQUID)。

超导圆筒1、顶盖2及超导探测器3采用低温氮气、氦气冷却至超导转变温度以下。