低噪声超导量子干涉器件磁强计设计与制备

超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)作为一种极灵敏的磁通传感器,在生物磁探测、低场核磁共振、地球物理等领域得到广泛应用.本文介绍了一种基于SQUID的高灵敏度磁强计,由SQUID和一组磁通变压器组成. SQUID采用一阶梯度构型,增强其抗干扰性.磁通变压器由多匝螺旋的输入线圈和大尺寸单匝探测线圈组成,其中输入线圈与SQUID通过互感进行磁通耦合.利用自主工艺平台,在4英寸硅衬底上完成了基于Nb/Al-AlO_x/Nb约瑟夫森隧道结的SQUID磁强计制备.低温测试结果显示,该磁强计磁场灵敏度为0.36 nT/Φ_0,白噪声段磁通噪声为8μΦ_0/√Hz,等效磁场噪声为2.88 fT/√Hz.     

液氮下工作的薄膜biPbSrCaCuO dc SQUID

利用电阻加热、单源混合分层蒸镀方法制备的 Bi PbSrCaCuO 超导薄膜,研制成功带双桥结的单圆孔的直流超导量子干涉器(dc SQUID).这些 dc SQUID 在78K 呈现出完全的周期性磁通响应的电压特性.在无屏蔽条件下,0—1Hz 频率范围内,78K 的磁通噪声的典型值为1.7×10~(-3)φ_0/(Hz)~(1/2),相应的能量分辨率为3.6×10~(-26)J/Hz.同时,我们发现了无偏置电流下的可以锁定的磁通响应的电压二次谐波现象,此现象尚未理解清楚,但它与 dc SQUID的 I—V 特性形状有密切关系,并对其进行了探讨.     

具有Washer型输入线圈的超导量子干涉放大器的制备与表征

超导量子干涉仪(SQUID)放大器具有低输入阻抗、低噪声、低功耗等优点, 目前被广泛用于微弱信号的检测领域. 与其他工艺相比, Nb/Al-AlO_x/Nb结构的约瑟夫森结具有相对较高的转变温度(T_c)、高的磁通电压调制系数以及良好的热循环能力、较宽的临界电流范围, 因此是制备SQUID放大器的很好选择. 设计并制作了欠阻尼、过阻尼约瑟夫森结以及具有Washer型输入线圈的单SQUID放大器, 通过在He³制冷机3 K温区下对器件电流-电压特性进行测量, 得到良好的结I-V特性曲线、SQUID调制特性, 初步实现利用SQUID进行放大作用, 并计算了SQUID的电流分辨率. 此项工作对于超导转变边沿传感器读出电路的实现具有重要的意义.     

Nano-SQUID中方波脉冲测量方法对于临界电流的精确表征

Nano-SQUID因为具备可能探测到单电子自旋的能力而受到广泛关注.为进一步提高该器件的灵敏度,不但要优化器件制备工艺,而且也要发展低噪音高效率的测量系统.通常,由于nano-SQUID存在回滞现象,导致在测量方面nano-SQUID无法使用标准的SQUID读出电路.本文设计了一种全新的方波脉冲测量方法,由信号发生器串联一个大电阻发送电流脉冲,注入nano-SQUID,并采用ADWin数据采集卡读取器件两端的电压.该方法不仅可以消除电流—电压回滞现象带来的测量上的不便,而且可以通过缩短脉冲周期的方法进一步提高系统的测量速度.在此基础上,通过降低系统方波脉冲占空比ton:toff,增加超导器件因受到脉冲电流激发后的冷却时间,减小热噪音对临界电流准确测量的影响,从而获得准确的临界电流—磁通调制曲线,调制深度△Ic/Ic=7.9%.此外,本文对采用本测量方法的nano-SQUID磁通噪音表征方法进行了讨论,测得器件磁通噪声为72μΦ0/Hz1/2,等效磁性测量精度为1.19×10-16emu/Hz1/2.     

聚光光强对光伏电池阵列输出性能的影响

基于槽式聚光热电联供系统,深入分析晶硅电池阵列和砷化镓电池阵列在高倍聚光下的输出特性及输出功率的影响因素.研究结果表明,聚光光强下砷化镓电池阵列输出性能优于晶硅电池阵列,高光强会导致光伏电池禁带宽度变窄,短路电流成倍增加,增加输出功率,但同时耗尽层复合率变大,开路电压降低,制约阵列的输出功率;高光强还引起电池温度升高,电池阵列串联内阻增加.分析表明聚光作用下电池阵列串联内阻对输出功率影响巨大,串联内阻从0 Ω增加1 Ω,四种电池阵列输出功率分别损失67.78%,74.93%,77.30%和58.01%. 关键词： 热电联供 太阳电池阵列 串联内阻 输出功率     

基于LSAT衬底YBa2Cu3O7-δ台阶结的射频高温超导量子干涉器的制备和表征

基于 YBa2Cu3 O7 -δ (YBCO) 台阶边沿型约瑟夫森结( 台阶结) 的高温超导量子干涉器(Superconducting Quantum Interference Device, 简称 SQUID) 在微弱磁场测量等领域具有重要应用价值. 制 备 YBCO 台 阶 结 及SQUID 的常用单晶衬底包括 LaAlO3 (LAO) 、SrTiO3 (STO) 及 MgO 等. (La0 .3 ,Sr0 .7 ) (Al0 .65 ,Ta0 .35 )O3 (LSAT) 没有孪晶现象、 与 YBCO 的晶格失配度很小(仅为0.4% ) , 有潜力成为制备 YBCO 台阶结及相应的高温超导 SQUID器件的新的衬底选择. 本文首次探索研究了 LSAT 衬底上 YBCO 台阶结型射频超导量子干涉器(rf SQUID) 的制备和表征. 采用氩离子束刻蚀技术在 LSAT(100) 衬底上制备角度约为46°的台阶, 利用脉冲激光沉积法在衬底上生长 YBCO 超导薄膜, 然后利用传统紫外光刻技术制备出高温超导rf SQUID 器件. 在温度为77 K 时, 器件测试观察到幅度较大的电压-磁通特性曲线, 且在部分器件的特性曲线中观察到接近方波的非传统波形, 表明器件工作于噪声较低的色散模式下. 频率1 kHz 时器件的磁通噪声约为20 μΦ0/Hz1/2 , 与文献中报道的 LAO、STO 衬底上台阶结型SQUID 器件的典型结果相当. 本工作展示了利用 LSAT 衬底制备低噪声台阶结型rf SQUID 器件的可行性, 并为进一步研制该衬底上更高性能的高温超导SQUID 器件奠定了基础     

基于心磁信号的心脏电流偶极子阵列成像及相关性质的研究

超导量子干涉器（SQUID）能探测到微弱的心脏磁场信号. 通过对所得的心磁信号进行分析,可为许多心脏疾病的诊断提供依据. 利用心磁信号,采用极小范数最小二乘法（MNLS）对心脏的电流偶极子阵列进行重建,从而实现了对心脏内部等效电流源的成像. 在使用MNLS进行电流偶极子阵列反演重建的过程中,反演所需的心磁信号,分别由单电流偶极子和电流多极子作为激发源模拟得到,以及由SQUID实际测量得到. 同时,对不同心磁信号反演得到的电流偶极子的分布规律进行了分析. 此外,还给模拟的人体外心磁信号施加了均匀噪声和随机噪声,研究不同信噪比的均匀噪声和随机噪声对电流偶极子阵列重建的影响. 关键词： 心磁信号 超导量子干涉器 电流偶极子阵列重建 极小范数最小二乘法     

基于心磁信号的心脏电流偶极子阵列成像及相关性质的研究

超导量子干涉器（SQUID）能探测到微弱的心脏磁场信号. 通过对所得的心磁信号进行分析,可为许多心脏疾病的诊断提供依据. 利用心磁信号,采用极小范数最小二乘法（MNLS）对心脏的电流偶极子阵列进行重建,从而实现了对心脏内部等效电流源的成像. 在使用MNLS进行电流偶极子阵列反演重建的过程中,反演所需的心磁信号,分别由单电流偶极子和电流多极子作为激发源模拟得到,以及由SQUID实际测量得到. 同时,对不同心磁信号反演得到的电流偶极子的分布规律进行了分析. 此外,还给模拟的人体外心磁信号施加了均匀噪声和随机噪声,研究不同信噪比的均匀噪声和随机噪声对电流偶极子阵列重建的影响.     

高Tc dc SQUID 1/f噪声的抑制

本文采用偏置电流反转的频率与磁通调制频率相等的方案,研制了带偏置电流反转的dc SQUID测试系统,明显降低了YBCO双晶结dc SQUID的1/f噪声.在3Hz处,磁通噪声由静态偏置时的降低到.1/f噪声的角频率从1kHz下降到3Hz.前放的设计,采用低噪声集成电路,整个磁通锁定环置于测试杆顶端,简化了电路,提高了测试系统的稳定性.在白噪声区,测得最低磁通噪声为 .前放的噪声系数为1.1dB.     

低噪声SQUID模拟器

我们研制了用于SQUID线路研制与调试的低噪声宽频响多周期SQUID模拟器 .模拟器的等效磁通白噪声为 0 .7×1 0 -6Φ0 /Hz,完全可以满足SQUID线路的调试要求 .     

大功率GaN基发光二极管等效串联电阻的功率耗散及其对发光效率的影响

由于自加热效应的存在,大功率GaN基发光二极管(LED)的芯片温度有可能高出环境温度很多,实验中,芯片温度超出环境高达147 K.从实验测量的大功率LED电流电压特性曲线中,将p-n结和等效串联电阻上的电压降落分离出来,得到了大功率LED等效串联电阻随芯片温度的变化情况.在输入电功率自加热效应的影响下,大功率GaN基LED等效串联电阻呈现出剧烈的变化,其阻值由低输入功率时的1.2 Ω降低到0.9 Ω,然后再升高到1.9 Ω,等效串联电阻的功率耗散在输入功率中所占的比例也随着输入功率的增加迅速增加,最高时接 关键词： 自加热 等效串联电阻 发光二极管 流明效率     

排列形状及阵列数目对纳米导线阵列场发射性能的影响

为了进一步研究纳米导线阵列的排列形状以及阵列数目对其场发射行为的影响，利用镜像悬浮球模型对正方形以及六边形排列的纳米导线阵列的场发射行为进行计算与模拟，近似的得到纳米导线阵列的场发射增强因子满足如下的变化趋势：β=h/ρ(1/1+W)+1/2(1/1+W)²+3,其中h为纳米导线的高度，ρ为纳米导线的半径，W是以R为自变量的函数，R为纳米导线阵列的间距.结果显示纳米导线阵列的排列形状对其场发射性能的影响较小，而阵列间距则是影响场发射性能的关键因素：当R<R₀时，场发射增强因子随着阵列间距的减小而急剧减小；当R>R₀时，场发射增强因子基本不变，其中R₀为导线阵列场发射的最佳间距.进一步研究表明改变纳米导线阵列的数目基本不会改变阵列的场发射性能随间距的变化趋势，但是随着阵列数目的增加，R₀会有一定程度的减小，场发射增强因子也会降低. 关键词： 纳米导线 场发射 增强因子 阵列数目     

可移动三维主动减振系统及其在原子干涉重力仪上的应用

振动极大地影响着许多精密仪器的灵敏度和稳定性,对于冷原子干涉重力仪尤其如此.针对可移动的原子干涉仪建立了一套易于搬运的三维主动减振系统用来有效隔除地面的振动,从而提高可移动原子干涉仪的测量灵敏度,并能做到迅速部署迅速恢复工作.通过实施我们设计的综合反馈算法,本装置在三个维度的宽频带范围上实现了非常好的振动压制效果.本系统取得了对地面竖直方向振动3个数量级,对地面水平方向振动1个数量级的振动隔除效果.在原子干涉仪敏感的10 Hz以下频段,竖直方向的振动噪声被压制到了4.8×10~(–9)m/s~2/Hz~(1/2),水平方向的振动噪声被压制到了2.3×10~(–7) m/s~2/Hz~(1/2).振动噪声对干涉仪灵敏度的影响降至2μGal/Hz~(1/2)以下,比未放置减振系统的结果降低了2个数量级.     

大功率GaN基发光二极管等效串联电阻的功率耗散及其对发光效率的影响

由于自加热效应的存在，大功率GaN基发光二极管(LED)的芯片温度有可能高出环境温度很多，实验中，芯片温度超出环境高达147 K.从实验测量的大功率LED电流电压特性曲线中，将p-n结和等效串联电阻上的电压降落分离出来，得到了大功率LED等效串联电阻随芯片温度的变化情况.在输入电功率自加热效应的影响下，大功率GaN基LED等效串联电阻呈现出剧烈的变化，其阻值由低输入功率时的1.2 Ω降低到0.9 Ω,然后再升高到1.9 Ω，等效串联电阻的功率耗散在输入功率中所占的比例也随着输入功率的增加迅速增加，最高时接     

有限长直电流磁场的另外两种计算方法

有限长直电流磁场的计算,是电流磁场计算中的基本问题.利用电流元的概念和毕奥——萨伐尔定律可以求得图1所示的有限长直电流在P点产生的磁感应强度,其大小为B=(μ_0I/4πR)（cosθ_1-cosθ_2）=(μ_0I/4πR)(sinβ_2-sinβ_1)作为比较,这里给出该问题的另外两种计算方法.     

超导量子干涉器件读出电路中匹配变压器的传输特性研究

在磁通调制超导量子干涉器件(SQUID)的读出电路中, 匹配变压器具有放大信号和阻抗匹配的功能, 是实现SQUID低噪声读出的关键元件. 利用模拟SQUID电路对匹配变压器进行性能测试, 研究了不同绕制匝数变压器的传输特性, 确定最佳绕制匝数比. 在变压器拾取SQUID电压信号的耦合网络中, 研究了不同电容对变压器传输特性的影响, 实现了变压器耦合网络参数的匹配和优化. 室温下匝数比为1:20的匹配变压器在匹配电容C=1μF时, 输出源电压增益为21.2, 带宽范围可达到210 kHz. 最后在基于磁通调制式DC SQUID读出电路中, 对匹配变压器的工作性能进行了评估与验证. 关键词： 超导量子干涉器件读出电路 匹配变压器 低噪声 传输特性     

941nm2%占空比大功率半导体激光器线阵列

计算了半导体激光器的激射波长与量子阱宽度以及有源层中In组分的关系,确定了941nm波长的量子阱宽度和In组分.并利用金属有机化合物气相淀积(MOCVD)技术生长了InGaAs/GaAs/AlGaAs分别限制应变单量子阱激光器材料.利用该材料制成半导体激光器线阵列的峰值波长为940.5 nm,光谱的FWHM为2.6 nm,在400 μs,50 Hz的输入电流下,输出峰值功率达到114.7 W(165 A),斜率效率高达0.81 W/A,阈值电流密度为103.7 A/cm2;串联电阻5 mΩ,最高转换效率可达36.9%.     

氧化镁层对石墨烯/硅太阳能电池的界面优化

为了探究石墨烯/硅太阳能电池的铝/硅背接触特性,采用连续蒸镀的方法在铝/硅背接触间插入一层氧化镁介质层,对比测试具有不同厚度氧化镁层的电池的电流-电压特性、外量子效应、电池的串联电阻以及背接触电阻。研究表明:随着氧化镁厚度的增加,电池的光电转换效率、串联电阻以及背接触电阻存在先增大后降低的趋势,当氧化镁的厚度为1nm时的光电转化效率最优,达到5.53%,厚度为0nm时,光电转换效率为2.90%;当氧化镁的厚度为0nm和1nm时,相应的串联电阻(背接触电阻)分别为4.1Ω(9.6Ω)和1.8Ω(3.2Ω).     

混合式RF-SQUID的设计

本文对 L.D.Jackel等人提出的/RF-SQUID磁通噪声公式进行了更深入地研究:讨论了RF-SQUID的能量分辨率如何取极小值问题。使SQUID环和谐振电路间的耦合取最佳值、选用合适的弱连接临界电流和电阻、选用合适的SQUID环电感、增加射频偏置频率、增加谐振阻抗、减小放大器噪声等都可以改善能量分辨率。文中给出两个混合式RF-SQUID环电感公式。利用这些公式,可以确定RF-SQUID探头的几何尺寸。     

MgO衬底上YBa2Cu3O7-δ台阶边沿型约瑟夫森结的制备及特性

MgO衬底上的YBa2Cu3O7-δ(YBCO)台阶边沿型约瑟夫森结(台阶结)在高灵敏度高温超导量子干涉器(superconducting quantum interference device,SQUID)等超导器件研制方面具有重要的应用价值和前景.本文对此类YBCO台阶结的制备和特性进行了研究.首先利用离子束刻蚀技术和两步刻蚀法在MgO(100)衬底上制备陡度合适、边沿整齐的台阶,然后利用脉冲激光沉积法在衬底上生长YBCO超导薄膜,进而利用紫外光刻制备出YBCO台阶结.在结样品的电阻-温度转变曲线中,观测到低于超导转变温度时的电阻拖尾现象,与约瑟夫森结的热激活相位滑移理论一致.伏安特性曲线测量表明结的行为符合电阻分路结模型,在超导转变温度TC附近结的约瑟夫森临界电流密度TC随温度T呈现出(TC-T)^2的变化规律,77 K时JC值为1.4×10^5 A/cm^2.利用制备的台阶结,初步制备了YBCO射频高温超导SQUID,器件测试观察到良好的三角波电压调制曲线,温度77 K、频率1 kHz时的磁通噪声为250μΦ0/Hz^1/2.本文结果为进一步利用MgO衬底YBCO台阶结研制高性能的高温超导SQUID等超导器件奠定了基础.