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超导器件测试探杆

2021-02-02 07:07:54

超导器件测试探杆

  技术领域

  本申请涉及磁场测试技术领域,特别是涉及超导器件测试探杆。

  背景技术

  采用超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device,以下简称SQUID)的传感器是目前已知的最灵敏的磁传感器,其利用超导体的量子干涉性质对外磁场的敏感性,可以实现精密的磁场测量效果。SQUID通常设置在液氦中,工作在4-10K的极低温环境。

  SQUID测试杆的功能是将SQUID器件置于低温,在4-10K温度测控范围、施加一定范围磁场条件下实现SQUID的精密电学输运性质测量,用于SQUID在极低温下的性能表征。

  在对超导器件测试(如SQUID器件测试)时,温度对超导器件的超导性质影响很大,也会直接影响器件的热噪声量级,所以超导器件测试需要严格控制测试的温度。传统的测试杆在对超导器件测试时,因温度不可控制,测试效果得不到保障。

  发明内容

  基于此,有必要针对现有测试杆在对超导器件测试时,因温度不可控制,测试效果得不到保障的问题,提供一种超导器件测试探杆。

  一种超导器件测试探杆,包括:

  测试杆本体,具有一个测试端;

  导热样品台,与所述测试端固定连接;以及

  温度测控模组,固定于所述导热样品台,用于测量并控制所述导热样品台的温度。

  在其中一个实施例中,所述温度测控模组包括:

  温度传感器,固定于所述导热样品台,用于测量所述导热样品台的温度;以及

  加热电阻,固定于所述导热样品台,并与所述导热样品台热接触,用于控制所述导热样品台的温度。

  在其中一个实施例中,所述导热样品台设置有凹槽,所述加热电阻固定于所述凹槽内,且所述加热电阻与所述凹槽之间设置有导热材料。

  在其中一个实施例中,所述的超导器件测试探杆还包括:

  测试电路板,与所述导热样品台可拆卸连接,用于将与所述测试电路板电连接的待测超导器件固定于所述导热样品台。

  在其中一个实施例中,所述温度传感器和所述测试电路板分别设置于所述导热样品台的两侧,且所述温度传感器在所述导热样品台的投影位于所述待测超导器件在所述导热样品台的投影内。

  在其中一个实施例中,所述测试电路板设置有镂空区,所述镂空区用于放置所述待测超导器件,且所述待测超导器件通过铜箔与所述导热样品台热接触。

  在其中一个实施例中,所述测试电路板设置有排插的插针,排插的所述插针用于与所述待测超导器件电连接。

  在其中一个实施例中,所述的超导器件测试探杆还包括:

  磁场模组,固定于所述导热样品台远离所述测试电路板的一侧,且所述磁场模组在所述导热样品台的投影位于所述待测超导器件在所述导热样品台的投影内,用于对所述待测超导器件施加特定磁场。

  在其中一个实施例中,所述的超导器件测试探杆还包括:

  磁屏蔽筒,与所述测试端可拆卸连接,且所述导热样品台和所述温度测控模组均设置于所述磁屏蔽筒内。

  在其中一个实施例中,所述的超导器件测试探杆还包括:

  封闭法兰,套设于所述测试杆本体,且与所述测试杆本体之间密闭连接。

  在其中一个实施例中,所述测试杆本体远离所述测试端的一端设置有多个气密插座接口。

  与现有技术相比,上述超导器件测试探杆,将所述导热样品台固定于所述测试杆本体的测试端,并将所述温度测控模组固定于所述导热样品台,利用所述导热样品台的良好导热性能,使得所述温度测控模组通过测量并控制所述导热样品台的温度,实现对待测超导器件的精确控温,从而保障了所述待测超导器件的测试效果。

  附图说明

  为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案,下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

  图1为本申请一实施例提供的超导器件测试探杆的轴侧图;

  图2为本申请一实施例提供的超导器件测试探杆的测试部分的结构图;

  图3为本申请一实施例提供的在不同温度时,待测SQUID器件的电流-电压特征曲线示意图;

  图4为本申请另一实施例提供的超导器件测试探杆的测试部分的结构图;

  图5为本申请一实施例提供的超导器件测试探杆的结构示意图;

  图6为本申请一实施例提供的在4.8K温度时,待测SQUID器件在不同偏置电流下的磁通-电压特征曲线示意图;

  图7为本申请一实施例提供的超导器件测试探杆的左视图。

  附图标记说明:

  10 超导器件测试探杆

  100 测试杆本体

  101 气密插座接口

  102 插座

  110 测试端

  120 绝热杆

  200 导热样品台

  210 凹槽

  300 温度测控模组

  310 温度传感器

  320 加热电阻

  400 测试电路板

  401 待测超导器件

  410 插针

  500 磁场模组

  600 磁屏蔽筒

  700 封闭法兰

  具体实施方式

  为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进,因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

  本文中为部件所编序号本身,例如“第一”、“第二”等,仅用于分所描述的对象,不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”,如无特别说明,均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。

  在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

  需要说明的是,当元件被称为“固定于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

  除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

  请参见图1和图2,本申请一实施例提供一种超导器件测试探杆10,包括:测试杆本体100、导热样品台200以及温度测控模组300。所述测试杆本体100具有一个测试端110。所述导热样品台200与所述测试端110固定连接。所述温度测控模组300固定于所述导热样品台200。所述温度测控模组300用于测量并控制所述导热样品台200的温度。

  可以理解,所述测试杆本体100的材质不限,只要保证形状即可。在一个实施例中,所述测试杆本体100的材质可以为不锈钢。在一个实施例中,所述测试杆本体100的材质可以为德银。在一个实施例中,所述测试杆本体100为低导热率的中空杆,该中空杆的长度可根据实际需求进行选择,如1米等。在一个实施例中,所述测试杆本体100的内部设置为中空,从而可实现在所述测试杆本体100的内部走线。在一个实施例中,所述测试杆本体100的其中一端为测试端110。在使用时,所述测试端110需伸入低温杜瓦口内。

  在一个实施例中,所述导热样品台200的材质可以是无磁、导热良好的紫铜。采用材质为紫铜的所述导热样品台200导热性较好,容易维持整个样品台区域的温度一致性。可以理解,所述导热样品台200与所述测试杆本体100的所述测试端110固定连接的方式不限,只要保证所述导热样品台200与所述测试端110之间绝热且固定连接即可。在一个实施例中,所述导热样品台200与所述测试杆本体100之间可通过铆钉固定连接。在一个实施例中,所述导热样品台200与所述测试杆本体100之间也可一体成型。

  在一个实施例中,所述导热样品台200与所述测试端110之间可通过绝热性较好的材料连接。具体的,所述导热样品台200可通过有机玻璃与所述测试端110之间固定连接。所述导热样品台200也可通过胶木与所述测试端110之间固定连接。所述导热样品台200与所述测试端110之间采用绝热性较好的材料固定连接,可避免外部热量经由所述测试端110热传导至所述导热样品台200影响样品台温度,从而提高测试效果。

  可以理解,所述温度测控模组300的具体结构不做限制,只要具有测量并控制所述导热样品台200温度的功能即可。在一个实施例中,所述温度测控模组300可包括温度传感器和电阻。在一个实施例中,温度传感器和电阻可与外部温度控制设备配合实现对所述导热样品台200的温度控制。具体的,通过温度传感器检测所述导热样品台200的当前温度,并通过外部温度控制设备对当前温度进行判断,若温度过低,可外部温度控制设备可通过电阻进行加热,从而实现对所述导热样品台200温度的控制,进而实现精确控温。

  在一个实施例中,所述超导器件测试探杆10可对待测SQUID器件进行测量。具体的,通过所述导热样品台200和所述温度测控模组300配合,可控制在不同温度时,测量所述待测SQUID器件的电流-电压特征曲线,具体如图3所示。采用上述这种控温方式,控温精度可以达到±2mK。

  在一个实施例中,所述温度测控模组300与所述导热样品台200之间可热接触,即所述温度测控模组300与所述导热样品台200之间具有良好的热传导,从而可使得所述温度测控模组300的控温效果更加精确。

  本实施例中,将所述导热样品台200固定于所述测试杆本体100的测试端110,并将所述温度测控模组300固定于所述导热样品台200,利用所述导热样品台200的良好导热性能,使得所述温度测控模组300通过测量并控制所述导热样品台200的温度,实现对待测超导器件的精确控温,从而保障了所述待测超导器件的测试效果。

  请再次参见图2,在一个实施例中,所述温度测控模组300包括:温度传感器310以及加热电阻320。所述温度传感器310固定于所述导热样品台200。所述温度传感器310用于测量所述导热样品台200的温度。所述加热电阻320固定于导热样品台200。所述加热电阻320与所述导热样品台200热接触。所述加热电阻320用于控制所述导热样品台200的温度。

  可以理解,所述温度传感器310固定于导热样品台200的方式不限,只要保证所述温度传感器310与所述导热样品台200之间固定即可。在一个实施例中,所述温度传感器310可嵌入所述导热样品台200内。在一个实施例中,所述温度传感器310也可通过卡扣固定于所述导热样品台200。通过所述温度传感器310实时检测所述导热样品台200的当前温度。

  可以理解,所述加热电阻320固定于导热样品台200的方式不限,只要保证所述加热电阻320与所述导热样品台200之间热接触即可。在一个实施例中,所述加热电阻320可通过嵌入所述导热样品台200内。在一个实施例中,所述加热电阻320也可粘贴固定于所述导热样品台200。通过所述加热电阻320实现对所述导热样品台200的温度控制。具体的,可通过所述加热电阻320对所述导热样品台200进行加热升温。

  在一个实施例中,所述导热样品台200设置有凹槽310。所述加热电阻320固定于所述凹槽310内,且所述加热电阻320与所述凹槽310之间设置有导热材料。在一个实施例中,所述凹槽310可设置于所述导热样品台200的侧面。在一个实施例中,所述凹槽310可为半球形凹槽,即所述凹槽310的形状与所述加热电阻320的形状匹配,使得所述加热电阻320能够嵌入所述凹槽310内,同时与所述凹槽310的侧壁热接触,从而尽可能增大所述加热电阻320与所述导热样品台200之间的接触面积。在一个实施例中,所述加热电阻320与所述凹槽310之间的所述导热材料可为铟箔。具体的,可将铟箔缠绕于所述加热电阻320,之后将二者嵌入所述凹槽310内,从而可提高所述加热电阻320与所述导热样品台200之间的热接触。

  在一个实施例中,所述的超导器件测试探杆10还包括:测试电路板400。所述测试电路板400与所述导热样品台200可拆卸连接。所述测试电路板400用于将与所述测试电路板400电连接的待测超导器件401固定于所述导热样品台200。在一个实施例中,所述测试电路板400可以为PCB(Printed Circuit Board,印制电路板)板。

  在一个实施例中,所述测试电路板400与所述导热样品台200可拆卸连接的方式不限,只要保证所述测试电路板400与所述导热样品台200之间可拆卸连接即可。在一个实施例中,所述测试电路板400可通过螺丝与所述导热样品台200可拆卸连接。在一个实施例中,所述测试电路板400也可通过卡扣与所述导热样品台200可拆卸连接。将所述测试电路板400与所述导热样品台200之间设置为可拆卸连接,可使得在更换不同的所述待测超导器件401时,具有拆装方便的优势。

  在一个实施例中,所述待测超导器件401与所述测试电路板400之间可通过超声压焊的方式实现电连接。在一个实施例中,所述测试电路板400用于将与所述测试电路板400电连接的待测超导器件401固定于所述导热样品台200是指:所述待测超导器件401通过所述测试电路板400固定于所述导热样品台200。具体的,所述待测超导器件401可固定于所述测试电路板400上,然后将所述测试电路板400固定于所述导热样品台200。

  在一个实施例中,所述测试电路板400上放置所述待测超导器件401的区域可设置为镂空区。该镂空区设置有导热良好的铜箔。在一个实施例中,所述镂空区的大小可以为2×2cm的方框镂空区。所述待测超导器件401固定于所述测试电路板400的过程为:所述待测超导器件401可先通过低温导热胶粘附在镂空区的铜箔上,然后通过超声压焊的方式将所述待测超导器件401的电极与所述测试电路板400的电极电连接。而当所述测试电路板400固定于所述导热样品台200时,所述待测超导器件401与所述导热样品台200之间通过铜箔实现热接触,从而可使得所述待测超导器件401与所述导热样品台200之间具有良好的温度一致性。

  在一个实施例中,所述温度传感器310和所述测试电路板400分别设置于所述导热样品台200的两侧,且所述温度传感器310在所述导热样品台200的投影位于所述待测超导器件401在所述导热样品台200的投影内。所述温度传感器310和所述测试电路板400分别设置于所述导热样品台200的两侧是指:所述测试电路板400设置于所述导热样品台200的一侧,所述温度传感器310设置于所述导热样品台200的另一侧,且所述温度传感器310和所述待测超导器件401关于所述导热样品台200对称设置。

  在一个实施例中,所述待测超导器件401通过所述测试电路板400设置于所述导热样品台200的一侧。而所述温度传感器310设置于所述导热样品台200远离所述测试电路板400的一侧,且所述温度传感器310尽可能的靠近所述测试电路板400放置所述待测超导器件401的区域,以保证温度测量的准确性。具体的,所述温度传感器310可设置于所述导热样品台200远离所述测试电路板400的一侧与所述镂空区对应的位置,即所述温度传感器310在所述导热样品台200的投影位于所述待测超导器件401在所述导热样品台200的投影内,从而可提高温度测量的准确性。

  请参见图4,在一个实施例中,所述测试电路板400设置有排插的插针410。所述待测超导器件401与排插的所述插针410电连接。在一个实施例中,排插的所述插针410可为22针的插针。在一个实施例中,所述测试电路板400的一侧设置有2×2cm的方框镂空区,方框镂空区内放置有所述待测超导器件401(如待测SQUID器件)。其中,方框镂空区的3个边设置有所述待测SQUID器件的22个电极,该22个电极通过压焊的方式与所述插针410一一对应电连接。

  在一个实施例中,所述待测超导器件401进行低温测试前,将所述待测超导器件401安装在所述超导器件测试探杆10的过程为:先将所述待测超导器件401通过导热胶粘附在所述测试电路板400镂空区的铜箔上,然后通过超声压焊的方式将所述待测超导器件401的各个电极与所述插针410的各个电极电连接,然后将所述测试电路板400通过螺钉固定于所述导热样品台200,最后将所述测试杆本体100上设置的与所述插针410配合的插座102(如图5所示)连接到所述测试电路板300的所述插针410。

  在一个实施例中,所述测试杆本体100设置有与所述插针410配套的插座102,将所述测试杆本体100上的插座102通过内部走线与外部的插座相连,从而实现对超导器件测试探杆10的供电。每次更换待测样品时,只需插拔插座102即可,不用焊锡烙铁连线,拆装不仅便捷,还避免了焊线过程中静电和器件的热损伤。在一个实施例中,内部走线可采用热阻较高的导线,从而阻绝热量透过导线传入所述导热样品台200。

  在一个实施例中,所述导热样品台200通过绝热杆120与所述测试杆本体100的一端固定连接。可以理解,所述绝热杆120的材质不限,只要具有阻绝热量传递的功能即可。在一个实施例中,所述绝热杆120的材质可以为有机玻璃。在一个实施例中,所述绝热杆120的材质也可以为胶木。通过所述绝热杆120避免了外部热量经由所述测试杆本体100传递至所述导热样品台200,影响所述导热样品台200温度。

  在一个实施例中,所述的超导器件测试探杆10还包括:磁场模组500。所述磁场模组500固定于所述导热样品台200远离所述测试电路板400的一侧,且所述磁场模组500在所述导热样品台200的投影位于所述待测超导器件401在所述导热样品台200的投影内。所述磁场模组500用于对所述待测超导器件401施加特定磁场。

  在一个实施例中,所述磁场模组500可采用漆包铌超导线缠绕成的磁场线圈实现。可以理解,所述磁场模组500固定于所述导热样品台200远离所述测试电路板400的一侧的方式不限,只要保证所述磁场模组500与所述导热样品台200固定即可。在一个实施例中,所述磁场模组500可通过铆钉固定于所述导热样品台200。在一个实施例中,所述磁场模组500也可通过卡扣固定于所述导热样品台200。通过所述磁场模组500对所述待测超导器件401施加特定磁场,从而可测量不同磁场下所述待测超导器件401的电学输运性质。

  具体的,当所述导热样品台200的温度控制在4.8K温度时,所述待测超导器件401为待测SQUID器件时,测量所述待测SQUID器件在不同偏置电流下的磁通-电压特征曲线如图6所示。在一个实施例中,所述磁场模组500可直接放置于所述导热样品台200远离所述测试电路板400一侧与所述镂空区对应的位置,即所述磁场模组500在所述导热样品台200的投影位于所述待测超导器件401在所述导热样品台200的投影内,从而可保证所述磁场模组500与所述待测超导器件401之间足够强的互感。

  在一个实施例中,所述磁场模组500为磁场线圈。所述磁场线圈固定于所述导热样品台200,且所述磁场线圈在所述导热样品台200的投影位于所述待测超导器件401在所述导热样品台200的投影内。在一个实施例中,所述磁场线圈可采用漆包铌超导线缠绕成的磁场线圈。

  可以理解,所述磁场线圈固定于所述导热样品台200的方式不限,只要保证所述磁场线圈与所述导热样品台200固定即可。在一个实施例中,所述磁场线圈可通过铆钉固定于所述导热样品台200。在一个实施例中,所述磁场线圈也可通过卡扣固定于所述导热样品台200。通过所述磁场线圈对所述待测超导器件401施加特定磁场,从而可测量不同磁场下所述待测超导器件401的电学输运性质。

  在一个实施例中,超导器件测试探杆10还包括:磁屏蔽筒600。所述磁屏蔽筒600与所述测试端110可拆卸连接,且所述导热样品台200和所述温度测控模组300均设置于所述磁屏蔽筒600内。

  可以理解,所述磁屏蔽筒600的具体材质不限,只要具有电磁屏蔽功能即可。在一个实施例中,所述磁屏蔽筒600的材质可以是铅。在一个实施例中,所述磁屏蔽筒600的材质也可以是铌。在一个实施例中,所述磁屏蔽筒600的材质也可以采用其它的超导材料或高磁导率材料。

  可以理解,所述磁屏蔽筒600与所述测试杆本体100的所述测试端110可拆卸连接的方式不限,只要保证所述磁屏蔽筒600与所述测试端110之间可拆卸连接即可。在一个实施例中,所述磁屏蔽筒600与所述测试端110之间可通过螺钉拆卸连接。在一个实施例中,所述磁屏蔽筒600与所述测试端110之间也可通过螺纹拆卸连接。具体的,所述磁屏蔽筒600的内壁设置有内螺纹,所述测试端110设置有与内螺纹配合的外螺纹;或者,所述磁屏蔽筒600的外壁设置有外螺纹,所述测试端110设置有与外螺纹配合的内螺纹。通过所述磁屏蔽筒600与所述测试杆本体100之间的配合,可实现电磁屏蔽性能,以屏蔽外部磁场干扰,提高测试效果。

  请参见图7,在一个实施例中,所述测试杆本体100远离所述测试端110的一端设置有多个气密插座接口101。在一个实施例中,多个所述气密插座接口101的数量可以是10-50。具体的,所述测试杆本体100的另一端可选择26个芯的所述气密插座接口101;其中,2个所述气密插座接口101用于电连接所述磁场模组500,2个所述气密插座接口101用于电连接所述加热电阻320,4个所述气密插座接口101用于电连接所述温度传感器310,剩余18个所述气密插座接口101连接所述待测超导器件401的测试电极,用于电学输运性质测量使用。

  在一个实施例中,所述的超导器件测试探杆10还包括:封闭法兰700。所述封闭法兰700套设于所述测试杆本体100,且与所述测试杆本体100之间密闭连接。所述封闭法兰700用于将所述测试杆本体100与低温杜瓦口封闭连接。在一个实施例中,将所述测试杆本体100与低温杜瓦口封闭连接的所述封闭法兰700需要使用气密性足够好且能够避免液氦气体泄漏的法兰。同时该法兰要能够沿所述测试杆本体100的延伸方向滑动,从而调整所述测试杆本体100没入液氦杜瓦的深度,以适应杜瓦中不同液面高度情况。

  综上所述,本申请将所述导热样品台200、所述温度测控模组300、所述测试电路板400以及所述磁场模组500均设置于所述磁屏蔽筒600内,通过所述磁屏蔽筒600与所述测试杆本体100配合实现电磁屏蔽性能,同时将所述测试电路板400与所述导热样品台200之间设置为可拆卸连接,具有拆装方便的优势。同时将所述导热样品台200固定于所述测试杆本体100的测试端110,并将所述温度测控模组300固定于所述导热样品台200,利用所述导热样品台200的良好导热性能,使得所述温度测控模组300通过测量并控制所述导热样品台200的温度,实现对待测超导器件的精确控温,从而保障了所述待测超导器件的测试效果。

  以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。

  以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

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