本发明涉及重力测量领域， 特别是涉及一种测量重力的低温超 导装置。 背景技术

重力仪一般通过测量物体的微小位移变化来间 接测出此处重力 的变化。 传统重力测量一般采用测量机械弹簧的形变量 来测量重力 变化量。 由于弹簧蠕变和零点漂移造成测量精度不高， 随着科学技 术的 ^ Ι, 出现了基于石英谐振、 液浮、 气浮、 浮等方式的重力 测量仪器。 此类重力仪测量精度可达到微伽量级。 重力测量的用途 包括为预报地震、 飓风等灾害性天气提供参数， 可用来进行矿产及 低热资源的勘探， 用来研究天体运动对地球重力场产生的影响。

超导材料和低温技术的不断发展使得超导技术 在各个领域应用 越来越广泛， 其不断满足我国工业现代化建设的需求， 大大提高了 各种装备的性能和精度。低温装置是实现超导 低温环境的必要装置， 低温装置的设计和性能是研究和发 ^1¾导仪器设备的基础， 有着重 要的意义。 制冷机及传导冷却技术的发 L 低温装置设计结构和应 用场合提供更多了的选择， 目前制冷机二级冷头的温度可达到 4K 以下。 超导温区大致可分为高温超导和低温超导温区 ， 一般在 10K 温度以下实现超导态的温区称为低温超导温区 ， 10K 以上至 100K 温度范围实现超导态的温区称为高温超导温区 。 利用低温超导磁屏 蔽和材料的零蠕变特性设计的测量重力的低温 超导装置具有其他重 力测量装置不可比拟的巨大优势， 目前低温超导装置主要采用液氦 制冷，若低温装置仅靠液氦制冷，对低温装置 漏热的设计要求较高， 并且多次输液过程操作繁瑣， 需定期补充液氦保持低温环境， 不能 保证装置长期独立运行， 长期使用运行成 ^高。 并且装置体积也 较大， 不利于装置能在各种复杂野外场地 下长期使用。 发明内容

本发明的目的是提供一种测量重力的低温超导 装置。通过利用 制冷机解决液氦挥发而需要定位补充的问题， 从而可满足长期独立 运行， 可适应各种野外环境下使用。

根据本发明的一个方面， 提供一种测量重力的低温超导装置， 该装置包括低温容器、 制冷机、 防辐射筒、 转子腔、 超导转子、 上 悬浮线圏、 下悬浮线圏、 上电极、 中间电极、 下电极、 ^和磁屏 蔽腔； 制冷机安 * 低温容器的上端， 低温容器内部通过 ^在制 冷机的一级冷头下端固定卷筒形状的防辐射筒 ； 在防辐射筒内布置 转子腔， 转子腔固定在制冷机的二级冷头的下端； 转子腔内的上端 布置上悬浮线圏， 转子腔内的下端布置下悬浮线圏； 转子腔的中间 位置布置磁屏蔽腔； 超导转子位于磁屏蔽腔内； 沿磁屏蔽腔的赤道 位置一周布置圆环形的中间电极， 磁屏蔽腔的上端中心位置布置有 上电极， 磁屏蔽腔的下端中心位置布置有下电极， 磁屏蔽腔、 上电 极、 中间电极、 下电极的内表面共同組成一个球腔。

优选的， 上电极位于超导转子的顶部， 下电极位于超导转子的 底部， 圆环形的中间电极围绕在超导转子赤道面上； 上电极和中间 电招 a成第一电容， 下电极和中间电极組成第二电容； 上电极、 中 间电极和下电极組成测量超导转子悬浮位移变 化的三个电极； 中间 电极的输出连接在超导量子干涉器的输入线圏 两端； 所述的超导量 子干涉器放置于转子腔的外侧壁上。

优选的， 上述装置测量重力的方法是， 利用所述的上悬浮线圏 和下悬浮线圏通电产生的悬浮力将超导转子悬 浮在磁屏蔽腔的中心 平衡位置，此时超导转子受到的悬浮力的合力 等于超导转子的重力； 当超导转子由于地球表面重力场变化而发生位 移时， 中间电极输出 电压产生的电流通过超导量子干涉器的输入线 圏， 输入线圏与超导 量子干涉器中的超导环耦合， 超导量子干涉器便有相应的电压输出 并通过反馈电流形式供给上悬浮线圏或者下悬 浮线圏， 反馈电流产 生的悬浮力使超导转子回到中心平衡位置； 标定所述的反馈电流与 超导转子的悬浮力关系， 即可通过测量所述的反馈电流得到超导转 子的悬浮力的数值， 从而得到重力变化的数值。

本发明通过制冷机对整个低温超导装置进行制 冷， 设置在磁屏 蔽腔中的中间电极在超导转子由于重力变化而 发生位移时产生电压， 超导量子干涉器由此调节上悬浮线圏或者下悬 浮线圏的工作电流， 从而使超导转子回到原中心平衡位置。 通过反馈给上悬浮线圏或者 下悬浮线圏的工作电流可确定重力的变化。 从而克服现有测量重力 的超导装置不能长期独立运行的特点， 并可适应各种野外环境下使 用。 附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步 理解， 构成本 申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说 明用于解幹本发明， 并不构成对本发明的不当限定。 在附图中：

图 1为本发明低温超导装置一个实施例的示意图� �

图 2为本发明转子腔一个实施例的结构示意图。

图 3为本发明超导转子位置检测反馈电路一个实� �例的示意图。 具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详 细说明。

图 1为本发明低温超导装置一个实施例的示意图� � 图 2为本发 明转子腔一个实施例的结构示意图。 如图 1和图 2所示， 低温超导 装置包括低温容器 1、 制冷机 2、 转子腔 4、 超导转子 5、 上悬浮线 圏 6、 下悬浮线圏 6，、 上电极 7、 中间电极 8、 下电极 9、 磁屏蔽腔 11和超导量子干涉器 14。 其中： 制冷机 2安 ¾t低温容器 1的上端， 布置在低温容器 1内的转 子腔 4固定在制冷机 2的二级冷头的下端。

其中， 制冷机二级冷头制冷提供的温度大约为 4K左右。

在转子腔 4内的上端布置上悬浮线圏 6， 在转子腔 4内的下端 布置下悬浮线圏 6，。 在转子腔 4的中间位置布置磁屏蔽腔 11， 磁屏 控 11的内部为球形腔体。

超导转子 5利用上悬浮线圏 6和下悬浮线圏 6，根据超导迈斯纳 效应产生的磁力， 悬浮在所 形腔体内的中心平衡位置。

其中， 根据制冷机二级冷头提供的冷量， 上悬浮线圏 6和下悬 浮线圏 6，、 磁屏蔽腔 11和超导转子 5在低温下处于超导态。

其中， 超导转子 5受到的重力， 受到上悬浮线圏 6和下悬浮线 圏 6，产生的磁力， 在上述中心平衡位置达到平衡， 从而超导转子 5 可在中心平衡位置上悬浮。

磁屏蔽腔 11的上端中心位置布置有上电极 7，磁屏蔽腔 11的下 端中心位置布置有下电极 9， 沿磁屏蔽腔 11的侧壁布置圆环形的中 间电极 8，其中中间电极 8与所 形腔体的球心在同一 7J平面上， 即中间电极 8围绕在超导转子 5的赤道面上。 磁屏蔽腔 11、 上电极 7、 中间电极 8、 下电极 9的内表面共同組成一个完整的球腔。

优选的， 在磁屏 11与上电极 7、 中间电极 8和下电极 9之 间设有绝缘层。

其中， 球腔可以使超导转子受到的悬浮力均指向球心 ， 由于球 腔的对称结构使悬浮力的合力与重力方向保持 一致， 从而可提供悬 浮的稳定性， 降低重力测量的难度。

超导量子干涉器 14设置在转子腔 4的外侧壁上，从而可抑制外 界干扰磁场对测量精度的影响。

当超导转子 5偏离所述中心平衡位置时，中间电极 8输出电压， 超导量子干涉器 14根据中间电极 8输出电压产生的电流，调整上悬 浮线圏 6或下悬浮线圏 6，的工作电流， 从而使超导转子 5回到所述 中心平衡位置， 检测器（图中没有示出）根据所述工作电流确 定重 力的变化。

基于本发明上述实施例提供的测量重力的低温 超导装置， 通过 制冷 整个低温超导装置进行制冷， 设置在磁屏蔽腔中的中间电 超导转子由于重力变化而发生位移时产生电压 ， 超导量子干涉 器由此调节上悬浮线圏或者下悬浮线圏的工作 电流， 从而使超导转 子回到原中心平衡位置。 通过反馈给上悬浮线圏或者下悬浮线圏的 工作电流可确定重力的变化。 从而克服现有测量重力的超导装置不 能长期独立运行的特点， 并可适应各种野外环境下使用。

其中， 上悬浮线圏 6或下悬浮线圏 6，在球形的超导转子表面产 生的作用力的方向指向超导转子的球心， 因此悬浮线圏产生的磁场 力的合力方向沿超导转子的极轴方向， 即地垂线方向。 超导转子 5 悬浮时， 位于超导转子 5底部的下悬浮线圏 6，产生的磁场力与位于 超导转子 5顶部的上悬浮线圏 6产生的磁场力的差值等于超导转子 5的重力。 当超导转子 5悬浮在磁屏蔽腔 11中时， 当地球表面的重 力场不变时，增加下悬浮线圏电流则超导转子 5向上发生位移变化， 增加上悬浮线圏则超导转子 5向下发生位移变化。 同理， 当悬浮线 圏电流不变时，所述的重力场变小时超导转子 5向上发生位移变化， 当所述的重力场变大时超导转子 5向下发生位移变化。 上悬浮线圏 和下悬浮线圏分别由直流程控电源供电。

所涉及的上电极 7、中间电极 8和下电极 9組成测量超导转子 5 悬浮位移变化的三个电极。 上电极 7和中间电极 8組成第一电容， 下电极 9和中间电极 8組成第二电容。 超导转子 5悬浮在磁屏蔽腔 的中心平衡位置时， 中间电极 8与上电极 7间的第一电容和中间电 极 8与下电极 9间的第二电^ f等， 从中间电极 8上输出的电压为 零， 电桥平衡。 当地球表面的重力场发生变化， 超导转子 5离开中 心位置向上或向下移动一定距离， 这时所述的第一电容和第二电容 不相等， 中间电极 8上有输出电压， 所输出电压的正负由超导转子 5位移的方向决定。 例如可设定超导转子 5 离开中心位置向上移动 时电压为正， 向下移动时电压为负。

图 3为本发明超导转子位置检测反馈电路一个实� �例的示意图。 如图 3所示，中间电极 8的输出端连接在超导量子干涉器 14的输入 线圏 12的两端， 从而有电流通过输入线圏 12， 输入线圏 12与超导 量子干涉器 14中的超导环 13耦合，超导量子干涉器 14便有相应的 电压输出。

超导量子干涉器 14为圆柱状， 超导量子干涉器 14放置于转子 腔 4外侧壁上，超导量子干涉器 14可通过超导物理学中的约瑟夫森 效应来测量极微弱的磁场， 比一般的磁场测量仪器高数个量级。 超 导量子干涉器 14外表镀有具有迈斯纳效应的超导金属材料膜� ��可抑 制外界干扰磁场对其测量精度的影响， 优选地镀有铌膜。 超导量子 干涉器 14包括一个输入线圏 12和一个超导环 13， 中间电极 8可看 作是一个探测线圏将输出的待测电压接在输入 线圏 12的两端，输入 线圏 12与超导环 13耦合把待测信号输入到超导环 13中，采用锁相 放大技术 导环 13中得到输出电压信号大小，再通过电路转化� �� 反馈电流供给上悬浮线圏 6或下悬浮线圏 6，， 即调整上悬浮线圏 6 或下悬浮线圏 6，的工作电流。

超导量子干涉器 14还包括处理电路，用于调整上悬浮线圏 6或 下悬浮线圏 6，的工作电流。

其中， 当超导转子 5离开所述中心平衡位置向上移动时， 超导 量子干涉器 14才艮据中间电极 8输出电压产生的电流，增加上悬浮线 圏 6的工作电流， 或者减小下悬浮线圏 6，的工作电流， 从而 导 转子 5回到所述中心平衡位置。

而当超导转子 5离开所述中心平衡位置向下移动时， 超导量子 干涉器 14根据中间电极 8输出电压产生的电流， 减小上悬浮线圏 6 的工作电流， 或者增加下悬浮线圏 6，的工作电流， 从而使超导转子 5回到所述中心平衡位置。 本发明装置测量重力的方法是， 利用所述的上悬浮线圏 6和下 悬浮线圏 6，通电产生的磁悬浮力将超导转子 5悬浮在磁屏蔽腔 11的 中心平衡位置， 此时超导转子 5受到的磁悬浮力的合力等于超导转 子 5的重力； 当超导转子 5由于重力变化而发生位移时， 中间电极 8便会产生输出电压产生的电流通过超导量子� �涉器 14的输入线圏 12， 所述的输入线圏 12与超导量子干涉器 14中的超导环 13耦合， 超导量子干涉器 14便有相应的电压输出并通 馈电流形式供给 上悬浮线圏 6或者下悬浮线圏 6，， 反馈电流产生的磁力使超导转子 5回到中心平衡位置； 标定所述的反馈电流与超导转子 5的悬浮力 关系， 即可通过测量所述的反馈电流得到超导转子 5的悬浮力的数 值， 从而得到重力变化的数值。

所述的反馈电流与超导转子 5的悬浮力的标定， 首先可采用有 限元数值计算的方法， 建立悬浮力与悬浮电流分析模型， 根据实验 中超导转子 5在悬浮中心位置时的悬浮力等于超导转子的� �力及此 时对应的悬浮线圏电流的大小， 计算超导转子 5在悬浮中心位置上 下微小位移不同位置时的悬浮电流与悬浮力的 关系， 从而得到需要 导转子 5回复到悬浮中心位置时的反馈电流与悬浮力� �关系。 本装置通过标定中间电极 8输出电压与超导转子 5悬浮位移关系来 测量超导转子的悬浮位置变化。从而可 4艮据超导量子干涉器 14提供 给上悬浮线圏 6或者下悬浮线圏 6，的工作电流获得相应的重力变化。

这里需要说明的是， 由于本领域技术人员可以了解超导量子干 涉器 14的具体工作原理， 因此这里不对超导量子干涉器 14的具体 处理进行展开说明。

优选的， 低温超导装置还包括防辐射筒 3和拉杆 10， 其中： 在 低温容器 1内，防辐射筒 3通过 10固定在制冷机 2的一级冷头 下端， 转子腔 4位于防辐射筒 3内。

其中， 制冷机一级冷头制冷提供的温度约为 30K。 通过在转子 腔 4外设置防辐射筒 3， 可进一步减小外界辐射传入转子腔。 优选的，超导转子 5和磁屏 11的材料为具有迈斯纳效应的 超导金属材料， 如铌材料。

优选的， 转子腔 4为圆柱形腔体， 材料为导热性好的金属， 如 高纯铜。 磁屏蔽腔的外表为圆柱形， 内部为球形腔体。 上电极 7、 中间电极 8和下电极 9均为导电性能好的金属材料， 如钛材料。

优选的， 低温容器 1还包括水平调节器（没有在图中示出）， 用于保证超导转子 5的极轴与水平面垂直。 从而提高装置的精度。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的 ， 而并不是无遗 漏的或者将本发明限于所公开的形式。 很多修改和变化对于本领域 的普通技术人员而言^ ^然的。 选# ^描述实施例是为了更: ¾m明 本发明的原理和实际应用， 并且 本领域的普通技术人员能够理解 本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改 的各种实施例。