一种基于高温超导YBCO双晶结的太赫兹气体检测系统及方法

本发明涉及一种基于高温超导ybco双晶结的太赫兹气体检测系统及方法，属于太赫兹和超导领域。

背景技术：

1、太赫兹波因为其独特的性质而受到人们的广泛关注，在材料识别、安全检查、无损检测、无线通信、射电天文、医学成像等领域有着巨大的应用前景。太赫兹波能够通过气象物质，对低浓度气体进行探测，从而尽早发现气体泄漏控制环境污染、避免潜在的危险。不同气体在太赫兹频段具有不同的吸收峰，因此运用太赫兹光谱检测可以区分气体成分；根据吸收峰的大小还可以计算出气体的浓度。低浓度下气体的检测需要灵敏的太赫兹检测仪。

2、高温超导约瑟夫森结在制造高频器件方面具有巨大潜力，如发射器、电压标准、灵敏探测器和混频器。特别地，高温超导yba2cu3o7-δ(ybco)具有较高的临界温度和较大的能隙，利用此材料制备的约瑟夫森结的截止频率高，是太赫兹波段理想的探测器件。基于高温超导ybco双晶结的频谱检测仪频率分辨率在114ghz高达0.04ghz，在1.78ghz高达2ghz。高温超导ybco双晶结不仅可以作为灵敏的太赫兹直接检测器还可以作为灵敏的超外差检测器。作为高次谐波混频器，利用本振的低频率分辨率可换取太赫兹频段下的高频率分辨率。因此，高温超导ybco双晶结是作为气体检测的有力候选高灵敏高精度的检测器件。目前，基于高温超导ybco双晶结的气体检测系统尚未开发并急需搭建。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于高温超导ybco双晶结的太赫兹气体检测系统及方法，从而解决上述技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于高温超导ybco双晶结的太赫兹气体检测系统，包括气体腔；所述气体腔上设置有用于进出的一对气体阀；所述气体腔一侧设置有太赫兹源，其用于发射太赫兹信号；所述气体腔的两侧设置有特氟隆太赫兹透明窗口，位于左右两个特氟隆太赫兹透明窗口两侧各设置有一个离轴抛物镜，位于其中一个离轴抛物镜的下方设置有高温超导ybco双晶结和样品架，其固定在超硅半球透镜，整体置于低温环境的杜瓦中。

3、进一步的，还包括有电源模块；所述电源模块包括电流源，其用于将检测的电压信号和偏置的电流信号通过数据采集卡保存至电脑中。

4、进一步的，还包括微波信号发生源；所述微波信号发生源用于发出本振信号，并通过偶极子天线辐照到超硅半球透镜上，与太赫兹信号混频后，通过电容隔离出低频交流信号并用同轴线输出至低频放大器，最后接入频谱仪，检测混频出的低频信号，从而确定各气体吸收峰的精确位置。

5、一种基于高温超导ybco双晶结的太赫兹气体检测系统的检测方法，包括以下步骤：

6、步骤一：在进行气体检测前，需将气体腔内抽真空，在真空情况下，检测太赫兹源辐照下，高温超导ybco双晶结在某一特定电流偏置下的电压值，得到真空下检测器与太赫兹源的电压-频率的曲线关系图(v-f)；

7、步骤二：将待测气体冲入气体腔，检测太赫兹源辐照下，高温超导ybco双晶结在同一特定电流偏置下的电压值，得到气体下检测器与太赫兹源的电压-频率的曲线关系图(v’-f)；

8、步骤三：直接检测模式下便可得到混合气体的太赫兹频谱v’/v，对比不同气体在太赫兹频率下有固定的吸收峰从而判定气体成分；

9、步骤四：若少量气体以至于无法检测出吸收峰时，采用超外差检测模式，在上述模式下引入微波本振信号，与太赫兹信号进行n(n>100)次谐波混频；本振频率flo由微波信号发生器发出，太赫兹频率fthz来自太赫兹源，产生的中频信号fif可在频谱仪中查看；根据混频原理，频率参量满足fif＝|fthz-nflo|；根据频谱仪上气体腔内充满气体和抽真空时中频信号的功率值对比pif’/pif，即可判断出吸收峰的精确位置，pif’/pif≠1时则为气体吸收峰，从而判断出气体成分。

10、本发明的有益效果是：本发明基于高温超导ybco双晶结的气体检测仪，通过搭建本技术方案的检测系统，从而能够获得一种可靠且有效的气体检测方法。

技术特征：

1.一种基于高温超导ybco双晶结的太赫兹气体检测系统，其特征在于，包括气体腔(1)；所述气体腔(1)上设置有用于进出的一对气体阀(2)；所述气体腔(1)一侧设置有太赫兹源(3)，其用于发射太赫兹信号；所述气体腔(1)的两侧设置有特氟隆太赫兹透明窗口(5)，位于左右两个特氟隆太赫兹透明窗口(5)两侧各设置有一个离轴抛物镜(4)，位于其中一个离轴抛物镜(4)的下方设置有高温超导ybco双晶结和样品架(6)，其固定在超硅半球透镜(7)，整体置于低温环境的杜瓦(8)中。

2.根据权利要求1所述的一种基于高温超导ybco双晶结的太赫兹气体检测系统，其特征在于，还包括有电源模块；所述电源模块包括电流源(9)，其用于将检测的电压信号和偏置的电流信号通过数据采集卡(10)保存至电脑(11)中。

3.根据权利要求1所述的一种基于高温超导ybco双晶结的太赫兹气体检测系统，其特征在于，还包括微波信号发生源(12)；所述微波信号发生源(12)用于发出本振信号，并通过偶极子天线(13)辐照到超硅半球透镜(7)上，与太赫兹信号混频后，通过电容(14)隔离出低频交流信号并用同轴线(15)输出至低频放大器(16)，最后接入频谱仪(17)，检测混频出的低频信号，从而确定各气体吸收峰的精确位置。

4.一种基于高温超导ybco双晶结的太赫兹气体检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开一种基于高温超导YBCO双晶结的太赫兹气体检测系统及方法，包括气体腔；所述气体腔上设置有用于进出的一对气体阀；所述气体腔一侧设置有太赫兹源，其用于发射太赫兹信号；所述气体腔的两侧设置有特氟隆太赫兹透明窗口，位于左右两个特氟隆太赫兹透明窗口两侧各设置有一个离轴抛物镜，位于其中一个离轴抛物镜的下方设置有高温超导YBCO双晶结和样品架，其固定在超硅半球透镜，整体置于低温环境的杜瓦中。本发明基于高温超导YBCO双晶结的气体检测仪，通过搭建本技术方案的检测系统，从而能够获得一种可靠且有效的气体检测方法。

技术研发人员：郁梅,杜明珠,曹越,罗曼,施金
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13