一种直流超导量子干涉器的性能优化方法

本发明属于超导电子设计，具体是一种直流超导量子干涉器(dc-squid)的性能优化方法，本发明主要通过对超导薄膜物理响应的科学研究来提高高精度无损弱磁测量中dc-squid的性能。

背景技术：

1、dc-squid对于精确测量微小磁场变化具有至关重要的作用，尤其在科学研究和工业应用中，如粒子物理实验和生物医学成像，其精度和灵敏度的优势尤为突出。通过利用超导环路中的量子干涉效应，其能够在极低的噪声干扰下，对极微弱的磁场变化进行探测，从而大幅提高测量的准确性和可靠性。

2、现有的dc-squid设计与仿真方法多依赖于传统的计算模型，这些模型在处理复杂的超导量子效应时存在明显的限制，这些现有技术在仿真精度和灵活性方面难以满足器件设计过程中对精度以及微观层面的器件响应仿真要求，并且在仿真方法中仅仅关注单纯的电感参数，常常忽略了超导薄膜器件本身的磁场物理响应，导致其仿真结果在后续的设计应用中的产生误差。现有器件设计方法往往是通过传统经验公式大致确定关键设计参数，然后再通过实验及测试多次迭代优化器件设计，如文献[geometric dependence ofwasher inductance for nbn dc squids]中所示，新型铌基材料nbn所制成的squid器件就难以利用传统电感公式设计，并且传统设计方法难以在微观薄膜尺度上对器件磁响应进行直观的设计，这些限制显著影响了设备设计过程的准确性，有误差的仿真参数也会导致不良参数对后续器件设计的整体性能的负面影响的增加。

3、因此，有必要发明一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，以解决现有仿真方法中仿真精度不足，仿真难度大的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有直流超导量子干涉器的仿真精度不足，仿真难度大的技术问题，本发明提出了一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，以提供更高精度并且更加直观的仿真过程，更准确地预测和分析超导薄膜在实际磁场环境下的不同磁响应，进而得到性能更加优异的直流超导量子干涉器。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，包括以下步骤：

3、步骤1：设置磁场源参数；

4、步骤2：确定器件结构，设置超导环的薄膜厚度与穿透深度，并根据器件结构进行建模，得到器件模型；

5、步骤3：对器件模型进行网格划分；

6、步骤4：基于网格划分后的器件模型，通过设置的磁场源，仿真得到直流超导量子干涉器的超导环的关键参数，评估核心结构的合理性；同时，综合仿真直流超导量子干涉器的各个结构之间的相互耦合后的磁场响应特性，评估器件布局的合理性；

7、步骤5：返回步骤2，重新设置器件几何参数，重复步骤2～4，直到得到性能参数符合要求的器件。

8、步骤4中，仿真得到的所述超导环的关键参数包括：磁场响应、屏蔽电流、电感。

9、所述磁场响应的计算公式为：

10、

11、其中，表示外界磁场，为单位强度偶极子在位置处产生的磁场的z轴分量，g(x′,y′)表示流函数；

12、屏蔽电流的计算公式为：

13、

14、其中，g表示流函数；

15、电感的计算公式为：

16、

17、其中，为包围孔的区域的磁通量，ij表示孔周围循环的电流。

18、所述步骤2中，建模得到器件模型的具体方法为：

19、将超导环分成多个超导层；

20、确定超导环的几何形状和每个超导层的穿透深度，定义每个超导层中的孔，并进行建模。

21、所述步骤2中，若超导环形状为gds文件图形结构，则首先将gds文件转换为二维数组形式，然后通过pycharm中的numpy库对其进行建模。

22、所述步骤3中，若超导环为gds文件图形结构，则引入边界定函数，将图形边界上的点数增加到设定值，然后通过superscreen库中的device.make_mesh()函数进行网格划分。

23、所述步骤2中，若超导环为已知参数的图形结构，则将其各个顶点坐标后转化为二维数组形式，通过在pycharm中使用numpy对二维数组进行建模进行建模；

24、所述步骤3中，通过superscreen库中的device.make_mesh()函数进行网格划分。

25、所述步骤2中，若超导环为多边形结构，则将多边形对边之间的距离作为输入参数，并计算得到各个顶点坐标后转化为二维数组形式，通过在pycharm中使用numpy对二维数组进行建模；

26、所述步骤3中，通过superscreen库中的device.make_mesh()函数进行网格划分。

27、所述步骤3中，通过superscreen库中的device.make_mesh()函数进行网格划分时，使用device.make_mesh(buffer＝0)命令或device.make_mesh(buffer_factor＝0)命令将缓冲区的大小设置为零。

28、所述步骤1中，设置的磁场源为磁偶极子。

29、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

30、1、本发明提供了一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，通过建模和网格划分，得到器件模型后，并在模型中设置外加磁场进行仿真，结合多种物理效应计算器件的多个参数，可以更加准确地仿真dc-squid的性能，提高了仿真精度和器件性能；

31、2、本发明的仿真过程不仅考虑了垫圈电感，而且，还考虑了双垫圈之间的互感问题，以及垫圈与拾取线圈的相对位置对器件性能的影响，进一步提高了仿真精度和器件性能；

32、3、本发明的仿真过程采用现有的python库进行参数计算，提高了仿真的效率，降低了仿真难度。

技术特征：

1.一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，其特征在于，步骤4中，仿真得到的所述超导环的关键参数包括：磁场响应、屏蔽电流、电感。

3.根据权利要求2所述一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，其特征在于，所述磁场响应的计算公式为：

4.根据权利要求1所述一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，其特征在于，所述步骤2中，建模得到器件模型的具体方法为：

5.根据权利要求1所述一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，其特征在于，所述步骤2中，若超导环形状为gds文件图形结构，则首先将gds文件转换为二维数组形式，然后通过pycharm中的numpy库对其进行建模。

6.根据权利要求5所述一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，其特征在于，所述步骤3中，若超导环为gds文件图形结构，则引入边界定函数，将图形边界上的点数增加到设定值，然后通过superscreen库中的device.make_mesh()函数进行网格划分。

7.根据权利要求1所述一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，其特征在于，所述步骤2中，若超导环为已知参数的图形结构，则将其各个顶点坐标后转化为二维数组形式，通过在pycharm中使用numpy对二维数组进行建模进行建模；

8.根据权利要求1所述一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，其特征在于，所述步骤2中，若超导环为多边形结构，则将多边形对边之间的距离作为输入参数，并计算得到各个顶点坐标后转化为二维数组形式，通过在pycharm中使用numpy对二维数组进行建模；

9.根据权利要求6～8任一项所述一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，其特征在于，所述步骤3中，通过superscreen库中的device.make_mesh()函数进行网格划分时，使用device.make_mesh(buffer＝0)命令或device.make_mesh(buffer_factor＝0)命令将缓冲区的大小设置为零。

10.根据权利要求1所述一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，其特征在于，所述步骤1中，设置的磁场源为磁偶极子。

技术总结
本发明属于超导电子设计技术领域，公开了一种直流超导量子干涉器的性能优化方法，包括以下步骤：设置磁场源参数；确定器件结构，设置超导环的薄膜厚度与穿透深度，并根据器件结构进行建模，得到器件模型；对器件模型进行网格划分；基于网格划分后的器件模型，通过设置的磁场源，仿真得到直流超导量子干涉器的超导环的关键参数，评估器件性能；改变器件几何参数，重复仿真直到得到性能参数符合要求的器件。本发明可以准确计算器件多种关键参数，提高直流超导量子干涉器的仿真精度和仿真效率，进而有助于提升直流超导量子干涉器的设计性能。

技术研发人员：张樱子,秦肖雅,张一洲,刘文怡,王红亮,张晓明
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/15