超導(dǎo)量子干涉儀的研究與應(yīng)用

1用于干涉儀的原理squal本質(zhì)是一種將磁通轉(zhuǎn)換為電壓的磁通傳感器。其基本原則是基于斯瓦茨原理和磁通量子化。根據(jù)squal，可以制造各種傳感器和測量儀器，如磁體、電壓、磁率和其他物理現(xiàn)象。被一薄勢壘層分開的兩塊超導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)約瑟夫森隧道結(jié).當(dāng)含有約瑟夫森隧道結(jié)的超導(dǎo)體閉合環(huán)路被適當(dāng)大小的電流偏置后,會(huì)呈現(xiàn)一種宏觀量子干涉現(xiàn)象,即隧道結(jié)兩端的電壓是該閉合環(huán)路環(huán)孔中的外磁通量變化的周期性函數(shù),其周期為單個(gè)磁通量子Ф0=2.07×10-15Wb,這樣的環(huán)路就叫做超導(dǎo)量子干涉儀.根據(jù)SQUID的現(xiàn)狀和發(fā)展,本文重點(diǎn)對目前的應(yīng)用熱點(diǎn)和研究進(jìn)展進(jìn)行分析,并指出了要解決的問題和相應(yīng)對策.2低溫超導(dǎo)系統(tǒng)bSQUID根據(jù)所使用的超導(dǎo)材料,可分為低溫超導(dǎo)SQUID和高溫超導(dǎo)SQUID.又可根據(jù)超導(dǎo)環(huán)中插入的約瑟夫森結(jié)的個(gè)數(shù)分為RF-SQUID和DC-SQUID.2.1低溫dc-sq設(shè)計(jì)方案目前大部分低溫DC-SQUID采用Nb/ALOx/Nb隧道結(jié)工藝制作,并包含有一個(gè)鈮膜制成的平面方形墊圈.在墊圈上沉積多匝的鈮輸入線圈,與SQUID環(huán)孔有效耦合.Nb/ALOx/Nb隧道結(jié)這一工藝由Gurvitch等人首先提出,在Nb/Si/Nb選擇Nb陽極氧化工藝(SNAP)的基礎(chǔ)上,改用Al氧化層做位壘,用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)形成結(jié)區(qū),發(fā)展成選擇Nb刻蝕工藝(SNEP),制作工藝和簡單性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他結(jié)的制作工藝,這也使Nb結(jié)技術(shù)近十年來沒有大的改變.低溫DC-SQUID通常的輸入電路是磁強(qiáng)計(jì)(圖1(a))和空間梯度計(jì)(圖1(b),圖1(c)).以磁強(qiáng)計(jì)為例子,輸入線圈和一個(gè)比之大得多的檢測線圈相連接,能大大增加有效面積,提高SQUID的靈敏度.輸入線圈通常用鈮線材制成或鈮膜與SQUID單片集成.在弱磁信號檢測中,背景場往往比信號大幾個(gè)數(shù)量級,在這種情況下,空間梯度計(jì)尤其有用,它可以將遠(yuǎn)場的噪聲和近場的信號區(qū)分開來.為了提高基線長度和有效面積,大部分低溫SQUID均采用線材繞制的一階或二階梯度計(jì),而平面梯度計(jì)因?yàn)楣材M制比高,在低溫SQUID中也獲得了很好的應(yīng)用.2.2sq設(shè)計(jì)方案高溫DC-SQUID比低溫DC-SQUID難以制作,其一是因?yàn)闆]有成熟高溫約瑟夫森結(jié)工藝,其二是因?yàn)?7K的溫度對熱噪聲有很大的影響.隨著高溫超導(dǎo)薄膜技術(shù)的發(fā)展,外延生長高溫超導(dǎo)薄膜的技術(shù)逐漸成熟,其中比較成熟的是應(yīng)用YBCO高溫超導(dǎo)外延薄膜制備人工晶界結(jié).采用YBC0材料品格匹配較好的SrTiO3或LaAlO3晶體作為襯底,在它們的雙晶或含有臺階的單晶基片上外延生長YBCO薄膜后,用半導(dǎo)體光刻技術(shù)將設(shè)計(jì)好的SQUID的圖形刻在YBCO膜上,制成SQUID器件.對于高溫SQUID而言,由于沒有線材可以繞制探測線圈,主要發(fā)展出兩種類型的梯度計(jì):一種是電子學(xué)梯度計(jì),另一種是采用梯度轉(zhuǎn)換線圈的平面式梯度計(jì)(圖2).平面式梯度計(jì)由于探測線圈受到基片尺寸的限制,基線長度比較小,靈敏度不高,而且平衡不容易調(diào)整.但它的結(jié)構(gòu)比電子學(xué)梯度計(jì)簡單,可以在單片上集成,抗干擾能力強(qiáng),因此發(fā)展很快.自20世紀(jì)八十年代高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以來,高溫SQUID由于工作在液氮溫區(qū),便于操作和攜帶,費(fèi)用低廉,即成為了研究熱點(diǎn).這類的研究包括單層平面梯度計(jì),工作于無磁屏蔽條件下的高溫SQUID器件,和信號處理技術(shù).在無磁屏蔽條件下的工作的高溫SQUID,可以避免使用昂貴的磁屏蔽室,對SQUID廣泛應(yīng)用和商業(yè)化十分有利.2.3在其他方面的應(yīng)用低溫RF-SQUID在20世紀(jì)七十年代應(yīng)用很廣泛,但是后來逐漸被DC-SQUID所取代.由于高溫超導(dǎo)的發(fā)展,通過平面磁通變換器和多匝輸入線圈,高溫RF-SQUID在77K的情況下,1KHz以上磁場噪聲可達(dá)12ft/Hz1/2,因此在很多方面得以應(yīng)用.用三個(gè)高溫RF-SQUID構(gòu)成的離軸二階電子梯度計(jì),并通過低通和陷波等濾波方法,在無磁屏蔽的情況下,60Hz的磁場噪聲可減少到1.5pt/Hz1/2.由于薄膜質(zhì)量對于高溫RF-SQUID低頻的噪聲有很大的影響,因此需要不斷的改進(jìn).RF-SQUID的優(yōu)點(diǎn)在于只有一個(gè)約瑟夫森結(jié),樣品制備和設(shè)備安裝拆卸都比較簡單.另外,理論證明其電感可以做得比DC-SQUID大,因此在同樣尺寸的襯底上可以獲得更大的有效面積.3sq9的應(yīng)用和開發(fā)SQUID磁強(qiáng)計(jì)有極高的靈敏度,頻帶從直流到MHz,可應(yīng)用于生物磁測量,無損探傷,大地測量等領(lǐng)域.3.1有磁屏蔽條件下的sq設(shè)計(jì)方案SQUID在生物磁測量方面(主要是心磁和腦磁)獲得了廣泛應(yīng)用.測量目前研究和生產(chǎn)腦磁圖儀的公司至少有CTF,Neuromag,4-DNeuroImaging,Yokagawa,心磁圖儀方面則有CTF,4-DNeuroImaging,Hitachi,Neuromag,Siemens等公司.圖3是4-DNeuroImaging公司開發(fā)的1300C心磁圖儀,單信道噪聲最高不超過15fT/Hz1/2,系統(tǒng)采用液氦冷卻,并有配套磁屏蔽室.國內(nèi)也在磁屏蔽室內(nèi)使用單通道直流高溫超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì)對人體心磁檢測進(jìn)行初步研究,但是沒有商業(yè)化產(chǎn)品出現(xiàn).從商業(yè)角度而言,需要的是冷卻費(fèi)用低,無需昂貴磁屏蔽室,多通道,高精確的SQUID系統(tǒng).目前低溫SQUID生物磁圖儀已經(jīng)較為成熟,使用少量液氦即可保證工作,而且不需要專門的磁屏蔽室.高溫超導(dǎo)SQUID靈敏度對于腦磁測量還有一些難度,但對于心磁測量則比較輕松.在無磁屏蔽條件下應(yīng)用于臨床的高溫SQUID也正在研究當(dāng)中.心磁圖儀未能像心電圖一樣廣泛應(yīng)用于臨床的原因之一是因?yàn)闆]有與之配套的制冷機(jī),費(fèi)用過高.相信高溫SQUID技術(shù)的成熟將會(huì)使這種情況有所改變.此外,建立類似心電圖一樣具有一定診斷能力的專家系統(tǒng)也相當(dāng)重要,當(dāng)然,一些工作正在進(jìn)行.比如建模方法,和各種生物實(shí)驗(yàn).3.2sq智能化的應(yīng)用無損探傷是一種材料、機(jī)械等領(lǐng)域廣泛使用的檢查材料的不連續(xù)性和缺陷的方法.SQUID作為最靈敏的磁場探測器,可以通過缺陷的磁性反常來探傷.由于SQUID可以工作到10Hz以下,直到直流,這一點(diǎn)在金屬材料的深層檢測中具有很大的優(yōu)勢.SQUID用于無損檢測在20世紀(jì)80年代被提出之后,國外科研工作者就對此高度關(guān)注并在這一領(lǐng)域展開了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究.使用高溫SQUID,探測線圈與室溫樣品可距離更近,信噪比高,價(jià)格便宜,這將給無損探傷帶來很好的前景.國外利用這種方法在實(shí)驗(yàn)階段已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對飛機(jī)機(jī)翼的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測,能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料的腐蝕性檢測、橋梁建筑的檢測、對集成電路中的短路進(jìn)行定位等.SQUID應(yīng)用于無損測量必須解決兩個(gè)問題:(1)由于渦旋激勵(lì)場的幅度比較大,要求SQUID的動(dòng)態(tài)范圍和擺率必須達(dá)到一定要求.(2)激勵(lì)場和環(huán)境噪聲必須加以抑制,可以使用梯度計(jì).3.3深度越深的信號大地電磁測量包括自然場源和人工可控場源方法.通過地表測得電磁信號反演地下電阻率分布,由此推斷大地構(gòu)造和礦床.大地電磁測量所涉及到的頻率范圍約為10-4到104Hz,越低頻率的信號反應(yīng)了深度越深的信息.現(xiàn)在在地球上大多數(shù)地區(qū),幾公里以上的地表層信息大多已經(jīng)查明,人們希望探測的是3～5公里以下更深的地層.幾公里以下的深層信息對應(yīng)于1Hz以下的電磁信號,傳統(tǒng)的大地電磁低頻段靈敏度很低.SQUID有很高的靈敏度,特別是在低頻段,因而對于深層的大地電磁測量,有十分明顯的優(yōu)越性.我國早期進(jìn)行了天然場源大地電磁測量的實(shí)驗(yàn).近幾年來又合作進(jìn)行了人工場源大地電磁測量,目前的工作重點(diǎn)是高溫SQUID在野外環(huán)境中實(shí)驗(yàn)工作和數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn).4sqnus高溫sqnusSQUID由于其廣泛的用途一直是超導(dǎo)應(yīng)用研究最活躍的領(lǐng)域之一.低溫SQUID由于其成熟的技術(shù),在目前應(yīng)用中仍然處于主導(dǎo)地位,而且還有很大的市場(每年幾千萬美元).另一方面,高溫SQUID由于其費(fèi)用低廉,一直是研究的熱點(diǎn),其中用于無損檢測的最多,還有用于人體心磁測量方面.對于高溫SQUID而言,沒有成熟的約瑟夫森結(jié)工藝,也缺乏有柔韌性的高溫超導(dǎo)線材,如果能在材料和制作工藝上有所突破,高溫SQUID必將成為超導(dǎo)在電子學(xué)技術(shù)方面的主角.關(guān)于磁屏蔽問題和冷卻問題一直是SQUID應(yīng)用的障礙.在大地測量和無損檢測中一般無法使用磁屏蔽室,而且磁屏蔽室費(fèi)用過高,能有效防止噪聲干擾的SQUID梯度計(jì)研究和各種消除噪聲的算法有很重要的實(shí)際意義.比如M.BICK等人提出的頻率自適應(yīng)決定電子梯度計(jì)系數(shù)的方法獲得了比較好的效果.使用制冷機(jī)后,便于SQUID探頭三維方向的移動(dòng),傾斜,也利于室外使用,這是杜瓦所無法比擬的.但必須解決制冷機(jī)本身帶來的噪聲和由于冷卻階段溫度起伏帶來的噪聲問題.就我國的實(shí)際情況而言,我國在低溫S