超导量子干涉仪

一种将磁通转化为电压的磁通传感器

SQUID实质是一种将磁通转化为电压的磁通传感器,其基本原理是基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象.以SQUID为基础派生出各种传感器和测量仪器,可以用于测量磁场,电压,磁化率等物理量.被一薄势垒层分开的两块超导体构成一个约瑟夫森隧道结.当含有约瑟夫森隧道结的超导体闭合环路被适当大小的电流偏置后,会呈现一种宏观量子干涉现象,即隧道结两端的电压是该闭合环路环孔中的外磁通量变化的周期性函数,其周期为单个磁通量子Ф0=2.07×10-15Wb,这样的环路就叫做超导量子干涉仪.

作为灵敏度极高的磁传感器，超导量子干涉仪(即SQUID)在生物磁测量,大地测量,无损探伤等方面获得了广泛的应用。

超导量子干涉仪 (superconducting quantum interference device，SQUID) 是一种能测量微弱磁信号的极其灵敏的仪器，就其功能而言是一种磁通传感器，不仅可以用来测量磁通量的变化，还可以测量能转换为磁通的其他物理量，如电压、电流、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率等。SQUID 的基本原理是建立在磁通量子化和约瑟夫森效应的基础上的，根据偏置电流的不同，分为直流和射频两类。SQUID 作为探测器，可以测量出 10-11 高斯的微弱磁场，仅相当于地磁场的一百亿分之一，比常规的磁强计灵敏度提高几个数量级，是进行超导、纳米、磁性和半导体等材料磁学性质研究的基本仪器设备，特别是对薄膜和纳米等微量样品是必需的。利用 SQUID 探测器侦测直流磁化率信号，灵敏度可达 10-8 emu；温度变化范围 1.9 K~400 K；磁场强度变化范围 0~70,000 高斯（7 特斯拉）。

应用

生物磁测量

SQUID在生物磁测量方面(主要是心磁和脑磁)获得了广泛应用.测量目前研究和生产脑磁图仪的公司至少有CTF,Neuromag,4-D NeuroImaging,Yokagawa,心磁图仪方面则有CTF,4-D NeuroImaging,Hitachi,Neuromag,Siemens等公司.

国内也在磁屏蔽室内使用单通道直流高温超导量子干涉器磁强计对人体心磁检测进行初步研究,但是没有商业化产品出现.从商业角度而言,需要的是冷却费用低,无需昂贵磁屏蔽室,多通道,高精确的SQUID系统.目前低温SQUID生物磁图仪已经较为成熟,使用少量液氦即可保证工作,而且不需要专门的磁屏蔽室.高温超导SQUID灵敏度对于脑磁测量还有一些难度,但对于心磁测量则比较轻松.在无磁屏蔽条件下应用于临床的高温SQUID也正在研究当中.心磁图仪未能像心电图一样广泛应用于临床的原因之一是因为没有与之配套的制冷机,费用过高.相信高温SQUID技术的成熟将会使这种情况有所改变.此外,建立类似心电图一样具有一定诊断能力的专家系统也相当重要,当然,一些工作正在进行.比如建模方法,和各种生物实验。

无损探伤

无损探伤是一种材料、机械等领域广泛使用的检查材料的不连续性和缺陷的方法.SQUID作为最灵敏的磁场探测器,可以通过缺陷的磁性反常来探伤.由于SQUID可以工作到10Hz以下,直到直流,这一点在金属材料的深层检测中具有很大的优势.SQUID用于无损检测在20世纪80年代被提出之后,国外科研工作者就对此高度关注并在这一领域展开了广泛的实验研究.使用高温SQUID,探测线圈与室温样品可距离更近,信噪比高,价格便宜,这将给无损探伤带来很好的前景.国外利用这种方法在实验阶段已经能够实现对飞机机翼的内部缺陷进行检测,能够实现金属材料的腐蚀性检测、桥梁建筑的检测、对集成电路中的短路进行定位等.SQUID应用于无损测量必须解决两个问题:(1)由于涡旋激励场的幅度比较大,要求SQUID的动态范围和摆率必须达到一定要求.(2)激励场和环境噪声必须加以抑制,可以使用梯度计.

大地测量

大地电磁测量包括自然场源和人工可控场源方法.通过地表测得电磁信号反演地下电阻率分布,由此推断大地构造和矿床.大地电磁测量所涉及到的频率范围约为10-4到104Hz,越低频率的信号反应了深度越深的信息.现在在地球上大多数地区,几公里以上的地表层信息大多已经查明,人们希望探测的是3～5公里以下更深的地层.几公里以下的深层信息对应于1Hz以下的电磁信号,传统的大地电磁低频段灵敏度很低.SQUID有很高的灵敏度,特别是在低频段,因而对于深层的大地电磁测量,有十分明显的优越性.我国早期进行了天然场源大地电磁测量的实验.近几年来又合作进行了人工场源大地电磁测量,目前的工作重点是高温SQUID在野外环境中实验工作和数据有效性检验.

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