超导量子干涉仪的研究与应用

超导量子干涉仪的研究与应用

1用于干涉仪的原理squal本质是一种将磁通转换为电压的磁通传感器。其基本原则是基于斯瓦茨原理和磁通量子化。根据squal，可以制造各种传感器和测量仪器，如磁体、电压、磁率和其他物理现象。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.根据SQUID的现状和发展,本文重点对目前的应用热点和研究进展进行分析,并指出了要解决的问题和相应对策.2低温超导系统bSQUID根据所使用的超导材料,可分为低温超导SQUID和高温超导SQUID.又可根据超导环中插入的约瑟夫森结的个数分为RF-SQUID和DC-SQUID.2.1低温dc-sq设计方案目前大部分低温DC-SQUID采用Nb/ALOx/Nb隧道结工艺制作,并包含有一个铌膜制成的平面方形垫圈.在垫圈上沉积多匝的铌输入线圈,与SQUID环孔有效耦合.Nb/ALOx/Nb隧道结这一工艺由Gurvitch等人首先提出,在Nb/Si/Nb选择Nb阳极氧化工艺(SNAP)的基础上,改用Al氧化层做位垒,用反应离子刻蚀技术形成结区,发展成选择Nb刻蚀工艺(SNEP),制作工艺和简单性都远远超过其他结的制作工艺,这也使Nb结技术近十年来没有大的改变.低温DC-SQUID通常的输入电路是磁强计(图1(a))和空间梯度计(图1(b),图1(c)).以磁强计为例子,输入线圈和一个比之大得多的检测线圈相连接,能大大增加有效面积,提高SQUID的灵敏度.输入线圈通常用铌线材制成或铌膜与SQUID单片集成.在弱磁信号检测中,背景场往往比信号大几个数量级,在这种情况下,空间梯度计尤其有用,它可以将远场的噪声和近场的信号区分开来.为了提高基线长度和有效面积,大部分低温SQUID均采用线材绕制的一阶或二阶梯度计,而平面梯度计因为共模拟制比高,在低温SQUID中也获得了很好的应用.2.2sq设计方案高温DC-SQUID比低温DC-SQUID难以制作,其一是因为没有成熟高温约瑟夫森结工艺,其二是因为77K的温度对热噪声有很大的影响.随着高温超导薄膜技术的发展,外延生长高温超导薄膜的技术逐渐成熟,其中比较成熟的是应用YBCO高温超导外延薄膜制备人工晶界结.采用YBC0材料品格匹配较好的SrTiO3或LaAlO3晶体作为衬底,在它们的双晶或含有台阶的单晶基片上外延生长YBCO薄膜后,用半导体光刻技术将设计好的SQUID的图形刻在YBCO膜上,制成SQUID器件.对于高温SQUID而言,由于没有线材可以绕制探测线圈,主要发展出两种类型的梯度计:一种是电子学梯度计,另一种是采用梯度转换线圈的平面式梯度计(图2).平面式梯度计由于探测线圈受到基片尺寸的限制,基线长度比较小,灵敏度不高,而且平衡不容易调整.但它的结构比电子学梯度计简单,可以在单片上集成,抗干扰能力强,因此发展很快.自20世纪八十年代高温超导体发现以来,高温SQUID由于工作在液氮温区,便于操作和携带,费用低廉,即成为了研究热点.这类的研究包括单层平面梯度计,工作于无磁屏蔽条件下的高温SQUID器件,和信号处理技术.在无磁屏蔽条件下的工作的高温SQUID,可以避免使用昂贵的磁屏蔽室,对SQUID广泛应用和商业化十分有利.2.3在其他方面的应用低温RF-SQUID在20世纪七十年代应用很广泛,但是后来逐渐被DC-SQUID所取代.由于高温超导的发展,通过平面磁通变换器和多匝输入线圈,高温RF-SQUID在77K的情况下,1KHz以上磁场噪声可达12ft/Hz1/2,因此在很多方面得以应用.用三个高温RF-SQUID构成的离轴二阶电子梯度计,并通过低通和陷波等滤波方法,在无磁屏蔽的情况下,60Hz的磁场噪声可减少到1.5pt/Hz1/2.由于薄膜质量对于高温RF-SQUID低频的噪声有很大的影响,因此需要不断的改进.RF-SQUID的优点在于只有一个约瑟夫森结,样品制备和设备安装拆卸都比较简单.另外,理论证明其电感可以做得比DC-SQUID大,因此在同样尺寸的衬底上可以获得更大的有效面积.3sq9的应用和开发SQUID磁强计有极高的灵敏度,频带从直流到MHz,可应用于生物磁测量,无损探伤,大地测量等领域.3.1有磁屏蔽条件下的sq设计方案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-DNeuroImaging,Yokagawa,心磁图仪方面则有CTF,4-DNeuroImaging,Hitachi,Neuromag,Siemens等公司.图3是4-DNeuroImaging公司开发的1300C心磁图仪,单信道噪声最高不超过15fT/Hz1/2,系统采用液氦冷却,并有配套磁屏蔽室.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.3.2sq智能化的应用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.3.3深度越深的信号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.4sqnus高温sqnusSQUID由于其广泛的用途一直是超导应用研究最活跃的领域之一.低温SQUID由于其成熟的技术,在目前应用中仍然处于主导地位,而且还有很大的市场(每年几千万美元).另一方面,高温SQUID由于其费用低廉,一直是研究的热点,其中用于无损检测的最多,还有用于人体心磁测量方面.对于高温SQUID而言,没有成熟的约瑟夫森结工艺,也缺乏有柔韧性的高温超导线材,如果能在材料和制作工艺上有所突破,高温SQUID必将成为超导在电子学技术方面的主角.关于磁屏蔽问题和冷却问题一直是SQUID应用的障碍.在大地测量和无损检测中一般无法使用磁屏蔽室,而且磁屏蔽室费用过高,能有效防止噪声干扰的SQUID梯度计研究和各种消除噪声的算法有很重要的实际意义.比如M.BICK等人提出的频率自适应决定电子梯度计系数的方法获得了比较好的效果.使用制冷机后,便于SQUID探头三维方向的移动,倾斜,也利于室外使用,这是杜瓦所无法比拟的.但必须解决制冷机本身带来的噪声和由于冷却阶段温度起伏带来的噪声问题.就我国的实际情况而言,我国在低温S