超导磁强计

高温超导量子干涉磁强计的发展现状及其应用南京师范大学物科院03级教育硕士王成作为20世纪物理学的重要发现之一的超导电性，在1911年被荷兰物理学家卡末林一昂内斯发现以后，科学家们就对超导电性的实际应用提出了许多设想，并积极开发它的应用领域，超导传感器是最有希望的应用领域之一。

超导传感器的核心是基于隧道效应的超导量子干涉器件(Superconducting quantum devices，常缩写为SQUID). SQUID实质上是将磁通转变成电压的磁通传感器，以它为基础可派生出多种传感器和测量仪器。

超导量子干涉磁强计工作的基础是“隧道效应”，SQUID就其功能来讲，是一种磁通传感器，不仅可以用来测量磁通量的变化，而且还可以测量能转换成磁通的其他物理量，如电流、电压、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率、温度、位移等。

SQUID配上输入和读出电路，就构成磁强计，它的灵敏度、动态范围、频率响应、响应时间比同类仪器高几个数量级。

一、超导测量仪器的技术研究发展历程：自20世纪80年代发现了能工作于液氮温度(77K)的铜氧化物高温超导体后，由于液氮相对于液氦的廉价和使用上的方便，给高温超导体SQUID的应用提供了较多有利条件，国际上又掀起了高温超导体量子干涉(高Tc SQUID)磁强计的研制和应用的热潮。

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，发展出了多种人工可控的采用高性能外延超导薄膜制备Josephson结及SQUID器件的技术。

为了提高SQUID的磁场灵敏度，无论是dc SQUID或rf SQUID，都采用具有较大磁聚焦面积的方垫圈结构，有的还用高温超导薄膜做出磁通变换器、大面积磁聚焦器等与SQUID器件配合到一起，共同组成SQUID磁强计的探头。

在电子线路方面与低温SQUID相比，也做了很多改进和提高。

使磁强计的性能指标可以满足许多弱磁性测量应用的需要。

如图: SQUID磁强计在不同应用中的磁场灵敏度和频率范围现在，国外已有多家小型公司可以提供商品化的高温超导SQUI。

这样性能的高温超导SQUID系统已经被用在了生物磁测量、地磁测量、无损探伤、扫描SQUID显微镜及实验室的弱磁测量等多个方面。

二、下面分别介绍超导量子干涉磁强计的测量应用（一）生物磁测1、生物电场与生物磁场生物磁场是由生物电流引起的.人体内存在生物电流是人们早已熟知的，临床上广泛应用的心电图、脑电图等就是心脏、大脑皮层等器官活动时所记录的生物电变化.生物电现象的产生是由于细胞在未受刺激时细胞膜内外两侧存在着内负外正的电势差(规定膜外电势为零)，称为静息电位。

神经传导、肌肉收缩和腺体分泌等都伴有生物电的产生和传播。

心脏的收缩和舒张就是由于心房或心室各部的心肌细胞受动作电位的刺激而以一定的周期同时收缩或舒张的结果。

由此而产生的生物电变化通过心脏周围的导电组织和体液，反映到身体表面，就可以通过放置在人体表面的测量电极记录到反映心脏活动的电压变化，即心电图.既然人体内存在生物电流，根据电磁学理论，这些生物电流必然会产生相应的磁场，如心磁场、脑磁场和肌磁场等等.但这些磁场非常微弱，一般人体的心磁场约为10- 10T，脑磁场约为10一13一10一12T，而人体生活环境所处的外磁场可高达10-5T，这就使一般测量仪器无法检测到生物磁场.正是由于这个原因，1963年鲍尔(Baule)和麦克菲(M cFee )记录到第一张心磁图时，已比心电图的研究晚了约80年.直到六、七十年代，建成了高效的磁屏蔽室以及测量极微弱磁场的高灵敏度的超导量子干涉仪(SQUID)磁强计的出现，才使生物磁的观测和研究得到迅速发展.生物磁场的测最与生物电场的测量相比有以下特点.首先，生物磁场的测量不需要使用电极，只需将探头靠近被测部位即可，对人体没有损害.其次，通过生物磁场的测量可对产生生物磁的源电流作精确的三维空间定位.第三，可以从记录到的生物磁场中了解一个特定刺激所激活区域的大小和参与细胞的数目.2、生物磁场的研究及其应用目前生物磁场的研究主要在器官、细胞和分子三个水平上进行。

器官水平的生物磁研究包括心磁、脑磁和肺磁等研究.心磁研究是生物磁研究中的一个重要领域，心磁图与心电图相比具有较高的空间分辨率、灵敏度和准确度.例如，心脏异常的一个重要标志是在心电图中（见图）ST段有一个垂直的位移。

心磁图能更有效地早期发现轻度的心脏病.又如利用心磁图空间鉴别能力强的特点，可用来检测胎儿心率.胎龄为27-35周时，在母体腹部经常记录不到胎儿心电图(FECG )，这是由于胎儿信号弱，往往被母体信号所掩盖，而胎儿心磁图(FM CG)可以显示其心率(见图, F表示胎儿心率信号、M表示母体心率信号).脑磁图是生物磁研究中最深入、最广泛的一个领域.脑磁图分为自发脑磁图和诱发脑磁图两种，自发脑磁图可对脑部病灶区作出精确的三维空间定位，在临床上主要用于为癫痛和脑瘤患者进行手术前的定位诊断.诱发脑磁图是利用各种刺激(声、光、触等)诱发脑活动，记录刺激前后的脑磁图，从而进行听觉、视觉、躯体感觉等脑功能的定位研究.它是研究神经生理学和心理学的很好工具.肺磁场是肺组织内含有从污染空气中吸入的铁磁性物质产生的剩余磁场.肺磁图是由于磁污染造成的“矽肺”等职业病检查及肺功能状况监测的一种有效手段。

在分子水平上，通过分子磁化率的测量可测定人体肝、脾和心脏内铁的含量，比传统方法安全、准确。

还可用于研究金属蛋白的磁性质.由于SQUID磁强计的灵敏度极高，它在工作时也极易受到外界环境的干扰，特别是在测量心磁等这样微弱的磁信号时，电力线的50赫兹及其谐波、移动通讯、无线电广播、交通工具(如火车、地铁、汽车)带来的振动等都会给SQUID带来噪声，而且干扰信号有可能高于被测信号几个数量级，如电力线的50Hz信号，其峰值可达20nT到1μT的量级，可以将被测信号完全淹没。

在此清况下，人们通常采用磁屏蔽的方式来尽量消除干扰，如在磁屏蔽室中进行心磁测量。

（二）地磁测量通过地磁测量可以获取地质构造、地下矿藏等方面的信息，特别是在探测石油、天然气等方面有重要意义。

在地磁测量中有天然场和人工场两种方法，通常用人工发射场的方法。

用大线圈或长线发射电磁场，用感应线圈作探头，接收从地下传来的电磁波，根据探头的感应电动势反算出磁场后，可进一步得到反映地质构造的电导率信息。

地下越深处的信号对应的频率越低，典型的值在1Q-3IWHz，对应地层深度为50km到150m。

通常，为了得到地下尽可能深的构造信息，需要接收更低频的信号，如低于 1 Hz，此时，常规感应线圈的噪声随信号频率降低呈1/f3/2上升，而SQUID只是呈1 /f1/2上升，在低频段的优势明显。

使用SQUID还有一个优势，就是它直接测得磁场信号，没有麻烦的反算过程，因而误差小、精度高。

另外，为了得到小于1 HZ的低频信号，感应线圈的尺寸也相应要变得更大(几十米见方)，在野外进行测量时，为了获得稳定的信号，还要将其埋于地下，这是相当麻烦的一项工作。

从已有的用高TC SQUID磁强计测量地磁的结果来看，在同样测深的情况下，与常规探头相比，数据的准确性是没有问题的，并且SQUID还有能力测到地下甚至更深一倍的信号，有较大的应用优势。

（三）无损探伤将SQUIDSQU.用于材料的无损检测时，通过SQUID.获取样品中的磁场信号(这个磁场信号可以是样品受到激励磁场感应的，也可以是样品本身的)，找到磁场的异常分布来判断缺陷的存在及大小。

它与常规涡流探伤方法中用感应线圈相比，由于SQUID在低频段的明显优势，它的空间分辨率更高，可以检测到离材料表面更深处的缺陷，并且更灵敏，检测到更细小的缺陷。

再加上使用高温超导体在液氮下工作，整套装置可以做得更轻巧与便携，因而可用在多种常规手段不易使用的场合，如检测飞机轮毅、具有多层结构的飞机机翼中的结构缺陷，混凝土中的钢筋断裂，还有各种材料(如药片)中的微小磁性颗粒等。

（四）扫描SQUID显微镜由于SQUID具有较高的磁场分辨率和空间分辨率，因而可以用SQULD作为探头，制成磁场扫描显微镜，用无磁材料做成以步进电机驱动的扫描平台，样品在平台上以二维方式移动，对被测样品进行扫描，获得样品的磁场分布。

现在采用高Tc SQUID磁强计，通常它的空间分辨率可以做到微米的量级(从5μm一100μm不等)，特殊的用途是可以检测集成电路芯片中的缺陷。

此外，在实验室中，高TC SQULD 磁强计也被用在了多种精密磁测量中，如化学反应的磁场测量。

但是由于高Te SQUID在较强的外磁场中灵敏度会大幅度下降所以目前还不能像低Tc SQUID那样用于强磁场，如超导磁体中。

三、国内外高Tc SQUID磁强计的开发情况（一）我国HTc SQUID研究已取得接近世界水平的成果我国是HTc技术几个先进的国家之一，87年以来利用磁控溅射、脉冲激光沉积等技术，相继制备出了高质量的YBCO和TBCCO高温超导薄膜、多层超导膜及双晶结、台阶结等人工晶界超导结，性能接近世界水平。

《中国科学基金》93年第2期就曾报道，92年底国家超导中心鉴定了TBCCO薄膜DC-SQUID磁强计，磁场分辨率达9 x 10-12Tφ0·Hz-1/2，整机灵敏度达到3.8 x 10-4φ0·Hz-1/2，接近当时世界磁强计研究成果的先进水平。

（二）开展液氮湿区SQUID探测微弱磁场的实用化研究条件已经成熟从国内外的研究情况看，HTc SQUID在下列三个方面，不久可望达到实用化。

1.地球物理，如电磁法探矿，大地探测等，这是一个很大的应用领域，实用化后对HTc SQUID仪器需求量较大，我国已做了初步工作，显示了HTc SQUID一定的优越性，存在的主要间题是HTC SQUID的性能还需进一步提高，如灵敏度、摆率、频带等还需进一步改善。

2.生物磁学，目前国内液氮温区器件的磁场分辨率和灵敏度足以探测心磁信息，探测脑磁信息，灵敏度和分辨率都还不够。

心磁图机、脑磁图机是比现有其他非超导仪器优越的仪器，能在液氮温区稳定工作，就可在临床上推广应用，需求量是很大的。

3.磁异常探测系统，美国防部近年来一直都把超导磁异常探测系统作为重要内容，他们的技术目标是1996年实现液氦温区超导磁异常探测系统，2006年实现液氮温区超导磁异常探测系统，美国防部把超导磁异常探测系统作为静噪潜艇探测、探雷、甚至包括电子支援测量、反潜战、防空、海战、陆战和战略防御领域的重要手段。

随着各种隐身技术的发展，特别是潜艇静噪技术的发展，我海军控制水面和水下海战能力面临挑战，为了保卫漫长的海岸线，加强海防，迫切需要超导磁异常探测手段。

国外SQUID在这三个方面的应用都是从液氦温区开始的，如上所述，我国液氮温区SQUID技术已达到相当水平，可跳过液氦温区阶段，直接进入实用化液氮SQUID研究。