SQUI讲义D磁敏传感器

sin
结允许通过的最大超导电 IC ( ) IC (0)
流Imax与φ的关系式
0 0
IC是的φ
周期函数
φ——沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量； φ0——磁通量子； IC(0)——没有外磁场作用时，超导结的临界电流。
临界电流随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场 作用下，超导结各点的超导电流具有确定的相位。相位 相反的电流互相抵消百度文库相位相同的电流互相迭加。
超导体特性：理想导电性；完全逆磁性；磁通量子化。
1、理想导电性——零电阻特性
S
S
H
H
N
（a）
（a）T＞Tc H≠0
N
（b） 理想导电性实验
（b）T＜TC H≠0
（c）
（c）T＜TC H=0
若将一超导环置于外磁场中，然后使其降温至临
界温度以下，再撤掉外加磁场，此时发现超导环内有 一感生电流I，超导环内无电阻消耗能量，此电流将永 远维持下去 ，因无电阻。
结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特
殊而有用的性质。
超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡
地流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超
导性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为
超导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应。
超导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和
吸收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应。
直流约瑟夫逊效应表明，超导隧道结的介质层具有 超导体的一些性质，但不能认为它是临界电流很小的超 导体，它还有一般超导体所没有的性质。
实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会出 现高频的正弦电流，其频率正比于所加的直流电压，即
f = KV 式中 K=2e/h=483.61012Hz/V。 根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波。
测磁原理
超导结临界电流随外加磁场而周期起伏变化的原理,完全 可用于测量磁场中。例如,若在超导结的两端接上电源,电 压表无显示时,电流表所显示的电流是为超导电流;电压表 开始有电压显示时,则电流表所显示的电流为临界电流IC, 此时,加入外磁场后,临界电流将有周期性的起伏,且其极 大值逐渐衰减,振荡的次数n乘以磁通量子φ0,可得到透入 超导结的磁通量φ=nφ0。而磁通量和磁场H成正比关系,如 果能求出φ,磁场H即可求出。同理,若外磁场H有变化,则 磁通量亦随变化,在此变化过程中,临界电流的振荡次数n 乘以φ0即得到磁通量的大小,亦反映了外磁场变化的大小。 因而,可利用超导技术测定外磁场的大小及其变化。
测量范围宽：可从零场测量到几kT；
频带宽：响应频率可从零响应到几kHz。
应用领域
深部地球物理：用带有SQUID磁敏传感器的大地电磁 测深仪进行大地电磁测深，效果甚好。 在古地磁考古、测井、重力勘探及预报天然地震中， SQUID也具有重要作用。 在生物医学方面，应用SQUID磁测仪器可测量心磁图、 脑磁图等，从而出现了神经磁学、脑磁学等新兴学科， 为医学研究开辟了新的领域。 在固体物理、生物物理、宇宙空间的研究中，SQUID 可用来测量极微弱的磁场，如美国国家航空宇航局用 SQUID磁测仪器测量了阿波罗飞行器带回的月球样品的 磁矩。 SQUID技术还可用作电流计，电压标准，计算机中存 储器，通讯电缆等；在超导电机、超导输电、超导磁流 体发电、超导磁悬浮列车等方面，均得到广泛应用。
可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流， 辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。
5、IC—H 特性
Ic
20
10 Ф=0
约瑟夫逊的直流效应受 着磁场的影响。而临界电流 IC对磁场亦很敏感，即随着 磁场的加大临界电流IC逐渐 变小，如图所示。
0
1
2
3
4
5
6
H
超导结的Ic-H曲线
根据量子力学理论，超导
按下列步骤进行：
(1)常态让磁场H穿过圆筒的中空部分。
(2)超导态筒的中空部分有磁场。
(3)超导态撤掉磁场H，圆筒的中
感生电流
空部分仍有磁场，并使磁场保持 不变。称为冻结磁通现象。
H≠0 T<TC
冻结磁通示意图
超导圆筒在超导态时，中空部分的磁通量是量子化的，
并且只能取φ0的整数倍，而不能取任何别的值。
一、SQUID磁敏传感器的基本原理
ρ
ρ
ρ0K
ρ0
0 （a）
T/K 0
TC （b）
T/K
电阻随温度变化曲线
a、正常导体；b、超导体
超导电性：在某一温度TC以下电阻值突然消失的现象。 超导体：具有超导电性的物体。
临界温度(TC)：超导体从具有一定电阻值的正常态转变为
电阻值突然为零时所对应的温度,其值一般从3.4K至18K
精品
SQUID磁敏传感器
第三节 SQUID磁敏传感器
SQUID磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感 器，是以约瑟夫逊（Jose Phson）效应为理论基础， 用超导材料制成的，在超导状态下检测外磁场变化的 一种新型磁测装置。
特点
灵敏度极高：可达10-15T，比灵敏度较高的光泵式磁 敏传感器要高出几个数量级；
2、完全逆磁性，迈斯纳(Meissner)效应， 或排磁效应
（a）
（b）
迈斯纳效应示意图
（a）正常态时，超导体内部磁场分布
（b）在超导态时，超导体内部磁场分布
超导体不管在有无外磁场存在情况下，一旦进入超导 状态，其内部磁场均为零，即磁场不能进入超导体内 部而具有排磁性，亦称之为迈斯纳效应。
超导球
02he2.071015Wbhφ—0—普磁郎通克量常量数子，，e 磁—通电量子自电然量单，位
中空部分通过的总磁通量 n10
4、约瑟夫逊效应
绝缘层
该图是两块超导体中间隔 着一厚度仅10～30Å的绝缘介质
超导体
超导体 层而形成的 “超导体—绝缘层—
超导体”的结构，通常称这种结
超导结示意图
构为超导隧道结，也称约瑟夫逊
测量外磁场的灵敏度与测定振荡的次数n的精度及φ的大
小有关。设n可测准至一个周期的1/100，则测得最小的
变化量应为φ0/100=2×10-15T·m2。若假设磁场在超导 结上的透入面积为L·d (L是超导结的宽度，一般为 0.lmm左右；d是磁场在介质层及其两侧超导体中透入的
N
S
磁导盘
（a）
（b）
磁悬浮现象示意图
根据迈斯纳效应，把磁体放在超导盘上方，或在超导 环上方放一超导球时， 图(a)中超导盘和磁铁之间有排 斥力，能把磁铁浮在超导盘的上面；图(b)中由于超导 球有磁屏蔽作用，其结果可使超导球悬浮起来。这种 现象称为磁悬浮现象。
3、 磁通量子化
假定有一中空圆筒形超导体(如图)并