超导量子干涉器及应用_钟青

现代计量测试1998年第3期

超导量子干涉器及应用

钟　青　乔蔚川

(中国计量科学研究院,北京　100013)

摘要:作为灵敏度极高的磁传感器,超导量子干涉器的制作工艺日臻完善,它的应用也愈来愈接近现实。本文简要介绍它的原理及应用。

一、引言

超导量子干涉器,简称SQUID(Superco nducting Quantum Interfer ence Device),是一种灵敏度极高的磁通-电压传感器。它通常含有一个或更多的约瑟夫逊结。约瑟夫逊结是两个超导体之间的弱连接,可以通过小于临界电流的超导电流。

按器件工作时偏置方式不同,SQUID可分为直流(DC-)和射频(RF-)两种,如图1。DC-SQU ID 是在一个超导环路中插入两个约瑟夫逊结。当偏置的直流电流略大于两个结的临界电流之和时,器件的阻抗和器件两端的电压是穿过环路的外磁通量的周期函数,其周期为一个磁通量子 0( 0= 2.07×10-15Wb)。RF-SQU ID是在一个超导环路中插入一个约瑟夫逊结。射频电流通过谐振槽路的电感耦合到超导环路中。槽路的阻抗和输出电压随穿过超导环的磁通而周期变化。环中磁通每增加或减少一个磁通量子,输出电压变化一个周期。

图1　(a)DC-SQ U ID (b)R F-SQ U I D

在偏置电流上加一个调制信号,用锁相放大器测量输出电压,并线性化电压与磁通的关系,如图2。最后,SQUID输出一个与穿过超导环路的磁通呈线性关系的电压。

SQUID的优点主要表现在:(1)极高的灵敏度。在低温方面,DC-SQUID磁场灵敏度最好的是2fT/Hz1/2[1];在高温方面,RF-SQ UID最好的磁场灵敏度为15fT/Hz1/2[2];磁通灵敏度为10×10-6 0/Hz1/2[2]。(2)极大的动态范围,高温仪器可达到±400 0[3]。(3)极好的线性度,通常的磁测量仪器都是非线性或局部线性的,而SQUID是线性的。(4)极快的响应时间,即摆率大,大于1.2×106 0/s[2]。

图2　DC-SQ U I D磁强计的简化电路图解

(5)极大的频带宽度,大于15MHz[3]。

作为磁通电压变换器,SQUID可以用来测量磁通及可转变为磁通的其它物理量,如电流、电压、电阻、电感、磁感应强度、磁场强度、磁化率、温度、位移以及射频衰减、射频功率等,具有广泛的应用领域。

二、发展

1962年,约瑟夫逊发表了第一篇关于约瑟夫逊结的论文。在此以后二十年,这个理想迅速发展成为具有广泛实际应用的专门领域。1964年第一次研制成功工作于液氦温度有两个约瑟夫逊结的直流SQUID。当时制结工艺不成熟,无法作出特性一样的两个约瑟夫逊结,所以器件性能较差,无法实用。1970年,出现了射频SQU ID。其单结结构对工艺要求较低,很快就研制出灵敏度达到10-14 T/Hz1/2的RF-SQUID磁强计。1973年国际上有产品出售。之后出现了超导电流比较仪、磁化率计、生物磁强计等。到八十年代初,薄膜SQUID的出现,制结效率的提高,更促进了SQU ID的实用。现在,工作于液氦温度,以Nb隧道结为基础的超导集成电路技术已相当成熟。为了进一步提高仪器的灵敏度,人们除了努力提高器件性能外,还将RF-SQU ID的工作频率从20MHz提高到200MH z,从而改善了仪器的信噪比。

六十年代发展起来的SQ UID只能工作在液氦沸点温度4.2K(-269℃),称为低Tc SQU ID。它虽然有惊人的灵敏度,但价格昂贵,操作复杂,使SQUID的应用受到很大限制。1987年,IBM公司研究室的缪勒(K.A.M uller)发现了超导转变温度在34K的材料,其他工作者又研制出100K以上的超导材料。这时,世界上掀起了超导热。各主要工业国,特别是较发达的美国、德国、日本等,都投入了大量的人力和物力,研究超导技术和应用。随后用这类材料制成的体材和薄膜SQUID相继问世。它们工作在液氮沸点温度77K(-196℃),称为高T c SQUID。

高T c SQUID价格便宜,操作简便,克服了低T c SQUID的缺点。但是由于工作温度提高,高Tc SQ UID的灵敏度略逊色于低Tc SQU ID。另外,与低温金属超导体不同,高温超导材料是陶瓷性的,延展性差,不易加工为线、带材。现在,高Tc结的制备已基本满足电性能的要求。RF-SQU ID 的磁场灵敏度达到15fT/Hz1/2[2],DC-SQUID达到17fT/Hz1/2[4]。

SQUID制备工艺成熟后,人们对DC和RF SQU ID进行了比较。1997年,德国的B.Chesca进行了全面的理论研究。如果将RF-SQUID的参数选为 =1, ≤2,或 =2/ , ≥2,RF-SQU ID的能量分辨率可优于DC-SQUID近一个量级。理论计算结果见图3。为了比较有人设计了特殊的器

件。根据工作方式和电子线路不同,它既可以用作DC-SQUID,也是RF-SQUID。通过一个器件两

图3　直流和射频SQ U ID 能量分辨率比较种测试方法,发现RF 噪声比DC 低一个量级。

目前,低温SQUID 已经投入实用,高温SQU ID

正在向实用化发展。

三、应用

SQUID 优良的性能,决定了它有广泛的用途。

目前,它主要应用于计量测试、生物磁测、无损检测、低

频通讯和位置检测等。

1.计量测试

由于SQUID 是最灵敏的磁通传感器,一切可以

转变成电流、电压的物理量,均能用SQUID 进行测

量。目前,在计量测试领域中,低温SQUID 主要用于

量子化霍尔电阻基准的测试[16]。由于量子化霍尔电阻是非整数电阻,若用哈莫网络将它传递到1欧姆实物基准,必须经过多次传递。长传递链降低了测试精度,不能满足现代计量的要求。采用由SQU ID 组成的超导电流比较仪进行此传递,只需要两步。测量精度优于1×10-9,另外,用高温SQU ID 研制的检流计[11],精度达到10-12安培。

2.生物磁测

近二十年,世界上学术界和工业界的研究人员在发展和提高SQUID 磁强计的同时,着重研究用这项技术探测心、脑、肺、肝、神经、躯体肌肉、胃、肠、眼睛及其它器官的磁信号。目前主要是心磁和脑磁的测量。

世界上每年有20%的人死于心脏病突发。定期检查可以预防心脏病突发。由于心电图是不封闭的一次信息,而用SQU ID 磁强计作的心磁图是封闭的二次信息,因而信息更全面,可以及早发现病情。在测量胎儿心电图时,胎儿的信号淹没在母体的信号中,很难分辨。而测量胎儿心磁图则可以得到较清晰的胎儿心跳情况,受母体干扰较小。另外,用SQUID 磁强计可以确定心梗病人的栓塞位置。

由于脑磁信号较弱,脑磁图的测量主要是用低温多通道SQUID 强强计。脑磁图的研究有助于诊断中风、脑损伤、精神错乱等,也有助于人们对生命科学的研究,如人眼看到光后,在脑中有何反映等。

由于人体表面生物磁场的典型值是10-14至10-11T ,而地球磁场的变化和城市磁噪声约为10-8

T 。这一方面对最灵敏的SQUID 提出了挑战,另一方面要求SQU ID 工作时必须进行很好的屏蔽。目前通常是在屏蔽室中采用一次梯度计。

3.无损检测

为了飞机的安全,其机壳和滑行轮的钢圈都需要检测,而它们都是多层结构的金属。目前,无损检测的仪器主要是X 射线和超声波检测仪。由于X 射线和超声波会在多层金属界面反射,所以这些仪器无法对多层金属结构进行检测。SQU ID 可以利用涡流检测多层金属。德国人作了这样的实验。在断裂的铝板上叠放半米厚的铝板。用SQU ID 可以检测出明显的信号。他们已将这套系统试用于机壳、滑行轮钢圈、桥梁拖缆等的检测,并得到满意的结果。

此外,在核磁共振系统中,英、美、法等国用低温DC SQUID 作为信号前置放大器,它输出信号

的振幅比通常放大器好一或二个数量级[17]。美国还用高温SQU ID 探测核磁共振信号和制作成像。