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(

SuperconductingQuantumInterferenceDevice),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-SQUID

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=

2.07×10-15

Wb)。RF-SQUID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-

SQUID (

b)

RF-

SQUID

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-SQUID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]

。

3

图2　

DC-

SQUID磁强计的简化电路图解

(5)极大的频带宽度,大于15

MHz[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

SQUID。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

SQUID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-SQUID的工作频率从20MHz提高到200MHz,

从而改善了仪器的信噪比。

六十年代发展起来的

SQUID只能工作在液氦沸点温度4.2

K(-269℃),称为低

TcSQUID。

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.Muller)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77

K(-196℃),称为高

TcSQUID。

高

TcSQUID价格便宜,操作简便,克服了低

TcSQUID的缺点。但是由于工作温度提高,高

TcSQUID的灵敏度略逊色于低TcSQUID。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-SQUID

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

RFSQUID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-

SQUID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

4

图3　直流和射频SQUID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SQUID

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SQUID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

SQUID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SQUID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10-11

T,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

SQUID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。SQUID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SQUID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

DCSQUID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SQUID探测核磁共振信号和制作成像。

5这套系统可用于麻醉剂和高能炸药的远程探测。

4.低频通讯

由于海水是导电介质,当电磁波向水下传输时,趋肤深度随频率降低而增加。所以,一般通讯用

的电磁波频率较高,无法传到水下。这样,潜艇与外界通讯时必须浮出水面,或在水中使用拖曳电缆

天线或铁氧体磁芯的螺管天线进行通讯。由于波长与频率成反比,低频段的波长长,其信号接收天

线相当庞大和笨重。另外,由于甚低频电磁波在水中也有衰减,要求接收灵敏度低的天线离水面较

近。因此,这些通讯方式会影响潜艇运行的隐蔽性和灵活性。

如果将低噪声的

SQUID放大器与一个超导线绕制的环天线连接,就构成一个极灵敏的天线。

这种天线不仅体积小,而且其灵敏度高出通常天线几个数量级。这样它可以在水下100米到200米处

接收甚低频信号,具有极强的隐蔽性。

美国海军实验室已于七十年代中期,做了低温SQUID甚低频天线,并在潜艇中实验[5]

。实验

结果表明:当信号频率低于100Hz时,水下接收机的噪声水平应好于10fT/Hz1/2

。作为甚低频接收

天线,SQUID具有足够的灵敏度、线性和动态范围。运用水压稳定浮标和运动补偿技术,在100米深

度的海底,SQUID全向接收天线接收到了甚低频信号。此系统可连续工作120天。

5.位置检测器

在Jena大学关于重力实验和相对性原理的研究中,低温DC-SQUID被用作超高灵敏度的位

置检测器。被测对象上置有超导薄膜,一对探测线圈反向串联,并分别放在上述超导膜的两侧[6]

。将

这一探测线圈与SQUID的输入线圈相连后,被测物的微小位移会在SQUID中引起很大的输出。

其位移分辨率为4.2×10-14

米/Hz1/2

。

此外,高温SQUID还用来检验运动的微小磁粒子,如磁性细菌等[9]

,低温SQUID用来分析流

体样品中抗原和抗体间的反应,SQUID用于地球物理测量[7,8]

、扫描显微技术[14,15]

、作红外探测

器[13]

、低温噪声温度计[10]

、剩磁测量仪[12]

等。

参考文献

1.　J.P.Wikswo,“SQUIDmagnetometersforbiomagnetismandNondestructivetesting:importantquestionsand

initialanswers”,

IEEETrans.

Appl.

Supercond.

Vol-3,

p74(1995).

2.　Y.Zhang,etal.“WasherrfSQUIDmagnetometerwithcoplanarreaonatorsat77K”,ISEC'97,p51(1997).

3.　

T.

Radic,

etal.“

WidebandSQUIDbasedmeasurementsystemforgeophysicalapplication”,

ISEC'97,

p352

(1997).

4.　S.Krey,etal,“IntegratedYBaCuOmagnetometersforbiomagneticapplications”,ISEC'97,p13(1997).

5.　

R.

J.

Dinger,

etal.

AD-

A040738.

6.　W.Vodel,etal,“DCSQUIDbasedpositiondetectorforgravitationalexperiments”,ISEC'97,p349(1997).

7.　

U.

Matzander,

etal,“

HTSrfSQUIDapplicationstogeophysicalexplorationmethods”,

ISEC'97,

p355

(1997).

8.　T.Radic,etal,“WidebandSQUIDbasedmeasurementsystemforgeophysicalapplication”,ISEC'97,p352

(1997).

9.　T.Nagaishi,etal,“DetectionofmagnetizedfineparticlesinmotionbyhighTcSQUID”,ISEC'97,p364

(1997).

10.　S.Menkel,etal,“AdcresistiveSQUIDnoisethermometer”,ISEC'97,p408(1997).

11.　W.C.Qiao,etal,“HighTcrf-SQUIDgalvanometer”,CPEM'90,p124(1990).

12.　乔蔚川等,“高TcRF-

SQUID岩石样品磁力仪”,低温物理学报,17卷,

p569,1995.

6