超导磁力仪

超导磁力仪_重磁与时间域电磁

4.6　超导磁力仪SQUID

4.6.1　基本原理

超导磁力仪是矢量磁力仪，它测量垂直于超导环路平面的磁通。它是一种相对测量的仪器，测量磁通的变化，不测量磁场绝对值。在这一小节里，我们先简单介绍基本原理，然后介绍各国研发利用超导磁力仪探测地磁异常的现状。

荷兰物理学家昂内斯（Onnes H K）于1911年发现了超导现象，距今已一百年，他还发明了液氦制备技术，因而获得1913年诺贝尔奖。50年后，超导特性才开始应用于测量磁场。1962年，剑桥大学22岁的研究生约瑟夫森（Josephson B D）写了一篇3页的论文，发表在“Physics Letters”杂志上（约瑟夫森1964年得到博士学位）。这篇论文的题目是“超导隧道贯穿可能存在的一些新的效应（Possible new effects in superconductive tunnelling）”。他根据超导BCS电子对理论预言，如果超导体被薄层（几个纳米厚）绝缘体分隔，超（导）电流可以穿过薄层绝缘体（隧道位垒）。两个超导体由一层薄绝缘体连接，这种结构后来命名为约瑟夫森结。他在论文中指出，如果不超过临界电流值I₀，在隧道位垒两端将没有电位降，这种零电位差的电流就是所谓的直流约瑟夫森效应（dc Josephson effect）。他还指出，如果隧道位垒两端维持一个恒定的零电位差，将有一个交变的超（导）电流流过位垒，这个现象称为交流约瑟夫森效应（ac Josephson effect）。约瑟夫森效应的应用范围很广，一种应用就是构建超导量子干涉器件（Superconducting QUantum Interference Devices，SQUID）。这是一种非常灵敏的磁力仪，其工作原理依据约瑟夫森效应，基本构件是包含有约瑟夫森结的超导环。第一个约瑟夫森结于1963年在美国贝耳实验室制成。超导环的磁通只能是磁通量子Φ₀＝h/（2e）的整数倍，即Φ＝nΦ₀，n是整数，h、e分别是普朗克常数和电子电荷量，Φ₀≌2.067 8×10¹⁵ Wb＝2.0678×10¹⁵ T·m²，磁通量子化，是超导体的一个重要的性质。

根据工作原理来分类，SQUID有两种：直流SQUID（DC SQUID）和射频SQUID（RF SQUID）。DC SQUID 1964年在福特研究实验室依据直流约瑟夫森效应制成。RF SQUID 1965年在福特研究实验室依据交流约瑟夫森效应制成。射频SQUID只用一个约瑟夫森结工作。1973年约瑟夫森因发现超导电流通过隧道阻挡层的“约瑟夫森效应”获得诺贝尔奖。

DC SQUID有两个约瑟夫森结并联在电感为L的超导环内，约瑟夫森结用并联阻容模型模拟。当SQUID有一个偏流I_b，而I_b＞2I₀、在外部磁通Φ变化时，SQUID的电压V以周期Φ₀变化，检测电压微小的变化可测定磁通的变化，见图47。最小可检测到10⁶Φ₀。实际上并不是直接测量电压V，而是利用一个高速稳压器维持这个电压，测量所用的反馈电压。这种电路称为磁通锁定回路（FluxLocked Loop，FLL）。

图4-7　DC SQUID^［30］

（a）示意图；（b）IV特性曲线；（c）恒定偏流I_b时V与Φ/Φ₀的关系

RF SQUID只有一个约瑟夫森结接入超导环内，超导环通过互感M与一个LC谐振回路耦合，见图48。谐振回路由RF电流I_RF驱动，其频率为几十兆赫到几千兆赫。回路的有效感抗随外磁场而改变，因而改变谐振频率。RF电压是施加于SQUID的磁通的周期函数，周期为Φ₀，由此测量磁通的变化，最小可检测到10⁵Φ₀。射频SQUID造价低一些，灵敏度要差一些。

图4-8　RF SQUID电感耦合到共振电路^［30］

制作SQUID的超导物质是铌或含10%的金或铟的铅合金，为了维持超导性，整个器件要用液氦冷却到4.2K以下的条件下工作，称为“低温”SQUID（LTS SQUID或LTc SQUID）。20世纪80年代出现了“高温”SQUID（HTS SQUID或HTc SQUID），用高温超导体如钇钡铜氧超导体YBCO（YBa₂Cu₃O_7x）制成，可用液氮冷却，在77K条件下工作。用液氮比用液氦便宜而且易于处理。“高温”SQUID比“低温”SQUID灵敏度要差一些。

1987年德国物理学家贝德诺尔斯（Bednorz J G）和瑞士物理学家米勒（Müller K A）因发现氧化物高温超导体获得诺贝尔奖［30～32］。

4.6.2 SQUID在地球物理学方面的应用

由于高温超导体的研究成果，SQUID在地球物理学方面的应用有了一些进展。例如美国特瑞斯坦技术公司（Tristan Technologies，Inc.）研制的三轴SQUID磁力仪（Model G377 3axis 77KGeophysical Magnetometer SQUID System）可以同时测量地磁场三个分量B_x、B_y、B_z的相对变化。可以进行大地电磁MT（Magneto Telluric），极发极化IP（Induced Polarization）和低频航空或地面EM（Electro Magnetic）测量。该公司正在研究钻井中的应用（浅井、深井）。八道磁力仪/梯度仪排列还可用于移动调查，如UXO探测、航空探矿和环境废物探测等工作。德国GFZ也用SQUID作地面电磁法的试验工作。由于HTC SQUID磁力仪灵敏度很高，频带很宽，有的地球物理学家将它用于可控源音频大地电磁法。也有地球物理学家将它用于射频磁测深（Radio Magnetic Sounding，RMS），这种方法测量无线电台发射的频率范围为10～1600kHz信号的磁场分布，可以确定地表100m以内地层的导电率，以帮助解决土质、水文和环境问题。我国地矿部门相关单位也曾研制超导磁力仪，取得了一定进展，最近，北京大学物理系和中国科学院物理研究所制成了高温超导磁力仪并进行了初步的地球物理应用试验。

超导磁力仪也可用于军事方面，美国橡树岭国家实验室环境科学部利用多个高温超导磁力仪组成梯度仪排列，安装在直升机上探测UXO。德国海军则利用超导磁力仪探测潜水艇［33～37］。

4.6.3　SQUID在航空磁测中的应用、澳大利亚的GETMAG与德国的JESSY STAR

矿业大国澳大利亚正在执行一项研究地球浅层的庞大计划——透视地球（Glass Earth），其中一个研究项目是研制航空张量磁梯度仪GETMAG（Glass Earth Tensor Magnetic Airborne Gradiometer，GETMAG），测量地磁场矢量三个分量在三个方向上的空间变化率。计划利用高温超导磁力仪（HTS SQUID）梯度仪的灵敏度优于0.01nT/m，基线长度（两磁力仪传感器间的距离）3cm。澳大利亚国防部出资700万澳元，要求用与GETMAG相同的设计概念为PC3Orion飞机研制新型的MAD系统，命名为MAGSAFE，同时担任GETMAG和MAGSAFE两个研究项目首席科学家物理学博士Cathy Foley女士说（澳大利亚物理学会主席），从理论上看，为了锁定目标，只需要一条测线飞近目标，飞机不必飞越目标正上方。与目前的MAD相比，预期MAGSAFE探测距离大，功能全面，抗干扰能力强，能在浅海海域使用。2007年，他们采用直升机吊放的方法进行了SQUID旋转张量梯度仪的飞行试验，飞过一个磁偶极子源，据说磁测结果与计算结果符合。现在尚未见到进一步的信息。

IPHT是位于德国耶拿的光电技术研究院的缩写（原名物理学高技术研究院）。德国IPHT于2004年制成LTS SQUID航空全张量磁梯度仪系统，并成功进行了飞行试验，现已投入地质探矿工作。IPHT与其派生的Supracon公司将全张量航空低温SQUID磁力梯度仪系统命名为JESSY STAR，可称为“杰希之星”，JESSY是耶拿超导量子干涉器件系统的简称（JEna Squid SYstem）。JESSY STAR可用于军事领域。

德国耶拿的物理学高技术研究所1997年开始研究和开发航空全张量磁力梯度仪，利用液氦冷却的薄膜技术制成低温超导量子干涉仪（LTS SQUID）。物理学高技术研究所的德文和英文分别是Institut für Physikalische Hochtechnologie和Institute for Physical HighTechnology，缩写均为IPHT。该所在2000—2003年对LTSSQUID进行了一系列前期试验后，于2004年在南非用直升飞机和固定翼飞机进行了全张量磁力梯度仪系统的飞行试验，测得了约100km²（线距100m）的张量梯度数据。画出了B_xx、B_xy、B_xz、B_yy、B_yz和Bzz平面图。这是第一次获得的实测数据，是一项世界领先的成果。

系统共有9个SQUID安装在低温恒温器中，6个用作梯度测量，3个用作磁场测量。低温恒温器直径23cm、高90cm，最大液氦容积约15L。SQUID的电子线路安置在低温恒温器顶上。整个系统装在一个圆柱形的筒子内（吊舱）。A/D转换器录取18道信息：6道梯度仪，3道磁力仪，3道加速度，3道角速度，等等。取样率1kHz并与GPS取样同步。系统的数据收录箱在低温恒温器之上接近吊舱顶部。收录箱内还装有一个Ashtech DGPS接收器和惯性系统单元（INS unit）。GPS天线装在吊舱顶部。

使用Bell UH1D型直升飞机进行试验时，吊舱吊放在直升飞机下方95m处。Cessna 208型飞机进行试验时，吊舱（实际上是一个圆筒）竖直地安装在尾锥的后端。最近，重新设计了一种流线型吊舱，使用经过消磁的直升机，将吊舱吊放在机下42m处，进行磁测，见图49。

一个重要的措施是装备了惯性系统，惯性系统提供3个角度（俯仰、横滚、偏航），可以确定系统的取向。利用这些数据由GPS测得的位置可以计算出SQUID梯度仪的实际位置［38～40］。

图4-9　德国IPHT研制的LTSSQUID航空全张量磁梯度仪系统

德国LTSSQUID磁梯度仪安装在Cessna 208飞机尾锥上及一座桥的磁异常（上左）；原先直升机吊放吊舱在机下95m处（上右），LTS SQUID飞行试验结果（下左），新吊舱（下右）吊放在机下42m处。最近，吊放在机下20m处，见第6章

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