【深度技术】超导量子干涉仪与应用(三):工作​原理与高温超导磁梯度仪

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楼主 2022-01-11 14:55:02
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【深度技术】超导量子干涉仪与应用(一):弱磁探测技术发展现状

【深度技术】超导量子干涉仪与应用(二):六种弱磁探测技术






超导量子干涉仪的工作原理

与高温超导磁梯度仪




 约瑟夫森效应(Josephson effect)



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。五十年后,超导特性才开始应用于测量磁场。


海克·卡末林·昂内斯(Heike Onnes,1853年9月21日-1926年2月21日),荷兰物理学家,超导现象的发现者,低温物理学的奠基人。


1962年,剑桥大学22岁的研究生约瑟夫森(Josephson BD)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)发表论文“超导隧道贯穿可能存在的一些新的效应(Possible new effects in superconductive tunneling)”。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)。


Brian Josephson 物理学家,诺贝尔获奖者


他在论文中指出,如果不超过临界电流值j,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(de 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)。在不到一年的时间内,P.W.安德森和J.M.罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言。


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。前一年(1972年)三位美国物理学家巴丁J、库柏LN 和施里弗(J.Bardeen,L.N.Cooper,J.R.Schrieffer)因提出BCS理论、创建超导微观理论获得诺贝尔奖。


One-volt NIST Josephson junction array standard with 3020 superconducting junctions. 图片来源:wikipedia


两块超导体之间通过极薄绝缘层的弱连接作用形成的夹心结构叫做约瑟夫森( Josephson) 结,即超导结。绝缘层对电子来说是一个势垒,一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中,这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时,隧道效应不明显,太薄时,两块超导体实际上连成一块,这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。


超导结具有以下物理特性: 当通过超导结的直流电流小于某一临界值Ic 时, 超导结两端的电压为零; 超导结的临界电流与外加磁场有关,当外加磁场单调增加时, 它会改变约瑟夫森结两侧超导体波函数的相位差, 使Ic 随之周期性变化, 其变化周期为磁通量子Φ0, 这种现象叫做超导量子干涉现象。



Josephson on a Cambridge Wikimedia walk in September 2014,图片来源:wikipedia.


约瑟夫森效应不仅生动地显示了宏观量子力学效应,具有重要的理论意义,而且有广泛的实际应用利用它可制作超导量子干涉器件,其中最典型的是直流超导量子干涉器件(Superconducting QUantum Interference Devices,SQUID),它是由两个完全相同的约瑟夫森结用超导体并联而成的双结超导环。在环面垂直的方向上加外磁场B,外磁场变化时,流过每个结的超导电流也随B而变,两个超导电流耦合而发生干涉 。若以直流电流作为双结的偏置电流,结电压将随外磁场的改变作周期性变化,于是利用直流超导量子干涉器件可将磁场信号转变为电压信号,因此超导量子干涉器常用来组成超导磁力仪、磁梯度计、磁化率计、高灵敏度的检流计和电压计、噪声温度计等。



 超导量子干扰器( SQUID ) 



超导量子干扰器( SQUID )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年在美国贝尔实验室制成。超导环的磁通只能是磁通量子Φ0=h/2e的整数倍,即Φ0=nΦ0,n 是整数,h,e分别是普朗克常数和电子电荷量, Φ0=2.0678×10 -15 Wb=2.0678×10 -15 T·m ,磁通量子化,是超导体的一个重要的性质。


如果将一个弱连接超导体或两个弱连接超导体和大块超导体组成环路, 则构成超导环,它具有宏观超导量子干涉效应, 这是超导量子干扰器( SQUID ) 的理论基础。由以上分析可知, 磁场可以对超导结电流进行相位调制。通过分析与推导, 可得:



该式表明, 流过超导结的电流Is 受结区的磁通量(或外磁场B) 调制。每当磁通量是磁通量子 Φ0的整数倍时, 就不会有超导电流。实际上, 没有磁场存在时, 结平面各点上超导电子波函数的相位相同。加磁场后, 结平面各点上的波函数相位发生变化, 通过各点的超导电流也会有不同的相位。然而这些经过不同位置的超导电流是相干的, 它们迭加起来得到衍射的效果。这种磁场对超导体电流的调制作用就表现为宏观超导量子干涉效应, 利用这个效应可以做成各种超导量子干扰器, 从而实现对微弱磁场信号的接收和测量。

 临界电流随结区磁通量的变化关系


通过上面分析, 利用磁场调制结电流的效应,可以测量磁场的变化。相邻两个超导结电流的峰值所对应的磁场差值为: 。由于结面积很小, 所以超导结的磁场测量范围较大,表现出很高的磁场灵敏度。


对于射频超导量子干扰器, 其器件结构是超导环中有一个约瑟夫森结, 超导环对直流是短路的,器件与射频谐振回路耦合, 在射频偏置下, 谐振回路的射频电压是环磁通的周期函数。这种含有单结的器件工作在射频偏置下, 因此称之为射频量子干扰器。


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。谐振回路由RF电流 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10-5 Φ0。射频SQUID造价低一些,灵敏度要差一些。

 

 RF SQUID电感耦合到共振电路



 高温超导磁梯度仪 



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(YBa2Cu3O7-x )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。


利用SQUID 制成的高温超导磁力仪具有可直接测量磁场、磁场分辨率高、频带宽且低频响应好等优点, 在生物磁测量、无损探伤、地球物理磁法勘探及军事探潜等领域具有潜在的应用前景。然而, 高温超导磁力仪在野外地球物理勘探工作时受背景磁场影响很大, 大大降低了其测量精度和动态范围。可以对高温超导磁力仪进行优化,设计出高温超导磁梯度仪。与磁力仪相比, 梯度仪对远距离噪声源敏感性小, 在无屏蔽环境下具有很高的动态范围。但由于仪器在工作前需调试两个SQUID 的最佳工作点, 若采用高温超导磁力仪的手动调节模式, 调试过程复杂, 工作效率低, 限制了其在野外的应用。为此, 需要设计具有对超导量子干涉器工作点进行自动调节和存储功能的测控系统。经过实验验证了该系统的可靠性和稳定性, 对高温超导磁梯度仪在地球物理勘探中的应用具有重要的意义。


高温超导磁梯度仪主要由两个高温射频超导量子干涉器组成的梯度仪探头、液氮杜瓦瓶、前置放大器、测控系统组成。图15为高温超导磁梯度仪系统框图, 虚线框内为设计的测控系统。

 

高温超导磁梯度仪系统框图


在仪器测量工作进行之前, 控制电路内部的三角波信号发生器通过前置放大器内部的反馈电路向SQUID 器件耦合线圈发送频率为200H z、幅度为±100mV 的扫场信号, 在SQUID超导环上产生周期性变化的磁通。单片机通过多路数字光耦控制4 路DAC 产生直流电压VCO、AT T、VAC、VDC, 调节每个前置放大器内部的压控振荡器频率、可调衰减器的衰减比、交流补偿电压和直流补偿电压。当压控振荡器输出的射频信号频率和幅度与SQUID 谐振电路所需的谐振频率和幅度一致时, 加在SQUID 耦合线圈上的射频信号被调制, 调制信号经过前置放大器内部的高频放大电路和混频器检波电路以后输出周期性变化的调制三角波信号。数据采集电路采集每个前置放大器的输出信号, 采集得到的数据由单片机进行处理和分析。当单片机检测到最大幅度调制三角波时, 即找到SQUID器件的最佳工作点, 调试工作完成。测量控制系统自动将最佳工作点数据存储到Flash, 以便下次调试时作为参考使用。


调试完成后, 控制电路内部三角波信号发生器关闭, 单片机通过控制电路向前置放大器发出控制信号, 闭合其内部的锁相环路, 仪器进入测量工作状态, 数据采集电路开始采集两路前置放大器输出的磁场信号, 并由单片机进行运算得到磁场梯度值。测量的梯度值通过LCD 液晶显示并存储在Flash 存储器上。测量工作完成后, 测量控制系统将存储在Flash 中的数据通过USB 通讯接口上传到计算机。


高温超导磁梯度仪测量控制系统具有自动调节SQU ID 工作点、自动测量和控制功能, 减少了调试仪器所需的外部物理设备, 降低了操作的复杂性, 提高了工作效率。经野外实验可知, 该系统性能稳定, 工作可靠, 可满足高温超导磁梯度仪在地球物理磁法勘探工作的要求。

参考文献略



本文专家作者:饶玉柱,中国电子科学研究院

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