磁学性能测量

1、w超导量子干涉磁强计w汪青w 经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（quantum tunneling）。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。灵敏度极高灵敏度极高：可达

2、10-1410-15T，比灵敏度较高的光泵式磁敏传感器要高出几个数量级；是目前为止检测灵敏度最高的磁敏传感器。特点特点频带宽：频带宽：响应频率可从零响应到几kHz。测量范围宽测量范围宽：可从零场测量到几kT；超导量子干涉（超导量子干涉（Super Conducting Quantum Interference Device）磁强计，是利用约瑟夫森）磁强计，是利用约瑟夫森（Josephson）效应设计的极敏感的磁传感器）效应设计的极敏感的磁传感器测量原理绝缘层在绝缘层在1nm1nm量级以保证量级以保证量子效应显著量子效应显著“弱弱”超导体超导体电子对通过超导的约瑟夫森结中势垒隧道而形成超导电流电

3、子对通过超导的约瑟夫森结中势垒隧道而形成超导电流的现象叫超导隧道效应，也叫约瑟夫森效应。的现象叫超导隧道效应，也叫约瑟夫森效应。 直流约瑟夫逊效应直流约瑟夫逊效应w约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为超超导隧道结的约瑟夫逊效应导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应直流约瑟夫逊效应w此时约瑟夫森结与一块超导体相似，结上不存在任此时约瑟夫森结与一块超导体相似，结上不存在任何电压，即流过结的是超导电流。但一旦超过临界何电压，即流过结的是超导电流。但一旦超过临界电流值电流值Ic，结上即出现一个有限的电压，结的性状，结上即出现一个有限的电压，结的性状过渡到正常电子的隧道特性。过渡到正常电子的

4、隧道特性。 约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响。约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响。临界电流临界电流随外磁场周期起伏变化随外磁场周期起伏变化。而临界电流而临界电流I IC C对磁场亦很敏对磁场亦很敏感，甚至地磁场可明显地影响感，甚至地磁场可明显地影响IcIc。即随着磁场的加大即随着磁场的加大临界电流临界电流I IC C逐渐变小。逐渐变小。 超导结的Ic-H曲线01234562010H=0Ic ICH 特性交流约瑟夫逊效应交流约瑟夫逊效应w 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w f = KVw式中 K=2e/h=483.61012Hz/V。w

5、根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波。可见超导隧道结在直流电压作用下，产生交变可见超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，电流，辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。逊效应。 磁通量子化在小超导环中，电流能够持续流动，但由周期性边界条件的限制，只有某些分立的状态能够存在。电流的量子化使得磁通也必将是量子化的。=n00磁通量量子，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。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,

6、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0,可得到透入超导结的磁通量=n0。而磁通量和磁场H成正比关系,如果能求出,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0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。 测磁原理测磁原理构成类型构成类型 SQUID磁强计一般由磁强计一般由SQUID、压差密度计和超、压差密度计和超导磁场构成。导磁场构成。射频超导量子干涉器（射频超导量子干涉器（RF SQUID）直流超导量子干涉器（直流超导量子干涉器（DC SQUI

7、D） 超导量子干涉器件有两种类型：CTRTRF振荡器（一）（一）RF SQUID射频射频超导量子超导量子干干涉器涉器含含有一个超导隧道结的超有一个超导隧道结的超导环，在超导环中存在导环，在超导环中存在超导量子干涉效应。测超导量子干涉效应。测量时，采用射频电流进量时，采用射频电流进行偏置，其构成形式如行偏置，其构成形式如图所示。图所示。超导环超导环偏置的目的是使超导结周期地达到临界状态,使环外磁通以量子化的形式进入环内，从而在超导环内的超导电流产生周期变化，这样在结上产生周期电动势，实现磁测。采用交流偏置,将一射频磁场耦合到超导环上，在外磁通作用下,测量超导结产生电动势。IAIBC1C212AB

8、IDC SQUID构成示意图 （二）（二）DC SQUID直流超导量子干涉器（直流超导量子干涉器（DC SQUID）是在一块超）是在一块超导体上由两个超导隧道结而构成的超导环。超导导体上由两个超导隧道结而构成的超导环。超导环中存在超导量子干涉效应，测量时用直流电流环中存在超导量子干涉效应，测量时用直流电流进行偏置，如图所示。进行偏置，如图所示。E若在与环面相垂若在与环面相垂直的方向施加一直的方向施加一外磁场，则流经外磁场，则流经双结超导环的最双结超导环的最大超导电流既是大超导电流既是每个超导结结区每个超导结结区所穿透的磁通量所穿透的磁通量的周期函数，也的周期函数，也是超导环所包围是超导环所包围

9、的磁通量的周期的磁通量的周期函数。两者的周函数。两者的周期都是一个磁通期都是一个磁通量子。通常称之量子。通常称之为双结量子干涉为双结量子干涉效应效应MPMS7型超导量子磁强计介绍M P M S 7最大磁场：7特斯拉SystemMeasurementMagneticPropertiesSQUID 1MPMS只是超导量子磁强计的一种 主要用途：主要用途： 1、通过变温直流磁化曲线和、通过变温直流磁化曲线和变场磁滞回线探测样品的磁性，变场磁滞回线探测样品的磁性，主要适用于较弱磁性的块材样主要适用于较弱磁性的块材样品、薄膜样品、粉末样品、纳品、薄膜样品、粉末样品、纳米材料、超导材料等。米材料、超导材料

10、等。 2、每个样品磁化强度、每个样品磁化强度 3、主要应用于物理、化学、主要应用于物理、化学、材料、地质、生物等领域。材料、地质、生物等领域。 v 内部示意图磁体线圈及磁场变温(抽气)控制系统样品提拉系统信号检测系统预真空清洗系统氦液面(探测)传感器MPMS-7型超导量子磁强计介绍SQUID 4 超导量子磁强计的运行（条件） 1、使用液氦、使用液氦 总容量：总容量：56 升；升； 初次冷却：初次冷却：100 升；升； 液氦的自然蒸发：液氦的自然蒸发：3 升升 5 升升/天（天（5 K时）时） 2、电力要求、电力要求 交流（交流（220 5 %）V 3、环境要求、环境要求 温度（温度（ 30 C

11、）、湿度（）、湿度（ 80 %）超导量子磁强计的操作运行 1超导量子磁强计的操作样品安装 2 磁性测量样品的安放原则1、样品尺寸尽量小2、样品在磁场方向对称3、样品在径向居中4、刚性固定9 mm6 mm 控制软件的启动和使用（方法）超导量子磁强计的操作操作系统：控制软件的位置：控制软件的名称：控制软件的启动：键入MPMSR2，执行。数据文件的位置：测量程序的位置：软件 1Register SampleSample NameSample Mass (mg)Sample Diameter (mm)Sample Length (mm)Sample ShapeComment:NoneSample Ce

12、ntering Procedure功能键：F2MeasureImmediate EMU vs Field EMU vs 1/Field EMU vs Temperature EMU vs 1/Temperature HaltResumeAbort功能键：F3Register SampleMagnetic Field (G)Set Temperature (K)Sweep to Temperature (K)Number Data PointsScans to AverageScan Length (cm)Measurement AxisLongitudinal RangeTransverse

13、RangeMagnet Charging ModeHigh Resolution ModeData File NameData Block Type功能键：F4GraphDisplay GraphModify GraphColleting DataClear Graph DataEnlarge GraphPage PrinterPrint GraphLock Graph Menu功能键：F5UtilitiesPage PrinterSoftware VersionUpdate Helium LevelEnter Standby ModeUpdate FieldReset magnetDegau

14、ss ShieldPrinter Commands Tune SQUID Install Oven Install Fluxgate Options 功能键：F6Diagnostic MenusSample Transport Controls Magnet Controls Gas Controls RG Bridge Sensor Controls RG Bridge Driver Controls SQUID/Voltmeter Controls Calibration Factors HPIB Commands 功能键：F7SequenceSequence Type: Programm

15、edSequence File Name HRTStart at Records #1Execute SequenceHaltResumeAbort功能键：F8Editor/File ControlEditor File/Control Work DirectoryD:DATA个人目录Sequence DirectoryD:SEQ个人目录Data DirectoryD:DATA个人目录功能键：F9控制软件界面软件 2 测量开始前的准备超导量子磁强计的操作将样品放入样品室：预真空室抽气调节样品至探测线圈的中心位置：F2将温度与磁场调节到设定值：F4输入样品参数：F2输入数据文件名称（F4）、测量

16、程序名称（F8）如实填写实验记录本中的各项测量 1 SQUID由于其广泛的用途一直是超导应用研究最活跃的领域之一.低温SQUID由于其成熟的技术,在目前应用中仍然处于主导地位,而且还有很大的市场(每年几千万美元).另一方面,高温SQUID由于其费用低廉,一直是研究的热点,其中用于无损检测的最多,还有用于人体心磁测量方面.对于高温SQUID而言,没有成熟的约瑟夫森结工艺,也缺乏有柔韧性的高温超导线材,如果能在材料和制作工艺上有所突破,高温SQUID必将成为超导在电子学技术方面的主角. 关于磁屏蔽问题和冷却问题一直是SQUID应用的障碍.在大地测量和无损检测中一般无法使用磁屏蔽室,而且磁屏蔽室费用

17、过高,能有效防止噪声干扰的SQUID梯度计研究和各种消除噪声的算法有很重要的实际意义.比如M.BICK等人提出的频率自适应决定电子梯度计系数的方法获得了比较好的效果.使用制冷机后,便于SQUID探头三维方向的移动,倾斜,也利于室外使用,这是杜瓦所无法比拟的.但必须解决制冷机本身带来的噪声和由于冷却阶段温度起伏带来的噪声问题. 就我国的实际情况而言,我国在低温SQUID方面已经有相当基础和一定应用经验,但是由于液氦价格昂贵,技术复杂,实际应用并不广泛,所以仍然应该将高温SQUID作为研究重点,这样符合我国国情,也能较快获得实际效应.SQUID涉及到多门学科和技术,必须集合电子,机械,低温,真空,

18、计算机等厂家和研究单位的优势,同步开展各个方向的研究.此外应利用国外的设备,关注国外的动态发展,加强国际交流,以减少重复研究,并争取国际合作 超导超导量子量子磁强计作为探测微弱磁场的精密仪器已被磁强计作为探测微弱磁场的精密仪器已被广泛应用于科学技术和生产实践等各个领域。广泛应用于科学技术和生产实践等各个领域。 （1 1）地震预报）地震预报 根据超导体的完全抗磁性，超导球在超导载流线根据超导体的完全抗磁性，超导球在超导载流线圈上悬浮着（如图圈上悬浮着（如图10-610-6），球表面感应产生屏蔽电流，使球内磁场为零，），球表面感应产生屏蔽电流，使球内磁场为零，此屏蔽电流与载流线圈的磁场相互作用，球受到向上的浮力，这浮力与此屏蔽电流与载流线圈的磁场相互作用，球受到向上的浮力，这浮力与球的重力平衡，球便悬浮起来。当重力加速度发生变化时，球就要偏离球的重力平衡，球便悬浮起来。当重力加速度发生变化时，球就要偏离原来的平衡位置，以致使磁场发生畸变，微小的磁场变化可用超导磁场原来的平衡位置，以致使磁场发生畸变，微小的磁场变化可用超导磁场强计测出来，根据这原理制成的仪器称为超导重力仪。超导重力仪可以强计测出