超導量子干涉儀

作為靈敏度極高的磁傳感器，超導量子干涉儀(即SQUID)在生物磁測量,大地測量,無損探傷等方面獲得了廣泛的應用。

超導量子干涉儀 (superconducting quantum interference device，SQUID) 是一種能測量微弱磁信號的極其靈敏的儀器，就其功能而言是一種磁通傳感器，不僅可以用來測量磁通量的變化，還可以測量能轉換為磁通的其他物理量，如電壓、電流、電阻、電感、磁感應強度、磁場梯度、磁化率等。SQUID 的基本原理是建立在磁通量子化和約瑟夫森效應的基礎上的，根據偏置電流的不同，分為直流和射頻兩類。SQUID 作為探測器，可以測量出 10-11 高斯的微弱磁場，僅相當於地磁場的一百億分之一，比常規的磁強計靈敏度提高几個數量級，是進行超導、納米、磁性和半導體等材料磁學性質研究的基本儀器設備，特別是對薄膜和納米等微量樣品是必需的。利用 SQUID 探測器偵測直流磁化率信號，靈敏度可達 10-8 emu；温度變化範圍 1.9 K~400 K；磁場強度變化範圍 0~70,000 高斯（7 特斯拉）。

應用

生物磁測量

SQUID在生物磁測量方面(主要是心磁和腦磁)獲得了廣泛應用.測量目前研究和生產腦磁圖儀的公司至少有CTF,Neuromag,4-D NeuroImaging,Yokagawa,心磁圖儀方面則有CTF,4-D NeuroImaging,Hitachi,Neuromag,Siemens等公司.

國內也在磁屏蔽室內使用單通道直流高温超導量子干涉器磁強計對人體心磁檢測進行初步研究,但是沒有商業化產品出現.從商業角度而言,需要的是冷卻費用低,無需昂貴磁屏蔽室,多通道,高精確的SQUID系統.目前低温SQUID生物磁圖儀已經較為成熟,使用少量液氦即可保證工作,而且不需要專門的磁屏蔽室.高温超導SQUID靈敏度對於腦磁測量還有一些難度,但對於心磁測量則比較輕鬆.在無磁屏蔽條件下應用於臨牀的高温SQUID也正在研究當中.心磁圖儀未能像心電圖一樣廣泛應用於臨牀的原因之一是因為沒有與之配套的製冷機,費用過高.相信高温SQUID技術的成熟將會使這種情況有所改變.此外,建立類似心電圖一樣具有一定診斷能力的專家系統也相當重要,當然,一些工作正在進行.比如建模方法,和各種生物實驗。

無損探傷

無損探傷是一種材料、機械等領域廣泛使用的檢查材料的不連續性和缺陷的方法.SQUID作為最靈敏的磁場探測器,可以通過缺陷的磁性反常來探傷.由於SQUID可以工作到10Hz以下,直到直流,這一點在金屬材料的深層檢測中具有很大的優勢.SQUID用於無損檢測在20世紀80年代被提出之後,國外科研工作者就對此高度關注並在這一領域展開了廣泛的實驗研究.使用高温SQUID,探測線圈與室温樣品可距離更近,信噪比高,價格便宜,這將給無損探傷帶來很好的前景.國外利用這種方法在實驗階段已經能夠實現對飛機機翼的內部缺陷進行檢測,能夠實現金屬材料的腐蝕性檢測、橋樑建築的檢測、對集成電路中的短路進行定位等.SQUID應用於無損測量必須解決兩個問題:(1)由於渦旋激勵場的幅度比較大,要求SQUID的動態範圍和擺率必須達到一定要求.(2)激勵場和環境噪聲必須加以抑制,可以使用梯度計.

大地測量

大地電磁測量包括自然場源和人工可控場源方法.通過地表測得電磁信號反演地下電阻率分佈,由此推斷大地構造和礦牀.大地電磁測量所涉及到的頻率範圍約為10-4到104Hz,越低頻率的信號反應了深度越深的信息.現在在地球上大多數地區,幾公里以上的地表層信息大多已經查明,人們希望探測的是3～5公里以下更深的地層.幾公里以下的深層信息對應於1Hz以下的電磁信號,傳統的大地電磁低頻段靈敏度很低.SQUID有很高的靈敏度,特別是在低頻段,因而對於深層的大地電磁測量,有十分明顯的優越性.我國早期進行了天然場源大地電磁測量的實驗.近幾年來又合作進行了人工場源大地電磁測量,目前的工作重點是高温SQUID在野外環境中實驗工作和數據有效性檢驗. ^[1]