磁學(xué)性能測(cè)量

1、w超導(dǎo)量子干涉磁強(qiáng)計(jì)w汪青w 經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，物體越過勢(shì)壘，有一閾值能量；粒子能量小于此能量則不能越過，大于此能量則可以越過。例如騎自行車過小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過去。如果坡很高，不蹬自行車，車到一半就停住，然后退回去。量子力學(xué)則認(rèn)為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢(shì)壘，一部分粒子反彈，還會(huì)有一些粒子能過去，好像有一個(gè)隧道，故名隧道效應(yīng)（quantum tunneling）。可見，宏觀上的確定性在微觀上往往就具有不確定性。雖然在通常的情況下，隧道效應(yīng)并不影響經(jīng)典的宏觀效應(yīng)，因?yàn)樗泶茁蕵O小，但在某些特定的條件下宏觀的隧道效應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)。靈敏度極高靈敏度極高：可達(dá)

2、10-1410-15T，比靈敏度較高的光泵式磁敏傳感器要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)；是目前為止檢測(cè)靈敏度最高的磁敏傳感器。特點(diǎn)特點(diǎn)頻帶寬：頻帶寬：響應(yīng)頻率可從零響應(yīng)到幾kHz。測(cè)量范圍寬測(cè)量范圍寬：可從零場(chǎng)測(cè)量到幾kT；超導(dǎo)量子干涉（超導(dǎo)量子干涉（Super Conducting Quantum Interference Device）磁強(qiáng)計(jì)，是利用約瑟夫森）磁強(qiáng)計(jì)，是利用約瑟夫森（Josephson）效應(yīng)設(shè)計(jì)的極敏感的磁傳感器）效應(yīng)設(shè)計(jì)的極敏感的磁傳感器測(cè)量原理絕緣層在絕緣層在1nm1nm量級(jí)以保證量級(jí)以保證量子效應(yīng)顯著量子效應(yīng)顯著“弱弱”超導(dǎo)體超導(dǎo)體電子對(duì)通過超導(dǎo)的約瑟夫森結(jié)中勢(shì)壘隧道而形成超導(dǎo)電流電

3、子對(duì)通過超導(dǎo)的約瑟夫森結(jié)中勢(shì)壘隧道而形成超導(dǎo)電流的現(xiàn)象叫超導(dǎo)隧道效應(yīng)，也叫約瑟夫森效應(yīng)。的現(xiàn)象叫超導(dǎo)隧道效應(yīng)，也叫約瑟夫森效應(yīng)。 直流約瑟夫遜效應(yīng)直流約瑟夫遜效應(yīng)w約瑟夫遜結(jié)能夠通過很小超導(dǎo)電流的現(xiàn)象，稱為超超導(dǎo)隧道結(jié)的約瑟夫遜效應(yīng)導(dǎo)隧道結(jié)的約瑟夫遜效應(yīng)，也稱直流約瑟夫遜效應(yīng)直流約瑟夫遜效應(yīng)w此時(shí)約瑟夫森結(jié)與一塊超導(dǎo)體相似，結(jié)上不存在任此時(shí)約瑟夫森結(jié)與一塊超導(dǎo)體相似，結(jié)上不存在任何電壓，即流過結(jié)的是超導(dǎo)電流。但一旦超過臨界何電壓，即流過結(jié)的是超導(dǎo)電流。但一旦超過臨界電流值電流值Ic，結(jié)上即出現(xiàn)一個(gè)有限的電壓，結(jié)的性狀，結(jié)上即出現(xiàn)一個(gè)有限的電壓，結(jié)的性狀過渡到正常電子的隧道特性。過渡到正常電子的

4、隧道特性。 約瑟夫遜的直流效應(yīng)受著磁場(chǎng)的影響。約瑟夫遜的直流效應(yīng)受著磁場(chǎng)的影響。臨界電流臨界電流隨外磁場(chǎng)周期起伏變化隨外磁場(chǎng)周期起伏變化。而臨界電流而臨界電流I IC C對(duì)磁場(chǎng)亦很敏對(duì)磁場(chǎng)亦很敏感，甚至地磁場(chǎng)可明顯地影響感，甚至地磁場(chǎng)可明顯地影響IcIc。即隨著磁場(chǎng)的加大即隨著磁場(chǎng)的加大臨界電流臨界電流I IC C逐漸變小。逐漸變小。 超導(dǎo)結(jié)的Ic-H曲線01234562010H=0Ic ICH 特性交流約瑟夫遜效應(yīng)交流約瑟夫遜效應(yīng)w 實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)結(jié)區(qū)兩端加上直流電壓時(shí)，結(jié)區(qū)會(huì)出現(xiàn)高頻的正弦電流，其頻率正比于所加的直流電壓，即w f = KVw式中 K=2e/h=483.61012Hz/V。w

5、根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論高頻電流會(huì)從結(jié)區(qū)向外輻射電磁波?？梢姵瑢?dǎo)隧道結(jié)在直流電壓作用下，產(chǎn)生交變可見超導(dǎo)隧道結(jié)在直流電壓作用下，產(chǎn)生交變電流，電流，輻射和吸收電磁波，這種特性即交流約瑟夫輻射和吸收電磁波，這種特性即交流約瑟夫遜效應(yīng)。遜效應(yīng)。 磁通量子化在小超導(dǎo)環(huán)中，電流能夠持續(xù)流動(dòng)，但由周期性邊界條件的限制，只有某些分立的狀態(tài)能夠存在。電流的量子化使得磁通也必將是量子化的。=n00磁通量量子，超導(dǎo)結(jié)臨界電流隨外加磁場(chǎng)而周期起伏變化的原理,完全可用于測(cè)量磁場(chǎng)。例如,若在超導(dǎo)結(jié)的兩端接上電源,電壓表無顯示時(shí),電流表所顯示的電流是為超導(dǎo)電流;電壓表開始有電壓顯示時(shí),則電流表所顯示的電流為臨界電流IC,此時(shí),

6、加入外磁場(chǎng)后,臨界電流將有周期性的起伏,且其極大值逐漸衰減,振蕩的次數(shù)n乘以磁通量子0,可得到透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量=n0。而磁通量和磁場(chǎng)H成正比關(guān)系,如果能求出,磁場(chǎng)H即可求出。同理,若外磁場(chǎng)H有變化,則磁通量亦隨變化,在此變化過程中,臨界電流的振蕩次數(shù)n乘以0即得到磁通量的大小,亦反映了外磁場(chǎng)變化的大小。因而,可利用超導(dǎo)技術(shù)測(cè)定外磁場(chǎng)的大小及其變化。 測(cè)磁原理測(cè)磁原理構(gòu)成類型構(gòu)成類型 SQUID磁強(qiáng)計(jì)一般由磁強(qiáng)計(jì)一般由SQUID、壓差密度計(jì)和超、壓差密度計(jì)和超導(dǎo)磁場(chǎng)構(gòu)成。導(dǎo)磁場(chǎng)構(gòu)成。射頻超導(dǎo)量子干涉器（射頻超導(dǎo)量子干涉器（RF SQUID）直流超導(dǎo)量子干涉器（直流超導(dǎo)量子干涉器（DC SQUI

7、D） 超導(dǎo)量子干涉器件有兩種類型：CTRTRF振蕩器（一）（一）RF SQUID射頻射頻超導(dǎo)量子超導(dǎo)量子干干涉器涉器含含有一個(gè)超導(dǎo)隧道結(jié)的超有一個(gè)超導(dǎo)隧道結(jié)的超導(dǎo)環(huán)，在超導(dǎo)環(huán)中存在導(dǎo)環(huán)，在超導(dǎo)環(huán)中存在超導(dǎo)量子干涉效應(yīng)。測(cè)超導(dǎo)量子干涉效應(yīng)。測(cè)量時(shí)，采用射頻電流進(jìn)量時(shí)，采用射頻電流進(jìn)行偏置，其構(gòu)成形式如行偏置，其構(gòu)成形式如圖所示。圖所示。超導(dǎo)環(huán)超導(dǎo)環(huán)偏置的目的是使超導(dǎo)結(jié)周期地達(dá)到臨界狀態(tài),使環(huán)外磁通以量子化的形式進(jìn)入環(huán)內(nèi)，從而在超導(dǎo)環(huán)內(nèi)的超導(dǎo)電流產(chǎn)生周期變化，這樣在結(jié)上產(chǎn)生周期電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)磁測(cè)。采用交流偏置,將一射頻磁場(chǎng)耦合到超導(dǎo)環(huán)上，在外磁通作用下,測(cè)量超導(dǎo)結(jié)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。IAIBC1C212AB

8、IDC SQUID構(gòu)成示意圖 （二）（二）DC SQUID直流超導(dǎo)量子干涉器（直流超導(dǎo)量子干涉器（DC SQUID）是在一塊超）是在一塊超導(dǎo)體上由兩個(gè)超導(dǎo)隧道結(jié)而構(gòu)成的超導(dǎo)環(huán)。超導(dǎo)導(dǎo)體上由兩個(gè)超導(dǎo)隧道結(jié)而構(gòu)成的超導(dǎo)環(huán)。超導(dǎo)環(huán)中存在超導(dǎo)量子干涉效應(yīng)，測(cè)量時(shí)用直流電流環(huán)中存在超導(dǎo)量子干涉效應(yīng)，測(cè)量時(shí)用直流電流進(jìn)行偏置，如圖所示。進(jìn)行偏置，如圖所示。E若在與環(huán)面相垂若在與環(huán)面相垂直的方向施加一直的方向施加一外磁場(chǎng)，則流經(jīng)外磁場(chǎng)，則流經(jīng)雙結(jié)超導(dǎo)環(huán)的最雙結(jié)超導(dǎo)環(huán)的最大超導(dǎo)電流既是大超導(dǎo)電流既是每個(gè)超導(dǎo)結(jié)結(jié)區(qū)每個(gè)超導(dǎo)結(jié)結(jié)區(qū)所穿透的磁通量所穿透的磁通量的周期函數(shù)，也的周期函數(shù)，也是超導(dǎo)環(huán)所包圍是超導(dǎo)環(huán)所包圍

9、的磁通量的周期的磁通量的周期函數(shù)。兩者的周函數(shù)。兩者的周期都是一個(gè)磁通期都是一個(gè)磁通量子。通常稱之量子。通常稱之為雙結(jié)量子干涉為雙結(jié)量子干涉效應(yīng)效應(yīng)MPMS7型超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)介紹M P M S 7最大磁場(chǎng)：7特斯拉SystemMeasurementMagneticPropertiesSQUID 1MPMS只是超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)的一種 主要用途：主要用途： 1、通過變溫直流磁化曲線和、通過變溫直流磁化曲線和變場(chǎng)磁滯回線探測(cè)樣品的磁性，變場(chǎng)磁滯回線探測(cè)樣品的磁性，主要適用于較弱磁性的塊材樣主要適用于較弱磁性的塊材樣品、薄膜樣品、粉末樣品、納品、薄膜樣品、粉末樣品、納米材料、超導(dǎo)材料等。米材料、超導(dǎo)材料

10、等。 2、每個(gè)樣品磁化強(qiáng)度、每個(gè)樣品磁化強(qiáng)度 3、主要應(yīng)用于物理、化學(xué)、主要應(yīng)用于物理、化學(xué)、材料、地質(zhì)、生物等領(lǐng)域。材料、地質(zhì)、生物等領(lǐng)域。 v 內(nèi)部示意圖磁體線圈及磁場(chǎng)變溫(抽氣)控制系統(tǒng)樣品提拉系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)預(yù)真空清洗系統(tǒng)氦液面(探測(cè))傳感器MPMS-7型超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)介紹SQUID 4 超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)的運(yùn)行（條件） 1、使用液氦、使用液氦 總?cè)萘浚嚎側(cè)萘浚?6 升；升； 初次冷卻：初次冷卻：100 升；升； 液氦的自然蒸發(fā)：液氦的自然蒸發(fā)：3 升升 5 升升/天（天（5 K時(shí)）時(shí)） 2、電力要求、電力要求 交流（交流（220 5 %）V 3、環(huán)境要求、環(huán)境要求 溫度（溫度（ 30 C

11、）、濕度（）、濕度（ 80 %）超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)的操作運(yùn)行 1超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)的操作樣品安裝 2 磁性測(cè)量樣品的安放原則1、樣品尺寸盡量小2、樣品在磁場(chǎng)方向?qū)ΨQ3、樣品在徑向居中4、剛性固定9 mm6 mm 控制軟件的啟動(dòng)和使用（方法）超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)的操作操作系統(tǒng)：控制軟件的位置：控制軟件的名稱：控制軟件的啟動(dòng)：鍵入MPMSR2，執(zhí)行。數(shù)據(jù)文件的位置：測(cè)量程序的位置：軟件 1Register SampleSample NameSample Mass (mg)Sample Diameter (mm)Sample Length (mm)Sample ShapeComment:NoneSample Ce

12、ntering Procedure功能鍵：F2MeasureImmediate EMU vs Field EMU vs 1/Field EMU vs Temperature EMU vs 1/Temperature HaltResumeAbort功能鍵：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功能鍵：F4GraphDisplay GraphModify GraphColleting DataClear Graph DataEnlarge GraphPage PrinterPrint GraphLock Graph Menu功能鍵：F5UtilitiesPage PrinterSoftware VersionUpdate Helium LevelEnter Standby ModeUpdate FieldReset magnetDegau

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

15、edSequence File Name HRTStart at Records #1Execute SequenceHaltResumeAbort功能鍵：F8Editor/File ControlEditor File/Control Work DirectoryD:DATA個(gè)人目錄Sequence DirectoryD:SEQ個(gè)人目錄Data DirectoryD:DATA個(gè)人目錄功能鍵：F9控制軟件界面軟件 2 測(cè)量開始前的準(zhǔn)備超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì)的操作將樣品放入樣品室：預(yù)真空室抽氣調(diào)節(jié)樣品至探測(cè)線圈的中心位置：F2將溫度與磁場(chǎng)調(diào)節(jié)到設(shè)定值：F4輸入樣品參數(shù)：F2輸入數(shù)據(jù)文件名稱（F4）、測(cè)量

16、程序名稱（F8）如實(shí)填寫實(shí)驗(yàn)記錄本中的各項(xiàng)測(cè)量 1 SQUID由于其廣泛的用途一直是超導(dǎo)應(yīng)用研究最活躍的領(lǐng)域之一.低溫SQUID由于其成熟的技術(shù),在目前應(yīng)用中仍然處于主導(dǎo)地位,而且還有很大的市場(chǎng)(每年幾千萬美元).另一方面,高溫SQUID由于其費(fèi)用低廉,一直是研究的熱點(diǎn),其中用于無損檢測(cè)的最多,還有用于人體心磁測(cè)量方面.對(duì)于高溫SQUID而言,沒有成熟的約瑟夫森結(jié)工藝,也缺乏有柔韌性的高溫超導(dǎo)線材,如果能在材料和制作工藝上有所突破,高溫SQUID必將成為超導(dǎo)在電子學(xué)技術(shù)方面的主角. 關(guān)于磁屏蔽問題和冷卻問題一直是SQUID應(yīng)用的障礙.在大地測(cè)量和無損檢測(cè)中一般無法使用磁屏蔽室,而且磁屏蔽室費(fèi)用

17、過高,能有效防止噪聲干擾的SQUID梯度計(jì)研究和各種消除噪聲的算法有很重要的實(shí)際意義.比如M.BICK等人提出的頻率自適應(yīng)決定電子梯度計(jì)系數(shù)的方法獲得了比較好的效果.使用制冷機(jī)后,便于SQUID探頭三維方向的移動(dòng),傾斜,也利于室外使用,這是杜瓦所無法比擬的.但必須解決制冷機(jī)本身帶來的噪聲和由于冷卻階段溫度起伏帶來的噪聲問題. 就我國的實(shí)際情況而言,我國在低溫SQUID方面已經(jīng)有相當(dāng)基礎(chǔ)和一定應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),但是由于液氦價(jià)格昂貴,技術(shù)復(fù)雜,實(shí)際應(yīng)用并不廣泛,所以仍然應(yīng)該將高溫SQUID作為研究重點(diǎn),這樣符合我國國情,也能較快獲得實(shí)際效應(yīng).SQUID涉及到多門學(xué)科和技術(shù),必須集合電子,機(jī)械,低溫,真空,

18、計(jì)算機(jī)等廠家和研究單位的優(yōu)勢(shì),同步開展各個(gè)方向的研究.此外應(yīng)利用國外的設(shè)備,關(guān)注國外的動(dòng)態(tài)發(fā)展,加強(qiáng)國際交流,以減少重復(fù)研究,并爭(zhēng)取國際合作 超導(dǎo)超導(dǎo)量子量子磁強(qiáng)計(jì)作為探測(cè)微弱磁場(chǎng)的精密儀器已被磁強(qiáng)計(jì)作為探測(cè)微弱磁場(chǎng)的精密儀器已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐等各個(gè)領(lǐng)域。廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐等各個(gè)領(lǐng)域。 （1 1）地震預(yù)報(bào)）地震預(yù)報(bào) 根據(jù)超導(dǎo)體的完全抗磁性，超導(dǎo)球在超導(dǎo)載流線根據(jù)超導(dǎo)體的完全抗磁性，超導(dǎo)球在超導(dǎo)載流線圈上懸浮著（如圖圈上懸浮著（如圖10-610-6），球表面感應(yīng)產(chǎn)生屏蔽電流，使球內(nèi)磁場(chǎng)為零，），球表面感應(yīng)產(chǎn)生屏蔽電流，使球內(nèi)磁場(chǎng)為零，此屏蔽電流與載流線圈的磁場(chǎng)相互作用，球受到向上的浮力，這浮力與此屏蔽電流與載流線圈的磁場(chǎng)相互作用，球受到向上的浮力，這浮力與球的重力平衡，球便懸浮起來。當(dāng)重力加速度發(fā)生變化時(shí)，球就要偏離球的重力平衡，球便懸浮起來。當(dāng)重力加速度發(fā)生變化時(shí)，球就要偏離原來的平衡位置，以致使磁場(chǎng)發(fā)生畸變，微小的磁場(chǎng)變化可用超導(dǎo)磁場(chǎng)原來的平衡位置，以致使磁場(chǎng)發(fā)生畸變，微小的磁場(chǎng)變化可用超導(dǎo)磁場(chǎng)強(qiáng)計(jì)測(cè)出來，根據(jù)這原理制成的儀器稱為超導(dǎo)重力儀。超導(dǎo)重力儀可以強(qiáng)計(jì)測(cè)出