STEP卫星加速度计测量头线圈的超导特性测试及改进

　　1　引　言

　　超导量子干涉仪(Superconducting　QuantumInterference　Device，SQUID)是测量磁场极其精确的量子机械电路[1];由于其能够探测非常微弱的电磁信号，因此在超高精度测量领域得到广泛应用。例如，美国宇航局2004年发射的“重力探测器”卫星 GP-B[2]，其目标为测量验证地球重力场中两个极其微弱的广义相对论效应，使GP-B陀螺发生6.6(″)/a和40.9×(″)/a的漂移，利用SQUID进行超高精度测量，GP-B成功地实现了科学目标[3]。

　　等效原理检验卫星(Satellite　Test　of　the　E-quivalence　Principle，STEP)是美国宇航局与欧空局第一个在基础科学领域合作的空间计划[4]，目的是研制一颗低轨地球卫星，用于检验广义相对论的理论基础———等效原理是否在更高精度严格成立[5]。按照该科学任务要求，需研制一种超高精度加速度计，以达到g精度的加速度测量[6]，相当于m 量级位移的测量，如此超高精度的测量几乎是在挑战人类技术的极限。由于GP-B和STEP空间计划的研制任务都由斯坦福大学承担，因此，在继承 GP-B卫星成功经验的基础上，斯坦福大学设计的STEP卫星超高精度加速度计也采用了SQUID作为精确测量微弱电磁信号的核心器件[7]。而与SQUID 相连，能够敏感加速度计检测质量的位移并将其转换成电信号的测量头是两组三维低温超导膜线圈，也是世界上首次研制的三维低温超导膜线圈。

　　三维低温超导膜线圈与加速度计的测量精度密切相关，其直接影响STEP卫星任务的完成效果。为保证超导膜线圈具备任务要求的超导特性，本文对三维超导膜线圈的超导特性进行了测试。测试显示初样设计的线圈存在超导缺陷，因此测定了超导缺陷的位置，分析了超导缺陷的成因，改进了三维超导膜线圈的设计和加工工艺。最后测试验证了改进后的线圈，结果表明其满足STEP卫星的设计要求，由此定型了三维超导膜线圈的研制。

　　2　三维超导膜线圈及测试设备

　　作为敏感检测质量位移的测量头，三维超导膜线圈的开发是STEP卫星超高精度加速度计的关键技术之一。要使加速度计达到10-18　g的测量精度，须在满足几何约束与磁约束的条件下精确设计并制造三维低温超导膜线圈，其主要参数包括膜线圈的圈数、各圈的半径、膜线的宽度以及各圈膜线之间的距离等。研制的线圈初样上镀有铌(Nb)作为超导材料，以金(Au)作为抗氧化层的三维超导膜，有6圈膜线，平均半径约2cm，膜线宽度和膜线之间距离均为100μm，如图1所示。膜线的内端点由超导金属Nb丝跨接于线圈顶面的可接触平面区域，与膜线外端点相接的另一块可接触平面区域分别经线圈拐角延伸到线圈的侧面，构成线圈的两个接点面。