直流超导量子干涉器无损检测的原理与应用

　　超导体是一种宏观量子态物质,它具有零电阻、完全抗磁性、约瑟夫森超导隧道效应和磁通量子化等一系列全新的量子性质。利用这些性质可以改善电学器件的性能,例如在宏观量子现象基础上发展起来的许多新型电子器件,它们有量子极限的灵敏度和极低的噪声,工作频带宽,有极低的功耗等一系列优异性能。自高温超导体发现以来^[1],特别是随着薄膜制备和光刻技术的成熟,高温超导电子学器件的研制和应用取得了飞速的发展,完全达到了实用要求,例如在约瑟夫森效应和磁通量子化效应^[2]基础上发展起来的超导量子干涉器(SQUID),其性能远远超过常规器件,该器件具有极高的磁场灵敏度,因此它在生物磁测量、大地电磁测量、无损检测和军事探潜等领域有着广阔的应用前景^[3]。

　　SQUID作为当今最灵敏的磁探测器,可以通过材料的磁性反常来检测缺陷^[4]。下面介绍直流量子干涉器(DC SQUID)的工作原理及其在无损检测中的应用。

　　1　DC SQUID的结构

　　当超导约瑟夫森结处于外磁场中时,由于磁场的存在,改变了约瑟夫森电流密度的空间分布,不同地点的位相差完全决定于外磁场,也就是说不同地点的约瑟夫森电流是位相相干电流。该电流与外磁通的关系与光学中的单缝衍射图样相似,这一相似的本质是超导电子的宏观波动性,超导体是宏观量子态,磁通引起超导电子相位变化,使超流发生调制。利用约瑟夫森结的超流随磁通的变化,可以检测磁场。但是由于能引起单结相位变化的有效面积很小,因此即使能分辨一个周期Φ0(Φ0为磁通量子数)的千分之一变化,也只能测出10^-6T的磁场变化,如果采用一超导环路中分开放置两个约瑟夫森结,则可以大大提高有效磁通面积,从而可以分辨微弱的磁场变化。

　　超导量子干涉器是根据超导量子干涉效应发展起来的。如果在一个超导环路中插入两个约瑟夫森结,形成双结并联电路,这种构形的最大超流与环所包围的磁通Φ满足的关系为

　　式中Ic是受约瑟夫森结区磁通ΦJ调制的临界电流,在外磁场不大的情况下,ΦJΦ0,Ic=Ic(0),Ic(0)是一个约瑟夫森结在无外磁场时的临界电流。双结并联超导环的最大超流是环所包围的磁通Φ的周期函数,周期为磁通量子Φ0。这类似于光学双缝干涉,它是磁通调制两个约瑟夫森结的相位干涉的结果。如环面积为0.1 cm²,干涉图样一个周期对应的磁场变化约为10^-10T,若能做到千分之一周期的分辨率,相当于可检测10^-13T磁场的变化。

　　如图1,实际的器件是工作在有电压的状态,器件两端电压随环内磁通周期变化。因为双结器件偏置电流是直流,所以称之为直流超导量子干涉器件(DC SQUID)。在制作器件时^[5],双结一般是对等的,即I1=I2=I0。