直流超导量子干涉器的无损检测研究

    超导量子干涉器(SQUID)用于无损检测在20世纪80年代被提出[1,2]之后,国内外科研工作者就对此高度关注并在该领域展开了广泛的试验研究[3,4],但由于液氦器件(即低温SQUID)的冷却设备复杂、运行费用较高、操作不方便等因素限制了它在工业检测中的实际应用。自高温超导体发现以来,特别是高温SQUID制备技术成熟之后,该技术才真正展现出其潜在的应用前景[5~13]。国外利用该方法在试验阶段已经能够对飞机机翼的内部缺陷进行检测^[6],能够实现金属材料的腐蚀性检测^[7]、桥梁建筑的检测[8]以及对集成电路中的短路进行定位^[9]等。国内中科院物理研究所和北京大学等单位对高温SQUID在无损检测的应用方面也进行了有益的探索并取得了初步的成果^[12,13]。

1　DC SQUID无损检测系统

    DC SQUID无损检测是利用SQUID作传感元件,对缺陷的识别是建立在缺陷与磁场的对应关系上。SQUID在无损检测应用中有不同的模式,其中有两种模式应用较多,即材料的剩余磁化强度成像以及材料加交流场后其涡流场的分布。

    金属材料的局部损伤,如擦伤、疲劳、凹陷损伤或者受到外力作用发生应变后,会产生剩余磁场。一般来说,材料所受应力越大,产生的残余磁场也越大,因此通过测量该磁场的分布就能判断出材料受损伤的程度。

    如果是加交流场,即是对金属材料采用电磁激励,用SQUID探测导体中涡流分布所产生的磁场,根据磁场的特征来判断被测材料是否存在缺陷。检测方法是利用一个载有交流电信号激发线圈,将该线圈放在被测导体附近,线圈产生的交变电磁场会在导体材料中激发涡流,涡流产生的磁信号被SQUID探测,利用锁相检测的方法将磁场中与激发频率有关的信号提取出来,如果样品中存在缺陷,涡流在导体中的分布将因缺陷的存在而发生改变,这样通过SQUID探测的磁场分布就能够判断被测物体是否存在缺陷。

    所建立的DC SQUID无损检测系统包括高温DC SQUID及其电子学系统、低温液氮杜瓦容器、移动扫描与数据采集系统及激励与锁相检测系统。

2　DC SQUID电磁检测激励频率的选择

    由于电磁波在材料中传播存在集肤效应,电流密度向导体内部呈指数衰减,如果假设导体表面的电流密度为J,则规定当导体内J降为37%时所对应的深度称为集肤深度,由于它与频率的平方根成反比,因此如果要探测较深的缺陷,则必须使用较低的激发频率。根据电磁理论,集肤深度[14]为

式中　f———电磁波的频率

    μ,σ———导体材料的磁导率和电导率