手持移动型高温超导SQUID在无损检测中的应用

　　1　引言

　　对于涡流无损检测,磁场穿透深度和频率成反比。为了探测深层缺陷就需要利用低频激励场。和其它磁场传感器相比,超导量子干涉器(SQUID)的优点是灵敏度高,特别是在小于1kHz的低频段。在屏蔽环境下, SQUID的灵敏度在低频段比其它磁场感应器要优2~3个数量级;在无屏蔽环境下,由于环境噪声决定了SQUID系统的噪声, SQUID磁强计的灵敏度至少也要好10倍以上。所以SQUID在探测深层缺陷方面具有优越性[1-3]。

　　图1表示了我们使用高温超导射频SQUID磁强计,异向性磁阻传感器(Anisotropic magneto-resistive,简称AMR磁传感器)和巨磁阻磁传感器(Giantmagnetoresistance,简称GMR磁传感器)在我们实验室无磁屏蔽环境下测得的磁场噪声谱。

　　由图1我们可以看到对于AMR和GMR来说,其自身的噪声决定了系统的噪声,环境噪声的贡献较小。在120Hz附近,其磁场噪声分别约为30 pT/ 和300 pT/ 。而对于高温超导SQUID来说,环境噪声的影响起决定作用,在120Hz附近,其磁场噪声约为1.5pT/ 。如果使用SQUID梯度计可进一步减少环境磁噪声的影响。

　　由于SQUID非常灵敏,地磁场的强度(约0. 5高斯)远超过SQUID的动态范围,当它在地磁场中移动时很难保持锁定,所以一般的SQUID应用系统通常保持SQUID静止不动。图2(a)为常用的SQUID涡流无损检测系统的方框示意图[4]。通常把样品放在一个X-Y平台上,然后通过移动X-Y平台进行扫描, SQUID并不需要移动。用这种方法可以得到很精确的二维平面图。图2(b)扫描得到的孔缺陷图。但这种方法的缺点是样品不能太大也不能太重,也不能用来检测一些带有强磁性的铁磁性材料。

　　为了解决这个问题,我们开发出了可移动型高温超导SQUID磁强计[5]。使用一种特别的反馈方法,地磁场的影响被完全抵消掉,这使得SQUID即使在地磁场中移动也能够保持锁定。利用可移动型高温超导SQUID磁强计,我们进行了一些无损检测方面的研究。下面论述我们的实验和结果。

　　2　使用AMR磁感应器进行无损检测

　　由于高温超导SQUID需要液氮制冷,操作又有点复杂,也比较容易损坏,所以我们开发出一个简单的AMR无损检测系统,用来代替SQUID来进行系统的调试,而且可以和SQUID的检测结果进行直接对比。

　　我们使用的是Honeywell公司生产的AMR磁感应器,型号是HMC1001。这种型号的磁感应器具有比较高的灵敏度,而且低频特性也比较好。我们自制了一个AMR的读出电路,如图3所示。它可以工作在放大器方式,也可以工作在反馈锁定方式(可以提高其线性度)。当在无屏蔽环境下进行移动测量时,常需要工作在反馈锁定方式,这样可以减少因非线性所引起的附加噪声。从引言中的图1我们可以看到这种AMR磁感应器地磁场灵敏度约为30 pT/ 。