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直流SQUID工作原理与结构设计.docx
资料介绍
基本定义与核心原理
直流SQUID(Direct Current Superconducting Quantum Interference Device,直流超导量子干涉器件)是基于约瑟夫森效应和磁通量子化原理开发的超高灵敏度磁传感器,是目前灵敏度最高的商用磁探测器件之一,能够探测小至
量级的极弱磁场。
和仅包含一个约瑟夫森结的射频SQUID(RF SQUID)不同,DC SQUID由两个并联的约瑟夫森结嵌入超导环路组成,通过直流偏置电流驱动工作,利用超导环路的磁通量子化效应和约瑟夫森结的电流相位关系实现磁信号转换为可测量的电压信号。
核心工作原理
1. 基础物理效应支撑
DC SQUID的工作依赖两个核心超导物理效应:
· 磁通量子化:超导闭合环路内的总磁通量必须是磁通量子
的整数倍,当外磁场变化改变环路内磁通时,超导环会产生持续电流补偿磁通变化,维持总磁通为磁通量子整数倍。
· 约瑟夫森效应:约瑟夫森结两侧超导电子对的隧穿电流与结两端的相位差满足关系
,其中
为结的临界电流,当流过结的电流超过临界电流时,结两端会出现有限电压。
2. DC SQUID工作过程
DC SQUID的两个对称约瑟夫森结并联在超导环中,整体通入直流偏置电流
:
1. 当外磁通为0时,两个结的相位差对称,总电流均匀分配,若直流偏置略高于单个结的临界电流,SQUID输出一个基础电压。
2. 当外磁场入射超导环,环内总磁通偏离原有整数磁通量子,超导环产生屏蔽电流,这个电流会流过两个约瑟夫森结,改变两个结的相位差:其中一个结的电流增加,另一个结的电流减少,当外磁通变化
时,两个结的电流分配差达到最大值,导致SQUID两端电压产生极值变化。
3. 电压随外磁通的变化呈现周期性振荡特性,周期正好为一个磁通量子
,通过检测电压振荡的幅度和周期,就可以反推出外磁场的强度变化,实现极弱磁探测。
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