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超導(dǎo)量子干涉磁測(cè)量(squid)的工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域分析
來源: 時(shí)間:2023-11-07 14:21:27 瀏覽:5601次

超導(dǎo)量子干涉磁測(cè)量(squid)的工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域分析

 

超導(dǎo)量子干涉磁測(cè)量SQUIDSuperconducting Quantum Interference Device)是一種具有極高靈敏度的磁場(chǎng)探測(cè)器,其工作原理基于磁通量子化和約瑟夫森效應(yīng)。SQUID 在磁信號(hào)探測(cè)、生物磁測(cè)量、大地磁測(cè)量、磁成像以及其他精密電磁測(cè)量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

 

 

 

一、工作原理

SQUID 實(shí)質(zhì)上是一種將磁通轉(zhuǎn)化為電壓的磁傳感器。它由兩個(gè)超導(dǎo)結(jié)組成,分別稱為輸入結(jié)和輸出結(jié)。當(dāng)外部磁場(chǎng)作用于輸入結(jié)時(shí),磁通量發(fā)生變化,進(jìn)而引起輸出結(jié)的電流變化。SQUID 的靈敏度極高,能檢測(cè)出相當(dāng)于地球磁場(chǎng)近 1000 億分之一的變化。

1. 磁通量子化:超導(dǎo)材料在特定條件下,磁通會(huì)以量子化的方式穿過超導(dǎo)環(huán)。磁通量子化的本質(zhì)是超導(dǎo)環(huán)中的磁通在變化時(shí),會(huì)以整數(shù)倍的量子化值為增量。這個(gè)量子化值通常稱為磁通量子Φ0

2. 約瑟夫森效應(yīng):當(dāng)兩個(gè)超導(dǎo)結(jié)通過一個(gè)細(xì)小的 normal 金屬線(稱為約瑟夫森結(jié))連接時(shí),會(huì)在結(jié)間產(chǎn)生電勢(shì)差。當(dāng)外部磁場(chǎng)作用于結(jié)區(qū)時(shí),結(jié)內(nèi)的電流發(fā)生變化,從而引起電勢(shì)差的變化。利用這一效應(yīng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量。

 

二、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 生物磁測(cè)量:SQUID 可用于檢測(cè)生物體內(nèi)部的磁場(chǎng),如腦磁場(chǎng)、心臟磁場(chǎng)等在生物磁測(cè)量領(lǐng)域,SQUID 技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)等領(lǐng)域,有助于深入了解生物體的功能和機(jī)制。

2. 大地磁測(cè)量:SQUID 可用于測(cè)量地球磁場(chǎng)及其變化,在地磁測(cè)量領(lǐng)域具有重要意義;通過大地磁測(cè)量,可以研究地球內(nèi)部的物理過程,如地殼運(yùn)動(dòng)、地幔對(duì)流等,為地震預(yù)測(cè)和地質(zhì)勘探提供重要依據(jù)。

3. 磁成像:SQUID 技術(shù)在磁成像領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用,如磁共振成像MRI)等MRI 利用射頻信號(hào)對(duì)生物體內(nèi)部進(jìn)行成像,而 SQUID 可以檢測(cè)射頻信號(hào)中的微弱磁場(chǎng),從而提高成像質(zhì)量和分辨率。

4. 精密電磁測(cè)量:SQUID 在精密電磁測(cè)量領(lǐng)域具有極高的靈敏度,可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行極高精度的磁場(chǎng)測(cè)量、電場(chǎng)測(cè)量等。

5. 工業(yè)領(lǐng)域:SQUID 技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用,如磁性材料生產(chǎn)、磁性器件制造、電磁兼容性測(cè)試等。

6. 國(guó)防領(lǐng)域:SQUID 技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域具有重要作用,如磁性探測(cè)、磁場(chǎng)屏蔽等。

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