面向航磁测量的SQUID平面梯度计运动噪声机理研究

The planar SQUID gradiometer based airborne magnetic measurement is presently regarded as the superior method for direct measurements of the magnetic full-tensor gradient fields, which has shown good potential for applications. It has advantages of high sensitivity, rich information, precise location etc. As the most critical issue of the superconducting airborne magnetic measurement, the mobile noise mechanism of planar SQUID gradiometer will be studied. From the components to the overall structure, the flux motion of the pick-up coil, the SQUID intrinsic characteristic with the air pressure and the vibration mode of planar SQUID gradiometer will be studied. By analyzing the above three main factors, the mobile noise mechanism will be indicated. This study will lay the theoretical and experimental foundation for the design, fabrication and mobile noise suppression of the planar SQUID gradiometer, as well as its development in the airborne magnetic measurements.

基于SQUID平面梯度计的航磁测量技术是目前国际上直接测量全张量磁梯度的最优方法，具有灵敏度高、信息量丰富、定位精度高等优点，已经展现出良好的应用前景。SQUID平面梯度计运动噪声是超导航磁测量面临的最关键问题。对此，本课题拟开展其机理研究。通过研究梯度接收线圈磁通运动、气压变化引起的SQUID本征特性变化及SQUID平面梯度计振动模态，从SQUID平面梯度计组成部分及整体结构方面全面解析运动噪声的主要影响因素和机理。通过本项研究，可以为高质量SQUID平面梯度计的设计制备、运动噪声抑制及航磁测量技术的发展奠定理论和实验基础。

航磁测量是一种通过飞行平台搭载磁测设备测量磁异常目标体产生的地磁扰动的方法，是地质资源普查、矿区优选、磁异常探测与定位的重要手段。SQUID全张量磁梯度测量是目前国际上直接测量全张量磁梯度的最优方案，也是该领域研究的前沿与热点。SQUID运动噪声是目前超导航空全张量磁梯度测量面临的最根本挑战，对此，本项目主要研究了梯度接收线圈磁通运动、气压变化引起的SQUID 本征特性变化及SQUID平面梯度计振动模态。研究显示，在地球磁场下，SQUID梯度计磁通蠕动的一个重要原因是寄生的超导环，引起异常的磁通跳跃输出；工作在液氦温度的SQUID输出基线漂移与杜瓦内气压变化正相关，实验系统中SQUID的磁通-温度系数约为1.23 Φ0/k；全片布胶、两点式及单点式三种布胶方式可以避免与飞机共振的发生，但全片布胶基频远高于飞机震动频率，效果最好。基于以上研究结果，本项目优化了芯片设计及制备工艺，实现了高质量SQUID平面梯度计的制备，梯度噪声水平为75 fT/(m.√Hz)，不平衡度达到了10-4量级；搭建并实现了一套气压稳定装置，使得液氦温度波动小于0.5 mK；建立了梯度计的运动噪声数学模型，开展了理论计算和实验验证，补偿后的输出为0.5 nT/m，增加涡流补偿，梯度计的峰峰值噪声可进一步降低到0.1 nT/m。本项研究为SQUID全张量磁梯度系统的运动噪声抑制及实用化应用奠定了关键基础。