用于海洋研究的HTc SQUID磁强计阵列初探

Wireless electro-magnetic (WEM) project forms the high SNR ELF/SLF artificial signal coverage of the territory and territorial waters of our nation. HTc SQUID magnetometer will promote the innovation and breakthroughs in the ELF radio technology used in marine environment. The research and application abilities of HTc SQUID in our country have been among world’s leadings, but marine research requires the potential for further improvement of HTc SQUID’s sensitivity. Due to the intrinsic features of high temperature superconducting materials (HTSC), technological barriers lie in the improvement of the sensitivity of HTc SQUID. HTc SQUID magnetometer array is the most feasible technology that could meet the increasingly higher magnetic sensitivity demands in the marine research. The study on HTc SQUID magnetometer array will form the important basis of the research and developing abilities of marine ELF radio technology..Based on the current research status, future development and application demands of HTc SQUID magnetometer, this project will conduct (1) research on HTc SQUID magnetometer array and improve the output SNR by the effect of coherent detection, break through the technological barriers of acquiring higher magnetic sensitivity imposed by the features and current research status of HTSC, establish effective methods and abilities for the improvement of HTc SQUID’s sensitivity; (2) with consideration of the marine noise suppressing, HTc SQUID magnetometer would be used for the measurement and research of the noise particularly exhibited by the ocean to acquire preliminary understanding of its noise pattern and then a reliable foundation for the use of HTc SQUID technology in marine research and applications could be laid.

极低频探地（WEM）工程形成对我国领土、领海高信噪比极低频/超低频人工信号的覆盖能力，高温超导量子干涉器（HTc SQUID）磁强计技术能促进海洋研究的极低频无线电方法创新和突破，但海洋研究要求HTc SQUID的灵敏度尽可能高。HTc SQUID磁强计阵列是实现海洋研究对灵敏度更高要求最可能的技术，它的研究将形成海洋极低频无线电研究和开发能力的重要基础。.针对HTc SQUID磁强计在海洋研究中的应用需求，本项目拟开展（1） HTc SQUID磁强计阵列研究，通过相干检测效果使阵列输出信噪比获得提高，突破高温超导材料特点对更高磁场灵敏度获得造成的限制，形成提高灵敏度的有效方法和能力；（2）紧密结合对海洋特有噪声的抑制需求，使用HTc SQUID磁强计对海洋特有噪声谱特性开展模拟测量和研究，获得对该噪声的初步认识。从而为HTc SQUID技术用于海洋研究及其开发应用创造条件。

HTc SQUID磁强计具有很好的低频响应，很低的磁场噪声，所需制冷技术特别便宜和成熟（相对于LTc SQUID磁强计技术）。在需要对频率特别低、幅度特别小的磁场实施高分辨测量时，HTc SQUID磁强计技术被认为是一个值得探索的技术。但囿于高温超导材料的陶瓷属性和发展现状，今天HTc SQUID磁强计设计仍然得到磁通变压器技术支持，以至于HTc SQUID磁强计的灵敏度还不能满足一些重要应用的要求。显然，能否在现有条件下进一步提高HTc SQUID磁强计的检测灵敏度，是HTc SQUID磁强计在许多重要应用领域中成功应用必须突破的关键技术。但我们知道这是一个横亘在HTc SQUID磁强计应用基础研究多年的技术瓶颈。.针对HTc SQUID磁强计技术的现有问题和重要应用需求，本项目对以下内容进行了深入研究：（1）以HTc SQUID磁强计阵列样机研制为目的，从HTc SQUID芯片、谐振器/磁聚焦器组件制备工艺、磁通锁定电路射频前端的噪声性能的优化设计，HTc SQUID探头与磁通锁定电路射频前端间的相互作用等问题入手，研制完成数套性能指标一致性较好，噪声低摆率高，满足HTc SQUID磁强计阵列搭建要求的HTc SQUID探头和磁通锁定电路。（2）分别在强度不同的噪声背景和不同运动方式下对HTc SQUID磁强计、HTc SQUID磁强计阵列的工作特性进行了测量、研究和对比研究，突破了传统HTc SQUID磁强计设计很难/不能在地球磁场背景下稳定/移动工作的限制，实现了HTc SQUID磁强计阵列在地球磁场中低速运动（平移和晃动）条件下有使用意义的较长锁定工作。（3）提出并实验了用HTc SQUID磁强计做为背景磁场探测器的环境磁场补偿系统，使受到轨道交通运行产生磁场严重影响的北京大学简易磁屏蔽室内的工作环境得到极大改善。这为相关技术在海洋和航空应用打下坚实基础。.上述工作不但是HTc SQUID磁强计技术在海洋和航空应用领域应用的一个有意义的基础应用研究，同时也构成了这些应用的重要研究基础。我们认为，这个研究不但有广阔的发展空间，随着工作的进一步深入，必将形成实用价值很高的新技术。