磁性测量原理篇之电磁感应定律课件

中国科学院物理研究所 通用实验技术公共课程磁性测量赵同云磁学国家重点实验室Sunday,May 19,2024第五讲：磁矩检测的原理 中国科学院物理研究所 通用实验技术公共课程磁性测量赵声 明 本讲稿中引用的图、表、数据全部取自公开发表的书籍、文献、论文，而且仅为教学使用，任何人不得将其用于商业目的。2声 明 本讲稿中引用的图、表、数据全部取自基于电磁感应定律测量磁矩通用步骤参考样品冲击法磁偶极子(假设）互易性原理、检测线圈设计磁通检测技术方法3基于电磁感应定律测量磁矩通用步骤3磁矩测量的通用步骤感应电势的测量感应电势磁矩关系的标定检测线圈的设计制作tV tV tV 4磁矩测量的通用步骤感应电势的测量tVtVtV4检测过程公式推导：磁矩 磁场 磁通量 感应电势例如，单匝检测线圈内的磁通量：单匝检测线圈内的感应电势：m实际测量：磁矩 磁场 磁通量 感应电势5检测过程公式推导：磁矩 磁场 磁通量 感应电势例磁矩的定标：标准参考样品镍球（NIST）：饱和磁矩钯圆柱体：磁化率镍圆柱体：饱和磁化强度Dy2O3：磁化率6磁矩的定标：标准参考样品镍球（NIST）：饱和磁矩6磁矩量具及检定永磁体：钴钢形状0.1 Am2100 Am20.20.1旋转椭球或圆柱体量值范围准确度磁矩标定17磁矩量具及检定永磁体：钴钢形状0.1 Am2100 Am2磁矩量具及检定载流线圈：安培环路任意形状单层螺线管：圆筒形线圈zrLD磁矩标定28磁矩量具及检定载流线圈：安培环路任意形状单层螺线管：圆筒形线磁矩量具及检定检定系统：中国尚未建立独立的检定系统磁矩的绝对测量标准样品：镍球磁矩的相对测量地磁经纬仪（magnetism theodolite）磁强计（magnetometer）IEC：1989年温度饱和磁化强度 比饱和磁化强度23 C485.6 kA/m54.56 Am2/kg磁矩标定39磁矩量具及检定检定系统：中国尚未建立独立的检定系统磁矩的绝对常用磁矩标准参考样品Pd圆柱体（QD公司的设备使用）美国NIST的编号：SRM 765；现已撤销。温度（K）磁化率g（106 cm3/g）2955.282965.272975.262985.252995.24Quantum Design,MPMS Application Note 1041-001,“Palladium Reference Samples”磁矩（emu）g 磁场(Oe)质量(g)磁矩标定410常用磁矩标准参考样品Pd圆柱体（QD公司的设备使用）美国NI常用磁矩标准参考样品Ni球（美国NIST的磁矩标准参考样品）美国NIST的编号：SRM 772a；有效。磁场修正温度修正在298 K，398 kA/m时，此镍球的磁矩为镍球参数：质量63.16 mg；直径2.383 mm；磁矩标定511常用磁矩标准参考样品Ni球（美国NIST的磁矩标准参考样品）冲 击 法冲击法1最具（电磁感应）原理性的磁通测量方法J为转动惯量，为偏转角，P为阻尼系数w为扭转系数，B0为转动线圈处磁场强度，A和N为转动线圈面积和匝数，i为瞬时电流H线圈B线圈样品冲击检流计12冲 击 法冲击法1最具（电磁感应）原理性的磁通测量方法J冲 击 法冲击法2应尽量满足的条件灵敏度1.脉冲电流完毕之后，电流计线圈开始转动：电流计线圈的转动惯量越大，越满足此条件。2.检流计处于临界阻尼状态；检流计比较慢地达到最大读数，很快降为零。3.被测磁通应尽量为瞬时变化：非瞬时变化引入很大的测量不确定度。4.线圈的自由振荡周期要远大于磁通变化的时间 一般在10倍以上。5.需要测定冲击检流计的冲击常数C 使用互感系数M已知的互感线圈。13冲 击 法冲击法2应尽量满足的条件灵敏度脉冲电流完毕之冲 击 法冲击法3冲击法的优点 1、可以开路、闭路测量；2、仪器设备简单。闭路：磁路闭合开路：磁路不闭合NS冲击法的缺点 1、积分式数据采集：零点漂移；2、要求使用具有特定形状的样品；3、灵敏度较低。等截面积（常数）14冲 击 法冲击法3冲击法的优点闭路：磁路闭合NS冲击法的冲击法的原型使用教学演示实验：电磁感应定律工业：发电机工业：磁体的磁性能测量迴线仪：永磁材料的永磁性能检测美国KJS公司中国计量科学研究院德国MagnetPhysik公司NIM2000系列Permagraph系列HG50015冲击法的原型使用教学演示实验：电磁感应定律工业：发电机工业：磁通检测技术方法1、电压积分器2、锁相放大器3、SQUID4、示波器磁通信号的采集技术原理和方法tV 16磁通检测技术方法1、电压积分器磁通信号的采集技术原理和方法t1、电压积分器机械式：冲击检流计电子式：电子积分器模拟电子积分器数字电子积分器虚拟电子积分器171、电压积分器机械式：冲击检流计模拟电子积分器17冲击检流计Ballistic Galvanometer18冲击检流计Ballistic Galvanometer18冲击检流计冲击检流计上海精密科学仪器有限公司AC4/3型直流镜式检流计19冲击检流计冲击检流计上海精密科学仪器有限公司AC4/3型直流冲击检流计结构示意图检流计120冲击检流计结构示意图检流计120冲击检流计运动方程检流计2(t)为偏转角；J 为转动惯量；P 为阻尼系数；w 为扭转系数；B0为转动线圈所处位置的稳恒磁场强度；A 和 N 分别为转动线圈的面积和匝数；i(t)为瞬时电流。转动线圈内的最大磁通量：B0 A N 。21冲击检流计运动方程检流计2(t)为偏转角；J 为转动惯冲击检流计运动方程检流计322冲击检流计运动方程检流计322阻尼度运动方程最大偏转角所需时间无阻尼 0欠阻尼0 0冲击检流计运动方程的解检流计423阻尼度运动方程最大偏转角所需时间无阻尼欠阻尼临界阻尼过阻尼冲冲击检流计运动方程的解 =0无阻尼24冲击检流计运动方程的解 =0无阻尼24冲击检流计运动方程的解 =0无阻尼25冲击检流计运动方程的解 =0无阻尼25冲击检流计运动方程的解 0欠阻尼26冲击检流计运动方程的解 0欠阻尼26冲击检流计运动方程的解 0欠阻尼27冲击检流计运动方程的解 0过阻尼30冲击检流计运动方程的解 0过阻尼30冲击检流计运动方程的解 0过阻尼31冲击检流计运动方程的解 0过阻尼31“具有关于细节的全部知识”2008年诺贝尔物理学奖，由美籍日本科学家南部阳一郎（Yoichiro Nambu）、两位位日本科学家小林诚（Makoto Kobayashi）与益川敏英（Toshihide Maskawa）共同获得。32“具有关于细节的全部知识”2008年诺贝尔物理学奖，由美籍日“具有关于细节的全部知识”1914年，衰变的射线能量连续谱（J.Chadwich）1930年，无静止质量、不带电荷的“中子”（W.E.Pauli）1932年，原子核内部的“真正的”中子(neutron）（J.Chadwich）1933年，中微子（neutrino）、衰变定量理论（E.Fermi）1955年，实验中检测到中微子（F.Reines、C.L.Cowan）1939年，太阳发光理论（H.A.Bethe）1964年1994年，太阳中微子的检测（R.Davis Jr，615吨四氯乙烯，1500 米深的废（金）矿，30 年，1997个中微子）1987年，大麦哲伦星系中爆发一颗超新星（小柴昌俊，1000米深的（砷）矿井，2140吨纯水，1100个光电倍增管，12个中微子）2002年诺贝尔物理学奖，由美国科学家里卡尔多贾科尼（Riccardo Giacconi）、雷蒙德戴维斯（Raymond Davis Jr）和日本科学家小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）共同获得。长寿！H.Friedman,B.Rossi,R.Giacconi唐先生讳孝威33“具有关于细节的全部知识”1914年，衰变的射线能量连续磁通冲击常数的测定电量冲击常数：CQ（单位C/mm）检流计5磁通冲击常数：C （单位Wb/mm）当脉冲电流（电量Q）通过时，检流计的偏转角为max，则当磁通变化产生的脉冲电流（电量Q）通过检流计时，则34磁通冲击常数的测定电量冲击常数：CQ（单位C/mm）检流计5电子式积分器Electronic Integrator35电子式积分器Electronic Integrator35电子式积分器UoUiAR1RPCR2积分器的电路原理图积分器1ttUiUo感应电势磁通量36电子式积分器UoUiAR1RPCR2积分器的电路原理图积分器电子式积分器数字化：A/D转换积分器2积分式双积分式、三斜积分式、脉冲调宽式、电压频率式非积分式（锯齿波、阶梯波）斜坡式、（逐次逼近、并行）比较式电压采集卡的“位”：nA/D位数8位10位12位16位17位V0(mV)39.06259.7656252.441406250.1525878906250.076293945312523位：1.1921 V37电子式积分器数字化：A/D转换积分器2积分式双积分式、三斜积电子式积分器虚拟化：软件积分器积分器3例如，NI 的 LabViewUoUiAR1RPCR2Integration.viNumeric Integration.viIntegral x(t).vi38电子式积分器虚拟化：软件积分器积分器3例如，NI 的 Lab点 磁偶极子 假设the presumed point dipole将被测样品作为点磁偶极子对待39点 磁偶极子 假设the presumed point di磁（偶）极子假设磁偶极子1+qm-qmlIR磁偶极矩：电流环磁矩：电流环中心磁场强度：点磁荷电流环与磁偶极子等效模型：xyz40磁（偶）极子假设磁偶极子1+qm-qmlIR磁偶极矩：电磁偶极子磁场的空间分布完整表达式：距离 r 处S点点的磁场强度+qm-qmlIRxyzrS0041磁偶极子磁场的空间分布完整表达式：距离 r 处S点的磁场强度磁偶极子磁场的空间分布完整表达式：距离 r 处S的磁场强度+qm-qmlIRxyzrS42磁偶极子磁场的空间分布完整表达式：距离 r 处S的磁场强度+磁（偶）极子假设磁偶极子2点磁偶极子（point dipole）xyzO(x0,y0,z)(x,y,0)检测线圈rc检测线圈内的磁通量：空间任意位置的磁场强度：43磁（偶）极子假设磁偶极子2点磁偶极子（point dipol磁（偶）极子假设磁偶极子3点磁偶极子与检测线圈平面内任一点的距离：点磁偶极子（point dipole）圆柱面坐标系：检测线圈位于z0，法线沿着z方向检测线圈内任一位置的坐标：（,0）点磁偶极子的位置坐标：（rc,0,z(t)）44磁（偶）极子假设磁偶极子3点磁偶极子与检测线圈平面内任一点的磁（偶）极子假设磁偶极子4（i）点磁偶极子位于检测线圈的轴线上：0点磁偶极子（point dipole）检测线圈内的磁通量：一般情况没有解析解则，单匝检测线圈内的磁通量：单匝检测线圈内的感应电势：圆形线圈45磁（偶）极子假设磁偶极子4（i）点磁偶极子位于检测线圈的轴线磁（偶）极子假设磁偶极子5（ii）点磁偶极子偏离检测线圈的轴线：0点磁偶极子（point dipole）则，单匝检测线圈内的磁通量：K(k)和E(k)：第一类、第二类完全椭圆积分46磁（偶）极子假设磁偶极子5（ii）点磁偶极子偏离检测线圈的轴完全椭圆积分的级数展开47完全椭圆积分的级数展开47磁（偶）极子假设磁偶极子6（ii）点磁偶极子偏离检测线圈的轴线：0点磁偶极子（point dipole）单匝检测线圈内的磁通量：级数展开48磁（偶）极子假设磁偶极子6（ii）点磁偶极子偏离检测线圈的轴重新整理49重新整理49磁（偶）极子假设磁偶极子7（ii）点磁偶极子偏离检测线圈的轴线：0点磁偶极子（point dipole）单匝检测线圈内的磁通量：n2rcz(t)Helmholtz线圈 rc在sign处，磁矩与磁场方向相反！50磁（偶）极子假设磁偶极子7（ii）点磁偶极子偏离检测线圈的轴磁（偶）极子假设磁偶极子8（ii）点磁偶极子偏离检测线圈的轴线：0点磁偶极子（point dipole）单匝检测线圈内的感应电势：n251磁（偶）极子假设磁偶极子8（ii）点磁偶极子偏离检测线圈的轴磁（偶）极子假设磁偶极子9点磁偶极子（point dipole）多匝检测线圈内的感应电势：单匝线圈+一级梯度线圈+二级梯度线圈+52磁（偶）极子假设磁偶极子9点磁偶极子（point dipol磁通量与点磁偶极子位置单检测线圈：可以测量均匀磁场的变化单匝线圈+53磁通量与点磁偶极子位置单检测线圈：可以测量均匀磁场的变化单匝磁通量与点磁偶极子位置一级梯度线圈：可以抵消均匀磁场ACMSVSM一级梯度线圈+54磁通量与点磁偶极子位置一级梯度线圈：可以抵消均匀磁场ACMS磁通量与点磁偶极子位置二级梯度线圈：可以抵消均匀的背景MPMSSVSM二级梯度线圈+55磁通量与点磁偶极子位置二级梯度线圈：可以抵消均匀的背景MPM磁（偶）极子假设磁偶极子10实际样品（几何尺寸）检测线圈内的磁通量：检测线圈内的磁场强度：取自：U.Auerlechner,et al.,Meas.Sci.Technol.9(1998)989-1006.56磁（偶）极子假设磁偶极子10实际样品（几何尺寸）检测线圈内的样品与检测线圈的几何尺寸参考文献1.U.Ausserlechner,P.Kasperkovitz,and W.Steiner,“Pick-up systems for vibrating sample magnetometers a theoretical discussion based on magnetic multipole expansions,”Meas.Sci.Technol.,5(1994),213-225.2.A.C.Bruno and P.Costa Ribeiro,“Spatial Fourier calibration method for multichannel SQUID magnetometers,”Rev.Sci.Instrum.,62(4)(1991)1005-1009.3.P.Stamenov and J.M.D.Coey,“Sample size,position,and structure effects on magnetization measurements using second-order gradiometer pickup coils,”Rev.Sci.Instrum.,77(2006)1015106.4.Quantum Design,“Accuracy of the reported moment:axial and radial sample positioning error,”Application Note 1500-010.5.Quantum Design,“Accuracy of the reported moment:sample shape effects,”Application Note 1500-015.57样品与检测线圈的几何尺寸参考文献U.Ausserlechn检测线圈的设计互易性原理the principle of reciprocity确定检测线圈的适用范围和原则58检测线圈的设计互易性原理the principle of 互易性原理互易性原理1磁矩 m 在检测线圈中所产生的磁通量 ，等价于 此检测线圈通以电流 I 时在样品位置处所产生的磁场 B 的磁通量：互易性原理（principle of reciprocity）rcz(t)ImBiotSavart定律59互易性原理互易性原理1磁矩 m 在检测线圈中所产生的磁通量 互易性原理互易性原理2均匀磁化（homogeneous magnetization）rcz(t)Im 圆形电流线圈的磁场（春）gcoil：几何（位置）灵敏因子小样品！60互易性原理互易性原理2均匀磁化（homogeneous ma互易性原理互易性原理3非均匀磁化（inhomogeneous magnetization）非旋转椭球体，大样品！61互易性原理互易性原理3非均匀磁化（inhomogeneous互易性原理的本质互易性原理41、磁矩和电流环的等价性2、线圈的互感系数+qm-qmlIRxyz任意形状的电流环：62互易性原理的本质互易性原理41、磁矩和电流环的等价性+qm互易性原理的本质互易性原理51、磁矩和电流环的等价性2、线圈的互感系数对于线电流：IiIk多个线圈之间的相互作用能量：63互易性原理的本质互易性原理51、磁矩和电流环的等价性对于线电互易性原理的本质互易性原理61、磁矩和电流环的等价性2、线圈的互感系数IiIk互感磁通量：64互易性原理的本质互易性原理61、磁矩和电流环的等价性IiIk互易性原理的意义互易性原理7单匝检测线圈65互易性原理的意义互易性原理7单匝检测线圈65互易性原理的意义互易性原理8多匝检测线圈2a2 a2 a细导线构成的线圈：66互易性原理的意义互易性原理8多匝检测线圈2a2 a2 a几何（位置）灵敏因子VSM9原理性计算（单匝线圈）一级梯度线圈+B线圈截面法线方向永远与外磁场方向一致平行于线圈轴向的分量：线圈半径：rc沿着线圈径向的分量：rc圆柱面坐标系z 方向为零67几何（位置）灵敏因子VSM9原理性计算（单匝线圈）一级梯度线几何（位置）灵敏因子VSM10平行于线圈轴向运动一级梯度线圈+B轴向（z 方向）分量：zrcm68几何（位置）灵敏因子VSM10平行于线圈轴向运动一级梯度线圈几何（位置）灵敏因子VSM11平行于线圈轴向运动在轴线上的灵敏因子：基于超导磁体的VSM系列，如QD：PPMS_VSM；SQUID_VSMOxford：MagLab69几何（位置）灵敏因子VSM11平行于线圈轴向运动在轴线上的灵中国计量科学研究院磁性测量室rc（借用）70中国计量科学研究院rc（借用）70Helmholtz配置：rc平行于轴向Mathematica作图+71Helmholtz配置：rc平行于轴向Mathemati等高线72等高线72最均匀配置：3rc平行于轴向Mathematica作图+73最均匀配置：3rc平行于轴向Mathematica作图远距离配置：2rc平行于轴向Mathematica作图+74远距离配置：2rc平行于轴向Mathematica作图几何（位置）灵敏因子VSM10垂直于线圈轴向运动一级梯度线圈+B径向（方向）分量：zrcm75几何（位置）灵敏因子VSM10垂直于线圈轴向运动一级梯度线圈几何（位置）灵敏因子VSM11垂直于线圈轴向运动灵敏因子：沿着 方向（x,y方向）基于电磁铁的VSM系列，如所有的VSM（两线圈常见）Mathematica的输出一级梯度线圈+Bzrcmzx76几何（位置）灵敏因子VSM11垂直于线圈轴向运动灵敏因子：沿Helmholtz配置：rc垂直于轴向Mathematica作图+77Helmholtz配置：rc垂直于轴向Mathemati最均匀配置：3rc垂直于轴向Mathematica作图+78最均匀配置：3rc垂直于轴向Mathematica作图等高线79等高线79等高线12+80等高线12+80远距离配置：2rc垂直于轴向Mathematica作图+81远距离配置：2rc垂直于轴向Mathematica作图中国计量科学研究院磁性测量室rc（借用）82中国计量科学研究院rc（借用）82锁相放大器Lock-in Amplifier83锁相放大器Lock-in Amplifier83锁相放大器相敏检波器UoUi前置放大器+90低通滤波器AAUr锁相放大器正交矢量锁相放大器输入输出参考乘法器84锁相放大器相敏检波器UoUi前置放大器+90低通AAUr锁相放大器的起源同步检波(Synchronous detection)tu(t)同步：相位固定 微弱信号的测量假设，信号幅度10 nV，频率10 kHz假设，放大器带宽100 kHz，放大倍数1000必须进行放大输出信号：10 V噪声信号：1.6 mV85锁相放大器的起源同步检波(Synchronous dete锁相放大器的起源 放大(amplification)：简单放大不太行 带通滤波(band filter)假设，带通滤波器中心频率10 kHz，品质因数Q100噪声信号：50 V输出信号：10 V44 dB14 dB86锁相放大器的起源 放大(amplification)：简单锁相放大器的起源 特制的带通滤波器（PSD）假设，带通滤波器中心频率10 kHz，品质因数Q1000000噪声信号：0.5 V+26 dB104输出信号：10 V87锁相放大器的起源 特制的带通滤波器（PSD）假设，带通滤波器相敏检波相敏检波器：鉴相器、同步解调器锁相放大器1低通滤波器（LPF）乘法器（PD）ur(t)ui(t)ud(t)和频差频正弦鉴相器88相敏检波相敏检波器：鉴相器、同步解调器锁相放大器1低通滤波器相敏检波相敏检波器：鉴相器、同步解调器锁相放大器2ur(t)ui(t)ud(t)低通滤波器uLPF(t)当输入信号与参考信号同频时，ir 0，PD或者PSD0.01 Hz89相敏检波相敏检波器：鉴相器、同步解调器锁相放大器2ur(t)相敏检波相敏检波器：鉴相器、同步解调器锁相放大器3利用正交相敏检波：同相：正交：90相移90相敏检波相敏检波器：鉴相器、同步解调器锁相放大器3利用正交相参考信号锁相环：PLLPSD+LPF+VCO锁相放大器4vo(t)ui(t)ud(t)低通滤波器uLPF(t)PD或者PSDvo(t)锁相环ur(t)VCO：压控振荡器uLPF(t)o(t)r(t)VCOur(t)91参考信号锁相环：PLLPSD+LPF+VCO锁相放相位锁定相位锁定的过程：锁相放大器5参考信号频率捕捉uLPF(t)t92相位锁定相位锁定的过程：锁相放大器5参考信号频率捕捉uLPF数字锁相放大器数字化：DSP锁相放大器6虚拟化：软件锁相放大器ur(t)ui(t)ud(t)低通滤波器uLPF(t)ur(t)ui(t)ud(t)低通滤波器uLPF(t)DSP(Digital Signal Processor)A/D93数字锁相放大器数字化：DSP锁相放大器6虚拟化：软件锁相放大数字锁相放大器晶体振荡器锁相放大器7C0CqrqLqZ(0)晶振基频等效电路晶振的阻抗曲线晶振的阻抗曲线OXsp94数字锁相放大器晶体振荡器锁相放大器7C0CqrqLqZ(数字锁相放大器晶体振荡器的调频锁相放大器8调频电压变容二极管输出频率合成VCO直接式频率合成：步进大；间接式（锁相环）频率合成：切换时间长；直接数字式频率合成：步进小、切换时间短。95数字锁相放大器晶体振荡器的调频锁相放大器8调频电压变容二极管锁相放大器天才的发现锁相放大器91962年第一台商品化锁相放大器：LIA美国EG&G公司（现名Signal Recovery）1932年，Henri de Bellescize，提出同步检波理论：PLL（Phase Locked Loop）“La rception synchrone,”LOnde lectrique,Vol.11(1932)230-240.Robert Henry Dicke(1916.05.06-1997.03.04)“The measurement of thermal radiation at microwave frequencies,”RSI,17(7)(1946)268-275.W.C.Michels and N.L.Curtis,“A pentode Lock-in ampifier of high frequency selectivity,”RSI,12(1941)444-447.C.R.Cosens,“A balance-detector for alternating-current bridges,”Proc.Phys.Sci.,46(1934)818-823.96锁相放大器天才的发现锁相放大器91962年第一台商品化锁相放锁相放大器的参数 相数：单相(single)、双相(dual)模式：模拟(analog)、数字(digital)频率范围：灵敏度：电流、电压 采样时间常数：总的测量时间 测量功能：谐波97锁相放大器的参数 相数：单相(single)、双相(du关于采样时间u 采样(sampling)：连续信号离散化采样周期TS：连续两次采样之间的时间采样频率fS：单位时间内的采样个数tu(t)T0TS信号周期T0、信号频率f098关于采样时间 采样(sampling)：连续信号离散化采样关于采样时间 采样定理(Nyquists theorem)1928年，奈奎斯特（美国贝尔实验室，Harry Nyquist）1933年，科捷利尼科夫（苏联，B.A.Kotelnikov）1948年，香农（信息论的创始人，C.E.Shannon）tu(t)Modern Sampling Theory J.J.Benedetto;P.J.S.G.Ferreira(Eds.)Springer,2001Null99关于采样时间 采样定理(Nyquists theorem关于噪声u 噪声的来源 本征噪声：Johnson噪声、shot噪声、1/f 噪声Johnson噪声：热涨落导致的噪声电压shot噪声：载流子的非均匀性导致的噪声电压1/f 噪声：电阻的非均匀性导致的噪声电压散粒噪声闪烁噪声热噪声白噪声（与频率无关）100关于噪声 噪声的来源 本征噪声：Johnson噪声、shot关于噪声u 噪声的来源 外部噪声：空间辐射干扰噪声：屏蔽线路串扰噪声：电源线、信号线传输噪声：传输介质101关于噪声 噪声的来源 外部噪声：空间辐射干扰噪声：屏蔽线路串超导量子干涉器件Superconducting QUantum Interference DeviceSQUID102超导量子干涉器件Superconducting QUant超导量子干涉器件利用环境磁场对Josephson结中两个超导体的电子波函数位相的调制作用，实现对环境磁通的测量。一般有DC SQUID（双或者多Josephson结）和RF SQUID（单Josephson结）两种类型。仅为教学使用103超导量子干涉器件利用环境磁场对Josephson结中两个超导磁通量子化类磁通量：闭合超导回路中的磁通量是量子化的通过超导环的环境磁场本身的磁通量是连续的。而Josephson结超导时所感受到的磁通量是量子化的。超导体的宏观量子化效应SQUID1104磁通量子化类磁通量：闭合超导回路中的磁通量是量子化的通过超导磁通量子化F.London（1950）利用GinzbergLandau方程：引入：BCS理论Bardeen,Cooper,SchrifferBoss,Collaborator,Student105磁通量子化F.London（1950）利用Ginzber磁通量子磁通量子0(magnetic flux quantum)SQUID2B.S.Deaver Jr.,and W.M.Fairbank,“Experimental evidence for quantized flux in superconducting cylinders,”Phys.Rev.Lett.,7(2)(1961)43-46.R.Doll and M.Nbauer,“Experimental proof of magnetic flux quantization in a superconducting ring,”Phys.Rev.Lett.,7(2)(1961)51-52.实验：106磁通量子磁通量子0(magnetic flux quan磁通量子磁偶极子的磁通量样品质量：1 g；样品密度：7.6 g/cm3；样品体积：0.13 cm3样品磁矩：1.0 Am2；检测线圈直径：10 cm检测线圈中的最大磁通量：4105 Wb1010 Am2 1011 Am2107磁通量子磁偶极子的磁通量样品质量：1 g；样品磁矩：1.0 Josephson效应超导研究的大场面：相位Nb/Al2O3/NbPb/Al2O3/PbJosephson结SSOjVBSQUID3P.W.Anderson and J.M.Rowell,“Probable observation of the Josephson superconducting tunneling effect,”Phys.Rev.Lett.,10(6)(1963)230-232.Brian David Josephson,“Probable new effects in superconductive tunneling,”Phys.Lett.,1(1962)251-253.Possible108Josephson效应超导研究的大场面：相位Nb/Al2O3生物大分子的质谱分析2002年诺贝尔化学奖（田中耕一）1987年，京都纤维工艺大学，关于分子质量测定会议田中的专利：为岛津仪器制作所创造了相当于超过1亿人民币的利润。【据说，当时仅获得公司1万1千日元的奖励。申请专利被接受时奖5千日元，被批准时6千元。】米夏埃尔卡拉斯、弗伦茨希伦坎普 一次失误！109生物大分子的质谱分析2002年诺贝尔化学奖（田中耕一）198P.W.Anderson,B.D.JosephsonPhysics Today,November 1970,23-27.110P.W.Anderson,B.D.JosephsoRemarkable thingsThe first one is that,from the original idea of a dc supercurrent,he should immediately make the all-important leap not only to the ac supercurrent but also to the mathematics of how to synchronize it with an external ac signal.Furthermore,he explained how to observe the effect in exactly the way that Sidney Shapiro did nearly two years later,3 and so predicted what is now the standard method for measuring e/h.3.S.Shapiro,Phys.Rev.Lett.11,80(1963).111Remarkable thingsThe first oneRemarkable thingsThe second remarkable thing was the initial response of our excellent patent lawyer at Bell Telephone Laboratories when John Rowell and I consulted him;in his opinion Josephsons paper was so complete that no one else was ever going to be very successful in patenting any substantial aspect of the Josephson effect。112Remarkable thingsThe second reJosephson效应Josephson方程：超导研究新纪元SQUID4B 0B 0V 0Fraunhofer衍射公式V 0孤立Josephson结的最大电流_电压_磁场关系113Josephson效应Josephson方程：超导研究新纪元Josephson效应Josephson结Josephson结超导体/绝缘体/超导体Josephson隧穿Cooper对穿过绝缘体形成电流Josephson电流V0时，穿过结的直流电流DC Josephson效应V0时，有直流隧穿电流并且存在最大超流电流；最大超流电流随外加磁场呈现周期性振荡调制。AC Josephson效应VV0，有高频振荡电流，频率为qV0/；Josephson干涉器件由超导体连接的（多个）Josephson结所构成的环SQUID5J.C.Gallop and B.W.Petley,“SQUIDs and their applications,”J.Phys.E:Sci.Instrum.,9(1976)417-429.114Josephson效应Josephson结Josephson简洁115简洁115Josephson效应量子标准：电压SQUID6CIPM(the International Committee of Weights and Measures)：从1990年1月1日起，国家基准采用Josephson效应的方法保持。电压频率转换（A43）Vf1.0 V483.5979 MHz1.0 mV483.5979 GHz116Josephson效应量子标准：电压SQUID6CIPM(超导量子干涉器件DC SQUID 与 RF SQUIDDC SQUID双结，直流BRF SQUID 单结，射频BSQUID7干涉117超导量子干涉器件DC SQUID 与 RF SQUIDDC 超导量子干涉器件的应用Scanning SQUID Microscopy(SSM)YBCOFloppy diskStrengthMagnetic FieldQuanztiedFieldSQUID8来自网页，仅为教学使用。电压电流频率磁通直接使用B118超导量子干涉器件的应用Scanning SQUID Micr超导量子干涉器件的应用SQUID+检测线圈：电压表SQUID9间接使用原因：4个(JAP,46(5)(1975)2268-2275.)1.the sample volume is larger than the aperture of the SQUID;2.it is physically inconvenient to have the sample suspended in the SQUID hole;3.the measurement is to be made in a large ambient magnetic field which might deteriorate the SQUID performance;4.it is desired that high-frequency fields in the SQUID be decoupled from the sample,and vice versa.B119超导量子干涉器件的应用SQUID+检测线圈：电压表SQU超导量子干涉器件的应用磁通变换器：Flux TransformerSQUID10间接使用xLp，NpLs，Nsi，LleadMB直接测量L最大化120超导量子干涉器件的应用磁通变换器：Flux Transfor超导量子干涉器件的应用磁通变换器：Flux TransformerSQUID11间接使用LQD：1匝+2匝+1匝1121超导量子干涉器件的应用磁通变换器：Flux Transfor超导量子干涉器件的应用磁通的间接测量：磁通负反馈SQUID12间接使用xLp，NpLs，Nsi，LLeadMLMfifrfOutputSQUID检测电路B0122超导量子干涉器件的应用磁通的间接测量：磁通负反馈SQUID1超导量子干涉器件的应用磁通的间接测量：电流负反馈SQUID13间接使用xLp，NpLs，Nsi，LLeadMLifrfOutputSQUID检测电路B0Mf123超导量子干涉器件的应用磁通的间接测量：电流负反馈SQUID1关于SQUID的参考文献1.The SQUID Handbook（I&II）John Clarke and Alex I.Braginski（eds.）Wiley 2004.Volume 1：Fundamentals and Technology of SQUIDs and SQUID Systems；Volume 2：Applications of SQUIDs and SQUID System124关于SQUID的参考文献The SQUID Handboo关于SQUID的参考文献2.Superconducting quantum interference device instruments and applications,R.L.Fagaly,Review of Scientific Instruments,77(2006)101101-45.3.SQUIDs,the Josephson effects and measurement,John Gallop,Measurement Science and Technology,2(1991)485-496.125关于SQUID的参考文献Superconducting qu关于SQUID的参考文献4.SQUID Magnetometers for Low-Frequency Applications,Tapani Ryhnen and Heikki Sepp,Journal of Low Temperature Physics,76(5&6)(1989)287-386.5.Scanning SQUID Microscopy,John R.Kirtley and John P.Wikswo,Jr,Annu Review of Materials Science,29(1999)117-148.126关于SQUID的参考文献SQUID MagnetometerSQUID信号的检测FLL：Flux-Locked Loop取自The SQUID HandbookVol.1参考点：如0/2127SQUID信号的检测FLL：Flux-Locked LoopSQUID信号的检测dc_SQUID取自The SQUID HandbookVol.1128SQUID信号的检测dc_SQUID取自The SQUIDSQUID信号的检测rf_SQUID取自The SQUID HandbookVol.1129SQUID信号的检测rf_SQUID取自The SQUID示波器Oscilloscope130示波器Oscilloscope130示波器 模拟示波器 通用示波器 多束示波器 取样示波器 记忆示波器 专用示波器 数字（存储）示波器 实时取样示波器 随机取样示波器 顺序取样示波器 虚拟示波器131示波器 模拟示波器 数字（存储）示波器 虚拟示波器131示波器 交流磁特性的测量A励磁电流控制B(t)H(t)132示波器 交流磁特性的测量A励磁电流控制B(t)H(t)132