無(wú)磁杜瓦頻譜特性問(wèn)題的研究

王赤軍

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所 河北廊坊 065000)

1 前言

無(wú)磁杜瓦是超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用中一個(gè)非常重要的方面,目前的超導(dǎo)體,不管是低溫(液氦沸點(diǎn)溫度4.2K)還是高溫(液氮沸點(diǎn)溫度77K)都需在低溫下才能工作。杜瓦是超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用中必不可少的工具,由于低溫超導(dǎo)體先于高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn),所以無(wú)磁杜瓦的研究和認(rèn)識(shí)是從低溫?zé)o磁杜瓦開(kāi)始的。人們通常對(duì)無(wú)磁杜瓦的熱學(xué)特性——絕熱保溫性能很重視,當(dāng)時(shí)的主要矛盾是要有一個(gè)能使超導(dǎo)體能在其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度下工作的,而且能進(jìn)行磁測(cè)的無(wú)磁杜瓦,并且此研究是從實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始的,對(duì)頻帶沒(méi)有提出太高的要求。由于多種因素沒(méi)能廣泛地進(jìn)行推廣應(yīng)用,在需求上就不可能對(duì)其提出更多的要求,所以對(duì)無(wú)磁杜瓦本身的電學(xué)特性～頻譜特性沒(méi)有得到應(yīng)有的關(guān)注。盡管當(dāng)時(shí)這個(gè)矛盾也存在著,在地學(xué)應(yīng)用中當(dāng)時(shí)因?yàn)檫€未能深入進(jìn)行研究,不了解而沒(méi)解決此矛盾,說(shuō)不了解,實(shí)際上問(wèn)題卻是存在著的。即使低溫超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)曾有問(wèn)題沒(méi)有解決,也在地球物理勘查中做過(guò)試驗(yàn),由于試驗(yàn)的時(shí)間很短,沒(méi)真正形成生產(chǎn)力,杜瓦對(duì)被測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)有不良影響尚未來(lái)得及發(fā)現(xiàn),當(dāng)然不會(huì)對(duì)杜瓦的問(wèn)題進(jìn)行更深入的研究?，F(xiàn)在看來(lái)杜瓦的頻譜特性影響著超導(dǎo)技術(shù)的不少方面的應(yīng)用。當(dāng)時(shí)無(wú)磁杜瓦在低溫超導(dǎo)領(lǐng)域應(yīng)用中突出的矛盾是絕熱,解決無(wú)磁杜瓦的頻譜特性可能與無(wú)磁杜瓦的絕熱性能發(fā)生矛盾,所以主要解決無(wú)磁杜瓦的絕熱問(wèn)題。無(wú)磁杜瓦的頻譜特性從需求方面來(lái)說(shuō),沒(méi)有也不可能提到議事日程上來(lái)。實(shí)際上無(wú)磁杜瓦的電學(xué)特性和熱學(xué)特性需要兼顧,才能符合應(yīng)用上的需要。

圖1 無(wú)磁杜瓦結(jié)構(gòu)示意圖

杜瓦的首要功能是絕熱保溫,熱量的傳導(dǎo)方式可以通過(guò)介質(zhì)直接傳遞,熱量傳遞得快慢取決于介質(zhì)的導(dǎo)熱能力的大小。當(dāng)然對(duì)于杜瓦來(lái)說(shuō),制造杜瓦的材質(zhì)應(yīng)選用的導(dǎo)熱系數(shù)越小越好,這有利于解決無(wú)磁杜瓦的絕熱問(wèn)題。另外在無(wú)磁杜瓦的內(nèi)膽與外殼之間加一真空層以減小熱量通過(guò)介質(zhì)傳導(dǎo)造成的直接損失(見(jiàn)圖1),熱量的傳導(dǎo)方式不僅可以通過(guò)介質(zhì)直接熱傳遞,還可通過(guò)輻射熱傳遞,為了使熱量輻射損失減到最小,通常在無(wú)磁杜瓦的內(nèi)膽與外殼之間在內(nèi)膽外裹上幾十層極光滑似鏡面的敷金屬薄膜。這些似鏡面光滑的金屬薄膜可使熱量反射回去,使熱量輻射減小,目的是將熱交換降到最小。但我們的研究發(fā)現(xiàn)也正是這幾十層敷金屬薄膜使無(wú)磁杜瓦的頻帶變窄,由于這幾十層敷金屬薄膜在磁測(cè)上從電子學(xué)來(lái)看象串接了一個(gè)低通濾波器一樣。如以此無(wú)磁杜瓦用于磁場(chǎng)測(cè)量就會(huì)將外磁場(chǎng)信號(hào)中的的高頻信號(hào)截去,此金屬薄膜在外場(chǎng)作用下還會(huì)有渦流產(chǎn)生,此渦流將會(huì)激勵(lì)一個(gè)二次場(chǎng),產(chǎn)生二次磁場(chǎng)信號(hào)會(huì)疊加在待測(cè)信號(hào)上。顯而易見(jiàn),此時(shí)所獲取的信號(hào)就不能正確客觀地反映存在的磁場(chǎng)真實(shí)情況,準(zhǔn)確地說(shuō)此時(shí)測(cè)得的信號(hào)已不是外場(chǎng)信號(hào),對(duì)磁測(cè)來(lái)說(shuō)這已經(jīng)造成信號(hào)失真,在地球物理勘查的某些方法中也采用人工激勵(lì)磁場(chǎng)。如果在測(cè)量過(guò)程中信號(hào)有衰減是可以接受的,但有信號(hào)疊加在外場(chǎng)信號(hào)上,使信號(hào)失真那是絕對(duì)不能允許的。

2 在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)無(wú)磁杜瓦的一些問(wèn)題

在前言中已涉及到無(wú)磁杜瓦存在的一個(gè)主要問(wèn)題,目前的用于液氮無(wú)磁杜瓦存在的問(wèn)題主要是無(wú)磁杜瓦的頻譜特性問(wèn)題。無(wú)磁杜瓦的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1中所示無(wú)磁杜瓦外殼及內(nèi)膽都必須采用無(wú)磁材料,原因很簡(jiǎn)單,在用SQU ID進(jìn)行的測(cè)量都是進(jìn)行的弱磁測(cè)量,若不采用無(wú)磁材料做杜瓦,測(cè)出的數(shù)據(jù)將是不可信的。在超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用中制造杜瓦的材料大多采用環(huán)氧樹(shù)脂材料,就是此材料也要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試,一是取其無(wú)磁,二是取其即使在很低的溫度下仍有很高的強(qiáng)度,且不易老化,性能穩(wěn)定。圖1中所示無(wú)磁杜瓦外殼及內(nèi)膽之間有一真空層是為了加強(qiáng)絕熱而設(shè),使其減少熱傳遞;圖中所示無(wú)磁杜瓦外殼及內(nèi)膽之間,也是在真空層內(nèi),在內(nèi)膽外裹了幾十層非常光滑似鏡面的敷金屬薄膜,這是為了阻隔熱輻射以進(jìn)一步減少熱傳遞,主要是防止由于熱輻射造成的熱傳遞。目前國(guó)內(nèi)由于市場(chǎng)小還沒(méi)有無(wú)磁杜瓦的定型的商品。目前還處于需要一個(gè)研制一個(gè),盡管在研制這類(lèi)無(wú)磁杜瓦有專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家介入,無(wú)磁杜瓦的一些基本性能是有保障的,制造工藝是比較合理的,絕熱指標(biāo)達(dá)到是不成問(wèn)題的。但正如在前言中所述對(duì)無(wú)磁杜瓦的熱學(xué)特性——絕熱保溫性能很重視,但對(duì)無(wú)磁杜瓦本身的電學(xué)特性——頻譜特性沒(méi)有得到應(yīng)有的關(guān)注,影響著超導(dǎo)技術(shù)在對(duì)頻率帶寬有要求的方面的應(yīng)用。這是我們發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)技術(shù)在地球物理勘查應(yīng)用研究中的一個(gè)非常突出的矛盾,首先反映出來(lái)的是測(cè)量系統(tǒng)的頻帶不夠?qū)?而且由于無(wú)磁杜瓦的介入直接影響測(cè)量結(jié)果的信度?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)的無(wú)磁杜瓦主要有兩種:一是在上世紀(jì)70年代時(shí)用于液氦溫區(qū)的無(wú)磁杜瓦,來(lái)源一是由法國(guó)進(jìn)口的無(wú)磁杜瓦;二是國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目資助自行研制的無(wú)磁杜瓦(上世紀(jì)70年代初)。不管是哪一類(lèi)杜瓦,由于主要矛盾是絕熱,經(jīng)我們測(cè)試,低溫?zé)o磁杜瓦的頻帶都很窄,頻帶大約只有1000Hz左右。另外,在上世紀(jì)90年代由于科研需要研制在液氮溫區(qū)下使用的無(wú)磁杜瓦,與低溫?zé)o磁杜瓦相比由于絕熱要求相對(duì)低一些,所以頻帶相對(duì)寬一些,大約也只有幾千赫茲左右,也不能滿(mǎn)足勘查工作的要求。這些杜瓦的制作都是沿用在上世紀(jì)70年代用于液氦溫區(qū)的無(wú)磁杜瓦的研制經(jīng)驗(yàn)照搬過(guò)來(lái)的,而且體積過(guò)大,重量也過(guò)重,對(duì)野外作業(yè)不太方便。

3 對(duì)無(wú)磁杜瓦一些問(wèn)題的分析及改進(jìn)辦法

在上節(jié)中涉及無(wú)磁杜瓦一些問(wèn)題是我們?cè)谶M(jìn)行高溫超導(dǎo)技術(shù)在地球物理勘查應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)的。針對(duì)無(wú)磁杜瓦的頻帶窄,我們?cè)O(shè)計(jì)了無(wú)磁杜瓦頻帶測(cè)試方法,并對(duì)無(wú)磁杜瓦進(jìn)行了測(cè)試。此研究證明了無(wú)磁杜瓦的頻帶窄是由于如圖1所示的敷金屬薄膜層所致,起初以為這個(gè)敷金屬薄膜層可能就使無(wú)磁杜瓦有屏蔽作用而已,若只是單純的對(duì)信號(hào)的屏蔽作用的話(huà),那只是對(duì)信號(hào)有一定的衰減而已。但進(jìn)行仔細(xì)分析后,情況還不完全是這樣,因?yàn)闊o(wú)磁杜瓦的敷金屬薄膜層,加工時(shí)是層層裹在內(nèi)膽上的,底上就折進(jìn)去。所以層層有電通路,當(dāng)有外場(chǎng)存在時(shí),此敷金屬薄膜層在外磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生渦流,此渦流形成磁場(chǎng)(激發(fā)了二次場(chǎng)其值與敷金屬薄膜層的形狀、層數(shù)有關(guān))疊加在外場(chǎng)值上。此敷金屬薄膜層也等效于在接收磁場(chǎng)的SQU ID外加了相當(dāng)于電感的線(xiàn)圈。不管怎么說(shuō),這對(duì)磁測(cè)是有很大影響的,尤其是弱磁測(cè)量上,此時(shí)測(cè)出的磁場(chǎng)值是外場(chǎng)和二次場(chǎng)的疊加值。試驗(yàn)中,先把測(cè)量線(xiàn)圈(接收線(xiàn)圈)放入能產(chǎn)生一個(gè)已知磁場(chǎng)的線(xiàn)圈中,線(xiàn)圈加上外場(chǎng)信號(hào)后測(cè)出接收線(xiàn)圈的幅頻特性,然后把測(cè)量線(xiàn)圈放在模擬杜瓦中,外場(chǎng)的信號(hào)與單測(cè)接收線(xiàn)圈的頻譜特性方法是完全一樣的,測(cè)出另一條曲線(xiàn)就是模擬杜瓦的幅頻特性曲線(xiàn)。把這兩條曲線(xiàn)放在一幅圖上就不難看出問(wèn)題來(lái)了(見(jiàn)圖2)模擬杜瓦的幅頻特性曲線(xiàn)與接收線(xiàn)圈的幅頻特性在20k Hz左右后兩條曲線(xiàn)就開(kāi)始分叉了。若裹敷金屬薄膜層不是因?yàn)槟M杜瓦中有產(chǎn)生渦流而有附加磁場(chǎng)疊加的話(huà),這兩條曲線(xiàn)沒(méi)有理由分杈,應(yīng)該完全重合才對(duì),從兩條曲線(xiàn)來(lái)看,在20k Hz左右后模擬杜瓦的幅頻特性曲線(xiàn)幅度反而高出接收線(xiàn)圈的幅頻特性曲線(xiàn)幅度,從此曲線(xiàn)比較就可證明我們的推斷的正確性。

圖2 接收線(xiàn)圈和模擬杜瓦幅頻特性比較

只要采用超導(dǎo)技術(shù),無(wú)磁杜瓦就是不可或缺的,所以必須解決這個(gè)矛盾。為此做了模擬試驗(yàn),試驗(yàn)的結(jié)果是使敷金屬薄膜層上只要沒(méi)有電通路,切斷其產(chǎn)生渦流的條件,問(wèn)題就可以迎刃而解了,也就是說(shuō)開(kāi)了一個(gè)磁窗口。我們與上海交大一起研制成功了能在地球物理勘查技術(shù)中電磁法上應(yīng)用的無(wú)磁杜瓦。此無(wú)磁杜瓦的性能如下:

頻率帶寬:0～100k Hz;

容積:5L;

無(wú)載蒸發(fā)量:8日。

外型尺寸:Φ210×540mm

圖3 高溫超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)在新、老杜瓦中測(cè)量的曲線(xiàn)

新研制成功的杜瓦也與在上世紀(jì)80年代研制的液氮杜瓦進(jìn)行過(guò)在 TEM法上測(cè)試比較(見(jiàn)圖3)。圖中使用老杜瓦測(cè)量外磁場(chǎng)值曲線(xiàn)在幅值上都高于使用新杜瓦測(cè)量外磁場(chǎng)值,在此圖中曲線(xiàn)中同樣可看出新研制成功的杜瓦的優(yōu)點(diǎn)。此新杜瓦用于地球物理勘查技術(shù)中的電磁法上,從電學(xué)特性上來(lái)看是沒(méi)有太大的問(wèn)題了;但若要用于航空電磁法上還必需解決杜瓦結(jié)構(gòu)上的堅(jiān)固性問(wèn)題;若需航測(cè)則航行移動(dòng)帶來(lái)的切割磁力線(xiàn)造成的磁干擾及由于飛機(jī)振動(dòng)引起的噪聲等問(wèn)題。當(dāng)然這些問(wèn)題有些問(wèn)題可通過(guò)改進(jìn)杜瓦結(jié)構(gòu)來(lái)解決,有些問(wèn)題可能光通過(guò)改進(jìn)杜瓦結(jié)構(gòu)是不能解決的,譬如說(shuō)飛行移動(dòng)帶來(lái)的切割磁力線(xiàn)造成的磁干擾等,可能需要在數(shù)據(jù)處理上做一些工作了。

就地球物理勘查技術(shù)中的電磁法(除航空電磁法外),現(xiàn)研制成功的無(wú)磁杜瓦的電學(xué)指標(biāo)及其它性能指標(biāo)都已經(jīng)能夠滿(mǎn)足電磁法的要求了。

4 結(jié)語(yǔ)

自上世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體以來(lái),高溫超導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)有了飛速的發(fā)展。科研成果的取得及科技進(jìn)步的目的應(yīng)該是能將這些用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)去發(fā)展生產(chǎn)力,但這些成果距實(shí)際應(yīng)用都還有一段距離,若無(wú)人去做工作,這段距離永遠(yuǎn)不會(huì)縮短,高技術(shù)成果還是高技術(shù)成果,高技術(shù)成果不會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力,只能被束之高閣。因?yàn)楫?dāng)前的超導(dǎo)體它必須在一定的低溫下才有超導(dǎo)特性;SQU ID又是一個(gè)弱磁測(cè)量傳感器,裝載它的容器必須是無(wú)磁的,不然在傳感器測(cè)出的值就會(huì)有杜瓦貢獻(xiàn)的成分;測(cè)出的信號(hào)就不完全是外場(chǎng)真實(shí)信號(hào)而失真了。盡管無(wú)磁杜瓦盡管不是超導(dǎo)技術(shù)中的主流技術(shù),但在超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用中卻是一個(gè)不可或缺的工具。若有問(wèn)題的話(huà),將直接影響應(yīng)用,就這些枝微末節(jié)的因素有時(shí)會(huì)成為成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用成敗的關(guān)鍵所在。聯(lián)想到在我國(guó)每年有成千上萬(wàn)的科研成果出來(lái),但這些成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力卻為數(shù)很少。除了體制本身的問(wèn)題外,大家都熱心關(guān)注主流課題,對(duì)一些枝微末節(jié)的問(wèn)題關(guān)注不夠不能說(shuō)不是一個(gè)原因。就杜瓦來(lái)說(shuō)還有不少問(wèn)題值得去研究解決,譬如就高溫超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用中的杜瓦說(shuō),杜瓦的內(nèi)膽與外殼的結(jié)合部是杜瓦強(qiáng)度最薄弱的地方,又是應(yīng)力集中的地方,因?yàn)榘釀?dòng)很容易在此處裂開(kāi)損壞而不能繼續(xù)使用,特別在需要經(jīng)常移動(dòng)和野外作業(yè)的應(yīng)用處就會(huì)有較大的困難;另還有空氣中有水份,在杜瓦頸處會(huì)凝成水后結(jié)冰;液氮在杜瓦中是與空氣密切接觸的,空氣中其它高沸點(diǎn)氣體會(huì)被冷凍進(jìn)液氮里,其它高沸點(diǎn)氣體的比重若是比液氮輕,這可能無(wú)妨大局,因?yàn)樗≡谝旱嫔蠒?huì)先行揮發(fā),但若是比液氮重就會(huì)沉入杜瓦底,其沸點(diǎn)高會(huì)使超導(dǎo)器件沒(méi)有工作在超導(dǎo)態(tài)中等等。這些問(wèn)題暫時(shí)雖無(wú)妨大局,但最終都需有人去研究,并加以解決。

對(duì)新研制成功無(wú)磁杜瓦進(jìn)行過(guò)頻譜特性測(cè)試(見(jiàn)圖4),從此頻譜特性來(lái)看,此無(wú)磁杜瓦的頻率帶寬大于100k Hz。

圖4 新研制成功無(wú)磁杜瓦頻譜特性