王赤軍

(中國地質(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

無磁杜瓦是超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用中一個非常重要的方面,目前的超導(dǎo)體,不管是低溫(液氦沸點溫度4.2K)還是高溫(液氮沸點溫度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),所以無磁杜瓦的研究和認(rèn)識是從低溫?zé)o磁杜瓦開始的。人們通常對無磁杜瓦的熱學(xué)特性——絕熱保溫性能很重視,當(dāng)時的主要矛盾是要有一個能使超導(dǎo)體能在其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度下工作的,而且能進(jìn)行磁測的無磁杜瓦,并且此研究是從實驗室開始的,對頻帶沒有提出太高的要求。由于多種因素沒能廣泛地進(jìn)行推廣應(yīng)用,在需求上就不可能對其提出更多的要求,所以對無磁杜瓦本身的電學(xué)特性～頻譜特性沒有得到應(yīng)有的關(guān)注。盡管當(dāng)時這個矛盾也存在著,在地學(xué)應(yīng)用中當(dāng)時因為還未能深入進(jìn)行研究,不了解而沒解決此矛盾,說不了解,實際上問題卻是存在著的。即使低溫超導(dǎo)磁強計曾有問題沒有解決,也在地球物理勘查中做過試驗,由于試驗的時間很短,沒真正形成生產(chǎn)力,杜瓦對被測數(shù)據(jù)會有不良影響尚未來得及發(fā)現(xiàn),當(dāng)然不會對杜瓦的問題進(jìn)行更深入的研究?，F(xiàn)在看來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)時無磁杜瓦在低溫超導(dǎo)領(lǐng)域應(yīng)用中突出的矛盾是絕熱,解決無磁杜瓦的頻譜特性可能與無磁杜瓦的絕熱性能發(fā)生矛盾,所以主要解決無磁杜瓦的絕熱問題。無磁杜瓦的頻譜特性從需求方面來說,沒有也不可能提到議事日程上來。實際上無磁杜瓦的電學(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)然對于杜瓦來說,制造杜瓦的材質(zhì)應(yīng)選用的導(dǎo)熱系數(shù)越小越好,這有利于解決無磁杜瓦的絕熱問題。另外在無磁杜瓦的內(nèi)膽與外殼之間加一真空層以減小熱量通過介質(zhì)傳導(dǎo)造成的直接損失(見圖1),熱量的傳導(dǎo)方式不僅可以通過介質(zhì)直接熱傳遞,還可通過輻射熱傳遞,為了使熱量輻射損失減到最小,通常在無磁杜瓦的內(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磁杜瓦的頻帶變窄,由于這幾十層敷金屬薄膜在磁測上從電子學(xué)來看象串接了一個低通濾波器一樣。如以此無磁杜瓦用于磁場測量就會將外磁場信號中的的高頻信號截去,此金屬薄膜在外場作用下還會有渦流產(chǎn)生,此渦流將會激勵一個二次場,產(chǎn)生二次磁場信號會疊加在待測信號上。顯而易見,此時所獲取的信號就不能正確客觀地反映存在的磁場真實情況,準(zhǔn)確地說此時測得的信號已不是外場信號,對磁測來說這已經(jīng)造成信號失真,在地球物理勘查的某些方法中也采用人工激勵磁場。如果在測量過程中信號有衰減是可以接受的,但有信號疊加在外場信號上,使信號失真那是絕對不能允許的。

2 在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)無磁杜瓦的一些問題

在前言中已涉及到無磁杜瓦存在的一個主要問題,目前的用于液氮無磁杜瓦存在的問題主要是無磁杜瓦的頻譜特性問題。無磁杜瓦的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1中所示無磁杜瓦外殼及內(nèi)膽都必須采用無磁材料,原因很簡單,在用SQU ID進(jìn)行的測量都是進(jìn)行的弱磁測量,若不采用無磁材料做杜瓦,測出的數(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)氧樹脂材料,就是此材料也要對其進(jìn)行測試,一是取其無磁,二是取其即使在很低的溫度下仍有很高的強度,且不易老化,性能穩(wěn)定。圖1中所示無磁杜瓦外殼及內(nèi)膽之間有一真空層是為了加強絕熱而設(shè),使其減少熱傳遞;圖中所示無磁杜瓦外殼及內(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。目前國內(nèi)由于市場小還沒有無磁杜瓦的定型的商品。目前還處于需要一個研制一個,盡管在研制這類無磁杜瓦有專業(yè)廠家介入,無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)到是不成問題的。但正如在前言中所述對無磁杜瓦的熱學(xué)特性——絕熱保溫性能很重視,但對無磁杜瓦本身的電學(xué)特性——頻譜特性沒有得到應(yīng)有的關(guān)注,影響著超導(dǎo)技術(shù)在對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)用研究中的一個非常突出的矛盾,首先反映出來的是測量系統(tǒng)的頻帶不夠?qū)?而且由于無磁杜瓦的介入直接影響測量結(jié)果的信度。現(xiàn)國內(nèi)的無磁杜瓦主要有兩種:一是在上世紀(jì)70年代時用于液氦溫區(qū)的無磁杜瓦,來源一是由法國進(jìn)口的無磁杜瓦;二是國家攻關(guān)項目資助自行研制的無磁杜瓦(上世紀(jì)70年代初)。不管是哪一類杜瓦,由于主要矛盾是絕熱,經(jīng)我們測試,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)下使用的無磁杜瓦,與低溫?zé)o磁杜瓦相比由于絕熱要求相對低一些,所以頻帶相對寬一些,大約也只有幾千赫茲左右,也不能滿足勘查工作的要求。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)的無磁杜瓦的研制經(jīng)驗照搬過來的,而且體積過大,重量也過重,對野外作業(yè)不太方便。

3 對無磁杜瓦一些問題的分析及改進(jìn)辦法

在上節(jié)中涉及無磁杜瓦一些問題是我們在進(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。針對無磁杜瓦的頻帶窄,我們設(shè)計了無磁杜瓦頻帶測試方法,并對無磁杜瓦進(jìn)行了測試。此研究證明了無磁杜瓦的頻帶窄是由于如圖1所示的敷金屬薄膜層所致,起初以為這個敷金屬薄膜層可能就使無磁杜瓦有屏蔽作用而已,若只是單純的對信號的屏蔽作用的話,那只是對信號有一定的衰減而已。但進(jìn)行仔細(xì)分析后,情況還不完全是這樣,因為無磁杜瓦的敷金屬薄膜層,加工時是層層裹在內(nèi)膽上的,底上就折進(jìn)去。所以層層有電通路,當(dāng)有外場存在時,此敷金屬薄膜層在外磁場的作用下會產(chǎn)生渦流,此渦流形成磁場(激發(fā)了二次場其值與敷金屬薄膜層的形狀、層數(shù)有關(guān))疊加在外場值上。此敷金屬薄膜層也等效于在接收磁場的SQU ID外加了相當(dāng)于電感的線圈。不管怎么說,這對磁測是有很大影響的,尤其是弱磁測量上,此時測出的磁場值是外場和二次場的疊加值。試驗中,先把測量線圈(接收線圈)放入能產(chǎn)生一個已知磁場的線圈中,線圈加上外場信號后測出接收線圈的幅頻特性,然后把測量線圈放在模擬杜瓦中,外場的信號與單測接收線圈的頻譜特性方法是完全一樣的,測出另一條曲線就是模擬杜瓦的幅頻特性曲線。把這兩條曲線放在一幅圖上就不難看出問題來了(見圖2)模擬杜瓦的幅頻特性曲線與接收線圈的幅頻特性在20k Hz左右后兩條曲線就開始分叉了。若裹敷金屬薄膜層不是因為模擬杜瓦中有產(chǎn)生渦流而有附加磁場疊加的話,這兩條曲線沒有理由分杈,應(yīng)該完全重合才對,從兩條曲線來看,在20k Hz左右后模擬杜瓦的幅頻特性曲線幅度反而高出接收線圈的幅頻特性曲線幅度,從此曲線比較就可證明我們的推斷的正確性。

圖2 接收線圈和模擬杜瓦幅頻特性比較

只要采用超導(dǎo)技術(shù),無磁杜瓦就是不可或缺的,所以必須解決這個矛盾。為此做了模擬試驗,試驗的結(jié)果是使敷金屬薄膜層上只要沒有電通路,切斷其產(chǎn)生渦流的條件,問題就可以迎刃而解了,也就是說開了一個磁窗口。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)用的無磁杜瓦。此無磁杜瓦的性能如下:

頻率帶寬:0～100k Hz;

容積:5L;

無載蒸發(fā)量:8日。

外型尺寸:Φ210×540mm

圖3 高溫超導(dǎo)磁強計在新、老杜瓦中測量的曲線

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)行過在 TEM法上測試比較(見圖3)。圖中使用老杜瓦測量外磁場值曲線在幅值上都高于使用新杜瓦測量外磁場值,在此圖中曲線中同樣可看出新研制成功的杜瓦的優(yōu)點。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)特性上來看是沒有太大的問題了;但若要用于航空電磁法上還必需解決杜瓦結(jié)構(gòu)上的堅固性問題;若需航測則航行移動帶來的切割磁力線造成的磁干擾及由于飛機振動引起的噪聲等問題。當(dāng)然這些問題有些問題可通過改進(jìn)杜瓦結(jié)構(gòu)來解決,有些問題可能光通過改進(jìn)杜瓦結(jié)構(gòu)是不能解決的,譬如說飛行移動帶來的切割磁力線造成的磁干擾等,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)能夠滿足電磁法的要求了。

4 結(jié)語

自上世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體以來,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民經(jīng)濟各部門去發(fā)展生產(chǎn)力,但這些成果距實際應(yīng)用都還有一段距離,若無人去做工作,這段距離永遠(yuǎn)不會縮短,高技術(shù)成果還是高技術(shù)成果,高技術(shù)成果不會自動轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力,只能被束之高閣。因為當(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又是一個弱磁測量傳感器,裝載它的容器必須是無磁的,不然在傳感器測出的值就會有杜瓦貢獻(xiàn)的成分;測出的信號就不完全是外場真實信號而失真了。盡管無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)用中卻是一個不可或缺的工具。若有問題的話,將直接影響應(yīng)用,就這些枝微末節(jié)的因素有時會成為成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用成敗的關(guān)鍵所在。聯(lián)想到在我國每年有成千上萬的科研成果出來,但這些成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力卻為數(shù)很少。除了體制本身的問題外,大家都熱心關(guān)注主流課題,對一些枝微末節(jié)的問題關(guān)注不夠不能說不是一個原因。就杜瓦來說還有不少問題值得去研究解決,譬如就高溫超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用中的杜瓦說,杜瓦的內(nèi)膽與外殼的結(jié)合部是杜瓦強度最薄弱的地方,又是應(yīng)力集中的地方,因為搬動很容易在此處裂開損壞而不能繼續(xù)使用,特別在需要經(jīng)常移動和野外作業(yè)的應(yīng)用處就會有較大的困難;另還有空氣中有水份,在杜瓦頸處會凝成水后結(jié)冰;液氮在杜瓦中是與空氣密切接觸的,空氣中其它高沸點氣體會被冷凍進(jìn)液氮里,其它高沸點氣體的比重若是比液氮輕,這可能無妨大局,因為它浮在液氮面上會先行揮發(fā),但若是比液氮重就會沉入杜瓦底,其沸點高會使超導(dǎo)器件沒有工作在超導(dǎo)態(tài)中等等。這些問題暫時雖無妨大局,但最終都需有人去研究,并加以解決。

對新研制成功無磁杜瓦進(jìn)行過頻譜特性測試(見圖4),從此頻譜特性來看,此無磁杜瓦的頻率帶寬大于100k Hz。

圖4 新研制成功無磁杜瓦頻譜特性