无磁杜瓦频谱特性问题的研究

王赤军

(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 河北廊坊 065000)

1 前言

无磁杜瓦是超导技术应用中一个非常重要的方面,目前的超导体,不管是低温(液氦沸点温度4.2K)还是高温(液氮沸点温度77K)都需在低温下才能工作。杜瓦是超导技术应用中必不可少的工具,由于低温超导体先于高温超导体被发现,所以无磁杜瓦的研究和认识是从低温无磁杜瓦开始的。人们通常对无磁杜瓦的热学特性——绝热保温性能很重视,当时的主要矛盾是要有一个能使超导体能在其超导转变温度下工作的,而且能进行磁测的无磁杜瓦,并且此研究是从实验室开始的,对频带没有提出太高的要求。由于多种因素没能广泛地进行推广应用,在需求上就不可能对其提出更多的要求,所以对无磁杜瓦本身的电学特性～频谱特性没有得到应有的关注。尽管当时这个矛盾也存在着,在地学应用中当时因为还未能深入进行研究,不了解而没解决此矛盾,说不了解,实际上问题却是存在着的。即使低温超导磁强计曾有问题没有解决,也在地球物理勘查中做过试验,由于试验的时间很短,没真正形成生产力,杜瓦对被测数据会有不良影响尚未来得及发现,当然不会对杜瓦的问题进行更深入的研究。现在看来杜瓦的频谱特性影响着超导技术的不少方面的应用。当时无磁杜瓦在低温超导领域应用中突出的矛盾是绝热,解决无磁杜瓦的频谱特性可能与无磁杜瓦的绝热性能发生矛盾,所以主要解决无磁杜瓦的绝热问题。无磁杜瓦的频谱特性从需求方面来说,没有也不可能提到议事日程上来。实际上无磁杜瓦的电学特性和热学特性需要兼顾,才能符合应用上的需要。

图1 无磁杜瓦结构示意图

杜瓦的首要功能是绝热保温,热量的传导方式可以通过介质直接传递,热量传递得快慢取决于介质的导热能力的大小。当然对于杜瓦来说,制造杜瓦的材质应选用的导热系数越小越好,这有利于解决无磁杜瓦的绝热问题。另外在无磁杜瓦的内胆与外壳之间加一真空层以减小热量通过介质传导造成的直接损失(见图1),热量的传导方式不仅可以通过介质直接热传递,还可通过辐射热传递,为了使热量辐射损失减到最小,通常在无磁杜瓦的内胆与外壳之间在内胆外裹上几十层极光滑似镜面的敷金属薄膜。这些似镜面光滑的金属薄膜可使热量反射回去,使热量辐射减小,目的是将热交换降到最小。但我们的研究发现也正是这几十层敷金属薄膜使无磁杜瓦的频带变窄,由于这几十层敷金属薄膜在磁测上从电子学来看象串接了一个低通滤波器一样。如以此无磁杜瓦用于磁场测量就会将外磁场信号中的的高频信号截去,此金属薄膜在外场作用下还会有涡流产生,此涡流将会激励一个二次场,产生二次磁场信号会叠加在待测信号上。显而易见,此时所获取的信号就不能正确客观地反映存在的磁场真实情况,准确地说此时测得的信号已不是外场信号,对磁测来说这已经造成信号失真,在地球物理勘查的某些方法中也采用人工激励磁场。如果在测量过程中信号有衰减是可以接受的,但有信号叠加在外场信号上,使信号失真那是绝对不能允许的。

2 在应用中发现无磁杜瓦的一些问题

在前言中已涉及到无磁杜瓦存在的一个主要问题,目前的用于液氮无磁杜瓦存在的问题主要是无磁杜瓦的频谱特性问题。无磁杜瓦的结构见图1。

图1中所示无磁杜瓦外壳及内胆都必须采用无磁材料,原因很简单,在用SQU ID进行的测量都是进行的弱磁测量,若不采用无磁材料做杜瓦,测出的数据将是不可信的。在超导技术应用中制造杜瓦的材料大多采用环氧树脂材料,就是此材料也要对其进行测试,一是取其无磁,二是取其即使在很低的温度下仍有很高的强度,且不易老化,性能稳定。图1中所示无磁杜瓦外壳及内胆之间有一真空层是为了加强绝热而设,使其减少热传递;图中所示无磁杜瓦外壳及内胆之间,也是在真空层内,在内胆外裹了几十层非常光滑似镜面的敷金属薄膜,这是为了阻隔热辐射以进一步减少热传递,主要是防止由于热辐射造成的热传递。目前国内由于市场小还没有无磁杜瓦的定型的商品。目前还处于需要一个研制一个,尽管在研制这类无磁杜瓦有专业厂家介入,无磁杜瓦的一些基本性能是有保障的,制造工艺是比较合理的,绝热指标达到是不成问题的。但正如在前言中所述对无磁杜瓦的热学特性——绝热保温性能很重视,但对无磁杜瓦本身的电学特性——频谱特性没有得到应有的关注,影响着超导技术在对频率带宽有要求的方面的应用。这是我们发现高温超导技术在地球物理勘查应用研究中的一个非常突出的矛盾,首先反映出来的是测量系统的频带不够宽,而且由于无磁杜瓦的介入直接影响测量结果的信度。现国内的无磁杜瓦主要有两种:一是在上世纪70年代时用于液氦温区的无磁杜瓦,来源一是由法国进口的无磁杜瓦;二是国家攻关项目资助自行研制的无磁杜瓦(上世纪70年代初)。不管是哪一类杜瓦,由于主要矛盾是绝热,经我们测试,低温无磁杜瓦的频带都很窄,频带大约只有1000Hz左右。另外,在上世纪90年代由于科研需要研制在液氮温区下使用的无磁杜瓦,与低温无磁杜瓦相比由于绝热要求相对低一些,所以频带相对宽一些,大约也只有几千赫兹左右,也不能满足勘查工作的要求。这些杜瓦的制作都是沿用在上世纪70年代用于液氦温区的无磁杜瓦的研制经验照搬过来的,而且体积过大,重量也过重,对野外作业不太方便。

3 对无磁杜瓦一些问题的分析及改进办法

在上节中涉及无磁杜瓦一些问题是我们在进行高温超导技术在地球物理勘查应用研究中发现的。针对无磁杜瓦的频带窄,我们设计了无磁杜瓦频带测试方法,并对无磁杜瓦进行了测试。此研究证明了无磁杜瓦的频带窄是由于如图1所示的敷金属薄膜层所致,起初以为这个敷金属薄膜层可能就使无磁杜瓦有屏蔽作用而已,若只是单纯的对信号的屏蔽作用的话,那只是对信号有一定的衰减而已。但进行仔细分析后,情况还不完全是这样,因为无磁杜瓦的敷金属薄膜层,加工时是层层裹在内胆上的,底上就折进去。所以层层有电通路,当有外场存在时,此敷金属薄膜层在外磁场的作用下会产生涡流,此涡流形成磁场(激发了二次场其值与敷金属薄膜层的形状、层数有关)叠加在外场值上。此敷金属薄膜层也等效于在接收磁场的SQU ID外加了相当于电感的线圈。不管怎么说,这对磁测是有很大影响的,尤其是弱磁测量上,此时测出的磁场值是外场和二次场的叠加值。试验中,先把测量线圈(接收线圈)放入能产生一个已知磁场的线圈中,线圈加上外场信号后测出接收线圈的幅频特性,然后把测量线圈放在模拟杜瓦中,外场的信号与单测接收线圈的频谱特性方法是完全一样的,测出另一条曲线就是模拟杜瓦的幅频特性曲线。把这两条曲线放在一幅图上就不难看出问题来了(见图2)模拟杜瓦的幅频特性曲线与接收线圈的幅频特性在20k Hz左右后两条曲线就开始分叉了。若裹敷金属薄膜层不是因为模拟杜瓦中有产生涡流而有附加磁场叠加的话,这两条曲线没有理由分杈,应该完全重合才对,从两条曲线来看,在20k Hz左右后模拟杜瓦的幅频特性曲线幅度反而高出接收线圈的幅频特性曲线幅度,从此曲线比较就可证明我们的推断的正确性。

图2 接收线圈和模拟杜瓦幅频特性比较

只要采用超导技术,无磁杜瓦就是不可或缺的,所以必须解决这个矛盾。为此做了模拟试验,试验的结果是使敷金属薄膜层上只要没有电通路,切断其产生涡流的条件,问题就可以迎刃而解了,也就是说开了一个磁窗口。我们与上海交大一起研制成功了能在地球物理勘查技术中电磁法上应用的无磁杜瓦。此无磁杜瓦的性能如下:

频率带宽:0～100k Hz;

容积:5L;

无载蒸发量:8日。

外型尺寸:Φ210×540mm

图3 高温超导磁强计在新、老杜瓦中测量的曲线

新研制成功的杜瓦也与在上世纪80年代研制的液氮杜瓦进行过在 TEM法上测试比较(见图3)。图中使用老杜瓦测量外磁场值曲线在幅值上都高于使用新杜瓦测量外磁场值,在此图中曲线中同样可看出新研制成功的杜瓦的优点。此新杜瓦用于地球物理勘查技术中的电磁法上,从电学特性上来看是没有太大的问题了;但若要用于航空电磁法上还必需解决杜瓦结构上的坚固性问题;若需航测则航行移动带来的切割磁力线造成的磁干扰及由于飞机振动引起的噪声等问题。当然这些问题有些问题可通过改进杜瓦结构来解决,有些问题可能光通过改进杜瓦结构是不能解决的,譬如说飞行移动带来的切割磁力线造成的磁干扰等,可能需要在数据处理上做一些工作了。

就地球物理勘查技术中的电磁法(除航空电磁法外),现研制成功的无磁杜瓦的电学指标及其它性能指标都已经能够满足电磁法的要求了。

4 结语

自上世纪80年代发现高温超导体以来,高温超导技术已经有了飞速的发展。科研成果的取得及科技进步的目的应该是能将这些用于国民经济各部门去发展生产力,但这些成果距实际应用都还有一段距离,若无人去做工作,这段距离永远不会缩短,高技术成果还是高技术成果,高技术成果不会自动转化为生产力,只能被束之高阁。因为当前的超导体它必须在一定的低温下才有超导特性;SQU ID又是一个弱磁测量传感器,装载它的容器必须是无磁的,不然在传感器测出的值就会有杜瓦贡献的成分;测出的信号就不完全是外场真实信号而失真了。尽管无磁杜瓦尽管不是超导技术中的主流技术,但在超导技术应用中却是一个不可或缺的工具。若有问题的话,将直接影响应用,就这些枝微末节的因素有时会成为成果转化应用成败的关键所在。联想到在我国每年有成千上万的科研成果出来,但这些成果转化为生产力却为数很少。除了体制本身的问题外,大家都热心关注主流课题,对一些枝微末节的问题关注不够不能说不是一个原因。就杜瓦来说还有不少问题值得去研究解决,譬如就高温超导技术应用中的杜瓦说,杜瓦的内胆与外壳的结合部是杜瓦强度最薄弱的地方,又是应力集中的地方,因为搬动很容易在此处裂开损坏而不能继续使用,特别在需要经常移动和野外作业的应用处就会有较大的困难;另还有空气中有水份,在杜瓦颈处会凝成水后结冰;液氮在杜瓦中是与空气密切接触的,空气中其它高沸点气体会被冷冻进液氮里,其它高沸点气体的比重若是比液氮轻,这可能无妨大局,因为它浮在液氮面上会先行挥发,但若是比液氮重就会沉入杜瓦底,其沸点高会使超导器件没有工作在超导态中等等。这些问题暂时虽无妨大局,但最终都需有人去研究,并加以解决。

对新研制成功无磁杜瓦进行过频谱特性测试(见图4),从此频谱特性来看,此无磁杜瓦的频率带宽大于100k Hz。

图4 新研制成功无磁杜瓦频谱特性