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超导量子干涉仪(SQUID),是一种非线性的磁场效应管(Magnetic field effect transistor, MFET)[1],在用来制作磁传感器时,先和半导体电压反馈运算放大器(VF-OPA)结合,构成磁通反馈运算放大器(FF-OPA)[2],详见《超导量子干涉仪(SQUID)磁传感器电路原理(4)——磁通反馈运算放大器(FF-OPA) 概念》。
SQUID磁通反馈运算放大器FF-OPA,进一步和超导磁通变换器(Flux-transformer)结合,就可构建能将被测磁场线性转换成电压的磁传感器电路[3],如图1所示。
图1. 由SQUID跨阻放大器和拾取线圈构成的线性磁传感器电路[3]
其中,磁通变换器由拾取线圈(Pick-up coil)和输入线圈(Input coil)两部分构成:拾取线圈深入被测区域,耦合被测磁场;输入线圈则与SQUID紧密耦合,将拾取的被测磁通(Φp)按比例耦合到SQUID环中。磁通变换器的原理,详见《电路的载流子流图示例(10)——超导磁通变换器(Flux Transformer)》。
可以看到,拾取线圈就是一个磁场探头,通常根据被测对象进行定制。输入线圈则要与SQUID一体化集成设计与制备。
将输入线圈与SQUID集成一体,所搭建的磁通跟随电路,就是一个实现电流-电压线性转换的跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier,TIA)。
相应的,SQUID磁传感器,就是将拾取线圈(磁场探头)接入集成了超导输入线圈的TIA构成的,其简化符号如图1(c) 所示。
因此,所谓的SQUID磁强计、一阶梯度计、二阶梯度计,就是根据所使用拾取线圈的构型命名的,如图2所示。
图2. SQUID跨阻放大器及其与不同构型拾取线圈组成的磁传感器 [3]
典型的SQUID应用系统就是心磁图仪(Magneto-Cardio-Gram, MCG),其信号转换和传输过程,如图3所示。其中,
(1)拾取线圈负责耦合人体心脏神经电活动产生的磁场,并线性转化成在磁通变换器内循环流动的超导电流。
(2)SQUID跨阻放大器TIA负责将拾取线圈接入的超导电流线性转换成电压。
(3)这些电压信号经过信号调理、数据采集、数据处理等环节,最终用于实现人体心脏电磁场活动成像。
图3. 心磁图仪的信号转化和传输过程[3]
如果将图3中人体心脏神经电活动 等效为一组环流(jx1, …, jxQ),那么,环流的位置和强度信息,将通过环流与拾取线圈的互感,线性转移到磁通变换器内的超导电流中,进而线性转化成电压信号。
因此也可以说,SQUID心磁图仪,本质上是一套多通道感应式电流检测装置。
注:DC-SQUID的电路原理,详见《电路的载流子流图示例(12)——直流超导量子干涉仪(DC-SQUID)电路》;DC-SQUID的内部工作机制,详见《直流超导量子干涉仪(DC-SQUID)磁控I-V特性的形成机制(2)—— 频率相位锁定机制及其解析式》。
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半导体场效应管(Field effect transistor,FET),其I-V特性是电荷/电压调制的;超导SQUID作为一种MFET, 其I-V特性是磁通/电流调制的;二者及其应用,展现了电荷-磁通对偶关系。
理解半导体FET及其应用,便能理解超导SQUID及其应用。
[1] Y. L. Wang et al., "Flux Feedback Amplifier based on Superconducting Quantum Interference Device," (in English), Physica C, vol. 565, Oct 15 2019.
[2] Y. L. Wang, "Frequency-phase-locking mechanism inside DC SQUIDs and the analytical expression of current-voltage characteristics," Physica C-Superconductivity and Its Applications, vol. 609, Jun 15 2023.
[3] Y. L. Wang, " Introduction to SQUID Sensors for Electronics Engineers," arXiv:2310.00573, pp. 1-53, 2023. https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.00573.
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