最后在磁体技术基础方面,注意应力应变特性和磁体稳定性及相关电磁特性。
在MgB2磁体的设计和制造方面,目前国际上有关磁体制备基础的结果几乎没有报道,相关磁体制备工作主要目的还是为了判断二硼化镁磁体制备的可行性,而磁体制备基础工作是非常关键的,所以我们拟开展包括应力应变、线带材的热磁稳定性、超导接头的制备及性能等研究工作,获得磁体制备的关键基础参数。
本项研究当中,利用复合铁-铜管作为包套材料,是一个创新,一方面可以减少包套材料对超导电性的破坏,另外,可以降低包套材料的磁性,以此会对将来的磁体制作带来方便。
在钇钡铜氧涂层导体方面开展<1)Ni合金及立方织构Ni、Ni基合金基带的研究。
<2)种子层、阻挡层、帽子层的选择以及制备技术的研究。
采用磁控溅射、蒸发、激光沉积、化学方法以及IBAD多种手段制备中间层。
研究薄膜的外延生长机理,寻找高速低成本制备高质量中间层的手段。
<3)超导层的制备技术研究。
超导层的研究主要采用三种方法:
蒸发、激光和化学方法。
<4)涂层导体的相关超导电性的研究。
对涂层导体的磁通钉扎、交流损耗等各种超导电性能指标进行测试分析,了解各种微结构因素对涂层导体性能的影响。
在制备过程中添加化学夹杂,提高钉扎中心的密度,并进一步提高临界电流密度。
III:
超导结型器件的物理、工艺以及应用基础问题研究
超导结器件的物理和制备工艺方面,通过观察和分析器件的温度特性,高频响应特性,量子振荡和噪声特性等,从理论和实验角度,研究超导材料和器件的配对、耦合和噪声等物性,探索超导结器件在前沿领域中的应用。
具体方案如下:
(1>超导结特性和结物理的研究
在已有的超低温、超高频等极限测试环境中,利用长期积累的低温和超低噪声测试的经验,包括超导量子干涉器件和低温低噪声放大器以及无源电容电感共振回路等低噪声测试手段,测量超导结器件的直流及交流电流—电压特性以及温度变化规律,与尺寸有关的电磁特性和噪声特性等。
在已有的等离子体振荡理论研究基础上,采用实验和数值计算相结合的方法,深入研究高性能的高温超导结阵中等离子体振荡频率与隧道结数目、耦合强度等定量关系,确立等离子体振荡的变化规律;利用已有的从微波到远红外波段的各种信号源和微波技术、准光技术等,在建立结阵作为电磁波振荡源与外电路的耦合方式的基础上,研究电磁波在结阵中的传播和等离子体振荡与外加电磁辐照的相互作用等。
通过测量结阵在外加直流磁场中的行为,包括磁通流台阶、正常态电阻和等离子体振荡频率等参数的磁场依从性,结合数值理论分析方法,研究高温超导体内非线性动力学和磁通动力学性质等基础理论问题。
(2>制备工艺的基础研究
在理论计算、模型设计的前提下以及自行开发的低能离子刻蚀法和双面制备法等创新工艺的基础上,利用已有的脉冲激光、溅射、蒸发等成熟的成膜方法和光刻、电子束曝光刻蚀、<聚焦)离子束刻蚀等微加工手段,通过原位刻蚀和实时检测等有效的方法,制备高质量的薄膜材料以及微M和亚微M级的超导结器件,特别是高性能的单个结和大量性能一致的结所构成的均匀结阵。
细致研究由于制备技术的不精确所造成的结和结阵特性的不均匀性以及制备工艺各个环节<设计、薄膜生长、图形成型、电极成型)的各种重要参数对结器件性能的影响,通过理论与实验两方面的评估,寻找最佳的制备工艺,提高结器件性能的一致性、重复性,有效地提高结器件的成品率。
(3>新型超导结器件和应用的探索
在已有的超导薄膜外延生长及微加工技术的基础上,通过研究原位氧化或等离子处理对超导薄膜界面的影响等,进一步理解和掌握超导薄膜与氧化物势垒层、绝缘层之间的外延异质生长工艺和掺杂效应,设计和制备新的薄膜型超导结器件。
利用超导器件的宏观量子效应和强的非线性隧道效应以及高效率、低损耗、高灵敏度等特点,在深入研究其高频和噪声特性的基础上,探索超导结器件在射电天文、环境监测等领域中高灵敏检测器的应用,经济、国防建设中的安全保密等领域将起重要作用的量子比特方面的应用,生命科学、医疗保健等领域中太赫兹成像的应用以及电流、电压等计量标准方面的应用等。
超导介观系统量子现象及应用基础问题的主要研究方案是:
以超导量子器件即SQUID器件作为研究对象。
既有高温超导体和近年来发现的MgB2超导体的SQUID器件,也包含低温全Nb结器件。
低温超导全Nb微M及亚微M约瑟夫森结和SQUID系统对于研究介观体系的宏观量子现象和物理特征更为适宜。
而且从应用研究看,随作制冷技术和微加工技术的提高,低温器件的使用和制备都更加方便,性能稳定的全Nb器件在许多灵敏的应用<如心磁研究中)优越性更大。
采用性能稳定的全铌隧道结作为研究对象。
运用原位溅射、光刻和电子束暴光相结合的方法制备结和器件。
在较宽的温区研究结和器件的物理性质,包括经典和量子的特征。
注重理论分析和实验测量相结合。
在测量中采用电流、磁通偏置、微波以及屏蔽等手段。
重点要在新的物理现象(例如量子退相干和量子相变等>和新的可能应用<微M和亚微M结SQUID器件)方面开展研究。
此外对在高温超导机理研究方面有重要价值的本征结制备方面,将在Bi2Sr2CaCu2O8+δ等单晶上制备得到所需的亚微M尺寸的高度可控的柱状结构<即亚微M本征约瑟夫森结)。
在获得理想的样品的基础上,系统分析各种尺寸的样品的I-V以及dI/dV曲线,研究热效应的影响,获得系统的真正单电子隧道谱。
对于MgB2薄膜SQUID器件,研究其Josephson效应,发展相应的MgB2超导结的物理模型和制备方法。
研制MgB2的SQUID器件,并开展其实用可能性的探索,特别是可在液氦以上温度工作的MgB2SQUID器件。
在提高心磁等磁成像应用器件性能方面的具体技术路线包括:
稳定性好,灵敏度高的全Nb结SQUID器件和特殊用途的器件;发展新型SQUID梯度计和抗干扰技术;发展适用的信号处理方法。
在传统的NMR中,信号与核磁化强度和核磁矩的进动频率成正比,而这两个量均正比于磁场。
所以传统的NMR或MRI中需要采用强磁场。
但是,低场下的NMR一直吸引着科学家们的关注,因为不少情况下,低场得到的信息很难在强场下得到。
随作磁场的降低,磁共振的频率降低,因而常规的探测线圈灵敏度大大降低。
一个有效地克服这一难题的途径就是采用超导SQUID器件作为探测元件,可以对从兆赫兹直到直流的磁信号进行测量,可在mT甚至T磁场下获得NMR信号,同时也不需要具有极高均匀性的强磁场,使得成本降低。
在具体的实施中,首先采用高温超导SQUID器件进行实验,在典型样品中获得NMR信号,研究环境电磁噪声和待测样品引入的噪声对信号的影响。
进行编码方式研究,研究二维成像。
在基础上探索利用低温器件提高信噪比等。
四、年度计划
年度
研究内容
预期目标
第
一
年
确定新型超导材料探索的范围,并准备好前期条件,开始探索。
制备出更多系列的高质量高温超导单晶和竞争序超导单晶,开展电子态相图和低能激发的研究。
着手发展先进的实验手段,如建立微波谐振,角分辨光电子谱设备,Hall探头阵列实验手段。
完善热测量和电子拉曼谱测量条件。
对实用超导材料进行化学掺杂及中子辐照实验,进行提高临界电流的尝试。
对二硼化镁超导材料的成相规律进行探索,获得相图并指导下一步材料制备。
对钇钡铜氧涂层导体的各种方法进行分析、筛选并努力切实可行的制备方法。
同时进行金属基带的织构性研究。
完善制备至亚微M尺寸的各种高性能超导结和电路工艺。
细致研究由于制备技术的不精确所造成的结器件特性的不均匀性以及制备工艺各个环节对结器件性能的影响,有效地提高结器件的成品率和各类应用要求的适应性;建立完善低温、低噪声和高频测试系统。
1.确定一些重点研究体系,了解成相规律,制定研究探索方案。
根据各种材料的特点建立相应的实验设备。
2.制备出更多系列的高质量高温超导单晶体。
建立和完善必要的研究手段。
3.建立MgB2及其元素掺杂体系成相的物理化学过程模型,揭示其元素掺杂体系中依次出现各种亚稳相的相变机制等。
完成用HPCVD生长厚膜制备MgB2超导长线<带)的方案和相应的物理论证。
4.了解金属基带立方织构的形成机理和影响因素。
了解影响种子层取向生长的参数,并分析原因,提出解决措施。
弄清控制化学溶液法制备的氧化物隔离层的关键因素,给出合理解释。
5.成熟并完善已有的亚微M本征约瑟夫森结的制备工艺。
制备高质量超导MgB2薄膜。
得到介观SQUID中的分离能级计算结果。
得到SQUID心磁测量信号去噪声处理方法。
本年度发表学术论文60篇以上,影响因子3以上的论文15篇以上,申报专利3项以上。
第
二
年
开始尝试烧结制备新型超导材料,并伴随新材料的出现进行表征。
进一步制备出更多系列的高质量高温超导单晶和竞争序超导单晶。
完善微波谐振,角分辨光电子谱设备和Hall探头阵列实验手段。
利用多种手段,开展赝能隙区域的输运以及低能激发的研究,并努力构造图象。
综合各种手段,对实用超导材料进行提高临界电流的尝试。
开展介观尺度超导体的量子行为的研究,以及Josephson涡旋的动力学研究。
建立MgB2及其元素掺杂体系的成分-温度-压力实验相图,建立了阶段性亚稳相转变理论,揭示其元素掺杂体系中依次出现各种亚稳相的相变机制。
研究掺杂提高临界电流和临界磁场的规律。
在相图的指导下进行粉末套管法和厚膜生长方法的探索。
对钇钡铜氧涂层导体的金属基带进行细致研究和工艺探索,同时开展阻挡层和钇钡铜氧薄膜的制备。
利用低温、低噪声和高频测试系统对超导结器件进行系统的电磁特性和噪声特性的测量,深入研究相关参数的温度、磁场、频率和尺寸等变化规律,对器件的电磁和噪声机理有较明确的认识。
1.制备出更多系列的高质量高温超导单晶和竞争序超导单晶。
2.争取获得满足需要的高度取向的织构基带材。
3.制备亚微M尺寸的高性能超导结。
建