超导量子干涉器无损检测的应用与研究进展

　超导量子干涉器(SQUID)无损检测是检测被测物体附近的磁场分布,从而非接触地获得与磁信号有关的信息(如缺陷大小和深度等)。由于SQUID具有极高的检测灵敏度,因此在检测材料的深层和细小缺陷等方面具有很好的应用前景。近年来,国内外科研工作者在SQUID无损检测应用方面进行了大量的实验研究[1,2],涉及检测方法的改进、检测系统的完善、空间分辨力的优化以及噪声处理等。

1　SQUID在工程上的应用

1.1　航空器零部件检测

目前虽然传统的涡流检测(典型工作频率100 kHz~10 MHz)仍然是航空器件的常规无损检测方法,但如果缺陷较小或缺陷位于部件深处时,传统涡流检测的灵敏度不够时(例如当检测频率<100 Hz)就需要借助SQUID[3]。如图1所示,样品为空客A380的中外部机翼接合处,由三层厚板结合而成,总厚度达62 mm,第二层与钛螺钉相连处存在长达30 mm的裂缝,裂缝位于表面下方31~46 mm处。Kreutzbrucka等人[4]研制的SQUID检测系统可在无屏蔽环境下工作,其核心部件———高温SQUID磁强计的灵敏度达pT/ ,动态范围大约140 dB/ ,为了适合深层缺陷检测,他们使用了较低频率(10~40 Hz)的激励场后,成功实现了该缺陷的检测与分析。

飞机起降轮常采用传统的低频涡流或超声波检测,后者虽然可以检测关键部位非常小的缺陷,但过程比较繁琐,且检测结果的可靠性很大程度上依赖于检测者的技术,此外该方法的检测范围仅为总厚度的10%。利用SQUID与涡流技术相结合对波音737飞机起降轮的检测中,检测范围可达总厚度的30%,缺陷和自然疲劳裂缝均可被检测出[5],若可靠性和信号分析能力得以提高,则此系统的商业化将成为可能。

1.2　半导体掺杂均匀性检测

半导体材料掺杂的均匀性很大程度上影响着半导体器件的性能,这可通过SQUID检测半导体材料中光致电流产生的磁场强度来判定[6],其基本原理如图2所示。在掺杂浓度N变化的半导体样品中,存在相对N变化的内部电场E,当用能量hν大于样品带隙能EGAP的光子照射样品局部时,在样品上会产生EGAP不均匀的电荷移动,在掺杂不均匀区域,非平衡载流子在内部电场的作用下,形成净光电流。高灵敏度的SQUID磁强计能测量出光电流产生的磁场,从而可以检测到掺杂梯度的存在。SQUID无损检测装置放置在防震的光学平台上,SQUID探头垂直地置于低温杜瓦瓶的底部,SQUID与半导体样品的距离≤2 cm,两者的距离越近,检测的灵敏度越高。半导体激光器发出的激光通过光纤耦合到光学透镜。然后聚焦到样品表面,SQUID与光学透镜在一条垂直线上。通过x-y移动平台移动样品,即可实现样品的扫描测量。该装置的空间分辨率主要由激励光斑的尺寸和最小移动步长决定,并非由SQUID尺寸、SQUID与样品的距离决定。检测结果表明,该系统可在高空间分辨率情况下,无接触、无损伤地实施半导体材料的掺杂均匀性检测。此外该系统还可检测半导体器件,即对材料和器件进行定性或定量分析、实施半导体结构分析和光电器件性能检测。