中国科学院老科学技术工作者协会

简 报

﹝2022﹞ 第七十期（总第744期）

中科院老科协办公室      2022年9月24日

空天院遥感数字地球分会举办

“超导技术与空间物理场测量”学术沙龙活动

　　9月8日，遥感数字地球分会在奥运园区503会议室举办“超导技术与空间物理场测量”学术沙龙活动。来自所内外近30位专家和院老科协、空天院有关领导参加了沙龙活动。沙龙活动由遥感数字地球分会名誉理事长赵忠明研究员主持，空天院郭子祺研究员作题为“超导技术用于空间物理磁场张量测量”的主旨报告，电工所伍岳研究员作“高灵敏超导-磁电阻一体化磁传感器”邀请报告。

　　赵忠明研究员在致辞中欢迎领导和各位老专家参加沙龙活动，并介绍了空天院现在的发展情况，他说：空天院现在已经是中科院的第一大所，职工总数有三千多人、研究生一千多人，离退休干部九百多人。我们的工作领域从芯片开始，一直到做遥感硬件大系统的工程，包括探月工程用的测地雷达，跨度非常大、园区非常多，目前发展很好。在当前国际形势下，我们再跟跑绝对不可能了，必须解决卡脖子的问题、必须解决制约我国社会经济发展瓶颈的问题，这些问题已经到了非解决不可的地步。所以我们空天院要瞄准国家的战略需求，努力创新实现国家目标。我们今天的沙龙围绕高灵敏度的空间磁场张量测量的新技术，遥感是监测地表物理的目标和信息，地下信息需要像今天报告中提到的地球物理技术来解决。

　　郭子祺研究员在报告中首先介绍了遥感内涵的发展。他说，遥感最初的应用是测绘，利用的是光波和微波，逐步应用到资源普查、林业、农业等领域。我们做的物探（物理探测）利用的是电和磁，采用磁、电包括声波探测，广义上都属于的遥感，可以使其内涵更加的丰富。遥感如果只是光波和微波波段的话，只能探测地表的信息，微波可以到地面以下，但是深度比较有限。探测地下油气采用的是地震波（声波），地震波因为波长比较长、分辨率比较低，电磁波分辨率可以很高，但是随着频率的增加探测距离又比较短，所以是个矛盾。我们的空间磁场探测可以进行地球物理探测，空间磁场的精确测量要借助新的方法，比如超导技术。今天报告的主要内容是将超导技术用于空间磁场测量及应用于解决地球科学重大问题。

　　郭子祺研究员报告中在谈到对空间磁场的测量首先要确定它是如何进行表达的，明确其测量的物理含义。空间物理场可以用黎曼几何描述，而张量分析是黎曼几何的核心工具。空间物理场的定量描述可以用张量来进行数学表达，它的点位信息被表达为多维数组，测量的技术和方式从标量、矢量测量发展到张量测量。为了获得空间点位的某个物理量的场位信息，要有更先进的传感器和测量方式。空间磁场张量的测量，本质是对获得空间磁场的三维信息，是一种全新的测量技术。我们是采用笛卡尔坐标系下多个一阶平面磁梯度计传感器同步测量方式进行，这需要高精度的磁场测量仪器。幸运地是我们现在有了基于超导技术的超导量子干涉仪（SQUID），空间磁场张量的测量的可通过SQUID器件来实现，可使我们采用重力梯度仪和磁梯度仪方式获得空间重、磁的张量场信息。

　　SQUID是目前已知性能最好的传感器，利用在电流和电压输出方面优势，以及在频响极宽、纹波极低的特点，可以做出极高灵敏度的磁测量仪器，和传统的光电器件相比，磁场测量可以提高三个数量级。但是SQUID传感器由于需要在液氦温度下使用，装置复杂，且使用成本高，所以需要探索新型磁传感器。电工所伍岳等利用GMR（巨磁阻器件）巧妙地加上超导圈，也有效提高了灵敏度。

　　郭子祺研究员介绍了他们研制的磁场张量测量系统。他们将超导传感器放在六棱台上组成张量测量构架。采用了对称的方式，六个面贴六个一阶平面SQUID梯度计，同时使用一个SQUID三轴磁强计来改进梯度计不平衡问题。这种张量测量方式有很多好处，一次性测量不但把标量和矢量信息包括全了，而且也有更多的信息量，将来做反演也会更加的精确。整个六棱台浸泡在无磁低温杜瓦液氦当中，信号读出电路采用直读的方式，用了两个放大器把弱信号进行放大。这套测量系统把信号放大了三万多倍。目前这套测量系统的电路还有摆率、积分带宽等问题需要进一步改进完善。这套系统是全球第三套，已得到了应用行业的认可，获得了中国地调局与中国地质科学研究院的2020年十大科技进展奖，他们认为这套系统将光电信号提高到磁通量子测量技术是一个突破。

　　关于这个设备在地球科学领域的应用前景，郭子祺研究员谈到目前两个与地磁相关的重大科学问题。一个是南大西洋发现的地磁异常（减弱）现象和气候变化的关系，他认为很可能与地幔的抬升有关。气候异常通常被认为与大气环流扰动有关。大气环流只是地表以上和大气层以下的状态，可以看得见。但是地下的异常变化也会对海洋升温产生影响。这个变化是宏观的，现在的卫星也有磁测，但是其分辨率太低了，不足以解决微细结构的问题，希望用比较灵敏度高的仪器进行磁变化精确测量。另一个是地球磁极倒转问题，南北极进行对换。目前什么原因造成还不清楚。假设地球核幔边界的地磁变化，先是局部小范围的倒转，在逐步演化成整体倒转。相关地磁信息是可以通过磁张量测量方式来获得的。

　　此次沙龙还邀请了院电工所伍岳副研究员介绍了他们研制磁电阻-超导一体化磁传感器（TMR）的最新进展。这个报告是对郭子祺研究员报告的进一步补充。他们巧妙地利用超导环内的感应电流不会衰减的原理，用超导材料制备成磁通耦合线圈并用于SQUID器件的磁通放大。理论计算表明利用该原理可产生几百甚至几千倍的磁场放大倍数。目前，采用超导磁聚集器可产生最高超过1000倍的磁场放大倍数，所制备的GMR-超导磁传感器的噪声水平达到~500fT/Hz1/2@1Hz。他也指出，虽然目前磁电阻-超导复合磁传感器的噪声水平已经获得了大幅提升，但是器件低频下的1/f噪声仍然较大，从而限制了传感器低频下的探测性能；另一方面，超导磁聚集器的磁场放大倍数目前已经达到饱和，若要继续增加磁场放大倍数就需要增大超导磁聚集器的面积，从而降低传感器的空间分辨率。通过进一步优化器件结构，探索器件的降噪技术，该类传感器的探测精度有望进一步提升至10fT级别，并在生物医学、地质勘探、军事国防等领域更好的发挥其应用价值。

　　与会专家对沙龙报告进行了热烈的讨论，提出了许多问题。郭子祺研究员与伍岳副研究员均一一做了解答。大家普遍反映听了两位年青专家的报告增涨了见识，拓展了眼界；特别是对郭子祺团队研制出国际上第三台低温超导航磁张量测量系统样机，并获得到国家专利，地质部门的认可，荣获中国地质调查局、中国地质科学院2020年度地质科技十大进展之一表示衷心祝贺！也感到十分欣慰。

　　与会专家学者一致认为，搞科学研究仪器是重要的工具、手段的，传感器是关键。随着磁测量精度的深入，一定会有非常多的科学问题来揭示和研究，同时也会在应用上有更多的深入的东西。提高磁测量的精度对我国而言，无论从科学研究的发展、经济的需求、军事的应用都是一件非常重要的事情，做这件事非常有意义，将来也很有前景。希望我们年轻的科学家们，不忘初心，牢记使命，想国家所想，急国家所急，特别是在一些卡脖子的科技问题上有所突破，有所作为。

　　由于时间有限，很多专家来不及发言。最后主持人赵忠明研究员做总结性发言：今天开了一个非常好的沙龙，但是美中不足是时间上有些紧张，其实还可以讨论的更加充分，之后也会进行更好的规划。感谢老科协领导的参与，对我们也是非常重要的鼓励和鞭策，非常感谢今天参与的各位老师，我们来的人每个人都学习了很多。双节降至，再次祝愿各位老师各位领导，节日快乐、身体健康、万事如意！

（中科院老科协空天院遥感数字地球分会供稿）