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本书系统化介绍了超导量子干涉仪（SQUID）的工作原理、典型硬件实现、及其在军事、民用方面的典型应用。全书8章内容：前3章介绍基本原理部分，包括超导的电性基础、磁力测量基础、SQUID工作原理及器件、SQUID应用系统设计等；后5章为SQUID在测磁方面的典型应用，依次介绍了航空测磁及探潜应用、低频通信、特定检测/探测应用、医疗应用（心磁图仪/脑磁图仪）、低场核磁共振、SQUID显微镜、低温比较仪等，涵盖了典型应用的发展历程、实现原理、技术优势及难点等内容。

第1章绪论1

1.1超导电性基础2

1.1.1零电阻效应2

1.1.2迈斯纳效应3

1.1.3约瑟夫森效应5

1.2磁力测量基础10

1.2.1磁测基本概念11

1.2.2测量方法发展与演变13

1.2.3典型测磁器件16

第2章SQUID原理及器件24

2.1DC SQUID工作原理24

2.1.1DC SQUID 组成结构25

2.1.2DC SQUID技术特点25

2.1.3DC SQUID噪声理论26

2.2RF SQUID工作原理27

2.3SQUID器件与制备29

2.3.1高温SQUID器件29

2.3.2低温SQUID器件32

第3章SQUID应用系统设计34

3.1测磁传感器系统34

3.1.1SQUID磁强计34

3.1.2SQUID梯度计35

3.2低温系统38

3.2.1无磁杜瓦38

3.2.2无磁制冷机46

3.2.3杜瓦屏蔽室53

3.3SQUID读出电路54

3.3.1SQUID读出电路典型设计54

3.3.2实用读出电路58

3.4磁屏蔽技术58

第4章SQUID航空测磁与探潜应用62

4.1探潜技术介绍62

4.1.1我国发展反潜技术的必要性62

4.1.2探测潜艇常用手段63

4.1.3航空测磁反潜66

4.2SQUID航空测磁系统设计70

4.2.1SQUID航空反潜的技术优势70

4.2.2国外SQUID航空测磁发展概况72

4.2.3我国SQUID航空测磁技术发展情况78

4.2.4SQUID航空反潜的技术实现79

4.2.5潜艇定位算法80

4.3SQUID航空磁测其他应用83

4.3.1SQUID航空磁测83

4.3.2SQUID航空磁探矿84

第5章SQUID与低频通信应用87

5.1低频通信技术介绍88

5.1.1低频通信特点88

5.1.2低频通信技术发展94

5.2SQUID对潜低频通信天线设计102

5.2.1SQUID低频通信天线原理105

5.2.2SQUID低频通信天线技术106

5.3SQUID大地低频通信系统110

5.3.1SQUID大地低频通信系统110

5.3.2SQUID大地低频通信技术实现111

第6章SQUID测磁与特定探测/检测应用116

6.1深埋地下管网探测116

6.1.1探地技术介绍116

6.1.2SQUID测磁探地工作原理117

6.1.3SQUID测磁探地系统设计及应用118

6.2未爆物探测119

6.2.1未爆物基本概念120

6.2.2未爆物探测技术121

6.3无损检测125

6.3.1无损检测技术介绍126

6.3.2SQUID无损检测工作原理132

第7章SQUID测磁与医疗应用135

7.1人体磁场及测磁设备135

7.1.1人体磁场来源及强度136

7.1.2人体测磁技术137

7.2SQUID 心磁图仪137

7.2.1原理及技术特点138

7.2.2系统构成与设计140

7.2.3技术应用发展前景143

7.3SQUID 脑磁图仪148

7.3.1基本原理148

7.3.2系统设计与应用151

第8章其他相关应用159

8.1低场核磁共振159

8.1.1核磁共振技术发展160

8.1.2高场、低场核磁共振的技术特点160

8.1.3SQUID应用于低场核磁共振161

8.1.4SQUID低场核磁共振硬件装置设计162

8.1.5基于SQUID核磁共振成像165

8.2SQUID显微镜166

8.2.1SQUID显微镜的发展166

8.2.2SQUID显微镜工作原理167

8.2.3SQUID显微镜技术发展趋势170

8.3低温电流比较仪171

8.3.1低温电流比较仪的基本原理171

8.3.2技术展望173

8.4量子信息技术173

8.4.1量子效应终结“摩尔定律”174

8.4.2量子计算机基本概念174

8.4.3超导量子比特177

8.5服务基础科学研究178

附录英文缩略语词汇表182

参考文献186

商志刚 工学博士，毕业于中国科学院，现就职于中国电子科学研究院。主要研究方向为超导量子干涉仪、反潜、水下航行器设计、声呐工程等。曾参与中科院重大专项、国家自然科学基金等多项课题。在国内外核心期刊及国际会议发表论文近20篇，申请国家发明专利6项。

严晓芳 高级工程师，中国电子科学研究院三级专家。曾担任××研究保障项目总师、××任务系统副总设计师等。主要研究方向为数据压缩、雷达数字信号处理、数据总线、科技情报等。

左涛 工学博士，研究员，现任中国电科16研究所副总工程师，入选首批国防科技领域青年拔尖人才“万人计划”。长期从事超导电子应用技术研究，主持探月工程、原总装型谱、新品及预研等科研项目10余项。发表学术论文50余篇，授权专利19项。获国防科学技术进步奖一等奖等多个奖项。

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编辑推荐

本书逻辑性强、脉络清晰，技术原理内容为后续典型应用的基础、铺垫，典型应用的选取基于相关技术领域的热点研究及公开发表的研究成果，为期望快速了解该技术、将SQUID应用至相关技术领域的专家学者提供了很好的参考。

前言

超导量子干涉仪（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）是融合约瑟夫森隧道效应和磁通量子化原理制作的器件，是目前人类所掌握的弱磁测量中灵敏的磁测传感器之一，比常规磁测方法好多个数量级，在弱磁检测领域具有无可替代的优越性，被广泛应用于军事、医学、生物、地质、物理、化学、材料等多个领域。

本书编者在开展相关论证研究中，关注到了超导量子干涉技术。超导量子干涉技术以其在全频带优异的弱磁检测性能，在诸多技术领域应用广泛，但该项技术的原理晦涩难懂，国内暂没有书籍系统性介绍相关技术发展。编者通过大量学习及向国内外专家咨询，梳理了该项技术的原理及典型应用。本书旨在揭开超导量子干涉技术的神秘面纱。

书稿是编者在基于自身研究、结合大量文献材料的基础上进行编写的，相关研究成果参考了国内外相关的期刊、书籍及技术报告。

本书系统介绍了超导量子干涉技术的工作原理、典型硬件实现及其在军事、民用方面的典型应用，全书分为两大部分共8章。

前3章介绍基本原理。为了让读者更好地了解超导量子干涉技术与测磁应用，在第1章绪论，介绍了超导电性基础，包括零电阻效应、迈斯纳效应和约瑟夫森效应；磁力测量基础内容，介绍了磁测基本概念、测量方法发展与演变过程、典型磁测器件。第2章为SQUID原理及器件，分别从组成结构、技术特点介绍了两种典型的SQUID器件，然后从高/低温角度介绍了SQUID器件的发展特点。第3章介绍了SQUID应用系统设计，着重介绍SQUID的硬件实现，指出了在硬件实现上的关键技术及存在的挑战。

第4章至第8章为超导量子干涉技术在测磁方面的典型应用。第4章至第7章依次介绍了航空测磁与探潜应用、低频通信、特定探测/检测应用、医疗应用等各项技术，分别介绍了该技术的发展历程、国内外发展、SQUID应用于该技术领域的优势及技术难点等。第8章概括地介绍了低场核磁共振、SQUID显微镜、低温电流比较仪等SQUID典型应用。

全书对晦涩难懂的物理原理尽量避免，后续对于技术应用的介绍基本做到技术发展、技术特点及技术难点透明化解析，对于部分技术领域还列举了典型应用实例，期望将该技术的应用发展多角度展示给读者，对读者后续应用该技术提供一定参考。

由于SQUID涉及的技术问题较多，应用方面也纷繁复杂，各项应用面面俱到，完全介绍是很难做到的，读者如对某种应用感兴趣，可根据参考文献进一步学习。

本书对初涉足该技术领域、期望应用该技术的相关读者及深入开展某一专题研究的读者均有所裨益。

对该技术领域感兴趣且刚刚涉足的读者，建议在阅读时，大体了解技术原理，全面了解技术应用；对于器件制备、低频通信、脑磁检测等技术领域的从业者，可深入了解技术原理及相关技术应用。

诚心感谢为本书写作付出辛勤劳动的人们，正是你们的耐心和坚持才成就了这本书的出版。本书成稿后，邀请国内相关研究领域的专家进行审校，各位专家、学者均为我国SQUID的发展应用做出了突出的贡献，他们虽然工作繁忙，但都欣然答应，并且提出很多宝贵意见，在此一并表示感谢。

由于编者水平和能力有限，编写时间仓促，不妥之处在所难免，在此恳请读者批评指正，我们将本着科学的精神虚心改正。欢迎各位读者及相关技术领域的专家学者不吝赐教。如果您对本书有什么意见、建议，或者关于超导量子干涉的任何话题、研究合作等，也可以发邮件到SQUID_shang@163.com，期待您的反馈意见。

商志刚

中国电子科学研究院