又一重大研究成果：基于超导量子干涉器的磁梯度计振动噪声机理分析

基于超导量子干涉器（SQUID）的磁梯度计，是当前灵敏度最高的磁传感器之一，在心磁图（MCG）诊断、地下资源勘探等领域具有重要应用价值。然而，其超高灵敏度使其对环境振动干扰极为敏感，地基、低温制冷设备等产生的振动会转化为低频噪声，严重时可淹没有效信号，限制了该设备在非磁屏蔽环境及高速动态场景中的应用。

现有研究虽通过物理隔振、算法滤波、结构优化等被动式降噪方法，在一定程度上抑制了振动噪声，但尚未深入阐明振动转化为噪声的核心物理机理，导致降噪措施缺乏普适性与高效性，难以应对复杂多变的振动环境。

针对这一研究空白，北京科技大学张朝晖教授领衔的磁量子探测技术团队，在国际期刊《Annalen der Physik》（AdP）发表研究成果，系统性揭示了 SQUID 磁梯度计振动噪声的产生机制，为从源头优化设备抗振动性能提供了理论支撑。

拾取线圈是 SQUID 磁梯度计的核心探测部件，其制造与安装过程中存在的微小角度偏差，是窄带噪声产生的关键诱因。当环境发生振动时，该角度偏差会使线圈在均匀磁场中产生特定运动，进而转化为与振动频率相关的窄带噪声：

• 当线圈角度偏差方向与振动方向垂直时，噪声主要以振动频率的二次谐波形式呈现；

• 当线圈角度偏差方向与振动方向平行时，噪声集中分布于振动基频。

此类噪声具有周期性特征，频率范围集中，属于典型的窄带噪声。

SQUID 磁梯度计需在极低温环境下运行，液氦是维持低温的核心介质，其储存于杜瓦瓶中。振动会加剧杜瓦瓶内液氦的沸腾，产生的气泡在穿过拾取线圈区域时，会对磁场探测造成随机扰动，导致系统宽带噪声基底显著抬高。研究发现，该扰动效应在磁梯度计固有共振频率（本研究中测得为 15 Hz）处会被显著放大，使宽带噪声在该频率达到峰值。此类噪声由随机振动过程引发，频率范围宽泛，属于宽带噪声。

该研究突破了传统被动降噪思路的局限，通过明确窄带噪声与宽带噪声的独立产生机制，为 SQUID 磁梯度计的抗振动设计提供了关键理论依据。基于此研究成果，可通过优化拾取线圈制造精度以减少角度偏差、改进杜瓦瓶结构以抑制液氦沸腾扰动等方式，从源头降低振动噪声干扰，提升设备在复杂振动环境中的稳定性。

这一成果对 SQUID 磁梯度计的车载、空载等高速探测应用具有重要现实意义，能够推动其在车辆导航、地下管线探测、无人机地质勘探等动态场景中的实用化进程，进一步拓展超高灵敏度磁传感技术的应用范围。

本研究第一作者为北京科技大学仪器科学与技术学科博士研究生宋凡，通讯作者为张朝晖教授。张朝晖团队长期致力于高精度 SQUID 磁传感技术及其应用研究，此次成果为量子精密测量领域解决复杂干扰问题提供了新方案。

相关研究论文《Mechanisms of Noise Generation in Superconducting Quantum Interference Device Based Gradiometers under Vibrations》已发表于《Annalen der Physik》，DOI：10.1002/andp.202500101。