Устройство для измерения температурных параметров сверхпроводников

Устройство для измерения температурных параметров сверхпроводников

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к исследованию и анализу материалов с помощью электрических и магнитных средств и может быть использовано для определения физических свойств сверхпроводников.

Известно, например, устройство для измерения свойств сверхпроводников, в частности критического тока сверхпроводников, включающее катушку индуктивности, средства для установки катушки индуктивности в непосредственной близости от сверхпроводника, электрические соединения, обеспечивающие прохождение через катушку переменного тока с низкой амплитудой, охлаждающие средства для поддержания сверхпроводника при заданной температуре, а также средства для измерения реактивного сопротивления катушки индуктивности (US Patent №5134360 «Apparatus and method for critical current measurements», filled Mar. 15, 1991, published Jul. 28, 1992, IPC: G01N 28/00). Известное устройство предназначено для измерения критического тока и не учитывает особенностей процесса измерения температурных параметров сверхпроводников.

Для измерения температурных параметров сверхпроводников, в частности критической температуры, используют в основном устройства, работа которых основана на эффекте Мейснера, который заключается в том, что при охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объема. Этим сверхпроводник отличается от идеального проводника, у которого при падении сопротивления до нуля индукция магнитного поля в объеме должна сохраняться без изменения.

Основными элементами таких устройств являются расположенные на общей оси две катушки индуктивности, между которыми расположен диск, изготовленный из сверхпроводящего материала [«Measuring the Critical Temperature of YBCO using Meissner effect», Daniel Brown and Mihach Milliman, Department of Physics, Wabash College, Crawfordsville, IN 47933. Dated: December 10, 2008)].

Рассмотренное в указанной статье устройство позволяет определять температурные параметры сверхпроводников, в частности критическую температуру, при условии погружения в жидкий азот сверхпроводника вместе с катушками индуктивности. Резкие колебания температур катушек индуктивности - основных элементов передачи и фиксирования сигнала, определяющего критическую температуру сверхпроводника, являются источником больших погрешностей при измерениях. В соответствии с представленными в вышеуказанной статье данными точность измерений составляет Т_с=90.6±2.2 K. Такая точность определения, в частности критической температуры, в ряде случаев является недостаточной.

Известно также аналогичное устройство для измерения критической температуры сверхпроводника [«Critical temperature measurement set up», J. Riley, M. Liepe, S. Rosen, CLASSE, Ithaca, NY 14853, U.S.A]. Известное устройство, также как и рассмотренное выше, включает две катушки индуктивности, установленные симметрично с зазором для размещения образца сверхпроводника, емкость с криоагентом и термодатчик. Катушки выполнены с круглым поперечным сечением и расположены на общей оси, перпендикулярной поверхности образца, параметры которого измеряют. Первичная катушка предназначена для подачи на нее напряжения звуковой частоты U₁, при этом со второй катушки снимается регистрируемый сигнал (напряжение U₂). Когда образец достигает сверхпроводящего состояния наблюдается резкое падение сигнала, поступающего со вторичной катушки. Из-за существования полей рассеяния, спада сигнала до нуля не происходит. Температура, соответствующая середине спада напряжения U₂, является критической температурой образца, а температурный промежуток между максимальной и минимальной величинами напряжения U₂ - это ширина сверхпроводящего перехода.

Вследствие того, что катушки индуктивности расположены на одной оси, уровень сигнала U₂ ограничивается величиной их взаимной индуктивности. Чем меньше величина U₂, тем меньше отношение сигнал-шум. Кроме того, при таком расположении катушек индуктивности имеет место большая величина магнитного поля рассеяния, спад напряжения U₂ в зоне сверхпроводящего перехода мал, а при использовании узких образцов спад напряжения U₂ в зоне сверхпроводящего перехода дополнительно снижается. Все эти факторы отрицательно сказываются на точности измерений.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для измерения температурных параметров сверхпроводников, пригодного для промышленного применения, повышение точности измерений температурных параметров сверхпроводников и расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности измерения температурных характеристик узких ленточных образцов сверхпроводников.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для измерения температурных параметров сверхпроводников, включающем две катушки индуктивности, установленные симметрично в общем корпусе с зазором для размещения образца сверхпроводника, а также емкость с криоагентом и термодатчик, оси катушек индуктивности ориентированы параллельно друг другу и поверхности образца, катушки индуктивности выполнены с прямоугольным поперечным сечением и установлены меньшей стороной прямоугольника параллельно поверхности образца, а корпус выполнен из двух половин, с плоскостью разъема для размещения образца сверхпроводника, при этом устройство дополнительно снабжено механизмом регулировки и фиксации расстояния между образцом и поверхностью криоагента.

Соотношение сторон прямоугольного сечения катушек индуктивности целесообразно выбирать в интервале от 2 до 4.

Устройство дополнительно может содержать защитный экран, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью, установленный в одной плоскости с образцом, примыкающий к образцу с обеих сторон.

Устройство также может дополнительно содержать установленные в корпусе магнитные экраны, выполненные в форме разомкнутых цилиндрических поверхностей, п-образного поперечного сечения, установленные по наружным торцам катушек индуктивности со стороны, противоположной образцу, при этом расстояние между катушками индуктивности и защитными экранами 5÷10 мм, а между плоскостью размещения исследуемого образца и магнитными экранами не менее 5 мм.

Целесообразно, чтобы термодатчик был установлен в одной из половин корпуса с возможностью контакта с образцом.

В предлагаемом устройстве для измерения температурных параметров сверхпроводников оси катушек индуктивности ориентированы параллельно друг другу и поверхности образца. Такое расположение катушек индуктивности и образца позволяет увеличить взаимоиндуктивность катушек, увеличить уровень сигнала U₂ и отношение сигнал-шум. Точность измерения при этом будет повышена.

Использование катушек индуктивности прямоугольного поперечного сечения и расположение катушек индуктивности меньшей стороной прямоугольного поперечного сечения параллельно поверхности образца позволяет уменьшить поле рассеяния первичной катушки и увеличить величину спада сигнала U₂ при переходе в сверхпроводящее состояние.

Корпус устройства выполнен из двух половин, с плоскостью разъема для размещения образца сверхпроводника, что обеспечивает удобство и точность установки образца относительно катушек, жестко закрепленных в корпусе.

Предлагаемое устройство снабжено механизмом регулировки и фиксации расстояния между образцом и поверхностью криоагента. Наличие такого механизма позволяет установить образец сверхпроводника строго параллельно поверхности криоагента и на расстоянии от поверхности криоагента, позволяющем обеспечить максимально возможную точность измерений. Если образец располагается слишком близко от поверхности криоагента или расстояние между образцом и поверхностью криоагента неравномерно (в частном конкретном случае это минимальное расстояние составляло 25 мм), наблюдается сильное искажение кривой сверхпроводящего перехода. Это объясняется тем, что образец то переходит в сверхпроводящее состояние, то возвращается в нормальное состояние вследствие влияния сильных конвекционных потоков паров криоагента, в частности жидкого азота, вблизи его поверхности. В экспериментальном образце устройства, выполненного в соответствии с предлагаемым изобретением, был использован скользящий по штанге цанговый механизм.

Если образец расположен слишком далеко от поверхности криоагента необоснованно увеличивается время измерения, что неприемлемо в условиях промышленного применения.

Соотношение сторон прямоугольного сечения катушек индуктивности в интервале от 2 до 4 обеспечивает минимальное поле рассеяния первичной катушки.

Защитный экран, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью, установленный в корпусе в одной плоскости с образцом, примыкающий к образцу с обеих сторон шириной не менее ширины образца, обеспечивает экранирование поля рассеяния первичной катушки. При ширине экрана меньше чем ширина образца поле рассеяния первичной катушки экранируется недостаточно для получения значительной величины спада сигнала U₂ при переходе в сверхпроводящее состояние.

Устройство может дополнительно содержать магнитные экраны в форме разомкнутых цилиндрических поверхностей, п-образного поперечного сечения, установленные по наружным торцам катушек индуктивности со стороны, противоположной образцу, при этом оптимальные расстояния между катушками индуктивности и защитными экранами 5÷10 мм, а между плоскостью размещения исследуемого образца и магнитными экранами не менее 5 мм. Благодаря наличию таких экранов обеспечивается более полное экранирование поля рассеяния первичной катушки индуктивности. Указанные расстояния позволяют одновременно исключить влияние экранов на параметры катушек и максимальное экранирование поля рассеяния первичной катушки.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг.1 - схема расположения катушек индуктивности;

Фиг.2 - схема расположения катушек индуктивности и магнитных экранов;

Фиг.3 - конструкция устройства для измерения температурных параметров сверхпроводников;

Фиг.4 - зависимость сигнала вторичной катушки индуктивности от температуры образца;

Фиг.5 - зависимость сигнала вторичной катушки индуктивности от температуры образца при воздействии на образец конвекционных потоков паров криоагента.

Устройство содержит две катушки индуктивности 1 и 2, установленные симметрично относительно образца сверхпроводника 3. Устройство также содержит емкость с криоагентом (не показана). Кроме того, устройство снабжено защитным экраном 4, выполненным из материала с высокой магнитной проницаемостью и установленным в одной плоскости с образцом. Экран примыкает к образцу с обеих сторон. В общем случае ширина экрана не должна быть меньше ширины образца. В частности, при ширине образца 4 мм, ширина экрана с каждой стороны образца была выбрана равной 7 мм, при ширине образца 10 мм - ширина экрана с каждой стороны образца была выбрана равной 4 мм.

Устройство также может быть дополнительно снабжено п-образными защитными экранами 5, которые установлены по наружным торцам катушек индуктивности со стороны, противоположной образцу.

Катушки индуктивности и экраны установлены в общем корпусе, состоящем из двух половин 6 и 7, в котором предусмотрены штыри 8 и отверстия 9 для соединения и жесткой четкой фиксации частей корпуса, при этом плоскость разъема половин корпуса предназначена для установки образца сверхпроводника.

В одной из половин корпуса устройства установлен датчик температуры 10 с возможностью контакта с поверхностью образца сверхпроводника. Устройство для измерения температурных параметров сверхпроводников было опробовано для определения критической температуры образцов сверхпроводников на подложках из сплава «hastelloy» и на подложках из сплава Ni-W. На подложках были нанесены буферные слои из Y₂O₃ и CeO₂. На буферные слои был нанесен слой высокотемпературного сверхпроводника YBa₂Cu₃O₇. Размеры образцов 10×40 мм и 4×40 мм. Толщина подложек составляла 100 мкм. Катушки индуктивности 1 и 2 были установлены в разъемном корпусе, состоящем из двух половин 6 и 7. Образец сверхпроводника 3 был установлен в плоскости разъема (приклеен) к половине 7 корпуса. Датчик температуры 10 был закреплен в одной из частей корпуса с обеспечением контакта с поверхностью образца. Части корпуса были соединены с помощью штырей 8, которые вставлялись в отверстия 9. Устройство для измерения температурных параметров сверхпроводников было установлено на расстоянии 5 см над поверхностью жидкого азота.

На первичную катушку подавали переменное напряжение звуковой частоты 2 кГц, 50 мВ, а со вторичной катушки в процессе остывания образца 3 сигнал подавали на резонансный усилитель, соединенный с измерительным прибором. Когда образец достигал сверхпроводящего состояния, уровень сигнала со вторичной катушки резко падал. Как правило, из-за существования полей рассеяния спад сигнала не достигает нулевого значения. Температура, соответствующая середине спада сигнала - критическая температура, а температурный промежуток между максимальной и минимальной величинами сигнала - это ширина перехода.

На основании анализа зависимости сигнала вторичной катушки индуктивности от температуры образца, см. Фиг.4, можно сделать вывод, что ширина перехода в сверхпроводящее состояние находится в пределах 89,0-92,0 K, а критическая температура 90,6 K.

На основании анализа данных Фиг.5 видно, что в диапазоне температур от 100 K до 92 K образец начал переходить в сверхпроводящее состояние, но при температуре 90 K вернулся в нормальное состояние, а затем снова в диапазоне температур от 90 до 82 K начал переходить в сверхпроводящее состояние, что обусловлено конвекционными потоками паров азота.

Предлагаемое устройство может быть использовано в процессе отработки технологии и промышленного производства сверхпроводников, т.к. позволяет обеспечить одновременно оперативный контроль и высокую точность измерений температурных параметров различных типов сверхпроводников.

1. Устройство для измерения температурных параметров сверхпроводников, включающее две катушки индуктивности, установленные симметрично в общем корпусе с зазором для размещения образца сверхпроводника, емкость с криоагентом и термодатчик, отличающееся тем, что оси катушек индуктивности ориентированы параллельно друг другу и поверхности образца, катушки индуктивности выполнены с прямоугольным поперечным сечением и установлены меньшей стороной прямоугольника параллельно поверхности образца, а корпус выполнен из двух половин, с плоскостью разъема для размещения образца сверхпроводника, при этом устройство дополнительно снабжено механизмом регулировки и фиксации расстояния между образцом и поверхностью криоагента.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соотношение сторон прямоугольного сечения катушек индуктивности выбирают в интервале от 2 до 4.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит установленный в корпусе защитный экран, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью, установленный в одной плоскости с образцом, примыкающий к образцу с обеих сторон.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит установленные в корпусе магнитные экраны, выполненные в форме разомкнутых цилиндрических поверхностей, п-образного поперечного сечения, установленные по наружным торцам катушек индуктивности со стороны, противоположной образцу, при этом расстояние между катушками индуктивности и защитными экранами 5÷10 мм, а между плоскостью размещения исследуемого образца и магнитными экранами не менее 5 мм.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термодатчик установлен в одной из половин корпуса с возможностью контакта с образцом.