УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ В НЕОДНОРОДНОМ ЛОКАЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Полезная модель относится к области исследования физических процессов, происходящих в высокотемпературных сверхпроводниках в магнитном поле. Она может использоваться для определения параметров сверхпроводящих материалов, в частности - силы пиннинга, величины критического тока и коэффициента вязкого трения вихрей, а также выявления особенностей магнитомеханического взаимодействия высокотемпературных сверхпроводников с неоднородным магнитным полем.
Известен аналог - способ измерения критического тока сверхпроводника, описанный в патенте на изобретение №2156980 C1 от 23.02.1999, МПК 7 G01R 19/00, 31/26, опуб. 27.09.2000 Бюл. №27. Данное изобретение содержит магнитную систему, создающую в локальном объеме сверхпроводника пятно магнитного потока. Сверхпроводник в виде пластинки размещают между полюсами магнитной системы, через пластину пропускают транспортный ток и при появлении падения напряжения, измеряют величину критического тока этой локальной области для данного значения магнитной индукции. Пластина имеет возможность перемещения, что позволяет измерять транспортный ток по всей ее длине.
Недостатки: ограниченное количество измеряемых параметров, необходимость проведения измерений в газообразной среде, что существенно усложняет контроль температуры сверхпроводника, ограничения геометрических форм исследуемых образцов.
Известен аналог способ бесконтактного определения эффективности центров пиннинга в сверхпроводниках, описанный в патенте на изобретение №2160485 C2 от 10.03.1999, МПК 7 H01L 39/00, 39/24, опуб. 10.12.2000 Бюл. №34., в котором сверхпроводник вывешивают между полюсами магнитной системы, в его объеме формируют пятно магнитного потока, измеряют зависимость уравновешивающей силы от смещения сверхпроводника в пространстве и определяют минимальную и предельную силы пиннинга.
Недостатки: ограниченное количество измеряемых параметров, ограничения геометрических форм исследуемых образцов. Известен аналог установка для исследования динамики пятна магнитного потока в сверхпроводниках механическим методом, описанная в работе Голева И.М., Милошенко В.Е., Андреевой Н.А. // Приборы и техника физического эксперимента. 1998, №5, с. 161-163. В ней сверхпроводящий образец в виде пластины двусторонне закреплен в держателе и совершает упругие колебания, возбуждаемые в нем низкочастотным генератором. В ходе эксперимента определяется их амплитуда и логарифмический декремент затухания. Для этого используются емкостной датчик перемещения с аттенюатором, изменяющим его чувствительность.
Недостатки: ограниченное количество измеряемых параметров, ограничения геометрических форм исследуемых образцов, недостаточная чувствительность и низкая точность. Наиболее близкий аналог - установка для исследования физических и магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников, описанная в патенте на полезную модель №123973 U1 от 11.05.2012, МПК G01R 33/12 опуб. 10.01.2013, содержащая корпус, криостат, перпендикулярно расположенные датчики для измерения магнитной индукции, крышку верхнюю с размещенным на ней шаговым двигателем, весы рычажные и электронные, катушку, создающую магнитное поле, кожух, присоединенной к нижней крышке, двигатель обеспечивающий вращение сверхпроводящего образца.
Недостатки: ограниченное количество измеряемых параметров, привязка к строго определенным диаметрам и толщинам сверхпроводящих дисков - из-за размеров оснастки держателя образца, сложность смены образцов, долговременность и сложность хода эксперимента, не универсальность, низкая точность измерений.
Технический результат: увеличение количества измеряемых параметров, возможность использования для измерения образцов в виде дисков, простота смены образцов, ускорение и упрощение хода эксперимента, достижение универсальности установки, повышение точности измерений.
Технический результат достигается за счет того, что установка для исследования физических процессов, происходящих в высокотемпературных сверхпроводниках в неоднородном локальном магнитном поле, содержащая криостатирующий сосуд с жидким азотом для охлаждения высокотемпературного сверхпроводящего образца, высокотемпературный сверхпроводящий образец для исследований, отличающаяся тем, что содержит основание для крепления высокотемпературного сверхпроводника в виде диска, прикрепленное при помощи крепежных стоек к лимбу со шкалой в градусах, магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов формирующих локальные области магнитного поля, размещенных на диске-магнитопроводе и диска-магнитопровода, приводящуюся во вращение мотором с редуктором, укрепленном на основании крепления мотора.
Увеличение количества измеряемых параметров: величины, критического тока, силы пиннинга и коэффициента вязкого трения вихрей сверхпроводника достигается за счет того, что в установке предусмотрен поворот магнитной системы на некоторый угол, с последующим его измерением, вывешенного под источником магнитного поля высокотемпературного сверхпроводящего образца при экспериментальном варьировании угла поворота самой магнитной системы. Имеется возможность изменения величины и конфигурации локализованных областей магнитного поля за счет изменения количества, размеров и положения магнитов. В аналогах поворот магнитной системы не был предусмотрен. Конфигурация и величина локализованных областей магнитного поля не менялась.
Возможность использования для измерения образцов в виде дисков любых диаметров, простота смены образцов, ускорение и упрощение хода эксперимента, достижение универсальности установки, повышение точности измерений происходит за счет конструкции установки, которая содержит основание для крепления высокотемпературного сверхпроводника, прикрепленное при помощи крепежных стоек к лимбу со шкалой в градусах, магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов формирующих локальные области магнитного поля, размещенных на диске-магнитопроводе и диска-магнитопровода, приводящуюся во вращение мотором с редуктором, укрепленном на основании крепления мотора.
Повышение точности измерений достигается за счет исключения дополнительной перенастройки системы измерений после каждой смены образца, уменьшения количества влияющих на погрешности эксперимента составляющих устройства и облегчения веса всей конструкции в целом. Измерения проводятся в жидком азоте, что стабилизирует температуру сверхпроводника. В аналогах разбор системы для смены образца затрагивает измерительные составляющие, что приводит к снижению точности измерения.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом позволяет сделать вывод, о том, что заявляемая полезная модель отвечает условиям патентоспособности: является новой, промышленно применимой.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена установка для исследования физических процессов, происходящих в высокотемпературных сверхпроводниках в неоднородном локальном магнитном поле.
Установка для исследования физических процессов, происходящих в высокотемпературных сверхпроводниках в неоднородном локальном магнитном поле содержит высокотемпературный сверхпроводящий образец 1 для измерения в виде диска, установленный на основании 5 для крепления высокотемпературного сверхпроводящего образца 1 и соединенных при помощи крепежных стоек 6 с лимбом со шкалой в градусах 11. Постоянные магниты 2, из магнитного сплава NdFeB, формируют три, а при изменении хода эксперимента - четыре, локальные области магнитного поля. Постоянные магниты 2 размещены на диске-магнитопроводе 3 - ферромагнитном экране из электротехнической стали марки 10832, выполненным в виде диска. Диск-магнитопровод 3 центрирован для вращения магнитной системы на оси 4 для вращения магнитной системы, изготовленной из немагнитного материала. Постоянные магниты 2 и диск-магнитопровод 3, приводимый во вращение мотором с редуктором 7, укрепленном на основании 8 крепления мотора, образуют магнитную систему. Высокотемпературный сверхпроводящий образец 1, основание 5 для крепления высокотемпературного сверхпроводящего образца, крепежные стойки 6 и лимб 11 со шкалой в градусах отцентрированы упругим торсионным элементом 9 и вывешены на основании 10 для крепления подвижной системы. В качестве упругого торсионного элемента 9 использовалась круглая проволока из берилловой бронзы диаметром 0,5 мм. Высокотемпературный сверхпроводящий образец 1 и основание 5 для крепления высокотемпературного сверхпроводящего образца помещены в криостатирующий сосуд 12 с жидким азотом 13 для охлаждения высокотемпературного сверхпроводящего образца 1. Работа устройства.
Высокотемпературный сверхпроводящий образец 1 закрепляют в основании 5 для крепления сверхпроводящего образца, вывешивают при помощи крепежных стоек 6 на упругом торсионном элементе 9 на основании 10 для креплении подвижной системы.
Вывешивают высокотемпературный сверхпроводящий образец 1 таким образом, чтобы магнитное поле постоянных магнитов 2 было перпендикулярно поверхности высокотемпературного сверхпроводящего образца 1. На данном этапе выставляют уровень зазора между поверхностью образца 1 и постоянными магнитами 2, регулируя длину упругого торсионного элемента 9. Далее высокотемпературный сверхпроводящий образец 1 охлаждается в криостатирующем сосуде 12 жидким азотом 13 и переходит в сверхпроводящее состояние при воздействии магнитного поля постоянных магнитов 2. На поверхности высокотемпературного сверхпроводящего образца 1 формируются три области (по количеству постоянных магнитов 2) магнитного поля. В объеме высокотемпературного сверхпроводящего образца 1 под действием данного поля формируются области нормальной фазы - вихри. Затем, магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов 2 и диска-магнитопровода 3, отцентрированного на оси 4 для вращения магнитной системы, поворачивают при помощи мотора с редуктором 7, закрепленном на основании крепления мотора 8 на определенный угол. При этом высокотемпературный сверхпроводящий образец 1, находящийся в сверхпроводящем состоянии, за счет своего взаимодействия с магнитным полем постоянных магнитов 2 поворачивается на некоторый угол, измеряемый по шкале лимба 11. По известной жесткости упругого торсионного элемента 9 и измеренному углу определяется вращающий момент подвижной системы. С увеличением угла поворота магнитной системы угол поворота высокотемпературного сверхпроводящего образца 1 будет возрастать, до тех пор, пока не произойдет срыв вихрей с центров закрепления. В этом случае дальнейшее увеличение угла поворота магнитной системы не станет приводить к увеличению угла поворота высокотемпературного сверхпроводящего образца 1, а измеренный в данный момент угол определит силу пининга вихрей в образце. По зависимости угла поворота высокотемпературного сверхпроводящего образца 1 от угла поворота магнитной системы определяется величина критического тока, сила пиннинга и коэффициент вязкого трения образца. За счет конструкции основания 5 для крепления высокотемпературного сверхпроводящего образца 1 и конструкции подвижной магнитной системы достигается универсальность установки, что дает возможность исследовать образцы различных диаметров и толщин.