НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Полезная модель относится к научному приборостроению и может быть использована для исследования физических свойств сверхпроводников с применением оптического, рентгеновского или синхротронного излучения.
Известно спектроскопическое устройство [1] для измерения полного выхода электронов, выхода флуоресцентного излучения и оптической люминесценции, вызванной воздействием рентгеновского излучения. Устройство состоит из высоковакуумного оптического криостата, в котором размещаются манипулятор для образцов с криорефрежераторным охлаждением и электромагнит с полюсными наконечниками. Устройство позволяет проводить структурные исследования порошковых образцов или тонких пленок в диапазоне температур 14-350 К в присутствии внешнего магнитного поля величиной до 0,53 Тл, а также подавать напряжение на исследуемые образцы. К недостаткам такой конструкции можно отнести низкую величину магнитного поля, необходимость размещения образца в области высокого вакуума, невозможность исследовать свойства образцов при воздействии излучения оптического диапазона, невозможность измерения критических электрофизических параметров сверхпроводящих тонких пленок, ввиду отсутствия сильноточных токовводов.
Наиболее близким к заявленной модели является низкотемпературное устройство [2] для исследования физических свойств порошковых материалов, взятое за прототип.
Устройство включает в себя два низкотемпературных вакуумных криостата. В одном из них находится сверхпроводящий сплит-магнит, соединенный с криорефрежератором для охлаждения до криогенных температур, при этом криостат магнита имеет шахту и щель для рентгеновского излучения. Щель является сквозной и проходит через ось шахты криостата магнита. Сверхпроводящий сплит-магнит запитывается через токовводы и создает внутри шахты криостата магнита магнитное поле, направленное вдоль оси шахты криостата магнита, а второй криостат имеет хвостовик, внутри которого расположен держатель исследуемых образцов. Держатель исследуемых образцов закреплен на криорефрежераторе и имеет нагреватель, что позволяет регулировать его температуру в диапазоне от комнатной до криогенной. Хвостовик криостата держателя исследуемых образцов находится в шахте криостата магнита и ориентирован таким образом, что находящиеся на нем окошки прозрачные для рентгеновского излучения совпадают с щелью в криостате магнита. Таким образом устройство позволяет проводить структурные исследования порошковых образцов, закрепленных на держателе исследуемых образцов, с применением рентгеновского или синхротронного излучения в широком диапазоне температур от криогенной до комнатной и во внешнем магнитном поле от -5 Тл до +5 Тл.
Однако известное устройство не позволяет исследовать широкий спектр физических параметров материалов, при протекании через них электрического тока, с одновременным воздействием рентгеновского излучения и излучения оптического диапазона.
Технический результат направлен на обеспечение возможности исследования физических свойств сверхпроводников при протекании через них электрического тока, с одновременным применением рентгеновского излучения и излучения оптического диапазона.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство включающее криостат магнита и криостат держателя исследуемых образцов, при этом криостат магнита имеет шахту в виде цилиндрического углубления в нем, а кроме того он содержит внутри токовводы сверхпроводящего сплит-магнита, криорефрежератор, соединенный со сверхпроводящим сплит-магнитом, сверхпроводящий сплит-магнит, который расположен вокруг шахты криостата магнита и соосно с ней, а криостат держателя исследуемых образцов имеет хвостовик, расположенный внутри шахты криостата магнита, внутри которого размещен держатель исследуемых образцов, соединенный с криорефрежератором, при этом на хвостовике размещены окна прозрачные для рентгеновского излучения, направленные на держатель исследуемого образца, причем криостат магнита и криостат держателя исследуемых образцов имеют окна прозрачные для прохождения излучения оптического диапазона, а кроме того в криостате магнита дополнительно размещены окна прозрачные для рентгеновского излучения, при этом все окна как криостата магнита так и криостата держателя исследуемых образцов обращены в направлении держателя исследуемого образца, помимо того криостат держателя исследуемых образцов содержит комбинированные токовводы, один конец которых закреплен на корпусе криостата держателя исследуемых образцов, а второй соединен с держателем исследуемых образцов.
Ниже приведен пример конкретной реализации предполагаемого устройства.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства.
На фиг. 2 приведено схематичное изображение поперечного сечения устройства, в плоскости перпендикулярной оси шахты криостата магнита и содержащей образец.
На фиг. 3 изображен внешний вид криостата магнита.
Устройство состоит из: криостат держателя исследуемых образцов - 1, криорефрижератор держателя исследуемых образцов - 2, медный экран криостата держателя исследуемых образцов - 3, комбинированные токовводы - 4, держатель исследуемых образцов - 5, окна прозрачные для рентгеновского излучения - 6, криостат магнита - 7, сверхпроводящий сплит-магнит - 8, медный экран криостата магнита - 9, токовводы сверхпроводящего сплит-магнита - 10, криорефрижератор сверхпроводящего сплит-магнита - 11, нагреватель держателя исследуемых образцов - 12, окна прозрачные для излучения оптического диапазона - 13.
Устройство работает следующим образом.
На держателе исследуемых образцов 5 предварительно размещен образец, которым в данном случае выступает сверхпроводящая тонкая пленка.
8 криостате держателя исследуемых образцов 1 создан вакуум, и он установлен своим хвостовиком в шахту криостата магнита 7 таким образом, что окна прозрачные для рентгеновского излучения 6 и окна прозрачные для излучения оптического диапазона 13 на криостате держателя исследуемых образцов 1 обращены к соответствующими окнами на криостате магнита 7. Образец при этом находится на оси шахты криостата магнита 7. Температура образца регулируется работой криорефрижератора держателя исследуемых образцов 2 и нагревателя держателя исследуемых образцов 12.
Сверхпроводящий сплит-магнит 8, расположенный в вакуумном объеме криостата магнита 7, и защищенный от лучистого теплопритока медным экраном криостата магнита 9, охлаждается криорефрижератором сверхпроводящего сплит-магнита 11 до криогенной температуры. После охлаждения сверхпроводящего сплит-магнита 8 до рабочей температуры, через токовводы сверхпроводящего сплит-магнита 10, которые на промежутке от корпуса криостата магнита 7 до медного экрана криостата магнита 9 выполнены из медных шин, а на участке от медного экрана криостата магнита 9 до сверхпроводящего сплит-магнита 8 выполнены из высокотемпературного сверхпроводника, подается ток, что создает магнитное в шахте криостата магнита 7. Комбинированные токовводы 4 одним концом крепятся на корпусе криостата держателя исследуемых образцов 1, а второй конец соединен с держателем исследуемых образцов 5. Комбинированные токовводы 4 аналогичны по своей структуре токовводам сверхпроводящего сплит-магнита 10. На исследуемый образец подается электрический ток через комбинированные токовводы 4. После того как получены требуемые значения магнитного поля, температуры исследуемого образца и тока, протекающего через исследуемый образец, поверхность образца подвергается облучению фемтосекундными импульсами излучения оптического диапазона через окна прозрачные для излучения оптического диапазона 13. Излучение оптического диапазона беспрепятственно проникает в шахту криостата магнита 7 и выходит наружу, отразившись от плоской поверхности исследуемого образца тонкой сверхпроводящей пленки. Синхронно с импульсами излучения оптического диапазона подаются импульсы рентгеновского излучения, которые через окна прозрачные для рентгеновского излучения 6, беспрепятственно проникают в шахту криостата магнита 7, проходят сквозь исследуемый образец и выходят с противоположной стороны криостата магнита 7. Таким образом, импульсы рентгеновского излучения позволяют исследовать структуру и электронную подсистему исследуемого образца при одновременном протекании электрического тока и воздействии излучения оптического диапазона.
Таким образом, полезная модель позволяет обеспечить возможность исследования физических свойств сверхпроводников при протекании через них электрического тока, с одновременным применением рентгеновского излучения и излучения оптического диапазона.
Источники информации:
1. Н. Liu, J. Cao, Y. Wang, Ζ. Chen, Η. Yu, L. Zhang, Ζ. Xu, Ζ. Guo, X. Zhang, X. Zhen, Y. Zou and R. Tai. Soft x-ray spectroscopic endstation at beamline 08U1A of Shanghai Synchrotron Radiation Facility // Review of Scientific Instruments - 2019 - Vol. 90 - 043103.
0,5
0,5
3
2. K. Watanabe, Y. Watanabe, S. Awaji, M. Fujiwara, N. Kobayashi and T. Hasebe. X-ray diffraction investigation in high fields at low temperature for NdSrMnO // Advances in Cryogenic Engineering (Materials) - 1998 -Vol. 44 - P. 747-752.