УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для измерения магнитных и механических величин, а конкретно к установкам для исследования электрофизических свойств высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов. Технический результат заключается в увеличении информативности получаемых данных измерений параметров магнитных полей при испытаниях образцов из ВТСП материалов, позволяющих разделить влияние и определить основные параметры транспортных токов и намагниченности.
Известен аналог патент на полезную модель №123973 «Установка для исследования физических и магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников». В состав установки входит центратор образца, помещенный в криостат. Образец располагается в центраторе над катушкой, создающей магнитное поле. Держатель образца соединен с электронными весами и электродвигателем, функцией которого является приведение образца ВТСП во вращение. Также в установке предусмотрено наличие датчика для измерения магнитного поля в зазоре между образцом и катушкой. Датчик имеет возможность перемещения параллельно зазору при помощи шагового двигателя. Установка позволяет производить измерение магнитного поля в зазоре между катушкой и неподвижным ВТСП образцом, а также значение силы, действующей на неподвижный и вращающейся с заданной частотой образец ВТСП материала.
В процессе измерения образец помещают в измерительную камеру (криостат), заполненную криоагентом. Перевод образца в сверхпроводящее состояние производится в отсутствии магнитного поля (режим ZFC), далее включается катушка и образец начинает левитировать. В этот момент производится измерение электромагнитной силы, действующей на образец. Датчик для измерения магнитного поля перемещается в зазоре при помощи шагового двигателя по линии, измеряя распределение магнитного поля между катушкой и образцом ВТСП материала. При включении приводного двигателя образец начинает вращаться с заданной частотой относительно катушки, что позволяет произвести измерение зависимости электромагнитной силы от частоты вращения образца.
Недостатками данной установки являются: невозможность измерения магнитного поля во всей плоскости зазора между образцом и катушкой, отсутствие средств компенсации геомагнитного поля, а также средств измерений магнитного момента испытуемых образцов и полного транспортного тока. Кроме того, к недостаткам можно отнести неравномерное распределение магнитного поля в образце, созданное катушкой с током.
Известен аналог (прототип) патент на полезную модель №134332 «Установка для исследования физических процессов, происходящих в высокотемпературных сверхпроводниках в неоднородном локальном магнитном поле». В состав данной установки входит криостат для охлаждения сверхпроводника, постоянные магниты на ферромагнитном основании для создания магнитного поля, основание для крепления образца ВТСП, а также устройство для измерения вращающего момента, действующего на образец. Процесс измерения заключается в охлаждении образца в режиме FC (охлаждение в магнитном поле) и последующем вращении постоянных магнитов относительно своей оси при помощи мотор-редуктора при этом измеряется зависимость электромагнитного момента, действующего на образец, от угла поворота магнитной системы и определяется момент срыва. Измеренные данные в последующем позволяют определить критический ток, силу пиннинга и коэффициент вязкого трения образца.
Недостатками данной конструкции являются: наличие ферромагнитных деталей в магнитной системе, что вносит погрешности при измерении, за счет появления в них областей намагниченности с неизвестными параметрами; невозможность создания магнитных полей с магнитной индукцией более 1 Τ и высокой степени однородности из-за расположения постоянных магнитов только с одной стороны от образца. Кроме того, отсутствуют система компенсации геомагнитных полей, а также средства для измерений распределений магнитной индукции с температурной компенсацией в области низких температур, магнитного момента испытуемых образцов, полного транспортного тока. Указанные недостатки прототипа не позволяют увеличить точность и информативность измерений, а также создавать сильные магнитные поля
Технической задачей полезной модели является повышение точности и информативности измерений.
Технический эффект, возникающий при реализации поставленной технической задачи состоит в обеспечении однородного регулируемого магнитного поля в зоне измерения, не зависящего от магнитного состояния образца, а также в обеспечении возможности высокоточного измерения магнитного поля во всех точках в плоскости зазора в большом диапазоне магнитных индукций и достигается тем, что в известной установке для исследования физических свойств высокотемпературных сверхпроводников в неоднородном локальном магнитном поле, содержащей криостат с жидким азотом для охлаждения высокотемпературного сверхпроводящего образца, основание для крепления образца, систему состоящую из постоянных магнитов, мотор-редуктор, согласно полезной модели, магнитная система выполнена из двух полюсов, состоящих из высококоэрцитивных постоянных магнитов, составленных в виде структур Хальбаха, где центральная часть магнита намагничена по оси, а боковые магниты - по радиусу, основание для крепления образца выполнено из немагнитного материала, содержит компенсирующие катушки Гельмгольца, расположенные в трех плоскостях, координатное устройство, обеспечивающее перемещение датчика тесламетра по трем осям, средства измерений магнитного момента и полного транспортного тока в испытуемых образцах.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки для исследования электрофизических свойств высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов.
На фиг. 2. показано направление намагниченности постоянных магнитов, составляющих полюс магнитной системы (вид сбоку)
На фиг. 3 показано направление намагниченности постоянных магнитов, составляющих полюс магнитной системы (вид сверху).
На фиг. 4 представлено распределение магнитной индукции в средней части зазора между магнитами, где располагается испытуемый образец.
На фиг. 5 приведены градуировочные зависимости магнитной индукции от расстояния между полюсами магнитной системы
На фиг. 6 показана линия интегрирования измеренных значений магнитной индукции при измерении полного тока.
На фиг. 7 показано расположение датчика силы.
В состав установки для исследования электрофизических свойств высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов (фиг. 1) входят: основание для крепления образца 1, на котором закреплены три взаимно ортогональных пары катушек Гельмгольца 2 для компенсации внешних магнитных полей. На основании 1 также закреплена плита 3 из немагнитного материала, к которой присоединяются направляющие рельсы 4. По рельсам 4 передвигаются платформы с закрепленными на них постоянными магнитами 5, создающие в области испытуемого образца однородное магнитное поле с регулируемой магнитной индукцией до 1.5 Тл. Между полюсами магнитной системы 5 помещается образец ВТСП материала 6, находящийся в криостате 7. Через криостат 7 прокачивается жидкий азот при помощи рефрижераторной установки замкнутого цикла 8. Измерение магнитной индукции осуществляется при помощи трехкоординатного позиционирующего устройства 9, на котором закреплен зонд 10 тесламетра. Регулирование магнитной индукции осуществляется перемещением платформ с помощью шагового двигателя 11 и винтовой трансмиссии. Измерение результирующего магнитного момента транспортных токов и намагниченности осуществляется при помощи специальных измерительных катушек Гельмгольца, подключенных к измерителю магнитного потока (веберметру). Измерение полного тока в кольцевых образцах производится путем интегрирования значений напряженности магнитного поля на линии проходящей через внутреннее отверстие образца и криостата. Для измерений действующих на образец сил применены датчики через которые криостат закреплен на неподвижном основании. В состав установки также входит компьютер, выполняющий функции управления, сбора и обработки данных измерений.
Для создания магнитного поля применена магнитная система, состоящая из двух высококоэрцитивных постоянных магнитов из сплава NdFeB с остаточной магнитной индукцией 1,35 Тл (фиг. 2). Элементы из магнитомягкого материала в конструкции отсутствуют, так как испытуемый образец из ВТСП материала создает собственное магнитное поле, которое может изменить магнитное состояние деталей из магнитомягкого материала и тем самым, изменит внешнее магнитное поле. Этот эффект приводит к значительным погрешностям в определении электрофизических свойств материала испытуемых образцов.
С целью создания однородных магнитных полей с большим значением магнитной индукции постоянные магниты составлены в виде структур Хальбаха (фиг. 3), где центральная часть магнита намагничена по оси, а боковые магниты - по радиусу. Распределение магнитной индукции в средней части зазора между магнитами, где располагается испытуемый образец, приведено на фиг. 4. Зависимость магнитной индукции в центре зазора от расстояния между магнитами показано на фиг. 5. Параметры представленной магнитной системы удовлетворяют требованиям установки для исследования электрофизических свойств высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов. Регулирование магнитной индукции производится с помощью изменения расстояния между магнитами. Закрепленные на платформах постоянные магниты перемещаются по направляющим рельсам с помощью шагового двигателя и винтовой трансмиссии. Рельсы и винтовая трансмиссия воспринимают возникающие усилия взаимодействия магнитов, достигающие 6400 Н. Возможно или симметричное относительно образца перемещение магнитов или перемещение только одного магнита. Положение магнитов задается и фиксируется программой компьютера или оператором.
Измерение магнитной индукции осуществляется магнитометром, имеющим зонды с преобразователями Холла, ориентированными таким образом, чтобы иметь возможность выполнять измерения всех трех компонент вектора магнитной индукции. Измерительный прибор оснащается системой автоматической компенсации температурной нестабильности преобразователя Холла в диапазоне температур от 40 до 300°К. Измеренные значения магнитной индукции сохраняются в памяти подключенного к прибору компьютера вместе с координатами центра датчика.
Трехкоординатная система позиционирования зонда управляется компьютером по заранее заданной программе перемещений, реализуемой тремя шаговыми двигателями с винтовой механической трансмиссией или вручную.
Компенсация геомагнитного поля производится тремя парами катушек Гельмгольца, расположенных в трех координатных плоскостях. Питание катушек осуществляется от трех независимых источников постоянного тока. Диаметр катушек 1200 мм, расстояние между ними 600 мм. Настройка системы производится при отсутствии постоянных магнитов перед проведением испытаний образцов из ВТСП материалов. Датчик измерителя магнитной индукции располагается в центре криостата последовательно в трех координатных плоскостях. Токи в катушках Гельмгольца регулируются таким образом, чтобы получить нулевые показания измерителя магнитной индукции по каждой координатной оси.
0
Измерение суммарного магнитного момента производится специальными измерительными катушками Гельмгольца, которые имеют диаметр не менее 10l, где l - наибольший линейный размер образца и расстояние между катушками равное радиусу катушек. Обе катушки соединяются последовательно и подключаются к измерителю магнитного потока (веберметру). Измерение суммарного магнитного момента исследуемого образца из ВТСП материала производится помещением образца с криокамерой в центральную область катушек. Для этого катушки надвигаются на криокамеру. Измеренное веберметром потокосцепление катушек прямо пропорционально суммарному магнитному моменту транспортных токов и намагниченности в направлении оси катушек Гельмгольца m=Ψ/(μk), где m - суммарный магнитный момент; Ψ - измеренное значение потокосцепления; k - постоянная катушек Гельмгольца.
Измерение полного тока выполняется для образцов с внутренним отверстием. Полный ток равен криволинейному интегралу от напряженности магнитного поля по замкнутому контуру, охватывающему этот ток. Поскольку в условиях эксперимента обычно используемый для этих измерений пояс Роговского не применим, то определение полного тока производится непосредственным интегрированием измеренной напряженности магнитного поля на протяженной линии, проходящей через внутреннее отверстие образца (см. фиг. 6)
x
, где H - проекция напряженности магнитного поля на линию АВ. Длина линии АВ выбирается из условия h≥15l, что обеспечивает погрешность вычислений полного тока не хуже 1%.
Напряженность магнитного поля измеряется магнитометром, данные с которого фиксируются в компьютере и интегрируются.
Измерение действующих на образец сил осуществляется датчиками сил, установленными между опорной площадкой и криостатом (фиг. 7). На фиг. 7 показаны: криостат 1; опорная площадка 2; датчики сил 3 (8 шт.).
Порядок работы
Установка позволяет производить исследования образцов из ВТСП материала как в режиме перевода в сверхпроводящее состояние без магнитного поля (ZFC), так и в режиме заданного внешнего поля (FC). Согласно принятой нумерации на фиг. 1. Перед началом работы производится компенсация геомагнитного поля регулировкой токов в компенсирующих катушках Гельмгольца 2.
В режиме ZFC постоянные магниты 5 с помощью привода с механической трансмиссией 11 разводятся на расстояние не менее 1 м друг от друга. Криостат 7 с образцом подключается к системе охлаждения. После выдержки времени для заполнения системы жидким азотом и охлаждения образца (не менее 5 мин.) установка готова к исследованиям по требуемой программе.
В режиме FC постоянные магниты 5 с помощью привода с механической трансмиссией 11 фиксируются на расстоянии, соответствующем требуемой магнитной индукции в образце по градуировочной зависимости (фиг. 5). Криостат 7 с образцом 4 подключается к системе охлаждения 8. После выдержки времени для заполнения системы жидким азотом и охлаждения образца (не менее 5 мин.) установка готова к исследованиям по требуемой программе.