УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛЕНТОЧНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ
DEVICE FOR DETERMINING PARAMETERS OF TAPE SUPERCONDUCTORS

Изобретение относится к исследованию и анализу материалов с помощью электрических и магнитных средств и может быть использовано для определения или контроля физических свойств сверхпроводников.
Известно устройство для контроля параметров сверхпроводников («Finding the critical temperature of a YBCO superconductor using a voltage probe», Frank King, Physics Department, The College of Wooster, Wooster, Ohio 44691, USA. Dated: May 8, 2008). Известное устройство предусматривает измерение сопротивления сверхпроводника по четырехточечной схеме. К сверхпроводнику подсоединены два провода для измерения тока и два провода для измерения напряжения. Провода присоединены к сложному многоканальному устройству, например Keithly 2000. Кроме того, в известном устройстве для измерения температуры сверхпроводника применена термопара, теплый спай которой помещен в сосуд с водо-ледяной смесью, а холодный контактирует со сверхпроводником. Для измерения температуры один из концов термопары присоединен к одному из каналов многоканального устройства Keithly 2000. Известная схема контроля параметров сверхпроводника предусматривает погружение исследуемого образца вместе с присоединенными к нему проводами в жидкий азот. Снижение температуры сверхпроводника и проводов происходит слишком быстро и неравномерно из-за различия физических характеристик образца и проводов, подробная кривая сверхпроводящего перехода не может быть получена, т.е. точность и воспроизводимость измерений ограничена. Точность измерений температуры сверхпроводящего перехода, в частности, составляет ±1,1 К, что в ряде случаев недостаточно.
Известно также устройство для контроля параметров сверхпроводников («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). Применение такого устройства для измерения и контроля параметров сверхпроводника позволяет измерять только критическую температуру, т.е. функциональные возможности его ограничены. При использовании такого устройства также требуется погружение сверхпроводника вместе с катушками в жидкий азот, что так же как и в рассмотренном выше устройстве ограничивает точность измерений. Кроме того, в известном устройстве для поддержания измерительной системы в резонансе предусмотрена обратная связь между генератором и усилителем, что требует дополнительных регулировок, снижающих точность и воспроизводимость результатов измерений и усложняющих процесс эксплуатации устройства в целом. Кроме того, в процессе измерений температуры в известном устройстве используется термопара. Чувствительность термопар резко снижается в области низких температур, что дополнительно снижает точность измерений.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности определения или контроля параметров ленточных сверхпроводников, а также повышение воспроизводимости результатов измерений при одновременном упрощении эксплуатации устройства.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для определения параметров ленточных сверхпроводников, включающем генератор, частотозадающий элемент генератора и катушку индуктивности генератора (то есть соединенную с генератором), и приемник, содержащий частотозадающий элемент приемника и катушку индуктивности приемника (то есть соединенную с приемником), катушки индуктивности генератора и приемника расположены с зазором, обеспечивающим возможность размещения между катушками индуктивности ленточного сверхпроводника, а полосы пропускания/заграждения частот частотозадающих элементов генератора и приемника совпадают не менее чем на половине ширины полосы пропускания/заграждения частот того частотозадающего элемента, который имеет меньшую ширину полосы пропускания/заграждения частот.
Частотозадающие элементы генератора и приемника в предпочтительном варианте выполнения являются узкополосными. Центральные частоты полос пропускания/заграждения частот частотозадающих элементов генератора и приемника предпочтительно разнесены по частоте не более чем на 10% (преимущественно не более чем на 1%) ширины полосы пропускания/заграждения частот частотозадающего элемента, имеющего меньшую ширину полосы пропускания частот. В другой формулировке центральные частоты полос пропускания/заграждения частот частотозадающих элементов генератора и приемника разнесены по частоте на величину в диапазоне от 1% до 10% или в диапазоне от 0,5% до 1% относительно ширины полосы пропускания/заграждения частот того частотозадающего элемента, который имеет меньшую ширину полосы пропускания частот.
В преимущественном варианте выполнения частотозадающие элементы генератора и приемника являются однотипными. Кроме того, усилительные элементы, входящие в состав генератора и приемника, также могут быть однотипными. Частотозадающие элементы генератора и приемника могут иметь характеристики (в частности, частотные или другие, например электрические, механические, технические и т.п.), различающиеся не более чем на 10% или 1%. В другой формулировке частотозадающие элементы генератора и приемника имеют характеристики, различающиеся по величине в относительном диапазоне 1% до 10% или в относительном диапазоне от 0,5% до 1%.
Поставленная задача также решается за счет того, что вышеописанное устройство для определения параметров ленточных сверхпроводников в любом из указанных вариантов может использоваться в составе измерительного комплекса для определения параметров ленточных сверхпроводников, включающего, помимо указанного устройства, устройство измерения температуры, включающее в себя датчик температуры. Устройство также может содержать емкость с криоагентом. Катушки индуктивности устройства для определения параметров ленточных сверхпроводников и датчик температуры в таком комплексе могут быть размещены в емкости с криоагентом.
В качестве датчика измерения температуры в предпочтительном варианте использован термистор, выполненный с возможностью контактирования с ленточным сверхпроводником. Устройство измерения температуры также может содержать блок стабилизации тока и милливольтметр. Блок стабилизации тока может быть выполнен на основе прецизионного стабилитрона с истоковым повторителем в анодной цепи. Катушки индуктивности преимущественно размещаются над поверхностью криоагента на расстоянии не менее 30 мм.
Катушка индуктивности генератора может называться первичной катушкой индуктивности и быть соединенной с выходом генератора (или с выходом усилителя, входящего в состав генератора). Катушка индуктивности приемника может называться вторичной катушкой индуктивности и быть соединенной с входом усилителя, входящего в состав приемника.
Частотозадающие элементы могут быть выполнены в виде заграждающих и/или пропускающих (в зависимости от схемы включения) фильтров, предпочтительно узкополосных и с одинаковыми, малоразличающимися электротехническими характеристиками включенных в цепи обратной связи усилительных элементов генератора и приемника. Блок стабилизации тока может быть выполнен на основе прецизионного стабилитрона, например с точностью стабилизации ±0,001 и истоковым повторителем в анодной цепи.
Целесообразно, чтобы входы электронного устройства, выполняющего роль усилительного элемента, используемого в генераторе, были заземлены, а инвертирующий вход был дополнительно снабжен резистором, регулирующим амплитуду выходного напряжения.
В предпочтительном варианте выполнения устройства для определения (контроля) параметров сверхпроводников катушки индуктивности выполнены с одинаковыми электрическими параметрами, в качестве усилителей генератора и приемника использованы одинаковые электронные устройства, снабженные цепями обратной связи с идентичными узкополосными заграждающими/пропускающими фильтрами. За счет использования такой схемы включения система генератор-приемник постоянно находится в резонансе, что сопровождается снижением уровня шумового сигнала, т.е. повышается точность измерения магнитной восприимчивости исследуемого образца.
В отличие от прототипа электрическая схема предлагаемого устройства не содержит обратной связи для поддержания системы в резонансе. Однако поскольку в схеме включения усилителя и в схеме включения генератора предусмотрены узкополосные заграждающие/пропускающие фильтры с одинаковыми электротехническими характеристиками (или обеспечивающими полосы частот генератора и усилителя, которые совпадают как минимум на 50% наименьшей ширины полосы частот), генератор и приемник работают на одной и той же частоте, т.е. система находится в резонансе в отсутствие обратной связи.
Катушки индуктивности установлены в емкости с криоагентом над поверхностью криоагента преимущественно на расстоянии не менее 30 мм. Если катушки индуктивности и исследуемый образец установлены над поверхностью криоагента на расстоянии меньше чем 30 мм, 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. Это явление отрицательно сказывается как на точности производимых измерений, так и на воспроизводимости полученных результатов измерений.
При большем расстоянии между исследуемым образцом и поверхностью криоагента (например, более 40 мм или более 50 мм или более 60 мм) необоснованно увеличивается время измерений. В частности, в рассматриваемом устройстве экспериментально установлено, что увеличение расстояния на 25 мм увеличивает время измерения на 6%.
В предлагаемом устройстве в качестве датчика измерения температуры может быть использован контактирующий со сверхпроводником термистор, соединенный с блоком стабилизации тока и милливольтметром.
Блок стабилизации тока термистора может быть выполнен на основе прецизионного стабилитрона с истоковым повторителем в анодной цепи. Стабильность напряжения на стабилитроне сохраняется с высокой степенью точности, поскольку ток через истоковый повторитель за счет обратной связи практически не меняется. Таким образом, обеспечивается высокая стабильность тока термистора, а следовательно, и высокая точность и воспроизводимость полученных результатов измерений.
Входы электронного устройства, используемого в качестве усилителя генератора, могут быть заземлены, а инвертирующий вход дополнительно снабжен резистором, регулирующим амплитуду выходного напряжения. Такое включение усилительного электронного устройства позволяет использовать его в качестве генератора. Наличие резистора, которым снабжен инвертирующий вход, позволяет обеспечить требуемую амплитуду выходного напряжения генератора, поскольку при больших значениях амплитуды генератора может иметь место нагревание сверхпроводника, что вызовет исчезновение сверхпроводимости.
Таким образом, одновременно одна схема предназначена для измерения магнитной восприимчивости, а вторая - температуры. При проведении измерений в течение определенного промежутка времени обеспечивается получение зависимости магнитной восприимчивости от времени и температуры от времени. Таким образом, можно получить зависимость магнитной восприимчивости от температуры. Полученные данные позволяют определить сразу несколько параметров, в частности критическую температуру и ширину сверхпроводящего перехода исследуемого сверхпроводника, с высокой точностью. Кроме того, предлагаемое устройство не требует никаких настроек и регулировок за счет использования компонентов задающих параметры измерений которые устанавливаются при сборке устройства. Таким образом, по сравнению с известными устройствами предлагаемое устройство значительно проще в эксплуатации.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1 - Электрическая схема устройства для контроля параметров ленточных сверхпроводников;
Фиг. 2 - Зависимость магнитной восприимчивости от температуры сверхпроводника.
Комплекс для определения (контроля) параметров ленточных сверхпроводников содержит емкость с криоагентом 1, в которой установлены датчик измерения температуры 2 и две катушки индуктивности 3 и 4, между которыми предусмотрен зазор для размещения сверхпроводника 5. Одна из катушек соединена с генератором 6, а вторая с приемником 7. Катушки индуктивности выполнены с одинаковыми электрическими параметрами и установлены над поверхностью криоагента на расстоянии 50 мм. В качестве датчика измерения температуры использован контактирующий с сверхпроводником термистор, соединенный с блоком стабилизации тока 8 и милливольтметром 9. В качестве усилителей генератора и приемника преимущественно использованы одинаковые электронные устройства, снабженные цепями обратной связи с узкополосными заграждающими фильтрами 10 с одинаковыми электротехническими характеристиками, при этом первичная катушка индуктивности соединена с выходом генератора, а вторичная - с входом приемника. Выход приемника соединен с милливольтметром 11.
В предлагаемом устройстве блок стабилизации тока может быть выполнен на основе прецизионного стабилитрона с точностью стабилизации ±0,001 и истоковым повторителем в анодной цепи.
Целесообразно, чтобы входы электронного устройства, используемого в качестве генератора, были заземлены, а инвертирующий вход был дополнительно снабжен резистором 12, ограничивающим амплитуду выходного напряжения.
2
2
3
2
2
3
7
Предлагаемое устройство было опробовано для контроля параметров ленточного высокотемпературного сверхпроводника длиной 3 см, шириной 4 мм, толщиной 0.1 мм. Сверхпроводник 5 представлял собой ленту-подложку из нержавеющей стали, на которую были нанесены два буферных слоя (9ZrO×YO и CeO) и сверхпроводящий слой YBaCuO. Сверхпроводник помещали между двумя катушками индуктивности 3 и 4. Активное сопротивление каждой из катушек составляло 90 Ом. В качестве усилителей генератора 6 и приемника 7 была использована микросхема ICL7650SCPD. Генератор 6 и приемник 7 были снабжены цепями обратной связи с узкополосными заграждающими фильтрами 10, каждый из которых состоял из трех резисторов и трех конденсаторов. Разброс номиналов элементов фильтров ±0,03%. Катушки индуктивности 3 и 4 и сверхпроводник 5 были установлены в емкости с криоагентом 1 на расстоянии 50 мм от поверхности жидкого азота. Целесообразно, чтобы сверхпроводник располагался над поверхностью жидкого азота на расстоянии от 30 до 60 мм. В качестве датчика измерения температуры был использован термистор 2 марки CX-1080-SD, который контактировал с поверхностью сверхпроводника 5. Сопротивление термистора определялось с помощью милливольтметра постоянного тока 9 и блока стабилизации тока термистора 8.
Входы электронного устройства, используемого в качестве усилителя генератора 6, заземлены, при этом инвертирующий вход дополнительно снабжен резистором 12, регулирующим амплитуду выходного напряжения, а выход - с первичной катушкой 3. Инвертирующий вход электронного устройства, используемого в качестве усилителя приемника, соединен с выходом через фильтр 10, а неинвертирующий вход соединен со вторичной катушкой 4.
На первичную катушку 3 подается напряжение порядка 100 мВ от генератора 6. При работе устройства образец 5 охлаждается и переходит в сверхпроводящее состояние. Напряжение на вторичной катушке 4 (порядка 3 мВ) резко падает - приблизительно на 80%. Напряжение поступает на усилитель 7 и регистрируется милливольтметром 11. По величине напряжения определяют магнитную восприимчивость сверхпроводника. Одновременно термистор 2, который контактирует с поверхностью сверхпроводника 5, регистрирует его температуру. При изменении температуры сверхпроводника термистор изменяет свое сопротивление. Блок стабилизации тока 8 задает ток термистора 2 и поддерживает его постоянным, а милливольтметр 9 регистрирует падение напряжения на термисторе. Таким образом, определяется сопротивление термистора, а следовательно, и температура сверхпроводника 5. Зависимость магнитной восприимчивости от температуры сверхпроводника представлена на Фиг. 2. Представленная зависимость позволяет определить температуру сверхпроводящего перехода и ширину сверхпроводящего перехода. На основании анализа приведенной зависимости можно сделать вывод, что точность измерений параметров сверхпроводящего перехода составляет ±0,1 K. На основании анализа результатов серии измерений установлено, что воспроизводимость измерений также составляет ±0,1 K.
Предлагаемые устройство и комплекс были использованы в процессе отработки технологии и промышленного производства сверхпроводников, т.к. позволяют обеспечить одновременно оперативный контроль и высокую точность измерений температурных параметров различных типов сверхпроводников.