УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Полезная модель относится к области исследования физических процессов, происходящих во вращающихся в магнитном поле высокотемпературных сверхпроводниках, может использоваться для исследования подъемной силы, гравитационных флуктуаций и особенностей поведения вращающихся и неподвижных высокотемпературных сверхпроводников в магнитном поле.
Известен аналог - вставка с откачкой паров гелия, описанная в работе Савельева Б.И. и Цымбаленко В.Л. (ПТЭ, 1987, №4, стр.223). В ней забор жидкого гелия в одноградусную камеру производится из основного объема криостата через дроссель, а во вставке имеется криосорбционный насос для откачки гелия. При этом полость, заполняемая гелием, имеет индиевое вакуумное уплотнение, находящееся при гелиевой температуре.
Недостатки: низкая точность измерения, ограниченное количество измеряемых параметров.
Наиболее близкий аналог - низкотемпературная вставка в криостат с откачкой паров гелия для работы в диапазоне 0,3-300 K, описанный в патенте на полезную модель МПК F25D 3/10, №46084 от 08.02.2005, опуб. 10.06.2005, содержащая корпус, разделенный на две части содержащие гелий, одноградусную камеру, охлаждаемую жидким гелием, и объема, заполняемого гелием с откачкой криосорбционным насосом. Одноградусная камера заполняется непосредственно из транспортного дьюара и криосорбционный насос для откачки паров жидкого гелия вынесен за корпус вставки
Недостатки: низкая точность измерения, ограниченное количество измеряемых параметров.
Технический результат: повышение точности измерения, увеличение количества измеряемых параметров.
Технический результат достигается за счет того, что установка для исследования физических и магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников, содержащая корпус, криостат, отличающаяся тем, что дополнительно содержит два перпендикулярно расположенных датчика для съема горизонтальной и вертикальной составляющей величины магнитной индукции, крышку верхнюю, на которой размещены двигатель шаговый, весы рычажные и электронные.
Увеличение количества измеряемых параметров: массы, величины магнитной индукции, гравитационной характеристики достигается за счет того, что в установке на крышке верхней предусмотрены весы электронные и весы рычажные для уравновешивания и возможности изменения зазора между катушкой, создающей магнитное поле и сверхпроводящим образцом. Подобное варьирование зазора дает более полную физическую картину изменения гравитационных свойств образца в зависимости от его удаленности от источника магнитного поля. Расположение датчиков измерения магнитной индукции перпендикулярно друг другу позволяет одновременно в заданной точке снимать как горизонтальную, так и вертикальную составляющую поля, что дает более полную физическую картину проникновения поля в объем образца при его сверхпроводящем состоянии. В аналогах подобная возможность изменения зазора не предусмотрена, а расположение датчиков не обеспечивает подобный съем показаний, возможность вариации шага не предусмотрена и показания снимаются только в нескольких неподвижных фиксированных точках, в которых расположены датчики.
Повышение точности измерения достигается за счет наличия двигателя шагового серии ДШИ, размещенного на крышке верхней и обеспечивающего движение датчиков с заданным шагом, причем шаг может варьироваться, а так же за счет исключения дополнительной перенастройки системы измерений после каждой смены образца. В аналогах разбор системы для смены образца затрагивает измерительные узлы, что приводит к снижению точности измерения. Наличие кожуха обеспечивает лучшую защищенность установки от негативного воздействия внешних факторов на ход эксперимента а, следовательно, повышает точность 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 фигуре 1 изображена установка для исследования физических и магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников.
Установка для исследования физических и магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников содержит корпус 38, держатель двигателя 1, представляющий собой пустотелый цилиндр с выточенными отверстиями под провода. В держателе двигателя 1 помещают двигатель 2 типа ДПМ, приводящий во вращение измеряемый образец 21. Это осуществляется при помощи трубки внутренней 3, закрепленной на роторе двигателя 2 типа ДПМ штифтом 4. Трубка внутренняя 3 расположена соосно внутри трубки внешней 5. Ее требуемая соосность обеспечивается посредством фиксатора трубки 6. Данная система трубка-фиксатор имеет назначение центровки трубки внутренней 3 и точной передачи (без биений) вращательного момента на держатель образца 17, который крепится на трубке внутренней 3 резьбовым соединением, и представляет собой диск с бортиками для центратора образца 18. Исследуемый образец 21 помещается в центратор образца 18 и держатель 19 и скрепляется при помощи винтов 7 с держателем образца 17. Непосредственно под образцом 21 располагается катушка 22. Каркас катушки 23 крепится тугой посадкой на крышке нижней 24, имеющей бортик для обеспечения точной центровки каркаса катушки 23. В крышке нижней 24 предусмотрены отверстия для дополнительного охлаждения катушки 22 жидким криоагентом (азотом). В крышке нижней 24, имеющей форму диска, выполнен бортик для посадки трубы несущей 31. Центрация на трубе несущей 31 обеспечивается фиксатором 15. Труба несущая 31 выполняет роль несущего элемента конструкции установки и крепится к крышке-центратору 8 при помощи винтов 7. В крышке нижней 24 симметрично расположены два отверстия с резьбой под винты настроечные 30. В винтах настроечных 30 в верхней их части по центру имеются два отверстия под стержни 28. Они жестко фиксируются после настройки своего положения в настроечных винтах 30 при помощи винтов 7. На стержнях 28 предусмотрено отверстие под ось малого шкива 27, на котором в свою очередь располагается шкив малый 26. Через шкив малый 26 и шкив 11, закрепленный на оси шкива 12, протянута кевларовая нить 20, на которой закреплен держатель датчиков 10, имеющий форму уголка. В держателе датчиков 10 расположены перпендикулярно друг другу два датчика 33. Кожух 32, представляющий собой трубку, присоединяется при помощи винтов 7 к крышке нижней 24 и выполняет защитную функцию. Двигатель шаговый 9 серии ДШИ, приводит систему нить-датчики в движение с заданным шагом. Необходимое натяжение кевларовой нити 20 обеспечивается за счет груза 29. Исследуемый образец 21 опускают в криостат 25, наполненный криоагентом. На крышке верхней 34 при помощи винтов 7 закреплены весы рычажные 35, которые служат для уравновешивания образца 21. К плечам весов рычажных 35 подвесом правым 37, подвесом левым 36 присоединяют чашу для груза 16 и образец 21, и полученный вес измеряют при помощи весов электронных 14. Изменяя частоту вращения образца 21, снимается зависимость от нее гравитационной и подъемной силы.
Помимо вращательного режима работы, установка для исследования физических и магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников может работать в стационарном (неподвижном режиме работы), измеряя величину подъемной силы и магнитное поле в зазоре.
Работа.
Образец 21 закрепляют в держателе образца 17 с помощью центратора образца 18 и держателя 19, крепящихся винтами 7 к держателю образца 17. В криостат 25 размещенный в корпусе 38 заливают жидкий азот, опускают в него образец 21, который переходит в сверхпроводящее состояние. На этом этапе уравновешивают образец 21 при помощи рычажных весов 35, соединенных с держателем двигателя 1 подвесом левым 36. Второе плечо рычага, состоящего из чаши для грузов 16 и ее подвеса правого 37, нагружают разновесками до уравновешивания. Полученную массу грузов - ее гравитационную характеристику в «нормальном» не сверхпроводящем состоянии измеряют с помощью весов электронных 14. На данном этапе выставляют уровень зазора образца 21 над катушкой 22 посредством регулирования уровня расположения весов рычажных 35 относительно уровня крышки нижней 24. Данный уровень выставляют и фиксируют в необходимом положении при помощи винта настроечного 30. Затем производят запитку катушки 22, намотанной на каркас катушки 23. Создается магнитное поле и образец 21 начинает левитировать над катушкой 22, вследствие чего равновесие нарушается, уравновешивается разновесками и эту изменившуюся массу измеряют весами электронными 14. При пересчете в единицы силы, получают зависимость гравитационной силы, действующей на левитирующий образец 21 от поля, создаваемого катушкой 22. Варьируя величину тока запитки катушки 22, расположенной на крышке нижней 24, к которой при помощи винтов 7 присоединен кожух 32, получают разные значения силы. Далее измеряют распределение величины магнитной индукции в зазоре между катушкой 22 и образцом 21. Для этого используют датчики 33, закрепленные на держателе датчиков 10, установленные в «нулевом» положении - у края образца 21. Держатель датчиков 10 закреплен на кевларовой нити 20. Выбор кевлара как материала обусловлен его термоустойчивостью. Кевларовая нить 20 протянута через шкив малый 26, закрепленный на оси малого шкива 27, и шкив 11, закрепленный на оси шкива 12 и оси двигателя шагового 9 серии ДШИ. При включении установки во вращательный режим происходит запитка двигателя 2 типа ДПМ, находящегося в держателе двигателя 1, и он начинает вращение образца 21 с выбранной частотой. Образец 21 прикреплен к ротору двигателя 2 типа ДПМ при помощи системы сооснорасположенных и центрированных трубок, состоящей из трубки внешней 5 и трубки внутренней 3, присоединенной к ротору двигателя 2 типа ДПМ с помощью штифта 4 и фиксатора трубки 6. Трубка внутренняя 3 расположена соосно с трубкой внешней 5 и вставлена в крышку-центратор 8, которая закреплена на трубе несущей 31. Центрация на трубе несущей 31 по всей длине конструкции обеспечивается фиксатором 15. После измерения характеристик поля в крайнем (исходном положении) включают двигатель шаговый 9 серии ДШИ и он начинает равномерное перемещение датчиков 33 с выбранным заранее шагом. Датчики 33 расположены на держателе датчиков 10, закрепленном на кевларовой нити 20, пропущенной через шкивы 11, один из которых надет на ось двигателя шагового 9 серии ДШИ, а другой закреплен на крышке верхней 34 с помощью уголка 13, причем крышка верхняя 34 крепится на капке криостата 25. Натяжение кевларовой нити 20 обеспечивается грузом 29, а ее положение имеет возможность перемещаться в вертикальном направлении - в зависимости от изменения зазора и размера сверхпроводника. Таким образом, датчики 33 изменяют свое положение и снимают магнитные характеристики в зазоре под поверхностью образца 21. За счет наличия в держателе образца 17 центратора образца 18 и держателя 19 достигается универсальность установки, что дает возможность исследовать образцы различных диаметров.