CN101581743A - 金属铌剩余电阻率测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种测量金属铌剩余电阻率的装置，包括样品测试杆(4)、低温杜瓦(3)、直流电流源(6)、通道转换器(5)、电压放大器(7)、电压测量仪表(8)、电流测量仪表(9)、电脑采集处理系统(10)。金属铌样品(1)装在样品架(11)上，温度传感器(2)粘在样品测试杆(4)下端，连接在金属铌样品(1)上的电压引线和电流引线从样品测试杆(4)的上端空心杆(12)内引出，与电压测量仪表(8)、电流测量仪表(9)相接。测量时，将装有金属铌样品(1)的样品测试杆(4)慢慢插入低温杜瓦(3)中。测量金属铌在进入超导状态前9.3K时的瞬间的电压值，计算金属铌9.3K时的电阻率值，再换算出金属铌的剩余电阻率。

Description

金属铌剩余电阻率测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及剩余电阻率测量装置和测量方法，具体涉及金属铌剩余电阻率测量装置和测量方法。

背景技术

任何金属都不能达到绝对纯，金属里或多或少都会有各种杂质成分。如果金属不能达到一定的纯度要求，里面的杂质含量过高，金属本身的特性往往被杂质所掩盖，这样就大大地影响了金属的使用价值。现代科学技术的发展对金属纯度要求越来越高，所以非常有必要测量金属中杂质含量，以此来判断金属的纯度。

金属的剩余电阻率(RRR)是反映金属纯度的参数，通过金属剩余电阻率的大小可以判断金属中杂质含量，进而可得出金属纯度的大小。剩余电阻率RRR定义为：

$\mathrm{RRR}=\frac{\mathrm{\ρ}\left(295K\right)}{\mathrm{\ρ}\left(4.2K\right)}---\left(1.1\right)$

其中，ρ(295K)和ρ(4.2K)分别为金属在温度295K和4.2K时的电阻率。

而电阻率 $\mathrm{\ρ}=k\frac{U}{I}$ (其中 $k=\frac{L}{S}$ 为常数，L为导体的长度，S为导体的横截面积)，由于金属在295K和4.2K时所加电流相同，即I(295K)＝I(4.2K)，所以公式剩余电阻率公式1.1可转化为：

$\mathrm{RRR}=\frac{U\left(295K\right)}{U\left(4.2K\right)}---\left(1.2\right)$

其中，U(295K)和U(4.2K)分别为金属加相同的电流在温度295K和4.2K时的电压值，这样就可通过测量金属在这两个温度时的电压值得出金属的电阻率值。

金属在温度295K时的电压值在常温环境中测量，金属在4.2K时的电压值在液氦环境中测量，液氦的温度为4.2K。测量非超导金属例如金属铜在4.2K时的电压值，是把金属铜放置4.2K的液氦环境中，给金属铜加一定数值的小电流，再测得金属铜的电压值。

而金属铌具有超导特性，即在温度低于其超导临界温度9.28K以后，其电阻为零。若金属铌放置在4.2K的液氦环境中，4.2K低于其超导临界温度，金属铌进入超导状态，电阻为零，即使加一定的电流之后其电压仍为零，无法通过公式1.2算出金属铌的剩余电阻率。

由此可知无法测出金属铌在4.2K时的电压值，也就无法通过公式1.2计算出金属铌的剩余电阻率值。

由W.Singer提出的一种测量金属铌的剩余电阻率的方法[International Symposium onHydrogen in Matter(ISOHIM 2005)，Uppsala，Sweden，13-17 June 2005.]，是利用以下公式测量尽可能接近金属铌超导临界温度，再外推至4.2K时的剩余电阻率：

$\mathrm{RRR}=\frac{U\left(295K\right)}{U\left(9.3K\right)-U\left(295K\right)\·2.4587\·{10}^{-4}}---\left(1.3\right)$

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，针对金属铌在4.2K时进入超导状态，无法通过公式1.2算出金属铌剩余电阻率的特性，提出一种金属铌剩余电阻率测量方法和装置。

金属铌的超导临界温度为9.28K，低于9.28K的温度都无法测出其电阻率值。本发明通过测量金属铌在进入超导状态前9.3K时的瞬间电压值，利用以下公式，即可外推得出金属铌的剩余电阻率值：

$\mathrm{RRR}=\frac{U\left(295K\right)}{U\left(9.3K\right)-U\left(295K\right)\·2.4587\·{10}^{-4}}---\left(1.3\right)$

公式中：RRR为金属的剩余电阻率，U(295K)和U(9.3K)分别为金属在温度295K和9.3K时的电压值。

应用本发明测量方法的装置包括以下几部分：样品测试杆、装有液氦的低温杜瓦、直流电流源、通道转换器、电压放大器、电压测量仪表、电流测量仪表、电脑采集处理系统。样品测试杆下端安装金属铌样品和温度传感器，样品测试杆上端是空心杆，空心杆与样品测试架相连接，连接在金属铌样品上的电压引线和电流引线从空心杆内引出，与插头座相连接，通过连接插头将金属铌样品的电压测量引线和温度传感器的电压测量引线与电压测量仪表相连接；空心杆的尺寸与低温杜瓦口相匹配，便于样品测试杆插入低温杜瓦中。样品测试杆引出线与电压测量仪表和电流测量仪表相连接，电压测量仪表和电流测量仪表分别连接电脑采集处理系统。金属铌样品的电流引线通过通道转换器与电流测量仪表相连接，直流电流源通过通道转换器给金属铌样品加正反方向1.5A的直流电流。

测试时将样品测试杆垂直插入装有低温液氦的低温杜瓦中，使测试杆装有样品的一端进入到低温杜瓦中。直流电流源通过通道转换器给金属铌样品提供正方反向1.5A的直流电流，直流电流源的输出线接到通道转换器的输入线上，通道转换器的输出线接到金属铌样品的电流引线上，金属铌样品的电流引线接到电流测量仪表的输入线。电压测量仪表测量金属铌样品对应的正反方向的电压，这样可以减小并消除由于热电电压和运放漂移所引起的电压偏差，提高测量的精度，电压测量仪表的输入线接金属铌样品的电压测量引线。温度传感器用来测量金属铌样品的温度，为测量金属铌样品进入超导状态前的电压值提供可靠的判据，温度传感器两端检测的是其电压信号，其两端引线通过电压放大器接到电压测量仪表的另一路输入线上。电压测量仪表和电流测量仪表通过488串口数据线分别与电脑采集处理系统相连接，两个仪表读出的数据就可传输到电脑采集系统中。

进行测量时，给金属铌样品加1.5A直流电流，测出金属铌样品在室温下电压值U(295K)，在整个测量过程中施加相同的电流。然后将装有金属铌样品的样品测试杆慢慢插入低温杜瓦中，观察电脑采集系统采集的金属铌样品的电压值，当金属铌样品慢慢置入低温液氦中，其温度逐渐降低，相应地其电压值也逐渐减小，当达到9.3K左右时因金属铌转变为超导态，故剩余电阻值为零，检测到的电压为零。在这个位置测量曲线出现拐点，读出拐点前的瞬间的电压值，再代入以下公式中即可得出金属铌样品的剩余电阻率值：

$\mathrm{RRR}=\frac{U\left(295K\right)}{U\left(9.3K\right)-U\left(295K\right)\·2.4587\·{10}^{-4}}---\left(1.3\right)$

式中：RRR为金属的剩余电阻率，U(295K)和U(9.3K)分别为金属在温度295K和9.3K时的电压值。

装置中测量仪表与电脑采集处理系统用数据线相连接，与计算机实现通讯，通过程序处理可直接在电脑显示屏上显示被测金属铌剩余电阻率的数值，实现智能化测试。

附图说明：

图1金属铌剩余电阻率测试仪结构图，图中：1被测样品，2温度传感器，3低温杜瓦，4样品测试杆，5通道转换器，6直流电流源，7电压放大器，8电压测量仪表，9电流测量仪表，10电脑采集处理系统；

图2样品测试杆结构图，图中：1金属铌样品，2温度传感器，11样品架，12空心杆，13插头座；

图3测量曲线图，图中横坐标为时间，纵坐标为电压。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

应用本发明测试方法的装置包括样品测试杆4、低温杜瓦3、直流电流源6、通道转换器5、电压放大器7、电压测量仪表8、电流测量仪表9、电脑采集处理系统10。样品测试杆4引出线与电压测量仪表8和电流测量仪表9相连接，电压测量仪表8和电流测量仪表9与电脑采集处理系统10用数据线分别连接。低温杜瓦中装有低温液氦。

图2为样品测试杆4的结构图。如图2所示，样品测试杆4由下端的样品架11和上端的空心杆12组成。金属铌样品1装在样品架11上，样品架11用环氧材料制作，温度传感器2用低温胶粘在样品测试杆4下端，样品测试杆4的上端为空心杆12，空心杆12连接插头座13和样品架11，空心杆12用不锈钢空心材料制成，连接在金属铌样品1上的电压引线和电流引线从空心杆12内引出，与插头座13相连接。

测试前首先将金属铌样品1装在样品架11上，金属铌样品1一般为长条形状，用螺栓在样品的四个角将其固定在样品架11上，电压测量引线和电流引线接在金属铌样品1表面的两端。温度传感器2用低温胶粘在测试杆4下端的金属铌样品1的中心位置，将金属铌样品1的电压测量引线和电流引线分别焊接在插头座13的相应端子上，通过连接插头将金属铌样品1的电压测量引线和温度传感器的电压测量引线与电压测量仪表8相连接。金属铌样品1的电流引线通过通道转换器5与电流测量仪表9相连接，直流电流源6通过通道转换器5给被测样品1加正反方向1.5A的直流电流。电压测量仪表8和电流测量仪表9与电脑采集处理系统10相连接，完成数据的采集和处理。

测试时给金属铌样品1加1.5A直流电流，整个测试过程中金属铌样品1上所加的电流相同。在将装有金属铌样品1的样品测试杆4插入低温杜瓦之前，测出金属铌样品1在室温中的电压值U(295K)。然后将装有金属铌样品1的样品测试杆4慢慢插入低温杜瓦3中，观察电脑采集系统10采集的金属铌样品1的电压值，当金属铌样品1慢慢置入低温杜瓦3中的低温液氦中，其温度逐渐降低，相应地其电压值也逐渐减小，当温度降到9.28K因金属铌转变为超导态，故剩余电阻值为零，检测到的电压为零。在这个位置测量曲线出现拐点，如图3所示，读出拐点前即温度为9.3K时的电压值U(9.3K)，如图3中的U(9.3K)为1.8，再代入所述公式1.3中即可得出金属铌样品的剩余电阻率值。

Claims (3)

1、一种测量金属铌剩余电阻率的装置，其特征在于，所述装置包括样品测试杆(4)、低温杜瓦(3)、直流电流源(6)、通道转换器(5)、电压放大器(7)、电压测量仪表(8)、电流测量仪表(9)、电脑采集处理系统(10)；样品测试杆(4)引出线与电压测量仪表(8)和电流测量仪表(9)相连接，电压测量仪表(8)和电流测量仪表(9)分别连接电脑采集处理系统(10)；金属铌样品(1)装在样品架(11)上，温度传感器(2)用低温胶粘在样品测试杆(4)下端，样品测试杆(4)的上端为用不锈钢空心材料制成的空心杆(12)，空心杆(12)连接插头座(13)和样品架(11)，连接在金属铌样品(1)上的电压引线和电流引线从空心杆(12)内引出，与插头座(13)相连接，通过连接插头将金属铌样品(1)的电压测量引线和温度传感器的电压测量引线与电压测量仪表(8)相连接；金属铌样品(1)的电流引线通过通道转换器(5)与电流测量仪表(9)相连接，直流电流源(6)通过通道转换器(5)给金属铌样品(1)加正反方向1.5A的直流电流；低温杜瓦(3)中装有低温液氦。

2、应用权利要求1所述装置的测量方法，其特征在于在将装有金属铌样品(1)的样品测试杆(4)置于室温下，测出金属铌样品(1)在室温中的电压值U(295K)；然后将装有金属铌样品(1)的样品测试杆(4)慢慢插入装有低温液氦的低温杜瓦(3)中，金属铌样品(1)的温度逐渐降低，金属铌样品(1)的电压值亦逐渐减小，当金属铌样品(1)的温度降到9.28K，此时金属铌转变为超导态，金属铌样品(1)的剩余电阻值为零，检测到的电压为零；读出金属铌样品(1)达到温度9.3K前的瞬间电压值，代入以下公式，即求得金属铌样品(1)的剩余电阻率值：

$\mathrm{RRR}=\frac{U\left(295K\right)}{U\left(9.3K\right)-U\left(295K\right)\·2.4587\·{10}^{-4}},$

式中：RRR为金属的剩余电阻率，U(295K)和U(9.3K)分别为金属在温度295K和9.3K时的电压值。

3、根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于测试时给金属铌样品(1)加1.5A直流电流，在整个测试过程中金属铌样品(1)上所加的电流相同。

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