CN102426812B - 高温超导综合实验仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温超导综合实验仪,它是将超导材料与下插接件连接后一并固定在插接件下基板上,插接件上基板固定在探棒的下端并安装有上插接件,上下插接件相互插接。宽范围电压调节的超导材料工作电源通过插接件与超导材料相连。套筒与防漏套筒相接套装在上固定框上。套筒下端还带有磁铁。它克服了公知的高温超导实验仪的超导材料安装和拆卸不便且易于损坏、实验内容少、液氮损失多等缺陷。它可用于改进公知的各类高温超导实验仪,改善实验条件和实验效果,增加实验内容。

Description

高温超导综合实验仪
技术领域
本发明涉及一种物理实验仪器,尤其是指一种高温超导综合实验仪。
背景技术
根据固体物理理论,实际的金属材料由于存在杂质和缺陷对电子运动的散射,在温度趋向绝对零度时,金属的电阻率将趋近一个定值,称为剩余电阻率。但是,1911年荷兰物理学家昂尼斯发现,利用液氦把汞冷却到4.2 K左右时,水银的电阻率突然由正常的剩余电阻率值减少到接近零。近20多年,美中科学家又分别独立地发现了Y-Ba-Cu-O体系超导体,电阻急剧下降的转折温度为92 K以上,在液氮温区,这些起始转折温度高于液氮温度77K的氧化物超导体称为高温超导体。
超导电性的应用十分广泛,超导材料现已应用在高能物理、电力工程、电子技术、生物磁学、航空航天、医疗诊断、超导磁悬浮列车、超导微波器件等领域。因此,近些年来高温超导实验项目已经进入各高校的物理实验中来,实验内容主要是测量超导材料的电阻与温度的关系曲线。2011年9月北京航空航天大学出版社出版的赵杰主编的《大学基础物理实验》一书中第119-122页,就公开了一种国内销售量很大的一种高温超导实验仪。但是公知的高温超导实验仪使用不方便,超导材料每次实验要焊接两次、易于损坏,并且可做的实验内容偏少,液氮损失较多,当液氮过多时还会渗透入测量气室,使实验失败。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温超导综合实验仪,它既可以定量研究超导材料的电阻温度特性,又可以研究其他物理量变化引起的超导材料电阻温度特性的变化,并且具有使用方便、超导材料不易损坏等特点。
为了实现上述目的,本发明将超导材料工作电源(18)的一路直流输出端与超导电压测试放大器(1)以及温度电压测试放大器(2)的电源输入端相连,超导电压测试放大器(1)的输出端与超导电压测试电压表(V2)相连,可拆式固定在探棒(6)上的定位板(5),温度电压测试放大器(2)的输入端与温度传感器(20)相连,温度电压测试放大器(2)的输出端与温度电压测试电压表(V1)相连。插接件上基板(10)与探棒(6)的下端以及上插接件(11)相互固定,上插接件(11)与超导电压测试放大器(1)以及超导材料工作电源(18)相连,下插接件(12)与超导材料(13)相连并且都固定在插接件下基板(14)上,上固定框(21)和下固定框(9)分别固定在探棒(6)的上侧和下侧,套筒(8)的上端与防漏套筒(7)的下端固定,防漏套筒(7)的上端通过可拆式锁紧部件(19)固定在上固定框(21)上,套筒(8)的下端带有可拆卸磁铁。超导材料工作电源(18)带有宽范围电压调节旋钮,可宽范围改变超材料(13)的工作电流。
为了良好传热和透过强磁场,套筒(8)的下端是扁长方形的铝材料制造的。
为了获得可调节的强磁场并且便于固定,可拆卸磁铁是由电磁铁构成,电磁铁芯(15)与套筒(8)之间用电磁铁固定螺丝(22)相互固定。为了节省液氮,防漏套筒(7)和探棒(6)由导热性不好的物体制造。为了方便读取磁场强度,电磁铁电源(17)上安装有标有磁场强度刻度的调节旋钮。
由于本发明将插接件上基板(10)与探棒(6)的下端以及上插接件(11)相互固定,上插接件(11)与超导电压测试放大器(1)以及超导材料工作电源(18)相连,下插接件(12)与超导材料(13)相连并且都固定在插接件下基板(14)上,使得超导材料(13)与超导电压测试放大器(1)以及超导材料工作电源(18)相连的方式为插接式,通过上插接件(11)与下插接件(12)的相互拔插就可取下或插上,克服了每次实验都要焊接的麻烦和频繁损坏昂贵的超导材料的缺陷;防漏套筒(7)和探棒(6)由导热性不好的材料制造,使得这部分的吸热向外传热和结霜都变少,减少了液氮的汽化损失,并且这种结构不会使液氮渗透进套筒8的内空间;由于超导材料工作电源(18)带有宽范围电压调节旋钮,可宽范围地改变超导材料(13)的工作电流,从而增加超导材料的转折温度与其工作电流的对应关系研究的实验内容;套筒(8)的下端带有的可拆卸磁铁,可增加研究超导材料的转折温度与磁场强度对应关系的实验内容。
附图说明
图1是本发明结构原理图,其中的机械部分为纵切面,内部导线是用细点画线表示的。
图2是本发明套筒8与电磁铁芯15之间嵌合的示意图。
具体实施方式
在图1中,超导材料13用粘接或机械固定件固定在由环氧树脂板材制作的插接件下基板14上,下插接件12也固定在插接件下基板14上,超导材料13的四个引线分别接下插接件12的四个插头。上述几个部件为一独立整体,可单独取出将其放入带有硅胶的瓶子,使超导材料13处于干燥环境,防止其变质损坏。插接件上基板10固定在探棒6的下端,插接件上基板10的下侧固定有上插接件11。上插接件11的中心两个端子与超导电压测试放大器1输入端相连,其外侧两个端子与超导材料工作电源18相连。下插接件12与上插接件11可相互插接。
俯视图为方形的上固定框21和下固定框9分别固定在探棒6的上侧和下侧,固定方式螺丝紧固或粘接均可。俯视图为圆形的定位板5以及前置放大盒3也固定在探棒6的上端。套筒8的上端与防漏套筒7的下端密封式固定,两者都是扁的长方形柱体,口径分别与下固定框9和上固定框21相吻合,并且通过锁紧部件19将套筒8与防漏套筒7挂在上固定框21上,由于套筒8与防漏套筒7总高度远大于套筒8的高度,因此插入液氮容器后,不会发生公知技术的当加入的液氮过深使得液氮渗透进套筒8内空间使实验失败的现象发生(公知技术中仪器该部分的套筒8是螺旋式拧在探棒6上的,因螺旋结构有可能漏液)。防漏套筒7和探棒6由导热性不好但耐超低温的(例如环氧树脂玻璃纤维材料)刚性物体制造,使得这部分的吸热传热和结霜都变少,减少了液氮的汽化损失。
为了研究磁场与超导的关系,本实施例还在套筒的下端安装有电磁铁,电磁铁由电磁铁芯15和绕在其上的电磁铁线圈16构成。电磁铁线圈16与电磁铁电源17(可用市售宽范围大电流可调开关稳压电源)相连,电磁铁电源17带有电压调节旋钮,可通过改变电压磁场强度。用特斯拉计给电压调节旋钮定标后,在电压调节旋钮的相应位置刻上刻度,就可直接读取磁场强度而不必再借助特斯拉计测量了。为了获得较强的磁场,还把套筒8的下半部分的超导材料13的所在区域制成很扁的(以不触及超导材料为限),正好插入电磁铁铁芯15内部,如图2所示(图1中的电磁铁芯15应该转90度才对,但图1该画法是为了便于分析结构),套筒8还要用导热性和透过磁性均好的纯铝材料制作。电磁铁固定螺丝22拧紧后就把电磁铁芯15固定在了套筒8上,拧松后又可拆下电磁铁芯15。由于实验时电磁铁和套筒8都是浸没在温度极低的液氮中(温度77K),电磁铁线圈可用很细的导线绕制通以很大的电流也不至烧坏,因而线圈体小圈数多,易于产生强磁场。当然,电磁铁也可用磁场强的永久磁铁代替,可通过改变其固定位置来改变磁场强度。
温度传感器20可用铂电阻传感器(也可采取类似于超导材料13那种四线电阻的连接方式,其供电电源也来自超导材料工作电源18),将其固定在超导材料13所在的气室空间,使其与超导材料13的温度一致。温度传感器20与温度电压测试放大器2的输入端相连。温度电压测试放大器2与超导电压测试放大器1的电源输入端与超导材料工作电源18的一路直流输出端相连。温度电压测试放大器2的输出端与温度电压测试电压表V1相连,超导电压测试放大器1的输出端与超导电压测试电压表V2相连。超导材料工作电源18的给超导材料13供电线路还串联有电流表A,用于测量通过超导材料的工作电流。超导材料工作电源18上还带有宽范围电流调节旋钮,用于研究超导材料的温度电阻曲线与工作电流的关系。
本实施例的主机4内安装有超导材料工作电源18、电磁铁电源17、温度电压测试电压表V1、超导电压测试电压表V2,电源都来自交流市电变换而成。主机4与前置放大盒3之间用两头带多心插接件的多根导线连接在一起。本实施例的电压表和电流表采用数字或机械式均可。
下面把本发明的实验过程做一简要说明:
实验时,按照图1和图2连接好电路和安装好各个部件,将定位板5以下的整体插入液氮瓶中,定位板5则担在液氮瓶的瓶口上,调节超导材料13的工作电流A为某个值,记录一组温度电压和超导电压,利用温度传感器20的温度电压和温度对应表格,把温度读出来,就得到温度和超导电压的一组对应数据,利用这组数据,就可在坐标纸上绘制出此工作电流条件下的超导材料的温度电阻变化规律曲线,再增加工作电流测量,直至出现转折温度变化。同理,用前述方法增加磁场后,还可研究超导材料的温度电阻变化规律曲线与磁场的关系。

Claims (5)

1.一种高温超导综合实验仪,超导材料工作电源(18)的一路直流输出端与超导电压测试放大器(1)以及温度电压测试放大器(2)的电源输入端相连,超导电压测试放大器(1)的输出端与超导电压测试电压表(V2)相连,定位板(5)固定在探棒(6)的上端,温度电压测试放大器(2)的输入端与温度传感器(20)相连,温度电压测试放大器(2)的输出端与温度电压测试电压表(V1)相连,其特征是插接件上基板(10)与探棒(6)的下端以及上插接件(11)相互固定,上插接件(11)与超导电压测试放大器(1)以及超导材料工作电源(18)相连,下插接件(12)与超导材料(13)相连并且都固定在插接件下基板(14)上,上固定框(21)和下固定框(9)分别固定在探棒(6)的上侧和下侧,套筒(8)的上端与防漏套筒(7)的下端固定,防漏套筒(7)的上端通过可拆式锁紧部件(19)固定在上固定框(21)上,套筒(8)的下端带有可拆卸磁铁。
2.按权利要求1所述的高温超导综合实验仪,其特征是套筒(8)的下端是扁长方形的铝材料制造的。
3.按权利要求1所述的高温超导综合实验仪,其特征是可拆卸磁铁是由电磁铁构成,电磁铁芯(15)与套筒(8)之间用电磁铁固定螺丝(22)相互固定。
4.按权利要求1所述的高温超导综合实验仪,其特征是超导材料工作电源(18)带有宽范围电流调节旋钮。
5.按权利要求1所述的高温超导综合实验仪,其特征是防漏套筒(7)和探棒(6)由导热性不好的物体制造。
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