CN103472417A - 一种基于磁场屏蔽性质的超导相微区检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超导体材料技术领域，具体涉及一种基于磁场屏蔽性质的超导相微区检测方法。本发明利用微区磁场强度高灵敏探测器，检测处于均匀外磁场中的超导体样品，在样品处于正常态时，磁场可以穿透样品，而当样品中一些区域从正常态转变为超导态时，该区域将对磁场产生屏蔽，探头检测到的磁场强度将显著下降，由此可以判别样品的局部区域完成了相变。本发明方法可在动态温度、磁场、电流条件下，检测超导体中超导相-正常相微区分布，也可以用于对磁性材料的磁畴、磁化强度检测及成像。

Description

一种基于磁场屏蔽性质的超导相微区检测方法

技术领域

本发明属于超导体材料技术领域，具体涉及一种基于磁场屏蔽性质的超导相微区检测方法。

背景技术

超导电性是某些物质在一定温度下电阻降为零的性质。1911年荷兰物理学家H·卡末林·昂内斯发现汞在温度降至4.2K附近时其电阻小到实际上测不出来，他将汞的这一新状态称为超导态，以后又发现许多其他金属也具有超导电性。低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体。

超导体的主要性质表现为：

①超导体进入超导态时，其电阻率实际上等于零。从电阻不为零的正常态转变为超导态的温度称为超导转变温度或超导临界温度，用T_c表示；

②外磁场可破坏超导态。只有当外加磁场小于某一量值H_c时才能维持超导电性，否则超导态将转变为正常态，H_c 称为临界磁场强度；

③超导体内的电流强度超过某一量值I_c时，超导体转变为正常导体，I_c称为临界电流；

④不论开始时有无外磁场，只要T<T_c，超导体变为超导态后，体内的磁感应强度恒为零，即超导体能把磁力线全部排斥到体外，具有完全的抗磁性。此现象首先由W·迈斯纳和R·奥克森菲尔德于1933年发现，称为迈斯纳（Meissner）效应：当超导体完成从正常相到超导相的相变时，会将体内的磁力线完全排除出体外，成为完全抗磁体，如图1所示。

在特定的环境条件下，一个样品中可以有正常态相与超导态相两种状态的物质，形成混合态，由图2所示意，由迈斯纳效应可知，超导相区域对磁场产生屏蔽，即超导相微区此时无磁场穿透，因此可以发现对应于超导相与正常相的微区磁场强度有所差异，据此可对超导相在材料中的面分布进行表征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁场屏蔽性质的超导相微区检测方法，

本发明提供的基于磁场屏蔽性质的超导相微区检测方法，是一种在微观层面上动态地对材料中超导相做图像化的表征技术，即利用磁敏感介质实时表征微小区域磁场分布从而确定样品中正常相与超导相微区分布的技术。

本发明提供的基于磁场屏蔽性质的超导相微区检测方法，其工作原理为：当超导体从正常态转变为超导态，出现磁屏蔽，即迈斯纳效应；利用微区磁场强度高灵敏探测头，检测处于均匀外磁场中的超导体样品，在样品处于正常态时，磁场可以穿透样品，而当样品中一些区域从正常态转变为超导态时，该区域将对磁场产生屏蔽，探头检测到的磁场强度将显著下降，由此可以判别样品的局部区域完成了相变。如图2所示。

本发明提供的基于磁场屏蔽性质的超导相微区检测方法，所述的材料为超导体材料，需用高灵敏微区磁场强度探测器，负责微区磁场强度信号的读取；在给定温度情况下，通过控制工作电流，使样品在超导态和正常态之间转变。

本发明提供的基于磁场屏蔽性质的超导相微区检测方法，具体步骤为：

（1）超导体材料样品置于样品台上保持低温（77K），调节超导体工作电流和电磁铁的均匀磁场，使样品处于超导态；

（2）调节样品台或微区磁场强度探测器探头位置，使二者之间有二维相对移动，在移动过程中，微区磁场强度探测器探头逐点探测样品表面的磁场强度；当样品中分布有正常相和超导相时，探头检测到的磁场强度将产生显著变化：处于超导态的区域将对磁场产生屏蔽，探头检测到的磁场强度将产生显著下降，由此可以判别样品的局部区域完成了相变，信号经转换和放大后由计算机系统记录并处理，最终形成二维显微图像，显示此时正常相与超导相的分布。 

本发明中，适当改变外部条件，如温度、磁场强度、工作电流，即可导致正常相与超导相的分布变化，反映出样品中正常相与超导相的动态分布。

在本发明一较佳的实施方式中，所述的超导体材料为钇钡铜氧高温超导体，其超导相面分布表征的具体操作步骤为：（1）将钇钡铜氧高温超导体置于样品台上保持低温（77K），将探头定位于欲测试区域；（2）调整电磁场强度，使外磁场H<Hc，以保证样品中部分区域依然处于超导态；（3）调节压电陶瓷使探针相对样品台移动，取正方形的面扫描方式，扫描范围最大为50μm×50μm，最小为50nm×50nm左右（需更换不同规格的探测头）；（4）将微区磁场探测头由于磁场强度差异而产生的信号，经模数转换和放大经计算机读取并记录。

本发明方法所用的原料、试剂、设备和配件均市售可得。

本发明方法所涉及设备组成的系统在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明利用磁场敏感探测组件对材料中微小区域超导相磁场的强度和分布进行表征，这一技术也可以用于对磁性材料的磁畴、磁化强度检测及成像。

本发明的积极效果在于： 

1、利用本发明所述的基于磁场屏蔽性质的超导相微区检测技术，可实现在动态温度、磁场、电流条件下，超导体中超导相-正常相的微区分布的表征。

2、本发明的超导相微区检测技术，易于搭建实际表征设备，成本控制良好。

附图说明

图1. 当环境温度低于Tc，超导体成为完全抗磁体，将磁场完全排出体外。

图2. 基于磁场屏蔽性质的超导相微区检测技术工作原理示意。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1

采用本发明所述技术对钇钡铜氧高温超导体的超导相面分布进行表征：

将钇钡铜氧超导体放置在样品台上保持低温（77K），将探头定位于欲测试区域；调整钇钡铜氧超导体的工作电流和电磁铁磁场强度，使样品保持超导态；调节压电陶瓷使探针相对样品台移动，取正方形的面扫描方式，扫描范围为500nm×500nm；将微区磁场探测头由于磁场强度差异而产生的信号，经放大和模数转换由计算机读取并记录，可据此绘制磁场分布的灰度图，可以判别样品的哪些局部区域完成了相变。

Claims (1)

1. 一种基于磁场屏蔽性质的超导相微区检测方法，其特征在于具体步骤为：

（1）超导体材料样品置于样品台上保持低温，调节超导体工作电流和电磁铁的均匀磁场，使样品处于超导态；

（2）调节样品台或微区磁场强度探测器探头位置，使二者之间有二维相对移动，在移动过程中，微区磁场强度探测器探头逐点探测样品表面的磁场强度；当样品中分布有正常相和超导相时，探头检测到的磁场强度将产生显著变化：处于超导态的区域将对磁场产生屏蔽，探头检测到的磁场强度将产生显著下降，由此可以判别样品的局部区域完成了相变，信号经转换和放大后由计算机系统记录并处理，最终形成二维显微图像，显示此时正常相与超导相的分布。

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