CN105548668B

CN105548668B - 一种测量超导材料临界电流密度的方法

Info

Publication number: CN105548668B
Application number: CN201510892444.5A
Authority: CN
Inventors: 郭志超; 申建芳; 李平林; 程素君
Original assignee: Xinxiang University
Current assignee: Xinxiang University
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2035-12-08
Also published as: CN105548668A

Abstract

本发明公开了一种测量超导材料临界电流密度的方法，具体步骤为：（1）制备特定超导材料的标准样品，先用四引线法测量标准样品在不同磁场强度和温度下的电流，再在同样的磁场强度和温度下用Campbell法测得标准样品输出的电压信号，建立标准样品的I/V‑B‑T标准曲线；（2）将待测样品做成与标准样品相同的形状，再将待测样品放到Campbell法探测线圈中，设定磁场强度和温度，通过Campbell法测得待测样品输出的电压信号，通过I/V‑B‑T标准曲线读取待测样品的临界电流进而计算待测样品的临界电流密度。本发明避免了使用四引线法所需的设备，又解决了Campbell法采集数据多和耗时长等问题，磁测量较安全，测量结果与直接用四引线法的测量结果近似。

Description

一种测量超导材料临界电流密度的方法

技术领域

本发明属于超导材料的电性能测量技术领域，具体涉及一种测量超导材料临界电流密度的方法。

背景技术

随着电能的开发和利用，与电力工业发展密切相关的超导材料及其性能的测量是行业与工程上的必须。但是对超导材料的本质研究仍属于一种发展中的状态，在超导材料的特性研究，性能测量领域更不成熟。在超导电性的几个基本参数中，临界电流是超导材料基本属性之一，临界电流是超导应用的重要参量，也是衡量超导材料质量的主要指标。因此，研究对其测量的手段和方法，不仅可以作为研究材料自身特性、判断材料质量，还能为材料应用与开发服务。

目前，测量超导材料临界电流密度的几个方法：四引线法是测量超导临界电流密度的最通用的电测量法，也是公认的方法，所用设备简单、测量结果直接明了，测量范围广，但是超导输电过程中电流较大，容易发热破坏样品，另外，需要大的电流源；直流磁化法测量材料的磁滞回线，进而计算得到材料的电流，安全可靠。而对第二类超导体选用此种方法，测量结果的不足之处是测量的结果精度不够高，只能反映区域电流；交流磁化法，测量磁化系数虚部达到最大值时的温度磁场条件下的磁化系数，代入模型估算电流，这种测量方法磁场虚部最大时位置较难确定，而且还随磁场频率变化，所以测量结果只能是估算，但是，能反映样品整体特性，且对外场的频率不限制，很方便而快捷地改变交流振幅及频率，这一方法被广泛地用来研究磁通动力学性质；混合场测量法有Campbell法和三次谐波分析法，Campbell法测量所用外激励场强度和频率都有限制，但能反映材料整体特性，特别是微观特性影响结果的表征，也用于材料的磁特性研究，较多应用于测量超导薄膜材料；三次谐波法也是理论推算所得结果，结果相对来说精度不高，应用范围不广，但在薄膜材料的测量中能有效补充Campbell法，也能表达磁通移动的效果。

这些测量方法各有它们的优势和应用范围，四引线法，交流磁化法，直流磁化法甚至三次谐波法都有较为成熟和广泛的研究和应用，Campbell法是近几年研究和应用的新方法，但存在采集数据多，耗时长，计算量大，误差大，稳定信号要求高等问题。

发明内容

为了克服目前现有技术四引线法必须用大电流源和Campbell法测量的繁琐，本发明结合四引线法和Campbell的优势，提供了一种测量超导材料临界电流密度的方法。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种测量超导材料临界电流密度的方法，其特征在于具体步骤为：（1）制备特定超导材料的标准样品，先用四引线法测量标准样品在不同磁场强度和温度下的电流，再在与四引线法测量过程相同的磁场强度和温度下用Campbell法测得标准样品输出的电压信号，其中Campbell法测得的电压信号和四引线法测得电流相对应，建立标准样品的I/V-B-T标准曲线；（2）将待测样品做成与标准样品具有相同的形状，并将制得的待测样品放到Campbell法探测线圈中，设定磁场强度和温度，通过Campbell法测得待测样品输出的电压信号，由磁场强度和温度以及测得的电压信号，并通过步骤（1）得到标准样品的I/V-B-T标准曲线即可直接读取待测样品的临界电流，再通过公式J＝I/m²计算得到超导材料的临界电流密度。

Campbell法探测线圈是由PPMS平台提供的的外加直流磁场和交流磁场均匀分布在低温工作区内，分别穿过参比线圈和检测线圈，由于超导体在磁场中有规律运动以及交流磁场作用，在超导体中形成了感应电流，感应电流的存在又形成一定的抗磁性，这些电流信号形成的穿过检测线圈区域的磁场变化，由电磁感应作用，在检测线圈中就形成电压，经过外接信号放大系统这些在超导体中形成的感应信号能够被外接的电压表表征。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：制作某一超导标准样品的I/V-B-T标准曲线，具有普适性；再使用较简单的Campbell法探测线圈测得待测样品输出的电压信号，就可以通过标准曲线估算到待测样品的临界电流密度；避免了使用四引线法所需的设备，如数百安培的电流源；又解决了Campbell法采集数据多，耗时长，计算量大，误差大和稳定信号要求高等问题；磁测量较安全，所得结果与直接用四引线法的测量结果近似。

附图说明

图1是本发明实施例中标准样品的I/V-B-T标准曲线。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

以MgB₂超导材料为例，介绍标准样法实施，考虑到同一类超导材料的临界电流密度，除了受温度T和外加磁场B的影响，还受材料微观结构的影响，如MgB₂超导材料的致密性等，选取不同工艺制备的样品，分别是真空高压烧结、快速等离子烧结和真空气氛烧结的三种样品。

一、制作标准样的I/V-B-T标准曲线

1）制备标准样品，并对样品形状进行处理，例如做成10mm×1m×1m棱柱状；

2）用四引线法测量样品的临界电流，得到样品在不同磁场和温度下的临界电流或电流密度。

方法：用直流四引线法直接测量样品的电流和电压关系；标准：当样品的电位间出现1μv/cm电场时的电流为此样品的临界电流；测量条件：测量时电位接点的距离大于3mm，样品在电位接点间的截面要求均匀。样品的温度要稳定，定测量温度30K为例，临界态电流的升流时间必须大于所用仪器仪表的响应时间。

3）制做电流（电流密度）与温度和磁场关系（I-B-T），如图1（测量温度30K）所示，图1中是I-B-T关系，I与J可以通过J＝I/m²换算；

4）把Campbell探测系统进行空载调零；

5）用Campbell探测系统测量标准样。

把标准样放在探测线圈里，在一定温度（定测量温度30K）和磁场下记录探测电路的输出信号电压V。则此时的信号电压V和同样条件（B和T）用四引线测量得到的样品的电流I等价，因为在同样条件外磁场和温度下样品的临界电流是个客观存在值，四引线法是对这个量的直接记录，而同样这个被磁场感生的电流在Campbell探测线圈中存在，它表征超导体的临界载流能力，但设计的Campbell探测系统对这个电流反馈出的是一个电压信号，这个电压信号就对应材料的实际临界电流能力。把Campbell探测到的电压信号V填入图1中对应的测量外磁场下电流I的位置，这样就制备得到了标准样品的四引线和Campbell探测的I/V-B-T标准曲线。

图1为标准样品的I/V-B-T标准曲线的制作过程示意图；分三部分四引线法测量、Campbell法测量和MgB₂超导材料的I-B-T关系。

图1中三条电流曲线，分别是对不同工艺制备的MgB₂样品（真空高压烧结、快速等离子烧结和真空气氛烧结的测量结果），测量温度为30K。如前所述不同工艺烧结的样品其微观结构不同，对材料电性能有影响，图1同等条件下三条电流曲线最高的是高压烧结致密性较高的样品，电流最小的曲线是真空气氛烧结样品的，常规制备的MgB₂超导材料样品致密性介于两者之间。同一外磁场条件下，超导电流密度是材料微观结构（如致密性）的函数。

二、待测样品的测量

1）把待测MgB₂超导材料样品进行处理，进行制样，做成和标准样相同的外形；选用氩气保护烧结炉制备的MgB₂材料。

2）把待测样放在Campbell探测线圈里，调节测量环境B和T，观测探测电压信号V，并记录相应的三个数据；这里设置测量温度为30K。

3）由以上三个数据（B、T，探测电压信号V），通过标准样表查的在测量条件B、T和测得的电压信号V对应的I，即为待测样品的临界电流，该待测MgB₂超导材料样品通过常规的四引线法侧得的临界电流为140A，根据Campbell法测得的探测电压信号再从I/V-B-T标准曲线读取的临界电流约为139A，该方法得到的测量结果与直接四引线法侧得的结果近似。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims

1.一种测量超导材料临界电流密度的方法，其特征在于具体步骤为：（1）制备特定超导材料的标准样品，先用四引线法测量标准样品在不同磁场强度和温度下的电流，再在与四引线法测量过程相同的磁场强度和温度下用Campbell法测得标准样品输出的电压信号，其中Campbell法测得的电压信号和四引线法测得电流相对应，建立标准样品的I/V-B-T标准曲线；（2）将待测样品做成与标准样品具有相同的形状，并将制得的待测样品放到Campbell法探测线圈中，设定磁场强度和温度，通过Campbell法测得待测样品输出的电压信号，由磁场强度和温度以及测得的电压信号，并通过步骤（1）得到标准样品的I/V-B-T标准曲线即可直接读取待测样品的临界电流，再通过公式J＝I/m²计算得到超导材料的临界电流密度，所述标准样品制成10mm×1m×1m棱柱状。