CN105929240A - 测量高温超导薄膜表面本征阻抗的谐振器装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量高温超导薄膜表面本征阻抗的谐振器装置及测量方法，装置分为腔体部分与高度调节部分，腔体部分包括底板、铜腔、弹簧、下样品台、介质柱、上样品台、耦合线缆、自平行球以及磷铜压片，上样品台可以通过高度调节部分实现上下移动；高度调节部分包括金属固定板、金属杆、金属管、压电陶瓷和弹簧，所述压电陶瓷实现高度调整；所述腔体部分与所述高度调节部分通过聚乙烯杆和聚乙烯块相连；测量采用TE₀₁₂和TE₀₂₁模式，通过测量介质谐振腔的谐振频率与品质因数获得超导薄膜的本征表面阻抗。本发明提供的装置适用于任意厚度的高温超导薄膜，不仅可以测量高温超导薄膜有效表面阻抗，还能测量高温超导薄膜的本征阻抗。

Description

测量高温超导薄膜表面本征阻抗的谐振器装置及测量方法

技术领域

本发明涉及超导电性测量，具体涉及一种测量高温超导薄膜表面本征阻抗的谐振器装置及测量方法。

背景技术

一般来说，超导薄膜表面阻抗定义为薄膜表面电场切向分量E_t与磁场切向分量H_t之比：Z_S＝E_t/H_t＝R_S+jX_S，其中R_S表示表面电阻，X_S表示表面电抗。表面阻抗是超导薄膜非常重要的参数，不仅反映了超导薄膜的损耗性能，同时表征了磁穿透深度，常用来比较超导薄膜的优劣。

高温超导薄膜一般生长于衬底之上，高温超导薄膜表面阻抗的测量方法一般是将超导薄膜放入谐振腔来测量，包括平行板谐振腔、微带线谐振腔、介质谐振腔等。其中介质谐振腔法是通过在介质柱上下两端分别放置超导薄膜，将大部分电磁能量束缚在介质柱内，通过测量谐振腔的损耗来获得超导薄膜的表面电阻等，其具有非常高的品质因数，测量精度高，而且对超导薄膜无损伤，测量完的超导薄膜可以继续使用，因此被广泛采用。

在测量中，当超导薄膜厚度远大于电磁波的穿透深度时，此时测得的阻抗是超导薄膜的本征阻抗Z_S，但超导薄膜的厚度与电磁波的穿透深度相比不是很大时，此时测得的是超导薄膜的有效阻抗Z_Se，事实上，有效阻抗不能表征超导薄膜的性质，不能用来比较超导薄膜的优劣。

目前我国高温超导薄膜表面电阻测量标准GB/T 22586-2008，采用的同样是介质谐振腔法，其采用两个长度的介质柱，其中长柱是短柱高度的3倍，构成两个介质谐振腔，分别测量谐振腔TE₀₁₃和TE₀₁₁模式的谐振频率和品质因数，由此可以获得超导薄膜的表面电阻。该方法采用两个介质柱，引入了介质柱之间差异所造成的误差，同时要求超导薄膜至少大于三倍的穿透深度，否则，此时测得的是有效表面电阻，而且，该方法只能测量表面电阻，不能测量表面电抗。

发明内容

本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提出一种测量高温超导薄膜表面本征阻抗的谐振器装置及测量方法，其既可以测量超导薄膜表面电阻，又可以测量超导薄膜表面电抗，且不限定超导薄膜厚度，只使用一个介质柱，没有两个介质柱差异所引起的误差。

本发明采用的第一种技术方案为测量高温超导薄膜表面本征阻抗的谐振器装置，包括腔体部分与高度调节部分，所述腔体部分与高度调节部分通过聚乙烯杆和聚乙烯块相连，相互隔热；腔体部分包括底板、铜腔、弹簧、下样品台、介质柱、上样品台、第一耦合线缆、第二耦合线缆、自平行球、磷铜压片、第一超导薄膜和第二超导薄膜；所述铜腔为圆环柱体结构，内部具有圆柱体屏蔽腔，所述圆柱体屏蔽腔下部设有环状台阶结构，构成卡位腔；下样品台为圆柱形，底部有凹槽，与弹簧卡入卡位腔，并与铜腔一起固定于底板之上；第一耦合线缆和第二耦合线缆的端部均有与水平面平行的小环，分别设于铜腔的左右两端；上样品台为圆柱体结构，上表面中心有半球形凹槽，与自平行球配合连接；第一超导薄膜粘贴于上样品台的中心，上样品台通过所述第一超导薄膜与铜腔相连，所述上样品台与铜腔之间的其余部分留有空隙，能够使上样品台与铜腔其余部分隔绝不相互导热；第二超导薄膜粘贴于下样品台的中心，下样品台的上部通过第二超导薄膜连接铜腔；介质柱粘贴于第二超导薄膜的中心；所述磷铜压片压住自平行球，与上样品台固定；高度调节部分包括金属板、金属杆、金属管、压电陶瓷、弹簧和管盖，金属板为圆环柱形，中心有一圆柱形通孔，所述金属杆上端为圆柱平面，下端为圆柱杆；弹簧套入金属杆，金属杆穿过金属板通孔，金属杆下端通过聚乙烯块与自平行球相连，金属管套住金属杆并固定于金属板中心，压电陶瓷放入金属管中垂直下压金属杆，金属管顶端用管盖盖住；聚乙烯杆与金属板以及底板固定连接。

进一步，所述第一耦合线缆和第二耦合线缆均采用半刚性同轴线缆；所述铜腔内部圆柱体空腔直径为14mm到18mm之间，高度为3mm，介质柱采用损耗极低的蓝宝石圆柱形介质柱，高度为3mm，直径为5mm。

进一步，所述压电陶瓷调节上样品台高度，使上样品台与铜腔其余部分之间有10-20微米空隙。

进一步，所述介质柱为蓝宝石圆柱形介质柱。更进一步，所述第一超导薄膜采用低温胶粘贴于上样品台的中心，第二超导薄膜采用低温胶粘贴于下样品台的中心，所述蓝宝石介质柱采用低温胶粘贴于第二超导薄膜的中心。

本发明采用的第二种技术方案为一种应用如上所述的谐振器装置测量高温超导薄膜表面本征阻抗的方法，采用TE₀₁₂模和TE₀₂₁模作为测量模式，其具体方法为：

(1)安装介质谐振器装置，调节压电陶瓷使上样品台对于铜腔上表面微微抬起10-20微米，使上样品台与铜腔不接触，相互分离。

(2)将装置放入制冷机，上样品台和下样品台连接到制冷机冷头同时降温至最低温度，通过矢量网络分析仪测量介质谐振腔中不同温度下TE₀₂₁和TE₀₁₂模式谐振频率f₁、f₂，无载品质因数Q₁和Q₂。

(3)记谐振腔最低温度时的TE₀₂₁模式谐振频率为f(T_min)，对上样品台逐渐升温至临界温度，同时铜腔其余部分保持低温不变，测量此时谐振腔不同温度条件下的TE₀₂₁模式的谐振频率相比于f(T_min)的变化值Δf(T)。

(4)由所测量的TE₀₂₁模式最低温度时的谐振频率f(T_min)以及随温度变化谐振频率的变化值Δf(T)可以获得超导薄膜的本征表面阻抗。

本发明的有益效果为：

(1)谐振器既可以测量超导薄膜的表面电阻，也能测量超导薄膜的表面电抗。

(2)谐振器中只需要采用一个介质柱，测量不同模式的谐振频率，不会引入不同介质柱所带来的差异。

(3)谐振器对于超导薄膜的厚度没有要求，可以测量任意厚度的超导薄膜的表面阻抗。

附图说明

图1本发明的正视方向的示意图；

图2本发明腔体局部的正面剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明内容作进一步详细说明

如图1、2所示，一种测量高温超导薄膜本征阻抗的谐振器装置，主要包括腔体部分和高度调节部分，腔体部分包括底板1、铜腔2、弹簧3、介质柱4、下样品台5、第一耦合线缆6和第二耦合线缆7、上样品台8、自平行球9、磷铜压片10、第一超导薄膜19、第二超导薄膜20、屏蔽腔22与卡位腔21，高度调节部分包括金属板11、金属管12、压电陶瓷13、金属杆14、弹簧15和管盖18。高度调节部分与腔体部分之间通过聚乙烯杆16、聚乙烯块17相连，有效隔热并控制上样品台高度。

装置整个安装过程如下：

将第一超导薄膜19和第二超导薄膜20分别用低温胶粘到上样品台8与下样品台5的中心，将弹簧3卡入下样品台5底部的凹槽，并一起卡入铜腔2的卡位腔21，铜腔2与底板1固定，将介质柱(即谐振腔)4放入屏蔽腔22并用低温胶粘到第二超导薄膜20中心。将第一耦合线缆6和第二耦合线缆7分别插入铜腔2壁左右两侧。将自平行球9放入上样品台8顶端半球形凹槽，磷铜压片10压住自平行球9，与上样品台8固定。将聚乙烯块17与聚乙烯杆16分别连到金属杆14与底板1。将金属板11与聚乙烯杆16固定，将弹簧15从金属杆14底部杆套入，金属杆14插入金属板11中心通孔，金属杆14与聚乙烯块17相连。将金属管12盖住金属杆14并与金属板11固定，把压电陶瓷13放入金属管12，盖上管盖18。

整个测量过程如下：

(1)有效电阻的确定。

调节压电陶瓷使上样品台对于铜腔上表面微微抬起10微米左右，使上样品台与铜腔不接触，相互分离，将装置放入制冷机，上样品台和下样品台连接到制冷机冷头同时降温至最低温度，通过矢量网络分析仪分别测量谐振腔中不同温度下TE₀₂₁和TE₀₁₂模式谐振频率f₁和f₂以及无载品质因数Q₁和Q₂，薄膜的有效表面电阻满足如下关系

$\frac{1}{Q_a}=\frac{R_{\mathrm{Sea}}}{G_{\mathrm{Ta}}}+\frac{R_{\mathrm{Sea}}}{G_{\mathrm{Ba}}}+\frac{R_{\mathrm{Cua}}}{G_{\mathrm{SWa}}}+k_a\tan {\mathrm{\δ}}_a---\left(1\right)$

式(1)中，当a＝1时表示TE₀₂₁模式，当a＝2时表示TE₀₁₂模式，R_Sea和R_Cua分别是超导薄膜的有效表面电阻与铜壁的表面电阻，tanδ为介质柱的损耗角正切，其中R_Se1/R_Se2＝(f₁/f₂)²，R_Cu1/R_Cu2＝(f₁/f₂)^1/2，tanδ₁/tanδ₂＝(f₁/f₂)，G_T1、G_B1、G_SW1、k₁以及G_T2、G_B2、G_SW2、k₂分别是对应于TE₀₂₁模式和TE₀₁₂模式上样品台、下样品台、铜腔壁的几何因子及填充因子，是取决于铜腔尺寸、介质柱尺寸和谐振模式的量，可以理论求出，通过TE₀₁₂和TE₀₂₁模式的联立求解可以获得R_Se1和R_Se2。

(2)本征阻抗的确定。

对上样品台逐渐升温，同时铜腔其余部分保持低温不变，记最低温度时TE₀₂₁模式的谐振频率为f(T_min)，测量随着温度变化谐振腔TE₀₂₁模式谐振频率的变化值Δf(T)，对于此时的谐振腔，随着温度变化谐振腔谐振频率变化的关系式如下：

$\frac{\mathrm{\Δf}\left(T\right)}{f\left(T_{\min }\right)}=\frac{\mathrm{\Δ}{X}_{\mathrm{SeTop}}}{{2G}_{T1}}---\left(2\right)$

式(2)中ΔX_SeTop为上样品台随温度变化的有效表面电抗的变化值，

有效阻抗与本征阻抗的关系式如下：

R_Se＝[Re(G_h)R_S-Im(G_h)X_S] (3)

X_Se＝[Re(G_h)X_S+Im(G_h)R_S] (4)

其中，γ_z＝[2jπf₀μ₀(σ₁-jσ₂)]^1/2，t为超导薄膜厚度，μ₀为真空磁导率，σ₁和σ₂分别是超导薄膜电导率的实部与虚部，β_h为与超导薄膜衬底有关的量。且本征阻抗的表达式如下：

$R_S=\mathrm{Re}{\left(\frac{2\mathrm{j\π}{f}_0{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\σ}}_1-j{\mathrm{\σ}}_2}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(5\right)$

$X_S=\mathrm{Im}{\left(\frac{2\mathrm{j\π}{f}_0{\mathrm{\μ}}_0}{{\mathrm{\σ}}_1-j{\mathrm{\σ}}_2}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(6\right)$

联立式(3)、(4)、(5)和(6)，可以获得本征表面电阻R_S和本征表面电抗X_S。

Claims (7)

1.一种测量高温超导薄膜表面本征阻抗的谐振器装置，其特征在于，包括腔体部分与高度调节部分，所述腔体部分与高度调节部分通过聚乙烯杆(16)和聚乙烯块(17)相连，相互隔热；腔体部分包括底板(1)、铜腔(2)、弹簧(3)、下样品台(5)、介质柱(4)、上样品台(8)、第一耦合线缆(6)、第二耦合线缆(7)、自平行球(9)、磷铜压片(10)、第一超导薄膜(19)和第二超导薄膜(20)；所述铜腔(2)为圆环柱体结构，内部具有圆柱体屏蔽腔(22)，所述圆柱体屏蔽腔(22)下部设有环状台阶结构，构成卡位腔(21)；下样品台(5)为圆柱形，底部有凹槽，与弹簧(3)卡入卡位腔(21)，并与铜腔(2)一起固定于底板(1)之上；第一耦合线缆(6)和第二耦合线缆(7)的端部均有与水平面平行的小环，分别设于铜腔(2)的左右两端；上样品台(8)为圆柱体结构，上表面中心有半球形凹槽，与自平行球(9)配合连接；第一超导薄膜(19)粘贴于上样品台(8)的中心，上样品台(8)通过所述第一超导薄膜(19)与铜腔(2)相连，所述上样品台(8)与铜腔(2)之间的其余部分留有空隙，能够使上样品台(8)与铜腔(2)其余部分隔绝不相互导热；第二超导薄膜(20)粘贴于下样品台(5)的中心，下样品台(5)的上部通过第二超导薄膜(20)连接铜腔(2)；介质柱(4)粘贴于第二超导薄膜(20)的中心；所述磷铜压片(10)压住自平行球(9)，与上样品台(8)固定；高度调节部分包括金属板(11)、金属杆(14)、金属管(12)、压电陶瓷(13)、弹簧(15)和管盖(18)，金属板(11)为圆环柱形，中心有一圆柱形通孔，所述金属杆(14)上端为圆柱平面，下端为圆柱杆；弹簧(15)套入金属杆(14)，金属杆(14)穿过金属板(11)通孔，金属杆(14)下端通过聚乙烯块(17)与自平行球(9)相连，金属管(12)套住金属杆(14)并固定于金属板(11)中心，压电陶瓷(13)放入金属管(12)中垂直下压金属杆(14)，金属管(12)顶端用管盖(18)盖住；聚乙烯杆(16)与金属板(11)以及底板(1)固定连接。

2.根据权利要求1所述测量高温超导薄膜表面本征阻抗的谐振器装置，其特征在于，所述第一耦合线缆(6)和第二耦合线缆(7)均采用半刚性同轴线缆。

3.根据权利要求1所述测量高温超导薄膜表面本征阻抗的谐振器装置，其特征在于，所述铜腔(2)内部的圆柱体空腔直径为14mm到18mm之间，高度为3mm，所述介质柱(4)为蓝宝石介质柱，高度为3mm，直径为5mm。

4.根据权利要求1所述测量高温超导薄膜表面本征阻抗的谐振器装置，其特征在于，所述压电陶瓷(13)调节上样品台(8)高度，使上样品台(8)与铜腔(2)其余部分之间有10-20微米空隙。

5.根据权利要求1所述测量高温超导薄膜表面本征阻抗的谐振器装置，其特征在于，所述介质柱为蓝宝石圆柱形介质柱。

6.根据权利要求5所述测量高温超导薄膜表面本征阻抗的谐振器装置，其特征在于，所述第一超导薄膜(19)采用低温胶粘贴于上样品台(8)的中心，第二超导薄膜(20)采用低温胶粘贴于下样品台(5)的中心，所述蓝宝石介质柱采用低温胶粘贴于第二超导薄膜(20)的中心。

7.一种应用如权利要求1所述的谐振器装置测量高温超导薄膜表面本征阻抗的方法，其特征在于，采用TE₀₁₂模和TE₀₂₁模作为测量模式，包括如下步骤：

(1)调节压电陶瓷使上样品台对于铜腔上表面微微抬起10-20微米，使上样品台与铜腔不接触，相互分离；

(2)将所述谐振器装置放入制冷机，上样品台和下样品台连接到制冷机冷头，同时降温至最低温度，通过矢量网络分析仪测量谐振腔中不同温度下TE₀₂₁和TE₀₁₂的谐振频率f₁、f₂，无载品质因数Q₁和Q₂；

(3)对上样品台逐渐升温至临界温度，同时铜腔其余部分保持低温不变，记最低温度时TE₀₂₁模式的谐振频率为f(T_min),测量此时谐振腔TE₀₂₁模式在不同温度条件下相比于f(T_min)的谐振频率变化值Δf(T)；

(4)由所测量的TE₀₂₁模式最低温度时的谐振频率f(T_min)和随温度变化谐振频率的变化值Δf(T)获得超导薄膜的本征表面阻抗。