CN109030568B - 一种高温超导膜临界电流无损检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种高温超导膜临界电流无损检测装置及其检测方法，其检测装置的组成主要是：下底板上的杜瓦内竖直安装有聚四氟乙烯杆，圆形的聚四氟乙烯薄片固定在聚四氟乙烯杆顶端；下底板上的四根立柱间连有横杆；左侧横杆上固定有纵向直线导轨，纵向直线导轨端部固定有纵向激光位移传感器；右侧横杆上固定有纵向滑轨；横向直线导轨两端固定在纵向直线导轨的滑台和滑轨上；横向直线导轨端部固定有横向激光位移传感器；竖向直线导轨中下部固定在横向直线导轨滑台上，顶端固定竖向激光位移传感器；竖向直线导轨滑台底部螺纹连接：底端有低温霍尔探头阵列的支杆，或者底部有亥姆霍兹线圈的竖向支杆。该装置能精确的得出高温超导膜的临界电流不均匀性分布数据。

Description

一种高温超导膜临界电流无损检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种高温超导膜临界电流检测装置及其检测方法。

背景技术

利用高温超导薄膜制备出的超导器件在电子学领域应用广泛。高温超导薄膜的临界电流作为高温超导薄膜的基本特性之一，对超导器件的工作特性的稳定性和功率负载能力具有决定性意义。因此，需要对高温超导膜的临界电流进行检测。

高温超导膜临界电流检测方法有两种，第一种方法是直接的运输方法，即四引线法，此方法需要在高温超导膜上通过物理破坏的方式制作四个电极分别用于连接电流源和电压表，在不断增大电流的同时测量电压引线间的电压，直至其电压达到1μV/cm；此时对应的电流值即为临界电流的值。其缺陷是：四个电极的制作过程不仅繁琐且会对高温超导膜产生不可逆的物理损伤；操作稍有不慎，使电流源施加的电流过大，就会烧毁高温超导膜。

第二种方法是磁测法，主要使用三次谐波法测量高温超导膜的临界电流，其做法是：将一组励磁线圈和检测线圈紧密靠近高温超导膜，对励磁线圈通入不断增大的交变电流使高温超导膜磁化，同时观测记录检测线圈中感生出的三次谐波电压。通过观测到的检测线圈中的感生三次谐波电压与励磁线圈中通入的交变电流曲线，得出检测区域的临界电流值。该方法对检测线圈、励磁线圈排布位置有严苛要求：若将检测线圈与励磁线圈分别排布在高温超导膜的两侧，将会使两个线圈因杜瓦体积和高温超导膜固定位置的限制而不能够灵活移动，进而不能将高温超导膜整个表面临界电流完整地测量；而将检测线圈和励磁线圈排布在高温超导膜的同一侧，又会使励磁线圈的磁场直接对检测线圈产生影响，为消除这种影响，需要额外添加补偿线圈或者对采集的数据加以校准才能确保数据的可靠性。此外，检测线圈和励磁线圈由于工艺和材料的限制，不能制作地太小，这样就导致测量的临界电流的区域面积较大，不能得出高温超导膜的区位与临界电流的精确对应关系(也即临界电流的不均匀性分布)，进而不能分析得出临界电流低的原因，也就无法为提高高温超导膜临的临界电流的制备工艺改进提供有效的依据。

发明内容

本发明提供一种高温超导膜临界电流无损检测装置，该检测装置能更精确的得出高温超导膜的临界电流不均匀性分布数据，便于分析得出临界电流低的原因，为改进工艺以提高高温超导膜的临界电流提供更有效的依据。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种高温超导膜临界电流无损检测装置，其组成是：

下底板上有凹槽，敞口的杜瓦固定于凹槽中，杜瓦内竖直安装有聚四氟乙烯杆，圆形的聚四氟乙烯薄片伸出的连接柄固定在聚四氟乙烯杆顶端；下底板上还固定有四根立柱，立柱顶端之间连接有横杆；

左侧的横杆上固定有纵向直线导轨，纵向直线导轨的一端部固定有纵向激光位移传感器，且纵向激光位移传感器的工作面面向纵向直线导轨的滑台；右侧的横杆上固定有纵向的滑轨；横向直线导轨的左端和右端分别固定在纵向直线导轨的滑台和滑轨的滑块上；横向直线导轨的一端部固定有横向激光位移传感器，且横向激光位移传感器的工作面面向横向直线导轨滑台的横向激光位移传感器；竖向直线导轨的中下部固定在横向直线导轨的滑台的侧面；同时，竖向直线导轨的顶端固定有竖向激光位移传感器，且竖向激光位移传感器的工作面面向竖向直线导轨的滑台；竖向直线导轨滑台的底部设有连接竖向支杆的螺纹连接孔；所述的竖向支杆为两种，一种为上部带连接螺纹，底端装有低温霍尔探头阵列，另一种为上部带连接螺纹，底端装有亥姆霍兹线圈；所述的亥姆霍兹线圈的直径大于聚四氟乙烯薄片的直径；

所述的纵向直线导轨的电机、横向直线导轨的电机、竖向直线导轨的电机、纵向激光位移传感器、横向激光位移传感器和竖向激光位移传感器均与控制器电连接。

本发明的另一目的是提供一种使用上述的高温超导膜临界电流无损检测装置进行高温超导膜临界电流检测的方法，该方法能快速、精确的得出高温超导膜的临界电流不均匀性分布数据。

本发明实现其另一目的所采用的技术方案是，一种使用上述的高温超导膜临界电流无损检测装置进行高温超导膜临界电流检测的方法，其具体做法是：

A、冷却

将高温超导膜置于聚四氟乙烯薄片中心位置，然后向杜瓦中加注液氮，直至杜瓦中液氮将高温超导膜完全淹没，且液氮停止沸腾；

B、励磁

将竖向直线导轨的滑台底部的螺纹连接孔与底端装有亥姆霍兹线圈的竖向支杆连接；纵向激光位移传感器、横向激光位移传感器、竖向激光位移传感器分别监测纵向直线导轨的滑台、横向直线导轨的滑台和竖向直线导轨的滑台的位置；并将这些滑台的位置信号作为反馈信号传输给控制器；控制器控制纵向直线导轨电机、横向直线导轨电机、竖向直线导轨的电机的运动，使亥姆霍兹线圈的均匀磁场区的中心运行到高温超导膜的中心位置，待杜瓦中液氮不再剧烈沸腾后，控制器再控制亥姆霍兹线圈在同一高度平面内移动，使高温超导膜被亥姆霍兹线圈均匀磁场区完整扫过，完成高温超导膜的励磁；随后，控制器控制纵向直线导轨电机、横向直线导轨电机、竖向直线导轨电机的运动，使得亥姆霍兹线圈离开高温超导膜，并上升到液氮以上；

C、临界电流测试

将底端装有亥姆霍兹线圈的竖向支杆从竖向直线导轨的滑台的螺纹连接孔中卸下，再将竖向直线导轨的滑台的螺纹连接孔与底端装有低温霍尔探头阵列的竖向支杆连接；控制器根据竖向激光位移传感器传来的竖向直线导轨的滑台的位置信号，控制竖向直线导轨电机的运动，通过竖向直线导轨、竖向支杆带动低温霍尔探头阵列运行至高温超导膜上方设定高度处；待液氮不再沸腾后，控制器控制纵向直线导轨的电机、横向直线导轨的电机的运动，使横向直线导轨的滑台进行往返运动、纵向直线导轨的滑台单向间歇运动，使得低温霍尔探头阵列完成高温超导膜表面的逐行扫描探测；检测出低温霍尔探头阵列正下方处高温超导膜的磁感应强度垂直分量，控制器据以得出并记录低温霍尔探头阵列正下方处高温超导膜的实时临界电流；

同时，控制器将纵向激光位移传感器和横向激光位移传感器测出的纵向直线导轨的滑台的位置和横向直线导轨的滑台位置的实时记录，也即得到低温霍尔探头阵列的实时二维坐标位置；

将低温霍尔探头阵列的实时二维坐标位置与实时临界电流匹配，得出高温超导膜上临界电流的位置分布关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明采用低温霍尔探头阵列作为采集高温超导膜表面磁感应强度垂直分量的器件，体积小，单次测量临界电流的区域面积小；同时，通过纵向、横向三个直线导轨模组带动低温霍尔探头阵列移动，使得低温霍尔探头阵列能够在足够大的空间内灵活精确移动，因此能够适应不同大小、不同形状的高温超导膜的临界电流测试。

二、本发明通过激光位移传感器进行实验数据定位，实现高温超导膜的临界电流值与高温超导膜的平面位置坐标的匹配，能够准确的地获取高温超导膜临界电流的不均匀分布数据，便于分析得出临界电流低的原因，为改进工艺以提高高温超导膜的临界电流提供更有效的依据。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例的主视结构示意图。

图2为本发明实施例的俯视结构示意图。

具体实施方法

实施例

图1、图2示出，本发明的一种具体实施方式是，一种高温超导膜临界电流无损检测装置，其组成是：

下底板1上有凹槽，敞口的杜瓦4固定于凹槽中，杜瓦4内竖直安装有聚四氟乙烯杆5，圆形的聚四氟乙烯薄片6伸出的连接柄6a固定在聚四氟乙烯杆5顶端；下底板1上还固定有四根立柱3，立柱3顶端之间连接有横杆13；

左侧的横杆13上固定有纵向直线导轨7，纵向直线导轨7的一端部固定有纵向激光位移传感器12a，且纵向激光位移传感器12a的工作面面向纵向直线导轨7的滑台7a；右侧的横杆13上固定有纵向的滑轨10；横向直线导轨8的左端和右端分别固定在纵向直线导轨7的滑台7a和滑轨10的滑块10a上；横向直线导轨8的一端部固定有横向激光位移传感器12b，且横向激光位移传感器12b的工作面面向横向直线导轨8滑台8a的横向激光位移传感器12b；竖向直线导轨9的中下部固定在横向直线导轨8的滑台8a的侧面；同时，竖向直线导轨9的顶端固定有竖向激光位移传感器12c，且竖向激光位移传感器12c的工作面面向竖向直线导轨9的滑台9a；竖向直线导轨9滑台9a的底部设有连接竖向支杆11的螺纹连接孔；所述的竖向支杆11为两种，一种为上部带连接螺纹，底端装有低温霍尔探头阵列，另一种为上部带连接螺纹，底端装有亥姆霍兹线圈；所述的亥姆霍兹线圈的直径大于聚四氟乙烯薄片6的直径；

所述的纵向直线导轨7的电机、横向直线导轨8的电机、竖向直线导轨9的电机、纵向激光位移传感器12a、横向激光位移传感器12b和竖向激光位移传感器12c均与控制器电连接。

一种使用本例的高温超导膜临界电流无损检测装置进行高温超导膜临界电流检测的方法，其具体做法是：

A、冷却

将高温超导膜置于聚四氟乙烯薄片6中心位置，然后向杜瓦4中加注液氮，直至杜瓦4中液氮将高温超导膜完全淹没，且液氮停止沸腾；

B、励磁

将竖向直线导轨9的滑台9a底部的螺纹连接孔与底端装有亥姆霍兹线圈的竖向支杆11连接；纵向激光位移传感器12a、横向激光位移传感器12b、竖向激光位移传感器12c分别监测纵向直线导轨7的滑台7a、横向直线导轨8的滑台8a和竖向直线导轨9的滑台9a的位置；并将这些滑台的位置信号作为反馈信号传输给控制器；控制器控制纵向直线导轨7电机、横向直线导轨8电机、竖向直线导轨9的电机的运动，使亥姆霍兹线圈的均匀磁场区的中心运行到高温超导膜的中心位置，待杜瓦4中液氮不再剧烈沸腾后，控制器再控制亥姆霍兹线圈在同一高度平面内移动，使高温超导膜被亥姆霍兹线圈均匀磁场区完整扫过，完成高温超导膜的励磁；随后，控制器控制纵向直线导轨7电机、横向直线导轨8电机、竖向直线导轨9电机的运动，使得亥姆霍兹线圈离开高温超导膜，并上升到液氮以上；

C、临界电流测试

将底端装有亥姆霍兹线圈的竖向支杆11从竖向直线导轨9的滑台9a的螺纹连接孔中卸下，再将竖向直线导轨9的滑台9a的螺纹连接孔与底端装有低温霍尔探头阵列的竖向支杆11连接；控制器根据竖向激光位移传感器12c传来的竖向直线导轨9的滑台9a的位置信号，控制竖向直线导轨9电机的运动，通过竖向直线导轨9、竖向支杆11带动低温霍尔探头阵列运行至高温超导膜上方设定高度处；待液氮不再沸腾后，控制器控制纵向直线导轨7的电机、横向直线导轨8的电机的运动，使横向直线导轨8的滑台进行往返运动、纵向直线导轨7的滑台单向间歇运动，使得低温霍尔探头阵列完成高温超导膜表面的逐行扫描探测；检测出低温霍尔探头阵列正下方处高温超导膜的磁感应强度垂直分量，控制器据以得出并记录低温霍尔探头阵列正下方处高温超导膜的实时临界电流；

同时，控制器将纵向激光位移传感器12a和横向激光位移传感器12b测出的纵向直线导轨7的滑台7a的位置和横向直线导轨8的滑台8a位置的实时记录，也即得到低温霍尔探头阵列的实时二维坐标位置；

将低温霍尔探头阵列的实时二维坐标位置与实时临界电流匹配，得出高温超导膜上临界电流的位置分布关系。

Claims (1)

1.一种高温超导膜临界电流无损检测方法，其使用的检测装置的组成是：

下底板（1）上有凹槽，敞口的杜瓦（4）固定于凹槽中，杜瓦（4）内竖直安装有聚四氟乙烯杆（5），圆形的聚四氟乙烯薄片（6）伸出的连接柄（6a）固定在聚四氟乙烯杆（5）顶端；下底板（1）上还固定有四根立柱（3），立柱（3）顶端之间连接有横杆（13）；

左侧的横杆（13）上固定有纵向直线导轨（7），纵向直线导轨（7）的一端部固定有纵向激光位移传感器（12a），且纵向激光位移传感器（12a）的工作面面向纵向直线导轨（7）的滑台（7a）；右侧的横杆（13）上固定有纵向的滑轨（10）；横向直线导轨（8）的左端和右端分别固定在纵向直线导轨（7）的滑台（7a）和滑轨（10）的滑块（10a）上；横向直线导轨（8）的一端部固定有横向激光位移传感器（12b），且横向激光位移传感器（12b）的工作面面向横向直线导轨（8）滑台（8a）的横向激光位移传感器（12b）；竖向直线导轨（9）的中下部固定在横向直线导轨（8）的滑台（8a）的侧面；同时，竖向直线导轨（9）的顶端固定有竖向激光位移传感器（12c），且竖向激光位移传感器（12c）的工作面面向竖向直线导轨（9）的滑台（9a）；竖向直线导轨（9）滑台（9a）的底部设有连接竖向支杆（11）的螺纹连接孔；所述的竖向支杆（11）为两种，一种为上部带连接螺纹，底端装有低温霍尔探头阵列，另一种为上部带连接螺纹，底端装有亥姆霍兹线圈；所述的亥姆霍兹线圈的直径大于聚四氟乙烯薄片（6）的直径；

所述的纵向直线导轨（7）的电机、横向直线导轨（8）的电机、竖向直线导轨（9）的电机、纵向激光位移传感器（12a）、横向激光位移传感器（12b）和竖向激光位移传感器（12c）均与控制器电连接；

使用所述的检测装置进行高温超导膜临界电流检测的方法，其具体做法是：

A、冷却

将高温超导膜置于聚四氟乙烯薄片（6）中心位置，然后向杜瓦（4）中加注液氮，直至杜瓦（4）中液氮将高温超导膜完全淹没，且液氮停止沸腾；

B、励磁

将竖向直线导轨（9）的滑台（9a）底部的螺纹连接孔与底端装有亥姆霍兹线圈的竖向支杆（11）连接；纵向激光位移传感器（12a）、横向激光位移传感器（12b）、竖向激光位移传感器（12c）分别监测纵向直线导轨（7）的滑台（7a）、横向直线导轨（8）的滑台（8a）和竖向直线导轨（9）的滑台（9a）的位置；并将这些滑台的位置信号作为反馈信号传输给控制器；控制器控制纵向直线导轨（7）电机、横向直线导轨（8）电机、竖向直线导轨（9）的电机的运动，使亥姆霍兹线圈的均匀磁场区的中心运行到高温超导膜的中心位置，待杜瓦（4）中液氮不再剧烈沸腾后，控制器再控制亥姆霍兹线圈在同一高度平面内移动，使高温超导膜被亥姆霍兹线圈均匀磁场区完整扫过，完成高温超导膜的励磁；随后，控制器控制纵向直线导轨（7）电机、横向直线导轨（8）电机、竖向直线导轨（9）电机的运动，使得亥姆霍兹线圈离开高温超导膜，并上升到液氮以上；

C、临界电流测试

将底端装有亥姆霍兹线圈的竖向支杆（11）从竖向直线导轨（9）的滑台（9a）的螺纹连接孔中卸下，再将竖向直线导轨（9）的滑台（9a）的螺纹连接孔与底端装有低温霍尔探头阵列的竖向支杆（11）连接；控制器根据竖向激光位移传感器（12c）传来的竖向直线导轨（9）的滑台（9a）的位置信号，控制竖向直线导轨（9）电机的运动，通过竖向直线导轨（9）、竖向支杆（11）带动低温霍尔探头阵列运行至高温超导膜上方设定高度处；待液氮不再沸腾后，控制器控制纵向直线导轨（7）的电机、横向直线导轨（8）的电机的运动，使横向直线导轨（8）的滑台进行往返运动、纵向直线导轨（7）的滑台单向间歇运动，使得低温霍尔探头阵列完成高温超导膜表面的逐行扫描探测；检测出低温霍尔探头阵列正下方处高温超导膜的磁感应强度垂直分量，控制器据以得出并记录低温霍尔探头阵列正下方处高温超导膜的实时临界电流；

同时，控制器将纵向激光位移传感器（12a）和横向激光位移传感器（12b）测出的纵向直线导轨（7）的滑台（7a）的位置和横向直线导轨（8）的滑台（8a）位置的实时记录，也即得到低温霍尔探头阵列的实时二维坐标位置；

将低温霍尔探头阵列的实时二维坐标位置与实时临界电流匹配，得出高温超导膜上临界电流的位置分布关系。