CN109716120A - 用于确定条式超导体的参数的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用电气仪器和磁性仪器来研究和分析材料，并且本发明能够用于确定超导体的物理性质。用于确定条式超导体的参数的装置包括发生器、发生器频率设置元件、连接到所述发生器的电感线圈、接收器、接收器频率设置元件和连接到所述接收器的电感线圈。所述发生器和接收器频率设置元件是相同类型的窄带元件。发生器和接收器频率设置元件的通带与具有更窄的通带宽度的频率设置元件的带宽的至少一半重合。所述发生器和接收器电感线圈在其之间布置有间隙，使得有可能将条式超导体放置在所述电感线圈之间。所述装置设置有温度传感器，其包括与超导体接触的热敏电阻器。所述装置能够实现高精度和重复性的测量结果。

Description

用于确定条式超导体的参数的装置

技术领域

本发明涉及使用电气仪器和磁性仪器研究和分析材料，并且本发明能够用于确定或控制超导体的物理性质。

背景技术

已知用于控制超导体的性质的装置（使用电压探针来找到YBCO超导体的临界温度，Frank King，物理系，伍斯特学院，伍斯特，俄亥俄州44691，美国，日期：2008年5月8日）。现有技术装置根据四点模式来测量超导体电阻。两根电流测量导线和两根电压测量导线被连接到超导体。导线被连接到复杂的多通道装置，例如Keithly 2000。另外，用于测量超导体温度的现有技术装置使用热电偶，所述热电偶使其温热的热接头放置在具有水和冰的混合物的容器中并且使其冷的热接头与超导体接触。所述热电偶具有连接到Keithly 2000多通道装置的通道中的一个的一个端部。用于控制超导体参数的现有技术过程包括将所研究的样品和与其连接的导线一起浸入液氮中。由于样品和导线的物理特性的差异，超导体和导线温度下降得过快且不均匀，使得不能够获得超导转变的详细曲线，即测量精度和再现性受到限制。特别地，超导转变温度的测量精度是±1.1K，这在数种情况下是不足够的。

还已知用于控制超导体参数的装置（使用迈斯纳（Meissner）效应测量YBCO的临界温度，Daniel Brown和Mihach Milliman，物理系，沃巴什学院，Crawfordsville，印第安纳州47933，日期：2008年12月10日）。用于测量和控制超导体参数的这样的装置仅允许测量临界温度，即其功能受到限制。使用这样的装置还要求超导体应当和线圈一起浸入液氮中，这也限制了测量精度，如上文所讨论的装置中那样。另外，在现有技术装置中提供了发生器与放大器之间的反馈，以用于将测量系统保持在谐振状态中，这需要进一步调整，从而减损了测量结果的精度和再现性并且从总体上使装置的操作过程复杂化。此外，在现有技术装置中热电偶被用于温度测量的过程中。已知热电偶的灵敏度在低温区域中急剧下降，这进一步减损了测量精度。

发明内容

本发明的目的是改进确定和控制条式超导体的参数的精度，以及在简化装置的操作的同时改进测量结果的再现性。

借助于用于确定条式超导体的参数的装置来解决上述问题，所述装置包括具有发生器频率设置元件和发生器电感线圈（即，连接到发生器）的发生器，以及具有接收器频率设置元件和接收器电感线圈（即，连接到接收器）的接收器，其中所述发生器电感线圈和所述接收器电感线圈在其之间布置有间隙，使得有可能将条式超导体放置在所述电感线圈之间，并且所述发生器频率设置元件和所述接受器频率设置元件的通带/阻带与具有更窄的通带/阻带宽度的频率设置元件的通带/阻带的至少一半重合。

在优选实施例中，所述发生器频率设置元件和接收器频率设置元件包括窄带元件。所述发生器频率设置元件和接收器频率设置元件的通带/阻带的带中心优选地频率间隔不大于具有更窄的通带宽度的频率设置元件的通带/阻带宽度的10%（优选地不大于1%）。在另一实施例中，所述发生器频率设置元件和接收器频率设置元件的通带/阻带的带中心频率间隔的值在具有更窄的通带宽度的频率设置元件的通带/阻带宽度的1%至10%的范围中或在0.5%值1%的范围中。

在优选实施例中，所述发生器频率设置元件和接收器频率设置元件包括相同类型的元件。另外，形成所述发生器和接收器的一部分的放大元件也可以包括相同类型的元件。所述发生器频率设置元件和接收器频率设置元件可以具有区别不大于10%或1%的特性（特别地，频率或其它特性，例如电气、机械、技术等）。在另一实施例中，所述发生器频率设置元件和接收器频率设置元件具有区别在1%至10%的相对范围中或在0.5%至1%的相对范围中的值的特性。

通过上述实施例中的任一个中的装置也解决了本发明的问题，上文讨论的用于确定条式超导体的参数的装置可以用作用于确定条式超导体的参数的测量系统的一部分，除了所述装置以外，所述系统包括温度测量装置，所述温度测量装置包括温度传感器。所述装置还可以具有容纳低温剂的储存器。在这样的系统中，用于确定条式超导体的参数的装置的电感线圈和温度传感器可以布置在包含低温剂的储存器中。

在优选实施例中，所述温度测量装置包括热敏电阻器，所述热敏电阻器被构造成与条式超导体接触。所述温度测量装置还可以具有电流稳定器和毫伏计。可以基于具有阳极电路中的源极跟随器（source follower）的精密稳频管提供电流稳定器。电感线圈布置在所述低温剂表面上方大致至少30mm的距离处。

所述发生器电感线圈可以被称为初级电感线圈并且可以连接到发生器输出（或形成发生器的一部分的放大器的输出）。所述接收器电感线圈可以被称为次级电感线圈并且可以连接到形成所述接收器的一部分的放大器的输入。

（取决于电路图）频率设置元件可以包括抑制和/或传输，优选地具有相同的、略微不同的电气特性的窄带滤波器，其包括在所述发生器和接收器放大元件的反馈电路中。可以基于具有例如±0.001的稳定精度的精密稳频管和阳极电路中的源极跟随器来提供电流稳定器。

用作发生器中的放大元件的电子装置的输入有利地接地，并且反向输入还设置有电阻器以控制输出电压幅度。

在用于确定（控制）超导体的参数的装置的优选实施例中，电感线圈被构造成具有相同的电气参数，并且设置有具有相同的窄带抑制/传输滤波器的反馈电路的相同电子装置被用作发生器和接收器放大器。借助于这样的电路图，发生器-接收器系统被持续地保持在谐振状态中，这种状态伴随噪音信号水平的降低，即所研究的样品的磁化率的测量精度得到改进。

与原型不同，所提出的装置的电路不具有用于将系统保持在谐振状态中的反馈。然而，由于放大器电路图和发生器电路图提供具有相同电气特性的窄带抑制/传输滤波器（或使发生器和放大器频带与最窄的带宽重合至少50%的那些），所以发生器和接收器以相同的频率操作，即所述系统在没有反馈的情况下处于谐振状态中。

电感线圈布置在具有低温剂的储存器中并处于低温剂表面上方大致至少30mm的距离处。如果电感线圈和所研究的样品被布置在低温剂表面上方小于30mm的距离处，则样品将由于暴露于低温剂蒸汽（特别是靠近其表面的液氮）的强烈对流的流而在超导状态与正常状态之间交替。这种现象负面地影响正在进行的测量的精度和所获得的测量结果的再现性两者。

在所研究的样品与低温剂表面的更大距离处（例如，大于40mm或大于50mm或大于60mm），测量时间变得不合理地高。特别地，已经通过实验发现，使用所讨论的装置，距离增加25mm导致测量时间增加6%。

连接到电流稳定器和毫伏计的热敏电阻器可以用于所提出的装置中，作为与超导体接触的温度感测装置。

基于具有阳极电路中的源极跟随器的精密稳频管可以提供热敏电阻器电流稳定器。稳频管电压以高精度保持稳定，因为流动通过源极跟随器的电流不因为反馈而发生实质变化。因此，能够实现高度稳定的热敏电阻器电流，并且因此能够实现所获得的测量结果的高精度和再现性。

被用作发生器放大器的电子装置可以使其输入接地，并且反向输入还设置有电阻器以控制输出电压幅度。放大电子装置的这样的连接允许其被用作发生器。在反向输入处设置的电阻器允许实现所需要的发生器输出电压幅度，因为可以在发生器幅度的高值处发生超导体的加热，从而导致超导性消失。

因此，一个电路旨在用于测量磁化率，而另一个旨在用于同时测量温度。当测量进行了一定的时间段时，可以获得磁化率与时间之间的关系以及温度与时间之间的关系。因此，可以获得磁化率与温度之间的关系。所获得的数据允许立刻以高精度确定数个参数，特别是所研究的超导体的临界温度和超导转变的宽度。另外，由于使用了设置在组装装置期间限定的测量参数的部件，所以所提出的装置不需要设置和调整。因此，所提出的装置远比现有技术装置更容易操作。

附图说明

通过附图解释了本发明，其中：

图1示出了用于控制条式超导体的参数的装置的电路；

图2示出了超导体的磁化率与温度之间的关系。

具体实施方式

用于（确定）控制条式超导体的参数的系统包括具有低温剂1的储存器，其中温度传感器2和两个电感线圈3和4在其之间布置有间隙，以用于容纳超导体5。所述线圈中的一个连接到发生器6并且另一个连接到接收器7。所述电感线圈构造成具有相同的电气参数并且布置在所述低温剂表面上方50mm的距离处。连接到电流稳定器8并且连接到毫伏计9的热敏电阻器被用作与超导体接触的温度传感器。设置有具有窄带抑制/传输滤波器10的反馈电路的相同电子装置被用作发生器和接收器放大器，所述窄带抑制/传输滤波器10具有相同的电气特性，其中初级电感线圈连接到发生器输出并且次级电感线圈连接到接收器输入。接收器输出连接到毫伏计11。

在所提出的装置中，电流稳定器可以基于具有±0.001的稳定精度的精密稳频管（stabilitron）和阳极电路中的源极跟随器。

用作发生器的电子装置有利地使其输入接地，其中反向输入还设置有电阻器12以限制输出电压幅度。

已经针对控制长3cm、宽4mm且厚0.1mm的条式高温超导体的参数来测试所提出的装置。超导体5被构造为不锈钢基底条带，其具有两个缓冲层（9ZrO₂xY₂O₃和CeO₂）和施加在其上的YBa₂Cu₃O₇超导层。所述超导体被放置在两个电感线圈3与4之间。每个线圈具有90欧姆的有效电阻。ICL7650SCPD微电路被用作发生器6和接收器7的放大器。发生器6和接收器7设置有具有窄带抑制滤波器10的反馈电路，每个所述窄带抑制滤波器10由三个电阻器和三个电容器组成。滤波器元件具有±0.03%的额定值分布。电感线圈3和4以及超导体5被放置在具有低温剂1的储存器中并且距液氮表面处于50的距离处。有利地是将超导体布置在液氮表面上方30至60mm的距离处。CX-1080-SD热敏电阻器2被用作与超导体5表面接触的温度传感器。借助于DC毫伏计9和热敏电阻器稳定器8来确定热敏电阻器电阻。

用作发生器6放大器的电子装置使其输入接地，并且使其输出连接到初级线圈3，其中反向输入还设置有电阻器12以控制输出电压幅度。用作接收器放大器的电子装置使其反向输入经由滤波器10连接到输出并且使其非反向输入连接到次级线圈4。

由发生器6向初级线圈3施加大约100mV的电压。当操作所述装置时，样品冷却下来并且转变成超导状态。次级线圈4处（大约3mV）的电压急剧下降近似80%。电压被施加到放大器7并且由毫伏计11记录。根据该电压值确定超导体的磁化率。超导体5温度由与其表面接触的热敏电阻器2同时记录。在超导体温度变化的情况下，热敏电阻器电阻将变化。热敏电阻器2电流被设置并由电流稳定器8保持恒定，并且由毫伏计9记录热敏电阻器处的电压下降。以这种方式，确定热敏电阻器电阻并且因此确定超导体5温度。在图2中示出了磁化率与超导体温度之间的关系。所呈现的关系允许确定超导转变温度和宽度。基于对所述关系的分析，能够得出结论，超导转变参数的测量精度是±0.1K。借助于分析一组测量的结果已经发现，测量的再现性也是±0.1K。

所提出的装置和系统已经被用于开发超导体的工艺和工业生产，并且允许能够同时实现对各种类型的超导体的温度的操作控制和高测量精度。

Claims (13)

1.一种用于确定条式超导体的参数的装置，包括：

发生器、发生器频率设置元件和连接到所述发生器的电感线圈，和

接收器、接收器频率设置元件和连接到所述接收器的电感线圈，

其中，发生器电感线圈和接收器电感线圈在它们之间布置有间隙，使得有可能将条式超导体放置在所述电感线圈之间，

所述发生器频率设置元件和所述接收器频率设置元件的通带/阻带与具有更窄的通带/阻带宽度的频率设置元件的通带/阻带的至少一半重合。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发生器频率设置元件和所述接收器频率设置元件包括窄带元件。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发生器频率设置元件和所述接收器频率设置元件的通带/阻带的带中心的频率间隔的值在具有更窄的通带宽度的频率设置元件的通带/阻带宽度的1%至10%的范围中或0.5%至1%的范围中。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发生器频率设置元件和所述接收器频率设置元件包括相同类型的元件。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发生器频率设置元件和所述接收器频率设置元件具有区别在1%至10%的相对范围中或在0.5%至1%的相对范围中的值的特性。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发生器和接收器包括相同类型的放大元件。

7.一种用于确定条式超导体的参数的测量系统，包括根据权利要求1-6中任一项所述的用于确定条式超导体的参数的装置和包括温度传感器的温度测量装置。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，被构造成与所述条式超导体接触的热敏电阻器被用作温度传感器。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，温度测量装置还具有电流稳定器和毫伏计。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述电流稳定器基于具有阳极电路中的源极跟随器的精密稳频管。

11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统具有储存器，所述储存器具有低温剂。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，用于确定条式超导体的参数的所述装置的所述电感线圈和所述温度传感器被布置在具有低温剂的所述储存器中。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述电感线圈布置在所述低温剂表面上方至少30mm的距离处。