CN110068732B - 超导材料低温微波表面电阻测试装置及方法 - Google Patents

超导材料低温微波表面电阻测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超导材料低温微波表面电阻多模测试装置以及方法，该装置包括圆柱形金属腔体以及填充于金属腔体中的介质材料，金属腔体底面设有样品孔，样品孔的中心轴位于金属腔体底面的中心。利用上述测试装置测试微波表面电阻的多模测试方法，包括以下步骤：S1、将高纯铌置于样品孔中，分别测量出TE011工作模式和TE021工作模式下的无载品质因数；S2、将待测样品置于样品孔中，分别测量出TE011工作模式和TE021工作模式下的无载品质因数；S3、根据相关公式即可计算待测样品在TE011工作模式和TE021工作模式下的微波表面电阻值。该装置及方法利用填充介质圆柱谐振腔的多个模式，可对低温下小尺寸样品在较低频率下的微波表面电阻进行直接无损测量，测量不确定度低。

Description

超导材料低温微波表面电阻测试装置及方法
技术领域
本发明属于超导技术领域，具体涉及一种超导材料的低温微波表面电阻(Rs)测试装置及方法。
背景技术
测量超导材料微波表面电阻能为超导材料在应用过程中的损耗提供量化的参考，从而对其制备、生产和实际应用具有非常重要的意义。
随着相关技术的发展，超导铌腔被广泛应用于各大加速器来加速带电粒子，与常温加速腔相比，相同频率下超导腔的损耗极低，腔体的损耗又与表面电阻成正比，即超导腔表面电阻在低温超导状态下远小于常温腔。例如，在1.3GHz时，常温铜腔Rs约为9.4e-3Ω，超导铌腔Rs约为1.5e-8Ω，相差超过60万倍。因此，表面电阻对于超导腔是非常重要的指标，必须要能够精准测量。
目前，针对超导材料微波表面电阻测量的主要思路为：构造含有被测样品的谐振器，建立谐振器损耗与被测样品微波表面电阻的关系，通过测量谐振器品质因数，最终得到RS值。其中，最具代表性的是被采用为超导微波表面电阻测试国际标准的双介质谐振器法。该标准使用一对介质柱1构成两个谐振器，这两个介质柱1的直径相同，高度不同，一个柱的高度是另一个柱高度的3倍，工作模式分别为TE013和TE011模。图1所示为现有技术中两个谐振器的结构和电磁场分布。通过测试两个谐振器加载同一对超导薄膜2时的无载品质因数和谐振频率，可以得到介质柱1的介电常数、损耗角正切和超导薄膜2的微波表面电阻。从结构上，该方法需要两片样品才能构成谐振腔；从理论模型上，样品直径需要大于介质直径3倍以上。但是当样品直径很小时，工作频率上升，无法直接获得样品在低频率下的微波表面电阻。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种能从常温到4.2K以下连续变温的超导材料低温微波表面电阻测试装置及测试方法。该装置包含低温测试平台以及测试腔(全填充介质圆柱谐振腔)，利用介质谐振腔的不同模式，对低温下小尺寸样品在较低频率下的微波表面电阻进行直接测量。
为解决低温低频以及小尺寸样片的关键技术问题，本发明的技术方案为：一种超导材料低温微波表面电阻多模测试装置，该测试装置包括圆柱形金属腔体，以及填充于所述金属腔体中的介质材料，所述金属腔体底面设有样品孔，所述样品孔的中心轴位于金属腔体底面的中心。
优选地，所述金属腔体为高纯铌腔体。
优选地，所述介质材料为蓝宝石。
优选地，所述金属腔体的内腔直径为32.4㎜，内腔高为34.1㎜。
一种利用上述测试装置测试微波表面电阻的多模测试方法，包括以下步骤：
S1、将与测试腔材质相同的金属导体放置于样品孔中，分别测量出TE011工作模式和TE021工作模式下的无载品质因数；
S2、将待测样品放置于样品孔中，分别测量出TE011工作模式和TE021工作模式下的无载品质因数；
S3、根据以上测试得到的四个无载品质因数及以下公式计算待测样品在TE011工作模式和TE021工作模式下的微波表面电阻值：
Figure BDA0001879601400000021
其中：i＝1时对应TE011模式下的物理量，i＝2时对应TE021模式下的物理量；
Ai、Bi、Ci是电磁场积分的比值；
tanδi为介质材料的损耗角正切；
RSnbi为金属导体的微波表面电阻；
RSsamplei为样品的微波表面电阻。
本发明的有益效果是：该测试装置及方法利用介质材料填充圆柱谐振腔的方式减小谐振腔的体积，增加待测样品的测试灵敏度；利用TE0mn模式电流分布仅存在角向分量的特点，采用同轴放置样品的方式，不影响工作模式电流，保证测试物理模型的有效性；该装置解决了低温下小尺寸样品在较低频率下的微波表面电阻进行直接测量。采用前述装置的测试方法，利用测试多个工作模式无载品质因数的方式，计算谐振腔本身的导体损耗和介质损耗，可有效的提高测准确性。
附图说明
图1是现有技术双介质TE013和TE011谐振器结构及电磁场分布；
图2是本发明超导材料超导材料低温微波表面电阻测试装置示意图。
图3是本发明超导材料超导材料低温微波表面电阻测试装置应用在低温平台的示意图。
附图标记说明：1、介质柱；2、超导薄膜；3、金属腔体；4、介质材料；5、待测样品。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图2所示，该超导材料超导材料低温微波表面电阻测试装置包括圆柱形高纯铌腔体，以及填充于高纯铌腔体中的蓝宝石，金属腔体3底面设有样品孔，样品孔的中心轴位于金属腔体3底面的中心。
如图3所示，本发明提供的超导材料超导材料低温微波表面电阻测试装置安装于低温平台上再进行超导测试。需要说明的是，本领域技术人员熟知，针对超导材料微波表面电阻的测试，必须在低温环境中进行。低温平台只是提供一个测试腔工作的低温环境，因此对其并无特殊的限制，可以采用现有技术中本领域常规使用的低温平台或装置，也可以采用自主研发的其他低温平台。在本实施例中，优选漏热尽量小、热沉与全填充介质圆柱谐振腔接触尽量多的低温平台。
进一步的，针对超导材料微波表面电阻的测试，工作温度在4.2K附近。而高纯铌在9.2K左右进入超导态，损耗极小，因而腔体材料选用铌可以增加测试灵敏度。另外，介质材料4也可以采用其他损耗角正切很低的材料，目前实验来看，蓝宝石在低温下的损耗角正切最低，因此采用蓝宝石作为介质材料可以使本发明达到最佳效果。
工作频率与测试腔几何形状有关，同一个工作频率有不同直径高度比，可以根据实际的设计需求合理调整。本实施例中，高纯铌腔体的内腔直径为32.4㎜，内腔高为34.1㎜。
值得说明的是，本发明是针对小尺寸超导样品微波表面电阻的测试，目前所有超导材料都需要在低温环境中才能有超导性能，本发明主要针对在液氦温区(4.2K)才能实现超导的样品测试。当然，在本发明的指导思想下，也可以作拓展，如常温下测良导体的表面电阻，其他温度下测超导的表面电阻，上述拓展也属于本发明的保护范围。
利用上述测试装置测试微波表面电阻的多模测试方法，具体包括以下步骤：
S1、将与高纯铌腔体同种的纯铌样片放置于样品孔中，分别测量出TE011工作模式和TE021工作模式下的无载品质因数；
S2、将待测样品5放置于样品孔中，分别测量出TE011工作模式和TE021工作模式下的无载品质因数；
S3、根据以上测试得到的四个无载品质因数及以下公式计算待测样品5在TE011工作模式和TE021工作模式下的微波表面电阻值：
Figure BDA0001879601400000031
其中：i＝1时对应TE011模式下的物理量，i＝2时对应TE021模式下的物理量；
Ai、Bi、Ci是电磁场积分的比值；
tanδi为介质材料的损耗角正切；
RSnbi为导体铌的微波表面电阻；
RSsamplei为样品的微波表面电阻。
为更好的理解本发明，以下将对利用该装置进行测试的原理进行详细的说明：
测试谐振腔工作模式为TE011和TE021。
根据谐振腔原理，由高纯铌Nb及蓝宝石介质材料构成谐振腔的无载品质因数，可由公式(1)表示：
Figure BDA0001879601400000041
其中，Q0为整体谐振腔的无载品质因数，tanδ为介质材料的损耗角正切，RSnb为导体Nb的微波表面电阻，RSsample为样品的微波表面电阻，tanδ∝f，Rs∝f2，A、B、C是电磁场积分的比值。当测试装置固定，更换待测样品不改变谐振腔场分布，A、B、C的值与待测样品本身没有关系，也不会因待测样品的变化而改变，A、B、C都是与电磁场幅度无关的常数。
现有仪器可以直接读出有载品质因数QL，和插入损耗|S21|(即At)，再通过公式
Figure BDA0001879601400000042
将无载品质因数Q0计算出来；也可以通过直接读出QL，两个端口的反射系数S11和S22，通过这三个参数来算Q0。上述计算方式均为本领域常规计算方法。
对于TE011工作模式和TE021工作模式：
Figure BDA0001879601400000043
其中，下标i＝1时对应TE011模式下的物理量，i＝2时对应TE021模式下的物理量。对于图2所示的测试谐振腔而言，Ai、Bi、Ci的值可由TE011和TE021工作模式电磁场的解析表达式积分得到，也可利用数值求解的办法得到，此为本领域技术人员常规掌握，不再赘述。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种超导材料低温微波表面电阻多模测试装置的多模测试方法，其特征在于：该测试装置包括应用于常温到4.2K且作为谐振腔的圆柱形金属腔体(3)，以及填充于所述金属腔体(3)中的介质材料(4)，所述金属腔体(3)底面设有样品孔，所述样品孔的中心轴位于金属腔体(3)底面的中心；所述金属腔体(3)采用为高纯铌腔体，以增加测试灵敏度，所述介质材料(4)为蓝宝石；
所述多模测试方法包括以下步骤：
S1、将与金属腔体(3)同种的金属导体放置于样品孔中，分别测量出TE011工作模式和TE021工作模式下的无载品质因数；
S2、将待测样品(5)放置于样品孔中，分别测量出TE011工作模式和TE021工作模式下的无载品质因数；
S3、根据以上测试得到的四个无载品质因数及以下公式计算待测样品(5)在TE011工作模式和TE021工作模式下的微波表面电阻值：
Figure FDA0002888799330000011
其中：i＝1时对应TE011模式下的物理量，i＝2时对应TE021模式下的物理量；
Ai、Bi、Ci是电磁场积分的比值；
tanδi为介质材料的损耗角正切；
RSnbi为金属导体的微波表面电阻；
RSsamplei为样品的微波表面电阻。
2.根据权利要求1所述的超导材料低温微波表面电阻多模测试装置的多模测试方法，其特征在于：所述金属腔体(3)的内腔直径为32.4㎜，内腔高为34.1㎜。
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