CN111239655B - 一种测量材料超导特性的谐振频率电路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量材料超导特性的谐振频率电路结构，包括金属线圈、第一可调电容C1、第二可调电容C2、第三可调电容C3，待测材料放置在所述金属线圈中，金属线圈与第一可调电容C1、第二可调电容C2串联，串联之后再与第三可调电容C3并联，其中第一可调电容C1和第二可调电容C2用于调节整个电路的谐振频率，第三可调电容C3用于匹配电路的谐振频率并获得高谐振品质因子，电路的两端利用射频同轴电缆连接至网络分析仪的反射端口上，通过所述网络分析仪测量整个电路的谐振频率。本发明对样品尺寸大小的要求灵活，对于极小的单晶样品，根据需要可以按照一致的晶轴方向将其拼接成大块样品；本发明的实验测量操作简便、快捷，灵敏度高。

Description

一种测量材料超导特性的谐振频率电路结构
技术领域
本发明涉及超导材料检测领域，尤其涉及到一种测量材料超导特性的谐振频率电路结构。
背景技术
传统测量超导材料的超导转变温度和临界磁场等超导性质的方法主要有：电阻率测量法，磁化率测量法和比热测量法。其中，电阻率测量法是在一定外加磁场下，测量超导样品随着温度降低，其电阻率的变化趋势。根据超导体的零电阻特点，当降温至某个温度时电阻率突然下降为零，那么该温度为超导转变温度，所加外磁场为临界磁场。系统地测量不同磁场下的超导转变温度，从而可以得出超导材料的超导相图。
磁化率测量法是测量超导材料的磁化率随温度的变化，由于发生超导转变时的超导涡旋态或迈斯纳效应，样品的磁化率会有突然下降，因此可以得到材料的超导转变温度。比热测量法是测量超导材料的比热随温度的变化，由于发生超导相变时热力学性质的变化，样品的比热会有一个跃变，从而可得材料的超导转变温度。
在高温超导体的电阻率测量过程中，电阻率法具有较大的电阻转变区域，这会使得测量到的上临界磁场和超导转变温度值依赖于选择标准，也就是说会因选择标准的不同而得到差别较大的超导参数。此外，电阻率法要求样品是连续的，而且它通常只能测出形成超导通路的具有最高转变温度的超导相，很难测量更低转变温度的相变。另外，电阻率法对样品的大小尺寸是有要求的，对于尺寸在1mm以内的样品是非常困难的。磁化率法测量确定的上临界磁场和超导转变温度也依赖于选取标准，而且通常会有一个基于噪音水平产生的灵敏度问题。比热法需要精密的量热技术，所以也受到了一定限制。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种测量材料超导特性的谐振频率电路结构，本发明在高温正常态时在施加不同外加磁场下，测得的频率几乎是相同常数，为测量超导性质提供了干净的本底信号；本发明测得的超导转变明显，拟合出的超导转变温度更加准确。
为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一种测量材料超导特性的谐振频率电路结构，其特征在于，包括金属线圈、第一可调电容C1、第二可调电容C2、第三可调电容C3，待测材料放置在所述金属线圈中，所述金属线圈与所述第一可调电容C1、所述第二可调电容C2串联，串联之后再与所述第三可调电容C3并联，其中所述第一可调电容C1和所述第二可调电容C2用于调节整个电路的谐振频率，所述第三可调电容C3用于匹配电路的谐振频率并获得高谐振品质因子，电路的两端利用射频同轴电缆连接至网络分析仪的反射端口上，通过所述网络分析仪测量整个电路的谐振频率。
优选地，所述金属线圈等效为线圈电感LC和线圈电阻RC，所述线圈电感LC和所述线圈电阻RC串联。
优选地，将含有超导样品的电路放置在外置的磁场和低温系统中，从而测量得到谐振频率在某一磁场下随温度的变化曲线。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1)在高温区，电路频率几乎是常数；当随着温度的降低线圈中的材料发生超导相变时，就可观测到电路谐振频率突然上升，从而通过转变前后数据的线性拟合交点，可以确定该磁场下的超导转变温度。之所以会观测到电路谐振频率突然上升，主要是因为发生超导相变时，材料磁化率降低，包裹样品的线圈电感LC近似地正比于磁化率，所以电感LC会降低。同时电路共振频率正比于1/(LCC)1/2，所以电感的降低会使得谐振频率突然升高，很容易测量到超导材料在不同磁场下的超导转变温度，进而研究其相关超导性质。
2)对样品尺寸大小的要求灵活，对于极小的单晶样品，根据需要可以按照一致的晶轴方向将其拼接成大块样品。
3)本发明的实验测量操作简便、快捷，灵敏度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明具体实施例的谐振频率电路示意图；
图2为本发明具体实施例的谐振频率在某一磁场下随温度的变化曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，根据本发明的一个具体实施例，本发明提供一种测量材料超导特性的谐振频率电路结构，包括金属线圈、第一可调电容C1、第二可调电容C2、第三可调电容C3，待测材料放置在所述金属线圈中，其中，金属线圈可以由银线或铜线绕制而成，金属线圈与第一可调电容C1、第二可调电容C2串联，串联之后再与第三可调电容C3并联，其中第一可调电容C1和第二可调电容C2用于调节整个电路的谐振频率，第三可调电容C3用于匹配电路的谐振频率并获得高谐振品质因子，电路的两端利用射频同轴电缆连接至网络分析仪的反射端口上，通过所述网络分析仪测量整个电路的谐振频率。
其中，本发明所使用的网络分析仪是本领域的公知技术，可采用普通商业类型，一般工作频率范围为5MHz–3000MHz(无其它特殊要求)。
金属线圈等效为线圈电感LC和线圈电阻RC，线圈电感LC和线圈电阻RC串联。也即是，线圈电感LC和线圈电阻RC以及第一可调电容C1、第二可调电容C2串联。
在本发明具体实施例中，将含有超导样品的电路放置在外置的磁场和低温系统中，从而测量得到谐振频率(f)在某一磁场下随温度(T)的变化曲线,如图2所示。
在本发明所使用的的磁场和低温系统是本领域的公知技术，例如可采用国内科研实验室普遍使用的稳定性较好的牛津磁体(含低温系统)或者Janis磁体(含低温系统)提供。磁场的大小均可由用户根据需要灵活选择，例如可选择磁场可达9特斯拉或者更高磁场(最高为32特斯拉)的磁体，或者可变磁场磁体。每种磁体系统均搭载有低温系统(温度可从室温300K低至10mK)。低温系统是磁体自带的附属于所使用的磁体的温度控制系统。
本发明的电路结构在高温区，电路频率几乎是常数；当随着温度的降低线圈中的材料发生超导相变时，就可观测到电路谐振频率突然上升，从而通过转变前后数据的线性拟合交点，可以确定该磁场下的超导转变温度。在这里，之所以会观测到电路共振频率突然上升，主要是因为发生超导相变时，材料磁化率降低，包裹样品的线圈电感LC近似地正比于磁化率，所以电感LC会降低。同时电路共振频率正比于1/(LCC)1/2，所以电感的降低会使得谐振频率突然升高，这样就可以很容易测量到超导材料在不同磁场下的超导转变温度，进而研究其相关超导性质。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种测量材料超导特性的谐振频率电路结构，其特征在于，包括金属线圈、第一可调电容C1、第二可调电容C2、第三可调电容C3，待测材料放置在所述金属线圈中，所述金属线圈与所述第一可调电容C1、所述第二可调电容C2串联，串联之后再与所述第三可调电容C3并联，其中所述第一可调电容C1和所述第二可调电容C2用于调节整个电路的谐振频率，所述第三可调电容C3用于匹配电路的谐振频率并获得高谐振品质因子，电路的两端利用射频同轴电缆连接至网络分析仪的反射端口上，通过所述网络分析仪测量整个电路的谐振频率；
将含有超导样品的电路放置在外置的磁场和低温系统中，从而测量得到谐振频率在某一磁场下随温度的变化曲线。
2.根据权利要求1所述的谐振频率电路结构，其特征在于，所述金属线圈等效为线圈电感LC和线圈电阻RC，所述线圈电感LC和所述线圈电阻RC串联。
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