DE68917248T2

DE68917248T2 - Gerät zur Beobachtung supraleitender Eigenschaften in einem Supraleiter.

Info

Publication number: DE68917248T2
Application number: DE68917248T
Authority: DE
Inventors: Shoei Kataoka; Ryusuke Kita; Masaya Nagata; Eizo Ohno; Hidetaka Shintaku; Shuhei Tsuchimoto
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1988-10-04
Filing date: 1989-10-04
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2009-10-05
Also published as: DE68926628T2; EP0363181A3; DE68926628D1; DE68917248D1; EP0363181A2; EP0547045A2; US5065087A; EP0363181B1; EP0547045A3; EP0547045B1; US5126655A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Apparat zur Beobachtung eines Supraleitungs-Vorganges in einem Supraleiter.
Um einen in einem Supraleiter auftretenden supraleitenden Vorgang, wie beispielsweise das Sinken des elektrischen Widerstandes eines Supraleiters auf null bei einer Temperatur Tc oder darunter, zu beobachten, wird üblicherweise eine Cryopumpe oder ein Cryostat verwendet, um den Supraleiter zu kühlen, sowie eine Stromquelle, um dem Supraleiter einen konstanten Gleichstrom zuzuführen, und ein Voltmeter zur Messung der darin auftretenden, äusserst kleinen Spannungen.
Um den elektrischen Widerstand des Supraleiters beim Anlegen eines Magnetfeldes an denselben zu messen, wurde bisher eine Stromquelle zum Anlegen eines Gleichstromes an eine Spule, um ein Magnetfeld an den Supraleiter anzulegen, sowie einen Stromregler zum Aendern des an die Spule angelegten Stromes, um die Stärke des Magnetfeldes zu ändern, zusätzlich zu den oben erwähnten Geräten verwendet. Um die Stromquelle, den Voltmeter, und den Stromregler zu steuern, und um verschiedene elektrische Signale zu verarbeiten, sind diese Einheiten über eine GPIB Schnittstelle verbunden. Eine zum Erzeugen des supraleitenden Zustandes in einer Probe geeignete Einrichtung, welche einen Mikrocomputer zum Sammeln der Daten verwendet, ist in folgendem Forschungsbericht beschrieben : " A fully automated SQUID magnetometer for low-field measurements on magnetic very thin films" by P. Beauvillain et al, im Journal of Physics and Scientific Instruments, Vol.18, No.10, Oktober 1985, Bristol, GB, Seiten 839 - 845.
Beim üblichen Verfahren zur Beobachtung der Supraleitfähigkeit bei welcher der Widerstand eines Supraleiters bei der Sprungtemperatur Tc auf null sinkt, und bei einem üblichen Verfahren zur Messung des elektrischen Widerstandes des Supraleiters beim Anlegen eines Magnetfeldes, ist es jedoch notwendig, ein grosses Kühlaggregat, eine Stromquelle, einen Voltmeter, und einen Stromregler einzusetzen. Um diese Geräte zu steuern und verschiedene Arten von elektrischen Signalen zu verarbeiten, ist es des weiteren nötig, die Geräte über die GPIB Schnittstelle zu verbinden. Daher wird bei der üblichen Methode zur Beobachtung eines Supraleitungs-Vorganges unter Verwendung zahlreicher Geräte die ganze Anlage teuer, und es ist beispielsweise schwierig, sie für die Darstellung eines supraleitenden Vorganges im Unterricht zu gebrauchen.
Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines preiswerten und einfach aufgebauten Apparates zur Beobachtung eines supraleitenden Vorganges in einem Supraleiter.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Apparates zur einfachen Beobachtung eines supraleitenden Vorganges in einem Supraleiter.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer einfach aufgebauten Apparatur, welche die supraleitenden Eigenschaften eines Supraleiters genau messen kann.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen Apparat zur Beobachtung eines Supraleitungs-Vorganges vor, der folgende Teile umfasst :
einen Supraleiter mit einer Sprungtemperatur bei welcher der Supraleiter von seiner gewöhnlich leitenden Phase in die supraleitende Phase übergeht, wodurch sein elektrischer Widerstand auf null sinkt;
eine Stromquelle, um auf ein Signal hin dem Supraleiter entweder einen vorbestimmten Gleichstrom oder einen Wechselstrom zuzuführen;
einen Spannungsverstärker, um eine in dem Supraleiter erzeugte Spannung mit einem veränderbaren Spannungsverstärkungs-Faktor zu verstärken;
Mittel, um in Abhängigkeit eines analogen Signals ein vorbestimmtes Magnetfeld an den Supraleiter anzulegen;
Mittel, um den Supraleiter auf seine Sprungtemperatur oder darunter abzukühlen;
einen in der Nähe des Supraleiters angebrachten Temperaturfühler zur Messung seiner Temperatur;
einen ersten digital-analog Wandler, um ein digitales Signal, welches einem dem Supraleiter zuzuführenden konstanten Gleichstroin entspricht, in ein analoges Signal zu verwandeln, und um letzteres der Stromquelle zuzuführen;
einen zweiten digital-analog Wandler, um ein digitales Signal, welches einem an den Supraleiter anzulegenden Magnetfeld entspricht, in ein analoges Signal zu verwandeln, und um letzteres den Mitteln zum Anlegen des Magnetfeldes an den Supraleiter zuzuführen;
einen Oszillator zum Erzeugen eines Wechselstromsignales, und um dieses Signal der Stromquelle zuzuführen, derart, dass dem Supraleiter ein Wechselstrom zugeführt wird;
einen ersten Schalter, um zwischen einem ersten Zustand, in welchem das vom ersten digital zu analog Wandler ausgegebene analoge Signal der Stromquelle eingegeben wird, und einem zweiten Zustand, in welchem dieser das vom Oszillator ausgegebene Wechselstromsignal eingegeben wird, hin und her zu schalten;
einen Kondensator, um eine in der durch den Supraleiter erzeugten Spannung enthaltene Gleichstromkomponente abzuweisen, und um nur die Wechselstromkomponente dieser Spannung abzugeben;
einen Wechselstrom zu Gleichstrom Spannungs- Wandler, um die durch den Kondensator abgegebene Komponente der Spannung in eine Gleichspannung umzuwandeln;
einen zweiten Schalter, um zwischen einem dritten Zustand, in welchem die vom Wechsel-zu-Gleichstrom Spannungs-Wandler ausgegebene Gleichspannung vom zweiten Schalter ausgegeben wird, und einem vierten Zustand, in welchem das vom Spannungsverstärker stammende Spannungssignal vom zweiten Schalter ausgegeben wird, hin und her zu schalten;
einen analog-digital Wandler, um ein vom zweiten Schalter ausgegebenes, analoges Spannungssignal in ein digitales Signal umzuwandeln;
einen Mikroprozessor zum Steuern der Spannungsverstärkung des Spannungsverstärkers und des an den Supraleiter anzulegenden Magnetfeldes, um vom Temperaturfühler sowie vom analog-digital Wandler stammende Signale zu verarbeiten, und um eine anzuzeigende Charakteristik des Supraleiters zu bestimmen, und
ein Anzeigeorgan, um die Charakteristik des Supraleiters anzuzeigen.
Im folgenden ist die Erfindung anhand der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigt :
Figur 1 ein Blockdiagramm einer Apparatur zur Beobachtung eines Supraleitungs-Vorganges in einem Supraleiter in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figuren 2a bis 2c schematische Ansichten eines Prozesses zur Herstellung einer Probe eines Supraleiters;
Figur 2d eine schematische Aufsicht der in Figur 2c gezeigten Probe und eines Thermometers mit einem Platinfilm, welche auf eine integrierte Schaltung des Typus DIP geleimt sind;
Figur 2e ein schematischer Schnitt längs der Linie A-A' der Figur 2d;
Figur 2f einen schematischen Schnitt einer unter einer Glasplatte abgeschlossenen Probe;
Figur 3 eine graphische Darstellung der Temperatur-Charakteristik eines in der geschlossenen Probe befindlichen Widerstandes, welche mit der in Figur 1 gezeigten Apparatur gemessen wurde;
Figur 4 eine Graphik der Strom-Charakteristik einer in der Probe erzeugten Spannung, welche unter Verwendung der in Figur 1 gezeigten Apparatur gemessen wurde;
Figur 5 eine Graphik der magnetischen Flussdichte eines in der Probe eingeschlossenen Widerstandes, welche mittels der in der Figur 1 gezeigten Apparatur erhalten wurde;
Figur 6 einen schematischen Querschnitt sowie ein Blockdiagramm einer Apparatur zur Beobachtung eines Supraleitungs-Vorganges in einem Supraleiter, welche für das Verständnis der Erfindung nützlich sind;
Figur 7 eine Graphik der Zeit-Charakteristiken einer im Supraleiter erzeugten Spannung, wenn dieser sich in einem in flüssigem Stickstoff getauchten Reagenzglas befindet, sowie wenn der Supraleiter allein darin eingetaucht ist;
Figur 8 eine Graphik der Temperatur- Charakteristiken eines elektrischen Widerstandes in der supraleitenden Einrichtung, sowohl im Fall wenn der Supraleiter in einem in flüssigem Stickstoff getauchten Reagenzglas liegt, wie auch wenn nur der Supraleiter darin eingetaucht ist.
Figur 1 zeigt eine Apparatur zur Beobachtung eines Supraleitungs-Vorganges in einer Probe aus gesintertem Oxyd, entsprechend einer bevorzugten Ausführung der Erfindung; Figuren 2a bis 2f zeigen ein Verfahren zur Herstellung einer Probe einer supraleitenden Einheit, welche den gesinterten Oxydkörper des Supraleiters umfasst.
Die supraleitende Einheit wird auf folgende Weise hergestellt.
Die Stoffe Y&sub2;O&sub3;, BaCO&sub3; und CuO werden in Pulverform so gewogen, dass das Verhältnis von Y zu Ba zu Cu die Werte 1 : 2 : 3 einnimmt. Nach Mahlen und Mischen dieser Pulver in einer Achatschale werden Proben der Mischung während 5 Stunden bei 900ºC gebacken. Dann werden die Proben gemahlen und zu einem Pulver verarbeitet, dessen Mikroteile einen Durchmesser haben, der gleich oder kleiner 1 um ist. Danach wird das Pulver mit einer Kraft von 1 bis 3,5 t/cm² gepresst, um rechteckförmige Plättchen 1 mit einer Fläche von einem cm² und einer zwischen 0,5 mm und 1,0 mm liegenden Dicke herzustellen, wie in Figur 2a gezeigt ist.
Danach werden diese Plättchen während drei Stunden bei 930ºC gesintert, wonach die Temperatur allmählich auf 500ºC gesenkt wird, und zwar mit einer Geschwindigkeit von etwa 100ºC/Std. Nachdem das Plättchen 1 während einer weiteren Stunde auf 500ºC geheizt wurde, wird seine Temperatur allmählich auf 100ºC gesenkt, und zwar mit einer Geschwindigkeit von 100ºC/Std., um ein gesintertes, supraleitendes Plättchen 1 zu erhalten.
Wie in Figur 2b gezeigt, werden danach ein Paar von Stromelektroden 2a und 2b aus Ti sowie ein Paar von Spannungselektroden 3a und 3b aus Ti mit einer Dicke von je etwa 1 um an beiden Enden des gesinterten Plättchens 1 und auf seiner Innenseite gebildet, und zwar durch eine Elektronenstrahl-Verdampfungsmethode, so dass eine Metallmaske auf dem gesinterten Plättchen 1 erzeugt wird, ausser an den Stellen wo die Elektroden 2a, 2b, 3a und 3b geformt werden sollen. Danach wird das gesinterte Plättchen 1, auf welchem die Elektroden 2a, 2b, 3a und 3b gebildet wurden, in stabförmige Proben 4 geschnitten, deren Breite W etwa 0,7 mm beträgt, wie in Figur 2c gezeigt.
Diese stabförmigen Proben 4 sowie ein Thermometer 5 mit einem Platinfilm werden mit einer Ag Paste 7 auf die mittlere Plattform 6a eines IC Gehäuses 6 geklebt, so dass sie wie in den Figuren 2d und 2e gezeigt nahe beieinander fixiert sind. Es sei hier bemerkt, dass in dieser bevorzugten Ausführungsform die Ag Paste 7 verwendet wird, weil sie eine verhältnismässig hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine ausgezeichnete Haftfähigkeit besitzt, sogar wenn sie bei verhältnismässig geringer Temperatur gebacken wird, dass aber auch andere Pasten verwendet werden können, vorausgesetzt sie besitzen eine verhältnismässig hohe Wärmeleitfähigkeit und eine ausgezeichnete Haftfähigkeit.
Des weiteren werden auf dem IC Gehäuse 6 geformte innere Anschlüsse 8a bis 8d elektrisch mit dem Strom-Elektroden-Paar 2a und 2b und dem Spannungs-Elektroden- Paar 3a und 3b verbunden, und zwar mittels Cu Leitungsdrähten 9, die mit einer Ag Paste 7 darauf geklebt werden; es sind die Elektroden 5a und 5b des Platin-Thermometers elektrisch mit den inneren Anschlüssen 10a und 10b des IC Gehäuses 6 verbunden, und zwar mittels angeklebter Leitungsdrähte 11 aus Au. Es sei bemerkt, dass im IC Gehäuse 6 die inneren Anschlüsse 8a bis 8d, 10a und 10b desselben mit seinen äusseren Anschlüssen 12a bis 12f elektrisch verbunden sind, und zwar mittels (nicht gezeigter) Cu Leitungen, die auf dem IC Gehäuse 6 vorgesehen wurden.
Nachdem der Rand der Unterseite einer Glasplatte 14 mit einem Kleb-Harz 13 bestrichen wurde, wird die Glasplatte 14 auf der Oberseite 6b des IC Gehäuses 6 angebracht und dieses IC Gehäuse 6 danach während einer Stunde in einer Stickstoff-Atmosphäre so auf 110ºC geheizt, dass die Glasplatte 14 auf die Oberseite 6b des IC Gehäuses 6 gepresst wird, wie in Figur 2f gezeigt; in der Folge wird das IC Gehäuse 6 während einer Stunde bei 150ºC in einer Stickstoff-Atmosphäre geheizt, um das IC Gehäuse 6 zu versiegeln, so dass man eine verpackte supraleitende Probe 21 erhält. Schliesslich werden die äusseren Steckanschlüsse 12a bis 12h des IC Gehäuses 6 mittels (nicht gezeigter) Leitungen elektrisch mit externen Schaltungen verbunden, wie im folgenden beschrieben.
Es wird auf die Figur 1 Bezug genommen. Die auf die beschriebene Weise hergestellte, verpackte Probe 21 wird in ein Glasrohr 23 eingebracht, und dieses in flüssigen Stickstoff getaucht, der in einem Dewar Gefäss 22 enthalten ist. Es ist ein Mikroprozessor 36 vorgesehen, um die Arbeitsweise der Apparatur zur Beobachtung eines Supraleitungs-Vorganges zu steuern, und um ein digitales Signal auszugeben, welches sich auf den Gleichstrom I bezieht, der dem Paar von Strom-Elektroden 2a und 2b der verpackten Probe 21 zugeführt wird, welches Signal einem digital-analog Wandler 24 zugeführt wird, der im folgenden als D/A Wandler bezeichnet wird. Der D/A Wandler 24 verwandelt das digitale Signal in ein analoges Signal und führt dieses über einen ersten analogen Schalter 25 einer Stromquelle 27 zu. Andererseits gibt ein Sinuswellen- Oszillator 26 über den ersten Analogschalter 25 ein sinusförmiges Signal an die Stromquelle 27 ab. Es wird daher der Schalter 25 verwendet, um wahlweise entweder das vom D/A Wandler 24 ausgegebene Analogsignal, oder das vom Oszillator 26 ausgegebene sinusförmige Signal der Stromquelle 27 zuzuführen. Die stromgesteuerte Quelle 27 ist ein Strom-Spannungswandler und liefert in Abhängigkeit des eingegebenen Signals entweder einen Gleichstrom oder einen Wechselstrom I an das Paar von Strom-Elektroden 2a und 2b der verpackten Probe 21 ab.
Die Temperatur des Supraleiters der verpackten Probe 21 wird durch das Platinfilm-Thermometer 5 gemessen, und ein von diesem Thermometer 5 ausgegebenes Temperatursignal wird dem Mikroprozessor 36 zugeführt. Des weiteren wird eine von dem Spannungs-Elektrodenpaar 3a und 3b der verpackten Probe 21 ausgegebene Spannung V an einen Spannungsverstärker 28 mit veränderlicher Verstärkung abgegeben. Der Spannungsverstärker 28 verstärkt die Spannung V mit einer eingestellten Verstärkung und leitet, über einen zweiten Analog-Schalter 31, die verstärkte Spannung zu einem analog-digital Wandler 32 (im folgenden als A/D Wandler bezeichnet), sowie über einen Kondenser 29 mit einer Kapazität von 10 uF zum Eliminieren eines der Wechselstrom-Komponente der verstärkten Spannung überlagerten Gleichstromes, zu einem Wechselstrom- Gleichstrom Wandler 30. Der Wechselstrom zu Gleichstrom Wandler 30 verwandelt die Wechselspannung-Komponente in eine Gleichstromspannung und gibt diese über den zweiten Analog-Schalter 31 an den A/D Wandler 32 ab. Es wird also der zweite Analog-Schalter 31 verwendet, um wahlweise entweder die vom Spannungsverstärker 28 abgegebene verstärkte Spannung, oder die vom Wechselstrom zu Gleichstrom Wandler abgegebene Gleichspannung auszugeben. Des weiteren wandelt der A/D Wandler 32 die über den Schalter 31 eingegebene Spannung in ein digitales Signal um, und leitet dieses zum Mikroprozessor 36. In Abhängigkeit dieses digitalen Signales berechnet der Mikroprozessor 36 den Widerstand des Supraleiters in der verpackten Probe 21, und zwar aufgrund einer vorbestimmten Gleichung, und zeigt in Echtzeit diesen Widerstand sowie die zugehörige Temperatur auf einem Leuchtschirm 37 (im folgenden als EL-Anzeige bezeichnet) an, wie in Figur 3 gezeigt.
Des weiteren liefert der Mikroprozessor 36 an einen D/A Wandler 33 ein digitales Signal, das der an die verpackte Probe 21 anzulegenden magnetischen Flussdichte eines Magnetfeldes entspricht. Der D/A Wandler 33 wandelt das digitale Signal in ein analoges Gleichstrom- Signal und übergibt dieses an einen Magnetfeld-Erzeuger 34. Der Magnetfeld-Erzeuger 34 wandelt die Gleichstrom- Spannung in einen Gleichstrom und liefert diesen an eine um das Dewar Gefäss 22 gewickelte Wicklung 35, so dass ein Magnetfeld an die verpackte Probe 21 angelegt wird. Dann berechnet der Mikroprozessor 36 in Abhängigkeit des durch den A/D Wandler 32 eingegebenen digitalen Signals die in der verpackten Probe 21 erzeugte Spannung V aufgrund einer vorgegebenen Gleichung, und zeigt in Echtzeit auf der EL-Anzeige 37 die berechnete Spannung V sowie den Strom I, welcher der verpackten Probe 21 zugeführt wird, an. (Fig.4)
In Abhängigkeit des vom A/D Wandlers 32 an den Mikroprozessor 36 abgegebenen digitalen Signals berechnet dieser den Widerstand der verpackten Probe 21 aufgrund einer vorbestimmten Gleichung, und zeigt in Echtzeit auf der EL-Anzeige 37 den berechneten Widerstand der Probe sowie die magnetische Flussdichte des daran angelegten Magnetfeldes, wie in Figur 5 gezeigt.
Es soll nun die Funktionsweise eines in beschriebener Weise gebauten Apparates zum Anzeigen der Charakteristiken der verpackten Probe 21 auf der EL- Anzeige 37 beschrieben werden.
(1) Eine Temperatur-Charakteristik eines Widerstandes in der verpackten Probe 21.
(2) Eine Strom-Charakteristik einer darin erzeugten Spannung.
(3) Eine Magnetfluss-Charakteristik eines Widerstandes derselben.
Wirkung der Apparatur bei Messung einer Temperatur-Charakteristik eines Widerstandes in der verpackten Probe 21.
Es soll nun unter Bezugnahme auf die Figur 1 die Funktionsweise der Apparatur bei der Messung einer Temperatur-Charakteristik eines Widerstandes in der verpackten Probe 21 beschrieben werden.
Zuallererst wird der analoge Schalter 25 so geschaltet, dass das vom Oszillator 26 abgegebene sinusförmige Signal in die Stromquelle 27 eingegeben wird. In Abhängigkeit des sinusförmigen Signals liefert die Stromquelle 27 einen Wechselstrom von ± 10 mA an die im Glasrohr 23 befindliche verpackte Probe 21. Danach wird das Glasrohr 23 in das Dewar Gefäss 22 versenkt. Die Temperatur der verpackten Probe 21 wird durch das Platin-Thermometer 5 gemessen, welches in der verpackten Probe 21 vorgesehen ist, und das vom Platin-Thermometer 5 abgegebene Temperatur-Signal wird dem Mikroprozessor 36 zugeführt. Die Spannungsverstärkung des Spannungsverstärkers 28 wird auf etwa 5000 eingestellt, und es wird der zweite Analog- Schalter 31 so umgeschaltet, dass das vom Wechselstrom-zu- Gleichstrom-Wandler 30 abgegebene Signal zu dem A/D Wandler 32 geführt wird. Dann ändert sich die in der verpackten Probe 21 erzeugte Spannung im Bereich von +1 mV bis -1 mV bei Raumtemperatur, und es wird obige Wechselspannung durch den Spannungsverstärker 28 verstärkt, 50 dass eine Wechselspannung von etwa ± 5V an den Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Wandler 30 abgegeben wird, und zwar über den Kondenser 29 zum Blockieren der auf der Wechsel-Strom-Komponente überlagerten Gleichstrom-Komponente; die Gleichspannungs-Komponente entspricht der thermoelektrischen Kraft die entsteht, wenn der Supraleiter ungleichmässig gekühlt wird. Der Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Wandler 30 wandelt die Wechselspannung in eine Gleichspannung und gibt diese über den zweiten analogen Schalter 31 an den A/D Wandler 32 ab. Dann wandelt der A/D Wandler 32 die Gleichspannung in ein digitales Signal um und gibt dieses an den Mikroprozessor 36 ab. Der Mikroprozessor 36 berechnet aufgrund des digitalen Signals die Aenderung des Widerstandes der verpackten Probe 21 aufgrund einer vorbestimmten Gleichung, und zeigt die entsprechende Widerstandsänderung zusammen mit der durch das Thermometer 5 gemessenen Temperaturänderung an, und zwar in Echtzeit auf der EL-Anzeige 37, als Temperatur-Charakteristik des Widerstandes, wie in Figur 3 gezeigt.
Laut den in Figur 3 gezeigten Ergebnissen wird beobachtet, dass der Widerstand der verpackten Probe 21 progressiv abnimmt wenn ihre Temperatur herabgesetzt wird, und dass die Temperaturschwelle bei der der Supraleiter vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand übergeht bei 82º Kelvin liegt.
(2) Funktionsweise der Apparatur beim Messen der Strom-Charakteristik einer in der verpackten Probe 21 erzeugten Spannung.
Die Funktionsweise des Apparates beim Messen der Strom-Charakteristik einer in der verpackten Probe 21 erzeugten Spannung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Figur 1 beschrieben.
Die verpackte Probe 21 wird in ähnlicher Weise wie bei der Beobachtung der Temperatur-Charakteristik ihres Widerstandes abgekühlt, und zwar bis zur Sprungtemperatur Tc oder darunter, so dass sie in den supraleitenden Zustand übergeht. Es wird der erste analoge Schalter 25 umgeschaltet, so dass das vom D/A Wandler 24 erzeugte analoge Ausgangssignal in die Stromquelle 27 eingespiesen wird. Dann gibt der Mikroprozessor 36 ein digitales Signal an den D/A Wandler 24 ab, welches dem Gleichstrom I entspricht, welcher der verpackten Probe 21 zugeführt werden soll. Der D/A Wandler 24 wandelt das digitale Signal in eine analoge Gleichspannung um und gibt diese über den ersten Analog-Schalter 25 an die Stromquelle 27 ab. Daraufhin liefert die Stromquelle 27 einen konstanten Gleichstrom I an die verpackte Probe 21. Des weiteren ist die Verstärkung des Spannungs-Verstärkers 28 auf etwa 2500 eingestellt, und es ist der zweite Analog-Schalter 31 so umgeschaltet, dass das vom Spannungs-Verstärker 28 ausgegebene Gleichstromsignal zum A/D Wandler 32 geführt wird. Dann wird die in der verpackten Probe 21 erzeugte Spannung V durch den Spannungs-Verstärker 28 verstärkt, und die verstärkte Spannung wird über den zweiten Analog-Schalter 31 an den A/D Wandler 32 abgegeben. Der A/D Wandler 32 wandelt die verstärkte Gleichstrom-Spannung in ein digitales Signal um und gibt dieses an den Mikroprozessor 36 ab.
In diesem Augenblick ändert der Mikroprozessor 36 die Daten des an den D/A Wandler 24 abzugebenden digitalen Signales, so dass an die verpackte Probe 21 ein sich im Bereich von Null bis 150 mA allmählich verändernder Gleichstrom angelegt wird, und dann wird, wie weiter oben beschrieben, dem Mikroprozessor 36 ein digitales Signal eingegeben, das der Spannung V entspricht, die in der verpackten Probe 21 erzeugt wird. In Abhängigkeit dieses digitalen Signals berechnet der Mikroprozessor 36 die erzeugte Spannung V aufgrund einer vorbestimmten Gleichung, und zeigt auf der EL-Anzeige 37 in Echtzeit die Aenderungen der Spannung V in Funktion der Aenderungen des an die verpackte Probe 21 gelieferten Strom I an, und zwar als eine Strom-Charakteristik I einer in der Probe erzeugten Spannung V, wie in Figur 4 gezeigt.
Entsprechend den in Figur 4 gezeigten Ergebnissen, beobachtet man, dass wenn der an den Supraleiter gelieferte Strom I grösser als 80 mA ist, dieser von der supraleitenden Phase in die normal leitende Phase übergeht, so dass darin eine Spannung V entsteht, und dass daher der Schwellwert Ic des Stromes etwa gleich 80 mA ist. (3) Funktionsweise der Apparatur bei der Messung der magnetischen Flussdichte-Charakteristik des Widerstandes der verpackten Probe 21.
Die Wirkungsweise des Apparates bei der Messung der magnetischen Flussdichte-Charakteristik des Widerstandes der verpackten Probe 21 soll nun unten mit Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben werden.
Die verpackte Probe 21 wird in ähnlicher Weise wie bei der Beobachtung der Strom-Charakteristik ihrer Spannung bis auf die Sprungtemperatur Tc oder darunter abgekühlt, um sie in den supraleitenden Zustand zu bringen. Es wird der erste Analog-Schalter 25 so umgeschaltet, dass die vom DNA Wandler 24 abgegebene analoge Gleichspannung in die Stromquelle 27 eingespiesen wird. Des weiteren wird die Spannungs-Verstärkung des Spannungsverstärkers 28 auf etwa 1000 eingestellt, und es wird der zweite analoge Schalter 31 so umgeschaltet, dass die von dem Spannungs- Verstärker 28 abgegebene Spannung in den A/D Wandler 32 eingespiesen wird.
Der Mikroprozessor 36 gibt an den D/A Wandler 24 ein digitales Signal ab, derart, dass die Stromquelle 27 einen Gleichstrom I von 100 mA an die verpackte Probe 21 liefert, in ähnlicher Weise wie bei der Beobachtung der Strom-Charakteristik der Spannung der Probe; ausserdem wird ein der magnetischen Flussdichte des an die verpackte Probe 21 angelegten Magnetfeldes entsprechendes Signal an den D/A Wandler 33 angelegt. Dieser wandelt das digitale Signal in eine analoge Gleichspannung um, und legt diese an den Magnetfeld-Erzeuger 34 an. In Funktion dieser analogen Gleichspannung wandelt der Magnetfeld- Erzeuger 34 die Gleichspannung in einen Gleichstrom um und liefert diesen an die Spule 35, so dass ein Magnetfeld an die verpackte Probe 21 angelegt wird. Dann ändert der Mikroprozessor 36 die Daten des digitalen Signals so, dass an die verpackte Probe 21 ein Magnetfeld angelegt wird, dessen Magnetflussdichte von null Tesla (Gauss) bis 2 Millitesla (20 Gauss) variiert.
In Beantwortung des vom A/D Wandler 32 abgegebenen digitalen Signals, rechnet der Mikroprozessor 36 den Widerstand des Supraleiters aufgrund der vorbestimmten Gleichung, und zeigt die Aenderung des Widerstandes in Funktion der Aenderungen der Magnetflussdichte des an die Probe angelegten Magnetfeldes in Form einer Magnetflussdichte-Charakteristik des Widerstandes, und zwar in Echtzeit auf der EL-Anzeige 37, wie in Figur 5 gezeigt.
Entsprechend dem in Figur 5 gezeigten Ergebnis beobachtet man, dass wenn die Magnetflussdichte des Magnetfeldes ungefähr 0,5 Millitesla (5 Gauss) übersteigt, der Supraleiter von seiner supraleitenden Phase in die normalleitende Phase übergeht und einen elektrischen Widerstand aufweist.
In der vorliegenden, bevorzugten Ausführung wird ein gesinterter Körper aus Y-Ba-Cu Oxyd in der verpackten Probe 21 als supraleitendes Material verwendet; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Man kann in der verpackten Probe 21 einen Supraleiter verwenden, der supraleitend wird wenn er durch ein Kühlmittel, wie etwa ein verflüssigtes Gas, gekühlt wird, dessen Temperatur gleich oder kleiner der Sprungtemperatur Tc ist. So kann beispielsweise durch Sprüh-Pyrolyse ein dicker, supraleitender Film aus Y-Ba-Cu Bestandteilen hergestellt werden, und es kann ein Dünnschicht-Film aus Y-Ba-Cu als Supraleiter in der verpackten Probe 21 verwendet werden, der durch Sprühmethoden erzeugt wurde.
In der vorliegenden, bevorzugten Ausführung wird die EL-Anzeige 37 als äussere Anzeigeeinheit zur Anzeige der gemessenen Charakteristiken der verpackten Probe 21 verwendet; die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Es können beispielsweise andere Anzeigeeinheiten verwendet werden, wie etwa eine Flüssigkristall-Anzeige, eine Plasma-Anzeige, eine Elektronenröhre, ein LED.
Figur 6 zeigt einen Apparat zur Beobachtung eines supraleitenden Vorganges in einem Supraleiter 55, der für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist.
Dieser Apparat weist ein Reagenzglas 62 aus Pyrex-Glas auf, zur Aufnahme des auszumessenden Supraleiters 55, sowie eine ebenfalls aus Pyrex bestehendes Dewar Gefäss 61 zur Aufnahme von flüssigem Stickstoff zur Kühlung des im Reagenzglas 62 befindlichen Supraleiters 55. Das Dewar Gefäss 61 wird in einen durchsichtigen Behälter 63 aus Acrylharz eingeführt, der eine Eingangsöffnung 72 für den Eintritt von getrocknetem, inaktivem Stickstoff- Gas 73 aufweist, sowie eine Ausflussöffnung 74 für das Herausfliessen des getrockneten, inaktiven Stickstoffes 73; die Eingangsöffnung 72 liegt im oberen Teil der Seitenfläche des Behälters 63, und die Ausflussöffnung 73 liegt im unteren Teil dieser Seitenfläche.
Der Supraleiter 55 und ein Temperaturfühler 82 sind auf einem aus Kunstharz bestehenden Behälter 71 montiert, so dass sie nahe beieinanderliegen, und danach wird der Behälter 71 durch eine Glasplatte 65 abgeschlossen. Eine Packung 300 umfasst den Behälter 71 und die Glasplatte 65.
Auf der oberen Oeffnung 62a des Reagenzglases 62 ist ein Silicongummi-Stopfen 69 montiert, mit kleinen (nicht gezeigten) Oeffnungen für den Durchgang eines Paares von Leitern 66 und eines Paares von Leitern 67, die an den Supraleiter 55 angeschlossen sind, sowie mit einem Paar von Leitern 68, die an den Temperaturfühler 82 angeschlossen sind; der Stopft weist ausserdem eine (nicht gezeigte) Oeffnung für den Durchgang einer Glasplatte 70 auf, auf welcher die Packung 300 unter Verwendung von doppelseitigem Klebband befestigt wird. Das Dewar Gefäss 61 ist mit flüssigem Stickstoff 53 gefüllt und auf einem Isolationsstück 64 aus geschäumtem Polystyren montiert, das auf dem Boden des Behälters 63 ruht, derart, dass das Dewar Gefäss 61 durch den thermischen Isolator 64 gegenüber dem Behälter 63 thermisch isoliert ist.
Ein Mikroprozessor 80 steuert den Betrieb des in Figur 6 gezeigten Apparates und gibt ein digitales Signal an den D/A Wandler 79 ab, welches dem konstanten Strom I entspricht, der dem Supraleiter 55 zugeführt werden soll. Der D/A Wandler 79 wandelt das digitale Signal in ein analoges Signal um und gibt dieses an die Stromquelle 77 ab. In Abhängigkeit des analogen Signals liefert die Stromquelle 77 über ein Leiterpaar 66 einen konstanten Gleichstrom I an den Supraleiter 55.
Die im Supraleiter 55 erzeugte Spannung wird über ein Leiterpaar 67 einem Spannungs-Verstärker 76 zugeführt und durch diesen verstärkt, wonach die verstärkte Spannung einem A/D Wandler 78 zugeführt wird. Der A/D Wandler 78 wandelt das analoge Spannungssignal in ein digitales Signal und gibt letzteres an den Mikroprozessor 80 ab. Des weiteren wird ein vom Temperaturfühler 82 abgegebenes Signal über ein Leiterpaar 68 einer Signalverarbeitungs-Schaltung 75 zugeführt, und diese Signalverarbeitungs-Schaltung 75 verarbeitet das Eingangssignal in einer vorbestimmten Art und Weise, und gibt Temperatur- Daten an den Mikroprozessor 80 ab.
In Abhängigkeit des vom A/D Wandler 78 abgegebenen digitalen Signals berechnet der Mikroprozessor 80 den elektrischen Widerstand des Supraleiters 55 nach Massgabe einer vorbestimmten Gleichung und zeigt den berechneten elektrischen Widerstand sowie die zugehörige Temperatur als Temperatur-Charakteristik des elektrischen Widerstands auf der Anzeige 81 an.
Die durch Messungen unter Verwendung der in Figur 6 gezeigten Apparatur erhaltenen Ergebnisse sind wie folgt.
Die ausgezogene Kurve 210 der Figur 7 zeigt die Zeit-Charakteristik einer Spannung, die im Supraleiter 55 erzeugt wird, wenn das den Supraleiter 55 enthaltende Reagenzglas 62 während ungefähr 15 Sekunden in flüssigen Stickstoff 53 getaucht wird, wobei ihm ein konstanter Strom von 3 mA zugeführt wird, während die ausgezogene Kurve 220 der Figur 8 die Temperatur-Charakteristik des elektrischen Widerstandes des Supraleiters zeigt, wie sie in diesem Fall auf der Anzeige 81 angezeigt wird.
Die gestrichelte Kurve 211 der Figur 7 zeigt die Zeit-Charakteristik einer im Supraleiter 55 erzeugten Spannung, die auftritt, wenn der Supraleiter 55 in der Packung 300 in ähnlicher Weise während ungefähr 15 Sekunden in den flüssigen Stickstoff 53 getaucht wird, nachdem das in Figur 6 gezeigte Reagenzglas 62 entfernt wurde; die gestrichelte Kurve 221 der Figur 8 zeigt die in diesem Fall auf der Anzeige 81 angezeigte Temperatur-Charakteristik des elektrischen Widerstandes.
Die in den Figuren 7 und 8 dargestellten Resultate zeigen, dass die Temperatur der in Figur 6 gezeigten Packung 300 sich steil verändert, wenn das Reagenzglas 62 entfernt wird, und dass daher der Unterschied zwischen den jeweiligen Temperaturen des Supraleiters 55 und des Temperaturfühlers 82 verhältnismässig gross ist. Man sieht, dass das supraleitende Material 55 nicht in das thermische Gleichgewicht kommt.
Aus obigem Experiment geht hervor, dass wenn die Packung 300, die den Supraleiter 55 enthält, nicht im Reagenzglas 62 eingeschlossen sondern direkt in den flüssigen Stickstoff 53 eingetaucht ist, die Temperatur des Supraleiters 55 steil abnimmt. Wenn andererseits die Packung 300 im Reagenzglas 62 eingeschlossen ist, und dieses den Supraleiter 55 enthaltende Reagenzglas 62 in flüssigen Stickstoff 53 getaucht wird, nimmt die Temperatur des Supraleiters 55 allmählich ab, so dass die Temperatur-Charakteristik des elektrischen Widerstandes des Supraleiters 55 genau gemessen werden kann.
Da weiterhin getrockneter, gasförmiger Stickstoff 23 in den Behälter 63 eingeleitet wird, wird die Bildung von Eis auf den Behältern 61 und 63 vermieden, so dass der Supraleiter 55 bei der Messung seiner Charakteristiken klar beobachtet werden kann.
Da es weiterhin möglich ist, eine Ansammlung von Feuchtigkeit auf den Behältern 61 und 63, also wie die Bildung eines Niederschlages auf diesen Behältern zu vermeiden, kann der Supraleiter 55 während langer Zeit genau beobachtet werden.
Es sei bemerkt, dass der Fachmann weitere Variationen ausdenken und ausführen kann, ohne den Bereich dieser Erfindung zu verlassen. Daher soll der Bereich der angefügten Ansprüche nicht auf diese Beschreibung beschränkt sein, sondern es sollen die Ansprüche alle patentierbaren Neuheiten umfassen, die die vorliegende Erfindung aufweist, inklusive all jener Charakteristiken, die ein Fachmann als äquivalent zu den hier dargestellten ansieht.

Claims

1. Apparat zur Beobachtung eines Supraleitungs- Vorganges, der folgende Teile umfasst :

einen Supraleiter (4) mit einer Sprungtemperatur bei welcher der Supraleiter von seiner gewöhnlich leitenden Phase in die supraleitende Phase übergeht, wodurch sein elektrischer Widerstand auf null sinkt;

eine Stromquelle (27), um auf ein Signal hin dem Supraleiter entweder einen vorbestimmten Gleichstrom oder einen Wechselstrom zuzuführen;

einen Spannungsverstärker (28), um eine in dem Supraleiter erzeugte Spannung mit einem veränderbaren Spannungsverstärkungs-Faktor zu verstärken;

Mittel (34, 35), um in Abhängigkeit eines analogen Signals ein vorbestimmtes Magnetfeld an den Supraleiter anzulegen;

Mittel (22), um den Supraleiter auf seine Sprungtemperatur oder darunter abzukühlen;

einen in der Nähe des Supraleiters angebrachten Temperaturfühler (5) zur Messung seiner Temperatur;

einen ersten digital-analog Wandler (24), um ein digitales Signal, welches einem dem Supraleiter zuzuführenden konstanten Gleichstrom entspricht, in ein analoges Signal zu verwandeln, und um letzteres der Stromquelle (27) zuzuführen;

einen zweiten digital-analog Wandler (33), um ein digitales Signal, welches einem an den Supraleiter anzulegenden Magnetfeld entspricht, in ein analoges Signal zu verwandeln, und um letzteres den Mitteln (34, 35) zum Anlegen des Magnetfeldes an den Supraleiter zuzuführen;

einen Oszillator (26) zum Erzeugen eines Wechselstromsignales, und um dieses Signal der Stromquelle (27) zuzuführen, derart, dass dem Supraleiter ein Wechselstrom zugeführt wird;

einen ersten Schalter (25), um zwischen einem ersten Zustand, in welchem das vom ersten digital zu analog Wandler (24) ausgegebene analoge Signal der Stromquelle (27) eingegeben wird, und einem zweiten Zustand, in welchem dieser das vom Oszillator (26) ausgegebene Wechselstromsignal eingegeben wird, hin und her zu schalten;

einen Kondensator (29), um eine in der durch den Supraleiter erzeugten Spannung enthaltene Gleichstromkomponente abzuweisen, und um nur die Wechselstromkomponente dieser Spannung abzugeben;

einen Wechselstrom zu Gleichstrom Spannungs- Wandler (30), um die durch den Kondensator abgegebene Komponente der Spannung in eine Gleichspannung umzuwandeln;

einen zweiten Schalter (31), um zwischen einem dritten Zustand, in welchem die vom Wechsel-zu-Gleichstrom Spannungs-Wandler (30) ausgegebene Gleichspannung vom zweiten Schalter ausgegeben wird, und einem vierten Zustand, in welchem das vom Spannungsverstärker (28) stammende Spannungssignal vom zweiten Schalter ausgegeben wird, hin und her zu schalten;

einen analog-digital Wandler (32) um ein vom zweiten Schalter (31) ausgegebenes, analoges Spannungssignal in ein digitales Signal umzuwandeln;

einen Mikroprozessor (36) zum Steuern der Spannungsverstärkung des Spannungsverstärkers (28) und des an den Supraleiter anzulegenden Magnetfeldes, um vom Temperaturfühler (5) sowie vom analog-digital Wandler (32) stammende Signale zu verarbeiten, und um eine anzuzeigende Charakteristik des Supraleiters zu bestimmen, und

ein Anzeigeorgan (37), um die Charakteristik des Supraleiters anzuzeigen.

2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (36) eine temperaturabhängige Aenderung des elektrischen Widerstandes des Supraleiters berechnet und eine anzuzeigende Temperatur- Widerstand Kennlinie des Supraleiters erzeugt.

3. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (36) eine Aenderung der am Supraleiter erzeugten Spannung in Abhängigkeit des ihm zugeführten Strom berechnet und eine anzuzeigende Strom- Spannungs-Kennlinie des Supraleiters erzeugt.

4. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (36) eine Aenderung des elektrischen Widerstandes des Supraleiters in Abhängigkeit des an diesen angelegten Magnetfeldes berechnet und eine anzuzeigende Magnetfeld-Widerstands-Kennlinie des Supraleiters erzeugt.

5. Apparat nach Anspruch 1, mit einer Montiervorrichtung (21) in welcher der Supraleiter (4) und der Temperaturfühler (5) auf einem gemeinsamen Befestigungsorgan (6) angebracht sind, mit einem Deckel (14), der zusammen mit dem Befestigungsorgan einen abgedichteten Raum umschliesst in welchem der Supraleiter und der Temperaturfühler untergebracht sind, wobei der Supraleiter (4) einen Satz von Elektroden (2a, 2b; 3a, 3b) für die Zuführung des von der Stromquelle (27) stammenden Stromes sowie für die Ausgabe der im Supraleiter erzeugten Spannung aufweist, und wobei das Befestigungsorgan Leiter (9, 11) aufweist, die zwischen den Elektroden und dem Temperaturfühler einerseits, und äusseren Anschlüssen (12a - 12h) des Befestigungsorganes andererseits geschaltet sind.