KR100273994B1 - 고온 초전도성 박막 특성을 가진 장치 - Google Patents

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비에트수안구옌
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미리암 디. 메코나헤이
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Abstract

고온 초전도성 박막의 파라미터를 측정하는 유전체 공진기 장치는 유전체와 기재를 배치시키고, 사용 중에 공진기 구성 소자를 제위치에 보유시키고, 바람직하지 않은 모드를 억제시키고, 자기 쌍극자 결함을 조절하고, 전기 회로에 결합시키기 위한 개선된 수단을 포함한다.

Description

고온 초전도성 박막 특성을 가진 장치
초전도체 박막의 품질은 몇 몇 파라미터 즉, 임계 온도 Tc, 표면 저항 Rs, 임계 전류 밀도 Jc, 임계 자계 Hc등에 의해 기술된다. 극초단파 및 밀리미터파의 응용분야에서, 초전도체 막의 가장 중요한 파라미터는 주어진 주파수에서의 표면 저항 Rs이며, 이 표면 저항은 온도, 전류 밀도 (또는 무선 주파수(rf) 자계)의 함수로 측정된다. 이 변수들의 정확한 측정은 초전도체 물질의 연구 및 응용에 필요할뿐만 아니라, 제조하는 초전도성 막의 품질을 제어하는데 중요하다.
표면 저항을 측정하는 한 가지 방법으로서는 "TE11모드 공동 단벽 교체(TE11mode cavity end wall replacement)"라는 것이다. (뮬러(Muller) 등의 간행물 초전도성(J. Superconductivity)의 제3 권, p.235-242 (1990)) 그것은 두 단벽 중의 하나가 초전도체 막으로 교체되고 TE11모드로 동작하는 구리 원통형 공동을 사용한다. 상기 막의 RS는 샘플을 가진 공동의 Q값을 주지의 RS값을 갖는 (니오븀 또는 구리와 같은) 교정 표준막가진 동일한 공동과 비교함으로써 결정될 수 있다. 그러나, 이 방법은 다음의 단점들을 가진다. 1) 그것은 교정을 필요로 하므로 절대적 측정은 아니며, 2) 테스트하는 샘플 막의 RS가 단지 상기 공동안에서의 손실중의 일부에만 기여한다는 사실로 인해 정확성이 제한되고, 3) 상기 RS의 측정가능 범위는 이러한 방법의 불량한 감도(poor sensitivity)에 의해 하한부에서 제한된다.
RS를 측정하는 다른 방법으로서는 알. 테이버(Taber, R.)의 Rev. Sci. Instrum.의 제61 권, p.2200-2206 (1990)에 개시된 바와 같은 "평행판 공진기)parallel plate resonator)"라는 것이다. 이것은 얇은 유전체 스페이서(thin dielectric spacer)에 의해 분리된 두 조각의 초전도성 막으로 이루어진다. 초전도체 막의 RS는 공진기의 Q값을 측정함으로써 결정될 수 있다. 그러나, 이 방법은 다음의 단점들을 가진다. 1) 스페이서가 매우 얇으므로 무선 주파수 전력을 공진기에 대해 연결 및 분리하는 것이 매우 어렵고, 2) Q값이 비교적 낮으므로 RS의 측정가능범위는 너무 약한 결합에 의해 상한부에서 제한되고, 3) 평행판 공진기는 개방형 구조이므로 무선 주파수 자계가 제한되지 않아 정확성이 떨어지고 케이스 모드 간섭을 초래하고, 4) 절대적 방법은 아니고, 교정이 필요하다.
또 다른 수단은 피에쥬스코(Fiedziusko) 등의 IEEE-MTT-S 국제 극초단파 심포지움 요약서의 제2 권, p.555-558 (1989)과 로피스(Llopis) 등의 간행물 Less-Common Metals의 제164, 165 권, p.1248-1251 (1990) 에서 개시된 "유전체 공진기"(dielectric resonator)라는 것이 있다. 이것에는 두 개의 다른 방식이 있다. 하나는 유전체 공진기를 테스트하는 샘플 초전도성 막의 상부에 위치시키는 공정을 포함한다. 공진기의 Q값을 측정함으로써 막의 RS가 결정될 수 있다. 그러나, 이 방법은 다음의 단점들을 가진다 1) 개방형 구조는 무선 주파수 자계의 제한을 어렵게 하고, 그 결과 낮은 정확성과 모드 문제(moding problems)를 초래하고, 2) 유전체 공진기를 제위치에 보유시키는 수단이 문제이다. 두 번째 방식은 초전도체-유전체-초전도체 샌드위치이다. 제2 초전도체 막의 추가로써 첫 번째 방식의 사용 시에 직면한 문제들을 해결했다. 그러나, 사용되는 유전체 물질은 불량한 손실 탄젠트 계수(loss tangent factor)를 가지므로, 이러한 방법의 감도도 제한된다.
현재, 표면 저항을 측정하는데 사용되는 장치는 그것들의 제한성 때문에 생산 도구로 사용하기엔 적합하지 않다. 고 전력에서는 막들(films)을 테스트할 수 없다. 측정은 정확하지 않고 그 재현성도 불량이다. 동작 범위도 제한되며, 조립시 시간이 많이 걸린다. 결국, 측정은 막들이 장치에 조립되는 방식에 아주 민감하다. 따라서, 초전도성 막 제조 공정을 모니터링하기 위해 품질 제어 동작에서 이용하기에 적합한 장치의 필요성이 생겼다.
본 발명은 고온 초전도성 박막의 특성화를 향상시키기에 적합한 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 성능면에서의 향상도 달성되었을 뿐 아니라, 다른 크기의 초전도성 박막을 특성화할 수 있는 공진기를 제조하기 위해 동일 개념의 설계를 사용할 수 있는 능력도 향상된다.
본 발명은 표면 저항, 임계 전류 밀도 및 임계 자계와 같은 고온 초전도성 박막(high temperature superconducting thin film) 파라미터를 측정하기 위해 사용되는 장치에 관한 것이다.
제1(a)도는 상판(top plate)이 제거된 제1 공진기(resonator #1)의 평면도,
제1(b)도는 제1 공진기의 단면도,
제1(c)도는 초전도성막(superconducting film)으로 피복된 기재의 막(film of a substrate)에 대한 단면도,
제1(d)도는 막-사파이어-막 구조체를 도시한 도면,
제1(e)도는 커넥터 조립체의 분해 단면도,
제2(a)도는 제1 공진기의 제1 드로어(drawer #1) 설계의 평면도,
제2(b)도는 제1 공진기의 제1 드로어의 정면도,
제2(c)도는 제1 공진기의 제 1사파이어 위치 설정 장치(sapphire locator #1)의 단면도,
제2(d)도는 제1 공진기의 제1 사파이어 위치 설정 장치의 평면도,
제2(e)도는 제1 공진기의 제1 사파이어 위치 설정 장치의 원호(125)의 확대도,
제2(f)도는 제1 공진기의 제2 드로어(drawer #2) 설계를 나타낸 도면,
제2(g)도는 제2 공진기의 제2 드로어의 정면도,
제2(h)도는 제1 공진기의 제2 사파이어 위치 설정 장치의 단면도,
제2(i)도는 제1 공진기의 제2 사파이어 위치 설정 장치의 설계를 나타낸 도면,
제3(a)도는 제1 공진기의 몸체의 설계를 나타낸 도면,
제3(b)도는 제1 공진기의 몸체의 단면도,
제3(c)도는 제1 공진기의 몸체의 저면도,
제3(d)도는 제1 공진기의 몸체 상에 커넥터(95)를 결합한 조립 설계도,
제3(e)도는 제1 공진기의 상판의 설계를 나타낸 도면,
제3(f)도는 제1 공진기의 상판의 단면도,
제3(g)도는 제1 공진기의 하판(bottom plate)의 설계를 나타낸 도면,
제3(h)도는 제1 공진기의 하판의 단면도,
제3(i) 및 3(j)도는 제1 공진기의 전이부(transition)의 설계를 나타낸 도면,
제3(k) 및 3(m) 도는 제1 공진기의 절연체(insulator)의 설계를 나타낸 도면,
제4(a)도는 제1 공진기의 피스톤의 설계를 나타낸 도면,
제4(b)도는 제1 공진기의 피스톤의 정면도,
제4(c)도는 제1 공진기의 피스톤 일부의 확대도,
제4(d)도는 제1 공진기의 피스톤의 단면도,
제4(e)도는 제1 공진기의 피스톤 위치 설정 장치의 설계를 나타낸 도면,
제5(a) 도는 제3 사파이어 위치 설정 장치(sapphire locating device #3)의 평면도,
제5(b)도는 제4 사파이어 위치 설정 장치의 설계를 나타낸 도면,
제5(c)도는 제4 사파이어 위치 설정 장치의 플랫폼(223)의 배면도,
제5(d)도는 제4 사파이어 위치 설정 장치의 플랫폼(223)의 측면도,
제6(a)도는 제1 홀딩 장치(holding device #1)의 단면도,
제6(b)도는 제2 홀딩 장치의 단면도,
제6(c)도는 제3 홀딩 장치의 단면도,
제7(a)도는 상판이 제거된 제2 공진기의 평면도,
제7(b)도는 제2 공진기의 단면도,
제7(c)도는 커넥터 조립 부품의 분해 단면도,
제8(a)도는 제2 공진기의 몸체의 설계를 나타낸 도면,
제8(b)도는 나사 소부품(screw subassemblies)(260)의 탭핑 구멍(tapped holes)(315)을 나타낸 도면,
제8(c)도는 제2 공진기의 몸체에 커넥터(95)를 부착하는데 사용된 구멍을 나타낸 도면,
제8(d)도는 제2 공진기의 상판의 설계를 나타낸 도면,
제8(e)도는 제2 공진기의 상판의 정면도,
제8(f)도는 제2 공진기의 하판의 설계를 나타낸 도면,
제8(g)도는 제2 공진기의 하판의 단면도,
제9(a)도는 제2 공진기의 피스톤 설계를 나타낸 도면,
제9(b)도는 제2 공진기의 피스톤 단면도,
제9(c)도는 제2 공진기의 피스톤 저면도,
제9(d)도는 제2 공진기의 피스톤 위치 설정 장치의 설계를 나타낸 도면,
제9(e) 및 9(f)도는 제2 공진기 나사 소부품의 설계를 나타낸 도면,
제10(a)도는 제1 공진기의 변형 설계의 단면도,
제10(b)도는 변형된 제1 공진기에 사용되는 사파이어 로드 홀딩 장치의 분해 단면도,
제10(c)도는 변형된 제1 공진기의 평면도,
제11도는 (TIPb)SrCaCuO의 표면저항 대 온도에 관한 그래프,
제12도는 YBaCuo의 표면저항 대 최대 자계에 관한 그래프이다.
〈발명의 요약〉
본 발명은 자기 쌍극자 결합(magnetic dipole coupling)용 수단을 가진 외부 덮개 내에 전부 둘러싸여진, 적어도 하나는 초전도성 물질인 두 개의 분리된 막 사이에서 접촉하여 위치한 사파이어의 유전체 소자를 갖는 유전체 공진기 장치에 있어서,
(a) 사파이어 유전체의 위치를 설정하기 위한 수단과;
(b) 초전도성 막들-이들 막은 유전체 소자의 직경보다 큰 직경을 각기 가짐-의 위치를 설정하고, 로딩하고 언로딩(loading and unloading)하기 위한 수단과;
(c) 사용 중에 유전체와 초전도성 막을 제위치에 보유시키기 위한 수단과;
(d) 바람직하지 않은 모드를 억제시키기 위한 수단과;
(e) 자기 쌍극자 결합을 조정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
공진기는 사파이어와 이하에서 막 또는 HTS막으로 기술하는 고온 초전도성(HTS) 물질의 코팅을 포함하는 두 개의 기재(substrate)를 포함한다. 이들 막은 코팅이 상기 사파이어에 접촉할 수 있도록 사파이어에 대해 위치가 설정된다. 공진기에서 HTS막-사파이어-HTS막의 구조는 변형 가능하므로, 극초단파는 고온 초전도성 물질과 외부 덮개 물질 둘 다에 노출되거나, 또는 단부면에서 고온 초전도성 물질에만 노출될 것이다.
또한 본 발명은 자기 쌍극자 결합용 수단과, 적어도 하나가 초전도성 물질인 두 개의 불연속 막 사이에 접촉하여 위치한 사파이어의 유전체 소자를 갖는 유전체 공진기 장치에 있어서, 다수의 별개의 영역에서 초전도성 막들을 테스트하기 위해 공진기를 이동시키는 수단을 포함하고, 이들 막은 유전체 소자의 직경보다 큰 직경을 각기 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 장점은 공진기 구성 요소의 정확한 위치 설정을 구현하는 기구, 전기 회로에 공진기를 사용하는 동안 공진기 구성 요소의 위치를 유지하는 기구, 초전도성 막을 위치 설정, 로딩 및 언로딩하는 기구, 바람직하지 않은 모드를 억제시키는 기구, 자기 쌍극자 결합을 조절하는 기구, 전기 회로에 결합시키기 위한 기구들에 의해 달성된다. 이런 장치들은 매우 정확하고 반복가능한 측정을 허용한다. 이들 장치들은 또한 조립이 용이하며, 그 결과, 조립 시간이 절약된다.
이하의 설명에서 동일한 참조 번호들은 도면에서 동일한 구성 요소를 나타낸다.
본 발명은 고온 초전도성 박막 파라미터들을 측정하기 위한 사파이어 공진기의 세 가지 변형예를 포함한다. 제1 공진기 설계는 제3(a)도에 도시한 몸체 설계를 포함하며 제2(a) 및 2(c)도에 도시한 바와 같은 두 개의 다른 드로어(drawer) 설계를 채용할 수 있다. 제2 공진기 설계는 제7(a)도에 도시된다. 제3 공진기 설계는 제10(a)도에 도시된다.
제1(b) 및 1(d)도에 도시된 바와 같은 제1 공진기에서, 사파이어 유전체, 편의상 로드(rod)(5)가 두 개의 막(17) 사이에 끼워진다. 제1(c)도는 한쪽 또는 양쪽 면이 초전도성 물질(15)로 피복되는 기재(10)로서의 막(17)을 도시한다. 기재(10)는 초전도성 물질에 부합하는 격자(lattice)를 갖는 단결정이어야 한다. 제1(a) 또는 1(b)도에 도시된 바와 같이, 공진기 몸체(25)(외부 덮개)는 하판(20)의 상부에 놓여진다. 하부 막(17)은 몸체(25)로부터 꺼낼 수 있는 드로어(40) 상에 위치되어, 로딩 및 언로딩될 수 있다. 동작 중에, 드로어(40)는 두 나사(75)에 의해 몸체(25)에 부착된다. 사파이어 로드(5)는 후술될 위치 설정 장치에 의해 공진기에서 중심에 위치된다. 사파이어 로드(5)의 상부에 피스톤(35)이 놓여져 상부막(17)을 보유한다. 피스톤 위치 설정 장치(52)는 피스톤(35)을 몸체(25)에 대해 정확한 위치로 안내하는데 사용된다.
이하에 설명되는 홀딩 장치는 상판(30)과 함께 막-사파이어-막 구조체 상에 압력을 가하여, 특성화 공정 동안 구조체를 제위치에 보유시킬 것이다. 두 개의 커넥터(95), 두 개의 전이부(60), 두 개의 케이블(55), 두 개의 절연체(65)는 공진기를 전기 회로에 결합시킬 것이다.
본 실시예에 사용되는 상기 사파이어 로드(5)는 유전율 와 극저온에서 10-6내지 10-9의 손실율(tan δ)을 가졌다. 또한 그것의 C 축은 ±1°의 범위내에서 그 단면에 수직이어야 한다.
사파이어 로드(5)의 위치 설정 방법에 따라, 두 개의 상이한 드로어(40) 설계가 있다. 제2(a)도는 제1 드로어의 설계를 도시하며, 적당한 전기 전도도 및 열전도도를 가진 임의의 비철금속으로 만들 수 있다. 본 실시예에 사용되는 물질은 무산소 구리(oxygen free copper)이다. 이 드로어는 막(17)을 보유하기 위한 리세스(recess)(100)와, 극초단파 주파수 흡수기를 보유하기 위한 리세스(105)와, 두개의 나사(75)용의 두개 틈새 구멍(102)과, 두 개의 은못(dowel pins)(115)용의 두개의 틈새 구멍(80)으로 이루어진다. 리세스(100)의 깊이는 막의 표면이 드로어의 표면보다 약간 위에, 바람직하게는 0.025mm 만큼 위에 있을 정도이다. 하판, 리세스의 상부, 상기 드로어의 하부는 0.07mm 이내, 바람직하게는 0.025mm 이내에서 서로에 대해 각각 평행해야 한다. 또한 위쪽 표면은 ±1°의 범위 내에서 "A"축에 수직이어야 한다. 제1 드로어는 몸체(25)에 그 삽입을 쉽게 하도록 하기 위해 모따기부(chamfers)(135)를 갖는다.
제1 드로어에서 사용되는 사파이어 위치 설정 장치가 제2(d)도에 도시된다. 이 위치 설정 장치는 각각 약 4의 최대 유전율과 저유전체 손실을 갖는 캡톤(Kapton) 또는 임의 중합체 막과 같은 두 개의 비금속 시트(120)로 만들어진다. 그 두께는 기계적 강도와 유전체 손실을 절충하도록 선택되어야 한다. 본 실시예에서 사용되는 물질은 0.076mm 두께의 폴리이미드(polyimide) 캡톤 300HN막이다. 시트(120)은 은못(115)용 틈새 구멍(130)과 사파이어 로드(5)의 반경과 일치하는 반경을 가진 원호(125)를 가진다. 시트(120)의 폭은 나중에 설명될, 몸체(25)의 슬롯에 결합되도록 된다. 위치 설정 장치는 몸체(25)에 그 삽입을 쉽게 하도록 모따기부(135)를 갖는다.
제2(f)도는 제2 드로어의 설계를 도시하며, 적당한 전기 전도도 및 양호한 열전도도를 가진 비철금속으로 만들어진다. 본 실시예에 사용되는 물질은 무산소 구리이다. 제1 드로어와 동일하게 이 드로어는 막(17)을 보유하기 위한 리세스(100)와, 극초단파 주파수 흡수기를 보유하기 위한 리세스(105)와, 두 개의 나사(75)용 두 개의 틈새 구멍(102)으로 이루어진다. 사파이어 위치 설정 장치는 두핀들(110)에 의해 또는 다른 공지의 방법으로 제위치에 고정된다. 리세스(100)의 깊이는 막의 표면이 드로어의 표면보다 약간 위에, 바람직하게는 0.025mm 만큼 위에 있을 정도이다. 하판, 리세스의 하부, 드로어의 하부는 0.076mm 이내, 바람직하게는 0.025mm 이내에서 서로에 대해 평행해야 한다. 또한 위쪽 표면은 ±1°의 범위 내에서 "B"축에 수직이어야 한다. 제2 드로어는 상기 몸체(25)에 그 삽입을 쉽게 하도록 모따기부(135)를 갖는다.
제2 드로어에서 사용되는 사파이어 위치 설정 장치가 제2(i)도에 도시된다. 이 위치 설정 장치는 약 4의 최대 유전율 및 저 유전체 손실을 갖는 캡톤(Kapton) 또는 임의의 중합체 막 등의 비금속 시트(145)로 만들어진다. 그 두께는 기계적 강도와 유전체 손실을 절충하도록 선택되어야 한다. 본 실시예에서 사용되는 물질은 0.076mm 두께의 폴리이미드 캡톤 300HN막이다. 시트(145)는 사파이어 로드(5)가 최소한의 여유로 통과하는 반경을 갖는 구멍(140)을 갖는다. 시트(145)의 폭은 나중에 설명될, 몸체(25)의 슬롯에 맞추도록 이루어진다. 위치 설정 장치는 몸체(25)에 그 삽입을 쉽게 하도록 모따기부(135)를 갖는다.
제3(a)도는 상기 공진기의 몸체(25)의 설계를 도시한다. 몸체의 중심에 구멍(165)이 있다. 그 지름은 모든 구성 요소들에서 생긴 모든 허용 오차를 포함하여, 상부에서 볼 때 단지 막만이 보여질 수 있을 정도로 정해진다. 상부에서 볼때, 어떤 막 엣지(film edges)도 볼 수는 없다. 또한 그 지름은 성능을 최대화하도록 상기 사파이어 로드 지름에 비례하여 계산된다. 구멍(165)의 지름과 사파이어 로드의 지름 사이의 비율은 2.0 보다 커야 한다. 본 실시예에서 사용된 비율은 2.23이다. 구멍(165)에 의해 생성된 표면은 극초단파 흡수로 야기되는 에너지 손실을 감소시키도록 연마되어야 한다. 구멍(165)의 상부에 리세스(155)가 있다. 이 리세스의 크기는 피스톤(35)의 크기보다 커 헬륨 가스가 공진기의 중심에 도달하기 위한 정사각형 틈(gap)이 형성된다. 몸체(25)의 상부 표면에는 상판(30)과 피스톤 위치 설정 장치(52)를 안내하는데 사용되는 두 개의 은못(70)이 있다. 또한 나사(87)용 네 개의 탭핑 구멍(85)이 있다. 구멍(170)과 탭핑 구멍(175)은 커넥터(95)를 몸체(25) 상에 결합시키는 데 사용된다. 몸체(25)의 전방에는 나사(75)용의 두 개의 탭핑 구멍(160)이 있다. 그 하부에 슬롯(150)이 있다. 제1 드로어의 경우, 이 슬롯은 몸체(25)의 전 길이를 통해 연장된다. 제2 드로어의 경우, 이 슬롯은 부분적으로 관통하도록 가공(machlne)된다. 이 슬롯의 폭은 막 및 사파이어가 정확히 위치되는 것을 보장하기 위해 드로어의 폭과 일치되도록 정밀하게 만들어진다.
상판(30)이 제3(e)도에 도시되며, 그 슬롯(74) 깊이는 홀딩 장치의 적절한 압박이 보장되도록 계산된다. 상판은 은못(97)용의 두 개의 위치 설정 구멍(79)과, 탭핑 구멍(85)에 맞는 네 개의 카운터싱크(countersink) 구멍(72)과, 헬륨 가스가 공진기 내로 주입되기 위한 관통 구멍(through hole)(77)을 가진다.
하판(20)이 제3(g)도에 도시되며, 공진기를 듀어(dewar) 속에 삽입되는 지지장치 상에 장착하는데 사용되는 네 개의 탭핑 구멍(84)을 갖는다. 네 개의 카운터 싱크 구멍(89)은 하판을 상기 몸체(25)에 결합하는데 사용된다. 공진기의 온도를 제어하고 안정시키기 위해 몇 개의 히터를 장착하기 위한 두 개의 슬롯(82)이 있다.
이 공진기에 사용될 케이블 크기는 측정의 감도 및 정확도에 영향을 주는 요인들 중의 하나이다. 작은 케이블을 사용할 경우 보다 적은 케이스 모드(less case mode)가 발생되므로, 공진기의 성능이 향상된다. 본 실시예에 사용되는 케이블은 0.94mm의 외경을 가진다. 이 케이블을 매사츄세츠주 02254 월썸 4번가 740번지의 옴니 스펙트라(Omni Spectra)사에서 구입가능한 2.2mm의 내경과 3.07mm의 외경을 갖는 음니 스펙트라 플랜지 마운트 케이블 잭(Flange Mount Cable Jack)#1006-7985등의 시판 중에 있는 커넥터에 사용하기 위해서는, 전이부(60)와 절연체(65)가 결합(mating)을 이루도록 채택된다. 이들은 제3(d) 및 3(e)도에 도시된다. 전이부는 전기적 도체관이다. 전이부의 외경은 시판 중의 커넥터의 내경(본 실시예에서는 2.2mm)과 맞는다. 전이부의 내경은 케이블의 외경(본 실시예에서는 0.94mm)과 결합된다. 절연체는 유전체 링(ring)이다. 그 외경은 전이부의 외경과 정확히 일치한다. 그 내경은 커넥터의 중심 도체의 지름보다 작아 전이부와 커넥터의 중심 도체 사이에 단락이 방지된다. 전이부(60)는 커넥터에 납땜 결합된다. 본 실시예에서 전이부와 절연체용으로 사용되는 물질들은 각각 무산소 구리와 Teflon이다. 공진기 내로 케이블을 침투시키는 것은 제1(b)도에 도시된 바와 같이 커넥터 플랜지에 심(shim)(32)을 삽입/분리함으로써 조정된다.
제4(a)도는 피스톤(35)의 설계를 도시한다. 이 피스톤은 적당한 전기 전도도 및 열전도도를 가진 비철금속으로 만들어진다. 본 실시예에 사용되는 물질은 무산소 구리이다. 이 피스톤은 막(17)을 보유하기 위한 리세스(185)와, 극초단파 주파수 흡수기를 보유하기 위한 리세스(190)와, 막(17)에 진공이 도달하기 위한 관통 구멍(180)과, 홀딩 장치의 위치 설정용 카운터보어(counterbore)(195)로 이루어진다. 리세스(185)의 깊이는 상기 막의 표면이 드로어의 표면보다 약간 위에 있을 정도이다. 하판, 리세스의 상부 및 피스톤의 하부는 0.076mm 이내, 바람직하게 0.025mm 이내에서 서로에 대해 평행해야 한다. 또한 위쪽 표면은 ±1°의 범위 내에서 "C" 축에 수직이어야 한다.
제4(e)도는 피스톤 위치 설정 장치(52)의 설계를 도시한다. 이 피스톤 위치 설정 장치는 이 장치를 몸체(25)에 관련하여 위치시키기 위한 은못(70)용으로 사용되는 두 개의 구멍(200)을 가진다. 홈(205)의 크기는 충분히 커, 피스톤(35)을 넣을 수 있다. 피스톤(35)과 피스톤 위치 설정 장치 사이의 틈은 0.025mm 내지 0.15mm의 범위 내에서 가능하다. 본 실시예에서, 그들 사이에 적어도 0.025mm의 여유를 갖도록 모든 치수들이 조절된다.
공진기의 성능은 사파이어 로드(5)와 막들(17)의 배치에 상당히 의존한다. 사파이어 로드를 위한 몇 개의 위치 설정 장치가 있다. 첫 번째는 제2(d) 및 제2(i)도에서, 예를 들면, 제1 및 제2 사파이어 위치 설정 장치가 도시된다. 막은 핀과 구멍 방식 또는 핀, 리세스, 벽 등을 사용하는 것과 같은 공지의 선행 방법중 어느 한 가지에 의해 위치에 제한시킴으로써 공진기 내에 위치 설정된다. 막은 사파이어 로드가 위치되어야 하는 정확한 위치에 구멍을 갖는다. 막은 측정이 이루어 지기 전에 공진기 안에 남거나 그로부터 분리되도록 설계 가능하다. 이하에서 기술될 제2 공진기 용의 제3 및 제4 사파이어 위치 설정 장치는 몸체가 이들 위치 설정 장치를 수용하도록 설계 변형될 경우 제1공진기에서 사용될 수 있다.
몇 개의 홀딩 장치는 작동 중에 모든 공진기 구성 요소가 움직이는 것을 방지하는 데 사용될 수 있다. 제6(a)도는 피스톤(35)의 상부에 고르게 분포된 헬리컬 압축 스프링(240)의 시스템인 홀딩 장치를 도시한다. 이들 스프링은 납땜 또는 다른 공지의 방법에 의해 피스톤(35) 또는 상판(30)에 부착된다. 상판이 몸체(25)상에 나사 결합되면, 스프링은 압축되어 소망의 지지력을 발생시킬 것이다. 이러한 지지력은 스프링을 추가하거나 제거함으로써, 더 큰 인장율의 스프링을 선택함으로써 또는 스프링이 압축되는 거리를 변화시킴으로써 조정될 수 있다.
다른 홀딩 장치가 제6(b)도에 도시된다. 이 설계에서는, 판(245)이 상판(30)과 피스톤(35) 사이에 삽입된다. 판(245)의 재질은 Teflon과 같은, 극저온에서 공진기 안에 포함되는 물질의 상이한 열 수축을 보상하도록 선택된다. 따라서, 막(17)과 로드(5) 상의 최종 압축력은 공진기가 냉각되기 전에 이들에 가해진 힘과 매우 근사하다.
본 실시예에서 사용되는 홀딩 장치가 제6(c)도에 도시된다. 일련의 벨레빌 스프링(Belleville springs(50) (또는 디스크 스프링)은 피슨톤(35 또는 290) 상부에 적층된다. 이들 스프링은 상판이 몸체(25) 상에 나사 결합 때 하판에 대한 막-사파이어-막 구조를 압축시킨다. 스프링 힘은 스프링을 추가하거나 제거함으로써,더 큰 인장율의 스프링을 선택함으로써, 다른 형태(병렬 또는 직렬)로 스프링을 적층함으로서 또는 스프링이 압축되는 거리를 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 이 홀딩 장치는 벨레빌 스프링 설계 때문에 콤팩트하다. 또한, 스프링 힘이 로드의 상부에 직접 집중되므로, 이 홀딩 장치는 제1 홀딩 장치보다 더 안정하다.
몸체(25)의 피스톤(35)과 슬롯(155)은 어떤 형태로도 만들 수 있다. 본 실시예에서는 직사각형의 형태가 콤팩트하므로 직사각형 형태를 선택한다.
상기 극초단파 주파수 흡수기는 TEO1N (N=1, 2, 3) 모드를 제외한 모든 모드를 제거하는데, 이유는 TEO1N 모드는 단지 순환 전류(circular currents)만을 전달하기 때문이다. 상기 흡수기는 어떤 페라이트(ferrite) 물질이라도 될 수 있다. 본 실시예에서 사용된 흡수기는 (매사츄세츠주 01888 우번 소재의 Emerson ＆ Cuning Inc.으로부터 구입할 수 있는 ECCOSORB이다. 흡수기는 제2(a)도에 도시된 바와 같이 리세스(105) 안에 위치한다.
공진기를 조립하는데 있어서 몇 가지 단계가 있다. 제2(a) 및 2(d)도에 도시된 제1 드로어와 제1 위치 설정 장치가 각각 사용되면, 첫 번째 단계는 하부 막(17)과 사파이어 로드(5)를 공진기 안에 위치시키는 것이다. 이 단계는 제1 드로어의 리세스(100) 내에 막을 위치시킴으로써 실행된다. 그리고, 두 개의 제1 사파이어 위치 설정 장치는 제1 드로어 상에 상호 대향 방향으로 배치된다. 이 때, 제1 드로어는 몸체(25)안으로 미끄러져 들어가 결합된다. 다음에, 은못(115)이 시트(120)의 구멍(130)과 제1 드로어의 구멍(80)을 통해 삽입되어, 원호(arcs)(125)에 의해 형성된 원을 정확히 몸체(25)에 대해 위치시킨다. 사파이어 로드(5)는 원호(125)에 의해 형성된 원 내에 정확히 위치된다. 두 번째 단계는 공진기 안에 상부막(17)을 위치시키는 것이다. 이 단계를 완성하기 위해, 피스톤 위치 설정 장치(52)는 은못(70)의 도움으로 몸체(25)의 상부에 고정된다. 그리고 나서 막(17)은 피스톤(35)의 리세스(185) 내에 넣어진다. 구멍(180)을 흡수 장치로 커버하고 나서, 피스톤(35)은 뒤집어져 공진기 안으로 안내된다. 그리고 나서, 흡수 장치와 피스톤 위치 설정 장치는 제거된다. 마지막 단계는 홀딩 장치를 피스톤의 리세스(195) 안에 위치시키고, 상판(30)을 몸체(25)의 상부에 놓고, 나사(87)로 죄는 것이다. 공진기를 테스트할 준비가 되었을 때, 은못(115)과 제1 사파이어 위치 설정장치는 몸체(25)로부터 제거된다.
제2(c) 및 2(d)도에 도시된 제2 드로어와 제2 위치 설정 장치가 각각 사용되면, 첫 번째 단계는 하부 막(17)과 사파이어 로드(5)를 공진기 안에 위치시키는 것이다. 이 단계는 제2 드로어의 리세스(100) 내에 막을 위치시킴으로써 실행된다. 제2 사파이어 위치 설정 장치는 그 때 제2 드로어 상에 배치된다. 제2 사파이어 위치 설정 장치는 몸체(25)의 벽과 핀들(110)에 의해 제한된다. 사파이어 로드(5)는 원(140)내로 배치된다. 두 번째 단계는 공진기 안에 상기 상부 막(17)을 위치시키는 것이다. 이 단계를 달성하기 위해, 피스톤 위치 설정 장치(52)는 은못(70)의 도움으로 몸체(25)의 상부에 고정된다. 그리고 나서 막(17)은 피스톤(35)의 리세스(185) 안쪽으로 놓여진다. 구멍(180)을 흡수제로 피복하고 나서, 피스톤(35)은 뒤집어져 공진기 안으로 안내된다. 마지막에는, 흡수기와 피스톤 위치 설정 장치는 제거된다. 마지막 단계는 홀딩 장치를 피스톤의 리세스(195) 안에 위치시키고, 상판(30)을 몸체(25)의 상부에 놓고, 나사(87)로 죄는 것이다.
본 발명은 두 번째 설계에서 제2 사파이어 공진기로 표시된 사파이어 공진기를 더 포함한다. 이 공진기의 설계가 제7(a) 및 7(b)도에 도시된다. 제2 공진기의 주요 구성 요소는 하판(305), 피스톤(290), 피스톤 위치 설정 장치(285), 상판(280), 벨레빌 스프링(50), 심(292), 몸체(295)이다.
막(17) 구조와 막-사파이어-막 구조는, 전에 설명되었고 제1(c) 및 1(d)도에 도시한 바와 같이 제1 공진기의 구조와 같다.
제8(a)도는 제2 공진기의 몸체(295)(외부 덮개)의 설계를 도시한다. 그 중심에 구멍(320)이 있다. 그 지름은 성능을 최대화하도록 사파이어 유전체 지름, 편리하게는 로드에 비례하여 계산된다. 구멍(320)의 지름과 사파이어 로드 지름 사이의 비율은 2.0 보다 커야 한다. 본 실시예에서 사용된 비율은 3.3 이다. 구멍(320)에 의해 형성된 표면은 극초단파 흡수에 의해 생기는 에너지 손실을 줄이도록 연마된다. 상판(280)과 피스톤 위치 설정 장치(285)를 안내하는 두 개의 은못(250)이 있다. 세 개의 탭핑 구멍(315)은 나사 소부품(260)용이다. 세 개의 탭핑구멍(310)은 몸체를 하판(305)에 부착하는 데 사용된다. 탭핑 구멍(330)과 구멍(335)은 커넥터(95)를 몸체에 부착하는데 사용된다. 하부 막의 방위(orientation)를 지시해 주는 각인선(engraved line)(325)이 있다.
제8(d)도는 제2 공진기의 상판(280)의 설계를 도시하며, 피스톤 지름을 클리어하기 위한 카운터보어된 구멍(counterbored hole)(340)과, 핀(250)용 두 개의 틈새 구멍(345)과, 나사(265)용 세 개의 카운터싱크형 구멍(342)을 갖는다.
제8(f)도는 하판의 설계를 도시한다. 제1 공진기와 유사하게, 이것은 공진기를 듀어 플라스크(dewar flask) 속으로 삽입되는 지지 장치 상에 장착하기 위한 네 개의 나사 구멍(350)을 갖는다. 세 개의 나사(265)용 카운터싱크형 구멍(380), 막(17)을 위치시키기 위한 한 개의 리세스(355), 극초단파 흡수기용의 또 다른 리세스(370)가 있다. 리세스(355)의 깊이는 막의 표면이 표면 "A" 보다 약간 위에, 바람직하게는 0.025mm 만큼 위에 있을 정도이다. 리세스의 하부, 표면 "B", 표면 "A"는 0.076mm 이내, 바람직하게는 0.025mm 이내에서 서로에 대해 평행해야 한다. 또한 위쪽 표면은 ±1°의 범위 내에서 "D" 축에 수직이어야 한다. 막을 공진기의 중심에 두기 위해, 지름(360)은 구멍(320)의 지름에 맞도록 슬립되게 이루어진다. 지름(365)은 지름(360)보다 작아 원형의 틈이 생긴다. 그래서, 극초단파는 리세스(370)에 도포된 극초단파 흡수기에 도달할 수 있다. 이 틈은 0.254mm 내지 1.016mm (전체), 바람직하게는 0.508mm 에서 범위를 정했다. 두 개의 슬롯(375)은 공진기의 온도를 제어하고 안정시키도록 몇 개의 히터를 장착시키는데 사용된다.
제9(a)도는 피스톤(290)의 설계를 도시하며, 막(17)용 리세스(390), 극초단파 흡수기(395)용 리세스, 진공이 막에 도달하기 위한 관통 구멍, 막의 방위를 지시하는 각인선(405)을 갖는다. 리세스(390)의 깊이는 막의 표면이 피스톤의 표면보다 약간 위에, 바람직하게는, 0.025mm 만큼 위에 있을 정도이다. 지름(385)은 구멍(320)보다 작게 만들어져 헬륨 가스와 같은 냉각 가스가 공진기의 중심에 도달하기 위한 원형 틈이 형성된다. 리세스의 하부 및 상부, 피스톤의 하부는 0.076mm이내, 바람직하게는 0.025mm 이내에서 서로에 대해 평행해야 한다. 또한 위쪽 표면은 ±1°의 범위 내에서 "E" 축에 수직이어야 한다.
제9(d)도는 피스톤 위치 설정 장치(285)를 도시하며, 피스톤이 최소한의 여유로 안내되어 통과하는 구멍(410)과 핀(250)에 미끄러짐 결합을 하는 두 개의 구멍(415)을 갖는 플라스틱판 또는 금속판이다.
제5(a)도는 제3 사파이어 위치 설정 장치를 도시한다. 이 설계에서, 사파이어 로드(5)는 공진기의 중심에 대충 놓여진다. 임의 적절한 수단으로 나사에 접착, 납땜되거나 죄어지는 세 개의 비금속 팁(tips)(215)을 갖는 복수개의 변형 나사(210)가 있다. 변형 나사는 중심부로 로드를 회전시켜 이동시킨다. 나사가 나사 구멍(220)의 하부에 의해 멈춰질 때 로드는 중심에 놓여질 것이다. 로드(5)가 홀딩 장치에 의해 제위치에 고정된 뒤에 나사(210)는 제위치에 남거나 제거될 것이다. 본 실시예에서 팁(215)용으로 사용되는 비금속 물질은 사파이어이다.
또 다른 제4 사파이어 위치 설정 장치가 제5(b)도에 도시된다. 이 설계에서, 플랫폼(223)은 리세스(225)를 갖는 수직 연장부를 가진다. 사파이어 로드(5)는 리세스(225)안에 결합되어, 구멍(235)을 통한 진공에 의해 제위치에 위치된다. 이 장치는 두 개의 은못-핀-안내-구멍(230)을 이용하여 공진기의 몸체의 상부에 위치된다. 이것이 장착되면, 진공이 턴 오프되어 사파이어 로드(5)가 해제되어지고, 장치는 제거된다. 그 때 이 로드는 홀딩 장치에 의해 부착된다.
제2(b) 및 2(d)도에 도시한 상기 제1 및 제2 사파이어 위치 설정 장치는 또한, 그들 형태와 크기가 이 공진기의 몸체에 맞도록 변형된다면 제2 공진기에 사용될 것이다.
제9(e)도는 말단부에 사파이어 로드(215)가 있는 변형된 숄더 나사(210)인 나사 소부품(260)의 설계를 도시한다. 로드는 나사에 삽입되어 접착제 또는 다른 주지의 방법에 의해 제위치에 고정될 것이다.
제6(a), 6(b) 또는 6(c)도에 도시한 홀딩 장치의 어느 것이라도 제2 공진기로 사용될 수 있다. 제2 공진기는 제1 공진기에서와 같은 전이부(60)와 절연체(65)를 사용한다. 공진기 안으로 케이블을 침투시키는 것은 심(292)을 삽입 또는 제거함으로써 조정된다.
제1 공진기와 제2 공진기 간에 두 가지 주된 차이점에 있다. 제1 공진기가 드로어의 물질에 극초단파가 노출되는 것을 허용치 않는 것과는 달리, 제2공진기의 막(17)은 표면 A"보다 작아, 제8(c)도, 극초단파는 플랫폼 물질 뿐만 아니라 초전도성 물질 둘 다에 노출될 것이다. 또 다른 차이점은 제1 공진기에서 사파이어 로드의 높이가 2.5mm인 반면, 제2 공진기의 높이는 2mm인 점에 있다.
제2 공진기를 조립하는데 필요한 몇 가지 단계가 있다. 첫 번째 단계는 막(17)을 하판(305)의 리세스(355)안에 배치시키는 것이다. 다음에, 나사 소부품(260)은 몸체(295)의 쓰레드 구멍(315) 속으로 부분적으로 돌려 넣어진다. 이 때, 사파이어 로드(5)는 몸체(295)의 중심부에 대충 놓여진다. 그리고 나서, 나사 소부품은 그들이 멈출 때까지 회전된다. 그 시간 동안, 사파이어 로드는 몸체의 정확한 중심부로 이동된다. 다음 단계는 막(17)을 공진기 안에 위치시키는 것이다. 이 단계를 달성하기 위해, 처음에, 상기 피스톤 위치 설정 장치(285)가 은못(250)의 보조로 몸체(295)의 상부에 안착된다. 막(17)은 그 때 피스톤(290)의 리세스(390)안에 놓여진다. 구멍(400)을 흡수제로 피복하고 난 후, 피스톤은 뒤집어져 공진기 안으로 안내된다. 그리고 나서, 흡수 장치와 피스톤 위치 설정 장치는 제거된다. 마지막 단계는 홀딩 장치를 피스톤의 리세스(402) 안에 위치시키고, 상판(280)을 몸체의 상부에 놓고, 나사(265)로 죄는 것이다. 공진기를 테스트할 준비가 되었을 때, 나사 소부품이 제거된다.
막 리세스들, 전체 공진기 치수들, 사파이어 로드 치수들과 같은 관련 치수들이 이 새로운 막에 대해 조정되어 공진기의 성능에 영향을 주지 않도록 변경되면, 제1 및 제2 공진기의 설계는 어떤 막 크기라도 테스트하도록 변경가능하다.
본 발명은 제1 공진기의 변형인 사파이어 공진기의 세 번째 변형예를 더 포함한다. 이 장치는 제10(a), 10(b), 10(c)도에 도시한 바와 같이 큰 기재 상의 국소 표면 저항과 초전도성 박막의 균일성을 결정하도록 변형된다. 큰 고온 초전도성 박막은 다양한 별개의 영역에서 테스트될 수 있다. 이 설계는 두 개의 소부품을 가진다. 제10(a)도에 도시한 첫 번째 조립 부품은 그 하면에 초전도성 막(455)을 갖는 웨이퍼(wafer)를 보유하는 원통형 판(460)을 갖는다. 진공 구멍(490)은 막(455)이 동작 중에 떨어지는 것을 방지한다. 판(460)은 그 중심 z축 주위에서 수동 또는 기계적으로, 또는 임의 다른 회전 장치에 의해 회전된다. 두 번째 소부품은 테스팅 헤드(testing head)라 불린다. 이 소부품은 제10(a)도에 도시한 공진기 구성 요소의 잔여부를 포함한다. 사파이어 유전체(5), 편의상 로드, 작은 고온 초전도성 막(17)은 판(460)과 피스톤(475) 사이에 끼워진다. 몸체(445)는 케이블(450)을 보유하기 위해 사용된다. 몸체(445), 피스톤(475), 하판(440)은 숄더 나사(480)에 의해 지지되어 안내된다. 로드(430)는 공진기의 하판(440)에 용접되거나, 나사로 죄어지거나, 임의 등가 방법에 의해 결합되어 진다. 로드(430)의 다른 단부는 액츄에이터(420)에 연결된다. 액츄에이터는 공기 실린더, 리니어 액츄에이터, 또 판(460)에 수직한 z방향의 위 아래로 로드(430)를 왕복 운동시키는 임의 장치가 될 수 있다. 비금속 시트(485)는 중심을 정하는데 사용되고, 제10(b)도에 도시한 바와 같이 사파이어 로드(5)가 작동 중에 움직이는 것을 방지하는데 사용된다. 이 시트는 Kapton또는 임의 중합체 막과 같은 낮은 유전율, 낮은 유전체 손실을 가져야 한다. 테스팅 헤드는 또 다른 액츄에이터에 연결된다. 액츄에이터는 공기 실린더, 리니어 액츄에이터, 또는 x 방향으로 테스팅 헤드를 이동시키는 임의 장치가 될 수 있다.
피스톤(475)의 설계는 숄더 나사(480)용 다른 탭핑 구멍을 제외하고는 상기에서 설명된 피스톤(35)과 동일하다. 하판(440)의 설계는 숄더 나사(480)용의 다른 구멍을 제외하고는 상기에서 설명된 판(30)과 동일하다. 시트(485)는 그 크기가 몸체(445)의 리세스에 결합하도록 만들어지는 것을 제외하고 (제2(d)도의) 제2 사파이어 위치 설정 장치와 동일하다.
작동 중에, 상기 테스팅 헤드는 상기 막(455) 상의 소망의 위치로 움직인다. 이것은 x 방향으로의 상기 테스팅 헤드의 운동과 z축을 중심으로 한 상기 판(460)의 회전의 조합으로 달성된다. 그 때, 상기 액츄에이터(420)는 앞에 설명된 홀딩 장치(435)를 압축하면서 +z 방향으로 상기 테스팅 헤드를 움직인다. 이 때, 막(17), 사파이어 로드(5), 막(455)은 제1 및 제2 공진기와 유사한 공진기를 형성한다. 이 위치에서 막 파라미터가 기록된다.
막(455) 상의 또 다른 위치를 실험하기 위하여, 액츄에이터(420)는 상기 테스팅 헤드를 낮추어 상기 사파이어 로드가 막(455)과 접촉하는 것을 방지한다. 상기 테스팅 헤드와 판(460)은 다시 상기 소망의 실험 위치 아래로 즉시 상기 테스팅 헤드를 배치하도록 움직인다. 앞단락에서 설명된 다음 단계가 그 때 반복된다.
발명 장치는 고온 초전도체(HTS)에 대한 표면 저항 RS, 임계 전류 밀도 JC, 임계 무선 주파수 자계 HC와 같은 파라미터를 측정하는 데 사용된다.
주어진 TE11모드의 HTS-사파이어-HTS 공진기의 경우, 상기 표면 저항 RS는 공진기의 언로드된 Q 값, Q0에 반비례한다:
RS=G/Q0(1)
여기에서, G는 기하학 계수로서, 셴(Shen)씨 등의 192년 IEEE-MTT-S 국제 극초단파 심포지움 요약서, p.193-196에 있는 공식들을 사용하여 계산하거나, 아니면 주지의 RS를 갖는 구리와 같은 도체에 의해 교정될 수 있다. 그러므로, RS의 측정은 당해 기술 분야에 알려진 공진기의 Q0를 간단히 측정하는 것이다.
TE11모드 공진기의 경우, HTS 막에서의 최대 무선 주파수 자계 Mmax및 대응하는 최대 전류 밀도 Jmax는 다음과 같이 공진기에서의 RS및 소산되는 전력 P0에 관련된다.
여기서 J1(X)는 제1 종류의 1차 베셀 함수(Bessel function)이며; J1 max=0.582는 J1(X)의 최대값이며: ε1=9.32와 tnaδ는 각각 사파이어의 상대 유전율과 손실 탄젠트이며; R은 사파이어 로드의 외부에 저장된 전기 에너지에 대한 내부에 저장된 전기 에너지의 비율이며; a 및 L은 각각 사파이어 로드의 반경 및 길이이며;은 사파이어 로드에서의 횡파수(transvertse wave number)이며; λ는 파장이며; λd는 침투 깊이이다. 주어진 공진기의 경우, 모든 이러한 값들은 상수이다. 그러므로, Hmax와 Jmax는 RS와 Po를 측정함으로써 결정될 수 있다. (P0는 전력계(Power meter)를 사용하여 측정될 수 있다) 본 발명의 공진기들은 개선된 정확성을 갖는 측정을 제공하고 신뢰성 있는 재현 능력이 있다. 예를 들어, 제2 드로어 설계의 제1 공진기는 2% 수준의 재현성을 제공했다. 본 발명의 공진기들은 뛰어난 감도를 보유하는 하는 한편 조립도 용이하다. 이와 같이 본 발명의 장치는 초전도성 박막 제조 과정을 모니터링하는 품질 제어 도구로서 유용하다.
임계 자계 HC는 RS값이 어떤 선택된 기준을 초과하는 Hmax값에 의해 결정될 수 있다. JC는 단순히 HC/λd와 같다.
초전도체 T1PbSrVaCuO (1212)와 (1223) 상(phases)의 표면 저항 Rs는 앞에 설명된 바와 같이 조립된 제2 드로어를 갖는 제1 공진기를 사용하여 측정되었다. 데이터 측정들은 유리 에폭시 삽입물을 갖는 액체 헬륨 저장 듀어 안에서 행해졌다. 공진기 조립 부품은 스테인레스 스틸 탐침(Stainless steel probe)의 단부에서 동판에 장착되었다. 다음에 조립 부품은 삽입물 속으로 철수되어 낮아졌다. 온도는 한 쌍의 100 w 히터로 조절되었다. 1Hz 주파수 해상도를 갖는 HP-8510 벡터 네트워크 분석기(vector network analyzer)가 측정에 사용되었다. HP-8510A 전치증폭기와 30W까지의 전력을 출력할 수 있는 휴즈 8030H02F TWT 파워 증폭기가 고전력 측정시 공진기의 입력에 삽입되었다. RS는 27GHz에서 측정되었다. 그 결과 데이타가 온도의 함수로서 낮은 f2에 따라, 10 GHz에서 플로트한 제11도에서 도시되어 있다. 구리(Cu) 데이타가 기준이다.
[실시예 2]
상기 초전도체 YBa2CuO7-a의 표면 저항 Rs는 Rs가 5.55 GHz에서 측정된 것을 제외하고는 실시예 1의 과정을 이용하여 앞에서 설명된 바와 같이 조립된 제2 드로어를 갖는 제1 공진기를 사용하여 측정되었다. 다양한 온도에 대한 결과 데이타가 제12도에서 최대 무선 주파수 자계의 함수로서 그래프로 도시된다.

Claims (23)

  1. 전기 회로에 연결된 자기 쌍극자 결합용 수단을 가진 외부 덮개내에 전부 둘러싸여진, 적어도 하나가 초전도성 물질인 두 개의 분리된 막 사이에 접촉하여 위치한 사파이어의 유전체 소자를 갖는 것으로서, 상기 자기 쌍극자 결합용 수단이 상기 외부 덮개에 의해 제 위치에 보유되고 상기 외부 덮개를 통과하여 연장되며, TEOiN모드(여기에서 i와 N은 1 이상의 정수)에서 작동하는 유전체 공진기 장치에 있어서,
    (a) 상기 사파이어 유전체를 상기 두 개의 분리된 초전도성 막 사이에서 상기 외부 덮개에 대하여 위치 설정하는 수단과,
    (b) 각각이 상기 유전체 소자의 직경보다 큰 직경을 갖는 상기 초전도성 막들을 상기 외부 덮개에 대하여 그리고 상기 사파이어 유전체에 대하여 위치 설정하는 수단과,
    (c) 작동 중에 상기 사파이어 유전체와 초전도성 막들을 접촉 상태로 보유시키는 수단과,
    (d) TEOiN모드 이외의 모드를 억제시키는 수단과,
    (e) 상기 전기 회로에 연결된 자기 쌍극자 결합의 강도를 조정하기 위한 수단을 포함하는 유전체 공진기 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 사파이어 유전체의 위치 설정 수단은 두개의 비금속 시트들을 포함하고, 상기 시트들은 각각 (1) 상기 사파이어 유전체에 대해 병렬로 위치하기에 적절한 크기 및 형상으로 한 쪽 엣지 상에 중심 위치된 노치와, (2) 은못으로 제위치에 고정시키도록 하는 구멍과, (3) 상기 노치를 포함하는 상기 엣지의 코너에서의 모따기부(chamfers)를 갖는 유전체 공진기 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 사파이어 유전체의 위치 설정 수단은 비금속 시트를 포함하고, 상기 시트는 (1) 상기 사파이어 유전체가 최소한의 여유로 통과하는 크기 및 형상을 갖는 개구부와 (2) 두 코너에서의 모따기부를 갖는 유전체 공진기 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 시트는 4 보다 크지 않은 유전율을 갖는 중합체 막을 포함하는 유전체 공진기 장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 시트는 폴리이미드 캡톤 300HN인 유전체 공진기 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 사파이어 유전체의 위치 설정 수단은 상기 외부 덮개내의 개구부를 통해 삽입된 복수개의 나사들을 포함하고, 상기 나사들은 비금속성 팁을 갖는 유전체 공진기 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 나사들은 사파이어 팁을 갖는 유전체 공진기 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 사파이어 유전체의 위치 설정 수단은 (1) 상기 유전체의 한 단부가 결합되는 리세스를 갖는 연장부가 수직으로 부착된 플랫폼을 포함하는 장치와, (2) 상기 연장부 및 플랫폼을 통해 연장되어 있으며 상기 유전체가 상기 리세스에서 제위치에 보유되도록 진공이 생성될 수 있는 구멍과, (3) 상기 장치를 상기 외부 덮개에 결합시키기 위한 적어도 두 개의 은못용 다른 구멍을 포함하는 유전체 공진기 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 초전도성 막의 위치 설정 수단은 비철금속 드로어를 포함하고, 상기 드로어는 (1) 상기 드로어 표면 위에서 상기 초전도성 막을 보유하기 위한 리세스와, (2) 극초단파 주파수 흡수기를 보유하기 위한 홈이 형성된 (grooved) 리세스와, (3) 적어도 두 개의 나사용 구멍과, (4) 적어도 두 개의 은못용 구멍을 갖는 유전체 공진기 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 초전도성 막의 위치 설정 수단은 연장부가 수직으로 부착된 판(plate)을 포함하며, 상기 연장부는 (1) 상기 판의 표면 위에서 상기 초전도성 막을 보유하기 위한 리세스와 (2) 극초단파 주파수 흡수기를 보유하기 위한 리세스를 가지며, 상기 판은 (1) 적어도 두 개의 나사용 구멍과 (2) 상기 공진기 장치를 지지 장치에 고정시키기 위한 적어도 두개의 탭핑 구멍과 (3) 상기 연장부에 대향하는 상기 판의 측면상의 적어도 하나의 슬롯을 갖는 유전체 공진기 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 초전도성 막의 위치 설정 수단은 (1) 피스톤과 (2) 피스톤 위치 설정 장치를 포함하며, 상기 피스톤은 (a) 상기 피스톤 표면 위에서 상기 초전도성 막을 보유하기 위한 리세스와 (b) 극초단파 주파수 흡수기를 보유하기 위한 리세스와 (c) 상기 피스톤을 통해 연장하며 상기 샘플(초전도성 막)이 제위치에 보유되도록 진공이 생성될 수 있는 구멍과 (d) 카운터보어를 가지며, 상기 피스톤 위치 설정 장치는 상기 피스톤이 최소한의 여유로 통과되어지는 개구부와, 상기 피스톤 위치 설정 장치를 외부 덮개에 결합시키기 위한 적어도 두 개의 은못용 구멍을 포함하는 평편한 시트 형태인 유전체 공진기 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 피스톤의 직경은 상기 피스톤이 냉각 가스가 통과할 수 있을 정도의 충분한 여유를 가지면서 외부 덮개 내로 결합될 수 있는 정도인 유전체 공진기 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 작동 중에 사파이어 유전체 및 초전도성막을 접촉 상태로 보유하기 위한 수단은 (1) 상기 외부 덮개의 상판이나 (2) 상기 초전도성 막을 보유하는 피스톤의 상부 중 어느 하나에 고정되는 적어도 하나의 헬리컬 압축 스프링을 포함하고, 상기 압축 스프링은 상기 상판이 제위치에 있을 때 압축되는 유전체 공진기 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 작동 중에 사파이어 유전체 및 초전도성 막을 접촉 상태로 보유하기 위한 수단은 극저온에서의 열 수축을 보상하는 물질로 이루어진 판을 포함하는 유전체 공진기 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 판은 Teflon인 유전체 공진기 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 작동 중에 사파이어 유전체 및 상기 초전도성 막을 접촉 상태로 보유하기 위한 수단은 상기 초전도성 막을 보유하는 상기 수단과 상기 외부 덮개의 상부 사이에 적층된 복수개의 디스크 스프링을 포함하는 유전체 공진기 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 모드를 억제하기 위한 수단은 상기 초전도성 막을 둘러싸는 홈 또는 리세스 안에 수용된 극초단파 흡수기를 포함하는 유전체 공진기 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 자기 쌍극자 결합의 강도를 조정하기 위한 수단은 상기 자기 쌍극자 결합에 사용되는 커넥터 상의 플랜지에서 심(shim)를 삽입 또는 분리함으로써 케이블의 상기 공진기 장치 덮개 속으로의 관통 정도를 조정하는 것을 포함하는 유전체 공진기 장치.
  19. 제1항에 있어서, 전기 회로에 결합하기 위한 수단으로서 커넥터를 더 포함하고, 상기 커텍터는 (1) 통상의 커넥터와 결합될 수 있는 외경과 최대 0.94mm의 외경을 갖는 케이블과 결합될 수 있는 내경을 갖는 전기 도체 튜브를 포함하는 전이부 소자와 (2) 상기 전이부 소자의 외경과 동일한 외경과 상기 커넥터의 중심 도체의 직경보다 작은 내경을 갖는 유전체 링(ring)을 포함하는 절연체를 갖는 유전체 공진기 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 전이부 소자는 무산소 구리이고 상기 절연체는 Teflon인 유전체 공진기 장치.
  21. 적어도 하나가 초전도성 물질인 두 개의 분리된 막들 사이에 접촉하여 배치된 사파이어로 이루어진 유전체 소자와 자기 쌍극자 결합용 수단을 갖는 유전체 공진기 장치에 있어서, 다수의 별개의 영역에서 상기 초전도성 막들을 시험하기 위해 상기 공진기 장치를 이동시키기 위한 수단을 포함하고, 상기 초전도성 막 각각은 상기 유전체 소자의 직경보다 큰 직경을 갖는 유전체 공진기 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 공진기 장치를 이동시키기 위한 수단은 (a) 상기 초전도성 막의 별개의 부분을 하측 상에 보유하는 회전가능한 판과, (b) 한 단부는 상기 공진기 장치의 저면에 결합되며 다른 단부는 상기 판 상의 막에 수직인 방향으로 상기 공진기 장치를 왕복 운동시키는 액츄에이터에 결합된 로드를 포함하는 유전체 공진기 장치.
  23. 제22항에 있어서, 샘플(초전도성 막)은 상기 판의 구멍을 통해 생성되는 진공에 의해 상기 판에 보유되는 유전체 공진기 장치.
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