RU2034286C1 - Measurement of superconducting inclusions into high-temperature materials - Google Patents
Measurement of superconducting inclusions into high-temperature materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2034286C1 RU2034286C1 SU5003732A RU2034286C1 RU 2034286 C1 RU2034286 C1 RU 2034286C1 SU 5003732 A SU5003732 A SU 5003732A RU 2034286 C1 RU2034286 C1 RU 2034286C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- concentration
- solenoid
- superconducting
- input
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерения электрофизических свойств материалов и может быть использовано для определения объемной доли сверхпроводящих включений в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП). The invention relates to the field of measuring the electrophysical properties of materials and can be used to determine the volume fraction of superconducting inclusions in high-temperature superconductors (HTSC).
Известна конструкция вибрационного магнитометра, используемого для определения объемной концентрации сверхпроводящих гранул в ВТСП керамике, который содержит намагничивающее устройство, вибрационный преобразователь, усилитель и регистрирующий прибор [1] Недостатком магнитометра является невысокая точность определения объемной доли гранул в керамиках с высокой токонесущей способностью, у которых сверхпроводимость межгранульных контактов (слабых связей) разрушается в поле, превышающем первое критическое поле для гранул. В результате искомая величина будет завышена, если слабые связи не разрушены, и занижена, если связи разрушены, но гранулы перешли из мейсснеровского в смешанное состояние. A known design of a vibration magnetometer used to determine the volume concentration of superconducting granules in HTSC ceramics, which contains a magnetizing device, a vibration transducer, an amplifier and a recording device [1] The disadvantage of the magnetometer is the low accuracy of determining the volume fraction of granules in ceramics with high current carrying capacity, in which superconductivity intergranular contacts (weak bonds) is destroyed in a field exceeding the first critical field for granules. As a result, the desired value will be overestimated if the weak bonds are not destroyed, and underestimated if the bonds are broken, but the granules transferred from the Meissner state to the mixed state.
Наиболее близким аналогом является устройство для измерения магнитной восприимчивости, с помощью которого определяют объемную концентрацию сверхпроводящей фазы, содержащее мост взаимной индукции, к первичной обмотке которого подключен генератор переменного тока, а вторичные обмотки моста присоединены к входу синхронного усилителя, у которого выходы синфазного и квадратурного сигналов связаны с регистрирующим прибором [2]
Однако известное устройство не обеспечивает точность определения объемной концентрации сверхпроводящих включений, поскольку между искомой величиной и синфазным сигналом (по величине которого определяют концентрацию) нет линейной зависимости, как это предполагается в прототипе. Другая причина невысокой точности измерения данным устройством связана с наличием слабых связей и увеличением вследствие этого объема экранирования, т.е. завышением искомой величины.The closest analogue is a device for measuring the magnetic susceptibility, which determines the volume concentration of the superconducting phase, containing a mutual induction bridge, to the primary winding of which an alternator is connected, and the secondary windings of the bridge are connected to the input of the synchronous amplifier, in which the outputs of the in-phase and quadrature signals connected to the recording device [2]
However, the known device does not ensure the accuracy of determining the volume concentration of superconducting inclusions, since between the desired value and the in-phase signal (the value of which determines the concentration) there is no linear relationship, as assumed in the prototype. Another reason for the low accuracy of measurement by this device is associated with the presence of weak bonds and an increase in the amount of shielding as a result, i.e. overstatement of the desired value.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения объемной концентрации сверхпроводящих включений. The technical result of the invention is to improve the accuracy of measuring the volume concentration of superconducting inclusions.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения концентрации сверхпроводящих включений в ВТСП материалах, содержащее мост взаимной индуктивности, подключенный входом к генератору переменного тока, а выходом к синхронному усилителю, второй вход которого связан с выходом опорного сигнала генератора, и индикатор концентрации, снабжено блоком функционального преобразователя, содержащим программу нелинейной зависимости выходного сигнала усилителя от концентрации, соленоидом с регулируемым источником постоянного тока, в соленоид помещен мост взаимной индуктивности, вход блока функционального преобразователя соединен с выходом синфазного сигнала синхронного усилителя, а выход с индикатором концентрации. The technical result is achieved by the fact that a device for measuring the concentration of superconducting inclusions in HTSC materials, containing a mutual inductance bridge, connected to an alternator by an input and an output to a synchronous amplifier, the second input of which is connected to the generator reference signal output, and the concentration indicator is equipped with a block a functional converter containing a program of nonlinear dependence of the amplifier output signal on concentration, a solenoid with an adjustable constant current source ka, a mutual inductance bridge is placed in the solenoid, the input of the functional converter unit is connected to the output of the in-phase signal of the synchronous amplifier, and the output is with a concentration indicator.
Высокотемпературный сверхпроводник, например ВТСП керамика, представляет собой материал, где сверхпроводящие включения (гранулы) связаны между собой слабыми сверхпроводящими контактами, что препятствует определению действительного объема гранул (объем, фиксируемый при наличии слабых связей, больше искомого объема сверхпроводящих включений). Магнитное поле соленоида постоянного тока подавляет слабые связи, что позволяет "изолировать" гранулы на время измерений, не разрушая керамику механически. A high-temperature superconductor, such as HTSC ceramics, is a material where superconducting inclusions (granules) are connected by weak superconducting contacts, which prevents the determination of the actual volume of granules (the volume fixed in the presence of weak bonds is larger than the desired volume of superconducting inclusions). The magnetic field of a direct current solenoid suppresses weak bonds, which allows to "isolate" granules for the duration of the measurements without destroying the ceramic mechanically.
Напряжение на синфазном выходе синхронного усилителя UI=ky˙Δε где Δε изменение ЭДС индукции в измерительной катушке моста при внесении в нее образца, ky коэффициент усиления. Известно, что Δε нелинейно зависит от концентрации С сверхпроводящих включений в образце. Такой же вид имеет зависимость UI(C)
UI= Uk I[1-(1-C)3/2] (1) где Uk I калибровочная постоянная (напряжение на выходе усилителя при 100% объемной концентрации сверхпроводника в образце, т. е. при С 1). Функциональный преобразователь, в память которого заносится программа нелинейной зависимости UI(C), преобразует синфазный сигнал в величину концентрации в соответствии с выражением (1) и тем самым обеспечивает более высокую точность измерения концентрации сверхпроводящих включений.The voltage at the common-mode output of the synchronous amplifier is U I = k y ˙Δε where Δε is the change in the EMF of the induction in the measuring coil of the bridge when a sample is introduced into it, k y is the gain. It is known that Δε nonlinearly depends on the concentration C of superconducting inclusions in the sample. The dependence U I (C) has the same form
U I = U k I [1- (1-C) 3/2 ] (1) where U k I is the calibration constant (voltage at the amplifier output at 100% volume concentration of the superconductor in the sample, i.e., at C 1). The functional converter, in the memory of which the program of nonlinear dependence U I (C) is entered, converts the in-phase signal into a concentration value in accordance with expression (1) and thereby provides higher accuracy of measuring the concentration of superconducting inclusions.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения объемной концентрации сверхпроводящих включений в ВТСП материалах; на фиг.2 и 3 приведены примеры выполнения схемы моста взаимной индуктивности и функциональной схемы блока функционального преобразователя. Figure 1 presents a block diagram of a device for measuring the volume concentration of superconducting inclusions in HTSC materials; Figures 2 and 3 show examples of the execution of the mutual inductance bridge circuit and the functional block circuit of the functional converter.
Устройство для измерения концентрации сверхпроводящих включений в ВТСП материалах содержит последовательно соединенные генератор переменного тока 1, мост взаимной индуктивности 2, синхронный усилитель 3, подключенный синфазным выходом к блоку функционального преобразования 4, и индикатор концентрации 5. Второй вход усилителя соединен с выходом опорного сигнала генератора. Кроме того, устройство содержит соленоид 6, подключенный к регулируемому источнику постоянного тока 7, в соленоид помещен мост взаимной индуктивности. A device for measuring the concentration of superconducting inclusions in HTSC materials contains a series-connected
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Мост взаимной индуктивности 2, запитанный от генератора 1, сбалансирован так, что в отсутствие сверхпроводящих включений в образце, вносимом в измерительную катушку моста, напряжение на выходе моста отсутствует и индикатор 5 показывает нулевую концентрацию. При наличии сверхпроводящих включений происходит разбаланс моста. Сигнал разбаланса подается на синхронный усилитель 3, на второй вход которого подается опорный сигнал с генератора 1. Выходной синфазный сигнал усилителя поступает на вход функционального преобразователя 4, содержащего программу преобразования синфазного сигнала в концентрацию в соответствии с формулой (1). С выхода преобразователя сигнал поступает на индикатор концентрации 5. Соленоид 6 запитывают от регулируемого источника постоянного тока, увеличивая ток в соленоиде до такого значения, при котором показания индикатора 5 перестают меняться в зависимости от тока (сигнал разбаланса моста выходит на насыщение), после чего отсчитывают концентрацию по индикатору. Таким образом, заявляемое устройство позволяет измерять концентрацию сверхпроводящих включений в отсутствие сверхпроводящих контактов между включениями и с учетом нелинейной зависимости индуктивного отклика образца от концентрации сверхпроводящих включений. The
Прибор для измерения объемной концентрации сверхпроводящих включений, изготовленный в лаборатории, был выполнен в виде электронного блока (Э.Б.) и низкотемпературной вставки, соединенной с помощью гибкого кабеля с Э.Б. Электронный блок запитывается от сети 220 В и содержит генератор синусоидальных колебаний (выполненный по стандартной схеме), питающий мост током 1 мА с частотой 1000 Гц, синхронный усилитель, функциональный преобразователь и индикатор концентрации, состоящий из двух цифровых индикаторов серии АЛС 324-1Б. Низкотемпературная вставка содержит соленоид и мост взаимной индуктивности, помещенный в полость соленоида, который прикреплен на конце вставки, погружаемом в криогенную жидкость (азот или гелий). The device for measuring the volume concentration of superconducting inclusions, made in the laboratory, was made in the form of an electronic unit (E.B.) and a low-temperature insert connected by a flexible cable to E.B. The electronic unit is powered from a 220 V network and contains a sinusoidal oscillation generator (made according to the standard scheme), supplying a 1 mA bridge with a frequency of 1000 Hz, a synchronous amplifier, a functional converter, and a concentration indicator, consisting of two digital indicators of the ALS 324-1B series. The low-temperature insert contains a solenoid and a mutual inductance bridge placed in the cavity of the solenoid, which is attached to the end of the insert immersed in a cryogenic liquid (nitrogen or helium).
Мост взаимной индуктивности (фиг.2) содержит измерительную катушку 8, в которую помещают образец 9, и компенсирующую катушку 10. Катушки имеют по две взаимосвязанные обмотки с коэффициентом связи, близким к единице (длина каждой катушки 22 мм, средний диаметр 6,7 мм, диаметр полости 5 мм, число витков в одной обмотке 270). Первичные обмотки катушек соединяются последовательно и подключаются к генератору, а вторичные обмотки соединяются встречно и подключаются ко входу синхронного усилителя. The mutual inductance bridge (Fig. 2) contains a
Соленоид, намотанный медным проводом диаметром 0,14 мм, имеет длину 110 мм, диаметр полости 15 мм, число витков 5000, электросопротивление при температуре жидкого азота 10 Ом. Соленоид запитывают от регулируемого источника постоянного тока, например Б5-47, при этом в полости соленоида на центральном участке длиной 50 мм (там где располагаются катушки) создается равномерное магнитное поле. Постоянная соленоида на этом участке 0,4 Э/мА. Для внесения образца в измерительную катушку соленоид снимается со вставки. The solenoid wound with a 0.14 mm diameter copper wire has a length of 110 mm, a cavity diameter of 15 mm, a number of turns of 5000, and an electrical resistance at a liquid nitrogen temperature of 10 Ohms. The solenoid is fed from an adjustable direct current source, for example B5-47, while a uniform magnetic field is created in the solenoid cavity in the central section 50 mm long (where the coils are located). The constant of the solenoid in this section is 0.4 E / mA. To introduce the sample into the measuring coil, the solenoid is removed from the insert.
Функциональный преобразователь (фиг. 3) содержит аналого-цифровой преобразователь 11 (например, АЦП серии 111ЗПВ1), выход которого соединен с адресной шиной постоянного запоминающего устройства 12 (например, ПЗУ серии 556РТ5), а шина данных ПЗУ соединена с усилителем-дешифратором 13 (например, УД серии 514ИД2). Аналоговый синфазный сигнал, поступающий на вход АЦП, преобразуется в двоичный код и поступает в ПЗУ, в котором хранится таблица преобразования синфазного сигнала в концентрацию, записанная в двоичном коде. С выхода ПЗУ сигнал поступает в УД, который обеспечивает питание цифровых индикаторов. The functional converter (Fig. 3) contains an analog-to-digital converter 11 (for example, the ADC of the 111ZPV1 series), the output of which is connected to the address bus of the read-only memory 12 (for example, the ROM of the 556РТ5 series), and the data bus of the ROM is connected to the amplifier-decoder 13 ( for example, UD series 514ID2). The analog common-mode signal input to the ADC is converted to binary code and fed to the ROM, which stores the common-mode signal to concentration conversion table recorded in the binary code. From the output of the ROM, the signal enters the DD, which provides power to the digital indicators.
Таблица, заносимая в ПЗУ, составляется следующим образом. The table entered in the ROM is composed as follows.
Принимается, что верхнее предельное напряжение АЦП (для серии 1113ПВ1 это 5,12В) соответствует концентрации сверхпроводящих включений С˙100 99% и рассчитываются по формуле (1) значения UI при изменении концентрации от 0 до 99% через 1% Данные расчета UI 0.5,12 и соответствующие им концентрации С˙100 00; 0,1.99 записываются в двоичном коде и заносятся стандартным путем в ПЗУ.It is assumed that the upper limit voltage of the ADC (for the 1113PV1 series is 5.12V) corresponds to a concentration of superconducting С˙100 inclusions of 99% and U I values are calculated using formula (1) when the concentration changes from 0 to 99% after 1% Calculation data U I 0.5.12 and their corresponding concentrations of С˙100 00; 0,1.99 are written in binary code and entered in the ROM standard way.
Концентрация сверхпроводящих включений измерялась на образцах из ВТСП керамики и порошка состава YBaCuO и BiPbSrCаCuO. Керамические образцы и ампулы с порошком имели форму цилиндров и прямоугольных брусков длиной 25-30 мм и сечением, позволяющим помещать образцы в полость измерительной катушки. The concentration of superconducting inclusions was measured on samples of HTSC ceramics and powder of the composition YBaCuO and BiPbSrC-CuO. Ceramic samples and ampoules with powder had the form of cylinders and rectangular bars with a length of 25-30 mm and a cross section that allowed the samples to be placed in the cavity of the measuring coil.
Прибор калибруется по образцу с известной концентрацией сверхпроводящих включений, например образцу из порошка ниобия. Эталонный образец с объемной концентрацией Nb, например, 50% имеющий такие же размеры, что и тестируемые образцы из ВТСП материала, помещали в измерительную катушку на вставке, опускали вставку в жидкий гелий и регулировали коэффициент усиления синхронного усилителя таким образом, чтобы на цифровом индикаторе установилась цифра 50. Включение соленоида при этом не требовалось, поскольку сверхпроводящие связи между зернами Nb при данной концентрации отсутствовали. Измерения на эталонах с другой концентрацией (6; 18; 27 и 37%) дали результаты, совпадающие с указанными номиналами в пределах 1-2% т.е. достаточна однократная калибровка по любому эталону. The device is calibrated according to a sample with a known concentration of superconducting inclusions, for example, a sample of niobium powder. A reference sample with a volume concentration of Nb, for example, 50% having the same dimensions as the tested samples of HTSC material, was placed in the measuring coil on the insert, the insert was lowered into liquid helium, and the gain of the synchronous amplifier was adjusted so that the digital indicator was set figure 50. The inclusion of a solenoid was not required, since there were no superconducting bonds between Nb grains at a given concentration. Measurements on standards with a different concentration (6; 18; 27 and 37%) gave results that coincided with the indicated values within 1-2% i.e. a single calibration according to any standard is sufficient.
Тестирование ВТСП керамики на содержание сверхпроводящих включений проводят следующим образом. Testing HTSC ceramics for the content of superconducting inclusions is carried out as follows.
Образец помещают в измерительную катушку, надевают на вставку соленоид и опускают вставку, например, в жидкий азот. Включают электронный блок и питание соленоида. Следят за показаниями цифрового индикатора, увеличивая ток соленоида от нуля до некоторой величины, при которой показания перестают зависеть от тока (или зависят слабо), после чего делают отсчет концентрации. Значения тока соленоида, при которых происходит насыщение концентрации, составляли для керамики указанного состава от 50 мА (керамика, имеющая слабые контакты и небольшой критический ток) до 1 А (керамика с повышенной токонесущей способностью. Для ВТСП порошков показания цифрового индикатора слабо зависят от тока соленоида (контакты между гранулами отсутствуют), т.е. измерения можно проводить, не включая соленоид. The sample is placed in a measuring coil, a solenoid is put on the insert and the insert is lowered, for example, into liquid nitrogen. They include an electronic unit and solenoid power. They follow the readings of the digital indicator, increasing the solenoid current from zero to a certain value, at which the readings cease to depend on the current (or depend weakly), after which the concentration is counted. The values of the solenoid current at which the concentration is saturated ranged from 50 mA for ceramics of the indicated composition (ceramics with weak contacts and a small critical current) to 1 A (ceramics with increased current carrying capacity. For HTSC powders, the readings of the digital indicator are weakly dependent on the solenoid current (there are no contacts between the granules), i.e., measurements can be carried out without including a solenoid.
Использование предлагаемого устройства позволяет повысить точность измерения объемной концентрации сверхпроводящих включений путем исключения погрешности известного устройства, связанной с использованием линейной зависимости синфазного сигнала от концентрации (т.е. зависимости вида UI/Uk I=C). Например, при отношении синфазного сигнала к калибровочной постоянной равном 0,5 величина устраняемой погрешности ΔC=Cл-Cн (где Сл и Сн концентрации, определенные при линейной и нелинейной зависимости от синфазного сигнала) составляет 35% от действительной концентрации Сн. Заявляемое устройство обеспечивает повышение точности также за счет разрушения слабых связей, экранирующих пустоты, объем которых в ВТСП керамиках может даже превышать искомый объем сверхпроводящих включений.Using the proposed device can improve the accuracy of measuring the volume concentration of superconducting inclusions by eliminating the error of the known device associated with the use of a linear dependence of the in-phase signal on the concentration (i.e., the dependence of the form U I / U k I = C). For example, when the ratio of the common-mode signal to the calibration constant is 0.5, the error to be eliminated ΔC = C l -C n (where C l and C n are the concentrations determined by linear and non-linear dependence on the common-mode signal) is 35% of the actual concentration C n . The inventive device provides improved accuracy also due to the destruction of weak bonds, screening voids, the volume of which in HTSC ceramics may even exceed the desired volume of superconducting inclusions.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5003732 RU2034286C1 (en) | 1991-09-18 | 1991-09-18 | Measurement of superconducting inclusions into high-temperature materials |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5003732 RU2034286C1 (en) | 1991-09-18 | 1991-09-18 | Measurement of superconducting inclusions into high-temperature materials |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2034286C1 true RU2034286C1 (en) | 1995-04-30 |
Family
ID=21585981
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5003732 RU2034286C1 (en) | 1991-09-18 | 1991-09-18 | Measurement of superconducting inclusions into high-temperature materials |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2034286C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2584340C1 (en) * | 2014-12-05 | 2016-05-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method of controlling quality of layers of multilayer tape superconductor |
| RU2628452C1 (en) * | 2016-07-07 | 2017-08-16 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Device for determining parameters of tape superconductors |
-
1991
- 1991-09-18 RU SU5003732 patent/RU2034286C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. Антонов В.Г. и др. Средства измерений магнитных параметров материалов. Л.: Химия, 1986 г., с.93. * |
| 2. Vaidnyanthan L.S., Raju N.D. Rahga rajan G. - Indian J.Pure and Appl. Phus, 1989, v.27, p.p.438-432. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2584340C1 (en) * | 2014-12-05 | 2016-05-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method of controlling quality of layers of multilayer tape superconductor |
| RU2628452C1 (en) * | 2016-07-07 | 2017-08-16 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Device for determining parameters of tape superconductors |
| WO2018009102A1 (en) * | 2016-07-07 | 2018-01-11 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Device for determining the parameters of strip-type superconductors |
| US10768134B2 (en) | 2016-07-07 | 2020-09-08 | State Atomic Energy Corporation “Rosatom” On Behalf Of The Russian Federation | Device for determining the parameters of strip-type superconductors |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Striggow et al. | The exact theory of inductive conductivity sensors for oceanographic application | |
| Anderson et al. | Magnetic thermometry | |
| RU2034286C1 (en) | Measurement of superconducting inclusions into high-temperature materials | |
| Ma et al. | Rogowski coil for current measurement in a cryogenic environment | |
| Banerjee et al. | AC susceptibility apparatus for use with a closed-cycle helium refrigerator | |
| Geyger | New Type of Flux‐Gate Magnetometer | |
| Zar | Measurement of low resistance and the AC resistance of superconductors | |
| Scott et al. | Use of a magnetoresistor to measure the magnetic field in a superconducting magnet | |
| Hill et al. | Measurement of magnetic fields at liquid helium temperatures | |
| Prasad et al. | A versatile AC mutual inductance bridge | |
| Fletcher et al. | A cryogenic current comparator resistance ratio bridge for the range 10 k/spl Omega/to 1 G/spl Omega | |
| US3693439A (en) | Electromagnetic water current meter | |
| RU1827653C (en) | Magnetic field pickup | |
| Sinnecker et al. | A system for AC low fields magnetic characterization of soft magnetic materials | |
| SU834627A1 (en) | Magnetic field measuring device | |
| SU913289A1 (en) | Magnetometer | |
| SU941915A1 (en) | Device for measuring energy losses in super-conducting magnets | |
| Woo et al. | Low-/spl mu/measurement using a special waveform of the magnetizing field | |
| Gotszalk et al. | Mutual inductance bridge for the measurement of superconducting transition temperatures and magnetic susceptibility | |
| Reutov | A sensitive fluxgate magnetometer | |
| RU2087994C1 (en) | Method for measuring critical current of high- temperature superconducting material y-ba-cu-o | |
| SU1045145A2 (en) | Direct current converter | |
| RU2102771C1 (en) | Method for measuring critical current density of high-temperature superconducting ceramic specimens | |
| Birkfeld et al. | A device for measuring the magnetic properties of ring specimens at high frequencies | |
| SU1168879A1 (en) | Device for measuring static magnetic parameters of ferromagnetic materials |