СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КРИТИЧЕСКОГО ТОКА ВТСП МАТЕРИАЛА Y-BA-CU-O Российский патент 1997 года по МПК H01L39/16 G01R19/15 

Изобретение относится к криогенной электротехнике и может быть использовано для измерения плотности критического тока высокотемпературных сверхпроводников.

Известен способ бесконтактного измерения критического тока кольцевых образцов высокотемпературных сверхпроводников.

В известном способе измерение критического тока производится с помощью датчика Холла, располагаемого внутри кольцевого образца из ВТСП материала. Кольцевой образец и датчик Холла помещают в квазиадиабатическую измерительную камеру, температура которой может измеряться от 4,2 до 150 К. Измерительную камеру помещают в сверхпроводящий соленоид, с помощью которого создают экранирующий ток в кольцевом образце.

При введении и постепенном увеличении тока в соленоиде поле в нем нарастает. В это время в кольцевом образце ВТСП наводится экранирующий ток, препятствующий проникновению магнитного поля соленоида в отверстие с датчиком Холла и сигнал с датчика отсутствует до тех пор, пока ток не достигнет критической величины. При достижении критической величины экранирующий ток в образце начинает разрушаться и появляется сигнал на выходе датчика Холла, показывающий проникновение поля соленоида во внутреннее отверстие образца. Величина магнитного поля соленоида в данный момент определяется соответствующим значением тока соленоида по зависимости B f(I_m), при котором появляется сигнал на выходе датчика Холла. Критический ток кольцевого образца определяют по формуле: I_c KI_m, где I_m ток первичной катушки в момент перехода кольца, K коэффициент пропорциональности, получаемый экспериментально при калибровке.

Калибровка заключается в замене образца ВТСП на медное кольцо с теми же размерами и введением в него такого тока, чтобы получить аналогичное показание датчика Холла B_C.

Этот способ выбран в качестве прототипа, других источников с описанием аналогичных способов не обнаружено.

Недостатком известного способа является то, что он применим только при использовании кольцевого образца. Кроме того, при изготовлении замкнутого кольца происходит разрушение поверхности сверхпроводника, при этом в зависимости от характера протекания тока трудно выделить токонесущее сечение кольца и измерить его площадь. Все это приводит к недостаточной точности измерения критического тока.

Задачей изобретения является измерение с повышенной точностью критического тока плоских высокотемпературных сверхпроводников без разрушения их поверхности, контроль сверхпроводящих свойств многослойных структур типа ISI, SNS, NSN.

Сущность изобретения заключается в том, что способе измерения критического тока, основанном на индукционном возбуждении кольцевого тока в образце при криогенной температуре и определении критического тока по величине тока возбуждающей катушки индуктивности, возбуждают кольцевой ток в образце произвольной плоской формы полем синусоидального тока возрастающей амплитуды на частоте 340 360 кГц. На этой частоте на выходе приемной катушки синусоидальный сигнал имеет в области максимума амплитуды провал в положительном и отрицательном полупериодах до нуля. Увеличивая амплитуду возбуждающего синусоидального тока до появления в области провала потенциала, отличного от нуля, по зарегистрированной в этот момент амплитуде I_m определяют величину критического тока I_кр I_mn₁, где n₁ количество витков возбуждающей катушки индуктивности.

Для измерения критического тока в заданном внешнем магнитном поле величина внешнего магнитного поля может быть установлена с помощью соленоида.

При проведении исследований авторами было обнаружено, что при возбуждении ВТСП образцов Y-Ba-Cu-O полем синусоидального тока на частоте 340 360 кГц с возрастающей амплитудой от 1 мА до некоторой величины на выходном сигнале приемной катушки наблюдается провал потенциала до нулевого значения, характеризующий изменение сверхпроводящих свойств ВТСП пленок. Проведенные исследования показали, что ток катушки возбуждения в момент выхода потенциального провала из нуля индуцирует величину критического тока в ВТСП образцах.

На фиг. 1 приведена схема измерения критического тока высокотемпературного сверхпроводящего материала, на фиг. 2 вид характеристики на выходе приемной катушки.

Заявляемый способ может быть реализован с помощью измерительной схемы, приведенной на фиг. 1. Измерительная схема содержит катушку возбуждения 1 с числом витков провода n₁ 10 и приемную катушку 2 с числом витков n₂ 100 на ферритовом стержне. Между катушками 1 и 2, расположенными соосно, находится плоский образец ВТСП, например пленка состава YBaCuO с прямоугольной или овальной сплошной геометрией. В цепь возбуждающей катушки 1 включен звуковой генератор 4, а в цепь приемной катушки 2 осциллограф 5. Для регистрации тока возбуждения в цепь катушки 1 включен амперметр 6. Катушки 1 и 2 и образец 3 закреплены на конце низкотемпературной измерительной штанги (на фигурах не показана). На штанге также закреплен источник внешнего магнитного поля в виде соленоида 7, запитываемого источником постоянного тока 8 через тоководы 9. Штангу с закрепленными на ней катушками 1, 2, образцом 3 и соленоидом 7 опускают в криостат 10 с жидким азотом.

Способ измерения критического тока ВТСП образца осуществляют следующим образом.

Плоский образец 3, расположенный между обесточенными катушками 1 и 2, и соленоид 7 охлаждаются в криостате до температуры 77,6 К температуры жидкого азота.

При исследовании плоских образцов, например пленок состава YBaCuO с заданной толщиной от 200 нм до 2 мм и размерами от 4 до 600 мм², установлено, что при возбуждении исследуемого образца полем синусоидального тока с возбуждающей катушкой 1 с частотой 340 360 кГс и амплитудой, увеличиваемой от минимальной, равной 10^-3 А до I_m на потенциальном выходе осциллографа в положительном и отрицательном полупериодах синусоиды существует провал до нуля потенциала. Длительность провала составляет 0,8 мкс. При последующем увеличении амплитуды тока на возбуждающей катушке 1 до величины I_m на осциллографе в области потенциального провала появляется сигнал, отличный от нуля. Это изменение характеристики выходного сигнала приемной катушки можно объяснить изменением свойств ВТСП пленки, экранирующий ток в образце превышает критическое значение и поле задающей катушки 1 проникает в приемную катушку 2 через ВТСП материал.

Величину полного критического тока определяли по формуле I_кр I_mn₁, где I_m ток в возбуждающей катушке 1 в момент появления отличного от нуля потенциала в области потенциального провала характеристик, снимаемой с приемной катушки 2, n₁ число витков первичной катушки.

При измерении критического тока в заданном внешнем магнитном поле величина магнитного поля устанавливается соленоидом 7. Далее проводится измерение критического тока по указанному выше способу. Если сумма внешнего поля и поля создаваемого катушкой 1, сравняется с критическим, т.е. H_с1, то на осциллограмме в области провала появится отличный от нуля потенциал. Данный способ позволяет измерять величину первого критического магнитного поля.

Калибровка измерений проводилась следующим образом. Промеренный предложенным способом образец на величину критического тока был также измерен 4- зондовым методом. Для этого на нем лазерным скробированием изготавливался измерительный мостик с заданной геометрией. Известным 4- зондовым способом определялась величина критического тока на этом мостике и полученное значение I_кр сравнивалось с измеренным ранее, предложенным нами бесконтактным методом. Полученные двумя способами критические токи одного и того же образца отличались менее чем на 1% что подтверждает правильность предложенного способа измерения критического тока по величине тока возбуждающей катушки в момент выхода из нуля провала на синусоидальном сигнале, снимаемом осциллографом с приемной катушки.

Изобретение относится к области исследования характеристик ВТСП материалов. Сущность способа, основанного на индукционном возбуждении кольцевого тока в образце и определении критического тока по величине тока возбуждающей катушки индуктивности, заключается в том, что возбуждают кольцевой ток в образце произвольной плоской формы полем синусоидального тока возрастающей амплитуды на частоте 340 - 360 кГц, регистрируют на выходе приемной катушки синусоидальный сигнал, имеющий в области максимума амплитуды провал до нулевого уровня потенциала, и увеличивают амплитуду возбуждающего синусоидального тока до появления в области провала потенциала, отличного от нуля, по зарегистрированной в этот момент амплитуде возбуждающего тока определяют величину критического тока образца. 2 ил.

Способ измерения критического тока ВТСП материала J-Ba-Cu-O, основанный на индукционном возбуждении кольцевого тока в образце и определении критического тока по величине тока возбуждающей катушки индуктивности, отличающийся тем, что возбуждают кольцевой ток в образце произвольной плоской формы полем синусоидального тока возрастающей амплитуды на частоте 340 360 кГц, регистрируют на выходе приемной катушки синусоидальный сигнал, имеющий в области максимума амплитуды провал до нулевого уровня потенциала, и увеличивают амплитуду возбуждающего синусоидального тока до появления в области провала потенциала, отличного от нуля, по зарегистрированной в этот момент амплитуде возбуждающего тока определяют величину критического тока образца.