СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ КРИТИЧЕСКОГО ТОКА ОБРАЗЦОВ ВТСП-КЕРАМИКИ Российский патент 1998 года по МПК G01R33/35 G01N29/00 

Изобретение относится к способам измерения физических свойств ВТСП-материалов.

Критическая плотность тока является одним из основных параметров высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), определяющих возможности их практического использования.

При определении критической плотности тока в ВТСП-керамике используются бесконтактные и контактные методы измерения.

Среди бесконтактных методов наиболее широко используется измерение магнитного момента М образца ВТСП-керамики, находящегося в магнитном поле Н. В этом случае определение величины критической плотности тока I_c производится по ширине петли гистерезиса М(Н) с помощью модели Бина [1] В модели Бина показано, что для критической плотности тока I_c предельный гистерезис намагниченности Δm = ΔM/V (V объем образца) связан с I_c соотношением Δm = I_c•t/2 для бесконечной пластины толщиной t при направлении магнитного поля параллельно плоскости пластины.

Известен [2] бесконтактный метод измерения критического тока, принцип действия которого заключается в следующем. Сверхпроводящий образец помещается в продольное статическое магнитное поле H_о. Коллинеарно ему накладывается переменное магнитное поле H(t). Приемная катушка, охватывающая образец, осуществляет регистрацию изменений магнитного потока, проникающего в образец. Переменное поле H(t) является внешним возмущением, а ЭДС, возникающая в приемной катушке, сигналом отклика сверхпроводника. Представление о характере проникновения магнитного поля в сверхпроводник основано на модели критического состояния. Имея расчетную зависимость, связывающую внешнее возмущение H(t) и сигнал отклика V(t), можно определить I_c.

Известен способ [3] определения плотности критического тока с помощью трансформаторного устройства. Устройство состоит из разборного магнитопровода из феррита, первичной обмотки из медного провода и вторичной обмотки в виде короткозамкнутого кольца из ВТСП-материала. Устройство помещается в криостат с жидким азотом.

Благодаря ненасыщенному магнитопроводу обеспечивается изменение входного сопротивления устройства при переходе от режима короткого замыкания (образец в сверхпроводящем состоянии) к режиму нагрузки или холостого хода (образец в нормальном состоянии) и по коэффициенту трансформации можно установить связь между токами первичной обмотки и образца.

Критический ток образца определяется по изменению угла наклона вольт-амперной характеристики или по зависимости входного сопротивления от тока, а также по появлению нелинейных искажений на кривой напряжения первичной обмотки.

К основным недостаткам бесконтактных методов измерения плотности критического тока следует отнести низкую точность измерения, обусловленную влиянием формы и размера образца керамики на результаты измерения, сложностью и большой погрешностью количественных расчетов измеряемого параметра.

Известен контактный способ для определения критической плотности тока в ВТСП-керамике, реализуемый четырехзондовым методом [4] измерения. При этом способе на образец ВТСП-керамики наносят токовые и потенциальные омические контакты. Через токовые контакты пропускают изменяющийся по величине транспортный ток I а на потенциальных контактах фиксируют ход вольт-амперной характеристики ВАХ. При переходе образца из сверхпроводящего в резитивное состояние происходит "излом" ВАХ. Измеренный при этом транспортный ток I, отнесенный к площади поперечного сечения образца S, определяет плотность критического тока I_c=I/S.

Основной проблемой для контактных методов измерения является возникновение теплового нагрева, который связан с контактным перегревом при пропускании транспортного тока через образец ВТСП-керамики.

Возникновение контактного перегрева обусловлено сопротивлением контакта металл-керамика и определяется равенством тепловыделения на единицу площади контакта. При этом ток в контакте удовлетворяет стационарному уравнению теплового баланса RI²=qS, где R=(0,1-10) Ом -контактное сопротивление, q=(10-20) Вт/см²- величина мощности, отводимая криогенной жидкостью, S=(1-5) см² -площадь поверхности образца, охлаждаемая жидким азотом. Допустимое значение транспортного тока варьируется в пределах 0,5-10 А. Уменьшить влияние контактного перегрева можно с помощью изготовления сужения в центре образца. При этом влияние тепловых эффектов можно уменьшить, однако при больших транспортных токах образец будет находиться в перегретом состоянии, что скажется на результатах измерения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и выбранным в качестве прототипа является способ [4] основанный на четырехзондовом методе измерения величины транспортного тока в момент перехода ВТСП-керамики из сверхпровядящего в резестивное состояние по появлению на потенциальных контактах порогового напряжения.

Основным недостатком известного способа является большая погрешность измерения и недостаточная надежность, связанные с контактным перегревом при измерениях больших транспортных токов образцов ВТСП-керамики.

Задачей изобретения является повышение точности и надежности измерений.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения плотности критического тока образцов ВТСП-керамики четырехзондовым методом, основанном на измерении величины транспортного тока, протекающего через образец в момент перехода ВТСП-керамики из сверхпроводящего в резестивное состояние, согласно изобретению, образец ВТСП-керамики помещают в переменное магнитное поле звуковой частоты, измеряют величину критического транспортного тока, определяют зависимость критического тока от величины магнитного поля и по этой зависимости судят о плотности критического тока при нулевом магнитном поле.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Образец керамики, подготовленный для измерения четырехзондовым методом, помещают в переменное магнитное поле. Изменяя напряженность магнитного поля, проводят измерение величины критического транспортного тока для каждого значения напряженности поля. Построив в осях координат зависимость критического тока от напряженности поля I_с(Н_п), определяют закон этой зависимости графически или с помощью ЭВМ. Экстраполируя эту зависимость до пересечения с осью ординат (нулевое поле), определяют плотность критического тока при нулевом поле.

Размещение образца ВТПС-керамики в переменном магнитном поле звуковой частоты, построение зависимости критического тока от величины магнитного поля и определение по этой зависимости плотности критического тока при нулевом магнитном поле позволяет проводить измерения при меньших транспортных токах через образец, что позволяет исключить контактный перегрев, а следовательно, повысить точность и надежность измерений.

Способ включает следующие операции:
помещение исследуемого образца в переменное магнитное поле;
изменение напряженности магнитного поля;
проведение измерений критического транспортного тока;
построение зависимости критического тока от напряженности поля;
определение плотность критического тока при нулевом магнитном поле.

На чертеже в качестве примера приведен график зависимости критического тока образцов ВТПС-керамики (различного химического и фазового состава) от напряженности переменного (2кгц) магнитного поля, снятый при температуре 77 К.

Из графика видно, что полевые зависимости критического тока образцов 1, 2 практически линейны в диапазоне 0-100Э и могут экстраполироваться отрезком прямой линии до пересечения с осью ординат.

Начало экстраполяции полевых зависимостей прямой линией возможно при критических токах в 2 раза меньших, чем в конце (пересечение с осью ординат).

Таким образом, отпадает необходимость проведения измерений при полях менее 100Э, где увеличение тока через образец может привести к контактному перегреву и снижению точности измерений.

Использование: изобретение относится к области измерения физических свойств ВТСП-материалов. Сущность: в способе измерения плотности критического тока образцов ВТСП-керамики четырехзондовым методом, основанном на измерении величины транспортного тока, протекающего через образец в момент перехода ВТСП-керамики из сверхпроводящего в резестивное состояние, образец ВТСП-керамики помещают в переменное магнитное поле звуковой частоты, измеряют величину критического транспортного тока, определяют зависимость критического тока от величины магнитного поля и по этой зависимости судят о плотности критического тока при нулевом магнитном поле. Отпадает необходимость проведения измерений при полях менее 100Э, где увеличение тока через образец может привести к контактному перегреву и снижению точности измерений. I ил.

Способ измерения плотности критического тока образцов ВТСП-керамики четырехзондовым методом, основанный на измерении величины транспортного тока, протекающего через образец в момент перехода ВТСП-керамики из сверхпроводящего в резистивное состояние, отличающийся тем, что образец ВТСП-керамики помещают в переменное магнитное поле звуковой частоты, измеряют величину критического транспортного тока, определяют зависимость критического тока от величины магнитного поля и по этой зависимости судят о плотности критического тока при нулевом полемагнитном поле.