Датчик криогенных температур Советский патент 1985 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к термомет рии и может быть использовано при изменении криогенных температур. Цель изобретения - упрощение кон струкции устройства наряду с обеспе чением линейности выходной характеристики при непрерывном контроле те пературы. На фиг, 1 показана конструкция датчика, разрез; на фиг. 2 - температурная зависимость напряжения на термочувствительном элементе при токе 1А. Датчик содержит.сверхпроводящий термочувствительный элемент 1.источ ник магнитного поля в виде постоянного магнита 2 в форме цилиндра, электроды 3 и 4, предназначенные для включения датчика в измерительн схему четырехточечной схеме, покрытие 5, вьтолненное, например, из отвердевшей эпоксидной смолы и пред назначенное для обеспечения жесткос ти конструкции датчика и защиты тер мочувствительного элемента 1 от пов реждений. Термочувствительный элемент 1 датчика контактирует с магнитом 2 и выполнен в виде тела вращения переменного сечения,ось которого совпадает с осью магнита 2, при этом сечение S(x)термочувствительного элемента 1, задающее профиль послед него, определяется по формуле S(x) С е 1 где X - текущая координата, отсчитанная от магнита по оси термочувстивтельного элемента;HQ - магнитное поле рассеяния на поверхности магнита; Н| - критическое магнитное поле сверхпроводника для О К; С, oi - эмпирические константы, зависящие от физических свой ств и геометрии сверхпровод ника и магнита. Выражение (1), задающее определен ный закон изменения сечения термочув ствительного элемента 1 по его длине обеспечивает линейность выходной характеристики датчика. Оно справедливо для любой пары сверхпроводника первого рода и постоянного магнита. Ограничение накладывается лишь на напряженность магнитного поля рас сеяния: очевидно, при Ное 1ц при любом X выражение (1) не имеет физического смысла. Это означает, что сверхпроводимость уже разрушена магнитным полем рассеяния во всем объеме сверхпроводника при любой температуре. Константа С определяется размерами термочувствительного элемента и сравнима с площадью торцового участка, контактирующего постоянным магнитом, s(0 ) - IНк Константа cf. определяется рассея- нием магнитного потока на торцовой поверхности постоянного магнита, контактирующей с термочувствительным элементом. Она может меняться в широких пределах в зависимости от магнитного состояния постоянного магнита (намагниченности насыщения, характера доменной структуры и т.д.), а .также его размеров. Для рассматриваемого ниже примера oL для гексаферрита бария 4 -10 см . В качестве постоянного магнита могут быть использованы, например, гексаферрит бария,самарийкобальтовый сплав и другие магнитные материалы. С целью расширения температурного интервала измерений для термочувствительного элемента необходимо выбрать сверхпроводники с высокой критической температурой Т| , например тантал (Т 4,4 К), свинец (Т 7,2 К), ниобий (Т, 9,2 К). С целью упрощения технологии изготовления датчика сверхпроводящий термочувствительный элемент может быть выполнен из свинца, а источник магнитного поля - из гексаферрита бария. Гексаферрит бария с одноосной магнитной анизотропией обладает большой остаточной индукцией (В 2,9 ) и большой магчитной энергией (ВН 1 ,8 юТс), что обеспечивает значительный магнитный поток. Свинец - сверхпроводник первого рода с достаточно высокой критической температурой. Диапазон критических магнитных полей разрушения свинца при изменении температуры от О до 7,2 К составляет 800-03, что по порядку величины соответствует магнитному полю рассеяния гексаферрита бария. Кроме того, свинец легко подвергается механической обработке, не хрупок, обеспечивает хороигий электрический контакт с проводником. Датчик работает следующим образом. Постоянный магнит 2 обладает одноосной магнитной анизотропией с осью легкого намагничивания (ОЛН) перпендикулярной плоскости контакта с термочувствительным элементом. Та кая ориентация ОЛН обеспечивает зна чительный магнитный поток в направл нии термочувствительного элемента 1 По мере удаления от поверхности пос тоянного магнита 2 магнитный поток рассеивается, и различные участки термочувствительного элемента находятся в разном магнитном поле - поле рассеяния постоянного магнита 2. Та часть сверхпроводника, где полерассеяния превосходит критическое поле разрушения сверхпроводимости при данной температуре, переходит в реэистивное состояние и дает вклад в падение напряжения U , снимаемое с торцовых поверхностей термочувствительного элемента 1. Изменение температуры соответствует изменению критического поля. Это означает, что при изменении температуры граница сверхпроводник-нормальный металл сдвигается по оси чувствительного элемента. В этом случае падение напряжения монотонно изменяется с изменением температуры. 8391 Пример. Датчик вьтолнен с термочувствительным элементом из свинца и постоянным магнитом из гексаферрита бария при следующих геометрических размерах свинцового образца и феррита, мм: Длина ферритового цилиндра Диаметр ферритового цилиндра Длина свинцового образца Начальный диаметр свинцового образца Конечный диаметр свинцового образцао Зависимость 5(х)выбирали исходя из формулы (1) с последующей ручной корректировкой профиля свинцового образца. Токовые и потенциальные электроды датчика вьтолнены из медного провода диаметром 0,5 и 0,1 мм соответственно. Контакты со свинцовым образцом осуществлялись припаиванием с последующей заливкой свинцового образца и места контактов эпоксидным клеем. Выходная характеристика датчика снятая при токе 1А, приведена на иг. 2. Рабочий диапазон измерения иГз-Г датчиком данной конструк4

фиг 1 U.fS 20Q . WO . 7 T.M

1. ДАТЧИК КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР, содержащий сверхпроводящий термочувствительный элемент и источник магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью упрощения устройства и обеспечения линейности его выходной характеристики при непрерывном контроле температуры, источник магнитного поля выполнен в виде постоянного магнита в форме цилиндра, а сверхпроводящий термочувствительный элемент контактирует с магнитом и выполнен в виде тела вращения переменного сечения, ось которого совпадает Сосью магнита, при этом сечение S(x) жермочуствительного элемента определяется по формуле iTT .-otx S(x) се где X - текущая координата, отсчитанная от магнита по оси термочувствительного элемента; HO магнитное поле рассеяния на поверхности магнита; HK критическое магнитное поле сверхпроводника ДЛЯ О К; C.oL эмпирические константы, зависящие от физических свойств и геометрии сверхпроводника и магнита.. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что сверхпроводящий термочувствительный элемент выполнен СО из свинца, а постоянньй магнит - из гексаферрита бария. 00 оо со