Устройство для исследования зависимости токонесущей способности сверхпроводников от температуры

 

Изобретение относится к технике измерения при исследовании свойств сверхпроводников. Цель изобретения - повышение точности регулирования температуры сверхпроводника при сокращении времени на переход с одной температуры на другую. Для этого в устройство введены камеры испарения гелия с датчиком уровня и нагревателем и камера нагрева газа с нагревателем, фильтрующие сетки и блоки испарения жидкого гелия и регулирования нагрева газа. Камера нагрева газа отделена от камеры испарения изолирующим стаканом с отверстиями для прохода газа. Фильтрующие сетки установлены между выходом камеры нагрева газа и входом в измерительную камеру. Нагреватель камеры испарения подсоединен к выходу блока испарения жидкого гелия, датчик уровня - к входу этого блока. Нагреватель газа подсоединен к выходу блока регулирования нагрева газа. После захолаживания в камеру испарения поступает жидкий гелий под влиянием гидростатического давления. Блок испарения регулирует испарение жидкого гелия в соответствии с его поступлением в камеру испарения. При этом уровень гелия в камере испарения поддерживается постоянным, что исключает нестационарность испарения. Через изолирующий стакан газообразный гелий поступает в камеру нагрева газа. Блок нагрева газа определяет мощность нагревателя газа, необходимую для поддержания данной температуры газообразного гелия. При этом переход к новой температуре образца сокращается по времени. 1 ил.

Изобретение относится к технике измерения свойств сверхпроводников, а более конкретно к устройствам для измерения токонесущей способности сверхпроводящих (СП) образцов при разных значениях температуры. Цель изобретения - повышение точности регулирования температуры при сокращении времени при переходе на другой температурный уровень. На чертеже приведен общий вид устройства. В криостате 1 находится источник внешнего магнитного поля 2, в центре которого расположен исследуемый образец сверхпроводника 3. Температура образца измеряется полупроводниковым термометром сопротивления 4, размещенным в медном блоке 5. Выводы СП-образца, расположенного в измерительной камере 6 на держателе 7, подключены через токовводы 8 к источнику питания. Измерительная камера 6 изолирована от криостата 1 вакуумной полостью 9. Сменный шток 10 вставляется в криостат и фиксируется на крышке фторопластовым уплотнением 11. Жидкий гелий из криостата 1 поступает через игольчатый вентиль 12 в камеру 13 испарения жидкого гелия, где находится датчик 14 уровня жидкого гелия и нагреватель 15. Из камеры 13 испарения жидкого гелия пары гелия проходят через отверстия изолирующего стакана 16, предназначенного для отделения капель жидкости от потока газа. В камере 17 нагрева газа расположен электронагреватель 18. Перед тем как попасть в измерительную камеру 6, поток газа проходит через фильтр 1? 9, состоящий из четырех слоев тонкой металлической сетки. Поток газа из измерительной камеры 6, регулируемый вентилем 20, поступает в газгольдер 21 или откачивается вакуумным насосом при получении температур ниже 4,2 К. Вакуум в полости 9 измеряется манометрической лампой 22. Все детали устройства выполнены из немагнитных материалов. Регулирование температуры СП-образца осуществляется при помощи блока 23 испарения жидкого гелия и блока 24 регулирования нагрева газа. В состав блока 23 испарения жидкого гелия входят источник 25 стабилизированного тока, источник 26 опорного напряжения, усилитель 27, электронный фильтр 28, источник питания 29. В состав блока 24 нагрева газа входят задатчик температуры 30, умножитель 31, источник питания 32. Устройство работает следующим образом. Сменный шток 10 уплотняется на крышке криостата 1. Вентилем 20 задается поток газообразного гелия из измерительной камеры 6. Под действием гидростатического давления происходит натекание жидкого гелия в камеру 13 до достижения заданного уровня. В качестве датчика 14 уровня жидкого гелия используется, например, резистор Allan-Bradley (150 Ом, 0,25 Вт), причем резистор располагается не параллельно уровню жидкости, а вертикально, что позволяет получить более плавное изменение сопротивления датчика в зависимости от высоты уровня жидкого гелия. При запитке датчика стабилизированным током 10 мА от источника тока 25 напряжение на датчике изменяется на 0,2 В при полном погружении в жидкий гелий. Испарение жидкого гелия регулируется блоком 23 испарения жидкого гелия таким образом, что мощность на нагревателе 15 соответствует потоку жидкого гелия, поступающему в камеру испарения 13. Процесс нагрева жидкого гелия происходит автоматически, напряжение с датчика уровня 14 сравнивается с опорным, выдаваемым источником опорного напряжения 26, а регулирующий сигнал подается на усилитель 27 с коэффициентом усиления 10² и далее поступает на электронный фильтр 28, который необходим для согласования медленных криогенных процессов с быстрым срабатыванием электроники. Фильтр 28 обеспечивает равномерное во времени испарение жидкого гелия путем сглаживания пульсаций напряжения. В противном случае из-за скачков мощности на нагревателе 15 происходит быстрое превращение жидкости в пар, а так как плотность пара в несколько раз меньше плотности жидкости, то дополнительное увеличение объема пара создает скачок давления, из-за чего происходит вытекание жидкости из испарительной камеры 13 и резко уменьшается уровень жидкости. Напряжение с фильтра 28 поступает на вход источника питания 29, который регулирует мощность, выделяемую на нагревателе 15 камеры 13 испарения жидкого гелия. Обратная связь контура регулирования осуществляется через уровень жидкого гелия, измеряемый датчиком уровня 14. Блок 23 испарения жидкого гелия поддерживает постоянный уровень жидкого гелия в камере 13, при этом испарение гелия происходит равномерно во времени без скачков давления. Испарившиеся пары гелия с температурой около 4,2 К поступают через отверстия изолирующего стакана 16, изготовленного из текстолита, в камеру нагрева газа 17. Изолирующий стакан 16 предназначен для сепарирования капель жидкости, присутствующих в потоке газа. Для того чтобы разогреть поток газа с массовым расходом m до температуры T, к нагревателю газа 18 подводят мощность, пропорциональную произведению m (T-4,2 К). Так как количество испаряющегося гелия пропорционально мощности, выделяемой на нагревателе 15 жидкости, для регулирования разогрева газа сигнал с электронагревателя 15, пропорциональный m, подается на один вход электронного умножителя 31 аналоговых сигналов. На другой вход умножителя 31 поступает напряжение с задатчика температуры 30, соответствующее температуре T, до которой следует разогреть СП-образец. Напряжение с выхода умножителя 31, соответствующее мощности, требуемой для нагрева газа до заданной температуры, поступает на вход источника питания 32 нагревателя газа 18. Электронная схема регулирования температуры обеспечивает автоматический выход на заданное значение температуры, причем переход на другой уровень температуры занимает не более 30 с. Устройство используется для регулирования температуры СП-образца в диапазоне 4,2-30 К. Измерение температуры СП-образца осуществляется полупроводниковым термометром сопротивления типа ТПК-720А. Расход гелия 0,1-0,3 см³/с. Измерение характеристик СП-образца при температуре T<4,2 К проводится при откачке паров гелия из штока и криостата. При этих измерениях температура СП-образца дополнительно контролируется по давлению паров гелия. При фиксированном значении внешнего магнитного поля и температуры ведется запись напряжения на СП-образце в функции тока образца. Устройство позволяет за счет интенсивного охлаждения исследуемого объекта и токовводов провести исследование токонесущей способности сверхпроводника до тока 500 А при непосредственной запитке СП-образца от источника питания. При использовании для запитки СП-образца СП-трансформатора, первичная обмотка которого расположена в криостате, а вторичная - в экспериментальном объекте, значение максимального тока составляет 10 кА. Исследование характеристик СП-образца проводят в СП-соленоиде с апертурой диаметром 60 мм, который позволяет получить магнитное поле до 6 Тл. Устройство автономно и предназначено для работы в стандартном криостате, конструкция устройства позволяет производить быструю замену СП-образца. Устройство позволяет проводить исследование характеристик СП-образцов при больших тепловыделениях в объеме экспериментальной камеры. Точность поддержания температуры исследуемого объекта ± 10 мК, причем переход на другой температурный уровень занимает менее 3 с. (56) Hudson P. A. et al. IEEE Transaсtion on Magnetics, 1983, vol. MaG-19, N 3, р. 903. Swenson C. A. and Stane R. H. The Review of Scientific Instrum, v. 25, N 6 p. 608-611. 1954.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ТОКОНЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВЕРХПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее криостат, источник внешнего магнитного поля, сменный шток с измерительной камерой, причем выход камеры через вентиль соединен с газгольдером, а вход соединен с криостатом, отличающееся тем, что, с целью повышения точности регулирования температуры и сокращения времени на переход с одной температуры на другую, в него дополнительно введены камера испарения жидкого гелия с датчиком уровня и нагревателем, камера нагрева газа с нагревателем, фильтрующие сетки, блок испарения жидкого гелия и блок регулирования нагрева газа, причем камера нагрева газа отделена от камеры испарения жидкого гелия изолирующим стаканом с отверстиями для прохода газа, выход камеры нагрева газа через фильтрующие сетки соединен с измерительной камерой, вход блока испарения жидкого гелия соединен с датчиком уровня жидкого гелия, а выход - с нагревателем камеры испарения жидкого гелия и входом блока регулирования нагрева газа, выход которого соединен с нагревателем.

РИСУНКИ

Рисунок 1