高温超导块材表层临界电流密度不均匀性测量方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高温超导块材表层临界电流密度不均匀性测量方法及装置，属于磁测量【技术领域】。所述测量装置包括励磁线圈、次级线圈、线圈支架、待测样品平台、锁相放大器、功率放大器、精密电阻和阻抗调节电阻；所述的测量方法首先使待测样品平台、励磁线圈、次级线圈和待测高温超导样品在无磁场状态下完全冷却；然后在每个锁相放大器的输出电压下，通过计算分别得到励磁电流峰值和次级线圈内三次谐波电压峰值；计算待测高温超导样品在某激励磁场强度下的临界电流密度值和穿透深度，并绘制曲线。本发明可以用于测量高温超导块材表层临界电流密度的不均匀性，测量误差范围为10％；可以实现电压信号的测量，其测量精度高达1nV。
【专利说明】高温超导块材表层临界电流密度不均匀性测量方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于磁测量【技术领域】，可以在超导材料研宄、强磁体设计、磁悬浮等领域得 到一定的应用和延伸，具体涉及一种高温超导块材表层临界电流密度不均匀性测量方法及 装置。
【背景技术】
[0002] 随着高温超导技术的发展，高温超导块材正在逐渐向实用化迈进，在超导磁悬浮 列车、磁悬浮轴承、强磁场永久磁体、超导储能飞轮和超导电机等方面具有广泛的应用前 景。这些应用所涉及的性能参数主要取决于超导材料捕获磁场的能力，而其捕获磁场的能 力与超导材料的临界电流密度成比例关系。临界电流密度是决定高温超导块材性能的基本 特征参数之一。合理的材料选择对于系统的可靠性十分重要，因此针对不同的应用场合需 对超导材料的临界电流密度进行测量表征。熔融制备是高温超导块材的制备方法中一种常 见的方法，可以获得高临界电流密度的块材，有着广泛的应用。该方法中使用一籽核，例如 NdBCO,产生所需的晶体取向。所制备出的超导块材因此表现出沿轴向的各向异性，临界电 流密度沿轴向也表现出明显的变化。这个特征参数对于超导块材性能表征有重要意义，对 于其制备技术的改进也十分重要。临界电流密度的变化对于超导块材应用具有重要的参考 价值。
[0003] 传统超导块材的临界电流密度感应测量方法有两种，一种是基于测量超导材料的 磁化率的方法；一种是基于测量三次谐波响应的方法。第一种是根据对放置于磁化率计中 的超导块材的平均磁化情况进行计算分析，因此无法得到距离高温超导块表层不同深度的 临界电流密度的值。第二种方法目前的也只是针对临界电流密度特性均匀的超导块材进行 测量和分析，对于测量中由于临界电流密度分布的不均匀性的情况没有分析和表征，因此， 对于超导块材表层部分的临界电流密度分布的磁测量还没有相关方法报道。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种用于测量高温超导块材表层临界电流密度的方法及装 置。所述测量装置包括励磁线圈、次级线圈、线圈支架、待测样品平台、锁相放大器、功率放 大器、精密电阻和阻抗调节电阻；所述的精密电阻和阻抗调节电阻均串联在励磁线圈双绞 引出线上，所述的励磁线圈双绞引出线与功率放大器的输出端连接，所述锁相放大器的两 个输入端分别连接精密电阻电压双绞引出线和次级线圈双绞引出线，锁相放大器输出端连 接功率放大器的输入端；其中，励磁线圈绕制在线圈支架上，次级线圈绕置于励磁线圈上， 线圈支架固定于待测样品平台的中心孔处，励磁线圈、次级线圈、线圈支架、待测样品平台、 待测高温超导样品均放置于液氮容器中。
[0005] 所述的测量方法包括如下步骤：
[0006] 第一步，放置测样品平台于液氮容器中，放置待测高温超导样品于待测样品平台 的中心孔上方；
[0007] 第二步，在液氮容器中放置液氮，使待测样品平台、励磁线圈、次级线圈和待测高 温超导样品在无磁场状态下完全冷却；
[0008] 第三步，开启锁相放大器和功率放大器工作电源并预热；
[0009] 第四步，连接测量装置引线；
[0010] 第五步，锁相放大器参数设定；
[0011] 第六步，设定"OSCOUT"初始值为0. 005V，按照1. 1倍逐步增大锁相放大器输出电 压有效值；
[0012] 第七步，在每个锁相放大器的输出电压下，读取锁相放大器A输入端电压 值，得到精密电阻的电压有效值，记为^i，读取锁相放大器B输入端的三次谐波电压 有效值，记为V32ms;通过计算分别得到励磁电流峰值./_ ，其中r为精密电阻 的阻值，:T= 0. 5Ω，i= 1，2，…M，M表示测量次数，次级线圈内三次谐波电压峰值 =V^Wes，i= 1,2, ，M表示测量次数；当励磁电流达到0. 6A时停止增加锁相 放大器的输出电压；
[0013] 第八步，计算待测高温超导样品在某激励磁场强度下的临界电流密度值：
[0014] 第九步，计算穿透深度；
[0015] 第十步，根据待测高温超导样品的临界电流密度值和磁场穿透深度到数据，获得 临界电流密度在距离表层不同深度时的值，并且将这一变化绘制成Jd-Cli曲线。
[0016] 本发明与现有技术相比，具有以下优势：
[0017] (1)本发明采用的原理及方法的误差范围为10%。
[0018] (2)本发明是一种无损快速检测量高温超导块材表层临界电流密度的方法及装 置；
[0019] (3)本发明所采用的SignalRecovery7264锁相放大器可以提供0-5V任意恒 压输出，输出步长为InV，谐波抑制能力-90dB，可以实现电压信号的测量，其测量精度高达 InV；
[0020] (4)本发明所采用的串联在励磁线圈回路中的电阻器（包括精密电阻和阻抗调节 电阻）为千分之一精度，其温度稳定性为30ppm。确保了励磁线圈中所通过电流的稳定性， 从而产生稳定的交流磁场。
[0021] (5)本发明所采用的励磁场频率为270Hz，锁相放大器可以有效削弱其他频率的 交变磁场在励磁频率附近的干扰磁场及其他频段的高次谐波磁场在该频段干扰。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1是本发明装置的整体结构剖面图；
[0023] 图2是本发明中测量得到同一样品的上下两个截面的V3-Im曲线，图中横坐标为不 同样品的编号，纵坐标表不磁导率；
[0024] 图3是本发明中测量得到同一样品的上下两个截面的上-d曲线。
[0025] 图中：
[0026] 1.励磁线圈； 2.次级线圈； 3.线圈支架； 4.待 测样品平台；
[0027] 5.待测高温超导样品； 6.精密电阻； 7.阻抗调节电阻；8.次 级线圈双绞引出线
[0028] 9.精密电阻电压双绞引出线；10.励磁线圈双绞引出线； 11.锁 相放大器；
[0029] 12.功率放大器； 13.液氮容器；
【具体实施方式】
[0030] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0031] 本发明提供一种高温超导块材表层临界电流密度不均匀性测量方法及装置，如图 1所示，所述测量装置包括励磁线圈1、次级线圈2、线圈支架3、待测样品平台4、锁相放大器 11、功率放大器12、精密电阻6和阻抗调节电阻7。所述的精密电阻6和阻抗调节电阻7均 串联在励磁线圈1上，本发明中所提到的测量方法及装置可以用于测量高温超导块材表层 临界电流密度的不均匀性。
[0032] 其中，励磁线圈1绕制在线圈支架3上，次级线圈2绕置于励磁线圈1上，线圈支 架3固定于待测样品平台4的中心孔处。线圈支架3以及待测样品平台4是用来保证待测 高温超导样品5下表面与励磁线圈1的间距恒定，保证励磁线圈1和次级线圈2结构牢固、 无松动，以及保证测量过程中整个装置的机械强度稳定性。励磁线圈1、次级线圈2、线圈支 架3、待测样品平台4、待测高温超导样品5均放置于液氮容器13中；液氮容器13用于盛液 氮，保持液氮容器13内部温度处于液氮温度。待测高温超导样品5为直径不小于两倍励磁 线圈1的直径的高温超导块材，放置于待测样品平台4中心孔上方处。所述的励磁线圈1、 次级线圈2和线圈支架3均位于待测样品平台4的中心孔内，所述的待测高温超导样品5 覆盖在所述的中心孔上方。
[0033] 锁相放大器11由OUT输出端提供激励电压参考信号，接入功率放大器12,功率放 大后的激励电压信号经过励磁线圈双绞引出线10接入励磁线圈回路。励磁线圈1用来产 生激励磁场。串联在励磁线圈1上的精密电阻6用来辅助测量励磁线圈1中的电流：具体 方法是将接在精密电阻6两端的精密电阻电压双绞引出线9接入锁相放大器11的A输入 端，锁相放大器11具有电压测量的功能，由欧姆定律有，励磁线圈1中的通电电流等于锁相 放大器11测量电压除以精密电阻6的阻值；串联在励磁线圈1上的阻抗调节电阻7用于调 节励磁线圈回路整体阻抗；次级线圈2用来探测激励磁场磁化待测高温超导样品5时，待测 高温超导样品5的磁场响应，具体方法为将次级线圈双绞引出线8接到锁相放大器B输入 端。锁相放大器11读取A输入端的基波电压信号、B输入端的三次谐波电压信号。
[0034] 本发明提供的高温超导块材表层临界电流密度不均匀性测量方法，基本原理如 下：
[0035] 励磁线圈1附近磁场与励磁电流之间关系可由以下计算得到。
[0036] 建立柱坐标系（P，Θ，z)，坐标原点在待测高温超导样品5表面，待测高温超导样 品5下表面距离励磁线圈1上表面为Z1，距离励磁线圈1下表面为Z2，励磁线圈1长度Z2-Z1; 对待测高温超导样品5进行磁化的励磁线圈1通入的交流电流为Imcos〇t，Im为激励电流 峰值，ω= 2πf为励磁电流角频率，f为励磁电流频率。激励线圈1产生平行于待测高温 超导样品5表面磁场HJp，t)可以由公式（1)给出：
[0037]H〇(p,t) = -ImF1 (P)cosωt (I)
[0038] 公式⑴中F1(P)为线圈结构决定的参数，由公式⑵给出：
[0039]
【权利要求】
1. 高温超导块材表层临界电流密度不均匀性测量装置，其特征在于：所述测量装置包 括励磁线圈、次级线圈、线圈支架、待测样品平台、锁相放大器、功率放大器、精密电阻和阻 抗调节电阻；所述的精密电阻和阻抗调节电阻均串联在励磁线圈双绞引出线上，所述的励 磁线圈双绞引出线与功率放大器的输出端连接，所述锁相放大器的两个输入端分别连接精 密电阻电压双绞引出线和次级线圈双绞引出线，锁相放大器输出端连接功率放大器的输入 端； 其中，励磁线圈绕制在线圈支架上，次级线圈绕置于励磁线圈上，线圈支架固定于待测 样品平台的中心孔处，励磁线圈、次级线圈、线圈支架、待测样品平台、待测高温超导样品均 放置于液氮容器中。
2. 根据权利要求1所述的高温超导块材表层临界电流密度不均匀性测量装置，其特征 在于：待测高温超导样品为直径不小于两倍励磁线圈的直径的高温超导块材。
3. 高温超导块材表层临界电流密度不均匀性测量方法，其特征在于：所述的测量方法 包括如下步骤， 第一步，放置测样品平台于液氮容器中，放置待测高温超导样品于待测样品平台的中 心孔上方； 第二步，在液氮容器中放置液氮，使待测样品平台、励磁线圈、次级线圈和待测高温超 导样品在无磁场状态下完全冷却； 第三步，开启锁相放大器和功率放大器工作电源并预热； 第四步，连接测量装置引线； 第五步，锁相放大器参数设定； 第六步，设定"OSCOUT"初始值为0. 005V，按照1. 1倍逐步增大锁相放大器输出电压 有效值；第七步，在每个锁相放大器的输出电压下，读取锁相放大器A输入端电压值，得到 精密电阻的电压有效值，记为Vni，读取锁相放大器B输入端的三次谐波电压有效值，记为
为第个测量点所对应的激励磁场。 第十步，根据待测高温超导样品的临界电流密度值和磁场穿透深度到数据，获得临界 电流密度在距离表层不同深度时的值，并将这一变化绘制成J。,i-di曲线。
4. 根据权利要求3所述高温超导块材表层临界电流密度不均匀性测量方法，其特征在 于：所述的锁相放大器的参数设定包括： 5. 1调节锁相放大器11输出电压的频率f= 270Hz; 5. 2调节锁相放大器11输出电压有效值为0V; 5. 3调节锁相放大器11输入相位为0 ; 5. 4设定功率放大器12电压放大倍数为5倍。
【文档编号】G01R19/08GK104483530SQ201410815549
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月24日 优先权日:2014年12月24日
【发明者】王三胜, 贺同福 申请人:北京航空航天大学