抗磁测量探头、抗磁测量杆及抗磁测量装置的制作方法

本实用新型涉及超导体监测领域，特别是涉及一种抗磁测量探头、抗磁测量杆及抗磁测量装置。

背景技术：

迈斯纳效应是实验上判定一个材料是否为超导体的重要要素。迈斯纳效应指明了超导态是一个动态平衡状态，与如何进入超导态的途径无关，超导态的零电阻现象和迈斯纳效应是超导态的两个相互独立，又相互联系的基本属性。单纯的零电阻并不能保证迈斯纳效应的存在，但零电阻效应又是迈斯纳效应的必要条件。因此，衡量一种材料是否是超导体，必须看是否同时具备零电阻和迈斯纳效应。

当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时，磁体的磁场会使超导体表面中出现超导电流。此超导电流在超导体内部形成的磁场，恰好和磁体的磁场大小相等，方向相反。这两个磁场抵消，使超导体内部的磁感应强度为零。即完全抗磁性。具有完全抗磁性的物体磁场无法穿过，会使得其附近的线圈互感降低。这种现象即为迈斯纳效应。

传统的抗磁测量装置是将两个线圈放置在超导样品两侧来测量互感。传统的测量方法只能用于测量不依附于衬底的超导样品。而对于生长在绝缘衬底上的薄膜超导材料，在衬底的一侧无法放置线圈，导致无法测量互感。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的抗磁测量装置无法测量生长在绝缘衬底上的薄膜超导体的迈斯纳效应的问题，提供一种抗磁测量探头、抗磁测量杆及抗磁测量装置。

一种抗磁测量探头，用于测量超导体的迈斯纳效应，包括绝缘棒，绕置于所述绝缘棒的导电线圈，密封所述导电线圈的密封层；

所述导电线圈包括第一导电线圈和第二导电线圈，所述第二导电线圈用以提供磁场，所述第一导电线圈靠近所述第二导电线圈设置，用以监测感应电动势的变化。

在一个实施例中，所述第一导电线圈和所述第二导电线圈同轴设置。

在一个实施例中，以所述绝缘棒为轴心，所述第一导电线圈环绕所述绝缘棒设置，所述第二导电线圈环绕所述第一导电线圈设置；

所述密封层将所述第一导电线圈和所述第二导电线圈密封。

在一个实施例中，所述第一导电线圈至少500匝，所述第一导电线圈与所述第二导电线圈的匝数比为1:1-5:1。

在一个实施例中，所述绝缘棒为陶瓷棒，所述绝缘棒的直径为0.5mm-2mm，所述导电线圈为漆包铜线，所述漆包铜线的直径为25-50um。

在一个实施例中，待测超导体为设置在绝缘衬底上的薄膜超导材料，所述第一导电线圈和所述第二导电线圈设置在薄膜超导材料远离绝缘衬底的一侧。

一种抗磁测量杆，用于原位测量超导体的迈斯纳效应，包括上述任一所述的抗磁测量探头、连接件和支撑件，所述连接件的一端与所述绝缘棒固定连接，所述连接件的另一端与所述支撑件固定连接。

在一个实施例中，所述连接件为夹板，所述支撑件为磁力杆；通过所述夹板将所述抗磁测量探头固定于所述磁力杆，所述磁力杆带动所述抗磁测量探头移动以实现原位测量。

一种抗磁测量装置，包括上述任一所述的抗磁测量杆、与所述第一导电线圈电连接的测量设备、与所述第二导电线圈电连接的供电设备，所述测量设备与所述供电设备之间通信连接，用以监测所述测量设备与所述供电设备交流电压之间的相位差。

在一个实施例中，所述供电设备与所述测量设备集成于一锁相放大器，所述第一导电线圈与所述锁相放大器的参考信号相连，所述第二导电线圈与所述锁相放大器的输入信号相连。

上述抗磁测量探头、抗磁测量杆及抗磁测量装置，用于测量超导体的迈斯纳效应。所述抗磁测量探头的所述导电线圈包括第一导电线圈和第二导电线圈。以所述绝缘棒为轴心，所述第一导电线圈直接绕置于所述绝缘棒。所述第二导电线圈绕置于所述第一导电线圈。所述密封层将所述第一导电线圈和所述第二导电线圈密封于所述绝缘棒。所述第一导电线圈和所述第二导电线圈的设置方式使所述抗磁测量探头能够实现高精度的原位测量生长在绝缘衬底上的薄膜超导材料迈斯纳效应。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例提供的抗磁测量探头的结构示意图；

图2为本实用新型一个实施例提供的抗磁测量探头中导电线圈的缠绕方式示意图；

图3为本实用新型一个实施例提供的抗磁测量杆的结构示意图；

图4为本实用新型一个实施例提供的抗磁测量装置的结构示意图；

图5为本实用新型一个实施例提供的超导体样品的迈斯纳效应测试图。

主要元件符号说明

抗磁探头 10

抗磁测量杆 20

抗磁测量装置 30

绝缘棒 110

导电线圈 200

第一导电线圈 210

第二导电线圈 220

密封层 310

连接件 410

支撑件 420

测量设备 510

供电设备 520

具体实施方式

为了使本实用新型的实用新型目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图对本实用新型的抗磁测量探头、抗磁测量杆及抗磁测量装置的实施例进行具体描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1-2，本实用新型提供一种抗磁测量探头10，用于测量超导体的迈斯纳效应。所述抗磁测量探头10能够测量衬底是绝缘材料的薄膜超导体的迈斯纳效应。所述抗磁测量探头10包括绝缘棒110、导电线圈200和密封层310。所述导电线圈200缠绕于所述绝缘棒110。所述密封层310将所述导电线圈200 密封于所述绝缘棒110。

所述绝缘棒110为所述导电线圈200提供中心支撑。所述绝缘棒110的材质并不限制，只要有一定机械强度，能够承受所述导电线圈200的重量并能够完全密封即可。在一个实施例中，所述绝缘棒110可以为陶瓷棒，所述陶瓷棒的材质是刚玉。主要由于刚玉的绝缘性好，有一定机械强度，且在超高真空中不漏气。所述绝缘棒110的形状并不限制，只要能够保证所述导电线圈200缠绕后，不会损坏即可。优选地，所述绝缘棒110可以为圆柱形。所述绝缘棒110 选择圆柱形，避免了所述导电线圈200在缠绕过程中不必要的弯折，保证了所述导电线圈200的使用寿命。所述绝缘棒110的直径并不限制，根据具体的测量样品不同，所述绝缘棒110可以选择不同的直径。在一个实施例中，所述绝缘棒110的直径为0.5mm-2mm。在所述绝缘棒110的直径选取过程中还要考虑机械强度。所述绝缘棒110的直径可以根据测试样品的尺寸大小而选择。为避免影响测量精度，所述绝缘棒110的直径选取应与测量样品的尺寸相差不大。在一个实施例中，所述绝缘棒110的直径为1mm，用于测量表面积为1mm*1mm 到5mm*5mm的测试样品。

所述导电线圈200包括第一导电线圈210和第二导电线圈220。所述第二导电线圈220可用于通入交变电压，以提供磁场。所述第一导电线圈210用于监测感应电动势变化。当待测超导体为衬底是绝缘材料的薄膜超导体时，所述第一导电线圈210和所述第二导电线圈220设置于超导体的同侧。所述第一导电线圈210 靠近所述第二导电线圈220设置。所述第一导电线圈210和所述第二导电线圈220 的相对位置并不做具体的限定，只要保证所述第一导电线圈210能够监测到感应电动势的变化即可。所述第一导电线圈210和所述第二导电线圈220可以同轴设置，也可以分开设置。当所述第二导电线圈220通入交变电压以后，所述第二导电线圈220就会产生第一磁场。所述第一磁场靠近超导体表面时，超导体表面会产生超导电流，此超导电流在超导体内部形成第二磁场。所述第一磁场与所述第二磁场大小相等，方向相反。这两个磁场相互抵消，使超导体内部的磁感应强度为零。此时超导体处于完全抗磁状态。处于完全抗磁状态的超导体使附近的线圈互感降低。此时所述第一导电线圈210可测量到感应电动势降低。。

在一个实施例中，所述导电线圈200为具有绝缘层的导线，即在所述导电线圈200两端通交变电压就能够产生磁场。所述导电线圈200包括第一导电线圈 210和第二导电线圈220。所述第一导电线圈210具有第一入线头和第一出线头。以所述绝缘棒110为轴心，所述第一导电线圈210直接绕置于所述绝缘棒110。在绕置过程中，将所述第一导电线圈210的第一入线头固定在所述绝缘棒110 的第一端，之后转动所述绝缘棒110使得所述导电线圈200一圈一圈平铺在所述绝缘棒110上。然后将所述导电线圈200搭在绕置好的第一层线圈上，进而使得第二层线圈反向平铺在之前绕好的第一层线圈上。如此反复，可以一层一层地将所述导电线圈200绕在所述绝缘棒110上，形成所述第一导电线圈210，并留出第一出线头。所述第一导电线圈210可以绕置多层，每一层可以绕置多匝。绕制过程中，尽量保证所述导电线圈200之间紧密接触，使单位体积内的匝数最多。所述第二导电线圈220的绕置过程与所述第一导电线圈210的绕置过程基本相似。将所述第二导电线圈220的第二入线头固定在所述第一导电线圈210的第一端，之后转动所述绝缘棒110使得所述第二导电线圈220一圈一圈平铺在所述第一导电线圈210上。所述第二导电线圈220可以绕置多层，每一层可以绕置多匝。所述第二导电线圈220的层与层之间的绕线方式与所述第一导电线圈210的层与层之间的绕线方式一致。同样地，将所述第二导电线圈 220一层一层地绕置于所述第一导电线圈210上，并留出第二出线头。绕置完成后，从所述绝缘棒110的第一端看向第二端，所述第一导电线圈210的每一层的绕制方向相同。从所述绝缘棒110的第一端看向第二端，所述第一导电线圈 210的每一层的绕制方向相同。所述第一导电线圈210与所述第一导电线圈210 的绕制方向并不一定相同。在一个实施例中，所述导电线圈200通过绕线机绕制。所述绕线机可以自动旋转所述绝缘棒110，从而使所述导电线圈200一圈一圈卷在所述绝缘棒110上。所述密封层310将所述导电线圈200密封于所述绝缘棒110。在一个实施例中，所述密封层310将所述第一导电线圈210和所述第二导电线圈220密封于所述绝缘棒110。所述密封层310采用密封胶将所述导电线圈200密封。所述密封层310的厚度并不限制，只要能够保证所述抗磁测量探头10在超高真空下不漏气能够实现原位测量即可。在一个实施例中，所述密封层310的厚度1-3mm。具体的，密封胶可以选择进口真空密封胶、Torrseal真空密封胶、Vacseal真空密封胶、Agilent真空密封胶等，耐高温耐低温的真空密封胶。所述真空密封胶，用于快速、永久性的真空泄露密封。

具体的，所述导电线圈200的材质并不限制，所述导电线圈200的导电性能越高越好。所述导电线圈200可以选择银导线、铜导线。所述导电线圈200具有绝缘层，如漆包线。所述导电线圈200具有一定的机械强度。所述导电线圈 200的直径并不限制，能够完成所述第一导电线圈210和所述第二导电线圈220 的绕置，并能够正常工作即可。所述导电线圈200的直径可以为25-50um。在一个实施例中，所述导电线圈200为漆包铜线，所述漆包铜线的直径范围为25um。本实施例中，选取漆包铜线作为所述导电线圈200主要考虑到经济成本的问题。所述导电线圈200的直径选为25um，既满足了绕置过程中的机械承受力，又满足了单位体积绕置匝数高的需求。

在理想状态下所述导电线圈200不论有多少匝都能感测到迈斯纳效应。所述导电圈数的匝数越多信噪比越高，测量精度越高。在测试过程中，只要保证信噪比到达一定程度即可明显看到迈斯纳效应。在一个实施例中，直接绕置于所述绝缘棒110的所述第一导电线圈210至少500匝。在实际测量过程中，所述第一导电线圈210为测量线圈，所述第二导电线圈220为励磁线圈。所述激励线圈的匝数越多，产生的交变磁场越大。在一个实施例中，所述第一导电线圈 210与所述第二导电线圈220的匝数比为1:1-5:1。对于所述第一导电线圈210 和所述第二导电线圈220选择合适的匝数比，使所述导电线圈200能够保证合适的直径。所述抗磁测量探头10的直径能够保证与测量样品的尺寸相匹配。

在一个实施例中，所述导电线圈200可以选择直径为25um的漆包铜线。所述绝缘棒110的直径可以选择1mm的陶瓷棒。所述导电线圈200缠绕设置在所述陶瓷棒的一端。所述第一导电线圈210缠绕所述绝缘棒110共600匝。所述第二导电线圈220缠绕所述第一导电线圈210共200匝。所述抗磁测量探头10 的最终直径为3mm。所述密封层310选用Torrseal胶将所述导电线圈200围绕所述绝缘棒110密封，从而制成所述抗磁测量探头10。所述抗磁测量探头10的尺寸很小，测量精度高。

在使用过程中，将所述抗磁测量探头10放置于待测样品的上方，并且使所述第二导电线圈220产生的磁场能够覆盖到待测样品。较优地，所述抗磁测量探头10与待测样品间隔一定的角度。最优地，将所述抗磁测量探头10与待测样品垂直设置。即所述绝缘棒110与待测样品表面垂直。所述抗磁测量探头到待测样品的距离小于可以0.5mm。但所述抗磁测量探头与所述待测样品表面并不接触。

另外，由于超导体的生长和测量所依赖的环境因素很苛刻，超导体一旦暴露在生长环境外部，超导特性很可能消失。所述密封层310的设置，使所述抗磁测量探头10能够承受原位测量的实验条件。由于所述绝缘棒110的直径可以选择1mm的陶瓷棒。所述导电线圈200可以选择直径为25um的漆包铜线。因此，所述抗磁测量探头10能够实现超小尺寸的待测样品迈斯纳效应的测量。

请参阅图3，本实用新型提供一种抗磁测量探杆20，包括所述抗磁测量探头10、连接件410和支撑件420。

所述连接件410用于连接所述抗磁测量探头10与所述支撑件420。所述连接件410可以是套设于所述抗磁测量探头10与所述支撑件420的卡合件或螺纹固定件。可以理解，所述连接件410的具体形式并不限制只要能够将所述抗磁测量探头10与所述支撑件420固定连接即可。

所述支撑件420用于固定并支撑所述抗磁测量探头10。所述支撑件420可以将所述抗磁测量探头10伸入超导体的制备腔体。所述支撑件420的具体形状和具体长度并不限制，在具体的应用过程中可以单独配置。

在一个实施例中，所述连接件410为夹板，所述支撑件420为磁力杆。通过所述夹板将所述抗磁测量探头10固定于所述磁力杆。所述磁力杆带动所述抗磁测量探头10移动以实现原位测量。具体的所述夹板和所述磁力杆的材质和规格并不做具体的限定，只要能够帮助所述抗磁测量探头10实现原位测量超导体材料的迈斯纳效应即可。在实现原位测量过程中，先将所述抗磁测量探头10通过所述连接件410和所述支撑件420设置于待测样品的生长环境。待超导体实验完成以后，通过所述支撑件420的移动，带动所述抗磁测量探头10的移动。使所述抗磁测量探头10位于待测样品的测试位。所述的测试位就是所述抗磁测量探头10和待测样品相对垂直的位置。

在一个实施例中，所述绝缘棒110预留出一定长度，将所述导电线圈200绕置于所述绝缘棒110的一端。在所述导电线圈200的外周设置好所述密封层310，以形成所述抗磁测量探头10。将预留出一定长度的所述绝缘棒110的另一端固定设置于所述夹板。用机械的方法夹住所述绝缘棒110预留的长度以固定所述抗磁测量探头10。所述夹板与所述磁力杆连接，所述第一导电线圈210的第一入线头、第一出线头和所述第二导电线圈220的第二入线头、第二出线头可以连接到所述磁力杆对应的电极上。通过所述磁力杆相应的外部连接线，将所述第一导电线圈210和所述第二导电线圈220与外界连通。

请参阅图4，本实用新型提供一种抗磁测量装置30。所述抗磁测量装置30 包括：所述的抗磁测量杆20、测量设备510、供电设备520。

所述测量设备510与所述第一导电线圈210电连接。所述测量设备510测量所述第一导电线圈210的感应电动势。在一个实施例中，所述测量设备510为示波器或万用表，用以测量所述第一导电线圈210的感应电动势。

所述供电设备520与所述第二导电线圈220电连接。所述供电设备520为所述第二导电线圈220供电。在一个实施例中，所述供电设备520为交流电源，用以为所述第二导电线圈220提供交流电压。所述供电设备520可以提供1-5V的交流电压。交流电压的设置可以根据具体情况进行选择。但需要考虑到，交流电压过高会产生热量不利于迈斯纳效应的测试。在一个实施例中，交流电压的频率可以是20Hz到100kHz，所述第一导电线圈210都能够接收互感电动势，同时又可以滤除噪声。

所述测量设备510与所述供电设备520之间可以连接示波器，用于监测所述测量设备510与所述供电设备520交流电压之间的相位差。

本实施例中，在使用过程中，利用所述抗磁测量杆20将所述抗磁测量探头10 推入反应腔体中，测试样品处，实现原位测量。将抗磁测量探头10、测量设备 510、供电设备520连接完毕。打开所述供电设备520为所述第二导电线圈220提供交变电压，测量所述第一导电线圈210的感应电动势。这里需要说明的是，在所述测量设备510所测量的信号中，分为两部分—实部信号和虚部信号。所述实部信号，是指测量到的与输入信号同相位的信号。所述虚部信号是测量到的与输入信号相差90度相位的信号。从物理含义上讲，所述实部信号表示电路损耗，即电阻大小。而所述虚部信号表示电感信号，即可以从所述虚部信号直接得到互感大小。所以为了将测量到的信号的实部和虚部分开，所述测量设备510需要与所述供电设备520进行通讯，即两个仪器需要连接。在一个实施例中可以通过示波器连接，所述示波器能够监测到输入电压和感应电动势之间的相位差。

在一个实施例中，所述抗磁测量装置30包括所述抗磁测量杆20和锁相放大器，所述第一导电线圈210与所述锁相放大器的参考信号相连，所述第二导电线圈220与所述锁相放大器的输入信号相连。在使用过程中，与上述实施例相似。利用所述抗磁测量杆20将所述抗磁测量探头10推入超导体制备腔体中，测试样品处。将抗磁测量探头10和锁相放大器完成电连接。所述第二导电线圈 220与所述锁相放大器的输入信号相连，用于为所述第二导电线圈220提供交流电压。所述第一导电线圈210与所述锁相放大器的参考信号相连，用于测试所述第一导电线圈210的感应电动势。所述锁相放大器提供的交流电压的特征可以与上述的相同。此处不再赘述。

请参阅图5，超导体样品的迈斯纳效应测试图。在一个实施例中，采用所述抗磁测量装置30测量超导体的迈斯纳效应。本实施例中，所述抗磁测量探头10 的设置如下：所述绝缘棒110采用直径1mm的陶瓷棒。设置所述第一导电线圈 210环绕所述陶瓷棒600匝，所述第二导电线圈220环绕所述陶瓷棒200匝。所述导电线圈200为直径是25um的漆包铜线。所述密封层310厚度为1mm。所测量的样品表面积是3mm*3mm。具体实施方式如下：利用所述抗磁测量杆20 将所述抗磁测量探头10置于超导体的上方。打开所述锁相放大器的输入信号端，设置向所述第二导电线圈220中输入10uA，10kHz的交变电流。此时显示输入的交流电压为3V。保持所述第二导电线圈220的电流不变，降低温度，并通过所述第一导电线圈210测量出感应电动势信号随温度的变化。需要说明的是，左侧纵坐标虚部信号，即测量到的与输入信号相差90度相位的信号，表示电感信号。右侧纵坐标为实部信号，所述实部信号表示电路损耗，即电阻大小。

在测试过程中，所述供电设备520提供的交变电压或交变电流可根据具体测试需求自行设置。图5中可以看出，在超导体转变温度90开尔文附近，感应电动势显著下降。说明本实用新型所提供的抗磁测量探头10、所述抗磁测量杆20 及所述抗磁测量装置30的精度足以探测到超导体的迈斯纳效应。可以理解，所述抗磁测量装置30同样能够实现原位测量超导体的迈斯纳效应。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。