专利名称：高温超导零电阻现象演示装置的制作方法
技术领域：
本发明属教学仪器领域，涉及一种高温超导零电阻现象演示装置。
背景技术：
1911年，荷兰物理学家卡麦林'昂内斯测定水银在低温下的电阻率 时，观察到在-269 °C (4.2 K)附近电阻突然消失(零电阻)，从而发现 了超导现象。
物质的电阻在某一特定温度(临界转变温度7;)下突然消失的现象 称为零电阻现象，它是物质处于超导态的基本性质之一。零电阻现象可 以采用四引线法通过测量样品电阻随温度的变化显示。目前最常用同时 也是最简单的测量超导材料临界转变温度的方法是电阻法，通过测量超
导材料电阻随温度的变化确定其rc 。
超导材料在温度达到某一特定温度时，发生正常态到超导态的转变。
这一特定温度被称作超导体的临界转变温度(7;)。超导体电阻随温度变
化的定量测量通常是用恒流源给超导样品提供lmA甚至更小的电流，用 高灵敏度的数字电压表(微伏甚至是毫微伏)显示电压，同时用Pt电阻 温度计测量温度。为了确定超导体的临界转变温度，测量过程中必须控 制超导样品的降温速率，超导体从室温降到临界转变温度以下大约需要1小时。对于以科普和教学为目的的展示超导零电阻现象来说所需设备过
于昂贵，整个过程耗时过长。
发明内容
本发明的目的是直观快速地演示超导材料的本征特性之一的零电阻 特性，提供一种高温超导零电阻现象演示装置，其特征在于，高温超导 零电阻现象演示装置由演示仪主机、样品杆、样品架及超导样品1构成，
所述超导样品1沿长度方向有四个电接触良好的引线接点2，每个引线接 点2分别固接一条样品引线，位于两端的两根引线为电流引线3，中间的 两根为电压引线4，绝缘板5的薄层平面和金属板7的薄层平面粘接组成 样品架，超导样品1粘接在样品架的金属板7的上，样品架的绝缘板5 的厚层上有四个样品架引线接点6，超导样品1的电流引线3和电压引线 4分别与对应的样品架引线接点6焊接，并通过样品杆的引线与演示仪主 机连接，绝缘板5与样品杆固接，样品架安装在样品杆的最前端。样品 架通过样品杆置放在液氮杜瓦内。演示仪主机的恒流源通过电流引线3 为超导样品1提供10 50mA的恒定电流，由电流检测放大电路检测和放 大其电流信号，电压检测放大电路通过电压引线4检测超导样品1的上 的电压并放大输出电压信号，上述电流信号和电压信号经多通道A/D转 换器和单片高性能微处理器A/D转换和信号处理后输入电压电流数码显 示器电路，在电压电流数码显示器的电流数码管上显示超导样品1的恒 定电流值，电压数码管上显示超导样品1的电压值或电阻值。
所述超导样品1为用烧结法或熔融织构法制备的REBa2Cu30或Bi2Sr2CaQi20x等氧化物超导材料，其中RE为Y、 Gd、 Sm、 Nd、 Yb或
Eu等稀土元素。
所述超导样品1为长方体，表面涂覆耐低温的绝缘胶。 所述引线接点2，烧结的样品用金属铟(In)通过加压的方法制作，
熔融织构的样品用电蒸发或磁控溅射的方法制作。
所述绝缘板5为长方体，有厚层和薄层两部分，其材料为胶木板。 所述金属板7为长方体，有厚层和薄层两部分，其材料为黄铜或紫铜。
测量或演示高温超导临界温度rj寸，用恒流源通过电流引线3为超 导样品1提供10 50mA的恒定电流，.电流数值由演示仪主机的路电流数 码管上显示，从电压引线上取电压，电压值在电压数码管上显示，也可 经过处理直接显示电阻数值。当用液氮冷却超导样品时，演示仪显示的 电流值恒定不变，电压或电阻数值随着样品温度的下降而降低，达到临 界转变温度时变为零。
本发明的有益效果为，本发明采用四引线电阻法，通过观察材料电 阻随温度下降而降低并最终消失为"零"的过程直观地演示超导体的零电 阻现象。演示仪主机中的恒流源为超导样品提供0 100 mA的可调电流， 在满足零电阻演示需要的条件下可以使用灵敏度较低的电压表。与7;的 定量测量相比，零电阻现象演示可以不进行温度测量。使用较大的电流， 较低灵敏度的电压表和不进行温度测量完全可以满足定性地显示超导体 的零电阻现象的需要。样品架的设计和使用方法可以在较短的时间内显示出超导体电阻随温度减低而下降的变化过程和在特定温度下发生突变
到零的现象。
图1为高温超导零电阻现象演示装置方框图； 图2为样品及样品架结构示意图； 图3为四引线超导样品示意图。
图中，1为超导样品，2为样品引线接点，3为电流引线，4为电压 引线，5为绝缘板，6为样品架引线接点，7为金属板。
具体实施例方式
如图l和图2所示，高温超导零电阻现象演示装置中，演示仪主机 的恒流源通过电流引线3为超导样品1提供10~50mA的恒定电流，由电 流检测放大电路检测和放大其电流信号，电压检测放大电路通过电压引 线4检测超导样品1的上的电压并放大输出电压信号，上述电流信号和 电压信号经多通道A/D转换器和单片高性能微处理器A/D转换和信号处 理后输入电压电流数码显示器电路，在电压电流数码显示器的电流数码 管上显示超导样品1的恒定电流值，电压数码管上显示超导样品1的电 压流值或电阻值。超导样品1粘接在样品架的金属板7的上，演示仪主 机通过电流引线3和电压引线4及其相应的引线接点2给超导样品1提 供恒定电流和检测电流和电压信号。绝缘板5和金属板7的薄层互相粘 接在一起，组成样品架，绝缘板5的厚层上有四个样品架引线接点6，超导样品1的电流引线3和电压引线4分别与对应的样品架引线接点6焊
接，并通过样品杆的引线与演示仪主机连接，绝缘板5与样品杆固接，
样品架安装在样品杆的最前端。样品架通过样品杆调节，可以部分或全
部侵入液氮中。图3为制作好的四引线熔融织构法超导样品外形图，使
用前还要切成长方体。
以下实施例说明本发明的使用方法。
实施例1
将烧结的YBa2Cu30y超导圆片切成半圆形，并将表面清洁干净。用 金属铟在超导样品的一面上做上4个电接点。由于In熔点低，质地软， 稍加压力既可变形，因此选择In作为四引线样品的电接点材料。通过加 压的方式在氧化物超导样品的一面上一字排开的做4个接点，接点之间 彼此分开。再用In将4根细导线通过压接的方式分别连接在4个接点上， 构成四引线样品。四引线样品形貌如图3，两端的两根导线为电流引线， 中间的两根导线为电压引线。用锡焊的方法将带有四引线的样品与样品 架上的相应接点连接。为了获得好的导热效果，四引线样品要贴紧样品 架的金属板部分。为了与金属板绝缘，同时防止样品因受潮而损坏在整 个超导样品表面涂覆耐低温的縮醛胶绝缘胶。
将测试杆与演示仪主机连接。打开演示仪电源，调节恒流电流至50 mA左右，电流数码管显示出加载在超导样品上的电流为50.04 mA。同 时电压数码管显示出室温(约300 K)下样品上的电压为0.232 mV，相 当于室温下电阻值为4.64 mQ。待电压显示稳定后，将样品杆插入液氮容器，使样品架上金属板的 前端进入液氮，样品本身不进入液氮。通过金属板的热传导缓慢的冷却
超导样品。在冷却过程中，仪器显示的电流数值恒定在50.04 mA，而电 压数值随着样品的逐渐冷却(即温度逐渐降低)而下降，当样品冷却到 其临界转变温度(约卯K，高于液氮温度77K)时，电压快速下降至零。 降温过程在数分钟内完成。
将样品杆从液氮容器中取出，样品自然升温。当样品温度低于临界 转变温度时，样品电压一直为零，当温度达到临界转变温度时出现电压， 电压快速增加，然后随温度的继续上升逐渐增加。当温度恢复到室温时， 电压恢复到0.232 mV。
用与实施例1相同的方法制作超导样品和加载电流。当电压显示稳 定后，将样品杆直接插入液氮中，即将超导样品直接浸泡在液氮中。样 品温度迅速从室温(约300 K)下将到液氮温度(77 K)。由于YBa2Cu3Oy 超导样品的临界转变温度约为90 K，则样品上的电压迅速从室温下的 0.232 mV变为零。降温过程在半分钟内完成。
实施例3
将熔融织构样品切成约10mm长、4mm宽和lmm厚的形状，用铝 箔覆盖住样品平面的大部分,只留出4个彼此分开的接点面积。用银(Ag) 或金(Au)做靶材通过磁控溅射的方法在样品上制作四个电接点。用Ag 胶在接点上粘接四根引线制成四引线样品。用锡焊的方法将带有四引线的样品与样品架上的相应接点连接。为了获得好的导热效果，四引线样 品要贴紧样品架的金属板部分。
将测试杆与演示仪主机连接。打开演示仪电源，调节恒流电流至30
mA左右，仪器下方的数码管显示出加载在超导样品上的电流为30.02 mA。同时上方的数码管显示出室温(约300K)下样品上的电压为0.201 mV，相当于室温下电阻值为6.70mQ。
待电压显示稳定后，将样品杆插入液氮容器，使样品架上金属板的 前端进入液氮，样品本身不进入液氮。通过金属板的热传导缓慢地冷却 超导样品。在冷却过程中，仪器显示的电流数值恒定在30.02 mA，而电 压数值随着样品的逐渐冷却(即温度逐渐降低)而下降，当样品冷却到 其临界转变温度(约90K，高于液氮温度77K)时，电压快速下降至零。 降温过程在数分钟内完成。
本发明通过恒流源给超导样品提供电流，通过数码管分别显示超导 样品上的电流和电压值，或电流和电阻值，快速直观地通过电压显示来 展示超导体的电阻随温度下降而降低，并在达到临界转变温度时发生突 变迅速转变为零的现象。
本发明特别适用于科技馆或大专院校以科普和教学为目的，向参观 者和学生快速生动地展示超导体的零电阻现象。
权利要求
1. 一种高温超导零电阻现象演示装置，其特征在于，所述高温超导零电阻现象演示装置由演示仪主机、样品杆、样品架及超导样品(1)构成，所述超导样品(1)沿长度方向有四个电接触良好的引线接点(2)，每个引线接点(2)分别固接一条样品引线，位于两端的两根引线为电流引线(3)，中间的两根为电压引线(4)，绝缘板(5)的薄层平面和金属板(7)的薄层平面粘接组成样品架，超导样品(1)粘接在样品架的金属板(7)的上，绝缘板(5)的厚层上有四个样品架引线接点(6)，超导样品(1)的电流引线(3)和电压引线(4)分别与对应的样品架引线接点(6)焊接，并通过样品杆的引线与演示仪主机连接，绝缘板(5)与样品杆固接，样品架安装在样品杆的最前端，样品架通过样品杆置放在液氮杜瓦内；所述演示仪主机的恒流源通过电流引线(3)为超导样品(1)提供恒定电流，由电流检测放大电路检测和放大其电流信号，电压检测放大电路通过电压引线(4)检测超导样品(1)的上的电压并放大输出电压信号，上述电流信号和电压信号经多通道A/D转换器和单片高性能微处理器A/D转换和信号处理后输入电压电流数码显示器电路，在电压电流数码显示器的电流数码管上显示超导样品(1)的恒定电流值，电压数码管上显示超导样品(1)的电压流值或电阻值。
2 .根据权利要求1所述的高温超导零电阻现象演示装置，其特征在于，所述超导样品(1)为用烧结法或熔融织构法制备的REBa2Cu30或Bi2Sr2CaCu20x氧化物超导材料，其中RE为Y、 Gd、 Sm、 Nd、 Yb或Eu。
3. 根据权利要求1所述的高温超导零电阻现象演示装置，其特 征在于，所述超导样品(1)为长方体，表面涂覆耐低温的绝缘胶。
4. 根据权利要求1所述的高温超导零电阻现象演示装置，其特 征在于，所述引线接点(2)，烧结的样品用金属铟通过加压的方法制 作，熔融织构的样品用电蒸发或磁控溅射的方法制作。
5. 根据权利要求1所述的高温超导零电阻现象演示装置，其特 征在于，所述绝缘板(5)为长方体，有厚层和薄层两部分，其材料 为胶木板。
6. 根据权利要求1所述的高温超导零电阻现象演示装置，其特 征在于，所述金属板(7)为长方体，有厚层和薄层两部分，其材料 为黄铜或紫铜。
全文摘要
本发明公开了一种高温超导零电阻现象演示装置，属教学仪器领域。演示装置由演示仪主机、样品杆、样品架及超导样品构成，四引线的超导样品粘接在样品架的金属板上，绝缘板和金属板粘接，样品架通过样品杆置放在液氮杜瓦内。由演示仪主机的恒流源通过电流引线为超导样品提供10～50mA的恒定电流，检测其电流信号和电压信号，经多通道A/D转换器和单片高性能微处理器A/D转换和信号处理后，在电流、电压数码管上分别显示超导样品的恒定电流值或电压值。本发明采用四引线电阻法，通过观察材料电阻随温度下降而降低并最终消失为“零”的过程直观地演示超导体的零电阻现象，适用于科技馆或大专院校科普演示和教学实验。
文档编号G09B23/00GK101436357SQ200810246560
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月25日 优先权日2008年12月25日
发明者焦玉磊, 玲 肖, 郑明辉 申请人:北京有色金属研究总院