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鎖相放大器對(duì)超導(dǎo)材料性能評(píng)價(jià)的應(yīng)用

瀏覽次數(shù):598 發(fā)布日期:2023-9-20  來(lái)源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)

目前有許多以超導(dǎo)為目標(biāo)的研究正在進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō),超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)需要將試樣置于極低溫下進(jìn)行。這時(shí)一邊測(cè)量試樣的電阻一邊確認(rèn)試樣是否達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)。但是測(cè)量電阻時(shí)的電流會(huì)使試樣產(chǎn)生焦耳熱,這會(huì)影響溫度控制的準(zhǔn)確性。因此,測(cè)量電流必須非常微小。由于試樣本身的電阻值很低,產(chǎn)生的電壓很微弱,也給檢測(cè)帶來(lái)困難。

超導(dǎo)狀態(tài)下,有極微弱的交流電流流過(guò)試樣。可以利用鎖相放大器檢測(cè)試樣發(fā)生的微弱交流電壓,進(jìn)行試樣的電阻測(cè)量。由于信號(hào)是交流的,所以可以避免熱電動(dòng)勢(shì)的影響,進(jìn)行低電阻測(cè)量時(shí)減小測(cè)量誤差。超導(dǎo)材料的一個(gè)重要應(yīng)用結(jié)構(gòu)形武是約瑟夫森(Josephson)結(jié)。約瑟夫森結(jié)是由挾著氧化膜的蒸鋁鋼帶構(gòu)成,當(dāng)冷卻到1 K以下時(shí),就能得到如圖1所示的電流-電壓特性。

 

JosephDevice
圖1.   約瑟夫森器件的I/V特性


在具有非線性試樣的場(chǎng)合,如圖2所示將一定的交流電流疊加在直流電流上,然后一邊改變直流電流一邊用鎖相放大器的1F模式測(cè)量所發(fā)生的交流電壓,就能夠測(cè)定電阻值(1階微分特性)。如果用2F模式測(cè)量,就能夠以高靈敏度測(cè)量電阻值的變極點(diǎn)(2階微分特性)。

將兩個(gè)約瑟夫森結(jié)并聯(lián),構(gòu)成如圖3所示的傳感器,當(dāng)通過(guò)孔中的磁力線發(fā)生改變時(shí),可以得到如圖7所示的變化的電流-電壓特性。應(yīng)用這種特性可以做成靈敏度非常高的磁敏傳感器。它叫做超導(dǎo)量子干涉器件(Superconducting QUantum Interference Device,SQUID),可用于檢測(cè)人腦發(fā)生的磁場(chǎng)或地磁的起伏等。

 

DivideResist
圖2.測(cè)量超導(dǎo)材料的微分電阻

 

SQUIDSense
圖3.SQUID傳感器的結(jié)構(gòu)
 

SQUIDSenseSpecial
圖4.磁通通過(guò)SQUID傳感器時(shí)的特性 


超導(dǎo)中一個(gè)有名的效應(yīng)是邁斯納( Meissner)效應(yīng)(完全抗磁性)。在這種效應(yīng)的狀態(tài)下,磁力線不能穿過(guò)處于超導(dǎo)狀態(tài)的試樣,而會(huì)從超導(dǎo)體內(nèi)排除。用相互感應(yīng)法能夠確認(rèn)這種狀態(tài)。相互感應(yīng)法如圖3所示,是由兩組初級(jí)線圈和次級(jí)線圈構(gòu)成,繞線的方向各自相反。在沒(méi)有放置試樣的狀態(tài)下,次級(jí)一側(cè)信號(hào)的大小相同,相位相反,相互抵消而不出現(xiàn)信號(hào)。
 

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圖5.超導(dǎo)材料磁化率的測(cè)定方法(確認(rèn)邁斯納效應(yīng))


如果這時(shí)在一組線圈中放置試樣,則兩組線圈磁通的平衡被打破,次級(jí)一側(cè)出現(xiàn)信號(hào)。然后,如果試樣進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài),次級(jí)一側(cè)的信號(hào)將再次抵消變?yōu)?,這樣就可以確認(rèn)邁斯納效應(yīng)。這時(shí)使用鎖相放大器就能夠捕捉到更微小的變化。

發(fā)布者:廣州賽恩科學(xué)儀器有限公司
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