高溫超導(dǎo)導(dǎo)線Ic-B特性的測(cè)量

2013-12-01 01:54:36王合英陳宜保

物理實(shí)驗(yàn) 2013年2期

宋彭，王合英，陳宜保

（清華大學(xué) 物理系，北京100084）

1 引言

高臨界溫度超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)獲得1987年諾貝爾物理獎(jiǎng)，對(duì)高溫超導(dǎo)電性的測(cè)量和研究是凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)重要課題.高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用有2個(gè)重要指標(biāo)：臨界轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流.高溫超導(dǎo)材料臨界溫度的測(cè)量是國(guó)內(nèi)外一流大學(xué)普遍開設(shè)的近代物理實(shí)驗(yàn)，但大都只測(cè)量其臨界轉(zhuǎn)變溫度，不測(cè)量臨界電流值.而在實(shí)際應(yīng)用中，高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的臨界電流大小是制約其通流能力的因素之一，而且臨界電流與其所在處的磁場(chǎng)大小和方向密切相關(guān).

清華大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)室利用超導(dǎo)研究中心的科研成果設(shè)計(jì)制作了測(cè)量高溫超導(dǎo)線材臨界電流及其磁場(chǎng)依賴性的實(shí)驗(yàn)裝置，作為高年級(jí)本科生的近代物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，其實(shí)驗(yàn)與近代物理實(shí)驗(yàn)室原有的高溫超導(dǎo)材料臨界溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)合為高溫超導(dǎo)電性能綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)［1］.通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生對(duì)高溫超導(dǎo)電性有了深入全面的了解，接觸科研前沿，為學(xué)生的自主研究提供很好的拓展空間，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新思維.

2 基本原理

高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)對(duì)于超導(dǎo)電氣工程應(yīng)用具有重大的意義［2］.高溫超導(dǎo)體可以承載很高的電流密度，在很多場(chǎng)合可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)導(dǎo)體所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，因?yàn)槌瑢?dǎo)體幾乎沒有焦耳熱損耗，在實(shí)際運(yùn)行中可大大減少功率損耗.現(xiàn)有實(shí)用化的高溫超導(dǎo)材料的臨界溫度都在液氮沸點(diǎn)之上，因此可直接用液氮進(jìn)行制冷，比使用液氦的成本大大減小.

目前商用化的高溫超導(dǎo)材料均為氧化物陶瓷材料，主要有2類體系：鉍鍶鈣銅氧（Bi-Sr-Ca-Cu-O）體系和釔鋇銅氧（Y-Ba-Cu-O）體系.鉍鍶鈣銅氧體系中最重要的成分是Bi2Sr2Ca2Cu3Ox，以這種材料為基礎(chǔ)制成的商用化高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的名稱是Bi-2223／Ag，也稱為BSCCO導(dǎo)線或Bi系導(dǎo)線.其制備工藝較為復(fù)雜，最終成品是扁帶狀的多芯的Bi-2223／Ag導(dǎo)線.其截面圖如圖1［3］.

圖1 Bi-2223／Ag高溫超導(dǎo)導(dǎo)線截面圖

本實(shí)驗(yàn)所用的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線是清華大學(xué)物理系超導(dǎo)中心生產(chǎn)的Bi-2223／Ag導(dǎo)線.這種高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的橫截面積大約為4mm×0.2mm，其臨界電流可以達(dá)到100A以上，工程臨界電流密度可達(dá)104A／cm2以上，是銅導(dǎo)線的通流能力的幾十倍，并且損耗極小，是一種高性能的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線.在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，Bi系導(dǎo)線會(huì)處于非常復(fù)雜的電磁環(huán)境中，而Bi系導(dǎo)線的臨界電流值與所處環(huán)境的磁場(chǎng)的大小和方向都有密切的關(guān)系.

Bi系高溫超導(dǎo)材料屬于第二類超導(dǎo)體，當(dāng)外磁場(chǎng)為零時(shí)，通電導(dǎo)線周圍產(chǎn)生感生磁場(chǎng)，稱為自場(chǎng).自場(chǎng)也會(huì)在高溫超導(dǎo)材料內(nèi)產(chǎn)生磁通穿透現(xiàn)象.當(dāng)電流增大到某一值時(shí)，自場(chǎng)的磁通線也會(huì)運(yùn)動(dòng)起來，此時(shí)的電流值即為零場(chǎng)下的臨界電流值［4］.在外加磁場(chǎng)時(shí)，當(dāng)外磁場(chǎng)超過下臨界場(chǎng)之后會(huì)有磁通穿透超導(dǎo)導(dǎo)線的過程.外磁場(chǎng)越大，穿透到超導(dǎo)體內(nèi)部的磁通線越多.當(dāng)超導(dǎo)體承載直流傳輸電流時(shí)，傳輸電流會(huì)與超導(dǎo)體內(nèi)部的磁通線發(fā)生作用力.當(dāng)電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這種相互作用力使得大量磁通線擺脫釘扎力的束縛在超導(dǎo)體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)起來，磁通運(yùn)動(dòng)在超導(dǎo)體內(nèi)感生出電場(chǎng)，導(dǎo)致功率損耗，于是超導(dǎo)材料開始失超.電場(chǎng)與電流的矢量?jī)?nèi)積就是損耗功率，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值就是臨界電流值.外磁場(chǎng)越大，穿透到超導(dǎo)體內(nèi)部的磁通越多，使得磁通線開始運(yùn)動(dòng)的臨界電流值越小.這便是高溫超導(dǎo)材料臨界電流對(duì)磁場(chǎng)大小的依賴性.

由于高溫超導(dǎo)導(dǎo)線呈扁帶狀，臨界電流對(duì)磁場(chǎng)的依賴性會(huì)呈現(xiàn)各向異性.當(dāng)超導(dǎo)導(dǎo)線的寬面垂直于磁感應(yīng)線時(shí)，高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流值隨著磁場(chǎng)的增大下降得很快.當(dāng)超導(dǎo)導(dǎo)線的寬面平行于磁感應(yīng)線時(shí)，高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流值隨著磁場(chǎng)的增大下降的幅度要慢得多.因?yàn)楫?dāng)寬面垂直于磁感應(yīng)線時(shí)，高溫超導(dǎo)導(dǎo)線中穿透的磁通線數(shù)量較多，臨界電流就小；寬面平行于磁感應(yīng)線時(shí)，高溫超導(dǎo)導(dǎo)線中穿透的磁通線數(shù)量較少，臨界電流就相對(duì)較大.這便是高溫超導(dǎo)導(dǎo)線臨界電流值對(duì)磁場(chǎng)方向的依賴性.

3 實(shí) 驗(yàn)

圖2是超導(dǎo)線材臨界電流及其磁場(chǎng)依賴性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，主要由磁體、測(cè)量架、杜瓦箱、電源及儀表組成.磁體為超導(dǎo)導(dǎo)線樣品提供直流勻強(qiáng)磁場(chǎng)，測(cè)量架為樣品提供支撐和通流的作用，杜瓦箱用于承裝液氮，為樣品提供低溫環(huán)境，直流穩(wěn)壓電源用于為樣品通入大電流，納伏電壓表用于測(cè)量樣品上的電壓降，另有一小型直流電源為磁體供電.實(shí)驗(yàn)時(shí)采取將磁體與超導(dǎo)導(dǎo)線樣品一同制冷的方式，而非樣品單獨(dú)制冷.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

磁體采用有磁路的結(jié)構(gòu)，通過常規(guī)銅導(dǎo)線繞組勵(lì)磁，在氣隙中產(chǎn)生較強(qiáng)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)［5］，勻場(chǎng)區(qū)的寬度可以覆蓋測(cè)量樣品的范圍，如圖3所示，且勻強(qiáng)磁場(chǎng)的變化范圍應(yīng)使超導(dǎo)導(dǎo)線樣品的Ic出現(xiàn)明顯變化.磁場(chǎng)與線圈電流關(guān)系測(cè)量結(jié)果如圖4所示.當(dāng)磁體繞組電流為3A時(shí)，可以在6mm的氣隙中產(chǎn)生約0.5T的勻強(qiáng)磁場(chǎng).在氣隙磁密達(dá)到0.8T之前，氣隙磁密與磁體電流呈線性關(guān)系，當(dāng)氣隙磁密超過0.8T后，磁軛接近飽和，B-I曲線出現(xiàn)拐點(diǎn).

圖3 勻場(chǎng)區(qū)范圍與樣品寬度的比較

圖4 磁體標(biāo)定曲線

測(cè)量架要實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能：一是為超導(dǎo)導(dǎo)線樣品提供支撐，這個(gè)支撐不僅要保證超導(dǎo)導(dǎo)線樣品在氣隙中的位置相對(duì)固定，還要能夠改變超導(dǎo)導(dǎo)線樣品與磁感應(yīng)線的夾角；二是能夠?yàn)槌瑢?dǎo)導(dǎo)線通入大電流.如前所述超導(dǎo)導(dǎo)線能夠通入100A以上的電流，由于氣隙大小的限制和可旋轉(zhuǎn)性的要求，測(cè)量架自身同時(shí)要承擔(dān)電流引線的任務(wù).因此測(cè)量架的設(shè)計(jì)是整套測(cè)量裝置的關(guān)鍵.在測(cè)量架的頂部設(shè)置了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，可以任意改變樣品與氣隙磁場(chǎng)的夾角.

為樣品通電的直流穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)是低電壓大電流，實(shí)驗(yàn)中采用額定電壓、電流分別為10V和150A的直流電源.為了能夠采集樣品伏安特性，還需要該電源提供穩(wěn)定的自動(dòng)升流功能.納伏電壓表采用Keithley 2182A型，該電壓表可以測(cè)量納伏級(jí)的微弱電壓信號(hào)，靈敏度高，能夠滿足測(cè)量樣品處于臨界態(tài)時(shí)電壓信號(hào)的要求.

基本測(cè)量原理是四點(diǎn)法測(cè)量，如圖5所示，將超導(dǎo)導(dǎo)線樣品置于直流勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在樣品中通入直流電流，測(cè)量超導(dǎo)導(dǎo)線樣品中某一段的電勢(shì)差.具體而言，將超導(dǎo)導(dǎo)線樣品與測(cè)量架的電極連接起來，測(cè)量架與直流穩(wěn)壓電源連接.在超導(dǎo)導(dǎo)線樣品表面通過焊接的方式接出2根電壓引線，勻場(chǎng)區(qū)范圍包含電壓引線的焊點(diǎn)以確保所測(cè)電勢(shì)差的準(zhǔn)確性.測(cè)量時(shí)采取公認(rèn)的超導(dǎo)失超判據(jù)作為判定臨界電流值的依據(jù)，即：若樣品上某相距1cm的兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差為1μV時(shí)，則此時(shí)的電流值即為超導(dǎo)導(dǎo)線樣品的臨界電流值.實(shí)際測(cè)量時(shí)，直流穩(wěn)壓電源通過測(cè)量架給高溫超導(dǎo)導(dǎo)線樣品輸入直流電流，并且不斷調(diào)整電流值，使電壓引線之間的電壓值達(dá)到失超判據(jù).電流調(diào)節(jié)的方式可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可以電源自動(dòng)升流.若采取電源自動(dòng)升流的方式，則需要設(shè)定好升流的速率，過快可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量偏差.

圖5 高溫超導(dǎo)導(dǎo)線臨界電流測(cè)量基本原理圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

超導(dǎo)材料臨界溫度的測(cè)量作為常規(guī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在此不再贅述，本文重點(diǎn)介紹超導(dǎo)線材零場(chǎng)臨界電流的測(cè)量及臨界電流隨外加磁場(chǎng)大小和方向的改變.

超導(dǎo)導(dǎo)線樣品由超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)變并不是突然發(fā)生的，而是漸變的過程.圖6是零磁場(chǎng)時(shí)超導(dǎo)線材電壓與電流的關(guān)系曲線，可知其U-I曲線近似為指數(shù)關(guān)系，可表示為U＝U0（I／Ic）n，當(dāng)電流接近或超過Ic之后，超導(dǎo)導(dǎo)線樣品上的電壓降落迅速增大.式中的n值大小與樣品的好壞有關(guān)，樣品質(zhì)量越好，n值越大，曲線越陡峭.

圖6 超導(dǎo)導(dǎo)線樣品的伏安特性曲線

將磁體和測(cè)量架一同放入杜瓦箱中，待完全冷卻之后，將磁體通電.固定磁體電流，則此時(shí)氣隙中的磁場(chǎng)為直流勻強(qiáng)場(chǎng).然后給超導(dǎo)導(dǎo)線樣品通入電流，電流值以1A／s的速度上升，觀察納伏電壓表的電壓值.當(dāng)電壓值達(dá)到失超判據(jù)時(shí)，立即切斷直流電源，記錄下此時(shí)的電流值，即為在該磁場(chǎng)下的臨界電流值.固定超導(dǎo)導(dǎo)線樣品與磁感應(yīng)線的夾角，測(cè)量臨界電流值與磁場(chǎng)強(qiáng)度的依賴性關(guān)系.然后改變樣品與磁感應(yīng)線的夾角，重復(fù)上面的測(cè)量過程.測(cè)出臨界電流與磁場(chǎng)角度的依賴性.圖7為實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的Bi-2223／Ag導(dǎo)線臨界電流隨磁場(chǎng)大小和方向的變化曲線.

從圖7可以看出，超導(dǎo)線材的臨界電流不僅與磁場(chǎng)大小有關(guān)，而且與外磁場(chǎng)的方向有關(guān).

根據(jù)硬超導(dǎo)體的磁通穿透模型，超導(dǎo)導(dǎo)線樣品的臨界電流Ic與外磁場(chǎng)的關(guān)系式可以表達(dá)為［6］

圖7 超導(dǎo)線材臨界電流隨磁場(chǎng)大小和方向的變化曲線

其中，0＜k＜1為參量，Ic0和B0為常量.由上式可以看出平行場(chǎng)（磁感應(yīng)線平行于樣品寬面）對(duì)超導(dǎo)導(dǎo)線樣品的影響要小于垂直場(chǎng)（磁感應(yīng)線垂直于樣品寬面）.并且當(dāng)樣品寬面與磁感應(yīng)線的夾角介于0°～90°之間時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)Ic的影響也是介于垂直場(chǎng)影響和平行場(chǎng)影響之間的.理論上可以通過測(cè)量樣品臨界電流與外磁場(chǎng)角度依賴性算出上式中的各個(gè)參量.取0°～90°的數(shù)據(jù)，則可以得出表達(dá)式

式中Ic和Ic′為各自情況下的臨界電流.取Ic＝Ic′可得B⊥＝kB∥，再代入臨界電流相同時(shí)的磁場(chǎng)值，即可求得k值.進(jìn)而再根據(jù)各個(gè)角度的其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以求出其余各項(xiàng)參量，從而得出該超導(dǎo)導(dǎo)線樣品在磁場(chǎng)下的Ic-B特性.本實(shí)驗(yàn)裝置所測(cè)量的超導(dǎo)材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果為k≈0.14，B0≈0.09～0.13T，β≈1.3～1.4.

5 結(jié)束語(yǔ)

高溫超導(dǎo)導(dǎo)線具有承載大電流的特性，但其臨界電流值的大小依賴于外加磁場(chǎng)的大小和方向.在實(shí)際應(yīng)用中，超導(dǎo)電工器件中的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，高溫超導(dǎo)導(dǎo)線不可避免地受到磁場(chǎng)的影響，從而影響到整個(gè)超導(dǎo)電工器件.因此測(cè)量高溫超導(dǎo)導(dǎo)線對(duì)外磁場(chǎng)的依賴性是十分必要的.本實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)量高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的臨界電流與磁場(chǎng)關(guān)系特性，不僅可以測(cè)量對(duì)磁場(chǎng)值大小的依賴性，還可以測(cè)量對(duì)磁場(chǎng)的角度依賴性.通過測(cè)量結(jié)果可以得出超導(dǎo)導(dǎo)線樣品的Ic-B特性，并與理論公式比對(duì)，算出表征高溫超導(dǎo)導(dǎo)線特性的列參量.

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