способ бесконтактного измерения критического тока втсп и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ бесконтактного измерения критического тока ВТСП, при котором по катушке соленоида пропускают постоянный возрастающий ток - создают магнитное поле, которым в ВТСП-кольце возбуждают экранирующий ток, измеряют ток соленоида и напряжение датчика Холла, строят их графическую зависимость, по которой определяют величину критического тока, отличающийся тем, что величину критического тока определяют по разности полей соленоида без ВТСП-кольца и с ВТСП-кольцом на линейном участке графика зависимости напряжения Холла от тока соленоида, где поле соленоида, не проникающее в объем кольца, не влияет на его критический ток.

2. Устройство бесконтактного измерения критического тока ВТСП, содержащее соленоид с магнитомягким сердечником и датчиком магнитного поля, отличающееся тем, что магнитный сердечник является магнитозамкнутым, состоит из двух частей, на участке внутри соленоида имеет зазор, в котором располагается датчик поля, а на соленоид на уровне датчика поля надето ВТСП-кольцо.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения критического тока в высокотемпературном сверхпроводнике (ВТСП).

Известны способы бесконтактного измерения критического тока ВТСП, заключающиеся в возбуждении магнитного момента в ВТСП-кольце путем пропускания переменного тока через соленоид, в поле которого находится ВТСП-кольцо, и регистрации этого магнитного момента с помощью датчика магнитного поля. Определение величины критического тока производится путем измерения ширины петли гистерезиса - графика зависимости магнитного момента ВТСП-кольца от поля соленоида [1, 853-855 с.]. ВТСП материалы часто содержат мелкие трещины, через которые может протекать переменный ток и измеренное значение критического тока в этом случае не соответствует действительному, соответствующему протеканию постоянного, транспортного тока.

Наиболее близким техническим решением является известный способ бесконтактного измерения критического тока ВТСП, при котором при пропускании постоянного тока через соленоид создается постоянное магнитное поле, которое захватывается и транспортируется ферритовым сердечником к датчику Холла. На ферритовый сердечник надевается ВТСП-кольцо, а ток соленоида увеличивают до тех пор, пока магнитное поле не проникает в материал ВТСП-кольца и не начнет разрушать его сверхпроводимость. Это отражается на графике зависимости напряжения, снимаемого с датчика Холла, от тока соленоида U_x(I). Для численного определения критического тока используют расчетные или эмпирические формулы.

Известное устройство бесконтактного измерения критического тока содержит соленоид с магнитомягким сердечником и датчик Холла (датчик магнитного поля), размещенный на конце сердечника. ВТСП-кольцо устанавливают между катушкой соленоида и датчиком Холла [2].

Известный способ и устройство имеют следующие недостатки.

1. Измерение величины критического тока осуществляется в магнитном поле, пронизывающем ВТСП-кольцо изнутри и проникающем в его объем. Поэтому при расчете критического тока имеется погрешность, т.к. известно, что магнитное поле сильно влияет на величину критического тока [1].

2. Точное нахождение точки излома, которая определяет критический ток, на графике U_x(I) затруднительно и вносит инструментальную погрешность.

3. Известное устройство в случае исследования материалов с высокими критическими токами не обеспечивает достаточно высокого магнитного поля, необходимого для измерения критических токов большой величины.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и достоверности измерения критического тока ВТСП, снижение погрешности определения точки перехода сверхпроводника в критическое состояние за счет исключения зависимости критического тока от магнитного поля, устранение ошибки, связанной с определением точки излома графика U_x(I), и увеличение диапазона измеряемых устройством критических токов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе бесконтактного измерения критического тока ВТСП, включающем создание магнитного поля в соленоиде постоянным током, возбуждение этим полем экранирующего тока в ВТСП-кольце, измерение тока соленоида и напряжения датчика Холла, построение их графической зависимости, величину критического тока определяют по разности полей соленоида без ВТСП-кольца и соленоида с ВТСП-кольцом при одном и том же токе соленоида на линейном участке соответствующего графика, где поле соленоида не проникает в объем кольца и не влияет на величину критического тока. Технический результат достигается так же и тем, что в известном устройстве, содержащем соленоид с магнитомягким сердечником и датчиком Холла, сердечник содержит поперечный зазор на участке внутри соленоида, является магнитозамкнутым и состоит из двух частей, одна из которых проходит сквозь соленоид, причем датчик Холла устанавливают в зазоре, а ВТСП-кольцо надевается на соленоид на уровне датчика Холла.

Именно такое заявленное взаимное расположение деталей устройства позволяет исключить проникновение магнитного поля в объем ВТСП-кольца и значительно усилить магнитное поле внутри ВТСП-кольца. Это позволяет сделать вывод, что заявленные изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Заявленный способ отличается характером контролируемого параметра (разность полей соленоида с кольцом и без кольца), отсутствием проникновения магнитного поля соленоида в объем кольца, заявленное устройство отличается расположением элементов и конструкцией сердечника. Все это говорит о соответствии предлагаемых решений критерию “новизна”.

Сравнение заявленных технических решений с другими решениями в данной области техники показывает, что признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипов, не выявлены и совокупность существенных признаков вместе с ограничительными признаками позволяет обнаружить у заявляемых решений иные, в отличие от известных, свойства, к числу которых можно отнести следующие:

- конструкция дает возможность измерять критические токи больших величин без дополнительных усовершенствований;

- конструкция предусматривает защиту датчика Холла от случайных механических повреждений и надежное его удержание в условиях термоперепадов;

- способ определения разности напряжений датчика магнитного поля прост и не требует дополнительных графических построений.

Таким образом, иные в отличие от известных свойства, присущие предложенным техническим решениям, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение технического результата.

На фиг.1 представлен разрез устройства для бесконтактного измерения критического тока ВТСП, на фиг.2 приведен график зависимости напряжения датчика Холла от тока соленоида.

Устройство для бесконтактного измерения критического тока ВТСП было реализовано следующим образом. Соленоид 1 (фиг.1) (L=90 мм, D=6 мм, d=4 мм) содержит 300 витков медного провода диаметра 0,05 мм. Внутри соленоида размещается датчик Холла 2 (ДХК-05). С обеих сторон датчик фиксируют П-образные скобы из электротехнической стали 3. На соленоиде устанавливается ВТСП-кольцо 4 (L₁=2,5 мм, D₁=12 мм, d₁=7 мм), выполненное из керамики Bi(2212) и Bi(2223). Катушка соленоида подключается к источнику постоянного тока. Ток соленоида и напряжение Холла регистрируются с помощью двухкоординатного самописца (соответственно вход “X” и вход “Y”). При включении по соленоиду протекает постоянный ток I, который создает магнитное поле В_м. Поле усиливается магнитным сердечником в -раз. В ВТСП-кольце индуцируется постоянный СП ток I_с, который создает магнитное поле В_с(I_с). Это поле, в соответствии с законом индукции, направлено встречно к полю соленоида, и датчик Холла измеряет суммарное поле В.

где k_x - чувствительность датчика Холла.

Типичная зависимость U_x(I) - вольт-амперная характеристика (ВАХ) 1 приведена на фиг.2. График 2 - ВАХ устройства без ВТСП-кольца. На участке о - а СП ток кольца возрастает и достигает максимального (критического) значения I_кр, создаваемое им магнитное поле В_кр так же достигает максимума. При этом кривая 1 отклоняется от прямой 2 на максимальное расстояние. При дальнейшем увеличении тока соленоида СП-ток кольца и его магнитное поле не возрастают, оба графика остаются параллельными. Такая особенность хода кривой 1 объясняется следующим образом. При данной конструкции устройства и постоянном токе соленоида его магнитное поле не проникает в объем ВТСП-кольца, поэтому для I>I_кр СП-ток через ВТСП-кольцо достигает максимально возможного, критического значения, а само кольцо остается в критическом состоянии. При этом магнитное поле, создаваемое ВТСП-кольцом, при I>I _кр не увеличивается и кривые 1 и 2 идут параллельно (в отличие от прототипа [2], где кривые пересекаются).

Измерение критического тока осуществляется путем измерения U _x (фиг.2) - расстояния между кривыми 1 и 2 на линейных участках, которая пропорциональна критическому току ВТСП:

где k - коэффициент пропорциональности.

Величина k для данного устройства может быть получена либо расчетным, либо эмпирическим способом с помощью дополнительных четырехконтактных измерений величины критического тока [1, 851-852 с.] в пробных кольцах.

В данном случае коэффициент k определялся эмпирически, для серии из 30 пробных колец. Найденное среднее значение составляет k=10,5 А/В.

Проведенные измерения и вычисления показали, что кольцо из Bi(2212) имеет плотность критического тока (отношение критического тока к площади поперечного сечения кольца) 1550 А/см², а кольцо из Bi(2223) - плотность критического тока 680 А/см².

Использование предлагаемого способа бесконтактного измерения критического тока ВТСП и устройство для его реализации позволяют по сравнению с существующими повысить точность и достоверность измерений критического тока.

Источники информации

1. Жуков А.А., Мощалков В.В. Критическая плотность тока в высокотемпературных сверхпроводниках // Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1991, т.4, №5 - С.850-887.

2. A.Buev, W.Igumnov, W.Jaszczuk, H.Dyck, N.Munser, H.Altenburg, J.Plewa Anwendung einer neuen Messmethode zur Untersuchung des Abschirmverhaltens von HTSL – Materialien // Workshop "HTSL - Massivmaterial" Materialaspekte und Anwendungen IFW Dresden, Krippen Sechsische Schweiz. 07.09. - 09.09.1998.