專利名稱：高溫超導零電阻現(xiàn)象演示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬教學儀器領(lǐng)域，涉及一種高溫超導零電阻現(xiàn)象演示裝置。
背景技術(shù)：
1911年，荷蘭物理學家卡麥林'昂內(nèi)斯測定水銀在低溫下的電阻率 時，觀察到在-269 °C (4.2 K)附近電阻突然消失(零電阻)，從而發(fā)現(xiàn) 了超導現(xiàn)象。
物質(zhì)的電阻在某一特定溫度(臨界轉(zhuǎn)變溫度7;)下突然消失的現(xiàn)象 稱為零電阻現(xiàn)象，它是物質(zhì)處于超導態(tài)的基本性質(zhì)之一。零電阻現(xiàn)象可 以采用四引線法通過測量樣品電阻隨溫度的變化顯示。目前最常用同時 也是最簡單的測量超導材料臨界轉(zhuǎn)變溫度的方法是電阻法，通過測量超
導材料電阻隨溫度的變化確定其rc 。
超導材料在溫度達到某一特定溫度時，發(fā)生正常態(tài)到超導態(tài)的轉(zhuǎn)變。
這一特定溫度被稱作超導體的臨界轉(zhuǎn)變溫度(7;)。超導體電阻隨溫度變
化的定量測量通常是用恒流源給超導樣品提供lmA甚至更小的電流，用 高靈敏度的數(shù)字電壓表(微伏甚至是毫微伏)顯示電壓，同時用Pt電阻 溫度計測量溫度。為了確定超導體的臨界轉(zhuǎn)變溫度，測量過程中必須控 制超導樣品的降溫速率，超導體從室溫降到臨界轉(zhuǎn)變溫度以下大約需要1小時。對于以科普和教學為目的的展示超導零電阻現(xiàn)象來說所需設備過
于昂貴，整個過程耗時過長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是直觀快速地演示超導材料的本征特性之一的零電阻 特性，提供一種高溫超導零電阻現(xiàn)象演示裝置，其特征在于，高溫超導 零電阻現(xiàn)象演示裝置由演示儀主機、樣品桿、樣品架及超導樣品1構(gòu)成，
所述超導樣品1沿長度方向有四個電接觸良好的引線接點2，每個引線接 點2分別固接一條樣品引線，位于兩端的兩根引線為電流引線3，中間的 兩根為電壓引線4，絕緣板5的薄層平面和金屬板7的薄層平面粘接組成 樣品架，超導樣品1粘接在樣品架的金屬板7的上，樣品架的絕緣板5 的厚層上有四個樣品架引線接點6，超導樣品1的電流引線3和電壓引線 4分別與對應的樣品架引線接點6焊接，并通過樣品桿的引線與演示儀主 機連接，絕緣板5與樣品桿固接，樣品架安裝在樣品桿的最前端。樣品 架通過樣品桿置放在液氮杜瓦內(nèi)。演示儀主機的恒流源通過電流引線3 為超導樣品1提供10 50mA的恒定電流，由電流檢測放大電路檢測和放 大其電流信號，電壓檢測放大電路通過電壓引線4檢測超導樣品1的上 的電壓并放大輸出電壓信號，上述電流信號和電壓信號經(jīng)多通道A/D轉(zhuǎn) 換器和單片高性能微處理器A/D轉(zhuǎn)換和信號處理后輸入電壓電流數(shù)碼顯 示器電路，在電壓電流數(shù)碼顯示器的電流數(shù)碼管上顯示超導樣品1的恒 定電流值，電壓數(shù)碼管上顯示超導樣品1的電壓值或電阻值。
所述超導樣品1為用燒結(jié)法或熔融織構(gòu)法制備的REBa2Cu30或Bi2Sr2CaQi20x等氧化物超導材料，其中RE為Y、 Gd、 Sm、 Nd、 Yb或
Eu等稀土元素。
所述超導樣品1為長方體，表面涂覆耐低溫的絕緣膠。 所述引線接點2，燒結(jié)的樣品用金屬銦(In)通過加壓的方法制作，
熔融織構(gòu)的樣品用電蒸發(fā)或磁控濺射的方法制作。
所述絕緣板5為長方體，有厚層和薄層兩部分，其材料為膠木板。 所述金屬板7為長方體，有厚層和薄層兩部分，其材料為黃銅或紫銅。
測量或演示高溫超導臨界溫度rj寸，用恒流源通過電流引線3為超 導樣品1提供10 50mA的恒定電流，.電流數(shù)值由演示儀主機的路電流數(shù) 碼管上顯示，從電壓引線上取電壓，電壓值在電壓數(shù)碼管上顯示，也可 經(jīng)過處理直接顯示電阻數(shù)值。當用液氮冷卻超導樣品時，演示儀顯示的 電流值恒定不變，電壓或電阻數(shù)值隨著樣品溫度的下降而降低，達到臨 界轉(zhuǎn)變溫度時變?yōu)榱恪?br> 本發(fā)明的有益效果為，本發(fā)明采用四引線電阻法，通過觀察材料電 阻隨溫度下降而降低并最終消失為"零"的過程直觀地演示超導體的零電 阻現(xiàn)象。演示儀主機中的恒流源為超導樣品提供0 100 mA的可調(diào)電流， 在滿足零電阻演示需要的條件下可以使用靈敏度較低的電壓表。與7;的 定量測量相比，零電阻現(xiàn)象演示可以不進行溫度測量。使用較大的電流， 較低靈敏度的電壓表和不進行溫度測量完全可以滿足定性地顯示超導體 的零電阻現(xiàn)象的需要。樣品架的設計和使用方法可以在較短的時間內(nèi)顯示出超導體電阻隨溫度減低而下降的變化過程和在特定溫度下發(fā)生突變
到零的現(xiàn)象。


圖1為高溫超導零電阻現(xiàn)象演示裝置方框圖； 圖2為樣品及樣品架結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為四引線超導樣品示意圖。
圖中，1為超導樣品，2為樣品引線接點，3為電流引線，4為電壓 引線，5為絕緣板，6為樣品架引線接點，7為金屬板。
具體實施例方式
如圖l和圖2所示，高溫超導零電阻現(xiàn)象演示裝置中，演示儀主機 的恒流源通過電流引線3為超導樣品1提供10~50mA的恒定電流，由電 流檢測放大電路檢測和放大其電流信號，電壓檢測放大電路通過電壓引 線4檢測超導樣品1的上的電壓并放大輸出電壓信號，上述電流信號和 電壓信號經(jīng)多通道A/D轉(zhuǎn)換器和單片高性能微處理器A/D轉(zhuǎn)換和信號處 理后輸入電壓電流數(shù)碼顯示器電路，在電壓電流數(shù)碼顯示器的電流數(shù)碼 管上顯示超導樣品1的恒定電流值，電壓數(shù)碼管上顯示超導樣品1的電 壓流值或電阻值。超導樣品1粘接在樣品架的金屬板7的上，演示儀主 機通過電流引線3和電壓引線4及其相應的引線接點2給超導樣品1提 供恒定電流和檢測電流和電壓信號。絕緣板5和金屬板7的薄層互相粘 接在一起，組成樣品架，絕緣板5的厚層上有四個樣品架引線接點6，超導樣品1的電流引線3和電壓引線4分別與對應的樣品架引線接點6焊
接，并通過樣品桿的引線與演示儀主機連接，絕緣板5與樣品桿固接，
樣品架安裝在樣品桿的最前端。樣品架通過樣品桿調(diào)節(jié)，可以部分或全
部侵入液氮中。圖3為制作好的四引線熔融織構(gòu)法超導樣品外形圖，使
用前還要切成長方體。
以下實施例說明本發(fā)明的使用方法。
實施例1
將燒結(jié)的YBa2Cu30y超導圓片切成半圓形，并將表面清潔干凈。用 金屬銦在超導樣品的一面上做上4個電接點。由于In熔點低，質(zhì)地軟， 稍加壓力既可變形，因此選擇In作為四引線樣品的電接點材料。通過加 壓的方式在氧化物超導樣品的一面上一字排開的做4個接點，接點之間 彼此分開。再用In將4根細導線通過壓接的方式分別連接在4個接點上， 構(gòu)成四引線樣品。四引線樣品形貌如圖3，兩端的兩根導線為電流引線， 中間的兩根導線為電壓引線。用錫焊的方法將帶有四引線的樣品與樣品 架上的相應接點連接。為了獲得好的導熱效果，四引線樣品要貼緊樣品 架的金屬板部分。為了與金屬板絕緣，同時防止樣品因受潮而損壞在整 個超導樣品表面涂覆耐低溫的縮醛膠絕緣膠。
將測試桿與演示儀主機連接。打開演示儀電源，調(diào)節(jié)恒流電流至50 mA左右，電流數(shù)碼管顯示出加載在超導樣品上的電流為50.04 mA。同 時電壓數(shù)碼管顯示出室溫(約300 K)下樣品上的電壓為0.232 mV，相 當于室溫下電阻值為4.64 mQ。待電壓顯示穩(wěn)定后，將樣品桿插入液氮容器，使樣品架上金屬板的 前端進入液氮，樣品本身不進入液氮。通過金屬板的熱傳導緩慢的冷卻
超導樣品。在冷卻過程中，儀器顯示的電流數(shù)值恒定在50.04 mA，而電 壓數(shù)值隨著樣品的逐漸冷卻(即溫度逐漸降低)而下降，當樣品冷卻到 其臨界轉(zhuǎn)變溫度(約卯K，高于液氮溫度77K)時，電壓快速下降至零。 降溫過程在數(shù)分鐘內(nèi)完成。
將樣品桿從液氮容器中取出，樣品自然升溫。當樣品溫度低于臨界 轉(zhuǎn)變溫度時，樣品電壓一直為零，當溫度達到臨界轉(zhuǎn)變溫度時出現(xiàn)電壓， 電壓快速增加，然后隨溫度的繼續(xù)上升逐漸增加。當溫度恢復到室溫時， 電壓恢復到0.232 mV。
用與實施例1相同的方法制作超導樣品和加載電流。當電壓顯示穩(wěn) 定后，將樣品桿直接插入液氮中，即將超導樣品直接浸泡在液氮中。樣 品溫度迅速從室溫(約300 K)下將到液氮溫度(77 K)。由于YBa2Cu3Oy 超導樣品的臨界轉(zhuǎn)變溫度約為90 K，則樣品上的電壓迅速從室溫下的 0.232 mV變?yōu)榱?。降溫過程在半分鐘內(nèi)完成。
實施例3
將熔融織構(gòu)樣品切成約10mm長、4mm寬和lmm厚的形狀，用鋁 箔覆蓋住樣品平面的大部分,只留出4個彼此分開的接點面積。用銀(Ag) 或金(Au)做靶材通過磁控濺射的方法在樣品上制作四個電接點。用Ag 膠在接點上粘接四根引線制成四引線樣品。用錫焊的方法將帶有四引線的樣品與樣品架上的相應接點連接。為了獲得好的導熱效果，四引線樣 品要貼緊樣品架的金屬板部分。
將測試桿與演示儀主機連接。打開演示儀電源，調(diào)節(jié)恒流電流至30
mA左右，儀器下方的數(shù)碼管顯示出加載在超導樣品上的電流為30.02 mA。同時上方的數(shù)碼管顯示出室溫(約300K)下樣品上的電壓為0.201 mV，相當于室溫下電阻值為6.70mQ。
待電壓顯示穩(wěn)定后，將樣品桿插入液氮容器，使樣品架上金屬板的 前端進入液氮，樣品本身不進入液氮。通過金屬板的熱傳導緩慢地冷卻 超導樣品。在冷卻過程中，儀器顯示的電流數(shù)值恒定在30.02 mA，而電 壓數(shù)值隨著樣品的逐漸冷卻(即溫度逐漸降低)而下降，當樣品冷卻到 其臨界轉(zhuǎn)變溫度(約90K，高于液氮溫度77K)時，電壓快速下降至零。 降溫過程在數(shù)分鐘內(nèi)完成。
本發(fā)明通過恒流源給超導樣品提供電流，通過數(shù)碼管分別顯示超導 樣品上的電流和電壓值，或電流和電阻值，快速直觀地通過電壓顯示來 展示超導體的電阻隨溫度下降而降低，并在達到臨界轉(zhuǎn)變溫度時發(fā)生突 變迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榱愕默F(xiàn)象。
本發(fā)明特別適用于科技館或大專院校以科普和教學為目的，向參觀 者和學生快速生動地展示超導體的零電阻現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1. 一種高溫超導零電阻現(xiàn)象演示裝置，其特征在于，所述高溫超導零電阻現(xiàn)象演示裝置由演示儀主機、樣品桿、樣品架及超導樣品(1)構(gòu)成，所述超導樣品(1)沿長度方向有四個電接觸良好的引線接點(2)，每個引線接點(2)分別固接一條樣品引線，位于兩端的兩根引線為電流引線(3)，中間的兩根為電壓引線(4)，絕緣板(5)的薄層平面和金屬板(7)的薄層平面粘接組成樣品架，超導樣品(1)粘接在樣品架的金屬板(7)的上，絕緣板(5)的厚層上有四個樣品架引線接點(6)，超導樣品(1)的電流引線(3)和電壓引線(4)分別與對應的樣品架引線接點(6)焊接，并通過樣品桿的引線與演示儀主機連接，絕緣板(5)與樣品桿固接，樣品架安裝在樣品桿的最前端，樣品架通過樣品桿置放在液氮杜瓦內(nèi)；所述演示儀主機的恒流源通過電流引線(3)為超導樣品(1)提供恒定電流，由電流檢測放大電路檢測和放大其電流信號，電壓檢測放大電路通過電壓引線(4)檢測超導樣品(1)的上的電壓并放大輸出電壓信號，上述電流信號和電壓信號經(jīng)多通道A/D轉(zhuǎn)換器和單片高性能微處理器A/D轉(zhuǎn)換和信號處理后輸入電壓電流數(shù)碼顯示器電路，在電壓電流數(shù)碼顯示器的電流數(shù)碼管上顯示超導樣品(1)的恒定電流值，電壓數(shù)碼管上顯示超導樣品(1)的電壓流值或電阻值。
2 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫超導零電阻現(xiàn)象演示裝置，其特征在于，所述超導樣品(1)為用燒結(jié)法或熔融織構(gòu)法制備的REBa2Cu30或Bi2Sr2CaCu20x氧化物超導材料，其中RE為Y、 Gd、 Sm、 Nd、 Yb或Eu。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫超導零電阻現(xiàn)象演示裝置，其特 征在于，所述超導樣品(1)為長方體，表面涂覆耐低溫的絕緣膠。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫超導零電阻現(xiàn)象演示裝置，其特 征在于，所述引線接點(2)，燒結(jié)的樣品用金屬銦通過加壓的方法制 作，熔融織構(gòu)的樣品用電蒸發(fā)或磁控濺射的方法制作。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫超導零電阻現(xiàn)象演示裝置，其特 征在于，所述絕緣板(5)為長方體，有厚層和薄層兩部分，其材料 為膠木板。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫超導零電阻現(xiàn)象演示裝置，其特 征在于，所述金屬板(7)為長方體，有厚層和薄層兩部分，其材料 為黃銅或紫銅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高溫超導零電阻現(xiàn)象演示裝置，屬教學儀器領(lǐng)域。演示裝置由演示儀主機、樣品桿、樣品架及超導樣品構(gòu)成，四引線的超導樣品粘接在樣品架的金屬板上，絕緣板和金屬板粘接，樣品架通過樣品桿置放在液氮杜瓦內(nèi)。由演示儀主機的恒流源通過電流引線為超導樣品提供10～50mA的恒定電流，檢測其電流信號和電壓信號，經(jīng)多通道A/D轉(zhuǎn)換器和單片高性能微處理器A/D轉(zhuǎn)換和信號處理后，在電流、電壓數(shù)碼管上分別顯示超導樣品的恒定電流值或電壓值。本發(fā)明采用四引線電阻法，通過觀察材料電阻隨溫度下降而降低并最終消失為“零”的過程直觀地演示超導體的零電阻現(xiàn)象，適用于科技館或大專院校科普演示和教學實驗。
文檔編號G09B23/00GK101436357SQ200810246560
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者焦玉磊, 玲 肖, 鄭明輝 申請人:北京有色金屬研究總院