測量高溫超導(dǎo)薄膜表面本征阻抗的諧振器裝置及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測量高溫超導(dǎo)薄膜表面本征阻抗的諧振器裝置及測量方法，裝置分為腔體部分與高度調(diào)節(jié)部分，腔體部分包括底板、銅腔、彈簧、下樣品臺、介質(zhì)柱、上樣品臺、耦合線纜、自平行球以及磷銅壓片，上樣品臺可以通過高度調(diào)節(jié)部分實(shí)現(xiàn)上下移動；高度調(diào)節(jié)部分包括金屬固定板、金屬桿、金屬管、壓電陶瓷和彈簧，所述壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)高度調(diào)整；所述腔體部分與所述高度調(diào)節(jié)部分通過聚乙烯桿和聚乙烯塊相連；測量采用TE012和TE021模式，通過測量介質(zhì)諧振腔的諧振頻率與品質(zhì)因數(shù)獲得超導(dǎo)薄膜的本征表面阻抗。本發(fā)明提供的裝置適用于任意厚度的高溫超導(dǎo)薄膜，不僅可以測量高溫超導(dǎo)薄膜有效表面阻抗，還能測量高溫超導(dǎo)薄膜的本征阻抗。
【專利說明】
測量高溫超導(dǎo)薄膜表面本征阻抗的諧振器裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及超導(dǎo)電性測量，具體涉及一種測量高溫超導(dǎo)薄膜表面本征阻抗的諧振 器裝置及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] -般來說，超導(dǎo)薄膜表面阻抗定義為薄膜表面電場切向分量Et與磁場切向分量Ht 之比：Zs = Et/Ht = Rs+jXs，其中Rs表示表面電阻，Xs表示表面電抗。表面阻抗是超導(dǎo)薄膜非常 重要的參數(shù)，不僅反映了超導(dǎo)薄膜的損耗性能，同時(shí)表征了磁穿透深度，常用來比較超導(dǎo)薄 膜的優(yōu)劣。
[0003] 高溫超導(dǎo)薄膜一般生長于襯底之上，高溫超導(dǎo)薄膜表面阻抗的測量方法一般是將 超導(dǎo)薄膜放入諧振腔來測量，包括平行板諧振腔、微帶線諧振腔、介質(zhì)諧振腔等。其中介質(zhì) 諧振腔法是通過在介質(zhì)柱上下兩端分別放置超導(dǎo)薄膜，將大部分電磁能量束縛在介質(zhì)柱 內(nèi)，通過測量諧振腔的損耗來獲得超導(dǎo)薄膜的表面電阻等，其具有非常高的品質(zhì)因數(shù)，測量 精度高，而且對超導(dǎo)薄膜無損傷，測量完的超導(dǎo)薄膜可以繼續(xù)使用，因此被廣泛采用。
[0004] 在測量中，當(dāng)超導(dǎo)薄膜厚度遠(yuǎn)大于電磁波的穿透深度時(shí)，此時(shí)測得的阻抗是超導(dǎo) 薄膜的本征阻抗Zs，但超導(dǎo)薄膜的厚度與電磁波的穿透深度相比不是很大時(shí)，此時(shí)測得的 是超導(dǎo)薄膜的有效阻抗Z Se，事實(shí)上，有效阻抗不能表征超導(dǎo)薄膜的性質(zhì)，不能用來比較超導(dǎo) 薄膜的優(yōu)劣。
[0005] 目前我國高溫超導(dǎo)薄膜表面電阻測量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22586-2008,采用的同樣是介質(zhì) 諧振腔法，其采用兩個(gè)長度的介質(zhì)柱，其中長柱是短柱高度的3倍，構(gòu)成兩個(gè)介質(zhì)諧振腔，分 別測量諧振腔TE Q13和TEQ11模式的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)，由此可以獲得超導(dǎo)薄膜的表面電 阻。該方法采用兩個(gè)介質(zhì)柱，引入了介質(zhì)柱之間差異所造成的誤差，同時(shí)要求超導(dǎo)薄膜至少 大于三倍的穿透深度，否則，此時(shí)測得的是有效表面電阻，而且，該方法只能測量表面電阻， 不能測量表面電抗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種測量高溫超導(dǎo)薄膜表面本 征阻抗的諧振器裝置及測量方法，其既可以測量超導(dǎo)薄膜表面電阻，又可以測量超導(dǎo)薄膜 表面電抗，且不限定超導(dǎo)薄膜厚度，只使用一個(gè)介質(zhì)柱，沒有兩個(gè)介質(zhì)柱差異所引起的誤 差。
[0007] 本發(fā)明采用的第一種技術(shù)方案為測量高溫超導(dǎo)薄膜表面本征阻抗的諧振器裝置， 包括腔體部分與高度調(diào)節(jié)部分，所述腔體部分與高度調(diào)節(jié)部分通過聚乙烯桿和聚乙烯塊相 連，相互隔熱;腔體部分包括底板、銅腔、彈簧、下樣品臺、介質(zhì)柱、上樣品臺、第一耦合線纜、 第二耦合線纜、自平行球、磷銅壓片、第一超導(dǎo)薄膜和第二超導(dǎo)薄膜;所述銅腔為圓環(huán)柱體 結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有圓柱體屏蔽腔，所述圓柱體屏蔽腔下部設(shè)有環(huán)狀臺階結(jié)構(gòu)，構(gòu)成卡位腔；下 樣品臺為圓柱形，底部有凹槽，與彈簧卡入卡位腔，并與銅腔一起固定于底板之上;第一耦 合線纜和第二耦合線纜的端部均有與水平面平行的小環(huán)，分別設(shè)于銅腔的左右兩端;上樣 品臺為圓柱體結(jié)構(gòu)，上表面中心有半球形凹槽，與自平行球配合連接;第一超導(dǎo)薄膜粘貼于 上樣品臺的中心，上樣品臺通過所述第一超導(dǎo)薄膜與銅腔相連，所述上樣品臺與銅腔之間 的其余部分留有空隙，能夠使上樣品臺與銅腔其余部分隔絕不相互導(dǎo)熱；第二超導(dǎo)薄膜粘 貼于下樣品臺的中心，下樣品臺的上部通過第二超導(dǎo)薄膜連接銅腔;介質(zhì)柱粘貼于第二超 導(dǎo)薄膜的中心;所述磷銅壓片壓住自平行球，與上樣品臺固定；高度調(diào)節(jié)部分包括金屬板、 金屬桿、金屬管、壓電陶瓷、彈簧和管蓋，金屬板為圓環(huán)柱形，中心有一圓柱形通孔，所述金 屬桿上端為圓柱平面，下端為圓柱桿;彈簧套入金屬桿，金屬桿穿過金屬板通孔，金屬桿下 端通過聚乙烯塊與自平行球相連，金屬管套住金屬桿并固定于金屬板中心，壓電陶瓷放入 金屬管中垂直下壓金屬桿，金屬管頂端用管蓋蓋住;聚乙烯桿與金屬板以及底板固定連接。
[0008] 進(jìn)一步，所述第一耦合線纜和第二耦合線纜均采用半剛性同軸線纜;所述銅腔內(nèi) 部圓柱體空腔直徑為14mm到18mm之間，高度為3mm，介質(zhì)柱采用損耗極低的藍(lán)寶石圓柱形介 質(zhì)柱，高度為3mm，直徑為5mm。
[0009] 進(jìn)一步，所述壓電陶瓷調(diào)節(jié)上樣品臺高度，使上樣品臺與銅腔其余部分之間有10-20微米空隙。
[0010] 進(jìn)一步，所述介質(zhì)柱為藍(lán)寶石圓柱形介質(zhì)柱。更進(jìn)一步，所述第一超導(dǎo)薄膜采用低 溫膠粘貼于上樣品臺的中心，第二超導(dǎo)薄膜采用低溫膠粘貼于下樣品臺的中心，所述藍(lán)寶 石介質(zhì)柱采用低溫膠粘貼于第二超導(dǎo)薄膜的中心。
[0011] 本發(fā)明采用的第二種技術(shù)方案為一種應(yīng)用如上所述的諧振器裝置測量高溫超導(dǎo) 薄膜表面本征阻抗的方法，采用TEQ12模和TE Q21模作為測量模式，其具體方法為：
[0012] (1)安裝介質(zhì)諧振器裝置，調(diào)節(jié)壓電陶瓷使上樣品臺對于銅腔上表面微微抬起10-20微米，使上樣品臺與銅腔不接觸，相互分離。
[0013] (2)將裝置放入制冷機(jī)，上樣品臺和下樣品臺連接到制冷機(jī)冷頭同時(shí)降溫至最低 溫度，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量介質(zhì)諧振腔中不同溫度下TE<m和TEQ12模式諧振頻率f^fs， 無載品質(zhì)因數(shù)Qi和Q2。
[0014] (3)記諧振腔最低溫度時(shí)的TE(m模式諧振頻率為f(Tmin)，對上樣品臺逐漸升溫至 臨界溫度，同時(shí)銅腔其余部分保持低溫不變，測量此時(shí)諧振腔不同溫度條件下的TE<m模式 的諧振頻率相比于f (Tmin)的變化值A(chǔ) f (T)。
[0015] ⑷由所測量的TEtm模式最低溫度時(shí)的諧振頻率f(Tmin)以及隨溫度變化諧振頻率 的變化值A(chǔ) f(T)可以獲得超導(dǎo)薄膜的本征表面阻抗。
[0016] 本發(fā)明的有益效果為：
[0017] (1)諧振器既可以測量超導(dǎo)薄膜的表面電阻，也能測量超導(dǎo)薄膜的表面電抗。
[0018] (2)諧振器中只需要采用一個(gè)介質(zhì)柱，測量不同模式的諧振頻率，不會引入不同介 質(zhì)柱所帶來的差異。
[0019] (3)諧振器對于超導(dǎo)薄膜的厚度沒有要求，可以測量任意厚度的超導(dǎo)薄膜的表面 阻抗。
【附圖說明】
[0020] 圖1本發(fā)明的正視方向的示意圖；
[0021]圖2本發(fā)明腔體局部的正面剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步詳細(xì)說明
[0023] 如圖1、2所示，一種測量高溫超導(dǎo)薄膜本征阻抗的諧振器裝置，主要包括腔體部分 和高度調(diào)節(jié)部分，腔體部分包括底板1、銅腔2、彈簧3、介質(zhì)柱4、下樣品臺5、第一耦合線纜6 和第二耦合線纜7、上樣品臺8、自平行球9、磷銅壓片10、第一超導(dǎo)薄膜19、第二超導(dǎo)薄膜20、 屏蔽腔22與卡位腔21，高度調(diào)節(jié)部分包括金屬板11、金屬管12、壓電陶瓷13、金屬桿14、彈簧 15和管蓋18。高度調(diào)節(jié)部分與腔體部分之間通過聚乙烯桿16、聚乙烯塊17相連，有效隔熱并 控制上樣品臺高度。
[0024] 裝置整個(gè)安裝過程如下：
[0025]將第一超導(dǎo)薄膜19和第二超導(dǎo)薄膜20分別用低溫膠粘到上樣品臺8與下樣品臺5 的中心，將彈簧3卡入下樣品臺5底部的凹槽，并一起卡入銅腔2的卡位腔21，銅腔2與底板1 固定，將介質(zhì)柱（即諧振腔)4放入屏蔽腔22并用低溫膠粘到第二超導(dǎo)薄膜20中心。將第一耦 合線纜6和第二耦合線纜7分別插入銅腔2壁左右兩側(cè)。將自平行球9放入上樣品臺8頂端半 球形凹槽，磷銅壓片10壓住自平行球9,與上樣品臺8固定。將聚乙烯塊17與聚乙烯桿16分別 連到金屬桿14與底板1。將金屬板11與聚乙烯桿16固定，將彈簧15從金屬桿14底部桿套入， 金屬桿14插入金屬板11中心通孔，金屬桿14與聚乙烯塊17相連。將金屬管12蓋住金屬桿14 并與金屬板11固定，把壓電陶瓷13放入金屬管12,蓋上管蓋18。
[0026] 整個(gè)測量過程如下：
[0027] (1)有效電阻的確定。
[0028]調(diào)節(jié)壓電陶瓷使上樣品臺對于銅腔上表面微微抬起10微米左右，使上樣品臺與銅 腔不接觸，相互分離，將裝置放入制冷機(jī)，上樣品臺和下樣品臺連接到制冷機(jī)冷頭同時(shí)降溫 至最低溫度，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測量諧振腔中不同溫度下TE Q21和TEQ12模式諧振頻率 f#Pf2以及無載品質(zhì)因數(shù)&和出，薄膜的有效表面電阻滿足如下關(guān)系
[0030] 式（1)中，當(dāng)a=l時(shí)表示TEtm模式，當(dāng)a = 2時(shí)表示TEtrn模式，UPRCua分別是超導(dǎo) 薄膜的有效表面電阻與銅壁的表面電阻，tanS為介質(zhì)柱的損耗角正切，其中R Sel/RSe2=(fV f2)2，Rcui/Rcu2= (fi/f2)1/2，tan5i/tan52 = (fi/f2)，6丁1、681、65?1、1<：1以及6丁2、682、65?12、1<：2分別是 對應(yīng)于TE Q21模式和TEQ12模式上樣品臺、下樣品臺、銅腔壁的幾何因子及填充因子，是取決于 銅腔尺寸、介質(zhì)柱尺寸和諧振模式的量，可以理論求出，通過TEoidmEm模式的聯(lián)立求解可 以獲得Rsel和Rse2。
[0031] (2)本征阻抗的確定。
[0032] 對上樣品臺逐漸升溫，同時(shí)銅腔其余部分保持低溫不變，記最低溫度時(shí)TE<m模式 的諧振頻率為f (Tmin)，測量隨著溫度變化諧振腔TEtm模式諧振頻率的變化值A(chǔ) f (T)，對于 此時(shí)的諧振腔，隨著溫度變化諧振腔諧振頻率變化的關(guān)系式如下：
[0034] 式(2)中AXSeTcipS上樣品臺隨溫度變化的有效表面電抗的變化值，
[0035] 有效阻抗與本征阻抗的關(guān)系式如下：
[0036] Rse=[Re(Gh)Rs-Im(Gh)Xs] (3)
[0037] Xse=[Re(Gh)Xs+Im(Gh)Rs] (4)
[0038] 其中
，y z=[2j3Tf0y()(0i-j02)]1/2，t為超導(dǎo)薄膜厚度，y〇為 真空磁導(dǎo)率，〇1和〇2分別是超導(dǎo)薄膜電導(dǎo)率的實(shí)部與虛部，&為與超導(dǎo)薄膜襯底有關(guān)的量。 且本征阻抗的表達(dá)式如下：
[0041 ] 聯(lián)立式(3)、（ 4)、（ 5)和(6)，可以獲得本征表面電阻Rs和本征表面電抗Xs。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種測量高溫超導(dǎo)薄膜表面本征阻抗的諧振器裝置，其特征在于，包括腔體部分與 高度調(diào)節(jié)部分，所述腔體部分與高度調(diào)節(jié)部分通過聚乙烯桿（16)和聚乙烯塊（17)相連，相 互隔熱;腔體部分包括底板(1)、銅腔(2)、彈簧(3)、下樣品臺（5)、介質(zhì)柱(4)、上樣品臺（8)、 第一耦合線纜(6)、第二耦合線纜(7)、自平行球(9)、磷銅壓片（10)、第一超導(dǎo)薄膜(19)和第 二超導(dǎo)薄膜(20);所述銅腔(2)為圓環(huán)柱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有圓柱體屏蔽腔(22)，所述圓柱體 屏蔽腔(22)下部設(shè)有環(huán)狀臺階結(jié)構(gòu)，構(gòu)成卡位腔(21);下樣品臺（5)為圓柱形，底部有凹槽， 與彈簧(3)卡入卡位腔(21)，并與銅腔(2) -起固定于底板（1)之上;第一耦合線纜(6)和第 二耦合線纜(7)的端部均有與水平面平行的小環(huán)，分別設(shè)于銅腔(2)的左右兩端;上樣品臺 (8)為圓柱體結(jié)構(gòu)，上表面中心有半球形凹槽，與自平行球(9)配合連接;第一超導(dǎo)薄膜(19) 粘貼于上樣品臺（8)的中心，上樣品臺（8)通過所述第一超導(dǎo)薄膜(19)與銅腔(2)相連，所述 上樣品臺（8)與銅腔(2)之間的其余部分留有空隙，能夠使上樣品臺（8)與銅腔(2)其余部分 隔絕不相互導(dǎo)熱;第二超導(dǎo)薄膜(20)粘貼于下樣品臺（5)的中心，下樣品臺（5)的上部通過 第二超導(dǎo)薄膜(20)連接銅腔(2);介質(zhì)柱(4)粘貼于第二超導(dǎo)薄膜(20)的中心;所述磷銅壓 片（10)壓住自平行球（9)，與上樣品臺（8)固定；高度調(diào)節(jié)部分包括金屬板（11)、金屬桿 (14)、金屬管（12)、壓電陶瓷（13)、彈簧(15)和管蓋(18)，金屬板(11)為圓環(huán)柱形，中心有一 圓柱形通孔，所述金屬桿（14)上端為圓柱平面，下端為圓柱桿;彈簧（15)套入金屬桿（14)， 金屬桿(14)穿過金屬板(11)通孔，金屬桿(14)下端通過聚乙烯塊(17)與自平行球(9)相連， 金屬管（12)套住金屬桿（14)并固定于金屬板(11)中心，壓電陶瓷(13)放入金屬管（12)中垂 直下壓金屬桿（14)，金屬管（12)頂端用管蓋（18)蓋住;聚乙烯桿（16)與金屬板（11)以及底 板(1)固定連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述測量高溫超導(dǎo)薄膜表面本征阻抗的諧振器裝置，其特征在于，所 述第一耦合線纜(6)和第二耦合線纜(7)均采用半剛性同軸線纜。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述測量高溫超導(dǎo)薄膜表面本征阻抗的諧振器裝置，其特征在于，所 述銅腔(2)內(nèi)部的圓柱體空腔直徑為14mm到18mm之間，高度為3_，所述介質(zhì)柱(4)為藍(lán)寶石 介質(zhì)柱，高度為3mm，直徑為5_。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述測量高溫超導(dǎo)薄膜表面本征阻抗的諧振器裝置，其特征在于，所 述壓電陶瓷（13)調(diào)節(jié)上樣品臺（8)高度，使上樣品臺（8)與銅腔(2)其余部分之間有10-20微 米空隙。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述測量高溫超導(dǎo)薄膜表面本征阻抗的諧振器裝置，其特征在于，所 述介質(zhì)柱為藍(lán)寶石圓柱形介質(zhì)柱。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述測量高溫超導(dǎo)薄膜表面本征阻抗的諧振器裝置，其特征在于，所 述第一超導(dǎo)薄膜（19)采用低溫膠粘貼于上樣品臺（8)的中心，第二超導(dǎo)薄膜(20)采用低溫 膠粘貼于下樣品臺（5)的中心，所述藍(lán)寶石介質(zhì)柱采用低溫膠粘貼于第二超導(dǎo)薄膜(20)的 中心。7. -種應(yīng)用如權(quán)利要求1所述的諧振器裝置測量高溫超導(dǎo)薄膜表面本征阻抗的方法， 其特征在于，采用TEo12模和TEo 21模作為測量模式，包括如下步驟： (1) 調(diào)節(jié)壓電陶瓷使上樣品臺對于銅腔上表面微微抬起10-20微米，使上樣品臺與銅腔 不接觸，相互分離； (2) 將所述諧振器裝置放入制冷機(jī)，上樣品臺和下樣品臺連接到制冷機(jī)冷頭，同時(shí)降溫 至最低溫度，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量諧振腔中不同溫度下TEo21和TEo12的諧振頻率f^fs， 無載品質(zhì)因數(shù)Qi和Q2; (3) 對上樣品臺逐漸升溫至臨界溫度，同時(shí)銅腔其余部分保持低溫不變，記最低溫度時(shí) TE021模式的諧振頻率為f (Tmin)，測量此時(shí)諧振腔TE()21模式在不同溫度條件下相比于f (Tmin) 的諧振頻率變化值A(chǔ) f (T); (4) 由所測量的TEo21模式最低溫度時(shí)的諧振頻率f (Tmin)和隨溫度變化諧振頻率的變化 值A(chǔ) f(T)獲得超導(dǎo)薄膜的本征表面阻抗。
【文檔編號】G01R27/02GK105929240SQ201610288877
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月4日
【發(fā)明人】陳健, 葛高煒, 吉爭鳴
【申請人】南京大學(xué)