PDF《高温超导材料特性测试装置》

高温超导材料特性测试装置 陆果陈凯旋 薛立新 (北京大学物理系 北京 100871) 摘要: 高温超导电性是物理学的前沿课题, 具有重大的应用前景Ζ 低温的获得和控制、 各类温度传感器和液 面计的特性、 电阻的四引线测量法、 乱真电动势的判定和消除、 数据的计算机处理等, 都是物理实验的重要内容Ζ 利 用精心研制的装置所做的实验, 有利于培养学生严谨的科学态度和求实精神Ζ 关键词: 高温超导电性;

低温恒温器;

低温温度计;

四引线测量法 Characteristics testing apparatus of high temperature superconducting material LU Guo CH EN Kai2xuan XU E L i2xin (D epartm ent of Physics, Peking U niversity,Beijing, 100871) Abstract: Being at the fo refront of physical research, high temperature superconductivity (H TS) has great p ro spect in app lication.

Experi m ents of H TS research invo lve a variety of ap2 p roaches that are crucial to modern physics, fo r examp les, the achievem ent and contro l of low temperature, the p roper usage of various thermom eters and levelmonito rs, the tetrode m ethod of resistance m easurem ent, the identification and eli m ination of spurious electromo tive fo rce and computer data analysis, etc. Consequently, the w ell2designed H TS apparatus and experi m ents w ill allow students to substantially i mp rove their experi m ental skills and critical thinking abilities in conducting scientific research. Key words: high temperature superconductivity;

cryo stat;

low temperature thermom eter;

the tetrode m ethod 我们研制的高温超导材料特性测试装置, 是教育部 高等教育改革发展项目 中教学仪器 类产品国际招标的中标项目, 已在北京大学等 十余所高等院校作为基础物理实验教学仪器使 用Ζ 由于一般的基础物理实验课教师不熟悉低 温物理实验, 而高温超导电性的研究目前仍在 迅速发展, 因此本文对相关内容作一简单介 绍Ζ

1 高温超导电性 自1911 年发现超导现象以后, 人们一直在 为提高超导临界温度而努力;

然而在数十年中 进展却十分缓慢,

1973 年所创立的记录(N b3Ge, T c= 2312K) 就保持了

12 年Ζ 重大的 突破出现在

1986 年4月, 缪勒(K. A. M ü ller) 和贝德罗兹 (J. G. Bedno rz) 宣布, 一种钡镧铜 氧化物的超导转变温度可能高于 30K. 从此,

7 物理实验 第21 卷第5期?1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. ①1993 年3月, 现在北京大学物理系任教的郭建栋教授, 在瑞士联邦高等工业大学固体物理研究所首次制备成功了 HgBa2Ca2Cu3O x 超导样品, 其零电阻温度高达 134K, 打破了 T l 系列保持了

5 年之久的记录Ζ 这一最高记录至今仍未被突破Ζ 本装 置所使用的所有 YBa2Cu3O 7- x 超导样品, 都是郭建栋教授带领大学生制备的Ζ 掀起了波及全世界的关于高温超导电性的研究 热潮, 在短短的两年时间里就把超导临界温度 提高到了 110K, 到1993 年3月已达到 134K① Ζ 这一突破使得超导体的使用温区从液氦温区 ( ~ 4. 2K) 提高到了液氮温区 (~ 77. 4K) , 超导 体从此也就被冠以 高温超导体 之名Ζ 关于高 温超导体的机理、 基本性质及其应用, 至今仍然 是物理学家们十分关注的前沿课题Ζ 用液氮冷却安装在低温恒温器中的高温超 导样品, 通以一定的电流, 在测量其端电压时发 现: 当温度接近液氮的正常沸点时, 高温超导样 品的电阻突然跌落到零, 这就是所谓的零电阻 现象或超导电现象Ζ 通常把超导体电阻突然变 为零的温度, 称为超导转变温度Ζ如果维持外磁 场、 电流和应力等在足够低的值, 则样品在一定 外部条件下的超导转变温度, 称为超导临界温 度, 用Tc表示Ζ

2 低温物理实验及其装置的特点〔 1〕 随着超导电技术的发展, 原来主要用于物 理研究的低温物理实验技术, 越来越广泛地应 用到了各个学科的研究实验室、 医院和生产部 门Ζ因此, 为理工科大学生开设有关的低温物理 实验课很有必要Ζ 由于高温超导电性是物理学 的前沿课题, 具有重大的应用前景, 因此, 以此 为题开设低温物理实验课十分有益Ζ

211 低温物理实验的特点 1) 使用低温液体 (如液氮、 液氦等) 作为冷 源时, 必须了解其基本性质, 注意安全Ζ例如, 液 氮的正常沸点是 77. 4K, 三相点温度为 63K;

液 氦的正常沸点是 4. 2K, 常压下不固化Ζ又如, 液 氮的汽化潜热很大, 液氦的汽化潜热很小, 但冷 氦气的显热却很大Ζ 再如, 使用低温液体, 切不 可溅到皮肤上, 应防止冻伤;

氮气是窒息性气 体, 应防止大量氮气淤积在工作室内Ζ 2) 进行低温物理实验时, 离不开温度的测 量Ζ对于各个温区和各种不同的实验条件, 要求 使用不同类型和不同规格的温度计Ζ 例如, 在13.

8 ~ 630. 7K 的温度范围内, 常使用铂电阻温 度计Ζ然而, 用作国际温标内插仪器的标准铂电 阻温度计, 与实验室用的小型铂电阻温度计和 工业用的铂电阻温度计相比, 不仅体积要大得 多, 而且结构也要复杂得多Ζ 又如, 与具有正的 电阻温度系数的铂电阻温度计不同, 锗和硅等 半导体电阻温度计具有负的电阻温度系数, 在30K 以下的低温具有很高的灵敏度;

利用正向 电压随温度变化的 P2 N 结制成的半导体二极 管温度计, 在很宽的温度范围内有很高的灵敏 度, 常用作控温仪的温度传感器;

温差电偶温度 计测温结点小, 制作简单, 常用来测量小样品的 温度变化;

渗碳玻璃电阻温度计的磁效应很弱, 可用于测量在强磁场条件下工作部件的温度 等Ζ 我们必须了解各类温度传感器的特性和适 用范围, 学会标定温度计的基本方法Ζ 3) 在液氮正常沸点到室温的温度范围, 一 般材料的热导较差, 比热容较大, 使低温装置的 各个部件具有明显的热惰性, 温度计与样品之 间的温度一致性较差Ζ 4) 样品的电测量引线又细又长, 引线电阻 的大小往往可与样品电阻相比Ζ对于超导样品, 引线电阻可比样品电阻大得多, 所以四引线测 量法具有特殊的重要性Ζ 5) 在直流低电势的测量中, 克服乱真电动 势的影响是十分重要的Ζ特别是, 为了判定超导 样品是否达到了零电阻的超导态, 必须使用反 向开关Ζ 实际上, 即使电路中没有来自外电源的电 动势, 只要存在材料的不均匀性和温差, 就有温 差电动势存在, 该电动势通常称为乱真电动势 或寄生电动势Ζ例如, 有的实验用双刀双掷开关 就有几个微伏的乱真电动势Ζ 如果我们把一段 漆包铜线两端接在数字电压表测量端上, 然后 用蘸有干冰或液氮的棉花在漆包铜线上捋过, 则可测量出该段漆包铜线上的乱真电动势, 这8物理实验 第21 卷第5期?1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 正是检验漆包铜线均匀性的一种简便方法Ζ 在 低温物理实验中, 待测样品和传感器往往处在 低温下, 而测量仪器却处在室温, 因此它们之间 的连接导线处在温差很大的环境中Ζ而且, 沿导 线的温度分布还会随着低温液体液面的降低、 低温恒温器的移动以及内部情况的其他变化而 随时间改变Ζ所以, 在涉及低电势测量的低温物 理实验中, 特别是在超导样品的测量中, 判定和 消除乱真电动势的影响是十分重要的Ζ当然, 如 果有条件, 采用锁相放大器来测量低频交流电 阻, 是一种比较好的办法Ζ 2.

2 低温物理实验装置的设计和制作 低温物理实验的上述特点, 以及作为培养 和提高学生科学素质的教学实验, 都对低温物 理教学实验装置的设计和制作提出了一些特殊 的要求Ζ 例如, 为了提高温度计与样品之间的温度 一致性, 并提高它们本身温度的均匀性, 常把它 们安装在热导良好的紫铜恒温块上, 并用紫铜 套筒包围着Ζ为了达到尽可能低的温度, 低温部 件几乎都用紫铜制作, 而低温与室温部分的连 接却要用导热很差的薄壁德银管和很细的漆包 铜线Ζ使用和拆卸低温恒温器时, 必须认真按使 用说明书指定的方法细心操作Ζ实际上, 这是作 为一名实验室工作人员(包括教师、 实验员和大 学生) 的基本素养Ζ 又如, 从室温降低到液氮正常沸点的过程 中, 为了保证温度计能够准确指示超导样品的 温度 (即保证温度计与样品之间的温度一致 性) ,........