| Головна » Статті » Фізика | [ Додати статтю ] |
Дослідження ВТНП-плівок
|
Зміст. Вступ..........................................................................................................2 Розділ 1. Огляд літератури......................................................................3 1.1. Високотемпературні надровідники....................................................................................3 1.2. НВЧ властивості плівок ВТНП...................................................6 1.3. Поняття поверхневого імпедансу................................................8 1.4. Залишковий поверхневий НВЧ опір...........................................12 1.5. Поведінка надпровідників в зовнішніх магнітних полях. Надпровідники другого роду. .......................................................14 1.6. Поведінка тонких плівок ВТНП у магнітному полі. Модель Коффі - Клема...........................................................................................20 Розділ 2. Методична частина..............................................................26 2.1. Методика вимірювання поверхневого імпедансу і аналіз вимог до вимірювальних резонаторів..........................................................26. 2.2. Візуалізація полів у резонаторі.................................................29 2.3. Дослідження плівок по НВЧ втратам.....................................31 Розділ 3. Установка...............................................................................33 3.1.Блок-схема установки.................................................................33 3.2 Надпровідний магніт...................................................................34 3.3 Прохідний мідний резонатор.......................................................35 а)візуалізація полів у резонаторі...................................................35 б)вимірювання добротності резонатора......................................37 Висновки.................................................................................................39 Література............................................................................................40 Вступ. Відкриття у 1986 році високотемпературної надпровідності та нового класу металооксидних надпровідників дало потужний поштовх дослідженням в цій області. Досягнуте в 1987 році підвищення критичної температури до Т>90К створило принципово нові можливості для надпровідникової електроніки. Практичне використання надпровідників для створення НВЧ пристроїв дозволяє одержувати унікальні показники характеристик (добротності,чутливості, швидкодії,затухання та інших),які не можливо отримати при використанні звичайних металевих провідниів. Для успішного дослідження високотемпературних (ВТНП) матеріалів,особливо при відсутності задовільних теоретичних моделей процесів,що в них відбуваються, велике значення має створення по можливості більш точних методів і засобів вимірювання їх характеристичних параметрів,із яких одним з основних являється поверхневий імпеданс на НВЧ. Його активна компонента характеризує співвідношення спарених і одиничних носіїв заряду , а уявна компонента- глибину проникнення магнітного поля в ВТНП , а значить , довжину корреляції і вільного пробігу спарених електронів. Визначення абсолютної величини опору має велике значення для створення технології виробництва високоякісних плівок ВТНП. Величина поверхневого опору, як інтегральна характеристика матеріалу дозволяє отримати відомості про наявність в цій плівці дефектів та визначити їх тип і концентрацію. Особливо це прояляється при застосуванні потужних магнітних полів порядку десятків кілоерстед. Із можливих методів вимірювання поверхневого імпедансу найменшу похибку мають резонансні методи, оскільки вони побудовані на основі вимірювань частоти і фази, похибка в визначенні яких значно менша, ніж при амплітудних вимірюваннях. РОЗДIЛ I. Огляд літератури. 1.1. Високотемпературні надпровідники. В даний час до високотемпературних надпровідників ( ВТНП) відносяться з’єднання, які основані на оксидах міді і мають температуру надпровідного переходу в області азотних температур.. Зараз відомо більше двох десятків високотемпературних надпровідників, які є купратами різних металів. По основному металу вони відповідно називаються ітриєвими (наприклад, YBa2Cu3O7-, Тс90К ), вісмутовими ( Bi2Sr2CaCu2O8, Тс95К ), талієвими (Tl2Ba2CaCu2O8, Тс110К ), ртутними (HgBa2CaCu2O8, Tc125K ) ВТНП. Практично всі ВТНП мають слоїсту структуру типу перовскіта з площинами із атомів Cu і O. На рис1.1.1 показана структура типового широко розповсюдженого високотемпературного -. Рис.1.1.1. Кристалографічна структура YBa2Cu3O7-. надпровідника - ітриєвого з’єднання YBa2Cu3O7-.Результати багаточисленних експерементів підтверджують припущення , що площини з киснем є основним об’єктом в кристалографічній гратці, вони відповідають як за провідність цих оксидних з’єднань, так і за винткнення в них надпровідності при високих температурах. Високотемпературні надпровідники є типовими представниками надпровідників ІІ роду з дуже великим співвідношенням лондоновської довжини до довжини когерентності - порядку де-кількох сотень. Тому друге критичне поле Нс2 має дуже високе значення. На приклад, у Ві 2212 воно становить примірно 400Тл, а Нс1 рівне де-кільком сотням ерстед ( в залежності від орієнтацій поля відносно кристала ). В монокристалах високотемпературних надпровідників в магнітних полях, більше Нс1, спостерігається вихрьова структура, подібна тій, що раніше була знайдена в традиційних надпровідниках ІІ роду. Для більшості ВТНП характерна сильна анізотропія, що призводить до дуже незвичного характеру залежності магнітного момента цих речовин від величини поля у випадку, коли поле нахилено до основних кристалографічних осей. Суть ефекту полягає в тому, що внаслідок значної анізотропії вихрьовим лініям спочатку енергетично вигідно розміщуватись між шарами CuO2 в площині (ab) ( в площині шарів ) і лиш потім, після перевищення де-якого поля, починають пронизувати ab-площини. З’єднання ТС, К Кількість CuO-шарів a,b, нм , нм a,b, нм , нм La1.85Sr0.15CuO4 40 1 80 430 3,7 0,7 YBa2Cu3O7 95 2 27 180 3,1 0,4 Bi2Sr2CaCu2O8 95 2 25 500 3,8-1,8 0,2 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 115 3 500 3,0 ; , (1.2.4) де . (1.2.5) Величина має зміст комплексної глибини проникнення, а N - скінової глибини, яка пов’язана з наявністю носіїв у вільному стані. Замітимо, що побудована модель справедлива в області частот 1 вираз (1.2.7) відповідає багатократно експерементально підтвердженому факту лінійної залежності питомого опору ВТНП-матеріалів від температури. На основі (1.2.2, 1.2.6 і 1.2.7) можна зробити висновок, що N(t)=t1/2, tВеличини 1 і 2 інколи називають індуктивною та резистивною глибиною скін-шару.. Із (1.3.7) отримаємо зв’язок з R i X : , (1.3.9) Комплексну глибину проникнення можна розглядати як другий метод введення поверхневого iмпедансу, зв'язок уявної та дiйсної частин якого з Х i R задається спiввiдношеннями (1.3.9). Внаслiдок неперервностi тангенцiйних складових електричного та магнiтного полiв на границi, спiввiдношення (1.3.6) залишаеться вiрним в довiльнiй точцi граничноi площини. Тому його можна розглядати як наближену однорiдну граничну умову для широкого класу граничних задач прикладноi електродинамiки (гранична умова Леонтовича). Цi умови є особливо важливими, бо можна розв'язувати зовнiшню електродинамiчну задачу при заданнi однiєi лише величини Z, не цiкавлячись розподiлом полiв всерединi металу. Якщо зовнi металу iснує лiнiйно поляризоване електромагнiтне поле, то при вiдповiдному виборi напрямiв осей x та y завжди можна сполучити вектор з вiссю X, а вектор з вiссю Y. З спiввiдношень (1.3.3, 1.3.4, 1.3.6) одержимо рiзнi, часто використовуванi спiввiдношення для поверхневого iмпедансу: (1.3.10) Якщо метал лiнiйний, то внаслiдок лiнiйностi рiвняння (1.3.1) поверхневий імпеданс не залежить вiд амплiтуд електричного i магнiтного полiв i визначається лише параметрами металу. 1.4. Залишковий поверхневий НВЧ опiр в надпровіднику. В попереднiх роздiлах була побудована модель, що описує основнi електродинамiчнi властивостi ВТНП. Найбiльш важливими з точки зору застосування ВТНП в НВЧ та швидкодiючих пристроях є температурнi i частотнi залежностi Z цих матерiалiв[4]. Проте при достатньо низьких температурах експериментальна починає відхилятися від теоретичної, а при Т0 вона досягає асимптотичного значення.Тобто, гранично досягненнi Рис 1.4.1. Плівка ВТНП з включеннями ненадпровідної фази: а - модельне представлення; б - гранули, розділені ненадпровідними прослойками. параметри реальних надпровiдних зразкiв визначаються їх реальною структурою, однорiднiстю, наянiстю дефектiв i т.д. Дивимось модельну структуру ( рис.1.4.1 а ) надпровідникової плівки, пронизаної циліндрами із матеріала, який володіє нормальною провідністю. Такі циліндри можуть бути утворені нормально провідною фазою, яка розташована між надпровідними гранулами, які володіють стовбчатою структурою ( рис.1.4.1 б ). Властивості між гранульних контактів не приймаються до уваги, поскільки нас цікавить лише наявність нормальної фази між гранулами. Допустимо, що нормальні стовбчики мають циліндричну форму з діаметром 2а, в той як на кожний стовбчик припадає середня площа R0 поверхні плівки. Оцінимо долю об’єму плівки , яку займають нормальні циліндри: . (1.4.1) Припустимо, що aЕкспериментальнi данi [ 5 ] свiдчать про те, що додатковi втрати також пов'язанi iз захопленим магнiтним потоком. При охолодженнi в момент переходу у надпровiдний стану в надпровiднику може бути захоплений магнiтний потiк, пов'язаний з ненульовим значенням напруженостi магнiтного поля в робочому об'ємi. Домiшки, особливо магнiтнi, викликають локальнi змiни надпровiдної щiлини i призводять до виникнення в околi точок їх розташування iзольованих нормальних областей. Нерiвностi поверхнi навiть мiкроскопiчного масштабу призводять до значних втрат. Гострий виступ на поверхнi надпровiдника викликає вищу напруженiсть магнiтного поля, нiж в середньому поблизу поверхнi, вона може навiть перевищувати її критичне значення. 1.5. Поведінка надпровідників в зовнішніх магнітних полях. Надпровідники другого роду. Магнітні властивості надпровідників характеризуються двома параметрами: глибиною проникнення L слабкого постійного поля в внутрішні області надпровідника, яку ввели Лондони і довжиною когерентності 0, введену Піппардом. В квазімікроскопічній теорії Гінзбурга -Ландау був введений безрозмірний параметр =L/0. Для чистих металів ( олова, алюмінія, ртуті та інші ) значення мале. Наприклад, для ртуті =0,16. Тому в роботі Гінзбурга - Ландау розглядались тільки випадки, коли . В 1957 році А.А. Абрикосов показав, що з теорії Гінзбурга - Ландау витікає можливість існування двох груп надпровідників. До першої відносяться надпровідники із значеннями , котрі були названі надпровідниками першого роду. В них в зовнішньому полі НСлабкі магнітні поля ( Нс1 магнітні вихрі починають проникати в надпровідник, розташовуючись паралельно зовнішнньому магнітному полю. Розрахунки показують [ 17 ], що нитки починають утворюватись, коли напруженність поля Н>Нс1 досягає значення . (1.5.3) При дальшому збільшенні поля проникання магнітного потоку всередену зразка відбувається у вигляді віддалених одної від одної вихрьових ниток, створюючих структуру типу гратки з дуже великим періодом. В полях, близьких Нс2 , в вузлах решітки поле 2 рівне нулю, а магнітне поле має максимальне значення і практично відсутнє в проміжках між нитками ( надпровідна фаза ). При достатньому віддалені ниток однієї від одної їх можна вважати незалежними і розглядати одну окрему нитку. По структурі вихрьова нитка складається в основному з двох областей: центральної циліндричної області з діаметром, приблизно рівним довжині когерентності 0. В цій області густина надпровідних електронів виростає від нуля до одиниці. Цю внутрішню область охоплює зовнішня циліндрична область, з радіусом порядка глибини Рис.1.5.2. Ізольована вихрьова нитка Абрикосова: Вz-лінії магнітного поля; j-замкнуті лінії надпровідного струму. проникнення L, магнітного поля. В цій області циркулюють незатухаючі струми, необхідні для створення одного кванту Ф0 магнітного потоку. Структура ізольованої вихрьової нитки показана на рис.1.5.2. Енергія одиниці довжини нитки визначається виразом (1.5.4) Випливає, що без врахування взаємодії ниток енергія N вихрьових ниток, які перетинають одиницю площі, рівна NS. Вільна енергія надпровідника визначається виразом . (1.5.5) При слабкому зовнішньому полі вільна енергія F додатня і утворення вихрів невигідно, але при HHФ, де HФ визначено рівністю (1.5.3), вона стає від’ємною і утворення вихрів вигідно. Якщо в нульовому магнітному полі Fn - густина енергії нормального стану, а Fs0 - густина енергії надпровідного змішаного стану надпровідника другого роду, їх різниця визначає так зване критичне термомагнітне поле за допомогою рівності: . (1.5.6) Для надпровідників першого роду це співвідношення визначає істинне критичне поле Нст=Нс. Для надпровідників другого роду значення Нст характеризує тільки допоміжну величину. Умова термодинамічної рівноваги змішаного стану надпровідника другого роду зводиться до вимоги, щоб поле в його нормальній фазі було рівним критичному термодинамічному полю Нст. Це поле виражається через параметри L, -0 і Ф0 рівністю (1.5.7) Друге критичне поле Нс2 надпровідника другого роду пов’язане з полем Нст співвідношенням (1.5.8) Для матеріалів з довжиною когерентності -0 надпровідність зберігається до дуже великих значень поля Нс2. Наприклад, в сплаві V3Ga при Т=0 критичне поле Нс2=3105 гс. В полях Н, які неперевищують друге критичне поле, магнітне поле не витісняється з циліндричного зразка. Однак, в області полів Н, які задовільняють нерівності Hc1В неоднорідних надпровідниках ІІ роду завжди є дефекти різного роду ( границі зерен, пори, дислокації та ін. ). На цих неоднорідностях вихрі закріплюються. Явище закріплення визрів називають пінінгом. Надпровідники з сильним пінінгом називаються жорсткими. При наявності пінінга необхідний кінечний транспортний струм для зриву і руху вихрів. Густина струму, при котрій починається зрив вихрів від центра пінінга, називається критичною густиною струму. Різні ненадпровідні включення з розмірами порядку кореляційної довжини 0 є ефективними центрами пінінга. Вони характеризуються «силою пінінга»,рівній силі Лоренца, при котрій починається відрив магнітного вихря. Спеціальною механічною і термообробкою, а також включеннями ненадпровідних домішок створюються жорсткі надпровідникиз багаточисленними центрами пінінга. Якщо критичні поля чистих металів не перевищували 0,2 Тл, то створені на початку 60-х років жорсткі надпровідники, утворені із сплавів Nb-Ti, Nb-Zr, Nb-Sn та інші., дозволили виготовляти невеликі соленоїди з критичними полями до 10 Тл при високих густинах транспортного критичного струму - порядку 105-106 А/см2. Ці високі значення полів і струмів були отримані при спеціалній термомеханічній обробці, яка забеспечує створення великого числа центрів пінінга. 1.6. Поведінка тонких плівок ВТНП у магнітному полі. Модель Коффі - Клема. Перейдемо до розгляду поведiнки надпровiдника ІІ-го роду, який знаходиться у змiшаному станi на НВЧ. На iзольований флюксоїд, пронизуючий ВТНП, будуть дiяти такi сили: якщо по флюксоїду тече транспортний струм густиною j=j0e-it, то на одиницю довжини флюксоїда з боку магнiтних складових НВЧ - поля, перпендикулярних струму, буде дiяти сила Лоренца : , (1.6.1) де — повний магнiтний потiк, який пронизує флюкоїд, аf — радiус флюксоїда. Сила пiнiнгу: , (1.6.2) де — стала пiнiнгу на одиницю довжини флюксоїда, хf — вiдхилення флюксоїда вiд положення рiвноваги. Сила пiнiнгу обумовлена тим, що вихорi можуть бути закрiпленi (запiнiнгованi) на iснуючих в ВТНП дефектах: границi зерен, дислокації, пори i т.п., до того, поки сила Лоренца не перевищить силу пiнiнгу, в результатi чого стане можливим коливальний рух вихорiв навколо центрiв закрiплення. В процесi руху вихорiв на них буде дiяти сила в'язкостi: , (1.6.3) де f — коефiцieнт в'язкостi, який дорiвнює: , (1.6.4) де n — питомий опiр ВТНП у нормальному станi H0=HC2 при T=0. Якщо позначити масу флюксоїда на одиницю довжини mf , то рiвняння руху пiд дiєю перерахованих вище сил, можна записати в такому виглядi: , (1.6.5) Рiшення цього рiвняння запишеться в такому виглядi: , де ; З урахуванням цього рiшення, можна знайти опiр осцилюючого флюксоїда: , (1.6.6) Для того, щоб дослiдити залежнiсть вiд рiзних параметрiв у широкому дiапазонi їх змiни необхiдно знати точний вираз для маси флюксоїда на одиницю його довжини: , (1.6.7) де ax — кут Холла, тобто кут мiж струмом та магнiтним полем, ne i me — густина та маса електронiв. Вираз для поверхневого iмпедансу ВТНП плiвки можна одержати припускаючи, що ВТНП плiвка, яка знаходиться у надпровiдному станi на НВЧ, виконує роль, еквiвалентну лiнії передачi в електроницi НВЧ з хвильовим опором ZS , а пiдкладинка має хвильовий опiр , де - дiелектрична проникливiсть пiдкладки, яка навантажена на цю лiнiю передачi на вiдстанi h (h - товщина ВТНП плiвки). Таким чином, можна скористатися вiдомим виразом для визначення опору в довiльнiй точцi цiєї лiнії [ 18 ]: , (1.6.8) де k — стала розповсюдження електромагнiтної хвилi. Вважаючи, що глибина проникнення електромагнiтної хвилi у надпровiдник z) та враховуючи, що k=k , вираз (1.5.8) матиме вигляд : , (1.6.9) де k — комплексна глибина проникнення електромагнiтного поля в надпровiдник, згiдно моделi Коффi-Клема [8] : , (1.6.10) де (t) — глибина проникнення постiйного магнiтного поля : , (1.6.11) де 1N4.Навiть кращi реальнi ВТНП плiвки, якi є епiтаксiальними, мають велику кiлькiсть дефектiв, що роблять плiвки практично полiкристалiчними i складаються з окремих зерен, з’єднаних мiж собою слабкими зв'язками. Для таких плiвок 0 вже не звичайна лондонiвська глибина проникнення L , а представляє собою складну функцiю форми та розмiрiв зерен та властивостей слабких зв'язкiв. На мiкрохвильовi властивостi найбiльше впливають плоскi дефекти, що розмiщенi перпендикулярно напрямку розповсюдження струму. Iснують двi категорії дефектiв та вiдповiдаючих їм слабких зв'язкiв, якi визначають НВЧ властивостi ВТНП плiвок: плоскi двовимiрнi внутригранульнi зв'язки, обумовленi двiйниками, бiльше i малокутовими границями з лiнiйними розмiрами вздовж струму d104E. Залежнiсть поверхневого iмпедансу ВТНП плiвок вiд постiйного магнiтного поля з урахуванням руху вихорiв магнiтного потоку, можна описати, згiдно моделi Коффi-Клема, спiввiдношенням виду : , (1.6.12) З (1.6.6) при , (1.6.13) де Ip() — модифiкована функцiя Бесселя першого роду, р-го порядку =U/2kБТ, де U — висота потенцiального барьеру для вихорiв магнiтного потоку. Вважаємо, що U, kp — є деякi ефективнi величини, однаковi для усiх вихорiв. Відносне значення поверхневого опору в магнітному полі в наближенні 2(t)де - різниця власних частот вимірювального і контрольного резонаторів ( всі стінки останнього виконані із металу з відомим імпедансом ); Q0 - добротність контрольного резонатора, в якій також враховані діелектричні втрати: (2.1.6) В відношені коефіцієнта к=к(1-Q0/Qd) необхідно замітити слідуюче: по-перше, цим коефіцієнтом визначається чутливість вимірювального резонатора к=( Q/Q)/( R/R), по-друге, згідно його визначенню (2.1.4), коефіцієнт к має слідуючий фізичний зміст: це відношення потужності втрат енергії в поверхні S1, яку заміняємо досліджуваним матеріалом, до потужності втрат енергії у всьому резонаторі, за виключенням втрат в елементах зв’язку. Накінець, величина коефіцієнта впливає на похибку вимірювання імпедансу. Для його активної компоненти відносна похибка вимірів, яка отримується варіюванням (2.1.5), має вигляд: (2.1.7) При відомій величині поверхневого опору металу R0 похибка вимірювання Rs залежить від похибки добротності, а також від області зміни значень Rs. Наприклад, при Rsамплітуда при розміщенні зонда в точці x, y, z, C-нормуючий множник, що визначається для кожного ряду вимірювань з умови x, y, z) / max max =1 Таким чином, знімаючи залежність h(x, y, z), отримуємо амплітудний розподіл поля в резонаторі. Так як ступінь зміни коефіцієнта передачі або добротності резонатора визначається інтенсивністю поля в точці розташування зонду і його параметрами, то розмір пробного тіла стає .dз / 0.4 0.2 0 5 10 15 20 25 30 Q103 Рис.2.2.1. Залежність зміни оптимального розміру зонду від добротності досліджуваних коливань одним із основних джерел похибки. Застосування великих зондів призводить до зриву коливань за рахунок сильного поглинання чи розсіяння поля на ньому. Зменшення ж розміру зонда призводить до зниження чутливості, причому критерієм впливу зонда на резонатор буде добротність досліджуваних коливань. На рис. 2.2.1 приведено залежність зміни оптимального розміру пробного тіла від добротності досліджуваного коливання. В якості оптимального вибиралось пробне тіло, при якому похибка вимірювань залишалась не гіршою 5 %[19]. 2.3.Дослідження плівок по НВЧ втратам. Відомо, що власна добротність об’ємного резонатора при заданій геометрії всеціло визначається вибраною коливальною модою і поверхневим опором його стінок. Якщо одну, декілька або всі стінки такого резонатора виконати із ВТНП, то, знаючи структуру поля в резонаторі і його геометрію, по даним вимірювань власної добротності Q0, можна визначити поверхневий опір Rs: Q0= (2.3.1.) де Q0- власна добротність коливань в резонаторі; -магнітна проникність; -кругова частота. Як відомо, власна добротність коливань резонатора, виготовленого повністю з одного матеріала, з ТЕ011 модою може бути виражена у вигляді (2.3.2) або для резонатора, торцева стінка якого заміщена ВТНП-матеріалом. (2.3.3) де Rsm, Rsc - поверхневий опір метала і надпровідника відповідно; r01=3.832; a, b - геометричні коефіцієнти, які залежать від форми. Із виразу (2.3.3) можна отримать (2.3.4) де Qm - власна добротність резонатора ,виконаного цілком із нормального метала; В - коефіцієнт геометрії і частоти резонатора. Виразимо Rsc із (2.3.4) (2.3.5) де Qс - власна добротність резонатора, виконаного із нормального метала, при заміні його робочої поверхні зразком досліджуваного надпровідника. Таким чином, для вимірювання поверхневого опору зразка ВТНП необхідно спочатку виконати калібровочні вимірювання поверхневого опору міді ( визначити температурний хід Qm i Rsm ), а потім, вимірюючи температрний хід добротності резонатора з зразком ВТНП, визначити величину Rsc. Розділ 3. Установка. 3.1.Блок-схема установки. Блок-схема експерементальної установки представлена на рис.3.1.1. Сигнал з НВЧ-генератора (1) поступає на 2-Т міст (2), з якого частина сигналу йде на детектор (3) системи АРП (автоматичне регулювання потужності), причому на один із входів АРП подється продетектований НВЧ сигнал, а з виходу НВЧ-генератора на другий вхід системи АРП подається опорний сигнал, який визначає рівень потужності. Інша частина сигналу з виходу 2-Т моста (2) подається на направлений відгалуджувач (4) і навантаження (7). З направленого відгалуджувача (4) сигнал поступає на частотомір РЧЗ-72 (5). Основний сигнал з виходу 2-Т моста (2) через поляризаційний атенюатор (7) поступає до кріоблоку ( кріостат ). Крiостат являє собою вiдкачуваний вакумний сосуд, в якому розташованi два коаксiальнi баки. Зовнiшнiй бак , в якому знаходиться рiдкий азот, служить екраном, який зменшуе витрати гелiю, який знаходиться у внутрiшньому бацi , за рахунок нагрiву випромiнюванням. Зв'язок резонатора з зовнiшнiм колом забезпечувався хвилеводним трактом (рис3.1.2.). В кріостаті розташованй вимірювальний резонатор - (8), який призначений для вимірювання поверхневого опору Rs (рис3.1.2.). Резонатор знаходиться в середині надпровідного магніта, підключеного до блоку живлення (9). З виходу вимірювального резонатора (8) сигнал надходить до модулятора (10) і після модуляції, через детектор (11), сигнал поступає на нановольтметр (12), який використовується для виміру частоти сигналу, який пройшов через вимірювальний резонатор (8). Нановольтметр працює в режимі синхронной модуляції, для цього одночасно через детектор (11) і з виходу НЧ-генератора (13) подаються сигнали на вхід нановольтметра. З виходу нановольтметра сигнал через блок підсилення (14) подається на вхід осцилографа (15). Для стабілізації температури в схемі установки використовується електронна система стабілізації низьких температури ( ЕСНТ ) (18), до якої входять: датчик температури, датчик стабілізації температури, нагрівач (рис.3.1.2.).В ходi експерименту вимiрюється напiвширина резонансноi лiнiї резонатора, як iз зразком ВТНП, так i при замiщеннi його еталонним мiдним зразком в залежностi вiд температури. 3.2. Надпровідний магніт. В даній установці надпровідний магніт являє собою конструкцію, яка складається з двох магнітів: основного і вставки ( рис.3.2.2 ), що дало нам змогу отримати більше значення напруженості зовнішнього магнітного поля. Надпровідний магніт виготовлено з ніобій - тітанової проволоки, яка при Т=4,2К переходить в надпровідний стан, корпус магніта було виготовлено з алюмінію. Схема включення магніта показана на рис.3.2.2.. Схема складається з джерела живлення надпровідного магніта, опору, амперметра і системи двох послідовно підключених магнітів. Опір служить для розсіювання енергії, , для того, щоб, у випадку переходу з надпровідного стану в нормальний, вберегти джерело живлення від пошкодження. При заливці магнітів рідким гелієм було отримано слідуючі результати вимірювань критичних струмів магнітів: - магніт - вставка: 16,8 А; - основний магніт: 14,4 А; - два послідовно з’єднані магніти: 15,3 А. Ці значення критичних струмів і попередні вимірювання магнітної індукції приладом Ш1-7 дали змогу визначити максимальні значення величин магнітних полів для всіх магнітів: - магніт - вставка: 4.6 кЕрст; - основний магніт: 39 кЕрст; - два послідовно з’єднані магніти: 46 кЕрст. Вставка Основний магніт 3.3. Прохідний мідний резонатор. При розробці установки були розроблені резонатори (рис3.3.1) принципово однакові за конструкцією, але з різним способом збудження коливань: 1) вхідний і вихідний хвилеводи співторкаються широкими стінками 2) вхідний і вихідний хвилеводи співторкаються вузькими стінками А) візуалізація полів у резонаторі. В першому випадку при знятті з резонатора мідного навантаження коливання в резонаторі не зникали, що свідчило про збудження коливальної моди не Н011 типу. Структура поля Схема резонатора Рис.3.3.1.Прохідний мідний резонатор В другому випадку коливання зникали,що характерно для потрібної нам моди Н011, але необхідно було це обгрунтувати.Для цього була створена установка візуалізації полів у резонаторі, по методу пробного тіла, описаного в пункті 2.2.Схема пристрою представлена на рис.3.3.2 Пристрій переміщення Резонатор Генератор Нановольтметр Рис.3.3.2. Блок - схема установки по візуалізації полів у резонаторі. Зонд, що являє собою селенову сферу діаметром 0.2мм, підвішену на нейлоновій нитці, розташований між об’ємом резонатора і мідним навантаженням. Пересуваючи зонд над резонатором з кроком 03мм, ми знімали падіння амплітуди електричного поля нановольтметром. Е х Рис.3.3.3.Розподіл поля у резонаторі На рис.3.3.3. Представлений розподіл поля у резонаторі , що дає нам змогу стверджувати, що в нашому резонаторі збуджується коливальна мода Н011.Б) вимірювання добротності резонатора Спосiб вимiрювання напiвширини резонансноi лiнiї полягає у наступному ( рис.3.3.4 ). Сигнал з генератора НВЧ надходить на резонатор (рис 3.3.1) через атенюатор . За допомогою атенюатора виставляється рiвень затухання сигналу -3дБ. Перестроюючи частоту генератора, досягається спiвпадання резонасноi частоти резонатора з частотою генератора, яке фiксується по максимальному вiдхиленню стрiлки нановольтметра . Пiсля цього рiвень затухання зменшується до 0 дБ, i, перестроюючи частоту генератора спочатку на один, а потiм на другий схил резонансноi кривоi, встановлювалися частотнi вiдмiтки f1 i f2 на рiвнi 0,5 потужностi. По одержаним даним розраховувалося значення власної добротностi резонатора. Рис. 3.3.4. Вимірювання власної добротності резонатора. Вимірювання власної добротності резонатора проводилося при різних діаметрах отворів зв’язку (0.5мм, 0.7мм, 0.9мм ).Експеримент показав, що максимальне значення добротності отримується при встановленні діафрагми з отворами зв’язку діаметром 0.5мм. Висновки 1. Проведений огляд літератури на тему кваліфікаційної бакалаврської роботи «Установка для дослідження властивостей ВТНП у сильних магнітних полях ». 2. Проведено ознайомлення з структурною схемою майбутньої установки по дослідженню поверхневого імпедансу високотемпературних надпровідників. 3. Перевірений кріостат для проведення низькотемпературних досліджень поверхневого імпедансу плівок ВТНП: а) перевірена схема регулювання захолодження надпровідного магніта до температури рідкого азоту. б) перевірена схема індикації рівня рідкого гелію в кріостаті. в) проведено відкачування вакуумної порожнини кріостата для перевірки готовності кріостата до монтажу інших елементів схеми в кріостаті. | |
| Переглядів: 582 | |
| Всього коментарів: 0 | |