專利名稱：三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試設(shè)備與測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于低溫超導(dǎo)技術(shù)及高精度測量領(lǐng)域，具體涉及利用該系統(tǒng)對航天裝置中 的三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈進(jìn)行超導(dǎo)特性測量與測試的技術(shù)。
背景技術(shù)：
低溫技術(shù)始于荷蘭物理學(xué)家卡末林·翁尼斯(Heike Kamerlingh-Onnes) 1908年 對氦氣的液化。氦是沸點(diǎn)最低的物質(zhì)，即只能在4. 2K(-269°C )才能液化。翁尼斯利用液氦 創(chuàng)造出IOK以下的溫度環(huán)境，并開始研究在這樣的低溫環(huán)境下金屬的導(dǎo)電性能。出乎意料 的是，翁尼斯1911年發(fā)現(xiàn)，汞金屬的電阻在溫度降至4. 2K時(shí)突然降到零電阻，而后他經(jīng)過 多次檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)即使有點(diǎn)雜質(zhì)的汞金屬，其電阻還是要到零。他經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)的反復(fù)證明， 確定發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的現(xiàn)象，并將這個(gè)新的現(xiàn)象它命名為超導(dǎo)電現(xiàn)象，這種性質(zhì)就叫做超導(dǎo) 電性。由于這一發(fā)現(xiàn)，翁尼斯1913年獲得了諾貝爾獎。后來，在金屬鋅、銦和其他低熔點(diǎn)金 屬中也觀察到了超導(dǎo)電現(xiàn)象。超導(dǎo)現(xiàn)象自發(fā)現(xiàn)起就備受物理學(xué)界的關(guān)注，包括愛因斯坦在1915年之前也對超 導(dǎo)現(xiàn)象非常感興趣，但是后來由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)太少，愛因斯坦就沒有對低溫超導(dǎo)繼續(xù)研究。 經(jīng)過了第一次世界大戰(zhàn)以后，很多人又開始研究低溫超導(dǎo)，后又在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)停下 來，在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束以后，低溫超導(dǎo)又成為研究的熱點(diǎn)。美國的三維物理學(xué)家巴丁 (Bardeen)、庫伯(Cooper)和施里弗(Schrieffer)對金屬的超導(dǎo)現(xiàn)象進(jìn)行了理論解釋，于 1957年提出了以這三個(gè)人名字命名的BCS理論。BSC理論解決了描述超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀理論 問題。我們可以形象化地將其看成相當(dāng)于晶體里面有一個(gè)電子在運(yùn)動過程中把周圍的離子 銷微極化一點(diǎn)，而極化后的離子又把第二個(gè)電子吸引過來，這樣兩個(gè)電子就好像關(guān)聯(lián)起來， 配成對了。整個(gè)配成對的過程，也可以看成是通過離子形成的晶格的振動，這樣模型就相當(dāng) 于兩個(gè)電子配成對，再凝聚起來。配對是通過離子形成的晶格的振動，晶格振動的量子化就 叫做聲子，因此我們可以講是電子和聲子相互作用形成了超導(dǎo)性。BSC理論后來被大多數(shù)人 所認(rèn)可，并于1972年獲得諾貝爾獎。作為本發(fā)明的應(yīng)用背景，STEP衛(wèi)星(Satellite Test of the Equivalence Principle)項(xiàng)目也起源于1972年，美國斯坦福大學(xué)的研究生保爾 沃頓(Paul W. fforden) 著手研究將低溫超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)物理的重力研究，這就是STEP項(xiàng)目的前身，他建立了 一套低溫地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并在斯坦福大學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。1989年，STEP作為第一個(gè)歐洲空間局 (ESA)參與的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，被正式確立為ESA M2聲明中美國-歐洲的聯(lián)合空間任務(wù)。 這使得一系列研究在美國宇航局(NASA)與歐洲空間局(ESA)的聯(lián)合支持下順利進(jìn)行，為現(xiàn) 在STEP的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。2001年，經(jīng)過對多項(xiàng)概念的深入研究，STEP項(xiàng)目進(jìn)入了 初樣研制階段。本發(fā)明中所述的三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈是STEP項(xiàng)目中精度最高的超導(dǎo)量子干涉 測量系統(tǒng)(SRS)的核心零件，因此需要對三維線圈的超導(dǎo)特性作測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試設(shè)備與測試方法，特指針 對三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈進(jìn)行超導(dǎo)特性測試，依靠本發(fā)明的低溫環(huán)境系統(tǒng)和真空環(huán)境系統(tǒng) 所提供的真空低溫環(huán)境，測試研究三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈的超導(dǎo)特性，進(jìn)而輔助設(shè)計(jì)三維 超導(dǎo)薄膜線圈。三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試設(shè)備包括低溫環(huán)境系統(tǒng)D，真空環(huán)境系統(tǒng)Z， 測試工作系統(tǒng)C和外部測量控制系統(tǒng)W ；外部測量控制系統(tǒng)W包括高精度電壓表Wl、溫度測量控制儀W2和主控計(jì)算機(jī)W3 ；測試工作系統(tǒng)C包括測試圓盤形銅板Cl、溫度計(jì)C2、加熱器C3、卡裝線圈組件C4 和至少一個(gè)壓簧探針C5 ；低溫環(huán)境系統(tǒng)D包括杜瓦瓶D1、液氦D2和杜瓦瓶蓋D3 ；真空環(huán)境系統(tǒng)Z包括真空罐Z2和五個(gè)金屬管道，其中五根金屬管道分別為排氣管道Z11、冷卻劑注入管道Z12、真空泵管道Z13、第 一電接口密封管道Z14和第二電接口密封管道Z15，所述五根金屬管道穿過杜瓦瓶蓋D3，所述杜瓦瓶蓋D3的底部通過真空泵管道Z13、第一電接口密封管道Z14和第二電 接口密封管道Z15懸掛有真空罐Z2的頂蓋，真空泵管道Z13、第一電接口密封管道Z14和第二電接口密封管道Z15與真空罐 Z2的真空罐腔連通，真空罐Z2的頂蓋底部還懸掛有測試圓盤形銅板Cl，測試圓盤形銅板Cl上設(shè)置有溫度計(jì)C2、加熱器C3和卡裝線圈組件C4，被測三維 低溫超導(dǎo)薄膜線圈卡固在所述卡裝線圈組件C4上，并且所述被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈 位于測試圓盤形銅板Cl中央，至少一個(gè)壓簧探針C5的觸點(diǎn)壓在所述三維低溫超導(dǎo)薄膜線 圈的超導(dǎo)薄膜可接觸平面上，并且每根壓簧探針C5分別與三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈中每個(gè) 線圈的兩端的導(dǎo)線連接；所述壓簧探針C5的輸出端、溫度計(jì)C2的輸出端和加熱器C3的溫控輸入端穿過第 一電接口密封管道Z14或第二電接口密封管道Z15分別連接在高精度電壓表Wl的輸入端、 溫度測量控制儀W2的溫度信號輸入端和加熱信號輸出端，高精度電壓表Wl的輸出端和溫 度測量控制儀W2的溫度信號輸出端與主控計(jì)算機(jī)W3的電壓信號輸入端和溫度信號輸入端 連接；真空罐Z2的頂蓋底部的測試圓盤形銅板Cl位于真空罐Z2的罐體內(nèi)，并且真空罐 Z2的頂蓋與真空罐Z2的罐體密封連接形成所述真空罐腔，真空罐Z2位于杜瓦瓶Dl的瓶體內(nèi)，所述排氣管道Zll的出氣口和冷卻劑注入管道Z12的注入口位于杜瓦瓶蓋D3頂 部，排氣管道Zll的入氣口位于杜瓦瓶Dl瓶口處，冷卻劑注入管道Z12的流出口位于杜瓦 瓶Dl瓶體下部，并且杜瓦瓶蓋D3與杜瓦瓶Dl密封連接形成液氦空間，液氦D2充入到所述 液氦空間中。三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試方法的步驟如下步驟一裝卡被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈于測試工作系統(tǒng)C的測試圓盤形銅板Cl上，之后至少一個(gè)壓簧探針C5的觸點(diǎn)壓在所述三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈的超導(dǎo)薄膜可接觸 平面上，各個(gè)壓簧探針C5通過高精度電壓表Wl連接到主控計(jì)算機(jī)W3上，并定義所對應(yīng)的 信號功能，再連接溫度計(jì)C2和加熱器C3的于溫度測量控制儀W2上；步驟二 組裝并密封真空環(huán)境系統(tǒng)Z，并檢查真空環(huán)境系統(tǒng)Z的各接口的氣密性是 否良好；步驟三組裝低溫環(huán)境系統(tǒng)D，使真空環(huán)境系統(tǒng)Z垂直吊裝在低溫環(huán)境系統(tǒng)D中， 此過程盡量避免機(jī)械振動；步驟四在真空環(huán)境系統(tǒng)Z中制備真空環(huán)境；將真空泵管道Z13外接口與真空泵 連接，啟動真空泵為真空環(huán)境系統(tǒng)ζ抽真空，直到真空環(huán)境系統(tǒng)Z達(dá)到10-5Pa的真空度；停 止真空泵工作，等待一小時(shí)，如果真空環(huán)境系統(tǒng)Z內(nèi)壓強(qiáng)無變化；將真空泵管道Z13外接口 與真空泵連接的真空閥門關(guān)閉，并將二者分開，使得真空環(huán)境系統(tǒng)Z成獨(dú)立的封閉系統(tǒng)；步驟五連接并啟動外部測量控制系統(tǒng)W ；步驟六開始降溫過程，先使用液氮作為制冷劑做初始降溫，將液氮由冷卻劑注入 管道Z12的注入口注入杜瓦瓶Dl的40L的圓柱形液氦浴罐內(nèi)，通過真空環(huán)境系統(tǒng)Z內(nèi)的溫 度計(jì)C2測量溫度，直到溫度計(jì)C2讀數(shù)下降到77K時(shí)穩(wěn)定數(shù)分鐘后，待溫度計(jì)C2讀數(shù)再次 高于77K時(shí)，停止注入液氮，將液氦D2作為冷卻劑，從冷卻劑注入管道Z12的注入口杜瓦 瓶Dl內(nèi)，當(dāng)杜瓦瓶Dl內(nèi)溫度降至6. 21K時(shí)，且高精度電壓表Wl的讀數(shù)突然變?yōu)榱?，即線圈 的電阻突然變?yōu)榱悖^續(xù)注入冷卻劑，直到溫度計(jì)C2讀數(shù)穩(wěn)定在4. 2K，繼續(xù)注入液氦D2于 40L的圓柱形液氦浴罐中，通過液面位置傳感器測量該圓柱形液氦浴罐內(nèi)的液面高度，直到 液面注滿40L的圓柱形液氦浴罐為止，停止注入冷卻劑，此時(shí)便完成了整個(gè)降溫過程；步驟七開始啟動溫度測量控制儀W2，使溫度保持在4. 25K。步驟八開始設(shè)定電流源輸出電流的變化規(guī)律，以ImA為步長分別選擇以下區(qū) 間的參數(shù)
，[-100mA, 0],
, [100mA，0]作為輸出電流的參數(shù)，并 利用主控計(jì)算機(jī)W3記錄高精度電壓表Wl測量到的電壓讀數(shù)，經(jīng)計(jì)算得出的線圈電阻 為-3. 5975X 10-6 Ω，測量結(jié)果為負(fù)值說明該結(jié)果是測量儀表的自身誤差，已經(jīng)無法測量到 被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈的電阻，證明了被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈特性良好，該線圈 通過了測試。本發(fā)明的目的是測試三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈的超導(dǎo)特性，因此一定需要為超導(dǎo)線 圈提供一個(gè)低溫環(huán)境，如背景技術(shù)中所述，本發(fā)明的低溫環(huán)境利用液氦作為制冷劑，使測試 系統(tǒng)工作溫度達(dá)到4. 2Κ，即-269°C。因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套低溫系統(tǒng)。由于測試的三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈是美國宇航局(NASA)與歐洲空間局(ESA)聯(lián) 合研制的 STEP 衛(wèi)星(Satellite Test of the Equivalence Principle)有效載荷中的核 心零件，因此從技術(shù)應(yīng)用角度，屬于應(yīng)用航天科學(xué)與技術(shù)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是低溫環(huán)境系統(tǒng)D的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是測試工 作系統(tǒng)C的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是卡裝線圈組件C4的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1、圖2、圖3和圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括低 溫環(huán)境系統(tǒng)D，真空環(huán)境系統(tǒng)Z，測試工作系統(tǒng)C和外部測量控制系統(tǒng)W ；外部測量控制系統(tǒng)W包括高精度電壓表Wl、溫度測量控制儀W2和主控計(jì)算機(jī)W3 ；測試工作系統(tǒng)C包括測試圓盤形銅板Cl、溫度計(jì)C2、加熱器C3、卡裝線圈組件C4 和至少一個(gè)壓簧探針C5 ；低溫環(huán)境系統(tǒng)D包括杜瓦瓶D1、液氦D2和杜瓦瓶蓋D3 ；真空環(huán)境系統(tǒng)Z包括真空罐Z2和五個(gè)金屬管道，其中五根金屬管道分別為排氣管道Z11、冷卻劑注入管道Z12、真空泵管道Z13、第 一電接口密封管道Z14和第二電接口密封管道Z15，所述五根金屬管道穿過杜瓦瓶蓋D3，所述杜瓦瓶蓋D3的底部通過真空泵管道Z13、第一電接口密封管道Z14和第二電 接口密封管道Z15懸掛有真空罐Z2的頂蓋，所述的真空泵管道Z13的外接口、第一電接口密封管道Z14的外接口和第二電接 口密封管道Z15的外接口位于杜瓦瓶蓋D3頂部，所述的真空泵管道Z13的內(nèi)接口、第一電 接口密封管道Z14的內(nèi)接口和第二電接口密封管道Z15的內(nèi)接口位于真空罐Z2的頂蓋底 部，真空泵管道Z13、第一電接口密封管道Z14和第二電接口密封管道Z15與真空罐Z2的真 空罐腔連通，真空罐Z2的頂蓋底部還懸掛有測試圓盤形銅板Cl，測試圓盤形銅板Cl采用銅具 有很好的熱傳導(dǎo)能力，可以有效降低底板上的溫度梯度，測試圓盤形銅板Cl邊緣沿圓周平 均分布三個(gè)螺孔，通過鋁制螺栓和三根GlO材質(zhì)的綠色中空管與真空罐頂蓋固定連接，采 用三根GlO材質(zhì)的綠色中空管低溫環(huán)境下不會脆裂，溫差性變小，且絕緣絕熱；測試圓盤形銅板Cl上設(shè)置有溫度計(jì)C2、加熱器C3和卡裝線圈組件C4，被測三維 低溫超導(dǎo)薄膜線圈卡固在所述卡裝線圈組件C4上，并且所述被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈 位于測試圓盤形銅板Cl中央，其基底為凝溶石英，外觀半透明，呈近似圓筒狀，圓周互相垂 直方向截有4個(gè)小截面。上端圓環(huán)形平面上鍍有超導(dǎo)金屬鈮制的“蚊香”式多匝超導(dǎo)薄膜 線圈，超導(dǎo)薄膜線圈的兩端由金屬鈮導(dǎo)線分別引到線圈正面的兩塊小超導(dǎo)薄膜可接觸平面 上，而兩塊超導(dǎo)薄膜的可接觸平面經(jīng)90°拐角延伸至線圈基底的側(cè)向的一個(gè)截面上，因此 構(gòu)成了三維構(gòu)形的低溫超導(dǎo)薄膜線圈；至少一個(gè)壓簧探針C5的觸點(diǎn)壓在所述三維低溫超 導(dǎo)薄膜線圈的超導(dǎo)薄膜可接觸平面上，并且每根壓簧探針C5分別與三維低溫超導(dǎo)薄膜線 圈中每個(gè)線圈的兩端的導(dǎo)線連接；所述壓簧探針C5的輸出端、溫度計(jì)C2的輸出端和加熱器C3的溫控輸入端穿過第一 電接口密封管道Z14或第二電接口密封管道Z15分別連接在高精度電壓表Wl的輸入端、溫度 測量控制儀W2的溫度信號輸入端和加熱信號輸出端，高精度電壓表Wl的輸出端和溫度測量 控制儀W2的溫度信號輸出端與主控計(jì)算機(jī)W3的電壓信號輸入端和溫度信號輸入端連接；真空罐Z2的頂蓋底部的測試圓盤形銅板Cl位于真空罐Z2的罐體內(nèi)，并且真空罐 Z2的頂蓋與真空罐Z2的罐體密封連接形成所述真空罐腔，測試工作系統(tǒng)C裝配于真空環(huán)境 系統(tǒng)Z的真空罐Z2的真空罐腔內(nèi)，承擔(dān)著裝卡三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈并進(jìn)行接觸測試的任 務(wù)，工作在低溫真空的環(huán)境中，因此，對測試工作系統(tǒng)C的功能、結(jié)構(gòu)、選材、安裝等設(shè)計(jì)需
8要尤其地謹(jǐn)慎。需要綜合考慮測試工作系統(tǒng)C內(nèi)部的溫度梯度，降溫的熱傳導(dǎo)過程，測試溫 度的測量與控制，測試電纜的鋪裝，以及材質(zhì)的溫差形變，構(gòu)件在低溫下的剛度、韌度等物 理特性，以及裝卡三維超導(dǎo)線圈的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的形變是否擠碎線圈，或由于其形變損壞超導(dǎo) 薄膜，還要考慮線圈裝卡結(jié)構(gòu)在不同溫度下的彈性力大小以及系統(tǒng)安裝拆卸式的機(jī)械振動 影響等等因素；真空罐Z2位于杜瓦瓶Dl的瓶體內(nèi)，所述排氣管道Zll的出氣口和冷卻劑注入管道Z12的注入口位于杜瓦瓶蓋D3頂 部，排氣管道Zll的入氣口位于杜瓦瓶Dl瓶口處，冷卻劑注入管道Z12的流出口位于杜瓦 瓶Dl瓶體下部，并且杜瓦瓶蓋D3與杜瓦瓶Dl密封連接形成液氦空間，液氦D2充入到所述 液氦空間中。由于液氦D2沸點(diǎn)最低，采用液氦D2作為制冷劑的環(huán)境內(nèi)不可能還存在以氣體分 子形式存在的任何物質(zhì)，其他物質(zhì)在此溫度下都以固體形式存在。因此，低溫的工作環(huán)境需 要真空環(huán)境，否則，其他氣體分子就會像結(jié)冰一樣凝結(jié)在工作系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)表面上，無法進(jìn) 行超導(dǎo)測試工作，因此采用了真空罐Z2內(nèi)部作為工作環(huán)境。真空罐Z2的罐體與真空罐Z2 的頂蓋通過軟金屬壓緊密封。排氣管道Zll用于排放冷卻劑吸熱氣化產(chǎn)生的氣體。冷卻劑注入管道Z12用于冷 卻劑注入。真空泵管道Z13與真空泵連接，并由真空泵將真空罐Z2抽真空，可達(dá)到10-5Pa 的真空度。第一電接口密封管道Z14和第二電接口密封管道Z15用于真空罐Z2內(nèi)部與杜 瓦瓶Dl的外部測量控制系統(tǒng)W的電信號連接，在第一電接口密封管道Z14和第二電接口密 封管道Z15的杜瓦瓶蓋D3頂部一側(cè)管口上裝有電接口，接口面板與所述管口也通過軟金屬 壓緊連接，具有很高的密封性能。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同點(diǎn)在于杜瓦瓶Dl為內(nèi)外兩層殼結(jié)構(gòu)，外殼Dll是上端開口的圓柱形金屬罐體，內(nèi)殼 D12是由三段圓柱形內(nèi)殼連接構(gòu)成罐體，內(nèi)外殼體之間的腔體為真空，主要目的是使得杜瓦 瓶Dl內(nèi)部的低溫環(huán)境與外部的室溫環(huán)境能夠很好地絕熱。所述三段圓柱形內(nèi)殼從上往下依次為上段圓柱形內(nèi)殼D121、中段圓柱形內(nèi)殼 D122和下段圓柱形內(nèi)殼D123，并且三段圓柱形內(nèi)殼將杜瓦瓶Dl內(nèi)的液氦空間分為低熱傳 導(dǎo)管頸、液氦浴罐和液氦工作浴室；上段圓柱形內(nèi)殼D121的內(nèi)徑與外殼Dll的開口直徑相 同，中段圓柱形內(nèi)殼D122的內(nèi)徑大于上段圓柱形內(nèi)殼D121的內(nèi)徑，中段圓柱形內(nèi)殼D122 形成容積為40L的圓柱形液氦浴罐；下段圓柱形內(nèi)殼D123的內(nèi)徑與上段圓柱形內(nèi)殼D121 的內(nèi)徑相同，下段圓柱形內(nèi)殼D123形成下端封底的圓柱形液氦工作浴室；中段圓柱形內(nèi)殼 D122與下段圓柱形內(nèi)殼D123和中段圓柱形內(nèi)殼D122與上段圓柱形內(nèi)殼D121是由兩個(gè)圓 錐形導(dǎo)流斜面連接。上段圓柱形內(nèi)殼D121的材料是低熱傳導(dǎo)率塑料，具有很好的絕熱性能，主要目的 是使得從接觸室溫環(huán)境的杜瓦瓶Dl 口到中段圓柱形內(nèi)殼D122的低溫的液氦浴罐之間具有 足夠高的溫度梯度，降低熱傳導(dǎo)，減小液氦損耗。中段圓柱形內(nèi)殼D122的40L的圓柱形液氦浴罐內(nèi)安裝有超導(dǎo)金屬棒制成的液氦 液面位置傳感器D4，可以實(shí)現(xiàn)從杜瓦瓶Dl外部接口測量得到中段圓柱形內(nèi)殼D122中的液
氦液面位置。
中段圓柱形內(nèi)殼D122由于與外殼Dll距離較近，容易造成熱傳導(dǎo)，因此在中段圓 柱形內(nèi)殼D122與外殼Dll之間纏繞包裹有多層的超絕緣層。由于杜瓦瓶Dl的底部的絕熱處理很好，所以下段圓柱形內(nèi)殼D123的周圍都是絕 熱的，工作時(shí)只與中段圓柱形內(nèi)殼D122的液氦連通，因此可以很好地保證浴室內(nèi)4. 2K的低
溫環(huán)境。本發(fā)明的目的是測試三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈的超導(dǎo)特性，因此一定需要為超導(dǎo)線 圈提供一個(gè)低溫環(huán)境，如背景技術(shù)中所述，本發(fā)明的低溫環(huán)境利用液氦作為制冷劑，使測試 系統(tǒng)工作溫度達(dá)到4. 2K，即-269°C。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖3和圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一 不同點(diǎn)在于卡裝線圈組件C4包括平面定位塊C41、圓柱形定位銷C42和帶有彈簧片的卡件 C43，其中平面定位塊C41位于被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈一側(cè)上部設(shè)置有凸臺，所述凸臺 用于阻擋被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈由于振動向上的傳動位移，其由GlO材質(zhì)制造；圓柱 形定位銷C42和帶有彈簧片的卡件C43由銅制造，所述平面定位塊C41、圓柱形定位銷C42 和帶有彈簧片的卡件C43分別固定測試圓盤形銅板Cl上，并分布于被測三維低溫超導(dǎo)薄膜 線圈外側(cè)的三個(gè)點(diǎn)上，所述平面定位塊C41和圓柱形定位銷C42用于限定被測三維低溫超 導(dǎo)薄膜線圈的定位平面和一個(gè)限位點(diǎn)，在平面定位塊C41和圓柱形定位銷C42的另一側(cè)安 裝的帶有彈簧片的卡件C43的彈簧片壓緊被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈的側(cè)面，用于被測三 維低溫超導(dǎo)薄膜線圈與平面定位塊C41和圓柱形定位銷C42緊密接觸，足夠的彈力將被測 三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈固定于測試圓盤形銅板Cl的中心位置，并且可以防止有限的機(jī)械 振動使線圈脫離測試圓盤形銅板Cl，而且能夠調(diào)整被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈，使其在測 試圓盤形銅板Cl上的轉(zhuǎn)動和平動。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同點(diǎn)在于真空泵管道Z13的外 接口上設(shè)置有真空閥門。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖1、圖2、圖3和圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟 為步驟一裝卡被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈于測試工作系統(tǒng)C的測試圓盤形銅板Cl 上，之后至少一個(gè)壓簧探針C5的觸點(diǎn)壓在所述三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈的超導(dǎo)薄膜可接觸 平面上，各個(gè)壓簧探針C5通過高精度電壓表Wl連接到主控計(jì)算機(jī)W3上，并定義所對應(yīng)的 信號功能，再連接溫度計(jì)C2和加熱器C3的于溫度測量控制儀W2上；步驟二 組裝并密封真空環(huán)境系統(tǒng)Z，并檢查真空環(huán)境系統(tǒng)Z的各接口的氣密性是 否良好；步驟三組裝低溫環(huán)境系統(tǒng)D，使真空環(huán)境系統(tǒng)Z垂直吊裝在低溫環(huán)境系統(tǒng)D中， 此過程盡量避免機(jī)械振動；步驟四在真空環(huán)境系統(tǒng)Z中制備真空環(huán)境；將真空泵管道Z13外接口與真空泵 連接，啟動真空泵為真空環(huán)境系統(tǒng)ζ抽真空，直到真空環(huán)境系統(tǒng)Z達(dá)到10-5Pa的真空度；停 止真空泵工作，等待一小時(shí)，如果真空環(huán)境系統(tǒng)Z內(nèi)壓強(qiáng)無變化；將真空泵管道Z13外接口 與真空泵連接的真空閥門關(guān)閉，并將二者分開，使得真空環(huán)境系統(tǒng)Z成獨(dú)立的封閉系統(tǒng)；步驟五連接并啟動外部測量控制系統(tǒng)W ；
步驟六開始降溫過程，先使用液氮作為制冷劑做初始降溫，將液氮由冷卻劑注入 管道Z12的注入口注入杜瓦瓶Dl的40L的圓柱形液氦浴罐內(nèi)，并同時(shí)觀察排氣管道Zll的 出氣口的排氣量大小調(diào)整冷卻劑的注入量，并觀察溫度計(jì)C2測量到得溫度讀數(shù)，直到溫度 計(jì)C2讀數(shù)下降到77K時(shí)穩(wěn)定數(shù)分鐘后，待溫度計(jì)C2讀數(shù)再次高于77K時(shí)，停止注入液氮， 改將液氦D2作為冷卻劑，從冷卻劑注入管道Z12的注入口注入杜瓦瓶Dl內(nèi)，同樣要觀察 排氣管道Zll的出氣口的排氣量大小調(diào)整冷卻劑的注入量，同時(shí)觀察溫度計(jì)C2的讀數(shù)以 及在電流源輸出電流不變的情況下高精度電壓表Wl的讀數(shù)變化；當(dāng)杜瓦瓶Dl內(nèi)溫度降至 6. 21K時(shí)，觀察到高精度電壓表Wl的讀數(shù)突然變?yōu)榱悖淳€圈的電阻突然變?yōu)榱?，說明被測 三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象，雖然在此溫度下發(fā)生了超導(dǎo)現(xiàn)象，但是溫度計(jì)C2讀 數(shù)還沒有達(dá)到4. 2K，說明杜瓦瓶Dl中的液氦D2都已氣化，還沒有液態(tài)氦存在，因此還要繼 續(xù)注入冷卻劑，直到溫度計(jì)C2讀數(shù)穩(wěn)定在4. 2K，再繼續(xù)注入液氦D2于40L的圓柱形液氦浴 罐中，直到液氦D2液面位置傳感器顯示注入的液氦D2裝滿40L的圓柱形液氦浴罐為止，停 止注入冷卻劑，此時(shí)便完成了整個(gè)降溫過程；步驟七開始啟動溫度測量控制儀W2，使溫度保持在4. 25K ；步驟八開始設(shè)定電流源輸出電流的變化規(guī)律，以ImA為步長分別在以下區(qū)間
, [-100mA,0],
, [100mA,0]作為輸出電流的參數(shù)，并利用主控計(jì)算機(jī) W3記錄高精度電壓表Wl測量到的電壓讀數(shù)，經(jīng)計(jì)算得出的線圈電阻為-3. 5975 X 10-6 Ω， 測量結(jié)果為負(fù)值說明該結(jié)果是測量儀表的自身誤差，已經(jīng)無法測量到被測三維低溫超導(dǎo)薄 膜線圈的電阻，證明了被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈特性良好，該線圈通過了測試；步驟九測試完成后，將外部測量控制系統(tǒng)W關(guān)閉，而后，就是等待杜瓦瓶Dl中的 液氦D2完全氣化，溫度計(jì)C2讀數(shù)逐漸上升，此過程需要一至七天的時(shí)間；步驟十待溫度計(jì)C2讀數(shù)高于195Κ，就可以將真空罐Ζ2從杜瓦瓶Dl中拆卸并吊 裝出來繼續(xù)升溫，待杜瓦瓶Dl溫度接近室溫時(shí)，將真空閥門慢慢打開向真空環(huán)境系統(tǒng)Z內(nèi) 放入空氣，直到內(nèi)外壓強(qiáng)一致；步驟十一將真空罐Ζ2的頂蓋打開，將真空罐Ζ2罐體拆卸下來，取下三維低溫超 導(dǎo)薄膜線圈妥善存放。本發(fā)明內(nèi)容不僅限于上述各實(shí)施方式的內(nèi)容，其中一個(gè)或幾個(gè)具體實(shí)施方式
的組 合同樣也可以實(shí)現(xiàn)發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1.三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試設(shè)備，其特征在于它包括低溫環(huán)境系統(tǒng)(D)， 真空環(huán)境系統(tǒng)(Z)，測試工作系統(tǒng)(C)和外部測量控制系統(tǒng)(W)；外部測量控制系統(tǒng)(W)包括高精度電壓表(Wl)、溫度測量控制儀(M)和主控計(jì)算機(jī) (W3)；測試工作系統(tǒng)(C)包括測試圓盤形銅板(Cl)、溫度計(jì)(以)、加熱器(O)、卡裝線圈組件 (C4)和至少一個(gè)壓簧探針(C5)；低溫環(huán)境系統(tǒng)⑶包括杜瓦瓶(Dl)、液氦(D2)和杜瓦瓶蓋(D3)； 真空環(huán)境系統(tǒng)(Z)包括真空罐(Z2)和五個(gè)金屬管道，其中五根金屬管道分別為排氣管道(Zll)、冷卻劑注入管道(Z12)、真空泵管道(Z13)、 第一電接口密封管道(Z14)和第二電接口密封管道(Z15)， 所述五根金屬管道穿過杜瓦瓶蓋(D3)，所述杜瓦瓶蓋(D3)的底部通過真空泵管道(Z13)、第一電接口密封管道(Z14)和第二 電接口密封管道(Z15)懸掛有真空罐(Z2)的頂蓋，真空泵管道(Z13)、第一電接口密封管道(Z14)和第二電接口密封管道(Z15)與真空罐 (Z2)的真空罐腔連通，真空罐腦的頂蓋底部還懸掛有測試圓盤形銅板(Cl)，測試圓盤形銅板(Cl)上設(shè)置有溫度計(jì)(C2)、加熱器(O)和卡裝線圈組件(C4)，被測 三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈卡固在所述卡裝線圈組件(C4)上，并且所述被測三維低溫超導(dǎo)薄 膜線圈位于測試圓盤形銅板(Cl)中央，至少一個(gè)壓簧探針(( )的觸點(diǎn)壓在所述三維低溫 超導(dǎo)薄膜線圈的超導(dǎo)薄膜可接觸平面上，并且每根壓簧探針(⑶)分別與三維低溫超導(dǎo)薄 膜線圈中每個(gè)線圈的兩端的導(dǎo)線連接；所述壓簧探針(⑶)的輸出端、溫度計(jì)(以)的輸出端和加熱器(O)的溫控輸入端穿過 第一電接口密封管道(Z14)或第二電接口密封管道(ZK)分別連接在高精度電壓表(Wl) 的輸入端、溫度測量控制儀(M)的溫度信號輸入端和加熱信號輸出端，高精度電壓表(Wl) 的輸出端和溫度測量控制儀(M)的溫度信號輸出端與主控計(jì)算機(jī)(W:3)的電壓信號輸入端 和溫度信號輸入端連接；真空罐(Z2)的頂蓋底部的測試圓盤形銅板(Cl)位于真空罐(Z2)的罐體內(nèi)，并且真空 罐KL1、的頂蓋與真空罐KL1、的罐體密封連接形成所述真空罐腔， 真空罐(Z2)位于杜瓦瓶(Dl)的瓶體內(nèi)，所述排氣管道(Zll)的出氣口和冷卻劑注入管道(Z12)的注入口位于杜瓦瓶蓋(D3) 頂部，排氣管道(Zll)的入氣口位于杜瓦瓶(Dl)瓶口處，冷卻劑注入管道(Z12)的流出口 位于杜瓦瓶(Dl)瓶體下部，并且杜瓦瓶蓋(D3)與杜瓦瓶(Dl)密封連接形成液氦空間，液 氦(D2)充入到所述液氦空間中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試設(shè)備，其特征在于杜瓦 瓶(Dl)為內(nèi)外兩層殼結(jié)構(gòu)，外殼011)是上端開口的圓柱形金屬罐體，內(nèi)殼(D12)是由三 段圓柱形內(nèi)殼連接構(gòu)成罐體，內(nèi)外殼體之間的腔體為真空，所述三段圓柱形內(nèi)殼從上往下 依次為上段圓柱形內(nèi)殼(D121)、中段圓柱形內(nèi)殼￠12 和下段圓柱形內(nèi)殼(D123)，并且三 段圓柱形內(nèi)殼將杜瓦瓶(Dl)內(nèi)的液氦空間分為低熱傳導(dǎo)管頸、液氦浴罐和液氦工作浴室； 上段圓柱形內(nèi)殼(D121)的內(nèi)徑與外殼(Dll)的開口直徑相同，中段圓柱形內(nèi)殼(D122)的內(nèi)徑大于上段圓柱形內(nèi)殼(D121)的內(nèi)徑，中段圓柱形內(nèi)殼(D122)形成容積為40L的圓柱 形液氦浴罐；下段圓柱形內(nèi)殼(D123)的內(nèi)徑與上段圓柱形內(nèi)殼(D121)的內(nèi)徑相同，下段圓 柱形內(nèi)殼(D12!3)形成下端封底的圓柱形液氦工作浴室；中段圓柱形內(nèi)殼￠12 與下段圓 柱形內(nèi)殼(D123)和中段圓柱形內(nèi)殼(D122)與上段圓柱形內(nèi)殼(D121)是由兩個(gè)圓錐形導(dǎo) 流斜面連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試設(shè)備，其特征在于上段 圓柱形內(nèi)殼(D121)的材料是低熱傳導(dǎo)率塑料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試設(shè)備，其特征在于 中段圓柱形內(nèi)殼￠12 的40L的圓柱形液氦浴罐內(nèi)安裝有超導(dǎo)金屬棒制成的液氦液面位 置傳感器(D4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試設(shè)備，其特征在于中段 圓柱形內(nèi)殼￠12 與外殼(Dll)之間纏繞包裹有多層的超絕緣層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試設(shè)備，其特征在 于卡裝線圈組件(C4)包括平面定位塊(C41)、圓柱形定位銷(C42)和帶有彈簧片的卡件 (C43)，其中平面定位塊(C41)位于被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈一側(cè)上部設(shè)置有凸臺，所 述凸臺用于阻擋被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈由于振動向上的傳動位移，所述平面定位塊 (C41)、圓柱形定位銷(￠4 和帶有彈簧片的卡件(C4!3)分別固定測試圓盤形銅板(Cl)上， 并分布于被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈外側(cè)的三個(gè)點(diǎn)上，所述平面定位塊(C41)和圓柱形定 位銷(￠4 用于限定被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈的定位平面和一個(gè)限位點(diǎn)，在平面定位塊 (C41)和圓柱形定位銷(C42)的另一側(cè)安裝的帶有彈簧片的卡件(C43)的彈簧片壓緊被測 三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈的側(cè)面，用于被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈與平面定位塊(C41)和圓 柱形定位銷( 緊密接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試設(shè)備，其特征在于平面 定位塊(C41)采用GlO材質(zhì)，圓柱形定位銷(￠4 和帶有彈簧片的卡件(C4!3)采用銅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試設(shè)備，其特征在于 真空泵管道(Z13)的外接口上設(shè)置有真空閥門。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試設(shè)備，其特征在于真空 罐、τι、的罐體與真空罐、τι、的頂蓋通過軟金屬壓緊密封。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求所述的設(shè)備進(jìn)行的三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試方法， 其特征在于步驟為步驟一裝卡被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈于測試工作系統(tǒng)(C)的測試圓盤形銅板(Cl) 上，之后至少一個(gè)壓簧探針(⑶)的觸點(diǎn)壓在所述三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈的超導(dǎo)薄膜可接 觸平面上，各個(gè)壓簧探針(( )通過高精度電壓表(Wl)連接到主控計(jì)算機(jī)(w;3)上，并定義 所對應(yīng)的信號功能，再連接溫度計(jì)(以)和加熱器(O)的于溫度測量控制儀(M)上；步驟二 組裝并密封真空環(huán)境系統(tǒng)(Z)，并檢查真空環(huán)境系統(tǒng)(Z)的各接口的氣密性是 否良好；步驟三組裝低溫環(huán)境系統(tǒng)(D)，使真空環(huán)境系統(tǒng)(Z)垂直吊裝在低溫環(huán)境系統(tǒng)(D) 中，此過程盡量避免機(jī)械振動；步驟四在真空環(huán)境系統(tǒng)(Z)中制備真空環(huán)境；將真空泵管道(Z13)外接口與真空泵連接，啟動真空泵為真空環(huán)境系統(tǒng)(Z)抽真空，直到真空環(huán)境系統(tǒng)(Z)達(dá)到10-5 的真 空度；停止真空泵工作，等待一小時(shí)，如果真空環(huán)境系統(tǒng)(Z)內(nèi)壓強(qiáng)無變化；將真空泵管道 (Z13)外接口與真空泵連接的真空閥門關(guān)閉，并將二者分開，使得真空環(huán)境系統(tǒng)(Z)成獨(dú)立 的封閉系統(tǒng)；步驟五連接并啟動外部測量控制系統(tǒng)(W)；步驟六開始降溫過程，先使用液氮作為制冷劑做初始降溫，將液氮由冷卻劑注入管道 (Z12)的注入口注入杜瓦瓶(Dl)的40L的圓柱形液氦浴罐內(nèi)，通過真空環(huán)境系統(tǒng)(Z)內(nèi)的 溫度計(jì)(以)測量溫度，直到溫度計(jì)(以)讀數(shù)下降到77K時(shí)穩(wěn)定數(shù)分鐘后，待溫度計(jì)(C2)讀 數(shù)再次高于77K時(shí)，停止注入液氮，將液氦(擬)作為冷卻劑，從冷卻劑注入管道(Z12)的注 入口杜瓦瓶(Dl)內(nèi)，當(dāng)杜瓦瓶(Dl)內(nèi)溫度降至6. 21K時(shí)，且高精度電壓表(Wl)的讀數(shù)突 然變?yōu)榱?，即線圈的電阻突然變?yōu)榱悖^續(xù)注入冷卻劑，直到溫度計(jì)(C2)讀數(shù)穩(wěn)定在4. 2K， 繼續(xù)注入液氦(擬)于40L的圓柱形液氦浴罐中，通過液面位置傳感器測量該圓柱形液氦浴 罐內(nèi)的液面高度，直到液面注滿40L的圓柱形液氦浴罐為止，停止注入冷卻劑，此時(shí)便完成 了整個(gè)降溫過程；步驟七開始啟動溫度測量控制儀(W》，使溫度保持在4. 25K ； 步驟八開始設(shè)定電流源輸出電流的變化規(guī)律，以ImA為步長分別選擇以下區(qū)間的 參數(shù)
，[-100mA,0],
, [100mA，0]作為輸出電流的參數(shù)，并利用 主控計(jì)算機(jī)(W;3)記錄高精度電壓表(Wl)測量到的電壓讀數(shù)，經(jīng)計(jì)算得出的線圈電阻 為-3. 5975Χ10_6Ω，測量結(jié)果為負(fù)值說明該結(jié)果是測量儀表的自身誤差，已經(jīng)無法測量到 被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈的電阻，證明了被測三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈特性良好，該線圈 通過了測試。
全文摘要
三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈超導(dǎo)特性測試設(shè)備與測試方法，本發(fā)明屬于低溫超導(dǎo)技術(shù)及高精度測量領(lǐng)域，它特指針對三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈進(jìn)行超導(dǎo)特性測試，依靠本發(fā)明的低溫環(huán)境系統(tǒng)和真空環(huán)境系統(tǒng)所提供的真空低溫環(huán)境，測試研究三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈的超導(dǎo)特性，進(jìn)而輔助設(shè)計(jì)三維超導(dǎo)薄膜線圈。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套低溫系統(tǒng)，測試三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈的超導(dǎo)特性，因此一定需要為超導(dǎo)線圈提供一個(gè)低溫環(huán)境，如背景技術(shù)中所述，本發(fā)明的低溫環(huán)境利用液氦作為制冷劑，使測試系統(tǒng)工作溫度達(dá)到4.2K，即-269℃。因此，由于測試的三維低溫超導(dǎo)薄膜線圈是美國宇航局與歐洲空間局聯(lián)合研制的STEP衛(wèi)星有效載荷中的核心零件，因此從技術(shù)應(yīng)用角度，屬于應(yīng)用航天科學(xué)與技術(shù)。
文檔編號G01R33/12GK102096052SQ201010593649
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者蘭盛昌, 張世杰, 張錦繡, 曹喜濱, 李夢立, 楊勇, 王肅文 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)