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锁相放大器对超导材料性能评价


超导状态下有极微弱的交流电流流过试样,可利用锁相放大器检测试样发生的微弱交流电压进行试样的电阻测量。锁相放大器检测试样可避免热电动势的影响,进行低电阻测量时减小测量误差。

      目前有许多以超导为目标的研究正在进行。一般来说,超导实验需要将试样置于极低温下进行。这时一边测量试样的电阻一边确认试样是否达到超导状态。但是测量电阻时的电流会使试样产生焦耳热,这会影响温度控制的准确性。因此,测量电流必须非常微小。由于试样本身的电阻值很低,产生的电压很微弱,也给检测带来困难。

       超导状态下,有极微弱的交流电流流过试样。可以利用锁相放大器检测试样发生的微弱交流电压,进行试样的电阻测量。由于信号是交流的,所以可以避免热电动势的影响,进行低电阻测量时减小测量误差。

超导材料的一个重要应用结构形武是约瑟夫森(Josephson)结。约瑟夫森结是由挟着氧化膜的蒸铝钢带构成,当冷却到1 K以下时,就能得到如图1所示的电流-电压特性。

图1.   约瑟夫森器件的I/V特性

       在具有非线性试样的场合,如图2所示将一定的交流电流叠加在直流电流上,然后一边改变直流电流一边用锁相放大器的1F模式测量所发生的交流电压,就能够测定电阻值(1阶微分特性)。如果用2F模式测量,就能够以高灵敏度测量电阻值的变极点(2阶微分特性)。

将两个约瑟夫森结并联,构成如图3所示的传感器,当通过孔中的磁力线发生改变时,可以得到如图7所示的变化的电流-电压特性。应用这种特性可以做成灵敏度非常高的磁敏传感器。它叫做超导量子干涉器件(Superconducting QUantum Interference Device,SQUID),可用于检测人脑发生的磁场或地磁的起伏等。

 

图2.   测量超导材料的微分电阻

 

图3.   SQUID传感器的结构

图4.   磁通通过SQUID传感器时的特性 


       超导中一个有名的效应是迈斯纳( Meissner)效应(完全抗磁性)。在这种效应的状态下,磁力线不能穿过处于超导状态的试样,而会从超导体内排除。用相互感应法能够确认这种状态。相互感应法如图8所示,是由两组初级线圈和次级线圈构成,绕线的方向各自相反。在没有放置试样的状态下,次级一侧信号的大小相同,相位相反,相互抵消而不出现信号。

 

图5.   超导材料磁化率的测定方法(确认迈斯纳效应)

 

       如果这时在一组线圈中放置试样,则两组线圈磁通的平衡被打破,次级一侧出现信号。然后,如果试样进入超导状态,次级一侧的信号将再次抵消变为0,这样就可以确认迈斯纳效应。这时使用锁相放大器就能够捕捉到更微小的变化。