FD-RT-II型_高温超导转变温度测量仪说明书[1]

仪器使用说明
TEACHER'S GUIDEBOOK
FD-RT-II
高温超导转变温度测量仪
中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.
FD-RT-II型高温超导转变温度测量仪
一、概述
高温超导转变温度测量仪是测量超导体零电阻基本特性的专用实验设备，用以观察、测定超导体的最基本参量——超导临界温度(转变温度)。

由上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-RT-II型高温超导转变温度测量仪具有以下特点： 1）采用常规的四引线法，在恒定电流下测量电阻－温度关系，进而测定转变温度。

2）实验中通过样品提离和浸入液氮来实现温度的升降，样品温度变化范围：液氮（77K）－室温。

3）样品的电阻－温度转变曲线可以用三种方式记录：连接至X－Y记录仪直接记录；读取测量仪主机面板上两数字电压表人工记录；连接至计算机进行实时记录。

4）样品电压和温度电压的显示均为三位半数字电压表。

通过按钮开关切换可显示样品电流和温度计电流。

高温超导转变温度测量仪可以用于大中专院校近代物理实验和物理专业实验。

二、仪器简介
FD-RT-II高温超导转变温度测量仪主要由实验主机、低温液氮杜瓦瓶和实验探棒以及前级放大器组成。

如图1所示。

图1 高温超导转变温度测量仪仪器装置
1．探棒
探棒是安装超导样品和温度计供插入低温杜瓦瓶实现变温的实验装置。

其上部装有前级放大器，底部是样品室。

棒身采用薄璧的德银管或不锈钢管制作。

底部样品室的结构见图2。

图2 探棒样品室内部结构示意图
样品室外壁和内部样品架均由紫铜块加工而成，通过紫铜块外壁与液氮的热接触，将冷量传到内部紫铜块样品架中。

样品架的温度取决于与环境的热平衡。

控制探棒插入液氮中的深度，可以改变样品架的温度变化速度。

超导样品为常规的四引线接头方式，其电流、电压引线分别连接到样品架的相应接头上。

图中，并排的中间两引线是电压接头，靠外的两引线是电流引线。

样品架的温度由铂电阻温度计测定。

样品电阻的四引线和铂电阻的四引线通过紫铜热沉后接至探棒上端，再分别接至各自的恒流源和电压表。

2．前级放大部分
前级放大器的框图见图3。

上海复旦天欣科教仪器有限公司
图3 前级放大器框图
图中：1）样品上的电压经放大器放大1000倍后的输出, 其与主机的连接线在5芯航空头上。

2）样品电流的测量端，其与主机的连接线也在5芯航空头上；3）两个插座为样品两电压端的直接引出点，未经放大，此处也可直接连到记录仪的X－Y端。

4）两个插座是铂电阻温度计的电压输出端，此处可直接连到记录仪的X－Y端。

5）五芯的航空接头，是前级运放信号的输入和输出端。

3.测量仪主机
测量仪主机前视图如图4所示。

图4 测量仪主机前面板
图中：
1）数字电压表：用于显示样品电流和经放大后的温度计电压值，只要除以已知的放大倍数(40倍)就可以得到温度计的原始电压值，通过查表，就可以得出其对应的温度值；
2）按键开关：左边的开关控制左边表的显示，可分别显示样品电流和经放大后的温度计电压;右边的开关控制右边表的显示，可分别显示温度计电流和经放大后的样品电压值；
3）放大倍数按键开关：为适应因形状、制备工艺，性能材料成份等因素不同引起的样品阻值的不同，本测量仪样品电压测量备有不同的放大倍数。

测量仪出厂时的三档放大倍数如面板上所示为：2000、6000和10000(大概数值)。

4）数字电压表：显示温度计电流和经放大后的样品电压值，只要除以已知的放大倍数(通过放大倍数切换开关来获得)，就可以得到样品的原始电压值，样品的阻值由原始电压值除以样品电流值得到。

5）样品电流调节电位器：用来调节样品所需要的电流大小，电流范围为1.5mA到33mA，连续可调。

6）电源开关：是仪器电源的控制端。

三、技术指标
1.工作电压： 220V 10%，50Hz
2.仪器功率：15W
3.样品电流调节范围：1.5 mA－33 mA
4.温度计工作电流：1.00 mA
5.温度计电压放大倍数：40倍
四、实验项目
1．学习液氮低温技术；
2．测量氧化物超导体YBaCuO的临界温度，掌握用测量超导体电阻—温度关系测定转变温度的方法。

3．了解超导体的最基本特性以及判定超导态的基本方法。

五、注意事项
1.实验操作过程中不要用手直接接触样品表面，要带好手套，以免沾污样品表面。

2.样品探测头放进液氮杜瓦瓶时应小心地慢慢进行，以免碰坏容器，皮肤不要接触液氮，以免冻伤。

万一容器瓶损坏，液氮溢出瓶外室内充满雾气，这时也不要紧张，这是液氮在汽化蒸发，只要不接到皮肤，就不会冻伤,过了一会挥发完就好了。

3.灌倒液氮时要小心，不要泼在手上、脚上，其严重灼伤皮肤程度比开水更甚！
4.超导样品宜长期接触水汽使结构破坏、成分分解，导致超导性能丧失。

故做完实验后宜从低温处取出，用热吹风烘干表面潮气，置于有干燥剂的密封容器中保存，待实验时再取出。

高温超导转变温度测量实验
【实验目的】
1．学习液氮低温技术；
2．测量氧化物超导体YBaCuO的临界温度，掌握用测量超导体电阻—温度关系测定转变温度的方法。

3．了解超导体的最基本特性以及判定超导态的基本方法。

【实验原理】
1．简介
超导电性发现于1911年，荷兰科学家翁纳斯（K.Onnes）在实现了氦气液化之后不久，利用液氦所能达到的极低温条件，指导其学生(GillesHolst)进行金属在低温下电阻率的研究，发现在温度稍低于4.2K时水银的电阻率突然下降到一个很小值。

后来有人估计，电阻率的下限为3.6×10-23Ω.cm，而迄今正常金属的最低电阻率大约为10-13Ω.cm。

与此相比，可以认为汞进入了电阻完全消失的新状态—超导态。

我们定义超导体开始失去电阻时的温度为超导转变温度或超导临界温度，通常用T C表示。

超导现象发现以后，实验和理论研究以及应用都有很大发展，但是临界温度的提高一直很缓慢。

1986年以前，经过75年的努力，临界温度只达到23.2K，这一记录保持了差不多12年。

此外，在1986年以前，超导现象的研究和应用主要依赖于液氦作为致冷剂。

由于氦气昂贵、液化氦的设备复杂，条件苛刻，加上4.2K的液氦温度是接近于绝对零度的极低温区等因素都大大限制了超导的应用。

为此，探索高临界温度超导材料成为人们多年来梦寐以求的目标。

1987年初液氮温区超导体的发现震动了整个世界，人们称之为20世纪最重大的科学技术突破之一，它预示着一场新的技术革命，同时也为凝聚态物理学提出了新的课题。

2.超导特性
超导体有许多特性，其中最主要的电磁性质是：
1．零电阻现象：当把金属或合金冷却到某一确定温度T C以下，其直流电阻突然降到零，把这种在低温下发生的零电阻现象称为物质的超导电性，具有超导电性的材料称为超导体。

电阻突然消失的某一确定温度T C叫做超导体的临界温度。

在T C以上，超导体和正常金属都具有有限的电阻值，这种超导体处于正常态。

由正常态向超导态的过渡是在一个有限的温度间隔里完成的，即有一个转变宽度ΔT C，它取决于材料的纯度和晶格的完整性。

理想样品的ΔT≤10-3K。

基于这种电阻变化，可
以通过电测量来确定T C，通常是把样品的电阻降到转变前正常态电阻值一半时的温度定义为超导体的临界温度T C。

2．完全抗磁性：当把超导体置于外加磁场时，磁通不能穿透超导体，而使体内的磁感应强度始终保持为零（Ｂ≡０），超导体的这个特性又称为迈斯纳（Ｍeissner）效应。

超导体的这两个特性既相互独立又有紧密的联系，完全抗磁性不能由零电阻特性派生出来，但是零电阻特性却是迈斯纳效应的必要条件。

【实验仪器】
如下图所示，将高温超导探测器与仪器主机相连。

图1 高温超导转变温度测量装置
【实验过程】
本实验的目的测量超导材料的转变温度，也就是在常气压环境下超导体从非超导态变为超导态时的温度。

由于超导材料在超导状态时电阻为零，因此我们可用检测其电阻随温度变化的方法来判定其转变温度。

实验中要测电阻及温度二个量。

样品的电阻用四引线法测量，通以恒定电流，测量二端的电压信号，由于电流恒定，电压信号的变化即是电阻的变化。

温度用铂电阻温度计测量，它的电阻会随温度变化而变化，比较稳定，线性也较好，实验时通以恒定的1.00mA，测量温度计两端电压随温度变化情况，从表中可查到其对应的温度。

温度的变化是利用液氮杜瓦瓶空间的温度梯度来获得。

样品及温度计的电压信号，可从数字显示表中读得，也可用x－y记录仪记录
1．样品、探棒与测量仪器用连接线连接起来。

2．样品连线连接好以后，开启电源，小心地把探测头浸入杜瓦瓶内，待样品温度达到液氮温度后（一般等待10—15分钟），观察此时样品出现信号是否处于零附近（因此时温度最低，电阻应为0，但因放大器噪声也被放大，会存在本底信号）注意此时不能再改变放大倍数，放大倍数档位置应与高温时一致。

如果此时电压信号仍很大，与高温时一样，则属不正常，需检查原因。

如电阻信号小，与高温时的电阻信号相差大，则可进行数据测量了。

3．样品温度达到稳定到液氮温度时，记下此时的样品电压及温度电压值，然后把探测头小心地从液氮瓶内提拉到液面上方，温度会慢慢升高，在这变化过程中，温度计的电压信号及样品的电阻信号会同时变化，同时记录这二值，记下50—60个数据。

作图即可求得转变温度。

在过程中要耐心观察，特别在转变温度附近，最好多测些数据。

4．如时间允许可从高温到低温再测量一次，观察二条曲线是否重合，解析原因。

5．将本仪器与计算机连接，使用本机提供的专用软件可实时记录样品的超导转变曲线。

计算机的连接和所用软件的使用说明详见附录。

6．实验结束工作：1）实验结束后关掉仪器电流，用热吹风把探测头吹干。

2）旋开探测头的外罩，把样品吹干，使其表面干燥无水气。

3）用烙铁把样品与样品架连接的四个焊点焊开，取出样品，用滤纸包好，放回干燥箱内，以备下组实验者使用。

【注意事项】
1.实验操作过程中不要用手直接接触样品表面，要带好手套，以免沾污样品表面。

2.样品探测头放进液氮杜瓦瓶时应小心地慢慢进行，以免碰坏容器、皮肤不要接触液氮，以免冻伤。

万一容器瓶损坏，液氮溢出瓶外室内充满雾气，这时也不要紧张，这是液氮在汽化蒸发，只要不接到皮肤，就不会冻伤,过了一会挥发完就好了。

5.灌倒液氮时要小心，不要泼在手上、脚上，其严重灼伤皮肤程度比开水更甚！
6.超导样品宜长期接触水汽使结构破坏、成分分解，导致超导性能丧失。

故做完实验后宜从低温处取出，用热吹风烘干表面潮气，置于有干燥剂的密封容器中保存，待实验时再取出。

7．超导电阻转变过程的快慢与杜瓦瓶中的液氮多少有关，一般控制在液氮液面的高度(离底)为6—8cm，其高度可用所附底塑料杆探测估计。

【思考题】
1．什么叫超导现象？超导材料有什么主要特性？从你的电阻测量实验中如何判断样品进入超导态
了？
2．如何能测准超导样品的温度？
3．测定超导样品的电阻为什么要用四引线法？
4．样品电流应调节多大，为什么？
5．为什么样品必须保持干燥？如何保存样品？
6．从超导材料进入超导态时R=0，你能想象出它有什么应用价值？
【附录】
高温超导转变温度测量软件使用说明
本软件设置为串行口输入，可选择不同的串行口（Com1或Com2）,采样的记录格式形同于记录纸，X坐标为温度值（以温度的形式来显示），每格大小在界面的右边显示。

Y坐标所对应的是样品电压，每格所对应的电压值可供选择，这里设置了三个级别的电压值供选择。

对于记录下的曲线，可以进行存盘、打印等操作，也可删除及重新开始记录, 在计算机采样的时候，我们可以通过选择不同的颜色来区分降温和升温的曲线;在计算机记录完毕后，可以通过鼠标的点击来显示曲线上每一点的坐标值，横坐标的温度值可直接显示对应的温度，不需要查表;
本软件显示的窗口界面如下所示：
1．软件界面介绍
1）标题栏：本软件的名称
2）菜单栏：此栏由文件.编辑.操作.帮助.关于五个部份组成，具体说明如下：
A.文件：可以对文件进行存盘、打开、打印等操作
B.编辑：可以对采样到的图形进行处理
C.操作：能对本软件运行进行控制，如选择串行口.改变Y轴分度值等
D.帮助：可以得到本软件使用的一切说明
E.关于：此为本公司的介绍。

3）工具栏：由新建.打开.存盘.运行.暂停.打印.退出七个部份组成，其具体功能和菜单栏上各项说明一致。

4）实验监视栏：此栏设在屏幕下方，能了解实验是否正在进行，能记录实验所花费的时间和采样到的数据点的个数。

2．软件使用操作步骤
1）先将样品用导热胶粘放在样品架中，焊接四引线。

2）将放大器上的航空头分别接到主机上对应的航空插座上。

3）通过连接电缆将仪器与计算机串行口相连。

4）打开本软件，选择合适的串行口（com1或com2）和显示的Y轴分度值，如果选择不对，软件会进行提示。

5）将探棒放入液氮杜瓦中。

6）按下计算机窗口的运行键，就可以进行对样品的实时采样。

070806chnxjang修订
铂电阻温度计电阻－温度关系
上海复旦天欣科教仪器有限公司
FD-RT-II型高温超导转变温度测量仪
装箱清单
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日期：年月日。