利用转换开关和PZ158型直流数字电压表,可以监测铜-康铜温差电偶的电动势以及可调式定点液面计的指示。
(5)电加热器电路
BW2型高温超导材料特性测试装置中,一个内置的直流稳压电源和一个指针式电压表构成了一个为安装在探头中的25锰铜加热器线圈供电的电路。利用电压调节旋钮可提供0—5V的输出电压,从而使低温恒温器获得所需要的加热功率。
(6)其他
在BW2型高温超导材料特性测试装置的面板上,后边标有“(探头)”字样的铂电阻、硅二极管、超导样品和25加热器等四个部件,以及温差电偶和液面计,均安装在低温恒温器中。
利用一根两头带有19芯插头的装置连接电缆,可将BW2型高温超导材料特性测试装置与低温恒温器连为一体。
在每次实验开始时,学生必须利用所提供的带有香蕉插头的面板连接导线,把面板上用虚线连接起来的两插座全部连接好。只有这样,才能使各部分构成完整的电流回路。
2.3实验电路图
本实验的测量线路图如图5.1—8。
3实验内容:
3.1液氮的灌注
使用液氮时一定要注意安全,不要让液氮溅到人的身体上,也不要把液氮倒在有机玻璃盖板、测量仪器或引线上。
在实验开始之前,先检查实验用不锈钢杜瓦容器中是否有剩余液氮或其他物质,如有则须将其倒出。清理干净后,可将输液管道的一端插入贮存液氮的杜瓦容器中并拧紧固定螺母,并将输液管道的另一端插入实验用不锈钢杜瓦容器中,,然后关闭贮存杜瓦容器上的通大气的阀门使其中的氮气压强逐渐升高,于是液氮将通过输液管道注入实验用不锈钢杜瓦容器。(向贮存液氮的杜瓦容器中充氮气)
由于液氮一直在剧烈的沸腾,不易判断其平静下来时的液面位置,因此最好先将贮存杜瓦容器中的液氮注入便携式广口玻璃杜瓦瓶中,然后将广口玻璃杜瓦瓶中的液氮缓慢地逐渐倒入实验用不锈钢杜瓦容器中,使液氮平静下来时的液面位置在距离容器底部约
3.2电路的连接
将“装置连接电缆”两端的19芯插头分别插在低温恒温器拉杆顶端及“BW2型高温超导材料特性测试装置”(以下称“电源盒”)右侧面的插座上,同时接好“电源盒”面板上虚线所示的待连接导线。并将PZ158型直流数字电压表与“电源盒”面板上的“外接PZ
在学生做实验时,19芯插头插座不易经常拆卸,以免造成松动和接触不良,甚至损坏。
3.3室温检测
打开PZ158型直流数字电压表的电源开关(将其电压量程置于200mV档)以及“电源盒”的总电源开关,并依次打开铂电阻、硅二极管、和超导样品等三个分电源开关,调节两支温度计的工作电流,测量并记录其室温的电流和电压数据。
原则上,为了能够测量得到反映超导样品本身性质的超导转变曲线,通过超导样品的电流应该越小越好,然而,为了保证用PZ158型直流数字电压表能够较明显地观测到样品的超导转变过程,通过超导样品的电流就不能太小。对于一般的样品,可按照超导样品上的室温电压大约为50µV—200µV来选定所通过的电流的大小,但最好不要大于50mA。
最后,将转换开关先后旋至“温差电偶”和“液面指示”处,此时PZ158型直流数字电压表的示值应当很低。
3.4低温恒温器降温速率的控制及低温温度计的比对
(1)低温恒温器降温速率的控制
低温测量是否能够在规定的时间内顺利完成,关键是否能够调节好低温恒温器的下档板浸入液氮的深度,使紫铜恒温块以适当速率降温。为了确保整个实验工作可在3小时以内顺利完成,我们在低温恒温器的紫铜圆筒底部与下档板间距离的1/2处安装了可调式定点液面计。在实验过程中只要随时调节低温恒温器的位置一保证液面计指示电压刚好为零,即可保证液氮表面刚好在液面计位置附近,这种情况下紫铜恒温块温度随时间的变化大致如图5.1-9所示。
具体步骤如下:
1)确认是否以将转换开关旋至“液面指示”处。
2)为了避免低温恒温器的紫铜圆筒底部一开始就触及液氮表面而使紫铜恒温块温度骤然降低造成实验失败,可在低温恒温器放进杜瓦容器之前,先用米尺测量液氮面距杜瓦容器口的深度,然后旋松拉杆固定螺母,调节拉杆位置使得低温恒温器下档板至有机玻璃板的距离刚好登陆该深度,重新旋紧拉杆固定螺母,并将低温恒温器缓缓放入杜瓦容器中。
当低温恒温器的下档板碰到了液面时,会发出像烧热的铁块碰到水时的声音,同时用手可感觉到有冷气从有机玻璃板上的小孔喷出,还可用手电筒通过有机玻璃板照射杜瓦容器内部,仔细观察低温恒温器的位置。
3)当低温恒温器的下档板浸入液氮时,液氮表面将会沸腾一样翻滚并拌有响声和大量冷气的喷出,大约1分钟后液氮逐渐平静下来。这时,可稍旋松拉杆固定螺母,控制拉杆缓缓下降,并密切监视与液面指示计相连接的PZ158型直流数字电压表的示值(以下简称“液面计示值”),使之逐渐减小到“零”,立即拧紧固定螺母。这时液氮面恰好于紫铜圆筒底部与下档板间距离的1/2处(该处安装有液面计)。
伴随着低温恒温器温度的不断下降,液氮面也会缓慢下降,引起液面计示值的增加。一旦发现液面计示值不在是“零”,应将拉杆向下移动少许(约
(2)低温温度计的比对
当紫铜恒温块的温度开始降低时,观察和测量各种温度计及超导样品电阻随温度的变化,大约每隔5min测量一次各温度计的测温参量(如:铂电阻温度计的电阻、硅二极管温度计的正向电压、温差电偶的电动势),即进行温度计的比对。
具体而言,由于铂电阻温度计已经标定,性能稳定,且有较好的线电阻温度关系,因此可以利用所给出的本装置铂电阻温度计的电阻温度关系简化公式,由相应温度下铂电阻温度计的电阻值确定紫铜恒温块的温度,再以此温度为横坐标,分别以所测得的硅二极管的正向电压值和温差电偶的电动势值为纵坐标,画出它们随温度变化的曲线。
如果要在较高的温度范围进行较精确的温度计对比工作,则应将低温恒温器置于距液面尽可能远的地方,并启用电加热器,以使紫铜恒温块能够稳定在中间温度。即使在以测量超导转变为主要目的的实验过程中,尽管紫铜恒温块从室温到150K附近的降温过程进行得很快(见图—9),仍可以通过测量对具有正和负的温度系数的两类物质的低温物性有深刻的印象,并可以利用这段时间熟悉实验装置和方法,例如利用液面计示值来控制低温恒温块降温速率的方法,装置的各种显示,转换开关的功能,三种温度计的温度和超导样品电阻的测量方法等等。
3.5超导转变曲线的测量:
当紫铜恒温块的温度降低到130K附近时,开始测量超导体的电阻以及这时铂电阻温度计所给出的温度,测量点的选取可视电阻变化的快慢而定,例如在超导转变发生之前可以每5分钟测量一次,在超导转变过程中大约每半分钟测量一次。在这些测量点,应同时测量各温度计的测温参量,进行低温温度计的比对。
由于电路中的乱真电动势并不随电流方向而改变,因此当样品电阻接近于零时,可利用电流反向后的电压是否改变来判定该超导样品的零电阻温度。具体做法是,先在正向电流下测量超导体的电压,然后按下电流反向开关按钮,重复上述测量,若两次测量所得到的数据相同,则表明超导样品达到了零电阻状态。最后,画出超导体电阻随温度变化的曲线,并确定其起始转变温度和零电阻温度
。
在上述测量过程中,低温恒温器降温速率的控制依然是十分重要的。在发生超导转变之前,即在温区,每测完一点都要把转换开关旋至“液面计”档,用PZ158型直流数字电压表监测液面的变化。在发生超导转变的过程中,即在
温区,由于在液面变化不大的情况下,超导样品的电阻随着温度的降低而迅速减小,因此不必每次再把转换开关旋至“液面计”档,而是应该密切监测超导样品电阻的变化。当超导样品的电阻接近零值时,如果低温恒温器的降温已经非常缓慢甚至停止,这时可以逐渐下移拉杆,甚至可使低温恒温器紫铜圆筒的底部接触液氮表面,使低温恒温器进一步降温,以促使超导转变的完成。最后,在超导样品已