CC BY
2416 ИССЛЕДОВАНИЯ
Компетентность / Competency (Russia) 4/2020 DOI: 10.24411/1993-8780-2020-10403
Установка для измерений вольт-амперных характеристик сверхпроводников
Рассматриваются измерительная установка и метод определения действительных значений критического тока в сверхпроводниках (при гелиевых температурах), поступающих на рынок от отечественных и зарубежных производителей композиционной проволоки круглого или прямоугольного сечения на основе сплава \lb-Ti. Приводятся результаты исследования, подтверждающие работоспособность измерительной установки. УДК 53.083.94
А.Ф. Бродников1
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ), канд. техн. наук, доцент, [email protected]
Н.А. Вихарева2
Новосибирский филиал ФГАОУ ДПО «Академия стандартизации, метрологии и сертификации (учебная)», канд. техн. наук, доцент, [email protected]
1 научный сотрудник, г. Новосибирск, Россия
2 г. Новосибирск, Россия
Для цитирования: Бродников А.Ф.,
Вихарева Н.А. Установка
для измерений вольт-амперных
характеристик сверхпроводников//
Компетентность / Competency
(Russia). — 2020. — № 4.
DOI: 10.24411/1993-8780-2020-10403
ключевые слова
измерительная установка, сверхпроводящий провод, криогенная температура, критический ток
ри проектировании сверхпроводящих магнитов и других объектов криогенной техники особую роль уделяют характеристикам, указанным производителями сверхпроводящих проводов. В связи с этим в Институте ядерной физики было решено создать измерительную установку, предназначенную для определения действительных значений критического тока в сверхпроводниках, поступающих на рынок от отечественных и зарубежных производителей композиционной проволоки на основе сплава Nb-Ti. В настоящее время федеральные законы «О техническом регулировании» и «О стандартизации» имеют статус «добровольного применения» [1], поэтому отечественные предприятия, а также зарубежные, поставляющие на рынок различные материалы, не имеют обязательств и возможностей осуществлять выходной контроль по колоссальному числу существующих свойств, да еще и в диапазоне криогенных температур.
Измерительная установка изготовлена на базе криостата КГ-60/300-1, во внутренней полости которого, в среде жидкого гелия, располагается соленоид, а в его центральной части — вставка-держатель с образцом. Питание соленоида и исследуемого образца по токовводам, расположенным в верхней крышке криостата, осуществляется источниками питания фирмы Danfysik — system 8800 при помощи ПК и управляющей программы, разработанной в ИЯФ. Внешний вид криостата и соленоида представлен на фото.
Для опробования установки по определению вольт-амперных характеристик (ВАХ) в сверхпроводниках при гелиевых температурах были проведены
испытательные измерения по методике МВИс 400-423/8-2018, разработанной АО «ВНИИНМ» [2]. Измерения проводили на образцах композиционной проволоки на основе сплава Nb-Ti длиной 0,08 м и диаметрами 0,5 и 0,85 мм, отрезанных от проводов штатных партий, при этом ВАХ были указаны производителями данных сверхпроводников. Каждый образец припаивался к оправке из меди сечением 4x2 мм индий-оловянным низкотемпературным припоем. Оправка с образцом монтируется к токовводам криостата. В центре измеряемого провода припаивали потенциальные провода, на расстоянии 1 см друг от друга, которые подключаются к универсальному прецизионному измерителю В7-99. Весь процесс измерений регистрируется при помощи программного обеспечения, поставляемого с измерителем.
Все технологические канавки заливаются высокотемпературным силиконовым герметиком-прокладкой. После окончательной сборки вставки-держателя в его центральной части устанавливается датчик Холла для измерения магнитного поля, производства компании Lake Shore Cryotronics Inc. (Sensor Model: HGCT-3020, Mean Loaded Sensitivity: 0,773mV/kG), непосредственно вблизи измеряемого сверхпроводника. Перед проведением испытаний все средства измерений данной установки должны быть отка-либрованы.
После проведения всех организационных операций при заливке в кри-остат жидкого гелия осуществлялся контроль уровня газа в криостате и его температуры 4,2 ± 1 К (датчиками температуры DT-670 Silicon Diodes, компании Lake Shore Cryotronics Inc.), а также температуры токовводов. Да-
Компетентность / Competency (Russia) 4/2020 DOI: 10.24411/1993-8780-2020-10403
ИССЛЕДОВАНИЯ 17
Образец провода на оправке [Mandrel wire sample]
лее магнитное поле в соленоиде поднималось до уровня 7 Тл согласно показаниям датчика Холла (54,11 ± 0,01 mV) в качестве опорной точки, указанной производителем сверхпроводника.
Запись ВАХ в образцах проводится при увеличении силы тока со скоростью до 0,1 А/c вплоть до появления величины напряженности электрического поля E, равной 0,8-1,0 мкВ/см [3]. За критический ток (Ic) принимается значение тока, соответствующее электрическому полю в образце 0,8-1,0 мкВ/см как наклон графика log E - log I в указанном диапазоне электрических полей. Результат измерения критического тока в проводнике в зависимости от индукции магнитного поля представлен на графике ВАХ образца диаметром 0,5 мм при 7 Тл на графике.
Расчетное значение критического тока, указанного изготовителем измеряемых сверхпроводящих проводов, при 7 Тл должно составлять 200 А и 372 А. Полученное нами значение — 212 А и 382 А, что составляет менее 10 % [4], и это соответствует пределу допускаемой основной абсолютной погрешности измерителя В7-99, равной ±(1,540-3 + 4,540-5|ф мВ (U — измеренное напряжение, мВ).
Как видно, работоспособность измерительной установки для определения действительных значений критического тока подтверждена, а более точный результат измерений можно получить с помощью современной прецизионной цифровой измерительной аппаратуры с допускаемой основной абсолютной погрешностью ±0,0025 % +
0.02.нВ. ■
Список литературы
1. Рыбак Н.И., Черепанов В.Я., Шейнин Э.М., Ямшанов В.А. Правовой статус национальных стандартов единства измерений // Стандарты и качество. — 2015. — № 12.
2. МВИс 400-423/8-2018. Методика измерения критического тока и определения показателей кривизны вольт-амперной характеристики сверхпроводящих проводов на основе сплава Nb-Ti / АО «ВНИИНМ», 2018.
3. Быковский Н.В., Высоцкий В.С., Носов A.A., Фетисов С.С. Установка для исследования температурной зависимости критического тока сверхпроводников на основе диборида магния // Кабели и провода. — 2016. — № 5.
4. Сотников Д.В. Исследование токонесущих свойств перспективных высокотемпературных сверхпроводящих материалов для электротехнических устройств / ОАО «Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности», 2016.
Вставка-держатель [Insert-holder]
Соленоид и криостат КГ-60/300-1 [Solenoid and cryostat KG-60/300-1] 8,0x10-7 6,0x10-7 5 4,0x10-7 uJ 2,0x10-7 — 0,0
100
120
140
I, A
160
180
200
220
ВАХ образца провода в поле 6,94 Тл [CVC of a wire sample in a field of 6.94 T]
Статья поступила в редакцию 26.12.2019
18 RESEARCH
Kompetentnost / Competency (Russia) 4/2020 ISSN 1993-8780. DOI: 10.24411/1993-8780-2020-10403
Installation for Superconductors' Current-Voltage Characteristics Measuring
A.F. Brodnikov1, G.I. Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS, Assoc. Prof. Dr., [email protected] N.A. Vikhareva2, Novosibirsk Branch of FSAEI FVT ASMS, Assoc. Prof. Dr., [email protected]
1 Researcher, Novosibirsk, Russia
2 Novosibirsk, Russia
Citation: Brodnikov A.F., Vikhareva N.A. Installation for Superconductors' Current-Voltage Characteristics Measuring, Kompetentnost / Competency (Russia), 2020, no. 4, pp. 16-18. DOI: 10.24411/1993-8780-2020-10403
The method and measuring installation for determining the actual critical current values in superconductors, at helium temperatures, coming to the market from domestic and foreign manufacturers of composite wire, round or rectangular section, based on the Nb-Ti alloy, are considered. The results of the study confirming the operability of the measuring installation are presented.
According to the results of our research, the performance of this measuring unit for determining the actual values of the critical current was confirmed, and a more accurate measurement result can be obtained using modern precision digital measuring equipment.
1. Rybak N.I., Cherepanov V.Ya., Sheynin E.M., Yamshanov V.A. Pravovoy status natsional'nykh standartov edinstva izmereniy [Legal status of measurement uniformity national standards], Standarty i kachestvo, 2015, no. 12, pp. 44-47.
2. MVIs 400-423/8-2018. The method of measuring critical current and determining the curvature of the current-voltage characteristics of superconducting wires based on the Nb-Ti alloy, AO VNIINM, 2018.
3. Bykovskiy N.V., Vysotskiy V.S., Nosov A.A., Fetisov S.S. Ustanovka dlya issledovaniya temperaturnoy zavisimosti kriticheskogo toka sverkhprovodnikov na osnove diborida magniya [Installation for studying the temperature dependence of superconductors critical current based on magnesium diboride], Kabeli i provoda, 2016, no. 5, pp. 20-25.
4. Sotnikov D.V. Issledovanie tokonesushchikh svoystv perspektivnykh vysokotemperaturnykh sverkhprovodyashchikh materialov dlya elektrotekhnicheskikh ustroystv [Investigation of current-carrying properties of promising high-temperature superconducting materials for electrical devices], Vserossiyskiy nauchno-issledovatel'skiy proektno-konstruktorskiy i tekhnologicheskiy institut kabel'noy promyshlennosti, 2016.
НОВАЯ КНИГА
Артес А.Э.
Инновационные технологии ковки и объемной штамповки
Монография. — М.: АСМС, 2020
В монографии сведены результаты научно-исследовательских работ, главным образом проведенных в МГТУ «СТАНКИН» за последний пятнадцатилетний период в содружестве с рядом отечественных предприятий машиностроения. Из всего многообразия технологических процессов обработки металлов давлением в книге представлена тематика исследований, охватывающая ресурсо- и энергосберегающие инновационные запатентованные технологии ковки, горячей и холодной объемной штамповки поковок.
Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников, преподавателей, аспирантов, студентов вузов и техникумов. Книга включает в себя 24 патента, инициированных автором за последние 15 лет.
key words
measuring installation, superconducting wire, cryogenic temperature, critical current
References
По вопросам приобретения обращайтесь по адресу: Академия стандартизации, метрологии и сертификации (АСМС), 109443, Москва, Волгоградский пр-т, 90, корп. 1. Тел. / факс: 8 (499) 742 4643. Факс: 8 (499) 742 5241. E-mail: [email protected]
