Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf

Q*

Рис. 120. Схема усилителя постоянного тока со сверхпроводящим болометри­ ческим модулятором

R n — калибровочное сопротивление; Е — измеряемое напряжение; 7?м — сопротивление болометрического модулятора; 0 — источник прерывистого света; В6-2 — селективный микровольтметр

Пленка модулятора (7?м), соединенная свинцовыми проводника­ ми с первичной обмоткой трансформатора Тр, источником сигнала Е (сопротивление Rx) и источником компенсирующего напряжения UN(RN), освещается через светопровод от лампы накаливания, световой поток которой модулируется вращающимся диском с про­ резями.

Трансформатор Тр имеет 1 виток первичной и 1500 витков вторич­ ной обмотки (его входной импеданс равен 4,1-ІО-3 Ом при / = = 300 гц), намотанных на тороидальном пермаллоевом сердечнике средним диаметром около 15 мм. Для исключения паразитных на­ водок трансформатор помещен в свинцовый экран.

Оловянная пленка, которая служит модулятором, напылена в

долей градуса. К остальной части схемы пленка подсоединяется через индиевые контакты с припаянными к ним проводниками из свинца.

Такой сверхпроводящий модулятор дает возможность модулиро­ вать сопротивление измерительной цепи вплоть до частоты /шаХ = = 1100—1200 гц, что определяется его инерционностью (тепловое распространение сверхпроводящей фазы по пленке происходит с относительно небольшой скоростью).

Конструктивно модулятор представляет собой стеклянную под­ ложку с оловянной пленкой, которая крепится на медном блоке на свинцовых проводниках (через которые происходит теплоотвод от пленки). Нагреватель для регулировки температуры, компенса­ ционное сопротивление RN и холодный стеклянный фильтр для защиты от ИК-излучения крепятся на этом же блоке, который на­ ходится в вакууме и крепится- к крышке вакуумного сосуда плек-

232

сигласовыми стойками. В качестве светопровода использована мель­ хиоровая трубка диаметром 4 мм, закрытая с обеих сторон стеклян­ ными фильтрами-окошками.

Сигнал со сверхпроводящего трансформатора поступает на вход селективного микровольтметра В6-2, далее — на синхронный де­ тектор (два встречно включенных фотодиода), с выхода которого он

Данная величина чувствительности определяется главным об­ разом уровнем внешних наводок; в условиях работы не отмечалось шумов, обусловленных разрушением сверхпроводимости в моду­ ляторе. Поскольку такой усилитель имеет входное сопротивление порядка 0,5 Ом (по постоянному току), то его целесообразно при­ менять для измерений э. д. с. источников с внутренним сопротив­ лением не более ІО-2 Ом.

Эффект модуляции можно использовать и для создания сверх­ проводящего выпрямителя и усилителя тока.

Обычно такие устройства применяются для питания постоянным током криогенных соленоидов или других устройств, требующих больших токов, ввод которых в криостат неизбежно связан с необ­ ходимостью применять достаточно толстые проводники, которые сильно увеличивают приток тепла в гелиевую ванну. Применение сверхпроводящего выпрямителя с трансформацией переменного' тока на его входе позволяет существенно снизить величину питаю­ щего тока, а следовательно, и сечение подводящих проводов. Одна из таких схем, описанная в [69], работает следующим образом. Переменный ток / а поступает на первичную обмотку сверхпроводя­ щего трансформатора (рис. 121), содержащую 1000 витков медного провода.

Рис. 121. Схема сверхпроводя­ щего выпрямителя

Со вторичной обмотки (4 витка) ток / а поступает через катушки с (по 19 витков на 2 мм каркасе) на сопротивление R нагрузки. Катушки F (40 витков на сантиметр) служат для создания подмагничивающего поля.

Обмотки s и с изготовлены из РЬ — Sn сплава, температура пе­ рехода которого выбрана несколько большей, чем 4,2° К, чтобы соответствующее ей критическое поле Нк было порядка 10—40 э.

233

Величина подмагничивающего тока IF выбрана такой, чтобы в те­ чение одного полупериода одна из катушек (с), в которой ее собст­ венное поле складывается с полем катушки F, переходила в нор­ мальное состояние 15. В течение второго полупериода другая ка­ тушка (с) переходит в нормальное состояние, а первая остается в сверхпроводящем состоянии, чем и достигается двухполупериодное выпрямление.

Нетрудно видеть, что данная схема может работать и как усили­

и усиление по напряжению. Так, при включении последовательно

и механические обтюраторы, модулирующие магнитный поток через «приемную» катушку. С помощью таких устройств можно преобра­ зовать постоянное магнитное поле в пульсирующее, которое будет наводить в «приемной» катушке э. д. с., пропорциональную внеш­

■обычным усилителем переменного тока, можно тем самым измерить величину Я 0, т. е. такая система является высокочувствительным магнитометром. Преимущества механического модулятора перед

.другими типами модуляторов заключаются в практически полном ‘Отсутствии наведенных шумов, связанных с его работой. Предель­ ный уровень таких шумов будет определяться только остаточными вмороженными полями, которые для чистых сверхпроводников первого рода могут быть сделаны очень малыми.

Отметим, что в принципе вмороженный поток может быть строго ■сделан равным нулю, если использовать охлаждение сверхпроводя­ щего модулятора до Т<.ТСпри абсолютной магнитной экранировке,61

16Обе секции катушки (F) намотаны в противоположные стороны для того, чтобы при изменении направления тока в катушках с усиление результирующего поля

вних, вплоть до критического, происходило попеременно в каждой из кату­ шек с.

234

описанной нами выше, за счет использования эффекта квантования магнитного потока, а применение сверхпроводящих подшипников18 во вращающемся обтюраторе позволит полностью избавиться от

Для измерения электромагнитных сил в сверхпроводящих под­ шипниках (опорах) может быть использована относительно простая методика на основе применения динамометра с микрометрическим

максимальных силах F порядка (5-^6)- ІО1 Н.

Раскрутка ротора на сверхпроводящих магнитных подшипни­ ках может быть осуществлена при помощи вращающегося магнит­ ного поля *17. На рис. 123 [62] приведена схема трехфазного гене­ ратора вращающегося магнитного поля, работающего на частоте f — 115 кгц. Его мощность W = 3X20 Вт достаточна для раскрут­ ки в вакууме стальных шариков диаметром от 2 до 8 мм до их раз­ рывных оборотов в течение 40—50 мин. Генератор представляет собой три усилителя с положительной обратной связью между кас­ кадами с резонансными контурами в анодных цепяхРаскручиваю­ щие катушки бескаркасные, диаметром 33 мм, длиной 10 мм, имеют по 75 витков провода ПЭВ-0,8.

Трансформаторы Тр имеют 160 витков в первичной и 100 витков во вторичной обмотках (провод ПЭВ-0,41 и ПЭВ-0,81 соответствен­ но), намотанных на прямоугольных ферритовых сердечниках с про­ ницаемостью р = 600 и сечением 2 см2. Контурные конденсаторы Cj — Сз, определяющие частоту генерации, могут быть различными,

§4. Криостаты для получения температур

вдиапазоне от 4,2 до 300° К ;

При проведении низкотемпературных исследований всегда при­ ходится встречаться с задачами получения, измерения и поддержа­ ния на заданном уровне температуры в пределах от долей градуса вплоть до" комнатных температур. Для этих целей обычно исполь­ зуют специальные установки — криогенные гелиевые дьюары, снабженные электронными термометрами со следящими системами и обратной связью для поддержания необходимых температурных режимов в охлажденном приборе [64—--68]. Как правило, для полу-

18 Схемы сверхпроводящих подшипников и магнитных подвесов с электронными следящими системами, а также схемы генераторов для раскрутки роторов под­ шипников приведены в [58—63].

17 При этом ротор должен иметь несверхпроводящий участок или вмороженный поток для «зацепления» его вращающимся полем.

236

охлаждаемых образцов.

Криостат для получения температур от 4,2 до 300° К со стабили­ зацией температурных точек описан в [64].

Термостатируемая камера (рйс. 124), которая выполнена в виде цилиндра из меди, находится..в- тепловом контакте с теплообмен­ ником, припаянном к нему снаружи.'-Получение и поддержание необходимой температуры достигается путем: откачки паров гелия, проходящих через теплообменник, причем скорость их откачки, зависящая от разности давлений между гелиевой ванной и термостатируемой камерой, определяет скорость отбора тепла от камеры, что и обусловливает установление некоторой равновесной темпера­ туры в ней. При разности давлений Ap=(2-f-3)- ІО3 НІм2 и точности поддержания этой величины порядка 10 НІм2 стабильность темпе­ ратуры камеры равна примерно 0,01° К. Такой способ,, одн'акѳт-яв^ ляется достаточно инерционным и требует времени около 1 часа и более для установления равновесной температуры. Применение специальной электронной схемы для измерения и стабилизации температуры (рис. 125) в комбинации с медным и угольным термо­ метрами позволяет контролировать температуру криостата с точ­ ностью 0,001° К в широком интервалеи с точностью до 0,0001° К в узком интервале температур при времени установления от 20 до 50 мин. Расход жидкого гелия для получения любой температуры ■от 300 до 4,2° К через каждые 10° и поддержания ее в течение 5 мин не превышает 4 л, причем данная схема стабилизации позволяет

237