专利名称：三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备与测试方法
技术领域：
本发明属于低温超导技术及高精度测量领域，具体涉及利用该系统对航天装置中 的三维低温超导薄膜线圈进行超导特性测量与测试的技术。
背景技术：
低温技术始于荷兰物理学家卡末林·翁尼斯(Heike Kamerlingh-Onnes) 1908年 对氦气的液化。氦是沸点最低的物质，即只能在4. 2K(-269°C )才能液化。翁尼斯利用液氦 创造出IOK以下的温度环境，并开始研究在这样的低温环境下金属的导电性能。出乎意料 的是，翁尼斯1911年发现，汞金属的电阻在温度降至4. 2K时突然降到零电阻，而后他经过 多次检验，发现即使有点杂质的汞金属，其电阻还是要到零。他经过多次实验的反复证明， 确定发现了一个新的现象，并将这个新的现象它命名为超导电现象，这种性质就叫做超导 电性。由于这一发现，翁尼斯1913年获得了诺贝尔奖。后来，在金属锌、铟和其他低熔点金 属中也观察到了超导电现象。超导现象自发现起就备受物理学界的关注，包括爱因斯坦在1915年之前也对超 导现象非常感兴趣，但是后来由于实验数据太少，爱因斯坦就没有对低温超导继续研究。 经过了第一次世界大战以后，很多人又开始研究低温超导，后又在第二次世界大战时停下 来，在第二次世界大战结束以后，低温超导又成为研究的热点。美国的三维物理学家巴丁 (Bardeen)、库伯(Cooper)和施里弗(Schrieffer)对金属的超导现象进行了理论解释，于 1957年提出了以这三个人名字命名的BCS理论。BSC理论解决了描述超导现象的微观理论 问题。我们可以形象化地将其看成相当于晶体里面有一个电子在运动过程中把周围的离子 销微极化一点，而极化后的离子又把第二个电子吸引过来，这样两个电子就好像关联起来， 配成对了。整个配成对的过程，也可以看成是通过离子形成的晶格的振动，这样模型就相当 于两个电子配成对，再凝聚起来。配对是通过离子形成的晶格的振动，晶格振动的量子化就 叫做声子，因此我们可以讲是电子和声子相互作用形成了超导性。BSC理论后来被大多数人 所认可，并于1972年获得诺贝尔奖。作为本发明的应用背景，STEP卫星(Satellite Test of the Equivalence Principle)项目也起源于1972年，美国斯坦福大学的研究生保尔 沃顿(Paul W. fforden) 着手研究将低温超导技术应用于基础物理的重力研究，这就是STEP项目的前身，他建立了 一套低温地面实验系统并在斯坦福大学进行实验。1989年，STEP作为第一个欧洲空间局 (ESA)参与的空间科学实验项目，被正式确立为ESA M2声明中美国-欧洲的联合空间任务。 这使得一系列研究在美国宇航局(NASA)与欧洲空间局(ESA)的联合支持下顺利进行，为现 在STEP的发展奠定了良好的基础。2001年，经过对多项概念的深入研究，STEP项目进入了 初样研制阶段。本发明中所述的三维低温超导薄膜线圈是STEP项目中精度最高的超导量子干涉 测量系统(SRS)的核心零件，因此需要对三维线圈的超导特性作测试。
发明内容
本发明提出了一种三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备与测试方法，特指针 对三维低温超导薄膜线圈进行超导特性测试，依靠本发明的低温环境系统和真空环境系统 所提供的真空低温环境，测试研究三维低温超导薄膜线圈的超导特性，进而辅助设计三维 超导薄膜线圈。三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备包括低温环境系统D，真空环境系统Z， 测试工作系统C和外部测量控制系统W ；外部测量控制系统W包括高精度电压表Wl、温度测量控制仪W2和主控计算机W3 ；测试工作系统C包括测试圆盘形铜板Cl、温度计C2、加热器C3、卡装线圈组件C4 和至少一个压簧探针C5 ；低温环境系统D包括杜瓦瓶D1、液氦D2和杜瓦瓶盖D3 ；真空环境系统Z包括真空罐Z2和五个金属管道，其中五根金属管道分别为排气管道Z11、冷却剂注入管道Z12、真空泵管道Z13、第 一电接口密封管道Z14和第二电接口密封管道Z15，所述五根金属管道穿过杜瓦瓶盖D3，所述杜瓦瓶盖D3的底部通过真空泵管道Z13、第一电接口密封管道Z14和第二电 接口密封管道Z15悬挂有真空罐Z2的顶盖，真空泵管道Z13、第一电接口密封管道Z14和第二电接口密封管道Z15与真空罐 Z2的真空罐腔连通，真空罐Z2的顶盖底部还悬挂有测试圆盘形铜板Cl，测试圆盘形铜板Cl上设置有温度计C2、加热器C3和卡装线圈组件C4，被测三维 低温超导薄膜线圈卡固在所述卡装线圈组件C4上，并且所述被测三维低温超导薄膜线圈 位于测试圆盘形铜板Cl中央，至少一个压簧探针C5的触点压在所述三维低温超导薄膜线 圈的超导薄膜可接触平面上，并且每根压簧探针C5分别与三维低温超导薄膜线圈中每个 线圈的两端的导线连接；所述压簧探针C5的输出端、温度计C2的输出端和加热器C3的温控输入端穿过第 一电接口密封管道Z14或第二电接口密封管道Z15分别连接在高精度电压表Wl的输入端、 温度测量控制仪W2的温度信号输入端和加热信号输出端，高精度电压表Wl的输出端和温 度测量控制仪W2的温度信号输出端与主控计算机W3的电压信号输入端和温度信号输入端 连接；真空罐Z2的顶盖底部的测试圆盘形铜板Cl位于真空罐Z2的罐体内，并且真空罐 Z2的顶盖与真空罐Z2的罐体密封连接形成所述真空罐腔，真空罐Z2位于杜瓦瓶Dl的瓶体内，所述排气管道Zll的出气口和冷却剂注入管道Z12的注入口位于杜瓦瓶盖D3顶 部，排气管道Zll的入气口位于杜瓦瓶Dl瓶口处，冷却剂注入管道Z12的流出口位于杜瓦 瓶Dl瓶体下部，并且杜瓦瓶盖D3与杜瓦瓶Dl密封连接形成液氦空间，液氦D2充入到所述 液氦空间中。三维低温超导薄膜线圈超导特性测试方法的步骤如下步骤一装卡被测三维低温超导薄膜线圈于测试工作系统C的测试圆盘形铜板Cl上，之后至少一个压簧探针C5的触点压在所述三维低温超导薄膜线圈的超导薄膜可接触 平面上，各个压簧探针C5通过高精度电压表Wl连接到主控计算机W3上，并定义所对应的 信号功能，再连接温度计C2和加热器C3的于温度测量控制仪W2上；步骤二 组装并密封真空环境系统Z，并检查真空环境系统Z的各接口的气密性是 否良好；步骤三组装低温环境系统D，使真空环境系统Z垂直吊装在低温环境系统D中， 此过程尽量避免机械振动；步骤四在真空环境系统Z中制备真空环境；将真空泵管道Z13外接口与真空泵 连接，启动真空泵为真空环境系统ζ抽真空，直到真空环境系统Z达到10-5Pa的真空度；停 止真空泵工作，等待一小时，如果真空环境系统Z内压强无变化；将真空泵管道Z13外接口 与真空泵连接的真空阀门关闭，并将二者分开，使得真空环境系统Z成独立的封闭系统；步骤五连接并启动外部测量控制系统W ；步骤六开始降温过程，先使用液氮作为制冷剂做初始降温，将液氮由冷却剂注入 管道Z12的注入口注入杜瓦瓶Dl的40L的圆柱形液氦浴罐内，通过真空环境系统Z内的温 度计C2测量温度，直到温度计C2读数下降到77K时稳定数分钟后，待温度计C2读数再次 高于77K时，停止注入液氮，将液氦D2作为冷却剂，从冷却剂注入管道Z12的注入口杜瓦 瓶Dl内，当杜瓦瓶Dl内温度降至6. 21K时，且高精度电压表Wl的读数突然变为零，即线圈 的电阻突然变为零，继续注入冷却剂，直到温度计C2读数稳定在4. 2K，继续注入液氦D2于 40L的圆柱形液氦浴罐中，通过液面位置传感器测量该圆柱形液氦浴罐内的液面高度，直到 液面注满40L的圆柱形液氦浴罐为止，停止注入冷却剂，此时便完成了整个降温过程；步骤七开始启动温度测量控制仪W2，使温度保持在4. 25K。步骤八开始设定电流源输出电流的变化规律，以ImA为步长分别选择以下区 间的参数
，[-100mA, 0],
, [100mA，0]作为输出电流的参数，并 利用主控计算机W3记录高精度电压表Wl测量到的电压读数，经计算得出的线圈电阻 为-3. 5975X 10-6 Ω，测量结果为负值说明该结果是测量仪表的自身误差，已经无法测量到 被测三维低温超导薄膜线圈的电阻，证明了被测三维低温超导薄膜线圈特性良好，该线圈 通过了测试。本发明的目的是测试三维低温超导薄膜线圈的超导特性，因此一定需要为超导线 圈提供一个低温环境，如背景技术中所述，本发明的低温环境利用液氦作为制冷剂，使测试 系统工作温度达到4. 2Κ，即-269°C。因此，本发明设计了一套低温系统。由于测试的三维低温超导薄膜线圈是美国宇航局(NASA)与欧洲空间局(ESA)联 合研制的 STEP 卫星(Satellite Test of the Equivalence Principle)有效载荷中的核 心零件，因此从技术应用角度，属于应用航天科学与技术。
图1是本发明的结构示意图，图2是低温环境系统D的结构示意图，图3是测试工 作系统C的结构示意图，图4是卡装线圈组件C4的结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式包括低 温环境系统D，真空环境系统Z，测试工作系统C和外部测量控制系统W ；外部测量控制系统W包括高精度电压表Wl、温度测量控制仪W2和主控计算机W3 ；测试工作系统C包括测试圆盘形铜板Cl、温度计C2、加热器C3、卡装线圈组件C4 和至少一个压簧探针C5 ；低温环境系统D包括杜瓦瓶D1、液氦D2和杜瓦瓶盖D3 ；真空环境系统Z包括真空罐Z2和五个金属管道，其中五根金属管道分别为排气管道Z11、冷却剂注入管道Z12、真空泵管道Z13、第 一电接口密封管道Z14和第二电接口密封管道Z15，所述五根金属管道穿过杜瓦瓶盖D3，所述杜瓦瓶盖D3的底部通过真空泵管道Z13、第一电接口密封管道Z14和第二电 接口密封管道Z15悬挂有真空罐Z2的顶盖，所述的真空泵管道Z13的外接口、第一电接口密封管道Z14的外接口和第二电接 口密封管道Z15的外接口位于杜瓦瓶盖D3顶部，所述的真空泵管道Z13的内接口、第一电 接口密封管道Z14的内接口和第二电接口密封管道Z15的内接口位于真空罐Z2的顶盖底 部，真空泵管道Z13、第一电接口密封管道Z14和第二电接口密封管道Z15与真空罐Z2的真 空罐腔连通，真空罐Z2的顶盖底部还悬挂有测试圆盘形铜板Cl，测试圆盘形铜板Cl采用铜具 有很好的热传导能力，可以有效降低底板上的温度梯度，测试圆盘形铜板Cl边缘沿圆周平 均分布三个螺孔，通过铝制螺栓和三根GlO材质的绿色中空管与真空罐顶盖固定连接，采 用三根GlO材质的绿色中空管低温环境下不会脆裂，温差性变�。揖稻龋徊馐栽才绦瓮錍l上设置有温度计C2、加热器C3和卡装线圈组件C4，被测三维 低温超导薄膜线圈卡固在所述卡装线圈组件C4上，并且所述被测三维低温超导薄膜线圈 位于测试圆盘形铜板Cl中央，其基底为凝溶石英，外观半透明，呈近似圆筒状，圆周互相垂 直方向截有4个小截面。上端圆环形平面上镀有超导金属铌制的“蚊香”式多匝超导薄膜 线圈，超导薄膜线圈的两端由金属铌导线分别引到线圈正面的两块小超导薄膜可接触平面 上，而两块超导薄膜的可接触平面经90°拐角延伸至线圈基底的侧向的一个截面上，因此 构成了三维构形的低温超导薄膜线圈；至少一个压簧探针C5的触点压在所述三维低温超 导薄膜线圈的超导薄膜可接触平面上，并且每根压簧探针C5分别与三维低温超导薄膜线 圈中每个线圈的两端的导线连接；所述压簧探针C5的输出端、温度计C2的输出端和加热器C3的温控输入端穿过第一 电接口密封管道Z14或第二电接口密封管道Z15分别连接在高精度电压表Wl的输入端、温度 测量控制仪W2的温度信号输入端和加热信号输出端，高精度电压表Wl的输出端和温度测量 控制仪W2的温度信号输出端与主控计算机W3的电压信号输入端和温度信号输入端连接；真空罐Z2的顶盖底部的测试圆盘形铜板Cl位于真空罐Z2的罐体内，并且真空罐 Z2的顶盖与真空罐Z2的罐体密封连接形成所述真空罐腔，测试工作系统C装配于真空环境 系统Z的真空罐Z2的真空罐腔内，承担着装卡三维低温超导薄膜线圈并进行接触测试的任 务，工作在低温真空的环境中，因此，对测试工作系统C的功能、结构、选材、安装等设计需
8要尤其地谨慎。需要综合考虑测试工作系统C内部的温度梯度，降温的热传导过程，测试温 度的测量与控制，测试电缆的铺装，以及材质的温差形变，构件在低温下的刚度、韧度等物 理特性，以及装卡三维超导线圈的结构产生的形变是否挤碎线圈，或由于其形变损坏超导 薄膜，还要考虑线圈装卡结构在不同温度下的弹性力大小以及系统安装拆卸式的机械振动 影响等等因素；真空罐Z2位于杜瓦瓶Dl的瓶体内，所述排气管道Zll的出气口和冷却剂注入管道Z12的注入口位于杜瓦瓶盖D3顶 部，排气管道Zll的入气口位于杜瓦瓶Dl瓶口处，冷却剂注入管道Z12的流出口位于杜瓦 瓶Dl瓶体下部，并且杜瓦瓶盖D3与杜瓦瓶Dl密封连接形成液氦空间，液氦D2充入到所述 液氦空间中。由于液氦D2沸点最低，采用液氦D2作为制冷剂的环境内不可能还存在以气体分 子形式存在的任何物质，其他物质在此温度下都以固体形式存在。因此，低温的工作环境需 要真空环境，否则，其他气体分子就会像结冰一样凝结在工作系统内的各个表面上，无法进 行超导测试工作，因此采用了真空罐Z2内部作为工作环境。真空罐Z2的罐体与真空罐Z2 的顶盖通过软金属压紧密封。排气管道Zll用于排放冷却剂吸热气化产生的气体。冷却剂注入管道Z12用于冷 却剂注入。真空泵管道Z13与真空泵连接，并由真空泵将真空罐Z2抽真空，可达到10-5Pa 的真空度。第一电接口密封管道Z14和第二电接口密封管道Z15用于真空罐Z2内部与杜 瓦瓶Dl的外部测量控制系统W的电信号连接，在第一电接口密封管道Z14和第二电接口密 封管道Z15的杜瓦瓶盖D3顶部一侧管口上装有电接口，接口面板与所述管口也通过软金属 压紧连接，具有很高的密封性能。
具体实施方式
二 结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一不同点在于杜瓦瓶Dl为内外两层壳结构，外壳Dll是上端开口的圆柱形金属罐体，内壳 D12是由三段圆柱形内壳连接构成罐体，内外壳体之间的腔体为真空，主要目的是使得杜瓦 瓶Dl内部的低温环境与外部的室温环境能够很好地绝热。所述三段圆柱形内壳从上往下依次为上段圆柱形内壳D121、中段圆柱形内壳 D122和下段圆柱形内壳D123，并且三段圆柱形内壳将杜瓦瓶Dl内的液氦空间分为低热传 导管颈、液氦浴罐和液氦工作浴室；上段圆柱形内壳D121的内径与外壳Dll的开口直径相 同，中段圆柱形内壳D122的内径大于上段圆柱形内壳D121的内径，中段圆柱形内壳D122 形成容积为40L的圆柱形液氦浴罐；下段圆柱形内壳D123的内径与上段圆柱形内壳D121 的内径相同，下段圆柱形内壳D123形成下端封底的圆柱形液氦工作浴室；中段圆柱形内壳 D122与下段圆柱形内壳D123和中段圆柱形内壳D122与上段圆柱形内壳D121是由两个圆 锥形导流斜面连接。上段圆柱形内壳D121的材料是低热传导率塑料，具有很好的绝热性能，主要目的 是使得从接触室温环境的杜瓦瓶Dl 口到中段圆柱形内壳D122的低温的液氦浴罐之间具有 足够高的温度梯度，降低热传导，减小液氦损耗。中段圆柱形内壳D122的40L的圆柱形液氦浴罐内安装有超导金属棒制成的液氦 液面位置传感器D4，可以实现从杜瓦瓶Dl外部接口测量得到中段圆柱形内壳D122中的液
氦液面位置。
中段圆柱形内壳D122由于与外壳Dll距离较近，容易造成热传导，因此在中段圆 柱形内壳D122与外壳Dll之间缠绕包裹有多层的超绝缘层。由于杜瓦瓶Dl的底部的绝热处理很好，所以下段圆柱形内壳D123的周围都是绝 热的，工作时只与中段圆柱形内壳D122的液氦连通，因此可以很好地保证浴室内4. 2K的低
温环境。本发明的目的是测试三维低温超导薄膜线圈的超导特性，因此一定需要为超导线 圈提供一个低温环境，如背景技术中所述，本发明的低温环境利用液氦作为制冷剂，使测试 系统工作温度达到4. 2K，即-269°C。其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一 不同点在于卡装线圈组件C4包括平面定位块C41、圆柱形定位销C42和带有弹簧片的卡件 C43，其中平面定位块C41位于被测三维低温超导薄膜线圈一侧上部设置有凸台，所述凸台 用于阻挡被测三维低温超导薄膜线圈由于振动向上的传动位移，其由GlO材质制造；圆柱 形定位销C42和带有弹簧片的卡件C43由铜制造，所述平面定位块C41、圆柱形定位销C42 和带有弹簧片的卡件C43分别固定测试圆盘形铜板Cl上，并分布于被测三维低温超导薄膜 线圈外侧的三个点上，所述平面定位块C41和圆柱形定位销C42用于限定被测三维低温超 导薄膜线圈的定位平面和一个限位点，在平面定位块C41和圆柱形定位销C42的另一侧安 装的带有弹簧片的卡件C43的弹簧片压紧被测三维低温超导薄膜线圈的侧面，用于被测三 维低温超导薄膜线圈与平面定位块C41和圆柱形定位销C42紧密接触，足够的弹力将被测 三维低温超导薄膜线圈固定于测试圆盘形铜板Cl的中心位置，并且可以防止有限的机械 振动使线圈脱离测试圆盘形铜板Cl，而且能够调整被测三维低温超导薄膜线圈，使其在测 试圆盘形铜板Cl上的转动和平动。其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一不同点在于真空泵管道Z13的外 接口上设置有真空阀门。其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的步骤 为步骤一装卡被测三维低温超导薄膜线圈于测试工作系统C的测试圆盘形铜板Cl 上，之后至少一个压簧探针C5的触点压在所述三维低温超导薄膜线圈的超导薄膜可接触 平面上，各个压簧探针C5通过高精度电压表Wl连接到主控计算机W3上，并定义所对应的 信号功能，再连接温度计C2和加热器C3的于温度测量控制仪W2上；步骤二 组装并密封真空环境系统Z，并检查真空环境系统Z的各接口的气密性是 否良好；步骤三组装低温环境系统D，使真空环境系统Z垂直吊装在低温环境系统D中， 此过程尽量避免机械振动；步骤四在真空环境系统Z中制备真空环境；将真空泵管道Z13外接口与真空泵 连接，启动真空泵为真空环境系统ζ抽真空，直到真空环境系统Z达到10-5Pa的真空度；停 止真空泵工作，等待一小时，如果真空环境系统Z内压强无变化；将真空泵管道Z13外接口 与真空泵连接的真空阀门关闭，并将二者分开，使得真空环境系统Z成独立的封闭系统；步骤五连接并启动外部测量控制系统W ；
步骤六开始降温过程，先使用液氮作为制冷剂做初始降温，将液氮由冷却剂注入 管道Z12的注入口注入杜瓦瓶Dl的40L的圆柱形液氦浴罐内，并同时观察排气管道Zll的 出气口的排气量大小调整冷却剂的注入量，并观察温度计C2测量到得温度读数，直到温度 计C2读数下降到77K时稳定数分钟后，待温度计C2读数再次高于77K时，停止注入液氮， 改将液氦D2作为冷却剂，从冷却剂注入管道Z12的注入口注入杜瓦瓶Dl内，同样要观察 排气管道Zll的出气口的排气量大小调整冷却剂的注入量，同时观察温度计C2的读数以 及在电流源输出电流不变的情况下高精度电压表Wl的读数变化；当杜瓦瓶Dl内温度降至 6. 21K时，观察到高精度电压表Wl的读数突然变为零，即线圈的电阻突然变为零，说明被测 三维低温超导薄膜线圈发生超导现象，虽然在此温度下发生了超导现象，但是温度计C2读 数还没有达到4. 2K，说明杜瓦瓶Dl中的液氦D2都已气化，还没有液态氦存在，因此还要继 续注入冷却剂，直到温度计C2读数稳定在4. 2K，再继续注入液氦D2于40L的圆柱形液氦浴 罐中，直到液氦D2液面位置传感器显示注入的液氦D2装满40L的圆柱形液氦浴罐为止，停 止注入冷却剂，此时便完成了整个降温过程；步骤七开始启动温度测量控制仪W2，使温度保持在4. 25K ；步骤八开始设定电流源输出电流的变化规律，以ImA为步长分别在以下区间
, [-100mA,0],
, [100mA,0]作为输出电流的参数，并利用主控计算机 W3记录高精度电压表Wl测量到的电压读数，经计算得出的线圈电阻为-3. 5975 X 10-6 Ω， 测量结果为负值说明该结果是测量仪表的自身误差，已经无法测量到被测三维低温超导薄 膜线圈的电阻，证明了被测三维低温超导薄膜线圈特性良好，该线圈通过了测试；步骤九测试完成后，将外部测量控制系统W关闭，而后，就是等待杜瓦瓶Dl中的 液氦D2完全气化，温度计C2读数逐渐上升，此过程需要一至七天的时间；步骤十待温度计C2读数高于195Κ，就可以将真空罐Ζ2从杜瓦瓶Dl中拆卸并吊 装出来继续升温，待杜瓦瓶Dl温度接近室温时，将真空阀门慢慢打开向真空环境系统Z内 放入空气，直到内外压强一致；步骤十一将真空罐Ζ2的顶盖打开，将真空罐Ζ2罐体拆卸下来，取下三维低温超 导薄膜线圈妥善存放。本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式
的组 合同样也可以实现发明的目的。
权利要求
1.三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备，其特征在于它包括低温环境系统(D)， 真空环境系统(Z)，测试工作系统(C)和外部测量控制系统(W)；外部测量控制系统(W)包括高精度电压表(Wl)、温度测量控制仪(M)和主控计算机 (W3)；测试工作系统(C)包括测试圆盘形铜板(Cl)、温度计(以)、加热器(O)、卡装线圈组件 (C4)和至少一个压簧探针(C5)；低温环境系统⑶包括杜瓦瓶(Dl)、液氦(D2)和杜瓦瓶盖(D3)； 真空环境系统(Z)包括真空罐(Z2)和五个金属管道，其中五根金属管道分别为排气管道(Zll)、冷却剂注入管道(Z12)、真空泵管道(Z13)、 第一电接口密封管道(Z14)和第二电接口密封管道(Z15)， 所述五根金属管道穿过杜瓦瓶盖(D3)，所述杜瓦瓶盖(D3)的底部通过真空泵管道(Z13)、第一电接口密封管道(Z14)和第二 电接口密封管道(Z15)悬挂有真空罐(Z2)的顶盖，真空泵管道(Z13)、第一电接口密封管道(Z14)和第二电接口密封管道(Z15)与真空罐 (Z2)的真空罐腔连通，真空罐脑的顶盖底部还悬挂有测试圆盘形铜板(Cl)，测试圆盘形铜板(Cl)上设置有温度计(C2)、加热器(O)和卡装线圈组件(C4)，被测 三维低温超导薄膜线圈卡固在所述卡装线圈组件(C4)上，并且所述被测三维低温超导薄 膜线圈位于测试圆盘形铜板(Cl)中央，至少一个压簧探针(( )的触点压在所述三维低温 超导薄膜线圈的超导薄膜可接触平面上，并且每根压簧探针(⑶)分别与三维低温超导薄 膜线圈中每个线圈的两端的导线连接；所述压簧探针(⑶)的输出端、温度计(以)的输出端和加热器(O)的温控输入端穿过 第一电接口密封管道(Z14)或第二电接口密封管道(ZK)分别连接在高精度电压表(Wl) 的输入端、温度测量控制仪(M)的温度信号输入端和加热信号输出端，高精度电压表(Wl) 的输出端和温度测量控制仪(M)的温度信号输出端与主控计算机(W:3)的电压信号输入端 和温度信号输入端连接；真空罐(Z2)的顶盖底部的测试圆盘形铜板(Cl)位于真空罐(Z2)的罐体内，并且真空 罐KL1、的顶盖与真空罐KL1、的罐体密封连接形成所述真空罐腔， 真空罐(Z2)位于杜瓦瓶(Dl)的瓶体内，所述排气管道(Zll)的出气口和冷却剂注入管道(Z12)的注入口位于杜瓦瓶盖(D3) 顶部，排气管道(Zll)的入气口位于杜瓦瓶(Dl)瓶口处，冷却剂注入管道(Z12)的流出口 位于杜瓦瓶(Dl)瓶体下部，并且杜瓦瓶盖(D3)与杜瓦瓶(Dl)密封连接形成液氦空间，液 氦(D2)充入到所述液氦空间中。
2.根据权利要求1所述的三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备，其特征在于杜瓦 瓶(Dl)为内外两层壳结构，外壳011)是上端开口的圆柱形金属罐体，内壳(D12)是由三 段圆柱形内壳连接构成罐体，内外壳体之间的腔体为真空，所述三段圆柱形内壳从上往下 依次为上段圆柱形内壳(D121)、中段圆柱形内壳￠12 和下段圆柱形内壳(D123)，并且三 段圆柱形内壳将杜瓦瓶(Dl)内的液氦空间分为低热传导管颈、液氦浴罐和液氦工作浴室； 上段圆柱形内壳(D121)的内径与外壳(Dll)的开口直径相同，中段圆柱形内壳(D122)的内径大于上段圆柱形内壳(D121)的内径，中段圆柱形内壳(D122)形成容积为40L的圆柱 形液氦浴罐；下段圆柱形内壳(D123)的内径与上段圆柱形内壳(D121)的内径相同，下段圆 柱形内壳(D12!3)形成下端封底的圆柱形液氦工作浴室；中段圆柱形内壳￠12 与下段圆 柱形内壳(D123)和中段圆柱形内壳(D122)与上段圆柱形内壳(D121)是由两个圆锥形导 流斜面连接。
3.根据权利要求2所述的三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备，其特征在于上段 圆柱形内壳(D121)的材料是低热传导率塑料。
4.根据权利要求2或3所述的三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备，其特征在于 中段圆柱形内壳￠12 的40L的圆柱形液氦浴罐内安装有超导金属棒制成的液氦液面位 置传感器(D4)。
5.根据权利要求4所述的三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备，其特征在于中段 圆柱形内壳￠12 与外壳(Dll)之间缠绕包裹有多层的超绝缘层。
6.根据权利要求1或5所述的三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备，其特征在 于卡装线圈组件(C4)包括平面定位块(C41)、圆柱形定位销(C42)和带有弹簧片的卡件 (C43)，其中平面定位块(C41)位于被测三维低温超导薄膜线圈一侧上部设置有凸台，所 述凸台用于阻挡被测三维低温超导薄膜线圈由于振动向上的传动位移，所述平面定位块 (C41)、圆柱形定位销(￠4 和带有弹簧片的卡件(C4!3)分别固定测试圆盘形铜板(Cl)上， 并分布于被测三维低温超导薄膜线圈外侧的三个点上，所述平面定位块(C41)和圆柱形定 位销(￠4 用于限定被测三维低温超导薄膜线圈的定位平面和一个限位点，在平面定位块 (C41)和圆柱形定位销(C42)的另一侧安装的带有弹簧片的卡件(C43)的弹簧片压紧被测 三维低温超导薄膜线圈的侧面，用于被测三维低温超导薄膜线圈与平面定位块(C41)和圆 柱形定位销( 紧密接触。
7.根据权利要求6所述的三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备，其特征在于平面 定位块(C41)采用GlO材质，圆柱形定位销(￠4 和带有弹簧片的卡件(C4!3)采用铜。
8.根据权利要求1或7所述的三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备，其特征在于 真空泵管道(Z13)的外接口上设置有真空阀门。
9.根据权利要求8所述的三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备，其特征在于真空 罐、τι、的罐体与真空罐、τι、的顶盖通过软金属压紧密封。
10.根据上述权利要求所述的设备进行的三维低温超导薄膜线圈超导特性测试方法， 其特征在于步骤为步骤一装卡被测三维低温超导薄膜线圈于测试工作系统(C)的测试圆盘形铜板(Cl) 上，之后至少一个压簧探针(⑶)的触点压在所述三维低温超导薄膜线圈的超导薄膜可接 触平面上，各个压簧探针(( )通过高精度电压表(Wl)连接到主控计算机(w;3)上，并定义 所对应的信号功能，再连接温度计(以)和加热器(O)的于温度测量控制仪(M)上；步骤二 组装并密封真空环境系统(Z)，并检查真空环境系统(Z)的各接口的气密性是 否良好；步骤三组装低温环境系统(D)，使真空环境系统(Z)垂直吊装在低温环境系统(D) 中，此过程尽量避免机械振动；步骤四在真空环境系统(Z)中制备真空环境；将真空泵管道(Z13)外接口与真空泵连接，启动真空泵为真空环境系统(Z)抽真空，直到真空环境系统(Z)达到10-5 的真 空度；停止真空泵工作，等待一小时，如果真空环境系统(Z)内压强无变化；将真空泵管道 (Z13)外接口与真空泵连接的真空阀门关闭，并将二者分开，使得真空环境系统(Z)成独立 的封闭系统；步骤五连接并启动外部测量控制系统(W)；步骤六开始降温过程，先使用液氮作为制冷剂做初始降温，将液氮由冷却剂注入管道 (Z12)的注入口注入杜瓦瓶(Dl)的40L的圆柱形液氦浴罐内，通过真空环境系统(Z)内的 温度计(以)测量温度，直到温度计(以)读数下降到77K时稳定数分钟后，待温度计(C2)读 数再次高于77K时，停止注入液氮，将液氦(拟)作为冷却剂，从冷却剂注入管道(Z12)的注 入口杜瓦瓶(Dl)内，当杜瓦瓶(Dl)内温度降至6. 21K时，且高精度电压表(Wl)的读数突 然变为零，即线圈的电阻突然变为零，继续注入冷却剂，直到温度计(C2)读数稳定在4. 2K， 继续注入液氦(拟)于40L的圆柱形液氦浴罐中，通过液面位置传感器测量该圆柱形液氦浴 罐内的液面高度，直到液面注满40L的圆柱形液氦浴罐为止，停止注入冷却剂，此时便完成 了整个降温过程；步骤七开始启动温度测量控制仪(W》，使温度保持在4. 25K ； 步骤八开始设定电流源输出电流的变化规律，以ImA为步长分别选择以下区间的 参数
，[-100mA,0],
, [100mA，0]作为输出电流的参数，并利用 主控计算机(W;3)记录高精度电压表(Wl)测量到的电压读数，经计算得出的线圈电阻 为-3. 5975Χ10_6Ω，测量结果为负值说明该结果是测量仪表的自身误差，已经无法测量到 被测三维低温超导薄膜线圈的电阻，证明了被测三维低温超导薄膜线圈特性良好，该线圈 通过了测试。
全文摘要
三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备与测试方法，本发明属于低温超导技术及高精度测量领域，它特指针对三维低温超导薄膜线圈进行超导特性测试，依靠本发明的低温环境系统和真空环境系统所提供的真空低温环境，测试研究三维低温超导薄膜线圈的超导特性，进而辅助设计三维超导薄膜线圈。本发明设计了一套低温系统，测试三维低温超导薄膜线圈的超导特性，因此一定需要为超导线圈提供一个低温环境，如背景技术中所述，本发明的低温环境利用液氦作为制冷剂，使测试系统工作温度达到4.2K，即-269℃。因此，由于测试的三维低温超导薄膜线圈是美国宇航局与欧洲空间局联合研制的STEP卫星有效载荷中的核心零件，因此从技术应用角度，属于应用航天科学与技术。
文档编号G01R33/12GK102096052SQ201010593649
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者兰盛昌, 张世杰, 张锦绣, 曹喜滨, 李梦立, 杨勇, 王肃文 申请人:哈尔滨工业大学
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