[发明专利]三维低温超导薄膜线圈超导特性测试设备与测试方法

说明书

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℃)才能液化。翁尼斯利用液氦创造出10K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.Worden)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W1、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C1、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C1，