（电工理论与新技术专业论文）超导材料电磁性能测试系统的开发及初步应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h et h e s i si n t r o d u c e st h et e s t s y e t e mo ft h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r e 瓦o f s u p e r c o n d u c t o ru s i n gr e s i s t a n c em e t h o da n dt h et e s ts y s t e mo ft h ea cm a g n e t i c s u s c e p t i b i l i t yo ft h eh i g ht e m p e r e t u r es u p e r c o n d u c t o r t h em a g n e t i cc a p a b i l i t yo f c 、t ia n dcd o p e dw i t ht i m g b 2h a sb e e nm e a s u r e d t h ec h a n g e m e n t so ft h e i r c r i t i c a lc t l r r e n td e n s i t y 、u p p e rc r i t i c a lm a g n e t i cf i e l da n di r r e v e r s i b l ef i e l da n d t h e i rf l u xp i n n i n gp r o p e r t i e sh a v eb e e na n a l y z e db yt h en u m b e r s a tf i r s tt h ef u n d a m e n t a lp r o p e r t i e so ft h ea d v a n c e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e v i s u a lb a s i c6 0a r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i s ，a l s ot h ep r i n c i p l e sa n dr e q u i r e m e n t s t od e s i g nt h ei n t e r f a c eb yu s i n gi ta r ed i s c u s s e d ，t h ee s s e n t i a lb u sk n o w l e d g ei n t h ed y n a m i ct e s ti se l u c i d a t e d ，t h er e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so f t h eb u s e sl i k eg p i b 、u s b 、p c i 、a n dr s - - 2 3 2a r ea n a l y z e da n dt h es u i t a b l eb u s h a sb e e nc h o s e na c c o r d i n gt oo u rf a c t u a le x p e r i m e n t t h eb a s i c a lm e t h o dt om e a s u r et h ec r i t i c a l t e m p e r a t u r e o ft h e s u p e r c o n d u c t o ri si n t r o d u c e di ns u c c e s s i o n , a n dc o m p a r e st h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sr e s p e c t i v e l y , i nv i e wo ft h ef a c t u a le x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，a n d t h e nc h o o s et h er e s i s t a n c em e t h o dt om e a s u r ea n di n t r o d u c ei t se x p e r i m e n t c i r c u i t r ya n dd e v i c e sa n d 血em e t h o da n ds t e p so ft e s t i n gp a r t i c u l a r l y , a n d e l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo fl o o kg e n u i n ee l e c t r o m o t i v ef o r c eu s i n gt h ep o s i t i v e n e g t i v ea l t e r n a t i n g 、c o n s t a n t 、h i g hp r e c i s i o no u t p u tc u r r e n tb a s e do nt h e e x p e r i m e n t a lo p e r a t i o np r o g r a mw i t hv b ，c o n s e q u e n t l yt h em e a s u r ep r e c i s i o n h a sb e e ni m p r o v e d a na p p l i c a t i o ne x a m p l ei si n t r o d u c e d ，w h i c hi s “h i 曲 t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v ed e m o n s t r a t i o ns y s t e m s p o n s o r e db yc o l l e g eo f s c i e n c eo fs o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t y t h e nt h et h e s i sa n a l y z e st h eb a s i c a l m e t h o da n dp r i n c i p l e so fm e a s u r i n gt h ea cm a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yo fh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o ra n dc o m p a r e so n ew i t ha n o t h e r , p o i n t s o u tt h e p r o b l e m si nt h em e a s u r em e t h o d i nf a c t u a lm e t h o dt h em a g n e t i co n ei sa d o p t e d a n di n t r o d u c e si t se x p e r i m e n tc i r c u i t r ya n dd e v i c e s 、t h em e a s u r em e t h o da n d s t e p sa n dt h ee x p e r i m e n to p e r a t i o np r o c e d u r e f i n a l l y , w i t ht h er e s u l to f m a g n e t i s mm e a s u r eo f c 、t ia n dcd o p e dw i t h t i 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 ii 页 m g b 2 ，t h et h e s i sa n a l y z e s t h ec h a n g e m e n t so f t h e i rc r i t i c a lc u r r e n td e n s i t y 、u p p e r c r i t i c a lm a g n e t i cf i e l da n di r r e v e r s i b l ef i e l da n da n a l y z e st h e f l u xp i n n i n g p r o p e r t i e so fc 、t ia n dcd o p e dw i t ht i m g b 2 ，e m p h a s i z e st h er e s e a r c ho f t h e a cm a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yo fm g b 2b l o c k f r o mt h ee x p e r i m e n td a t u m ，w e c a n c o n c l u d et h a tt h ep i n n i n go ft h em g b 2i nt h eh i g hf i e l dh a sb e e ni m p r o v e d p r o m i n e n t l yb yd o p i n gw i t hc a n dt i k e yw o r d s ：t e s ts y s t e m ；c r i t i c a lt e m p e r a t u r e ；a cm a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ；m g b 2 s u p e r c o n d u c t o r ；f l u xp i n n i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 8 页 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在赵勇、朱晓彤老师指导下进行的研 究工作以及所取得的研究成果，倾注了本人和导师的大量心血和汗水。 本文中所查阅文献以及其他人的观点和研究成果之处，本人均作了标记， 并附于论文的结语，在此表示感谢! 在实验过程中，给予我相关指导的老师 及同学对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确说明并表示谢意。除 此之外文中不包含其他人曾经或者发表过的成果。 本学位论文成果是本人在西南交通大学读书期间在赵勇、朱晓彤老师的 指导下取得的，论文成果归西南交通大学超导中心所有，特此声明。 论文作者签名： 导师签名： 年月日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章首先简单介绍了本文研究工作的背景，然后叙述了本文的研究工作 情况，最后介绍了文章的组织结构。 1 1 课题背景 自从1 9 1 1 年昂内斯( 0 n n e s ) 等“1 人首先发现超导电性以来，物理学就 开辟了一个新的领域，他们在液氦温区研究金属电阻随温度变化规律时发现 金属汞在4 2 k 时电阻突降为零如图1 - 1 在此后的几十年里，人们在发现新 材料和探索超导机理方面做出了巨大的努力，也取得了丰硕的成果。 ， ! i i ! 妇 仃 - l 鼙一 图卜1 h g 在液氮温度下电阻突变为零 1 9 1 1 年发现超导态的基本特性之一：理想导电性；1 9 3 3 年，荷兰的迈斯 纳( m e i s s n e r ) “2 1 等人共同发现了超导体的另一个基本特性：完全抗磁性。 从h g 的超导性发现到7 0 年代，其它超导材料逐渐被发现，如n b t i ， n b 3 s n 等，但是这些材料的超导转温度咒都很低。1 9 8 6 年瑞士苏黎世i b m 实 验室的j g b e n d n o z r 和k a m u l l e r 哺 发现了正超过3 0 k 的l a - b 矿c u o 氧化物超导体，之后世界范围内掀起了探索新高温超导体的热潮。1 9 8 7 年吴 秘n 蟛 啪 懈 哺 懈 蛳 i_量芒墨譬 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 茂卧钉和赵忠贤“1 等分别发现了瓦超过9 0 i 的y - b a - c u - o 超导体，首次突破了 液氦温区的壁垒使疋进入液氮温区。随后b i - s r c a c u - o ”1 ”， t 卜b a - c a - c u 一0 陋”3 和h g - b a - c a c u 一0 伽侧等超导体相续问世，超导转变温度 刷新到1 3 5 k ，2 0 0 1 年初，具有3 9 k 超导转变温度的m g b ：被日本科学家啊1 发现。 1 1 1 超导体临界温度 临界温度瓦是反映超导体的基本特性的重要参数之一。超导体具有零电 阻效应，人们通常把电阻突然变为零的温度称为超导转变温度，而把外部条 件( 磁场、电流、应力等) 维持在足够低值时的超导转变温度称为超导临界 温度，记为瓦 实验表明，超导体发生正常至超导转变时，电阻的变化是在一定的温度 间隔中发生的，而不是突然一下变为零的，如图1 - 2 所示实际超导体中，人 们引进起始转变温度l 、和超导转变( 中点) 温度( 或疋) 等来描写超导体 的特性渊而转变宽度t 定义为r n 下降到9 0 及1 0 所对应的温度间隔 在高疋材料发现以前，对于金属、合金及氧化物等超导体，长期以来的 测试工作中，一般将中点温度定义为疋。对于氧化物超导体，由于其转变宽 度t 较宽，尤其是试制样品初期t 可达十几k ，再用旧的规定容易引起混 乱。因此，为了说明样品的性能，目前一般给出零电阻t ( r = 0 ) 的数值，有 的时候甚至同时给出以上三个转变温度。 k r 图卜2 超导体的电阻转变曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 2 高温超导体交流磁化率 交流磁化率x 的测量不仅是发现高温超导新材料研究中的重要手段( 通 过交流磁化率的测量能够迅速判断液氮温度下样品是否具有抗磁性，画出温 度与磁化率的曲线丽确定超导材料的转变温度疋) ，而且是研究磁通动力学 的强有力手段，它还被用来研究临界电流和磁通钉扎效应。 自2 0 世纪6 0 年代非理想第1 i 类超导体n b t i 、n b o s n 等相继发现 以来，国际上曾对超导材料在电力方面的应用给予很大的关注。但由于超导 线在工频运行条件下还存在着交流损耗，在当时的条件下，采用超导技术所 节省的焦尔损耗补偿不了所增加的制冷功率消耗。因此，在相当长的段时 间内，超导技术在工频电力装备中的应用研究发展缓慢。从物理本质上讲， 交流损耗可分为磁滞损耗、涡流损耗和耦合损耗等工频下，高温超导体的 交流损耗一般以磁滞损耗为主所谓磁滞损耗主要是指：超导体在传输交流 电流或处于交变磁场中时，量子化磁通线不断切割超导体，克服超导体内的 磁通钉扎势及表面势垒的阻碍而做功，从而产生的损耗。 8 0 年代初，随着低交流损耗的极细丝超导线的出现，超导技术在工频电 力装备中的应用再次引起人们的重视。高温超导体发现后，超导材料的性能 不断地改善和提高，人们便把超导电力应用研究的注意力转向对高温超导材 料的研究目前，实用的高温超导材料主要包括铋系( b s c c o ) 、钇系( y b c o ) 、 二硼化镁( m g b 2 ) 姗。二十世纪九十年代末，高温超导材料的制备技术取得了 重大突破，超导材料的性能不断改善和提高，极大地促进了超导应用技术的 研究。目前。采用p i t 制备、长1 0 - 2 0 k m 的a g ( 或a g - a l l o y ) 基底b i 系 多苍复合超导带的技术已经比较成熟。世界上商业化供应b s c c 沪2 2 2 3 带材 的三家主要单位一美国超导公司、日本住友电气公司、t r i t h o r 公司一的研究 状况列举如表i - i 我国自1 9 8 8 年以来，一直在开展b i 系高温超导材料的研究，目前从事 b s c c o 超导带材研究的主要单位有北京有色金属研究院、西北有色金属研究 院和北京英纳超导技术有限公司。其中西北有色金属研究院和北京英纳超导 技术有限公司这两个国内超导材料生产企业具备了批量生产工程应用超导带 材的能力。西北有色金属研究院在2 0 0 3 年初成功制出2 0 0 m 长的带材。北京 英纳超导技术有限公司的设计生产能力为年产量2 0 0 k m ，临界电流达到 8 5 a ( 7 7 k ，0 t ) ，单线长度达到2 0 0 米，工程临界电流密度超过1 0 0 0 0 a c m 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 表i - ib s c c 0 - 2 2 2 3 带材的研究现状 镒婀 日本住友电t r i t h 气公司 1 0 m i d 叩m1 0 ( 1 m 1 d m 帚工程l | 蕾界 1 2 0 a ( 1 7 】【o r ) 1 】d 1 5 q a 6 0 a 糟电镀 性工程临界 1 3 5 x 1 0 j m 1 5 x l 矿a j c m 。 6 o a k m 。 耗电叛密度 目前b i 系高温超导带材( 也称第1 代带材) 已经在电力、医疗、航天 等方面的示范试验项目中得到了应用。然而b i 系高温超导带材的不可逆磁场 小( 在7 7 k 下只有约0 2 t ) ”“，其临界电流密度五易受磁场的影响，在较小 的磁场下，其以就急剧下降，这极大地限制了b i 系带材的应用范围。此 外，受原材料成本的限制，其价格要降低至0 5 5 0 ( k a m ) 以下已经十分困难， 对于除超导限流器以外的其它电力应用将产生很大的制约。因此，研究开发 新型高温超导材料是十分必要的 最近两年来，y b c o ( 或n d b c o 等) 涂层导体( 也称第1 i 代带材) 成为 高温超导带材发展的重要方向。y b c o 超导体在液氮温区和外磁场下具有比 b i 系超导带材更为良好的载流性能，它的实用化将真正使工作于液氮温区的 高温超导电力设备成为现实。 表i - 2 国际上第代超导带材的发展情况 研究开发单位长度，临界电箍a c 力即d ，亘米一宽度 羹舀l o c加1 泰fi t , , 1 d 1 美国超导公司米li c = 1 6 8 a 日车f u j 亚m n 2 1 7 米；i p 韶a 日奉i s t e c2 1 2 束ii c - 2 4 5 a 麓匿t h m加来；i c - l 盟a 根据美国“加速涂层导体发展计划( a c c i ) ”，到2 0 0 7 年，长度为千米 量级的第1 i 代带材将可以实现商业化。最具实力的美国超导公司计划在五 年内完全放弃第1 代带材的生产，将材料研究开发的全部精力投入第1 i 代 带材的研究开发和产业化。根据a c c i 计划，美国超导公司计划将高温超导带 材的价格降低到$ 1 0 2 5 ( k a m ) ，届时，高温超导电力技术的各种应用将完 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 全具备实用化推广的可能。我国也在加紧第1 i 代高温超导带材的研制开发， 妇北京有色金属研究院、中科院物理研究所、西北有色金属研究院等单位目 前正在执行国家的“十五”项目，计划制备出长度为米量级，性能达到国际 先进水平的y b c o 超导带材。据最新报道，美国有三家公司最近宣布开发出 了几种新技术，已将y b c o 导线制成l o o m 长度，第1 i 代高温超导带材已进 入市场。 随着高温超导材料制各技术逐渐走向成熟和实用化，以高温超导带材为 基础的超导电力应用研究也成为超导技术发展的热点。过去几年的研究开发 重点是高温超导电缆、高温超导限流器、超导储能系统和高温超导变压器。 如1 9 9 8 年美国w a u k e s h a 电力公司研制出1 m v a 高温超导变压器；1 9 9 9 年， a s c 公司等研制的1 5 k v 2 0 k a 限流器在加州e d i s o i l 电站投入试验运行； 2 0 0 0 年3 月，p i r e l l i 公司在底特律e d i s o n 变电站安装了1 3 0 m 、2 4 k v 2 。4 k a 三相高温超导交流电缆；r e l l a n c e 公司1 9 9 6 年研制出1 4 7 k w 的 四极同步电机，并计划进一步研制3 7 m 霄的高温超导电机的研究工作。目前， 高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导变压器和高温超导电动机已进入 示范试验运行阶段，高温超导磁储能系统也有相应的试验样机问世。我国研 究超导电力技术的单位主要是中国科学院电工研究所。2 0 0 4 年，中科院电工 所成功研制7 5 m 、1 0 s k y 1 5 k a 交流高温超导电缆系统，并将该电缆在甘肃 长通投入运行；由中科院电工所承担的首台三相1 0 5 k v 1 5 k a 高温超导限 流器研制成功，于2 0 0 5 年8 月在湖南省娄底市电业局高溪变电站顺利投入 试验运行，成为继瑞士、德国、美国之后世界上第四台并入实际电网试验运 行的高温超导限流装置。在高温超导变压器的研制方面，中科院电工所和特 交电工股份有限公司联合于2 0 0 5 年1 1 月完成了6 3 0 k r a 三相高温超导变 压器的研究开发，已经成功投入配电网试验运行，成为世界上第二台挂网运 行的高温超导变压器。除此之外，中科院电工所正计划开展高温超导电动机 的研发工作，并计划建设实验室规模的全超导变电站实验系统。随着高温超 导材料制各技术特别是第1 i 代高温超导带材制备技术走向成熟和实用化， 超导电力技术的发展将开始出现快速增长。世界银行预测：2 0 1 0 年超导电力 技术产业将达到8 0 一1 0 0 亿美元，2 0 2 0 年达到9 0 0 - 1 0 0 0 亿美元。第五届国 际超导工业高峰会议预测：超导电力技术将在2 0 1 0 - 2 0 1 5 年出现大规模应 用。美、日科学家预言，高温超导电力技术将是2 1 世纪具有经济战略意义 的高新技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 1 3m g b 2 超导体 强电应用对超导材料提出的要求是。”：( 1 ) 高的超导临界特性：临界温度 瓦，上临界磁场强度点k ，和临界电流密度工( b ) 。其中最重要的是要求在高 磁场下传输较高的电流密度，从而使超导材料在运行温度( 如2 0k ) 和高磁场 下( 如5t ) 下能够承受足够大的传输临界电流密度( 1 0 5a c m 2 ) 。( 2 ) 长线化： 即使绕制实验室级的磁体，通常也要上千米的长线。所以，要设法将其加工 成长线( 带) ，并将其短样上的性能“外延”到长线上。( 3 ) 导体的复合化：从 导体的机械强度和电磁稳定性出发，要求将超导体细丝化并与电导率高的正 常金属( 比如铜或银) 复合，制成所谓多股细丝复合超导体，因此，这两种材 料在界面上的兼容性是很关键的。( 4 ) 良好的机械性能：超导材料在制备和磁 体绕制等过程中，经受反复的弯曲、拉压：在励磁态下承受很大的电磁力。( 5 ) 可以接受的价格；( 6 ) 均匀性。表1 - 3 列出了不同的超导电力装置对超导材料 的具体性能要求。 表1 - 3 电力应用对超导材料的性能要求 电力装j t 磁i 面强运行报 导线长弹性应弯曲半成本 置毗西度度 ” 度( m )变( ) 径( m ) 传帕埘 曼苎墨! 塑堡，兰! 兰! 塑! 坚型堡竺竺塾!堡! 竺 电动机1 旷4 - 5 2 0 - 7 75 1 0 0 00 2 - 0 30 0 61 0 注：s 峪一超导储能装置 对于目前已经实用化合金超导体n b t i 和金属化合物超导体n b 3 s n ， v 3 g a 等强磁场材料来说，其上临界磁场约为1 2 - 2 7t ，而他们在高磁场下的 临界电流密度达1 0 5 a c m z 以上。因此，从实际应用上来说，阻碍这些传统超 导体广泛应用的“磁电壁垒”己被冲破，而主要障碍在于“温度壁垒”。由于 低的临界温度，基于这些材料的超导装置都只能在液氦温度下运行。为获得 液氦的装备和技术都比较复杂，制冷效率低，氦能源又稀少，以及高的成本 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 等问题，严重的制约了超导电技术的应用范围，也影响着它与常规技术的竞 争能力。 2 0 0 1 年发现的m g b 2 超导体激起了研究界和工业界的强烈兴趣。对于金 属问化合物，它具有太多独特的性质：4 0 k 的临界转变温度；简单的六方结 构，制备比较容易，制造成本相对较低：低的正常态电阻率；低密度；并且 镁、硼元素是自然界丰富的元素，价格低廉。更为重要的是，它4 0 k 的高l | 缶 界温度并没有伴随着弱连接效应，m g b 2 晶体可以承受很高的的临界电流密 度。相比于低温超导体，m g b 2 的优势在于可以在更高的温区( 2 0 3 0 k ) 下 工作，这个温区用微型制冷机就能够容易获得而无需复杂和昂贵的液氦。d c l a r b a l e s t i e re t a i i 对常规超导材料n b 4 7 t i ，n b 3 s n ，高温超导材料y b c 0 b i - 2 2 2 3 和新型超导材料m g b ：的超导电性参数进行了对比，结果见表卜4 。 表1 - 4 实用超导材料的临界电流密度及相关参数嘲 可见，m g b 2 无论同低温超导体还是高温超导体相比较，都具有特别的 优势，而且m g b 2 无论在电磁应用领域还是微电子应用领域，都有巨大的潜 力。所以高性能m g b 2 材料及其物理性质的研究、探索和发展是非常重要的 工作。目前两点阻碍了m g b 2 实用化的步伐，其一，m g b 2 是硬非常脆的金 属间化合物超导体，制造可弯和耐用的线材将面临巨大的挑战，会像高温超 导材料成材一样困难，有大量的工作要作美国超导公司估计，即使证明了 这种材料是可行的，m 班2 从实验室走向市场也将需要5 - 1 0 年的时间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 表i - 5m g b 2 、n b 3 s i t 和n b t i 的临界电流密度j c 的比较( 单位：a c m 2 ) h 衄圆z 拜劂枷 m 目她块材聊 m l c b 2 线材嘲 6 x l a 1 妒 以o ， 2 x i o 4 x l o 2 x i 0 3 m | 渤带材咖 5 x 1 0 55 x 仃 叙1 0 ， 1 1 _ _ _ - _ - - _ 一 i t ：n b 嘶- a p c 人工钉扎中心的n b t i 超导体 第二，困难在于m g b 2 块、线带材临界电流密度五仍然低于n b t i 线的性 能。经过5 年的发展，m g b 2 在磁场中的载流性能仍远低于n b t i 和n b 3 s n 。 m g b ：，n b t i 和n b ，s n 在4 2 k 和2 0 k 以及典型磁场下载流性能的比较示于表卜5 中。m g b ：超导体的上随外场的增高而下降很快。对于n b ，s n ，在4 2 k 下，8 t 下的上为自场下上的一半：对于n b t i ，这一数值为1 7 ：而对于m g b ：，这一数 值仅为1 2 0 0 。 综上所述，m g b 2 既具有巨大的应用潜力，又面临着严峻的挑战。因此， 解决基于m g b 2 材料的超导技术商业化中出现的重要的问题，即m g b 2 的临 界电流密度随磁场的提高而退化，对实现超导技术大规模应用将会起到重要 的推动作用 1 2 主要研究内容与意义 在过去的一段时期，特别是高l 临界温度超导体的发现以及m g b 2 发现以 后，超导研究引起了科学界的极大关注。现在超导领域的研究主要围绕以下 几个方面进行，它们分别是新超导材料的探索，超导机理研究，超导体的宏观 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 量子相干特性研究以及基于超导现象的其他应用研究。然而测量超导体的基 本性能是超导体研究工作的重要环节，无论是发现新的超导材料或掺杂改进 超导材料的性能，还是研究超导体的应用都离不开超导体基本特性的测试。 交流磁化率测量不仅是发现高温超导新材料研究中的重要手段( 通过交 流磁化率的测量能够迅速判断液氮温度下样品是否具有抗磁性，画出温度与 磁化率的曲线而确定超导材料的转变温度瓦) ，而且是研究磁通动力学的强 有力手段，它还被用来研究临界电流和磁通钉扎效应尤其是交流磁化率的 虚部可以用来研究磁通运动的速率，此定重要的钉扎参数( 例如钉扎能 u ( j ，b ，t ) 等) 。这方面已经做了大量的理论和实验工作。比如b r a n d t 对半无 限大和薄膜( 磁场平行宽面) ，k e s 等对磁场平行于轴线的圆柱形样品等的情 况都做过理论分析w 。 本文就反映超导体的两个最基本特性的重要参数，即临界温度疋和交流 磁化率x 的测量原理和基本方法、实验线路和装置以及测试的方法和步骤等 方面的问题进行了较为深入的研究。临界温度疋的测量主要是采用四引线电 阻测量法，交流磁化率x 的测量方法是采用互感电桥法，利用锁相放大器对 微弱信号的精确测量来实现的。 研究表明“”，碳元素和钛元素掺杂都能大大提高m g b 2 超导体的临界电 流特性，但两者的掺杂机制有很大的区别，钛元素通过细化晶粒来提高晶界 钉扎中心数目，从而提高m g b 2 的磁通钉扎能力，而碳元素通过取代m g b 2 晶格中的硼原子减小m g b 2 的电子平均自由程，从而提高m g b 2 的上临界磁 场，降低m g b 2 临界电流密度随磁场升高而降低的速率，提高了m g b 2 的高 磁场下的载流性能。本文探讨了碳和钛同时掺杂提高m g b 2 超导性能的合作 性，通过对其交流磁化率的测量，系统分析了c ，t i 和c t i 同掺的m g b 2 的晶体结构、临界电流密度、上临界磁场、不可逆场和微观结构的变化。 1 3 本文的组织结构 本论文主要就超导体的临界温度乃和交流磁化率x 的测量原理和基本 方法、实验线路和装置以及测试的方法和步骤等方面的问题进行了较为深入 的研究，且通过测量碳钛同掺的m g b 2 的交流磁化率，系统分析了其临界电 流密度、上临界磁场、不可逆场和微观结构的变化。 第二章介绍了v i s u a lb a s i c6 0 高级编程语言和在自动化测试中不可或 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 缺的总线知识对于v b 语言，首先讲述了它的基本性质特点，然后主要就我 们实验中需要用到的如坐标系统、图片框控件和直线绘图方法以及v b 的低层 文件操作等做了较为详细的介绍，最后讨论了利用v b 进行界面设计的原则和 要求。介绍了g p i b 、u s b 、p c i 、p c ie x p r e s s 、v x l 、p x i 、以太网l a n l x l 以及r s - - 2 3 2 等总线，分析了它们各自的特点和优势，并就我们实际的实验 情况选择了合适的总线。 第三章主要讲述了电阻法超导体临界温度瓦的测量。该部分首先简单介 绍了测量超导体临界温度疋的基本方法，并对它们各自的优缺点进行了比 较，考虑到实际的实验条件，选择了电阻法测量并详细介绍了其实验线路和 装置以及测试的方法和步骤，通过v b 编写了实验操作程序。并介绍了电阻法 测量的一个应用实例，西南交通大学理学院的高温超导演示实验系统。 第四章主要讲述了高温超导体交流磁化率x 的测量。该部分首先简单介 绍t n 量高温超导体交流磁化率x 的基本方法和原理，并对它们进行了比较， 指出了测试方法中存在的问题。在实际测量中采用了磁测量的方法，介绍了 其实验线路和装置以及测试的方法和步骤，利用v b 编写了接口程序并采集所 需要的数据，并编写了简单易用的操作软件 第五章主要讲述了碳、钛和碳钛同掺m g b 2 的的磁性能测量，系统分析 了其临界电流密度、上临界磁场、不可逆场的变化，并分析了碳、钛和碳钛 共掺的磁通钉扎特性。重点讲述了t i - c 共掺的m g b 2 块材的交流磁化率的研 究，系统地测量m g b 2 和m g o 9 5 t i 0 0 5 8 19 5 c o 0 5 块材样品的交流磁化率。通过 计算分析可以看出，m g b 2 样品通过掺杂c 和t i ，高场下的钉扎能有了显著 的提升 最后是全文总结部分。概述研究生课题的主要工作，总结课题研究取得 的主要成果。指出不足，并对今后需要开展的工作进行探讨和展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 第2 章v is u a ib a s i c 语言与总线技术 在自动测量实验中，总线技术和操作软件是必不可少的组成部分。多个功 能部件共享的信息传输线称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充， 使用统一的总线标准，不同设备间互连将更容易实现。操作软件的编写主要 考虑到实用性和方便性，在本文实验中，全部采用v b 高级语言编写操作软件。 2 。1v i8 u a ib a s i c 语言 v i s u a lb a s i c6 0 是基于b a s i c 的可视化的程序设计语言，一方面它 继承了早期b a s i c 所具有的程序设计语言简单易用的特点，另一方面在其编 程系统中采用了面向对象、事件驱动的编程机制，用一种巧妙的方法把 w i n d o w s 的编程复杂性封装起来，提供了一种所见即所得的可视化的程序设 计方法。它将代码和数据集成到一个独立的对象中，由对象来完成功能实现， 程序员在应用程序中只需说明要求对象完成的任务，符合软件发展的趋势： 类似于人们习惯的思维方法，可自然地按照现实世界中处理实体的方法来处 理对象，软件开发者可以方便地与问题提出者进行沟通和交流：易于软件的 维护和功能的增减；重复使用一个类( 类是对象的定义，对象是类的实例化) ， 可以比较方便地构造软件系统，加上继承的方法，极大地提高了软件开发的 效率；与可视化技术相结合，改善了工作界面。 2 1 1v b 的特点、功能 在众多的程序设计语言中，v b 以其简单易学的特点，可视化的界面设计 功能，把程序设计人员从繁琐的界面设计中解脱出来：同时它既可以使用d l l 来实现1 0 端口的输入输出功能，又可以通过m s c o m m 控件或a p i 函数实现串 口通信，能方便的实现图像显示和数据存储，因此备受测控软件开发人员的 青睬n 圳。 1 ) 面向对象 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 在v b 中，应用面向对象的程序设计方法，把程序和数据封装起来视为 一个对象，每个对象都是可视的。程序员在设计时只需要用现有工具根据界 面设计的要求，直接在屏幕上放置窗口、菜单、按钮、滚动条等不同类型的 对象，并为每个对象设计属性程序员的编程工作仅限于编写相关对象完成 的功能程序，提高了程序设计的效率。 2 ) 事件驱动 事件驱动是非常适合图形用户界面的编程方式。传统的程序设计是一种 面向过程的方式，程序按事先设计的流程运行。但在图形用户界面的应用程 序中，是由用户的动作即事件掌握着程序运行的流向，每个事件都能驱动一 段程序的运行。程序员只需编写相应用户动作的代码，而各个动作之间不一 定有联系。使得应用程序代码一般较短，所以程序既易于编写又易于维护。 3 ) 软件的集成式开发 v 8 为编程提供了一个集成开发环境。在这个环境中，编程者可以设计界 面、编写代码、调试程序，直至把应用程序编译成可在w i n d o w s 中运行的可 执行文件，并为它生成安装程序。 4 ) 结构化的程序设计语言 v b 具有丰富的数据类型和结构化的程序结构，而且简单易学。v b 有强 大的数值和字符串处理功能；丰富的图形指令，可方便地绘制各种图形；提 供静态和动态数组，有利于简化内存管理；过程可递归调用，使程序更为简 练；支持随机文件访问和顺序文件访问：提供了一个可供应用程序调用的包 含多种类型的图标库；具有完善的运行出错处理。 5 ) 强大的数据库访问功能 v b 提供了a d o 控件、d a t a 控件和r d o 控件，通过它们可以访问多种数据 库。如：m i c r o s o f ta c c e s s ，d b a s e ，v f p 等格式数据库，甚至可以访m i c r o s o f t e x c e l 等多种电子表格。 6 ) 支持动态交换、动态链接技术 通过动态数据交换，v b 开发的应用程序可以与其他w i n d o w s 应用程序之 间建立数据通信。通过动态链接库技术，在v b 程序中可方便的调用用c 语言 或汇编语言编写的函数，也可调用w i n d o w s 的应用程序接口( a p i ) 函数 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 1 2v b 的坐标系统 v b 中，每个放置对象的容器都有一个坐标系，v b 的坐标系是一个二维 的表格，由坐标原点、坐标度量单位和坐标轴方向组成。v b 的容器空间有窗 体、图片框、框架等，屏幕是放置窗体的容器。 1 ) 默认坐标系统 默认坐标系统其坐标原点在容器内部的左上角，x 轴从左到右，y 轴自上 而下，刻度单位是堤。 2 ) 自定义坐标系统 是指由用户定义，改变容器坐标系的原点位置，或改变两个坐标轴的方 向。可以通过以下两种方法自定义坐标系统。一是通过容器四个刻度属性 s c a l e l e f t ，s c a l e t o p ，s c a l e w i d t h ，s c a l e h e i g h t 自定义坐标系统。这四个属 性值可正可负其中，s c a l e l e f t ，s c a l e t o p 分别是容器内部左上角点的横 坐标和纵坐标，改变这两个属性值，可相应改变容器坐标系的原点位置。 s c a l e w i d t h 表示当前容器内部的宽度。s c a l e h e i g h t 表示当前容器内部的高 度由此可推出，容器右下角的坐标为( s c a l e l e f t + s c a l e w i d t h ，s c a l e t o p + s c a l e h e i g h t ) 。二是利用容器的刻度方法s c a l e 自定 义坐标系通过该方法设置容器左上角和右下角的坐标，可以自定义坐标系。 格式：s c a l e( x 1 ，y 1 ) 一( ( x 2 ，y z ) 其中( x l ，y 1 ) 为容器内部左上角坐标， 它们分别决定s c a l e l e f t ，s c a l e t o p 的属性值。( x 2 ，y 2 ) 为容器内部右下角 坐标。这时，s c a l e w i d t h ，s c a l e h e i g h t 的属性值分别是x 2 一x 1 ，y 2 - y 1 。 2 1 3 图片框控件和直线绘图方法简介 在v b 中，图片框控件p i c t u r e b o x 功能最强，被看作是“重量级”的绘 图控件。其最基本的功能是显示图像，包括位图文件、图标文件、游标文件、 图元文件等多种格式。通过设置p i c t u r e 属性或使用l o a d p i c t u r e 函数可以 为图片框控件加载图片。设置a u t o s i z e 属性为t r u e ，可以使图片框自动调 整大小以适应缩放图形的大小。 l i n e 方法用来划线，窗体和图片框可用此方法在内部划线。此外，常用 l i n e 方法绘制各种曲线，因为任何曲线都可以看作是由无数小线段构成的。 l i n e 方法的语句格式为：l i n e ( s t e p ( x l ，y 1 ) 一 s t e p ( x 2 ，y 2 ) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 c o l o r ，b f ) 。其中，( x 1 ，y 1 ) 和( x 2 ，y 2 ) 为一条线段的起止坐标。若省 略( x l ，y 1 ) 则表示从当前位置开始画到( x 2 ，y 2 ) ，s t e p 仍是相对意义，表 示相对于当前点的坐标。 2 1 4v b 的低层文件操作 在计算机技术中，常用“文件”这一术语来表示输入输出操作渺3 ”的对 象，它是指存放在外部介质上的数据的集合。文件的分类有很多不同的分类 标准，如果按数据的存取方式和结构分类，文件可分为顺序文件和随机文件。 顺序文件：文件中的记录一个接一个的存放。在这种文件中，当要查找某 个数据时，只能从文件头开始，一个记录一个记录的顺序查找，直到找到要 查找的记录为止。它的优点是文件组织简单，占用空间少，缺点是维护困难。 随机存取文件：在随机存取文件中，每个记录的长度是固定的，记录中每个字 段的长度也是固定的，并且每个记录都有一个记录号，根据记录号可以方便 地读取或写入记录。它的优点是存取较为灵活，速度较快，缺点是占用空间 大。 在v b 中，数据文件的操作必须按下述步骤进行：首先打开( 或建立) 文件。 一个文件必须先打开或建立后才能使用。如果一个文件己经存在，则打开该 文件：如果不存在，则建立该文件，然后进行读、写操作。在打开( 或建立) 的文件上执行所要求的输入输出操作。在文件处理中，把内存中的数据传输 到相关联的外部设备( 例如磁盘) 并作为文件存放的操作叫做写数据，而把数 据文件中的数据传输到内存程序中的操作叫做读数据，最后关闭文件。文件 读写完后，一定要关闭。文件处理一般需要以上三步。在v b 中，数据文件的 操作是通过有关的语句和函数来实现的。 2 1 5 界面设计 用户界面是应用程序的一个重要组成部分。设计应用程序时，需要考虑： 采用什么样的界面、需要多少窗体、菜单包含哪些功能、是否需要工具栏、 采用什么样的对话框等等问题，可以说应用程序的用户界面决定了应用程序 的易用性。本节介绍本系统中主要窗口的界面设计。 v i s u a l b a s i c 通过在窗体上拖曳控件的方式为创建用户界面提供了非常 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 简便的方法。窗体的设计和规划不仅影响到它本身外观的可观赏性，而且对 应用程序的可操作性也有很重要的作用。一个良好的用户界面并不是只有专 业的美术人员才能设计出来，在大多数时候，这样的界面设计都是由程序设 计人员完成，因此了解用户界