块状氧化物超导体磁浮力的测量

块状氧化物超导体磁浮力的测量

国家标准 GB/T21115一2007 块状氧化物超导体磁浮力的测量 NMeasurementforleitationforeeofbulkosidlesuperomductor 2007-10-11发布 2007-12-01实施 国家质量监督检验检疫总局 发布 国家标准化管蹬委员会国家标准
GB/T21115一2007 前 言 鉴于我国目前超导块材主要用于制作磁悬浮装置,更迫切地需要有规范的方法测量超导体的磁浮 力,因此制定本标准 与本标准有关的国际标准化组织是国际电工委员会超导技术委员会(IEC-TC90) 本标准的附录A为资料性附录 本标准由国家超导技术联合研究开发中心提出,全国超导标准化技术委员会归口 本标准负责起草单位:北京有色金属研究总院和国家超导技术联合研究开发中心 本标准参加起草单位;科学院上海微系统与信息技术研究所、科学院物理研究所、西北有 色金属研究院、科学院电工研究所 本标准主要起草人:肖玲、焦玉磊、郑明辉、张宏、刘宜平、刘国东、张翠萍、丘明 本标准为首次发布
GB/T21115一2007 块状氧化物超导体磁浮力的测量 范围 本标准规定了大晶粒块状氧化物超导体(简称块状超导体)在液氮温度(77K)附近磁浮力的测试 方法 本标准适用于测量由熔融织构生长法制备的圆柱状RE-Ba-Cu0超导体的轴向磁浮力,超导体的 直径小于或等于50mm 直径大于50mm的圆柱形超导块与其他具有规则形状(正方体、长方体,正六 棱柱等)超导块的轴向磁浮力以及非轴向磁浮力的测量也可参照本标准执行 规范性引用文件 下列文件中的条款通过在本标准中的引用而构成为本标准的条款 凡是注日期的引用文件,其随 后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准.然而,鼓励根据本标准达成协议的备 方研究是否可使用这些文件的最新版本 凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本标准 GB/T1381l一2003电工术语超导电性(IDTIEC60050-815;2000;Electroteehnicalterminolo gy一Superconductivity JJF1059一1999测量不确定度评定与表示 术语和定义 GB/T13811、JF1059确立的以及下列术语和定义适用于本部分 3.1 氧化物超导体oxide superconductor 在一定条件下呈现超导电性的包含氧作为一种基本成分的化合物超导体 注;一定条件指适当的温度、磁场强度和电流密度 [G;B/T138112003中815-02-05] 3.2 铜氧化物超导体copperoxideeuprate)superonductor 包含有铜氧面的层状结构的氧化物超导体 [GB/T138112003中815-02-08] 3.3 熔融织构生长法melt-texturelgrowthprocess 在高温下部分熔化后定向凝固,以制备出取向好的氧化物超导体的工艺 [GB/T1381l一2003中 815-05-22] 磁浮力 magneticlevitationforce 在确定温度和确定间隙下块状超导体与磁体之间产生的相互作用力,单位为牛顿(N) 根据超导 体和磁体间相互作用的历程和状态,磁浮力可以是排斥力或吸引力 取一定条件(磁场和冷却方式)和可测量到的最小距离(0.1mm)下的排斥力为样品在该条件下的 最大排斥力 取一定条件(磁场和冷却方式)下测得的吸引力的最大值为样品在该条件下的最大吸引力 neticleyiatonforeedensity 磁浮力密度 ma AR 作用在超导体端面的单位面积上的磁浮力,单位为牛顿每平方厘米(N/cm')
GB/T21115一2007 3.6 标准不确定度 standarduncertainty 以标准差表示的测量不确定度 JF10591999中2.12) 要求 磁浮力应作为块状氧化物超导体和永久磁体之间相对距离的函数来测量(参见A.l) 本方法的目标相对标准不确定度规定为同一样品在各个实验室间进行比对测量的变异系数cOV coeffieientofvariation)应等于或小于10% cOV的计算为同一样品在不同实验室的比对测量中,磁 浮力测量值的标准偏差除以平均值 由于氧化物超导体在潮湿的环境中易发生损坏,比对测试应在一 个月内完成,比对测试期间,样品应保存在干燥环境中 块状氧化物超导体是一种具有本征脆性的陶瓷材料,测试过程中超导体不应受到任何损伤 在应用本标准的测试过程中,样品温度应保持在77.3K~77.8K 本测试方法使用的冷却剂为液 氮,对于液氮的使用需遵守安全操作规范 装置 磁体 在本标准规定的测试方法中,应使用具有确定磁特性(最大磁能积BH、剩磁战，和矫顽力8)和 确定尺寸直径和高度)的圆柱状永磁体,推荐使用敏铁棚(NdFeB)永磁体(参见A.2) 磁体和超导体 的直径比Du/D应在1士3%的范围内,磁体自身的直径高度比D/hr应在1士10%的范围内(参见 A.2 测试过程中应保持磁体处于室温(25C土5C)下,由液氮引起的磁体温度下降不超过4C,磁感应 强度变化不超过1%参见A.3) 5.2改变距离 以一定速率改变磁体和超导样品之间的距离 移动速率应在0.3mm/s一2.0mm/s范围内(参见 附录A.4). 5.3低温容器 低温容器应是非磁性的,其容积应能保证在测量过程中超导样品始终浸没在液氮中 5 磁浮力测量 使用力传感器测量磁浮力 应对传感器进行有效的热绝缘.使传感器工作在规定的温度范围内 (一40C一60C). 5.5距离测量 超导样品与磁体间的相对距离用位移传感器测量,每次测量前应进行零距离校准 推荐磁体和被 测超导体有轻微接触(力传感器有大约10N输出信号)时定为零距离(参见A.5) 5 6 温度测量 温度传感器应固定在样品支撑台上,监视测量过程中样品的温度变化(参见A.6) 样品加工和样品支撑台 6 样品加工 块状超导样品的上下端面应当平整和平行 6 样品支撑台 样品支撑台应使用非磁性金属材料制作,确保在测量过程中不发生移动和形变 6 样品固定 要保证样品测试端面与磁体端面平行,两端面的夹角小于0.5根据被测样品直径计算相应的平
GB/T21115一2007 行度). 被测样品可用非磁性材料卡具和/或低温下可固化的胶固定在样品支撑台上,避免样品在测量过程 中产生位移或转动 应保持样品与磁体之间的同轴性,轴间偏离小于样品直径的3.5%参见A.7) 测试步骤 7.1测量零场冷却(简称零场冷)条件下磁浮力随距离的变化 用卡具和/或低温下可固化的胶固定样品,并保持样品测试端面与磁体端面平行 在远离磁体的情况下例如对直径30mm的样品,相对距离应大于40mm,此时磁体与超导体 间的相互作用可忽略)用液氮冷却样品 应将样品浸没在液氮中,待液氮面平静2min后进行测量 检测液氮浴的温度,应满足本标准第4章中对温度的要求 以恒定速率改变样品与磁体间的距离 测量排斥力时,距离从大到小变化;测量回滞曲线时,距 离从大变小至某个确定数值后再从小变大 7.1.5在改变磁体与样品间距离的同时,使用力传感器和位移传感器分别测量样品与磁体间的相互作 用力和相对距离 测试过程中,应保证样品始终浸没在液氮中,并监测样品温度变化 7.2测量带场冷却(简称场冷)条件下磁浮力随距离的变化 7.2.1按照7.1.1固定样品 7.2.2调整样品与磁体的相对位置,使二者间距达到设定距离后,用液氮冷却样品,待液氮面平静 2min后进行测量 7.2.3按照步骤7.1.3操作 7.2.4 以恒定速率改变样品与磁体间的距离 测量吸引力时,距离从小到大变化;测量回滞曲线时,距 离从大变小至某个确定数值后再从小变大 7.2.5按照步骤7.1.5和7.1.6操作 7.3测量零场冷条件下排斥力随时间的变化 7.3 按照步骤7.1.1、7.1.2和7.1.3操作,对样品进行固定、冷却,并检测温度 7.3.2以恒定速率从大到小改变样品与磁体间的距离至某个确定数值后,测量排斥力随时间的变化 按照步骤7.1.5和7.1.6操作 测量场冷条件下吸引力随时间的变化 7.41按照步骤7.1.1.7.2.2和7.1.3操作,对样品进行固定、冷却,并检测温度 7.4.2以恒定速率从小到大改变样品与磁体间的距离至某个确定数值后,测量吸引力随时间的变化 7.4.3按照步骤7.1.5和7.1.6操作 注:对于同一样品的重复测量,必须保证样品整体升温至其临界转变温度以上,将冻结在超导体内的磁通完全排除 后进行 不确定度 力的测量 所用力传感器在进行磁浮力测量时产生的标准不确定度应小于0.1N 8.2距离的测量 所用位移传感器在进行距离测量时产生的标准不确定度应小于0.1 mm 磁感应强度的测量 所用磁强计在进行磁感应强度测量时产生的标准不确定度应小于0.01T 温度的测量 所用测温系统在进行温度测量时产生的标准不确定度应小于0.1K
GB/T21115一2007 测试报告 9.1样品参数 a)生产厂家; 样品名称 b c 样品编号; d) 样品形状和尺寸 9.2 磁体参数 a) 磁体标识; b) 磁体形状和尺寸; c)磁体安装在测试装置上时,其表面中心的磁感应强度 9.3测试条件 样品冷却条件; a 被测样品与磁体之间的起始测量距离 b 被测样品与磁体相对距离的改变速率; c d)测量过程中样品的温度 9 磁浮力测试结果 a)磁浮力与距离的测量数据及曲线; 最大排斥力或确定距离下的排斥力; b 最大排斥力密度或确定距离下的排斥力密度; d最大吸引力需注明场冷距离) 最大吸引力密度(需注明场冷距离). e 磁浮力与时间的测量数据及曲线 f g)测试日期
GB/T21115一2007 附 录A 资料性附录 与磁浮力测试有关的信息 本附录分别以直径25mm、30mm和40mm的圆柱状超导样品为例给出与磁浮力测试有关的附加 信息 A.1磁浮力随距离变化的典型曲线 图A.1是在零场冷条件下测得的排斥力取为正值)曲线 排斥力随超导样品与磁体间距的减小 单调上升,在间距趋于零时达到最大值(本标准规定在间距为0.1mm时为最大值) 图A.2是在样品与磁体间距为5mm的场冷条件下测得的吸引力(取为负值)曲线 吸引力随间 距的增大而增加,达到最大值后逐渐减小 10 200 零场冷样品;直径40mm,厚度17mm 场冷 样品;直径40mm,厚度17mmm 做体直径40m，厚度40m 磁体;直径40mm,厚度40mm 150 表面做这应强度0.55T 表面做感应强度0.55T Z 100 S 一10 50 -20 30L 省 o 230 40 50 d/mm d/mm 图A.1排斥力与距离的关系 图A.2吸引力与距离的关系 图A.3是在零场条件下测得的磁浮力的回滞曲线 减小间距时的磁浮力为排斥力,增加间距时的 磁浮力为排斥力与吸引力的合力 200 零场冷样品直径40mm,厚度17mm 磁体;直径40mm，厚度40mm 150 表面做5应强度0.55T 100 50 30 d/mm 图A.3磁浮力的回滞曲线 磁浮力与磁体参数的关系 图A.4是样品最大排斥力与磁体端面磁感应强度的关系曲线(其中圆点为实验数据,实线是二次 曲线拟合的结果) 由图可见,最大排斥力随磁体端面磁感应强度的增加大致成平方关系增大 因此 在给出超导材料磁浮力测量结果的同时,应给出测试用磁体的表面磁感应强度 使用具有相同磁感应 强度的磁体测量的结果才有可比性 当所用磁体的磁感应强度不同时,应将测量结果换算到相同磁感 应强度所对应的数值再进行比较
GB/T21115一2007 10o F3.8+210 8o 6o 0 样品;直径25mm， 厚度14mm 20 做体;直径25mm, 厚度25mm 0.2 0.6 0.8 图A.4最大排斥力与磁体表面磁感应强度的关系 给定材质的磁体,其表面磁感应强度与磁体的径高比有关 当磁体的径高比D/hm在1士10% 的范围内时,测得最大排斥力和吸引力相对于Du/h=1时的变化分别不超过士1.5%和士2.7% 使用直径不同的一组磁体(径高比均为1),测量了同一个超导样品 当磁体与样品直径比Dpw/D在 1士3%的范围内时,测得最大排斥力和吸引力相对于D/D.=1时的变化分别不超过士2.5%和 士4.7% A.3测试过程中磁体的温度变化 根据图A.5所示NdFeB材料磁化强度的测量结果,在室温下,温度T降低10K,磁化强度M约增 加0.8% 在磁浮力测试过程中,测得磁体温度下降了3.4C 磁体温度改变对磁浮力测量结果的影响 可以忽略 8.5 8.0 7.5 被测样品:NdFeB 样品尺寸;2mm×2mm×4mm 7.0 测试没备PPMS-9 6.5 00 200 300 T/K 图A.5NdrFeB磁体的磁化强度NM随温度I的变化 排斥力与磁体移动速率的关系 A 4 s2.0mm/ 移动速率在0.3 /s范围内变化时,测得最大排斥力和吸引力的变化均小于2.7% mm/s一 A.5零距离校准方法 为保证测量结果的重复性,推荐使用下述零距离校准方法 在室温条件下移动永久磁体或超导样 品,当两者之间有轻微接触(力传感器显示大约10N输出信号)时,令位移传感器的输出为零 A.6测试过程中样品的温度变化 在磁浮力测量过程中,测得样品的温度变化小于0.3K 样品与磁体轴线偏离对排斥力的影响 测得样品的最大排斥力和吸引力随样品和磁体轴线偏离程度的增加近似线性下降 当轴间偏离程
GB/T21115一2007 度小于样品直径的3.5%时,对最大排斥力和吸引力的影响分别小于4.0%和3.5% A.8排斥力随时间的衰减 在5mm距离下停留1h测量的排斥力与时间的关系见图A.6,排斥力随时间呈对数衰减图中圆 点为实验数据,实线为对数拟合的结果. 1.1 1.0 0.9 0.8 样品YBCo(直径30mm,厚度18mm) 8 融铁NFeB(.55T,直轻30mm,厚度30mm 0.7 间麻5mmn 0.6温度77K 0.5 0o iO00 图A.6排斥力随时间的衰减 A.9循环比对实验结果 本标准工作组于2005年7月至8月组织了一次有4个单位参加的磁浮力测量的串联循环比对实 验 5个圆柱状YBaCuO样品依次传递给每个参加比对测试的实验室,所有样品均要求测量排斥力,其 中3个样品要求测量吸引力 规定每个样品测量4次,测试用磁体(NdFeB)也和样品一起传递 这次 比对测试,共获得排斥力数据10组,每组17个,吸引力数据3组,每组17个 其中排斥力测量数据中 两组数据由于样品损伤导致性能下降幅度较大,被视为无效 根据有效的11组187个数据的汇总,得 到表示每组测试数据再现性的变异系数COV中最大的为4.6% 由于这次比对测试没有将对测试数据影响较大的磁体的变化因素包含在内,2005年12月由同一 单位的4名测试者又进行了两次小范围的比对测试 其中一次改变磁体尺寸,获得1组13个数据， cOV为4.9% 另一次使用尺寸在本标准规定范围内的磁体,获得3组30个数据,cOV中最大的为 1.5% o？ 根据几次循环比对实验的结果并考虑到本附录中其他因素对测试结果的影响,按照本标准规定的 方法进行磁浮力测量,其测量值可以达到10%的目标相对标准不确定度的要求