高温超导薄膜临界电流密度检测装置及方法

本申请涉及高温超导领域，特别是涉及一种高温超导薄膜临界电流密度检测装置及方法。

背景技术：

1、高温超导薄膜由于其独特的物理特性和在微小尺寸下的优越性能，在电力传输、磁悬浮、电子通信以及医疗等多个领域中展现出广阔的应用前景。作为超导材料基本特性之一，临界电流密度决定了超导器件工作特性的稳定性和功率负载能力，快速、精确、高分辨且无损的临界电流密度评价手段对于高温超导薄膜的成功应用极为重要。

2、目前测量临界电流密度的方法主要有两种：四端子法和电感法。向高温超导薄膜施加电流的四端子方法在测量结果中非常可靠。但是，由于需要施加大于试样临界电流的电流，因此当高温超导薄膜的临界电流密度较大时，如果没有能够输出大电流的电源，则很难进行测量。同时，这种方法对于超导材料是损伤性的，尤其是刻蚀过程会对超导材料特性产生一定影响，电极的制备流程也很复杂，使用大电流测量还可能存在烧坏待测高温超导薄膜的危险。

3、电磁感应法通过测量三次谐波电压评估临界电流密度，这种方法允许对高温超导薄膜进行非接触式测量，从而避免因加热而损坏试样或降低临界电流特性。该方法允许通过测量当小交流磁场叠加在直流磁场上并联施加时，高温超导薄膜中的交流穿透通量值来更详细地评估电磁特性，然而使用基于三次谐波测量的电磁感应法来检测临界电流密度目前普遍面临的问题有：①线圈体积过大，导致系统空间分辨率较大，难以满足高温超导薄膜微小区域检测需求；②系统采用线圈检测三次谐波电压，容易受到外部因素（如磁场、温度、线圈激励电流的频率等）的影响，导致检测结果的不确定性。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种高温超导薄膜临界电流密度检测装置及方法。

2、第一方面，本申请实施例提出一种高温超导薄膜临界电流密度检测装置，包括沿微波传播的方向上依次设置的矢量网络分析仪、波导、线圈单元、低温样品台，还包括与所述矢量网络分析仪通信连接的数据采集分析系统，待测高温超导薄膜置于所述低温样品台；其中，

3、所述矢量网络分析仪用于产生连续的微波，经过所述波导和所述线圈单元，垂直聚焦在处于待测高温超导薄膜的表面，反射的微波原路返回经所述波导至所述矢量网络分析仪；所述矢量网络分析仪探测微波的反射系数，并传输至数据采集分析系统；

4、所述线圈单元用于根据不同的电流产生交变磁场，激励所述待测高温超导薄膜的内部产生超导电流，以使所述待测高温超导薄膜由超导状态转变至非超导状态；

5、所述数据采集分析系统基于不同电流下的所述反射系数，检测所述待测高温超导薄膜处于临界状态的临界电流密度。

6、在一些实施例中，所述数据采集分析系统根据不同电流下的所述反射系数，生成反射系数与电流的关系曲线，对所述关系曲线拟合得到临界电流，并基于所述临界电流计算得到所述临界电流密度。

7、在一些实施例中，所述数据采集分析系统包括通信连接的数据采集卡和智能终端，所述数据采集卡与所述矢量网络分析仪通信连接，用于采集不同电流下的所述反射系数，所述智能终端用于根据不同电流下的所述反射系数，计算得到所述临界电流密度。

8、在一些实施例中，所述线圈单元包括呈梯形圆柱且内径由上往下逐渐减小的线圈支架以及绕设于所述线圈支架的多匝线圈，所述线圈支架为中空，所述多匝线圈的下表面设有通光孔，所述线圈单元通电后形成由上至下的磁场。

9、在一些实施例中，所述线圈支架的高度为5mm，上表面直径为4mm，下表面直径为2mm，所述线圈的匝数为500匝。

10、在一些实施例中，还包括设于低温样品台下方的位移台，用于调节所述待测高温超导薄膜的位置，将所述微波聚焦在所述待测高温超导薄膜的表面。

11、在一些实施例中，还包括真空室，所述待测高温超导薄膜、所述低温样品台、所述位移台设于所述真空室内。

12、在一些实施例中，还包括与所述低温样品台通过液氮循环管道连接的液氮泵，用于控制所述低温样品台的温度。

13、在一些实施例中，还包括与所述线圈单元连接的电流源表，用于提供不同的电流。

14、第二方面，本申请实施例提出一种高温超导薄膜临界电流密度检测装置的启动控制方法，应用于如第一方面所述的高温超导薄膜临界电流密度检测装置，所述方法包括：

15、控制矢量网络分析仪产生微波，通过所述位移台调节待测高温超导薄膜的位置，使所述微波聚焦在待测高温超导薄膜表面；

16、控制低温样品台，使其温度保持在所述待测高温超导薄膜的临界温度以下某一值；控制真空腔内的真空度处于10-4pa以下；

17、控制电流源表给线圈单元提供不同的电流，使其产生交变磁场，激励所述待测高温超导薄膜的内部产生超导电流，以使所述待测高温超导薄膜由超导状态转变至非超导状态；

18、控制所述矢量网络分析仪探测微波的反射系数，并传输至数据采集分析系统；

19、控制数据采集分析系统基于不同电流下的所述反射系数，检测所述待测高温超导薄膜处于临界状态的临界电流密度。

20、本申请具有以下技术效果：通过线圈单元用于根据不同的电流产生交变磁场，激励所述待测高温超导薄膜的内部产生超导电流，以使所述待测高温超导薄膜由超导状态转变至非超导状态，通过矢量网络分析仪探测微波的反射系数来监控高温超导薄膜的临界状态的变化，从而检测临界电流密度。该装置能够解决现有技术所面临的分辨率低、测量不可靠等技术问题，具有高分辨、快速检测、高灵敏度以及结果可靠等优势，且装置结构紧凑、易于操作，更易于小型化、实用化和商业化。

1.一种高温超导薄膜临界电流密度检测装置，其特征在于，包括沿微波传播的方向上依次设置的矢量网络分析仪、波导、线圈单元、低温样品台，还包括与所述矢量网络分析仪通信连接的数据采集分析系统，待测高温超导薄膜置于所述低温样品台；其中，

2.根据权利要求1所述的高温超导薄膜临界电流密度检测装置，其特征在于，所述数据采集分析系统根据不同电流下的所述反射系数，生成反射系数与电流的关系曲线，对所述关系曲线拟合得到临界电流，并基于所述临界电流计算得到所述临界电流密度。

3.根据权利要求2所述的高温超导薄膜临界电流密度检测装置，其特征在于，所述数据采集分析系统包括通信连接的数据采集卡和智能终端，所述数据采集卡与所述矢量网络分析仪通信连接，用于采集不同电流下的所述反射系数，所述智能终端用于根据不同电流下的所述反射系数，计算得到所述临界电流密度。

4.根据权利要求1所述的高温超导薄膜临界电流密度检测装置，其特征在于，所述线圈单元包括呈梯形圆柱且内径由上往下逐渐减小的线圈支架以及绕设于所述线圈支架的多匝线圈，所述线圈支架为中空，所述多匝线圈的下表面设有通光孔，所述线圈单元通电后形成由上至下的磁场。

5.根据权利要求4所述的高温超导薄膜临界电流密度检测装置，其特征在于，所述线圈支架的高度为5mm，上表面直径为4mm，下表面直径为2mm，所述线圈的匝数为500匝。

6.根据权利要求1所述的高温超导薄膜临界电流密度检测装置，其特征在于，还包括设于低温样品台下方的位移台，用于调节所述待测高温超导薄膜的位置，将所述微波聚焦在所述待测高温超导薄膜的表面。

7.根据权利要求6所述的高温超导薄膜临界电流密度检测装置，其特征在于，还包括真空室，所述待测高温超导薄膜、所述低温样品台、所述位移台设于所述真空室内。

8.根据权利要求7所述的高温超导薄膜临界电流密度检测装置，其特征在于，还包括与所述低温样品台通过液氮循环管道连接的液氮泵，用于控制所述低温样品台的温度。

9.根据权利要求1所述的高温超导薄膜临界电流密度检测装置，其特征在于，还包括与所述线圈单元连接的电流源表，用于提供不同的电流。

10.一种高温超导薄膜临界电流密度检测方法，应用于如权利要求1至权利要求9任一项所述的检测装置，其特征在于，所述方法包括：