磁顯微測(cè)量超導(dǎo)帶材表面電流密度分布

李園園， 丁 然， 王三勝， 任道遠(yuǎn)， 李 方， 楊吉成， 霍可佳， 李 天

(1. 北京航空航天大學(xué) 微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100191；2. 北京航空航天大學(xué) 航天器磁學(xué)與超導(dǎo)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 北京 100191；3. 山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250061)

磁顯微測(cè)量超導(dǎo)帶材表面電流密度分布

李園園1,2， 丁 然3， 王三勝1,2， 任道遠(yuǎn)1,2， 李 方1,2， 楊吉成1,2， 霍可佳1,2， 李 天1,2

(1. 北京航空航天大學(xué) 微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100191；2. 北京航空航天大學(xué) 航天器磁學(xué)與超導(dǎo)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 北京 100191；3. 山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250061)

基于缺陷周圍磁場(chǎng)異常變化的檢測(cè)原理， 通過磁場(chǎng)檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)控制的結(jié)合， 建立了基于霍爾傳感器和三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的缺陷區(qū)域檢查和定位系統(tǒng). 利用該系統(tǒng)對(duì)浸泡在液氮中的超導(dǎo)帶材BI2121(長(zhǎng)5 cm寬1 cm)進(jìn)行磁顯微測(cè)量， 可以觀察超導(dǎo)帶材自場(chǎng)分布. 根據(jù)畢奧薩伐爾定律， 磁場(chǎng)值經(jīng)過二維傅里葉逆運(yùn)算確定電流密度分布， 觀察電流密度異常分布推斷出被測(cè)樣品缺陷的位置和大小. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明霍爾探頭掃描顯微鏡是一個(gè)診斷超導(dǎo)體特性有用的工具， 為無損檢測(cè)技術(shù)提供一種快速簡(jiǎn)便的方法.

超導(dǎo)帶材； 磁顯微測(cè)量； 磁場(chǎng)分布； 電流密度； 無損檢測(cè)

0 引 言

伴隨著超導(dǎo)技術(shù)的蓬勃發(fā)展， 超導(dǎo)材料的應(yīng)用也越來越廣泛. 對(duì)超導(dǎo)材料的檢測(cè)也成為了超導(dǎo)技術(shù)研究的關(guān)鍵之一. 由于材料缺陷的存在， 會(huì)使超導(dǎo)的性能大大下降甚至消失， 所以對(duì)超導(dǎo)材料中阻礙電流流動(dòng)缺陷的研究尤為重要. 為了制備出較長(zhǎng)的高溫超導(dǎo)材料， 且具有盡可能大而規(guī)則的臨界電流分布， 需要找到一種快速、 無損的檢測(cè)超導(dǎo)材料質(zhì)量的方法. 有兩種方法可以測(cè)量超導(dǎo)帶材中的電流分布情況， 分別是接觸和非接觸式的測(cè)量方法.

接觸式測(cè)量方法是直流電輸運(yùn)4探針測(cè)量法， 即4個(gè)探針與超導(dǎo)材料相接觸. 這種測(cè)量方式會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)材料局部遭到‘損壞’， 與非接觸式測(cè)量方法相比測(cè)量速度較慢. 很多種測(cè)量方法都可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量： ① 磁光成像[1-3]， 使用一個(gè)法拉第薄膜可視化磁通密度的值. 薄膜根據(jù)磁通量密度垂直分量值來改變光的偏振. 這種測(cè)量方法非?？?， 它提供了一個(gè)良好的空間分辨率,但獲得磁場(chǎng)值不是很準(zhǔn)確， 從而影響了超導(dǎo)電流的準(zhǔn)確計(jì)算. ② 掃描霍爾探頭測(cè)量法[4-8]， 由一個(gè)固定在移動(dòng)平臺(tái)上的單霍爾傳感器或者平面梯度傳感器組成， 樣品可以被一個(gè)外部磁場(chǎng)源 (永久磁鐵或電磁鐵) 磁化. 這種方法提供了一個(gè)良好的空間分辨率和高精度磁通密度值， 但測(cè)量速度沒有磁光成像快. ③ 霍爾探頭陣列測(cè)量法[9-11]， 由幾個(gè)霍爾效應(yīng)探測(cè)器組裝而成， 可以同時(shí)在幾個(gè)點(diǎn)上測(cè)量磁場(chǎng). 這種技術(shù)測(cè)量速度是非?？斓?但空間分辨率非常低,因?yàn)楦鱾€(gè)傳感器之間距離約0.6 mm. ④ 磁掃描測(cè)量法[12-14]， 除磁鐵是固定在霍爾傳感器的正上方之外， 它類似于霍爾探頭掃描測(cè)量法. 磁鐵作用是磁化樣品. 它的優(yōu)勢(shì)是與以前的方法相比使用磁鐵更小. 然而,磁鐵隨著霍爾傳感器一起移動(dòng)， 會(huì)導(dǎo)致樣品磁通量密度值的波動(dòng). ⑤ 掃描超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)顯微鏡(SSM)測(cè)量法， 由于其具備磁場(chǎng)測(cè)量的高靈敏度和高空間分辨率， 是用于觀察超導(dǎo)電流分布及缺陷最有效的系統(tǒng). 使用SSM系統(tǒng)， 已經(jīng)觀察到RE123微橋樣品中電流流動(dòng)和研究了缺陷對(duì)電流的影響[15-17]. 然而， 由于SQUID傳感器的磁化飽和， 測(cè)量施加高的輸運(yùn)電流(幾十到幾百安培)的涂層導(dǎo)體自場(chǎng)分布是很困難的.

綜合以上考慮， 我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于霍爾探頭掃描法來研究和觀察超導(dǎo)帶材Bi2212表面電流密度分布的實(shí)驗(yàn)裝置， 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種可以從宏觀微觀兩方面觀察超導(dǎo)帶材表面電流分布的顯微裝置， 正在進(jìn)行中. 目前的設(shè)備基于缺陷周圍磁場(chǎng)異常變化的檢測(cè)原理， 通過磁場(chǎng)檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)控制的結(jié)合， 建立了基于霍爾傳感器和三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的缺陷區(qū)域檢查和定位系統(tǒng). 在滿足速度和精度后， 可精確地測(cè)量超導(dǎo)電流密度值. 實(shí)驗(yàn)中首先將超導(dǎo)帶材浸泡在液氮中冷卻， 充分冷卻后通過恒流源給超導(dǎo)帶材通入恒定電流， 使其產(chǎn)生自發(fā)磁場(chǎng)， 通過測(cè)量自發(fā)磁場(chǎng)值， 經(jīng)過二維傅里葉逆運(yùn)算計(jì)算確定電流密度值， 通過連續(xù)掃描觀察到產(chǎn)生電流缺陷的位置和大小.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

基于霍爾探頭掃描法系統(tǒng)主要由三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、 霍爾傳感器以及數(shù)據(jù)采集與儲(chǔ)存3個(gè)部分組成. 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示， 實(shí)物示意圖如圖 2 所示.

圖 1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Test system structure

圖 2 霍爾探頭掃描法實(shí)物示意圖Fig.2 Schematic diagram of hall probe scanning method

1.1 三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)掃查裝置由5部分組成： 上位機(jī)(計(jì)算機(jī))、 下位機(jī)(單片機(jī)系統(tǒng))、 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)、 機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置及試樣平臺(tái). 由計(jì)算機(jī)發(fā)送控制指令至單片機(jī)(步進(jìn)電機(jī)控制器)， 單片機(jī)發(fā)送控制脈沖至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)， 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過齒輪帶轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)試樣平臺(tái)完成指定動(dòng)作.XYZ3軸單軸的重復(fù)定位精度為5 μm， 3個(gè)軸組合后的重復(fù)定位精度可以達(dá)到20 μm. 上位機(jī)的主界面主要負(fù)責(zé)完成與步進(jìn)電機(jī)控制器的通訊、 控制指令的發(fā)送、 一些運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、 運(yùn)動(dòng)方式的選擇、 數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送等.

1.2 掃描霍爾傳感器

圖 3 霍爾效應(yīng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of hall effect

霍爾效應(yīng)原理： 在均勻磁場(chǎng)中放入一塊板狀金屬導(dǎo)體， 當(dāng)在金屬板通電流時(shí)， 金屬板上下表面之間會(huì)出現(xiàn)橫向電勢(shì)差， 如圖 3 所示. 具有霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元件， 霍爾式傳感器由霍爾元件組成. 測(cè)量時(shí)， 霍爾元件的3個(gè)引腳分別接到電源、 地和輸出端的電壓表， 通電后將霍爾探頭放入被測(cè)磁場(chǎng)中讓磁力線垂直于霍爾探頭表面， 讀出電壓表的數(shù)值， 即可以從校準(zhǔn)曲線上查得相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值. 使用前， 一定先讓器件在通電的狀態(tài)下保持一段時(shí)間， 使之達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài).

超導(dǎo)帶材必須平行固定在樣品臺(tái)上， 將超導(dǎo)帶材完全浸泡在液氮中， 使其充分冷卻， 帶材兩端有觸點(diǎn)， 通過觸點(diǎn)接入恒流源， 從而使載流帶材產(chǎn)生磁場(chǎng). 霍爾探頭固定在三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上， 通過調(diào)節(jié)X，Y，Z軸， 使霍爾探頭接近待測(cè)超導(dǎo)帶材上并與之垂直. 為了減少誤差， 應(yīng)用差分法， 使用兩個(gè)探頭組成平面梯度， 一個(gè)位于三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下方來測(cè)量樣品和外界的磁場(chǎng)， 另一個(gè)位于上方來測(cè)量外界磁場(chǎng).

1.3 數(shù)據(jù)采集和儲(chǔ)存

圖 4 MPS-010601數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)物圖Fig.4 Physical map of MPS-010601 data acquisition card

在定量無損檢測(cè)領(lǐng)域， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是必不可少的. 在整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換、 數(shù)據(jù)的分析處理、 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等工作. 為實(shí)現(xiàn)對(duì)霍爾探頭輸出信號(hào)的采集、 處理， 設(shè)計(jì)了一種基于MPS-010601數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 如圖 4 所示， 在數(shù)據(jù)采集卡的前端加入了由AD620組成的差分放大電路. 為了消除霍爾探頭在0磁場(chǎng)下輸出的偏置電壓， 用兩個(gè)霍爾探頭的輸出作為差分輸入信號(hào)的兩個(gè)輸入端.

數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)是由上位機(jī)控制界面控制的， 在控制位移平臺(tái)移動(dòng)之前， 把相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置好， 選是否采樣的選項(xiàng)， 打開串口， 點(diǎn)擊開始按鈕， 在位移平臺(tái)開始按照運(yùn)動(dòng)指令運(yùn)動(dòng)的同時(shí)， 將會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣. 采樣的方式是： 采集位移平臺(tái)所走點(diǎn)陣中的每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù). 在位移平臺(tái)運(yùn)動(dòng)結(jié)束后， 點(diǎn)擊保存數(shù)據(jù)， 選擇合適的保存路徑， 數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存為一個(gè)TXT文檔. 然后根據(jù)自己的需要處理所保存的數(shù)據(jù)即可. 數(shù)據(jù)處理應(yīng)用多次測(cè)量取平均值方法， 每掃描一個(gè)點(diǎn)采集10個(gè)值， 然后求平均值.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1) 應(yīng)用上述方法， 對(duì)一個(gè)直徑為3.0 cm的圓柱磁鐵上方的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量， 證明我們測(cè)試系統(tǒng)的有效與可行性. 為了得到整體磁場(chǎng)分布， 測(cè)量范圍為5×5 cm2， 樣品與探頭之間距離為1.0 mm. 單步運(yùn)行步長(zhǎng)為0.5 mm， 所以x軸和y軸上分別采集100個(gè)點(diǎn)， 即組成100×100的點(diǎn)陣掃描. 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 畫出磁場(chǎng)三維偽云圖， 如圖 6 所示. 磁場(chǎng)最強(qiáng)的區(qū)域是圓柱上表面磁鐵的輪廓， 該圖已清楚看到圓柱所在位置. 圓柱周圍磁場(chǎng)逐漸減弱， 且具有很好的連續(xù)性. 有力證明了實(shí)驗(yàn)方法的正確性.

圖 5 測(cè)量方法的表示Fig.5 Representation of the measurement method

圖 6 圓柱形磁鐵磁場(chǎng)分布圖Fig.6 Magnetic field distribution of cylindrical magnet

圖 7 (a)從帶材表面中觀察到的自場(chǎng)分布， (b)理論計(jì)算仿真出的磁場(chǎng)分布. (c)由(a)二維傅里葉逆運(yùn)算得到的電流分布圖Fig.7 (a) the distribution of the self field observed from the surface of the strip; (b) the theoretical calculation of the magnetic field distribution; (c) by the (a) two-dimensional Fourier inversion of the current distribution

2) 用霍爾探針掃描法對(duì)BI2121超導(dǎo)帶材(長(zhǎng)5 cm寬1 cm)進(jìn)行測(cè)量. 超導(dǎo)帶材浸泡在液氮中， 充分冷卻后通入60 A的恒定直流電流， 霍爾傳感器盡可能接近超導(dǎo)帶材， 在x軸與y軸上， 等間距分別取100個(gè)點(diǎn)， 測(cè)量帶材磁通量密度Bz分量，Bz三維偽云圖如圖 7(a) 所示， 不同顏色代表不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度. 根據(jù)畢奧薩伐爾定律， 帶材兩側(cè)距離相等處， 磁場(chǎng)大小相等而方向相反. 盡管在縱向方向掃描步長(zhǎng)是0.5 mm, 一個(gè)非均勻場(chǎng)分布和兩個(gè)磁場(chǎng)滲透可以觀察到. 由于外界周圍磁場(chǎng)干擾的存在， 磁場(chǎng)分布有些許的波動(dòng)， 不是絕對(duì)的平滑. 我們進(jìn)行了理論計(jì)算， 并畫出相應(yīng)的理論計(jì)算模型， 如圖 7(b) 所示， 理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致. 因?yàn)槌瑢?dǎo)電流密度是關(guān)于超導(dǎo)帶材磁通量密度的函數(shù)， 應(yīng)用傅里葉逆運(yùn)算計(jì)算電流密度的分布， 如圖7(c)所示. 獲得了不同位置處具有高空間分辨率的電流密度強(qiáng)度分布圖. 從圖7(c)所示的電流分布圖中， 可以確定電流的分布， 單位為A/cm. 不同區(qū)域之間， 電流互相滲透. 電流較均勻地分布在超導(dǎo)帶材的所有區(qū)域.

3) 人為在超導(dǎo)帶材中制造一些缺陷， 實(shí)物如圖8(a)所示， 黑色三角形區(qū)域?yàn)閹Р牡娜毕莶糠? 對(duì)有缺陷的超導(dǎo)帶材進(jìn)行測(cè)量， 電流密度分布如圖8(b)所示， 單位為A/m. 電流密度的強(qiáng)度用彩色云圖實(shí)現(xiàn)可視化. 呈三角形狀的區(qū)域表明沒有電流值， 因此,電流流動(dòng)受到某種缺陷的干擾， 此外,電流密度的云圖表示的紅色區(qū)域是高于平均水平值的， 因?yàn)槿切螀^(qū)域缺陷的存在， 帶材中可以使電流流動(dòng)的有效面積減少， 而施加的電流大小不變， 所以電流密度會(huì)變大. 這些結(jié)果表明,使用霍爾探針掃描法可以直觀確定缺陷的位置， 大小和形狀.

圖 8 (a)圖表示有缺陷的超導(dǎo)帶材實(shí)物圖， (b)有缺陷的超導(dǎo)體電流密度分布圖 Fig.8 (a) shows the defective superconducting strip material, (b) the current density distribution of the defective superconductor

3 結(jié) 語

通過磁場(chǎng)檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)控制的結(jié)合， 建立了基于霍爾傳感器和三維機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的缺陷區(qū)域檢查系統(tǒng)， 對(duì)浸泡在液氮中的超導(dǎo)帶材Bi2212(長(zhǎng)5 cm寬1 cm)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量， 可以觀察超導(dǎo)帶材自場(chǎng)分布和電流分布， 通過連續(xù)掃描也可以觀察到帶材缺陷的位置和大小. 這些結(jié)果表明霍爾探頭掃描顯微鏡是一個(gè)診斷超導(dǎo)體特性有用的工具.

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Measurement of Surface Current Density Distribution in Superconducting Tapes by Magnetic Microscopy

LI Yuanyuan1,2, DING Ran3, WANG Sansheng1,2, REN Daoyuan1,2, LI Fang1,2, YANG Jicheng1,2, HUO Kejia1,2, LI Tian1,2

(1. Beihang University Key Laboratory of Micro-nano Measurement, Manipulation and Physics,Ministry of Education, Beijing 100191, China；2. Beihang University Joint Laboratory Magnetism and Superconducting Technology on Spacecraft, Beijing 100191, China；3. Shandong University School of Control Science and Engineering, Jinan 250061, China)

Based on the detection principle of variations magnetic field around defects, the detection and location system using hall sensor and 3D mechanical motion platform is established through the combination of magnetic field detection and motion control. The system was used to measure the magnetic field of BI2121 (long is 5cm wide is 1cm) immersed in liquid nitrogen. Therefore the self-fields distribution of superconducting tapes can be observed. According to Biot-Savart law, current density distribution is determined by two-dimensional Fourier inverse operation. Therefore, observing the abnormal distribution of the current density can determine the location and size of the defects in the samples. The experimental results show that the hall probe scanning microscope is a useful tool to diagnose superconductor characteristics. It provides a fast and simple method for nondestructive testing.

superconducting tape; magnetic microscopy measurement; field distribution; current density; nondestructive testing

1671-7449(2017)03-0254-06

2017-01-20

國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局資助項(xiàng)目 (JSJC2013601****)

李園園(1992-)， 女， 碩士生， 主要從事磁場(chǎng)測(cè)量與無損檢測(cè)技術(shù)等研究.

o514.2

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.03.012