19

Физико-технический факультет

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Воронежский государственный технический

университет»

Кафедра физики твёрдого тела

К У Р С О В О Й П Р О Е К Т

по дисциплине: «Низкотемпературные устройства»

специальность «Техника и физика низких температур»

на тему:

«Акселерометры с контактным типом подвеса»

Выполнил _____ студент

Роспись

группы НТ-011

Никитин И.Ю.

Принял ________ профессор

Роспись

кафедры физики твёрдого

тела Милошенко В.Е.

_______ _______

Дата Оценка

Воронеж 2004

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по учебной дисциплине «Низкотемпературные устройства» для студента специальности 140401 «Техника и физика низких температур»

Тема: Акселерометры с контактным типом подвеса.

Исходные данные

1. Рабочая среда – вакуум;

2. Рабочая температура – 4.2 К;

3. Магнитное поле – 0.3 Тл;

4. Чувствительный элемент – ниобиевая мембрана;

5. Модуль упругости ниобия (Е*) – 110 ГПа;

6. Плотность ниобия (d) – 8400 кг/м³;

Задание получил _______ ________ ___________________

Дата Роспись Ф.И.О.

________________

ЗАМЕЧАНИЯ РУКОВОДИТЕЛЯ

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...5

1. Принцип действия акселерометров с контактным типом подвеса………….9

1.1. Акселерометр с градиентом потока………………………………………9

1.2. Акселерометр Пэйка……………………………………………………..10

1.3. Акселерометр Оэлфка……………………………………………………12

2. Разработка сверхчувствительного акселерометра………………………….13

2.1. Описание устройства……………………………………………………..14

2.2. Расчёт устройства………………………………………………………...15

2.3. Описание конструкции…………………………………………………..16

2.3.1. Технология изготовления деталей………………………………..17

Заключение……………………………………………………………………….18

Список литературы………………………………………………………………19

Приложение………………………………………………………………………20

Введение

Сверхпроводимость – одно из наиболее макроскопических квантовых явлений, возникающих при низких температурах. В 1908 впервые обнаружил явление сверхпроводимости Камерлинг- Оннес.

Явление сверхпроводимости внешне рассматривалось как снижение сопротивления до нуля, то есть как идеальная проводимость. Данное явление проходило при температуре, названной критической. Переход в сверхпроводящее (СП) состояние происходил в интервале температур, равном сотым долям градуса.

В 1933 году Мейсснер и Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводимость не укладывается в понятие идеальной проводимости. Было обнаружено, что магнитное поле выталкивается из объёма сверхпроводника независимо от того, происходит переход в СП состояние в магнитном поле или поле включается потом. Исчезновение магнитной индукции внутри массивного проводника, перешедшего в сверхпроводящее состояние (идеальный диамагнетизм), называется эффектом Мейсснера. Ток, проходящий сначала в толще металла, при переходе проводника в сверхпроводящее состояние мгновенно превращается в поверхностный. Выталкивание магнитного поля и исчезновение магнитной индукции являются наряду с нулевым сопротивлением основным свойством всех идеальных сверхпроводников. Магнитное поле равно нулю только в массе сверхпроводника и отлично от нуля в очень тонком поверхностном слое.

Эти сверхпроводники принято называть сверхпроводниками 1-го рода. К ним относятся мягкие металлы, такие, например, как олово, свинец, индий.

В 1957 году Бардин, Купер и Шриффер (БКШ) разработали микроскопическую теорию сверхпроводимости. В 1956 году установил, что при определённых условиях в результате взаимодействия свободных электронов с фононами (квантами звука) кристаллической решётки проводника могут возникать связанные состояния электронов – куперовские пары (сверхпроводящие электроны). В результате этого взаимодействия возникает флуктуация положительного ионного заряда решётки, осуществляющая экранировку электрического поля электрона. Флуктуация положительного заряда может быть столь значительна, что с избытком компенсирует кулоновское поле электронов, то есть «подавляет» их кулоновское отталкивание, и приводит к притяжению электронов, то есть к образованию куперовских пар. При образовании пар Купера происходит выделение свободных электронов в состояние, характеризующееся большой упорядоченностью. На концепции куперовских пар и основана теория БКШ.

В начале 60-х годов 20 века /6/ был открыт ряд сплавов и соединений, сохранявших СП состояние в сильных (порядка 10 Тл) магнитных полях при высоких значениях тока, протекающего по сверхпроводнику. Данные материалы называют сверхпроводниками 2-го рода. У них при переходе в нормальное состояние сопротивление увеличивается монотонно в широком интервале значений напряжённости внешнего магнитного поля, которое проникает в материал постепенно. Проникновение внешнего магнитного поля в объём сверхпроводника 2-го рода происходит путём проникновения отдельных флуксоидов. При этом сверхпроводник оказывается пронизанным микроскопическими областями цилиндрической формы, внутри которых вещество находится в нормальном состоянии. Эти области называются вихревыми нитями. Чем больше внешнее магнитное поле, тем выше плотность вихревых нитей, то есть тем большая доля сечения сверхпроводника оказывается занятой нормальной фазой.

Необходимо отметить, что идеальные сверхпроводники с положительной поверхностной энергией принято называть сверхпроводниками 1-го рода, а идеальные сверхпроводники с отрицательной поверхностной энергией – сверхпроводниками 2-го рода. Для сверхпроводников 1-го рода увеличение поверхности раздела между сверхпроводящей и нормальной фазами привело бы к росту свободной энергии системы, что в самопроизвольном процессе невозможно. Свободная энергия системы достигает минимума в том случае, когда площадь поверхности раздела принимает наименьшее возможное значение. Следовательно, для этих сверхпроводников стабильным является состояние с минимальной поверхностью раздела фаз и, таким образом, проникновение нормальных зон в сверхпроводящую область невозможно. Для сверхпроводников 2-го рода с увеличением поверхности раздела между сверхпроводящей и нормальной фазами уменьшается свободная энергия системы. Таким образом, у данных сверхпроводников стабильным является состояние с развитой поверхностью раздела фаз, то есть нормальными зонами, «вкрапленными» в сверхпроводящую область.

Сверхпроводники 2-го рода можно разделить на идеальные и неидеальные.

Рисунок 1 – В-Т диаграмма сверхпроводника 2-го рода.

В – индукция; Т – температура ; S – сверхпроводящая фаза; N – нормальная фаза.

При наличии тока переноса и при В>В₁ магнитное поле внутри идеального сверхпроводника 2-го рода, носителем которых являются вихревые нити, является движущимся. Это движение магнитного поля приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС). В результате выделяется джоулева теплота, температура может возрасти выше критической для данного поля, а сверхпроводник – перейти в нормальное состояние при полях значительно меньших, чем В₂ . Таким образом, идеальные сверхпроводники не пригодны для переноса сколь-угодно значительных токов. Следовательно, сверхпроводники этих типов не могут быть использованы для создания сильноточных сверхпроводящих конструкций.

Особым классом сверхпроводников являются неидеальные сверхпроводники 2-го рода, иногда называемые жёсткими сверхпроводниками 2-го рода. Они подобны идеальным сверхпроводникам 2-го рода с той точки зрения, что при индукции В>В₁ находятся в смешанном состоянии, при В>В₂ и при отсутствии тока переноса переходят в нормальное состояние. Отличительной особенностью неидеальных сверхпроводников 2-го рода является наличие у них дефектов и неоднородностей кристаллической структуры, в связи, с чем в сверхпроводниках этого типа действует механизм, препятствующий свободному движению вихревых нитей.

Важнейшей особенностью неидеальных сверхпроводников 2-го рода, открывшей широкие перспективы их использования в сильноточных СП устройствах, является их способность выдерживать значительные токи переноса.

К числу идеальных сверхпроводников 2-го рода относится ряд сплавов (например, Pb – Te и Pb – In определённого состава).

Наиболее важными неидеальными сверхпроводниками 2-го рода считаются Nb₃Sn, V₃Ga и сплавы Nb – Zr и Nb - Ti определённого состава.

В настоящее время сверхпроводимостью обладают более 20 чистых элементов – металлов и свыше 20000 сплавов и соединений. Критическая температура сверхпроводимости для разных материалов находится в пределах от 0.01 К до 22 К. Одним из распространённых СП материалов 2- го рода является ниобий (Nb), у которого Т_кр = 9.2 К.

Открытие сверхпроводников 2-го рода явилось революцией в деле практического использования сверхпроводимости. С начала 60-х годов началось бурное развитие научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по внедрению сверхпроводящих устройств в технику. Большое число лабораторий в экономически развитых странах сосредоточило свои усилия на этих работах.

В 80-х годах очевидны несомненные перспективы использования СП устройств в различных областях техники (энергетика и электротехника, техника физического эксперимента, космическая техника, радиотехника, вычислительная техника и др.). Перспективные направления технического использования сверхпроводимости можно сгруппировать следующим образом:

- СП магнитные системы различного назначения;

- СП электрогенераторы и электродвигатели;

- СП накопители энергии, токоограничители, криотронные

преобразователи энергии;

- СП линии электропередач;

- транспорт с магнитной подвеской на сверхпроводниках;

- СП резонаторы и элементы высокочастотных схем;

- СП логические и запоминающие элементы;

- измерительные приборы и эталоны на сверхпроводниках;

- СП гироскопы и акселерометры, СП подшипники без трения.

В курсовой работе необходимо рассмотреть акселерометры.

Акселерометр – это прибор, предназначенный для измерения ускорения подвижных тел. Этот прибор характеризуется чувствительностью, то есть минимально разрешимым сигналом, долговременной стабильностью. Ось чувствительности этого прибора, как правило, направлена горизонтально.

Акселерометры бывают двух типов:

- акселерометры с контактным типом подвеса;

- акселерометры с бесконтактным типом подвеса.

Типы акселерометров отличаются конструкциями чувствительных элементов (ЧЭ). У акселерометров с контактным типом подвеса ЧЭ являются мембрана, балка, а у акселерометров с бесконтактным типом подвеса – шпуля, сфера.

Чувствительный элемент – элемент, который воспринимает измеряемый (полезный) сигнал.

Данные типы акселерометров схожи тем, что они работают при температуре 4.2 К в вакууме. В данных условиях находится и ЧЭ.

Для измерения полезного согнала, его нужно преобразовать в электрический сигнал с помощью преобразователя (см. рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема любого гравитационного прибора.

1. Принцип действия акселерометров с контактным типом подвеса

Существуют следующие схемы сверхпроводящих акселерометров с контактным типом подвеса:

- акселерометр с градиентом потока;

- акселерометр с настраиваемой мембраной

(акселерометр Пэйка);

- сверхчувствительный акселерометр (акселерометр Оэлфка).

1.1. Акселерометр с градиентом потока

Акселерометр с градиентом потока /3/ содержит следующие основные компоненты:

- два цилиндрических магнита;

- маятник;

- контейнер.

Рисунок 3 – Схема акселерометра с градиентом потока.

1 – гравитационная антенна; 2 – магниты; 3 – контейнер; 4 – катушка.

Маятник представляет собой катушку из 32 витков провода, намотанную на каркас из акриловой пластмассы, и подвешен на кварцевой лопатке. При смещении этой катушки относительно магнитов изменяется магнитный поток через катушку и в ней индуцируется напряжение. Магнит создаёт вне себя точно такое же поле, как эквивалентный ток, протекающий по проводу катушки.

В данном акселерометре применяется емкостной преобразователь смещения.

Для проверки чувствительности акселерометра к механическим колебаниям, акселерометр прикрепляется к торцу гравитационной антенны, противоположный торец которого служит одной из обкладок конденсатора. Другой обкладкой является кварцевая лопатка, подачей напряжения на которую можно заставить маятник колебаться. Сила, действующая между обкладками плоского конденсатора, равна

C² •V² /2•E₀ •A_k ,

где С – ёмкость, Ф; V – напряжение на обкладках, В; A_k – площадь кварцевой лопатки, м²; Е₀ = 8.854•10^-12 Кл²/Гц•м² .

Возникает смещение маятника.

Амплитуда колебания торца маятника даётся выражением

∆х_м =( l •С² •V² •Q)/(1.41 •π² •E₀ •E* •A_k •А_м), м, (1)

где ∆х_м – амплитуда смещения маятника; Q – механическая добротность; А_м - площадь поперечного сечения маятника, м²; l – длина маятника, м;

Реакция акселерометра на колебания проверяется по эффективному напряжению V_эф, индуцируемого в катушке маятника.

V_эф = (- dФ/dt), (2)

где Ф – общий магнитный поток через катушку маятника; t – время.

Преобразуем данное выражение и получим

V_эф = (- dФ/dt) = ( Ф/ х) • (- dх/dt),

где Ф/ х – градиент потока; х – относительное смещение катушки (маятника) от магнитов.

Градиент потока имеет важное значение по двум причинам. Во-первых, его можно вычислить, зная размеры и положение катушки и магнитов, а также величину намагниченности. Во-вторых, градиент потока определяет чувствительность акселерометра.

Для измерения изменений магнитного потока через маятник используется сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор (СКИП). При единичном отношении сигнала к шуму с помощью СКИПа можно зарегистрировать смещение ∆х_м = 9×10^-18 (∆f)^-1/2 см., где ∆f – ширина полосы усилителя.

Акселерометр с градиентом потока можно использовать в качестве преобразователя для детектора гравитационных волн.

В качестве рабочей среды используется вакуум.

1.2. Акселерометр Пэйка

Схема акселерометра показана на рисунке 4.

Основными компонентами акселерометра /1/ являются СП пробная масса (мембрана) и СП плоские катушки.

Рисунок 4 – Схема акселерометра Пэйка.

1- гравитационная антенна; 2- фланец крепления чувствительного элемента; 3 – бортик мембраны; 4 – крепёж из ниобия; 5 – обойма мембранного узла; 6 – держатели мембраны; 7 – катушка СКВИДа; 8 – СКВИД; 9 – держатель катушек; 10 – плоские катушки; 11 – мембрана из ниобия; 12 – шпильки из титана.

В качестве преобразователя полезного сигнала в данном акселерометре используется СКВИД. Плоские катушки (см. рисунок 4) расположены по обе стороны мембраны и образуют контур. По катушкам протекает ток, и создаётся магнитное поле. Оно перераспределяется мембраной. Если мембрана приближается к одной катушке, следовательно, уменьшается зазор между данной катушкой и мембраной, то возникает индукция магнитного поля на этой стороне мембраны, а на другой стороне мембраны индукция уменьшается.

Система тщательно проверялась и используется для определения небольших ускорений гравитационно-волновой антенны, вызванных Броуновским движением и другими внешними возмущениями.

Рабочей средой является вакуум.