Revisca Mexicana de Física 22 (1973) F A33- FA40 FA33

CONSTRUCClON DE UN APARATO PARA LA MEDlOON DE LA

TEMPERATURA DE TRANSIClON SUPERCONDUCTORA'

J. J. Cervanres y V. M. Chapela

Departamento de Bajas Temperaturas

Centro de lnves-tigación de Materiales, UNAM

ABSTRACT: The research on superconducting properties ol macerials re-

quires an apparacus lor che dececrion and cemperacure measure-

n:enc ol the superconduccing transition. An apparatus whichcakes advantage ol the Meissner eHect was built co perlorm

these experiments. The superconductor lorms che core ol an

inductance in a resonanC oscillator circuic; che transicion isdececced by a sharp change in the oscillation lrequency cakingplace at the instant the inductance' s core becomes supercon-

ducting.

INTRODUCCION

EI,aparato construido para detectar y determinar la temperatura detransición al estado superconductivo de una muestra superconductora, poseeun intervalo de operación para temperaturas mayores que las del helio líqui-

•Parte de la [ésis de licene-iatura en Física de J. J. Cervantes, Facultad deCienci as, UN AM (1973).

FA34 Cervantes y Chapela

do a baja preslon. El método utilizado constituye una variaclon al utilizadopor Schawlow y Dcvl}'n 1, en el que se mide la profundidad de penetración delcampo magnético.

Se construyó un oscilador Colpius usando como amplificador un tran-sistor 2.N2926 y un tanque de resonancia con una bobina cuya autoinducran-cía es de 2.4 x 10.3 hcnrys, un factor Q de 2.1 y con un campo magnético má-ximo de 0.18 gaus.'i.

Al momento en que la muestra pasa al estado superconductivo, la ex-clusión del flujo magnético t'n el núcleo de la bobina hace variar la frecuen-cia de oscilación.

Como muestra superconductora se utilizó niobio cuya temperatura detransición 2 es alrededor de 9.25 oK; para alcanzar este intervalo de [("ftlpera-turas se hizo uso de helio ¡í'-luido, lo cual requirió de un instrumental adecua-

•do. Se modificó un crióstaw Gardner y se construyó un ponamuestra que per-mite regulal la temperatura oe la muestra y minimizar la conducción de caloral interior del crióstato, Se empleó la resistencia eléctrica de una resisten-cia de carbón Allen Brad ley como propiedad termométrica para la determina-ción de la temperatura. Las mediciones de resistencia se efcctuaron utili-zando el método po(enciomélrico, minimizando así el error introducido en lamedición. Los datos resistencia vs frecuencia. obtenidos determinan el mo-mento preciso en que se efectuó la transición.

DESCRIPClOi'l y OPERAClON DEL DISPOSITIVO EXPERnfENTAL

En la figura 1 se muestra el diagrama en bloques de la disposiciónde los aparatos utilizados, yen la figura 2 el diagrama del portamuestra. Elportamuestra va sumergido en helio líquido en el interior del crióstato, conun vacío de 10-

5tore alrededor dt, la mU(:stra. El calentamiento de la mues-

tra se efectuó mediante el controlador de temperatura que proporciona caloral reservoir térmico mediante un sist('ma bobina -calentador de constantan.El enfriamiemo es a tra\'és del débil contaC[o térmico existente entre el re-ser\"oir térmico y la pamulla externa. La caída de potencial a través de laresistencia utilizada como tcrmómetro es medida con el potenciómetro a tra-vés de alambres de manganin (~= O-DOSmm). La señal del oscilador es rc:c-

•En realidad los datos obtenidos son resislencia \'5 amplilUd de oscilación (volts),siendo la amplitud (unción de la fr('cuencia3.

Mf!diciÓ~J de la temperatura",

tificada y después alimentada a la graficadora X - Y a través lk un multime-uo digital. La stilaJ de salida del potenciómetro es amplificada p..x el micro-voltímctro y alimerHnda al ('je X de la graficadora.

Hewlett - Poekord X _ Y700.418Recorder..

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Hewlett Pockord 419 A PotenciómetroNu" Voltmeter AOIP PI2R

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Hewlett - Paekord

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, Osciloscooio Co"trol de TernoeraturaTektronix II Air liquide

Type 547r¡::: E=:RCP 4300 rr

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Fig. 1. Diagrama en bloques del dispositivo cxperimenlal mostrando la forma enque se interconectaron los aparatos mili zados.

F A36 CCf\'::'ntCS y Chapela

reservoir

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Fig. 2. Diagrama del portamucs(ra mostrando sus componentes.

,Medición de la temperatura ...

REALlZACION DEL EXPERIMENTO

Utilizando una muestra de niobio dI? aha pureza", st: localizó el. pi.Ja-tO de la transición .• ajustando el potenci6me •.ro y el microvolrífilctro para le~:rdesviaciones del valm de la resistencia \:i. lrl vecindad de la temperaru!'";'l denanS1Clon. 'Se barrió repetidamente un pequeño intervalo de tempenHurascentrado alrededor de la transición, obteniéndose laj gráficas de la figura 3.

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Amplituddo

Oscilaci6n(Vol ••)

29b.,----

enfriamiento

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282.7 279.2

Fig. 3, Gráficas de la transición sllpercondllcriva mosrrando diez transicionesdel estado normal al ~uperconductivo (enfriamiento) y diez transicionesdel estado superconductivo al normal (calentamiento), El valor de laamplitud de oscilación en las veinte transiciones mostradas es de 1.651volts para el estado superconductivo y de 1.642 para el estado normal,.

FA38 Cf'"¡;/',iotes y Chapela

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1 ".'. L-'~- 1\ 20.0)( A, excepto poro Ro: lO ohm,,.... i. I \ que se midió a 500 U A. _

J , .••• v n_ 'í Línea sólida obtenida utilizando lo - _1 ecuación LOG¡OR + K__ : A + B__

1"9, LOGlOR T1 -\~ I donde R : resistencia -

~ T : temperaturo (o K)Ro = es la resistencia nomiw~

\ nalo 3000K1 I I ~

/KI '/-/A,/.98 B,/.\\ f-

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1000

2000

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FIg. 4. Gráfica de "resistencia eléctrica vs temperatura" para resistencias decarbón Allen-Bradley (Oxford Instruments).

Mf'dició" de la temperatura ...

CONCLUSIONES

F A39

En la figura 3 se aprecia una alta reproducibilidad en el punto deuansición al efectuar enfriamiento de la muestra. La desviación máxima enestos puntos es de 0.3 ohms que equivalen aproximadam~nte a O.006°K (cal.culado de la figura 4 para una resistencia con 69 ohms a 300oK). En lasgráficas correspondientes a calentamiento de la muestra, existe una mayorvariación que se atribuyó a la inestabilidad del control de temperatura. Lahistéresis térmica existente en el experimento de 3.5 ohms equivalente aO.07°K se debe a gradientes térmicos existentes en el portarnuestra. La resistenciautilizada no se calibró en este experimento, por lo cual se utilizó la figura 4para interpolación. La alta rcpetibilidad de la transición hace posible el uti-lizarla como punto de referencia termométricoS a temperaturas bajas para lacalibración de termómetros.

AGRADECIMIENTOS

El presente trabajo se realizó gracias al decidido apoyo del personalacadémico y técnico del CIM. En particular deseamos manifestar nuestroagradecimiento a A. A. Valladares y J . A. Careaga.

REFERENCIAS

1. A. L. Schawlow and G. E. Devlyn, Phys. Rev. 113 (1959) 120.2. D. K. Finnemore,.T. F. Stromberg and C. A. Swenson,

Phys. Rev. 149 (1966) 231.3. ). Brazec, Semiconductor and Tube F./ectronics (lIolt, Rinehart, and

Winston, New York, 1958) pp. 450-456.4. V .¡\-1. Chapela, Tésis de Mast6a, Physics Department, New Mexico State

University, (1972).5. R.). Soulen y ].F. Schooley, en Progress in Refrigeration Science and

Techno/ogy, (Avi Publishing Co., Inc., Conn., 1973) p. 399.

FA40

RESUMEN

Cervantes y Chapel a,

La in\'cstigación de propiedades supercondul:turas de los materiales,requiere un aparato para detectar la transición superconductiva y medir la (cm.peratura. Se construyó un aparato que aprovecha el efecto \1eissn{'c para rea-lizar estos experimentos. El superconductor forma el núcleo de una inductan-cla en un circuito oscilante, resonante; la transición se detecta por un C3m-

bio brusco en la frecuencia de oscilación, que ocurre en el instante que el nú-cleo de la inductancia se convierte en superconductor.