Введение к работе
Актуальность темы. Исследование электродинамики высокотемпературных
сверхпроводников связано с изучением их нелинейных электрических и магнитных
свойств. Актуальность данной тематики обусловлена перспективностью применения
высокотемпературных сверхпроводников в радиоэлектронике, функциональной
электронике, сильноточной технике и т.д. Согласно информационному бюллетеню
«Перспективные технологии: Сверхпроводники» на данный момент уже
реализованы такие сверхпроводниковые разработки как: сверхпроводящий
ограничитель аварийных токов (ИСФТТ РНЦ Курчатовский институт), магнитный
СКВИД-микроскоп (МГУ), дисковая синхронная машина (ФГУП
НИИЭлектронмаш), сверхпроводниковый турбогенератор (ФГУП
НИИЭлектронмаш), серия ВТСП моторов (МАИ) и др.
Можно выделить несколько подходов к теоретическому и экспериментальному описанию нелинейных магнитных и электрических свойств ВТСП: изучение и анализ гармоник намагниченности, изучение магнитосопротивления, изучение поверхностного импеданса. Несмотря на различие этих подходов у них можно выделить общие черты. Во всех экспериментах создается переменное либо постоянное магнитное или электрическое поле (а также их суперпозиция) и регистрируется сигнал отклика ВТСП образца. Такое зондирование среды монограмоническим сигналом является классическим методом изучения свойств материальных сред. В общем случае реакция среды представляет собой полигармонический сигнал с широким спектром. Связь отклика среды с её параметрами определяется в рамках конкретной феноменологической модели. Однако исходной информацией для решения обратной задачи по определению фундаментальных физических характеристик ВТСП-керамики в рамках конкретной модели являются частотные и амплитудные зависимости полигармонического сигнала отклика.
Степень разработанности темы исследования. Вопросам описания нелинейных магнитных и электрических свойств ВТСП посвящены современные труды как отечественных, так и зарубежных ученых: В.А. Финкель, Т.В. Сухарева, В.К. Игнатьев, М.А. Зеликман, В.К. Черноморец, М.В. Садовский М.В. Аржавитин, М.В. Еремин, N. Enaki, S. Colun, C.J. Веек и многих других.
Для линейных сред (и, в некоторых частных случаях, для нелинейных) можно воспользоваться промышленными измерителями АЧХ и ФЧХ. Однако применение данных устройств для исследования керамических высокотемпературных сверхпроводников с существенно нелинейными свойствам и со значительной пространственной и временной дисперсией, не представляется возможным. В этом случае, в основном, используются оригинальные информационно-измерительные и управляющие системы, адаптированные под конкретную задачу. Разработкам таких систем посвящены труды ученых: Н.Д. Кузьмичева, А.А. Федченко, В.В. Славкина, Э.А. Тищенко, СВ. Черных, А.И. Головашкина и многих других.
Автор выражает благодарность к.ф.-м.н., доценту Негинскому Игорю Владимировичу за помощь в работе над диссертацией.
Первичными измеряемыми величинами во всех исследованиях являются амплитуды, частоты, сдвиги фаз переменных электрических или магнитных полей. При проведении исследований ВТСП в переменных магнитных или электрических полях во всех экспериментальных исследованиях фиксировались только амплитуды сигнала отклика мнимых и вещественных составляющих намагниченности, поверхностного импеданса или магнитосопротивления. Вместе с тем остаётся открытым вопрос синхронного измерения мгновенных значений задающего сигнала и сигнала отклика.
При обработке первичных результатов таких исследований активно используются различные методы цифровой обработки сигналов. Для оценки спектральной плотности мощности и частот исследуемых сигналов наиболее распространенными являются непараметрические методы, такие как периодограммный метод и периодограмма Уэлча. Также широкое распространение получили параметрические методы - авторегрессионная модель, метод MUSIC, метод EV, метод Прони и другие. Большинство методов хорошо оценивают спектральный состав изучаемого сигнала, но в относительных величинах, хотя интерес представляют абсолютные значения этих величин. Существенным недостатком является сложность определения фазового сдвига высших гармоник спектра относительно первой гармоники сигнала.
Следовательно, становится актуальной разработка информационно-измерительной и управляющей системы с применением современной элементной базы, увеличивающей точность, чувствительность и быстродействие измерений. Все это позволит получить новые измеряемые величины, которые не могли быть получены ранее из-за несовершенства электронных средств
Целью диссертационной работы является создание и совершенствование информационно-измерительных систем для управления исследованием ВТСП-керамики в переменных магнитных полях и ее изготовлением.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
обзор методов и средств измерений, а также основных современных экспериментальных подходов к исследованию нелинейных свойств ВТСП;
разработка, изготовление и поверка информационно-измерительной системы для получения нелинейных параметров ВТСП-керамики с применением современной элементной базы цифровой и аналоговой электроники;
разработка, изготовление и калибровка информационно-измерительной системы для управления процессом изготовления цилиндрических образцов ВТСП-керамики, получение метрологических и технических характеристик;
синтез цилиндрических образцов ВТСП-керамики на основе разработанной и изготовленной информационно-измерительной системы;
проведение экспериментальных исследований по определению параметров ВТСП-керамики;
- разработка и численное моделирование метода для оценки амплитуд и фаз существенно нелинейных сред с произвольным количеством гармонических составляющих.
Достоверность результатов, полученных в работе, в основном определяется тем, что для всех разработанных теоретических методов проведено численное моделирование и получены методические погрешности. Также, отдельно для всех модулей информационно-измерительной системы проведена калибровка и получены метрологические и технические характеристики. Для всей информационно-измерительной системы в целом проведена поверка и построение динамических характеристик. Экспериментальные результаты хорошо воспроизводятся и согласуются с теоретическими данными. Результаты экспериментальных исследований ВТСП-керамики согласуются с другими научными работами в данной области исследований.
Предметом исследования являются методы и средства экспериментального исследования нелинейных параметров ВТСП-керамики, методы математической обработки экспериментальных данных высших гармоник сигнала отклика ВТСП-керамики, принципы функционирования и структура информационно-измерительной системы для управления исследованием ВТСП-керамики в переменных магнитных полях.
Научная новизна:
-
Впервые разработана и изготовлена информационно-измерительная система для управления физическим экспериментом по исследованию амплитуд и фаз высших гармоник цилиндрических образцов ВТСП-керамики. Применение современной цифровой и аналоговой элементной базы микросхем, а также новых технических решений позволило существенно улучшить технические, эксплуатационные, экономические и эргономические характеристики, что определяет эффективность внедрения новейших достижений науки и техники в практику создания отработки и испытаний систем подобного рода.
-
Разработана и изготовлена новая информационно-измерительная система для управления процессом изготовления ВТСП-керамики. Система позволила существенно упростить процесс изготовления данных образцов.
-
Предложен новый метод восстановления параметров среды, позволяющий одновременно получать три основных параметра материала образца (относительную диэлектрическую проницаемость, относительную магнитную проницаемость и проводимость) исходя из амплитудной и частотной зависимости поверхностного импеданса от частоты. Метод позволяет проводить контроль и испытание разработанной информационно-измерительной системы.
-
Впервые для ВТСП-керамики УВагСизСЬ-х получены цифровые синхронные отсчеты мгновенных значений полигармонического сигнала отклика сверхпроводника и внешнего переменного магнитного поля при различных частотах и амплитудах.
-
Впервые для ВТСП-керамики УВагСіїзСЬ-х с помощью метода цифрового синхронного детектирования получены амплитудные и частотные
зависимости высших гармонических составляющих сигнала отклика. Данные зависимости позволяют рассчитать важнейшие характеристики среды.
Научная значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты позволили получить для ВТСП-керамики мгновенные цифровые синхронные отсчеты нелинейного сигнала отклика и сигнала внешнего магнитного поля. На основе этих данных с применением разработанного метода математической обработки экспериментальных результатов получены амплитуды и сдвиги фаз высших гармоник, позволяющие рассчитать важнейшие физические характеристики исследуемой нелинейной среды.
Практическая значимость работы обусловлена тем, что разработанные информационно-измерительные системы вместе с методом цифрового синхронного детектирования могут быть полезны для проведения экспериментальных исследований в области определения параметров существенно нелинейных сред. Возможно использование данных систем и для управления исследованием линейных сред. Применение современной элементной базы и технологий программирования позволяет проводить исследования быстро и автоматически. Информационно-измерительная система для управления процессом изготовления цилиндрических образцов ВТСП-керамики УВагСизСЬ-х открывает возможности по производству новых образцов для дальнейших исследований.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Информационно-измерительная система для управления исследованием ВТСП-керамики УВагСизСЬ-х: описание аппаратных и программных частей всех модулей системы, а также их калибровочные, метрологические и технические характеристики, поверка системы эталонными линейными и нелинейными схемами.
-
Информационно-измерительная система для управления процессом изготовления цилиндрических образцов ВТСП-керамики. Особенности синтеза образцов на базе разработанной системы.
-
Метод восстановления параметров среды, позволяющий одновременно получать три основных параметра материала образца (относительную диэлектрическую проницаемость, относительную магнитную проницаемость и проводимость) исходя из амплитудной и частотной зависимости поверхностного импеданса от частоты.
-
Метод цифрового синхронного детектирования, позволяющий оценивать абсолютные амплитуды и сдвиги фаз высших гармоник существенно нелинейных сигналов.
-
Схема проведения эксперимента по измерению нелинейных параметров ВТСП-керамики.
-
Информационно-измерительная система для управления исследованием по измерению нелинейных параметров ВТСП-керамики, позволяющая получать в автоматическом режиме цифровые синхронные отсчеты зависимостей мгновенных значений сигнала отклика от внешнего магнитного поля при различных амплитудах, а также частотные и амплитудные зависимости (амплитуды и фазы) высших гармонических составляющих нелинейного отклика ВТСП-керамики на переменное внешнее магнитное поле.
Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует Паспорту специальностей научных работников по шифру 05.11.16 -Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении): п.1 «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем», п.4 «Методы и системы программного и информационного обеспечения процессов отработки и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем» и п.6 «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждались на следующих конференциях и конкурсах: Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 2010), Всероссийские научные конференции студентов-физиков и молодых ученных (ВНКСФ-17 - г. Екатеринбург 2011, ВНКСФ-18 - г. Красноярск 2012, ВНКСФ-19 - г. Архангельск 2013), XVIII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 2013).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на полезную модель, 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора. Автором диссертации самостоятельно выполнено исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: разработан цифровой синхронный измеритель поверхностного импеданса [1], разработан модифицированный метод цифрового синхронного детектирования для оценки спектра полигармонического сигнала [2, 6 - 8, 11 - 13, 15], разработана и изготовлена информационно-измерительная система по управлению процессом изготовления высокотемпературных сверхпроводников [3, 5, 10], разработана и изготовлена информационно-измерительная система для управления исследованием ВТСП-керамики в переменных магнитных полях и приведены результаты исследования этих параметров [4, 14, 16], получены метрологические характеристики системы с применением разработанного метода восстановления параметров среды [9].
Структура диссертации. Диссертация содержит 145 страниц основного текста, 66 рисунков, 6 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 122 наименований и 2 приложений.
