1. Введение.

В рамках реализации международного проекта ITER (International Termonu Experimental Reactor) существует необходимость решения большого числа научно-технических и производственных задач. Одной из таких задач является разработка и создание автоматизированной технологической линии для производства сверхпроводящего магнитопровода для катушек тороидального магнитного поля реактора. Создание соленоидов обеспечивающих магнитное поле с индукцией на уровне 5 Т в объеме порядка 700 м³ требует изготовления значительной длины цельного магнитопровода. В текущем году было принято решение о назначении РНЦ «Курчатовский институт» и его подразделения НИИ Криогенного машиностроения головной организацией, отвечающей за создание сверхпроводящей рубашки ITER. Российский университет дружбы народов получил заказ на выполнение работ по созданию ряда узлов системы выходного контроля при производстве сверхпроводящих проводов.

Подбор материала и конструкции сверхпроводящего провода является сложной многопараметрической задачей. Одним из параметров сверхпроводящего материала является относительное остаточное электросопротивление (RRR). Оно определяется как отношение RRR=R₁/R₂, где R₁ - сопротивление образца при 20°С, R₂ - сопротивление образца при температуре, близкой к температуре перехода в сверхпроводящее состояние (см. рис. 1).

Рис. 1. К определению сопротивления R2 при переходе образца в сверхпроводящее состояние.

В настоящей работе описывается стенд для автоматизированного измерения электросопротивления и относительного остаточного электросопротивления образцов сверхпроводящих (ниобий-титановых, ниобий-оловянных) и медных проводов. Измерения проводятся по четырехточечной схеме. Для компенсации возможных термо-ЭДС применяется коммутационная схема, изменяющая направление транспортного тока через образец. Кратко задача сводится к измерению статической вольтамперной характеристики образца при комнатной температуре и в условиях криогенного термостатирования. Основные сложности связаны с необходимостью прецизионного измерения напряжений с разрешением не хуже 10 нВ в диапазоне до 100 мкВ. Измерение температуры и термостатирование образца в диапазоне от температуры кипения жидкого гелия до комнатной, также представляет собой сложную научно-техническую задачу.

При постановке задачи в техническом задании были указаны следующие режимы работы создаваемого автоматизированного стенда:

• Самотестирование оборудования, идентификация устройств и зондов.

• Подготовка и проверка готовности к измерениям.

• Измерение текущей температуры.

• Задание и установление температуры.

• Измерение и расчет сопротивления образца при комнатной температуре.

• Измерение и расчет сопротивления сверхпроводящего образца при фиксированной температуре над переходом.

• Измерение и расчет относительного остаточного электросопротивления (RRR).

• Режим измерения вольтамперной характеристики.

• Режим измерения вольт-температурной характеристики.

• Ввод данных для идентификации, описания и учета образцов.

• Проведение калибровки измерительного тракта.

• Запись результатов измерений в файл.

• Режим ручного управления оборудованием.

2. Результаты работы.

Для решения поставленной задачи требовалось обеспечить синхронизированную работу нескольких систем:

• системы регулировки и измерения температуры под управлением специализированного термоконтроллера (рис 2,а);

• системы управления транспортным током, состоящей из источника тока и блока реле (рис 2,6);

• системы прецизионного измерения падения напряжения на образце;

• системы управления процессом измерений;

• системы хранения массивов экспериментальных результатов.

Подобная конфигурация измерительной системы в совокупности с требованиями повышенной надежности в условиях производства диктуют необходимость использования промышленного компьютера в качестве управляющего модуля. Одним из основных критериев выбора шины промышленного компьютера является обеспечение хороших характеристик собственных шумов и помехозащищенности прецизионного вольтметра. В этом плане наилучшими параметрами среди встраиваемого оборудования обладают вольтметры с шиной PXI. Наличие интерфейса IEEE488.2 (GPIB) у термоконтроллера и источника транспортного тока позволяет унифицировать подходы к управлению электрическими и тепловыми режимами работы стенда.

Рис. 2.

Немалое внимание при создании стенда уделено его эргономичности: удобству настройки и тестирования оборудования, наглядности диалогов интерфейса и индицируемых параметров, удобству работы в режиме ручного управления. Важной частью работы в условиях производства является сохранение базы данных результатов измерений. С одной стороны эта база данных должна наиболее полно отражать все параметры проведенных измерений, ас другой стороны - обеспечивать гибкое управление данными и не быть информативно перегруженной.

Созданная в итоге работы автоматизированная система для измерения электросопротивления и относительного остаточного электросопротивления образцов сверхпроводящих (ниобий-титановых, ниобий-оловянных) и медных проводов на данном этапе полностью удовлетворила требования заказчика.

3. Оборудование.

При разработке измерительного комплекса применялось следующее оборудование:

• термоконтроллер 32В производства компании Сгуосоп, позволяющий поддерживать температуру образца в криостате в диапазоне 4,2 - 1020 К с платиновым терморезистивным преобразователем в цепи ПИД- регулятора и разрешением 10^-3 К, управление через интерфейс IEEE 488.2;

• источник транспортного тока PSM-2010 производства компании GW Instek, разрешение по току 1 мА, управление через интерфейс IEEE 488.2;

• промышленный компьютер производства компании National Instruments на базе шасси PXI со встроенными измерительными и коммуникационными модулями;

• блок реле, переключающий направление транспортного тока на базе интерфейсного модуля FP-1000.

Программное обеспечение автоматизированного измерительного комплекса разработано с использованием пакета LabVIEW 7.1 и модуля Real Time.

4. Заключение.

Настоящая работа является первым этапом создания автоматизированной системы выходного контроля при производстве сверхпроводящего магнитопровода на основе ниобий-титановых, ниобий-оловянных проводов в медной матрице. Последующие этапы этой работы, связанные с измерением критического тока сверхпроводников, а также интеграцией разработанных систем контроля в общий процесс изготовления магнитопровода реактора планируются.