锁相放大器对超导材料性能评价

目前有许多以超导为目标的研究正在进行。一般来说，超导实验需要将试样置于极低温下进行。这时一边测量试样的电阻一边确认试样是否达到超导状态。但是测量电阻时的电流会使试样产生焦耳热，这会影响温度控制的准确性。因此，测量电流必须非常微小。由于试样本身的电阻值很低，产生的电压很微弱，也给检测带来困难。

超导状态下，有极微弱的交流电流流过试样。可以利用锁相放大器检测试样发生的微弱交流电压，进行试样的电阻测量。由于信号是交流的，所以可以避免热电动势的影响，进行低电阻测量时减小测量误差。

超导材料的一个重要应用结构形武是约瑟夫森(Josephson)结。约瑟夫森结是由挟着氧化膜的蒸铝钢带构成，当冷却到1 K以下时，就能得到如图1所示的电流-电压特性。

图1.   约瑟夫森器件的I/V特性

在具有非线性试样的场合，如图2所示将一定的交流电流叠加在直流电流上,然后一边改变直流电流一边用锁相放大器的1F模式测量所发生的交流电压，就能够测定电阻值（1阶微分特性）。如果用2F模式测量，就能够以高灵敏度测量电阻值的变极点（2阶微分特性）。

将两个约瑟夫森结并联，构成如图3所示的传感器，当通过孔中的磁力线发生改变时，可以得到如图7所示的变化的电流-电压特性。应用这种特性可以做成灵敏度非常高的磁敏传感器。它叫做超导量子干涉器件(Superconducting QUantum Interference Device，SQUID)，可用于检测人脑发生的磁场或地磁的起伏等。

图2.测量超导材料的微分电阻

图3.SQUID传感器的结构

图4.磁通通过SQUID传感器时的特性 

超导中一个有名的效应是迈斯纳( Meissner)效应（完全抗磁性）。在这种效应的状态下，磁力线不能穿过处于超导状态的试样，而会从超导体内排除。用相互感应法能够确认这种状态。相互感应法如图3所示，是由两组初级线圈和次级线圈构成，绕线的方向各自相反。在没有放置试样的状态下，次级一侧信号的大小相同，相位相反，相互抵消而不出现信号。

图5.超导材料磁化率的测定方法（确认迈斯纳效应）

如果这时在一组线圈中放置试样，则两组线圈磁通的平衡被打破，次级一侧出现信号。然后，如果试样进入超导状态，次级一侧的信号将再次抵消变为0，这样就可以确认迈斯纳效应。这时使用锁相放大器就能够捕捉到更微小的变化。