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DIN EN IEC 61788-7 VDE 0390-7:2021-05

Supraleitfähigkeit

Teil 7: Messungen der elektronischen Charakteristik – Oberflächenwiderstand von Hochtemperatur-Supraleitern bei Frequenzen im Mikrowellenbereich

(IEC 61788-7:2020); Deutsche Fassung EN IEC 61788-7:2020
Art/Status: Norm, gültig
Ausgabedatum: 2021-05
VDE-Artnr.: 0300138

Seit der Entdeckung einiger kupferhaltiger Oxide vom Perowskit-Typ wurden und werden weltweit umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten (F & E) zum Thema Hochtemperatursupraleiter (HTS) durchgeführt, und ihre Anwendungen für Hochfeldmagnete, zur Übertragung hoher Leistungen mit niedrigen Verlusten, für Komponenten der Elektronik und viele andere technische Aufgaben machen Fortschritte.
Auf vielen Gebieten der Elektronik, insbesondere im Bereich der Telekommunikation, wurden passive Mikrowellen-Bauelemente, wie z. B. Filter mit Hochtemperatursupraleitern (HTS) entwickelt, die sich nun in der praktischen Erprobung befinden.
Supraleitende Materialien für Mikrowellen-Resonatoren, -Filter, -Antennen und Verzögerungsleitungen haben den Vorteil sehr niedriger Verlustcharakteristiken. Die für die Konstruktion von verlustarmen Mikrowellenkomponenten erforderlichen Kenngrößen des supraleitenden Materials sind der Oberflächenwiderstand R<(Index)s> und die Temperaturabhängigkeit von R<(Index)s>. Das Wissen über diesen Parameter ist von primärer Bedeutung für die Entwicklung neuer Materialien von Seiten der Hersteller, und für den Entwurf und die Auslegung supraleitender Mikrowellenkomponenten seitens der Anwender.
Der Oberflächenwiderstand R<(Index)s> von hochwertigen HTS-Filmen ist im Allgemeinen mehrere Größenordnungen niedriger als der von normalen Metallen, was den Bedarf an einer zuverlässigen Charakterisierungstechnik zur Messung dieser Eigenschaft erhöht hat. Üblicherweise wurde der R<(Index)s>-Wert von Niob oder irgendeinem anderen Tieftemperatursupraleiter so gemessen, dass zuerst ein kompletter dreidimensionaler Hohlraumresonator hergestellt und dann dessen Güte Q gemessen wurde. Der Wert von R<(Index)s> konnte berechnet werden durch Lösung der Gleichungen für das elektromagnetische Feld in dem Hohlraumresonator. Eine andere Technik bestand darin, dass eine kleine Probe in einen größeren Hohlraum gesetzt wurde. Diese Messtechnik gibt es in vielerlei Arten, sie ist aber gewöhnlich mit der Ungenauigkeit verbunden, die durch die Subtraktion des Verlustbeitrages des HTS-Films von dem experimentell bestimmten Gesamtverlust des Hohlraums entsteht.
Die am besten geeigneten HTS-Proben sind Filme, die epitaxisch auf ebenen kristallinen Substraten aufgewachsen sind. Bislang konnten auf gekrümmten Oberflächen keine Filme von hoher Qualität gezüchtet werden. Was benötigt wird, ist eine Technik, die für solchen kleine und ebene Proben geeignet ist, die keine Probenvorbereitung erfordert, die den Film weder beschädigt noch verändert, die eine hohe Wiederholgenauigkeit aufweist, die eine hohe Empfindlichkeit besitzt (herunter bis zu einem Bruchteil von 1/1 000 des R<(Index)s>-Wertes von Kupfer), die eine große dynamische Variationsbreite umfasst (bis hinauf zu dem R<(Index)s> -Wert von Kupfer), die es erlaubt, hohe interne Leistungen bei nur moderaten Eingangsleistungen zu erreichen, und die einen weiten Temperaturbereich abdeckt (4,2 K bis 150 K).
Unter mehreren Verfahren wurde das Verfahren mit einem dielektrischen Resonator zur Bestimmung des Oberflächenwiderstands bei Mikrowellenfrequenzen ausgewählt, da es zurzeit als das Gängigste und Praktikabelste angesehen wird. Insbesondere ist der Saphirresonator ein ausgezeichnetes Werkzeug zur Messung von R<(Index)s> von HTS-Materialien.
Das Messverfahren, das in dieser Norm beschrieben wird, kann auch bei anderen plattenförmigen (massiven) Supraleitern, einschließlich Materialien für Tieftemperatursupraleiter, angewendet werden.
Mit diesem Dokument ist beabsichtigt, Ingenieuren, die auf dem Gebiet der Elektronik- und Supraleiter-Technologie arbeiten, zunächst einmal eine geeignete und konsensfähige technische Arbeitsgrundlage zur Verfügung zu stellen.
Das Messverfahren, das in diesem Dokument beschrieben wird, basiert auf der vorbereitenden Normungsarbeit und Untersuchungen von VAMAS (Versailles Project on advanced Materials and Standards) bezüglich der Dünnfilmeigenschaften von Supraleitern.
Dieser Teil der internationalen Normenreihe IEC 61788 „Supraleiter“ beschreibt die Messung des Oberflächenwiderstandes (R<(Index)s>) von Supraleitern bei Mikrowellenfrequenzen mit Hilfe eines standardisierten Zwei-Resonatoren-Verfahrens. Die gemessene Größe ist dabei R<(Index)s> bzw. seine Temperaturabhängigkeit bei der Resonanzfrequenz.
Der Oberflächenwiderstand R<(Index)s> eines supraleitenden Films muss gemessen werden, indem einem dielektrischen Resonator mit der Probe (supraleitende Filme) ein Mikrowellensignal zugeführt wird und dann die Einfügungsdämpfung des Resonators bei jeder Frequenz gemessen wird. Die Frequenz muss, mit der Resonanzfrequenz in der Mitte, durchgestimmt werden, und die Kurven für die Einfügungsdämpfung als Funktion der Frequenz müssen aufgenommen werden, um den Q-Wert zu erhalten, der ein Maß für die Verluste ist.
Bei dieser Art von Messungen gibt es Gefahrenquellen. Die Anwendung kryogener Flüssigkeiten ist zur Kühlung der Supraleiter notwendig, um den Übergang in den supraleitenden Zustand zu ermöglichen. Ein direkter Kontakt der Haut mit kalten Komponenten der Apparatur kann ebenso wie der Kontakt mit verschüttetem Kühlmittel sofortige Erfrierungen verursachen. Die Benutzung eines Hochfrequenzgenerators ist ebenfalls unumgänglich zur Messung der Materialeigenschaften bei Hochfrequenz. Wenn dessen Leistung zu hoch ist, kann eine direkte Berührung mit menschlichen Körperteilen unmittelbar zu Verbrennungen führen.
Es liegt in der Verantwortung des Anwenders dieses Dokuments, vor seiner Anwendung angemessene Sicherheits- und Gesundheitsschutzverfahren festzulegen, und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften sicherzustellen.

Gegenüber DIN EN 61788-7 (VDE 0390-7):2007-08 wurden folgende Änderungen vorgenommen:
a) die Geräte und Messaufbau-Beschreibungen wurden erweitert und präzisiert;
b) die Beschreibungen zur Durchführung der Messungen wurden erweitert und präzisiert;
c) die Messfrequenzen (12 GHz, 18 GHz und 22 GHz) sowie die Maße der Saphirzylinder wurden aktualisiert;
d) ein informativer Anhang zur relativen kombinierten Standardunsicherheit bei Messungen des Oberflächenwiderstands wurde hinzugefügt;
e) Angaben zu Präzision und Genauigkeit usw. wurden in die aktuelle allgemeine Unsicherheitsbetrachtung überführt;
f) Betrachtungen zum Thema Reproduzierbarkeit von Messergebnissen wurden aufgenommen;
g) mit Rücksicht auf stabile Messungen werden Resonatoren vom geschlossenen Typ empfohlen.