超导铌材剩余电阻率的测量

　　随着射频铌超导腔设计制造技术的日趋成熟，射频铌超导腔在国际、国内的应用领域也日趋广泛，超导铌材生产企业的超导铌材产量也随之大幅度增加. 因此需要建立一套能够适用于大规模工业生产的超导铌材剩余电阻率测量系统. 在金属中存在着杂质、缺陷、位错等，因此把由材料中的杂质和晶格缺陷等对传导电子的散射产生的电阻率称为剩余电阻率. 超导铌材的剩余电阻率(Residual ResistivityRatio，简称 RRR 值)的定义为室温条件下(300 K)超导铌材的电阻率与低温下(4.2 K)超导铌材的电阻率的比值. 随着材料纯度的提高和内应力的减小而降低，RRR 值也可以用来衡量金属的纯度高低[1].在供加速器超导谐振器用高 RRR 值铌材研究和生产过程中，剩余电阻率检测是一项常用和必备的手段.铌材的剩余电阻率是检测铌锭、铌板性能是否达到应用要求的决定性的判断指标，它体现了铌材的化学纯度和热导性能.在超导铌材的生产过程中，需要为用户提供剩余电阻率的检测报告;在超导铌材中间产品的质量控制过程中也同样需要实时检测超导铌材的剩余电阻率.此外，在超导腔生产的过程中，也需要检测剩余电阻率.目前，国内外只有少数几个实验室具备剩余电阻率测试条件，而国内还没有应用于工业领域的超导铌材剩余电阻率的快速检测系统.RRR值检测主要有交流法和直流法 2 种方法.交流法相对测量结果较为准确，国内外实验室大多采用该方法.该方法的缺点是对设备要求较高，且还需要有复杂的软件支持.目前，工业上易采用直流法进行测量.直流法的好处是测量设备较为简单，测量速度较快捷.

　　1理论分析

　　绝对纯净的金属只有理论上存在，实际使用的金属材料或多或少都会含有各种杂质成分. 超导铌材中常含有O，C，N，H 等气体杂质，以及 Ta，FeW等金属杂质[2]，一旦杂质含量超过一定范围，超导铌材本身的特性就会被杂质所影响，如此就会影响高纯铌材作为超导材料的使用价值.如前所述，超导铌材的剩余电阻率是反映其纯度和热导的重要参数，通过剩余电阻率可以判断超导铌材的杂质含量.通过金属剩余电阻率的定义可以得出RRR值的计算公式：

　　其中：ρ(300K)和 ρ(4.2K)分别为常温 300 K 和低温 4.2 K 超导铌材的电阻率.电阻率 ρ=kU/I.其中，k 为常数，k=L/S(L 为超导铌样品的长度，S 为超导铌样品的横截面积). 由于金属在 300 K 和 4.2 K 时恒流源所设置的电流相同，即I(300K)=I(4.2K)，所以剩余电阻率的公式可以转化为

　　其中，U(300 K)和U(4.2 K)分别为相同电流时金属在温度300 K 和 4.2 K 时的电压值.这样就可以通过仅测量金属在这 2 个温度时的电压值得出超导铌材样品的剩余电阻率(RRR 值)，从而简化了测量过程.