Progettazione di un sistema di misura di dispositivi superconduttori TestHTS

Author(s):
D. Bartalesi - CESI RICERCA

Industry:
Research, Energy/Power

Products:
Modular Instruments, Report Generation Toolkit, LabVIEW, PXI/CompactPCI, Database Connectivity Toolkit

The Challenge:
Obiettivo dell’attività era definire una serie di strumenti atti a caratterizzare elettricamente i dispositivi a superconduttore. Il parametro principale da determinare è il valore di corrente critica I1c, caratteristico dei nastri SAT (Superconduttori ad Alta Temperatura). In generale I dispositivi superconduttori sono materiali che, raffreddati al di sotto di una determinata temperatura critica T2c e per correnti inferiori ad una caratteristica I2c, presentano resistenza elettrica nulla, permettendo il trasporto di corrente senza perdite per effetto Joule. Temperatura, intensità del campo magnetico e intensità della corrente elettrica sono i tre parametri critici che discriminano tra stato superconduttore e stato normale di un materiale e che ne condizionano il comportamento Conoscere il valore di Ic equivale a caratterizzare da un punto di vista elettrico il nastro SAT per valutarne le potenzialità in prospettiva di un suo impiego nella realizzazione di dispositivi elettrici innovativi. Oltre a determinare il valore di Ic e la curva caratteristica E/I, il software ricava anche il parametro n, spesso utilizzato come indice della qualità ed omogeneità del nastro SAT. Tale parametro descrive la relazione tra la caduta di tensione per unità di lunghezza sul conduttore e la corrente applicata.

The Solution:
I dispositivi utilizzati per eseguire la caratterizzazione sono stati installati in un PC Embedded National Instruments questo per assicurare un ambiente isolato dai disturbi elettrici propri dei desktop di uso commerciale. A bordo del PC Embedded sono stati installati: un Nanovolmetro a 7½ bits, una scheda multiplexer. Di seguito l’elenco dei componenti utilizzati • NI PXI – 1042Q • NI PXI – 4351 (Temp/Voltage) • NI PXI – 2503 (Multiplexer) • NI PXI – 4071 (Multimeter 7½ digit)

La richiesta che il CERN ci aveva fatto era quella di creare un prodotto che consentisse di eseguire la prova di caratterizzazione di un elevato numero di nastri SAT, mantenendo o eventualmente migliorando l’accuratezza della misura.
Nella pratica per caratterizzare un nastro SAT deve essere eseguita una misura di resistenza con il metodo volt – amperometrico. A valori elevati di corrente ( 500/700 A), che devono essere generati da un alimentatore programmabile, corrispondono valori di tensione dell’ordine dei nanoVolt. Per poter eseguire la misura di caratterizzazione il dispositivo deve essere sottoposto a un bagno di azoto e la misura stessa deve essere eseguita nel minor tempo possibile per non danneggiare il nastro SAT in prova.
Prima di implementare il sistema di prova TestHTS i campioni di superconduttore venivano caratterizzati utilizzando un singolo alimentatore, e uno strumento nanovolmetro che permetteva al massimo di eseguire la prova su un solo campione alla volta.
Come Cesi Ricerca dovevamo invece poter caratterizzare più campioni simultaneamente in modo da eseguire la prova su un numero sufficiente senza che per questo il tempo di prova diventasse troppo lungo e che i campioni fossero sottoposti a uno stress termico troppo elevato.
La soluzione che abbiamo adottato e che ci ha consentito di caratterizzare oltre 11000 campioni di marche diverse e stata quella di associare un multimetro a 7½ digit ad un multiplexer che permettesse la misura di 20 campioni alla volta.
La soluzione di usare delle schede di acquisizione simultanea non era chiaramente praticabile perché avrebbe comportato una spesa notevole per l’acquisto di schede di acquisizione con una risoluzione pari a quella del nanovoltmetro.
Il programma doveva anche poter gestire gli alimentatori atti alla generazione della corrente di prova, nelle modalità di funzionamento previste dalla classe di alimentatori utilizzata, ovvero:
• Stand alone
• Master/Slave
• Parallel
Questo problema è stato risolto sfruttando la porta GPIB di corredo sulla scheda PXI della macchina che ci ha consentito di far lavorare 3 alimentatori HP 6680A nelle modalità di cui sopra.
Oltre a ciò durante la prova come opzione viene monitorato la temperatura del bagno di azoto utilizzando un multimetro per misura di temperatura Lakeshore anch’esso gestito mediante la porta GPIB di cui sopra.
Infine a fronte del buon esito della prova il programma doveva provvedere a scaricare tutti i dati di prova in un database (utilizzando il tool NI LabVIEW Database Connectivity Toolkit) che veniva successivamente utilizzato come serbatoio di dati per un sito web che il CERN utilizzava per visualizzare i risultati di prova.
Come ultima utilità il programma provvedeva a generare un report di prova, in ambiente Microsoft© Word, generato con NI LabVIEW Report Generation Toolkit, con tutti i dati caratteristici ogni campione.
Utilizzando assieme questi strumenti siamo riusciti in un anno e mezzo a testare oltre 11000 campioni.

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