Thông số động học của MGB4O7dy 2

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
26




PHẦN 2: THỰC NGHIỆM

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
27
Trên cơ sở sẵn có hệ thiết bò nâng nhiệt tuyến tính theo thời gian với tốc độ
nâng nhiệt
β
=1
0
C/s, chúng tôi tiến hành thiết lập một số các điều kiện đểxây
dựng các tốc độ nâng nhiệt khác nhau cụ thể là β = 2, 3, 5, 8 và 10
0
C/s. Sau đó,
chúng tôi đo đường nhiệt phát quang của mẫu và xác đònh các thông số bẫy của
vật liệu MgB
4
O
7
:Dy. Do vậy, trong phạm vi của đề tài này chúng tôi chia phần
thực nghiệm làm hai chương:
• Chương III. Xây dựng các đường nâng nhiệt tuyến tính với các tốc
độ nâng nhiệt khác nhau.
• Chương IV. Xác đònh các thông số bẫy của vật liệu MgB
4

O
7
: Dy
bằng phương pháp thay đổi tốc độ nâng nhiệt.










Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
28
Chương III
XÂY DỰNG CÁC ĐƯỜNG NÂNG NHIỆT TUYẾN TÍNH VỚI
CÁC TỐC ĐỘ NÂNG NHIỆT KHÁC NHAU
Trước khi đi vào chi tiết việc xây dựng các đường nâng nhiệt tuyến tính với
các tốc độ nâng nhiệt khác nhau, chúng ta sẽ tìm hiểu sơ lược về hệ thiết bò đo
đường nhiệt phát quang của vật liệu mà BMVLCR đã xây dựng.
III.1. Tổng quan về hệ thiết bò đo đường cong phát quang của vật liệu [1],
[5], [6], [16]
Phép đo đường cong phát quang I (T) của vật liệu là phép đo cơ bản trong
nghiên cứu nhiệt phát quang. Từ phép đo này, ta có thể rút ra được nhiều thông
tin về tính chất vật lý của bẫy và các đặc trưng phát quang của vật liệu. Hệ thiết
bò đo đường nhiệt phát quang cần đảm bảo hai điều kiện cơ bản sau:
• Đường tăng của nhiệt độ theo thời gian (đường quét nhiệt) phải là
đường thẳng và phải được lặp đi lặp lại sau mỗi lần đo, tức là nhiệt độ đầu và

cuối cũng như tốc độ nâng nhiệt
β
của mỗi lần quét nhiệt phải được lặp lại.
• Hệ thu tín hiệu phát quang phải có đặc trưng phổ trùng với phổ của
đa số vật liệu phát ra (vùng phổ của ánh sáng nhìn thấy).
Từ hai yêu cầu trên, BMVLCR đã xây dựng hệ đo đường nhiệt phát quang
gồm ba khối cơ bản như sau:
• Khối nâng và đọc nhiệt độ của mẫu.
• Khối đọc cường độ tín hiệu phát quang của mẫu.

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
29
• Khối điều khiển và xử lý tín hiệu.
Hình III.1 giới thiệu sơ đồ khối của hệ đo đường phát quang tại BMVLCR.












Hình III.1. Sơ đồ khối của hệ đo đường TL của vật liệu tại BMVLCR.
Hình III.2 giới thiệu toàn cảnh hệ đo nhiệt phát quang.

Bộ giao tiếp
DAQ
Bộ điều khiển
sự quét nhiệt
tuyến tính
Buồng nhiệt
Chopper
điện tử
ng nhân
quang
Nguồn cao
áp
Khối xử lý tín hiệu
Khối nâng và đọc
nhiệt độ
Khối thu tín hiệu
Cặp nhiệt điện
Máy tính
Bộ khuếch đại
Lock-in
Hình III.2. Toàn cảnh hệ đo nhiệt phát quang.

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
30
Do những yêu cầu và tính chất của đề tài chúng tôi không mô tả chi tiết
toàn bộ ba khối của hệ đo mà chỉ đề cập đến khối nâng và đọc nhiệt độ của mẫu
để chúng ta có thể hình dung được phương pháp xây dựng các đường nâng nhiệt
tuyến tính với các tốc độ nâng nhiệt khác nhau.
III.2. Khối nâng và đọc nhiệt độ mẫu
Chức năng của khối này là nâng nhiệt độ mẫu tăng tuyến tính theo thời

gian và đọc nhiệt độ mẫu tại các thời điểm đònh trước với tốc độ nâng nhiệt
tuyến tính. Mẫu cần được tiếp xúc tốt với thanh đốt để bảo đảm nhiệt độ của
thanh đốt và mẫu chênh lệch nhau không lớn lắm.

Hình III.3. Đường nâng nhiệt tuyến tính theo thời gian.
Trong hình III.3, đường liền nét là đường lý thuyết được điều khiển bởi một
chương trình trong LabVIEW. đường có các dấu chấm là đường nhiệt độ thực
của thanh đốt.
Khối này gồm có hai phần chính: buồng nhiệt và bộ điều khiển sự quét
nhiệt tuyến tính.

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
31
III.2.1. Buồng nhiệt
Buồng nhiệt được thiết kế sao cho cách ly tốt với môi trường bên ngoài để
cho không khí và ánh sáng bên ngoài không lọt được vào.
a. Thanh đốt
Là một miếng kim loại nhỏ, mỏng, phẳng (có thể là Titalum hoặc Niken-
Crom), kích thước tiêu chuẩn là 0.025 cm × (1-2) cm × (4-5) cm. Thanh đốt có
quán tính nhiệt nhỏ, vì thế có thể điều khiển được nhiệt độ cũng như tốc độ nâng
nhiệt.
b. Cặp nhiệt điện
Cặp nhiệt điện trong hệ buồng nhiệt này là loại Niken (+) / Constantan (-)
(90%Ni10%Cr/57%Cr43%Ni), có độ nhạy S=55µV/
0
C với sai số 0.5%, dãy nhiệt
độ có thể đo từ -40
0
C đến 800
0

C.
III.2.2. Bộ điều khiển sự quét nhiệt tuyến tính
[8]

a. Môtơ bước
Môtơ bước được sử dụng để quay Variac để cho ra điện áp thích hợp. Mục
đích của việc quay này là cung cấp điện thế sao cho nhiệt độ của thanh đốt tăng
một cách tuyến tính theo thời gian. Môtơ bước dễ dàng được điều khiển bằng
phần mềm và có các ưu điểm nổi bật đó là có thể khởi động hoặc dừng lại tại
các thời điểm hoặc vò trí mong muốn một cách chính xác.
b. Mạch khuếch đại công suất

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
32
Tín hiệu ra từ máy tính có điện áp không đủ để điều khiển môtơ bước, vì
thế mạch khuếch đại công suất làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu này, giúp
môtơ bước có đủ công làm quay Variac.
c. Variac
Là thiết bò dùng để thay đổi điện áp đầu vào của biến thế một cách liên
tục. Variac được cấp nguồn 220V và điện áp đầu ra có thể thay đổi từ 0V đến
220V.
Điện áp này sau đó chỉ còn cỡ mV khi đi qua cuộn thứ cấp của biến thế, rồi
được đưa vào làm thay đổi nhiệt độ thanh đốt. Việc thay đổi điện áp ra của
Variac được điều khiển bằng môtơ bước thông qua dây cua roa. Bằng cách thay
đổi tốc độ quay của môtơ bước một cách thích hợp ta có thể thay đổi tốc độ nâng
nhiệt
β
của mẫu.

Hình III.4. Bộ cấp thế để điều khiển nhiệt độ.

d. Biến thế
Môtơ bước
Dây cua roa
Variac
Đầu vào Variac
Đầu ra Variac
Mạch
khuếch đại

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
33
Là bộ phận có chức năng hạ điện áp từ Variac xuống cỡ vài chục mV để
cấp cho thanh đốt. Lõi biến thế làm bằng vật liệu Ton-Silic (2,8% - 3,8% Si)
dưới dạng tấm thép kỹ thuật điện. Cuộn sơ cấp có nhiều đầu vào, thay đổi từ
170V, 180V, 190V, 200V, 210V đến 220V. Còn cuộn thứ cấp thì có 4 đầu ra
nhưng vì điện áp quá nhỏ nên không thể xác đònh được.
Mục đích của việc thiết kế biến thế có nhiều đầu vào cũng như ngõ ra là để
ta chọn lựa điện áp thích hợp cung cấp cho thanh đốt sao cho nhiệt độ tăng tuyến
tính theo thời gian.

Hình III.5. Biến thế.
III.3. Xây dựng các đường nâng nhiệt tuyến tính với các tốc độ nâng
nhiệt khác nhau
Trong phần này, chúng tôi tiến hành xây dựng các tốc độ nâng nhiệt khác
nhau dựa trên hệ thiết bò được xây dựng trước đó với tốc độ nâng nhiệt
β
= 1
0
C/s.
Giới hạn khoảng nhiệt độ của mẫu được xây dựng từ 37
0
C – 387
0
C. Nhiệt độ ban
đầu hay nhiệt độ phòng (T
min
) có thể dao động từ 37
0
C đến 40
0
C và nhiệt độ cuối
Thứ cấp
Lõi Ton-Silic
Sơ cấp

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
34

của mẫu (T
max
) dao động trong khoảng từ 387
0
C đến 400
0
C đối với tất cả các tốc
độ nâng nhiệt.
Nhiệt độ của mẫu tăng tuyến tính theo thời gian theo công thức:
t
β
+= T T
0
(III.1)
Trong đó, T
0
= T
min
: nhiệt độ ban đầu
Tốc độ nâng nhiệt
β
[8] được tính theo công thức:
0
max min
( / )
(1/ ) (1/ )
false
true
true false
T T

C s
N
N
t t
β
−
=
 
+
 
 
 
(III.2)
Trong đó:
•
T
min
: Nhiệt độ ban đầu của thanh đốt.
•
T
max
: Nhiệt độ đạt được của thanh đốt (nhiệt độ cuối).
•
N
true
: Số lần nhiệt độ thanh đốt cao hơn nhiệt độ chuẩn.
•
N
false
: Số lần nhiệt độ thanh đốt thấp hơn nhiệt độ chuẩn.

•
t
true
: Thời gian đợi thực hiện bước tiếp theo khi nhiệt độ thanh đốt
cao hơn nhiệt độ chuẩn.
•
t
false
: Thời gian đợi thực hiện bước tiếp theo khi nhiệt độ thanh đốt
thấp hơn nhiệt độ chuẩn.
Hai giá trò t
true
và t
false
được điều chỉnh bởi một chương trình được viết bằng
ngôn ngữ LabView. Việc thiết lập hai giá trò này nhằm điều chỉnh thời gian chờ

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
35
để thực hiện bước tiếp theo khi nhiệt độ thanh đốt có sự chênh lệch với nhiệt độ
chuẩn, tức là nó sẽ điều chỉnh đường nâng nhiệt thực nghiệm theo đường nâng
nhiệt chuẩn đã được thiết lập với tốc độ nâng nhiệt xác đònh. Hai giá trò này
được thiết lập khác nhau với từng tốc độ nâng nhiệt khác nhau.
Hình III.6 minh họa việc xây dựng đường nâng nhiệt tuyến tính với
β
=1
0
C/s.

Hình III.6. Minh họa việc xây dựng đường nâng nhiệt tuyến tính với β=1
o
C/s.
Từ đồ thò ở hình III.6 ta thấy, với tốc độ nâng nhiệt 1
0
C/s ta phải thực hiện
quét nhiệt qua 350 bước. Đường chuẩn được xây dựng bắt đầu từ nhiệt độ phòng
và tăng tuyến tính theo thời gian (qua 350 bước ta sẽ đạt được khoảng 350
0
C,
chưa kể nhiệt độ phòng).
Với tốc độ nâng nhiệt 1
0
C/s, các giá trò t
true
và t
false
lần lượt là 750ms và
1250ms.
Ngoài ra, hai giá trò quan trọng cần điều chỉnh là điện áp đầu vào cuộn sơ
cấp nhận điện thế từ Variac và điện áp đầu ra cuộn thứ cấp để cấp cho thanh
đốt.
350
350
387

37
T(
0
C)
t(s)

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
36
Chúng tôi kí kiệu:
•
D
SC
: Điện áp đầu vào cuộn sơ cấp nhận điện thế từ Variac.
•
D
TC
: Điện áp đầu ra cuộn thứ cấp để cấp cho thanh đốt.
Giá trò D
SC
được thay đổi từ 0V – 220V đến 0V – 170V, còn giá trò D
TC
chỉ
vào khoảng cỡ mV nên không xác đònh được giá trò và được đánh số từ 1 đến 4.
Do giá trò của D
TC
không được xác đònh và chúng tôi sử dụng giá trò D
TC
được
đánh số là 1 – 4 nên việc thay đổi giá trò này được điều chỉnh bằng việc thay đổi
giá trò D

SC
. Giá trò D
TC
được điều chỉnh tăng dần khi giá trò D
SC
thay đổi từ
0V-220V đến 0V – 170V, khi tốc độ nâng nhiệt tăng thì điện áp cấp cho thanh
đốt (D
TC
) cũng phải điều chỉnh tăng để đạt tốc độ nâng nhiệt mong muốn.
Với tốc độ nâng nhiệt 1
0
C/s, hai giá trò này như sau:
•
D
SC
: 0V – 220V
•
D
TC
: 1 – 3
Hình III.7 là đường nâng nhiệt tuyến tính với
β
= 1
0
C/s. Trong hình III.7
đường liền nét là đường nâng nhiệt chuẩn, đường dấu chấm là đường nâng nhiệt
thực nghiệm.

Hình III.7. Đường nâng nhiệt tuyến tính với
β
= 1
0
C/s.

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
37
Các điều kiện ban đầu như sau:
D
SC
: 0V – 220V
D
TC
: 1 – 3
Số bước = 350
t
true
= 750ms
t
false
= 1250ms
Kết quả thực nghiệm cho ta:
T
min
= 40
0

C
T
max
= 388
0
C
N
true
= 173
N
false
= 177
Tốc độ nâng nhiệt được tính theo công thức (III.2) là:
0
max min
0.99( / )
(1/ ) (1/ )
false
true
true false
T T
C s
N
N
t t
β
−
= =
 
+

 
 
 

Như vậy, kết quả thực nghiệm thu được với sai số (S) =1%.
Bằng việc thiết lập các giá trò điều kiện ban đầu thích hợp ta có thể xây
dựng được các đường nâng nhiệt tuyến tính với các tốc độ nâng nhiệt khác nhau.
Hình III.8 giới thiệu đường nâng nhiệt tuyến tính với tốc độ nâng nhiệt
β
=5
0
C/s. Đường có các dấu chấm là đường nâng nhiệt tuyến tính được xây dựng
từ thực nghiệm. Đường liền nét là đường lý thuyết được thiết lập vơi
β
=5
0
C/s.
Bảng III.1 dưới đây tổng hợp các điều kiện ban đầu và kết quả của việc
xây dựng các đường nâng nhiệt tuyến tính với các tốc độ nâng nhiệt
β
= 1, 2, 3, 5, 8 và 10
0
C/s mà chúng tôi đã thực hiện. Kết quả này có được sau
một thời gian thực nghiệm khá dài với hệ thiết bò tự lắp ráp tại BMVLCR.
Chúng tôi gặp khó khăn khi xây dựng các đường nâng nhiệt tuyến tính với tốc