本发明属于超导电子学技术领域，具体涉及一种低温微波表面电阻多模测试装置及方法。
背景技术：
与常规良导体相比，超导材料具有极低的损耗，其微波表面电阻值在微波频段比良导体低2-3个数量级，因此其在微波器件中具有重要的应用。超导材料微波表面电阻的测量能对超导材料的损耗提供量化的参考，对其制备、生产和应用具有重要意义。
目前，针对超导微波表面电阻的测量主要思路为采用被测样品构造谐振器，建立谐振器损耗与被测样品微波表面电阻(rs)的关系，通过测量谐振器品质因数，最终得到rs值。最具代表性的是被采用为超导微波表面电阻测试国际标准的双介质谐振器法。该标准使用一对介质柱1构成两个谐振器，这两个介质柱1的直径相同，高度不同，一个柱的高度是另一个柱高度的3倍，工作模式分别为te013和te011模。图1所示为现有技术中两个谐振器的结构和电磁场分布。
通过测试两个谐振器加载同一对超导薄膜2时的无载品质因数和谐振频率，可以得到介质柱1的介电常数、损耗角正切和超导薄膜2的微波表面电阻。该国家标准是将已有国际标准引入我国而形成。在国家标准的制定过程中，发明人参与了文字翻译工作和多套双介质谐振器测试装置复现性验证的部分实验工作，并按照国家标准复制了测试装置，对该测试方法有一定的理解：从结构上而言，该方法需要两片样品才能构成谐振腔；从理论模型上而言，需要样品直径大于介质直径3倍以上。对于直径较小的样品，需要减小蓝宝石直径，这将使得工作频率上升，无法直接获得样品在低频率下的微波表面电阻。
技术实现要素：
本发明的目的是解决上述问题，提供一种低温微波表面电阻多模测试装置及测试方法，该装置及方法利用填充介质圆柱谐振腔的多个模式，可以对低温下小尺寸样品在较低频率下的微波表面电阻进行直接测量。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种低温微波表面电阻多模测试装置，包括圆柱形金属腔体，以及填充于所述金属腔体中的介质材料，所述金属腔体底面设有样品孔，所述样品孔的中心轴位于金属腔体底面的中心。
优选地，所述金属腔体为金属铌腔体。
优选地，所述介质材料为蓝宝石。
优选地，所述金属腔体的内腔直径为32.2㎜，内腔高为35㎜。
一种利用上述测试装置测试微波表面电阻的多模测试方法，包括以下步骤：
s1、将导体铌放置于样品孔中，分别测量出te011工作模式和te013工作模式下的无载品质因数；
s2、将待测样品放置于样品孔中，分别测量出te011工作模式和te013工作模式下的无载品质因数；
s3、根据以上测试得到的四个无载品质因数及以下公式计算待测样品在te011工作模式和te013工作模式下的微波表面电阻值：
其中：i＝1时对应te011模式下的物理量，i＝3时对应te013模式下的物理量；
ai、bi、ci是电磁场积分的比值；
tanδi为介质材料的损耗角正切；
rsnbi为导体铌的微波表面电阻；
rssamplei为样品的微波表面电阻。
本发明的有益效果是：本发明提供的低温微波表面电阻多模测试装置，利用介质材料填充圆柱谐振腔的方式减小谐振腔的体积，增加测试腔的样品测试灵敏；利用te0mn模式电流分布仅存在角向分量的特点，采用同轴放置样品的方式，不影响工作模式电流，保证测试物理模型的有效性；该装置可对低温下小尺寸样品在较低频率下的微波表面电阻进行直接测量。采用前述装置的测试方法，利用测试多个工作模式无载品质因数的方式，计算谐振腔本身的导体损耗和介质损耗，可有效的提高测准确性。
附图说明
图1是现有技术双介质te013和te011谐振器结构及电磁场分布；
图2是本发明低温微波表面电阻多模测试装置示意图。
附图标记说明：1、介质柱；2、超导薄膜；3、金属腔体；4、介质材料；5、待测样品。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图2所示，本发明的低温微波表面电阻多模测试装置，包括圆柱形金属腔体3，以及填充于金属腔体3中的介质材料4，金属腔体3底面设有样品孔，样品孔的中心轴位于金属腔体3底面的中心。
在本实施例中，金属腔体3采用金属铌腔体；介质材料4采用蓝宝石。针对低温超导微波表面电阻的测试，工作温度在4.2k附近。而铌在9k左右进入超导态，损耗非常小，因而采用金属铌腔体可以更有效的测量样品的微波表面电阻。进一步的，介质材料4也可以采用其他损耗角正切很低的材料，目前实验来看，蓝宝石在低温下的损耗角正切最低，因此采用蓝宝石作为介质材料可以使本发明达到最佳效果。
金属铌腔体的尺寸与工作频率有关，同一个工作频率下可以有不同直径高度比，可以根据实际的设计需求进行合理调整。本实施例中，金属铌腔体的内腔直径为32.2㎜，内腔高为35㎜。
值得说明的是，本发明是针对小尺寸超导样品微波表面电阻的测试，目前所有超导材料都需要在低温环境中才能有超导性能。本发明主要针对在液氦温区(4.2k)才能实现超导的样品测试，因此整个装置都需要放置在4.2k及低于此温度的环境中才能正常工作。当然，在本发明的指导思想下，也可以作拓展，如常温下测良导体的表面电阻，其他温度下测超导的表面电阻，上述拓展也属于本发明的保护范围。
为更好的理解本发明，以下将对利用该装置进行测试的测试方法所涉及的原理进行详细的说明：
金属铌腔体即测试谐振腔工作模式为te011和te013。
根据谐振腔原理，由导体铌(nb)及蓝宝石介质材料构成谐振腔的无载品质因数，可由公式(1)表示：
其中，q0为导体铌及蓝宝石介质材料构成谐振腔的无载品质因数，tanδ为介质材料的损耗角正切，rsnb为导体nb的微波表面电阻，rssample为样品的微波表面电阻，tanδ∝f，rs∝f2，a、b、c是电磁场积分的比值。当测试装置固定，更换待测样品不改变谐振腔场分布，a、b、c的值与待测样品本身没有关系，也不会因待测样品的变化而改变，a、b、c都是与电磁场幅度无关的常数。
需要说明的是，现有仪器可以直接读出有载品质因数ql，和插入损耗|s21|(即at)，再通过公式
对于te011工作模式和te013工作模式：
其中，下标i＝1时对应te011模式下的物理量，i＝3时对应te013模式下的物理量。对于图2所示的测试谐振腔而言，ai、bi、ci的值可由te011和te013工作模式电磁场的解析表达式积分得到，也可利用数值求解的办法得到，此为本领域技术人员常规掌握，不再赘述。
根据以上原理，本发明所提供的低温微波表面电阻的多模测试方法，包括以下步骤：
s1、将导体铌放置于样品孔中，分别测量出te011工作模式和te013工作模式下的无载品质因数q01nb和q03nb；
s2、将待测样品5放置于样品孔中，分别测量出te011工作模式和te013工作模式下的无载品质因数q01sa和q03sa；
s3、将以上测试得到的四个无载品质因数分别代入公式(2)中，即可计算处待测样品5在te011工作模式和te013工作模式下的微波表面电阻值。
以下通过具体实施例对本发明进行进一步的详细说明，以进一步展示本发明的优点：
对于d＝32.2mm，l＝35mm，填充蓝宝石的圆柱谐振腔而言：
a1＝a3＝1；
b1＝3.8905276×10-3，b3＝2.5511041×10-3；
c1＝3.20926×10-5，c3＝9.99465×10-5。
1、te011模式的谐振频率fte011＝4.020330757ghz；
2、te013模式的谐振频率fte013＝5.734163716ghz；
根据tanδ∝f，rs∝f2，
根据公式(3)～(8)和测试得到的q01nb、q03nb、q01sa和q03sa，即可得到待测样品5分别在两个模式谐振频率下的微波表面电阻rssample1和rssample3。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。