Физические процессы в ансамбле вихрей магнитного потока в иттриевых сверхпроводниках в неоднородном локальном магнитном поле

Касаткина, Татьяна Игоревна

Физические процессы в ансамбле вихрей магнитного потока в иттриевых сверхпроводниках в неоднородном локальном магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Касаткина, Татьяна Игоревна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Воронеж МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Физические процессы в ансамбле вихрей магнитного потока в иттриевых сверхпроводниках в неоднородном локальном магнитном поле»

Автореферат диссертации на тему "Физические процессы в ансамбле вихрей магнитного потока в иттриевых сверхпроводниках в неоднородном локальном магнитном поле"

На правах рукописи

Касаткииа Татьяна Игоревна

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АНСАМБЛЕ ВИХРЕЙ МАГНИТНОГО ПОТОКА В ИТТРИЕВЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ В НЕОДНОРОДНОМ ЛОКАЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Курск-2013

21 НОЯт

005538890

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет на кафедре «Физика твердого тела»

Научный руководитель доктор физико-математических наук, доцент,

Голев Игорь Михайлович

Официальные оппоненты: Харламов Владимир Федорович,

доктор физико-математических наук, Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс (г. Орел), профессор кафедры физики;

Санин Владимир Николаевич,

доктор физико-математических наук, Военно-воздушная инженерная орденов Ленина и Октябрьской Революции Краснознаменная академия имени профессора Н.Е. Жуковского (г. Воронеж), профессор кафедры физики и химии

Ведущая организация Воронежский государственный университет

инженерных технологий, г. Воронеж

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.105.04 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета.

Автореферат разослан «_» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.105.04, кандидат физико-математических наук (~Ы — Рослякова Л. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Технические устройства с использованием сверхпроводников обладают макроскопическими квантовыми эффектами и имеют потенциально лучшие параметры по сравнению с приборами «нормального» исполнения. Ограничивающим фактором являются физические процессы, связанные с движением вихрей магнитного поля в объеме сверхпроводника. Они связаны с особенностями как динамики вихрей магнитного поля, так и особенностями их взаимодействия с реальной кристаллической структурой.

В настоящее время широкое распространение получили сверхпроводящие устройства с использованием постоянных магнитов на основе редкоземельных элементов. Их особенностью является переход их конструкционных элементов в сверхпроводящее состояние при наличии магнитного поля - в режиме FC (field cooling process). Кроме того, в объеме сверхпроводников присутствует неоднородное локальное магнитное поле, которое определяет особенности физических процессов в вихревой структуре.

В предлагаемой работе проведены экспериментальные исследования физических процессов в ансамбле вихрей магнитного потока в иттриевых сверхпроводника состава 1-2-3. Наибольший научный интерес представляют исследования процесса пиннинга вихрей, их вязкого движения и релаксационных явлений. Это необходимый шаг на пути построения картины поведения сверхпроводников в неоднородном локальном магнитном поле. Проблема является фундаментальной, без ее решения эффективное использование данных материалов в технических устройствах не представляется возможным.

Тематика диссертации соответствует "Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований", утвержденных президиумом РАН (раздел 1.2 - "Физика конденсированного состояния вещества"). Выполненная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела по плану госбюджетной темы НИР № ГБ 2007.23 - «Синтез, структура и физические свойства новых конструкционных и функциональных материалов» в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Цель работы. Выявление физических закономерностей процессов, протекающих в ансамбле вихрей магнитного потока в итгриевых высокотемпературных сверхпроводниках различной структуры, в условиях воздействия неоднородного локального магнитного поля.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Разработать и создать экспериментальную установку для исследования физических процессов в ансамбле вихрей высокотемпературных сверхпроводников в неоднородном локальном магнитном поле величиной 0,05-0,2 Тл, тем-

пературой 77К, чувствительностью по силе 2-10"3Н, скоростью движения области магнитного потока 0-0,15 м/с.

2. Исследовать влияние пиннинга вихрей неоднородного локального магнитного потока на особенности механического взаимодействия магнитной системы и сверхпроводника.

3. Экспериментально исследовать предельно возможные параметры сил пиннинга и критического тока иттриевых ВТСП.

4. Исследовать изменения сверхпроводящих параметров иттриевых сверхпроводников в зависимости от времени их хранения в атмосфере.

5. Изучить релаксационные процессы в ансамбле вихрей иттриевых сверхпроводников при воздействии неоднородного локального магнитного поля.

Объект исследований. В качестве объектов исследования использовались высокотемпературные массивные сверхпроводники системы УВаСиО состава 1-2-3 изотропной керамики и полученные по технологии Тор-8еес1ес1-МеИ-ОгошИт СоединениеУ, Ва2Си307.5 является типичным представителем высокотемпературных сверхпроводников и может рассматриваться как модельная система для изучения основных физических процессов, протекающих в условиях воздействия внешних магнитных полей. Кроме того, выбор материалов обусловлен следующими причинами:

- используемые технологии их получения достаточно отработаны, что позволяет изготавливать образцы хорошего качества, с заданным фазовым составом, воспроизводимыми свойствами и необходимых размеров;

- многие физические свойства данных соединений хорошо изучены, что облегчает интерпретацию полученных в работе результатов.

Научная новизна работы обусловлена изучением динамики вихрей неоднородного локального магнитного потока и определяется следующими результатами:

1. Установлено, что характер механического взаимодействия магнитной системы со сверхпроводником обусловлен пиннингом вихрей на дефектах реальной кристаллической структуры.

2. Обнаружено явление возникновения дополнительной механической силы, направленной противоположно градиенту неоднородного магнитного поля, и вызванное движением ансамбля вихрей в сверхпроводнике.

3. Экспериментально доказано, что при охлаждении сверхпроводника в магнитном поле пинингование вихрей происходит на дефектах кристаллической структуры в соответствии с принципом минимизации свободной энергии.

Практическая значимость работы. Полученные результаты способствуют углублению фундаментальных представлений о процессах, происходящих в ансамбле вихрей иттриевых сверхпроводников с различной структурой, находящихся в неоднородных локальных магнитных полях. Это, в свою оче-

редь, является необходимым при разработке сверхпроводящих элементов криогенных устройств: чувствительных элементов криогенных гравиинерциальных приборов, топологических генераторов, ВТСП двигателей, МЭМП и НЭМП. Предложенная для проведения исследований физических и магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников установка запатентована.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту. На основании результатов проведенных исследований были сформулированы следующие основные положения, выносимые на защиту:

1. Движение ансамбля вихрей магнитного потока в объеме сверхпроводника в неоднородном локальном магнитном поле вызывается механической силой, величина которой определяется процессами их пиннинга.

2. Измерение механической силы действующей на сильно и слабо запин-нингованные вихри позволяет определить максимальный критический ток и предельную силу пиннинга.

3. Деградационная устойчивость иттриевых сверхпроводников во многом определяется технологией их изготовления: у изотропных ВТСП она существенно ниже чем у крупнодоменных.

4. В ансамбле вихрей неоднородного локального магнитного поля наблюдается релаксационный процесс, имеющий время релаксации 120 - 300 с, вызванный термоактивированным депиннингом вихрей.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на III Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009); VII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2010); 50-й научно -технической конференции профессорско - преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов (Воронеж, 2010); IX Международной заочной научно-практической конференции «Естественные и математические науки в современном мире» (Новосибирск, 2013); VII Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы математики, физики, биологии» (Москва, 2013); XVI Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: инновации в современном мире» (Москва, 2013).

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 - в рецензируемых научных изданиях. Имеется 1 патент на полезную модель. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежит подготовка и проведение эксперимента, получение и анализ экспериментальных данных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 124 наименований. Основная часть работы изложена на 115 страницах, содержит 46 рисунков, 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, определены объекты исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные результаты и положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, структуре и объеме диссертации.

В первой главе дается обзор по теме диссертации. Рассмотрены основные результаты, полученные с использованием методов, которыми проводятся исследования механических сил, моментов и диссипации энергии, движущихся в магнитном поле сверхпроводника; а также ряд сверхпроводящих устройств, для которых диссипативные процессы в элементах оказывают существенное влияние на работоспособность. Первая глава состоит из четырех разделов. В первом разделе главы собраны и проанализированы наиболее значимые результаты исследований динамики магнитного потока в сверхпроводниках механическим методом в однородном магнитном поле. Показано, что измерения в статике, с помощью которых судили о величине механических сил и их моментов, действующих на сверхпроводник в магнитом поле, позволили исследовать диссипативные процессы в сверхпроводниках и дали достаточно полную информацию о силе закрепления вихрей Абрикосова и энергии их взаимодействия с дефектами кристаллической решетки.

Во втором разделе первой главы рассмотрены результаты исследований в случае воздействия на сверхпроводник неоднородного магнитного поля. Рассмотренные работы посвящены исследованию сверхпроводящих пластин, располагающихся между полюсами магнитной системы. Показано, что исследование сверхпроводников в данной физической ситуации позволяет получать большую информацию об их поведении в магнитном поле. Было исследовано проникновение магнитного поля в объем сверхпроводника, динамика вихревой структуры и релаксационные явления в условиях влияния реальной кристаллической структуры. На основании приведенной теоретической модели были изучены эти физические процессы, получены количественные оценки ряда параметров сверхпроводников: критические поля, сила пиннинга, критический ток, энергия активации вихрей, модуль упругости вихревой решетки.

В третьем разделе главы рассмотрены сверхпроводниковые магнитные опоры на основе иттриевых ВТСП, их основные параметры, особенности конструктивных решений и существующие методы определения их электромагнитных и левитационных характеристик. Показано, что в подобных устройствах сверхпроводящие элементы подвергаются воздействию неоднородного локального магнитного поля.

В четвертом разделе рассмотрены объемные образцы иттриевой керамики, особенности технологий их получения, факторы, влияющие на достижения требуемых физических свойств, проблемы и способы их разрешения на пути улучшения сверхпроводящих качеств. Показано влияние ориентации зерен на полученную текстуру, а также таких проблем, как низкая скорость кристаллизации; необходимость контроля температурных градиентов в высокотемпературном процессе; ограниченный размер полученных доменов, сопровождаемый их разориентацией, микротрещинами и неоднородной композицией; уплотнение образца, управляемое поверхностным натяжением. Приведены сведения о существующих ныне методах кристаллизации иттриевых сверхпроводников из расплава.

На основании рассмотренных источников было показано, что движение СП в однородных и неоднородных магнитных полях приводит к появлению дополнительных механических моментов в системе сверхпроводник-магнит и диссипации энергии механического движения в его объеме. Природа этих физических явлений зависит как от внутренних, так и от внешних факторов. К внутренним факторам отнесены характер динамики вихрей магнитного потока в объеме сверхпроводника, наличие в нем различных по размерности дефектов и особенности взаимодействия с ними вихрей. Внешними факторами являются характер магнитного поля (однородное или неоднородное, локальное или нелокальное), его ориентация относительно поверхности сверхпроводника и его фактор размагничивания.

Физические процессы, которые реализуются во многих сверхпроводящих устройствах с использованием массивных сверхпроводников, при воздействии на них неоднородных локальных магнитных полей исследованы недостаточно. Поэтому в работе были поставлены задачи исследования поведения сверхпроводников при воздействии на них перпендикулярного их поверхности локального неоднородного магнитного поля и выявления закономерностей динамики вихрей магнитного потока при наличии различных внешних и внутренних факторов, таких как реальная кристаллическая структура сверхпроводника, определяющаяся технологией изготовления; распределение магнитного поля в объеме сверхпроводника. В качестве объектов исследований были выбраны массивные иттриевые сверхпроводники, которые в настоящее время нашли наиболее широкое практическое применение.

Во второй главе проводится описание разработанной и изготовленной экспериментальной установки, отвечающей поставленным требованиям по диапазону параметров и чувствительности, а также рассмотрены вопросы методики и техники проведения эксперимента. Описываются технологии изготовления массивных иттриевых образцов. Вторая глава состоит из двух разделов.

В первом разделе описана установка для исследования физических и магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников в неоднородном локальном магнитном поле величиной 0,05-0.2 Тл, при температуре 77 К, с чувствительностью по силе 2-10"3Н, при скорости движения области магнитного

потока 0 - 0,15 м/с. Установка включается в себя низкотемпературную часть, измерительный модуль и электронные измерительные устройства. Исследуемый сверхпроводник в форме диска в мейсснеровском состоянии на подвижной системе вывешивается с помощью торсионного подвеса. В его объеме под действием постоянных магнитов, размещенных на магнитном экране и выполненных из магнитного сплава ШРеВ с полем В0, превышающем первое критическое поле ВК1, формируются три неоднородные локальные области магнитного поля (НЛП) в виде вихрей Абрикосова. Основным измеряемым параметром в исследованиях является величина угла поворота сверхпроводящего диска от угла поворота магнитной системы. Установка позволяет проводить исследования при различных внешних условиях: величины воздействия постоянных магнитных полей и меняющейся скорости вращения магнитной системы.

Во втором разделе рассмотрены технологии изготовления массивных ит-триевых металлооксидов методами твердофазного синтеза и текстурирования из расплава, приводятся условия изготовления и даны основные электрофизические параметры образцов.

В третьей главе, состоящей из четырех разделов, рассмотрены результаты исследования механического эффекта в иттриевых высокотемпературных сверхпроводниках в неоднородном локальном магнитном поле, в зависимости от различной величины внешнего магнитного поля и скорости его движения.

В первом разделе показано, что используемая методика позволяет обнаружить механический эффект и проводить исследования поведения ансамбля вихрей. Результаты представлялись в виде зависимостей силы, действующей на вихри НЛП, от величины перемещения локальной области магнитного поля - по дуге окружности радиусом . Было обнаружено, что зависимость

имеет три выраженных участка: ОА, АВ и ВС (см. рис. 1). н

О 5 10 15 20 25 30 Z, мм

Рис. 1. Влияние величины магнитной индукции Во на зависимости !•'(:): 1- 0,2 ; 2- 0,15; 3-0,1; 4- 0,05 Тл; образец партии ОТ-1

С ростом г на участке ОА значение ¥(г) линейно увеличивается и функциональную зависимость можно представить в виде Р~г, на участке АВ — монотонно уменьшается, на участке ВС кривая выходит на насыщение, а сила, действующая на вихри, не зависит от смещения г.

В нашей экспериментальной ситуации при охлаждении сверхпроводящего диска в поле перпендикулярном его поверхности в режиме РС распределение локального магнитного поля в объеме сверхпроводника Вш (амс) совпадает с распределением поля магнитной системы В0(амс). При некотором малом смещении магнитной системы на угол Дамс поле магнитной системы сместится относительно вихрей, закрепленных на центрах пиннинга. В этом случае поле В0, (амс) не будет совпадать с полем В0(амс). Считая, что все вихри изначально закреплены, при достаточно малых значениях Дамс, распределение поля в объеме сверхпроводника будет

В{ «мсАасм =В0ехр(-Р(амс-Дасм)2) (1)

Вихри локальной области магнитного поля В0(амс) можно охарактеризовать магнитным моментом рт. В данных областях неоднородного магнитного поля на них будет действовать возвращающая сила, среднее значение которой для N вихрей НЛП определяется углом поворота магнитной системы Аа„с:

г , 1 А аво(амс) А „

/сР Л0Ст = _2шшРт «мс^см (2)

На начальном участке кривых, представленных на рис. 1, величина /ср Лаш не превышает силу пиннинга всех вихрей локальной неоднородной области магнитного потока, величина которой оценена как

Рр=М, (3)

где /¡- сила пиннинга единичного вихря, ¿У - число вихрей в НЛП.

При этом наблюдается обратимое (упругое) смещение вихрей и соответственно зависимость является линейной функцией на участке ОА. С ростом величины Аасм увеличивается сила, приложенная к вихрям НЛМ, и при превышении силы пиннинга слабо закрепленных вихрей происходит их срыв с центров закрепления. Они увлекаются магнитным полем магнитной системы и начинают движение про окружности радиусом Ксп. Сила пиннинга вихрей НЛП различна, число депиннингованных вихрей будет нарастать по мере поворота магнитной системы и движении НЛП по дуге г. По мере смещения поля магнитной системы все больше вихрей будет сорвано с центров пиннинга, что и объясняет характер зависимости кривой на участке АВ. Дальнейший рост силы ^ приведет в конечном итоге к срыву всех вихрей, при этом она будет равна

/ср = (4)

где/- значение силы пиннинга единичного вихря.

Для кривых на рис. 1 это область насыщения, характеризуемая силой Ртах. Величина этой силы характеризует удельную силу пиннинга ансамбля

вихрей Рр магнитного поля в области сверхпроводника 7НЛП при заданном значении В0:

(5)

Кроме силы, обусловленной пиннингом вихрей, существует и сила, связанная с вязким движением свободных вихрей в объеме сверхпроводника:

2 = ^вМс, (6)

где г) - коэффициент вязкости; ув - скорость движения вихрей, равная vнлп -скорости движения области НЛП, - число свободных вихрей.

Во втором разделе рассмотрена подробно область малого магнитного поля, где имеет место линейная зависимость Р(:). В рамках предлагаемых модельных представлений это объясняется тем, что на этом участке осуществляется силовое взаимодействие магнитного поля магнитной системы с вихрями магнитного потока области НЛП, запиннингованными на дефектах кристаллической решетки. В конце линейного участка происходит срыв вихрей, количество которых описывается формулой:

ЛГС 2 = ЛГ[1-ехр(-|-)2], (7)

Кр

где кр- коэффициент, определяющий характером статистического распределения силы пиннинга вихрей (центров пиннинга). По сути эта ситуация соответствует переходу СП в резистивное состояние, когда вихри депиннингуются за счет силы Лоренца при протекании транспортного тока. В нашей ситуации срыв вихрей осуществляется за счет силы взаимодействия магнитного момента вихря и поля магнитной системы.

Проводя аналогию между движением вихрей в резистивном состоянии СП и их движением в нашей экспериментальной ситуации, аналогом транспортного тока будет количество свободных вихрей А^, возникающих при воздействии силы Аналогом напряжения - смещение вихрей под действием тока. Преобразовав уравнение (7) в виде г = / , получим:

г = -кр1п . (8)

То есть появление в СП диске при движении области НЛП свободных вихрей означает переход сверхпроводника в резистивное состояние, а сила, приложенная к сверхпроводнику в этом случае, является критической 1<~с. Определив экспериментально ее значение, можно вычислить и величину критического тока Jc

/смех Г (9)

Принцип измерения Рс заключался в определении точки появления гистерезиса на зависимости Р(:) путем цикличного изменения величины смещения г «увеличение-уменьшение» при ее росте. Результаты экспериментов для образцов текстурированной и изотропной иттриевой керамики представлены на рис.2 и рис.3 соответственно.

Р, н'

0,4-

0,3

0,0

—V-V—V 4

Рис. 2. Влияние величины магнитной индукции Во на зависимости 1- 0,2 ; 2- 0,15; 3- 0,1; 4- 0,05 Тл; образец тестурированной керамики ОТ-2

р. н 0,09

0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00

/ 0

< /

> — 0—>- 3

—□—о- •□—о—

Щ^а-Ч П I 1 4

О 5 10 15 20 25 30 мм

Рис. 3. Влияние величины магнитной индукции Во на зависимости К(:): 1- 0,2 ; 2- 0,15; 30,1; 4- 0,05 Тл; образец изотропной керамики ОИ-1

Рассчитанные значения критической силы пиннинга и критического тока при значениях Во=0,2 Тл для образцов партии ОТ-1, ОТ-2 и ОИ-1 приведены в табл. 1-3 соответственно.

Таблица 1

Магнитное поле, Во, Тл Сила пиннинга, Ррс, Н/м3, 103 Сила пиннинга единичного вихря, /-, Н/м3, 10"5 Ток крит./смех А/м2, 106

0,05 240 15 4,7

0,1 330 7,3 3,3

0,15 420 5,3 2,8

0,2 520 4,5 2,6

Таблица 2

Магнитное поле, Во, Тл Сила пиннинга, FpC, Н/м3, 103 Сила пиннинга единичного вихря, /¡, Н/м3, Ю"5 ТОК Крит, /смех А/м2, 106

0,05 260 12,5 3,9

0,1 280 6,7 2,8

0,15 350 4,7 2,3

0,2 425 3,6 2,1

Таблица 3

Магнитное поле, В0, Тл Сила пиннинга, Грс, Н/м3, 103 Сила пиннинга единичного вихря, Н/м3, 10"5 ТОК Крит, /смех А/м2, 106

0,05 23 1,5 0,45

0,1 38 0,09 0,39

0,15 47 0,06 0,31

0,2 5 0,045 0,26

Графическое представление полученных результатов показано на рис.4. Видно, что с ростом величины магнитной индукции поля плотность критического тока уменьшается. Для текстурированной керамики критический ток на порядок больше чем у изотропной. В области полей 0,05 -0,1 Тл для таких образцов ./с снизился в 1,5 раза, а для СП ОИ-1 в 1,1 раза. Это объясняется тем, что величина критического тока в гранулированных сверхпроводниках определяется прежде всего межгранульной средой, сверхпроводящие свойства которой существенно хуже гранул.

На рис. 5 представлены полевые зависимости величины силы пиннига Ррс ансамбля вихрей области неоднородного локального магнитного поля. Видно, что с ростом величины магнитной индукции наблюдается увеличения силы пиннига, который составил для ВТСП партии ОТ - 1,35 раза, а для ОИ - 1,6 раза. Факт разнонаправленного изменения величин Грс и объяснется

уменьшением силы пиннига единичного вихря, что связанно с межвихревым взаимодействием.

,10*. М*1

■ч ч

О" --- 1 2

550 500 450 400 350 300 250 200 150 50

0.04 0,06 0,08 0.10 0.12 0,14 0,1в 0,18 0.20 В, ТА

„у 1

1 1

1 1 2

! 1 I

[К

\ 1 3

л— — —1 т

Рис. 4. Полевая зависимость критического тока 1 - образец партии ОТ-1; 2 - ОТ-2; 3- ОИ-1

0.04 0,06 0.08 0,10 0.12 О.Н 016 0,18 0.20 В .Тл

Рис. 5. Полевая зависимость силы пиннинга вихрей в области НЛП /-/)с: 1 - образец партии ОТ-1; 2 - ОТ-2; 3-ОИ-1

В третьем разделе проведена оценка предельно возможных значений критического тока и силы пиннинга. При больших значениях силы ^ превышающих силу пиннинга всех вихрей области НЛП, происходит открепление их центров, и при дальнейшем движении магнитной системы происходит их движение в кристаллической структуре сверхпроводника (участок ВС, кривая 1, рис.1). Значение силы Ртах, при котором это происходит, можно определить как предельное значение величины пиннинга, которое может быть достигнуто в данном образце Рртах при заданном значении магнитного поля. В случае экспериментального определения предельно возможного критического тока происходил депиннинг всех вихрей, как слабо, так и сильно закрепленных. При движении слабо закрепленных вихрей была оценена величина единичной силы их пиннинга, которая лежала в пределах (2-4)-10"5 Н/м3 (рис.6, кривая 2), их количество составляло порядка 5% от общего числа.

При определении ]стах определяющую роль играют оставшиеся 95% вихрей, среднее значение единичной силы пиннинга которых существенно выше (рис. 6, кривая 1). Как видно из этой зависимости, наибольшее значение / наблюдается в области малых полей. Это объясняется тем, что при формировании ансамбля вихрей НЛП вихри в первую очередь закрепляются на тех центрах пиннинга, где реализуется наибольший энергетический выигрыш и, соответственно, обеспечивают наибольшую силу пиннинга. На рис. 7 представлены значения критических токов ]стах и /смех для изотропных сверхпроводников. В отличие от текстурированных СП, в области больших полей характер зависимостей различается.

\ N..

\ 0 1

......1........!.......................

•

0,04 0,06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 020

В,

Рис. 6. Полевая зависимость критических токов: 1 - ]стах ; 2 -/смех; образец из партии ОТ-1

090 0.85 0.80 0.75 0,70 0.65 0,80 0.55 0,50 0,450.40 0.35 0.30 0.25

0.04 0 06 0 03 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0 2 0 8 Т)

Рис.7. Полевая зависимость критических токов: 1 - ]стах ; 2 -Усмех; образец из партии ОИ-1

В четвертом разделе исследована атмосферная деградация сверхпроводящих параметров иттриевых сверхпроводников. Проведены резистивные измерения основных электрофизических параметров: удельного сопротивления р„, критического тока температуры начала Тпн и окончания Т,ю сверхпроводящего перехода до и после хранения образцов в атмосфере в течение 6 месяцев. Было обнаружено, что для выдержанных образцов в области малых углов поворота кривые (линейные участки) идут несколько ниже. В области насыщения кривые Ь'(:) практически совпадают. Это свидетельствует о снижении для них величины Грс и соответственно Также выявлено, что при хранении образцов в атмосферном воздухе в течение 6 месяцев наблюдается заметная деградация их сверхпроводящих параметров: происходит увеличение сопротивления СП в нормальном состоянии. Наибольшие изменения происходят для изотропных образцов, рн возрастает на 138%, а для текстурированных сопротивление увеличилось на 40%. Температуры начала сверхпроводящего перехода упали соответственно на 1,3 и 0,7 К.

В четвертой главе, состоящей из двух разделов, рассмотрены особенности движения вихрей, созданных неоднородным локальным магнитным полем, и связанные с данным движением процессы диссипации энергии в объеме сверхпроводника, а также процессы релаксации в ансамбле вихрей.

В первом разделе было показано, что при движении сорванных вихрей в объеме СП диска на него действует сила трения, обусловленная вязким движением вихрей, значения коэффициента вязкости при этом 1,1-10"'° Па-с. Также дополнительно возникает механическая сила Рвср в направлении от магнитной системы, связанная с наклоном вихрей. Для обнаружения подобных закономерностей были проведены эксперименты, в которых измерялся угол поворота сверхпроводящего диска Д„ от скорости вращения магнитной системы со. Скорость вращения магнитной системы изменялась в пределах от 25 до 110 об/мин,

Fnz = B0vBNc,

l в„ 0

(10)

что соответствовало скоростям движения вихрей по круговой траектории от 0,03 до 0,15 м/с. На рис. 8. представлены зависимости максимальной силы приложенной к сверхпроводящему диску Рутах для одной области НЛП, от скорости движения вихрей магнитного потока г>в.

Величину силы, возникающей при движении вихрей, определяют как

в», в0

где сгп - сопротивление СП в нормальном состоянии, Вс2 - второе критическое поле.

Из данной формулы сделан вывод, что сила вязкого трения зависит и от величины магнитного поля В0.

Для определения механизма возникновения Рвер была смоделирована следующая физическая ситуация, рис.9. Из рисунка видно, что угол ф можно оценить из соотношения

<р = arctg

Для скорости движения вихрей в объеме сверхпроводника 0, 12 м/с значения сил для одной области НЛП: ^ г,В0 = 0,17 Н, Ркр = 0,087. Тогда угол наклона вихрей будет равен ф«30°.

Во втором разделе проведены исследования релаксационного процесса

при движении ансамбля вихрей в иттриевых сверхпроводниках в неоднородном локальном магнитном поле. Была исследована релаксация механического момента при повороте сверхпроводящего диска в неоднородном локальном магнитном поле. Исследования релаксационных процессов проводились следующим образом. При некотором угле поворота а) возникает сила вызывающая поворот СП диска 1 на угол Д. Далее увеличение угла аI прекращалось, и с этого момента проводились измерения изменения угла р! во времени /. Сверхпроводящий диск, как показали исследования, в этих условиях продолжал поворачиваться на некоторый дополнительный угол Л р. При этом проводились измерения зависимости АР от времени I.

0.00 0,05 0.10

Рис. 8 Зависимость максимальной силы, приложенной к сверхпроводящему диску F „ тах, от ско рости движения вихрей. 1 - партия ОТ-1, 2 ОТ-2

На зависимости Р(:) были выбраны точки А, В, С и Э, в которых количество закрепленных вихрей в области НЛП в соответствии с формулой (7) было 60, 40, 25 и 10% соответственно (рис.10).

На рис. 11 представлены характерные временные зависимости дополнительного угла Лр при увеличении силы воздействия и, соответственно, уменьшении числа закрепленных вихрей. Так, с ростом значения силы ^ величина : смещения вихрей увеличивается: при Р = 0,07 Н (в точке А) дополнительное смещение составило 1 мм, а при Р = 0,4 Н (в точке Б) - 4,3 мм. В результате зависимость лр = / 1Ш на начальном участке линейная, что свидетельствует о релаксационной природе наблюдаемого явления. Оцененное время релаксации процесса составило 120 - 300 с.

г.н

В»

Рис. 9. Схематичное изображение расположения вихря в объеме сверхпроводника. 1- вихрь магнитного поля, 2- объем сверхпроводника.

Б ^

в 0 Р 4

......А...../•......... /

Точка О

У" 1

/ / / / , ' / / Ч V Точка С 0 о 2

_д_ _ Точка В д

-- -V— -V—V- 1 очкам —V-V 4

Р/ '• V7" -1-1-

Рис. 10. Точки измерения релаксаци- Рис. 11. Характерные зависимости ЛР онных явлений на зависимости от времени /. Образец серии ОТ-1, В0 =

Образец серии ОТ-1, В0 = 0,2 Тл 0,2 Тл

При воздействии на вихри ансамбля силы, возникающей при повороте магнитной системы, возникает возмущение, выводящее вихри, запиннингован-ные на дефектах кристаллической структуры, из состояния равновесия. Если энергия возмущения £/„ вихря, за счет приложенной к нему внешней силы Ь" превышает энергию пиннинга и0, то вихрь срывается с центра пиннинга. В

противном случае он остается закрепленным, но энергетический барьер закрепления уменьшается и становится равным и0 - {/„.

В нашей экспериментальной ситуации отсутствует влияние различного рода нестабильностей (переменная составляющая магнитного поля, сейсмические помехи и т.д.) на вихревую структуру, и появление дополнительного поворота диска сверхпроводника во времени (уменьшение величины возмущения системы) связано с термоактивируемым срывом вихрей с центров пиннинга. Термоактивированное движение вихрей вызывает увеличение угла поворота СП диска до величины р2

р Ъ. = _ Ь. Ар . 1 _ ехр(-М*) (12)

Км N Км Н1 кТ ' у '

Величина дополнительного угла, который определяется в эксперименте, тогда будет равна

ЛР=Р2-Р^- £ .1-ехр(-^) (13)

Среднее значение энергии активации вихрей было вычисленно как

и0 = им- Ы 1 - ехр(—Ям ■ ^ кТ (14)

Кр

При различных значениях экспериментально определялись соответствующие значения Ар. При условии им -> 0, что соответствует условию Р -» О в соответствии с

определялось значение ид ■

При (У0 — им)=0 приложенная к вихрю сила возмущения по формуле (15) равна силе пиннинга. В этом случае можно было оценить величину ширины потенциальной ямы 2г0.

Таким образом, определены величины энергии активации и значения ширины потенциальной ямы. Для исследуемых образцов иттриевой керамики при В0 = 0,2 Тл значения энергии активации (//>, для изотропной керамики порядка 30 мэВ, для текстурированной порядка 45 мэВ. Расчетные значения ширины потенциальной ямы 2г0 соответственно 35 и 20А. Исследования влияния магнитного поля показали, что с ростом величины его индукции энергия активации увеличивается, как и объемная сила пиннинга Грг. Для сверхпроводников партий ОТ-1 и ОТ-2 значения энергии активации и ширины потенциальной ямы практически не отличались, что свидетельствует о слабой зависимости этих параметров от пористости материала и малом влиянии их на величины критического тока и силы пиннинга.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана и создана установка для исследования физических процессов в ансамбле вихрей неоднородного локального магнитного поля в иттри-евых сверхпроводниках, имеющая следующие параметры:

- диапазон используемых магнитных полей 0,05- 0,2Тл;

- температура измерения 77 К;

- чувствительность по силе 2-10"3Н;

- скорость движения неоднородных локальных областей магнитного

потока 0-0,15 м/с;

- диаметр образцов 30 - 55 мм.

2. Впервые проведены исследования физических процессов в ансамбле вихрей, созданных неоднородным локальным магнитным полем. Показано, что величина механической силы, приложенной к ансамблю вихрей, определяется их пиннингом.

3. Показано, что с ростом величины магнитного поля энергия активации единичного вихря уменьшается из-за их взаимодействия.

4. Измерение максимальной силы механического взаимодействия магнитной системы и сверхпроводника позволяет оценить предельно возможные значения его критического тока и силы пиннинга сверхпроводника.

5. Показано, что при охлаждении сверхпроводника в присутствии магнитного поля вихри пиннингуются, в первую очередь, на дефектах кристаллической структуры, на которых достигается наибольший энергетический выигрыш.

6. При движении в объеме сверхпроводника областей неоднородного локального магнитного поля возникает наклон вихрей, приводящий к возникновению дополнительной механической силы, направленной в сторону уменьшения магнитного поля.

7. Экспериментально определены значения коэффициента вязкости при движении вихрей в образцах с разной кристаллической структурой. При магнитном поле 0,2 Тл его величина порядка Ю~10 Па с. С ростом силы пиннинга его величина возрастает.

8. В ансамбле вихрей наблюдается релаксационный процесс с диапазоном времен релаксации 120 - 300 с, который обусловлен термоактивированным депиннингом вихрей.

9. Атмосферная деградация иттриевых сверхпроводников снижает энергию активации центров пиннинга, расположенных в межгранулярной среде и в приповерхностных слоях гранул. Это объясняет тот факт, что деградационная устойчивость изотропной керамики существенно ниже, чем у крупнодоменной.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в рецензируемых научных изданиях 1. Касаткина, Т.И. Магнитодинамика вихрей неоднородного локального магнитного поля в иттриевых сверхпроводниках [Текст] / Т.И. Касаткина, И.М. Голев, Н.Д. Писаренко // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Физика и Химия. - Курск, 2013,- №1. - С. 53-61.

2. Голев, И.М. Релаксационные процессы в ансамбле вихрей неоднородного локального магнитного поля в итгриевых сверхпроводниках [Текст] / И.М. Голев, Т.И. Касаткина // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Физика и Химия. -Курск, 2013. - №1. - С. 39-44.

3. Милошенко, В.Е. Исследование высокотемпературных сверхпроводников при их вращении в магнитном поле [Текст] / В.Е. Милошенко, Т.И. Касаткина // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2011. - Т. 77. - №4,-С. 31-34.

Статьи и материалы конференций

4. Касаткина, Т.И. Установка для исследования магнитомеханического эффекта высокотемпературных сверхпроводников при их вращении в магнитном поле [Текст] // Сборник материалов VII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». - М.: Интерконтакт наука. - 2010. - С. 143-144.

5. Касаткина, Т.И. Установка для исследования высокотемпературных сверхпроводников в неоднородном магнитном поле [Текст] / Т.И. Касаткина, И.М. Голев // Сборник статей по материалам IX международной заочной научно-практической конференции. (19 августа 2013 г.) - Новосибирск: Изд-во «Си-6АК». - 2013. - С. 54-62.

6. Касаткина, Т.И. Определение величины плотности критического тока итгриевых сверхпроводников при движении в неоднородном магнитном поле [Текст] / Т.И. Касаткина, И.М. Голев // Сборник статей по материалам VII международной заочной научно-практической конференции. - М.: Изд-во «Международный центр науки и образования»,- 2013. - С. 26-36.

7. Касаткина, Т.И. Атмосферная деградация сверхпроводящих свойств высокотемпературных сверхпроводников на основе иттрия [Текст] / Т.И. Касаткина, И.М. Голев // Сборник статей по материалам XVI международной заочной научно-практической конференции. - М.: Изд-во «Международный центр науки и образования. - 2013. - С. 8-16.

8. Милошенко, В.Е. Влияние вращения сверхпроводника на динамику магнитного потока [Текст] / В.Е. Милошенко, В.М. Кармазин, Т.И. Касаткина // Сборник материалов Третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». - М.: Интерконтакт наука. - 2009. -Т.1. - С.147-148.

9. Касаткина, Т.И. О магнитомеханическом эффекте классических сверхпроводников в звуковом диапазоне частот [Текст] / Т.И. Касаткина, В.Е. Милошенко // Материалы 50-й научно - технической конференции профессорско -преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. — Воронеж: ВГТУ. -2010,- С.21.

10. Касаткина, Т.И. Установка для исследования магнитомеханического эффекта в высокотемпературных сверхпроводниках [Текст] / Т.И. Касаткина, В.Е. Милошенко // Материалы 50-й научно - техниче-

ской конференции профессорско- преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. — Воронеж: ВГТУ. - 2010.- С.20.

Патенты

11. Пат. 123973 Российская Федерация. МПК С01Я 33/12. Установка для исследования физических и магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников. Касаткина Т.И, заявитель и патентообладатель Касаткина Т.И. -№2012119559/28; заявл. 11.05.2012, опубл. 10.10.2013, Бюл. №1.

Подписано в печать 14.11.2013 Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 228

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Касаткина, Татьяна Игоревна, Воронеж

Воронежский государственный технический университет

На правах рукописи

КАСАТКИНА Татьяна Игоревна

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание учёной степени кандидата

физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

доцент Голев И. М.

Воронеж 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 4

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9

1.1 Движение магнитного потока в сверхпроводниках в однородном магнитном поле 10

1.2 Неоднородные магнитные поля 24

1.3 Сверхпроводниковые магнитные опоры с использованием иттриевых ВТСП 29

1.4 Объемные образцы УВаСиО 35 ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, ОБОРУДОВАНИЕ И ОБРАЗЦБ1 47

2.1 Установка для исследования высокотемпературных сверхпроводников в неоднородных магнитных полях 47

2.2 Образцы для исследований 57

2.2.1 Изотропные образцы 57

2.2.2 Текстурированные (монодоменные) ВТСП образцы 59

2.3 Методика измерений 63 ГЛАВА 3 МАГНИТОДИНАМИКА АНСАМБЛЕЙ ВИХРЕЙ В ИТТРИЕВЫХ СВЕРХПРОВОДИКАХ В НЕОДНОРОДНОМ

ЛОКАЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ 68

3.1 Модельные представления 68

3.2 Малые воздействия на ансамбль вихрей 72

3.3 Предельно возможные параметры силы пиннинга и критического тока 79

3.4 Атмосферная деградация сверхпроводящих параметров иттриевых сверхпроводников 83

ГЛАВА 4 КИНЕТИКА ВИХРЕВОЙ СТРУКТУРЫ В НЕОДНОРОДНОМ

ЛОКАЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ 87

4.1 Вязкое движение вихрей магнитного потока в области НЛП 87

4.2 Релаксационные процессы в ансамбле вихрей 91

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТА ТЫ И ВЫВОДЫ 99

ЛИТЕРАТУРА 102

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Технические устройства с использованием сверхпроводников обладают макроскопическими квантовыми эффектами и имеют потенциально лучшие параметры по сравнению с приборами «нормального» исполнения. Ограничивающим фактором являются физические процессы, связанные с движением вихрей магнитного поля в объеме сверхпроводника. Они связаны с особенностями, как динамики вихрей магнитного поля, так и особенностями их взаимодействия с реальной кристаллической структурой.

В настоящее время широкое распространение получили сверхпроводящие устройства с использование постоянных магнитов на основе редкоземельных элементов. Их особенностью является переход их конструкционных элементов в сверхпроводящее состояние при наличии магнитного поля - в режиме FC (field cooling process). Кроме того, в объеме сверхпроводников присутствует неоднородное локальное магнитное поле, которое определяет особенности физических процессов в вихревой структуре.

«Синтез, структура и физические свойства новых конструкционных и функ-

циональных материалов» в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Цель работы. Выявление физических закономерностей процессов, протекающих в ансамбле вихрей магнитного потока в иттриевых высокотемпературных сверхпроводниках различной структуры, в условиях воздействия неоднородно1 о локального магнижою поля.

Для досжжения посявленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Разработать и создать эксперименгальную установку для исследования физических процессов в ансамбле вихрей высокотемпературных сверхпроводников в неоднородном локальном машигном поле величиной 0,05-0,2 Тл, температурой 77К, чувсгви1ельнос1ью по силе 2-10'^Н, скоростью движения области магнитного потока 0 - 0,15 м/с.

2 Исследовать влияние пиннинга вихрей неоднородного локального магнитного потока на особенносж механического взаимодействия магнитной системы и сверхпроводника.

5. Изучить релаксационные процессы в ансамбле вихрей иттриевых сверхпроводниках при воздействии неоднородного локального магнитного поля.

Объект исследований.В качестве объектов исследования использовались высокотемпературные массивные сверхпроводники системы УВаСиО состава 1-2-3 изотропной керамики, и полученные по технологии Тор-Эееёес!-Мек-СгоулЬ СоедипсниеУ|Ва2Си-,07.л является типичным представителем

высокотемпературных сверхпроводников и может рассматриваться как модельная система для изучения основных физических процессов, протекающих в условиях воздействия внешних магнитных полей. Кроме того, выбор материалов обусловлен следующими причинами:

Научная новизна, работы обусловлена изучением динамики вихрей неоднородного локального магнитного потока и определяется следующими результатами:

2. Обнаружено явление возникновения дополнительной механической силы, направленной противоположено градиенту неоднородного магнитного поля, и вызванное движением ансамбля вихрей в сверхпроводнике.

Практическая значимость. Полученные результаты способствуют углублению фундаментальных представлений о процессах, происходящих в ансамбле вихрей иттриевых сверхпроводников с различной структурой, находящихся в неоднородных локальных магнитных полях. Это, в свою очередь, является необходимым при разработке сверхпроводящих элементов криогенных устройств: чувствительных элементов криогенных гравиинерци-

альных приборов, топологических генераторов, ВТСП двигателей. Предложен-

ная для проведения исследований физических и магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников установка шпатен ювана.

Основные положения, выносимые на защиту.

На основании результатов проведенных исследований были сформулированы следующие основные положения, выносимые на защшу:

2. Измерение механической силы дейспзующей на сильно и слабо запин-нингованные вихри позволяет определить максимальный критический ток и предельную силу пиннинга.

3. Деградационная устойчивость иприевых сверхпроводников во многом определяется технологией их изготовления: у иютропных ВТСП она существенно ниже чем у крупнодоменных.

Апробация рабо!ы. 01дельные резулыаш и положения работы докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских и других научных конференциях и семинарах.

- Третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматсриалов» (Москва, 2009),

- VII Российской сжс1 одной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2010),

- 50-й Отчётной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспиратов и студентов Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 2010),

- IX Международной заочной научно-практической конференции « Естественные и математические науки в современном мире» (Новосибирск, 2013),

- VII Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: «вопросы математики, физики, биологии» (Москва, 2013),

- XVI Международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: инновации в современном мире» (Москва, 2013).

Публикации и личный вклад авюра. По 1еме диссертации опубликовано 1 1 научных работ, в том числе 3 в рецензируемых научных изданиях. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежит подготовка и проведение эксперимента, получение и анализ экспериментальных данных. Обсуждение полученных резулыаюв и подюювка pa6oi к печати проводились при учасши доктора физико-магматических наук, доцента Игоря Михайловича Голева.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, перечня основных результатов и выводов, списка цитированной литературы из 124 наименований, содержит 115 страниц машинописного текста, 46 рисунков и 15 таблиц.

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Изучение диесипативных процессов в сверхпроводниках (СП) и установление их связи с внешними и внутренними факторами является одной из важных задач физики конденсированного состояния, в частности физики сверхпроводников. Это также связано и с прикладным аспектом использованием явления сверхпроводимости - созданием криогенных устройств и приборов, обладающих существенными преимуществами перед приборами «нормального» исполнения. Ключевым параметром СП для инженерных приложений чаще всего выступает значения плотности критического тока. Его значение определяется динамикой вихрей магнитного потока в объеме СП и их взаимодействием с его кристаллической решеткой. Физические процессы и явления, протекающие при этом, представляют большой научный и практический интерес.

В настоящее время известен большой класс технических устройств с применением высокотемпературных сверхпроводников, представленный на

Год

Рис. 1.1 Технические устройства с применением низкотемпературных (НТСП) и высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) [1].

рис. 1.1.

Среди них можно выделить такие устройства [1, 2|: двигатели [3, 4], генераторы [5 - 7], магнитные подшипники и подвесы [8 - 12], гравиинерциаль-ные приборы [13 - 15]. Особенностью этих приборов является то, что их конструктивные сверхпроводящие элементы совершают механическое движение в неоднородном магнитном поле. При этом возможно движение магнитного потока в объеме СП. Это неизбежно приводит к возникновению диссипации энергии [16] и появлению дополнительных механических моментов. Как следствие, происходит ухудшение параметров сверхпроводящих устройств и приборов [17].

Исследование возникающих механических сил, моментов и диссипации энергии в подобной физической ситуации проводится с помощью различных методов: механических, индукционных, резистивных.

В обзоре рассматриваются основные результаты, полученные с использо-

ванием данных методов и ряд сверхпроводящих устройств, для которых диссипативные процессы в элементах оказывают существенное влияние на их работоспособность.

1.1 Движение магнитного потока в сверхпроводниках в однородном магнитном поле

Исследования колебательных движений сверхпроводников в инфразвуко-вом диапазоне частот впервые проведены Б. Хейсом [18] и Э.Л. Андроника-швили [19-21] с использованием крутильного маятника [22], в условиях воздействия внешнего однородного магнитного поля. Статическое измерение силы пиннинга магнитного потока в сверхпроводящих проволоках сплава №> -25% ат. % Ъх с использованием крутильного маятника представлены в [18]. Образцы диаметром 0,25 мм устанавливались на крутильном подвесе. Магнитное поле, создаваемое катушками Гельмгольца, было направлено перпендикулярно оси проволоки. Определялся угол ап1, который соответствовал началу

отклонения зависимости а(9) от линейной (рис. 1.2). Этот угол авторами

считался как критический, при котором крутящийся момент, действующий на вихрь, оказывался достаточным для преодоления сил пиннинга. Крутящий момент равен

т = тНБта = ВУНБта, (1.1)

где V - объем образца, В - индукция, т - магнитный момент образца.

Полное число вихрей в образце с площадью поперечного сечения 8 авторы рассчитали как:

где Ф() - квант магнитного потока. Отсюда энергия всех центров пиннинга в образце:

Е = ^ттс1а. (1.3)

Таким образом, с помощью выражений (1.1) и (1.2) вычислялась энергия пиннинга вихря.

Ег = Ф0НЬ(1 - собсО. (1.4)

® -----<

• . д %

< 1

• 1 _ц 1 1 | |

/ /

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

град

Рис. 1.2 Функциональная зависимость угла поворота образца а от угла поворота магнита О. •- 0,2 Тл, 0,5 Тл.

В, Тл

Рис. 1.3 Полевая зависимость энергии пиннинга вихря магнитного потока. Nb - 25%Zr.

Полученная зависимость величины Е/ от магнитного поля показанная на рис. 1.3, носит нелинейный характер.

Исследования механического вращательного момента проводились и на высокотемпературной керамике (Y|_4, Ьих)|Ва2С1Ь,07^ [23]. При магнитном поле выше Нс| в сверхпроводнике возникают вихри, которые в металлооксиде с реальной кристаллической структурой вызывают появление крутящегося момента во вращающемся магнитном поле. Измерения проводились при Т=77К, вращение однородного магнитного поля осуществлялось со скоростью 72 град/мин. Образцы имели форму прямоугольного параллелепипеда с сечением 2x2 мм и длиной 8 мм. Геометрия вращения относительно образца показана на рис. 1.4. Угол 9 отсчитывается от длинной стороны образца. На рис. 1.5 приведена зависимость Lmax(H). Видно, что кривая имеет три участка. Переход от одного участка к другому происходит в полях Н| = 0.8 кЭ и Н2~ 8кЭ. Эти изменения Lma4 авторы связывают как с перестройкой вихревой решетки, так и с нелинейным изменением глубины проникновения поля в сверхпроводник. Обнаружена также релаксация вращательного момента,

которая происходила путем экспоненциального спада и путем скачкообразного его уменьшения. Авторы связывают наличие скачков с перестройкой вихревой магнитной структуры.

Рис. 1.4 Исследования механического вращательного момента образца керамики УВаСиО.

Н, кЭ

Рис. 1.5 Полевая зависимость максимального вращательного момента образца сверхпроводника.

Дальнейшее совершенствование статической методики измерения силы пиннинга, предложенной Хейсом, выполнено в работах Андроникашвили и др.[4-6], а также Ашимова и др. [24 - 28]. В данных экспериментах образец не деформировался, что позволило устранить некоторую неточность в определении угла поворота вихревых нитей относительно первоначального положения кристалла, гак как при деформации образца кручением вихревые нити, пронизывающие различные участки образца, 01ююняются на разные углы. Исследования проводились на сверхпроводящих поликристаллических проволоках, служащих упругой нитью обратно1 о кру I ильного маятника.

Для измерений использовался ниобий, ванадий, сплав Та - 5% N5. Было исследовано влияние различных факторов на диссипативные процессы в сверхпроводниках: температуры, напряженности магнитного поля, амплитуды колебаний. С увеличением магнишого поля для образцов, находящихся в нормальном состоянии, потери практически отсутствовали, а в смешанном, в диапазоне полей Н1_1<Н<Н(_2, наблюдался максимум потерь. Амплитудные зависимости декремента затухания от напряженности поля позволили авторам сделать оценку энергии связи вихрей с дефектами кристаллической решетки: Е,= 8 1(Г3 Дж, что хорошо согласуется с данными более ранней работы Хейса (рис. 1.3). С помощью этой методики проводилось исследование пиннинга и крипа магнитного поля в сверхпроводящих оксидах на основе иттрия и эрбия [28]. Определены зависимосш объемной силы пиннинга от напряженности магнитного поля, которая при Т = 77 К составляла 104 Н/м3. Показано, что степень релаксации динамических сил пиннинга, связанных с крипом магнитного потока, значительно растет с повышением напряженности внешнего магнитного поля.