Макроскопическая динамика магнитного потока в гранулярных ВТНП тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

р Г Б о»

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ

На правах рукопису

УДК 537.312.62:538.23:538.945

Кордюк Олександр Анатолійович

МАКРОСКОПІЧНА ДИНАМІКА МАГНІТНОГО ПОТОКУ У ГРАНУЛЯРНИХ ВТНП

Спеціальність 01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеню кандидата фізико-математичних наук

Київ-1994

Роботу виконано у Інституті металофізики НАН України

Наукові керівники:

Офіційні опоненти:

Провідна організація:

Захист дисертації відбудеться ~ 11/ _1994 р. на засіданні

Спеціалізованої Ради К Оі6.37.01 з фізико-математичних наук при Інституті металофізики НАН України (м. Київ, просп. Вернадського 36, конференц-зал Інституту металофізики НАН України). •

Відгуки на реферат у двох примірниках, завівені печаткою закладу, просимо надсилати за адресою: 252680, ГСП, Київ-142, Вернадського 36, Інститут металофізики НАН України. Вченому секретарю Спец. Ради К 016.37.01 Федорову О.П. тел.: (044) 444-95-27.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту металофізики НАН України. .

Автореферат розіслано ” ”•_______________19Э4-р.

академік НАН України, професор В. В. Немошкаленко кандидат фізико-математичних наук Б. Г. Нікітін

доктор фізико-математичних наук Г. А. Такзей доктор хімічних наук В. М. Огенко

Інститут фізики НАН України

ВЧЕНИИ СЕКРЕТАР Спеціалізованої Ради К 016.37.01 доктор фізико-математичних наук О.П.Федоров

ЗАГАЛЬНИЙ ОПИС РОБОТИ

Актуальність теми. Відкриття у 1986-му році Беднорцем та Мюлером високотемпературної надпровідності дало поштовх до інтенсивного дослідження нових матеріалів, що триває й досі, та супроводжується безупинним народженням нових теорій та активним переглядом старих. Однак, не зважаючи на значні зусилля дослідників стосовно створення мікроскопічної моделі, що пояснювала б появу надпровідності у нових сполуках, було зроблено не надто багато придатних до експериментальної перевірки передбачень.

Для усвідомлення процесів, що складають основу явища високотемпературної надпровідності, не абияке значення має ідентифікація таких характеристик надпровідника як довжина когерентності, глибина проникнення магнітного поля, їх асиметрія та залежність від температури, що можуть бути отримані шляхом вивчання взаємодії високотемпературних надпровідників (ВТНП) з магнітним полем. До того ж, вже перші дослідники нових матеріалів з'ясували, що головна відмінність ВТНП від традиційних низькотемпературних надпровідників полягає у їх незвичайних магнітних властивостях, таких як: існування інтервалу поля, де магнітний гістерезис відсутній; гігантський крип (flux creep) магнітного потоку; розбіжність між вольт-амперними та магнітними значеннями критичного струму; несподіване розширення резистивного переходу та ін. Звідси стає зрозумілою особлива зацікавленість дослідників макроскопічною магнітною динамікою у ВТНП. Сьогодні жоден бік дослідження ВТНП не викликає таку кількість суперечок і, в той же час, не розвивається так швидко, як вивчення макроскопічніх магнітних властивостей.

В наслідок таких особливостей ВТНП, як значна анізотропія, мала довжина когерентності, дрібна гранулярна структура прийнятних для макроскопічного досліджування та практичного застосування керамічних зразків, сильна залежність їх надпровідних властивостей од умов синтезу, існує чимала кількість зчаста суперечливих експериментальних результатів та пов'язаних з ними теорій. Тому й єдиної точки зору стосовно процесів, що мають місце при взаємодії ВТНП з магнітним полем, донині нема. Вироблення останньої й складає на сьогодні головну мету досліджень макроскопічних магнітних властивостей ВТНП. До того ж, для отримання достеменних, придатних для аналізу результатів, різнобічне досліджування ВТНП має провадитися на одному й тому ж комплекті зразків.

Слід підкреслити особливу зручність магнітних вимірів при проведенні дослідів над ВТНП, оскільки тоді не виникав складностей, пов'язаних із установленням електричних контактів через шар окисів та з необхідністю використання дрібних та крихких монокристалів. Серед таких "безконтактних" вимірювальних методів вирізняються насамперед ті, що використовують різноманітні механічні системи магніт-ВТНП з метою досліджування процесів взаємодії ВТНП з магнітним полем. їхньою перевагою є поєднання високої точності вимірів з максимально простою конструкцією, що значно підвищує надійність отримуваних результатів.

Вивчення схожих систем має також важливе значення з точки зору їх практичного використання. Коли з'ясувалося, що висока температура є чинником великих флуктуацій р гігантського крипу потоку, які значно погіршують транспортні властивості нових надпровідників й обмежують можливість їх використання у мікроелектроніці, найбільш придатними для практичного застосування переваг високотемпературної надпровідності лишилися системи магніт-надпровідник.

Наукова мета роботи. Шляхом досліджування динамічних параметрів систем магніт-ВТНП з'ясувати тип динаміки .магнітного потоку та механізм енергетичних втрат у гранулярних ВТНП у змінному магнітному полі.

Наукова новина. Для досягнення цієї мети у процесі роботи

а) створено оригінальне обладнання для досліджування витрат енергії у ВТНП-зразках у залежності від амплітуди та частоти змінного магнітного поля у широкому діапазоні частот та розроблено методу збирання й обробки експериментальних даних;

б) вперше зареєстровано та досліджено усі п'ять мод вимушених коливань постійного магніту (ПМ), що левітує над ВТНП-зразком;

в) встановлено існування значного впливу мейснерівського екранування на пружні властивості системи ПМ-ВТНП; •

г) розроблено оригінальну методу визначення, за допомогою системи ПМ-ВТНП, частки об’єму в керамічних ВТНП, що надпроводить;

д) встановлено, що параметри коливань ПМ, резонансна частота та добротність, здебільш обумовлені взаємодією створюваного ним магнітного поля з гранулами ВТНП-кераміки, що надпроводять;

е) визначено амплітудні межі квазіпружних та гістерезисних втрат;

є) розділено внески до енергетичних втрат поступальної та обертальної компонент змінного магнітного поля;

ж) встановлено, що втрати енергії у керамічних ітрієвих ВТНП визначаються термічно активованою течією потоку (ТАРР) та обумовлені пінінгом вихорів на шарованій будові кристалічної гратки нових надпровідників (притаманний пінінг);

з) отримано кількісні дані щодо коефіцієнту в'язкості під час руху вихорів усередені ВТНП-гранул у ТАРР-режимі.

Наукова та практична цінність. Отримані результати, що доводять існування ТАРР та пінінгу на поверхні гранул у дослідженних ВТНП, мають важливе значення для подальшого розвитку теоретичних моделей взаємодії ВТНП з магнітним полем, для розуміння природи надпровідності.

Розроблена метода досліджування надпровідників за допомогою системи ПМ-ВТНП дозволяє вивчати динаміку магнітного потоку у ВТНП без притягнення інших складних та дорогих метод, таких як калориметричні, фазові та ін.

Спираючись на виконані дослідження, розроблено низку принципів практичного використання систем ПМ-ВТНП, які відзначені авторськими свідотствами на винаходи. На їх основі створено оригінальні прилади для вимірювання першого та другого градієнтів магнітного поля у точці, для визначення енергетичних втрат у різних матеріалах у змінному магнітному полі, а також розроблено макети акселерометру, в'язкозиметру та гіроскопу.

Положення, винесені на захист:

1. Резонансна частота та добротність вимушених коливань постійного магніту у системі ПМ-ВТНП за азотних температур обумовлені взаємодією створюваного ПМ магнітного поля з гранулами ВТНП-кераміки, що надпроводять, і практично не залежать від міжгранульного простору.

2. Захоплювання магнітного потоку в ітрієвих ВТНП-кераміках при температурі близько 80 К та у полях від 10 до 100 Гс здебільшого відбувається за рахунок пінінгу вихорів на поверхні гранул.

3. Рух вихорів у середині гранул ітрієвої кераміки за азотних температур описується термічно активованою течією потоку з в'язкістю 8-Ю-5 кг/м с, та обумовлений притаманним пінінгом вихорів на кристалічній гратці нових надпровідників.

Апробація роботи. Матеріали дисертації доповідались на Ш-й Всесоюзній нараді з високотемпературної надпровідності (Харків, 1991) та на Міжнародній школі-семінарі "Наукприлад-92" (Морське, 1992).

З

По темі дисертації опубліковано 10 статтей у наукових виданнях та отримано 5 авторських посвідчень.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, трьох розділів, загальних висновків, переліку літератури з 124 назв та додатку. Роботу викладено на 103 сторінках, включаючи 26 малюнків та 5 таблиць.

ГОЛОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено обгрунтування актуальності роботи, її мету та викладено положення, які винесено на захист.

У першому розділі зроблено огляд літератури стосовно теми дисертації.

У першій частині огляду приділено увагу макроскопічним магнітним властивостям надпровідників: гістерезису магнітного моменту, релаксації захопленого потоку та експериментам по визначенню енергетичних втрат у надпровідниках у змінному магнітному полі. Розглядаються моделі Біна та Андерсона з точки зору їх застосування до гранулярних ВТНП.

У другій частині розглядається рух окремих квантів потоку у надпровідниках, формування вихрової гратки, проблема розрахунку сили пінінгу, критичного струму та швидкості' релаксації магнітного моменту. Порівнюються різноманітні сучасні моделі, що описують рух магнітного потоку у ВТНП. Звернено увагу на важливість вивчення витрат енергії, їх температурної, амплітудної та частотної залежностей для ідентифікації типу динаміки потоку у ВТНП.

У другому розділі наведено опис об'єктів дослідження, експериментального обладнання та вимірювальних процедур. Визначено похибки, окремих вимірів та точність отримуваних результатів. '

Досліджувались виготовлені за стандартною методою [1] керамічні ВТНП: УВадСизО^ (У-зразки) з критичною температурою Тс » 90 К і з розміром гранул <і = 10+20 мкм та (РЬ0 |вВі0 ^^Б^СагСизОу (Ві-зразки) з Тс к 120 К, </ = 5+10 мкм. Вивчалася динаміка магнітного потоку як у суцільних У- та Ві-зразках, так і у композитних. Останні було отримано шляхом подрібнення суцільних зразків на порох з розміром часточок 75н-125 мкм. Ролю наповнювача відігравав парафін. Композитні зразки мали нульову електропровідність як вище так і нижче Тс, . що свідчить за відсутність електричного контакту між гранулами.

Для досліджування ВТНП було розроблено дві методи: вивчення вимушених коливань постійного магніту, що левітує над ВТНП-зразком та вимірювання втрат енергії у ВТНП за допомогою високообертового магнітного ротору.

Мал.1 ілюструє спрощену конфігурацію експерименту за першою методою. Тут вимушені коливання ПМ з 5шСо5 масою т-0.021 г, що мав вигляд кульки радіусом 0.06 см, магнітний момент ц=1.2Гс-см3 якої орієнтовано паралельно поверхні ВТНП-зразка, збуджуються соленоїдом змінного струму, а їх амплітуда вимірюється оптичним мікроскопом з точністю 5 мкм. З метою підвищення точності до 1 мкм застосовувалась індуктивна вимірювальна система. Дослідні ВТНП-зразки мали товщину 8 мм та діаметр 40 мм. На мал.2 наведено амплітудно-частотні залежності вимушених поступальних коливань ПМ вздовж вертикальної осі х над У-зразком. У ході експерименту реєструвалися значення резонансної частоти а>о та демпфування 5 (25 є шириною резонансної кривої на висоті

Атях/Л) у залежності від резонансної амплітуди (далі просто А). За цими даними обчислювались добротність системи () = <о0І2д, загальна

механічна енергія ІУ0=^та>оА2 та енергія, що втрачається за період

ІУ = 2жІУ0/() (тут со0 та б вимірюються у рад/с). Систематична та випадкова похибки вимірюваних за допогою описаної методи величин не перевищували 2%.

Задля вивчення енергетичних втрат у ВТНП у змінному магнітному полі було створено високообертовий магнітний ротор малої потужності на підшипниках з ВТНП. Схему ротора зображено на мал.З. Тут 1 - циліндри з ВТНП, грають ролю статора, до складу ж ротора входять постійні магніти 2 з 5гпСо5, що на них ротор левітує у ВТНП підшипниках, та магніт 3, що слугує для розкручування ротору навколо осі г за допомогою індуктивної системи 4 (стрілками позначено орієнтацію магнітних моментів). Індуктивна система 5 призначена для контролю за параметрами обертання ротора: фазою (р, відносно сигналу у системі 4, та швидкістю ш; Магніт 3 є також джерелом змінного магнітного поля на поверхні ВТНП-зразка 6, що мав форму куба зі стороною 3 мм та міг- пересуватися, вздовж осі х. Потужність, що споживається ротором визначалася за формулою Р - лцозЯ0со5ф, де #0 - амплітуда поля, створюваного соленоїдами 4 у центрі магніту 3 (мал.З). У ході експерименту знімалися залежності енергії,

м

З-

Мал.1. Спрощена конфігурація експерименту за методою резонсних коливань постійного магніту (ПМ), що левітує над ВТНП. Вимушені коливання ПМ спричиняє соленоїд змінного струму С. Амплітуда коливань вимірюється мікроскопом М.

Мал.2. Амплітудно-частотні залежності вимушених поступальних коливань ПМ вздовж вертикальної осі х над У-зразком.

І

Мал.З. Схема високообертового магнітного ротора малої потужності на підшипниках з ВТНП. 1 - циліндри з ВТНП; 2 та 3 - постійні магніти з 5шСо5; 4 та 5 - індуктивні системи, що слугують для розкручування ротору та для контролю за його динамічними параметрами; 6 - ВТНП-зразок, що досліджується. '

що втрачається у ВТНП-зразку від його відстані до осі г та швидкості обертання ротору 1К(дг0,со) = (Р(дг0,<в)-Р(<»,со))/а>. Для зменшення тертя повітря експерименти проводились у вакуумі ІО2 мм рт.ст. У тому випадку, коли розорієнтація магнітних моментів 2 та осі інерції ротора не перевішувала «0.3°, точність вимірів становила ~1012 Дж. Загальна вага ротору складала 1.5 г, а максимальна швидкість обертання досягала 200000 об/хв.

У третьому розділі, що складається з двох частин, викладено результати досліджень.

У першій частині головну увагу приділено макроскопічним властивостям системи ПМ-ВТНП та гранулярних надпровідників.

* Мал.4. Характерний вигляд залежностей резонансної частоти со та демпфування 5 від амплітуди А (чи ф, для обертальних коливань): (а) -моди х та у; (б) - моди ці та 0. Криві 1 відповідають Y-зразкам, 2 - Ві-зразкам.

У системі, що зображено на мал.1, зареєстровано та досліджено усі п'ять мод вимушених коливань постійного магніту. Це три поступальні вздовж осей х, у, z, та дві обертальні навколо осей х та z. Ці моди далі позначувано як х, у, z, ф та в. Характерний вигляд залежностей со0 та 5 від

L * ' .

амплітуди А (чи ф, для обертальних коливань) зображено на мал.4: (а) -моди х та у, (б) - моди у та 0. Для моди z, властиві залежності як на мал.4(б). Криві 1 відповідають Y-зразкам, 2 - Ві-зразкам. Наявність області, де 5(Л) = const (для Y-зразків), дає змогу розділити енергетичні втрати на "квазіпружні" (А<АС), що визначаються в'язким рухом потоку й залежать від частоти зовнішнього поля, та гістерезисні (А>ЛС), що мають місце навіть коли змінне поле можна вважати квазістатичним. Значенню Ас (чи ф с) відповідає амплітуда поля на поверхні ВТНП Ьс * 15 Гс. У таблицю 1 зведено параметри усіх п'яти мод ПМ, що левітує над суцільним Y-зразком на висоті *0 = 0.23 см. Ця висота відповідає точці повної рівноваги ПМ Над

ВТНП, тобто коливання магніту, що у ній знаходиться не призводять до зміни х0. Значення со„ та 5 взяті за амплітуди А = 0.08 мм < Ас, для поступальних коливань, та <р = 0.06 рад<фс, для обертальних коливань, значення со(0) отримано лінійною екстраполяцією залежностей га0(Л-»0). У табл.2 наведено відповідні параметри для суцільного Ві-зразка (х0 = 0.25 см).

Табл.1. Параметри п'яти коливальних мод ПМ для суцільного У-зразка

Моди ш{0), Гц га0, Гц 26, Гц Q ИМ О10, Дж Ас, мм Фс. рад

X 24 24 0.6 40 2.40 0.08 -

У 7.1 6.8 0.5 14 0.57 0.20 -

і 12.1 11.4 . 0.5 23 0.95 0.10 -

V 40 36 3.5 10 2.36 - 0.06

0 70 65 4.5 Н 5.49 - 0.08

Табл.2. Параметри п’яти мод для суцільного Ві-зразка

Моди <о(0), Гц юц, Гц 25, Гц Q ИЧ0ш, Дж

X 21.2 19.3 1.85 11.5 7.2

У 8.2 7.4 0.80 10.4 1.1

Z 10.1 9.6 0.85 11.9 . 1.5

V- 42.3 40.1 8.95 4.7 22.1

0 71.5 G8.7 14.50 4.9 60.4

З метою пояснення пружних властивостей системи ПМ-ВТНП було розглянуто модель, за якою магнітний потік захоплюється ВТНП-гранулами, у той час як у міжгранульному просторі його рух відбувається вільно. Зважаючи на ці умови, у наближенні гранул, що не взаємодіють [2], отримано формулу для приросту пружної енергії

5ІК = |а(&)2 •[/,(*)+ /2(.?)]. О)

Тут а - доля надпровідної фази, 5 = х, у, г, у або 0. Перший інтеграл по об'єму ВТНП /[(і) залежить тільки від геометрії системи ПМ-ВТНП і може бути взятий аналітично

&

сіхсіуіїг =

5,-^г. лля поступальних мод (з=.х,у,г) хо И2

5,^. для обертальних мод (.ї=ц/,0) хо .

(2)

(точні значення коефіцієнтів <;$ наведено у таблиці 4), а другий інтеграл

д2Я>

А/-

(з)

залежить від магнітного моменту М ВТНП-гранул і, таким чином, визначається магнітними властивостями конкретного надпровідника. Однак, як з'ясувалося, для реально можливих залежностей М(Н) та для геометрії експерименту як на мал.1 з непоганою точністю виконується співвідношення Іі(у)ІІі(г)~ 1/-0.25/-0.75, що дає змогу для кожної

моди пов'язати резонансну частоту (точніш її екстрапольоване значення ю(0), див. табл.1 та 2) з характеристиками ПМ та ВТНП:

2 тщ = а ( 2 ^ І' . N. II Р

І *0 )

(4)

Тут /=х, у, г; )=\у, 0; т, \х, J • маса, магнітний момент та момент інерції ПМ; *0 - висота ПМ над ВТНП; а - частка надпровідного об'єму; р -чисельний коефіцієнт, що залежить від магнітних властивостей ВТНП; ох = 1, а у = -0.25, стг = -0.75, 0^=09 = -1/3. Тоді, вирішуючи систему з будь-яких двох рівнянь, отримуємо значення а та р. У таблиці 3 для різних зразків наведено значення а а також частоти трьох мод [у, 4/, 0), що їх

обчислено за двома модами: х та г. Гарна відповідність до експерименту для У-зразків свідчить за правильність прийнятої вище моделі. Те, що для суцільних Ві-зразків така відповідність є значно гіршою, можна пояснити відчутним пінінгом магнітного потоку у міжгранульному просторі (МП) цих керамік. '

Табл.З. Теоретичні значення резонансних частот для мод у, ц/, в, та а -частки об'єму ВТМП що надпроводить, розраховано за формулами (4) за експериментальними значеннями у^О) та у^О) для різних зразків: 1 ітрієвий суцільний, 2 - ітрієвий композитний, 3 вісмутовий суцільний, 4 -вісмутовий композитний

№ ■% см Чс(0), Гц У>{0), Гц (експ/теор) Гц у^О), Гц (експ/теор) Ув(0), Гц (експ/теор) а

1 0,23 24,0 7,1 /7,0 12,1 40/41,5 70/71,6 0,76

2 0,15 47,7 23,0 / 22,5 38,9 85 / 87,9 123/126 0,51

3 0,25 21,2 8,2 / 5,8 10,1 42,3 / 37,6 71,5/66,8 0,88

4 0,16 38,8 19,0/ 18,4 31,8 76,2/75,9 111/109 0,46

Саме цим пояснюється й збільшення критичного струму та резонансної частоти, що спостерігається у деяких суцільних Ві-кераміках під дією у-опромінення. У роботі було досліджено кераміку зі значною об'ємною

часткою МП (критичний струм ус0 = 97 А/см2, х0 = 0.17см). При дозах опромінення до £>=106Р мало місце лінійне підвищення критичного струму ус = jc()(\ + yD) та квадрату резонансної частоти, для якої отримано формулу (ц/-мода):

о)2=С(а8+єе(1-ая)(І+т£>)), (5)

де С = ц2/16Ло=4.36-105 с"2, ах - об'ємна частка гранул, е, - частка потоку, що пінінгується у МП. Таке підвищення пояснюється збагаченням МП киснем завдяки його дифузії з гранул. Враховуючи, що у = 1.7-10~7 Р'1, Зш2 /30 = 6 -10“3 с2Р'' та со0 =427 с‘\ з (5) отримано значення ее «0,12 та (*£=10,34. Останнє підтверджується прямим дослідженням мікробудови Ві-зразків;

Мал.5. Залежності (7(Лтах) = 4я£> І = 1¥/ІУ0 - зворотньої добротності системи ПМ-ВТНП від максимальної амплітуди змінного магнітного поля на поверхні ВТНП для поступальних коливань ГІМ (л-мода): В - суцільний У-зразок, □ - композитний У:зразок, • - суцільний Ві-зразок, О • композитний Ві-зразок.

Було також досліджено внесок МП до енергетичних втрат у ВТНП у змінному магнітному полі. З цією метою розглядалась зворотня добротність 0~1 (що не залежить від дс0, а та А) як функція Ьтях - амплітуди поля на поверхні ВТНП, у суцільних та композитних ВТНП. Мал.5, де зображено

залежності в для.-У- та Ві-зразків, свідчить, що тільки в останніх

внесок міжгранульних втрат є відчутним. '

У другій частині розділу розглядаються втрати енергії при русі потоку у ВТНП з точки зору динаміки абрикосовських вихорів.

Те, що для амплітуд Ьтзх<Ьск\5 Гс демпфування 6 (мал.4) чи зворотня добротність = 25/ю0 = №І2пМд (мал.5) не залежать від амплітуди ПМ (відносне зменшення (со0(0)-со0(фс))/со0(0) навіть для обертальних

мод не перевищуе 10%) свідчить про в'язкий механізм руху вихорів, за якого енергетичні втрати 1^ = пМт^со^а2 ссА^ сс А2, де N - кількість вихорів, І - їх середня довжина, - лінійна в'язкість, а = рА - середня амплітуда коливання вихорів, р - коефіцієнт пропорційності, що залежить від механізму проникнення магнітного поля у ВТНП-гранули. Тоді для

коефіцієнта в'язкості має місце співвідношення г|; «28тфц /цр2, де ф0 квант магнітного потоку. Не маючи змоги точно визначити р, для У-зразка, де середній діаметр гранул 0 = 20 мкм, було зроблено оцінку його

максимального значення =ЗО/4х0 »7-1(Г3. Звідси т|/>3-10'4 г/см-с

= 3-Ю-5 кг/м-с. Таке велике значення в'язкості, що значно перевищує відповідне значення для вільної течії потоку (РР), свідчить за наявність у ВТНП іншого типу в'язкого руху вихорів, а саме - термічно активованої течії потоку (ТАРР (Зі).

Велике значення в'язкості обумовлює максимум на частотній залежності енергетичних втрат, що спостерігається у деяких експериментах. У наближенні когерентного руху вихорів маємо

IV ос г|ій-а2(а>,Л) ос—(6)

І + (ПО>)

де п = П/ 'І'А//о - в'язкість, що вимірюється у секундах; уі - амплітуда сили, що діє на нерухомий вихор. Таким чином максимум Щсо) реалізується, КОЛИ Г|(0 = 1.

У роботі доведено, що для пояснення експериментальних значень IV чи 3 (див. табл.1,2), потрібно окремо розглядати внески до втрат поступальної Ац та обертальної Ах компонент змінного магнітного поля. Тсді загальні квазіпружні втрати є сумою втрат, що обумовлені цими компонентами: (К = )1|| + (К1 (оскільки А2=А||+А2, а ІУхЬ2), де для системи ПМ-ВТНП, з конфігурацією як на мал.1,

ш . 2 „ {л2*о5> П.ЛЯ5 = Х,у,І

Щ =4* х'ац ?,• , , . (7)

. |ф *о • Для •*= У.б

Тут позначці * відповідають символи || або X (чи відсутність будь-якого символу, коли втрати не залежать від взаємної орієнтації змінного та

постійного магнітних полів), х”(т) ' уявна частина магнітної сприйнятливості. Точні значення 5Ї, як 1 відносні втрати енергії №,/№, наведено у табл.4 для кожної моди.

Табл.4. Точні значення коефіцієнтів ^ з формули (7) для п'яти мод.

Моды S til Ss (іуио* 100 % (ИІ/ИОх 100 %

X 193/1134 157 / 9072 3/16 91 9

У 193 / 6804 2015 / 108864 3/64 61 39

Z 383 /24300 48547 / 388800 9/64 11 89

V 29/6480 47/810 1/16 7 . 93

0 29/1620 347 / 3240 1/8 14 86

З аналізу енергетичних втрат для п'яти коливальних мод, що наведено у табл.1 і 2, використовуючи співвідношення (7), отримано інформацію

щодо виду частотної залежності х"(ш). Для Y-зразків: х[|(т)х ч>”°'2,

ХЇ(<о)осю0'6, для Ві-зразків: Х|"(ю) = const, хї(“)«со. У кожному випадку ці залежності вказують на значний пінінг вихорів на поверхні гранул, що перешкоджає проникненню поступальної компоненти йц у середину гранул, однак значно менше впливає на проникнення обертальної компоненти Ь±. Так для Ві-зразків, де залежність хіО0) добре узгоджується' і з найпростішою моделлю (7) (для г|Ш<і), і з іншими теоретичними моделями (наприклад з добре відомим дифузійним проникненням потоку |3|), дія поверхневого пінінгу зовсім незначна, у той час як для Y-зразків, така залежність видається більш складною.

Для визначення типу динаміки магнітного потоку в гранулах ітрієвих ВТНП було використано методу вимірювання енергетичних втрат за допомогою ротора. В силу геометрії експерименту (мал.З), та завдяки зменшенню з частотою внеску поступальної компоненти, досліджувалися втрати у ВТНП-гранулах у полі, що обертається. Отримані результати зображено на мал.6. Тут V - об’єм ВТНГІ-зразка, а частоту обертання ротора

Мал.6. Частотні залежності енергетичних втрат на одиницю об'єму гранул для різних амплітуд змінного магнітного поля: 1 - 4 Е, 2 - 10 Е, 3 -12 Е, 4 -16 Е, 5 - 27 Е. •

о наведено у герцах. Криві на мал.6 різняться за амплітудою магнітного поля А біля ВТНП-зразка: 1 - 4 Е, 2 - 10 Е, 3 • 12 Е, 4 - 16 Е, 5 - 27 Е. Для кривих 2-4 на ділянках А-С спостерігається гарне узгодження експерименту з моделлю критичного стану з урахуванням великої в’язкості 14]. Значення

т|/ =8-10-5 кг/м-с, отримане за цією моделлю, збігається з наведеною вище оцінкою.

На термічно активований характер депінінгу вказує й швидке зменшення втрат, що починається у точках С (криві 2-4) і пояснюється різким зменшенням глибини проникнення потоку внаслідок досягнення частоти одиничного стрибка вихора.

Здобуті результати дозволяють оцінити середню відстань між центрами пінінгу у наближенні іх одноманітногсг розподілу:

Тут о>0«1010 Гц - частота спроб вихора проминути потенційний бар'єр |3], ІІ0хкТ «0,01 еВ - енергія пінінгу. Одержане значення сі ~ 2 нм за порядком величини співпадає з -відстанню між надпровідними шарами у ВТНП-сполуках, чим підтверджує існуючу думку, що для нових надпровідників

Значне зменшення втрат у полях < 5 Е (залежність 1 на мал.б) пояснюється тим, що тут амплітуда И стає нижчою від першого критичного поля гранул Нс1~ 5 Е,'що надає незалежний метод визначення Нс1. Крива 5 відповідає початку гістерезисних втрат, що пов'язані з крипом потоку (РС). Відповідна амплітуда поля добре узгоджується із значенням Ьс, отриманим за методою резонансних коливань ПМ.

1. Виявлено та досліджено п'ять мод: три поступальні та дві обертальні, вимушених коливань постійного магніту, що левітує над ВТНП.

2. Розроблено оригінальну методу досліджування макроскопічної динаміки магнітного потоку за допомогою системи ПМ-ВТНП, яка, зокрема, дає можливість визначати частку об'єму ВТНП, що надпроводить.

3. Встановлено, що менснерівське екранування магнітного поля ВТНП-гранулами . у керамічних сполуках УВа2Си307.х та (РЬ0 16Ві0.84)25г2Са2СизОу значно впливає на пружні властивості системи

добротність, за азотних температур обумовлені взаємодією створюваного ним магнітного поля з гранулами ВТНП-кераміки, що надпроводять, та практично не залежать від міжгранульного простору. .

5. Створено високообертовий ротор на підшипниках з ВТНП зі швидкістю обертання до 200 000 об./хв, та розроблено, на його основі,

(8)

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Г1М-ВТНП.

4. Встановлено, що параметри коливань ПМ, резонансна частота та

оригінальний прилад для вимірювання енергетичних втрат у ВТНП у змінному магнітному полі з точністю 1012 дж у діапазоні частот 10^-3000 Гц та амплітуд до 100 Гс.

6. Визначено амплітуду Ьс * 15 Гс переходу від квазіпружних до гістерезисних втрат для керамічних зразків УВа2Сиз07.х.

7. Визначено внески гранульних та міжгранульних втрат та їх функціональні залежності від амплітуди коливань ПМ.

8. Встановлено, що у-опромінення (РЬ0 )5Віо 84)25г2Са2СизОу-керамік спричиняє до дифузії кисню з гранул у міжгранульний простір, що пояснює збільшення міжгранульного критичного струму та резонансної частоти ПМ.

9. Встановлено, що захоплення магнітного потоку у ітрієвих ВТНП-кераміках за температур близьких 80 К та у полях до 100 Гс, здебільшого відбувається за рахунок пінінгу вихорів на поверхні гранул.

10. Розділено внески поступальної та обертальної компонент змінного магнітного поля та визначено їх частки у енергетичних втратах для кожної з п'яти коливальних мод, а також їх частотні залежності для Y- та Ві-керамік. Зокрема встановлено, що обумовлені поступальною компонентою втрати у керамічних (РЬо.ібВіо^^ГгСагСизОу-зразках не залежать віч частоти змінного магнітного поля.

11. Встановлено, що енергетичні втрати у керамічних YBa2Cu307.x-зразках обумовлені термічно активованою течією потоку (TAFF) та пов'язані з пінінгом магнітного потоку, що притаманний самій структурі кристалічної гратки нових надпровідників.

12. Отримано кількісні дані щодо коефіцієнту в'язкості, яким харак: теризується термічно активований рух вихорів у середині гранул ітрієвої

кераміки тії = 8• 10-5 кг/м-с та часу депінінгу вихорів т ~ 1<Г3 с. Зроблено оцінку середньої відстані між центрами піннінгу d ~ 2 нм.

ЛІТЕРАТУРА.

Ill Nemoshkalenko V.V., Kornyushin Y.V., Kobzenko N.S., Morozov-sky A.D., Nikitin B.Q., Shpak A.P. Investigation of Y|Ba2Cu3069 and Ег|Ва2Си3068 during cyclic temperature variations. - Journal of Material Science, 1991, v.26, p.545-551

(2| Neinoshkalenko V.V., Ivanov M.A., Nikitin B.G., Pogorelov Yu.G.,

Klimenko G.A. Continuous range of stable equilibrium positions in the system of magnet and high-Tc superconductor - Solid State Commun., 1990. v.74, N.7, p.637-639

[3] Kes P.H., Aarts J., van den Berg J., van der Beek C.J., Mydosh J.A.,

Thermally assisted flux flow at small driving forces - Supercond. Sci.

Techn., 1989, v.l, N5, p.242-248 .

(4l Takacs S., GOmSry F. Influence of viscous flux flow on AC magnetization

of high-Tc superconductors - Supercond. Sci. Techno!., 1990, v.3, N2, p.94-99 .

[5] Ivlev B.I., Kopnin N.B. Flux creep and flux pinning in layered high-temperature superconductors - Phys. Rev. Lett., 1990, v.64, N15, p. 18281830

РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У РОБОТАХ:

1. Зависимость магнитных свойств и теплоемкости керамик RBa2Cu3C>7

от типа редкоземельного иона R. / Препринт 12 Москва, ФИАН, 1989 / / Аншукова Н.В., Бугославский Ю.В., Веселаго В.Г.,

Головашкин А.И, Ершов О.В., Зайцев И.А., Кордюк А.А., Иванченко О.М., Минаков А.А., Мицен К.В.

2. The effect of oxigen content variation and rare-earth ion substitution to the magnetic properties and specific heat of the granular high-Tc superconductor / Preprint 7 Moscow, General Physics Institute, 1989 / / Anshukova N.V., Bugoslavsky Y.V., Veselago V.G., Golovashkin A.I., Ershov O.V., Zaytzev I.A., Ivanenko O.M., Minakov A.A., Mitzen K.V., Kordyuk A.A.

3. Dynamics of a permanent magnet levitating above a high-Tc superconductor / Physica С v.170, 481-485 (1990) N5/6 // Nemoshkalenko V.V., Brandt E.H., Kordyuk A.A., Nikitin B.G.

4. Гистерезисные и квазиупругие ротери в ВТСП в переменном

магнитном поле / СФХТ, т.З, 2751-2755 (1990) N12 //

Немошкаленко В.В., Васильев М.А., Иванов М.А., Кордюк А.А., Никитин Б.Г., Погорелов Ю.Г.

5. Динамика системы "постоянный магнит - ВТСП” / Физика Низких Температур, т.17, 1453-1456 (1991) N11-12 // Немошкаленко В.В., Кордюк А.А., Никитин Б.Г.

6. Высокооборотный магнитный ротор на сверхпроводящих подшипниках / Приборы и Техника Эксперимента, 1991, N5, 196-198 / / Немошкаленко В.В., Кордюк А.А., Никитин Б.Г., Рафаловский В.А.

7. Магнитный ротор низкой мощности на 190000 об/мин / Металлофизика, т. 13, 11-17 (1991) N9 // Немошкаленко В.В., Кордюк А.А., Лось В.Ф., Морозовский А.Д., Никитин Б.Г., Рафаловский В.А.

8. Влияние ^-облучения на свойства (РЬо^В^м^ЭггСазСизОу / Металлофизика, т.14, 29-32 (1992) N7 // Немошкаленко В.В., Васильев М.А., Кордюк А.А., Никитин Б.Г., Бакунцева М.В., Горбик П.П.

9. Диссипация в ВТСП в зависимости от частоты и амплитуды переменного магнитного поля / СФХТ, т.5 2287-2289 (1992) N12 // Немошкаленко В.В., Кордюк А.А., Никитин Б.Г.

10. Осциляции в системе "постоянный магнит - ВТСП" / Металлофизика, 1993, т.15, N6, с.88-91 // Немошкаленко В.В., Кордюк А.А., Никитин Б.Г.

11. Способ определения потерь энергии в сверхпроводниках второго рода в' переменном магнитном поле / а.с. СССР №1811295 // Немошкаленко В.В., Васильев М.А., Демин С.А., Иванов М.А., Кордюк А.А., Морозовский А.Д., Никитин Б.Г., Погорелов Ю.Г., Павлюк К.И., Рафаловский В.А. "

12. Способ определения потерь энергии в сверхпроводниках II рода в

переменном магнитном поле / а.с. СССР №1839566 / /

Немошкаленко В.В., Демин С.А., Иванов М.А., Кордюк А.А., Морозовский А.Д., Никитин Б.Г., Погорелов Ю.Г., Рафаловский В.А.

13. Способ определения изменения градиента магнитного поля / а.с.

СССР №1780066 // Немошкаленко В.В., Иванов М.А.,

Кордюк А.А., Морозовский . А.Д, Никитин Б.Г., Погорелов Ю.Г., Рафаловский В.А.

14. Способ измерения вязкости / а.с. СССР №1778628 / /

Немошкаленко В.В., Кордюк А.А., Морозовский А.Д., Никитин Б.Г.,

Рафаловский В.А.

15. Способ измерения ускорения / а.с. СССР №1767443 //

Немошкаленко В.В., Кордюк А.А., Морозовский А.Д., Никитин Б.Г.