УСТАНОВКА  ДЛЯ  ИССЛЕДОВАНИЯ  ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ  СВЕРХПРОВОДНИКОВ  В  НЕОДНОРОДНОМ  МАГНИТНОМ  ПОЛЕ

Касаткина  Татьяна  Игоревна

аспирант  Воронежского  государственного  технического  университета,  г.  Воронеж

E-mail:  kasatkinatatian@googlemail.com

Голев  Игорь  Михайлович

доцент,  д-р  физ.-мат.  наук,  старший  научный  сотрудник  Воронежского  государственного  технического  университета,  г.  Воронеж

E-mail: 

THE  FACILITY  FOR  RESEARCH  OF  HIGH-TEMPERATURE  SUPERCONDUCTORS  IN  THE  INHOMOGENEOUS  MAGNETIC  FIELD

Kasatkina  Tatiana  Igorevna

post-graduate  student  of  Voronezh  state  technical  university,  Voronezh

Golev  Igor  Michailovich

the  Dr.  Sci.,  Senior  Research  Fellow  Voronezh  state  technical  university,  Voronezh

АННОТАЦИЯ

Представлена  экспериментальная  установка  для  исследования  магнитодинамики  вихрей  магнитного  потока  (вихрей  Абрикосова)  в  иттриевых  ВТСП  в  виде  дисков,  совершающих  вращательное  движение  в  неоднородном  локальном  магнитном  поле  величиной  0,05—0,2  Тл  при  температуре  жидкого  азота.  Показано,  что  механическая  сила,  возникающая  при  движении  диска  обусловлена  пиннингом  вихрей.  Измерение  полевой  зависимости  этой  силы  позволяет  определять  величину  силу  пиннинга.

ABSTRACT

There  is  presented  an  experimental  facility  for  studying  the  magnetodynamics  of  fluxoids  (Abrikosov  vortices)  in  yttrium  HTSCs  in  a  shape  of  disks,  which  birl  in  the  inhomogeneous  local  magnetic  field  of  0,05—0,2  T  at  a  temperature  of  liquid  nitrogen.  It  was  demonstrated  that  the  mechanical  force  emerging  when  the  disk  moves  is  determined  by  the  pinning  of  vortices.  Measuring  of  the  filed  dependence  of  this  force  allow  defining  the  pinning  force  value. 

Ключевые  слова:  высокотемпературные  сверхпроводники;  вихри  магнитного  потока;  сила  пиннинга;  магнитодинамика;  магнитное  поле;  сверхпроводящие  приборы.

Keywords:  high-temperature  superconductors;  fluxoids;  pinning  force;  magnetodynamics;  magnetic  field;  superconducting  devices.

В  исследованиях  высокотемпературных  сверхпроводников  (ВТСП)  большое  значение  имеют  экспериментальные  методики,  позволяющие  выявить  природу  физических  процессов,  протекающих  в  объеме  сверхпроводника  и  проверить  достоверность  теоретических  моделей. 

В  настоящей  работе  рассматривается  разработанная  авторами  экспериментальная  установка  для  исследования  магнитодинамики  вихрей  магнитного  потока  (вихрей  Абрикосова)  в  иттриевых  ВТСП,  совершающих  механическое  движение  в  неоднородном  локальном  магнитном  поле.  Предлагаемый  метод  позволяет  исследовать  процессы,  связанные  с  пиннингом,  вязким  движением  и  релаксационными  явлениями  ансамбля  вихрей. 

На  рис.  1  представлена  схема  установки,  состоящая  из  низкотемпературной  части  в  виде  криостата  3,  электронных  измерительных  устройств  и  измерительного  модуля  5.  Исследования  проводятся  в  среде  жидкого  азота.  Электронная  часть  установки  включает  датчик  оборотов  со  счетчиком,  позволяющим  измерять  скорость  вращения  ротора  электродвигателя,  а,  следовательно,  и  магнитной  системы;  динамометр  измеряющий  силу,  действующую  на  сверхпроводник  в  вертикальном  направлении,  датчик  угла  поворотов. 

Рисунок  1.  Установка  для  исследования  высокотемпературных  сверхпроводников  магнитомеханическим  методом:  1  —  упругий  (торсионный)  подвес,  2  —  лимб  датчика  угла  поворота,  3  —  криостат,  4  —  вал  подвески  измерительного  модуля,  5  —  измерительный  модуль,  6  —  преобразователь  Холла,  7  —  платформа  с  изменяющимся  горизонтальным  уровнем,  8  —  основание

Схема  измерительного  модуля  установки  представлена  на  рис.2.  Образец  сверхпроводника  в  виде  диска  1,  диаметром  30—45  мм,  с  помощью  диэлектрической  оправки  крепится  на  основании  5  подвижной  системы,  включающей  в  себя  так  же  крепежные  стойки  6  и  лимб  11  с  делениями  на  градусы,  вывешенной  с  помощью  упругого  торсионного  элемента  9  на  основании  для  крепления  10.  В  качестве  торсиона  использовались  стальные  проволоки  круглого  сечения  различной  длины  диаметром  0,2—1,0  мм  из  пружинной  стали  ASTM  A322  UNS  G92550,  закрепленные  цанговыми  зажимами. 

Рисунок  2.  Измерительный  модуль  установки  для  исследования  высокотемпературных  сверхпроводников  магнитомеханическим  методом:  1  —  ВТСП  диск;  2  —  постоянные  магниты;  3  —  диск-магнитопровод;  4  —  ось  для  вращения  магнитной  системы;  5  —  основание  для  крепления  ВТСП  диска;  6  —  крепежные  стойки;  7  —  мотор  с  редуктором;  8  —  основание  крепления  мотора,  9  —  упругий  (торсионный)  элемент;  10  —  основание  для  крепления  подвижной  системы;  11  —  лимб  с  делениями  на  градусы

Для  измерения  угла  поворота  диска-магнитопровода  3  и  диска  сверхпроводника  1  использовались  бесконтактные  энкодеры  –  оптические  датчики  угла  поворота,  с  отверстиями  в  дисках  по  периметру,  при  помощи  которых  осуществлялась  модуляция  светового  потока  между  инфракрасными  светодиодом  и  фотодиодом.  Минимально  регистрируемый  угол  поворота  сверхпроводящего  диска  составлял  не  более  одного  градуса.

Магнитное  поле  магнитов  определялось  как

B(z)=B₀  exp(-gz  ²),  (1)

где:  g  —  константа  магнитной  системы  из  трех  магнитов,  равная  0,038×10^-3  м^-2,

В₀  —  максимальное  значение  поля  вдоль  главной  оси  симметрии  постоянного  магнита  на  заданном  расстоянии, 

z  —  смещение  магнита  при  повороте  магнитной  системы  относительно  главной  оси  симметрии,  проходящей  через  центр  магнитной  системы  [1].

Рисунок  3.  Расположение  областей  неоднородного  магнитного  поля  в  ВТСП  образце.  D_НЛП  —  диаметр  пятна  НЛП;  R_М  —  радиус  на  котором  располагаются  центры  области  НЛП,  Ф_П  —  поток,  создаваемый  магнитами;  R_СП  —  радиус  ВТСП  диска,  v_НЛП  —  скорость  движения  пятна  НЛП

Поле  В₀  было  ориентировано  перпендикулярно  поверхности  сверхпроводника  и  при  превышении  полем  первого  критического,  эффективно  проникало  в  объем  ВТСП  образца.  Для  эксперимента  использовался  ВСТП  диск  [8]  диаметром  41  мм  и  толщиной  5,0  мм,  размещенный  на  расстоянии  1,5  мм  от  поверхности  магнитов  и  переведенный  в  СП  состояние  в  режиме  FC  (ненулевом  магнитном  поле).  Размер  D_НЛП  области  неоднородного  локального  поля  (НЛП)  (рис.  3),  сформированной  в  объеме  ВТСП  образца  определялась  как

,  (2)

С  увеличением  угла  поворота  магнитной  системы  α  сила  F_М,  действующая  на  вихри  магнитного  потока  возрастала  до  тех  пор,  пока  не  превышала  силу  F_Мmax  пиннинга  вихревых  нитей  области  НЛП.  При  превышении  этого  значения  происходил  срыв  вихрей  и  дальнейшее 

увеличение  поворота  угла  α  магнитной  системы  не  приводило  к  увеличению  угла  поворота  β  подвижной  системы.  Определяя  экспериментально  величину  F_М  ,  в  момент  когда  она  достигает  значения  F_Мmax,  зная  его  объем  V_НЛП  была  вычислена  сила  пиннинга  сверхпроводника:

,  (3)

Сила  определялась  как 

.  (4)

Количество  вихревых  нитей  в  области  НЛП 

,  (5)

а  магнитный  поток 

,  (6)

где:  Ф₀  —  квант  магнитного  потока, 

k_ос  =  0,95  —  коэффициент  ослабления  внешнего  магнитного  поля  В_о.

На  рис.  4  представлена  полученная  зависимость  действующей  на  ВТСП  образец  силы  F  от  смещения  НЛП  z  при  повороте  магнитной  системы  на  угол  α.  Участок  a-b  носит  линейный  характер,  что  является  свидетельством  упругой  деформации  ансамбля  вихревых  нитей  области  НЛП.  Дальнейшее  увеличение  смещения  z  приводит  к  отклонению  зависимости  F(z)  от  линейной  (участок  b-c),  что  является  следствием  начала  срыва  вихревых  нитей  с  центров  пиннинга.  На  участке  c-d  кривая  выходит  на  насыщение,  поскольку  все  вихри  области  НЛП  перешли  в  свободное  состояние. 

Рисунок  4  Зависимость  действующей  на  ВТСП  образец  силы  F  от  смещения  НЛП  z  при  повороте  магнитной  системы  на  угол  α.  1—3  номер  образца;  В₀=0,2Тл,  Т=77К

Полученные  экспериментальные  кривые  хорошо  вписываются  в  рамки  известных  теоретических  представлений  [5],  согласуются  с  уже  известными  результатами  [2,  3,  6,  7]  и  подтверждают  работоспособность  и  чувствительность  предложенной  методики  для  определения  динамики  магнитного  потока  в  массивных  высокотемпературных  сверхпроводниках.  Подобные  исследования  актуальны  и  находят  широкое  применение  в  ряде  сверхпроводящих  приборов  и  устройств  [4,  с.  246].

Cписок  литературы:

1.Голев  И.М.,  Милошенко  В.Е.,  Андреева  Н.А.  Установка  для  исследования  динамики  магнитного  потока  в  сверхпроводниках  механическим  методом  //  Приборы  и  техн.  эксперим.  —  1998.  —  №  5.  —  С.  161—163.

2.Елистратов  А.А.,  И.И.  Максимов.  ФТТ  42  196  (2000).

3.Забенкин  В.Н.,  Л.А.  Аксельрод,  А.А.  Воробьев,  Г.П.  Гордеев,  С.А.  Чурин.  Письма  в  ЖЭТФ  70,  771  (1999).

4.Ковалев  Л.К.,  Ковалев  К.Л.,  Конеев  С.М.  и  др.  Электрические  устройства  на  основе  массивных  высокотемпературных  сверхпроводников  //  Под  ред.  Л.К.  Ковалева.  М.:  ФИЗМАТЛИТ,  2010.  —  396  с.

5.Anderson  P.W.  Theory  of  Flux  Creep  in  Hard  Superconductors//  Phys.  Rev.  Lett.  —  1962.  —  Vol.  9.  —  P.  309—311.

6.Antal  V.,  Kaňuchová  M.,  Šefčiková  M.  et  al.  Flux  pinning  in  Al  doped  TSMG  YBCO  bulk  superconductors.  Supercond.  Sci.  Technol.  —  V.  22  —  №  10/105001. 

7.Batista-Leyva  A.J.,  Cobas  R.,  Estevez-Rams  E.  et  al.  Hysteresis  of  the  critical  current  density  in  YBCO,  HBCCO  and  BSCCO  superconducting  polycrystals:  a  comparative  study.  //  Physica  C  —  V.  331,  —  2000.  —  P.  57—66.

8.Krabbes  G.,  Fuchs  G.,  Canders  W.-R  et  al.  High  Temperature  Superconductors  Bulk  Materials.  WILEX-YCH,  2006.  —  296  p.