CC BY
47
Физика твёрдого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, № 6 (1), с. 52-54
УДК 05.04
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КОЛЬЦА УВаСиО С ТОКОМ В СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ СОСТОЯНИИ
© 2013 г. С.А. Чурин
Институт физики микроструктур РАН, Н. Новгород churin@ipm.sci-nnov.ru
Поступила в редакцию 08.10.2013
Методом top seed с использованием нескольких монокристаллических зародышей SmBaCuO выращены текстурированные кристаллы YBaCuO в форме колец. Показано, что магнитное поле кольца с током находится в сильной зависимости от режимов кристаллизации. Приводится объяснение этой зависимости. Измерена плотность тока, текущего по кольцу.
Ключевые слова: высокотемпературная сверхпроводимость, кольцо, магнитное поле, плотность тока.
Высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) кольца из соединения YBaCuO находят широкое применение в качестве элементов диамагнитных подвесов, гибридных магнитов, магнитов [1—3]. Плотность критического тока колец YBaCuO находится в сильной зависимости от их структурного совершенства. Это связано с малой длиной когерентности куперовских пар в ВТСП-материалах. В наиболее совершенных кристаллах YBaCuO плотность критического тока достигает 104—105 А/см2 при температуре кипения жидкого азота в нулевом внешнем магнитном поле. Для получения колец с совершенной структурой наибольшее распространение получил метод top seed. Монокристалли-ческий зародыш из ВТСП-материала с температурой плавления более высокой, чем у YBaCuO, помещают на YBaCuO-загрузку в форме цилиндра, и в нём выращивают хорошо текстуриро-ванный кристалл YBaCuO [4]. Рост кристалла идёт от зародыша. Загрузка изготавливается методом порошковой технологии. Из выращенного кристалла вырезают кольцо. Однако скорость роста кристаллов YBaCuO не превышает нескольких десятых долей миллиметра за час. С применением одного зародыша время выращивания кристалла больших размеров (35 на 35 мм) составляет несколько десятков часов. Необходимо отметить, что с увеличением размеров кристалла скорость роста падает.
Скорость роста кристаллов YBaCuO увеличивается с увеличением переохлаждения, но структура кристалла в этом случае становится менее совершенной [4]. Одним из методов, который позволяет вырастить кристаллы большого размера, является top seed с использованием нескольких зародышей [5]. В этом случае на загрузке размещаются несколько зародышей. В
качестве загрузки может быть выбрано кольцо. В этом случае от зародышей растут домены, которые при достаточных их размерах срастаются, образуя кристалл с хорошей для практического применения структурой. С другой стороны, хорошо известно, что в процессе роста кристаллов в ряде случаев примесь скапливается на границе кристалл - материнская фаза. Такое поведение примесей может существенно уменьшить плотность критического тока в сростках кристаллов YBaCuO. Снижение плотности критического тока может быть связано также с разворотом доменов вокруг оси «с». Такого разворота трудно избежать, размещая зародыши на поверхности кольца. Необходимы эксперименты для выбора разумного сочетания числа зародышей на поверхности загрузки, переохлаждения загрузки и времени кристаллизации с целью получения наибольшего тока в кольце YBaCuO в сверхпроводящем состоянии.
В настоящей работе с использованием моно-кристаллических зародышей SmBaCuO выращены блочные кристаллы YВaCuO в форме колец. Найдено распределение магнитного поля кольца в сверхпроводящем состоянии. Установлена взаимосвязь между режимами кристаллизации и свойствами колец в сверхпроводящем состоянии.
Для выращивания блочных кристаллов YBaCuO в форме колец использовались загрузки в форме колец высотой 27 мм, внешним и внутренним диаметром 36 и 20 мм соответственно. Загрузки изготавливались из смеси порошков YBaCuO - 100 г, YBaCuO - 30 г и CeO2 -1 г методом холодного прессования. Закристаллизованы две загрузки. В качестве зародышей использовались монокристаллические пластинки SmBaCuO неправильной формы
толщиной не более 1 мм и площадью 2 - 4 мм . Метод выращивания зародышей приведён в работе [6]. Зародыши в количестве 10 (первое кольцо) и 9 (второе кольцо) располагались на поверхности колец по среднему диаметру. Рост кристаллов осуществлялся в муфельной печи шахтного типа в форме цилиндра [4].
Температурный режим кристаллизации колец был следующим. В течение 300 минут загрузка нагревалась от комнатной температуры до 1038°С и в течение часа выдерживалась при этой температуре. Затем в течение 30 минут загрузка охлаждалась до температуры кристаллизации Тс и выдерживалась при этой температуре (время кристаллизации) 4 часов. После истечения времени кристаллизации питание печи отключалось. Температура кристаллизации составляла для первого кольца - 1002°С, для второго - 1000°С. Время кристаллизации для первого кольца составляло 20 часов, для второго - 24 часа. В процессе кристаллизации отклонение температуры в печи от заданного значения не превышало 0.3°С. После кристаллизации кольца отжигались при температуре 600°С в токе кислорода в течение 5 часов. Время набора температуры и охлаждения составило 10 часов. Кольца намагничивались их охлаждением в поле соленоида с вертикальной компонентой индукции 174 мТ до температуры кипящего азота. После охлаждения кольца ток через соленоид плавно снижался до нуля. Распределение вертикальной компоненты захваченного магнитного поля (Б2) охлаждённых кристаллов по высоте и по их диаметру изучалось с применением датчика Холла. На основании полученных результатов определялась
плотность тока, текущего по кольцу. Результаты измерений связывались с режимами кристаллизации.
После кристаллизации размеры колец заметно изменились. Внешний диаметр колец уменьшился до 31 мм, внутренний - до 17 мм, высота - до 23 мм. Уменьшение размеров исходной загрузки связано с термокапиллярным эффектом, сопровождающим её плавление и кристаллизацию. На рис. 1 приведены фотографии поверхности колец. Отчётливо видны закристаллизовавшиеся области в форме прямоугольников. Между закристаллизовавшимися участками первого образца видны области исходной структуры (рис. 1а). В случае второго образца закристаллизовалась вся поверхность кольца (рис. 1б). На боковых поверхностях кольца видно, что толщина кристаллов составляет 4 - 5 мм. Результаты исследования структурного совершенства показывают, что закристаллизовавшаяся область (домен) является текстурой с осью «с», отклоняющейся от нормали к его поверхности на несколько градусов в различных точках [4].
На рис. 2 приведено распределение вертикальной компоненты индукции магнитного поля Б2 по высоте кольца. Датчик Холла перемещался через центр кольца. Максимальное значение индукции достигается внутри кольца на середине закристаллизовавшейся области. Для первого кольца Б2 = 25 мТ, для второго кольца - 40 мТ. Заметны различия для колец и в распределении индукции магнитного поля по диаметру колец (рис. 3). Датчик Холла перемещался по диаметру кольца на высоте 2-3 мм. Экстремальные значения индукции приходятся на
Рис. 2. Зависимость индукции магнитного поля В2 от местоположения датчика Холла по высоте на оси кольца: 2а - для первого кольца, 2Ь - для второго кольца
средний диаметр кольца. В центре кольца индукция заметно больше для первого кольца. Обращает на себя внимание тот факт, что максимальное значение индукции на среднем диаметре заметно больше для первого кольца. Возможно, это связано с тем, что ток в основном идёт по закристаллизовавшейся области, которая меньше в случае первого кольца. Локальная плотность критического тока в первом кольце может быть выше, чем во втором. Не исключено, что для первого кольца ток в кристаллическом домене больше, чем кольцевой ток.
Для расчёта средней плотности критического тока в кольце представим его как совокупность витков с радиусом от г до Я и высотой к.
Предположим также, что плотность критического тока (/) одинакова по сечению кристаллической области кольца и много больше, чем в материнской фазе. В этом случае можно оценить величину плотности критического тока, текущего в кольце:
1 —£■—,
2 %Мп(Я / г)
где Вг - индукция в центре кольца, с - скорость света, к - высота закристаллизовавшейся области, Я - внешний радиус кольца, г - внутренний радиус кольца. Подставляя сюда максимальное значение индукции - 40 мТ (рис. 1), высоту закристаллизовавшейся области - 4 мм, находим,
Рис. 3. Зависимость индукции магнитного поля Bz от местоположения датчика Холла над поверхностью колец. Датчик Холла перемещался по диаметру. Для первого кольца - 3а, для второго кольца - 3b
что плотность критического тока в кольце 2 составляет 5300 А/см2. В первом кольце - 3300 А/см2.
Таким образом, в настоящей работе показано, что использование нескольких зародышей для кристаллизации колец YBaCuO не влияет существенно на плотность критического тока в кольце. Более заметное влияние оказывают режимы (переохлаждение и время) кристаллизации. Можно предположить, что примесь в процессе кристаллизации оттесняется растущим кристаллом в глубь материнской фазы. Возможно, что рассмотренным методом можно вырастить кольца большего диаметра с плотностью критического тока не ниже, чем в данном случае.
Список литературы
1. Kyohei Ogawa, Takashi Nakamura, Yasuhiko Terada et al. // Applied Physics Letters. 2011. V. 98. Р. 234101.
2. Kim S.B., Takano R., Nakano T. et al. // Physica C.
2009. V. 469. P. 1811-1815.
3. Краснопёров Е.П.//Журн. технической физики.
2010. Т. 80. Вып. 10. С. 142-144.
4.Чурин С.А., Юнин П.А. //Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2013. № 1(1). С. 53-56.
5. Li T.Y., Wang C.L., Sun L.J. et al. //J. Appl. Phys. 2010. V. 108. Р. 023914.
6. Чурин С. А. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2012. № 1(1). С. 33-36.
MAGNETIC FIELD OF A YBaCuO SUPERCONDUCTING RING WITH CURRENT
S.A. Churin
YBCO melt-textured crystals in the form of a ring have been grown from Sm1Ba2Cu307.| i monocrystalline embryos by the top-seeded solution growth method. A strong dependence of the magnetic field of the ring with current on the crystallization modes is shown and explained. The ring current density has been measured.
Keywords: high-temperature superconductivity, ring, magnetic field, current density.
