Научная статья на тему 'Магнитомеханические свойства сверхпроводников в области низких частот'

Магнитомеханические свойства сверхпроводников в области низких частот Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
226
51
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ОБЗОР / МЕТОДИКА / СВОЙСТВА / НИЗКАЯ ЧАСТОТА / СВЕРХПРОВОДНИКИ / REVIEW / METHODS / PROPERTIES / LOW FREQUENCY / SUPERCONDUCTORS

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Милошенко В. Е., Сергеев А. В.

В обзоре представлены результаты исследований магнитомеханических свойств классических сверхпроводников, проведенных в криогенной лаборатории, показывается влияние различных внешних факторов (величины магнитного поля, рабочей температуры, угла ориентации, скорости вращения и др.) и реальной кристаллической структуры, определяемых состоянием сверхпроводника. Анализ этих воздействий позволяет управлять параметрами устройств

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MAGNETOMEHANICAL PROPERTIES OF SUPERCONDUCTORS IN THE LOW FREQUENCY

This review presents the results of studies of the classical superconductors magnetomechanical conducted in the cryogenic laboratory, showing the influence of various external factors (the magnetic field strength, operating temperature, the angle of orientation, speed, etc.), and the real crystal structure determined, the state of the superconductor. Analysis of these effects lets you manage your devices

Текст научной работы на тему «Магнитомеханические свойства сверхпроводников в области низких частот»

УДК 621.315.57:537.312.62

МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВ В ОБЛАСТИ НИЗКИХ ЧАСТОТ В.Е. Милошенко, А.В. Сергеев

В обзоре представлены результаты исследований магнитомеханических свойств классических сверхпроводников, проведенных в криогенной лаборатории, показывается влияние различных внешних факторов (величины магнитного поля, рабочей температуры, угла ориентации, скорости вращения и др.) и реальной кристаллической структуры, определяемых состоянием сверхпроводника. Анализ этих воздействий позволяет управлять параметрами устройств

Ключевые слова: обзор, методика, свойства, низкая частота, сверхпроводники

Введение

Еще в середине прошлого века было известно [1], что метод внутреннего трения (ВТ) весьма информативен, имеет широкое распространение при исследовании металлов и их сплавов в области инфразвуковых (10-4-10 Гц) и звуковых (102-104Гц) частот, где образцы (ограниченная среда) могут совершать свободные (собственная частота) или вынужденные колебания при различных по виду деформациях: продольные, поперечные и крутильные. Полученные результаты описываются в рамках известных моделей, а наблюдаемая диссипация энергии этих колебаний определяется дефектами кристаллической решетки, фазовыми переходами, а также электронными и ионными процессами. При исследовании же сверхпроводников в 70х годах тем же методом ВТ [2] обнаружены аномальное по характеру поглощение энергии упругих колебаний образца в области фазового перехода [3] и ниже [4], а также изменение относительного модуля упругости [4]. В работе [5] сделан вывод о том, что в области звуковых частот основной вклад во ВТ вносит флуктационный отрыв дислокаций от центров закрепления, а возможный механизм процессов диссипации энергии ниже температуры фазового перехода представлен в теории [6]. В случае использования малого по величине внешнего магнитного поля в первых исследованиях как дополнительного фактора диссипации энергии, было обнаружено не только смещение пика ВТ по оси температур, но и его увеличение пропорционально квадрату величины магнитного поля ^_1~Н2) за счет влияния возникающих джоулевых потерь [7]. Таким образом, было показано, что в сложных внешних условиях с ростом магнитного поля

Милошенко Владимир Евдокимович - ВГТУ, д-р физмат. наук, профессор, тел. (473) 246-22-39 Сергеев Александр Викторович - ВГТУ, студент, e-mail sergeev-av@bk.ru

растет и магнитоупругий вклад. В этих исследованиях при явном проявлении упругорелаксационной составляющей в затухании колебаний сверхпроводника присутствовала и управляемая магнитоупругая составляющая.

Возникла необходимость внести ясность в наблюдаемые диссипационные процессы и разделить их вклады по физической природе происходящих в них явлений, что было предложено в работе [8].

В серии теоретических [9,10] и экспериментальных работ [11-15], выполненных позже в криогенной лаборатории Воронежского политехнического института, были проведены исследования классических сверхпроводников на звуковых частотах, в которых образцы не подвергались деформации и помещались во внешнее магнитное поле (см., например, [12] и [13]). Т.е. в них отсутствовали упругорелаксационные и магнитоупругие составляющие, которые в ранних исследованиях не только затушевывали магнитомеханический эффект [16], но и не позволяли разобраться в физической природе наблюдаемых явлений происходящих, в частности, в упругих элементах криогенных акселерометров, гравиметров, т. е. в ряде гравиинерциальных и навигационных высокоточных приборов (см., например, [17]).

В данной работе рассмотрены методика и результаты экспериментальных исследований классических сверхпроводников, где четко проявляются их магнитомеханические свойства.

Методика

Для исследования магнитомеханических свойств сверхпроводников второго рода в диапазоне звуковых частот, в той же криогенной лаборатории были разработаны и использованы две методики. В одной - образец в виде пластинки совершал колебательные движения на растяжке без деформации [10-12], а в дру-

гой - сверхпроводник в виде чаши бесконтактно вывешивался в пространстве за счет действия магнитного поля необходимой конфигураций и он вращался вокруг оси, которая совпадала с осью чувствительности [13-15] этой левитирующей системы.

На рис.1 показана принципиальная схема установки первой методики. Ее основу составляет устройство, где образец 3 закреплен на растяжке 4, расположенной горизонтально. Образец с ответным электродом 5 образуют конденсатор С, включенный на вход генератора высокой частоты (ГВЧ). Генератором низкой частоты (ГНЧ) в образце возбуждаются свободные колебания. Это устройство в герметизированной оболочке, где создан вакуум 10-3Ш помещалось в рабочую зону сверхпроводящего соленоида 2 и опускалось в криостат с жидким гелием 1.

Образец устанавливается на струне таким образом, что его центр тяжести находится на оси кручения и при совершении колебательных движений не испытывает деформаций, а их воспринимает сама струна из парамагнетика, которая при постоянной температуре и изменяющемся внешнем магнитном поле, не оказывает влияния на затухание колебаний этой подвижной системы.

Рис. 1. Принципиальная схема установки измерения затухания крутильных колебаний образца

Электронная схема обработки результатов экспериментальных исследований сверхпроводников включает, как видно из рисунка, электронную схему 8, состоящую из ряда блоков : детектор, усилитель, дискриминатор,

счетчик, частотомер и др. Эта схема позволяет с высокой точностью определять величину затухания колебаний, вызванных магнитомеханическим фактором в «чистом» виде, где исключено влияние остальных (окружающей среды, тепловых потоков, крепления образца).

Другая методика была реализована в установке, принципиальная схема которой показана на рис.2. В ее основе лежит принцип бесконтактного

вывешивания образца (это ниобий различной частоты, его сплавы с титаном, танталом, а также модельный металл - свинец как сверхпроводник 1 рода) в виде чаши 1, которая при определенных условиях [18] бесконтактно вывешивалась над неподвижной катушкой 1 изготовленной сверхпроводящим проводом марки ПЭТВ-2НТ и создающей магнитное поле. Образец, который исследовался, выполнял роль электромагнитного экрана, формирующего магнитное поле, направленное радиально. При равенстве действующих сил на этот подвижный экран, он парил в пространстве бесконтактно.

Бпод= Бш! + Бт2 + ¥в + Бпр, (1)

р в2 й

где рпод = _А_ $ - подъемная сила, действую-8р

щая на экран и направленная вверх; Рт1 - вес экрана; Бт2 - вес элементов привода экрана, Бв - результирующая сила, определяемая весом столба жидкого гелия действующего на экран и выталкивающей силой жидкого гелия, Бпр -сопротивление определяемое вязкостью гелия при вращении и другими неучтенными малыми по величине факторами.

Рис. 2. Принципиальная схема установки исследования сверхпроводников при их вращении

За счет изменения величины тока запитки катушки I изменяется магнитный поток Ф, а

следовательно, индукция магнитного поля в рабочем зазоре Z и подъемная сила (см.уравнение 1)

Ф = I N К, (2)

где К - const катушки, учитывающая плотность намотки и фактор формы, N - число витков.

Если не изменять величину тока запитки и температуру окружающей среды, т.е. глубину проникновения поля X, тогда положение экрана вдоль вертикальной оси будет зависеть только от управляемых факторов: дефектности кристаллической решетки сверхпроводника и скорости вращения экрана. Вся эта система погружена в жидкий гелий, обмотка запитыва-ется от специального источника тока СПС-30, работающего на короткозамкнутую нагрузку. Благодаря разработанной методике [18], где проведена оптимизация опоры по максимуму подъемной силы и жесткости в осевом и радиальном направлениях, были созданы необходимые условия для проведения этих исследований [12-14].

Сама установка состоит из криостата 3, на капке которого устанавливается маломощный электродвигатель постоянного тока 4 типа ДПМ-30 с системой демпфирования 6 и измерителем скорости вращения 5 привода образца (тахометр). Кроме того, перед началом исследований использовалось устройство дозированной нагрузки на образец и датчик его пространственного положения вдоль продольной оси. Этот датчик 7, как и другие измерительные устройства включались в электронную схему 8 обработки информационных сигналов. Подобных установок было выполнено две: одна для исследования образцов диаметром до 80 мм при скорости вращения до 10 Гц [13], а вторая позволяла проводить исследования на образцах диаметром 20-25мм при частоте их вращения до 150 Гц.[12 и 14].

Результаты и их обсуждение

При исследовании сверхпроводников в магнитных полях изучается: влияние формы образца (пластины, цилиндры); состояние его реальной кристаллической решетки от моно-до поликристаллической деформированной путем механической обработки; технологии получения от вакуумного напыления (пленки и конденсаты) до массивных, полученных приемами макрометаллургии; способа крепления образца и его ориентации к направлению маг-

нитного поля и др. Большим вниманием исследований пользуются сверхпроводники второго рода, что связано с научными и прикладными задачами. В результате проведенных исследований отмечается наличие максимума на графической зависимости величины потерь от приложенного магнитного поля (см. рис.3[12]).

Рис. 3. Влияние угла ориентации ф на полевую зависимость затухания колебаний. Пленка ванадия. 1 -Ф=900; 2 - ф=800; 3 - ф=600; 4 - ф=450; 5 - ф=00

В области смешанного состояния Нк1<Н<Нк2 практически при любой ориентации магнитного поля проявляется четко выраженный пик затухания заметно превышающий фон (рис.3). В качестве образцов использовались пленки ванадия напыленные в безмасляном вакууме 5- 10"5Па на подложку из искусственной слюды (фторфлогапит) [11]. Пленки имели у = % 300 = 24,5 и Тк = 5,35 К. При постепен-

% 4,2

ном увеличении температуры сверхпроводника от 4,2К до критической Тк пик затухания сдвигается в соответствии с фазовой диаграммой в сторону меньших полей. В нормальном состоянии сверхпроводника пик отсутствует. Подобным образом ведет себя и частота колебаний. Изменение способа крепления образца показало, что в присутствии магнитного поля [16] это имеет принципиальное значение, и позволило провести разделение вкладов в затухании колебаний сверхпроводника [8]. На рис. 4 [16] представлены графические зависимости затухания Q"1=5/л от магнитного поля.

Кривая 1 получена при способе, обозначенном под номером 1 на рисунке относится к рассматриваемому в статье случаю и имеет только электромагнитную природу, в то время как при способе крепления 2 и 3 оно определяется как упругорелаксационными, так и магнитоупругими вкладами в затухание, т.е. их природа зависит не только от воздействия магнитного поля, но и от реальной кристаллической решетки, способа закрепления образца, соотношения масс держателя и образца, что связано с перекачкой энергии колеблющегося образца в держатель.

О 10

8

16 Н, 10* А/м

Рис. 4. Влияние способа закрепления образца на полевую зависимость затухания колебаний (обозначение кривых приведено в таблице)

Исследования [19,20] показали, что введение дефектов в кристаллическую решетку сверхпроводника, например, за счет воздействия дозы нейтронного облучения интенсивностью ~ 1013 нейт/см2, а также металлургическим путем, вызывает смещение пика затухания в область малых магнитных полей. Авторы работ также отмечают влияние деформирующейся в процессе измерений кристаллической решетки образца на диссипативные процессы, связанные с движением вихрей [19], а изменение экспериментальной методики [20] позволило, по мнению авторов, в «чистом» виде выделить эффекты взаимодействия свободных вихрей с дефектами неподвижной кристаллической решетки. Отмечено, что в малых магнитных полях до некоторой величины вихри индивидуальны, а с ростом поля происходит их коллективизация.

Кратко описанные результаты экспериментальных исследований сверхпроводников, совершающих свободные движения в магнитном поле без их деформации, были теоретически рассмотрены в работах [10,21]. В первой из них рассмотрены малые крутильные колебания тонкой пластины из сверхпроводника 2 рода в поперечном магнитном поле. Отклик смешанного состояния на переменную составляющую внешнего магнитного поля, обусловленную колебаниями пластины, описывается феноменологическими уравнениями Максвелла и моделью Гиттлемана-Розенблюма [22]. Механический момент сил, действующий на пластину:

Кн = Кф0 е'

■2лш1

(3)

где фо - амплитуда колебаний.

Вследствие взаимодействия вихревых токов с внешним полем Но в линейном по ф(1:) при-

ближении он определяется суммой диамагнитного момента при Н0 < Н^

К

диам '

(1- К)2а Ч]2У

2 4р ( ца * + ё *) 0

(4)

и момента, связанного с взаимодействием вихревых токов с полем Н0, причем последний момент вычислен в пренебрежении краевыми эффектами на концах пластины.

(5)

qd Ш

где У = 8авd - объем пластины, авd- полудли-на, полуширина и полутолщина пластины,

*

*

а и ..ё - полуоси поперечного сечения, а*

2а/л/Р ;ё*= 2ё/л/Р , ц = 1а. - магнитная прони-

Н<

цаемость, q = _^ + -1 , X - глубина проник-

11 12

новения.

На основании этой модели были объяснены зависимости от магнитного поля изменения частоты ДГ и характер колебаний образца, логарифмический декремент затухания 5, связанные с Кн(Г) соотношениями

1

ДГ = - ЯеКн(Г0)/8л21Г0 5= 1ш Кн№)74лГ\)

(6)

2с 10-\м

Рис. 5. Зависимость величины зазора от индукции поля в нем. Ниобий (1 и 2), №>3Т1 (3 и 4) ю = 8,4 с-1, нагрузка 2,7 кг (1 и 3), 4 кг (2 и 4)

Что касается теоретического объяснения экспериментальных результатов в работе [21], можно

отметить, что в ней рассмотрен случай ин-фразвуковых частот, в котором сверхпроводящий цилиндр в поперечном магнитном поле содержит свободные и закрепленные вихри, плотности которых п и пр соответственно. Этот случай квазистатики вихрей в наших экспериментах, где собственные частоты составляют сотни и тысячи Гц, не мог использоваться.

Для исследований влияния магнитного потока на динамику вихрей нами применялся метод, в котором сверхпроводник в виде чаши, которая выполняла роль электромагнитного экрана и бесконтактно вывешивалась в пространстве, как показано на рис.2, над катушкой. В соответствии с работой [18] был проведен расчет экрана и катушки с целью создания оптимизированных работоспособных

устройств. Так, исследования опоры, рассчитанной на нагрузку 40 N были проведены в зависимости положения экрана (зазор 20) от перманентного изменения индукции в рабочем зазоре при различных значениях внешней нагрузки 27 N и 40 N скорости вращения 8,4 с-

1 на различных материалах (ниобий и сплав ниобий-титан). Видно, что с ростом В зазор 20 растет как показано на рис. 5. Полученные кривые 20(Ве) однозначны, легко линеаризуемы. Кроме того были проведены подобные зависимости 20(Ве) при различных скоростях вращения от нуля до 125 с-1. На рис. 6 приве-

дены графические зависимости для экрана из ниобия. Видно, что в этом диапазоне изменения скоростей вращения, наибольший рост происходит только в области малых значений скоростей. Дальнейшее поведение экрана, как видно из графиков 20(у), зависит от его состояния. Наибольшие изменения для экрана из ниобия происходят после механической обработки поверхности (кривые 3 и 6 определяются внешней нагрузкой на экран и внешней нагрузкой пределах 2 и 4Н). После первого отжига экрана в безмасляном вакууме 10-4 Па при температуре 1400К в течение 3 час. и второго при температуре 1150 К в течении 4 часов с учетом того, что вращение экрана также происходило в жидком гелии.

0-----------1--------1---------1--------*—

25 50 75 100

Рис. 6. Влияние частоты вращения экрана на зазор 70: Ниобий, Т=4,2 К. Кривые 1-3 - нагрузка 2 N 4-6 - 4 N 3,6 - механическая обработка, 2,4 - отжиг, 1,5 - химическое травление

Характеристики заметно улучшаются (кривые

2 и 4), а после химического травления поверхности экрана на глубину 10-4м при нагрузке от 2Н до 4Н в диапазоне скоростей вращения от 15 до 125 Гц кривые более линейны и зазор их практически не меняется. На вставке А этого же рисунка на кривой 20(у) видны ступеньки, определяемые скачками потока. Таким образом, можно сделать вывод о том, что с увеличением скорости вращения вихри, вошедшие в сверхпроводник, выталкиваются из его объема в рабочий зазор, что приводит к росту в нем индукции магнитного поля.

Заключение

В данной работе описан и представлен ранее малоизвестный магнитомеханический метод. Он нами предлагается для изучения динамики магнитного потока сверхпроводников, находящихся в смешанном состоянии. Проанализированы известные результаты полученные на классических сверхпроводниках и дан их анализ. Он имеет высокую чувстви-

тельность как для сверхпроводников со слабыми центрами пиннинга, так и жестких, где доминирует коллективное движение вихрей.

Литература

1. В.С. Постников Внутреннее трение в ме-

таллах. 2-е изд. // М.: Металлургия, 1974. 352 с.

2. В. Е. Милошенко И. В. Золотухин В. С.

Постников. Установка для измерения внутреннего трения сверхпроводников в интервале температур 4,2 ^ 300 К // Приборы и техника эксперимента. 1972. № 1. С. 218-220.

3. В.С. Постников, И.В. Золотухин, В.Е. Ми-

лошенко. Влияние сверхпроводящего перехода на внутреннее трение тантала // Письма в ЖЭТФ. 1971. Т. 13. С. 10-13.

4. В. С. Постников, И. В. Золотухин, В. Е. Ми-

лошенко. Внутреннее трение и относительный модуль упругости ниобия в нормальном и сверхпроводящем состояниях // ФТТ. 1972. Т. 14. С. 940-942.

5. В.Е. Милошенко. Упругорелаксационные свойства сверхпроводящего ниобия // ФТТ. 1987. Т. 29. Вып. 8. С. 2545-2547.

6. В. Д. Шцик О низкочастотном внутреннем трении в сверхпроводниках // ФТТ. 1974. Т. 16. № 2. С. 526-531.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7. В. Е. Милошенко. О природе пика внутреннего трения в области сверхпроводящего перехода // Деп. ВШИТИ № 5495-82 ден. 1982. С. 1-19, а также ФТТ, 1981. Т. 23. Вып. 8. С. 2490-2491.

8. В.Е. Милошенко, О.В. Калядин. О разделении вкладов упругорелаксационных и магнитоупругих эффектов в сверхпроводниках // Деформация и разрушение материалов. 2008. № 5. С. 12-19.

9. И.В. Золотухин, В.Е. Милошенко, А.М. Рощупкин, И.А. Сафонов, Г.Е. Шунин. Изгибные колебания тонких пластин в продольном магнитном поле // Физика низких температур. 1980. Т. 6. С. 230-235.

10. В.Е. Милошенко, В.В. Ломакин, Ю.Н Савельев, А. М. Рощупкин, Г. Е. Шунин. Крутильные колебания сверхпроводниковых пластин в магнитном поле // Физика низких температур. 1980. Т. 6. № 6. С. 2980; а также № 2443-80 Ден. 18.06.1980. Харьков. РЖ Физика. 1980. 26 с.

11. В.Е. Милошенко, Ю.К Савельев. О влиянии ориентации сверхпроводящей пластины на ее поведение в магнитном поле // Техническая электродинамика 1980. № 4. С. 15-19.

12. В.Е. Милошенко, Ю.К Савельев. Крутильные колебания сверхпроводящих пластин в магнитном поле // Техническая электродинамика. 1983. № 1. С. 21-23.

13. В.Е. Милошенко, В.М. Кармазин. Исследование сверхпроводящих электромагнитных опор // Техническая электродинамика. 1984. № 4. С. 6-12.

14. В.Е. Милошенко, В.М. Кармазин Исследование сверхпроводящих подвесов для электрических машин малой мощности // В кн. «Сверхпроводимость в технике». Ленинград, 1984. Ч. 1. С. 295-297.

15. В.Е. Милошенко, В.М. Кармазин Исследование охлаждаемых электромагнитных опор // Техническая электродинамика. 1986. № 2. С. 31-34.

16. В. Е. Милошенко, И. В. Золотухин, Г. Е. Шу-нин и др. Поведение колеблющихся сверхпроводящих пластин в магнитном поле // В кн. Материалы 20-го Всесоюзного совещания но физике низких температур КГ-2. М., 1979. Ч. .III // Черноголовка, 1978. С. 149-150.

17. В. Е. Милошенко, И. М. Голев. Физические процессы в упругих элементах криогенных акселерометров // Известия РАК Сер. Физическая. 1995. Т. 59. № 10. С. 39-44.

18. В.С. Постников, И.В. Золотухин, А.М. Ро-щупкин, С. Д. Рудый, В. Е. Милошенко. Расчет сверхпроводящих опор в электродвигателях // Деп. 108-8/77 Ин-формэлектро от 3.08.77 г., 31 с. Расчет сверхпроводящих опор в электродвигателях // Деп. 108-8/77 Информ-электро от 3.08.77 г. 31 с.

19. Э.Л. Андроникашвили, С.М. Ашимов, Дж. С. Цакадзе и др. Исследование диссипативных процессов в сверхпроводниках в смешанном состоянии и в ноле реакторного облучения // ЖЭТФ. 1968. Т. 55. № 3. С. 775-780.

20. Дж. Г. Чигвинадзе Действие поверхностных и объемных дефектов на диссипативные процессы в сверхпроводниках второго рода // ЖЭТФ. 1973. Т. 65. № 5. С. 1923-1927.

21. В. П. Галайко О колебаниях сверхпроводника второго рода в магнитном поле // Письма в ЖЭТФ. 1973 Т. 17. № 1. С. 31-35.

22. G.J. Gitleman, B. Rosenblum Radiofrequency resistance in the mixed state for suberitical currents // Phys. Rev. Lett., 1966, 16, № 17, р. 724-726.

23. Милошенко В.Е. Магнитомеханический эффект в сверхпроводниках II рода / В.Е. Милошенко, И. М. Шушлебин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т. 5. № 7. С. 55-60.

Воронежский государственный технический университет

MAGNETOMEHANICAL PROPERTIES OF SUPERCONDUCTORS IN THE LOW FREQUENCY V.E. Miloshenko, A.V. Sergeev

This review presents the results of studies of the classical superconductors magnetomechanical conducted in the cryogenic laboratory, showing the influence of various external factors (the magnetic field strength, operating temperature, the angle of orientation, speed, etc.), and the real crystal structure determined, the state of the superconductor. Analysis of these effects lets you manage your devices

Key words: review, methods, properties, low frequency, superconductors

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.