CC BY
35
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: imgol@rambler.ru
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 — ВТСПдиск; 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
Б(1)=Боехр(-у 2), (1)
3 2
где: у — константа магнитной системы из трех магнитов, равная 0,038-10" м- ,
В0 — максимальное значение поля вдоль главной оси симметрии постоянного магнита на заданном расстоянии,
2 — 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. ВШП — диаметр пятна НЛП; ЯМ — радиус на котором располагаются центры области НЛП, ФП — поток, создаваемый магнитами; ЯСП—радиус ВТСП диска, гНЛП — 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 БС (ненулевом магнитном поле). Размер ЭНЛП области неоднородного локального поля (НЛП) (рис. 3), сформированной в объеме ВТСП образца определялась как
О НЛП = 2,
1п
Во
\ В , ,
V с1 У
-, (2) 7
С увеличением угла поворота магнитной системы а сила Гм, действующая на вихри магнитного потока возрастала до тех пор, пока не превышала силу Рмтах пиннинга вихревых нитей области НЛП. При превышении этого значения происходил срыв вихрей и дальнейшее
увеличение поворота угла а магнитной системы не приводило к увеличению угла поворота в подвижной системы. Определяя экспериментально величину ¥м , в момент когда она достигает значения ¥Мтах, зная его объем УНЛП была вычислена сила пиннинга сверхпроводника:
......
(3)
77 ' М т ах
рр= -м-
НЛП
Сила определялась как
Ры = К • N• р — = 2 К • N• р , аа
180'
- ж2 В Км • Р • а • ехр
ж. К
ы
180
• а
• (4)
2
2
V
Количество вихревых нитей в области НЛП
а магнитный поток
N = Ф"
косп
Фп
ФоР
В„
1п
Вп
к В
косВо
+1
- В
1п
В
В
+1
С1 У
(5)
о„
Фп = кос 1 Во ехр(- Р12 )&, (6)
_рнлп 2
где: Ф0 — квант магнитного потока,
кос = 0,95 — коэффициент ослабления внешнего магнитного поля Во. На рис. 4 представлена полученная зависимость действующей на ВТСП образец силы F от смещения НЛП 2 при повороте магнитной системы на угол а. Участок а-Ь носит линейный характер, что является свидетельством упругой деформации ансамбля вихревых нитей области НЛП. Дальнейшее увеличение смещения ъ приводит к отклонению зависимости Б(ъ) от линейной (участок Ь-с), что является следствием начала срыва вихревых нитей с центров пиннинга. На участке с-й кривая выходит на насыщение, поскольку все вихри области НЛП перешли в свободное состояние.
0.40
0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00
Р.Н
0 1
с 2
-у,
/ у
* А/
/ ф
/ Э
10
15
20
25
30
35 2. ММ
Рисунок 4 Зависимость действующей на ВТСП образец силы Г от смещения НЛП г при повороте магнитной системы на угол а. 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].
Список 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., Kanuchova M., Sefcikova 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.
