CC BY
12
Челябинский физико-математический журнал. 2022. Т. 7, вып. 3. С. 359-364.
УДК 538.945 Б01: 10.47475/2500-0101-2022-17309
ЗАХВАТ МАГНИТНОГО ПОТОКА
В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ СВЕРХПРОВОДНИКЕ YBa2CuзO7 И ЕГО РАЗРУШЕНИЕ
А. О. Петров", А. В. Маширов6, В. В. Коледовс, А. П. Каманцев^, К. А. Колесове, И. А. Кон/, В. Г. Шавров9
Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Москва, Россия "alexandrpetrov291094@gmail.com, 6a.v.mashirov@mail.ru, сvictor_koledov@mail.ru, dkaman4@gmail.com, еkolesovkka@mail.ru, fsitlar@gmail.com, 9shavrov@cplire.ru
Создание твердотельных криогенных систем нового поколения требует разработки источников сильных магнитных полей, превышающих по напряжённости постоянные магниты. В данной работе экспериментально исследован процесс захвата магнитного поля до 10 Тл высокотемпературным сверхпроводником YBa2CuзO7. Получены зависимости магнитного потока, захваченного сверхпроводником, от температуры.
Ключевые слова: высокотемпературный сверхпроводник, захват магнитного потока.
Введение
Высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП), керамика УВа2Си307 относится к классу сверхпроводников второго рода. Он способен захватывать магнитный поток при охлаждении до температур ниже критической температуры сверхпроводящего перехода, в данном случае ниже 93 К. Он может быть использован как источник постоянного магнитного поля в различных областях. Однако область их применения ограничена недостаточной механической прочностью и низкой теплопроводностью объёмных сверхпроводников [1]. С любым магнитным полем связано магнитное давление, содержащееся в граничных условиях поля. Оно идентично любому другому физическому давлению, за исключением того, что оно индуцируется магнитным полем. Градиент напряжённости поля вызывает силу, называемую силой магнитного давления. ВТСП УВа2Си307 с захваченным магнитным полем более нескольких Тл разрушаются из-за магнитного давления [2]. Предел прочности У-Ва-Си-0 сравнительно невысок — 10-30 МПа. Силы в объёмном образце во время уменьшения намагничивающего поля имеют растягивающую природу [3], а керамический материал У-Ва-Си-0 плохо справляется с растягивающими напряжениями. Взаимодействие захваченного поля и тока вызывает внешнее давление, пропорциональное захваченному полю. Следовательно, предел прочности (ДВ) устанавливает максимальное захваченное поле (Втах). Максимальное захваченное поле оказалось в интервале от 6 до 9.4 Тл в объёмных ВТСП [1]. За прошедшие годы было опубликовано несколько работ по захвату сильных полей в ВТСП. В том числе получены значения: 16 Тл при 24 К в 2002 году [4], 17.24 Тл при 29 К, в 2003 году [1] и текущее рекордное поле 17.6 Тл при 26 К достигнуто в 2014 году [5]. В каждом случае эти достижения были прямым результатом сочетания упрочнения конструкции образцов внешним армированием и добавлением Ag в состав сверхпроводника для
Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда, проект № 20-19-00745.
увеличения его собственной прочности [1; 4-6]. В данной работе были поставлены следующие задачи: изучение захвата магнитного потока сверхпроводящим постоянным магнитом, состоящим из двух дисков ВТСП УБа2Си3О7 в зависимости от расстояния между дисками, внешнего поля до 10 Тл и температуры до 3 К, а также анализ причин, ограничивающих напряжённость захваченного поля.
1. Методы эксперимента и образцы
В качестве образцов использовались два сверхпроводящих керамических цилиндра УБа2Си3О7 диаметром 21 мм и высотой 10 мм. В зазоре между ними были установлены два датчика Холла, один в центре, а другой на периферии, которые помещались в алюминиевый держатель. Измерение магнитного поля проводилось с помощью датчиков Холла ПХЭ 606817А. Вся конструкция помещалась в шахту сверхпроводящего магнита с катушками из КЬТ1, КЬБп. Сверхпроводящий магнит способен создавать магнитное поле до 10 Тл. Расстояние между цилиндрическими образцами регулировалось с помощью вставок из текстолита высотой от 2 до 4 мм. На держателе размещался нагреватель и откалиброванный температурный датчик Сегпох термоконтролера ЬакеяЬоге 336. Сбор данных измерений датчиков Холла и датчиков температуры осуществлялся при помощи программного комплекса, описанного в работе [7].
В эксперименте сначала охлаждается камера и держатель с образцами до температуры несколько выше критической температуры сверхпроводящего перехода, а затем постепенно вводится магнитное поле до величины 5 или 10 Тл. В результате дальнейшего охлаждения до температуры ниже критической образцы переходят в сверхпроводящее состояние и захватывают магнитное поле, приобретая магнитный момент. Затем внешнее магнитное поле постепенно снижается до нуля. При максимальном значении поля необходимо провести выдержку для уменьшения ползучести захваченного поля около 103 секунд [8]. Затем магнитное поле выводили путём понижения тока сверхпроводящего магнита со скоростью 1 А/мин [5].
2. Результаты и обсуждение
На рис. 1 приведена зависимость от времени напряжённости захваченного магнитного поля между двумя образцами У-Ба-Си-О на расстоянии 4 мм друг от друга при снижени внешнего магнитного поля от 5 до 0 Тл, когда образцы ВТСП находились в сверхпроводящем состоянии. Предварительно магнитное поле 5 Тл вводилось внешним сверхпроводящим магнитом после охлаждения образцов от 100 до 50 К. Из графика на рис. 1 видно, что захваченное магнитное поле при линейном снижении со скоростью 0.075 Тл/мин сохраняет значение 5 Тл в центре внутренней поверхности цилиндрического основания образца, а на периферии снижается до значений около 2 Тл.
Для захвата магнитного поля 10 Тл при температруе 2 К были использованы образцы без видимых дефектов. Грфик зависимости поля в центре, на периферии зазора, а также температуры от времени показан на рис. 2. Здесь видно, что захваченное магнитное поле при линейном уменьшении тока питания внешнего магнита 1 А/мин (что соответствует уменьшению внешнего приложенного магнитного поля со скоростью 0.075 Тл/мин) сохраняет значение 10 Тл при снижении внешнего магнитного поля примерно до значения 7.75 Тл. При значении внешнего поля 9 и 8.4 Тл наблюдался первый и второй температурный скачок датчика держателя на 0.4 и 3.2 К соответственно, что можно объяснить нагреванием двух образцов
Захват магнитного потока в высокотемпературном сверхпроводнике УВа2Сиз07...
361
Лггье
Рис. 1. График зависимости захваченного магнитного поля при 50 К и расстоянии между образцами 4 мм. Синяя кривая — показания датчика Холла в центре зазора, черная кривая — на периферии, красная кривая — температура в ходе эксперимента
У-Ба-Си-О за счёт снижения собственного магнитного момента в результате понижения внешнего магнитного поля. Данное поведение в уменьшающемся внешнем магнитном поле ВТСП-таблетки известно из работы [1], где было замечено изменение температуры сверхпроводника, находящегося в сверхпроводящем состоянии в момент изменения магнитного поля. В результате при снижении внешнего магнитного поля до 0 Тл захваченное магнитное поле скачкообразно уменьшилось до 3.14 Тл в центре и 1.78 Тл на периферии поверхности цилиндрических керамических образцов У-Ба-Си-О. После извлечения образцов У-Ба-Си-О из держателя на их поверхности наблюдаются микротрещины (рис. 2, а).
Рис. 2. Захват поля 10 Тл: а) зависимость захваченного в ВТСП магнитного поля при 2 К по данным центрального (синяя кривая) и периферийного (чёрная кривая) датчиков Холла при снятии внешнего магнитного поля (штриховая линия). Красной линией показана зависимость температуры от времени, видны температурные скачки, зафиксированные температурным датчиком на держателе образца при снижении внешнего поля; б) внешний вид образца с трещинами после завершения эксперимента
Заключение
Наибольший интерес вызывает процесс потери захваченного магнитного поля, связанный с разрушением образца ВТСП. В [1] обсуждается физическая приро-
да этого эффекта. Взаимодействие захваченного поля и тока вызывает внешнее давление пропорционально квадрату индукции захваченного поля. Таким образом, предел прочности сверхпроводящего материала устанавливает максимальное захваченное поле. Предел прочности YBa2Cu3O7 составляет примерно 25МПа, что в свою очередь соответствует 7-8 Тл захваченного магнитного потока. Предложено увеличить механическую прочность образцов, во-первых, с помощью армирования, а во-вторых, с помощью легирования Y-Ba-Cu-O серебром, что позволяет повысить механическую прочность образцов [3]. Также обсуждается эксперимент с ферромагнитным материалом, когда диск ВТСП находится между ферромагнитными дисками [9], с помощью которых удалось сохранить захваченный магнитный поток на длительное время.
Список литературы
1. TomitaM., Murakami M. High-temperature superconductor bulk magnets that can trap magnetic fields of over 17 tesla at 29 K // Nature. 2003. Vol. 421. P. 517-520.
2. RenY., WeinsteinR., Liu J., SawhR.P., Foster C. Damage caused by magnetic pressure at high trapped field in quasi-permanent magnets composed of melt-textured Y-Ba-Cu-O // Physica C: Superconductivity. 1995. Vol. 251. P. 15-26.
3. KrabbesG., FuchsG., CandersW.-R., MayH., PalkaR. High Temperature Superconductor Bulk Materials: Fundamentals, Processing, Properties Control, Application Aspects. Hoboken : John Wiley & Sons Inc., 2006.
4. KrabbesG., FuchsS.G., Verges S. P., DikoS.P., Stover S.G., GrussS.S. 16 T trapped field in modified YBaCuO: materials aspects // Physica C: Superconductivity. 2002. Vol. 378. P. 636-640.
5. DurrellJ.H., Dennis A. R., Jaroszynski J., AinslieM. D., Palmer K. G. B., ShiY.-H., CardwellD. A. A trapped field of 17.6 T in melt-processed, bulk Gd-Ba-Cu-O reinforced with shrink-fit steel // Superconductor Science and Technology. 2014. Vol. 27, no. 082001.
6. Konstantopoulou K., ShiY.-H., Dennis A. R., DurrellJ.H., Pastor J. Y., CardwellD. A. Temperature evolution of cluster structures in ethanol // Superconductor Science and Technology. 2014. Vol. 27, no. 115011.
7. CohnI.A., Kovalenko A. G., Vystavkin A. N. Experimental research control software system // Journal of Physics: Conference Series. 2014. Vol. 510, no. 012004.
8. Beasley M. R., Labusch R., Webb W. W. Flux creep in type-II superconductors // Physical Review. 1969. Vol. 181. P. 682-700.
9. SmolyakB. M., Perelshtein G. N., Ermakov G. V. Retarded magnetic relaxation in levitated superconductors // Technical Physics Letters. 2006. Vol. 32. P. 98-100.
Поступила в 'редакцию 07.11.2020. После переработки 20.08.2022.
Сведения об авторах
Петров Александр Олегович, инженер лаборатории магнитных явлений в микроэлектронике, Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Москва, Россия; e-mail: alexandrpetrov291094@gmail.com.
Маширов Алексей Викторович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории магнитных явлений в микроэлектронике, Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Москва, Россия; e-mail: a.v.mashirov@mail.ru.
Коледов Виктор Викторович, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории магнитных явлений в микроэлектронике, Институт
Захват магнитного потока в высокотемпературном сверхпроводнике УБа2Сиз07.
363
радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Москва, Россия; e-mail: victor_koledov@mail.ru.
Каманцев Александр Павлович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории магнитных явлений в микроэлектронике, Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Москва, Россия; e-mail: kaman4@gmail.com. Колесов Константин Андреевич, инженер лаборатории магнитных явлений в микроэлектронике, Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Москва, Россия; e-mail: kolesovkka@mail.ru
Кон Илья Александрович, младший научный сотрудник лаборатории электронных процессов в квантовых структурах, Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Москва, Россия; e-mail: sitlar@gmail.com Ш^авров Владимир Григорьевич, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией магнитных явлений в микроэлектронике, Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Москва, Россия; e-mail: shavrov@cplire.ru.
Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal. 2022. Vol. 7, iss. 3. P. 359-364.
DOI: 10.47475/2500-0101-2022-17309
CAPTURE OF MAGNETIC FLUX IN HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR YBa2Cu3O7 AND ITS DESTRUCTION
A.O. Petrov", A.V. Mashirovb, V.V. Koledovc, A.P. Kamantsevd, K.A. Kolesove, I.A. Cohnf, V.G. Shavrov9
1 Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of RAS, Moscow, Russia "alexandrpetrov291094@gmail.com,, ba.v.mashirov@mail.ru, cvictor_koledov@mail.ru, dkaman4@gmail.com, ekolesovkka@mail.ru, fsitlar@gmail.com, 9shavrov@cplire.ru
A creation of new-generation solid-state cryogenic systems requires the development of sources of high magnetic fields exceeding permanent magnets in the strength. In this work, the process of capturing a magnetic field up to 10 T by the high-temperature superconductor YBa2Cu3O7 is experimentally investigated. The dependences of the magnetic flux captured in the superconductor on temperature are obtained.
Keywords: high temperature superconductor, magnetic flux capture.
References
1. TomitaM., Murakami M. High-temperature superconductor bulk magnets that can trap magnetic fields of over 17 tesla at 29 K. Nature, 2003, vol. 421, pp. 517-520.
2. RenY., WeinsteinR., Liu J., SawhR.P., Foster C. Damage caused by magnetic pressure at high trapped field in quasi-permanent magnets composed of melt-textured Y-Ba-Cu-O superconductor. Physica C: Superconductivity, 1995, vol. 251, pp. 15-26.
3. KrabbesG., FuchsG., CandersW.-R., MayH., PalkaR. High temperature superconductor bulk materials: fundamentals, processing, properties control, application aspects. Hoboken, John Wiley & Sons Inc., 2006.
4. Krabbes G., Fuchs G., Verges P., Diko P., Stover G., Gruss S. 16 T trapped fields in modified YBaCuO: materials aspects. Physica C: Superconductivity, 2002, vol. 378, pp. 636-640.
5. DurrellJ.H., DennisA.R., JaroszynskiJ., AinslieM.D., PalmerK.G.B., ShiY.-H., CardwellD.A. A trapped field of 17.6 T in melt-processed, bulk Gd-Ba-Cu-O reinforced with shrink-fit steel. Superconductor Science and Technology, 2014, vol. 27, no. 082001.
6. KonstantopoulouK., ShiY.-H., DennisA.R., DurrellJ.H., PastorJ.Y., CardwellD.A. Mechanical characterization of GdBCO/Ag and YBCO single grains fabricated by top-seeded melt growth at 77 and 300 K. Superconductor Science and Technology, 2014, vol. 27, no. 115011.
7. Cohn I.A., Kovalenko A.G., Vystavkin A.N. Experimental research control software system. Journal of Physics: Conference Series, 2014, vol. 510, no. 012004.
8. BeasleyM.R., LabuschR., WebbW.W. Flux creep in type-II superconductors. Physical Review), 1969, vol. 181, pp. 682-700.
9. SmolyakB.M., Perelshtein G.N., ErmakovG.V. Retarded magnetic relaxation in levitated superconductors. Technical Physics Letters, 2006, vol. 32, pp. 98-100.
Article received 07.11.2020.
Corrections received 20.08.2022.
The studies were funded by Russian Science Foundation, the project no. 20-19-00745.
