Исследование свойств колец-фрагментов магнитного экрана

Целью работы является изучение контактных и бесконтактных методов измерения критических токов ВТСП, измерение критических токов образцов с различной текстурой и точностью.

Общие сведения

Критическая плотность тока является одним из основных параметров сверхпроводников, определяющих возможности их практического применения. Вместе с тем изучение процессов токопереноса представляет интерес не только с технической, но и с физической точки зрения, т.к. многие возникающие здесь явления имеют глубокую физическую природу и позволяют получить информацию о некоторых параметрах сверхпроводящего состояния. Кроме того, информация о транспортных свойствах сверхпроводника позволяет оценить правильность выбранных технологических режимов и вовремя провести их корректировку.

Так же, как для низкотемпературных сверхпроводников, для определения критического тока в ВТСП используют две группы методов: контактные и бесконтактные.

Контактные методы, как правило, реализуются в четырехзондовой схеме с использованием стационарного или импульсного режимов измерения. В обоих случаях регистрируют момент перехода сверхпроводника в резистивное состояние.

Основной проблемой для контактных методов является именно фиксация перехода в резистивное состояние. Обычно это осуществляется по появлении на потенциальных контактах некоторого порогового напряжения U_С, определяемого чувствительностью аппаратуры. Характерные значения U_С, используемые в экспериментах, составляют 10^-6–10^-7 В при типичных расстояниях в между потенциальными зарядами 0,1–10 мм. Это соответствует возникновению пороговой напряженности поля E_С=10^-4–10^-7 В/см.

Суть проблемы заключается в том, что количество вихревых нитей, проходящих между потенциальными контактами на единицу длины в единицу времени, может быть определено как

N=Uc/(Ф₀l), (4.3)

где Ф₀ – квант магнитного потока.

С учетом величины l, N принимает значения 10¹⁰–10¹³ 1/(с·м) и оказывается достаточно большим. Иными словами, при указанных значениях порогового параметра образец уже находится достаточно далеко от порогового состояния, и возникает вопрос о погрешности в определенном j_c.

Было установлено, что ВАХ ВТСП вблизи j_c может быть описана с помощью соотношения

E=C(j-j_c)^α. (4.4)

Для классических сверхпроводников это соотношение справедливо в режиме вязкого потока (α=1). Таким образом, величина j_с может быть получена на основе анализа ВАХ. С экспериментальной точки зрения существенно, что зависимость (4.4) является достаточно слабой.

Необходимо отметить, что в случае стационарного режима измерений значительную проблему представляет собой возникновение теплового перегрева. Он может быть связан как с контактным перегревом, так и с тепловым перераспределением.

Граница устойчивости относительно теплового распространения определяется равенством объемного тепловыделения в объеме V и максимальной мощностью, отводимой криогенной жидкостью с поверхности образца.

Это обстоятельство приводит к соотношению

j_с=qP/(EA), (4.5)

где q – удельная максимальная отводимая мощность;

P – периметр образца;

А – его сечение.

Если учитывать, что Е=10^-3 В/см, A/P=0,5 см и q=10 Вт/см² при перегреве 10 К, то тепловое распространение будет отсутствовать для j_с<2·10⁵ A/см². Необходимо учитывать, что в реальных условиях эта величина будет меньше.

Возникновение контактного перегрева определяется равенством тепловыделения на единицу площади контакта и максимальной отводимой мощностью. Если площадь контакта соответствует площади образца, то измеряемое значение j_с ограничено величиной

, (4.6)

где r – удельное контактное сопротивление.

Естественный путь уменьшения контактного перегрева заключается в уменьшении контактного сопротивления. Несмотря на то, что влияние тепловых эффектов, как правило, можно сильно уменьшить при контактных измерениях образец всегда находится в перегретом состоянии. Этот недостаток наряду со сложностью фиксации j_c служит причиной того, что во многих случаях бесконтактные методы оказываются предпочтительнее контактных.

Наиболее широко для этих целей использу.тся магнитные методы, например измерение магнитного момента. В данной работе также использован магнитный метод.

Устройство для реализации этого метода представлено на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Устройство для бесконтактного измерения критического тока

Соленоид 1 содержит 300 витков медного провода диаметра 0,05 мм. Внутри соленоида размещается датчик Холла 2. С обеих сторон датчик фиксирует П-образные скобы из электротехнической стали, играющие роль магнитного сердечника. На соленоиде устанавливают ВТСП кольцо, катушка соленоида подключается к источнику постоянного тока. Ток соленоида и напряжение Холла регистрируют с помощью двухкоординатного самописца (соответственно вход «X» и вход «Y»). При включении по соленоиду протекает постоянный ток I_m, который создает магнитное поле В. Поле усиливается магнитным сердечником в µ раз. В ВТСП кольце индуцируется постоянный СП ток I, который создает магнитное поле В(I).

Это поле, в соответствии с законом индукции , направлено встречно к полю соленоида, и датчик Холла измеряет суммарное поле В:

B(I)=µB_µ-B_c=k_xU_x(I), (4.7)

где k_x – чувствительность датчика Холла.

Типичная зависимость U_x(I) приведена на графике 1, представленном на рис. 4.6. График 2 – ВАХ устройства без ВТСП кольца.

Рис. 4.6. ВАХ устройства измерения критического тока

На участке 0а СП ток в кольце возрастает и достигает максимального значения. При этом кривая 1 отклоняется от прямой 2 на максимальное расстояние. При дальнейшем увеличении тока соленоида, ток кольца и его магнитное поле не возрастают. Оба графика остаются параллельными. Данная особенность хода 1 объясняется следующим образом. При такой конструкции устройства и постоянном токе соленоида магнитное поле последнего не проникает в кольцо. Кольцо остается в СП, а вернее в критическом состоянии. Измерение критического тока осуществляется путем измерения ∆U_x (рис. 4.6):

I_С=k∆U_x, (4.8)

где k – характеристика устройства.

Величина k для данного устройства может быть получена либо расчетным, либо эмпирическим способом с помощью дополнительных четырехконтактных измерений величины критического тока.

Задания

1). Откалиблируйте устройство для бесконтактного измерения критического тока.

1.1. Составьте измерительную схему. С помощью четырехзондового метода измерьте критический ток ВТСП кольца (рис. 4.7, а).

1.2. Составьте схему для бесконтактного измерения критического тока ВТСП кольца (рис. 4.7, б).

1.3. Сопоставьте полученные результаты и определите величину k в (4.2).

2). Постройте вольт-амперные характеристики для различных колец. Предложите аналитическое выражение ВАХ и сравните с приведенным в п. 2.5.3.

3). Измерьте критический ток колец, полученных в предыдущей работе. Выявите связь между текстурой, плотностью материала ВТСП и величиной критического тока.

4). Составьте отчет, содержащий данные о плотности критического тока ВТСП колец; графики зависимостей плотности критического тока от плотности, размеров зерен, состояния границ зерен ВТСП материала.

а) б)

Рис. 4.7. Схема устройства для контактного (а) и бесконтактного (б) измерения критического тока: ИП – источники питания, В – милливольтметр, L – катушка соленоида, Д – датчик Холла, С – двухкоординатный самописец

Контрольные вопросы

1. Что такое критический ток?

2. Охарактеризуйте внутригранульный и межгранульный критический ток.

3. Дайте характеристику смешанному состоянию.

4. От чего зависит критический ток?

5. Что называют вихрем Абрикосова?

6. Охарактеризуйте методы измерения критического тока.

7. Какие ограничения существуют для контактных методов измерения критического тока?

8. Поясните работу устройства бесконечного измерения критического тока.

Литература

1. Лыков С.Н. Сверхпроводимость полупроводников – СПб.: Наука, 2001.-101с.