Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ экспериментальных и теоретических данных, связанныех с исследованиями сверхпроводящих свойств втсп и прогрессивными методами их изготовления 17
1.1 Методы измерений критической плотности тока в ВТСП, её зависимость от других параметров 18
1.2 Критическая плотность тока поликристаллических и расплавных ВТСП, принципы их изготовления 37
1.3 Вольтамперные характеристики поликристаллических ВТСП 50
2. Экспериментальные методы изучения электрофизических свойств вещества втсп - экранов / ' магнитного поля 54
2.1 Общие сведения о сверхпроводящих экранах магнитного поля 54
2.2 Взаимодействие ВТСП - экрана с внешним магнитным полем, измерения с помощью феррозондового датчика 57
2.3 Свойства вещества ВТСП - экрана и его взаимодействие с внешним магнитным полем, измерения с помощью ВТСП-СКВИДа 61
2.4. Динамика проникновения магнитного поля в вещество ВТСП - экрана, джозефсоновская глубина проникновения и первое критическое джозефсоновское поле 71
2.5 Взаимодействие магнитного поля с веществом ВТСП - экрана, исследование с помощью измерений магнитного шума 74
2.6 Механизмы взаимодействия магнитного поля (абрикосовских вихрей) с веществом ВТСП - экрана, объясняющие происхождение и свойства магнитных шумов 84
2.7 Аномальное поведение замороженного магнитного поля и его шума в ВТСП - экране 92
3. Физические основы технологии и конструкций высокоэффективных втсп - экранов и их приложения 97
3.1 Оптимизация технологии изготовления ВТСП - экранов составов УВа2Сщ07.5, Bi2Sr2Ca2Cu30%+y 98
3.2 Анизотропия плотности критического тока в экране, синтезированном при вращении в градиентном температурном поле 111
3.3 Влияние составного ВТСП - экрана на внешнее магнитное поле 117
3.4 Индуктивный токоограничитель с составным ВТСП-экраном 129
3.5 Составной ВТСП - экран на основе колец с толстопленочным покрытием 143
3.6 Способ получения магнитного вакуума с помощью ВТСП-экрана 146
4. Бесконтактные исследования сверхпроводящихсвойств втсп сложных форм 148
4.1 Бесконтактное исследование сверхпроводящих свойств ВТСП-колец 149
4.2. Эмпирическое соотношение между СП - параметрами поликристаллического ВТСП и джозефсоновской глубиной проникновения 159
4.3 «Невосприимчивость» двухсвязного сверхпроводника (кольца) в критическом состоянии к закону сохранения магнитного потока 167
4.4 Описание эксперимента, технические данные, результаты измерений 170
4.5 Бесконтактный метод измерения ВАХ ВТСП - кольца, эмпирическая формула для ВАХ 173
4.6 Реакция односвязного ВТСП (пластины) на постоянное, потенциальное электрическое поле, когерентные колебания s-электронов 180
4.7 Влияние термоциклирования на критический ток ВТСП 194
5. Некоторые электрофизические свойства толстоплёночных втсп - покрытии и их подложек 198
5.1 Изготовление исследуемых образцов - подложек и толстых плёнок 199
5.2 Распределение критического тока по толщине покрытия 206
5.3 Аномальное распределение серебра в композитной MgO + Ag20- подложке, влияние серебра в подложке на плотность критического тока 209
Заключение 225
- Критическая плотность тока поликристаллических и расплавных ВТСП, принципы их изготовления
- Динамика проникновения магнитного поля в вещество ВТСП - экрана, джозефсоновская глубина проникновения и первое критическое джозефсоновское поле
- Анизотропия плотности критического тока в экране, синтезированном при вращении в градиентном температурном поле
- Эмпирическое соотношение между СП - параметрами поликристаллического ВТСП и джозефсоновской глубиной проникновения
Введение к работе
Актуальность проблемы
Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) явилось ярким событием научно-технического прогресса прошлого века. Нобелевские лауреаты Беднорц и Мюллер обнаружили переход в сверхпроводящее состояние в системе La-Ва-Си-О при температуре 35 К.
Вслед за открытием ВТСП в системе La были обнаружены и другие сверхпроводящие керамические системы с высокой температурой (Тс) сверхпроводящего перехода. Это иттриевые сверхпроводники Y-Ва-Си-О (критическая температура перехода Тс = 93 К), висмутовые Ві-Sr-Ca-Cu-O (Тс = 115 К), таллиевые Tl-Ва-Са-Си-О (Тс = 119 К) и, наконец, ртутные Hg-Ba-Ca-Си-О, с максимальной температурой сверхпроводящего перехода Тс = 135 К.
Открытые сверхпроводники, синтезированные из оксидов металлов, являются керамическими поликристаллическими соединениями. Морфологически они образуют набор/соединённых между собой/сверхпроводящих ^ гранул. Гранулы характеризуются достаточно большой плотностью критического тока, тогда как межгранульные соединения представляют набор слабых связей, критическая плотность тока/через которые невелика. Наличие ела- v бых связей значительно снижает критическую плотность транспортного тока, что затрудняет применение ВТСП в технике. Более того, наличие слабых связей приводит к сильной зависимости от магнитного поля. По этой причине задача получения/как массивных сверхпроводников, так и длинномерные- / и териалов, проволок или лент с высокой токонесущей способностью, превратилась в сложную технологическую проблему
Исследователи во многих лабораториях потратили значительные усилия на поиск новых путей уменьшения количества слабых связей в ВТСП и увеличение критической плотности тока. Прежде всего, было установлено, что получение текстурированной керамики с малой кристаллографической
разориентацией гранул позволяет на порядки увеличить критическую плотность тока. Массивные образцы текстурированной керамики системы Y-Ba-Си-0 были получены методом частичного плавления. Критическая плотность тока такой керамики при температуре 77 К в магнитном поле 1 Тл достигает Ю4 А/см2. На основе висмутовой керамики во многих лабораториях мира изготавливаются длинномерные текстурированные ленты с критической плот-ностью тока порядка (3 + 5)-10 А/см . Рекордная критическая плотность тока достигнута в тонких (порядка 0,2 мкм) сверхпроводящих плёнках системы Г-Ba-Cu-O. Она составляет -10 А/см при температуре 77 К и слабо зависит от магнитного поля.
Однако и низкие плотности критического тока в уже разработанных поликристаллических ВТСП оказываются достаточными для того, чтобы использовать их уже сейчас в криоэлектротехнике, например, для изготовления магнитных экранов и индуктивных токоограничителей на их основе. Успехи в толстопленочных технологиях ВТСП позволяют с успехом использовать их \у в криоэлектронике например, для создания концентраторов магнитного потока и в СКВИД - технике.
Одним из основных признаков таких ВТСП прикладного характера является их конструкционная направленность и достаточная сложность форм, обеспечивающая их применение в тех или иных конкретных целях.
Поэтому актуальным является изучение свойств поликристаллических и толстопленочных ВТСП - материалов сложных форм и выявление тех их особенностей, которые могли бы быть заложены в основы новых криогенных устройств
Цель и задачи исследований
Основной целью данной диссертационной работы являются исследования электрофизических свойств элементов сложной формы из поликристаллических ВТСП, разработка новых способов и устройств для проведения
7 этих исследований, а также разработка оптимальных технологий и конструкций объектов исследований, направленных также на их приложения.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи. -Исследовать экранирующие свойств вещества ВТСП - экранов с помощью феррозондового магнитометра и ВТСП - СКВИДа. Исследовать динамику проникновения магнитного поля в вещество и объём экрана. Исследовать спектры магнитных шумов ВТСП - экранов, а также механизмы взаимодействия магнитного поля (абрикосовских вихрей) с ВТСП - веществом, определяющие происхождение магнитных шумов.
-Исследовать способы оптимизации механокерамической технологии изготовления экранов из готовых порошков поликристаллических ВТСП УВа2СщОх, ВіїЗггСагСщОу, а также допирование Ва2СщОх сплавом Ag-Sn-Си и использование порошка Ві\^РЬо^г2Са2СщОу.
-Исследовать способ оптимизации конструкции ВТСП - экрана, усиливающий экранировку аксиального поля, путём изготовления его из набора тонких тестированных колец и применение его в индуктивном токоограничите-ле. Исследовать возможность нового приложения ВТСП - экрана - создания с его помощью магнитного вакуума.
-Исследовать возможность дополнительного увеличения экранирующей способности составного экрана за счёт использования колец с толстоплёночным покрытием.
-Исследовать распределение плотности критического тока по толщине покрытия из Bi2Sr2Ca\Cu2Oy на поликристаллической MgO - подложке. Исследовать распределение примеси серебра, введённого в объём MgO - подложки и возможное его положительное влияние на транспортные свойства покрытия.
-Исследовать возможность увеличения кольцевого критического тока по сравнению с током по образующей и соответствующего текстурирования материала ВТСП - экрана путём его термосинтеза во вращающемся градиентном температурном поле.
8 -Разработать новые бесконтактные способ и устройство и с их помощью исследовать СП - характеристики двухсвязных ВТСП (колец), находящихся в критическом состоянии и взаимодействующих только с собственным магнитным полем, а также проникновение этого поля в объём образца. -Исследовать (теоретически) возможность возникновения когерентных колебаний s-электронов и соответствующего излучения, являющихся реакцией односвязного сверхпроводника (тонкой пластины) на включение перпендикулярного, постоянного электрического ПОЛЯ.
Исследовать влияние термоциклирования на транспортные свойства ВТСП -колец с помощью разработанного бесконтактного способа.
Методы исследований
-Экспериментальные методы исследования взаимодействия сверхпроводящих экранов с магнитным полем.
-Механокерамические методы создания исследуемых поликристаллических и толстоплёночных ВТСП - образцов (экранов, колец). -Новый бесконтактный метод измерения СП - параметров ВТСП - колец. -Новый бесконтактный метод построения вольтамперных характеристик (ВАХ) ВТСП - колец.
Научная новизна
(Далее словом новый отмечены те способы и устройства, на которые получены Патенты РФ).
-Впервые с помощью "bulk" ВТСП - СКВИДа осуществлено всестороннее исследование поликристаллического УВа2СщОх - экрана. Исследована, в частности, динамика проникновения в экран внешнего магнитного поля и на её основе найдена джозефсоновская глубина проникновения и первое критиче-
9 ское джозефсоновское поле. Подтверждена XIf зависимость if - частота) в
спектральном составе магнитного шума. Установлено, что магнитный шум в ВТСП - экране состава УВагСщО^ь + 10% Ag-Sn-Cu (с 65% Ag) находится на уровне чувствительности СКВИДа, что даёт основание для их успешной совместной работы.
-Впервые с помощью высокочувствительного феррозондового магнитометра всесторонне исследовано взаимодействие магнитного поля с поликристаллическими веществами ЇВаїСщОї.^ и Вц^РЬ^Г2Са2СщОу - ВТСП - экранов посредством измерения магнитного шума. Установлены механизмы взаимодействия абрикосовских вихрей с поликристаллическим веществом ВТСП, объясняющие происхождение и свойства шума. Исследовано влияние морфологии поликристаллического ВТСП на происхождение равновесного белого - и XIf- магнитных шумов.
-Впервые обнаружена анизотропия плотности критического тока в веществе ВТСП - экрана, синтезированного во вращающемся градиентном температурном поле по режиму близкому к расплавному (С. Джина). Критическая плотность кольцевого тока на 60 % превосходит критическую плотность тока по образующей, что объясняется возникновением кольцевой текстуры. Обнаружена обратимость процесса возникновения анизотропии критической плотности тока.
-Впервые в результате сканирования внутреннего магнитного поля составного (из тонких колец) ВТСП - экрана вдоль его оси обнаружен эффект увеличения усреднённого (по высоте экрана) поля проникновения. При раздви-жении колец на расстояние равное 1/3 их высоты поле проникновения увеличивается на 19,3 %. Изготовлена и исследована действующая модель индуктивного ВТСП - ограничителя тока новой конструкции - с составным экраном. Ограничитель имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с аналогами, в том числе, возможность увеличения на 50 % порога ограничения тока и его плавной регулировки.
10 -Разработан новый способ, позволяющий с помощью ВТСП - экрана «зачёр-пывать» глубокий (10" -НО" Э) магнитный вакуум из имеющегося низкотемпературного источника, неограниченно долго удерживать его, транспортировать и тиражировать.
Найдена новая конструкция составного экрана из набора керамических колец с толстоплёночными ВТСП - покрытиями, увеличивающая поле проникновения более чем на порядок.
-Впервые исследовано распределение плотности критического тока по толщине Bi2Sr2Ca\Cu20y - покрытия на поликристаллической MgO - подложке. Установлено значительное уменьшение критической плотности тока в направлении от поверхности покрытия к подложке.
Впервые исследовано распределение примеси серебра, введённого в объём поликристаллической MgO - подложки после её спекания при 1690 С в течении 10 часов. Обнаружен и объяснён эффект полного выхода серебра из подложки при его начальном содержании более 35-40 %. Разработан новый способ изготовления MgO - подложек путём введения примеси серебра в их объём.
-С учётом высокой прикладной значимости ВТСП - колец разработаны новые способ и устройство для бесконтактного определения их СП - параметров. Измеряются критический ток, индуктивность в СП - состоянии, зависимость индуктивности от СП - тока, первое и второе критические джозефсо-новские магнитные поля и соответствующие критические токи. Эти измерения отличает то, что внешнее магнитное поле вводится внутрь кольца с помощью соленоида и на кольцо в процессе измерений воздействует только собственное магнитное поле СП - тока кольца. Найдена новая эмпирическая формула, связывающая первое и второе критические, джозефсоновские магнитные поля и соответствующие плотности критических токов с джозефсо-новской глубиной проникновения.
-Путём измерения зависимости СП - тока в кольце от скорости линейного со временем изменения введённого в него магнитного поля измерены ВАХ по-
ликристаллических ВТСП - колец. Найдена новая эмпирическая формула для
ВАХ ВТСП Ві28г2Са2СщОу. Она отличается от известных в области плотно
стей токов близких к критической. V
-Впервые осуществлён расчёт воздействия внешнего, постоянного электри
ческого поля перпендикулярного тонкой СП - пластине на s-электроны. Ис-
пользование при расчёте формулы Лондонов приводит колебаниям s- у
электронов, с частотой, зависящей только от их концентрации, аналогично v
ленгмюровской. Колебания возможны лишь при определённом соотношении
между концентрацией s-электронов и шириной СП - щели. Колебания коге
рентны и сопровождаются когерентным электромагнитным излучением, при
водящим к их затуханию.
-Впервые исследовано влияние термоциклирования на плотность критического тока ВТСП. Исследование стало возможным, благодаря использованию образцов - колец и нового бесконтактного способа, требующего до 1 - 2 мин. на один замер. Исследовалась зависимость транспортных свойств образцов от числа перенесенных ими термоциклов (термоцикл: быстрое погружение в жидкий азот, выдержка, быстрый подъём с последующим отогреванием в потоке горячего воздуха). Установлено, что наименее устойчив к термоцикли-рованию ВТСП УВа2Сщ07.^, выдерживающий 200 - 400 термоциклов. ВТСП УВа2Сщ07-5+4 %Ag выдерживает 400 - 800 термоциклов. Наиболее устойчив ВТСП Bi2Sr2Ca2CuT,Oy, выдерживающий более 1200 термоциклов.
Практическая значимость работы
Доказана эффективность ВТСП - экранов состава УВа2СщО^ + 10% Ag-Sn-Cu (с 65% Ag) по отношению к "bulk" ВТСП - СКВИДам.
Исследования магнитных шумов в поликристаллических ВТСП - экранах установили связь между их структурой и уровнем, типом шума. Эта связь позволяет минимизировать шумы данного типа путём создания экранов с соответствующей структурой.
12 Использование составных экранов из простых в изготовлении колец в
индуктивных ВТСП - ограничителях тока, в принципе, решает актуальную
задачу увеличения экранируемого объёма соленоида при увеличении средне
го поля проникновения (т. е. увеличении порога ограничения тока), которая
не может быть решена с помощью традиционных, цельных экранов. і/
Разработанный экспресс - способ и устройство бесконтактного измерения критического тока в ВТСП - кольцах уже в настоящее время активно используется в нескольких лабораториях, в том числе, и за рубежом. Только с помощью этого устройства удалось провести исследование влияния термо-циклирования на транспортные свойства ВТСП, включающее в себя несколько тысяч измерений, и впервые получить актуальную информацию об эксплуатационной долговечности ВТСП - керамик.
Применение бесконтактного способа для построения вольтамперной характеристики ВТСП позволяет измерить её наиболее важный в теоретическом и практическом отношении участок с плотностями токов очень близких * к критической.
Обнаруженная теоретически возможность когерентных колебания s-электронов под действием постоянного электрического поля, в случае её реализации, позволила бы создать монохроматический источник когерентного излучения с перестраиваемой частотой в области дальнего ИК - спектра.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Полная экранировка ВТСП (УВа2СщО^) - экраном внешнего магнитного поля равного половине поля проникновения в течение 24 часов.
Построение с помощью "bulk" ВТСП - СКВИДа гистерезисной кривой зависимости внутреннего поля от внешнего, а также кривых, описывающих динамику проникновения внешнего магнитного поля в объём экрана. Определение первого критического джозефсоновского магнитного поля, джозеф-
13 соновской глубины проникновения и амплитуды магнитного шума для ВТСП
{ЇВагСщО-і,ь +Ag-Sn-Cu) - экрана.
Исследования с помощью феррозондового магнитометра магнитных шумов в ВТСП - экранах. Определение процессов взаимодействия абрико-совскиих вихрей с веществом ВТСП - экранов, объясняющих природу шумов.
2. Установленный экспериментально эффект увеличения плотности
кольцевого критического тока в полом, цилиндрическом экране в результате
его термообработки при вращении в градиентном температурном поле.
Установленный экспериментально эффект увеличения среднего (по высоте) поля проникновения составного, из тонких колец, ВТСП - экрана при их раздвижении.
Установленный экспериментально эффект роста порога ограничения тока у индуктивного токоограничителя при использовании составного ВТСП - экрана с раздвинутыми кольцами.
Установленное теоретически увеличение поля проникновения составного, из толстопленочных колец, ВТСП - экрана.
Способ создания магнитного вакуума с помощью ВТСП - экрана.
3. Способ и устройство для бесконтактного измерения СП - параметров
(плотности критического тока, индуктивности в СП - состоянии, зависимости
индуктивности от СП - тока, первого и второго критических джозефсонов-
ских магнитных полей и соответствующих критических СП - токов) ВТСП -
колец, находящихся под воздействием только собственного магнитного поля.
Установленное из эксперимента новое соотношение между первым и вторым критическими, джозефсоновскими магнитными полями (соответствующими критическими токами) и джозефсоновской глубиной проникновения.
Способ бесконтактного измерения ВАХ ВТСП - кольца.
14 Установленная из эксперимента новая формула ВАХ для ВТСП Шт$гіСаіСщОг
Установленный теоретически эффект колебаний s-электронов, возникающих в ВТСП - пластине в результате включения постоянного электрического поля, возможный при выполнении определённого соотношения между концентрацией s- электронов и шириной СП - щели.
Исследование зависимости плотности критического тока ВТСП {ЇВаіСщО-].ь, Ш^ггСагСщО^) - колец от количества термоциклов.
6. Распределения плотности критического тока по толщине
BhSriCa,\CuiOy- покрытия на MgO - подложке.
7. Установленный экспериментально эффект аномального распределе
ния серебра в поликристаллическом композите MgO+Ag после его термооб
работки при 1690 С.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на 41 научных конференциях и школах. Среди них:
VII Всесоюзное совещание по проблемам магнитных измерений и магни-тоизмерительной аппаратуре (Ленинград, 1989).
ICMC90 Topical. Conf. HTSc Materials Aspects (Garmisch - Partenkirchen, 1990).
ICMC-14 Conf. (Kiev, 1992).
EUCAS'93 (London, 1993).
30th Low Temp. Phys. Conf. (Dubna, 1994).
II Межд. конф. Материаловедение высокотемпературных сверхпроводников (Харьков, 1995).
HTSL- Massivmaterial. Materialaspekte und Anwendungen (Dresden, Krippen, Sechsische Schweiz, 1998).
MSU-HTSCV (Moscow, 1998).
EUCAS'99, 4 European Conference on Applied Superconductivity (Spanien, Sept. 1999).
10.XII. Trilateral German-Russia-Ukrainian on HTSC (Kiev, 1999). 11. Workshop for Physic of Low Temperature (Kasan, 2000). 12.Актуальные проблемы электронного приборостроения (Саратов. 2000). 13.1., 2., 3., 4., 5., 6. - Steinfurter - Keramik - Seminar. Materialforschung und Anwendung (Steinfurt 1998,1999, 2000, 2001,2002).
14.High-Temperature Superconductors and Novel Inorganic Materials Engineering. MSU-HTSC YII. 7-th International Workshop (Moscow, 2004). 15.V Международная конференция. Электротехнические материалы и компоненты (Алушта, 2004)
Реализация результатов работы
Разработанный в диссертационной работе метод и устройство для бесконтактного измерения СП - свойств ВТСП - материалов используется:
в лаборатории ВТСП Марийского Госуниверситета;
в лаборатории неорганической химии и ВТСП института физики твёрдого тела, г. Минск;
в лаборатории прикладного материаловедения, кристаллов и высокотемпературных сверхпроводников Fachhochschuhle (FH) Munster (ФРГ);
в лаборатории электрической энерготехники, FH Koln (ФРГ) и др.
Разработанные ВТСП - экраны используются в исследованиях:
в Лаборатории нейтронной физики (отделение Б.В. Васильева) Объединённого Института Ядерных Исследований;
в Физико - техническом Институте Низких Температур (отделение СИ. Бондаренко), г. Харьков; и др.
Теоретические результаты диссертационной работы и экспериментальные установки используются при чтении курса «Физика сверхпроводников»
в Марийском Государственном Университете (специальность - физика). Разработанные экспериментальные методики используются в качестве основы лабораторных работ. По этой теме написаны многие курсовые и дипломные работы.
Структура и объем работы
Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, библиографический список цитируемой литературы из 312 наименований (включая работы автора). Работа изложена на 257 страницах с 79 иллюстрациями и 8 таблицами.
Публикации
По результатам исследований опубликованы 74 печатные работы. Среди них 1 авторское свидетельство, 10 патентов РФ, 2 решения о выдаче патента РФ, 2 заявки на патенты ФРГ (Antrag auf Erteilung eines Patentes DE), 15 журнальных публикаций, 41 работа в тезисах и трудах международных конференций, 3 статьи депонированы. Выпущено 5 отчетов в координационных сборниках, полученных и ожидаемых результатов: «Проекты работ в области t фундаментальных и прикладных исследований ВТСП».
Часть публикаций подготовлена автором лично. В части публикаций, подготовленных в соавторстве, большая доля основных идей, экспериментальных и теоретических разработок принадлежат автору диссертационной работы.
Критическая плотность тока поликристаллических и расплавных ВТСП, принципы их изготовления
Эта часть обзора относится к разделам 3.1, 4.1, 5.1 данной работы. ВТСП - материалы можно разделить на три большие группы, монокристаллы, пленки и поликристаллические ВТСП, которые делятся на керамические и плавленые (более монолитные) образцы. Характер токопереноса в этих материалах сильно изменяется в соответствии с их структурными различиями. Монокристаллы в этом ряду выделяются тем, что являются, по-видимому, наиболее совершенными объектами исследования. С точки зрения приложений максимальный интерес вызывают поликристаллические материалы, на основе которых уже начато изготовление сверхпроводящих кабелей и лент. Наибольшими значениями критической плотности тока в настоящее время характеризуются пленки ВТСП Первые поликристаллические образцы ВТСП были получены в виде керамик. Они характеризовались очень низкими значениями критической плотности тока, порядка несколько единиц ампер на квадратный сантиметр (см., например, [3]) при 77 К. Этот факт не очень удивителен с точки зрения морфологии керамических материалов. Их структуру можно описать как систему расположенных неупорядочено и хаотически ориентированных монокристаллических гранул, слабо связанных между собой. Природа этих слабых связей до сих пор исчерпывающе не установлена. Вероятно, они осуществляются путем джозеф-соновского туннелирования S—N—S (см., например,[93]), S-I-S (см., например, [102-104]), либо S-N-I-N-S [194] типа. Вместе с тем, некоторые экспериментальные данные указывают, что слабые связи могут иметь характер мостиков - микронных перемычек между зернами (см., например, [105]). Наличие таких слабых связей и приводит к тому, что величина транспортного критического тока керамического образца определяется предельным током, протекающим между зернами, т. е. межгранулным критическим током. Эффективная критическая плотность межгранульного тока jc оказывается на несколько порядков меньше, критической плотности внутригра-нульного тока jc . Как видно из рис. 8, температурные зависимости этих двух токов так-же оказываются существенно различными. Для поведения jc характерна, как и в случае монокристаллов, экспоненциальная зависимость. Причем параметры j (0) и Т0 близки к соответствующим значениям для тока ycLc в монокристаллах YBa2Cu3Ox. Температурная зависимость межгранульного тока близка к линейной при высоких температурах и насыщается при понижении температуры. Вблизи Тс иногда появляется нелинейность типа Анализ температурных зависимостей межгранульного критического тока удается провести на основе представлений о его джозефсоновской природе (см., например, [108-110]).
Еще одной характерной особенностью межгранульного критического тока является его сильная зависимость от магнитного поля. Для описания этой зависимости предложен ряд выражений различного типа (см., например, [31-33,35-40]). Наилучшее согласие с экспериментальными данными получено при использовании соотношений: Причем несколько лучшие результаты могут быть получены для последней зависимости [39]. Количественная модель джозефсоновской среды была предложена в [34]. Путем численного суммирование токов через хаотически ориентированные джозефсоновские переходы с заданным распределением их размеров были рассчитаны полевые зависимости При соответствующем выборе распределения переходов по размерам и ориентациям относительно поля было достигнуто удовлетворительное согласие результатов расчёта с экспериментальными данными. Значение параметра Во, определяющего характерный масштаб изменения jc(B) составляет 0,1 - \мТл при Т = 77 К и возрастает при понижении температуры. Как правило, большим значениям jc соответствуют и большие значения В0, т.е. при увеличении критического тока его зависимость от магнитного поля ослабляется (см., например, [111] и рис.9). Наличие сильной зависимости jc от магнитного поля приводит к аномальной зависимости, критической плотности тока от размеров образца [29,31,32] (рис. 10), измеренной четырехзондовым методом Этот эффект связан с влиянием собственного магнитного поля, создаваемого протекающим током и становится мал только для тонких образцов с размерами значительно меньше критического г0 [31]. Для иллюстрации этого эффекта в работе [112] производилась компенсация собственного поля тока. Для этого внутрь ВТСП - образца, имеющего форму тонкостенного цилиндра, помещался медный проводник, создающий компенсирующее поле. Как видно из рис. 11, при противоположных направлениях сверхпроводящего и компенсирующего токов наблюдалось увеличение jc, достигающее максимума при оптимальной компенсации. К настоящему времени достаточно подробно изучено влияние размеров гранул керамики на внутрнгранульный и межгранульный критические токи.
В работе [113] установилено, что при изменении размеров гранул порошка YBa2Cu3Ox в интервале 1 20 мкм величина внутрнгранульнои критической плотности тока практически не изменяется и составляет 7 10 А/см при Т = 11 К и В =0,03 Тл и 2 10б А/см2 при Т = 4,2 К и В =0,3 Тл. Аналогичные результаты были получены в работе [112]. Для керамики YBa2Cu3Ox со средними размерами гранул 2,5 мкм и 10 мкм при Т = 11К в нулевом внеш-нем поле были получены, соответственно, значения jc : 0,9 10 А/см и 1,2-105 Л/см2. В работе [34] при изучении влияния размеров гранул на величину межгранульного тока не обнаружена корреляция между размерами гранул и величиной jc, однако полевая зависимость jc(B) становилась более сильной для образцов с большим размером зерна. В работе [114] при исследовании керамики YBa2Cu3Ox с различными размерами гранул d от 1,0 до 25 мкм получили резкий максимум jc при d 1,2 мкм. Этот эффект авторами был связан с остаточными напряжениями на межгранульных границах. В работах [115,116] при измерениях на образцах различной плотности установили, что значение параметра Во, соответствующее уменьшению в два раза критического тока под действием магнитного поля, убывает при увеличении плотности образца. Этот эффект был объяснён увеличением размера гранул керамики. Для джозефсоновского перехода с малой толщиной барьера поле, соответствующее проникновению одного кванта магнитного потока, выражается соотношением Н = Ф0/2ЯЬ {L - размер зерна; Я — глубина проникновения). Предполагается [115, 116], что значение параметра В0 определяется величиной ноля Н , убывающей при увеличении размера гранул L. В поликристаллических ВТСП захваченный внутри зерен магнитный поток приводит к гистерезису зависимости jc (В) и подавлению межзеренно- го критического тока после вывода поля (см., например, [112]). Это приводит к интересному эффекту, обусловленному крипом магнитного потока. Со временем величина захваченного потока уменьшается по логарифмическому закону и эффект подавления межзеренного тока потоком, захваченным зернами, ослабляется. Как видно из рис. 12, это приводит к увеличению транспортного критического тока также по логарифмическому закону [112]. В качестве механизма возникновения слабых связей между гранулами, приводящего к резкому снижению транспортного критического тока и его сильной зависимости от магнитного поля, обычно, указывают следующие две причины. Во-первых, наличие относительной разориентации кристаллических плоскостей в контактирующих гранулах. Как установлено в ряде работ (например, [117]), это может приводить к существенному уменьшению критического тока через межгранульную границу, причем подавление критического тока происходит, примерно, на поря- док. Во-вторых, в ряде работ (например, [118]) была обнаружена сегрегация углерода на границах зерен. Возникающий межгранульный диэлектрический барьер толщиной менее 10 4 существенно понижает критический ток [114].
Динамика проникновения магнитного поля в вещество ВТСП - экрана, джозефсоновская глубина проникновения и первое критическое джозефсоновское поле
В данном разделе представлено исследование [183] динамики проникновения внешнего магнитного поля внутрь ВТСП - экрана в виде полого цилиндра на уровне чувствительности СКВИД - магнитометра. Измерения проводятся в режиме охлаждения в квазинулевом ( 10 5 Э) магнитном поле. Первоначально тщательно подбирается поле проникновения, Нео. За Нео принималось такое внешнее магнитное поле, при котором в течение 3000 с внутрь экрана проникало поле, приблизительно, 5-Ю"10 7л. Чтобы обеспечить достаточно высокую точность измерений, соленоид был изготовлен для этих экспериментов из двух соосных катушек, намотанных на единый каркас. Одна из катушек предназначена для поддержания поля проникновения, а с помощью другой создаётся скачкообразные дополнительные приращения поля АНе. Первая катушка запитывается от источника постоянного тока, обладающего высокой долговременной стабильностью не хуже 0,01%. На рис.10 представлены временные зависимости поля внутри цилиндра для четырех значений внешнего магнитного поля (Яе0 + ЛЯе0), где #е0 5,5 Э. Кривая 4 соответствует АНео 0; кр.З - ЛЯе0 = 0,005 Э; кр.2 -ДЯе0 По скорости проникновения внешнего магнитного поля в цилиндр (экран) видно, что он находится в сверхслабом резистивном состоянии. Динамика проникновения поля внутрь цилиндра хорошо описывается выражением [197]: Ht(t) = H0+v\n(t0) при t 100 с. Логарифмическая скорость релаксации у не является константой, а представляет собой функцию, приблизительно пропорциональную АНе/АНео в диапазоне наших измерений. Необходимо отметить, что приращение поля внутри цилиндра ДЯ,- за время измерения значительно ниже задаваемого скачка внешнего поля АНе, При этом, с наращиванием Ше разница между АНе и ЛЯ,- быстро уменьшается. Это говорит о том, что в слаборезистивном состоянии в продольном сечении экрана, по крайней мере, вблизи внутреннего диаметра, профиль магнитного поля должен соответствовать экспоненциальному закону затухания. Если принять, что весь (во всей стенке экрана) профиль магнитного поля соответствует экспоненциальному закону затухания, т. е. аппроксимиро- вать его экспонентой, то можно дать некоторые приближенные количественные оценки параметров поликристаллического ВТСП в рамках модели Клема [198]. Так, используя найденное Яе0 , найдём эффективную джозефсонов-скую глубину проникновения Исследования структуры ВТСП с помощью электронного микроскопа показали, что средний размер гранулы а 10 мкм.
Тогда, согласно [198], для условия Xj» до первое критическое джозефсоновсаое поле ВТСП приблизительно равно 0,01 Э. Данное значение Hc\j находится в хорошем согласии с независимыми оценками, полученными из измерений поверхностно- го импеданса [199] и магнитной восприимчивости при помощи СКВИД - магнитометра [194]. Дополнительным фактором, подтверждающим справедливость данной оценки Hc\j может служить отмеченный низкий уровень низкочастотных флуктуации магнитного потока во внутреннем объеме экрана при его охлаждении до 77 К в поле менее 0,01 Э. При этом необходимо учесть, что при охлаждении экрана во внешнем магнитном поле Не Нсу это поле выталкивается и не формирует в его толще вихрей магнитного потока (абрикосовских вихрей). Кроме того, основным источником магнитного шума в веществе ВТСП - экрана в отсутствие транспортного тока являются именно термоактивированные скачки вихрей магнитного потока. В заключение отметим, что, проведенные в разд.2.2 (п.2 и п.З) исследования, показали практическую целесообразность высокотемпературных сверхпроводящих экранов, изготовленных по нашей технологии из ВТСП У]Ва2Сщ07.х, допированноого сплавом Ag-Cu-Sn. Такие экраны могут быть с успехом применены для долговременного экранирования от внешних магнитных полей порядка нескольких эрстед. Учитывая, что при охлаждении в квазинулевом поле внутри экранов не наблюдается избыточный магнитный шум, такие экраны могут быть широко использованы в технике азотного уровня охлаждения для высокочувствительных измерений при помощи ВТСП - СКВИД - магнитометров. В данном разделе представлены детальные исследования [200,201] магнитных шумов, свойственных поликристаллическим ВТСП - экранам, и на основании полученных экспериментальных данных развиты модели взаимодействия абрикосовских вихрей с веществом поликристаллических ВТСП. Физическая природа магнитных шумов исследовалась в ряде экспериментальных работ, например, в [202-204], а также в теоретических работах [204-206]. В них рассматривались модели, объясняющие зависимость генерируемого поликристаллическим ВТСП магнитного шума от температуры, магнитного поля и других параметров. Методика измерений спектральной плотности шума магнитного поля в ВТСП подробно описана в [203]. Там же приведены собственные характеристики применяемого феррозондового магнитометра. Белый уровень собственного шума магнитометра, экранированного сверхпроводящим свинцовым экранном, составляет 10"6 ЭТцш в области частот 0,05 - 100 Гц. В качестве образцов в наших исследованиях использовались ВТСП -экраны с дном. Напряженность магнитного поля, ее дрейф и шумы измерялись магнитометром, расположенным внутри экрана. Такая постановка эксперимента отличается от использованной в [202,204], когда односвязный образец из ВТСП керамики, находящийся в камере с нагревателем, помещался внутри антенны сверхпроводящего магнитометра. В данном разделе, в отличие от работ [202-205], проводится исследование спектральной плотности шума магнитного поля внутри сверхпроводящих экранов из поликристаллических ВТСП систем Bi2_xPbxSr2Ca2Cu3Oy и YBa2Cu307_s, технология изготовления которых описана в разд. 3.1.
Особое внимание уделено также изучению неравновесного 1// и телеграфного шумов. Некоторые полученные результаты для ВТСП - экранов являются новыми. 1. Описание экспериментов В нашем случае измеряются только шумы, генерируемые ВТСП, служащим одновременно экраном, дрейф магнитного потока в ВТСП - экране и собственные шумы магнитометра. В случае же упомянутого выше помещения ВТСП образца внутрь антенны ([202,204]) необходимо применение дополнительного магнитного экрана, не только экранирующего всю систему от внешних помех, но и генерирующего свои дополнительные шумы, измеряемые магнитометром. Дополнительные шумы в этом случае генерируют также нагреватель и капсула. Кроме того, дрейф напряженности магнитного поля, измеряемый при такой постановки эксперимента, может существенно искажаться сверхпроводящей петлей самой антенны и дополнительным сверхпроводящим экраном. Эксперименты проводятся в двух вариантах. 1. Внутри полого экрана с дном из ВТСП замораживается остаточное (квазинулевое) магнитное поле пермаллоевого экрана, равное 2 мЭ. Затем ВТСП - экран помещается во внешнее магнитное поле, напряженность которого варьируется вплоть до поля проникновения. Измеряется шум магнитного поля внутри экрана. 2. Внутри экрана «вмораживаются» различные магнитные поля меньшие критического: экран охлаждается в пронизывающем его, внешнем магнитном поле. Затем это поле уменьшается до квазинулевого - 2 мЭ. Одновременно измеряется дрейф (со временем) замороженного магнитного поля и соответствующего магнитного шума. 2. Результаты экспериментов В первом варианте помимо фактов, описанных в [204], в результате проведённых экспериментов установлено следующее. 1. Спектральная плотность шума при заданной частоте не зависит от времени измерения в магнитных полях вплоть до поля проникновения. 2. Спектральная плотность шума лишь незначительно увеличивается (не более чем на 20 - 50 %) при увеличении магнитного поля вплоть до поля равного 90% Ир (Нр - поле проникновения) (рис. 11). Отметим, что небольшое изменение во времени спектральной плотности шума (в пределах 20 - 30 %) можно наблюдать и при внешнем магнитном поле Не = 2 мЭ.
Анизотропия плотности критического тока в экране, синтезированном при вращении в градиентном температурном поле
Хорошо известно (например, [129]), что термосинтез ВТСП YBa2Cu301_y с подплавлением, с последующей обработкой в градиенте температуры приводит к направленному росту кристаллитов, т.е. к текстуриро-ванию в направлении перпендикулярном оси с, а также к росту и сращиванию кристаллитов. Всё это приводит к значительному увеличению плотности критического тока в направлении градиента температуры. В работе [129] термосинтезу подвергался образец в виде протяжённого цилиндра (штабика), установленного в печи вертикально. Заключительным этапом термосинтеза было спекание при градиенте температуры. Между верхним и нижним концами образца поддерживалась постоянная разность температур, при общем уменьшении температуры с заданной скоростью. Это приводило к появлению линейной текстуры, направленной вдоль оси образца. В данном разделе исследуется возможность создания не традиционной - линейной, а кольцевой текстуры в веществе ВТСП - экрана цилиндрической формы [229-232]. Для такого экрана, предназначенного для подавления внешнего аксиального магнитного поля, важна именно кольцевая текстура. Такая текстура приводит к анизотропии плотности критического тока, а именно, к значительно большей плотности критического тока по кольцевым траекториям перпендикулярным оси по сравнению с плотностью критического тока в направлении образующей (цилиндра). С этой целью спекание прессовки экрана (полученной гидростатическим прессованием керамического порошка на оправке) проводится в специально для этой цели сконструированной ротационной печи, принцип действия которой изображён на рис. 1. Между нагревателем 3 и охладителем 4 устанавливается градиент температуры grad Т ——--hi где Т1} Т2 - температуры горячей и холодной зоны, Lj2 " расстояние между зонами. Варьируя температуры нагревателя и охладителя (за счёт увеличения потока воды) удаётся получить grad Т =14-10 С/см. Подобный диапазон температур использовался в работе [129]. В результате вращения кварцевой трубы (рис.1) вращается в противоположном направлении и с такой же угловой скоростью экран. Вращение экрана происходит за счёт его перекатывания по внутренней поверхности кварцевой трубы.
При этом часть его объёма, расположенного вдоль его образующей плавно переходит из горячей зоны в зону холодную. Частота вращения зависит от параметров используемого ПТ - двигателя и составляет v = 0,54-5 об /мин. Многократное прохождение каждой кольцевой траектории цилиндра через градиент температуры, в результате его вращения, частично воспроизводит ситуацию градиентного термосинтеза образцов в работе [129]. Значение температуры горячей зоны (рис.1) в нашем эксперименте устанавливается меньше, чем в [129]: Tj 975 - 980 С, а в [129] она 1000- 1050 С. Температура Т\ 975 - 980 С выбирается именно такой по двум причинам. Во-первых, при ней образец (полый цилиндр, лежащий горизонтально) находится лишь в начальной стадии перитектического плавления и размягчён не настолько, чтобы полностью потерять форму под действием собственного веса (при 1000 - 1050 С образец - цилиндр по этой причине полностью расплющивается). Во-вторых, при понижении температуры от Т\ 75 -80 С имеет место рост кристаллитов, хотя и не столь интенсивный, как при её понижении от 1000 - 1050 С в [ 129]. При этом, в отличие от [129], в нашем случае имеет место многократная повторяемость кристаллизационного цикла вдоль каждой кольцевой траектории в образце в результате её многократного прохода (благодаря вращению) через градиент температуры. В дополнение к этому вращение экрана, т.е. перекатывание его по внутренней поверхности кварцевой трубы препятствует его деформации. Из спечённого экрана вырезаются образцы двух типов: кольца в перпендикулярном оси экрана направлении и штабики - в направлении образующей цилиндра. В этих образцах четырёхзондовым методом измеряются критические плотности тока: jc ± и jc п. Вычисляется параметр анизотропии Ь плотности критического тока Результаты эксперимента представлены на рис.2, 3. Из них следует: 1. Термообработка полого ВТСП - цилиндра (экрана) с вращением в градиенте температуры приводит анизотропии плотности критического тока. Максимальная относительная разность между jcl и jcll составляет Ь «0,6 (60 %) 2. Зависимость Ь(Т\) имеет экстремум при Т\ 965 - 968 С (для всех АГ, рис.2). 3. С увеличением длительности термообработки продолжительности термосинтеза с вращением в градиенте температуры параметр анизотропии Ь увеличивается (для всех АГ, рис.3). 4. Следует отметить факт, подтверждающий полученные результаты по анизотропии плотности критического тока: после повторной термообработки экрана при однородном распределении темперы, т. е. в отсутствие градиента, анизотропия плотности критического тока полностью исчезает. 5. Процесс появления анизотропии плотности критического тока частично обратим: после третьей термообработки с вращением в градиенте температуры анизотропия восстанавливается до 80 % от максимальной. На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы. Вероятное объяснение найденных закономерностей таково. Анизотропия плотности критического тока в полых цилиндрических ВТСП - образцах является следствием образования в них кольцевой текстуры, хотя микроскопическим обследованием она, вероятно, в силу неразвитости, выявлена не была.
Однако схожесть технологий нашей и работы [129] и сам факт появления анизотропии плотности критического тока, подтверждает наличие кольцевой текстуры. Следует отметить, что проведенные эксперименты не дали столь существенного прироста плотности критического тока, как в [129], однако появление анизотропии плотности критического тока дает основания продолжить данное исследование в направлении поиска более адекватного исходного порошка керамики YBa2Cu307_y и оптимизации режима термической обработки. Экраны, используемые в экспериментах гл.2, изготавливаются с помощью гидростатического прессования (обжатия) керамического порошка на оправке с последующим термосинтезом (см. разд.3.1). Подобные экраны физически, химически и фазово неоднородны, и содержат микротрещины различного размера (от долей микрона до долей миллиметра). Причины этого, в основном, технологические: неоднородность внутренних напряжений в прессовках вследствие гидростатического прессования на оправках сложной и протяжённой формы, неоднородность температуры на протяжении образца при его спекании, неоднородность по размерам и химическому составу частиц прекурсоров, а также их нестехиометрия и неоднофазность В результате этого не все кольцевые контура, несущие экранирующие СП - токи, имеют одинаковые плотности критических токов. Они могут отличаться существенно, до 50 % и более, как показывает эксперимент. Поэтому основные характеристики ВТСП - экранов, такие как поле проникновения и спектральное распределение магнитного шума (гл. 2), могут диктоваться их «слабыми» местами, хотя относительное содержание этих «слабых мест» может быть и незначительным. С другой стороны, из элементарных электродинамических соображений ясно, что по отношению к аксиальному внешнему полю, а именно такая ориентация поля в большинстве случаев представляет прикладной интерес, поперечные кольцевые неоднородности (трещины) не имеют существенного значения. С учётом этих двух факторов нами впервые были проведены эксперименты по экранировке аксиального магнитного поля составными, из отдельных ВТСП - колец, экранами [233-235]. С целью актуального, в связи с вышесказанным, бесконтактного определения критических токов колец, определяющих их экранирующие свойства, были разработаны и применены соответствующие метод и устройство (гл.4, патент [257]). В качестве основы берется цилиндрический, полый, без дна ВТСП - экран из керамики состава Bi2Sr2Ca2Cu30Uy изготовленный по оптимальной технологии (см. разд.ЗЛ), с размерами: высота 120 мм, внутренний диаметр 18 мм, толщина стенки -1-1,5 мм. Экран исследуется на величину поля проникновения. Для этого экран размещается внутри соленоида, создающего однородное, аксиальное магнитное поле. Внутри экрана, в его центре, размещается датчик Холла. Посредством изменения тока соленоида снимается типичная гистерезисная кривая, изображённая на рис.4 (кривая 1).
Эмпирическое соотношение между СП - параметрами поликристаллического ВТСП и джозефсоновской глубиной проникновения
Для сверхпроводников 2-го рода, к которым относятся поликристаллические ВТСП, проникновение магнитного поля в вещество описывается процессами и параметрами, рассмотренными в п.2 разд.4.1. Среди них особый интерес представляет джозефсоновская глубина проникновения Xj. У низкотемпературных сверхпроводников тонкий приповерхностный слой, по которому протекает СП - ток, экранирующий магнитное поле, и в который проникает это магнитное поле, называется лондонов-ской глубиной проникновения XL (см., например, [269,271]). Этот параметр характерен также для ВТСП - монокристаллов, кристаллитов и тонких эпи- таксиальных плёнок. У поликристаллических ВТСП приповерхностный слой с экранирующим СП - током, т. н. джозефсоновская глубина проникновения Xj, значительно толще, чем у монокристаллов: lj»h- (23) Причиной этого является специфика строения поликристаллического ВТСП. Он состоит из кристаллитов, близких по СП - свойствам к монокристаллам, и соединяющих их слабых связей. Их ещё называют джозефсонов-скими, а сами поликристаллические ВТСП - трёхмерными джозефсоновски-ми средами. Материал слабой связи, хоть и является сверхпроводящим, но имеет значительно меньшие, по сравнению с монокристаллами (кристаллитами), значения плотности критического тока и критического поля. Поэтому плотность транспортного критического тока у поликристаллических ВТСП также значительно меньше плотности критического тока монокристалла. Это, очевидно, и является причиной неравенства (23). Потому, что при одном и том же внешнем поле у поликристаллического ВТСП требуется значительно более толстый приповерхностный слой для достижения экранирующего приповерхностного СП - тока равного приповерхностному экранирующему току монокристалла. В данном разделе на основании экспериментальных данных, полученных с помощью измерения кривых UH (i), определяются эмпирические соотношения, связывающие между собой важные для поликристаллических ВТСП - параметры. Ими являются плотности первого jlc и второго j2c критических токов, первое Blc j и второе В2с j критические, джозефсоновские магнитные поля и джозефсоновская глубина проникновения Xj. Как отмечалось выше, на участке 0 - 1 (рис.2) индуктивность ВТСП -кольца L = Lx неизменна, что в соответствие с моделью Бина означает, что СП - ток кольца с равномерным распределением (на протяжении всего участка 0 -1) протекает в одном и том же приповерхностном слое глубиной Лj . Эта глубина не меняется до тех пор, пока плотность тока в слое Xj не достигнет критического значения jlc. Отметим, что на участке 0-1 в слой Xj уже проникло собственное (от СП - тока) магнитное поле. Докажем более последовательно постоянство толщины приповерхностного слоя Xj с помощью наших экспериментов.
Линейность участка 0-1, кривой UH (і) (рис.2) с точки зрения модели Бина может быть объяснена следующим образом. Изначально (при сколь угодно малом токе соленоида и сколь угодно малом магнитном поле, пронизывающем отверстие кольца) в кольце возникает экранирующий СП - ток, распределённый в приповерхностном слое Xj. Величина Xj определяется свойствами данного поликристаллического ВТСП. С ростом тока соленоида, т. е. пронизывающего кольцо собственного магнитного поля, увеличивается и экранирующий СП - ток, оставаясь, однако, всё в том же приповерхностном слое той же глубины Xj. Очевидным доказательством этому служит явная линейность участка 0-1 кривой UH{i). Как следует из (9) и (10) и проведённых экспериментов (рис.2), величина AUH(i) линейно зависит от /. При этом в (10) входит только одна характеристика, которая также может зависеть от і. Это коэффициент самоиндукции (индуктивность) L ВТСП - кольца. Известно (и это легко показать), что коэффициент самоиндукции L кольца с током существенно зависит от проникновения в его отверстие и в его объём собственного магнитного поля, а поэтому и от распределения тока по объёму кольца. Если бы с ростом пронизывающего кольцо потока экранирующий СП - ток занимал всё большие и большие толщины, т.е. уходил бы вглубь кольца, то индуктивность L возрастала бы с ростом /, а Шн{і) отклонялась бы от линейной зависимости от і . Однако строгая линейность участка 0-1 (рис.2) (этот факт проверен на многих десятках экспериментальных кривых, построенных для поликристаллических ВТСП - колец разных составов) однозначно доказывает, что на этом участке экранирующий СП - ток протекает в слое строго определённой глубины равной Xj.
В противном случае по мере выхода СП - тока из этого слоя при его увеличении индуктивность возрастала бы, а участок 0-1 не был бы линейным. По достижении т. 1 (рис.2) СП - ток / вырастает до 1-го критического значения /1с, при котором его плотность j\ с достигает критической плотности тока, характерной для мейсснеровского [271] состояния данного поликристаллического ВТСП. В т.1 (рис.2) слой Xj занят током с максимально возможной плотностью, а также, соответствующим для данного состояния собственным максимальным (критическим) магнитным полем Blc j. Затем СП - ток начинает (с тем, чтобы j не превысила jlc) распространяться вглубь кольца, а вместе с ним - и собственное магнитное поле, уже в виде абрикосовских вихрей (которые по мере проникновения из слоя Xj вглубь закрепляются на центрах пиннинга). Поэтому на участке 1-2 индуктивность L увеличивается с ростом і, а кривая [/я(/)идёт вверх, образуя нелинейный участок 1-2. В т.2 экранирующий СП - ток / достигает 2-го критического значения 12с, протекая теперь уже по всему объёму (поперечному сечению) кольца. Абрикосовские вихри при этом с максимальной плотностью также занимают весь объём кольца. При таком состоянии сверхпроводника, как известно [271], достигается максимальный транспортный ток 12с и максимальная плотность критического тока j2c, характерная для сверхпроводников 2-го рода. Собственное магнитное поле внутри кольца достигает при этом значения B2cJ. Известно (см. например, [271]), что j2c j\c т-к- J2с соответствует транспортному СП - току сверхпроводника в критическом состоянии при максимальном заполнении объёма абрикосовскими вихрями, закреплёнными на центрах пиннинга, а /1с соответствует приповерхностному СП - току мейсснеровского состояния. При этом большой интерес вызывает количественное соотношение между этими плотностями токов, т.к. оно, для даного сверхпроводника, связано с механизмом сверхпроводимости в нём и с механизмом установления критического состояния. В нашей постановке эксперимента, вводимое в ВТСП - кольцо магнитное поле (поток), непосредственно не воздействует на материал кольца. Поэтому дальнейшее, свыше /2 увеличение тока соленоида, т. е. пронизывающего отверстие кольца магнитного поля не приводят к увеличению экранирующего тока, достигшего максимально возможной величины I2c. Наши бесконтактные эксперименты и соответствующие измерения позволяют установить соотношения между j\c,j2c, B]cJ Ще J и 4/ Для Vа3 личных типов ВТСП, а, кроме того, определить эти величины. Рассмотрим эксперименты с реальными кольцами прямоугольного сечения из поликристаллического ВТСП Bi2Sr2Ca2Cu3Oy. Для кольцевого тока, соответствующего точке 1 кривой UH (0, имеем где SL= 2(R2 -Rv + Н) Xj - площадь сечения приповерхностного слоя толщиной Xj\ Н - высота кольца; Rx и R2 - внутренний и наружный радиусы кольца; jlc - плотность критического тока в приповерхностном слое, при превышении которой начинается продвижение СП - тока и собственного магнитного поля из приповерхностного слоя вглубь кольца.
