Введение к работе
Актуальность темы Внедрение высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов в такие области, как энергетика, транспорт, электроника и вычислительная техника, означало бы по существу новую научно-техническую революцию. Однако, несмотря на то, что в настоящее время уже получены материалы с температурой сверхпроводящего перехода (СП), превышающей температуру кипения азота, практическое использование данных композитов все еще ограничено. Низкое значение критического тока, высокая чувствительность керамических ВТСП материалов к влиянию внешней среды и ионизирующего излучения являются основными причинами, сдерживающими их широкое использование.
Поэтому изучение закономерностей поведения керамических ВТСП материалов при различных внешних воздействия? и поиск возможных путей улучшения их параметров являете} актуальной задачей. Кроме того выявление и учет роли фактор* внешней среды в лабораторных исследованиях имеет большо< значение для корректного сравнения и правильной интерпрета ции экспериментальных результатов, полученных разными ав торами.
Исследования в этой области чрезвычайно важны такж< и с фундаментальной точки зрения, поскольку при этом можн( получить информацию, полезную для понимания механизм! ВТ сверхпроводимости и роли отдельных структурных элемен тов ВТСП керамики в данном явлении.
Среди всевозможных внешних воздействий можно вы делить воду, водород и гамма-излучение, которые оказываю-существенное влияние на характеристики ВТСП. Несмотря н обилие работ в этом направлении, до сих пор нет четкого пред ставлення о механизмах этих воздействий; имеющиеся данны противоречивы, выводы зачастую сделаны на основе результа
тов, полученных с применением одного-двух методов. Поэтому комплексные исследования влияния внешней среды и гамма-облучения на структуру и свойства ВТСП материалов в широком диапазоне условий эксперимента являются актуальными.
Объект исследования . В качестве объекта исследования выбрана поликристаллическая иттриевая керамика YBajCuiO-j^,. Иттриевая керамика характеризуется высокой температурой сверхпроводящего перехода Тс = 92 К, достаточно проста в изготовлении и имеет хорошие перспективы для практического применения в разных областях техники.
Структура исходной иттриевой керамики YBa2Cu307^ хорошо изучена, и потому данный материал может быть использован в качестве модельного объекта при исследовании различных аспектов высокотемпературной сверхпроводимости, в том числе, вопросов влияния внешних воздействий на критические параметры.
В работе были использованы образцы YBa2Cu30^ заводского изготовления (г. В. Пышма) с температурой перехода Тс = 92 К из двух разных партий, а также образцы, спеченные в лабораторных условиях (Тс =90К); заводские образцы отличаются между собой примесным составом и плотностью. В процессе исследований синтезированные образцы подвергали различным внешним воздействиям - насышали водородом, выдерживали в воде, облучали у -квантами.
Целью работы является установить закономерности и выявить механизмы воздействия на структуру и свойства иттриевой ВТСП керамики водорода, воды и потока гамма-квантов.
Для достижения этой цели было необходимо решение следующих задач:
1. Разработка и применение различных физических ме
тодов для комплексного исследования керамических материа
лов, обеспечивающих:
-контроль критических параметров сверхпроводящегс перехода (температура перехода Тс, транспортный критический ток Jc, количество сверхпроводящей фазы А); - анализ структуры YBa2 Си3 07-s, -анализ продуктов физико-химических реакций;
-
Создание вакуумного стенда в комплексе с масс-спектрометром ддя обработки иттриевой ВТСП керамики в водороде в требуемом режиме и последующего масс-спектрометрического анализа газообразных продуктов физико-химических реакций.
-
Исследование влияния водородосодержащей средь (НгО, Н2) на структуру и параметры сверхпроводящего состояния в иттриевой ВТСП керамике.
4. Исследование процессов гамма-радиолиза иттри-вой ВТСП керамики при облучении на воздухе и в атмосфер* водорода.
Научная новизна представленной работы заключается і следующем:
-
Впервые проведено сравнительное исследование влиянш внешней среды (вода, водород и воздух) при разных условия? эксперимента на структуру и свойства иттриевой ВТСП керамики.
-
Для исследования ВТСП применен комплексный подход, заключающийся, в-измерении на одних и тех же образцах каї критических- параметров СП состояния (температура перехода Тс, количество сверхпроводящей фазы Л, транспортный
критический ток Jc), так и характеристик ИК поглощения и термодесорбции.
-
Впервые установлено, что наряду с процессом медленного ухудшения СП свойств при увеличении концентрации внедренного водорода либо дозы гамма-облучения имеет место увеличение значений транспортного критического тока при малых дозах гамма-квантов и малых концентрациях водорода. Показано, что данный эффект обусловлен изменением типа "слабых" связей на межзеренных границах от S-N-I-N-S до S-N-S и улучшением их проводящих свойств; (S - сверхпроводнике, N- нормальный металл, J- изолятор).
-
Проведен масс-спектрометрический анализ продуктов, образующихся в результате физико-химических реакций, протекающих в иттриевой ВТСП керамике при взаимодействии последней с внешней средой в разных условиях и выявлены механизмы ухудшения свойств УВа2Сщ07^.
-
Проведено исследование изменений структуры и состава примесных фаз, что позволило идентифицировать структурные комплексы, образующиеся в YBajCujOrs при внешних воздействиях.
Практическая ценность
Результаты исследований указывают на причины изменения критических параметров и устойчивости ВТСП керамики YBa2Cu$0^ при увлажнении, гидрировании и радиационном воздействии, что важно для совершенствования технологии создания качественных иттриевых керамик.
Научные положения , выносимые на защиту. 1. Установка для обработки иттриевой ВТСП керамики в требуемом режиме (вакуумный отжиг, насыщение водородом при различных температурах и давлении) и последующего масс-спектрометрического изучения процессов газовыделе-
ния и установка для контроля критических параметров сверхпроводящего состояния в YBa2Cu307^-
2. Результаты исследования влияния гидратации и гидрирова
ния иттриевой ВТСП керамики на ее структуру и свойства, а
также модель, отражающая немонотонный характер измене
ния критических параметров СП перехода в зависимости от
количества внедренного водорода.
3. Заключение о роли окислительно-восстановительных реак
ций на границах зерен в изменении типа "слабых" связей при
гидрировании иттриевой ВТСП керамики.
4. Эффект увеличения транспортного критического тока Jc
при малых дозах облучения, так называемый эффект "малых
доз", обнаруженный при исследовании радиолиза поверхно
сти YBa2Cu307-6, подвергнутой воздействию гамма-квантов
на воздухе ив атмосфере водорода.
Апробация работы: Результаты работы были доложены на Третьем Всесоюзном совещании по ВТСП, Харьков, 1991г.; на международном совещании "Effects of disordering in HTSC", Свердловск (Заречный), 1992; на международной конференции 'Diffusion and Defects in Solids", 26 June-4 July, 1991, USSR; на 9-ой Международной конференции "Radiation Processing", 11-16 September 1994, Istanbul, Turkey"; на Всесоюзном совещании "Радиационные гетерогенные процессы", Кемерово, 1995; на международной научно-практической конференции "Ядерная энергетика в Республике Казахстан. Перспективы развития", Актау, 1996.
Публикации: Основные результаты диссертации изложены в 15 научньаиработах, которые опубликованы в журналах "Сверхпроводимость: физика, химия, техника", "Физика низких
температур", "Физика и химия обработки материалов", "Radiation Physics and Chemistry", "Известия АН Каз ССР"; список приведен в конце реферата.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 144 страницы, в том числе 90 страниц основного текста, 40 рисунков, 4 таблицы и список цитируемой литературы из 164 наименований.
