Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важных задач в современной
радиофизике является построение феноменологической электродинамики
высокотемпературных сверхпроводников, связывающей электромагнитные
процессы в них с электрически измеряемыми интегральными величинами -
комплексной восприимчивостью, поверхностным импедансом,, вольтам-
перной характеристикой и т. д. Актуальность исследования низкополевой
электродинамики высокотемпературньк сверхпроводников (ВТСП)
обусловлена перспективностью их использования в радиоэлектронике.
Нелинейные эффекты в гранулярных сверхпроводниках, проявляющиеся в
области слабых магнитных полей, позволяют осуществлять детектирование,
смешение и перемножение сигналов, строить высокочувствительные
магнитометры. .. ,,
Керамические сверхпроводники - принципиально нелинейные материалы с существенной временной и пространственной дисперсией. В критическом и резистивном состоянии связь индукции магнитного поля В с напряженностью Ннелокальна и нелинейна, значение индукции поля в,точке наблюдения определяется как распределением поля в некоторой достаточно большой окрестности точки наблюдения, так и магнитной предысторией образца. Это затрудняет нахождение материальных уравнений связи j(E) и В(Н). Поскольку в эти уравнения входят параметры эффективной среды, которые нельзя непосредственно измерить, приходится решать обратную задачу нахождения уравнений связи исходя из прямых измерений связанной с ними интегральной величины, например, поверхностного импеданса.
Выбор в качестве измеряемой величины поверхностного импеданса обусловлен тем, что его определение как отношение комплексной амплитуды первой гармоники напряженности переменного электрического поля на поверхности образца к амплитуде напряженности переменного магнитного
поля не зависит от свойств образца^ Кроме того, при применении взаимоиндукционного метода измеряется именно напряженность
электрического поля на поверхности образца. Таким образом, можно
практически полностью пренебречь методйческоиТютрешностью,--^о-ес1ь__ отклонением измеренного значения физической величины от истинного из-за несоответствия измеряемой величины и её модели.
ления связи интегральной величины с параметрами среды требуется обработать определённым способом большой объём экспериментальных данных, что обуславливает жесткие требования к средствам измерений. Для проведения исследований в низкочастотной области (10 Гц - 20 кГц) при малых значениях напряженности переменного поля, где наиболее ярко проявляются особенности нелинейной электродинамики ВТСП, необходим измеритель с порогом чувствительности лучше 0.1 нОм, с точно определённой систематической погрешностью и пренебрежимо малой случайной. При больших значениях напряженности переменного магнитного поля величина мнимой составляющей импеданса достаточно велика, а её относительное изменение в зависимости от постоянного поля составляет менее 5%, что накладывает ограничение на разрешение измерительной установки.
Поскольку в низкополевом пределе нелинейный отклик керамических сверхпроводников мал, накладываются жесткие ограничения на линейность измерительной схемы, которую не обеспечивают контактные методы. Таким образом, для проведения исследований необходим бесконтактный широкополосный измеритель с низким уровнем собственных шумов и нелинейных искажений. Для получения информации не только о энергии магнитного поля в образце (характеризующейся значением мнимой
составляющей импеданса), но и потерях в нем, необходимо одновременно измерять и мнимую, и вещественную составляющие импеданса.
Полученные экспериментальные магнито-полевые зависимости поверхностного импеданса совместно с результатами численного моделирования позволяют оценить параметры критического и резистивного состояния для керамики: значение критической плотности тока, коэффициента вязкости и т. д. Это позволяет анализировать отклик керамики на внешнее магнитное поле, что необходимо для конструирование приборов на её основе.
Целью диссертации является исследование магнито-полевых и частотных зависимостей мнимой и вещественной составляющих поверхностного импеданса керамического сверхпроводника для построения феноменологической электродинамики критического и резистивного состояний керамических сверхпроводников в рамках модели пиннинга и вязкого движения гипервихрей.
Научная новизна работы состоит в том, что:
экспериментально обнаружены не наблюдавшиеся ранее немонотонные магнито-полевые зависимости мнимой и вещественной составляющих поверхностного импеданса образцов ВТСП керамики при некоторых значениях амплитуды и частоты переменного магнитного поля. Результаты получены в абсолютных единицах измерения (в омах) с погрешностью менее 1%.
впервые подтверждена применимость модели пиннинга и вязкого течения гипервихрей к описанию экспериментально наблюдаемых радиофизических характеристик гранулярного сверхпроводника.
предложена оригинальная методика оценки полевой зависимости критической плотности тока; по характеру зависимостей мнимой и вещественной составляющих импеданса от приложенного постоянного поля при различных амплитудах и частотах переменного поля.
впервые обоснованы границы применимости модели Бина к керамическим сверхпроводникам.
Научно—практическое значениеработы.
Разработан программно-управляемый измерительный комплекс, позволяющий исследовать характеристики как ВТСП керамик, так и других дроводящих сред, линейных и нелинейных. Минимальный измеряемый поверхностный импеданс составляет 5x10 им в йШФсе-іНгц-їннь-амшщіуде_ переменной составляющей поля 30 Э. Измеряемое отношение вещественной части к мнимой лежит в пределах от 0.01 до 100.
Предложенная в диссертации методика определения зависимости критического тока от напряженности локального магнитного поля позволяет по измеренным интегральным электрическим и магнитным характеристикам керамического высокотемпературного сверхпроводника рассчитывать для него параметры эффективной среды в рамках модели вязкого течения гипервихрей. Это даёт возможность рассчитывать и оптимизировать характеристики приборов сверхпроводниковой электроники и может применяться при синтезе новых ВТСП с повышенной токонесущей способностью.
На защиту выносятся:
-
Экспериментально обнаруженные немонотонные зависимости мнимой и вещественной составляющих поверхностного импеданса керамических образцов от напряженности постоянного магнитного поля при некоторых значениях амплитуды и частоты переменного магнитного поля.
-
Анализ динамики движения вихрей в рамках модели пиннинга и вязкого течения гипервихрей; результаты численного моделирования зависимости мнимой и вещественной составляющих поверхностного
импеданса образцов ВТСП керамики от амплитуды и частоты переменного магнитного поля, напряженности постоянного магнитного поля.
-
Методика оценки характеристик критического и резистивного состояний керамики (критической плотности тока и вида её зависимости от локального магнитного поля) по магнито-полевым зависимостям импеданса в рамках феноменологической модели вязкого течения гипервихрей.
-
Конструкция высокочувствительного программно-управляемого измерительного комплекса, позволяющего измерять мнимую и вещественную составляющие в абсолютных единицах измерения (омах) с погрешностью менее 1%.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих международных, всероссийских и региональных научных конференциях и семинарах: IX Всероссийской конференции "Датчик-97", Гурзуф (1997); VII Международной конференции "Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий", Череповец (1997); Всероссийской конференции "Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления", Таганрог (1997); X Всероссийской конференции "Датчик-98", Гурзуф (1998); Всероссийской конференции "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", Таганрог (1998); научных конференциях и семинарах ВолГУ.
Публикации:
Основные материалы диссертации опубликованы в 7 научных работах, включая 2 статьи, 5 тезисов докладов. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения,.приложения, ^писка-лиіераіурьі. Работа содержит 122 страницы основного текста, в том числе 40 рисунков. Список литературы включает в себя 198 наименований;—
