НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ім. Г. В. КУРДЮМОВА

Плющай Олександр Іванович

УДК 537.312.62:538.23

ОСОБЛИВОСТІ ВЗАЄМОДІЇ МАГНІТНОГО ПОЛЯ З МАСИВНИМИ ПЛАВЛЕНО-ТЕКСТУРОВАНИМИ YBa2Cu3O6+д МАТЕРІАЛАМИ.

Спеціальність 01.04.07 – фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ-2003

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті металофізики ім. Г. В. Курдюмова Національної

Академії наук України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

Кордюк Олександр Анатолійович

провідний науковий співробітник

Інституту металофізики НАН України,

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Пан Володимир Михайлович,

завідуючий відділом

Інституту металофізики НАН України

кандидат фізико-математичних наук

Семенов Олексій Володимирович

старший науковий співробітник

Інституту фізики НАН України

Провідна установа

Фізико-технічний інститут низьких температур

ім. Б.І. Веркіна НАН України

Захист відбудеться “28“ 10 2003р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .168.02 при Інституті металофізики НАН України (м. Київ, бул. Вернадського 36, конференц-зал Інституту металофізики НАН України).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту металофізики НАН України за адресою: 03680, Київ-142, бул. Вернадського, 36.

Автореферат розісланий “18“ 09 2003р.

Вчений секретар

Спеціалізованої Ради Д .168.02

кандидат фізико-математичних наук Сизова Т. Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З часу відкриття Беднорцем та Мюлером у 1986-му році високотемпературних надпровідників (ВТНП) проведено значну дослідницьку роботу з вивчення фізичних властивостей ВТНП, та досягнуто помітного прогресу у способах їх отримання. Високотемпературні надпровідники є складними системами для вивчення, що частково обумовлюється великою різноманітністю фізичних процесів, які в них відбуваються. Це є однією з причин, що й донині не існує вичерпного пояснення механізму високотемпературної надпровідності, тому сучасний стан у цій галузі характеризується тим, що здійснюється всебічне дослідження цих матеріалів. Крім того, велика різноманітність фізичних процесів у ВТНП, зокрема магнітних, дозволяє використати їх для створення цілої низки пристроїв.

Одним з перспективних напрямків використання ВТНП є створення так званих великомасштабних систем з левітацією, таких як гістерезисні двигуни, інерційні накопичувачі енергії. Їх особливістю є низький рівень внутрішніх втрат енергії. З використанням таких пристроїв можна створити системи передачі, перерозподілу та зберігання енергії, що за своїми показниками будуть більш економічними та компактнішими ніж системи з використанням звичайних провідників. Системи з левітацією є перспективними для промисловості та енергетики як української так і світової в цілому. Для успішного застосування ВТНП у великомасштабних системах, окрім з'ясування особливостей взаємодії ВТНП з магнітним полем, вкрай необхідно вирішити ряд інших проблем. Зокрема, оскільки сучасні способи отримання ВТНП дають змогу синтезувати зразки з характерним розміром близько 10 см, необхідно створити методи з’єднання блоків ВТНП довільної форми та з'ясувати особливості фізичних процесів, що в них відбуваються. Тут першочерговим завданням є вивчення впливу таких з'єднань на магнітні властивості ВТНП, зокрема вплив з'єднань на протікання та перерозподіл критичного струму. Іншою проблемою є вивчення впливу слабкого змінного магнітного поля на системи з левітацією, побудованих з використанням ВТНП. В великомасштабних системах разом з великою постійною компонентою магнітного поля, завжди існує слабка змінна компонента. Виходячи з цього, важливо дослідити вплив та відгук таких систем на наявність слабкої змінної компоненти магнітного поля. Дослідити вплив змінної компоненти на такі макроскопічні характеристики ПТ ВТНП як середня намагніченість та левітаційна сила.

Задача взаємодії надпровідника довільної форми з магнітним полем, що довільним чином змінюється в просторі та в часі, є занадто складною, та вимагає потужних обчислювальних ресурсів для чисельного розв'язку. Навіть у простих геометріях є немало слабо вивчених ефектів, наприклад, взаємодія магнітного поля з поверхнею, або, більш загально, з границею надпровідної фази. Взагалі, проблема взаємодії вихорів з поверхнею не нова, однак масивні плавлено- текстуровані ВТНП зі своїми особливостями такими як мала довжина когерентності, висока температура існування надпровідної фази потребують запровадження нових підходів до розв'язання цієї проблеми. Нещодавно було показано, що стан поверхні кардинально впливає на динаміку проникнення вихорів саме у ПТ YBCO ВТНП, але поза увагою лишилися питання чи впливає стан поверхні на статичні властивості систем з ПТ ВТНП та на проникнення в них квазістатичного магнітного поля. Також видається актуальним вивчення впливу просторових неоднорідностей, таких як внутрішня площина з варіацією надпровідних властивостей та границя надпровідної фази на перерозподіл надпровідних струмів та рух вихорів. Було б доцільно створити ряд моделей, які б описували магнітні процеси, що відбуваються у ВТНП при взаємодії з магнітним полем, та створити прості й надійні методи для дослідження цих процесів. Тут слід підкреслити особливу зручність безконтактних вимірів для дослідження ВТНП, оскільки в цьому разі не виникає ускладнень, пов'язаних зі встановленням електричних контактів крізь шар окислів та з необхідністю використання дрібних та крихких монокристалів. Серед таких "безконтактних" неруйнівних вимірювальних методів слід відзначити насамперед ті, що створені з використанням різноманітних механічних систем магніт  ВТНП для дослідження процесів взаємодії ВТНП з магнітним полем. Це так звані "левітаційні" методи, перевагою яких є поєднання високої точності вимірів з максимально простою конструкцією, що значно підвищує надійність отримуваних результатів. Отже, до переваг левітаційних методів дослідження ВТНП можна віднести унікальну можливість неруйнівного дослідження зразків, та високу практичну цінність результатів, що дозволяє безпосередньо використовувати результати досліджень на практиці.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у межах тематичних планів Інституту металофізики, що були затверджені Президією НАН України, зокрема за темою № /00 - "Дослідження динаміки магнітного потоку в масивних ВТНП " (2000 - 2003).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є з'ясування впливу стану поверхні на статичні властивості систем з ПТ ВТНП та на проникнення в них квазістатичного магнітного поля. Вивчення впливу на перерозподіл надпровідних струмів та рух вихорів внутрішніх просторових неоднорідностей, таких як площини з варіацією надпровідних властивостей та границя надпровідної фази.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі задачі.

Створити неруйнівні безконтактні методи для дослідження сили взаємодії ВТНП з магнітним полем, та метод для дослідження впливу слабкого змінного магнітного поля на магнітні властивості ВТНП;

Розробити підхід для аналітичного та чисельного розрахунку статичних та квазістаціонарних властивостей систем ПМ– ВТНП та впливу на них слабкого змінного магнітного поля.

Наукова новизна одержаних результатів. У процесі вирішення поставлених задач створено метод визначення густини критичного струму, що тече через надпровідне з'єднання надпровідників та вдосконалено метод магнітного ротора для вивчення впливу слабкого змінного магнітного поля на магнітні властивості ВТНП; вдосконалено метод левітаційної сили для вивчення механізму проникнення магнітного поля у ВТНП.

Встановлено незалежність механізму проникнення магнітного поля через поверхню масивних плавлено- текстурованих ВТНП від магнітної передісторії та якості поверхні, що визначає левітаційну силу та гістерезисну поведінку.

Встановлено, що наявність неоднорідності типу надпровідне з'єднання в масивних плавлено- текстурованих ВТНП викликає перерозподіл критичного струму, який може бути представлений як суперпозиція струму, що екранує однорідний зразок, та струму, що тече крізь та вздовж площини з'єднання

Встановлено, що наявність слабкого магнітного поля у системі побудованій з використанням масивних плавлено - текстурованих ВТНП з постійним великим магнітним полем, призводить до релаксації магнітного потоку, та сприяє встановленню рівноважного стану.

Запропоновано декілька оригінальних методик визначення густини критичного струму за даними вимірювання левітаційних сил та розроблено методику реконструкції профілів густини критичного струму у тонкому приповерхневому шарі у надпровідниках з пінінгом, продемонстровано можливість визначення цих профілів за методом вимірювання левітаційної сили.

Отримані результати дають підставу сформулювати наступні положення.

1. Механізм квазістатичного проникнення магнітного поля у плавлено-текстуровані квазімонокристалічні ВТНП, що визначає величину левітаційної сили та її гістерезу в системі ПМ-ВТНП, не залежить від магнітної передісторії та стану поверхні ВТНП- зразків, а визначається об'ємним перерозподілом абрикосівських вихорів у відповідності до моделі критичного стану.

2. Вплив макроскопічних неоднорідностей типу площин з погіршеними надпровідними властивостями на перерозподіл екранувального струму добре описується моделлю, де цей струм розглядається як суперпозиція позитивного струму, що екранує однорідний зразок, та негативного струму, що тече крізь дану площину та вздовж її стінок, і є пропорційним зменшенню густини критичного струму у даній площині.

3. Наявність слабкого змінного магнітного поля призводить до розігріву приповерхневого шару зразка, градієнт температури є суттєвим фактором що впливає на перерозподіл магнітного потоку та, відповідно, на величини середньої намагніченості чи левітаційної сили.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблені методи дослідження макроскопічних магнітних властивостей масивних квазимонокристалічних ВТНП поєднують простоту обладнання з високою точністю вимірювань і дозволяють отримувати унікальну інформацію про фізичні властивості ВТНП, яку важко, а часто й неможливо, отримати іншими методами.

Спираючись на виконані дослідження, створено низку оригінальних пристроїв та механізмів, що використовують надпровідну левітацію, а саме: прилад для вимірювання густини критичного струму у ВТНП, та безконтактні магнітні підшипники з такими унікальними рисами як самоцентрування та притаманне демпферування нутаційних коливань та паразитних вібрацій. Створення всіх цих пристроїв стало можливим саме завдяки ретельному дослідженню макроскопічних магнітних властивостей та взаємодії з магнітним полем масивних плавлено –текстурованих ВТНП, результати якого викладено в даній роботі.

Особистий внесок здобувача полягає у конкретизації мети роботи, в обґрунтуванні та створенні експериментальних методів, в отриманні експериментальних результатів, їх аналізі та узагальненні, у побудові теоретичних моделей та методів розрахунку взаємодії магнітного поля з масивними плавлено- текстурованими ВТНП, у написанні наукових статей, підготовці доповідей і виступах на міжнародних конференціях.

Апробація результатів дисертації.

За матеріалами дисертації зроблено 5 доповідей на міжнародних конференціях та семінарах:

13th International Summer School of Condensed Matter Physics (and Chemistry) of Modern Materials, July 5-12, 1999, Suprasl, Poland

NATO Advanced Study Institute on Physics and Materials Science of Vortex States, Flux Pinning and Dynamics, July 26 - August 8, 1998, Kussadasi, Turkey.

Cryogenic Engineering Conference / International Cryogenic Materials Conference (CEC/ICMC), July 28 - August 1, 1997, Portland, USA;

International Workshop on the Processing and Applications of Superconducting (RE)BCO Large Grain Materials, (PASREG), July 7-9, 1997, Cambridge, United Kingdom;

The Third European Conferences on Applied Superconductivity, (EUCAS), June 30 - July 3, 1997, The Netherlands;

Публікації.

Результати дисертації викладено у 5 статтях у наукових журналах та отримано 2 патенти України.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, та списку використаних літературних джерел з 134 назв. Роботу викладено на 130 сторінках, включаючи 46 рисунків та 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі до дисертації обґрунтована актуальність вибраного напрямку досліджень, обґрунтований вибір левітаційних методик для дослідження, сформульовано мету та задачі дисертації, новизну роботи, положення, які виносяться на захист, наукову та практичну цінність одержаних результатів.

У першому розділі, який носить характер огляду літератури за темою роботи, розглядаються властивості надпровідників в магнітному полі. У перших шести пунктах розглядаються загальні властивості надпровідників. У першому пункті обговорюється вихрова структура та властивості вихорів в масивних плавлено-текстурованих надпровідниках. Другий, третій та четвертий пункти присвячено властивостям вихорів при взаємодії з центрами пінінгу та моделям, що пояснюють властивості надпровідників у магнітного полі. У п'ятому і шостому розділі розглядаються крип магнітного потоку та плавлення вихрової решітки в надпровідниках. Сьомий пункт цього розділу присвячено властивостям масивних плавлено – текстурованих ВТНП, розглянуто аспекти технології їх отримання, особливості магнітних властивостей та практичного використання. У висновках виділено ряд не вирішених проблем, спираючись на які сформульовано головну мету роботи та задачі, що мають бути вирішені.

Другий розділ дисертації присвячено дослідженню взаємодії квазістатичного магнітного поля з масивними ПТ ВТНП матеріалами, яке проводилось методом вимірювання левітаційної сили. Перший пункт цього розділу присвячений викладенню деталей методу визначення левітаційної сили та його експериментальній реалізації. Також у цьому пункті проводиться критичний аналіз наближення ідеально жорсткого надпровідника, яке зазвичай використовується для тлумачення результатів вимірювань левітаційної сили. Проведений аналіз вказує на непридатність наближення ідеально жорсткого надпровідника для задовільного описання результатів вимірювання левітаційної сили, зокрема гістерезису левітаційної сили. Запропоновано шлях виходу за межі цього наближення. Головною ідеєю є врахування глибинного розподілу екрануючих струмів у надпровіднику. У другому пункті наведено відомості про досліджені зразки. Для дослідження було обрано YBa2Cu3O6+ плавлено- текстуровані ВТНП. У цьому ж розділі наведено данні про геометричні розміри зразків, максимальні значення левітаційної сили та тип обробки поверхні Також тут наведено результати мапування магнітного потоку зразків. Результати досліджень представлені у третьому пункті. На рис. а та рис. б зображені типові експериментальні залежності сили взаємодії масивного ПТ ВТНП з постійним магнітом для зразка, поверхня якого спочатку було відполірована до дзеркального блиску, потім слабо ошкурена дрібнозернистою шкуркою, та, з рештою, добре ошкурена. Результати наведено для, так званих, другої та третьої гістерезисних кривих.

а б

Рис. . Експериментальні залежності сили від відстані для другої та третьої гістерезних кривих

Для вихідного зразка дані подано символами , для полірованого дані подано символами , для слабо ошкуреного дані подано символами , для добре ошкуреного дані подано символами . Штриховою лінією на рис. 1а та рис. б подано положення третьої та другої гістерезисних кривих відповідно. У цьому ж розділі, подано деталі моделі екрануючих струмів. Модель дозволяє при виконанні умов постійності густини критичного струму з глибиною та

d(r) bar(r)  L, (1)

де d - глибина проникнення струму у надпровідник, L – характерний розмір системи, bar –радіальна компонента магнітного поля на поверхні надпровідника, обчислити значення левітаційної сили для усієї гістерезисної кривої. Адекватність цих умов обговорюється тут же. Модель дозволяє отримати картину протікання струмів для різних протоколів руху постійного магніту (ПМ). У рамках запропонованої моделі можна обчислити сили, що діють на ПМ впродовж першого спуску F(z), першого та наступних підйомів F­(z, zmin) і другого та наступних спусків FЇ(z, zmin)

F(z) Jc, (2)

F­(z, zmin) 

, (3)

FЇ(z, zmin) 

, (4)

Обчислені за формулами (2)-(4) значення левітаційних сил знаходяться у гарній відповідності з експериментальними для усієї гістерезисної кривої (див. рис. a та рис. б). Наступний підпункт присвячено методу оцінки густини критичного струму та його просторової неоднорідності. Результати дослідження використано для створення способу оцінки розподілу густини струму з глибиною.

У третьому розділі викладено результати дослідження впливу неоднорідності площинного типу на властивості масивних ПТ ВТНП матеріалів, яке проводилось модифікованим методом визначення левітаційної сили. Перший пункт цього розділу присвячено методу дослідження. Метод базується на вимірюваннях локальної левітаційної сили. Для випадку, коли можливо визначити силу взаємодії постійного магніту з цілим (нерозрізаним) зразком ВТНП було створено, так звану, “трикрокову” процедуру, що графічно зображено на рис. . Метод реалізовувався наступним чином. Вимірювалось значення левітаційної сили спочатку для цілого (нерозрізаного зразка). Потім зразок розрізався та вимірювалось значення левітаційної сили над розрізаними частинами, зіставленими разом над місцем дотику, майбутнім місцем з'єднання, на тій ж самій відстані між зразком та магнітом. Частини з'єднуються, та вимірюється левітаційна сили на тій ж самій відстані над місцем з'єднання. Зі значень левітаційної сили визначався так званий фактор якості q

q =  (5)

Рис. Метод визначення якості надпровідного шву.

У другому пункті наведено відомості про досліджені зразки. Тут наведено відомості про геометричні розміри, критичну густину струму зразків. Подано відомості щодо розрізання та зпаювання зразків. Досліджувались YB2C3O6+ плавлено- текстуровані ВТНП. Схема розрізання вихідного зразка зображена на рис. . Для зварювання використовувався порошок Т123 для парних та з додатками 211(зеленої фази) для непарних. Зразки були оброблені при температурі близько 1250 К протягом 0.17 годин у повітрі або протягом 0.5 годин в атмосфері кисню. Також наведено результати мапування магнітного потоку досліджуваних зразків. В третьому пункті представлені результати дослідження, данні визначення фактора якості, виміряних в напрямках перпендикулярно та вздовж вісі с, фактору якості, визначеного з результатів мапування магнітного потоку, критичні густини струмів вихідного та зварених зразків. Також у цьому розділі для пояснення експериментальних результатів та тлумачення фактору якості у першому підпункті запропоновано модель перерозподілу струмів, викликаного наявністю неоднорідності площинного типу.

Головною ідеєю є врахування впливу неоднорідності площинного типу за допомогою додаткового струму, що тече по стінкам неоднорідності. На рис. схематично зображено картину протікання струмів, тут І0 - екрануючий струм цілого зразка І1 - струм викликаний наявністю неоднорідності.

У рамках запропонованої моделі введений фактор якості знаходить просте тлумачення. Фактор якості дорівнює відношенню густини струму, що тече через з'єднання Jjn до густини екрануючого струму Jc вихідного, нерозрізаного зразка.

q= (6)

У другому підпункті проводиться аналіз отриманих результатів та порівняння з результатами, отриманими з мапування магнітного потоку. Встановлюються границі використання методу та моделі, та обговорюється можливість використання результатів дослідження для побудови експрес методу для тестування з'єднання надпровідників та визначення густини критичного струму, що протікає через з'єднання.

Четвертий розділ присвячено результатам дослідження впливу слабкого змінного магнітного поля на властивості ПТ ВТНП матеріалів. Перший пункт присвячено методу досліджень – методу високообертового ротора. Найбільш перспективним для дослідження виявилось використання вертикальної реалізації методу. Вона дозволяє значно збільшити масу ротора. Приклад такої конструкції зображено на рис. . Тут (1) це зразок, (2) це кільце з ВТНП за допомогою якого підвішувався ротор. Через (3) позначено магнітний ротор, який побудовано з постійних магнітів з вертикальними магнітними моментами та магніту для розкручування (4). У постійного магніту (4) магнітний момент спрямований перпендикулярно вісі ротора. Система розкручування та спостереження позначено через (5).

У наступному, другому, підпункті розглядаються параметри обертання ротора, розглядається взаємозв'язок між ними. В третьому підпункті викладено адаптацію методу магнітного ротора для вивчення впливу слабкої змінної компоненти магнітного поля на властивості ПТ ВТНП. У другому пункті наведено інформацію про досліджувані зразки. Для дослідження було обрано YBa2Cu3O6+ плавлено- текстурованих ВТНП зразків у вигляді дисків, отриманих за однаковою технологією. В цьому розділі подано відомості про геометричні розміри, значення максимальної левітаційної сили та тип обробки поверхні. У третьому пункті представлено результати дослідження вивчення впливу слабкої змінної компоненти магнітного поля на властивості ПТ ВТНП.

На рис. а зображено типовий вигляд експериментальної залежності висоти левітації ротора від його частоти обертання для ротора з масою 11.5 г. Висота левітації ротора від частоти обертання при першому циклі вимірювання найбільша. В усіх подальших циклах збільшення-зменшення частоти обертання ротора криві залежності висоти левітації від частоти, в межах точності експерименту, співпадають між собою. На рис. 6б зображено типовий вигляд залежності різниць висот левітації ротора для першого збільшення-зменшення частоти обертання його обертання для різних типів обробки поверхні.

а б

Рис. Залежність висоти (а) та різниці висот (б) левітації ротора від частоти його обертання

Отримані криві, у межах точності експерименту, знаходяться у гарній відповідності.

а б

Рис. Розподіл змінної компоненти магнітного поля (а) та петля гістерезису(б).

Для пояснення отриманих результатів, шляхом аналізу існуючих даних та моделювання впливу змінної компоненти на властивості зразка, було встановлено, що найбільш значним чинником є розігрівання приповерхневого шару зразка. При обертанні ротора, за рахунок наявності в системі змінної компоненти (див. рис. а) виникають гістерезні втрати енергії густина яких пропорційна площини петлі гістерезису (див. рис. б). Густина втрат енергії дається формулою:

w(x) = Jc h0 х (7)

де Jc –критична густина струму, h0 – амплітудне значення змінної компоненти магнітного поля, х –відстань від поверхні.

Вивчення розподілу температури Т всередині зразка приводить до задачі теплопровідності з джерелом виділення теплоти.

(8)

з граничними умовами Т(x,0)=Т(l,t)=T0-початкова температура, та умови Т/x=0, коли х=0 для будь-якого моменту часу. Тут через a2 – позначено коефіцієнт температуропроводності, другий член у правій частині рівняння дає потужність джерела виділення теплоти, f 2 =w(x) /ct, - частота змінного магнітного поля, сt - теплоємність зразка, - густина зразка, l – глибина проникнення змінної компоненти магнітного поля, де w –густина втрат енергії, дається виразом (10), l – глибина проникнення змінної компоненти магнітного поля, (l-x) - функція Хевісайда.

Задача розв'язується аналітично, розв’язок дається виразом:

T(x,t)=T0+

, (9)

де T0-початкова температура; f 2=Jch0, Jc – критична густина струму, h0 амплітудне значення змінної компоненти магнітного поля, - частота змінного магнітного поля, сt - теплоємність зразка, - густина зразка, с- електродинамічна стала; d –товщина зразка, =, n=0,1,...8, b2 =4Jc/ch0.

а б

Рис. Розподіл магнітного потоку (а) та температури (б) в зразку.

На рис. б зображено розподіл температури та градієнту температури в зразку в момент часу 103 с при частоті обертання ротора 1.6·103 Гц. Видно, що температура поблизу поверхні зразка перевищує температуру переходу у надпровідний стан, отже, частина зразка поблизу поверхні переходить в нормальний стан.

Перший підпункт третього пункту присвячено ефекту релаксації магнітного потоку під дією змінної складової магнітного поля. На рис. а зображений початковий розподіл магнітного потоку в зразку. Під впливом змінної компоненти відбувається розігрів приповерхневої області зразка і тонкий приповерхневий шар переходить в нормальний стан. На рис. 9а зображено розподіл магнітного поля для максимальної частоти обертання ротора, вертикальною штриховою лінією зображено границю розділу надпровідної та нормальної фаз.

а б

Рис. Розподіл магнітного потоку в зразку проміжний (а) кінцевий (б).

У другому підпункті представлено ефект захоплення вихорів границею надпровідної фази що рухається. При зменшенні частоти обертання ротора зменшуватиметься кількість тепла, що виділяється поблизу поверхні надпровідника через гістерезні втрати завдяки наявності змінної компоненти магнітного поля. Фронт розділу між надпровідною та нормальною фазами почне зсуватися з глибини до поверхні зразка. Границя розділу нормальної та надпровідної фаз є ефективним центром пінінгу. Для спрощення розгляду покладемо відповідну силу пінінгу нескінченно великою. З врахуванням вищезазначеного, при русі розділу надпровідної та нормальної фаз з глиби до поверхні, магнітний потік виштовхуватиметься границею.

Магнітний потік буде виштовхуватись до тих пір, доки сила взаємодії опорного постійного магніту ротора та струмів, що екранують зоствшийся потік, не зрівняються з силою тяжіння, що діє на ротор. В свою чергу, потік, що зостався за границею перерозподілятиметься. Кінцевий вигляд розподілу магнітного поля зображено на рис. б. Тут товстою суцільною лінією зображено кінцевий розподіл магнітного поля, вертикальною тонкою штриховою лінією зображено початкове положення розділу нормальної та надпровідної фаз, штрих пунктирною лінією зображено самий початковий (див рис. а) розподіл магнітного поля. На вставці зображений розподіл критичних струмів, що відповідає кінцевому розподілу магнітного поля. Різниця магнітних потоків між початковим (рис. 8а) та кінцевим (рис. б) станами дається заштрихованою площею на рис. б, вона відображає те, що ротор підніметься не до початкового положення, що і спостерігалося експериментально. Магнітний потік буде виштовхуватись до тих пір доки сила взаємодії опорного постійного магніту ротора та струмів, що екранують зоставшийся потік, не зрівняються з силою тяжіння, що діє на ротор.

У п'ятому розділі приведені перспективи практичного застосування плавлено-текстурованих ВТНП матеріалів. Спираючись на проведені дослідження, нами було створено низку унікальних пристроїв та механізмів, що використовують надпровідникову левітацію, таких як прилад для визначення густини критичного струму в масивних плавлено  текстурованих ВТНП, прилад для визначення розподілу густини критичного струму поблизу поверхні ВТНП, прилад для визначення якості надпровідного з'єднання двох ВТНП. Ретельне вивчення сили взаємодії ВТНП з магнітним полем дало можливість створити методи визначення критичної густини струму у ВТНП, зокрема метод, що дає змогу визначати критичну густину струму у надпровідних швах.

Використання створених приладів і розроблених методик та набутий досвід дозволили створити безконтактні ВТНП- підшипники з самоцентруванням та притаманним демпферуванням нутаційних коливань та паразитних вібрацій.

ВИСНОВКИ

Дисертація присвячена вивченню особливостей взаємодії магнітного поля з масивними плавлено-текстурованими YBa2Cu3O6+д матеріалами левітаційними методами. У роботи модифікованим методом визначення левітаційної сили вивчено квазістатичне проникнення магнітного поля та вплив площинних дефектів на властивості ПТ ВТНП матеріалів. Методом високообертового ротора було вивчено релаксацію магнітного потоку під дією слабкої змінної компоненти та захоплення магнітного поля границею надпровідної фази. Отримані результати можуть бути безпосередньо використані на практиці для визначення густин критичних струмів, намагніченості та левітаційної сили, зокрема було створено та отримано патенти на способи визначення густини критичного струму. Основна сутність та новизна роботи полягають у наступних головних результатах та висновках:

Встановлено, що механізм квазістатичного проникнення магнітного поля у плавлено-текстуровані квазімонокристалічні ВТНП, який визначає величину левітаційної сили та її гістерезу в системі ПМ-ВТНП, не залежить від магнітної передісторії та стану поверхні ВТНП- зразків, а визначається об'ємним перерозподілом абрикосівських вихорів у відповідності до моделі критичного стану.

Встановлено, що вплив макроскопічних неоднорідностей типу внутрішніх площин з варіацією надпровідних властивостей щодо перерозподілу екранувального струму, добре описується моделлю, де цей струм розглядається як суперпозиція позитивного струму, що екранує однорідний зразок, та негативного струму, що тече крізь дану площину та вздовж її стінок, та є пропорційним зменшенню густини критичного струму у даній площині.

Наявність слабкого змінного магнітного поля призводить до розігріву приповерхневого шару зразка, градієнт температури є суттєвим фактором що впливає на перерозподіл магнітного потоку та, відповідно, на величини середньої намагніченості чи левітаційної сили.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Плющай О.І., Немошкаленко В.В., Кордюк O.A., Прихна Т.А. Метод визначення якості надпроводячого з’єднання масивних квазімонокристалічних ВТНП//Металофиз. новейшие технол. – 2001 - № 6, - С. 767-775.

2.., Gawalek., Moshchil., Surzhenko., Kordyuk., Litzkendorf., Dub., Melnikov., Plyushchay., Sergienko., Koval., Bokoch., Habisreuther. Superconducting joining of melt-textured Y-Ba-Cu-O bulk material //Physica С. – 2001. - v. 354. - P. 333-337

3. A.A., Nemoshkalenko V.V., Plyushchay A.I., Viznichenko R.V., Magnetic flux dynamics in HTS bulks with levitation techniques//Usp. Fiz Met. – 2002. - Vol. 2. - P. 357-386.

4.A.A., Nemoshkalenko V.V., Plyushchay A.I., Prikhna T.A., Gawalek W. Simple technique for quality estimation of superconducting joints in bulck melt-processed high temperature superconductors// Supercond. Sci. Technol. – 2001 – v14 - L41-L43.

5.A.A., Nemoshkalenko V.V., Plyushchay A.I., Viznichenko R.V., Vortex dynamics in bulk HTS with levitation techniques. // Physics and Materials Science of Vortex State, Flux Pinning and Dynamics, NATO Science Series E: Applied Sciences (Ed. R. Kossowsky et al.) - Dordrecht (The Netherlands): Kluwer Academic Publ., - 1999. - v.356. - P. .

6. Пат. A Україна, МКИ G01R33/035 Спосіб визначення критичної густини струму у надпровідниках: Пат. A Україна, МКИ G01R33/035.. Немошкаленко В.В., Кордюк О.А., Плющай О.І., Візніченко Р.В. - № ; Заявлено 24.04.2000; Опубл. 15.05.2001. Бюл.№ 4. –4c.ил.

7. Пат. A Україна, МКИ G01R33/035 Спосіб визначення критичної густини струму у надпровідниках: Пат. A Україна, МКИ G01R33/035. Немошкаленко В.В., Кордюк О.А., Плющай О.І. - № ; Заявлено 21.06.2001; Опубл. 17.06.2002. Бюл.№ 7. 2с.

Плющай О.І Особливості взаємодії магнітного поля з масивними плавлено-текстурованими YBa2Cu3O6+д матеріалами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. Інститут металофізики НАН України, Київ, 2003.

Робота присвячена вивченню особливостей взаємодії магнітного поля з масивними плавлено-текстурованими YBa2Cu3O6+д матеріалами. Левітаційними методами, такими як метод вимірювання левітаційної сили та метод високообертового ротора, було встановлено ряд закономірностей впливу постійного та змінного магнітного поля на властивості плавлено-тектурованих YBa2Cu3O6+д матеріалів. Запропоновано декілька моделей, що описують розподіл магнітного поля, протікання та перерозподіл струму у ПТ ВТНП. Доведено, що важливим чинником у перерозподілі магнітного потоку під дією слабкої змінної компоненти магнітного поля є рух границі надпровідної фази. Основні результати роботи затосовано для створення нових типів вимірювальних та діагностичних приладів.

Ключові слова: левітаційні методи, плавлено-текстуровані надпровідники, критична густина струму, квазістатичний рух магнітного потоку, слабка змінна компонента магнітного поля.

Плющай А.И Особенности взаимодействия магнитного поля с массивными плавлено- текстурированными YBa2Cu3O6+д материалами. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. Институт металлофизики НАН Украины, Киев, 2003.

Работа посвящена изучению особенностей взаимодействия магнитного поля с массивными плавлено- текстурированими YBa2Cu3O6+д материалами. Исследования проводились левитационными методами. Методом измерения левитационной силы было изучено ряд образцов изготовленных по стандартной технологии с различным типом обработки поверхности. Для объяснения экспериментальных результатов была предложена модель экранирующих токов. Суть модели заключается в том, что учитывается глубинное распределение тока в сверхпроводнике. В рамках этой модели находит исчерпывающее объяснение гистерезисная зависимость левитационной силы взаимодействия постоянного магнита и сверхпроводника. Было установлено, что механизм квазистатического проникновения магнитного поля в плавлено- текстурированые YBa2Cu3O6+д материалы, который определяет левитационную силу и ее гистерезисное поведение, не зависит от магнитной предыстории и от состояния поверхности, а определяется объемным перераспределением абрикосовских вихрей согласно модели критического состояния.

Модифицированным методом измерения левитационной силы, по оригинальной методике было исследовано влияние плоскостей с вариацией сверхпроводящих способностей на свойства плавлено- текстурированые YBa2Cu3O6+д материалов. В ходе исследования было установлено, что влияние макроскопических неоднородностей типа плоскостей с вариацией сверхпроводящих свойств относительно перераспределения токов хорошо описывается моделью, где этот ток рассматривается как суперпозиция позитивного дока, экранирующего весь образец и негативного, который течет через плоскость и вдоль ее стенок и является пропорциональным уменьшению критической плотности тока в этой плоскости. Результаты работы были использованы для создания устройств экспресс тестирования соединений сверхпроводников и определения силы тока, текущего через соединение.

Модифицированным методом высокооборотного магнитного ротора было исследовано влияние слабой переменной компоненты магнитного поля на перераспределение магнитного потока в массивных плавлено- текстурированных YBa2Cu3O6+д материалах. Для исследования было использовано серию образцов изготовленных по одинаковой технологии. В ходе проведения работы было установлено, что слабая переменная составляющая способствует релаксации магнитного потока. Так же было установлено, что выталкивание магнитного потока хорошо описывается моделью в которой абрикосовские вихри захватываются границей сверхпроводящей фазы. Было установлено что действие слабой переменной компоненты магнитного поля приводит к разогреву приповерхностного слоя образца и градиент температуры является важным фактором влияющим на перераспределение магнитного потока, а значит на среднюю величину намагниченности или левитационной силы. Основные результаты исследования использовано для построения новых типов измерительных и диагностических устройств.

Ключевые слова: левитационные методы, плавлено- текстурированные сверхпроводники, критическая плотность тока, квазистатическое движение магнитного потока, слабая переменная компонента магнитного поля.

Plyushchay O.I. Peculiarities of the magnetic field interaction with melt textured YBa2Cu3O6+д materials. – Manuscript.

Thesis for Ph.D. degree by specialty 01.04.07 – solid state physics. Institute of Metal Physics of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2003.

The work is dedicated to investigation of peculiarities of the magnetic field interaction with melt textured YBa2Cu3O6+д materials. Utilizing levitation methods such as levitation force measurement and high-speed rotor method we have found a number of peculiarities of the DC and AC magnetic field influence on the properties of the melt-textured YBa2Cu3O6+д materials. Several models, which describes magnetic flux distribution flow and redistribution of the current in MT HTSC, have been proposed. It has been shown that important factor in guiding of the magnetic flux is superconducting phase boundaries motion. The main results were applied for building new types measuring and diagnostic devices.

Key words: levitation techniques, melt textured superconductors, critical current density, quasistatic magnetic flux motion, weak AC magnetic field.