Исследование полного сопротивления керамических сверхпроводников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Коншин, Александр Евгеньевич

• Коншин, Александр Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Коншин, Александр Евгеньевич

режиме

2.1 Индукционный датчик на поясах Роговского

2.2 Баланс мощности в квазистационариом режиме

2.3 Схема измерительной установки и методика измерений

Глава 3 Исследование реакции ВТСП на внешнее воздействие в

нестационарном режиме

3.1 Измерительная установка

3.1.1 Силовой и измерительный блоки

3.1.2 Образец

3.1.3 Аналого-цифровой преобразователь

3.1.4 Генератор

3.2 Программное управление измерениями

3.2.1 Калибровка АЦП

3.3 Измерение динамических ВАХ ленточного ВТСП образца

3.4 Обработка результатов измерений

3.5 Анализ результатов

3.6 Возможности модификации модели системного функционала

Глава 4 Моделирование критического и резистивного состояния ВТСП

4.1 Постановка задачи

4.2 Расчет реакции ВТСП пластины на гармоническое токовое воздействие

4.3 Анализ результатов

Заключение

Литература

Приложение 1. Расчет взаимной индуктивности пояса Роговского и

кольцевого образца

Приложение 2. Схема измерителя

Приложение 3. Расчет сопротивления и индуктивносга цилиндрических

образцов в условиях скин-эффекта

Приложение 4. Схема модуля АЦП

Приложение 5. Схема генератора

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование полного сопротивления керамических сверхпроводников»

Введение,

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости [1] значительно расширило перспективы применения сверхпроводников в науке и технике. Особый интерес с представляет построение феноменологической модели высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), связывающей электродинамические процессы в них с электрически измеряемыми интегральными величинами - коми*

лексной восприимчивостью, поверхностным импедансом» вольтамперной характеристикой и т. д. Актуальность исследования электродинамики высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) обусловлена перспективой их применения как в электротехнике, так и в радиоэлектронике. Нелинейные эффекты в гранулярных сверхпроводниках могут быть использованы для детектирования, смешения и перемножения сигналов.

При анализе и проектировании приборов сверхпроводящей электроники обычно возникают две основных задачи: построение отклика рассматриваемого ВТСП элемента на произвольное внешнее воздействие с помощью системного оператора (функционала) этого элемента, зависящего только от его параметров, но не от воздействия (задача анализа), и построение системного функционала элемента по результатам измерений некоторой интегральной электрической величины (задача синтеза). Вследствие того, что керамические сверхпроводники являются нелинейными материалами с существенной временной и пространственной дисперсией [2-71, эти задачи не могут быть решены в общем случае. В современной теоретической электротехнике задача синтеза и обратная ей задача анализа полностью решены только для линейных цепей [8] с помощью однозначно связанных импульсной, передаточной и частотной характеристик [9].

Для преодоления указанных трудностей можно использовать следующие основные подходы. Отклик ВТСП образца можно рассчитать, решая численно систему уравнений Максвелла совместно с материальными уравнениями. Однако, поскольку в материальные уравнения связи ЛЬ) и В(Н) входят параметры эффективной среды, которые нельзя непосредственно измерить, сначала при-

дется решить обратную задачу нахождения уравнений связи, исходя из прямых измерений связанной с ними интегральной величины, например, мощности диссипации, В общем случае обратная задача является некорректной.

Другой, более простой, подход заключается в построении приближенной модели системного оператора (функционала) ВТСП образца по результатам измерений его отклика на определенное внешнее воздействие. В качестве воздействия предпочтительно рассматривать ток ¿(/) протекающий через ВТСП образец, а в качестве отклика - напряжение на его зажимах «(/)- При этом ВТСП образец фактически рассматривается как пассивный нелинейный инерционный двухполюсник, системный функционал которого по аналогии с линейными двухполюсниками можно назвать полным сопротивлением.

Для нелинейных цепей задача отыскания системного оператора решается толы«> в некоторых частных случаях» как правило приближенно, для. квазистационарных процессов - разложением в ряд вольтамперной характеристики, для гармонического и узкополосного воздействия ~ методом гармонического баланса и медленно меняющейся амплитуды {10]. Эти классические методы неприменимы к анализу такой сильно нелинейной среды с существенной диссипацией и дисперсией как керамический сверхпроводник в критическом и рези-стивном состоянии. Поэтому построение системного функционала ВТСП возможно лишь в рамках некоторой приближенной модели с использованием априорной информации о свойствах критического и резистивного состояния ВТСП. Аппроксимация истинного системного оператора его моделью ведет к возникновению методической погрешности. Тем не менее, при правильном выборе модели эта погрешность может быть понижена до приемлемого уровня, сравнимого с погрешностью измерений указанных величин воздействия и отклика.

Из-за малых значений удельного сопротивления ВТСП для непосредственного измерения значений напряжения необходим широкополосный измеритель с предельно низким уровнем собственных шумов и нелинейных искаже-

ний, с точно определённой систематической погрешностью и пренебрежимо малой случайной. Для получения больших объемов данных, необходимых для нахождения параметров модели системного оператора ВТСП образцов, процесс измерений должен быть автоматизирован.

Полученные экспериментальные зависимости мощности диссипации, динамической индуктивности амплитуд гармоник напряжения и других связанных с ними величин от транспортного тока позволяют найти значение наиболее важного параметра критического и резистивного состояния для керамики - критической плотности тока и ее полевую зависимость, а также рассчитывать параметры моделей системного функционала ВТСП образцов, оценивать их погрешность и границы применимости.

Целью диссертации является исследование зависимостей полного сопротивления керамического сверхпроводника от транспортного тока при различных значениях приложенного постоянного внешнего магнитного поля и частоты транспортного тока для нахождения системного функционала ВТСП образцов и определения параметров феноменологической электродинамики критического и резистивного состояний керамических сверхпроводников в рамках модели пиннинга и вязкого движения гипервихрей.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Коншин, Александр Евгеньевич

Заключение.

В диссертационной работе проведено экспериментальное исследование зависимостей полного сопротивления и связанных с ним величин ВТСП образцов от транспортного тока при различных значениях постоянного внешнего магнитного поля, амплитуды и частоты тока а, также численное моделирование динамики гипервихрей в рамках модели тюнинга и вязкого движения гипервихрей. К основным результатам проведенной работы можно отнести; оценку времени задержки распространения магнитного поля в ВТСП образце и оценку критической плотности тока по экспериментально полученным зависимостям сопротивления и индуктивности образца от транспортного тока. экспериментально полученные зависимости амплитуд первых девяти гармоник напряжения отклика ВТСП образца от амплитуды и частоты транспортного тока; разработанный и изготовленный бесконтактный измеритель, реализующий оригинальный метод измерения сопротивления и индуктивности кольцевых образцов как с линейными, так и с нелинейными электрическими свойствами; разработанный и изготовленный программно-управляемый измерительный комплекс, позволяющий исследовать характеристики ВТСП керамик и других проводящих сред, линейных и нелинейных; апробацию построения модели системного функционала ВТСП образца, описывающего динамику мощности диссипации и магнитной энергии в нем, оценку погрешности и границ применимости использованной модели.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о применимости модели вязкого течения и пиннинга гипервихрей для описания электромагнитных процессов в керамических сверхпроводниках, находящихся в критическом и резистивном состоянии; экспериментальные данные позволяют оценить область применимости керамических сверхпроводников для построения радиоэлектронных устройств на их основе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Коншин, Александр Евгеньевич, 1999 год

Литература.

1. Bednorz J.G., Muller К. A. Possible High Tc Superconductivity in the Ba-La-Cu-O System. Z. Phys. B. 64. (1986). P. 189 -193.

2. Worthmgton Т. K., Gallagher W.J., Diimger T.R. Anisotropic Nature of High-Temperature Superconductivity in Single - Crystal YiBaaQfeCb-x- Phys. Rev. Lett. 59. (1987). № ДО. P. 1160 -1163.

3. Физические свойства высокотемпературных сверхпроводников. Пер. с англ. / Под ред. Д.М. Гинзберга. М.: Мир. 1990. 543 с.

4. Петров А.С., Слядникова Е.Е. Анизотропия проникновения магнитного поля в <Ыа) плоскости гранулированного сверхпроводника. СФХТ. 1993. Т. б.ХаЗ. С. 538-544.

5. Yong Z., Qirui Z., Weiyan G., Jiansheng X., Zhenhui H., Zuyao C., Yitai Q., Guoqiang P. Superconductivity associated with the granular structure in Ba2YCu307.x. Modem Physics Letters B, 2. (1988). M 8. P. 1011 -1015.

6. Eramen J.H.P.M., Brabers V.A.M., Steen C., Dalderop J.H.J., Lenskowski S.KJ. and Jonge W.J.M Inter- and mtragranular propeties of Bi2CaSr2Cu2Ox superconductors. Physica C. 162 -164. (1989). P. 1613 -1614.

7. Rosenblat J., Raboutou A., Peyral P. and Lebeau C. Intragranular and intergranular transitions in Y-Ba-Cu-O ceramics. Revue Phys. Appl. 25, (1990). Ш.Р.73-78.

8. В.П. Попов, Основы теории цепей. Учебник для вузов. М.: Высшая школа. (1985)

9. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. Т. 1. М.-Л.: Энергия. 1966. 522 С.

10. Колесников П.М. Введение в нелинейную электродинамику. Минск. Наука и техника. 1971. 384 С.

11. Szymczak R., Piotrowski К., Szymczak Н. Visualization of magnetic flux penetration and trapping in superconducting Bi2Sr2CaCu2Ox single crystals. Jomal of Magnetism and Magnetic Materials. 92. (1990). № I. P. L19 - L24.

12. Gotoh S,3 Koshizuka N.. Yosliida M, Direct Observation of Flux Behavior in High-Tc Oxide Superconductors Using The Faraday Effect of Iron Granet Films. Japanese Jomal of Applied Physics. 29. (1990). № 7. P. L1083 -11085.

13. Bugoslavsky Yu. V.» Minakov A.A. The mixed state of RBaCuO ceramic superconductors. J. of Less-Common Metals. 164&165. (1990). P. 1099 -1105.

14. Ростами X.P., Мантаров В В., Омельченко В.Й. Пространственное распределение захваченного магнитного потока в цилиндрических ВТСП. ФНТ. 1996. Т. 22. №7. С. 736-741.

15. Гинзбург В Л., Ландау Л.Д. К теории сверхпроводимости. ЖЭТФ. 1950. Т. 20. Вып. 12. С. 1064 -1082.

16. Абрикосов А.А. О магнитных свойствах сверхпроводников второй группы. ЖЭТФ. 1957. Т. 32. Вып. 6. С. 1442 -1452.

17. Kogan V.G. Forces upon Vortices in Anisotropic Superconductors. Phys, Rev. Lett. 64. (1990). № 18. P. 2192 - 2194. Yeh N.-C.

18. Vortex phases and dissipation in high-temperature superconducting oxides. Phys. Rev. B. 40. (1989). № 7. P. 4566 - 4572.

19. Кемпбелл А.» Иветс Дж. Критические токи в сверхпроводниках. М.: Мир. 1975. 332 с.

20. Shimizu Е. and Ito D, Critical current density obtained from particle-size dependence of magnetization in YBa2Cu307.x powders. Phys, Rev. B. 39. (1989). №4. P. 2921 "2923.

21. Polak M., Majoros M., Hanic F„ Pitel J., Kedrova M., Kottman P., Talapa J., and Vencel L. Magnetic Field Dependence of Shielding Current Density in Y-Ba-Cu-O Rings at 77 K. Journal of Superconductivity. 2. (1989). № 2. P. 219 - 234.

22. Сонин Э.Б. Теория джозефсоновской среды в ВТСП: вихри и критические магнитные поля. Письма в ЖЭТФ. 1988. Т. 47. Вып. 8. С. 415 - 418.

23. Игнатьев В.К. Материальное уравнение гранулярного сверхпроводника. СФХТ. 1994. Т. 7. Jfc 2. С. 215 - 223.

24. Игнатьев В.К. Нелинейная электродинамика слабогранулярных сверхпроводников. Вестник ВолГу. Серия Математика. Физика. Вып. 1. Волгоград. Изд-во ВолГУ. 1996. С. 123 - 134.

25. Игнатьев В.К. Моделирование резистивного состояния гранулярных сверхпроводников. ФНТ. 1997. Т. 23. № 7. С. 686 - 695.

26. Игнатьев В.К. Пиннвдг гапервихрей в гранулярных сверхпроводниках. Вестник ВолГУ. Серия Математика. Физика. Вып. 2. Волгоград. Изд-во ВолГУ. 1997. С. 67 - 72.

27. Зеликман М.А. Вихревые состояния и экранирующие токи в трехмерной джозефсоновской среде. СФХТ. 1992. Т. 5. № 1. С. 60-72.

28. Зеликман М.А. Пиннинг и движение плоских вихрей в трехмерной джозефсоновской среде. СФХТ. 1994. Т. 7. Ш 6. С. 946 - 957.

29. Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. Системы с джозефсоновскими контактами. Основы теории М.: Изд-во МГУ 1978. 447 С.

30. Bean С.Р. and Livingston ID. Surface barrier in type II superconductors Phys. Rev. Lett. 12. (1964). M 1. P. 14 - 16.

31. Anderson P.W. Theory of flux creep in hard superconductors. Phys. Rev. Lett, 9. (1962). Ш 7. P. 309 -311.

32. London H. Alternating current losses in superconductors of the second kind. Phys. Lett. 6. (1963). Kg 2. P. 162 -165.

33. Баранов M.A., Горбачев B.C., Чернов A.C. Критический ток джозефсоновской решетки. СФХТ. 1992. Т. 5. Ш 6. С. 980 - 993.

34. Riedinger R. D. С. critical currents in granular sintered superconducting ceramics. Criogenics. 29. (1990 ). Jfe 5. P. 464 - 466.

35. Josephson B.D. Macroscopic field equations for metals in equilibrium. Phys. Rev. A152. (1966). № 1. P. 211- 217.

36. Бредов M.M., Румянцев B.B., Топтыгин И.Н. Классическая электродинамика. М.: Наука. Гл. редакция физ.-мат. литературы. 1985.400 с.

37. Шимони К, Теоретическая электродинамика. Пер. с нем. под ред. JC.M. Поливанова М.: Мир, 1964. 773 с.

3S. Зеликман М.А. Пиннинг и движение плоских вихрей в трехмерной джо-зефсоновской среде. СФХТ. 1994. Т. 7. № 6. С. 946 - 957.

39. Bean С.Р. Magnetization of high-field superconductors Rev. Mod. Phys. 36. (1964). № 1 (Part 1). P. 31-39.

40. Bean C.P. Texnical Report Grant 88Ю34. NYSIS. (1992). P. 162

41. Kim Y.B., Hempstead C.F., and Strand A.R. Critical persistant currents in hard superconductors. Flux crep and activation energies at the grain boundaries of Y-Ba-Cu-O superconductors. Phys. Rev. Lett. 9. (1962). № 7, P. 306 - 309.

42. Кокорина E.E., Медведев M.B. Необратимая намагниченность сверхпроводника 2-го рода с измененным внешним слоем СФХТ. 1993. Т. 6. № 5. С. 947-959.

43. Sing R. Magnetisation and critical current density in Y-Ba-Cu-0 in low magnet field. J. Phys. D. Appl. Phys. 22. (1989). № 10. P. 1523 - 1527.

44. Аронзон Б.А., Гершанов Ю.В.» Мейлихов E.3., Шапиро В.Г. Влияние магнитного поля на вадьтамперную характеристику резистивного состояния керамики YBa2Cu306,9 вблизи перехода. СФХТ. 1989. Т. 2. № 10. С. 83 - 88.

45. Enpuku К., Kisu Т., Sako R., Yoshida К., Takeo М. and Yamafuji К. Effect of Flux Creep on Current-Voltage Characteristics of Superconducting Y-Ba-Cu-O Thin Films. Japanese Jomal of Applied Physics. 28. (1989). № 6. P. L 991 - L 993.

46. Безверхий ПЛ., Боголюбов H.A., Мартынец В.Г. Подавление транспортного критического тока ВТСП-керамик захваченным магнитным полем. СФХТ. 1990. Т. 3. № 3. С. 469 - 471.

47. Игнатьев В.К. Баланс мощности нелинейного двухполюсника. Известия ВУЗов. Электромеханика. 1997. №3. С. 11 -14.

48. Кикин А.Д., Каримов Ю.С. Влияние температуры и магнитного поля на критический ток керамики УВа2Сиз07-х- ФТТ. 1990. Т. 32. № 5. С. 1510 -1512.

49. Алиферцев О.Н. Некоторые аспекты измерения контактного сопротивления структур высокотемпературный сверхпроводник - металл. СФХТ. 1993. Т. 6. №9-10. С. 1881 - 1890.

50. Жуков А.А., Комарков Д.А., Миркович И., Шабатин В.П., Палачев В.В. Вольт-амперные характеристики керамического сверхпроводника Bi-Sr-Ca-Cu-O. СФХТ. 1993. Т. 6. Jft 4. С. 743 - 749.

51. Кикин А.Д. Критические параметры керамических оксидных сверхпроводников Автореф. канд. дисс. Черноголовка 1991.16 С.

52. Campbell S.A., Ketterson J.B., Grabtree G.W. Critical field measurements in superconductors using ac inductive techniques. Rev. Sci. Instrum. 54. (1983). Ka 9. P.l 191-1198,

53. Кикин АД, Каримов Ю.С. Влияние магнитного поля на плотность критического тока керамики УВа2Сиз07-х. ЖТФ. 1990. Т. 60. № 1. С. 186 -190.

54. Савченко G.B., Савченко О.Я. Индукционные измерения распределения плотности тока в сверхпроводящем кольце. СФХТ. 1992. Т. 5. № 8, С. 1465 -1467.

55. Батакин В.М., Савченко О .Я. Одновременные измерения транспортного тока и магнитного момента сверхпроводящего керамического кольца. СФХТ. 1993. Т. 6. Jfe 9-10. С. 1842 - 1847.

56. Бедодедов М.В., Игнатьев В.К. Бесконтактное измерение вольт-амперных характеристик сверхпроводника. СФХТ. 1990. Т. 3. № 5. С. 953 - 954.

57. Игнатьев В.К, Коншин А.Е., Индукционный измеритель полного сопротивления ГГГЭ №3, С. 94 - 98.(1997)

58. А.Е. Коншин, Трансформаторный измеритель полного сопротивления. Тезисы IX МНТК "Датчик-97'\ Крым. 1997. С. 98 -100.

59. Дзугутов В.М., Подлевских НА, Фишер Л.М. Сверхпроводимость: физика, химия, техника. 1990. Т. 3. Кз 1. С. 47-51.

60. В.К. Игнатьев, А.Е Коншин. Бесконтактный измеритель полного сопротивления. Тезисы X МНТК "Датчик-97". Т. 1. Крым. 1998. С. 65 - 68.

61. Игнатьев В.К., Коншин А.Е. Исследование критического состояния ВТСП методом баланса мощности. ФНТ 1998. Т. 24. .К® 6. С. 538 - 544.

62. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа ЮМ РС. Практ. пособие. М.: ЖОМ., 1998.224 с.

63. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лиг. 1982.240 с.

64. Мкртчян Г.С., Шмидт В.В. Закрепление вихревой решетки на границе раздела двух сверхпроводников и критический ток. ЖЭТФ. 1975. Т. 68. Вып. 1.С. 186-195.

65. Дж. Ортега, У. Пулл. Введение в численные методы решения дифференциальных уравнений./пер. с англ.; Под ред. А. А. Абрамова. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1986. -288 с.