- •В.Н. Игумнов Основы высокотемпературной криоэлектроники
- •Условные обозначения
- •Список сокращений
- •Предисловие
- •Введение
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Глава 1 сверхпроводимость
- •1.1. Нулевое сопротивление
- •Критические температуры некоторых сверхпроводников
- •1.2. Сверхпроводник в магнитном поле
- •Значения напряженности критического поля
- •1.3. Сверхпроводники второго рода. Вихри Абрикосова
- •Сверхпроводники второго рода
- •1.4. Энергетическая щель. Одночастичное туннелирование
- •Величина щели для различных сверхпроводников
- •1.5. Эффекты Джозефсона
- •Параметры слабосвязанных сверхпроводниковых структур, изготовленных методами интегральной технологии
- •1.6. Теория Бардина-Купера-Шриффера. Основные результаты
- •1.7. Особенности высокотемпературной сверхпроводимости
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2 высокотемпературные сверхпроводники
- •2.1. Структура высокотемпературных сверхпроводников
- •Основные свойства некоторых втсп
- •Контрольные вопросы
- •2.2. Синтез втсп материалов
- •Размеры частиц порошков, полученных разными методами
- •Контрольные вопросы
- •2.3. Технология объемных сверхпроводников
- •2.3.1. Методы жидкофазного полученияBi-2212 сверхпроводников
- •Основные параметры расплавных методов и характеристики Bi-2212 [10]
- •2.3.2. Методы жидкофазного получения y-123 сверхпроводников
- •Основные параметры раслоенных методов и характеристики y-123
- •Контрольные вопросы
- •2.4. Технология пленочных сверхпроводников
- •2.4.1. Физические методы получения тонких пленок
- •2.4.2. Химические методы получения пленок и покрытий
- •2.4.3. Подложки. Буферные слои
- •Удельное сопротивление и тСпленокY-123
- •Контрольные вопросы
- •2.5. Основные свойства сверхпроводников
- •2.5.1. Переход металл-изолятор
- •2.5.2. Терморезистивные характеристики
- •2.5.3. Критический ток
- •2.5.4. Высокотемпературные сверхпроводники в магнитном поле
- •Результаты резистивных измерений в различных сверхпроводниках [5]
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3 устройства криоэлектроники
- •3.1. Пассивные сверхвысокочастотные устройства
- •3.1.1. Микрополосковые линии. Линии задержки
- •Зависимость ширины микрополоска от длины линии
- •Линии задержки
- •3.1.2. Фильтры
- •Полосовые фильтры
- •3.1.3. Резонаторы
- •3.1.4. Приборы наS–Nпереходах
- •Контрольные вопросы
- •3.2. Болометры
- •Контрольные вопросы
- •3.3. Устройства на основе переходов Джозефсона
- •3.3.1. Джозефсоновские криотроны
- •3.3.2. Цифровые устройства на д-криотронах
- •3.3.3. Квантроны
- •3.3.4. Приемные устройства
- •3.3.5. Генераторы
- •Контрольные вопросы
- •3.4. Устройства на основе квантовых интерферометров
- •3.4.1. Сверхпроводящий квантовый интерферометр
- •3.4.2. Цифровые устройства на основе сквиДов
- •3.4.3. Магнитометры и градиентометры
- •3.4.4. Магнитометрические системы
- •Основные параметры ссм
- •Контрольные вопросы
- •3.5. Магнитные экраны
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4 лабораторный практикум
- •4.1. Синтез втсп материалов
- •Общие сведения
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •4.2. Получение и исследование тонкопленочных втсп элементов
- •Общие сведения
- •Характеристики распылительных систем
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •4.3. Получение и исследование колец-фрагментов магнитного экрана
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •4.4. Исследование свойств колец-фрагментов магнитного экрана
- •Общие сведения
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •4.5. Изготовление и исследование свойств магнитных экранов
- •Общие сведения
- •Задания
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Предметный указатель
- •Оглавление
- •Глава 1 16
- •Глава 2 50
- •Глава 3 107
- •Глава 4 165
Контрольные вопросы
В чем необходимость экранирования?
Опишите принцип экранирования.
Охарактеризуйте способы экранирования.
Приведите примеры использования экранов.
Перечислите характеристики магнитного экрана и опишите методы их определения.
Опишите особенности работы ВТСП магнитных экранов.
Глава 4 лабораторный практикум
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Практикум включает работы по синтезу ВТСП материалов, получению тонких и толстых пленок, объемных колец-фрагментов магнитного экрана. Таким образом осуществляется практическое знакомство с основными ВТСП технологиями. В работе используются перспективные методы: золь-гель метод синтеза, расплавный м-MTG-метод получения объемных образцов, магнетронный метод получения тонких пленок.
Предложены работы по исследованию свойств ВТСП материалов и изделий: определение содержания сверхпроводящей фазы в порошке, дисперсности состава порошка, определение с помощью разных методов критического тока в сверхпроводниковых элементах, исследование экранирующих свойств различных ВТСП экранов. В работах используются основные ВТСП материалы Y-123 иBi-2212. Как уже отмечалось выше, качество и критические параметры ВТСП материалов и изделий в основном определяются технологией их получения. Это обстоятельство определило то внимание, которое уделяется практическим работам по получению ВТСП материалов и изделий.
4.1. Синтез втсп материалов
Целью работыявляется изучение методов синтеза ВТСП материалов, получение ВТСП с помощью керамического и золь-гель метода, исследование свойств полученных материалов.
Общие сведения
Для получения высокотемпературных сверхпроводников используют различные методы синтеза. До сих пор чаще всего применяется керамическая технология, включающая смешение исходных порошков (оксидов и карбидов всех металлических компонентов; реже их пероксидов, гидроксидов, нитратов и т.д.), их термическую обработку, помол, формование и спекание. Последние три стадии могут повторяться для повышения параметров ВТСП. Содержание компонентов в смеси определяется стехиометрическими коэффициентами ВТСП материала, числом ионов металла в молекулах исходных компонентов и их молярной массой.
Наиболее ответственной операцией, с точки зрения однородного распределения фаз по объему материала, используют мокрый помол с применением воды, изопропилового или метилового спирта. Это позволяет увеличить подвижность частиц друг относительно друга и уменьшить прочность контактов между ними.
Основным этапом синтеза является обжиг исходных реагентов в соответствующих условиях, при которых происходит реакция образования фаз типа:
xMe1+yMe20е+…+zMe30n→Me1x Me2y… Me30m, (4.1)
где Me1, Me2, Me3 – К, Ba, Ln, Y, Bi, Sr и другие керамикообразующие катионы;
x,y,z– стехиометрические коэффициенты.
Температура обжигавыбирается согласно правилу Таммана – более 2/3 Тплодного из компонентов (обычно самого легкоплавкого). Керамический метод прост, технологичен и практически не имеет ограничений. Однако методу присущи недостатки термодинамического и кинетического характера, являющиеся причинами низкой воспроизводимости эксплуатационных свойств ВТСП материалов.
Первые связаны со значительными различиями термодинамических свойств индивидуальных окислов и солей, вторые – с неизбежностью промежуточных фаз, сегрегацией компонентов, наличием реакционной поверхности раздела.
Более перспективными являются химические методы гомогенизации, в которых исходные солевые компоненты растворяют в воде или другом подходящем растворителе, а затем продукт выделяют из раствора тем или иным способом. Это позволяет избежать некоторых недостатков, присущих керамической технологии, например, устраняет необходимость использования перемешивающих или мелющих устройств.
К таким методам относятся золь-гель методы. Сущность их заключается в том, что первоначально приготовленные истинные растворы керамикообразующих катионов переводят в золи или гели, удаляют растворитель и подвергают сухую массу термообработке. В качестве исходных веществ используют нитраты, ацетаты, алкоксиды, цитраты и т.д. Основным недостатком этих методов является применение углеродосодержащего сырья и малых концентраций исходных растворов, что снижает производительность процесса и создает проблемы, связанные с образованием термостабильных карбонатов щелочно-земельных элементов.
Одними из основных характеристик синтезированных ВТСП порошков являются: гранулометрический состав и содержание сверхпроводящей фазы.
Для определения размеров зерен существует много способов, в том числе метод ситового анализа(при размерах зерен больше 40 мкм),оптическая микроскопия(0,5-500 мкм),электронная микроскопия(0,001-10 мкм),осаждение(0,5-500 мкм).
Методы синтеза ВТСП порошков позволяют получить частицы со средним размером 0,5-10 мкм. Исходя из этих значении можно выбрать метод определения размеров зерен; это метод оптической микроскопии. Используя микроскоп и окулярный микрометр можно оценить гранулометрический составпорошка. Упрощенный метод оценки содержания сверхпроводящей фазы ВТСП заключается в использовании эффекта Мейсснера. В криостат под поверхностью жидкого азота помещается образец ВТСП (порошок или прессовка). Образец подвешен к динамометру или коромыслу весов, которые показывают вес образца. После фиксации веса включают магнитное поле и вес образца уменьшается вследствие выталкивания сверхпроводящей фазы из магнитного поля. Весы предварительно градуируют с помощью эталонных образцов с известным содержанием сверхпроводящей фазы.