Задания

1. Откалиблируйте устройство для бесконтактного измерения критического тока.

1. Составьте измерительную схему. С помощью четырехзондового метода измерьте критический ток ВТСП кольца (рис. 4.7, а).

2. Составьте схему для бесконтактного измерения критического тока ВТСП кольца (рис. 4.7, б).

3. Сопоставьте полученные результаты и определите величину kв (4.2).

2. Постройте вольт-амперные характеристики для различных колец. Предложите аналитическое выражение ВАХ и сравните с приведенным в п. 2.5.3.

3. Измерьте критический ток колец, полученных в предыдущей работе. Выявите связь между текстурой, плотностью материала ВТСП и величиной критического тока.

4. Составьте отчет, содержащий данные о плотности критического тока ВТСП колец; графики зависимостей плотности критического тока от плотности, размеров зерен, состояния границ зерен ВТСП материала.

а) б)

Рис. 4.7. Схема устройства для контактного (а) и бесконтактного (б) измерения критического тока: ИП – источники питания, В – милливольтметр, L– катушка соленоида, Д – датчик Холла, С – двухкоординатный самописец

Контрольные вопросы

1. Что такое критический ток?

2. Охарактеризуйте внутригранульный и межгранульный критический ток.

3. Дайте характеристику смешанному состоянию.

4. От чего зависит критический ток?

5. Что называют вихрем Абрикосова?

6. Охарактеризуйте методы измерения критического тока.

7. Какие ограничения существуют для контактных методов измерения критического тока?

8. Поясните работу устройства бесконечного измерения критического тока.

Литература

1. Лыков С.Н. Сверхпроводимость полупроводников – СПб.: Наука, 2001.-101с.

4.5. Изготовление и исследование свойств магнитных экранов

Целью работыявляется изучение методов экранирования с помощью ВТСП устройств, получение объемного и толстопленочного экранов, исследование их коэффициентов ослабления поля.

Общие сведения

Экранированиепредставляет собой защиту объема от воздействия внешнего электрического, магнитного или электромагнитного полей. Как правило, в этом объеме располагается устройство, нуждающееся в защите от данного поля. В зависимости от вида и ориентации экранируемого поля выбираются материал и конструкция экрана. Так, например, магнитное поле традиционно экранируют с помощью конструкций из ферромагнетиков, а электромагнитные поля – с помощью проводниковых конструкций. Конструкция может иметь форму сферы, стакана с дном, длинного цилиндра и т.д.

Применение сверхпроводниковых материаловпозволило существенно улучшить массогабаритные показатели экранирующих конструкций, однако необходимость использования жидкого гелия ограничивает применение таких экранов.

Применение ВТСП электромагнитных экранов на частотах порядка звуковых представляется достаточно перспективным, поскольку использование обычных металлов, например меди или алюминия, требует большой толщины экрана (соответствующие толщины скин-слоя составляют несколько сантиметров). Пермаллоевые и другие экраны с высоким значением магнитной проницаемости характеризуются также большими габаритами и массой.

Для монокристаллических образцов ВТСП значения глубины проникновения составляют доли микрометра. Для поликристаллических образцов она существенно больше (10 мкм), однако использование ВТСП экранов, экранирующих корпусов интегральных схем и т.д. является перспективным в сравнении с другими методами. Физической основой работы экрана является эффект Мейсснера-Оксенфельда. Внешнее магнитное поле в сверхпроводнике убывает с глубиной:

B(x) =B(0)exp(-x/λ_L), (4.9)

где x– расстояние от поверхности,

λ_L– лондоновская глубина проникновения.

Для низкотемпературных сверхпроводников λ_L=10^-7м, поэтому слабые поля в объемный сверхпроводник практически не проникают. Для реальных ВТСП, как уже отмечалось, эта величина много больше. Если величина внешнего магнитного поля становится сравнимой со значением нижнего критического поля, сверхпроводник второго рода может перейти в промежуточное состояние. При этом образец разбивается на чередующиеся сверхпроводящие и нормальные области (состояние Шубникова) и в него проникает магнитное поле. Индукция поля, при котором образец переходит в состояние Шубникова, определяется его формой и критическими свойствами материала. Для экрана в виде цилиндра с плоским дном и отношением внутреннего диаметра к внешнему не более 0,7 это поле (перпендикулярные оси цилиндра) можно определить из выражения

B_││=В_С1[(1-d/D)/2]^1/2, (4.10)

где В_С1– индукция первого критического поля материала;

D,d– внешний и внутренний диаметры экрана.

Индукция аксиального поля, при котором материал экрана переходит в промежуточное состояние, приблизительно равна критической индукции поля.

Для ВТСП материаловкартина усложняется вследствие того, что они представляют собой гранулированные конгломераты, где между СП гранулами есть джозефсоновские контакты. В этом случае экранирующие свойства связывают с величиной критического поля межгранульных связей, при котором начинается проникновение поля в ВТСП.

Обычно ВТСП магнитные экраны выполняются путем одностороннего, двухстороннего или гидростатического прессования ВТСП порошка и последующего обжига. Такой способ пригоден для изготовления небольших экранов. Однако для изготовления длинномерных цилиндров или экранов более сложной формы (сфера) такой способ не подходит. В этом случае пользуются дискретными экранами, состоящими из фрагментов-колец. В предыдущей работе были изготовлены такие кольца-фрагменты, которые можно собрать в длинномерный цилиндр. Такие фрагменты могут быть выполнены нанесением тонких или толстых пленок на керамическое основание.

Коэффициент экранирования (ослабления поля) Копределяется как отношение величины внутреннего поляB_iк внешнему –B_e:

К=B_i /B_e. (4.11)

Измерение производят следующим образом. Экран с датчиком поля помещают внутри соленоида, задающего внешнее поле. В качестве датчика используют феррозондовый датчик или, как в нашем случае, датчик Холла. Соленоид на штанге опускают в сосуд Дьюара с жидким азотом. Вся система располагается внутри установленного вертикально двухслойного ферромагнитного экрана с коэффициентом ослабления магнитного поля Земли около 100.

Последовательно с обмоткой соленоида включен резистор. Падение напряжения на резисторе пропорционально величине внешнего магнитного поля соленоида, ЭДС Холла пропорциональна величине внутреннего поля. Из графика U_x=f(I_c) можно оценить коэффициент ослабления поля для данного экрана.

Рис. 4.8. Толстопленочный фрагмент-кольцо магнитного экрана: 1 – керамика, 2 – пленка

Рис. 4.9. Температурный режим вжигания ВТСП пленки: Т₁=120°С (30 мин)V₁=30ºС/ч; Т₂=910-915°С (10-20 мин); Т₃=895°С,V₂=6ºС/ч; Т₄=860°С