Реферат Сверхпроводимость
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
К истории вопроса.
[1]
Явление сверхпроводимости впервые наблюдал Камерлинг- Оннес в Лейдене в 1911 г., спустя три года после того, как им впервые был получен жидкий гелий.
На рис.1 приведены результаты его экспериментов со ртутью. Следует обратить внимание на то, что температурный интервал, в котором сопротивление уменьшалось до нуля, чрезвычайно узок.
Электрическое сопротивление в сверхпроводящем состоянии точно равно нулю или по крайней мере так близко к нулю, что не наблюдалось ослабления тока в сверхпроводящем кольце в течение более чем года вплоть до прекращения эксперимента. Уменьшение сверхпроводящего тока в соленоиде из Nb0,75Zr0,25 изучалось Файлом и Милсом, которые измеряли магнитное поле, создаваемое сверхпроводящим током, точным методом ЯМР. Они установили, что время спада сверхпроводящего тока составляет не менее 100000 лет. В некоторых сверхпроводящих материалах, особенно в тех, которые используются для сверхпроводящих магнитов, наблюдались конечные времена спада вследствие необратимых перераспределений магнитного потока в сверхпроводнике.
Магнитные свойства сверхпроводников столь же нетривиальны, как и электрические свойства. Нулевое электрическое сопротивление достаточно хорошо характеризует сверхпроводящее состояние, но не может объяснить его магнитных свойств. Экспериментально обнаружено, что сверхпроводник в слабом магнитном поле будет вести себя как идеальный диамагнетик, в объеме которого магнитная индукция равна нулю. Если поместить образец в магнитное поле и охладить его ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние, то магнитный поток, первоначально пронизывающий образец, окажется вытолкнутым из него. Этот эффект называется эффектом Мейснера. Эти уникальные магнитные свойства играют важнейшую роль в описании сверхпроводящего состояния.
Известно, что сверхпроводящее состояние представляет собой упорядоченное состояние электронов проводимости металла. Упорядочение заключается в том, что электроны, свободные выше температуры перехода в сверхпроводящее состояние, при охлаждении ниже этой температуры связываются в пары. Природа процесса образования электронных пар была впервые объяснена в 1957 г. Бардином, Купером и Шриффером.
Многие металлические элементы периодической системы, а также сплавы, интерметаллические соединения и полупроводники могут переходить в сверхпроводящее состояние. Состав и свойства некоторых из них будут рассмотрены ниже.
Таллийсодержащие высокотемпературные сверхпроводники, полученные в присутствии некоторых фторидов металлов.[2]
Сравнительно небольшие плотности критических токов Jс оксидных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) - одна из главных причин, сдерживающих их практическое применение. Поэтому поиски методов синтеза сверхпроводников с повышенными плотностями критических токов представляют несомненный интерес. Одним из путей повышения Jс оксидных ВТСП является введение в них различных модифицирующих добавок. Так, модифицирование таллийсодержащих ВТСП некоторыми металлоксидами приводит к улучшению критических параметров. Некоторое возрастание Jс обнаружено ранее нами [3,4] в таллий содержащих ВТСП, модифицированных тонкодисперсной платиной.
Далее рассмотрим особенности синтеза, состав и свойства таллийсодержащих ВТСП, модифицированных смесью фторида бария с металлоксидами, образующимися непосредственно при твердофазном синтезе, который осуществлялся по схеме: Ba2 + xCa2Cu3Oy + Ѕ Tl2O3 + xMFn + 2NH4NO3 (868 - 872 °C/10 - 20 мин) Þ Tl1223 + xBaF2 + xMO.
Следует подчеркнуть, что избыток бария х необходим для сохранения стехиометрии сверхпроводящей фазы, так как образующийся в результате реакции фторид бария “уводит” его из системы.
Синтез образцов фазы Tl1223, модифицированных различным количествами BaF2 и металлоксидов, осуществлялся введением в предварительно подготовленную шихту соответствующего количества (х) фторида металла, оксида таллия (III) и нитрата аммония. Шихта готовилась медленной (4 - 6ч) термообработкой смеси оксида меди с нитратами бария и кальция до температуры 720 °С.
Смесь шихты с оксидом таллия, фторидом металла и нитратом аммония тщательно гомогенизировалась в этаноле и высушивалась при температуре 105 °С. Нитрат аммония вводился в смесь с целью улучшения гомогенизации и удержания таллия в системе. Согласно спектрографическим исследованиям [5], взаимодействие нитрата аммония с шихтой приводит к его разложению с потерей аммиака и образованию Ca(OH)2 и Ba(NO3)2 , причем соответствующие реакции происходят без нагрева смесей. Высушенные смеси прессовались в таблетки под давлением 2 т/см2 и отжигались при температуре 868 - 872 °С в течение 10 - 20 мин с последующей закалкой на воздухе. Вследствие обильного газовыделения полученные образцы обладали высокой пористостью. Для уменьшения пористости они подвергались сухому перетиранию, прессовались и повторно отжигались при тех же условиях. Таким способом нами получены керамические образцы Tl1223 с использованием следующих фторидов металлов: MFn = KF, MgF2, CaF2, BaF2·CaF2 (1:1), SbF3, (NH4)2BeF4, CdF2, MnF2,FeF3, CuF2, ZrOF2, GdF3, HoF3, PbF2, CoF2. Концентрация х для большинства фторидов изменялась в интервале 0,2 - 0,8.
Для сохранения стехиометрии фазы Tl1223 при синтезе в систему добавляется избыток бария в соответствии с количеством вводимого фторида металла. Предлагаемый способ модифицирования ВТСП реагентами, образующимися непосредственно при твердофазном керамическом синтезе, не приводит к существенному снижению Тс образцов. Критические температуры перехода в сверхпроводящее состояние, характерные для модифицированных фторидами металлов ВТСП, несколько ниже, чем у немодифицированного Tl1223. Обнаружено, что модифицированные таким путем образцы имеют более высокое содержание сверхпроводящей фазы, меньший размер зерен и обладают более резким переходом в сверхпроводящее состояние по сравнению с образцами, полученными при тех же условиях, но без добавок фторидов. Введение таких же количеств оксидов при обычном твердофазном синтезе приводит, чаще всего, к существенному снижению температуры сверхпроводящего перехода Тс, увеличению ширины перехода DТс, а иногда и полной потере образцами сверхпроводящих свойств.
Характер температурной зависимости действительной компоненты динамической магнитной восприимчивости c в переменном магнитном поле различной амплитуды указывает на то, что подавляющее бльшинство модифицированных таким способом образцов Tl1223 и BaF2, образовавшийся в результате реакции по схеме: BaO + MFn Þ BaF2 + MO. Изменение концентрации вводимых фторидов приводит к изменению соотношения интенсивностей отражений, соответствующих BaF2 и сверхпроводящей фазе.
Свойства подобного типа гранулярных ВТСП могут быть описаны на основе модели многосвязной сетки джозефсоновских межзеренных контактов [6,7], в которой магнитную восприимчивость можно представить в виде суммы двух вкладов. Первый вклад приписывается проявлению объемной внутризеренной сверхпроводимости, второй, сильно зависящий от величины измерительного поля, обусловлен образованием сверхпроводящей сетки со слабыми связями. В нашем случае при увеличении поля положение начала перехода, обусловленное сверхпроводимостью внутри зерен, остается практически неизменным. Разрушающее влияние магнитного поля на систему контактов менее заметно в случае модифицированных образцов. Следовательно, можно предположить, что введение в керамику наряду с металлоксидом фторида бария изменяет качество слабых межзеренных связей. Таким образом, модифицирование керамических таллийсодержащих ВТСП фторидами заметно улучшает их сверхпроводящие свойства. Это характерно для всех образцов, модифицированных перечисленными выше фторидами металлов, где, согласно рентгенофазовым исследованиям, наблюдается образование фторида бария совместно с металлоксидом.
Из исследованных к настоящему времени систем другое поведение наблюдается при модифицировании Tl1223 фторидами свинца и кобальта. При модифицировании фторидом свинца также наблюдается переход фторид-иона к барию, но образовавшийся оксид свинца реагирует с оксидом кальция. Увеличение концентрации вводимого в систему фторида свинца практически не изменяет Тс. Наблюдая температурное поведение магнитной восприимчивости для некоторых образцов, модифицированных PbF2, следует отметить, что увеличение концентрации Ca2PbO4 практически не влияет на температуру сверхпроводящего перехода.
Микроструктура и сверхпроводящие свойства легированной керамики YBa
2
Cu
3
O
7-
d
[8]
Специфика высокотемпературных оксидных сверхпровод-ников как гранулированной среды со слабыми связями между гранулами (зернами) обуславливает принципиальное значение изучения особенностей микроструктуры, межзеренных примесей и состава границ зерен. Несмотря на большой объем сведений о замещениях отдельных катионов в решетке YBa2Cu3O7-d, влияние комплексных замещений или добавок на сверхпроводящие свойства керамики не предсказуемо в полной мере, так как изменение характеристик имеет неаддитивный характер и простые корреляции отсутствуют. Были изучены структурные, микроструктурные и сверхпроводящие характеристики керамики иттрий-бариевого купрата с добавками смеси оксидов Sc2-2SrO-3V2O5, соответствующими системе твердых растворов (1-x)YBa2Cu3O7-d-x²ScSr2V3O11² (x = 0 - 0,15).
Керамические образцы синтезировали из стехиометрических смесей оксидов CuO, Sc2O3, V2O5, и карбонатов BaCO3 и SrCO3. Синтез и спекание образцов (с промежуточным перетиранием) проводили на воздухе при стандартных режимах термообработки: Т1 = 900 °С (t = 26 ч), Т2 = 930 - 950 °С (t = 45 - 70 ч), с последующим медленным охлаждением со скоростью »10°/мин и дополнительной выдержкой при 400 °С (t = 10 - 20 ч).
Образцы изучали методами рентгенофазового анализа (РФА), электронной микроскопии (JEOL - 35CF), микрорентгеноспектрального анализа (МРСА), сверхпроводящие характеристики образцов в форме дисков ( диаметром » 9,4 - 10,3 мм и толщиной » 2.8 мм), помещенных в катушку индуктивности (диаметром 15 мм и длинной 15 мм), измеряли индуктивным методом на переменном токе (f = 1 МГц) с использованием измерителя Е7 - 12. Согласно результатам РФА, интервале концентраций х (от 0 до 0,10) образуются твердые растворы с ромбической структурой фазы 123. Следы примесной фазы Y2Ba2CuO5 обнаружены во всех образцах, примесная фаза BaCuO2 - только при х £ 0,04. Состав примесных фаз проявляющихся при х ³ 0,05, определен методом МРСА и соответствует твердым растворам Ba2(Cu,Sc)5Oy и Ba(Cu, V)2Oz. По-видимому , этим фазам соответствуют дифракционные пики 2q = 27,6 и 31 °, интенсивность которых увеличивается с ростом х.
Перераспределение тока и нормальный переход в сверхпроводящем кабеле [9]
Переход в нормальное состояние сверхпроводящего кабеля (СК), состоящего из нескольких параллельно соединенных токонесущих элементов (жил), представляющих собой многоволоконные композитные сверхпроводники, сопровождается перераспределением тока между этими элементами. Процесс нормального перехода кабеля имеет ряд специфических особенностей [10], таких как множественное зарождение нормальной зоны (НЗ), аномально быстрое распространение НЗ и ТД, которые не могут быть объяснены в рамках стандартной теории.
Особенности нормального перехода связанные с быстрым перераспределением тока между жилами кабеля исследовались экспериментально. При этом в зависимости от величины начального тока в одной жиле Iо наблюдались три различных режима перехода СК в нормальное состояние, При достаточно малом токе Iо нормальный переход одной из жил не приводит к переходу всего СК, а лишь к перераспределению тока между жилами. Полный ток в кабеле при этом остается постоянным. Если ток Iо превышает некоторое пороговое значение I¢о,то перераспределение тока приводит к зарождению НЗ в других жилах. По мере распространения по ним НЗ, СК целиком переходит в нормальное состояние, а ток в нем медленно (»10 мс) затухает. При еще большем токе Iо>I”о переход в нормальное состояние одной из жил приводит к очень быстрому (» 0,1 мс) перераспределению тока между жилами, которое вызывает столь же быстрый переход в нормальное состояние всего СК. Этот процесс получил в литературе название “fast quench”. Были проведены теоретические исследования перехода в нормальное состояние на примере кабеля, состоящего из двух индуктивно связанных сверхпроводящих жил. При этом учитывалось взаимодействие распространяющейся НЗ с электромагнитными возмущениями, которые инициируются в жилах изменяющимся током. Такой процесс привел к эффекту “ускорения” распространяющейся НЗ, а также к возникновению в токонесущем элементе термомагнитной неустойчивости (ТМН) и к его переходу в нормальное состояние при токе ниже критического. Учитывалось влияние неоднородностей на динамику нормального перехода СК. Данный подход позволил достаточно полно описать эффекты, наблюдавшиеся в [10] при переходе СК в нормальное состояние.
Для описания процесса нормального перехода СК воспользуемся моделью электрической цепи с индуктивной связью. Эквивалентная электрическая схема СК, состоящего из двух жил, показана на рис.2.
| ||||||||
| ||||||||
|
| |||||||
|
|
|
|
|
|
Каждая жила в данной модели обладает индуктивностью (L1, L2) и переменным сопротивлением (R1(t), R2(t)), зависящим от длины участка НЗ. Уравнения Кирхгофа для данной цепи имеют вид:
L1I`1 + MI`2 + R1I1 = e - r(I1 + I2),
MI`1 + L2I`2 + R2I2 = e - r(I1 + I2),
где I1, I2 - токи в жилах, I`1, I`2 - скорости изменения токов, М - коэффициент взаимоиндукции, e - э. д. с. источника тока, r - внешнее сопротивление.
Нормальная зона в жилах возникает вблизи “слабых областей” (контактов, дефектов и т. п.), связанных с неоднородными по длине жилы тепло- или электрофизическими свойствами и играющих роль центров зарождения нормальной фазы. Предположим, что центры зарождения нормальной фазы расположены далеко друг от друга и распространение возникших в “слабых областях” участков НЗ можно считать независимым. В этом приближении для жилы 1 имеем:
R`1 = 2r/A*n1*v[I1(t),I`1(t)] ,
где R`1 = dR1/dt - скорость изменения сопротивления жилы 1, r - ее удельное сопротивление, А - площадь поперечного сечения жилы, n1 - число центров зарождения фазы, на которых возникли участки НЗ, v - скорость распространения НЗ, зависящая от I1 и I`1. Аналогичное соотношение имеет место и для жилы 2.
Распространение НЗ в сверхпроводнике с изменяющимся током имеет ряд особенностей, связанных с исчезновением устойчивого сверхпроводящего состояния при некотором токе Iq(I`) вследствие развития ТМН. В области токов близких к Iq скорость распространения НЗ v резко возрастает. Величина тока Iq существенно зависит от I`, что приводит к сильной зависимости v от I`. Получено приближенное выражение для скорости НЗ v(I, I`), которые в адиабатическом пределе a>>1 имеет вид:
v = vad*i/Ö1-I-qs,
где a - параметр Стекли, vad - характерная скорость НЗ в адиабатическом пределе, Is - критический ток жилы, i = I/Is, h - коэффициент теплоотвода в охладитель с температурой То,Тс - критическая температура, Р - периметр жилы. Это выражение для скорости распространения НЗ применимо при условии малости характерного масштаба скорости изменения тока Iо. Зависимость qs от I и I` определяется величиной усредненного по сечению жилы электрического поля <E>, индуцируемого в сверхпроводящем состоянии изменяющимся током I , qs a <E>, и при условии потери стабильности сверхпроводящего состояния при токе I = Iq(I`).
Как отмечалось выше, зарождение НЗ при быстром изменении тока происходит в “слабых областях” жилы. Величина тока нормального перехода в “слабой области” I*q(I`) отличается от тока потери устойчивости сверхпроводящего состояния всей жилы Iq(I`) и зависит от природы неоднородности, ее размера и т. д.
Ряд особенностей нормального перехода СК, состоящего из нескольких жил, связан с быстрым перераспределением транспортного тока между жилами. Механизм перераспределения тока в СК существенно зависит от величины начального тока. Существует три основных режима перераспределения тока в кабеле, каждому из которых соответствует определенная динамика нормального перехода.
При малом начальном токе возникновение в одной из жил (вследствие каких-либо возмущений) участка НЗ не приводит к нормальному переходу всего кабеля, а НЗ в этой жиле исчезает, когда ток в ней падает до величины минимального тока существования нормальной фазы Im (режим перетекания тока). Если начальный ток в жилах превышает пороговое значение Io > I*o, то перераспределение тока, возникающее вследствие зарождения НЗ в одной из жил, приводит к частичному переходу остальных жил в нормальное состояние (режим медленного перехода). При еще больших начальных токах Io > I**o весь СК переходит в нормальное состояние как целое вследствие развития ТМН (режим быстрого перехода). Для этого режима характерны резкий рост сопротивления жил и быстрое падение тока в кабеле, что в экспериментах может интерпретироваться как аномально быстрое распространение НЗ (или аномально быстрый переход “fast quench”). Для однородного СК режим медленного перехода исчезает, так как локальное зарождение НЗ в жиле 2 в этом случае невозможно. Тогда перераспределение тока в СК осуществляется либо в режиме перетекания тока (СК остается в сверхпроводящем состоянии), либо в режиме быстрого перехода. Пороговый ток Imaxo определяет границу области стабильности СК по отношению к тепловым возмущениям. Величина Imaxo возрастает с увеличением длины кабеля и существенно зависит от эффективной индуктивности жил L. Таким образом, повышение уровня стабильности СК тесно связанно с необходимостью уменьшить скорость перераспределения тока между жилами. Экспериментально показано, что при прочих равных условиях величина тока Imaxo максимальна для транспонированного кабеля, в котором индуктивная связь между жилами мала.
Основные безразмерные параметры, описывающие нормальный переход сверхпроводника с изменяющимся током [11]
. Стабильность сверхпроводников в настоящее время подробно исследована для случая, когда транспортный ток I и внешнее магнитное поле В постоянны либо изменяются во времени достаточно медленно. Однако для широкого класса сверхпроводящих систем характерны режимы, в которых ток и поле изменяются с большими скоростями I` = dI/dt, B` = dB/dt. Нормальный переход таких систем имеет ряд особенностей, которые не могут быть описаны стандартной теорией распространения нормальной зоны (НЗ). В частности, при достаточно больших скоростях изменения тока НЗ движется с ускорением, причем ее скорость в десятки раз выше, чем в стационарном случае (I = 0). Кроме того, в зависимости от величины I переход в нормальное состояние может происходить как локально в одной или нескольких областях сверхпроводника, так и однородно по всей его длине. Эксперименты показали, что локальный нормальный переход одной из жил многожильного сверхпроводящего кабеля может приводить к нормальному переходу кабеля при токе меньшем критического, причем при определенных условиях этот переход происходит с аномально высокой скоростью. Эти особенности нормального перехода в нестационарных условиях (I`¹ 0, B`¹ 0) могут быть качественно объяснены взаимодействием распространяющейся НЗ с термомагнитными возмущениями, инициируемыми в сверхпроводнике изменением тока I или магнитного поля В. При определенных условиях термомагнитные возмущения приводят к развитию термомагнитной неустойчивости (ТМН), и сверхпроводник переходит в нормальное состояние при токе нормального перехода Iq(I`,B`) меньшим критического тока Is. Как известно, основным безразмерным параметром, описывающим нормальный переход в стационарных условиях (I` = 0, B` = 0), является параметр Стекли a. Параметр a определяет интервал метастабильности сверхпроводника по току, в котором может происходить распространение НЗ, а также устанавливает характерные величины скорости распространения НЗ и энергии критических возмущений. Однако для описания нормального перехода в нестационарных условиях одного параметра a оказывается недостаточно.
Ускорение нормальной зоны. Параметр
b
. Особенности распространения НЗ в сверхпроводнике с изменяющимся током (I`¹ 0 ,B` = 0) связаны со взаимодействием термомагнитных возмущений с движущейся NS границей. Эти возмущения приводят к разрушению устойчивого сверхпроводящего состояния при токе нормального перехода Iq(I`)<Is. Вблизи Iq скорость распространения НЗ v резко возрастает, а ее величина существенно зависит от I`.
Как известно, ток нормального перехода Iq уменьшается с ростом I`, причем заметное отличие величины Iq от критического тока Is возникает при I`³I`o, где I`o - характерная скорость изменения тока. При I`£ I`o переход сверхпроводника в нормальное состояние описывается стандартной теорией распространения НЗ. При I`³I`o НЗ движется с заметным ускорением, приводящим к резкому возрастанию ее скорости по сравнению со стационарным режимом. Несмотря на то, что скорость НЗ v(t) существенно зависит от времени, представление о распространении НЗ сохраняет физический смысл, если скорость изменения тока не слишком велика. Ограничение на I` следует из простых физических соображений: характерное время изменения тока I должно быть больше характерного времени релаксации температуры в сверхпроводнике th т. е. I`£ I/th . Полагая для оценки I ~ Is, представим это условие в виде I£b-1I`o, где
b = I`o th/Is
- безразмерный параметр, характеризующий свойства сверхпроводника. При численной оценке b ~ 10-4 ¸ 10-2. Вследствие малости параметра b процесс нормального перехода может быть описан распространяющейся с ускорением НЗ в широком интервале скоростей изменения тока I`o£I`£b-1I`o
Локальное зарождение нормальной зоны. Параметр g
. Наблюдавшееся экспериментально локальное зарождение НЗ при быстром изменении тока связано с существованием в сверхпроводнике “слабых областей” с ухудшенными электро- или теплофизическими свойствами, играющих роль центров зарождения фазы. Термомагнитные возмущения приводят к разрушению сверхпроводящего состояния в “слабой области” при токе I*q(I`), который может быть существенно меньше тока нормального перехода всего образца Iq(I`), который может быть существенно меньше тока нормального перехода всего образца. Дальнейшее развитие процесса нормального перехода зависит от скорости изменения тока и длины образца L. Вблизи центра зарождения фазы (“ слабой области”) существует определенная “корреляционная” область длины Lcorr, внутри которой данная “Слабая область”может влиять на процессы зарождения и распространения НЗ. Если длина образца мала L£Lcorr то зависимости от величины I` нормальный переход может происходить как локально, с последующим распространением НЗ, так и “глобально”. Если длина образца велика L³Lcorr то нормальный переход сверхпроводника может носить только “глобальный”характер и связан с развитием ТМН во всем образце. В связи с вышесказанным для описания нормального перехода сверхпроводника со “слабой областью” удобно ввести безразмерный параметр
g = L/Lcorr
который определяет конкретный режим нормального перехода сверхпроводника при данной I`.
Нормальный переход сверхпроводящего кабеля. Параметр d
. Нормальный переход многожильного сверхпроводящего кабеля (СК) сопровождается быстрым перераспределением тока между жилами, обусловленным сильной индуктивной связью между ними. Таким образом нормальный переход СК происходит в существенно нестационарных условиях (I`¹0). Зарождение НЗ в одной из жил вследствие взаимодействия теплового возмущения приводит к вытеснению тока из нее в соседние жилы. В зависимости от величины начального тока в одной жиле Io, в СК могут возникать различные режимы перераспределения тока. При достаточно малом начальном токе Io перераспределение тока не приводит к нормальному переходу всего СК, а сверхпроводящее состояние восстанавливается. Если начальный ток Io превышает пороговое значение Imaxo, то перераспределение тока приводит к зарождению НЗ “в слабых областях”соседних жил и последующему нормальному переходу всего кабеля. Пороговый ток
Imaxo = Is d1/7
определяет границу области стабильности СК по отношению к тепловым возмущениям. Здесь Is - критический ток жилы, d - безразмерный параметр, зависящий от свойств СК и его длины:
d = L/Lind,
где Lind - характерная “индуктивная” длина СК, на которой индуктивное перераспределение тока между жилами СК перестает влиять на его стабильность по отношению к тепловым возмущениям.
Параметр Стекли a, характеризующий стационарную стабильность, устанавливает интервал метастабильности сверхпроводника по току, в котором возможно распространение НЗ, а также характерные величины ее скорости и энергии критических возмущений. Для описания особенностей нормального перехода сверхпроводника в нестационарных условиях (I`¹0, B`=0) требуется привлечение ряда дополнительных параметров, описаных выше.
Список литературы:
1. КиттельЧ. Введение в физику твердого тела. - М. Наука,1978
2. В. Е. Волков, Ю. Г. Ковалев, Н. П. Фокина, И Ю. Данилов - Сверхпроводимость,1994,т. 7 №5, с.876.
3. Бидман Т. А. , Волков В. Е. , Данилов И. Ю., Иванова Н. Б. , Овчинников С. Г.Б Чернов В. К. - В кн. Тез. докл. III Всесоюзн. конф. по высокотемпер. сверхпроводимости. - Киев, 1989, т III, с.43
4. Бидман Т. А. , Волков В. Е., Вершинина и др. - СФХТ, 1990, т.3. №1, с.73-74.
5. Долгополова М. В., Жарова Л. А. , Волков В. Е. - ЖНХ, 1991, т.36,с.2661.
6. Ishida T.,Mazaki H. - Appl.Phys.,1981, v. 52, N11, p.6798
7. Mazaki H.,Nakano M., Kanno R., Takeda Y. - Jap. J. Appl. Phes. Lett ., 1987, v. 26, №5, p.780.
8. Фуралева К. И., Прутченко С. Г., Политова Е. Д. - Сверхпроводимость,1995, т. 8, №5 - 6, с 702.
9. Бузиков Н. А., Пухов А. А., Рахманов А. Л. - Сверхпроводимость, 1994, т. 7, №5, с. 776
10. Vysotsky V. S., Krooshoop H. J. G., Mulder G. B. J. - Ibid., p. 743.
11. Бузников Н. А., Пухов А. А. - Сверхпроводимость, 1995, т. 8, № 5 - 6, с. 738
. Стабильность сверхпроводников в настоящее время подробно исследована для случая, когда транспортный ток I и внешнее магнитное поле В постоянны либо изменяются во времени достаточно медленно. Однако для широкого класса сверхпроводящих систем характерны режимы, в которых ток и поле изменяются с большими скоростями I` = dI/dt, B` = dB/dt. Нормальный переход таких систем имеет ряд особенностей, которые не могут быть описаны стандартной теорией распространения нормальной зоны (НЗ). В частности, при достаточно больших скоростях изменения тока НЗ движется с ускорением, причем ее скорость в десятки раз выше, чем в стационарном случае (I = 0). Кроме того, в зависимости от величины I переход в нормальное состояние может происходить как локально в одной или нескольких областях сверхпроводника, так и однородно по всей его длине. Эксперименты показали, что локальный нормальный переход одной из жил многожильного сверхпроводящего кабеля может приводить к нормальному переходу кабеля при токе меньшем критического, причем при определенных условиях этот переход происходит с аномально высокой скоростью. Эти особенности нормального перехода в нестационарных условиях (I`¹ 0, B`¹ 0) могут быть качественно объяснены взаимодействием распространяющейся НЗ с термомагнитными возмущениями, инициируемыми в сверхпроводнике изменением тока I или магнитного поля В. При определенных условиях термомагнитные возмущения приводят к развитию термомагнитной неустойчивости (ТМН), и сверхпроводник переходит в нормальное состояние при токе нормального перехода Iq(I`,B`) меньшим критического тока Is. Как известно, основным безразмерным параметром, описывающим нормальный переход в стационарных условиях (I` = 0, B` = 0), является параметр Стекли a. Параметр a определяет интервал метастабильности сверхпроводника по току, в котором может происходить распространение НЗ, а также устанавливает характерные величины скорости распространения НЗ и энергии критических возмущений. Однако для описания нормального перехода в нестационарных условиях одного параметра a оказывается недостаточно.
Ускорение нормальной зоны. Параметр
b
. Особенности распространения НЗ в сверхпроводнике с изменяющимся током (I`¹ 0 ,B` = 0) связаны со взаимодействием термомагнитных возмущений с движущейся NS границей. Эти возмущения приводят к разрушению устойчивого сверхпроводящего состояния при токе нормального перехода Iq(I`)<Is. Вблизи Iq скорость распространения НЗ v резко возрастает, а ее величина существенно зависит от I`.
Как известно, ток нормального перехода Iq уменьшается с ростом I`, причем заметное отличие величины Iq от критического тока Is возникает при I`³I`o, где I`o - характерная скорость изменения тока. При I`£ I`o переход сверхпроводника в нормальное состояние описывается стандартной теорией распространения НЗ. При I`³I`o НЗ движется с заметным ускорением, приводящим к резкому возрастанию ее скорости по сравнению со стационарным режимом. Несмотря на то, что скорость НЗ v(t) существенно зависит от времени, представление о распространении НЗ сохраняет физический смысл, если скорость изменения тока не слишком велика. Ограничение на I` следует из простых физических соображений: характерное время изменения тока I должно быть больше характерного времени релаксации температуры в сверхпроводнике th т. е. I`£ I/th . Полагая для оценки I ~ Is, представим это условие в виде I£b-1I`o, где
b = I`o th/Is
- безразмерный параметр, характеризующий свойства сверхпроводника. При численной оценке b ~ 10-4 ¸ 10-2. Вследствие малости параметра b процесс нормального перехода может быть описан распространяющейся с ускорением НЗ в широком интервале скоростей изменения тока I`o£I`£b-1I`o
Локальное зарождение нормальной зоны. Параметр g
. Наблюдавшееся экспериментально локальное зарождение НЗ при быстром изменении тока связано с существованием в сверхпроводнике “слабых областей” с ухудшенными электро- или теплофизическими свойствами, играющих роль центров зарождения фазы. Термомагнитные возмущения приводят к разрушению сверхпроводящего состояния в “слабой области” при токе I*q(I`), который может быть существенно меньше тока нормального перехода всего образца Iq(I`), который может быть существенно меньше тока нормального перехода всего образца. Дальнейшее развитие процесса нормального перехода зависит от скорости изменения тока и длины образца L. Вблизи центра зарождения фазы (“ слабой области”) существует определенная “корреляционная” область длины Lcorr, внутри которой данная “Слабая область”может влиять на процессы зарождения и распространения НЗ. Если длина образца мала L£Lcorr то зависимости от величины I` нормальный переход может происходить как локально, с последующим распространением НЗ, так и “глобально”. Если длина образца велика L³Lcorr то нормальный переход сверхпроводника может носить только “глобальный”характер и связан с развитием ТМН во всем образце. В связи с вышесказанным для описания нормального перехода сверхпроводника со “слабой областью” удобно ввести безразмерный параметр
g = L/Lcorr
который определяет конкретный режим нормального перехода сверхпроводника при данной I`.
Нормальный переход сверхпроводящего кабеля. Параметр d
. Нормальный переход многожильного сверхпроводящего кабеля (СК) сопровождается быстрым перераспределением тока между жилами, обусловленным сильной индуктивной связью между ними. Таким образом нормальный переход СК происходит в существенно нестационарных условиях (I`¹0). Зарождение НЗ в одной из жил вследствие взаимодействия теплового возмущения приводит к вытеснению тока из нее в соседние жилы. В зависимости от величины начального тока в одной жиле Io, в СК могут возникать различные режимы перераспределения тока. При достаточно малом начальном токе Io перераспределение тока не приводит к нормальному переходу всего СК, а сверхпроводящее состояние восстанавливается. Если начальный ток Io превышает пороговое значение Imaxo, то перераспределение тока приводит к зарождению НЗ “в слабых областях”соседних жил и последующему нормальному переходу всего кабеля. Пороговый ток
Imaxo = Is d1/7
определяет границу области стабильности СК по отношению к тепловым возмущениям. Здесь Is - критический ток жилы, d - безразмерный параметр, зависящий от свойств СК и его длины:
d = L/Lind,
где Lind - характерная “индуктивная” длина СК, на которой индуктивное перераспределение тока между жилами СК перестает влиять на его стабильность по отношению к тепловым возмущениям.
Параметр Стекли a, характеризующий стационарную стабильность, устанавливает интервал метастабильности сверхпроводника по току, в котором возможно распространение НЗ, а также характерные величины ее скорости и энергии критических возмущений. Для описания особенностей нормального перехода сверхпроводника в нестационарных условиях (I`¹0, B`=0) требуется привлечение ряда дополнительных параметров, описаных выше.
Список литературы:
1. КиттельЧ. Введение в физику твердого тела. - М. Наука,1978
2. В. Е. Волков, Ю. Г. Ковалев, Н. П. Фокина, И Ю. Данилов - Сверхпроводимость,1994,т. 7 №5, с.876.
3. Бидман Т. А. , Волков В. Е. , Данилов И. Ю., Иванова Н. Б. , Овчинников С. Г.Б Чернов В. К. - В кн. Тез. докл. III Всесоюзн. конф. по высокотемпер. сверхпроводимости. - Киев, 1989, т III, с.43
4. Бидман Т. А. , Волков В. Е., Вершинина и др. - СФХТ, 1990, т.3. №1, с.73-74.
5. Долгополова М. В., Жарова Л. А. , Волков В. Е. - ЖНХ, 1991, т.36,с.2661.
6. Ishida T.,Mazaki H. - Appl.Phys.,1981, v. 52, N11, p.6798
7. Mazaki H.,Nakano M., Kanno R., Takeda Y. - Jap. J. Appl. Phes. Lett ., 1987, v. 26, №5, p.780.
8. Фуралева К. И., Прутченко С. Г., Политова Е. Д. - Сверхпроводимость,1995, т. 8, №5 - 6, с 702.
9. Бузиков Н. А., Пухов А. А., Рахманов А. Л. - Сверхпроводимость, 1994, т. 7, №5, с. 776
10. Vysotsky V. S., Krooshoop H. J. G., Mulder G. B. J. - Ibid., p. 743.
11. Бузников Н. А., Пухов А. А. - Сверхпроводимость, 1995, т. 8, № 5 - 6, с. 738
