БЕСКОНТАКТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ КРИТИЧЕСКОГО ТОКА ЛЕНТЫ ИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА ОТ ВЕЛИЧИНЫ И ОРИЕНТАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Прогресс в области получения сверхпроводящих проводов второго поколения (ВТСП-лент) с высокими значениями критического тока при температуре жидкого азота позволяет перейти к созданию магнитных систем различного назначения [1]. В таких магнитных системах токонесущая ВТСП-лента в разных областях намотки будет находиться под действием магнитного поля разной величины и ориентации относительно плоскости ленты. Поэтому при проектировании и создании магнитных систем ВТСП требуется учитывать зависимость критического тока ВТСП-ленты от величины и ориентации магнитного поля [2].

Измерение зависимостей критического тока от величины и ориентации магнитного поля Jс(H) обычно производится 4-зондовым резистивным методом. Из-за большой величины критических токов ВТСП-лент использование этого метода требует создания надежных электрических контактов, использования мощного источника тока и защиты сверхпроводника от деградации при резком переходе в нормальное состояние. Избежать сложностей, связанных с резистивным методом, позволяют бесконтактные методы измерения Jc, основанные на особенностях магнитных свойств сверхпроводящего состояния. Производители ВТСП-лент для контроля величины и однородности Jc ленты используют бесконтактный метод, при котором к участку ленты прикладывается магнитное поле небольшой величины (~ 1 кЭ), в ленте возникают экранирующие токи, и распределение поля этих токов измеряется массивом датчиков Холла. Измеренное распределение поля пересчитывается с использованием модели критического состояния в величину критического тока ленты. Данный метод позволяет определять однородность критического тока по длине ленты и реализован, например, в установке Tapestar компании Theva. Этот метод удобен для производителей ленты, так как позволяет получать данные об однородности критического тока по всей длине ленты, но является достаточно сложным и требует дорогого оборудования. При использовании ВТСП лент для создания магнитных систем желательно проводить входной контроль параметров лент более простым методом. Использование резистивного метода, как уже упоминалось выше, имеет свои ограничения. Удобным бесконтактным способом измерения Jc является метод, основанный на захвате магнитного потока в сверхпроводящих кольцах [3].

ЭКСПЕРИМЕНТ

Для создания кольца из ВТСП-ленты можно использовать следующий способ: по середине ширины ленты делается продольный разрез, не доходящий до краев отрезка ленты, в полученный разрез вставляется диэлектрическое кольцо — фиксатор.

И таким образом получается сплошное сверхпроводящее кольцо, образованное лентой шириной в половину ширины исходной ленты [4]. Полученные таким образом ВТСП-кольца широко используются в экспериментальной практике для создания магнитных систем захваченного потока [5], магнитных подшипников [6] и для измерения величины и темпа релаксации критического тока [7].

Для измерения критического тока через площадь сверхпроводящего кольца создается магнитный поток, при этом в кольце возбуждается экранирующий ток, величина которого ограничена критическим током ленты. Магнитное поле в центре кольца, созданное как внешним источником, так и током кольца, измеряется датчиком Холла, и можно определить предельную величину магнитного поля, после которого вклад поля тока кольца остается постоянным, что соответствует J c ВТСП-ленты. Максимальное поле тока кольца позволяет вычислить J c кольца, пользуясь простой формулой поля в центре витка с током. Критический ток ВТСП-ленты можно также определить по максимальному захваченному потоку в кольце после выключения внешнего поля. Магнитный поток внутри кольца может быть создан как внешним соленоидом, так и соленоидом, введенным в полость кольца. Второй метод является более предпочтительным, т.к. позволяет определить критический ток в нулевом поле [8].

В ВТСП-лентах критический ток уменьшается при приложении внешнего магнитного поля, и если к участку кольца приложить локально магнитное поле, то критический ток кольца будет определяться именно пониженным значением критического тока этого участка. Исходя из этого, нами была предложена конструкция устройства для измерения зависимостей критического тока от величины и ориентации магнитного поля, в котором магнитное поле прикладывается локально с помощью системы постоянных магнитов (см. рис. 1 и Приложение, рис. П). Сильные постоянные магниты из сплава NdFeB были закреплены на держателе, позволяющем плавно сближать магниты до расстояния, равного ширине ленты, при этом приложенное поле меняется от нуля до 1.5 кЭ. Дополнительно в предложенном устройстве имеется возможность плавного изменения ориентации приложенного поля от направления, перпендикулярного плоскости ленты, до параллельной плоскости с шагом 4.5°. Стоит отметить, что стержни управления величиной и ориентацией локального магнитного поля выведены из криогенной области, что позволяет менять эти параметры, не прерывая эксперимент. В полость кольца введен соленоид для создания магнитного потока, а в центре кольца размещен датчик Холла, измеряющий нормальную к плоскости кольца компоненту магнитного поля H .

а

в

Рис. 1. Устройство для бесконтактных измерений зависимостей критического тока ВТСП-ленты от величины и ориентации магнитного поля.

Приведены три составных части устройства.

а — соленоид (1) с ВТСП-лентой (2) и датчиком Холла в центре соленоида (может использоваться отдельно для определения J _c( H = 0)).

Дополнительные элементы: б — механизм изменения ориентации (3) ленты относительно поля постоянных магнитов (4), расположенных на механизме изменения локального поля (5) — в

б

Центральная часть устройства (см. рис 1, а) была использована в предварительных экспериментах для измерения критического тока ВТСП-ленты SuperOx (Москва) шириной 4 мм, и было получено хорошее соответствие измеренного критического тока при Т = 77 К и H = 0 с величиной, заявленной производителем [9].

Измерения проводились при температуре жидкого азота 77 К. Процедура измерения состояла в следующем: предварительной градуировке соленоида (измерение H в центре соленоида от тока соленоида) и последующем измерении поля H в центре соленоида при наличии ВТСП-кольца. Разность этих двух величин соответствует полю, созданному током кольца. Поскольку поле H _sol в центре соленоида много больше, чем поле кольца H r , то разность ( H sol + H r ) – H sol определяется с невысокой точностью. С большей точностью значение критического тока кольца может быть получено при измерении поля, созданного замороженным в кольце током после уменьшения приложенного H sol до нуля. В этом случае датчик Холла измеряет только поле тока кольца, которое можно вычислить по формуле магнитного поля в центре кругового витка с током H = J / 2 R .

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

На рис. 2, a, для примера представлена полная петля зависимости J / J c ( H sol ) полученного таким образом тока кольца (приведенного к максимальному значению) от величины предварительно приложенного поля соленоида в нулевом внешнем магнитном поле. Отметим, что замороженный в кольце ток начинает отклоняться от нуля при значении H _sol ~ 250 Э, а выходит на насыщение при вдвое большем значении H sol ~ 500 Э, что и следует ожидать при рассмотрении процесса захвата потока в кольце [8]. На рис. 2, б, приведен начальный участок аналогичной зависимости, полученной при значении локального поля H loc = = 1200 Э, направленного нормально плоскости ленты. Видно, что в этом случае захват потока (достижение J c ) начинается при меньшем значении H sol ~ 200 Э и выходит на насыщение при H sol ~ 400 Э, что свидетельствует об уменьшении J c ленты при увеличении магнитного поля.

С использованием созданного устройства были проведены измерения анизотропии J c ВТСП-ленты в интервале углов от –90° до 90° с шагом 5° для ряда локально приложенных магнитных полей с максимальным значением H _loc = 1500 Э.

Рис. 2 . Зависимости токов кольца из ВТСП-ленты, создающих захваченный поток в кольце после уменьшения магнитного поля соленоида от величины H sol до нуля.

Зависимости нормированы на максимальное значение тока кольца, которое принимается за критический ток J _c.

а — полная петля J/J _c ( H _sol) в нулевом внешнем магнитном поле; б — начальный участок зависимости J/J _c ( H _sol) при наличии локального магнитного поля H loc = 1200 Э, приложенного под углом 90° к поверхности ленты

Рис. 3. Зависимость критического тока ленты, нормированного на максимальный критический ток, от угла приложения локального магнитного поля H loc = 1000 Э.

Нулевой угол соответствует ориентации магнитного поля параллельно плоскости ленты

локального магнитного поля для колец из ВТСП-ленты фирмы SuperOx. На зависимости намагниченности от магнитного поля соленоида при нулевом внешнем магнитном поле видно, что замороженный в кольце ток начинает отклоняться от нуля при значении H sol ~ 250 Э, а выходит на насыщение при вдвое большем значении H sol ~ 500 Э. Двукратное отношение поля насыщения к полю начала роста тока сохраняется и при приложении локального магнитного поля.

Были получены зависимости анизотропии критического тока для данной ленты. Зависимости демонстрируют существенную асимметрию относительно параллельного ( α = 0°) магнитного поля и смещение пика критического тока на 20°.

Полученный массив данных показывает эффективность модификации метода определения критического тока по захвату в сверхпроводящем кольце магнитного потока. Показано, что предложенный метод может быть использован для измерения и контроля характеристик ВТСП-лент при проектировании и создании магнитных систем с их использованием.

На рис. 3 для примера приведена одна из экспериментальных зависимостей J c / J cmax ( α ), полученная при H loc = 1000 Э и T = 77 К. Обращает на себя внимание ряд особенностей этой зависимости: во-первых, немонотонная зависимость J c / J cmax ( α ), во-вторых, смещение пика J c на 20° от направления, параллельного плоскости ленты, в-третьих, асимметрия зависимости J c / J cmax ( α ) относительно α = 0°. В работе [10] сообщалось об измерениях анизотропии критического тока ленты того же состава и так же указывалось на резкое уменьшение критического тока при отклонении от α = 0° и на асимметрию зависимости J c ( α ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложена модификация метода определения критического тока по захваченному в кольце магнитному потоку. Модифицированный метод позволяет измерять зависимость критического тока от величины и ориентации магнитного поля, используя пару постоянных магнитов, создающих локальное магнитное поле на участке ВТСП-ленты. Было реализовано устройство, в основе которого лежит данный метод, и получены зависимости намагниченности от магнитного потока соленоида и критического тока от угла приложения

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. П. Устройство (в сборе) для бесконтактных измерений зависимостей критического тока ВТСП-ленты от величины и ориентации магнитного поля

Авторы благодарят фирму SuperOx (Москва) за предоставление образцов ВТСП-лент.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 23-29-00390, .