Особливості взаємодії магнітного поля з масивними плавлено-текстурованими матеріалами - Автореферат

З використанням таких пристроїв можна створити системи передачі, перерозподілу та зберігання енергії, що за своїми показниками будуть більш економічними та компактнішими ніж системи з використанням звичайних провідників. Для успішного застосування ВТНП у великомасштабних системах, окрім зясування особливостей взаємодії ВТНП з магнітним полем, вкрай необхідно вирішити ряд інших проблем. Виходячи з цього, важливо дослідити вплив та відгук таких систем на наявність слабкої змінної компоненти магнітного поля. Було б доцільно створити ряд моделей, які б описували магнітні процеси, що відбуваються у ВТНП при взаємодії з магнітним полем, та створити прості й надійні методи для дослідження цих процесів. Серед таких "безконтактних" неруйнівних вимірювальних методів слід відзначити насамперед ті, що створені з використанням різноманітних механічних систем магніт - ВТНП для дослідження процесів взаємодії ВТНП з магнітним полем.

Результати дисертації викладено у 5 статтях у наукових журналах та отримано 2 патенти України.

Структура та обєм дисертації. Дисертація складається з вступу, пяти розділів, висновків, та списку використаних літературних джерел з 134 назв. Роботу викладено на 130 сторінках, включаючи 46 рисунків та 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі до дисертації обґрунтована актуальність вибраного напрямку досліджень, обґрунтований вибір левітаційних методик для дослідження, сформульовано мету та задачі дисертації, новизну роботи, положення, які виносяться на захист, наукову та практичну цінність одержаних результатів.

У першому розділі, який носить характер огляду літератури за темою роботи, розглядаються властивості надпровідників в магнітному полі. У перших шести пунктах розглядаються загальні властивості надпровідників. У першому пункті обговорюється вихрова структура та властивості вихорів в масивних плавлено-текстурованих надпровідниках. Другий, третій та четвертий пункти присвячено властивостям вихорів при взаємодії з центрами пінінгу та моделям, що пояснюють властивості надпровідників у магнітного полі. У пятому і шостому розділі розглядаються крип магнітного потоку та плавлення вихрової решітки в надпровідниках. Сьомий пункт цього розділу присвячено властивостям масивних плавлено - текстурованих ВТНП, розглянуто аспекти технології їх отримання, особливості магнітних властивостей та практичного використання. У висновках виділено ряд не вирішених проблем, спираючись на які сформульовано головну мету роботи та задачі, що мають бути вирішені.

Другий розділ дисертації присвячено дослідженню взаємодії квазістатичного магнітного поля з масивними ПТ ВТНП матеріалами, яке проводилось методом вимірювання левітаційної сили. Перший пункт цього розділу присвячений викладенню деталей методу визначення левітаційної сили та його експериментальній реалізації. Також у цьому пункті проводиться критичний аналіз наближення ідеально жорсткого надпровідника, яке зазвичай використовується для тлумачення результатів вимірювань левітаційної сили. Проведений аналіз вказує на непридатність наближення ідеально жорсткого надпровідника для задовільного описання результатів вимірювання левітаційної сили, зокрема гістерезису левітаційної сили. Запропоновано шлях виходу за межі цього наближення. Головною ідеєю є врахування глибинного розподілу екрануючих струмів у надпровіднику. У другому пункті наведено відомості про досліджені зразки. Для дослідження було обрано YBA2Cu3O6 d плавлено-текстуровані ВТНП. У цьому ж розділі наведено данні про геометричні розміри зразків, максимальні значення левітаційної сили та тип обробки поверхні Також тут наведено результати мапування магнітного потоку зразків. Результати досліджень представлені у третьому пункті. На рис. 1а та рис. 1б зображені типові експериментальні залежності сили взаємодії масивного ПТ ВТНП з постійним магнітом для зразка, поверхня якого спочатку було відполірована до дзеркального блиску, потім слабо ошкурена дрібнозернистою шкуркою, та, з рештою, добре ошкурена. Результати наведено для, так званих, другої та третьої гістерезисних кривих.

Для вихідного зразка дані подано символами ?, для полірованого дані подано символами ?, для слабо ошкуреного дані подано символами , для добре ошкуреного дані подано символами . Штриховою лінією на рис. 1а та рис. 1б подано положення третьої та другої гістерезисних кривих відповідно. У цьому ж розділі, подано деталі моделі екрануючих струмів. Модель дозволяє при виконанні умов постійності густини критичного струму з глибиною та (r) << bar(r) ~ L, (1) де глибина проникнення струму у надпровідник, L - характерний розмір системи, bar -радіальна компонента магнітного поля на поверхні надпровідника, обчислити значення левітаційної сили для усієї гістерезисної кривої. Адекватність цих умов обговорюється тут же. Модель дозволяє отримати картину протікання струмів для різних протоколів руху постійного магніту (ПМ). У рамках запропонованої моделі можна обчислити сили, що діють на ПМ впродовж першого спуску F(z), першого та наступних підйомів F?(z, zmin) і другого та наступних спусків F?(z, zmin)

F(z) = Jc , (2)

F(z, zmin) =

, (3)

F?(z, zmin) =

, (4)

Обчислені за формулами (2)-(4) значення левітаційних сил знаходяться у гарній відповідності з експериментальними для усієї гістерезисної кривої (див. рис. 1a та рис. 1б). Наступний підпункт присвячено методу оцінки густини критичного струму та його просторової неоднорідності. Результати дослідження використано для створення способу оцінки розподілу густини струму з глибиною.

У третьому розділі викладено результати дослідження впливу неоднорідності площинного типу на властивості масивних ПТ ВТНП матеріалів, яке проводилось модифікованим методом визначення левітаційної сили. Перший пункт цього розділу присвячено методу дослідження. Метод базується на вимірюваннях локальної левітаційної сили. Для випадку, коли можливо визначити силу взаємодії постійного магніту з цілим (нерозрізаним) зразком ВТНП було створено, так звану, “трикрокову” процедуру, що графічно зображено на рис. 2. Метод реалізовувався наступним чином. Вимірювалось значення левітаційної сили спочатку для цілого (нерозрізаного зразка). Потім зразок розрізався та вимірювалось значення левітаційної сили над розрізаними частинами, зіставленими разом над місцем дотику, майбутнім місцем зєднання, на тій ж самій відстані між зразком та магнітом. Частини зєднуються, та вимірюється левітаційна сили на тій ж самій відстані над місцем зєднання. Зі значень левітаційної сили визначався так званий фактор якості q q = (5)

У другому пункті наведено відомості про досліджені зразки. Тут наведено відомості про геометричні розміри, критичну густину струму зразків. Подано відомості щодо розрізання та зпаювання зразків. Досліджувались YB2C3O6 d плавлено- текстуровані ВТНП. Схема розрізання вихідного зразка зображена на рис. 3. Для зварювання використовувався порошок Т123 для парних та з додатками 211(зеленої фази) для непарних. Зразки були оброблені при температурі близько 1250 К протягом 0.17 годин у повітрі або протягом 0.5 годин в атмосфері кисню. Також наведено результати мапування магнітного потоку досліджуваних зразків. В третьому пункті представлені результати дослідження, данні визначення фактора якості, виміряних в напрямках перпендикулярно та вздовж вісі с, фактору якості, визначеного з результатів мапування магнітного потоку, критичні густини струмів вихідного та зварених зразків. Також у цьому розділі для пояснення експериментальних результатів та тлумачення фактору якості у першому підпункті запропоновано модель перерозподілу струмів, викликаного наявністю неоднорідності площинного типу.

Головною ідеєю є врахування впливу неоднорідності площинного типу за допомогою додаткового струму, що тече по стінкам неоднорідності. На рис. 4 схематично зображено картину протікання струмів, тут І0 - екрануючий струм цілого зразка І1 - струм викликаний наявністю неоднорідності.

У рамках запропонованої моделі введений фактор якості знаходить просте тлумачення. Фактор якості дорівнює відношенню густини струму, що тече через зєднання Jjn до густини екрануючого струму Jc вихідного, нерозрізаного зразка. q= (6)

У другому підпункті проводиться аналіз отриманих результатів та порівняння з результатами, отриманими з мапування магнітного потоку. Встановлюються границі використання методу та моделі, та обговорюється можливість використання результатів дослідження для побудови експрес методу для тестування зєднання надпровідників та визначення густини критичного струму, що протікає через зєднання.

Четвертий розділ присвячено результатам дослідження впливу слабкого змінного магнітного поля на властивості ПТ ВТНП матеріалів. Перший пункт присвячено методу досліджень - методу високообертового ротора. Найбільш перспективним для дослідження виявилось використання вертикальної реалізації методу. Вона дозволяє значно збільшити масу ротора. Приклад такої конструкції зображено на рис. 5. Тут (1) це зразок, (2) це кільце з ВТНП за допомогою якого підвішувався ротор. Через (3) позначено магнітний ротор, який побудовано з постійних магнітів з вертикальними магнітними моментами та магніту для розкручування (4). У постійного магніту (4) магнітний момент спрямований перпендикулярно вісі ротора. Система розкручування та спостереження позначено через (5).

У наступному, другому, підпункті розглядаються параметри обертання ротора, розглядається взаємозвязок між ними. В третьому підпункті викладено адаптацію методу магнітного ротора для вивчення впливу слабкої змінної компоненти магнітного поля на властивості ПТ ВТНП. У другому пункті наведено інформацію про досліджувані зразки. Для дослідження було обрано YBA2Cu3O6 d плавлено- текстурованих ВТНП зразків у вигляді дисків, отриманих за однаковою технологією. В цьому розділі подано відомості про геометричні розміри, значення максимальної левітаційної сили та тип обробки поверхні. У третьому пункті представлено результати дослідження вивчення впливу слабкої змінної компоненти магнітного поля на властивості ПТ ВТНП.

На рис. 6а зображено типовий вигляд експериментальної залежності висоти левітації ротора від його частоти обертання для ротора з масою 11.5 г. Висота левітації ротора від частоти обертання при першому циклі вимірювання найбільша. В усіх подальших циклах збільшення-зменшення частоти обертання ротора криві залежності висоти левітації від частоти, в межах точності експерименту, співпадають між собою. На рис. 6б зображено типовий вигляд залежності різниць висот левітації ротора для першого збільшення-зменшення частоти обертання його обертання для різних типів обробки поверхні.

Отримані криві, у межах точності експерименту, знаходяться у гарній відповідності.

Для пояснення отриманих результатів, шляхом аналізу існуючих даних та моделювання впливу змінної компоненти на властивості зразка, було встановлено, що найбільш значним чинником є розігрівання приповерхневого шару зразка. При обертанні ротора, за рахунок наявності в системі змінної компоненти (див. рис. 7а) виникають гістерезні втрати енергії густина яких пропорційна площини петлі гістерезису (див. рис. 7б). Густина втрат енергії дається формулою: w(x) = Jc h0 х (7) де Jc -критична густина струму, h0 - амплітудне значення змінної компоненти магнітного поля, х -відстань від поверхні.

Вивчення розподілу температури Т всередині зразка приводить до задачі теплопровідності з джерелом виділення теплоти.

(8) з граничними умовами Т(x,0)=Т(l,t)=T0-початкова температура, та умови ¶Т/¶x=0, коли х=0 для будь-якого моменту часу. Тут через a2 - позначено коефіцієнт температуропроводності, другий член у правій частині рівняння дає потужність джерела виділення теплоти, f 2 =w(x)w /ctr, w - частота змінного магнітного поля, ст - теплоємність зразка, r - густина зразка, l - глибина проникнення змінної компоненти магнітного поля, де w -густина втрат енергії, дається виразом (10), l - глибина проникнення змінної компоненти магнітного поля, c(l-x) - функція Хевісайда.

Задача розвязується аналітично, розвязок дається виразом: T(x,t)=T0

, (9) де T0-початкова температура; f 2= Jch0w, Jc - критична густина струму, h0 амплітудне значення змінної компоненти магнітного поля, w - частота змінного магнітного поля, ст - теплоємність зразка, r - густина зразка, с- електродинамічна стала; d -товщина зразка, l= , n=0,1,...?, b2 =4PJC/ch0.

На рис. 8б зображено розподіл температури та градієнту температури в зразку в момент часу 103 с при частоті обертання ротора 1.6·103 Гц. Видно, що температура поблизу поверхні зразка перевищує температуру переходу у надпровідний стан, отже, частина зразка поблизу поверхні переходить в нормальний стан.

Перший підпункт третього пункту присвячено ефекту релаксації магнітного потоку під дією змінної складової магнітного поля. На рис. 8а зображений початковий розподіл магнітного потоку в зразку. Під впливом змінної компоненти відбувається розігрів приповерхневої області зразка і тонкий приповерхневий шар переходить в нормальний стан. На рис. 9а зображено розподіл магнітного поля для максимальної частоти обертання ротора, вертикальною штриховою лінією зображено границю розділу надпровідної та нормальної фаз.

У другому підпункті представлено ефект захоплення вихорів границею надпровідної фази що рухається. При зменшенні частоти обертання ротора зменшуватиметься кількість тепла, що виділяється поблизу поверхні надпровідника через гістерезні втрати завдяки наявності змінної компоненти магнітного поля. Фронт розділу між надпровідною та нормальною фазами почне зсуватися з глибини до поверхні зразка. Границя розділу нормальної та надпровідної фаз є ефективним центром пінінгу. Для спрощення розгляду покладемо відповідну силу пінінгу нескінченно великою. З врахуванням вищезазначеного, при русі розділу надпровідної та нормальної фаз з глиби до поверхні, магнітний потік виштовхуватиметься границею.

Магнітний потік буде виштовхуватись до тих пір, доки сила взаємодії опорного постійного магніту ротора та струмів, що екранують зоствшийся потік, не зрівняються з силою тяжіння, що діє на ротор. В свою чергу, потік, що зостався за границею перерозподілятиметься. Кінцевий вигляд розподілу магнітного поля зображено на рис. 9б. Тут товстою суцільною лінією зображено кінцевий розподіл магнітного поля, вертикальною тонкою штриховою лінією зображено початкове положення розділу нормальної та надпровідної фаз, штрих пунктирною лінією зображено самий початковий (див рис. 8а) розподіл магнітного поля. На вставці зображений розподіл критичних струмів, що відповідає кінцевому розподілу магнітного поля. Різниця магнітних потоків між початковим (рис. 8а) та кінцевим (рис. 9б) станами дається заштрихованою площею на рис. 9б, вона відображає те, що ротор підніметься не до початкового положення, що і спостерігалося експериментально. Магнітний потік буде виштовхуватись до тих пір доки сила взаємодії опорного постійного магніту ротора та струмів, що екранують зоставшийся потік, не зрівняються з силою тяжіння, що діє на ротор.

У пятому розділі приведені перспективи практичного застосування плавлено-текстурованих ВТНП матеріалів. Спираючись на проведені дослідження, нами було створено низку унікальних пристроїв та механізмів, що використовують надпровідникову левітацію, таких як прилад для визначення густини критичного струму в масивних плавлено - текстурованих ВТНП, прилад для визначення розподілу густини критичного струму поблизу поверхні ВТНП, прилад для визначення якості надпровідного зєднання двох ВТНП. Ретельне вивчення сили взаємодії ВТНП з магнітним полем дало можливість створити методи визначення критичної густини струму у ВТНП, зокрема метод, що дає змогу визначати критичну густину струму у надпровідних швах.

Використання створених приладів і розроблених методик та набутий досвід дозволили створити безконтактні ВТНП- підшипники з самоцентруванням та притаманним демпферуванням нутаційних коливань та паразитних вібрацій.

ВИСНОВКИ

Дисертація присвячена вивченню особливостей взаємодії магнітного поля з масивними плавлено-текстурованими YBA2Cu3O6 ? матеріалами левітаційними методами. У роботи модифікованим методом визначення левітаційної сили вивчено квазістатичне проникнення магнітного поля та вплив площинних дефектів на властивості ПТ ВТНП матеріалів. Методом високообертового ротора було вивчено релаксацію магнітного потоку під дією слабкої змінної компоненти та захоплення магнітного поля границею надпровідної фази. Отримані результати можуть бути безпосередньо використані на практиці для визначення густин критичних струмів, намагніченості та левітаційної сили, зокрема було створено та отримано патенти на способи визначення густини критичного струму. Основна сутність та новизна роботи полягають у наступних головних результатах та висновках: Встановлено, що механізм квазістатичного проникнення магнітного поля у плавлено-текстуровані квазімонокристалічні ВТНП, який визначає величину левітаційної сили та її гістерезу в системі ПМ-ВТНП, не залежить від магнітної передісторії та стану поверхні ВТНП- зразків, а визначається обємним перерозподілом абрикосівських вихорів у відповідності до моделі критичного стану.

Встановлено, що вплив макроскопічних неоднорідностей типу внутрішніх площин з варіацією надпровідних властивостей щодо перерозподілу екранувального струму, добре описується моделлю, де цей струм розглядається як суперпозиція позитивного струму, що екранує однорідний зразок, та негативного струму, що тече крізь дану площину та вздовж її стінок, та є пропорційним зменшенню густини критичного струму у даній площині.

Наявність слабкого змінного магнітного поля призводить до розігріву приповерхневого шару зразка, градієнт температури є суттєвим фактором що впливає на перерозподіл магнітного потоку та, відповідно, на величини середньої намагніченості чи левітаційної сили.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Плющай О.І., Немошкаленко В.В., Кордюк O.A., Прихна Т.А. Метод визначення якості надпроводячого зєднання масивних квазімонокристалічних ВТНП//Металофиз. новейшие технол. - 2001 - № 6, - С. 767-775.

2. Prikhna T., Gawalek W., Moshchil V., Surzhenko A., Kordyuk A., Litzkendorf D., Dub S., Melnikov V., Plyushchay A., Sergienko N., Koval A., Bokoch S., Habisreuther T. Superconducting joining of melt-textured Y-Ba-Cu-O bulk material //Physica С. - 2001. - v. 354. - P. 333-337

3. Kordyuk A.A., Nemoshkalenko V.V., Plyushchay A.I., Viznichenko R.V., Magnetic flux dynamics in HTS bulks with levitation techniques//Usp. Fiz Met. - 2002. - Vol. 2. - P. 357-386.

4. Kordyuk A.A., Nemoshkalenko V.V., Plyushchay A.I., Prikhna T.A., Gawalek W. Simple technique for quality estimation of superconducting joints in bulck melt-processed high temperature superconductors// Supercond. Sci. Technol. - 2001 - v14 - L41-L43.

5. Kordyuk A.A., Nemoshkalenko V.V., Plyushchay A.I., Viznichenko R.V., Vortex dynamics in bulk HTS with levitation techniques. // Physics and Materials Science of Vortex State, Flux Pinning and Dynamics, NATO Science Series E: Applied Sciences (Ed. R. Kossowsky et al.) - Dordrecht (The Netherlands): Kluwer Academic Publ., - 1999. - v.356. - P. 583-597.

6. Пат. 37848 A Україна, МКИ G01R33/035 Спосіб визначення критичної густини струму у надпровідниках: Пат. 37848 A Україна, МКИ G01R33/035.. Немошкаленко В.В., Кордюк О.А., Плющай О.І., Візніченко Р.В. - № 2000042336; Заявлено 24.04.2000; Опубл. 15.05.2001. Бюл.№ 4. -4с.ил.

7. Пат. 47032 A Україна, МКИ G01R33/035 Спосіб визначення критичної густини струму у надпровідниках: Пат. 47032 A Україна, МКИ G01R33/035. Немошкаленко В.В., Кордюк О.А., Плющай О.І. - № 2001064331; Заявлено 21.06.2001; Опубл. 17.06.2002. Бюл.№ 7. 2с.