RU2160485C2

RU2160485C2 - Method for contactless determination of pinning center effectiveness in superconductors

Info

Publication number: RU2160485C2
Application number: RU99105040/28A
Authority: RU
Inventors: В.Е. Милошенко; И.М. Голев; Н.А. Андреева
Original assignee: Воронежский государственный технический университет
Priority date: 1999-03-10
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 2000-12-10

Abstract

FIELD: measurement technology; measuring superconductor parameters. SUBSTANCE: method involves superconductor suspension between magnetic system poles, shaping of magnetic-flux spot within its volume, measurement of balanced force as function of superconductor displacement in space, and determination of minimal and critical pinning forces. EFFECT: improved measurement accuracy. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а точнее к способам измерения параметров сверхпроводящих материалов, в частности силы пиннинга. The invention relates to the field of measurement technology, and more specifically to methods for measuring parameters of superconducting materials, in particular, pinning forces.

Известно, что величину силы пиннинга сверхпроводника, обычно, рассчитывают из измеренных значений критического тока I_к, определяемого резистивным методом [1], заключающимся в том, что через сверхпроводник, находящийся в магнитном поле с индукцией B, пропускают возрастающий транспортный ток в направлении, перпендикулярном полю, и в момент появления падения напряжения на нем определяют I_к. Сила пиннинга равна [2]
F_р=I_кB (1)
Недостатком метода является то, что рассчитанное в этом случае значение силы пиннинга является минимальным, т.к. появление падения напряжения определяется началом движения слабо запиннингованных вихрей. Также недостатком является наличие омических контактов, когда из-за отличий в работе выхода контактирующих материалов возникает паразитная термо-э.д.с.It is known that the magnitude of the pinning force of a superconductor is usually calculated from the measured values of the critical current I _k determined by the resistive method [1], which consists in passing an increasing transport current in a direction perpendicular through a superconductor located in a magnetic field with induction B field, and at the time of the appearance of a voltage drop on it determine I _to . The power of pinning is [2]
F _p = I _to B (1)
The disadvantage of this method is that the value of the pinning force calculated in this case is minimal, because the appearance of a voltage drop is determined by the beginning of the motion of weakly pinned vortices. Another disadvantage is the presence of ohmic contacts, when due to differences in the work function of the contacting materials, parasitic thermo-emf occurs.

Изобретение направлено на создание метода, позволяющего определять эффективность центров пиннинга сверхпроводника в широких пределах и бесконтактно. The invention is aimed at creating a method that allows to determine the effectiveness of pinning centers of a superconductor in a wide range and non-contact.

Это достигается тем, что сверхпроводник вывешивают между полюсами магнитной системы, в его объеме формируют пятно магнитного потока, измеряют зависимость уравновешивающей силы от смещения сверхпроводника в пространстве и определяют минимальную и предельную силы пиннинга. This is achieved by the fact that the superconductor is hung between the poles of the magnetic system, a magnetic flux spot is formed in its volume, the dependence of the balancing force on the displacement of the superconductor in space is measured, and the minimum and ultimate pinning forces are determined.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показано расположение сверхпроводника в виде пластинки 1 относительно полюсов магнитной системы 2, создающей в его объеме пятно магнитного потока 3. На фиг.2 показаны результаты экспериментальной проверки предлагаемого способа - зависимость уравновешивающей силы F_д от смещения z пластины при T = 78 K, B_е= 0.025 Тл.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows the location of the superconductor in the form of a plate 1 relative to the poles of the magnetic system 2, creating a spot of magnetic flux 3 in its volume. Figure 2 shows the results of an experimental verification of the proposed method - the dependence of the balancing force F _d on the displacement z of the plate at T = 78 K, B _e = 0.025 T.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Сверхпроводящая пластинка 1 размещается между полюсами магнитной системы 2, поле которой величиной B_е>B_к1 создает в объеме тела пятно магнитного потока, которое существует в виде вихрей Абрикосова. Вся конструкция помещается в охлаждающую среду. При смещении пластины в продольном направлении под действием уравновешивающей силы F_д на каждый из вихрей, перемещающийся вместе со сверхпроводником в магнитном поле, будет действовать противодействующая сила. До тех пор пока сила F_д не превысит силу закрепления вихрей (сила пиннинга F_р), будет происходить упругое (обратимое) смещение вихрей (фиг.2, линейный участок АВ). Дальнейшее смещение в неизменном поле B_е приводит к возрастанию этой силы, и как только F_д > F_р, вихри будут срываться с центров закрепления, оставаясь неподвижными относительно магнитной системы, что характерно для участка BC на зависимости F_д(z). В начальный момент происходит срыв слабо закрепленных вихрей, т.е. F_д = F_д _min, и т.к. сила пиннинга вихрей в сверхпроводнике различна, то число открепленных вихрей будет увеличиваться по мере смещения пластины, что в конечном итоге приведет к срыву всех вихрей в пятне магнитного потока. На графике зависимость выходит на насыщение (участок CD) и в точке C-F_д= F_д _max.The essence of the proposed method is as follows. The superconducting plate 1 is placed between the poles of the magnetic system 2, the field of which with a value of B _e > B _k1 creates a spot of magnetic flux in the body volume, which exists in the form of Abrikosov vortices. The whole structure is placed in a cooling medium. When the plate is displaced in the longitudinal direction under the action of a balancing force F _d , an opposing force will act on each of the vortices moving together with the superconductor in a magnetic field. As long as the force F _d does not exceed the force of fastening of the vortices (pinning force F _p ), there will be an elastic (reversible) displacement of the vortices (Fig. 2, linear section AB). Further displacement in an unchanged field B _e leads to an increase in this force, and as soon as F _d > F _p , the vortices will break away from the centers of fixation, remaining motionless relative to the magnetic system, which is typical for the portion BC in the dependence F _d (z). At the initial moment, weakly fixed vortices are disrupted, i.e. F _d = F _d _min , and since Since the vortex pinning force in a superconductor is different, the number of detached vortices will increase as the plate moves, which will ultimately lead to the breakdown of all vortices in the spot of the magnetic flux. On the graph, the dependence reaches saturation (plot CD) and at the point CF _d = F _d _max .

Таким образом, значение F_д в точке B, характеризующее минимальное значение силы пиннинга сверхпроводника, связано с F_р соотношением
F_р _min = кF_д _min (2)
а значение F_д в точке C - предельное значение силы пиннинга сверхпроводника:
F_р _max = кF_д _max (3)
где к - коэффициент пропорциональности, равный 1/V_п, V_п - объем пятна магнитного потока.Thus, the value of F _d at point B, which characterizes the minimum value of the pinning force of a superconductor, is related to F _{p by the} ratio
F _p _min = kF _d _min (2)
and the value of F _d at point C is the limiting value of the pinning force of the superconductor:
F _p _max = kF _d _max (3)
where k is the proportionality coefficient equal to 1 / V _p , V _p is the volume of the magnetic flux spot.

Предлагаемый способ существенно расширяет возможности, так как позволяет определять как минимальное, так и максимальное значение силы пиннинга вихрей, что более полно характеризует сверхпроводник, из-за различий в дефектности структуры его объема по сравнению с токовым методом. Отсутствие же омических контактов повышает точность измеряемых величин. The proposed method significantly expands the possibilities, since it allows one to determine both the minimum and maximum values of the vortex pinning force, which more fully characterizes the superconductor, due to differences in the defectiveness of the structure of its volume in comparison with the current method. The absence of ohmic contacts increases the accuracy of the measured values.

Для проверки предлагаемого способа на установке, описанной в [3], проводились измерения эффективности центров пиннинга в сверхпроводнике Y₁Ba₂Cu₃O_7-δ, имеющем следующие параметры: начало и конец сверхпроводящего перехода соответственно 93 и 82К, плотность 5.2 г/см³. Измерения проводились на пластинке с размерами (20х5х1,5)мм³, в газообразном азоте при температуре 78 K.To verify the proposed method at the installation described in [3], we measured the efficiency of pinning centers in the superconductor Y ₁ Ba ₂ Cu ₃ O _7-δ , which has the following parameters: the beginning and end of the superconducting transition, respectively 93 and 82K, density 5.2 g / cm ³ . The measurements were carried out on a plate with dimensions (20x5x1.5) mm ³ , in gaseous nitrogen at a temperature of 78 K.

Из зависимости F_д(z) (см. фиг.2) по величине измеренной силы F_д, соответствующей точке B, находим минимальную силу пиннинга (формула 2), равную 1450 Н/м³, а значение предельной силы пиннинга, рассчитанное по формуле (3), для этого сверхпроводника составляет 4282 Н/м³.From the dependence F _d (z) (see Fig. 2) according to the measured force F _d corresponding to point B, we find the minimum pinning force (formula 2) equal to 1450 N / m ³ and the value of the limiting pinning force calculated by the formula (3), for this superconductor is 4282 N / m ³ .

Для сравнения измерений критического тока резистивным методом в аналогичной экспериментальной ситуации получены по формуле (1) значения силы пиннинга, которые оказались равными 1480 Н/м³, что сравнимо с наименьшим значением F_д, полученным предлагаемым методом, и естественно меньше предельного значения силы пиннинга сверхпроводника в 2.9 раза.To compare the critical current measurements by the resistive method in a similar experimental situation, the values of pinning force were obtained using formula (1), which turned out to be equal to 1480 N / m ³ , which is comparable to the lowest value F _d obtained by the proposed method and naturally less than the limiting value of the pinning force of the superconductor 2.9 times.

Источники информации
1. Волков П.В., Именитов А.Б. и др. Метрологические проблемы измерения токовых характеристик высокотемпературных сверхпроводников. СФХТ. - 1994, т. 7, N 3, с. 397-411.Sources of information
1. Volkov P.V., Imenitov A.B. et al. Metrological problems of measuring the current characteristics of high-temperature superconductors. SFHT. - 1994, v. 7, N 3, p. 397-411.

2. Кемпбелл А. , Иветс Дж. Критические токи в сверхпроводниках. - М.: Мир, 1975. - 332. 2. Campbell A., Ivets J. Critical currents in superconductors. - M.: Mir, 1975 .-- 332.

3. Голев И.М., Милошенко В.Е., Андреева Н.А. Установка для исследования динамики пятна магнитного потока в сверхпроводниках механическим методом. Приборы и техника физического эксперимента. - 1998, - N 5, - с. 161-163. 3. Golev I.M., Miloshenko V.E., Andreeva N.A. A setup for studying the dynamics of a magnetic flux spot in superconductors by a mechanical method. Instruments and equipment for a physical experiment. - 1998, - N 5, - p. 161-163.

Claims

A non-contact method for determining the efficiency of pinning centers in a superconductor in a magnetic field, characterized in that the superconductor is hung between the poles of the magnetic system, a magnetic flux spot is formed in its volume, the dependence of the balancing force on the displacement of the superconductor in space is measured, and the minimum and ultimate pinning forces are determined.