Проникнення магнітного поля в металооксидні сполучення та ніобієві сплави: роль магнітної передісторії

З'ясовано роль позитивної похідної dJ_c/dН у процесі стрибків магнітного потоку. Через наявність пік-ефекту крива намагніченості має екстремуми у першому, другому, а також у третьому квадрантах. У процесі зменшення температури діапазон магнітного поля, у якому мають місце стрибки потоку, стає поступово ширше, і при 2.5К він входить в область пік-ефекту. У той же час, у першому квадранті (без якої б то не було магнітної передісторії) з лівої сторони мінімуму M(H), де похідна dJ_c/dН позитивна, стрибки потоку не спостерігаються. Нестабільність з'являється тільки із правої сторони цього мінімуму. У цьому випадку безперервна послі-довність наступних стрибків потоку порушується забороненою зоною, де критичний струм збільшується зі збільшенням магнітного поля. Подібне явище можна також спостерігати й у третьому квадранті. Природа цих заборонених зон пояснена на основі аналізу ланцюжка процесів, представ-лених на схемі (8), доповненого явищем росту критичного струму, що виникає під час входження додаткового потоку в зразок у результаті збільшення температури . Процес зростання критичного струму послабляє вплив початкового теплового збурювання, що ініціює нестабільність у міру співвідношення величин похідних (dJ_c/dН)/(dJ_c/dТ). Можна бачити, що стабільний критичний стан має місце в діапазоні магнітних полів, де або , як було зазначено вище. Ці нерівності визначають заборонені зони полів для розвитку нестійкості. Наявність заборонених областей для стрибків потоку спричиняє появу островів нестійкості на діаграмі. Представлена H-T область нестабільності критичного стану: a) наш експеримент, виконаний на ніобієвій пластині; b) розрахунок; c) експеримент на зв'язці дротиків з Nb. Між діаграмами видно добре якісне співпадання. Представлені області нестійкості для бориду магнію.

У п'ятому розділі вивчаються явища пов'язані із проникненням потоку в різні матеріали. Зокрема досліджені:

- особливості динаміки магнітного потоку при термомагнітних нестійкостях в Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊;

- термомагнітні нестійкості в полікристалічному бориді магнію;

- гігантські стрибки магнітострикції в NbTi сплаві;

- гігантська магнітострикція і стрибки потоку в полікристалічній пластині Nb₃Al.

Динаміка стрибків потоку в Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ вивчалася за результатами вимірювань поверхневої індукції з використанням мініатюрного датчика Холла. Поверхнева індукція реєструвалася як функція зовнішнього магнітного поля і як функція часу, за допомогою самописа швидкопротікаючих процесів. Стрибки потоку проявляються як стрибки поверхневої індукції. Часова залежність B_surf(t), яка була спостережена в процесі стрибків потоку. Структура кожного стрибка є складною, і стрибок містить, принаймні, два процеси з різними часовими масштабами. Початкова частина стрибка триває приблизно 20сек. Далі стрибок продовжується іншим процесом, тривалість якого становить приблизно 0.1мсек у випадку стрибка J₁ і приблизно 5мсек у випадку J₂. Цей другий процес дуже різко виражений у випадку стрибка J₂ і слабко помітний у випадку J₁. У процесі кожного стрибка B_surf(t) змінюється немонотонно. Можна також відзначити невелике зниження B_surf безпосередньо перед стрибком J₃. До обговорення цього явища ми повернемося в наступному розділі. Припускається, що спостережувані процеси пов'язані з дифузією магнітного потоку в зразок. Два спостережуваних процеси можна характеризувати двома коефіцієнтами дифузії D і D. Ці два коефіцієнти розраховані з використанням характерних часових констант і і розмірів зразка, де і . - характерні часи першої й другої стадії розвитку нестійкості.

При проведенні аналізу термомагнітної нестійкості першорядну роль грає питання про те, у яких умовах розвивається це явище. Для з'ясування того, чи відбувається процес в адіабатичних умовах, необхідно оцінити коефіцієнти термічної і магнітної дифузії в досліджуваному матеріалі. Ці коефіцієнти були оцінені на основі наявних у літературі даних по теплопровідності, питомій теплоємності й питомому опору Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊. Проведені оцінки показують, що коефіцієнт термічної дифузії D_t D, але коефіцієнт D має той же порядок величини, що й коефіцієнт магнітної дифузії D_m. У випадку другого процесу отримане значення D має той же порядок, що й D_t. Таким чином, базуючись на отриманих експериментальних результатах, можна сказати, що основна частина кожного стрибка потоку у текстурованому зразку Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ розвивається в локальних адіабатичних умовах. На другому етапі розвитку нестійкості відбувається термічна релаксація властивостей матеріалу.

Аналогічні вимірювання і розрахунок коефіцієнтів дифузії були проведені для полікристалічного MgВ₂. Отримані оцінки показують, що термомагнітні нестійкості в бориді магнію розвиваються в локальних адіабатичних умовах. Стрибки потоку в розглянутому матеріалі розвиваються в температурному інтервалі нижче 10К. Як і в попередньому випадку, стрибок потоку можна розділити на два етапи. Визначено середню тривалість кожного етапу, як функцію температури. Із зростанням температури спостерігається зростання характерних часів, що пояснюється зменшенням щільності критичного струму при зростанні температури. В отриманих петлях гістерезису явно проявляється роль магнітної передісторії, детально досліджена в четвертому розділі. Запропоновано модель, що пояснює спостережувану слабку залежність величини поля першого повного стрибка від температури. Побудовано повні H-T діаграми області нестійкості бориду магнію. Показано, що при аналізі стійкості критичного стану досліджуваних матеріалів повинна враховуватися залежність питомої теплоємності від магнітного поля.

Далі в розділі досліджені магнітострикція і роль нестійкості критичного стану в ніобієвих сплавах NbTi і Nb₃Al. Гігантські стрибки магнітострикції в матеріалах, що відносяться до низькотемпературних жорстких надпровідників, виявлені вперше. Це явище виникає, якщо надпровідний зразок є досить великим, і, до того ж, характеризується високою щільністю критичного струму.

В експериментах за допомогою тензодатчиків вимірювалася відносна зміна розмірів зразка в зовнішньому магнітному полі. Результати вимірів поздовжньої й поперечної магнітострикції Nb₃Al. Гігантські стрибки розмірів индукуються стрибками магнітного потоку через механізм пінінгу (формула (6)). Вимірювання поверхневої намагніченості були використані для побудови кривої магнітострикції. Цей метод побудови кривої може бути використаний, зокрема, у випадку великих зразків, магнітні властивості яких не можуть бути вивчені іншими експериментальними методами.

За результатами вимірювання намагніченості була розрахована залежність щільності критичного струму від магнітного поля для різних температур. При проведенні оцінки припускалося, відповідно до квазибіновської апроксимації, що щільність критичного струму пропорційна вертикальній ширині петлі гістерезису намагніченості. Однак, на відміну від вихідної Біновскої моделі, вважається, що щільність критичного струму J_c є функцією зовнішнього магнітного поля.

Результати розрахунку. У зв'язку зі складністю процедури визначення щільності критичного струму в області, де спостерігаються стрибки потоку, розрахунок проведений для області полів більше ніж 4Т, у якій стрибки магнітострикції відсутні. Порівняння демонструє добру згоду між результатами експерименту і даними чисельного розрахунку.

Шостий розділ присвячений вивченню структур магнітних лавин, що виникають у матеріалах різних структур і складів, що відносяться як до низькотемпературних, так і високотемпературних надпровідників. Результати отримані на Nb, NbTi і текстурованому YBaCuО.

Дослідження сигналів, записаних з вимірювальної котушки, що дають інтегральну характеристику процесів, по всьому перерізу зразка, показало, що під час розвитку термомагнітної нестійкості магнітний потік входить у зразок досить складним випадковим образом. Потік може входити як у вигляді дискретних лавин, так і у вигляді майже безперервного каскаду стрибків. Обидва типи нестійкостей спостеріг-гаються як при вході потоку, так при його виході.

Як свідчать експериментальні результати, лавини закінчуються осциляційними процесами. Цей коливальний процес містить деяку суперпозицію коливань із різними частотами. Оцінка основної частоти коливань для Nb дає значення 4.1кГц. Проведений аналіз частотного спектра коливань дає основну частоту 3.7кГц, близьку до оціночної. Крім основної частоти, у спектрі присутні коливання з меншими амплітудами з наступними частотами: 976Гц, 1370Гц, 6250Гц, і 7620Гц. Дані значення частот отримані на основі Фур'є-аналізу записаних сигналів.

Структура стрибка потоку істотно відрізняється від простої сходинки. Деякі принципові відмінності ясно видні. Розвиток термомагнітної нестабільності може бути розділений на три стадії.

Стрибку потоку передує деяке зниження поля в зразку. Це перша стадія процесу. Амплітуда негативного піка магнітної індукції в експерименті з Nb становила близько 16% від повної амплітуди стрибка потоку. Енергетично це вже значна величина, що дозволяє говорити про деякий динамічний потенційний бар'єр, що перешкоджає зміні потоку. Друга стадія фактично є лавиноподібне проникнення потоку. На останній стадії відбувається релаксація термічних і провідних властивостей надпровідника. У більшості випадків цей процес є немонотонним. Після проникнення лавини в зразок індукція В_surf(t) у центрі зразка перевищує зовнішнє магнітне поле на величину B_comp. Далі, наприкінці релаксаційної кривої, спостерігалися загасаючі коливання. Для пояснення спостережуваних коливальних явищ був запропонований наступний механізм. Перед стрибком потоку, змішаний стан надпровідника має неоднорідний розподіл магнітної індукції, локалізованої на поверхні. У результаті лавини потік направляється у центр зразка. Два зустрічних фронти потоку, зіштовхуються в центрі зразка, і, завдяки масивності вихрів (їх інертності), створюють локальну щільність магнітного потоку, що перевищує індукцію зовнішнього магнітного поля на величину порядку 4-5%. Сили відштовхування у вихровій структурі у центрі зразка, обумовлені її стисканням, породжують зворотну хвилю щільності (гідродинамічна аналогія), що, досягаючи поверхні зразка, відбивається від неї. У результаті виникають коливання у вихровій структурі. Обмежена кількість спостережуваних осциляцій обумовлена сильним загасанням, що унеможливлює існування коливального процесу у вихровій структурі у звичайних умовах, тобто без гігантських стрибків потоку. Нам вдалося спостерігати цей процес тільки завдяки сильному стисканню вихрової структури в результаті гігантської лавини потоку. Залежність магнітної індукції від часу на останньому етапі була змодельована наступним аналітичним виразом:

, (14)

де другий член описує гладку частину зменшення поля на поверхні надпровідника, третій доданок описує загасаючі коливання. Величина постійної k характеризує посилення властивостей, що екранують, у результаті охолодження надпровідника. Третій член описує загасаючий коливальний процес ( - коефіцієнт загасання) із частотою і початковою амплітудою А₀. Результати розрахунку й значення відповідних параметрів. Видно добрий як якісний, так і кількісний збіг результатів розрахунку й експерименту.

Виконаний нами аналіз руху фронту магнітного потоку з магнітооптичних досліджень, наявних у літературі, виявляє на фоні його поступального переміщення, коливальні процеси в діапазоні декількох кГц.

Зниження індукції магнітного поля на поверхні зразка перед стрибком потоку, тобто збільшення його екрануючих властивостей, може бути пояснене на основі загального термодинамічного принципу Ле Шателье-Брауна.

Аналіз структури стрибків, отриманих в експерименті, дозволив оцінити питому ефективну масу вихра. Було запропоновано три моделі для оцінки цієї величини: на основі теореми про зміну кінетичної енергії, поширення коливань у пружному середовищі і розгляду руху вихра з урахуванням балансу енергії. Всі моделі дають близькі за величиною результати й дозволяють зробити висновок про те, що структурним елементом коливальної системи в цьому випадку є не окремі вихрі, а зв'язки вихрів, які пінінгуються на центрах пінінгу. Цей висновок підтверджує й розрахований спектр коливань одиночного вихру, з урахуванням всіх сил, на нього діючих. Для обґрунтування використання лінійного наближення для сили в'язкості, на основі даних по структурі стрибків потоку і магнітооптичного дослідження лавин, розрахована швидкість руху вихрів. Отримані значення швидкості (V<10м/с) узгоджуються зі значенням швидкості вихрів, отриманим з використанням інших експериментальних методик і показують застосовність прийнятого наближення для сили в'язкості.

Вивчено вплив геометрії зразка на динаміку входження магнітного потоку на основі порівняльного аналізу результатів для диска й циліндра. Показано, що зі збільшенням висоти зразка: а) область, у якій виникають стрибки потоку, стає ширше; б) збільшується величина магнітного потоку, що входить у зразок у процесі послідовних стрибків потоку; в) збільшується тривалість стрибків потоку; г) процес перерозподілу магнітного потоку стає більше тривалим. Ці експериментальні результати пояснені на основі запропонованої моделі, що зв'язує величину потоку, що ввійшов у зразок, з його геометрією.

Вивчено динаміку магнітного поля розсіювання навколо досліджуваного зразка. Порівняння динаміки поля розсіювання з динамікою магнітного потоку в об'ємі надпровідника показує, що процес стрибка потоку може бути розділений на дві стадії: 1 - стадія входження магнітного потоку в об'єм надпровідника; 2 - стадія перерозподілу магнітного поля в об'ємі надпровідника.

У сьомому розділі вивчено вплив польової залежності теплоємності на стійкість критичного стану надпровідних матеріалів.

На основі спільного дослідження на стійкість рівнянь Максвелла і теплопровідності в адіабатичному наближенні визначені умови стійкості критичного стану жорсткого надпровідника другого роду з урахуванням польової залежності теплоємності. Для поля першого стрибка, у припущенні ступеневої залежності теплоємності від магнітного поля:

, (15)

отримано наступний вираз:

, (16)

Де

, (17)

поле першого стрибка у разі неврахування польової залежності теплоємності.

Припускаючи, що кожний зі стрибків приводить до однорідного розподілу магнітного поля в зразку, були визначені поля наступних стрибків:

, (18)

. (19)

У якості можна взяти поле першого стрибка. Графічно побудовані для сплаву Nb-Ti температурні залежності магнітних полів послідовних лавин магнітного потоку й виділена величина внеску, пов'язаного зі зміною теплоємності в сильному магнітному полі.

Установлено, що нестійкість у надпровіднику наступає в більш сильних магнітних полях при урахуванні польової залежності теплоємності матеріалу. Показано, що для стрибків з більшим номером внесок магнітного поля в стійкість стає більш істотним.

У моделі Кіма-Андерсона розраховані петлі намагніченості й магнітострикції з урахуванням отриманого критерію нестабільності стосовно виникнення стрибків потоку і температурної та польової залежностей теплоємності в YBaCuО. Визначено область на Н-Т діаграмі, де виникають стрибки потоку. Показано, що урахування зазначених залежностей теплоємності відіграє стабілізуючу роль у критичному стані досліджуваного матеріалу. Стабілізуюча роль польової залежності теплоємності спостерігається у всіх квадрантах площини магнітне поле - температура. Наприклад, спостерігається збільшення магнітного поля, у якому відбувається перший стрибок потоку, й зменшення числа стрибків, тобто звуження області магнітного поля, де спостерігаються термомагнітні нестабільності в першому квадранті при урахуванні польової залежності питомої теплоємності YBaCuО. Найбільший ефект, обумовлений зміною магнітних властивостей, спостерігається в другому квадранті й найменший у третьому, що перебуває в повній відповідності з результатами, наведеними в розділі 4.

З огляду на важливість ролі теплоємності в стабілізації критичного стану матеріалу, докладно досліджено теплові властивості Nb₃Al у магнітному полі. На основі аналізу експериментальних результатів по вивченню температурної й польової залежностей теплоємності Nb₃Al визначені різні параметри досліджуваного матеріалу у припущенні, що польова залежність електронного внеску в теплоємність у надпровідному стані має ступеневий вигляд. Вимірювання проведені для температур як нижче, так і вище критичної температури. В області температур вище критичної експериментальна крива досить добре апроксимується кубічною залежністю від температури, що підтверджує припущення про те, що основний внесок у теплоємність зразка в цій області має фононну природу. Підтверджено, що залежність другого критичного поля від температури в сполученні Nb3Al має лінійний характер. Дані, отримані за результатами експерименту, представлені в таблиці 1.

Таблиця 1

ВИСНОВКИ

При виконанні дисертаційної роботи вирішено фундаментальну задачу вивчення стійкості критичного стану, що включає явище термомагнітної нестійкості і супроводжуючих його релаксаційних процесів з урахуванням магнітної передісторії металооксидів і ніобієвих сплавів. Досліджені фізичні процеси є відгуком матеріалів на змінне зовнішнє магнітне поле і температуру.

Такі матеріали широко використовуються для одержання магнітних полів високої напруженості, а також при створенні приладів як для наукових досліджень, так і для практичного застосування в різних технічних галузях (енергетика, прискорювачі елементарних часток і ін.). Термомагнітні нестабільності є стримуючим чинником у широкому використанні зазначених матеріалів, оскільки накладають жорсткі обмеження на режими експлуатації й розміри використовуваних конструктивних елементів. У силу зазначених причин, проведені в роботі дослідження і отримані результати є актуальними і мають практичне значення.

Основні результати й висновки можна сформулювати у наступному вигляді.

1. На основі комплексного експериментального й теоретичного дослідження проведено вивчення магнітних властивостей (намагніченості й магнітострикції) металооксидних сполучень і ніобієвих сплавів в області магнітних полів і температур, де проявляється нестійкість критичного стану. При проведенні теоретичного аналізу було використано різні моделі польової залежності критичного струму: Кіма-Андерсона, експоненційна, лінійна та модель із пік-ефектом. Розраховано повні петлі намагніченості і магнітострикції для зазначених моделей. Отримані результати використані для побудови діаграм нестабільності критичного стану. Характерними рисами вивчених H-T діаграм є:

a) для всіх моделей критичного стану другий квадрант є найбільш стійким, третій квадрант є найбільш нестійким з точки зору термомагнітних збурювань, ці закономірності пояснені впливом магнітної передісторії зразка;

b) область нестійкості критичного стану в значній мірі залежить від моделі, що визначає залежність J(H) і від величини J_c0 (щільності критичного струму при Н=0).

Показано, що наявність пік-ефекту впливає на гістерезисні петлі як намагніченості, так і магнітострикції для досліджуваних матеріалів. Пояснено як наявність островів нестійкості критичного стану надпровідника, так і існування заборонених зон для стрибків потоку. Ці явища обумовлені зростанням критичного струму в певній області магнітних полів. Результати розрахунку для ніобієвої пластини підтверджені експериментальними даними.

Отримані результати дозволяють визначити режими стійкої експлуатації конструктивних надпровідних елементів різних приладів.

2. Виявлено нове фізичне явище, що полягає в існуванні порога на входження гігантської лавини потоку, тобто зростання властивостей, що екранують, зразка перед стрибком потоку, а також на вихід захопленого потоку. У деяких випадках величина порога становить 15% від повної величини стрибка потоку.

3. Виявлена і досліджена гігантська (~10^-4) магнітострикція і прояв нестійкості критичного стану в ніобієвих сплавах з високою щільністю критичного струму (NbTi, Nb₃Al).

Уперше вивчена гігантська як поперечна, так і поздовжня магнітострикція, а також гігантські стрибки магнітострикції в Nb₃Al, який характеризується відносно високою щільністю критичного струму і великим значенням другого критичного поля H_c2. Показано, що на форму петлі гістерезису магнітострикції істотно впливає наявність другого максимуму в щільності критичного струму (пік-ефект). Отримані результати пояснені в рамках моделі магнітострикції, індукованої силами пінінгу.

4. У вихровій матерії ВТНП і НТНП уперше експериментально знайдені коливальні процеси в магнітній індукції в змішаному стані, породжувані термомагнітними лавинами. Це явище не спостерігається у звичайних квазістатичних умовах експерименту через наявність великих сил в'язкості. З метою з'ясування природи виникаючих осциляцій розраховано спектр коливань ізольованого вихру з урахуванням всіх сил, що на нього діють. Показано, що урахування інертних властивостей вихра приводить до виникнення другої гілки в спектрі його коливань у терагерцевому діапазоні. На основі експериментальних даних і запропонованої теоретичної моделі, оцінена ефективна маса вихра, що визначає його інертні властивості.

5. Запропонована і реалізована безконтактна методика вимірювань, що дозволяє реалізувати режим плину потоку в масивних зразках, які характеризуються високою щільністю критичного струму.

Показано, що для опису надпровідного стану поблизу критичної температури в пластинах надпровідних Nb₃Al і NbTi може бути використана модель плину потоку. Для зазначених матеріалів отримана залежність питомого опору, в цьому режимі, від магнітного поля при різних температурах.

6. Вивчено розмірні ефекти й необоротні явища при проникненні електромагнітного поля в пластину гранульованої ртутної кераміки Hg_1-xPb_xBa₂Ca₂Cu₃O_y. На основі моделі, що пояснює вплив вихрів Абрикосова у берегах джозефсонівських контактів на критичний струм слабозв'язаного середовища, пояснені аномальні гістерезисні явища в поглинанні досліджуваного матеріалу. Побудовані Н-Т діаграми й визначені значення першого і другого критичних полів H_c1 і H_c2, а також значення критичної температури T_c.

7. Вивчено динаміку проникнення магнітного потоку в різні матеріали в широкій області зміни магнітних полів і температур, а також досліджено вплив форми зразка на динаміку розглянутих явищ. Досліджено масивні зразки у формі дисків і циліндрів. Вимірювання проводилися як за допомогою датчиків Холла (локальні виміри), так і за допомогою індукційних методів (інтегральні виміри). Показано, що область магнітних полів, у яких виникають нестабільності в циліндрі, практично вдвічі ширше, ніж у диску того ж діаметра. Величина магнітного потоку, що ввійшов у циліндричний зразок у процесі стрибка потоку, вдвічі більша ніж у диск. Тривалості ж стрибків потоку для диска тільки трохи менше ніж для циліндра, але мають той же порядок величини. Ці експериментальні результати якісно пояснені на основі запропонованої моделі, що зв'язує величину потоку, що ввійшов у зразок, з його геометрією.

Виявлено відмінні риси виникнення стрибків магнітного потоку в НТНП і ВТНП матеріалах. Показано, що критерій адіабатичності розвитку нестійкості в усіх вивчених матеріалах виконується. Оцінки проведені на основі експериментальних даних по тривалості процесу розвитку нестійкості.

8. Вивчено динаміку термомагнітних нестійкостей у текстурованому сполученні Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊. Показано, що процес розвитку нестійкості умовно можна розбити на два етапи, які характеризуються різними часовими масштабами: початковий етап лавини (зростання поверхневої індукції до її максимального значення) можна зв'язати з дифузією магнітного потоку, що приводить до розігріву зразка. Часовий масштаб другої частини лавинного процесу (після досягнення максимуму поверхневої індукції) можна зв'язати з тривалістю термічної дифузії. Таким чином, показано, що в досліджуваному матеріалі добре виконані умови адіабатичності під час розвитку термомагнітних процесів.

Експериментально й теоретично вивчено явище термомагнітної нестійкості в бориді магнію. Проведені оцінки термічного і магнітного коефіцієнтів дифузії показують, що нестійкості в зазначеному матеріалі розвиваються в адіабатичних умовах. Досліджено області магнітних полів і температур, де спостерігаються термомагнітні нестійкості, а також визначені параметри, що характеризують магнітні лавини. Показано, що тривалість стрибка потоку зростає з ростом температури, що може бути пояснено зменшенням щільності критичного струму. Побудована Н-Т діаграма як великих, так і малих (неповних) стрибків потоку. Виявлена і пояснена незвичайна структура стрибків потоку в цьому сполученні. Запропоновано модель, що пояснює поведінку спостережуваних термомагнітних нестійкостей.

9. Уперше проведено одночасне вивчення явища термомагнітної нестійкості як усередині зразка, так і в області навколо нього (у полі розсіювання). Порівняння тривалостей процесів у цих областях дозволило виділити дві стадії розвитку нестійкості: 1 - стадія входження магнітного потоку в об'єм надпровідника; 2 - перерозподіл магнітного поля в об'ємі надпровідника. Встановлено, що тривалість динамічних явищ у полі розсіювання значно перевищує тривалість процесу входження лавини в зразок. Показано, що на останній стадії лавини відбувається тільки перерозподіл потоку усередині зразка, без входження додаткового потоку в його об'єм.

Отримані результати використані для оцінки середньої швидкості вихрів, що входять у надпровідник у процесі стрибка потоку. Результати отриманої оцінки швидкості вихрів співпадають зі значенням їхньої швидкості, знайденим з використанням інших експериментальних методик.

10. Підтверджено, що вихрові струми, що індукуються в нормальному металі, поміщеному в поле розсіювання надпровідника, істотно сповільнюють динамічні процеси, пов'язані з термомагнітною нестійкістю. Уперше встановлені кількісні характеристики уповільнення процесу розвитку нестійкості. Експериментально визначені: час тривалості стрибка потоку, величина магнітного потоку, що проникає у зразок і тонка структура стрибка потоку, як функція температури і зовнішнього магнітного поля. Отримані результати пояснені в рамках запропонованої моделі.

11. В адіабатичному наближенні визначені умови стійкості критичного стану надпровідника другого роду з урахуванням залежності теплоємності від магнітного поля. Підтверджено, що нестійкість у надпровіднику настає в більш сильних магнітних полях при урахуванні польової залежності теплоємності зразка. Показано, що для стрибків з більшим номером, внесок магнітного поля в стійкість критичного стану стає більш істотним.

12. На основі експериментальних даних по вимірюванню теплоємності Nb₃Al у широкому інтервалі температур (як вище, так і нижче критичної температури) і магнітних полів розраховані різні коефіцієнти, що визначають теплоємність матеріалу, його температуру Дебая і ширину енергетичної щілини. Дані величини використовуються при розрахунку режимів експлуатації виробів з Nb₃Al, що має широке технічне застосування.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Chabanenko V.V. Magnetothermal instabilities in type-II superconductors: The influence of magnetic irreversibility / V.V. Chabanenko, A.I. D'yachenko, M.V. Zalutski., V.F. Rusakov, H. Szymczak, S. Piechota, A. Nabialek // Journal of Applied Physics. - 2000. - Vol. 88, №10. - P. 5875-5884.

2. Русаков В.Ф. О природе “островов” неустойчивости критического состояния жестких сверхпроводников / В.Ф. Русаков, В.В. Чабаненко, А.И. Дьяченко // Веcтник Донецкого университета. Сер. А. - 1998. - №2. - С. 66-70.

3. Chabanenko V.V. Phase diagram and “abnormal” irreversible phenomena in RF-absorption of weakly linked medium of Hg_1-xPb_xBa₂Ca₂Cu₃O_y / V.V. Chabanenko, M.V. Zalutskii, V.F. Rusakov, H. Szymczak, S. Piechota, A. Nabialek, N.D. Dung, R.V. Lutciv, M.V. Matviiv, Ju.N. Mjasoedov // Proceeding of 8-th Intern. Workshop on Critical Current (IWCC) KITAKYUSHU, JAPAN, 27-29 MAY, 1996. - P.223-226.

4. Alekseev P. The magnetic field dependence of effective resistivity in a conventional superconductor: Contactless measurements / P. Alekseev, V. Chabanenko, A. Nabialek, S. Vasiliev, V.F. Rusakov, S. Kononogov, B. Kodess, H. Szymczak // Physica C. - 2007. - Vol. 460-462. - P. 854-855.

5. Bereza S.Y. The dynamic susceptibility of HTSC-ceramics in a low-frequency range / S.Y. Bereza, V.I. Gvozd, Yu.I .Gorobets, V.F. Rusakov, G.V. Shuster // Физика и техника высоких давлений. - 1993. - т.3, №1. - с.26-31.

6. Русаков В.Ф. Парапроводимость сверхпроводника в окрестности поля H_c3 / В.Ф. Русаков, Г.В. Шустер, // Сверхпроводимость. Фізика. Химия. Техника. - 1991. - т.4, №9. - с. 1657-1660.

7. Aleksyeyev P. Size Effect in Impedance of Nb₃Al Superconductor / P. Aleksyeyev, A. Nabialek, S. Vasiliev, V.F. Rusakov, V.V. Chabanenko, M. Zalutskii, S. Piechota, H. Szymczak, B.N. Kodess // Acta Physica Polonica A. - 2006. - Vol. 109, № 4-5. - P. 555-559.

8. Chabanenko V.V. Magnetothermal instabilities - giant flux jumps - in HTSC crystals / V.V. Chabanenko, A.I. D'yachenko, A.V. Chabanenko, V.F. Rusakov, H. Szymczak, S. Piechota, A. Nabialek // Molecular Physics Report - 1997. - Vol. 20. - P. 51-55.

9. Chabanenko V.V. Analysis of H-T flux jump diagrams from different critical state models / V.V. Chabanenko, A.I. D'yachenko, V.F. Rusakov, S. Piechota, H. Szymczak // Physica C. - 2000. - Vol. 341-348. - P. 2027-2028.

10. Chabanenko V.V. Peak effect and giant flux jumps in hard superconductors: the problem of ``islands'' jumps on H-T diagram / V.V. Chabanenko, A.I. D'yachenko, V.F. Rusakov, S. Piechota, A. Nabialek, H. Szymczak // Physica C. - 2000. - Vol. 341-348. - P. 2031-2032.

11. Чабаненко В.В. Неустойчивость критического состояния жестких cверхпроводников / В.В. Чабаненко, А.И. Дьяченко, В.Ф. Русаков, М.В. Залуцкий, Г. Шимчак, С. Пехота, А. Набьялек // Физика и техника высоких давлений. - 1999.- Т. 9, №2. - С. 96-102.

12. Rusakov V.F Magnetothermal instabilities in superconductors type-II with peak effect / V.F. Rusakov, V.V. Chabanenko, A.I. D'yachenko, H. Szymczak, S. Piechota, A. Nabialek, A. Abal'oshev // Molec. Phys. Rep. - 2001. - Vol. 34/1. - P. 129-135.

13. Chabanenko V.V. Flux jumps and H-T diagram of instability for MgB₂ / V.V. Chabanenko, R. Puzniak, A. Nabialek, S. Vasiliev, V.F. Rusakov, L. Huanqian, R. Szymczak, H. Szymczak, J. Jun, J. Karpinski, V. Finkel // Journal of Low Temperature Physics. - 2003. - Vol. 130. - P. 175-191.

14. Chabanenko V.V. Oscillation mode in the screening properties of Nb-Ti plate as a result of flux jump / V.V. Chabanenko, V.F. Rusakov, A. Nabialek, S. Piechota, S. Vasiliev, H. Szymczak // Physica C. - 2002, №1-4. - Vol. 369. - P. 77-82.

15. Nabialek A. The Peculiarities of Magnetic Flux Dynamics at Magnetothermal Instability in Textured Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ / A. Nabialek, V.V. Chabanenko, V.F. Rusakov, S. Vasiliev, H. Szymczak, S. Piechota, H. Dabkowska, A. Dabkowski, B.D. Gaulin, M. Niewczas, O. Mironov // J. Low Temp. Phys. - 2003. - Vol. 130, (3/4). - P. 425-433

16. Chabanenko V.V. The structure of vortex matter avalanches in a niobium plate / V.V. Chabanenko, V.F. Rusakov, S. Piechota, A. Nabialek, S. Vasiliev, H. Szymczak // Physica C. - 2002. - Vol. 369, №1-4. - P. 82-86.

17. Nabialek A. Giant Magnetostriction Jumps in Conventional NbTi Superconductor / A. Nabialek, S. Vasiliev, V.V. Chabanenko, P. Aleksyeyev, V.F. Rusakov, S. Piechota, H. Szymczak // Acta Phys. Pol. A. - 2006. - Vol. 109, № 4-5. - P. 633-639.

18. Nabialek A. Giant magnetostriction and flux jumps in superconducting Nb₃Al polycrystalline slab / A. Nabialek, V.V. Chabanenko, V.F. Rusakov, S. Vasiliev, N.N. Kabdin, H. Szymczak, S. Piechota, B.N. Kodess, S.A. Kononogov // J. Low Temp. Phys. - 2005. - Vol. 139. - P. 239-246.

19. Чабаненко В.В. Возбуждение колебаний магнитной индукции в пластине Nb-Ti в результате термомагнитной лавины потока / В.В. Чабаненко, В.Ф. Русаков, В.А. Ямпольский, Г. Шимчак, С. Пехота, С. Васильев, А. Набьялек // ФНТ. - 2002. - Т. 28, №6. - с. 548-552.

20. Chabanenko V.V. The Structure of Magnetic Avalanches: Experiment and Model for Avalanche Vortex Matter Penetration / V.V. Chabanenko, V.F. Rusakov, V. Yampol'skii, S. Vasiliev, A. Nabialek, H. Szymczak, S. Piechota, O. Mironov // J. Low Temp. Phys. - 2003. - Vol. 130 (3/4). - P. 165-174

21. Русаков В.Ф. Спектр колебаний одиночного вихря Абрикосова / В.Ф. Русаков, С.В. Васильев, В.В. Чабаненко, А.Ю. Юров // Вісник Донецького університету. Серія А. Природничі науки. - 2005. - Вип.1, ч. 2. - с. 260-263.

22. Vasiliev S. Moderation of the flux jumps dynamics by eddy currents in a disk shape NbTi superconductor / S. Vasiliev, V.V. Chabanenko, A. Nabialek, V.F. Rusakov, S. Piechota, H. Szymczak // Acta Phys. Pol. A. - 2004. - Vol. 106, №5. - P.777-783.

23. Русаков В.Ф. Анализ движения вихревой системы в жестких сверхпроводниках второго рода по результатам магнитооптического изучения лавин магнитного потока / В.Ф. Русаков, В.В. Чабаненко, С.В. Васильев // Вісник Донецького університету. Серія А. Природничі науки. - 2007. - Вип.2. - с. 132-135.

24. Русаков В.Ф. Устойчивость критического состояния жесткого сверхпроводника II рода при учете полевой зависимости теплоемкости/ В.Ф. Русаков, В.В. Чабаненко, С.В. Васильев, Ф.О. Алексеев // Вісник Донецького університету. Сер. А. Природничі науки. - 2004. - т. 1. - с. 293-300.

25. Chabanenko V.V. Role of the field dependence of the heat capacity for the flux jump process in HTSC materials. / V.V. Chabanenko, V.F. Rusakov, A.J. D'yachenko, E.M. Rozenblat, S. Piechota, S. Vasiliev, H. Szymczak // Physica С - 2002. - Vol. 369, №1-4. - P. 227-231.

26. Русаков В.Ф. Теплоемкость сверхпроводящего Nb₃Al / В.Ф. Русаков, С.В. Васильев, В.В. Чабаненко, А. Шевчик, А. Гутовска, Г. Шимчак, Б.Н. Кодесс // Вісник Донецького університету. Сер. А. Природничі науки. - 2005. - т. 2, ч.2. - с. 118-121.

27. Nabiaіek A. The influence of the sample shape on the flux jumps dynamics in conventional NbTi superconductor / A. Nabiaіek, S. Vasiliev, V. Chabanenko, V. Rusakov, S. Piechota and H. Szymczak // Acta Phys. Pol. A. - 2008. - Vol. 114, №1. - P.235-241.

28. Vasiliev S. The structure of thermomagnetic avalanches in superconducting disc of NbTi / S. Vasiliev, A. Nabialek, V.V. Chabanenko, V.F. Rusakov, S. Piechota and H. Szymczak // Acta Physica Polonica A. - 2006. - Vol. 109, № 4-5. - P. 661-668.

Тези доповідей

29. Chabanenko V.V. The structure of vortex matter avalanches in niobium plate / V.V.Chabanenko, V.F. Rusakov, A. Nabialek H. Szymczak S. Piechota // 2-th European Conference in School Format. Vortex Matter in Superconductors. A European science foundation programme. Crete-Greece 15-25 September 2001. Abstracts book. PI-VD. 21.

30. Chabanenko V.V. Oscillation mode in the screening properties of Nb-Ti plate as a result of flux jump / V.V.Chabanenko, V.F. Rusakov, A. Nabialek, S. Piechota, S. Vasl'ev, H. Szymczak // 2-th European Conference in School Format. Vortex Matter in Superconductors. A European science foundation programme. Crete-Greece 15-25 September 2001. Abstracts book. PI-VD. 20

31. Chabanenko V.V. Role of changes in Nb₃Al thermal properties, induced by magnetic field, on the magnetic avalanche generation and flux propagation / V.V. Chabanenko, S. Vasiliev, A. Szewczyk, A. Nabialek, V.F. Rusakov, M. Gutowska, H. Szymczak, S. Piechota, B.N. Kodess // NATO Advanced Research Workshop.„Vortex dynamics in superconductors and other complex systems”, Yalta, Crimea, Ukraine, 13-17 September, 2004, р. 58.

32. Chabanenko V. Analysis of H-T flux jump diagrams of different models of pinned critical state / V. Chabanenko, V. Rusakov, A. D'yachenko, H. Szymczak, S. Piechota // International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity High Temperature Superconductors, Houston Texas (USA) 20-25 February, 2000.- P. 152.

33. Чабаненко В.В. Термомагнитные лавины в объемных сверхпроводниках / В.В. Чабаненко, С. Васильев, В.Ф. Русаков, H. Szymczak // Тезисы докладов: Международный семинар «Современные проблемы физики твердого тела», Харьков, 16 - 18 ноября 2006. стр. 97-99.

34. Chabanenko V. Dynamics of singl vortex line in the field of external alternative current// V. Chabanenko, V. Rusakov, A. D'yachenko, H. Szymczak, S. Piechota A. Nabialek, A. Abaloshev // Submitted to Proceedings of the 8th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (M2S-HTSC-VIII), Dresden, Germany, July 9-14, 2006. Abstract Booklet.- P.-134

35. Chabanenko V. Dynamical transformation of superconducting state at thermomagnetic avalanches // V. Chabanenko, S. Vasiliev, V. Rusakov, A. Nabialek, H. Szymczak, S. Piechota // Submitted to Proceedings of the 8th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (M2S-HTSC-VIII), Dresden, Germany, July 9-14, 2006. Abstract Booklet.- P.-56.

36. Шишмакова А. С. Влияние полевой зависимости тепловых и проводящих свойств Nb₃Al на область неустойчивости критического состояния / А. С. Шишмакова, С.В. Васильев, В. Русаков, В. В. Чабаненко //1-а Всеукраїнська наукова конференція молодих вчених „Фізика низьких температур” (КМВ-ФНТ-2008) Україна, Харків, 20 - 23 травня, 2008, С. 31

АНОТАЦІЯ

Русаков В.Ф. Проникнення магнітного поля в металооксидні сполучення та ніобієві сплави: роль магнітної передісторії. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України, Донецьк, 2009.

У процесі виконання дисертаційної роботи, на основі комплексного експериментального і теоретичного дослідження, вирішена фундаментальна задача вивчення стійкості критичного стану металооксидних сполучень і ніобієвих сплавів, що включає явище термомагнітної нестійкості і супроводжуючих його релаксаційних процесів. На площині магнітне поле - температура побудовані області, що визначають нестійкість критичного стану. Показано, що розмір і форма області виникнення нестійкості, як по температурі, так і по магнітному полю, істотно залежить від магнітної передісторії зразка та від залежності критичного струму від зазначених параметрів. Вивчено вплив польової залежності теплоємності на стійкість критичного стану.

Досліджено матеріали різних структур і складів. Вивчено вплив форми зразка на розвиток динаміки нестійкостей. Уперше динамічні процеси досліджені як в об'ємі зразка, так і в полі розсіювання. У вихровій структурі надпровідного матеріалу виявлені й пояснені коливальні процеси. На підставі експериментальних даних розраховані різні параметри досліджуваних матеріалів. Показано, що для всіх досліджуваних матеріалів виконується критерій адіабатичності розвитку нестійкості.

Отримані результати мають практичне застосування, оскільки дозволяють розрахувати режими стійкої експлуатації виробів з металооксидних сполучень і ніобієвих сплавів.

Ключові слова: стійкість критичного стану, термомагнітні нестійкості, лавина магнітного потоку, магнітна передісторія, центри пінінга, вихрова матерія, дифузія, намагніченість, магнітострикція, теплопровідність, теплоємність.

SUMMARY

Rusakov V.F. Penetration of the magnetic field into metal oxide compounds and niobium alloys: the role of magnetic pre-history. Manuscript. Thesis for a competition of doctor science degree in physics and mathematics, 01.04.07 speciality - solid state physics. - Donetsk Institute for Physics and Technology named after A.A. Galkin, National Academy of Sciences of Ukraine, Donetsk, 2009.

In the course of realization of the thesis work, a fundamental problem of the study of stability of the critical state of metal oxides compounds and niobium alloys was solved on the base of complex experimental and theoretical investigation including the phenomenon of thermomagnetic instability and the succeeding relaxation processes. The areas determining the instability of the critical state have been drawn on the magnetic field - temperature plane. It was shown that the size and the form of the area where the instability emerges with respect of both the temperature and the magnetic field is strongly related the magnetic pre-history of the sample and the above-mentioned parameter dependence of the critical current. The influence of the field dependence of heat capacity on the stability of the critical state is studied.

The materials of varied structures and compositions have been investigated. The influence of the form of the sample on the evolution of the dynamics of instabilities is studied. The dynamical processes were investigated first both in the sample field and in the stray field. Oscillating processes in the vortex structure of superconducting material were found and explained. The set of the parameters of the investigated materials has been calculated on the basis of the experimental data. It was shown that all the studied materials obey the criteria of adiabatic evolution of the instability.

The obtained results have practical use because they allow one to calculate the regimes of stable operation of items made of metal oxide compounds and niobium alloys.

Key words: stability of the critical state, thermomagnetic instabilities, magnetic flux avalanche, magnetic pre-history, pinning centers, vortex matter, diffusion, magnetization, magnetostriction, heat conductivity, heat capacity.

АННОТАЦИЯ

Русаков В.Ф. Проникновение магнитного поля в металлооксидные соединения и ниобиевые сплавы: роль магнитной предыстории. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины, Донецк, 2009.

В диссертации представлены результаты изучения явления термомагнитной неустойчивости, возникающей как отклик металлооксидных соединений и ниобиевых сплавов на изменяющееся внешнее магнитное поле и температуру.

Исследована устойчивость критического состояния изучаемых материалов по отношению к возникновению скачков потока. Показано, что размер и форма области возникновения неустойчивости как по температуре, так и по магнитному полю, существенно зависит от магнитной предыстории образца и от зависимости плотности критического тока от указанных параметров. При проведении теоретического анализа использовались различные модели полевой зависимости плотности критического тока: Кима-Андерсона, экспоненциальная, линейная и модель с пик-эффектом. Указанные модели охватывают практически все известные сверхпроводящие материалы. Показано, что наличие пик-эффекта оказывает сильное влияние на гистерезисные петли как намагниченности, так и магнитострикции для изучаемых материалов. Объяснено как наличие запрещенных зон для возникновения скачков потока, так и островов неустойчивости на фазовой плоскости магнитное поле - температура. Показано, что в ниобиевых сплавах наблюдается как гигантская магнитострикция, так и гигантские скачки магнитострикции. Явление объяснено на основе модели магнитострикции, индуцированной силами пиннинга.

Изучена динамика развития неустойчивости как в процессе собственно скачка потока, так и в поле рассеяния. Такой подход позволил изучить релаксационные процессы, возникающие в образце после вхождения лавины. Измерены длительности лавинных и релаксационных процессов, а также величина магнитного потока, входящего в образец, в процессе развития неустойчивости. Показано, что длительность релаксационных процессов в поле рассеяния практически вдвое превышает длительность скачка потока.

Показано, что на характерные величины, определяющие динамику развития неустойчивости, существенно влияет форма образца. Исследование проведено для массивных образцов в форме диска и цилиндра. Измерения проводились как с помощью датчиков Холла, так и индукционными методами. Проведенные исследования показали, что область магнитных полей, в которых возникают нестабильности в цилиндре, практически вдвое шире, чем в диске того же диаметра. Величина магнитного потока, вошедшего в цилиндрический образец, в процессе скачка потока, вдвое больше чем в диск. Длительности скачков потока имеют одинаковый порядок величины. Полученные результаты объяснены на основе предложенной модели.

По результатам изучения структуры лавин магнитного потока предложены модели, объясняющие осцилляционные процессы в диссипативной вихревой структуре сверхпроводящих материалов, порождаемые термомагнитными лавинами. Рассчитан спектр колебаний изолированной вихревой нити с учетом всех сил, на нее действующих. Показано, что учет инертных свойств вихря приводит к возникновению второй ветви в спектре его колебаний в терагерцевом диапазоне. На основе предложенных моделей оценена эффективная масса флюксоида.

По результатам магнитооптических исследований определена скорость движения фронта лавины потока и обоснована применимость линейного приближения для силы вязкого трения.

Исследовано влияние вихревых токов индуцируемых в нормальном металле, находящемся в поле рассеяния сверхпроводника, на устойчивость его критического состояния. Подтверждено, что эти токи существенно замедляют динамические процессы, связанные с термомагнитной неустойчивостью. Впервые установлены количественные характеристики замедления процесса развития неустойчивости. Экспериментально определены: время длительности скачка потока, величина магнитного потока, проникающего в образец и тонкая структура скачка потока как функция температуры и внешнего магнитного поля.

Исследовано влияние тепловых свойств изучаемых материалов на устойчивость их критического состояния. Показано, что учет зависимости теплоемкости от магнитного поля приводит к повышению устойчивости материала по отношению к возникновению скачков потока. Расчет проведен в адиабатическом приближении. Показано, что для скачков с большим номером, вклад магнитного поля в устойчивость становится более существенным.

На основе экспериментальных данных рассчитаны характерные параметры изучаемых металлоксидных соединений и ниобиевых сплавов. Полученные результаты могут быть использованы при расчете режимов эксплуатации изделий из металлоксидных соединений и ниобиевых сплавов, которые имеют широкое техническое применение.

Ключевые слова: устойчивость критического состояния, термомагнитные неустойчивости, лавина магнитного потока, магнитная предыстория, центры пиннинга, вихревая материя, диффузия, намагниченность, магнитострикция, теплопроводность, теплоемкость.

Підписано до друку 16.02.2009 р. Формат 60х84 1/16.

Ум. друк. арк. 2,33. Друк лазерний. Зам. № 9473. Накл. 100 прим.

Надруковано в ТОВ «Цифрова типографія»

Адреса: м. Донецьк, вул. Челюскінців, 291а, тел.: (062) 388-07-31, 388-07-30

Размещено на Allbest.ru