Глава 2
Метод резонансных колебаний
2.1. Левитационные методы как инструмент для исследования магнитных свойств
ВТСП
К левитационным методам экспериментального исследования сверхпроводников
относятся методы, использующие в своей основе эффект левитации постоянного
магнита над сверхпроводящим образцом. Наиболее известные и зарекомендовавшие
себя левитационные техники это: метод измерения левитационной силы [60,[ci]],
метод резонансных колебаний [51,[cii],[ciii]], метод высокоскоростного ротора
[[civ],[cv]], метод вязкого движения магнита сквозь апертуру образца
[[cvi],[cvii]].
Данные техники включают в себя способы измерения и обработки непосредственных
параметров механической системы ПМ – ВТСП, а также и алгоритмы получения по
этим первичным данным информации о физических свойствах изучаемых
сверхпроводников. Параметрами системы ПМ – ВТСП, которые измеряются в
экспериментах, могут быть сила взаимодействия между постоянным магнитом и
сверхпроводником, амплитуда и частота колебаний магнита в переменном внешнем
магнитном поле, скорость вращения магнита, расстояние между магнитом и
поверхностью образца, время проскальзывания сквозь апертуру образца и так
далее. Основываясь на этих данных, может быть получена информация о механизмах
энергетических потерь в сверхпроводниках, динамике магнитного потока,
релаксации захваченного магнитного потока, взаимодействии сверхпроводящих
вихревых структур с поверхностью сверхпроводника, однородности и гранулярности
образцов, распределении критических токов по их объему.
Замечательными особенностями левитационных техник являются неразрушающий
характер измерений (возможно исследование одного и того же образца несколькими
разными техниками или повторное изучение после различных видов обработки),
возможность проводить исследования на образцах различных размеров и формы,
отсутствие необходимости создавать контакты между образцом и остальными частями
экспериментальной установки, простота измерения механических характеристик
системы ПМ – ВТСП, что приводит к простоте, дешевизне и легкости в эксплуатации
экспериментальной установки, а также повышает точность и надежность получаемых
опытных данных и скорость их обработки, возможность подвергать сверхпроводник
воздействию различных конфигураций магнитного поля путем простой замены магнита
и его положения, высокая чувствительность измеряемых параметров к изменениям
физических свойств сверхпроводника. Кроме того, опыт и информация, полученные в
процессе применения эффекта левитации как инструмента для изучения
сверхпроводников, могут быть непосредственно применены в прикладных задачах на
основе этого эффекта, интерес к которым неуклонно растет.
Эти особенности выгодно отличают левитационные техники от других
экспериментальных методов исследования макроскопических магнитных свойств
массивных высокотемпературных сверхпроводников по данным о намагниченности,
магнитной восприимчивости и вольтамперных характеристиках отдельно вырезанных
кусочков образцов.
Экспериментальные способы изучения сверхпроводников на основе левитации стали
особенно актуальными для высокотемпературных сверхпроводников в связи с
возможностью использовать жидкий азот для перевода образцов в сверхпроводящее
состояние, что дает возможность проводить эксперименты без использования
криостатов, а также в связи с более высокими значениями левитационной силы, что
позволяет устойчиво удерживать левитирующими магниты с большой массой и
проводить надежные измерения.
2.2. Теоретическое обоснование метода
Метод резонансных колебаний заключается в измерении параметров вынужденных
колебаний постоянного магнита левитирующего над сверхпроводящим образцом и
получении по этим данным информации о физических свойствах исследуемых
сверхпроводников. Впервые этот метод был описан в работах А. А. Кордюка
[[cviii],50], где он применялся для исследования магнитных свойств гранулярных
высокотемпературных сверхпроводников. В данной работе метод резонансных
колебаний был усовершенствован, автоматизирован и оптимизирован для
исследования потерь энергии в квазимонокристаллических плавленых
текстурированных сверхпроводниках в переменном магнитном поле
[68,[cix][cx]-[cxi]].
Рис. 2.1. Основная конфигурация метода резонансных колебаний.
Основной частью экспериментальной установки в методе резонансных колебаний
является система магнит – ВТСП (рис. 2.1). Для создания этой системы, образец
переводится в сверхпроводящее состояние в поле постоянного магнита ПМ с
магнитным моментом m, вследствие чего магнитный поток остается вмороженным в
объеме образца в виде вихревых нитей и любое изменение положения магнита
приводит к возникновению силы возвращающей его в изначальное положение. Магнит
и сверхпроводник оказываются связанными упругой силой, что позволяет трактовать
систему ПМ – ВТСП, как механическую колебательную систему, возбуждаемую
соленоидом С с переменным током.
Осциллирующий магнит является здесь источником переменного во времени
магнитного поля на поверхности и в объеме сверхпроводника, которое складывается
из исходного (постоянного) поля магнита H0 и переменной компоненты h,
пропорциональной амплитуде колебаний магнита, так что результирующее поле
H = H0 + h0 sin(wt). Воздействие переменного магнитного поля обусловливает
возникновение динамики магнитного потока внутри сверхпроводника, что, в свою
очередь, приводит к диссипации энергии самого поля и, следовательно, к потерям
энергии колебаний магнита.
Для дальнейшего описания метода предположим, что параметры и конфигурация
с
- Киев+380960830922