Материал: Отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов
УДК 538.9
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ НЕЛИНЕЙНОГО ПОВЕДЕНИЯ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ НАНОКОМПОЗИТАХ
А.В. Юрьев, студент гр. ТФ-121, П.П. Попов, студент гр. ТФ-121, К.Г. Королев
Кафедра физики твердого тела
Обратимые изменения электрического сопротивления в материалах под действием высоких электрических полей в последнее время привлекают повышенный интерес. Это связано с возможностью использовать такие материалы в качестве элементов памяти в современных электронных устройствах.
В нанокомпозитах ме- талл-диэлектрик в высоких электрических полях обнаружено нелинейное поведение вольтамперных характеристик. Изменения электрического сопротивления зависит от величины, направления и продолжительности, приложенного к пленке, напряжения.
Для исследования данного эффекта разработан автоматизированный комплекс проведения подобных исследований.
Блок-схема алгоритма работы программы представлена на рисунке 1. Данный программный комплекс реализован на базе ПК с использованием среды разработки программного обеспечения LabVIEW и программируемого двухканального источника питания постоянного тока
MOTECH PPS-1206.
Данная программа позволяет устанавливать максимальное значение напряжения 
, величину шага приращения напряжения 
, время выдержки при заданном напряжении 
.
Помимо возможности измерения вольтамперной характеристики, программой
предусмотрена возможность после каждого воздействия высокого электрического поля контролировать сопротивление при напряжении 
, которое находится в линейной области ВАХ.
26
УДК 537.9
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРЯМОЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В МУЛЬТИФЕРРОИЧНЫХ КОМПОЗИТАХ
Е.С. Григорьев, Л.Г. Косырева
Кафедра физики и химии (ВУНЦ ВВС «ВВА»)
Прямой магнитоэлектрический эффект заключается в возникновении поляризации композита на основе ферромагнетика и пьезоэлектрика под действием магнитного поля и характеризуется магнитоэлектрическим коэффициентом по напряжению α. Поскольку прямой магнитоэлектрический эффект обусловлен цепочкой связей «магнитострикция – упругая деформация – пьезоэффект», а так как величины магнитострикции магнитного материала и пьезоэффект в пьезоэлектрике зависят от температуры, то можно ожидать изменения величины эффективности магнитоэлектрического преобразования композитов
сеё изменением.
Вработе поставлена задача проанализировать температурные зависимости в двухслойных композитах Tb0,12Dy0,2Fe0,68 – Pb(Zr0,53Ti0,47)O3 и трёхслойных композитах
Fe0,45Co0,45Zr0,1 – Pb(Zr0,53Ti0,47)O3 – Fe0,45Co0,45Zr0,1 при температуре выше 77 К.
|
120 |
нагрев |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
70 |
|
|
|
100 |
охлаждение |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
60 |
|
|
мВ/(см·Э) |
|
|
|
|
|
/(см·Э) |
|
|
80 |
|
|
|
|
50 |
|
||
60 |
|
|
|
|
40 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
30 |
|
||
, |
40 |
|
|
|
|
мВ, |
|
|
31 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
31 |
20 |
|
|
20 |
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
0 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
50 |
150 |
|
|
50 |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
||
|
|
|
||||||
T, К
250 350 450
T, K
Рис. 1. Температурная зависимости α31 |
для композита |
Рис. 2. Температурная зависимость α31 для компо- |
0,6Tb0,12Dy0,2Fe0,68 – 0,3Pb(Zr0,53Ti0,47)O3 |
при значениях |
зита 0,030Fe0,45Co0,45Zr0,1 – 0,300Pb(Zr0,53Ti0,47)O3 – |
напряжённости магнитных полей Н= = 720 Э, Н~ = 5 Э |
0,030Fe0,45Co0,45Zr0,1 при Н= = 70 Э, Н~ = 5 Э на |
|
на резонансной частоте изгибных колебаний по длине. |
резонансной частоте изгибных колебаний |
|
|
|
по длине. |
На температурной зависимости коэффициента прямого магнитоэлектрического преобразования для 2-слойных композитов Tb0,12Dy0,2Fe0,68 – Pb(Zr0,53Ti0,47)O3 (рис. 1) наблюдается максимум коэффициента α31 при температуре 253 К. При дальнейшем увеличении температуры [1] происходит ослабление магнитоэлектрических свойств композита, что обусловлено деполяризацией пьезоэлектрической фазы. Для 3-слойного композита Fe0,45Co0,45Zr0,1 – Pb(Zr0,53Ti0,47)O3 – Fe0,45Co0,45Zr0,1 с ростом температуры магнитоэлектрический коэффициент по напряжению уменьшается, и на зависимости α31(Т) не наблюдается максимума (рис. 2).
Установленные различия в температурных зависимостях α31 связываются с различием температурных зависимостей величин магнитострикции насыщения магнитных фаз исследованных композитов.
Литература
1. Григорьев Е.С. Особенности магнитоэлектрических взаимодействий в композитах TDF
– PZT в интервале температур от комнатной до 488 К / Е.С. Григорьев, А.В. Калгин // Теоретическая физика: материалы Международной научной школы. – Воронеж: Научная кни-
га, 2012. – С. 112 – 113.
27
УДК 538.945
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ ЛЕНТЫ 2-ГО ПОКОЛЕНИЯ
А.С. Баркалова, студент гр. ЯЭ-141, А.В. Сергеев, аспирант
Кафедра физики твердого тела
Высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) ленты 2-го поколения имеют большие перспективы применения вследствие лучших механических свойств и полевых характеристик (по сравнению с ВТСП лентами 1 поколения), а также широкого диапазона рабочих температур, по сравнению с гелиевыми сверхпроводниками. ВТСП устройства могут работать в переохлажденном жидком азоте при температурах от 65 до 77 К, что делает их потенциально применимыми во многих областях: энергетика, транспорт, научное приборостроение. Современные проводники на основе ВТСП 2-го поколения представляют собой ленты со слоем сверхпроводящей YBCO керамики толщиной 1-3 микрон, нанесенной на подложку толщиной 50-100 микрон. Ленты покрыты защитным 1-2 микронным слоем серебра и, как правило, стабилизирующими материалами. Критическая плотность тока в слое YBCO в собственном поле составляет 2,5-3 МА/см2 при 77К [1].
а) |
б) |
в) |
Токонесущие элементы
Способы изготовления сильноточных токонесущих элементов (ТНЭ):
–ТНЭ (рисунок (а)) складывается из зигзагообразных полосок, вырезаемых из ВТСП лент. Преимущества этих ТНЭ - низкие потери и плоская форма. Недостатки – большой расход дорогой ленты, сложная технология, наличие пустот, что приводит к механической нестабильности в полях;
–ТНЭ получают из сложенных в стопку лент с последующим скручиванием и затягиванием в оболочку (возможно сначала затянуть стопку лент в оболочку, а потом произвести скрутку). Преимущества такой технологии изготовления ТНЭ в высокой плотности тока при малом расходе ленты и достаточно простой технологии. Показано на рисунке (б);
–на рисунке (в) изображен геликоидальный гибкий ТНЭ, который состоит из многих слоев из нескольких параллельных ВТСП лент каждый, намотанных по спирали на круглый или плоский закругленный формер (диаметр закругления от нескольких миллиметров). Такой ТНЭ сочетает в себе высокие рабочие токи, относительно низкие потери, высокую тепловую и механическую стабильность, гибкость [2].
ТНЭ с рабочими токами, многократно превышающими рабочие токи ВТСП лент, будут востребованы в широком диапазоне устройств: в токамаках, ускорителях частиц, плазменных межорбитальных двигателях, индуктивных накопителях энергии, в любых импульсных и крупных магнитных системах, электромашинах, магнитогидродинамический генераторах и двигателях компактных гибких токоподводах.
Литература
1.Novikov M.S. «Investigation of Current Distribution in Multi-Tape HTS Samples» European Conference on Applied Superconductivity/ M.S. Novikov - 2011.
2.Takayasu M. «HTS twisted stacked-tape cable conductor» / M. Takayasu - 2012.
28
УДК 538.945
СВИТЧ-ЭФФЕКТ В МНОГОФАЗНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ
А.В. Сергеев, аспирант, А.А. Великосельская, магистрант гр. НТм-151, И.М. Голев, О.В. Калядин
Кафедра физики твердого тела
В работе представлены результаты исследования нелинейных свойств висмутовых высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Проводились измерения напряжения третьей гармоники U3 сигнала отклика с измерительной катушки, в которой размещался цилиндрический образец сверхпроводника, подвергающийся воздействию переменного магнитного поля BZ, направленного вдоль главной оси симметрии, c амплитудой 10-4 10-2 Тл и частотой 
=102 104 Гц. Особенностью изучаемых сверхпроводников являлось наличие в них двух сверхпроводящих фаз (Bi-2223 (~80%) и Bi-2212 (~15%)). Особый интерес представляет малоизученный пик U3(T) при >0. При температурах 105÷95 К сверхпроводник находится в резистивном состоянии (на рисунке кривые 1, 2, 3). Это означает, что в объеме сверхпроводника существуют сверхпроводящие области (кластеры) фазы Bi2223, не соединенные между собой электрическими контактами и помещенные в несверхпроводящую при данной температуре матрицу из фазы Bi-2212. Вихревой ток протекает как через объем матрицы, так и через сверхпроводящие кластеры. Его плотность определяется удельным эффективным сопротивлением матрицы по переменному току M и
, где i – э.д.с. индукции, воз-
|
никающая в рассматриваемом эле- |
|||
|
менте образца при воздействии пе- |
|||
|
ременного |
магнитного |
поля . В |
|
|
случае |
превышения |
величины |
|
|
критического тока кластера, в объеме |
|||
|
образца возникает генерация третьей |
|||
|
гармоники. С понижением темпера- |
|||
|
туры |
сопротивление |
матрицы |
|
|
уменьшается, величина тока проте- |
|||
|
кающего через кластеры возрастает |
|||
Температурные зависимости удельного электрического со- |
и, как следствие, напряжение третьей |
|||
гармоники |
достигает |
максимума. |
||
противления образца (кривая 4) и напряжений третьей |
При максимальном значении U3 эф- |
|||
гармоники U3 для разных значений переменного поля Bz |
||||
частотой f=103 Гц (кривые 1, 2, 3 при 0.5, 1.0 и 2.0 мТл со- |
фективное |
сопротивление матрицы |
||
ответственно) |
по переменному току сравнимо с эф- |
|||
фективным сопротивлением кластера. В дальнейшем фаза Bi-2212 переходит в сверхпроводящее состояние, что приводит к уменьшению тока 
и напряжения гармоники. Таким образом, за счет перераспределения плотности вихревого тока между областями ВТСП с фазой Bi-2223 и областями с фазой Bi-2212 реализуется максимум на зависимости U3(T) (свитч-эффект).
Обнаруженные эффекты могут быть использованы для исследования многофазных сверхпроводников и для обнаружения сверхпроводящих включений в образцах из несверхпродящих материалов.
29
УДК 538.945
СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КАБЕЛИ ТИПА РЁБЕЛЬ ДЛЯ СИЛЬНОТОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ИЗ ВТСП
В.А.Гвоздевская, студент гр. ЯЭ-141, А.В. Сергеев, аспирант
Кафедра физики твердого тела
Современные высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) ленты 2-го поколения имеют максимальный ток 200-500 А на сантиметр ширины в жидком азоте в собственном поле и сравнимые по порядку величины токи во внешних полях при пониженных температурах. Так как многие сверхпроводниковые устройства имеют большие рабочие токи (до тысяч и даже десятков тысяч ампер), необходимо оптимизировать конструкцию токонесущего элемента для конкретного применения. Для проектируемых сильноточных устройств из ВТСП в настоящее время разработано несколько конструкций кабе-
лей, рассмотрим кабели типа Рёбель (RACCC – Roebel Assembled Coated Conductor Cable)
.
Важнейшим достоинством кабелей типа Ребель являются низкие транспортные потери на переменном токе, а недостатком - резкая деградация критического тока при поперечных механических нагрузках. Область потенциального применения таких токонесущих элементов весьма обширна: ВТСП генераторы и трансформаторы (например, 1 MВА трансформатор Robinson Research Institute), а также высокополевые соленоиды.
На рисунке показан процесс сборки жил в токонесущий элемент. В среднем, критическая плотность тока в жиле составляет 90-95% от критической плотности тока исходной ленты.
Компания General Cable Conductors с 2014 года изготавливает токонесущие элементы типа Ребель различной геометрии, ей была продемонстрирована возможность изготовления токонесущих элементов с критическим током до 1,5 кА в собственном поле при температуре 77 К и до 14 кА при 4,2 К. В Технологическом Институте Карлсруе (Karlsruhe Inst Technology) в 2015 году создали машину позволяющую получать кабели длиной более 100 метров.
Тема объединения ВТСП лент 2-го поколения в токонесущие элементы находится в постоянном развитии. Ей уделяется большое внимание во многих странах.
Литература
1.S C Wimbush Large scale applications of HTS in New Zeland, IEEE/CSC & ESAS SUPERCONDUCTIVITY NEWS FORUM (global edition), January 2015. Invited Presentation SA-22- INV given at ISS 2014, Tokyo, November 25 - 27, 2014.
2.Интернет ресурс «Сверхпроводники в электроэнергетике» http://perst.isssph.kiae.ru/
30