ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИ
ENVIRONMENTAL ASPECTS OF ENERGY
ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ И АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
BASIC PROBLEMS OF ENERGY AND RENEWABLE ENERGY
СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
SUPERCONDUCTIVITY MATERIALS
Статья поступила в редакцию 03.03.15. Ред. рег. № 2192
The article has entered in publishing office 03.03.15. Ed. reg. No. 2192
УДК 539.67+538.945
МЕТОД ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ И СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
В.Е. Милошенко
Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский пр., д. 14 Тел.: (473) 246-39-22, факс: (473) 246-32-77, е-таП: Miloshenkove@gmail.com
Заключение совета рецензентов: 07.03.15 Заключение совета экспертов: 11.03.15 Принято к публикации: 15.03.15
В обзоре представлены результаты экспериментальных исследований сверхпроводников, полученных автором с учениками и сотрудниками криогенной лаборатории с помощью основного метода - метода внутреннего трения. Проводится обсуждение обнаруженных физических явлений в рамках предлагаемых моделей, и, как показано в работе, целый ряд из них нашел свое дальнейшее развитие и практическое использование.
Ключевые слова: образец, установка, исследование, затухание звука, частота, сверхпроводимость, магнитное поле, зависимость, модель, обсуждение.
METHOD OF INTERNAL FRICTION AND SUPERCONDUCTIVITY
V.E. Miloshenko
Voronezh State Technical University 14 Moscow ave., Voronezh, 394026, Russia Tel.: (473) 246-39-22, fax: (473) 246-32-77, e-mail: Miloshenkove@gmail.com
Referred: 07.03.15 Expertise: 11.03.15 Accepted: 15.03.15
In the review are presents the results of experimental studies of superconductors which were obtained by the author with the students and staff of the cryogenic laboratory by basic method of internal friction. Within the proposed model is carried out discussion of the detected physical phenomena. In this paper some of the physical phenomena have the further development and practical application.
Keywords: sample, installation, study, sound attenuation, frequency, superconductivity, magnetic field, dependence, model, discussion.
№ 06 (170) Международный научный журнал
Владимир Евдокимович Милошенко V.E. Miloshenko
Сведения об авторе: д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры физики твердого тела ВГТУ, академик международной Академии холода, руководитель секции «Криогенная техника и машиностроение».
Образование: Воронежский педагогический институт (1961).
Область научных интересов: физика твердого тела, физика и техника сверхпроводимости, электродинамика, высокоточное приборостроение.
Публикации: 250.
Information about the author: DSc in Physics and Mathematics, Professor of the Department of Solid State Physics, Voronezh State Technical University, Academician of the International Academy of Refrigeration, head of Section "Cryogenic Equipment and machinery".
Education: Voronezh Pedagogical Institute (1961).
Research area: solid state physics, physics and technology of superconductivity, electrodynamics, precision instrument.
Publications: 250.
Введение
В первой половине 20 века интенсивно начал развиваться метод внутреннего трения в области инфра-звуковых и ультразвуковых частот [1], поэтому в 60-х годах В.С. Постников поставил задачу провести исследования в области звуковых частот и температур от 4,2 до 300 К. Для этого автором была освоена технология создания бесшовных, т.е. неразъемных металлических форм, создан способ передачи информации о положении образца, размещенного в вакуумированном рабочем объеме криостата, в области температур жидкого гелия, разработан способ крепления колеблющегося образца с минимальной перекачкой энергии в держатель, созданы коаксиальная линия передачи высокочастотных сигналов с малым теплоподводом к образцу и возможностью изменения температуры от 1 до 15 К и далее до 300 К. Схема установки представлена в работах [2, 3]. В ней исследуемый образец совместно с ответным неподвижным электродом составляют конденсатор, включаемый в открытый колебательный контур. В дальнейшем установка модернизировалась как в способе крепления образца с изменением его формы, обработки электрического сигнала [4], так и по возможностям [5], где были совмещены задачи измерения величины внутреннего трения (ВТ) 0 и статический метод измерения пластичности и прочности металлов [6], предложенные В.И. Старцевым и В.В. Пустоваловым. В созданной установке [5] внутреннее трение измерялось в процессе деформации от нуля нагрузки до начала пластичной деформации также в области низких температур. Внесены были и другие конструктивные изменения, см., например, [7].
Результаты и обсуждение
При измерениях внутреннего трения аргументом, как правило, являются частота и температура, поэтому в первых работах были проведены исследования на тантале (фольга толщиной 100 мкм) на частоте собственных колебаний ~ 1 кГц, относительной деформа-
ции (2^3)10- в области гелиевых температур, т.е. образец находился в сверхпроводящем состоянии.
Впервые было выявлено аномальное по величине рассеяние энергии колеблющегося образца в области сверхпроводящего (N3) перехода [8]. На зависимости б_1(Т), как видно на рис. 1, наблюдается пик, превосходящий фон на порядок (0-н = 1-10-4, а = 7-10-4),
его ширина на полувысоте составляет 0,1 К и «привязан» к сверхпроводящему N-3 переходу.
он
Рис. 1. Температурная зависимость внутреннего трения тантала: кривая 1 - магнитное поле Не = 0; кривая 2 - Не < Нк; кривая 3 - Не > Нк Fig. 1. The temperature dependence of internal friction tantalum: curve 1 - the magnetic field is Не = 0; curve 2 - Не < Нк; curve 3 - Не > Нк
№ 06 (170) Международный научный журнал
Изменения структуры кристаллической решетки монокристалла, происходящие за счет деформации прокаткой до 99% и отжига при 1400 К в течение часа, показали следующее: в исходном состоянии наблюдается самый низкий фон на уровне 5-10-5 и на нем существует ступенька, при которой ВТ в сверхпроводящем состоянии меньше, чем в нормальном. В деформированном же тантале фон увеличился, а пик 0>~1 становится заметнее. В присутствии магнитного поля, превышающего критическое значение тантала, пика не наблюдается.
Были проведены исследования ряда металлов с ОЦК решеткой, т.е. ниобия и его сплавов, ванадия различной чистоты и состояния кристаллической решетки от совершенного монокристалла до деформированного прокаткой на 99,9% с последующей термической обработкой (см. [9-11]). Показано (рис. 2), что на экспериментальных кривых наблюдаются особенности не только поглощения низкочастотного звука в области фазового перехода и ниже по температуре, но и сопутствующие изменения относительного модуля упругости, как в области сверхпроводящего перехода в этой области температур. Известно, что динамический модуль упругости связан с частотой уравнением
Е = А/2, (1)
где А - фактор, учитывающий размеры и форму образца, а / - угловая частота его колебаний.
Выражение же для относительного модуля упругости в пренебрежении размерами и формой образца в этом диапазоне температур записывается в виде
Рис. 2. Влияние чистоты на температурную зависимость внутреннего трения и относительное изменение модуля Юнга. Ниобий чистоты 99,991 % - кривая 1; 99,8% - 2 и 3 Fig. 2. Influence on the purity of the temperature dependence of internal friction and AE/E. Niobium purity 99.991 % - curve 1; 99.8% - curve 2 and 3
AE
E
f2 - f2
J 20 JT
f 2
20
(2)
где /220 - частота колебаний при 20 К.
В качестве примера на рис. 2 представлены результаты исследований 0>Л(Т) ниобия. Видно, что кроме фазового пика (температура 9,2 К) наблюдается второй максимум при температуре 5,8 К, энергия активации которого, по нашим расчетам, составляет величину 0,0053 эВ. Кроме того, результаты, полученные не только на ванадии [12] со структурой от совершенного моно- до поликристалла на частотах 1 и 10 кГц, но и их модельных сплавах на основе свинца с висмутом, индием в области их фазового перехода, выявили в исследуемом диапазоне частот, что с ростом последней поглощение энергии уменьшается.
Таким образом, можно отметить следующие особенности:
- у всех сверхпроводников в области фазового N-8 перехода наблюдается аномально большое затухание звука;
- только на ниобии (в исследуемом интервале температур) существует еще одно заметное затухание, но уже в сверхпроводящем состоянии.
Рассмотрим первую из них:
- ширина пика ВТ в области N-8 перехода увеличивается с ростом плотности дислокаций, но она уменьшается с понижением собственной частоты;
- высота пика зависит как от концентрации точечных дефектов (чем выше их концентрация, тем он больше), так и плотности линейных дефектов (чем она больше, тем пик на кривых 0>Л(Т) выше;
- величина пика зависит и от величины малого магнитного поля, но если поле выше критического, то дополнительное рассеяние энергии не наблюдается.
Относительно последней особенности можно сказать, что она теоретически рассмотрена В. Д. Наци-ком [13]. В ней существование низкотемпературных пиков ВТ связано с вкладом дислокаций и рассмотрение ведется на основе дислокационных моделей. Внутреннее трение обусловлено релаксационными процессами, которые определяются образованием перегибов на дислокациях и преодолением ими центров закрепления, где основную роль играют квантовые флуктуации.
В основу понимания физической природы наблюдаемого эффекта в области фазового перехода положена модель, предложенная Г.Е. Шуниным [12, 14], где рассмотрено флуктуационное поглощение звука как ниже, так и выше критической температуры (Тк). Полученные результаты для величины внутреннего трения вблизи N-8 перехода представлены в следующем виде:
№ 06 (170) Международный научный журнал
для температуры ниже Тк величина внутреннего трения записывается
Q--1 -
5g2Т2n
ют
144EN4 n3/2e1/2 1 + (ют_ )2
(3)
и температур несколько выше Тк:
gf Тп2 ют+
Q+) -
24EN4 п3/2е1/2 1 + (ют+ )2
(4)
где т- = п/48Те-; т+ = п/32Те+; е- = (Тк - Т)/Тк;
= (Т - Тк)/Тк; g) =
m
п4 v0
ín-
ю
+ -
пи,
где
Q_1
g 2TJ
1
EN n
4M3/2 1/2 1/2 T-0 ю
(5)
где т-0 = п/48T ;
как и при Т = Тк(1 + ют_+)
g )тп
EN4n3
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.