單疇YBCO超導(dǎo)塊材的脈沖充磁磁化規(guī)律

李佳偉，楊萬民

（陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710119）

YBCO超導(dǎo)塊材因具備磁通釘扎能力，故可以捕獲一定的磁場，在外磁場撤去以后可以作為超導(dǎo)磁體使用。超導(dǎo)磁體具有磁場強(qiáng)、體積小、重量輕等特點(diǎn)，具備很大的應(yīng)用潛力和市場價值，故其磁化規(guī)律和磁化機(jī)制是高溫超導(dǎo)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一［1－4］。但超導(dǎo)塊材在成為超導(dǎo)磁體之前，必須充磁磁化才能在臨界溫度以下作為超導(dǎo)磁體使用。目前，超導(dǎo)體得到的最高捕獲磁場可以達(dá)到17T（29K）［1］，可達(dá)常規(guī)磁體產(chǎn)生磁場的數(shù)倍。

高溫超導(dǎo)塊材的磁化方式主要有兩種：第一種是脈沖磁場充磁，另一種是靜磁場充磁。靜磁場充磁將超導(dǎo)塊材放在穩(wěn)恒磁場中進(jìn)行充磁，通?？梢圆捎迷诰€圈中通過穩(wěn)恒直流電的方式獲得穩(wěn)恒磁場，也可以利用永久磁體產(chǎn)生靜磁場。利用直流電對超導(dǎo)塊材充磁的方式要求電源能夠輸出較大的電流，因此對電源要求比較高，同時為了避免線圈被燒壞最好采用超導(dǎo)線圈，因此這種充磁方式對設(shè)備的要求比較高。超導(dǎo)體捕獲磁場的世界紀(jì)錄17T就是利用NbTi和Nb3Sn超導(dǎo)線圈產(chǎn)生17.9T的強(qiáng)磁場下場冷到29K捕獲得到的［1］。脈沖磁場充磁是利用電容器等元件設(shè)計(jì)充放電電路，首先對電容器充電，充電電壓一般在幾千伏，然后電容器瞬時放電，在磁化線圈中短時間產(chǎn)生大的脈沖電流，來激發(fā)脈沖磁場。脈沖電流通常在幾十到幾百安培，脈沖時間一般在10ms左右。因此，這種磁化方式得到的峰值磁場比較強(qiáng)，充磁時間比較短，對充磁設(shè)備要求也比較低，得到了廣泛的應(yīng)用。

但是脈沖充磁短時間內(nèi)超導(dǎo)體內(nèi)磁場變化太快，會產(chǎn)生較大的溫升，而超導(dǎo)體導(dǎo)熱性能較差，這會導(dǎo)致樣品內(nèi)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致樣品開裂［5－8］。另外脈沖充磁通常得到的捕獲磁場要小得多，這是由在脈沖充磁過程中磁通線的劇烈運(yùn)動帶來的溫升造成的［9］。目前29K溫度下脈沖充磁捕獲磁場的記錄是5.2T［10］。為了降低熱應(yīng)力對超導(dǎo)體的損害，可以向超導(dǎo)體內(nèi)滲入較高導(dǎo)熱系數(shù)的環(huán)氧樹脂［10］；為了增強(qiáng)脈沖充磁的充磁效果可以在超導(dǎo)體上增加一對軟鐵作為鐵軛［11］；為了改善超導(dǎo)塊材的抗沖擊性能，保護(hù)超導(dǎo)塊材在脈沖充磁過程中不被損壞，可以采用向超導(dǎo)體滲入環(huán)氧樹脂［12］，在超導(dǎo)體外套一個金屬保護(hù)罩［13］。這些方法相對都比較復(fù)雜，因此采用不會被損壞超導(dǎo)體的適當(dāng)強(qiáng)度的脈沖磁場進(jìn)行充磁，探索提高超導(dǎo)體的捕獲磁場的方法就具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

掌握YBCO超導(dǎo)塊材的磁化規(guī)律不僅在超導(dǎo)磁體領(lǐng)域有重要的實(shí)際應(yīng)用價值，而且在一定程度上也可以反映磁化過程中磁通線的運(yùn)動情況，對理解磁通運(yùn)動動力學(xué)也有重要的理論意義。本文研究了脈沖磁場充磁方式對頂部籽晶熔滲生長法（TSIG）制備的YBCO超導(dǎo)塊材充磁磁化的磁化規(guī)律，并采用Bean［14］模型對相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了解釋。

1 實(shí)驗(yàn)方法

將分析純的 Y2O3、BaCO3、CuO和 Nb2O5（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）粉末，按照原子摩爾比Y∶Ba∶Cu＝2∶1∶1，Y∶Ba∶Cu＝0∶1∶1，Y∶Ba∶Cu∶Nb＝2∶4∶1∶1進(jìn)行稱量配料，采用固相反應(yīng)法制得 Y2BaCuO5（Y211），BaCuO2（Y011）和 Y2Ba4CuNbOy（YNb2411）先驅(qū)粉體。將Y211、Y011、CuO和YNb2411先驅(qū)粉體均勻混合球磨后，在壓片機(jī)上分別壓制成直徑為20mm的圓柱狀固相塊和液相塊。固相先驅(qū)塊的成分為：93wt.%Y211＋7wt.%YNb2411，液相先驅(qū)塊的成分為：Y211∶CuO∶Y011＝1∶6∶9。將一塊大小約2mm×2mm×1mm的NdBCO作為籽晶來誘導(dǎo)YBCO晶體的生長。將等高的MgO單晶、Yb2O3墊片、液相塊、固相塊和NdBCO籽晶依次放置在平整的Al2O3板上，裝配方式如圖1所示。

圖1 YBCO樣品裝配圖Fig.1 The arrangement of the YBCO sample

將裝配好的樣品放入高溫爐內(nèi)，按照頂部籽晶熔滲生長法進(jìn)行晶體生長。為有效抑制樣品邊緣處的隨機(jī)成核，晶體生長的高溫爐應(yīng)該設(shè)計(jì)成具有正的徑向溫度梯度［15］。樣品的熱處理程序?yàn)椋合纫?60℃／h的速率將樣品加熱到1 045℃而后保溫2h，然后以60℃／h的速率降溫到1 010℃，然后以0.5℃／min的速率降溫到995℃，然后以0.3℃／min的速率降溫到980℃，最后隨爐冷卻至室溫，完成頂部籽晶熔滲織構(gòu)生長全過程。晶體生長完成后在流氧氣氛下450℃保溫200h實(shí)現(xiàn)YBCO晶體從四方相到正交相的轉(zhuǎn)變，得到Y(jié)BCO超導(dǎo)體，如圖2所示。

圖2 YBCO樣品表面形貌照片F(xiàn)ig.2 Top surface macrographs of YBCO sample

采用中國西南應(yīng)用磁學(xué)研究所華通儀表分公司JCK－VI型脈沖充磁機(jī)，在零場冷的條件下對樣品充磁。該充磁機(jī)充電電壓為0～4 000V，連續(xù)可調(diào)，磁感應(yīng)強(qiáng)度最高可達(dá)17.6T，充磁過程中勵磁時間10ms左右。采用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的三維磁感應(yīng)強(qiáng)度測試系統(tǒng)［16－17］，測試了 YBCO樣品捕獲磁通密度的分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 脈沖磁場強(qiáng)度對YBCO超導(dǎo)體捕獲磁通密度的影響

圖3為樣品在不同的脈沖磁場充磁后捕獲磁通密度的分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)充磁磁場比較小時，樣品邊緣捕獲磁通密度比較大，樣品中心捕獲磁通密度比較小，形成一個“凹陷區(qū)”，如圖3a所示。隨著脈沖充磁磁場的增強(qiáng)，樣品中心磁場“凹陷區(qū)”逐漸減小，如圖3b所示。脈沖磁場繼續(xù)增強(qiáng)，樣品中心磁場“凹陷區(qū)”會消失，形成中心磁場強(qiáng)邊緣磁場弱的單峰結(jié)構(gòu)，如圖3c、3d所示。脈沖磁場進(jìn)一步增大，樣品的單峰磁疇會分裂為雙峰結(jié)構(gòu)，并且峰值磁場也會降低。如圖3e、3f所示。

圖3 YBCO超導(dǎo)體在不同脈沖充磁磁場下的捕獲磁通密度分布圖Fig.3 The trapped field distribution of the YBCO bulk under different pulse magnetic field

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與YBCO超導(dǎo)體內(nèi)磁通線的運(yùn)動機(jī)制有關(guān)，可以采用Bean模型［14］解釋。Bean模型認(rèn)為磁通線在YBCO超導(dǎo)體內(nèi)運(yùn)動時會受到三個力的作用：洛侖茲力FL，磁通釘扎力Fp和粘滯阻力Fv。平衡時應(yīng)滿足方程：

→FL＋→Fp＋→Fv＝0。

其中洛倫茲力FL與磁場梯度有關(guān)，驅(qū)動磁通線運(yùn)動；磁通釘扎力Fp的方向與磁通線的運(yùn)動方向相反，粘滯阻力Fv也與磁通線運(yùn)動方向相反，二者均阻礙磁通線運(yùn)動，起阻力作用。超導(dǎo)體內(nèi)的磁場強(qiáng)度與進(jìn)入超導(dǎo)體的深度之間是線性關(guān)系。磁通釘扎力Fp的大小與超導(dǎo)體的溫度和缺陷有關(guān)，粘滯阻力與磁通線的運(yùn)動速率以及超導(dǎo)體的溫度有關(guān)。當(dāng)脈沖磁場較小時，超導(dǎo)體內(nèi)的磁場梯度相應(yīng)較小，驅(qū)動磁通線向超導(dǎo)體中心運(yùn)動的洛倫茲力也較小，由于釘扎力的作用磁通線不能深入到超導(dǎo)體的中心，因此超導(dǎo)體邊緣磁場高，中心無磁場，如圖4a1所示。此時撤去外磁場，磁通線將在洛倫茲力的驅(qū)動下，向外運(yùn)動，由于磁通釘扎力的存在，最終會有一部分磁通線保留在超導(dǎo)體內(nèi)形成“捕獲磁通”，如圖4b1所示。當(dāng)外磁場增大，洛倫茲力也相應(yīng)增大，磁通線可以克服釘扎力繼續(xù)向超導(dǎo)體內(nèi)部運(yùn)動，外磁場增大到一定程度，磁通線就可以到達(dá)超導(dǎo)體中心，如圖4a2所示。此時撤去外磁場，同樣的道理，捕獲磁通密度的分布如圖4b2所示。這兩種情況都會造成超導(dǎo)體內(nèi)的捕獲磁通密度分布呈現(xiàn)邊緣高中間“凹陷”的形態(tài)，這也正是圖3a和3b所示的情形。當(dāng)磁場強(qiáng)度進(jìn)一步增大，磁通線所受的洛侖茲力也更大，逐漸有更多的磁通線進(jìn)入樣品中心，如圖4a3所示，此時撤去磁場，中心捕獲的磁通線更多，從而樣品中心的“凹陷”逐漸減小甚至消失形成單峰結(jié)構(gòu)，如圖4b3所示。此時對應(yīng)圖3c所示的情形。當(dāng)磁場強(qiáng)度繼續(xù)增大，則磁場變化率過大，導(dǎo)致超導(dǎo)體內(nèi)磁通線運(yùn)動速率過大，使粘滯阻力急劇增加，進(jìn)入超導(dǎo)體中心的磁通線就會減少；此時撤去外磁場，超導(dǎo)體能捕獲的最大磁通密度反而會下降，對應(yīng)圖3d所示的情形。當(dāng)磁場強(qiáng)度進(jìn)一步增大，不僅粘滯力急劇增加而且超導(dǎo)體發(fā)熱問題會比較嚴(yán)重，造成超導(dǎo)體扇區(qū)交界處的電流密度首先達(dá)到臨界值，使原本沿樣品邊緣流動的大超導(dǎo)環(huán)流裂變?yōu)樵诔瑢?dǎo)體不同扇區(qū)內(nèi)流動的幾個小環(huán)流，最后造成超導(dǎo)體捕獲磁通密度的分布呈現(xiàn)雙峰或多峰形態(tài)，對應(yīng)圖3e、3f所示的情形。

圖4 YBCO超導(dǎo)體磁化過程示意圖Fig.4 The magnetization process of YBCO superconductor

為了更清楚地看出YBCO超導(dǎo)體捕獲磁通密度的峰值與脈沖磁場的峰值場強(qiáng)之間的關(guān)系，圖5給出了超導(dǎo)體捕獲磁通密度峰值與脈沖充磁峰值場強(qiáng)之間的關(guān)系。從圖中可以看出，使用不同的脈沖磁場充磁，樣品捕獲的磁場峰值也不同，而且隨著脈沖磁場的增強(qiáng)，樣品捕獲的磁場峰值先增大后減小，當(dāng)脈沖磁場峰值為4.8T時，樣品得到最大捕獲磁通密度。這說明超導(dǎo)體要得到最大的捕獲磁場存在一個最佳的脈沖磁場場強(qiáng)。

圖5 YBCO超導(dǎo)體捕獲磁通密度峰值與脈沖峰值磁場之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between the trapped field of single domain YBCO and pulse magnetic field

2.2 脈沖充磁次數(shù)對YBCO超導(dǎo)體捕獲磁通密度的影響

圖6 YBCO超導(dǎo)體在脈沖磁場多次充磁下的捕獲磁通密度分布Fig.6 The distribution of the trapped field of YBCO superconductor magnetized different times

圖6為采用4.8T最佳脈沖充磁磁場對YBCO超導(dǎo)體連續(xù)多次充磁，YBCO超導(dǎo)體的捕獲磁通密度分布圖。從圖中可以看出，YBCO超導(dǎo)體多次充磁后捕獲的磁通密度分布形態(tài)沒有改變，仍然呈單峰形態(tài)，表明超導(dǎo)體的磁單疇性沒有被破壞，即4.8 T的脈沖磁場對YBCO超導(dǎo)塊材不會產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)應(yīng)力而造成超導(dǎo)塊材的損壞。圖7展示了脈沖充磁次數(shù)與捕獲磁場峰值之間的關(guān)系?？梢钥闯?，YBCO超導(dǎo)體捕獲磁場峰值隨著充磁次數(shù)的增加而增加。充磁1次和充磁9次，超導(dǎo)體捕獲磁場峰值從0.313T增加到0.46T，增加了47%。其原因在于：在前一次充磁時超導(dǎo)體內(nèi)部分微區(qū)由于熱激活等原因失超轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，這些正常態(tài)的微區(qū)在下一次充磁過程中起到了磁通釘扎的作用使釘扎力增強(qiáng)，從而捕獲磁通密度在原來的基礎(chǔ)上有了增加?？梢?，當(dāng)采用適當(dāng)?shù)拿}沖充磁磁場時，多次充磁不僅可以確保超導(dǎo)體不被損壞還可以有效增加超導(dǎo)體的捕獲磁通密度。另外，值得注意的是連續(xù)充磁3、5、7、9次，超導(dǎo)體的捕獲磁通密度均有較為明顯的增加，由于實(shí)驗(yàn)條件所限沒有進(jìn)行更多連續(xù)充磁次數(shù)的實(shí)驗(yàn)，故當(dāng)連續(xù)充磁次數(shù)大于9次時，YBCO超導(dǎo)體的捕獲磁通密度是將繼續(xù)增加還是逐漸穩(wěn)定飽和抑或存在一個先上升后衰減的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

圖7 YBCO超導(dǎo)體捕獲磁通密度與脈沖充磁次數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between the trapped field of single domain YBCO and pulse magnetized times注：脈沖充磁磁場強(qiáng)度為4.8T。

3 結(jié)論

本文采用頂部籽晶熔滲生長法成功制備了單疇性能良好的YBCO高溫超導(dǎo)塊材，通過脈沖充磁的方式將樣品磁化，研究了脈沖磁場強(qiáng)度和充磁次數(shù)對YBCO超導(dǎo)體捕獲磁通密度分布的影響，得到了YBCO超導(dǎo)體脈沖磁化的磁化規(guī)律，并利用Bean模型對該磁化規(guī)律進(jìn)行了解釋。研究結(jié)果表明：YBCO超導(dǎo)體的捕獲磁通密度隨脈沖磁場強(qiáng)度的增加呈先增大后減小的變化規(guī)律，存在一個最佳脈沖磁場；用最佳脈沖磁場對超導(dǎo)體多次充磁可以顯著提高超導(dǎo)體的捕獲磁通密度。本文結(jié)果為提高超導(dǎo)體的捕獲磁通密度提供了簡單有效的方法，為今后進(jìn)一步提高YBCO超導(dǎo)體的捕獲磁通密度提供了一定的參考。

［1］Tomita M，Murakami M.High－temperature superconductor bulk magnets that can trap magnetic fields of over 17tesla at 29K［J］.Nature，2003，421（30）：517－520.

［2］Yokoyama K，Oka T，Kondo N，et al.Pulsed－field magnetization of a bulk superconductor with small holes［J］.Physica C：Superconductivity，2013，484：343－347.

［3］Patel A，Hopkins S C，Glowacki B A.Trapped fields up to 2Tin a 12mm square stack of commercial superconducting tape using pulsed field magnetization［J］.Superconductor Science and Technology， 2013，26（3）：032001.

［4］Deng Z，Miki M，F(xiàn)elder B，et al.The effectiveness of pulsed－field magnetization with respect to different performance bulk superconductors［J］.Journal of Superconductivity，2011，25（1）：61－66.

［5］Gruss S，F(xiàn)uehs G，Krabbes G，et al.Superconducting bulk magnets：Very high trapped fields and cracking［J］.Applied Physics Letters，2001，79（19）：3131－3133.

［6］Ren Y，Weinstein R，Liu J，et al.Damage caused by magnetic pressure at high trapped field in quasi－permanent magnets composed of melt－textured Y－Ba－Cu－O superconductor［J］.Physica C：Superconductivity，1995，251：15－26.

［7］Sander M，Sutter U，Koch R.Pulsed magnetization of HTS bulk parts at T＜77K［J］.Superconductor Science and Technology，2000，13（6）：841－845.

［8］Hiroyuki Fujishiro， Kazuya Yokoyama， Masahiko Kaneyama，et al.Approach from temperature measurement to trapped field enhancement in HTSC bulks by pulse field magnetizing［J］.Physica C：Superconductivity，2005，426／431：594－601.

［9］Ainslie M D，F(xiàn)ujishiro H，Ujiie T，et al.Modelling and comparison of trapped fields in （RE）BCO bulk superconductors for activation using pulsed field magnetization［J］.Superconductor Science and Technology，2014，27（6）：065008.

［10］Fujishiro H，Tateiwa T，F(xiàn)ujiwara A，et al.Higher trapped field over 5Ton HTSC bulk by modified pulse field magnetizing［J］.Physica C：Superconductivity，2006，445／448：334－338.

［11］Hiroshi Ikuta，Hiromasa Ishihara，Yousuke Yanagi，et al.Extracting the utmost from the high performance of Sm－Ba－Cu－O bulk superconductors by pulse field magnetization［J］.Superconductor Science and Technology，2002，15：606－612.

［12］Tomita M，Murakami M.Improvement of the mechanical properties of bulk superconductors with resin impregnation［J］.Superconductor Science and Technology，2000，13：722－724.

［13］Fujishiro H，Yokoyama K，Kaneyama M，et al.Effect of metal ring setting outside HTSC bulk disk on trapped field and temperature rise in pulse field magnetizing［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2005，15（2）：3762－3765.

［14］Bean C P.Magnetization of hard superconductors［J］.Physical Review Letters，1962，8（6）：250－253.

［15］Yang W M，Zhou L，F(xiàn)eng Y，et al.The effect of temperature gradient on the morphology of YBCO bulk superconductors by melt texture growth processing［J］.Journal of Alloys and Compounds，2006，415：276－279.

［16］楊萬民，鈔曦旭，舒志兵，等.超導(dǎo)體與磁體間的三維磁力及磁場測試裝置研制［J］.低溫物理學(xué)報(bào)，2005，27：944－949.

［17］Yang W M，Chao X X，Shu Z B，et al.A levitation force and magnetic field distribution measurement system in three dimensions［J］.Physica C：Superconductivity，2006，445／448：347－352.