Sr0.6K0.4Fe2As2铁基超导带材电磁特性研究

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自从2008年日本科学家Hosono研究组报道了第一种铁基超导体之后,铁基超导体家族蓬勃发展,成为继铜氧化物高温超导体之后的第二个高温超导体系。122型铁基超导体,作为铁基超导体系中的重要成员,因为其具有良好的性能,如超高的上临界场、非常低的各向异性和制备简单经济等优点,引起了科学界极大的兴趣。本文研究的Sr0.6K0.4Fe2As2超导体属于122型铁基超导体,其在4.2K下的临界电流密度Jc超过105A/cm2,特别是在高场下随磁场增加Jc变化不大。这些事实有力地表明,Sr0.6K0.4Fe2As2超导体在高场条件下具有良好的应用前景。本论文对Sr0.6K0.4Fe2As2超导体的电磁特性进行系统的研究,其中包括从理论和实验上研究其变温、变磁场条件下的临界电流密度Jc、交流损耗和失超传播特性。迄今为止,关于Sr-122型铁基超导体的交流损耗和失超传播特性研究还未见报道。本论文的主要内容如下:  搭建了一个低温变温传导冷却制冷的实验平台,该平台包括测试仪器与相应控制软件,可以用来研究高温超导体的电磁特性。  通过对超导体磁通钉扎特性的研究,基于幂指数模型和指数模型得到了铁基超导带材的临界电流(密度)随磁场(大小、方向)和温度变化的规律,实验和理论结果吻合得很好,改变了以往使用单一临界态模型不能完全满足高场下Jc预测的情形。实验分析了磁测法和电测法两种方法测量的Jc,对于变温(5~30K)和变磁场(大小、方向)下两种方法得到的Jc(B,T)变化规律相同,在低场下,logJc∝logB;在高场下,logJc∝B。另外,通过实验得到Sr0.6K0.4Fe2As2铁基超导体Jc的各向异性较小介于1.5~2之间。  给出了交流损耗随磁场(大小、方向)和温度变化的计算模型,其中实验和计算结果在低场和高场下均吻合得很好,该计算模型可以较好的描述不同工作温度下铁基超导带材交流损耗的磁场依赖情况,特别是在高场情况下,实验结果与Bean和brandt临界态模型差距较大,但是与本文给出的计算模型匹配较好。另外通过分析讨论得到以下结论,在固定的磁场下,由于损耗Q∝Jc(T),所以损耗随着温度的升高而降低;在低频下单芯超导带材的交流损耗以磁滞损耗为主;比较平行和垂直磁场方向的交流损耗得到,相同条件下后者比前者大5~6倍;将本样品的损耗与单芯Bi超导带的结果进行比较,两个带子的损耗结果符合修改的临界态模型的预测,进一步验证了本实验结果。  对Sr0.6K0.4Fe2As2铁基超导体的稳定性进行研究,其中包括磁热稳定化判据和失超传播的发展过程两个方面。对于失超特性研究而言,从理论和实验上分析了Sr0.6K0.4Fe2As2/Ag超导体稳定性参数和相关热物理特性参数。测量了Sr0.6K0.4Fe2As2/Ag单芯超导带在自场下变温(20~30K)变电流(大小、频率)传导冷却环境下的直流和交流失超传播特性。结果表明,变温情况下经典的NZPV理论与实验结果吻合得较好;NZPV在20~30K温区的量级为1cm/s,与典型的HTS量级相同,比典型的LTS慢2到3个数量级,比MgB2慢1个量级;在20~30K温区Sr0.6K0.4Fe2As2带材MQE的量级约为1J,比典型的LTS高3到4个量级,比MgB2高将近1个量级。比较直流和交流失超传播特性。MQE和NZPV随传输电流频率的变化不大。从对Sr0.6K0.4Fe2As2超导带失超传播过程以及稳定性参数MQE和NZPV的分析可见,该超导带的失超传播特性接近典型的Bi-2223超导带材的情形,在某种程度上比典型的LTS和MgB2超导体稳定,所以今后设计Sr0.6K0.4Fe2As2铁基超导体的失超保护装置可以借鉴Bi-2223超导装置的相关成熟经验。
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