BR3oa,3o
UNIUERSIDADE DE SÃO PAULO I N S T I T U T O D E F Í S I C A
C A R A C T E R I Z A Ç Ã O D E FIOS S U P E R C O N D U T O R E S H U L T I F I L A M E N T A R E S DE NbTi
G e n i U e l l e s r o
Dissertação apresentada ao Instituto de Física da Universidade de São Paulo para a obtenção do título de Mestre eu Ciências.
São Paulo
1988
Preparada pelo Serviço de Biblioteca e Informação do Instituto de Física da Universidade de São Paulo
Veil e g o , Geni
C a r a c t e r i z a ç ã o d e fios s u p e r c o n d u t o r e s mentares d e N b T i . S i o Paulo, 1 9 8 8 .
D i s s e r t a ç l o (Mestrado) - U n i v e r s i d a d e Io. Instituto d e F í s i c a . D e p a r t a m e n t o d e Materiais e M e c â n i c a .
Area de C o n c e n t r a ç i o : Física d o Estado O r i e n t a d o r : P r o f . D r . Nei Fernandes d e Uni t e r m o s : 1.Supercondutores; 2.Fios d C a r a c t e r i z a ç ã o ; ^.Corrente c r í t i c a .
mu 11 i f '1a-
de S ã o P a u - Física d o s
Sói ido.
Oliveira J r . e NbT i ; 3.
USP/IF/SBI - 16/88
AGRADECIMENTOS
G o s t a r i a d e a q r a d s c e r à P i r e i 11 p e l a o p o r t u n i d a d e d e u s a r e s t e t r a b a l h o , em e s p e c i < r < l a o E n q . C a r m i n e T a r a l l i , q e r e n t e d o C e n t r o E n g e n h a r i a Cabo*-., p e l < ; g r a n d e t nt.: i-i i t i / o o m u i t a s s u q e s t f t e E , a o E n q . J o s é M i g u e l A . C h a d d a d , e;: q e r e n t e d o P r o j e t o S u p e r c o n d u t o r e s , a o F i i q . V a i n e r G r i t a n t e . I r . , a t u a l q e r e n t e d e s t e p r o j e t o , a n Cê<\:.ar A . F i l i p i n i , r e s p o n s á v e l p e l a f a b r i c a ç ã o d o s f i o s e a t o d a a e q u i p e e n v o l v i d a , a o s m e u s c o l a b o r a d o r e s S a r a n , S i m o n o , V a r a e R e n a t o , o a t o d o s o s m e u s n o l e q a s n o C e n t r o E n g e n h a r i a C a b o s , p e l o i n t e r e s s e o i n c e n t i v o .
N o I F U S P , a o Pr i..í . N e i , p e l a u r i p n t r n , a o , i n c e n t i v o , e n t u r d a s m o e n r e s e n e a « o n s t a n t e s , a o P r o f . V a l d i r F i i n d i l a t t i . n e l a e l a b o r a ç ã o d a p r i m e i r a v e r s ã o d o p r o q r õ f f i a n o HF' 8 5 - B e c o n s t a n t e a s s i s t ê n c i a , a o P r o f . F r a n ! P . M i s e e l 1 , q u e i n i c i o u e s t e t r a b a l h o , à s e q u i p e s t é c n i c a e a d m i n i s t r a t i v a d o d e p a r t a m e n t o , em p a r t i c u l a r ãQ P a u l i n h o , a o J a i m e , a o W a l t e r , à M a r i s a e a u F l â v i o , e a t o d o s o'::, meu- c o l i - q a s , p e l o i n t e r e s s e e i n c e n t i v o . Na U n i c a m p , a o s P r o f s . D a l t r o G. P i n a t t i , O s c a r F . L i m a e S é r g i o G a i . i a , p e l a s u a c o n t r i b u i ç ã o a m i n h a f o r m a ç ã o em
S u p;:::• i" c o n < i u t i v i d a d e .
No Ei NI.., a o s !>i s . W i l l i a m B. ' J a m p s o n , M e y e r B a r b e r e A r u p G h o s h , p e l a r e a l i z a ç ã o d e m e d i d a s em f i o s P i r e l l i e p e l a s l o n g a s e ú t e i s d i s c u s s P í e s .
E t a m b é m a o s n o s s o s c o n s u l t o r e s C h a r l e s L a v e r i c k e M a r t i n W e l l s , p e l a s s u g e s t f t e s e d i s c u s s õ e s .
A m i n h a m ã e , p e l o a p o i o t o t a l . A o m e u p a i e a o m e u i r m ã o , p e l o a p o i o t o t a l e p e l a s f i g u r a s . Ao F e r n a n d o , p e l o a p o i o t o t a l e p e 1 a p a c i e u c i a .
RESUMO.
ABSTRACT
1 . INTRODI 'i.r.li
2. CARACTERÍSTICA:- Rn E V A P : f : on PPU.IFTO wis n o r PIRFM.i . .
rcsinn
2 . 7
CURVAi
w-.,u r r ; or; * i 2 . 3 CURVA V,: F . - .
2.4 PARÂMETRO DA IRAN!;! l,Pl( , ' i RF S P •: ! T VA r.
2.5 O U T R O S PARANF TROS
3. A L G U M A S C O N S I D E R A Ç Õ E S TEÓRICA!-:
3. 1 INTRODUCED
3.2 SUPERCONDUTORES DO TIPO I E DO TIPO ti....
3.3 REDE DE FLUXOI DEE DE i,BRFEOSOV. . . . ., 3.4 "FLUX P I N N I N G " E MODELO DO ESTADO CRITICO.
I • " " : 1-1 IT '.."õ ESTABILIDADE DE UM FIO SUPERCONDU FOR. . . 1?
4. O TRABALHO DH N B S NA PADRONIZAÇÃO LE M E D I D A S DE I
c2 0
4 . 1 OBJET IVG 20 4 . 2 O CER T IT M AI •'' 2o
4. 3 MÉTODO DF TESTE DO NFS 21 5. DESCRIÇÃO DU SISTEMA DE MEDIDA DE I^:;H MO IEUSP....
S. 1 DESCRIÇÃO GERAS
5.2 DISPOSITIVOS PORTA AMOSTRAS
5.3 CARRETEIS PARA ENROLAMENTO DA AMOSTRA.
5.4 ENROLAMENTO BI FILAR E NONÜFILAR 5.5 MEDIDA Dü CAMPO MAGNÉTICO.
5.6 MEDIDA ELÉTRICA E AOUISIÇAn DOS D A D O S . 6. TESTES E U T I L I Z A Ç Ã O INICIA! DO SISTEMA 6.1 I NTRODUÇRl J
6.2 EI O PI RELI.. I t ;•? 1 E I LAMENTOS.
6.3 FIO MCA 367 F I L A M E N T O S . . . 6. 4 FIO PIRELLI 1 24 F I L A M E N T O S
6.5 r IOS PIEEi ! . I P, SP I L!"2 24 EU. A M E N T O S
6.6 LIMITE EXTRFUSf.U! DOS I IO!.; RJ. RELI... I 24 F I L A M E N T O S . . . 6.7 r,;:il D O S FIOS FM REEL I 2 4 I- I LAMENTOS E VAC F-24
6.B ly, ERR í. C M . !ii, i i . DOS FIOS PIRELLI 24 F I L A M E N T O S . . . 6.9 AMOSTRA PADRÃO DO M B S
3 6
43
7. CONCLUSÃO..
1
RESUMO
A Pirelli est.\ tit •' * .'hvul vc-tulo f i o- supercundut or es mui t:i-ri 1 amen tares de NbTi , coin c a p a c i d a d e de a t é 5 0 0 i":, para aplicação em magnetos par,; - f o r m a d o d e imagens medi cat. por ressonância magnética nuclear (MRI) t para p e q u e n o s m a g n e t o s d e pesquisa. A Pirelli e o IíUSP d e s e n v o l v e r a m um sistema para a caracterização d e s t e s -fios, que p e r m i t e a r e a l i z a ç ã o d e m e d i d a s , com a mesma qualidade de laboratórios c o m o o Brookhaven National Laboratory (EtNL) e o National B u r e a u of S t a n d a r d s (NBS) americanos. Em particular, a medida da c o r r e n t e critica em
•função do c a m p o magnético a p l i c a d o , em h é l i o l i q u i d o , deve- ser d e alta s e n s i b i l i d a d e , p a r a que se p o s s a aplicar o s c r i t é r i o s mais modernos d e corrente c r í t i c a , e n v o l v e n d o resisti v i d a d e s da ordem de I O "
1 2ohm-cm. Serão d e s c r i t o s o s m é t o d o s de medida de corrente critica em f u n ç ã o d o t a m p o , da r a z ã o entre as resisti vidades d o fio a 295 K o a 10 K, e da r e l a ç ã o entre as áreas de cobre e de NbTi n o s fios. S e r ã o a p r e s e n t a d o s e discutidos os primeiros r e s u l t a d o s o b t i d o s , em -fios Pirelli e de outros -fabricantes, ÍÍÍL l u-;:i ve cm uma amostra p a d r ã o d o N B S . Estes resultados são de <|t'.,il . d a d e comparável aos o b t i d o s no BNL.
ou no N B S , em amostras dos m e s m o s f i o s , e assim o sistema deverá
ser muito útil no program.:! de d e s e n v o l v i m e n t o de -fios
supercondutoíes na Pirelli.
ABSTRACT
P i r e l l i i s d e v e i o p i n g s u p e r c o n d u c t i n g fiiultifi l a m e n t a r y N b T i w i r e s , w i t h ci.tr » e n ! . . i r t , i i n j > a p n: i t i i-:> o f u p t o 5 0 0 A , f o r U Í S
i i i m a g n e t i c r t - s o i i a n c e i m a g i n g < M R I ) i i y s t e m s a r i d i n s i r i â l l r e s e a r c h m a g n e t ? ; . P i • e l 1 i a n d I F W 3 P h . j v e d e v e l o p e d a s y s t e m f o r a s s e s s i n g w i r e p e r f o r i n a n c e , w h o s e q u a l i t y i s c o m p a r a b l e t o t h e e q u i v a l e n t s y s t e m s a t t h e B r o o k h a v e n N a t i o n a l L a b o r a t o r y ( B N L ) a n d a t t h e N a t i o n a l E>ureau o r S t a n d a r d s (NBS) . I n p a r t i c u l a r , a h i g h s e n s i t i v i t y i s r e q u i r e d f o r c r i t i c a l c u r r e n t m e a s u r e m e n t s , s o t h a t t h e m o d e r n c r i t e r i a f o r d e f i n i t i o n o f c r i t i c a l c u r r e n t c a n b e u s e d . T h e s e i n v o l v e c o n d u c t o r r e s i s t i v i t i e s o f t h e o r d e r o f 1 0- 1 2" o h nr l i f t . T h e inethni.lv, o f m e a s u r e m e r i t o f c r i t i c a l c u r r e n t i n a p p l i e d m a g n e t i c f i e l d s , o f r e s i d u a l r r c, i s t a n c e r a t i o a n d o f c o p p e r t o s u p e r c o n d u c t o r r a t i o a r e d e s c r i b e d . T h e r e s u l t s o f t h e f i r s t t e s t s p e r f o r m e d i n P i r e l l i w i r e s .and i n w i r e s o f o t h e r m a n u f a c t u r e r s a r e d e s c r i b e d . T h e s e i n c l u d e t e s t s o n a NBS s t a n d a r d r e f e r e n c e m a t e r i a l . T h e s e r e s u l t s a r e o f t h e s a m e q u a l i t y a s r e s u l t s o b t a i n e d a t BNL o r NE<S o n t h e s a m e w i r e s . S o t h i s s y s t e m c a n b e v e r y u s e f u l t h r o u g h o u t t h e P i r e l l i p r o g r a m .
1
1. INTRODUÇÃO
Este trabalho é parte «Jo programa de desenvolvimento de fios supercondutores mui tifílamentares de NbTi na Pirelli Brasileira.
A Pirelli tem interesse em desenvolver inicialmente -fios com capacidade de até 500 A, para aplicação em maqnetos para formação de imaaens médicas por ressonância maqnética nuclear
(MRI) e para pequenos maqnetos de pesquisa.
Nos últimos anos, as características dos -Tios supercondutores vem sendo significativamente melhoradas. Por exemplo, no fim da década de 7 0 , os melhores fios comerciais fabricados no mundo apresentavam densidades de corrente critica da ordem de 2200 A/mm
2a 5 T, enquanto que hoje este valor já subiu para 4000 A/mm
2(Supercon, U 3 A ) . Isto foi possível qracas a um exaustivo trabalho de otimização de materiais e processos, em ambas as escalas de laboratório e de indústria, realizado em vários centros de pesquisa, dos quais o mais famoso é talvez o Applied Superconductivity Center da Universidade de Wisconsin-Madison.
Os critérios de otimização resultantes são essencialmente empíricos e foram determinados para um certo processo de fabricação Cl 3, que em linhas gerais já era ou acabou sendo adotado por todos os fabricantes importantes. Este processo começa com a est ir agem de LTI monofi lamento de NbTi, que é um fio de NbTi com uma capa de cobre, de se- ' ida ou hexagonal.
Ele é estirado a frio até um diâmetro típico de 3 mm e cortado em vários pedaços. Estes são montados em um "billet" de cobre puro, tipicamente com diâmetro de 200 mm e comprimento de 400 mm, que é então evacuado e selado por solda de feixe de elétrons. A seguir o "billet" é extrudado a quente, até um diâmetro final típico de 50 mm; a partir dai, ele é deformado em um "draw bench", depois trefilado e submetido a vários tratamentos térmicos seguidos de trefilação. Durante a última etapa de trefilação, o fio é torcido. Finalmente, ele é esmaltado.
0 processo adotado pela Pirelli C23 e [3D, é diferente do processo acima. Não existem no Brasil as prensas necessárias para a extrusão e a Pirelli optou pelo desenvolvimento de um processo adequado às suas facilidades de trefilação e solda. O processo também começa com a produção de um monofilamento de NbTi. Pode-se estirar um fio de NbTi com capa de cobre de seção redonda, até um diâmetro da ordem de 1 mm, ou então estirar um fio de NbTi e recobri-lo com uma fita de cobre puro, soldada continuamente, e o diâmetro final também é da ordem de 1 mm. Os monofilamentos são cortados em vários pedaços e agrupados dentro de um tubo de cobre puro, que é então deformado em uma "swage"
ou trefilado diretamente. 0 fio pode ser novamente cortado em
pedaços e estes reagrupados em um tubo de cobre, e prossegue-se
a deformação e o reagrupamento até se obter o número final de
filamentos. 0 fio è então trefilado e submetido a uma série de
tratamentos térmicos seguidos de tref ilação, e t c , como no
p r o c e s s o , o n d e o i i i m p t i i n o r i t ü d o f i o e 1 i «ui t õ d o p e l a s d i i i i e n s o e s d o " b i l l e t " .
»1 r'ir t i l l i- <• lt iKA' i l i - . i - n v o l v«.-r ,iiii uni s í s t c - ü i o •••it .» ..•
L á r á c t e r u d i ^ i l u lio-.. t i «••.. t .«l»r i ç a d o s iit« l i r u l l l , que- pi-r i h i l i - vi r e a l i z a ç ã o d e m e d i d a s , i I.ÍH a mesii>a q u a l i d a d e d e l a b o r a t ó r i o s como o B r o u l l i . i - . i ' i i M.tl i i H i . i l l a b o r a t o r •/ i» o N a t i o n a l E t u r e a u o f S t a n d a r d s omer i . m , u : . . Lm p a r t i c u l a r , «• m e d i d a d a c o r r e i i U - c r i t i c a l«; t-ni (ituí,:s.i d o r a m p o m a g n é t i c o a p l i c a d o H , enri h é l i o
l i q u i d o , d e v e sc-i d«- ><1 I n s t - n s i b i 1 i d a d e , p a r a q u e s e i > o s s a a p l i c a r o s c r i t > ' - r i u i j mai s mode» I I L I S d e c o r r e n t e c r i t i c a , e n v o l v e n d o r e s i s t i • / i d a d e s d a o r d e m d e HJ~*~J ohm—cm.
N e s t a m o n o g r a f i a , « j e r à f e i t a uma dt-ç.tr i i , 3 o d o s i s t e m a e çit-r ã o a p r e s e n t a d o s o s r»:--.»ul t a d u - j J u b t e s t e i i n i c i a i s d o s i s t e m a . U s p r i n c i p a i s par ametr «.is a s e r e m m e d i d o * , s e r ã o i n t r o d u z i d o s n u C a p i t u l o 2 . N o L a p i t u l o 3 s e r á a p r e s e n t a d o um r e s u m o d o s a s p e c t o s p e r t i n e n t e s d a s t e o r i a s f e n o m e n o l ô g i c a s d e c o r r e n t e c r i t i c a . No C a p i t u l o 4 s e r á d e s c r i t o o t r a b a l h o d o N a t i o n a l B u r e a u o f S t a n d a r d s , r e f e r e n t e à s e l e ç ã o , t e s t e e d i s t r i b u i ç ã o d e uma a m o s t r a p a d r ã o p a r a a h o m o l o q a ç ã o d e s i s t e m a s d e m e d i d a d e c o r r e n t e c r í t i c a , l-ui a d q u i r i d o um l a n c e d e s s e p a d r ã o p a r a t e s t a r o s i s t e m a d e s e n v o l v i d o a q u i . A d e s c r i ç ã o d o s i s t e m a s e r á f e i t a n o C a p i t u l o 5 . L no C a p i t u l o 6 s e r ã o a p r e s e n t a d o s e d i s c u t i d o s o s r e s u l t a d o s do m e d i d a s r e a l i z a d a s em f i o s P i r e l l i e d e o u t r o s f a b r i c a n t e s . i r i L i n i i i d c i a a m o s t r a p a d r ã o d o NBiJ. e o s r e s u l t a d o s s e r 3 o c o m p a r a d o s e n t r e - f i o s e e n t r e l a b o r a t ó r i o s .
CARACTER I H T I I . M : K T l F V A N T t í í NU PRO.7FT0 DOR T I O S r i R F L l I
2 . 1 INTRODUÇttO
Estes -fios s e ri»-< 11 n.-.m .r apliiaçftes em c o r r e n t e c o n t i n u a . N e s s a s c o n d i ^ b e s , c> seu compor tamr-nto eletroí, g n è t i c o em campos e correntes a p l i c a d o s pode sr*r bem d e - c r i t o por u m a curva característica d e corrente c r i t i c a em f u n ç ã o d o c a m p o m a g n é t i c o a p l i c a d o , na temperatura d e o p e r a ç ã o , que e a d o h é l i o liquido (4.2 K à p r e s s ã o atmosí er í i.a) . A c o r r e n t e critica e a maxima c o r r e n t e que o fio suporta n o e s t a d o s u p e r c o n d u t o r . E l a é função d o c a m p o , da or imitação no i fiapo, da temperatura e da micro e s t r u t u r a , entrí- outras v a r i á v e i s . O seu valor não e bem definido e d e p e n d e de c r i t é r i o , sendo que n ã o ha um t r i W-r i .j universalmente a d o t a d o . Ela é nor m a l m e n t e d e t e r m i n a d a a partir da t r a n s i ç ã o r e s i s t i v a . Nectí- c a p i t u l o serão d e s c r i t a s a s curvas t í p i c a s de I
C:-;H e d e V:; I de um fio s u p e r c o n d u t o r , e serão
introduzidos o p a r â m e t r o da t r a n s i ç ã o resistiva n, a corrente de quenching I
u, a razão entre a s r e s i s t i v i d a d e s do condutor a 2 9 5 K e a 10 K , R R R , e a razão entre a s á r e a s d e c o b r e e d e supercondutor, C u : S C .
2.2 CURVA I^;;H EM HEI IO LIQUIDO
C o n v e n c i o n o u - s e , e n t r e o s fabricantes de fio:, c- t a b o s , especificar sempre a curva I
tí;ll com I ortogonal & H. Esta é em geral a orientação preierenciai n o s m a g n e t o s e , mais ioportante, nesta orientação a corrente critica e uiinima. A m e s m a convenção e adotada aqui.
Na F i g . 1 C4J estão apresentadas uma reta d e c a r r e g a m e n t o de um
tipico solenoide para pesquisa e uma curva típica para um fio de
NbTi que seria u s a d o no enrol amen to do s o l e n o i d e . O solenoide
poderá operar no m á x i m o até o valor de c o r r e n t e dado pela
interseção entre a sua ri Ia d e carregamento e a curva I,_.;H do
f i o , que neste exemplo é lh A , c o r r e s p o n d e n d o a um c a m p o gerado
d e 5-1 T. P o r t a n t o , para dado s o l e n o i d e , quanto maior e !,_ (H) do
fio usado n o enrol a m e n t o , maior será o campo p r o d u z i d o pelo
solenôi de.
rio r i i i i u t i riuMare:
K1 g . 1 - C u r v a Ici-.'H d e um c â r r e Q a i r i e n t ü d e LI»Í
C«*C. T
+ io d ê Nb"[ i e curva J e p e q u e n o s o l e n ô i d e para
CURVA '•}.. í
A c ü r r e r i t f c i r i t i t . a d o í 1 0 , em d a d o t a m p o , e n o L Ò E Ü , r i a t e m p e r a t u r a d o i i e l i o l i q u i d o , e n o r n i a 1 i i i e n t e d e t e r m i n a d a a p a r t i r d a t r a n s i v â n t ea-i i t i v a . L i ^ t i * , p o r e m , n â o e a b r u p t a ( V . í i y - 1;) , o q u e p r i ) v a v t ? l líifi-i i t i : - :>> d e v e a n S l o - h ü i r i o g ê n e i t i a d e s n a s p r o p r i e d a d e ' » • s u p e r c o n d i . i t r v r -..»•••>, a o i u i i i j o d e c a d a f l I a i n e o t o C b J ,
t 6 I , L 7 3 .
COKP.CKTC. *
I i i i v . i I j p i i ti V. .1 ílf- I I Í I I < j o s i i p t r r f i i i i l i 11 or
| Í Í j l i i . ü n a i f.:tj I í".ij ( l . i I r i iri;:»i ( , 5 o
A s s i m , a c o r r e n t e c r i í i r í i i«^ p o d t ? s e r dc-t i r a d a a r b i t r a r 1 « m e n t e , o u em t e r m o s d»:.- um L j i n p ü o l è l r i c u * l o n y o d e u m a a m o s t r a t i o t i o
C 8 J , o u em l e r m o s d e u m a r e s i s t l v i d a d e e f e t i v a , d e f i n i d a J j m a n e i r a u s u a l 5.V 1 :
r !,.• V í i / L I • 1 ) o n d e V é a t e u ^ a o n a a m o s t r a
L é o c o m p r í m e n t n d a n n i o s t r a e n t r e u s t e r m i n a l s d e t e n s ã o I é a c o r r e r i t e
A é a s e ç ã o t o t a l d e c o n d u t o r ( i n c l u i n d o a m a t r i z d e c o b r e ) Ma f a i x a • l u i l õ * * . . . i o • *« n h i r i - c n i , a c u r v a r l i o :-; I e r e v e r s í v e l e p o d e s e r b e m a p r o x i m a d a p e l a s e g u i n t e e q u a ç ã o L V J s
r h o -- a I " ( 2 ) o n d e n p o d e v a r i ar d e s d e 10 a t e v a l o r e s s u p e r i o r e s a l O O .
A n a l o g a m e n t e , p a r a um c r i t é r i o d e campei e l é t r i c o , t e m — s e i
V ---= a í " * * ( 3 )
Para rho <- IO
,=" ohm-cm, a dissiparão e aceitável mente baixa, mesmo em grandes magnetos impregnados ClOJ. Assim, surgiu c seguinte cr itério para a corrente critica, proposto originalmente por Sampson et ai em ClOJ e hoje amplamente adotado:
r h o l Ic) I o '1 2 Íihííi-cflí ( 4 )
P o r e x e m p l o , p a r a uni í i o d e t ií»m d e d i â m e t r o e p a r a uma c o r r e n t e c r i t i c a d a o r d e m d e tiOO A , o c r i t é r i o a c i m a c o r r e s p o n d e a um c a m p o e l é t r i c o d e •.>.<_>& m i c r o - V / c m . A s s i m , o r e g i s t r o da c u r v a Vx I c o m uma s e n s i b i l i d a d e a d e q u a d a , p e r m i t e d e t e r m i n a r e c o m p a r a r v a l o r e s d e lc par" a d i f e r e n t e s c r i t é r i o s .
E n t r e c e r c a d e 1 0 ' * * o h m - c m e um v a l o r v a r í ã v e l d e i i o par a f i o , a c u r v a V x 1 e J i n e a r , r u m i n c l i n a ç ã o m e n o r q u e a r e s i s t ê n c i a d a m a t r i z p o r a t é d u a s o r den-:- d e g r a n d e z a L a J .
Ü v a l o r d e c o r r e n t e em q u e a t e n s ã o d e f ) n i t i v ã m e n t e e x p l o d e , e c o n h e c i d o c o m o c o r r e n t e d e q u e n c h i n g , I0. N e s t e p o n t o , o m a t e r i a l r e v e r t e <.. o m p l e t a m e n t e p a r a o e s t a d o n o r m a l , e a r e s i s t ê n c i a e l é t r i c a pa\»-..i a s e r e s s e n c i a l m e n t e d e v i d a a m a t r i z
( n o r m a l m e n t e d e c o b r e ) .
2.4 PARÂMETRO DA TRANSIÇRO RES I ST I VA n
Este parâfFiCitf o é o expoente- d e f i n i d o n a s r e l a ç ü e s <2> e (3>
acima. Quanto maior n, mais abrupta é a transição. E s t e parâmetro também ti- conhecido como índice d e qualideule do filamento, p o r q u e , segundo e s t u d a s r e c e n t e s C11J, C.123, C 1 3 3 , existe uma correlação entre ri e a q u a l i d a d e do -filamento.
Esta correlação Be aplica a fios n o m i n a l m e n t e idênticos e com a mesma história metalúrgica, nos quais porém as causas d e irregularidades nos filamentos nâo podem ser c o n t r o l a d a s . Assim é que, nos fios com I
ca l t a , os f i l a m e n t o s s'ào regular es e n é alto. E nos fios com 1^ b a i x a , os f i l a m e n t o s normalmente são irregulares (seção n ã o u n i f o r m e ) e n é b a i x o . Na Fig. 3, reproduzida de [131, está apresentada a v a r i a ç ã o de n com J
mc:, que é a densidade de corrente crítica r e f e r e n t e à área d e supercondutor apenas. Os valores de 3
m^ foram m e d i d o s a S T . Todos os fios têm as mesmas d i m e n s õ e s e o m e s m o tratamento metalúrgico, porém a uniformidade dos f i l a m e n t o s varia de fio para fio. 0 diâmetro dos filamentos ê da ordem de 2--3 m i c r o n s . Observa-se claramente? uma tendência ao a u m e n t o d e J.
ccom n.
(5TI,
flOS Í7 CBA (BNL)
j:
+T" T
f 1 Q .
10 20 30 d0 PARÂMETRO 0A TRANSIÇÃO RÍSISTIVA n
J»«(ST) v. n para f i o s com m e s m a s e s p e c i f i c a ç õ e s . uorém com d i f e r e n t e s oraus de "sausaaina" C13]
E possível obter fias com n alto e J
mr. b a i x o . E s t e s fios teriam
filamentos reaulares. uorém J«,- nao e s t a r i a o t i m i z a d a .
Na F i g . 4 , também r e p r o d u z i d a d e C 1 3 3 , e s t á i l u s t r a d a a var i a ç â o d e n com H , p a r a 3 l i o s da f i g u r a a n t e r i o r . O - f i o coro J„,_ m a i s a l t a t e m n ( H ) m a i s a l t o que; o s f i o s corn J » t ; m e n o r e E . P a r a v a l o r e s a l t o s d e H (13. . . 10 T ) , n t e n d e a um v a l o r c o n s t a n t e com Jm*i- P o r i e t - o , na l i t e r a t u r a IL£>3, í 11 .1 , L133 ê c o s t u m e u s a r i n d i s t i n t a m e n t e as e x p r e s s õ e s " f i o s com n a l t o " e " f i o s com v a r i a ç ã o a b r u p t a de n coin I I " ; e a n a l o g a m e n t e , " - f i o s com n b a i x o "
e " f i o s com n c o n s t a n t e corn H " .
50 -
uo .
30 -
FIOS P/ CBA (BNl) J , ( 5 T ) » 2000 A/<m'
O c o
O
J , <5T) - 1750 A/mn*
Jc( 5 T ) - 1400 A/ran'
0 D o
o o
° 6
r—
t
H, Tis I a
10
F:i 11
H d e
• i o scom f i 1 a m e n t ü s d e i.m i. f or'iiii cladf? v a r i á v e l C13II
A c a u s a m.-ii"> comum de i r r e g u l a r i d a d e s de f i l a m e n t o s , em d i â m e t r o s i n l e r i [ i t f ' i ; a IO m i ' i r o n s , e o " s a n s a r j i n g " 1111.. A e x t r u s S o do
" I M Í Í I - I "o os t r a t a m e n t o s t e r mi e n s d o f i o p r o d u z e m uma q u a n t i d a d e s i q n i f i c a t i v a de p a r t í c u l a s de c o m p o s t o s de (",'u Mb- •Ti . na i n t e r f a c e i n a t r i z--f i 1 a m e n t o . 0 i n t e r m e t á l i c o s e a a l o m e r a d u r a n t e a t r e f i I acüSo. p r o d u z i n d o n ó d u l o s . c.iue s e i n c r u s t a m na s u p e r f í c i e d o s f i 1 anient o s . e a s e t So d o s f i l a m e n t o s e r e d u z i d a na v i z i n h a n ç a d o s n ó d u l o s . D " s a u s a q i n q " o c o r r e d e m a n e i r a g e n e r a l i z a d a ao l o n g o d e t o d o o f i o , e q u a l q u e r "
m i c r o q r a f i a com a u m e n t o de 1000 X, r e v e l a p e l o menos um s e g m e n t o de s e l e t o r e d u z i r i a p o r f i l a m e n t o .
Ma F i q . 5 , também r e p r o d u z i d a d e T 1 3 I I , e s t á i l u s t r a d a a v a r i a ç ã o
d e n com J „
c :. r>3(o a p r e s e n t a d a s as t r a n :i ç8f?5 r e s i s t i v a s p a r a um
mesmo f i o em v á r i a s e t a p a s da t r e f i 1 a ç & o . O d i í t m e t r o i n i c i a l e
d e 9 m i c r o n s e c o r r e s p o n d o a c u r v a da d i r e i t a . As m e d i d a s f o r . m i
r e p e l i d a s a o s 4 . 6 „ 2., 3 e 1.3 mi ; rr>i is ,, da d i r e i t a p a r a a e s r ' i u e r d a
na F i q . 5 . D ca nip o ó cie 'ü T . A m e d i d a em oue o f i o f o i s e n d o
confirmado a partir de microgra-fias.
FIO ti C M ( M L )
2.3 * . 6 5.0 |»m 15.S 3* *S '
j 0.5 -
0.0
F i g . T r a n s i ç f t e s r e s i f i o s t r e f i 1 a d o s . f i 1 a m e n t o s s â o ,
s t i v a s p a r a uma s é r i e d e Os d i â m e t r o s m é d i o s d e d a d i r e i t a p a r a a e s q u e r d a , 9 .
T , T - 4 . 2 3 K,
4 .
e 1 . : mi c r o n
H=C u : N b T i ^ - 1 . 7 C133
E m p r i n c i p i o , a d o f o r rn a ç 2t o a d i c: i o n a l d a d a a o s f i o s c o m - f i l a m e n t o s d e 9 m i c r o n s , d e v e r i a e s t a r a u m e n t a n d o J . c . I s t o s e r á v i s t o no C a p i t u l o 3 . Na s i t u a ç ã o em que J
m^ é m á x i m a , a o l o n g o do p r o c e s s o de d e f o r m a ç ã o d o f i o , d i z s e q u e f o i a t i n g i d o o
l i m i t e fiütrínsec I c = J « x S ,
c, medi
3» c 1
s e
cio f i o . A s s i m , e n q u a n t o s e e s p e r a v a m e d i r e i c j - í l c ; . 0 v a l o r que? v a i p a r a o g r á f i c o é
A s s u m i n d o que a s e ç ã o c a r a c t e r í s t i c a ê d e v i d o ao " s a u s a g i n g " , e n t ã o a i n d a s e t e m o v a l o r i n t r í n s e c o J
# í :" i c / £ « t . Ao mesmo t e m p o , n d i m i n u i com a d e f o r m a ç ã o . I s t o t e m a s e g u i n t e i n t e r p r e t a ç ã o e s t a t í s t i c a 1 5 1 ,
C 6 1 , C73: o i n i c i o da t r a n s i ç ã o r e s i s t i v a s e c a r a c t e r i z a p e l a t r a n s f e r e n c i a d e c o r r e n t e a m a t r i z , n o s s e g m e n t o s ( d e c a d a f i l a m e n t o ) o n d e a seçíílo d o s f i l a m e n t o s é m a i s r e d u z i d a , o u s e j a , n o s s e g m e n t o s oi'ide T,^ <'• m e n o r . Q u a n t o m a i s d i s p e r s a é a d i s t r i b u i çíno d a s s e ç f i e s , m a i s d i s p e r s a e a d i s t r i b u i ç ã o d e 1 ^ , e m a i s l a r g a é a t r a n s i ç ã o , p o r t a n t o menor é o v a l o r de n»
E s t a s c o r r e i açfór-s sa'o ú t e i d o s f í o s si u p e r c o n d u t o r e s .
para a otimiza Jo das propriedade
9
2.5 OUTROS PARÂMETROS
Outros parâmetros de interesse sâo a corrente de quenching 1
Q, a razão entre as resistividades do condutor a 295 K e a 10 K, RRR, e a razão entre as áreas de cobre e de supercondutor, Cu:BC.
Estes 3 parâmetros estão ligados à estabilidade do fio. A estabilidade do fio será discutida no Capítulo 3.
Os valores de RRR e de Cu:SC são especificados, enquanto que o de Ia normalmente não é. O valor de I
Qpode ser obtido com sensibilidades da ordem de mV/cm. Ele pode ser significativamente maior que I
=, que é determinado com sensibilidade da ordem de 0.1 micro-V/cm.
A resisti vidade do condutor a 295 K permite estimar Cu:SC
Tporém o resultado ê muito sensível a escolha dos parâmetros envolvidos, como as resisti vidades do cobre e do NbTi C14]. A temperatura critica do NbTi é cerca de 9 K. A resistividade do condutor a IO K é essencialmente a resistividade residual do cobre e ê tanto menor quanto maior é a pureza do cobre e menor e a quantidade de defeitos cristalinos. A idéia de especificar RRR provavelmente [15] está ligada ao fato de que alta RRR implica em alta conduti vi dade térmica do coLire, P> portanto em melhor estabi1 idade.
Os valores de RRR são especificados na fai::a 60. . . 100, em campo
zero, e são facilmente alcançáveis com cobre 0FHC, que e o cobre
normalmente? usado na fabricação de condutores.
ALGUMAS C O N S I D E R A Ç Õ E S T E Ó R I C A S
3.1 INTRODUÇPlO
Neste capítulo ser So abordados os a s p e c t o s m a i s relevante':, das teorias fenomenológicas d e corrente crítica. Na seção 3.2 serão descritos e c o m p a r a d o s os s u p e r c o n d u t o r e s do tipo I e do tipo
II. O s supercondutores do tipo II têm interesse t e c n o l ó g i c o , devido às suas correntes c r i t i c a s e campos críticos relativamente altos © ao fato dc« c o r r e n t e c r i t i c a poder ser maximizada pela alteração da mi cr o-estrutura. A s s i m , na seção 3.3, será descrita a distribuição microscópica d o -fluxo magnético no interior de um supercondutor do tipo I I , conhecida como rede de f l u x ó i d e s , e será vista nue ela interage com uma corrente de transpor Le. Esta interação corresponde a uma -força de Lorentz , que tende a fazer a rede de fluxóides m o v e r - s e ,
induzindo um campo elétrico no interior do supercondutor. 1 •:::>!_o caracterizei o estado crítico do supercondutor. Na s e ç ã o 3.4 ser A descrito o principio geral d e a n c o r a m e n t o de fluxo, ou de "-fl un- pinning". Quanto mais eficaz é o "pinning", m a i s alta e a corrente critica do supercondutor. O s m e c a n i s m o s ainda não são bem c o n h e c i d o s , e provavelmente ainda não se atingiu um limite intrínseco para nenhum material s u p e r c o n d u t o r . F i n a l m e n t e , na seção 3.5, serão introduzidos alguns p r i n c í p i o s de estabilidade de fios supercondutor e s . 'lera visto que os fios super condutor es precisam ser feitos na forma de c o m p ó s i t o s mui t i f i 1 ament ar -es e P r f? f e r i v e1men te t o r c i d o s .
A seção 3.? foi baseada em C16:i e C 1 7 3 , a seção 3.3 em t!173 e riB:i, a seção 3.4 em ri 9 3 e a seção 3.5 em 1201:.
3.2 SUPERCONDUTORES DO TIPO I E DO TIPO II
Para ambos os tipos de s u p e r c o n d u t o r , a s u o e r c o n d u t i v i d a d e estA
definida anonas dentro de uma s u p e r f í c i e c r í t i c a , c u j o s eixos
são a temperatura í, o campo m a g n é t i c o H e a corrente de
transporte I. Ma Fig. 6, reproduzida de f201, está representada
a superfície crítica de um fio t í p i c o de N b T i , que o um
s up e rcondut or d o t i po II.
11
* T
Fig. h - Superfície critica de um -fio de NbTi C203 Nos supercondutores do tipo I, a corrente crítica é aquela que produz o campo crítico H
cna superfície do supercondutor. A corrente crítica é reduzida pela aplicação de um campo externo H, porque o campo que ela aqora tem que produzir è apenas a diferença H
c-H. A variação de I
ccom H é linear e, no caso de um fio longo e retilíneo, é dada por:
U(H> 5r (H-H^) (5) onde r é o raio do fio, .em cm
H em G, 1G = 10--"»T I
cem A
Nos supercondutores do tipo II, a relação (5) vale apenas até um campo critico H
ei . Para H>H
ei, 1=<H> não tem uma forma simples, como pode ser visto nas Fiqs. 1 e 6 (Hcs»<lT) , e I
c(H) depende fortemente da micro-estrutura do f-. o. E possível fabricar amostras de NbTí com I
c.H>He:i> praticamente nula, e ao mesmo tempo existem fios comerciais com 1^(51)=4O0O A/mm
3, com a mesma composição de.- NbTi .
üs supercondutores do tipo 1 são condutores perfeitos (rho~ü) e também apresentam o efeito Meissner, que é a expulsão total do fluxo magnético do interior do supercondutor, na transição do estado normal para o estado supercondutor, mesmo sem a variação do fluxo aplicado. Assim, no supercondutor do tipo I:
B " 0 (6)
O s irmãos L o n d o n , em 1 9 3 Ü , de&envolver ara uma teoria eletrodinâmica p a r a o s s u p e r c o n d u t o r e s d o t i p o I, modi -f icandr > as, e q u a ç õ e s d e Maxwell para acomodar o e f e i t o Meissner e assumindo c o n d u t i v i d a d e p e r f e i t a . Um r e s u l t a d o importante, verificado ex per i mental m e n t e , e que E p e n e t r a parcialmente n o supercondutor :
fix) - biO) exp t -x / X u D (7)
onde >l|_ é a distância típica d e penetração de B , e e também onde circulam as c o r r e n t e s p e r s i s t e n t e s d e blindagem. O seu valor é caracter i st ito do mat eri a i .
O u t r o r e s u l t a d o importante é q u e , se o campo penetra p a r c i a l m e n t e , e n t ã o a energia livre d e G i b b s por u n i d a d e d e volume d o s u p e r c o n d u t o r , na r e g i ã o de p e n e t r a ç ã o , diminui em:
-1/2 JUo H = (8) Se o d i a m a g n e t i s m o fosse c o m p l e t o , a energia livre por u n i d a d e
d e v o l u m e aumentaria d e :
Gcc, (H) - G(0) = 1/2 fo H
2(9)
onde
GCCJe a energia livre do material c o m p l e t a m e n t e
diamagnético no c a m p o H
O resultado em (8) indica q u e , se G diminui em uma região d e penetração d e c a m p o , enteio é eneigeti c a m e n t e favorável a criação d e m u i t a s d e s s a s r e g i õ e s no interior do supercondutor. O b s e r v a - s e , porém, que o e f e i t o Meissner é estável F» há portanto apenas uma d e s s a s r e g i õ e s .
Para resolver este p r o b l e m a , P i p p a r d , em 1953, sugeriu a seguinte e x t e n s ã o : um portador de carga saindo d e uma região normal ou d o v á c u o e e n t r a n d o em uma r e g i ã o s u p e r c o n d u t o r a , só c o n s e g u e mudar a sua f u n ç ã o de onda normal para uma s u p e r c o n d u t o r a , após vencer uma distância ( , característica d o m a t e r i a l . A s s i m , quando se aplica H < H
Ca um material s u p e r c o n d u t o r , um volume proporcional a Ç v. área da superfície 3 fica n o r m a l , e assim a energia d o supercondutor a u m e n t a , nesta s u p e r f í c i e , d e :
1/2 |U.
0H
c 3{ ü = G„ (O) - G.íO) (10) q u e e a d i U t w i ç a e n t r e as e n e r g i a s , em campo z e r o , no cv.l.ailii n o r m a l p» n c e s t a d o s u p e r c o n d u t o r , o u e n e r g i a d e c o n d e n s a ç ã o . Ao mesmo t e m p o , o campo p e n e t r a n o s u p e r c o n d u t o r uma d i s t â n - c i a X , a s s i m a e n e r g i a em X d i m i n u i d e :
1/2 * o H
2\ B <11)
A s s i m , a enet g i . i ii<\ i n t e r f a c e é :
a „ . - 1/2 fto S ( H c - ^ f - H= A ) <12) Segundo Pippard, nos metais p u r o s t e m - s e \ >> \ , p o r t a n t o a
r,»>0 e assim o efeito Meissner é e s t á v e l . S e ( < X , o e f e i t o liei í.>-sner só é estável até um certo valor d e H , a p ó s o que a „ , < 0 .
Ginzburq e L a n d a u , em 1 9 5 0 , d e s e n v o l v e r a m a -funciSo d e G i b b s para um supercondutor em um campo a p l i c a d o H, como uma e x p a n s ã o em potências oe Ity-l
2, que é a fracato d o s p o r t a d o r e s de carqa no estado supercon lutor. e levando em conta também os termos d e v i d o s à penetração parcial do c a m p o e à vari acato da enerqia cinética dos portadores d e c a r q a . p r o v o c a d a pela v a r i a ç ã o espacial da sua f u n c â o de onda Y- . O e o u i l i b r i o ê obtido oela minimizacâo de G. Resultam duas e q u a ç õ e s . A primeira p e r m i t e o c á l c u l o d e V em presença de H e a seuunda dá a d i s t r i b u i ç ã o das supercorrentes.
Ginzburq e Landau introduziram o p a r â m e t r o K:
K = > /\ --• 2(2)*'= X * e fo He / -fi (13) onde X e íj t£m o mesmo si qni-ficado p r o p o s t o por Pippard
e é a carqa do elétron
•fi é a constante de Planck h/2 Tf
A q u i , a
n a> 0 se K< 1/ (2) * ''-*, e o supercondutor é d o tipo I. Se K>1 / (2)
1'
sc, o efeito Meissner só é estável a t é um c a m p o H
ci , e para H > H
ct , o supercondutor s e s u b d i v i d e em m u i t a s r e q i o e s supercondutoras e n o r m a i s e é d o t i p o II.
Um resultado importante é que e;:istem s o l u ç õ e s | \ M
3- / 0 para H
r< H < H
c 2nos s u p e r c o n d u t o r e s d o t i p o I I , e a r e l a ç ã o entre H
ce H
e aé dada por:
( H
= 2<-M> dH ~ H
C= V 2 (14) 0 .
A curva de maqnet i ::açí*o dos s u p e r c o n d u t o r e s do tipo II tem o
aspecto indicado na Fig. /:
c2 CAJIPO APLICADO H
Fig. 7 - Curva de magnetizaçâo de um supercon—
dutor do tipo II; as áreas hachuradas são iguais
3.3 REDE DE FLUXOIDES DE ABRIKOSOV
Ginzburg e Landau não estudaram as soluçftes de suas equações para a
r,.<0, o que só foi -feito por Abr i kosov em 1957. Neste caso, com K 1/(2)
1X2íe H>H
e», reqiftes normais começam a ser nucleadas n& superfície do supercondutor. Estas reqiftes carregam fluxo maqnético e inicialmente movem-se livremente no interior do supercondutor. Aumentando H, mais reqiftes são nucleadas, o que é favorecido pelo fato de a„.<0 e de | a
n a| aumentar com H.
Assim, B, que era zero em H
=i , aumenta, até que as regifies normais se sobrepftem e ocorre a transição para o estado normal, em H
c 2.
O fluxo magnético deve ser contínuo, assim, as regiftes normais sâ*o contínuas na direção paralela ao campo. Porisso elas também são conhecidas como linhas de fluxo ou fluxoides. Decorre da teoria de Ginzburg Landau que o flu:;o é quantizado e também é mais favorável um quantum único:
0. h/2e
U Í J )Cada fluxóide tem um núcleo contendo elétrons normais, cujo diâmetro é '.'£ , e o quantum de fluxo é mantido por supercorrentes circulates concentric.as, e que decaem através um raio X a partir do centro do núcleo (V. Fig. 8 ) :
de
15
O DISTANCIA * PARTIR 00 CENTRO 00 FLUX0IOE
Fig. 3 - Variação do campo magnético local h e de
|lf-| através de um flu:: oi de isolado [17 3 Todos os flu::óides carregam fluxo no mesmo sentido, portanto o campo macroscópico B e dado por:
B ~ n <Ó
0onde n é a densidade superficial de flu::óides
(16)
0 campo B no interior do supercondutor, em função do campo aplicado H, tem o aspecto indicado
IUSIFig. 9:
F i
9 -
9Variação do campo macroscópico Ei no interior de u.n supercondutor do tipo II, em função do campo aplicado H
Os fluxóides se repelem, porque todos eles carregam fluxo no
mesmo sentido. 0 arranjo mais estável para a rede de fluxòides é
o triangular. Se a densidade de fluxóidet. deixa de ser uniforme, a interação magnética entre eles age como uma pressão, que os obriga a se mover até recuperar a distribuição uniforme.
Assumindo que o movimento dos fluxóides é livre, a redução de H permite a remoção de todos os fluxóides nucleados, e assim a curva de magnetização é reversível. Al L-m disrio, se a distribuição é uni-forme, então B = n 0 o é uniforme e H é uniforme, com rot H - J i w . = O. Este último resultado mostra que, para o supercondutor carregar corrente, é necessário que a rede de fluxóides seja irregular [213. Para isso são necessários
impeçim o movimento livre dos fluxóides
mecanismos que Outra
forte razão para o ancoramento dos fluxóides é a de que uma corrente de transporte interage com os fluxóides, produzindo sobre eles uma força de Lurentz (V.Fig. I O ) :
-7* (17)
onde J é a densidade de corrente de transporte
/
cb cb cb
ò è ò o cb cb cb -
cb cb cb cb
F i g . 10 - I n t e r a ç ã o e n t r e uma c o r r e n t e d e t r a n s p o r t e I e a r e d e d e f l u x ó i d e s Se n ã o h o u v e r i m p e d i m e n t o , o s f l u x ó i d e s s e movem na d i r e ç ã o da f o r ç a , e a s s i m i n d u z e m um campo e l é t r i c o :
1 (18)
or -ide v é a velocidade dos fluxóides.
Portanto, desenvolveuse uma resistência e a corrente critica é
aquela apenas suficiente para iniciar o movimento dos fluxóides.
O movimento dos fluxòides é conhecido como "-flux flow". O ancoramento dos fluxòides é conhecido como "-flux pinning".
3-4 "FLUX FINNING" E MODELO DO ESTADO CRITICO
O modelo do estado cr itico, introduzido por Etean L22J em 1962 e aperfeiçoado por Kim et ai L233 em 1963, permite o cálculo da distribuição do -fluxo e da corrente no interior de um supercondutor do tipo II. Assume-se que o -fluxo tem uma certa profundidade de penetração, que é função do campo aplicado (e da temperatura). As correntes de blindagem e de transporte tem a mesma profundidade de penetração. Além disso, assume-se que a densidade de corrente é sempre critica, e determinada pelo campo e oela temperatura locais.
Na Fio. 11 estão representados 6 perfis de campo diferentes no interior de u>n filamento supercondutor. No caso, só há corrente de blindaoem. Quando há corrente de transporte, o perfil de campo torna-se assimétrico.
,
U0
HS H
- 0H 3
••,",
"oV.t
VACUO SU'CftCOMOUTOft VACUO
Fig. 11 - b perfis de campo no interior de um fi- lamento supercondutor de seção circular e sem corrente de transporte [173
Qualouer aumento de B ou J provoca o movimento dos fluxòides. ou
"flux flow", aue podem se redistribuir em um novo estado critico, ou provocar a transição para o estado normal.
0 "flux oinninq" inibe o "flux flow" até um certo valor de? F
u.
Exemplos de centros de "pinninq" possíveis &ão impurezas,
ímperfeiçfâes e contornos de grãos na rede cristalina. A rede de
fluxôides a p r e s e n t a uma certa r i q i d e z , d e -forma q u e o "pinninq"
de alguns imobiliza todos. O m e c a n i s m o d e "pinninq" v a r i a de material para m a t e r i a l .
A r e a ç ã o dos centros, de "pinninq" -faz com q u e o metal a t u e como um meio v i s c o s o , de modo que d e v e — s e fornecer enerqia para manter um ;-lu::òide ei*i movimento. S e e s t a e n e r q i a -for p e q u e n a , o material encontra um novo e s t a d o c r i t i c o , c a s o c o n t r á r i o e l e reverte para o estado n o r m a l . Isto a c o n t e c e p o r a u e o m o v i m e n t o d o s fluxóides em um meio viscoso o e r a c a l o r . e o aumento da temperatura do supercondutor p o d e fazer com o u e e l e dei::e a sua super-fície c r í t i c a .
A quantidade e a eficácia d o s c e n t r o s d e "pinninq" dependem fortemente d o processo de fabricação d o s u p e r c o n d u t o r . A s s i m , a corrente c r í t i c a não é uma p r o p r i e d a d e d e u m a c o m p o s i ç ã o p a r t i c u l a r , m a s depende fortemente d a h i s t ó r i a m e t a l ú r q i c a d o supercondutor. Na Fiq. 12 e s t ã o r e p r e s e n t a d a s a s c u r v a s d e magnetização e d e corrente crítica d e f i o s s u p e r c o n d u t o r e s feitos d o m e s m o m a t e r i a l , porém c o m d i f e r e n t e s f o r ç a s de
"pinning". AT» melhores curvas d e I
e::H c o r r e s p o n d e m à s c u r v a s d e magnetização m a i s histeréticas.
F i q . 12 - Curvas d e m a g n e t i z a ç ã o e de corrente?
crítica d e f i o s feitos d o m e s m o m a t e r i a l , porém com f o r ç a s d e "pinninq" c r e s c e n t e s da esquerda para a d i r e i t a C17J
No c a s o do NbTi , o mecanismo de "flu;: p i n n i n g " mais a c e i t o r.21J
atualmente é o seguinte: são d a d o s t r a t a m e n t o s t é r m i c o s ao f i o ,
entre as trefi1açftes, para precipitar uma f a s e a l f a - T i , que ç.-.e
V?
forma c o m um filme fino n o s c o n t o r n o s de q r ã o s . A trefilação s u b s e q u e n t e , a f r i o , permite deformar o s p r e c i p i t a d o s , qut? •::•*
alongam n a -forma d e -fitas o r i e n t a d a s na direção da d e f o r m a r ã o . Esta m o r f o l o g i a p e r m i t e o bom a n c o r a m e n t o d o s fluxoides. Um novo
tratamento t é r m i c o pr ovDCd mais prc-cipi taçOc-s, e ."tuibe-iit a ; d e n s i d a d e d e s s a s frit-V-i na próxima t r e f i l a ç ã o , aumentando ..tinda m a i s o "flu:: p i n n i n a " .
3.5 E S T A B I L I D A D E DE UM H O S U P E R C O N D U l Ü K
Finalmente, deve—at? observar que um supercondutor, m e s m o com
"flu:: p i n n i n g " m a x i m i z a d o , n ã o p o d e ser utilizado na forma de m o n o f i l a m e n t o s d e qualquer d i â m e t r o . Q u a n d o os p r i m e i r o s magnetos foram e n r o l a d o s , ainda com m o n o f i l a m e n t o s d e N b Z r , verificou-se que ei e-íi só atingiam a t e cerca d e 30>C da c o r r e n t e critica m e d i d a em mniv.Ara do f i o . O f e n ô m e n o logo foi e n t e n d i d o . Uma pequena p e r t u r b a ç ã o em uma p e q u e n a r e g i ã o do enrol amento, como uma a c o m o d a ç ã o d e e s p i r a s , p o d e gerar' calor. (J pequeno aumento local de temperatura p r o v o c a uma r e d u ç ã o local da corrente c r i t i c a , e a corrente d e b l i n d a g e m , que é persistente-, precisa s e r e d i s t r i b u i r , assim como a c o r r e n t e de transporte e o fluxo m a g n é t i c o . Cl movimento d o f l u x o gera m a i s calor, e cissim, se o calor n ã o for rapidamente c o n d u z i d o para fora, cria—se uma avalanche de fluxo (flu:: j u m p ) . Um c á l c u l o simples indica que, se o monofi 1 amento tiver um d i â m e t r o inferior a algo como f»0 m i c r o n s , e n t ã o a ta;:a de condução d e calor para fora da região de p e r t u r b a ç ã o , é maior do que a ta;:a de geração de calor s.,i r e g i ã o , e assim o monofi lamento <• e s t á v e l . Para maior c o n v e n i ê n c i a , o s mormf i 1 amentos s ã o r e u n i d o s em um compteitü, cuja matriz é n o r m a l m e n t e d e c o b r e p u r o q u e , por ter alta c o n d u t i v i d a d e térmica, aumenta a e s t a b i l i d a d e contra as perturbações e , por ter alta c o n d u t i v i d a d e elétrica, aumenta a proteção contra o quenching d o f i o . Infelizmente, por err., uma matriz metálica tende a acoplar m a g n e t i c a m e n t e os filamentos.
Isto porque a c o r r e n t e persistente (de b l i n d a g e m ) e x i s t e n t e em cada filamento tendi- ,\ se acoplar a d o s d e m a i s , através da m a t r i z , formando uma única c o r r e n t e que engloba todos os filamentos. Esta c o r r e n t e é p e r s i s t e n t e n o s m a g n e t o s , p o r q u e os fios usados n o enrol amento são m u i t o l o n g o s . Com isto é perdida parte da e s t a b i l i d a d e conseguida. E l a p o d e ser p a r c i a l m e n t e recuperada n o v a m e n t e , torcendo-se o s f i l a m e n t o s , e assim dificultando o acoplamento. Um c r i t é r i o para o passo d e torção L
cé dado p o r :
lc 4 [ r rho J
mc./ (dB/dt) D*'"-
2(19) onde r é o raio d»- um filamento
rho é a r t>si st i vi dade da matri/
J»*; é -i densidade de c o r r e n t e crítica referente à àrtts de
supercondutor a p e n a s .
4. O TRABALHO DO NBS NA PADRONIZAÇÃO DE MEDIDAS DE I
c4.1 OBJETIVO
A medida de I
cxH de fios práticos n&o é trivial, pois requer aparelhagem sofisticada, para operação em hélio liquido e em altos campos magnéticos, e requer alta sensibilidade, para a aplicação dos critérios mais modernos na escolha de I
c. O NBS, em conjunto com a ASTM e o U.S. Depart/r-ent uf Energy, desenvolveu um trabalho com o objetivo de orientar os interessados na montagem de um sistema adequado para a medida de I<=;:H. Em 1982, os resultados de muitas medidas em uma grande variedade de condi çfót.-s foram publicados em [253 e Huiyiu um projeto de norma C3J. Em 1934, o NBS distribuiu arauâtcds padrão de um fio selecionado, -fornecidas com um certificado C263, para a homologação de sistemas de medida de 1^. A Pirelli e o IFUBP adquiriram uma dessas amostras para checar o seu sistema.
4.2 0 CERTIFICADO
0 fio escolhido corno padrão foi distribuído em 500 amostras, cada uma com aproximadamente 2.2 m de comprimento. Cada amostra vem acompanhada de um certificado único [263, contendo valores de I
C(H) determinados para 9 delas. No certificado também são descritos os critérios de seleção do fio padrão, o método de medida de I, e a análise estatística dos resultados. 0 fio oadrâo foi selecionado entre 5 candidatos, a partir da variação de I,-(4T) entre duas amostras distantes 50 m uma da outra, e com Ir-(4T) medida em 5 segmentos diferentes de cada uma dessas duas amostras. 0 certificado inclui uma tabela, onde s3(o apresentados os valores de I
Ke respectivas tolerâncias. esperados para
oualcuer das amostras, e nas condic&es: campos magnéticos de 2,
4, 6 e 8 T, critérios de campo elétrico de 0.05, 0.10 e 0.20
micro V/cm e temperaturas entre 3.90 e 4.24 K. A máxima
tolerância certificada é de 2.57 7. nessas condições. Seio
discutidas todas as fontes de erro que podem afetar
significativamente a medida, assim este certificado se constitui
num excelente guia para o projeto de um sistema de medida de !«.
21
4.3 MÉTODO DE TESTE DO NBS
Uma medida de 1^ (H) de um fio super condutor é usualmente LEiJ realizada da seguinte? maneira: a amestra do fio é montada íi.-bi- r • um porta-amostra. que é inserido em um criostato preenchido com hélio liquido. O campo a ser aplicado à amostra é normalmente produzido por uma bobina solenóide supercondutora, eventualmente contida no mesmo criostato. 0 porta-amostra é tal que a amostra é orientada perpendicularmente (90°+/—7
o) ao campo, e deve caber na região de homogeneidade especificada do campo, 27.. 0 campo é mantido constante e a amostra è carregada com corrente, registrando-se a curva vV. I, para posterior análise e calculo de
1-, de acordo com critério próprio. Para a medida de v", normalmente utiliza-se um nanovolti metro, e o sinal vai para o ei>:o Y de um registrador X—Y analógico. Para a medida de 1, basta um "shunt" e um mi 1 i vol ti metro, e o sinal vai para o ei;:o X do reqistrador.
No caso do NBS, a principal diferença em relação à instrumentação usual, -foi a introdução de um osci 1 oseopi o processador diqital. Isto permitiu a automação da análise dos dados e uma maior precisão no processamento das curvas V:: I do que com o uso de um registrador X--Y analógico, ü circuito de medida está apresentado na Fig. 13.
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F i g .
13 Circuito de medida de I
c(H) no NBS
c m . F o i m e d i d a i.; r o i i s i d e r a t i a a d e g r a d a ç ã o d e I t ^m f u r i Ç c í o d a t e n s ã o d e e n r o l a m e n t o e s t I m a d a . O e l e i t o d a t e n s ã o d e d o t i r a m e n l o n ã o f o i e s t i m a d o , p o r q u e é m u i t o d i f í c i l d e s e r m e d i d o n o i i i i D Í d e M b T i . 0 c o r t i f i c ..ido . i p t s - j i i n U o r e c o m e n d a uma c o r r e ç ã o pc.i a a t o l e r â n c i a d e I .;, p a r a d i á m e t r o i : , d e d o b r a m e n t o d i (t-r e n t e s J ü h 3 . 2 3 cm a d o t a d o s , e e n t r e 2 cm e i n f i n i t o ( a m o s t r a r e t a ) .
A d i s t â n c i a e n t r e o s t e r m i n a i s d e t e n s ã o L é d e a p e n a s 2 c m . F o r a m c o l o c a d a s 3 p a r e s d e t e r m i n a i s d e t e n s ã o £to l o n g o úa a m o s t r a , p a r a i n v e s t i g a r a h o m o g e n e i d a d e d a a m o s t r a . F o i ( i . i n í i i t l e r a l i a a v a i i a ç à u i d o p e r f i l d o c a m p o m a g n é t i c o d e um p n i p a r a o u t r o , e a s m e d i d a s d e Ic f o r a m n o r m a l i z a d a s p a r a um ú n i c o v a l o r - d e c a m p o .
O f e < t o d e L ~ 2 cm n ã o t r á s g r a n d e s p r o b l e m a s p a r a a m e d i d a , uma v e z q u e o s v o l t i m e t r o s s ã o s u f i c i e n t e m e n t e s e n s í v e i s e q u e 1 ^ ê r e l a t i v a m e n t e i n s e n s í v e l a e r r o s em V / L . F'or e x e m p l o , urna v a r i a ç ã o d e 57. em V / L p r o d u z i r i a uma v a r i a ç ã o d e Ic d e a p e n a s 0 . 127. a 3 T .
A s m e d i d a s f o r a m r e a l i z a d a s n a s t e m p e r a t u r a s d e 3 . 9 0 , 4 . 0 7 e 4 . 2 4 K. A v a r i a ç ã o d e 1 ^ c o m T é l i n e a r £ 2 5 3 , e d e s t a f o r ida f o i p o s s í v e l c e r t i f i c a r Ic : p a r a v a l o r e s i n t e r p o l a d o s , n o c a s o a c a d a 0 . 0 1 K. 0 e r r o m á x i m o n a m e d i d a d a t e m p e r a t u r a f o i e s t i m a d o em 0 . 2 7 7 . . Üs e r r o s d e v e m — s e à e s t r a t i f :i c: a ç ã o d o h é l i o l i q u i d o a b a i x o d a p r e s s ã o a t m o s f é r i c a , l e i t u r a e c a l i b r a ç ã o d a p r e s s ã o d o h é l i o l í q u i d o e v a r i a ç õ e s n a c o l u n a d e h é l i o l i q u i d o s o b r e a a m o s t r a ,
F o r a m u t i l i z a d o s 3 d i f e r e n t e s c r i t é r i o s d e c a m p o e l é t r i c o p a r a lc: 0 . 0 5 , 0 . 1 0 e 0 . 2 0 m i c r o V / c m . 0 c o r r e s p o n d e n t e v a l o r d e IG é o b t i d o a p a r t i r d o a j u s t e d o s p o n t o s ( V , I ) , d e a c o r d o c o m a r e l a ç ã o ( 3 ) , em t o r n o d e c a d a n í v e l d e V / L . ü a j u s t e é d e m i r u m o s q u a d r a d o s o s ã o t o m a d o s 3 5 p o n t o s ( 1 7 de» c a d a l a d o d o n í v e l cie V / L ) . A f a i x a d e a j u s t e d e v e s e r r e l a t i v a m e n t e e s t r e i t a , uma v e z q u e a c a p a c i d a d e d e m e m ó r i a d o o s c i l e s e ó p i o é d e 2 0 4 8 p o n t o s p o r c o r r i d a .
A c o m p a r a ç ã o e n t r e o s v a l o r e s d e 1^ m e d i d o s n o I F U S P e n o MBíi s e r á f e i t a n a s e ç ã o 6 . 9 .
D E S C R I Ç Í M i DO C l ! . ' T f MA D E M E D I D A DE ( « s e l l MU I P U C P
5 . 1 D E S C R I Ç P l Ü G E R A L
O L a b o r a t ó r i o d e t c a i : : a T e m p e r a t u r a d o I F l I S P j a d i s p u n h a d t - t o d a a i n f r a - e s t r u t u r a i n ...-• • _>s\iár' i a p a r a i ? t . t u m e d i d a . S i l o t l i s p i : »i • JT v e i s v á r i o s s i s t e m a s d e h u b i r i a í i u p e r c ü n d u L u r a e c T i o s t a t u , 1 i y . i d O E a u n i a e s t a ç ã o d e i e c t i p f - r a ^ ^ i i d o h é l i o . P a r a e s t e t r a b a l h o , 1 o r a m 111 i s i (j n a d a s d u . \ •. L > • .• I > i i • ...i - .>.
A p r i m e i r a •'• u m a b o b i n e i d e N b T i , f a b r i c a d a p e l a MCA ( M a g n e t i c C o r p o r a t i o n o f ftmericj, U S A ) , q u e p r o d u z u m c a m p o m á ; : i m o d e 7 . 5 1 a 4 . 2 K , c o m u m " b o r e " d o 5 0 . 3 m m . E l a o p e r a c o m u m v o l u m e d e h é l i o l í q u i d o r e l a t i v a m e n t e b a i x o , 1 5 1 . E l a f o i u s a d a e m c o n j u n t o c o m u m p o r t a - a m o s t r a d e 1 5 0 A d e c a p a c i d a d e , e s p e c i a l m e n t e p r o j e t a d o .
A s e g u n d a b o b i n a é d e H b . j S n , f a b r i c a d a n e l a I G C ( I n t e r m a g n e t i c s G e n e r a l C o r p o r a t i o n , U S A ) , c o m u m " b o r e " d e 5 4 m m , e p r o d u z u m c a m p o m á x i m o d e 1 5 I a 4 . 2 K . A s s i m , e l a p e r m i t e c o b r i r t o d o o d i a g r a m a d e f a s e ly.H d o N b T i . O s v a l o r e s d e Ic r e p o r t a d o s n a l i t e r a t u r a v a o a t é p e l o m e n o s 8 T a 4 . 2 K , o q u e n S í o p o d e s e r f e i t o n a o u t r a b o b i n a . E l a L a m b é n i t e m m a i o r p o d e r d e r e f r i g e r a ç ã o , c o m u m a c a p a c i d a d e d e 5 0 I d e h é l i o l i q u i d o , e a s s i m p e r m i t e m e d i d a s e m f i o s d e 1 ^ r e l a t i v a m e n t e a l t a s e c o m m a i o r s e g u r a n ç a . l - o i c o n s t r u í d o u m p o r t a a m o s t r a c o m c a p a c i d a d e d e 1 0 0 0 A . p a r a u s o e m r o t i n a . A t é o m o m e n t o , o s i s t e m a s ó f o i u s a d o a t é SOO A . q u e é o l i m i t e d a a t u a l f o n t e d e c o r r e n t e d a a m o s t r a .
D p r o j e t o d o s p o r t a a m o s t r a s e o m é t o d o d e m e d i d a d e I ,u ( o r a m i n s p i r a d o s n o m é t o d o 1.27.1 d o B r o o k h a v e n N a t i o n a l L a b o r a t o r y
Í B N L . ) . L o n g i s l a n d , U S A . E s t e l a b o r a t ó r i o r e a l i z o u m u i t a s m e d i d a s d e I t e m f i o s P i r e l l i , e a l g u n s . r p B u l t a t l t K s e r ã o c o m p a r a d o s a o s d e m e d i d a s r e a l i z a d a s a q u i . n o s m e s m o s f i o s . I s t o s e r á f e i t o n o C a p i t u 1 o 6 .
0 s i g n i f i c a d o d a m e d i d a d e I,;, <H) f o i d e s c r i t o n a s s e c , . f 5 e s 2 . 1 a 2 . 3 e o m é t o d o g e r a l d e m e d i d a f o i i n t r o d u z i d o n a s e ç ã o 4 . 3 .
D I S P 0 S I r I V O S POR I A AMOS I R A S
F o r a m c o n s t r u í d o s d o i s p o r t a a m o s t r a s , o p r i m e i r o c o m c a p a c i d a d e d e 1 5 0 A e o s e g u n d o c o m c a p a c i d a d e d e 1 0 0 0 A .
O porta-amostra deve permitir o c o r r e t o posicionamento da amostra no "bore" da bobina de t e s t e , m a i s a vedação d o c r i o s t a t o , a a l i m e n t a ç ã o de c o r r e n t e da amostra e a saída d e
tensão dii amcretrj. Ü con iunto n3o deve aumc-nt ar significativamente a evaporação de h é l i o d o c r i o s t a t o .
ü oorta-amostra c o n s i s t e basicamente de um "feedthrough", d e um tubo e de um c a r r e t e i . 0 "feedthrough" é uma flange que e aparafusada na boca do c r i o s t a t o , e que contém a b e r t u r a ^ para a passagem da a l i m e n t a ç ã o de corrente da amostra e dos terminai-:, de tensão da a m o s t r a .
A amostra é e n r o l a d a em um c a r r e t e i , p a r a permitir « medida em um comprimento longo de amostra e assim aumentar a sensibilidade da medida. ü tubo ías a conexão e n t r e o c a r r e t e i , centrado n o
"bore" do m a g n e t o de t e s t e , e o "feedthrough" , aparafusado na extremidade superior do criostato.
Na Fig. 14 é a p r e s e n t a d o um d e s e n h o do conjunto do porta amostra de iOOO A. Os c r i t é r i o s de p r o j e t o não são muito rígidos e foram d e t e r m i n a d o s pela e x p e r i ê n c i a d o pessoal do laboratório do IFUSP.
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