4.2.3 О поведении сверхпроводящего теплового ключа

Температурную зависимость фононной проводимости (3.25) металла в сверхпроводящем состоянии и отношение переключения (4.1,2) следует использовать с осторожностью. Недавние измерения [4.24] теплопроводности массивных образцов сверхпроводящего Al (RRR > 5000) показали, что κph ~ Т 2 при 10 мК < Т < 80 мК (рис. 4.3).

Линии соответствуют Qn~T-2 и Qs~T-3

Отклонение от закона κph ~ Т 3 ранее было сообщено для Al, Nb и Та [4.25, 26]. Эти отклонения могут быть связаны с рассеянием фононов на дислокациях (3.26) [4.27,28]. Результаты для Аl особенно беспокоят, потому что известные свойства Аl (Тс = 1,18 К) указывают, что он является лучшим кандидатом для сверхпроводящего теплового ключа по сравнению с другими материалами — Sn, In, Zn или Pb при Т ≤ 0,1 К. Ключ из этих материалов, в форме пролочек или фольги, может быть легко изготовлен из-за их низкой температуры плавления и легкости пайки. Поэтому Al имеет обычно более высокое значение отношения переключения (рис. 4.2) вследствие большого значения κn и значительной температуры Дебая (θD = 400 К), что делает κph малым. Алюминий также легко полу­чить очень чистым (5N или 6N; RRR > 1000), имеет приемлемое критическое поле (10,5 мТл), хорошую прочность, легко обрабатывается. Конечно, имеется серьезная проблема контакта из-за устойчивого окисла на поверхности алюминия; в литературе описаны различные пути решения этой проблемы. Успешный тщательно разработанный процесс электропокрытия описан в [4.6,15], а технология сварки Al с Cu или Ag — в [4.19,21]. В нашей лаборатории недавно было получено контактное сопротивление ≤ 0,1 мкОм при 4,2 К путем завинчивания хорошо отожженного Ag винта в Al резьбу. Диаметр резьбы должен составлять, по крайней мере, 6 мм для того, чтобы требуемые силы могли быть приложены к мягким отожженным металлам. Из-за более высокого коэффициента теплового расширения алюминий будет сжимать Ag в процессе охлаждения (рис. 3.14). Конечно, для такой конструкции высокотемпературный отжиг не поможет. Металлы были очищены химически (HCl для Ag; 22 г/л Na3PO4 + 22 г/л Na2CO3 при Т ≥ 75°C, 60 с) и отожжены (5·10–5 мбар; 5 ч; 800 °С для Ag , 500 °С для Al). Наилучший результат для холодной сварки Al к Cuρ < 1 мкОм и RRR ≥ 150 для давления Р ≥ 100 Н/мм2, приложенного при 500 °С.

Фольга частично перпендикулярна магнитному полю, создаваемому соленоидом; это позволяет исключить линии магнитного потока, которые могди бы проникнуть в фольгу ключа вдоль его полной длины

Часто поведение сверхпроводящего теплового ключа ухудшается за счет замороженного магнитного потока от переключающего поля, благодаря которому часть металла может оставаться в нормальном состоянии, когда поле выключается. Эту проблему можно решить путем ориентации, по крайней мере, части металла перпендикулярно полю (рис. 4.4), так что нормальное ядро захваченных линий потока не будет замыкаться в материале ключа, и/или путем пилообразного изменения поля в процессе его уменьшения. Если сверхпроводящий тепловой ключ используется в магнитном рефрижераторе (гл. 9, 10), то во многих случаях вокруг ключа располагается сверхпроводящий Nb экран, чтобы экранировать ключ от изменяющегося поля соленоида, используемого при размагничивании. Форма ключа должна быть такой, чтобы нагрев от вихревых токов (10.28), вызываемый измененем переключающего поля, не приводил к тепловым эффектам, и чтобы были исключены замкнутые сверхпроводящие кольца, захватывающие поток (сделайте прорези перпендикулярно полю в массивном Al) [4.24].

 

View one comment on “4.2.3 О поведении сверхпроводящего теплового ключа

Comments are closed.