دانلود مقاله ابر رسانا

دانلود رایگان فایلهای متلب

رمز sim-power.ir

چکیده

ابرر سانا ها ، برخي از فلزها ، آلياژها يا تركيبهاي فلزها هستند كه در دماهاي پايين نزديك به صفر مطلق ،مقاوت الكتريكي و نفوذپذيري مغناطيسي خود را از دست ميدهند و رسانايي الكتريكي آنها بينهايت زياد ميشود ، محدوده دمايي به ماهيت ماده بستگي دارده ، كه از حدود 0.5 تا 18 درجه كلوين است ، خاصيت ابر رسانايي در فلزات قليايي، فلزهاي نجيب و مواد فرو مغناطيس مشاهد نشده است ، بلكه به طور عمده در عنصرهايي كه اتم آنها 3، 5 يا 7 الكترون در لايه ظرفيت خود دارد   و مقاومت الكتريكي آنها در دماي معمولي زياد است بوجود مي آيد.

پديده ابر رسانايي از همان آغاز كشف ، توجه دانشمندان را بخود جلب كرده بود ، اونز اولين كسي بود كه هليم را مايع كرد و نخستين بار خواص ابر رسانايي مواد را در چنين دماهاي پاييني اندازه گرفت و معلوم داشت كه مقاومت الكتريكي جيوه در دماي 4.2 درجه كلوين به شدت محو ميشود ، در طول 75 سال اخير ، فلزات و آلياژهاي ديگر هم به فهرست ابررسانا ها افزوده شدند . ابر رسانايي در دماهاي بالا هم امكان پذير است ، كوپرات با فرمول شيميايي YBr2 Cu3O6.9 كه در دماي 93 درجه كلوين خواص ابر رسانايي را نشان ميدهد. در سال هاي پاياني دهه 1950 سه فيزيكدان – به نام هاي دكتر جان باردين، دكتر لئون كوپر و دكتر جان شرايفر – سازوكارهاي فيزيكي را كه به ابررسانايي منجر مي شوند، درك كردند. كار آنها به افتخار اين سه دانشمند، تئوری(S.C.B)نام گرفت آنها جايزه نوبل فيزيك در سال 1972 را از آن خود كردند. در اواخر سالهای 1980 ابر رساناها در دماهای بالا نيز کشف شد.ابر رساناهاي دماي پايين امروزه در ساخت آهنرباهاي ويژه طيف سنجهاي رزونانس مغناطيسي هسته ، رزونانس مغناطيسي براي مقاصد تشخيص طبي ، شتاب دهنده ذره ها ، ترنهاي سريع مغناطيسي و انواع ابزارهاي رسانايي الكترونيكي بكار ميرود از ديگر كاربردهاي انها مي توان به دستگاه هاي عكس برداري تشديد مغناطيسي هسته و قطارهاي جديدي كه توسط نيروهاي مغناطيسي در هوا معلق هستند و با سرعت 400 كيلومتر بر ساعت حركت مي كنند، اشاره كرد. . اما براي اينكه ابررساناهاي دماي بالا در كاربردهاي ميدان مغناطيسي در دماي بالا رقابت كنند ، هنوز زمان لازم دارد ، اين بعلت دشواري در توليد انبوه و با كيفيت بالاست . اگر چه در حال حاضر ، بازار ابررساناهاي دماي بالا رونق كمي دارد ، گمان ميرود كه در خلال دو دهه آينده كاربرد آن فراگير و پررونق شود .

 

 

فصل اول

ابررسانا

از کشف ابررسانايی در سال ۱۹۱۱ ميلادی تا سال ۱۹۸۶ ٬ باور عموم بر آن بود که ابررسانايی فقط     می تواند در فلزاتی در دماهای بسيار پايين وجود داشته باشد٬ که فقط در دماهای حداکثر ۲۵ درجه بالای صفر مطلق اتفاق می افتاد. با کشف ابررسانايی در دماهای بالاتر در سال ۱۹۸۶ ٬ در موادی که تقريبا ضد فرو مغناطيسی بودند٬ و در اتم های مس و اکسيژن٬ فصل جديدی در علم فيزيک باز کرد. حقيقتا٬ درک ظاهر شدن ابررسانايی در دماهای بالا (حداکثر دمای ۱۶۰ کلوين) يک مساله ی بزرگ برای بحث کردن می باشد. تا آن جا که امروزه بيش از ده هزار محقق روی اين موضوع  تحقيق و بررسی انجام می دهند. پس از مقدمه ای بر مفاهيم پايه ی فلزات معمولی و مرسوم٬ دمای پايين٬ و ابررسانايی٬ مروری بر نتايج مشاهدات انجام شده در دهه ی گذشته خواهم داشت ٬ که نشان می دهند ابررساناهای دمای بالا فلزات عجيبی با خواص غيرعادی بسيار بالای ابررسانايی می باشند. سپس٬ پيشرفت های نظری اخيری را شرح خواهم داد که طبيعت چنين فلزات عجيب را آشکار می سازد٬ و به شدت اين پيشنهاد را که “تعامل مغناطيسی بين تحريکات ذره ی مسطح است که رفتار حالت عادی آن ها را به هم می زند و باعث روی دادن حالت ابررسانايی در دماهای بالا می شود” پشتيبانی و تاييد می کنند.

 1-1مقدمه :

در سال ۱۹۱۱ ٬ اونز هنگام کار کردن در آزمايشگاه دمای پايين خود کشف کرد که در دمای چند درجه بالای صفر مطلق٬ جريان الکتريسيته می تواند بدون هيچ اتلاف اختلاف پتانسيل در فلز جيوه جريان پيدا کند. او اين واقعه ی منحصر به فرد را “ابررسانايی” ناميد. هيچ نظريه ای برای توضيح اين رخداد در طول پنجاه و شش سال بعد از کشف ارائه نگرديد. تا وقتی که در ۱۹۵۷ ٬ در دانشگاه الينويس ٬ سه فيزيکدان : دكتر جان باردين، دكتر لئون كوپر و دكتر جان شرايفر ٬ نظريه ی ميکروسکوپی خود ارائه کردن که بعدا با نام تئوری (BCS )حروف ابتدايی نام محققان شناخته شد. سومين رخداد مهم در تاريخ ابررسانايی در سال ۱۹۸۶ اتفاق افتاد٬ وقتی که گورگ بدنزر و الس مولر٬ در حال کار کردن در آزمايشگاه IBM نزديک شهر زوريخ سوئيس٬ يک کشف مهم ديگر کردند : ابررسانايی در دماهای بالاتر از دماهايی که قبلا برای ابررسانايی شناخته شده بودند در فلزاتی کاملا متفاوت از آنچه قبلا فلز ابررسانا شناخته می شود. اين کشف باعث ايجاد زمينه ی جديد ی در علم فيزيک شد : مطالعه ابررسانايی دمای بالا٬ يا . در اين مقاله٬ که برای غير متخصص ها تنظيم گشته است٬ اين را که ما چقدر در فهم دمای بالا پيشرفت کرده ايم را توضيح خواهم داد و درباره چشم انداز های آينده ی توسعه ی يک نظريه ی ميکروسکوپی بحث خواهم کرد. من با مروری بر برخی مفاهيم پايه ی نظريه ی فلزات شروع می کنم؛ برخی اقدامات که منجر به ارائه ی نظريه BCS گشت را توضيح می دهم؛ و کمی در باره ی تئوری BCS بحث خواهم کرد و آن را توضيح خواهم داد. سپس مختصرا در باره ی پيشرفت هايی که به فهم ما از ابررسانايی و ابرسيالی٬ در جهان ارائه شده است٬ بحث خواهم کرد٬ پيشرفت هايی که بوسيله الهام از تئوری BCS بدست آمده اند. که شامل کشف رده های زيادی از مواد ابرسيال می باشد٬ از هليوم ۳ مايع که چند ميلی درجه بالاتر از صفر مطلق به حالت ابرسيالی در می آيد تا ماده ی نوترون موجود در پوسته ی سياره ی نوترون٬ که در چند ميليون درجه به حالت ابرسيالی در می آيد. سپس درباره ی تاثيرات کشف مواد ابررسانای دمای بالا بحث خواهم کرد ٬   و برخی نتايج تجربی کليدی را جمع بندی خواهم کرد. سپس يک مدل برای ابررسانايی دمای بالا ارائه خواهم داد ٬ نزديک به نظريه ی ضد فرومغناطيسی مايع فرمی ٬ که به نظر دارای توانايی ارائه ی مقدار زيادی از خواص غيرعادی حالت معمولی مواد ابررسانای سطح بالا می باشد. من با يک توضيح تجربی برای خواص جالب توجه حالت عادی ابررساناهای پيش بينی شده و در دست بررسی جمع بندی و نتيجه گيری می کنم٬ که يک رده جالب از مواد را معرفی می کند : مواد قابل تطبيق پيچيده . که در آن بازخورد غيرخطی طبيعی٬ چه مثبت و چه منفی٬ نقشی حياتی در تعيين رفتار سيستم باز ی    می کنند.

 2-1ابررساناهای مرسوم : از کشف تا درک ….

در سخنرانی نوبل خود در سال ۱۹۱۳ ٬ اونزگزارش داد که “جيوه در ۴.۲ درجه کلوين به حالت جديدی وارد می شود٬ حالتی که با توجه به خواص الکتريکی آن٬ می تواند ابررسانايی نام بگيرد. او گزارش داد که اين حالت می تواند به وسيله ی اعمال ميدان مغناطيسی به اندازه ی کافی بزرگی از بين برود. در حالی که يک جريان القاء شده در يک حلقه بسته ابررسانا به مدت زمان فوق العاده زيادی باقی می ماند و از بين نمی رود. او اين رخداد را به طور عملی با آغاز يک جريان ابررسانايی در يک سيم پيچ در آزمايشگاه ليدن٬ و سپس حمل سيم پيچ همراه با سرد کننده ای که آن را سرد نگه می داشت به دانشگاه کمبريج به عموم نشان داد.

اين موضوع که ابررسانايی مساله ای به اين مشکلی ارائه کرد که ۴۶ سال طول کشيد تا حل شود٬ خيلی شگفت آور می باشد. دليل اول اين می تواند باشد که جامعه ی فيزيک تا حدود بيست سال مبانی علمی لازم برای ارائه ی راه حل برای اين مسئله را نداشت : تئوری کوانتوم فلزات معمولی. دوم اينکه٬ تا سال ۱۹۳۴ هيچ آزمايش اساسی در اين زمينه انجام نشد. سوم اينکه٬ وقتی مبانی عملی لازم بدست آمد٬ به زودی واضح شد انرژی مشخصه وابسته به تشکيل ابررسانايی بسيار کوچک می باشد٬ حدود يک ميليونيم انرژی الکترونيکی مشخصه ی حالت عادی. بنابراين٬ نظريه پردازان توجه شان را به توسعه ی يک تفسير رويدادی از جريان ابررسانايی جلب کردند. اين مسير را فریتز لندن رهبری می کرد. کسی که در سال ۱۹۵۳ به نکته ی زير اشاره کرد :‌ “ابررسانايی يک پديده کوانتومی درمقياس ماکروسکوپی می باشد … با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحريک شده بوسيله ی وقفه های زمانی يک مشخصه بنيادی می باشد.اجازه بدهيد کمی درباره ی مبانی علمی کوانتومی بحث کنيم. الکترون ها در فلز در پتانسيل متناوب توليد شده از نوسان يون ها حول وضعيتشان حرکت می کنند. حرکت يون ها را می توان بوسيله ی مد های جمعی کوانتيزه شده ی آنها٬ فونون ها٬ توجيه کرد. سپس در طی توسعه ی نظريه ی کوانتوم٬ نظريه ی پاولی اصل انفجار وجود دارد ٬ که معنای آن بيانگر مفهوم آن است و آن اينکه – الکترونها به صورت اسپين نيمه کامل ذاتی قرار می گيرند٬ و در نتيجه هيچ الکترونی نمی تواند طوری قرار بگيرد که عدد کوانتوم آنها با هم يکی باشد. ذراتی که به صورت اسپين نيمه کامل ذاتی قرار می گيرند با نام فرميون ها شناخته می شوند٬ به خاطر گراميداشت کار های فرمی که ٬ همراه با دياک ٬ نظريه ی آماری رفتار الکترون در دماهای محدود را توسعه دادند٬ اين تئوری با نام Fermi-Diac statistics شناخته     می شود. در توضيح فضای اندازه حرکت يک فلز ساده٬ حالت پايه يک کره در فضای اندازه ی حرکت می باشد٬ که اندازه ی شعاع آن٬ pf بوسيله ی چگالی فلز تعيين می گردد. انرژی خارجی ترين الکترون ها٬  در مقايسه با انرژی گرمايی ميانگين آن ها٬ Kt بسيار بزرگ می باشد. به عنوان نتيجه٬ تنها بخش کوچکی از الکترون ها ٬  ٬ در بالاتر از حالت پايه تحريک می شوند. الکترون ها با هم ديگر ( قانون کلمب ) و با فونون ها تعامل می کنند و رابطه دارند.   تحريکات ابتدائی آن ذرات شبیه   می باشند ٬ الکترون ها با ضافه ی ابر الکترونی وابسته به آنها و فونون هايی که هنگام حرکت از ميان شبکه الکترون را همراهی می کند. يک بحث و مذاکره ی ابتدائی نشان می دهد که طول عمر يک quasiparticle تحريک شده بالای سطح فرمی ( سطح کره ی فرمی ) تقريبا برابر  می باشد. مساله و مشکلی که برای نظريه پردازان در رابطه با اين مساله پيش آمده٬ فهم چگونگی تحمل پذيری الکترون ها ی تعامل کننده هنگام رفتن به حالت ابررسانايی ٬ می باشد. اين امر چگونه انجام می شود ؟ توضيح رياضی مناسب برای اين امر چه می باشد ؟

يک کليد راهنمای بسيار لازم در سال ۱۹۵۰ ميلادی بدست آمد٬ وقتی محققان در دانشگاه روتگرز کشف کردند که دمای انتقال به حالت ابررسانايی سرب بستگی به جرم ايزوتوپ آن٬ يعنی M ٬ دارد ٬ و رابطه ی عکس با M1/2 دارد. از آنجايی که انرژی لرزشی شبکه ای همان بستگی را با M1/2 دارد٬ کوانتای پايه ی آنها٬ فونون ها ٬ بايد نقشی در ظهور و ايجاد حالت ابررسانايی بازی کند. در سال های بعدی٬هبر فرلیک ٬ که از پوردو  از دانشگاه ليورپول بازديد می کرد٬ و جان باردن کسی که آن زمان در آزمايشگاه های بل کار می کرد٬ تلاش کردند نظريه ای با استفاده از تعامل الکترون ها و فونون ها ارائه بدهند٬ ولی شکست خوردند و موفق نشدند. کار انجام شده توسط آن ها را می توان به کمک دياگرام های معرفی شده توسط ريچارد فاينمن به تصوير کشيد٬ که در قسمت (a)  تصوير زير نشان داده شده است. در تصوير زير می توان يک الکترون را مشاهده کرد که يک فونون را آزاد می کند و سپس آن را جذب می کند. خواص آن بوسيله جفت شدن پويا با شبکه تغيير می يابند و تغيير در انرژی آن نسبت عکس با M1/2  دارد . اما اين ها به حالت ابررسانايی در نمی آيند.

 

دانلود رایگان فایلهای متلب

 

شکل1-1

سپس فرلیک احتمال دوم را در نظر گرفت٬ حالتی که در تصوير بالا قسمت (b) نشان داده شده است٬ که در آن يک الکترون يک فونون را آزاد می کند و الکترون دومی آن فونون را جذب می کند. اين تعامل فونون القايی می تواند برای الکترون ها ی نزديک سطح فرمی جذاب باشد. اين يک معادله فلزی waterbed می باشد : دو شخص که يک waterbed را به اشتراک می گذارند٬ تمايل دارند تا به مرکز آن جذب شوند٬ همان طوری که روند القاء الکترون ها را جذب می کند. (يک شخص تورفتگی را در waterbed القاء می کند٬ تورفتگيی که شخص دوم را جذب می کند.) تعامل مطالعه شده توسط Frohlich در نگاه جذاب و زيبا به نظر می رسد٬ که هم جديد بود و هم ذاتا تناسب درستی با جرم ايزوتوپی٬ M ٬ داشت. اگر چه مشکلی بزرگ در درک چگونگی نقش بازی کردن آن وجود داشت٬ از آن جا که تعامل پايه ای کلمب بين الکترون ها دفع کننده می باشد٬ و خيلی قوی تر می باشد. همانطور که لاندو قرار داد : “شما نمی توانيد قانون کولمب را لغو کنيد.” اين اشکالی بود که جان بردن و نويسنده ی اين مقاله٬ ديويد پاينس هنگامی که اولين دانشجوی دکترا در دانشگاه ايليونيس در سال های ۱۹۵۲-۱۹۵۵ بود) ٬ آن را مورد انتقاد قرار دادند. چيزی که آن ها پيدا کردند٬ به وسيله ی توسعه ی يک راهبرد که دیوید بوهم وديويد پاينس قبلا برای فهم تعامل های جفت الکترون ها در فلزات توسعه داده بودند٬ اين بود که “پيام ٬ متوسط است .” وقتی آن ها اثر رويه ی به پرده در آوردن الکترونيکی روی هر دو تعامل الکترون-الکترون و الکترون-آهن را در نظر گرفتند٬ فهميدند که حضور جزء تشکيل دهنده ی دومی٬ يونها ٬ يک تعامل جذاب شبکه ای را بين يک جفت الکترون که تفاوت انرژی آن ها از انرژی يک فونون بنيادين کمتر می باشد٬ ممکن می سازد .

تعامل موثر وابسته به تکرار و اندازه حرکتی که آن ها پيدا کردند٬ در شکل زير آمده است :

که در آن   ثابت دی الکتريک استاتيک وابسته به watervector می باشد٬  انرژی فونون می باشد٬ q انتقال اندازه ی حرکت می باشد٬ و  تفاوت بين انرژی الکترون ها می باشد. ترتيب ها آن به صورت جزئی تر توسط لان کوپر مطالعه شده است . او فهميد که به خاطر اين جذابيت شبکه ای٬ سطح فرمی حالت عادی می تواند در دماهای پائين به تشکيل جفت الکترون هايی با اسپين و اندازه حرکت مخالف٬ بی ثبات شود. با کار او٬ راه حلی برای ابررسانايی نزديک بود. در سال ۱۹۵۷ ميلادی٬ هنگامی که باب شیفر ٬باردن کسی که دانشجوی فارغ التحصيلی در دانشگاه اليونيس بود٬ فهميد که توضيح ميکروسکوپی داوطلب حالت ابررسانايی٬ می تواند با به کار بردن راهبردی که قبلا برای پلارن ها توسعه يافته بود٬ توسعه يابد. (به وسيله ی تد لی ٬فرانسیس لو و دیوید پانیس )به جفت های تعامل کننده ی کوپر. در هفته های بعدی٬ باردن ٬ کوپر و شیفر نظريه ی ميکروسکوپی ابررسانايی خود٬ تئوری BCS را ارائه دادند. که اين تئوری در توضيح و تفسير رويداد ها ی ابررسانايی موجود و هم چنين در پيش گويی رويداد های جديد بسيار موفق بود. در جولای ۱۹۵۹ ٬در اولين کنفرانس عظيم در رابطه با ابررسانايی بعد از ارائه ی نظريه ی((BCSدر دانشگاه کمبريج٬دیودشونبرگ کنفرانس را با اين جمله آغاز کرد : “حالا ببينيم تا چه حدی مشاهدات با حقايق نظری جور در می آيند …”

 

3-1 تئوری BCS و اثرات آن

در تئوری BCS جذابيت زيادی بين جفت الکترون های دارای اسپين و اندازه حرکت مخالف هستند و مسئول انتقال به حالت ابررسانايی هستند وجود دارد. پايين درجه ی حرارت تبديل به حالت ابررسانايی٬  ٬ جفت هايی از هم چگال ها٬ يک حالت کوانتومی يگانه ی اشغال شده ی  ماکروسکوپيک٬ که بدون مقاومت جريان می يابد٬ و ميدان های مغناطيسی خارجی ضعيف را screen out می کند٬ باعث بوجود آمدن يک ديامگنتيزم اندازه گيری شده در اثر ميزنر می شود. در دماهای پايين٬ اين باعث مصرف انرژی محدودی می گردد٬  ٬ برای جداسازی يکی از جفت ها در هم چگال؛ اين شکاف انرژی است که توسط لوندن پيش بينی شده بود؛ و اثرات آن بر روی خواص ابررسانايی توسط جان باردن در سال های قبل از کشف و ارائه ی تئوری ميکروسکوپی به صورت رخدادی بررسی شده بود.بنابراين٬ حالت ابررسانايی توسط دو جزء تشکيل دهنده مجزا مشخص می شود : يک ابرميدان ٬ هم چگال٬ و يک سيال معمولی تشکيل شده از تحريکات تک ذره ای که از جدا شدن از هم هم چگال در دماهای محدود نتيجه می شود. quasiparticle های تحريک شده که سيال معمولی را تشکيل می دهد٬ در پاسخ به ميدان های خارجی ٬ اثرات منسجم معلوم و مشخصی را از خود نشان می دهند٬ پديده ی انسجام که يکی از مشخص کننده های تئوری جفت کننده ی BCS می باشد٬ اما وگرنه بصورت معمولی رفتار می کنند٬ که در آن با يکديگر٬ با فونون ها ٬ و با ديواره های ظرف شامل آن ها برخورد می کنند. طول بنيادی که رفتار منسجم در آن می تواند اتفاق بيافتد٬ طول انسجام ٬ چند هزار برابر فاصله ی بين ذرات داخلی می باشد. برای درک کردن آن چه اتفاق می افتد٬ در نظر گرفتن قياس با يک زمين رقص پر شده از زوج های رقاص که هماهنگ با موزيک حرکت می کنند٬ می تواند کمک کننده باشد. در حالت عادی٬ زوج ها مرتبا با يکديگر برخورد می کنند٬ اما در حالت ابررسانايی٬ آن زوج هايی که تعلق به هم چگال دارند٬ دارای يک قيد و بند نامرئی می باشند که به آن ها اجازه می دهد تا به راحتی به حول سالن رقص رقص کنندو پرواز کنند. اگر زوج های جدا کننده ای وجود دارند؛ فقط منفردهای تحريک شده ی غير متصل هستند که با يکديگر و ديوار ه ی سالن رقص برخورد می کنند. تبديل به ابررسانايی BCS اساسا متفاوت از آن چه ممکن است اگر زوج ها بالای  تشکيل شده باشند٬ سپس متراکم شوند٬ اتفاق بيافتد٬ می باشد. و در مورد اخر٬ طول انسجام چندين برابر فضای بين ذره ای     می باشد و بستگی به  ندارد.

نظريه ی BCS اثر قابل توجهی در زمينه های ديگر فيزيک داشت. اين نظريه پيش بينی می کند که هر سيستم دارای فرميون های تعامل کننده٬ می تواند به حالت ابررسانايی برود ٬ يا در صورت فرميون های بدون بار٬ يک تبديل ابرسيالی٬ يکی دارای تعامل جذاب برای فرميون های شبکه ای در مجرای تکانه ی زاويه ای ارائه دهد. کمی بعد از انتشار نتايج اوليه ی تئوری BCS ٬ Aage Bohr ٬ Ben Mottleson و David Pines ٬ در حال کار در کپنهاگ در سال ۱۹۵۷ ٬ نشان دادند که نوترون ها و پروتون های موجود در هسته ی اتم به خاطر جذب دوسويه شان جفت می شوند٬ و اينکه می توان معمای قديمی پديده ی هسته ای را توجيه کند٬ در حالی که Yoichiro Nambu در شيکاگو کشف کرد که ترتيب جفت کردن BCS برای پديده های انرژی بالا در فيزيک ذرات ابتدائی پيدا می شود. حضور ابرسيالات پروتون و نوترون در پالسارهای (pulsar) تازه کشف شده در ۱۹۸۹ احضار شد. توسط Gordon Baym ٬ Chris Pethick ٬ Mal Ruderman ٬ و David Pines به عنوان توضيح برای زوال طولانی مدت glitch ها (پرش های ناگهانی در مدت چرخش پالسار) که در پالسارهای Vela و Crab در سپتامبر و مارس ۱۹۶۹ کشف شده بود. از آنجايی که اتمهای هليوم ۳ فرميون هستند و دارای جذب برد بالا می باشند٬ به طور وسيعی انتظار می رفت که هليوم ۳ به تبديل حالت ابرسيال برود٬ و جامعه فيزيک دمای پايين به دنبال نشانه هايی از آن تبديل گشت٬ يک جستجويی که برای Doug Osheroff ٬ David Lee ٬ و Bob Richardson در دانشگاه کورنل موفقيت آميز بود٬ و در سال ۱۹۷۲ کشف کردند که هليوم ۳ چند ميلی درجه بالای صفر مطلق ابر سيال می شود.

نيازی به گفتن نيست که٬ الهام شده توسط تئوری BCS ٬ آزمايشگر های مواد منقبض٬ رده ی جديدی از فلزات ابررسانا را معرفی کردند٬ و مشتاقانه به دنبال موادی که در دماهای نسبتا بالاتر از دماهای تبديل کمتر از ۲۰ کلوين٬ که فلزات ابررسانای معمولی را مشخص می کند٬ ابررسانا می شوند٬ گشتند. دو رده ی جديد از ابررساناها کشف شدند : مواد الکترون سنگين ٬ CeCu2Si2 ٬ UPt3 ٬ و UBe13 که توسط Frank Steglich ٬ Zackary Fisk ٬ Jim Smith ٬ و Hans Ott در آلمان٬ در حال کار کردن در Los Alamos ٬ به عنوان ابررسانا در دماهای حدود يک کلوين شناخته شدند. در حالی که Daniel Jerome در پاريس ابررسانايی را در فلزات آلی تقريبا دو بعدی در حدود ده درجه ی کلوين را کشف کرد. اگرچه ٬ باوجود تلاش های زياد Bend Matthias ٬ که حدود صد ماده ی ابررسانا را کشف کرد٬ هنوز حد بالايی برای دمای مواد ابررسانا وجود داشت : ۲۳ درجه ی کلوين ٬ درجه ی حرارتی که از مکانيسم به کار رفته برای ابررسانايی ناشی می شد٬ تعامل فونون-القائی.

 

 4-1ابررساناهای دمابالا

زمينه ای جديد در علم فيزيک آغاز شد هنگامی که در ۲۷ ژانويه ۱۹۸۶ ميلادی٬ Bednorz و Mueller يک افت مقاومت تيز را در La2-mBamCuO4 در دمای حدود ۳۰ درجه ی کلوين مشاهده کردند. آن ها مقاله ای در اين باره به يکی از روزنامه های معتبر اروپائی٬ ZeitSchrift fur Physik فرستادند و مطالعه ی خود را برروی اين ماده ی جديد ادامه دادند تا اطمينان حاصل کنند که تغيير مقاومت ناگهانی٬ تبديل به يک حالت ابررسانايی بوده. تا ماه اکتبر٬ آن ها اثر مايزنر                  (The Meissner Effect) را مشاهده کرده بودند ٬ بنابراين يک ماده ابررسانای جديد را به ثبت رساندند. نتايج آن ها در دنيا پخش شد٬ يک ماه بعد٬ Tanaka و همکاران وی در توکيو نتايج Bednorz-Muller را تأييد نمودند (يک تأييديه در يکی از روزنامه های ژاپنی چاپ شد) در حالی که کار آن ها در پکن توسط Zou و همکارانش پشتيبانی و حمايت شد. (کار آنها در دسامبر در يکی از روزنامه ها توضيح داده شد.) در ماه بعد٬ در نتيجه ی يک تلاش همکارانه بين Paul Chu از دانشگاه هوستون و  Mang-Kang Wu از دانشگاه آلاباما٬ عضو جديدی از خانواده مواد ابررساناهای دما بالا کشف شد ٬ YBa2Cu3O7 که دارای  بالای ۷۰ درجه ی کلوين بود. بنابراين فقط در طی يک سال از کشف اصلی٬ دمای انتقال به حالت ابررسانايی افزايش سه برابر داشت. و واضح بود که انقلاب ابررسانا ها هنوز شروع شده است. يک جشن برای بوجود آمدن اين فصل در علم فيزيک طی يک جلسه در نيويورک توسط انجمن فيزيک دانان آمريکايی در يک بعد از ظهر يکی از روزهای مارس ۱۹۸۷ برگزار شد. اين جشن ۳۰۰۰ شرکت کننده داشت و ۳۰۰۰ نفر نيز اين جشن را از طريق تلويزيون مشاهده می کردند …

در طول شش سال بعد٬ چند خانواده ی ديگر از ابررسانا ها کشف شدند٬ که شامل سيستمهای مبنی بر -Tl و -Hg می باشند٬ که به ترتيب دارای  حداکثر ۱۲۰ کلوين و ۱۶۰ کلوين می باشند. همگی آنها يک ويژگی که موجب روی دادن ابررسانايی دمای بالا بود٬ داشتند٬ وجود پلين های شامل اتم های O و Cu ی که جدا شده بوسيله ی مواد پل کننده ای که به عنوان حامل بار عمل می کنند هستند. در طی اين مدت٬ حدود چند هزار مقاله در رابطه با ابررسانا ها منتشر گشت (و در زمان حاضر هم منتشر می شود) بديهی گشت که ابررسانايی دمای بالا وابسته به مسائل بزرگ فيزيک بسياری در طول دهه ی گذشته ی اين قرن بود. حداقل چهار دليل برای علاقه ی شديد به  بالا وجود دارد : يک علاقه ی علمی ذاتی و باطنی٬ طبيعت انتقال نظم و ترتيبی٬ (اين به حدود جدا کننده ی دانشمندان و شيمی دان های مواد از طريق فيزيکدان های نظری و تجربی می رسد) ؛ کاربردهای بالقوه برای مواد ی که دردماهای بالاتر از ۷۷ کلوين (دمايی که نيتروژن مايع می شود) به عنوان ابررسانا عمل می کنند٬ کاربردهايی که می توان در سيستم های تلفن سلولی اعمال کرد٬ خطوط انتقال ابررسانايی٬ ماشين های MRI استفاده کنند از مغناطيس های  بالا٬ ميکروويو های استفاده کننده از مواد ابررسانای جديد٬ سيستم های ابررسانا/نيمه رسانای هيبريدی؛ و در آخر پيدا کردن ابررسانای دمای اتاق.

برخی مشخصه ها و خواص ابررسانا های جديد عبارتند از اينکه آن ها سراميک٬ و اکسيد های ورقه ورقه می باشند که در دمای اتاق فلزات ضعيف و بی ارزشی هستند٬ و مواد متفاوتی برای کار کردن هستند. شامل کمی حامل بار در مقايسه با فلزات معمولی هستند٬ و خواص انيسوتوروپيک الکتريکی و مغناطيسی هستند که بطور قابل ملاحظه ای حساس به محتوای اکسيژن می باشند. در حالی که٬ نمونه های ابررسانای مواد ۱-۲-۳ ٬ YBa2Cu3O7 ٬ را يک دانش آموز دبيرستانی نيز می تواند در يک اجاق ميکروويو توليد کند٬ کريستال های يکتای دارای درجه ی خلوص بالا برای تشخيص خواص فيزيکی ذاتی موادی که ساختن آن ها به طور خيلی زيادی سخت است٬ لازم است.

در ادامه ی يک دهه کار٬ يک وفاق عمومی بر سر اين موضوع وجود دارد که رفتار تحريکات ابتدائی در پلين های  ٬ Cu-O يک کليد برای درک خواص حالت عادی اين ابررساناها ارائه می دهد٬ و اينکه آن خاصيت غير حالت عادی شبيه به حالت عادی ابررساناهای معمولی و دمای پايين می باشند. همانطور که می توان در جدول زير مشاهده کرداندازه گيری شده در مشاهدات نوری و انتقالی٬ هم پاسخ بارو هم پاسخ اسپين اندازه گيری شده در مشاهدات قابليت ايستا٬ تشديد مغناطيسی هسته ای (NMR) و مشاهدات متفرق ساختن غير الاستيک نوتورون ها (INS)) مواد  بالا بسيار متفاوت از همتاهای دمای پايين خود می باشند.

علاوه بر اين٬ اساسا هيچ يک از خواص حالت ابررسانايی ٬ با خواص يک ابررسانای عادی يکی نيست٬ که در آن جفت کردن BCS در حالت خط واحد اتفاق می افتد و شکاف انرژی ذراتquasi در دماهای پائين  و ايزوتپريک٬ هنگامی که يکی حول سطح فرمی حرکت            می کند٬محدود می باشد. علی رغم اين حقيقت که چيزی نسبتا جديد و متفاوت نياز است تا رفتارحالت عادی را درک کنيم٬ يک توافق و اجماع وجود دارد که تئوری BCS ٬ اگر بطور مناسبی تغيير يابد٬ يک توضيح راضی کننده برای انتقال به حالت ابررسانايی و خواص مواد در آن حالت٬ می دهد .

يک توافق تقريبی همچنين در رابطه با اجزای سازنده ی پايه ی لازم برای درک ابررساناهای دمای بالا وجود دارد. آن ها را می توان به صورت زير خلاصه کرد :

• عمل ابتدا در پلين های Cu-O رخ می دهد٬ پس در تخمين اول٬ برای متمرکز کردن هم توجه نظری و هم عملی  روی رفتار تحريکات پلانار٬ و همچنين برای متمرکز کردن بر روی دو سيستم مطالعه شده ٬ سيستم ۱-۲-۳ (YBa2Cu3O7-m) و سيستم ۲-۱-۴ (La2-mSrmCuO4) ٬ کفايت می کند.
• در دماهای پائين هر دو سيستم عايق های آنتی فرو مغناطيس می باشند با يک آرايه ی محلی  +Cu2 که علامت آن در داخل شبکه متناوبا عوض می شود .
• شخصی سوراخ هايی را بر روی پلين های Cu-O سيستم ۱-۲-۳ با تزريق اکسيژن ايجاد می کند٬ برای سيستم ۲-۱-۴ اين کار با تزريق استرونتيوم انجام می گيرد. سوراخ های حاصل روی مقر پلانار اکسيژن ٬ با اسپين های نزديک +Cu2 پيوند پيدا می کنند٬ و حرکت را برای ديگر اسپين های +Cu2 آسان می سازد٬ و در روند٬ نابود کردن همبستگی های AF طولانی برد در عايق.
• اگر کسی حفره های کافی را ايجاد کند٬ سيستم حالات پايه ی خود را از يک عايق به يک ابررسانا تغيير می دهد.
• در حالت عادی مواد ابررسانا ٬ اسپين های +Cu2 سيار٬ اما محلی يک مايع فرمی غير مرسوم را تشکيل می دهند ٬ با اسپين های quasiparticle های نشان دهنده ی ارتباطات AF قوی٬ حتی برای سيستم های در سطح تخدير که از حدی که  ماکزيمم می باشد٬ تجاوز می کند ٬ موادی که با نام فرا-تخدير شناخته می شوند.

اگر چه هيچ توافقی بين تئوريسين ها بر سر اين که چگونه يک توضيح نظريه ای دارای جزئيات برای curpate ها ارائه کنند. راهکرد هايی که برای اينکار امتحان شد٬ را می توان به از پايين به بالا- يا از بالا به پايين رده بندی کرد. در راهکرد از بالا به پائين٬ يکی مدلی را که از قبل وجود داشته را انتخاب می کند و راه حل هايی برای انتخاب های ديگر پارامترهای مدل را توسعه می دهد ٬ سپس تست می کند که آيا اين راه حل به نتايج منطبق بر شواهد و تجربيات رسيده اند يا نه. در يک راهکرد از پائين به بالا٬ يک از نتايج تجربی آغاز می کند و تلاش می کند تا يک توضيح پديده ای از يک زير مجموعه از نتايج تجربی را بدست آورد. سپس چند آزمايش ديگر را متناسب با توضيح بدست آمده انجام می دهد ٬ با ترتيب ميکروسکوپی برای هر آزمايش٬ تا اينکه به نتايج مورد انتظار از محاسبات و مشاهدات دست بيابد. و فقط آن وقت٬ بدنبال يک مدل هميلتونی که راه حلش ممکن است تئوری ميکروسکوپی کامل را ارائه دهد٬ بگردد و جستجو کند. جان باردین از اين راهکرد دوم برای کار کردن بر روی ابررساناهای عادی و مرسوم استفاده کرد ٬ و در دانشگاه اوربانا از روش و راهکرد او برای کار برروی ابررسانای دمای بالا استفاده کردند.

دانلود رایگان فایلهای متلب

 

5-1جلوه‌اي جديد از نانوسيم‌هاي ابررسانا

 

محققان دانشگاه ايلينوي يك جفت مولكول DNA را با مواد ابررسانا پوشش داده و يك ابزار تداخلي كوانتومي ساختند. اين دستگاه دو نانوسيمي نوسان‌هاي مقاومتي غيرعادي از خود نشان داد.
به گفته دانشمندان اين پروژه در ابتدا به عنوان تحقيقي بر روي نوسان‌هاي معروف ليتل-پاركس درنانوابزارهاي ابررسانا آغاز شد. اما اندازه‌گيري‌هاي ما بر روي اين ابزارهاي دونانوسيمي به طورغيرمنتظره‌اي نمايانگر يك دسته از نوسان‌هاي دوره‌اي در مقاومت نسبت به ميدان مغناطيسي مورداستفاده بود كه از نظر كيفي با تاثير مورد انتظار از اثر لتيل پاركس فرق مي‌كرد.
اين ابزارها را با چيدن دو مولكول DNA در طول كانال يك تراشه SiN/SiO2 به عرض حدود 100 نانومتر بر يك تراشه سيليكوني ساخته شده است و سپس اين مولكول‌ها و ماده پايه را با ابررساناي Ge21Mo79 پوشش دادند. نانوسيم‌هاي به دست آمده در دماي پايين ابررسانا شدند و مقاومت آنها به طور نمايي با دما كاهش مي‌يافت اما همانند نانوسيم‌ها مقاومت آنها به صفر نمي‌رسد.
دانشمندان معتقدند كه در صورت نبودن ميدان مغناطيسي. اين سيم‌هاي فوق‌العاده باريك در محدوده وسيعي از دما مقاومت غيرصفر نشان مي‌دهد. در دمايي كه نوعاً سيم‌هاي كلفت‌تر ابررسانا مي‌شود اين نمونه سيم‌هاي DNA همچنان مقاوم باقي مي‌ماند.

زماني كه ميدان مغناطيسي وجود داشته باشد اين ابزار نوسان‌هاي منظمي از مقاومت را با ميدان مغناطيسي نشان مي‌دهد. براي بررسي اين اثر محققان ابزارهايي را با شكل‌هاي هندسي مختلف آزمايش كردند و فضاي داخلي سيم‌ها و قطر آن را تغيير دادند. به اين روش آنها توانستند تا براي اين رفتار توضيحي ارايه دهند.

ميدان‌هاي مغناطيسي مورد استفاده باعث ايجاد جريان كوچكي در كناره اين شيارها مي‌شود و جريان هم باعث تغييرات عمده‌اي در مقاومت مي‌شود. فقط ميدان مغناطيسي و پهناي كناره‌هاي محافظ سيم‌ها است كه توان اين جريان را كنترل مي‌كنند.

محققان بر اين عقيده‌اند كه ابزار آنها به ميدان‌هاي مغناطيسي بسيار حساس است و اگر با پروب ميكروسكوپ‌هاي پيمايشي همراه شود مي‌توان از آن براي تشخيص تغييرات موضعي ميدان مغناطيسي استفاده كرد. به گفته دانشمندان اين ابزار هم‌چنين به گراديان‌هاي فاز 1 پارامتر ابررسانايي حساس هستند. بنابراين مي‌توان ازآنها به عنوان گراديومتر 2 فاز ابررسانا استفاده كرد.
اكنون دانشمندان در نظردارند با وارد كردن جريان‌هاي الكتريكي به داخل الكترودها بدون استفاده از ميدان‌هاي مغناطيسي در اين وسيله نوسان‌هاي فازي ايجاد كنند كه در صورت موفقيت‌آميز بودن آن ثابت مي‌شود كه NQUID (وسيله رابط كوانتوم نانوسيم) آنها مي‌تواند به عنوان گراديامتر مورد استفاده واقع شود. آنها همچنين در نظر دارند تا راهبردهايي را براي توسعه خودسامان DNA پيدا كرده و از آن براي توليد شبكه‌هاي نانوسيمي با ساختارهايپيچيده استفاده كند.

گزارش كار اين محققان در مجله Science به چاپ رسيده است.

 

6-1جريان الكتريكي بدون افت در پيچيه ابررسانا

 

امروزه صرفه جويي در مصرف انرژي، مخصوصا در كشور هاي صنعتي يكي از مهم ترين نيازهاي بشري است. بودجه هاي زيادي صرف تحقيقات در زمينه كشف راه هاي موثرتر براي يافتن انرژي هاي ارزان تر و با ريسك كمتر مي شود. در اين بين، ابررسانايي، با نقشي كه ممكن است در زمينه صرفه جويي در توليد و انتقال انرژي الكتريكي بازي كند، در آينده بشر نقش اساسي خواهد داشت. با وجود اين كه پديده ابررسانايي در دهه اول قرن بيستم كشف شد، هنوز هم تحقيقات زيادي هم از لحاظ نظري، براي يافتن نظريه جامعي كه همه جنبه هاي ابررسانايي را در بر داشته باشد و هم از لحاظ تجربي براي يافتن موادي كه در دماهاي بالاتر خاصيت ابررسانايي داشته باشند، ادامه دارد.

اما يافته جديد پژوهشگران كميسيون انرژي اتمي فرانسه در گرونوبل، نظريه هاي قبلي در مورد ابررسانايي را متزلزل كرده است. پيش از اين دو نوع ابررسانا در دنيا شناخته شده بود. يكي رساناهاي عادي كه معمولا در دماهايي نزديك به صفر مطلق، خاصيت ابررسانايي پيدا مي كنند و ديگري ابررساناهاي دماي بالا كه مواد سراميكي نارسانايي هستند كه در دماهايي حدود 100– درجه سانتي گراد ابررسانا مي شوند.

هر چند تا كنون هيچ نظريه فيزيكي اي نتوانسته است بگويد علت خاصيت ابررساناهاي سراميكي چيست، در دهه 1950 سه فيزيكدان به نام هاي باردين، كوپر و شريفر نظريه اي دادند (نظريه BCS) كه تمام خواص ابررساناهاي معمولي را اين طور توضيح مي دهد. الكترون هايي كه در رسانايي جريان نقش دارند، جفت هايي تشكيل مي دهند و متقابلا در مقابل عواملي كه باعث مقاومت الكتريكي مي شوند، مقاومت مي كنند.

اما اكنون پژوهشگران فرانسوي ادعا كرده اند كه خاصيت جديدي را در ابررساناها پيدا كرده اند كه قبلا در هيچ نظريه اي پيش بيني نشده بود. خواص ابررسانايي در مواد، علاوه بر دماي محيط به ميدان مغناطيسي و شدت جريان عبوري هم بستگي دارد. يعني اگر حتي جسم در دمايي پايين تر از حد ابررسانايي باشد، وقتي ميدان مغناطيسي از ميزان مشخصي بيشتر باشد، خاصيت ابررسانايي از بين خواهد رفت.

اين محققان بلوري ساخته بودند كه در دماي 04/0 درجه كلوين ابررسانا مي شد، ولي وقتي شدت ميدان مغناطيسي از 2 تسلا بيشتر مي شد، اين خاصيت از بين مي رفت. تا اين جا همه چيز را قبلا مي دانستيم، اما يكي از پژوهشگران اين گروه، از روي كنجكاوي، شدت ميدان مغناطيسي را باز هم بيشتر كرد. وقتي شدت ميدان به 12 تسلا رسيد، بلور دوباره ابررسانا شد. وقتي ميدان باز هم بالاتر رفت، اين خاصيت دوباره از بين رفت. اين گزارش كه در نشريه علمي ساينس چاپ شده، توجه بسياري از فيزيكدانان حالت جامد را برانگيخته است، زيرا هيچ توضيح خاصي براي اين پديده وجود ندارد. به نظر مي رسد كه ميدان مغناطيسي متغير باعث ايجاد رفتارهاي جالب پيش بيني نشده در ابررساناها مي شود. بايد توجه داشت كه ابررسانايي يك خاصيت كاملا كوانتمي است و به سادگي نمي توان وضعيت پيش آمده در اين آزمايش را توصيف كرد.
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم

 

اثر مخلوط سه تايي از عناصر خاكي كمياب بر خواص ابر رسانايي RE Ba₂CN₃O_X

 

تركيب 123_(YGdsm) با فرمول اسمي Ba2Cu3Ox Y./33 Gd. /33 Sm./33 همچنين    YGdEu1و   YGdEu2     با فرمول اسميBa2Cu3Ox   (Y./33 Gd./33 Eu./33) که دارای شرايط اكسيژن دهي متفاوت هستند ساخته شده اند خواص مختلف ساختاري ، ريخت شناسي ، ترابردي و مغناطيسي كه شامل اندازه گيريهاي پذيرفتاري ac مقاومت الكتريكي ac چگالي جرياني بحراني Jc و آناليزهاي SEMو ,XRD EDX مي باشند به عمل آمده است نتايج حاصل از چگالي جريان بحراني نشان مي دهد كه مقدار Jc در نمونه 123(YGdsmو YGdEu1نسبت به((Y123افزايش پيدا كرده است به طوري كه مقدار آن در YGdEu1نسبت به نمونه ((Y123حدود 2 برابر شده است كه علت آن احتمالاً حضور يونهاي  EUو Sm در روي صفحه هاي BaO مي باشد كه به عنوان يك ناخالصي عمل مي كند و منجر به توليد ميخكوبي محلي شده و نهايتاً جريان بحراني را افزايش مي دهد .

جايگزيني عناصري از خاكيهاي نادر سه ظرفيتي به جاي عنصر ايتريوم در تركيب آبررساناي YBa₂CN₃O_Xبه منظور بررسي خواص ابر رسانايي ، مكانيكي ، مغناطيسي و كاري است كه از چندين سال قبل آغاز شده و هم اكنون نيز ادامه دارد آنچه به طور كلي مي توان گفت اين است كه جايگزيني اين دسته از عناصر ، به جز عنصر پروسودنيوم (Pr) ، به جاي ايتريوم تغيير خاصي در خواص ابررسانايي اين سيستم كه از اين به بعد به نام سيستم (Y123) ناميده مي شود، نمي دهد . به طوري كه در گزارشات متعدد به آن اشاره شده است ، براي استفاده از مواد ابر رساناي گرم سراميكي در صنعت بايد به مشكلات مكانيكي (تردي بيش از حد) و پايين بودن چگالي جريان بحراني آنها ، در مقايسه با ابررساناهاي متعارف فلزي و حتي لايه هاي نازك ابر رساناهاي گرم ، غلبه كرد . روشهاي متعددي براي اصلاح مكانيكي اين سيستم به كار رفته است يكي از اين روشها افزودن و جايگزيني يونهاي متعددي است كه در واقع اين يونها در بين دانه هاي اين مواد سراميكي قرار مي گيرد . مطالعات زيادي در اين موارد انجام شده است كه براي نمونه   مي توان به مقاله نويسنده و همكاران در مرجع ]1[ مراجعه كرد در اين مقاله نشان داده شده است كه افزودن نقره به سيستم (Y123) تا حدود 20 درصد، تأثير زيادي در كاهش دماي گذار اين سيستم ندارد و با قرار گرفتن در بين دانه هاي ابررسانايي ، خواص مكانيكي و ترابردي آنها را بهبود مي دهد . روش ديگري كه كاربرد فراوان دارد جايگزين يون ايتريوم با عناصري مانند گادلينيوم (Gd) ، بوروپيوم(Eu)، نيوديوم (Nd) ، سوماريوم (Sm) و … وعمليات حرارتي متفاوت درمرحله كلوخه سازي آنها است ]2[ همان طور كه از ساختار بلوري اين نوع ابررساناها مشخص است عوامل هدايت الكتريكي در حالت ابررسانايي     (ابر الكترونها يا ابر حفره ها) در مواد ابر رساناي محتوي مس در صفحات CuO₂ مي باشد جايگزيني عناصر Gd,Sm,Eu,Nd و… به جاي Y د رتركيبهاي (Y123) و تركيبي از عناصر فوق امكان اصلاح ساختاري اين صفحه ها را فراهم مي آورد و احتمال افزايش هدايت الكتريكي و در نتيجه امكان تحمل انتقال جريانهاي بيشتر را در اين نوع تركيبها بيشتر مي كند .

بايد متذكر شد كه تنها عامل افزايش هدايت الكتريكي در حالت ابررسانايي(يا افزايش چگالي جريان بحراني ) اصلاح ساختاري با جايگزيني يونهاي با شعاعهاي متفاوت به جاي اينريوم و يا تركيبي از عناصر جدول فوق الذكر نيست عوامل ديگري از قبيل برهمكنش همان مغناطيسي يونهاي جايگزين شده ، روش پخت ، وجود ناخالصيها و چندين عامل ديگر ممكن است منجر به افزايش يا كاهش چگالي جريان بحراني در ابررساناها شود اين عوامل كه به عناوين مختلف در ساختار يك جسم ابررسانا مؤثر است و ممكن است اثري را كه به نام ميخكوبي شار معروف است ، ايجاد كند .

مطالعات سالهاي اخير نشان مي دهد كه تركيبهاي از نوع سيستم (RE:Nd,Sm,Eu,Gd)REBa₂Cu₃O_x داراي دماي گذار مناسب و جريان بحراني نسبتاً بالا هستند ]3[ نمونه هاي تهيه شده به روش رشد ذوب جزيي با كنترل دقيق اكسيژن (OCMG) كه در واقع استفاده از روش ذوب جزيي با كنترل دقيق اكسيژن موجود در محيط است ، به علت وجود فازهاي ناخالصي با درصد بسيار كم كه موجب ميخكوبي شار مي شود ، در ميدانهاي نسبتاً بالا قابليت عبور جريانهاي بسيار زيادي را دارند . يكي از اين تركيبات سه تايي   ( Nd_0/33Eu_0/33Sm_0/33)Ba₂Cu₃ O_X است ، اين تركيب داراي خصوصيات ميخكوبي ضعيف شار در يك گذار ابررسانايي است ]5و4[ با اين حال وقتي ايترييوم (F) همين طور نمونه گذار ابر رسانايي تيزي خواهد داشت در واقع نمونه (NES)₁₂₃ يك نمونه تك فاز نيست و با اضافه كردن (Y) تك فاز خواهد شد .

تركيبات ديگري از قبيل (EU_0/33Nd_0/33­Gd_0/33)Ba₂Cu₃O_x (Gd_0/33Eu_0/33Sm_0/33)Ba₂Cu₃O_xوBa2Cu3Ox(Gd./33Nd./33Sm./33) ساخته شده كه همگي داراي J_C بالاتري نسبت به تركيب (Y₁₂₃) هستند ]6[ . با يان وجود اين معماست كه چرا (Sm_0/33Nd_0/33Gd_0/33)Ba₂Cu₃O_x خواص J_C(B) پاييني را از خود نشان مي دهد از اين كه تركيبات (Nd_0/5Sm_0/5)₁₂₃,(Sm_0/5Eu_0/5)₁₂₃,(Nd_0/5Eu_0/5)₁₂₃ همگي داراي J_Cو T_Cنسبتاً بالايي هستند به نظر مي رسد كه بتوان دليل آن را در Gd خلاصه كرد و بتوان گفت كه نبود Gd يا F خواص ابررسانايي را در تركيب سه تايي (NES)₁₂₃ تا حدودي تضعيف كرده است اضافه كردن Gd يا Y، به تركيب (NES)₁₂₃ باعث افزايش J_C مي شود ]8و7[.

با توجه به نزديكي شعاعهاي يوني (Y) و (Gd) اضافه كردن(Y) هم به تركيب (NES)₁₂₃ مي تواند خواص ابررسانايي را افزايش دهد ]4[. نشان داده شده كه اضافه كردن (Gd) به ميزان 25% به تركيب (NES)₁₂₃ بهترين تأثير را در T_C خواهد داشت ]9[.

در ساخت نمونه هاي (Sm_0/33Nd_0/33Gd_0/33)Ba₂Cu₃O_x نيز ساخته شده است در اين نمونه نيز فاز دوم (SEG)₂₁₁ مشاهده شده كه نمونه يا اضافه كردن تركيبات Gd-123   Eu-123     Sm-123 به سمت تك فاز بودن ميل مي كند ]14[ . در مقالاتي ديگر تركيبات چهارتايي با نسبت استوكيومتري (Y_0/25Sm_0/25Eu_0/25Gd_0/25)Ba_2/12Cu_3/09O_x ساخته شده است كه اين تركيب نيز J_C بالايي را از خود نشان مي دهد ]15[.

در اين پروژه تركيبهاي سه تايي (Y,Gd,Eu) 123   (Y,Gd,Sm)123 با فرمول اسمي و (Y_0/33Gd_0/33Eu_0/33)Ba₂Cu₃O_X , (Y_0/33Gd_0/33Sm_0/33)Ba₂Gu₃O_x انتخاب شده اند و خواص مختلف ساختاري ، ريخت شناسي ، ترابردي و مغناطيسي آنها مورد بررسي و مطالعه قرار گرفته است به طوري كه در روش آزمايش آمده است ، در ساخت اين نوع تركيبها سعي شده كه شرايط پخت براي كليه نمونه ها يكسان باشد و تأثير حضور عناصر باخواص مختلف ساختاري و مغناطيسي مورد مطالعه قرار گيرد .

1-2آزمايش

براي ساخت نمونه هاي مورد نياز از روش معمول حالت جامد استفاده شده است در اين روش دو سري اسمي از تركيبهاي(Y_0/33Gd_0/33Eu_0/33)Ba₂Cu₃O_X ,(Y_0/33Gd_0/33Sm_0/33)Ba₂Gu₃O_x ساخته شده اند مواد اوليه Eu₂O₃ ,Sm₂O₃,BaCO₃,CuO,Y₂O₃,Gd₂O₃ با درصد خلوص بهتر از 99/99 درصد و استوكيومتري مناسب با يكديگر مخلوط و براي مدت يك ساعت آسياب شدند محصول به دست آمده به كروزه هاي آلومينا ريخته شده و در كوره هاي مكعبي براي مدت 24 ساعت در دماي 920 درجه سانتيگراد تكليس شده اند . عمل آسياب و تكليس براي دو بار متوالي تكرار شد . محصول به دست آمده در اين مرحله آسياب شده و در قالبهاي مخصوص تحت فشاري معادل 10 تن به صورت قرصهايي به قطر حدود 10 ميلي متر و ضخامت 2 تا 3 ميلي متر در آمده اند . قرصها در روي قطعه اي از آلومينا كه توسط ورقه اي از طلا پوشيده شده قرار گرفتند و در كوره هاي لوله اي كه شاري از اكسيژن ازآنها مي گذرد اين مدت 24 ساعت در دماي 960 درجه سانتيگراد كلوخه سازي شده اند .

بررسي ساختاري نمونه هاي به دست آمده توسط دستگاه پراش پرتوي ايكس (XRD) ساخت كارخانه فيليپس (مدل XPERT) انجام شده است .

ريخت شناسي نمونه هاي فوق توسط دستگاه ميكروسكوپ الكتروني روشي ساخت شركت فيلپس مدل XL30 و بررسي كيفي ساختار شيميائي آن توسط دستگاه EDX انجام شده است . پذيرفتاري مغناطيسي نمونه هاي به دست آمده توسط دستگاه اندازه گيري پذيرفتاري مغناطيسي ساخت شركت Lake shore مدل 7000 انجام شد و مقاومت ويژه نمونه نيز توسط دستگاه اندازه گيري مقاومت ، توسط يخچال مدار بسته ساخت شركت Leybold اندازه گيري شد اندازه گيري مقاومت و كنترل دماي سيستم به وسيله يك كامپيوتر شخصي مجهز به يك Interface ويك برنامه كامپيوتري و توسط يك سنسور مقاومتي Pt-100 و دستگاه كنترل دماي قابل برنامه ريزي با دقتي معدل k 01/0 ± انجام شده است .

چگالي جريان بحراني همه نمونه هاي به روش 4 ميله در دماي ازت مايع انجام شد .

 

2-2نتايج وبحث

 

پذيرفتاري مغناطيسيac X=X’-iX” داراي دو مولفه مي باشد مؤلفه حقيقي X’ افت نسبتاً تيزي را درست زير دماي بحراني T_e نشان مي دهد و در قسمت موهومي X” قله اي (T_p) د رناحيه گذار به ابررسانايي شكل مي گيرد اما در مورد ابر رساناهاي گرم چند بلوري گذار پذيرفتاري مغناطيسي شامل دو مرحله است : مرحله اول گذار درون دانه اي است كه افت نسبتاً تيز در قسمت حقيقي X’ پذيرفتاري مغناطيسي همراه است و مرحله دوم گذار بين دانه اي است كه با كاهش بيشتر دما در قسمت حقيقي پذيرفتاري مغناطيسي افت آرامي ملاحظه مي شود دليل آن وجود اختلاف زياد در ميدان بحراني پاييني بين دانه اي و خود دانه ها است . ميدان بحراني پاييني بين دانه اي خيلي كوچكتر از دانه ها است و بنابراين شار مغناطيسي ابتدا به قسمت بين دانه ها نفوذ مي كند ، در واقع قسمت حقيقي معرف اثر مايستر است پذيرفتاري مغناطيسي براي هر سه نمونه اندازه گيري شد .

شكل 1 معرف رفتار پذيرفتاري مغناطيسي نمونه (Y_0/33Gd_0/33Eu_0/33)Ba₂Cu₃O_X است به طوري كه نتايج حاصل از اهمال ميدان مغناطيسي نسبتاً پايين (حدوداً (A/m)50-8/0) نشان مي دهد آستانه دماي گذار حدود 90 درجه كلوين است ، اما دماي گذار نمونه حتي در ميدانهاي نسبتاً پايين به حدود 86 درجه كلوين نزول پيدا   مي كند احتمال وجود فاز ناخالصي و يا كمبود اكسيژن در اين نمونه وجود است كه بعداً در مورد آن به طور مفصل صحبت خواهد شد . پذيرفتاري مغناطيسي براي نمونه (Y_0/33Gd_0/33Sm_0/33)Ba₂Gu₃O_x نيز اندازه گيري شد . استانه دماي گذار اين نمونه حدود 91 درجه كلوين مي باشد ونتايج حاصل از اعمال ميدانهاي مغناطيسي نسبتاً بالا ((A/m) 500) تأثير چنداني در رابطه با دماي گذار نمونه ندارد .

به منظور بررسي و مطالعه بيشتر نمونه (Y_0/33Gd_0/33Eu_0/33)Ba₂Cu₃O_X كه از اين بعد به صورت YGdEu1 معرفي مي شود ، اين نمونه تحت عمليات حرارتي قرار گرفته و درحضور اكسيژن دوباره كلوخه سازي روي آن انجام شده است نمونه فوق را كه دوباره عمليات حرارتي روي آن انجام شده به نام YGdEu2 معرفي مي كنيم .

شكل 2 نشانگر رفتار پذيرفتاري مغناطيسي اين نمونه هيچ گذاري را تا دماي 77 درجه ي كلوين از خود نشان نمي دهد .

در مرحله بعدي مقاومت الكتريكي نمونه ها اندازه گيري شد مقاومت نمونه(Y_0/33Gd_0/33Eu_0/33)Ba₂Cu₃O_X داراي آستانه گذاري برابر 91 درجه كلوين   مي باشد . مقاومت نمونه YGdEu1 داراي آستانه گذار حدود 90 درجه كلوين است . مقاومت نمونه YGdEu2 نيز اندازه گيري شد و مقدار متوسط دماي گذار آن حدود 65 درجه كلوين تخمين زده شد و مقاومت اين نمونه زير دماي 50 درجه كلوين صفر مي باشد . مشاهده مي شود كه دماي گذار نمونه YGdEu2 نسبت به نمونه YGdEu1 به ميزان قابل ملاحظه اي كاهش پيدا كرده است . احتمالا ًافزايش بيش از مقدار بهينه اكسيژن در اين نمونه ، تعداد حاملين بار را زياد كرده است با توجه به اين كه دماي گذار بر حسب تعداد حاملين بار به طور سهموي تغيير مي كند ]16[.

بنابراين افزايش خيلي زياد حاملين بار دماي گذار اين نمونه را كاهش داده ، هر چند مشاهده خواهيم كرد كه ناخالصي از بين رفته والگوي ساختاري بهتر شده است .

با استفاده از نتايج نمودار حاصل از پردازش پرتوي ايكس براي نمونه(Y_0/33Gd_0/33Sm_0/33)Ba₂Gu₃O_x مقدار پارامترهاي شبكه مقادير A⁰4942/11=C . A⁰ = 8803/3=b و A⁰ 8688/3=a به دست آمد .مقدار پارامترهاي شبكه براي نمونه Y Gd Eu² نيز محاسبه شد و مقادير آن A⁰ 6317/11=c . A⁰8845/3=b . A⁰ 8178/3=a به دست آمد البته نتايج نمودار حاصل از پراش پرتوي ايكس براي نمونه YGdEu¹ نيز به دست آمد . گرچه طرح حاصل از اين نمونه نيز شباهت زيادي به پراش نمونه (Y123) با اكسيژن 7 داشت ، اما تعدادي قله ناشناخته در طرح موجود است كه معرف وجود فازهاي ناخالصي Y₂O₃ در اين نمونه است .

نتايج حاصل از محاسبات و اندازه گيريهاي اين آزمايش بيانگر اين مطلب است كه پارامتر C در شبكه نمونه هاي (YGdEu)123 , (YGdSm)123 قدري كوچكتر شده كه احتمالاً يونهاي Sm (با شعاع يوني A⁰ 079/1)Eu (با شعاع يوني A⁰ 066/1)با يون Ba نهايتاً پارامتر شبكه c در اين تركيبات كاهش پيدا ميكند نتيجه اين محاسبات با محسابات مرجع ]2[و]15[در توافق است .

از نمونه هاي ساخته شده توسط دستگاه ميكروسكوپ الكتروني SEM گرفته شد . تصوير ميكروسكوپ الكتروني از سطح نمونه (Y_0/33Gd_0/33Sm_0/33)Ba₂Gu₃O_x توده هايي از فاز ابررسانا با دانه هايي به ابعاد um30-10 را نشان مي دهد نمودار EDX اين نمونه مؤيد درصد عناصر اسمي موجود در اين نمونه به صورت كيفي است .

 

 

 

 

 

 

 

دانلود رایگان فایلهای متلب

 

شكل 1-2 . پذيرفتاري مغناطيسي بر حسب دما براي نمونه YGdEu₁

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 2-2. پذيرفتاري مغناطيسي بر حسب دما براي نمونه YGdEu₂

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 3-2. تصوير ميكروسكوپ الكتروني نمونه YGdEu₂

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 4-2. چگالي جريان بحراني برحسب دما براي نمونه Y-123 و (YGdSm)123

 

شكل 3 تصويري از سطح نمونه YGdEu₂ را نشان مي دهد به طوري كه در اين تصوير مشاهده مي شود ، توده هاي مكعب مستطيلي (كه معرف وجود فاز Y123) در اين شكل به طور كامل قابل مشاهده است . نتايج حاصل از مطالعه EDX اين نمونه ، نشان مي دهد كه نسبت اسمي عناصر موجود در نمونه به طور كامل حفظ شده است .

شكل 2 نتايج اندازه گيري چگالي جريان بحراني براي نمونه هاي (YGdSm)123 و (Y123) و (YGdEu¹) را در دماي ازت مايع (77 درجه كلوين ) نشان مي دهد به طوري كه از نتايح حاصل مي توان استنتاج كرد ، چگالي جريان بحراني نمونه هاي(YGdSm) و(YGdEu¹) نسبت به نمونه خالص Y^-123 افزايش پيدا كرده است با توجه به دماي ازت مايع قادر به اندازه گيري چگالي جريان بحراني نمونه (YGdEu²) نبوديم .

 

3-2نتيجه گيري

 

با انجام آزمايشهاي اندازه گيري پذيرفتاري مغناطيسي و مقاومت الكتريكي ، توانستيم گذار ابررسانايي را در كليه نمونه هاي ساخته شده مشاهده كنيم اندزه گيري چگالي جريان بحراني تركيب سه تايي YGdEu¹ و (YGdSm)123 افزايش مقدار J_C را نسبت به نمونه (Y123) نشان مي دهد . كه احتمالاً جايگزيني يونهاي Eu⁺³ وSm⁺³ در اين تركيبات سه تايي با يون Ba⁺² تعداد حاملين بار را در زنجيره هاي O-Cu كاهش داده و به همين دليل دماي گذار نمونه ها اندكي كاهش پيدا كرده است ، اما با توجه به اصلاح ساختاري كه در اين سيستمها انجام شده است حضور احتمالي يونهاي EuوSm در روي صفحه هاي Ba O به عنوان يك ناخالصي به توليد ميخكوبي محلي منجر شده و باعث افزايش جريان بحراني شده است يوون زو]15[ در توافق است جايگزيني يونهاي مغناطيسي (اگر به مقدار بسيار ناچيز باشد ) مي تواند منجر به افزايش چگالي جريان بحراني شود اما اگر اين جايگزيني قابل ملاحظه باشد ، اين خود يك عامل كاهش چگالي جريان بحراني است در اين حا Sm همانند Eu به عنوان يك ناخالصي عمل مي كند و چگالي جريان بحراني افزايش مي يابد ، اما چون يون جايگزيده Sm ، در تركيب سه تايي(YGdSm)123 ، به مقدار قابل توجه بوده و داراي همان مغناطيسي است ، اين خود يك عامل باز دارنده بوده و نبابراين افزايش چگالي جريان بحراني به اندازه تركيب سه تاييYGdEu¹ نخواهد بود .

احتمالاً افزايش بيش ازاندازه اكسيژن از مقدار بهينه در نمونه YGdEu² نسبت به نمونه YGdEu¹ كه مجدداً در اكسيژن باز پخت شده ، تعداد حاملين بار را زياد كرده است با توجه به اين كه دماي گذار برحسب تعداد حاملين باز به طور سهموي تغيير مي كند ، هر چند ناخالصي از بين رفته و الگوي ساختاري بهتر افزايش خيلي زياد حاملين بار دماي گذار اين نمونه را كاهش داده است .

آناليزهاي XRD, SEM نشان از تشكيل فاز ابر رسانايي در نمونه ها و همچنين وجود بعضي فازهاي ناخالصي مي دهد . آناليز EDX نشان داد كه نشان اسمي عناصر موجود در نمونه به طور كامل حفظ شده است .

 

تشكر و قدرداني

از معاونت پژوهشي دانشگاه صنعتي اصفهان به خاطر حمايت از اين كار ، تشكر و قدرداني       مي شود.

دانلود رایگان فایلهای متلب

فصل سوم

 

آلايش Ca و Pr در ابر رساناهاي دماي بالا با پايه Gd

 

نمونه هاي ابررساناي دماي بالاي تك فاز چند بلوري Gd_1-x-z pr_x CazBa2Cu3O7-∂(GdPrCa-123) با 3/0≥ x≥0 و 35/0≥ z ≥ 0 با روش استاندارد واكنش حالت جامد ساخته شدند و آناليزهاي XRD وSEM روي آنهاانجام شد. فازهاي ناخالصي BaCuO2 وCaCu₂O₃ با درصد كمي ]1%< [ در نمونه هاي با غلظت بالايي از يون Pr- Ca مشاهده مي شوند اندازه گيري الكتريكي نمونه ها نشان       مي دهند كه با آلايش اين مواد با يون Ca   پله هاي موجود ديده شده در منحني T_e(x) از بين نمي روند و هنوز روند كاهش غير خطي منحني T_e(x) مشاهده مي شود. همچنين منحني T_e(z) در نمونه هاي با 0=x يك كاهش غير خطي را نشان مي دهد همچنين منحنيهاي T_e(x,z) سهمي شكلي براي سري تركيبات با غلظت ثابتي از يون Pr و مقادير متفاوتي از يون Ca به دست آمده ا ند با مشاهده اين منحني ونيز غير خطي باقي ماندن منحني T_e(x) ونيز حضور ناخالصي BaCuO2 پيشنهاد مي شود كه Pr علاوه بر اثرات شكست جفت و پر كردن حفره هاي متحرك در صفحات CuO₂ داراي اثر مخرب ديگري مانند موضعي كردن حفره هاي متحرك مي باشد. اندازه گيريهاي مغناطيسي نمونه ها مقدار ميدان بحراني پاييني اين تركيبات را از مرتبه Mt به دست داد منحني مقاومت برحسب دماي نمونه ها تحت ميدان مغناطيسي ، پهن شدگيهاي را نشان مي دهد برازش اين منحنيها با نظريه AH، حضور پديده TAPS را در اين نمونه ها در محدوده دمايي نزديك دماي گذار ، نشان مي دهد روند تغييرات پارامتر Y در نظريه AH نسبت به دما ، ميدان وغلظت يونهاي آلايش PrوCa به دست آمد مشاهده مي شود كه با افزايش يون Ca به تركيب ، چگالي جريان بحراني افزايش و با آلايش يون Pr به تركيب جريان بحراني كاهش مي يابد پيشنهاد مي شود كه يون Ca تا حد بهينه آلايش به عنوان مركز ميخكوبي ويون Pr به عنوان ارتباط ضعيف عمل مي كنند .

واژه هاي كليدي : ابر رساناهاي دماي بالاي GdPrCa-123 موضعي شدن حفره ، TAPS مركز ميخ كوبي .

با كشف ابررسانايي دماي بالا توسط بدنورز و مولر در سال 1986]1[، كه داراي دماي گذار T_e خيلي زيادتري از بر رساناهاي متعارف ونيز داراي ناهمسانگري زيادي بودند ، سيل تحقيقات و تلاشهاي فراوان براي بررسي اين پديده جديد درجهان شروع شد اين پديده ، بر خلاف نظريه هاي موجود در آن زمان ، و نيز برخلاف فيزيكدانان بود تا به آن زمان ، مقالات و نظريه هاي مختلفي مبني بر اين وجود داشت كه ابر رسانايي دردماي بيشتر از k40 وجود ندارد ]2[ ولي ديده شد كه اين مواد جديد ، با اينكه اكسيد غير فلزي بودند ، داراي T_C بالايي هستند همچنين در اين مواد همانند مواد ابر رساناي دماي پايين ، جفت كوير ديده مي شود اما اينكه چه عاملي باعث جفت شدگي الكترونها و سپس ابر رسانايي دماي بالا دراين تركيبات جديد است ، سوالي است كه هنوز نياز به تحقيقات بيشتري دارد .

هنگامي كه بدنورز و مؤلر اين ذهنيت و باور را شكستند كه مي توان از مرزهاي عيني پا فراتر گذاشت ، تحقيقات بسياري براي يافتن نظريه اي كامل و جامع در مورد تركيبات جديد ابررسانايي وهمچنين پاسخ به سئوالات فراواني كه در مورد خواص آنها وجود دارد ، شروع شد ، همچنين ، يك گروه ديگر از محققين بر روي اين موضوع متمركز شده اند كه چگونه   مي توان ابر رساناها را در فناوري امروزي به كار گرفت گروه هاي تحقيقاتي فراواني در حال رقابت فشرده اي هستند تحقيقات تمام وقت در سالهاي اخير ، موجب شده كه پيشرفتهاي زيادي در اين زمينه حاصل شود به دست آوردن اين نتايج وپيشرفتها باعث شده كه محققين به دنبال به واقعيت تبديل كردن روياي ابر رسانايي در دماي اتاق كه به نظر غير ممن مي بود ، باشند .

يكي از راههاي بررسي ساز و كار ابررسانايي جايگزيني عناصر مختلف در تركيبات RBa₂Cu₃O_7-&(R-123) است . تحقيقات و آزمايشها نشان مي دهند كه خاصيت ابر رسانايي اين تركيبات ، تقريباً مستقل از عنصر R است ]3و4[ عنصر نادر زمين به جزPr,Pm,Tb,Ce فاز ابر رسانايي k90 را موجب مي شود CeوTb به دليل دارا بودن ظرفيت 4+ ، داراي ساختار ناپايدار 123 بوده و در واقع نمي توانند فاز 123 را تشكيل دهند و Pm نيز به علت هسته راديواكتيو آن ، عنصري ناپايدار است .

يكي از نكات جالب توجهي كه در تركيبات R-123 ديده مي شود اين است كه با اينكه يون R داراي ممان مغناطيسي بالايي است ، اما ديده مي شود كه ممان مغناطيسي آن هيچ تأثيري بر روي دماي گذار ابر رسانايي ندارد ومثل اين است كه صفحات رساناي CuO₂ از عنصر R مجزا مي باشند در صورتي كه در نظريه ها ديده مي شود كه حضور ناخالصي مغناطيسي در ابر رساناهاي متعارف ، موجب اضمحلال ابررسانايي مي شود .

يك استثنا مشاهده شده در تركيبات R-123 تنها عنصر Pr است كه فاز 123 را تشكيل ميد هد ، اما تركيب Pr-123 ابر رسانا نبوده و بلكه نيمه رساناست ]5و6[ ديده مي شود كه آلايش Y-123 با يون پارامغناطيسي Pr ، باعث افت T_e با افزايش x در تركيبات Y1_-XPr_x-123 ابر رسانايي در حد 6/0 -5/0 = x از بين مي رود ]5و6[ . بحثهاي فراواني در مورد ظرفيت Pr وجود دارد اندازه گيري هاي پذيرفتاري مغناطيسي ]7[ ظرفيتي برابر +4 براي اين يون نشان مي دهند ولي از طرف ديگر ، آزمايشهاي پراش نوترون تركيبات Pr-123 ظرفيتي مخلوط برابر 3/3+ را نشان مي دهند ]8[ . ازمايشهاي تشديد باند توسط تابش نور ]9[ جذب اشعه x ]10[ مطالعات ساختاري ]11[، اسپكتروسكوپي توسط الكترونهاي كم انرژي ]12[و اسپكتروسكوپي لايه هاي مغزي ]13[ نيز ظرفيت 3+ رابراي Pr نشان مي دهد همچنين آزمايشهاي اثر هال ]14[، جانشينيهاي شيميايي ]15[ ، توان ترموالكتريك ]16[، NMR ]17[،XPS ]18[، اسپكتروسكوپي مرز باخر ]19[ و پراكندگي رامان ]20[ ظرفيتي بين 3+ و 4+ براي Pr آشكار كرده اند .

براي توضيح و تفسير اثرات ناشي از يون Pr در تركيبات ابررسانا ، سازو كارهاي مختلفي درمقالات گزارش شده است . دو ساز و كار اصلي پيشنهاد شده :

1) شكست جفتهاي كوپر به علت پراكندگي تبادلي اسپين حفره هاي موجود در صفحات CuO₂ توسط هيپريد شدن بين حالتهاي باند ظرفيت4F   يون Pr و حالتهاي باند ظرفيت CuO₂

2) پر شدن حفره ها به علت بالا تر بودن ظرفيت يون Pr و از 3+ ، و يا موضعي شدن آنهاست . بيشترين مقالاتي كه اين دو سازوكار را پيشنهاد داده اند ، توسط نيومير و همكارانش در مورد مطالعات رفتار تركيبات YbPrCa-123 گزارش شده است ]15[. آشكارا ، بحثهاي زيادي در مورد اثرات و ظرفيت Pr در تركيبات ابررسانايي وجود دارد . بدين ترتيب ، براي يافتن اين اثرات ، كنكاش بر روي اين موضوع شروع شد و نمونه هاي سراميكي Gd_1-xPr_x-123 در آزمايشگاه MRL ساخته شدند اندازه گيريهاي الكتريكي كه روي اين مواد انجام شد ]21 -24[ نشان دادند كه منحني T_e(X) اين مواد از نظريه ابريكاسوف – گروكف (AG) ]25[ كه در مورد شكست جفتهاي كوپر تسوط ناخالصيهاي مغناطيسي است ، تبعيت نمي كند و برخلاف اين نظريه ، يك منحني غير خطي به دست مي دهد همچنين با استفاده از آزمايشهاي مغناطيسي و اندازه گيري پذيرفتاري مغناطيسي نمونه هاي ساخته شده ، ظرفيت 86/3+ به جاي 3+ براي يون Pr به دست آمد . يعني يك اضافه باري براي اين يون مشاهده شد با مقايسه منحني T_e(x) به دست آمده از تركيباتGdPr-123 و T_e(&) (منحني كاهش دماي گذار نسبت به كمبود اكسيژن نمونه هاي Y_-123 و مشاهدات آزمايشگاهي مذكور ، پيشنهاد شده است كه Pr علاوه بر شكست جفتها و پر كردن حفره هاي ابررسانايي باعث موضعي شدن حفره هاي متحرك مي گردد . براي تاييد اين مطلب ، ما به دنبال يوني رفتيم كه پس از آلايش با تركيبات GdPr-123 ، علاوه بر اين كه با ساختار كريستالي 123 همخواني داشته باشد و داراي شعاع يوني مناسبي نيز باشد ، به علت كمبود بار ، بتواند زيادي بار يون Pr را حذف كند بدين ترتيب با حذف اثر دوم Pr ،حضور و يا عدم اثر مخرب سوم اين يون تأييد مي شود براي بررسي اين فرضيه ، ناخالصي Ca²⁺ كه شرايط ذكر شده بالا را دارا بود ، انتخاب شد و نمونه هاي Gd_1-x-zPr_xCa_z-123 (GdPrCa-123) ساخته شدند اندازه گيري هاي الكتريكي و مغناطيسي كليه نمونه ها انجام شد و نيز آناليزهاي XRD وSEM روي آنها انجام گرفت .

 

 

 

1-3ساخت و آزمايشات

 

نمونه هاي سراميكي Gd_1-x-zPr_xCa_z-123 با استفاده از روش استاندار واكنش حالت جامد ، با مقادير مختلف آلايش 3/0 ≥ x≥ 0 و 35/0 ≥ z ≥ % وبا روش استوكيومتري جرمي ، پودرهاي CaCO₂ , BaCO₂ , Pr₆O₁₁, Gd₂O₃ و CuO با خلوص 99/99% مخلوط شده و ساخته شدند در ساخت هر نمونه دو مرحله حرارتي اصلي وجود دارد مرحله تكليس و مرحله كلوخه سازي ، مرحله تكليس ، دومرتبه و در هر مرتبه ، پودرها كاملاً ساييده و مخلوط مي شوند و تا دماي 850^0C در هوا حرارت داده شده و در اين دما به مدت 24 ساعت باقي مي مانند و سپس تا دماي اتاق به مرور سرد مي شوند فاز 123 در اين مرحله حرارتي تشكيل مي شود در اين مرحله از كار ، پودرهاي سياه رنگ به دست آمده ، دوباره خرد شده وتحت نيروي 5 تن به صورت ديسك درآمده و روي ورقه اي از طلاي خالص و در اتمسفر اكسيژن با فشار يك اتمسفر ، منتشر شدند و دماي آنها ، تحت شرايط خاص عمليات حراراتي ، به مدت 24 ساعت ، از دماي اتاق به دماي 930^0C رسيده و به مدت 24 ساعت در همين دما نگه داشته شده و سپس با آهنگ دمايي حدود ^0c/min 1 تا دماي اتاق سرد شدند ]26[. در پايان مرحله ساخت ، قرصهاي سياه رنگي به دست آمد كه داراي سختي بالايي بودند لازم به ذكر است كه در هنگام ساخت ، سعي شد كه تمامي شرايط ساخت براي كليه نمونه ها ، يكسان در نظر گرفته شود ، تا بتوان به نتيجه بهتر و قابل اعتمادتري دست يافت .

پس از ساخت ، آزمايشها و آناليزهاي مختلفي روي نمونه ها انجام شد ساختار كريستالي نمونه ها و اينكه چه فازهاي ناخالصي ديگري در تركيب ظاهر شده ، توسط آناليز XRD به روش پودري (تابش CuK_a و يا استفاده از فيلتر نيكل و با طول موج اشعه A⁰ X- 540598/1 در دماي اتاق ) مورد بررسي قرار گرفت . در آناليز طيفهاي اشعه X- نمونه ها ، از نرم افزار Rietveld استفاده شد با استفاده از اين نرم افزار توانستيم تغييرات فواصل باندي درون شبكه را نسبت به آلايش يونهاي Pr و Ca به تركيب مورد بررسي قرار داده و نتايج قابل توجهي را به دست آوريم همچنين مقدار اكسيژن نمونه ها ، پارامترهاي شبكه (a,b,c) و انديسهاي ميلر (hkl) با استفاده از اين آناليز به دست آمدند آزمايش SEM براي تعيين ريز ساختار نمونه ها و كيفيت ساخت صورت گرفت . براي اندازه گيري اكتريكي و مقاومت مغناطيسي نمونه ها ، آنها را به صورت مكعب مستطيل به ابعاد mm³ 5/1 * 4 * 10برش داديم و با روش 4- ميله اي ، سيمهاي مسي نازكي را با فواصل مشخصي به كمك چسب نقره روي سطح نمونه وصل كرديم كنترل دماي نمونه بادقت k01/0 توسط يك كنترل كننده دما Lake Shore -330 با يك مقاومت Pr و ديود GaAs انجام گرفت مقاومت ويژه الكتريكي نمونه ها در محدوده دمايي 10 تا k300 با جريان الكتريكي ac برابر mA 3/9 و با فركانس Hz 70 اندازه گيري شد . براي دستيابي به دماهاي پايين ، از يك يخچال مدار بسته (displex) و با استفاده از گاز هليوم براي سرد كردن نمونه ها استفاده شده است .

اندازه گيريهاي مغناطيسي نمونه ها در محدوده دمايي 77 تا k300 با استفاده از يك دستگاه مگنتومتر با نمونه لرزان (VSM) با حساسيت emu ^4-10 كه شامل يك آهنرباي الكتريكي با قدرت T3/2است ، انجام شد هنگامي كه نمونه در يك ميدان مغناطيسي يكنواخت قرارداده مي شود ، يك بردار مغناطش متناسب با حاصل ضرب پذيرفتاري ضرب در ميدان اعمال شده در نمونه القا می شود(.(M=*H دستگاه طوری طراحی شده است که نمونه به صورت سینوسی در میدان مغناطيسي نوسان مي كند و يك علامت الكتريكي در بوبيتهاي دريافت PUC القا مي شود اين سيگنال پس ازچندين مرحله تقويت ، قابل اندازه گيري مي شود ، در واقع ، نوسان موجب مي شود كه شار مغناطيسي عبور كننده از PUC تغيير كند و در نتيجه يك علامت در PUC القا شود . PUC ها روي قطبهاي آهنربا قرار دارند نهايتاً براي مشاهده منحني M(H) ، ولتاژ خروجي را مي توان به يكي از ورودي هاي ثبات XY- داده و به ورودي ديگر نيز خروجي ميدان مغناطيسي اعمال شده را داده تا منحني پسماند مغناطيسي نمونه ابر رساناي مورد نظر را رسم كند براي كاهش دماي نمونه ها ، از يك يخچال نيتروژن مايع استفاده مي شود با تغيير ميدان مغناطيسي با آهنگ يكنواخت و آرام ، منحنيهاي مغناطش نمونه هايي كه دماي گذاري بالاي دماي K77 دارند ، رسم شدند .

2-3نتايج وبحث

 

آناليز طيفهاي اشعه X- نمونه ها ، يك ساختار پرووسكايت تك فاز اورتورومبيك با گروه فضايي Pmmm را از خود نشان مي دهند . همچنين طيف بعضي نمونه ها ، قبل وبعد از مرحله كلوخه سازي ، گرفته و با هم مقايسه شده اند ديده مي شود كه فازهاي ناخالصي PrBaO₂, BaCuO₂و CaCu₂O₂ با قله هاي اصلي به ترتيب درمكانهاي 2 θ = 33 / 2 و ° 94 θ = 29 / 3 ° ،2θ = 28 / 9° به شدت پس از مرحله كلوخه سازي كاهش يافته و فقط در بعضي نمونه ها كه داراي درصد بالايي از يونهاي PrوCa هستند ، فازهاي ناخالصي CaCu₂O₃, BaCuO₂ حدود 1% خود را نشان مي دهند و فاز ناخالصي قابل توجه ديگري حضور ندارد ]23و27[ . حضور فاز ناخالصي BaCuO₂ ممكن است نشان دهنده جانشيني مقدار جزيي از يون Pr در سامانه Ba باشد ]28[. د راين صورت با نزديك شدن يون Pr به زنجيره ها ، اضافي بار مثبت اين يون مي تواند قسمتي از بار منفي روي اتمهاي اكسيژن در زنجيره ها را تحت تأثير قرار داده و در نتيجه باعث كاهش غلظت حفره هاي متحرك ابر رسانايي در تركيب (موضعي شدن حفره هاي متحرك ) و سپس باعث افت T_e شود ]21[.

براي آناليز دقيق طيفهاي اشعه x- به دست آمده ، از نرم افزار Rietveld استفاده كرديم با استفاده از اين نرم افزار، طيف پراش اشعه x- نمونه ها با غلظتهاي مختلفي از يونهاي Pr و Ca آناليز و انديس گذاري شده اند ونيز ثابتهاي شبكه به دست آمدند جدول 1، يك نمونه از نتايج اين آناليز را براي تركيب (x=0/0 , z=0/15) نشان مي دهد در اين جدول ، انديسهاي ميلر (hkl) مربوط به قله هاي مشاهده شده و مقادير مشاهده شده (Iobs) ومحاسبه شده Ieal))شدت هر قله ، براي مقايسه داده شده اند مقايسه داده هاي شدت قله هاي محاسبه شده و مشاهده شده ، نشان بر برازش خوب نمونه ها با كارتهاي JCPDS و كيفيت خوب نمونه هاست به علاوه ، با در نظر گرفتن مكان بعضي يونها مانند O(4), O(3) , O(2) و Cu(2) و نيز درصد اشتغال بعضي از نقاط شبكه اتمي مانند O(3) , O(2) , O(1) , Gd و O(5) به عنوان متغير ، با استفاده از اين نرم افزار توانستيم به روند تغييرات اين پارامترها نسبت به درصد آلايش ناخالصيهاي PrوCa دست يابيم در اين آناليز ، مشاهده شد كه مقدار اكسيژن درصفحات ، (O(3) , O(2))CuO₂ ثابت بوده و مقادير O(5) , O(1) در زنجيره ها متغيرند ، همچنين با استفاده از اين اطلاعات ، فواصل باندي درون ساختار شبكه محاسبه شد ]23[.

با بررسي و تحليل داده هاي به دست آمده از اين آناليزها ، ديده مي شود كه درنمونه هاي فقط Ca دار(pr 0%) با افزايش يون كلسيم در تركيب ، پارامتر a شبكه و حجم سلول واحد افزايش مي يابد كه با گزارشات منتشر شده روي دستگاه هاي ErPrCu-123 , YPrCa-123 و CaxBa1-xCu2O7- Y./4 Pr./6 تطابق وهمخواني دارد ]29-31[ . شكل 1 ، منحني تغييرات پارامتر a شبكه برحسب افزايش يون Ca در تركيبات فاقد يون pr را نشان مي دهد از طرفي با محاسبه فواصل باندي cu(2) – o(2) ، ديده مي شود كه با افزايش اين يون ، طول باند مذكور افزايش مي يابد ، يعني صفحات CuO₂ در اين تركيبات تخت تر مي شوند (در توافق با ]30[) درنمونه هاي داراي درصد ثابتي از يون Pr (مثلاً 10%) و با مقادير مختلفي از آلايش Ca ، ديده مي شود كه با افزايش اين يون پارامتر a افزايش مي يابد اين روند تغييرات براي سري تركيبات با مقدار درصد ديگري از pr (15%) نيز ديده مي شود همچنين از اين تركيبات نيز با محاسبه فواصل باندي و زوايا در صفحات Cu(2) , O(2) – Cu(2) , CuO₂ به خوبي ديده مي شود كه با افزايش غلظت يون Ca، تا حد بهينه آلايش ، زاويه نامبرده كوچكتر شده (صفحات خميده تر مي شوند ) و فواصل باندي به همراه كاهش در پارامتر a شبكه ، كاهش مي يابند و از اين حد بهينه آلايش به بعد ، صفحات رساناي CuO₂ تخت مي شوند اين روند تغييرات مشاهده شده با روند افزايش و كاهش دماي گذار نمونه ها (T_e) در اندزه گيري هاي الكتريكي همخواني داشته و از نظر نظري هم منطقي به نظر مي رسد : آلايش حفره در صفحات رساناي CuO₂ باعث كاهش پارامتر a شبكه مي شود ]32و33[ افزايش پارامتر a شبكه ، پس از حد بهينه آلايش يون كلسيم ، نشان بر پارامتر a شبكه ، پس

 

جدول1-3. مقادیر hkl و lobs بر حسب مکان قله های مشاهده شده برای نمونه(x=0/0,z=0/15)

با استفاده از آنالیز Rietveld.

 

 

از حد بهينه آلايش يون كلسيم ، نشان بر آلاييده نشدن حفره به تركيب و يا احتمالاً بيش از حد آلاييده شدن حفره به دستگاه است (اثر Overdoping) ]23[.

 

 

 

 

 

 

شکل1-3. منحنی تغییرات پارامتر a شبکه بر حسب غلظت یون Ca در ترکیب GdxCax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 2-3. تصاوير SEM نمونه هاي GdPrCa-123 (الف) (x=0/15 , z = 0/15) ، (ب) x=0/3 , z=0/2) ) (x5000)

 

مقدار اكسيژن نمونه ها ، (&-7) ، به وسيله نرم افزاي Rietveld به دست آمد با توجه به عدم دقت بالاي اين روش در تعيين مقدار اتمهاي سبك ، ديده شد كه مقدار اكسيژن نمونه ها نسبت به افزايش يا كاهش غلظت يونهاي آلايشي Pr و Ca ثابت مي باشد . مقدار متوسط اكسيژن كل نمونه ها برابر 02/0 ± 87/6 به دست آمد .تصاوير به دست آمده از آناليز SEM نشان مي دهند كه شكل دانه ها در اين تركيبات سوزني بوده و نمونه ها متخلخل هستند و دانه ها به طور يكنواخت در نمونه پخش شده اند (درتوافق با ]34[) شكل 2 ،عكسهاي مربوط به آناليز SEM بعضي از نمونه ها را نشان مي دهد با مشاهده و اندازه گيري دانه ها در اين عكسها ، به نظر مي رسد كه با افزايش غلظت يون Pr در نمونه ها ، فاصله بين دانه ها بيشتر مي شود ، يعني فاز عايق قويتر مي گردد و با افزايش غلظت يون Ca در نمونه هاي با 0=x ، حجم دانه ها كمي افزايش   مي يابد ، اين مشاهدات با نتايج اندازه گيريهاي الكتريكي و آناليزهاي XRD نمونه ها ، همخواني دارند ]27[.چگالي جرمي نمونه ها در حدود ³gr/cm 6/5 به دست آمد كه با مقدار نظري آن همخواني دارد و مقدار آن به اندازه نيروي اعمال شده در هنگام ديسك كردن پودرها ، اندازه دانه ها و همچنين به عمليات حراراتي در مراحل تكليس و كلوخه سازي بستگي دارد .

در اندازه گيريهاي الكتريكي ، ديده مي شود كه با افزايش يون Pr در تركيب ، T_e افت مي كند و با افزايش اين يون ، پهن شدگي درناحيه دماي گذار نمونه ها ، بيشتر مي شود . همچنين در نمونه هاي با درصد بالايي از غلظت اين يون ، ديده مي شود كه شيب حالت هنجار نمونه ها كم شده و شانه هايي در نزديكي Tonset مشاهده مي شود كه نشان دهنده دور شدن نمونه ها از حالت فلزي و نزديك شدن به حالت نيمه رسانايي است كم شدن شيب حالت هنجار نمونه و نيز شانه هاي مذكور ، به علت آلايش يون پارا مغناطيسي Pr در تركيب ، در شكل 3 كاملاً مشهود است . از طرفي ، با افزايش یون Ca در تركيب ، تفاوت چشمگيري در شيب حالت هنجار و نيز پهن شدگي در ناحيه گذار ديده نمي شود ، كه اين مشاهده به غير مغناطيسي بودن يون Ca نسبت داده مي شود شكل 4 . منحني مقاومت ويژه برحسب دماي نمونه هاي داراي فقط يون كلسيم را نشان مي دهد در اين شكل ديده مي شود كه با افزايش يون Ca در تركيبات فاقد Pr ، T_e افت مي كند .

 

 

دانلود رایگان فایلهای متلب

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 3. منحني مقاومت ويژه برحسب دما نمونه هاي GdPrCa-123 با غلظت ثابت يون Ca (15%) وبا مقادير متفاوت يون x=% , 0/15 , 0/2 , 0/25 pr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 4. منحني مقاومت نويژه برحسب دماي نمونه هاي Gd_XCa_x با مقادير 25/0 و 1/0 و 05/0 و z=%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 5 . منحني دماي گذار برحسب غلظت يون pr در نمونه هاي GdPrCa-123 (الف) Ca% ، (ب) Ca 10% ، (ج) Ca 15% خطوط راهنماي چشم اند نقاط شكل (الف) از مرجع ]12[ اخذ شده اند .

با استفاده از داده هاي اندازه گيريهاي الكتريكي ، سه منحني T_e(x) براي 15/0 و 05/0 و 0/0 = z و با مقادير مختلفي از غلظت Pr را به دست آورديم در هر سه منحني ، ديده مي شود كه روندي خطي ، طبق نظريه AG ، ديده نمي شود يعني با اضافه كردن يون Ca به تركيبات و حذف بار اضافي Pr توسط كمبود بار يون Ca ، روند غير خطي مشاهده شده در شكل 5 (الف) ]21[. حذف نگرديده است با وجود اينكه ، يون كلسيم مقادير T_eنقاط در محدوده 25/0 تا 15/0 = x را افزايش داده ، ولي هنوز روند غير خطي بودن تداوم دارد (شكل 5(ب) و (ج)) اين آشكارا نشان مي دهد كه احتمالاً يون Ca با جبران اضافي بار Pr ، در صدد حذف اين روند غيرخطي برآمده ، اما به دليل حضور اثر مخرب ديگري براي يون Pr روند غير خطي هنور كافي است . اندازه گيريهاي الكتريكي نمونه هاي Ca دار فاقد Pr ،نشان مي دهند كه با افزايش يون Ca در تركيب ، دماي گذار كاهش مي يابد نكته جالب مشاهده شده آن است كه اين روند ، يك روند غير خطي است ]23و35[ (شكل 6 (الف)) اين مشاهده مخالف مشاهدات پيشنهاد شده درنمونه هاي YCa-123 و RCa-123 ]15و36[به نظر مي آيد مطابق شكل 6(ب) و (ج) ، اندازه گيريهاي متفاوت الكتريكي نمونه هاي داراي Pr يكسان و مقادير مختلف Ca ، منجر به مقادير دماي گذار T_e مي شود كه حد بهينه اي را براي مقادير Ca نشان مي دهد با آلايش يون Ca به تركيبات GdPr-123 بار اضافي Pr جبران شده و T_e بالا مي رود از اين مقدار بهينه به بعد ، با افزايش بيشتر يون Ca .

 

 

فصل چهارم

 

خواص ساختاري، الكتروني و ديناميك شار ابررسانايGd(Ba₂–_xPr_x)Cu₂O_x+6

 

به منظور مطالع خواص ساختاري، الكتروني و ديناميك شار نمونه هاي تك فاز و چند بلوري Gd(Ba₂–_xPr_x)Cu₂O_x+& با 0/00<=x<=1/00 ساخته و مورد ارزيابي قرار گرفتند. نحوه تغييرات پارامترهاي شبكه و حجم سلول واحد بر حسب آلايش مقدار اكسيژن بيشتر از مشاهده حد حل پذيري و بروزگذار اورتورومبيك – تتراگونال بر حسبx و عدم مشاهده هر گونه فاز ناخالصي بر پايهGd همگي حاكي از حضور اتم Prدر مكانBa است. چنين ادعايي از مقايسه كميتهاي بالا با موارد مشابه در تركيب (Gd1XPrx)Ba2Cu₃O₂-& و همچنين مقادير مختلف آلايش بحراني Prبراي بروز گذار ابررسانا- عايق در دو تركيب بالا به خوبي قابل اثبات است. در بعضي از مقادير آلايشPr يك برآمدگي نامتعارف در منحنيP(t) در دماي حدود K90-80 مشاهده شد. حضور اتم هايBa در مكان اتم نادر زمين® منجر به بروز ابررسانايي در برخي از نواحي دانه ها شده است كه به صورت يك برآمدگي در منحنيP(t) مشاهد مي شود. رژيم غالب رسانشي فاز هنجار نمونه ها، رسانش پرشي با برد متغير در دو بعد(2D-VRH) به دست آمده است. آلايشPr فويا حاملها را در فاز هنجار جايگزيده كرده كه سرانجام منجر به اضمحلال ابررسانش مي شود. مقدار آلايش بحرانيPr براي اضمحلال ابررسانايي (گذار ابررسانا=عايق) در تركيب مورد مطالعه 35/0 و براي مشاهده گذار فلز= عايق 20/0 است. مطالعه تركيبات ديگر ابررساناهاي دماي بالا نيز حاكي از تمايز اين دو گذار است. حضورPr در مكانBa در ساختار تركيبات 123 HTSCافزايش دماي گشايش شبه گاف Tو اضمحلال ابررسانش پايه123-Gd مي شود. مطالعهT در دو تركيب ياد شده نيز حاكي از اثر مخرب ترPr در مكان Ba نسبت به مكانR است. نمودار فاز ارائه شده بر اساس تغييرات دماي گذار ابررسانايي و دماي گشايش شبه گاف بر حسب ميزان آلايش حفره شبيه نمودارهاي فاز ميدان متوسط ارائه شده همانندRVB است. مقاومت مغناطيسي نمونه ها نيز اندازه گيري شدند و در چارچوب مدلهاي خزش شار وAH مورد بررسي قرار گرفتند. چگالي جريان بحراني به دست آمده،H o2(0) Ho2(T) و طول ممدوسي ابررسانايي نشان مي دهند كه آلايشPr همانند ارتباطات ضعيف، انرژي ميخكوبي شار مغناطيسي را كاهش مي دهد. همچنين رفتار دو بعديHTSC به خصوص تركيبات اخير در مقايسه با سيستمهاي الكتروني دو بعدي يعنيMOSFETها و لايه هاي بسيار نازك ابررساناهاي متعارف مورد مطالعه قرار گرفتند. وجود شباهت هاي زياد در اين سيستم ها مي تواند ناشي از منشأ فيزيكي يكساني باشد. چنين مطالعه مقايسه اي مي تواند فيزيك پيچيده ابررساناهاي دماي بالا و گازهاي الكتروني دو بعدي را بيشتر قابل ارزيابي قرار دهد. نتايج اين تحقيق حاكي از اهميت مكانPr در تركيباتHTSC123 براي فهم سازوكار اضمحلال ابررسانش توسط آلايشPr است. بنابراين، هر نظريه جامع بايد بر اساس مكانPr در سلول واحد ارائه شده و در مقايسه با نتايج تجربي نيز به ترتيبي، مكانPr بايد به طور دقيق تعيين شود .

پس از كشف ابررساناهاي دماي بالا(HTSC) توسط بدنورژ و مولر در سال 1986 م، به سرعت تركيب(f-123)Yra₂Cu₂O₂-6 ساخته شد و مورد مطالعه و بررسي قرار گرفت. با قرار گرفتن عناصر نادر زمين ن® به جاي Y خواص تركيب جديد از جمله دماي گذار ابررسانايي تفاوت اساسيY-123 با تركيب نداشته است. در اين ميان Pr تنها عنصري است كه ساختار پايدار اورتورمبيك را تشكيل داده ليكن تركیب (Gd₁–_xPr_x) Ba₂Cu₃O₇+& ابررسانا نيست. وجود چنين استثنايي از آن جهت كه دليل عدم ابررسانش در اين تركيب ممكن است در شناخت سازوكار ابررسانش درHTSC كمك كند مورد توجه قرار گرفته است.

نقشPr در ابررساناهاي دماي بالا در مرجع {1} مرور شده است. بنابراين گروههاي زيادي تركيبات   _xPr_x)Ba₂Cu₃O_x-& (R₁-( عنصر نادر زمين وR=Y) را از زاويه هاي مختلف مورد بررسي قرار داده اند{2}. به تازگي پيشرفتهاي ابررسانايي دماي بالا در كتابي به زبان فارسي مرور شده است{3}.

بر اساس شواهد تجربي و مدلهاي نظري مختلف، تلاش بسياري براي توضيح رفتار عايق گونه 123Pr= شده است. در نظريه شكست جفت به دليل زوج شدگي قوي الكترونهايPr-4f با اسپين حاملهاي صفحهCuO₂ در سطح فرمي، جفتهاي حامل ابررسانش مي شكنند و در نتيجه ابررسانايي از بين مي رود{4}. بر اساس نظريه پرشدگي حفره اگر در جاينشانيPr به جايY در تركيبY-123،Pr با ظرفيت بزرگتر از 3+ ظاهر شود، همچنانكه در تركيبات اكسيدهايPr وجود دارد، مي تواند حفره هاي صفحه ابررسانشCuO₂ را پركرده و تعداد حاملهاي رسانش را كاهش دهد. در نتيجه تركيب 123Pr= رفتار عايق گونه از خود نشان مي دهد{5}. در نظريه هيبريداسيون، به دليل وجود هيبريداسيون بين اتمهاي اكسيژن صفحات CuO₂ و اتم Pr ، حفره هاي موجود در صفحات ابررسانش به جايگاه Pr پيوند خورده و جايگزيده مي شوند{6}. در مدل انتقال بار با افزايش آلايش Pr در تركيبY₁–_xPr_x=123 يك باز توزيع تدريجي بار بين صفحات CuO₂ و زنجيره هاي   Cu-O به وجود مي آيد و حفره ها از صفحات به زنجيره ها منتقل مي شوند به گونه اي كه پس از مقدار خاصي از آلايش (x)P همه حفره ها در زنجيره ها جاي خواهند گرفت. از آنجا كه حفره هاي موجود در صفحات ( و نه زنجيره ها) حاملهاي ابررسانش هستند، ابررسانايي از بين مي رود{7}. در مدل نيمه هادي بر اساس اهميت تهي جاييها در رسانش اكسيد ابررساناهاي دماي بالا و وجود گاف انرژي بين تراز پذيرنده و بخش بالايي نوار ظرفيت 123-Prكاهش قابل توجهي در چگالي حاملها با كاهش دما اتفاق مي افتد كه در نتيجه آن تركيب مورد نظر رفتار عايق گونه از خود نشان مي دهد{8}. در مدلFelurenbacher وFRRTCE) يك هاميلتوني ارائه شده است تا ساختار الكتروني 123- Pr شرح داده شود{9}. در اين مدل سازوكارهاي غير ذاتي از جمله، حساسيت شديد زنجيره هاي يك بعدي Cu-O و ظرفيت مخلوطP^r2+-Pr2+ به تهي جاييهاي اكسيژن و دررفتگيهاي ديگر، مسئول اضمحلال ابررسانش در 123=Pr شناخته شده اند. ونگ و همكارانش بر اساس مدلFr هاميلتوني ارائه كردند كه علي رغم مدل Fr گذار فلز- عايق در تركيب 123-Y₁–_xPr_x را به عنوان يك خاصيت ذاتي توضيح مي دهد{10}. در اين مدل سه حالت نزديك سطح فرمي: موسوم به حالت   Zr ، حالت Fr و حالت زنجيره Cu-O با هم رقابتند. با آلايش Pr حفره هاي موجود در حالت Zr به حالت Fr منتقل شده و با افزايش مقدار آلايش، حفره هاي زنجيره ها نيز به حالت Fr منتقل مي شوند و درPrBa₂Cu₃O₇-& نهايت در همه حفره ها در حالت Fr جاي گرفته و در رسانش شركت نمي كنند. در مدلLM بر اساس محاسباتLDA+U ساختار الكتروني 123-Pr هيبريداسيونRE-O تشكيل نوار پهني را مي دهد كه تنها در 123-Pr تراز فرمي را قطع    مي كند و حفره هاي نوارCu-O را مي بلعد{11}. در مدل همزيستي يك هاميلتوني مناسب با لحاظ كردن هر دو اثر پرشدگي حفره و شكست جفت ارائه شده است{12}. همچنين بر اساس نظريه پركولاسيون، مقدار آلايش بحراني Pr در تركيب 123- Y₁–_xPr_x جهت اضمحلال ابررسانش به خوبي پيش بيني شده است{13}. در مدل بد- جاينشيني حضور ناخواسته اتمهايPr در مكان اتمهاي Baباعث شكست جفتهاي ابررسانا مي شود و در نتيجه ابررسانايي از بين مي رود{14}.

علي رغم مدلها و توجيهات مختلفي كه براي عدم ابررسانش 123- Pr ارائه شده اند، ساخت ابررساناي 123- Prتوسط زو و همكارانش در سال 1998، نقطه عطفي در نحوه نگرش به مسئله 123Pr- شد{15}. هم اكنون گزارش ساخت

نمونه هاي تك بلور، چندبلوري، پودري و لايه نازك ابررساناي123 توسط گروههاي مستقل ارائه شده است {16}. هر چند هنوز باور اغلب محققين عدم ابررسانش 123 است، لكن توجه عمومي معطوف به اين پرسش است كه تحت چه شرايطي 123Pr- ابررسانا و تحت چه شرايطي عايق است و چرا؟ در اين مقاله تمركز اصلي بر روي نظريه بد- جاينشيني است. به اين معني كه اهميت قرار گرفتن در مكان عنصر نادر زمين® و يا اتمBa را بررسي خواهيم كرد. در ابتدا با ساخت نمونه هاي Gd(Ba2-xPrx)Cu3O7+& و مقايسه خواص مختلف ساختاري و الكتروني آن با تركيب xPrx)Cu2O7+& Gd(Ba2-از جاينشينيPr در مكانBa اطمينان حاصل خواهيم كرد . بروز يك ناهنجاري در منحني مقاومت بر حسب دماي تركيب مورد مطالعه Gd(Ba2-xPrx)Cu3O7+&در بعضي مقادير آلايشPr منجر به شناسايي يك فاز جديدي در اين تركيب خواهد شد كه رهيافتي مناسب در مورد ابررسانايي در تركيب 123- Pr خواهد بود. در اين مسير جهت استحكام بيشتر نتايج ساختاري كه توسط ظريف سازي ريتولد به دست خواهند آمد، توسط روش جمع پيوند والانس(BVS) ظرفيت اتمهاي مختلف محاسبه خواهند شد. در بررسي فاز هنجار نمونه هاي مورد مطالعه، به دنبال رژيم رسانشي غالب خواهيم بود. رسانش پرشي با برد متغير از جمله پيشنهادهايي است كه به صورت موفقيت آميزي در مورد ابررساناهاي دماي بالا به كار رفته است. نتيجه رسانش پرشي يا برد متغير در دو بعد از آن جهت كه رفتار دو بعدي گونه ابررساناهاي دماي بالا را نشان مي دهد، حائز اهميت است. به علاوه، وجود شباهتهايي بين خواص ابررساناهاي دماي بالا، لايه هاي بسيار نازك ابررساناهاي متعارف و گازهاي الكتروني دو بعدي مي تواند به فهم فيزيك ناشناخته هر دو حيطه كمك نمايد. كشف گذار فلز- عايق در سيستمهاي الكتروني دو بعدي كه قبلا به طور نظري ممنوع شناخته شده بود، فيزيك اين دسته از مواد را دوباره مورد توجه قرار داده است. وجود شباهتهاي متنوع در اين تركيبات مي تواند رهيافتي بر منشأ فيزيكي يكسان آنها باشد، هر چند مطالعه بيشتر در اين حوزه ضروري است.

از ديگر خواص مهم ابررساناهاي دماي بالا بروز يك شبه گاف در سطح فرمي اين مواد، متفاوت با گاف ابررسانايي است. وجود اين شبه گاف، اثراتي در مقاومت فاز هنجار دارد كه بررسي آن منجر به فهم اثر مخربترPr در مكانBa نسبت به مكانR خواهد شد. همچنين با استخراج دماي گشايش شبه گاف قادر به ارائه نمودار فاز تركيبات مورد مطالعه خواهيم شد. با اندازه گيري مقاومت مغناطيسي نمونه ها، ديناميك شار در فاز مخلوط نمونه ها را در چارچوب مدلهاي خزش شار و آميگوكار- هالپرين(AH) بررسي خواهيم كرد. با اين مطالعات چگالي جريان بحراني و ميدان بحراني بالايي بين دانه اي نمونه ها به دست خواهند آمد.مطالعه خواص ساختاري، الكتروني و مغناطيسي نمونه ها حاكي از اهميت مكانPr در تركيبات خانواده 123 است. بنابراين تعيين مكان واقعيPr شرط لازم براي هر گونه توضيح در مورد اثرات آن در اضمحلال ابررسانايي است.

1-4جزئيات تجربي و محاسباتي

 

براي ساخت نمونه هايGd(Ba2-xPrx)Cu3O7+& از پودرهايCuO,BaCO₃,R₂O₃ با خلوص99/9% استفاده شده اند. براي ساخت مقدار كمي از ماده ابررسانا( حدود1-5gr) ، پودرهاي اوليه با نسبتهاي مناسب در يك هاون مخلوط مي شوند و سپس در بوته هاي آلومينا در دماي به مدت يك تا سه روز در هوا قرار مي گيرند. محصول به دست آمده مجددا آسياب مي شود تا همگني بيشتري پيدا كند و به صورت قرص ، تحت فشار چند تن فشرده مي شود. از آنجا كه غالبا تركيبات خانواده 123-Pr در دماهاي بالاتر از C1000 شروع به ذوب شدن مي كنند، دماي كلوخه سازي بايد ميانC 960-900 در نظر گرفته شود.

عبور اكسيژن از روي قرصها در حين كلوخه سازي براي جبران كمبود اكسيژن و هم خروج گازهاي جذب شده و در نتيجه كاهش تخلخل لازم است. قرصهايي كه به اين ترتيب كلوخه اي مي شوند و به كندي در مجاورت اكسيژن سرد مي شوند ابررسانا خواهند بود.

تصاويرSEM نمونه ها براي تعيين شكل و ابعاد دانه ها مورد بررسي قرار گرفتند. اين آناليز توسط دستگاه JeOLJXA-840 با بزرگنمايي هاي 1000؟7000،25000 برابر انجام شد. اكسيژن نمونه ها به روش تيتراسيون بدسنجي كه يك روش شيميايي براي تعيين مقدار اكسيژن نمونه هاي اكسيژن دار است، اندازه گيري شدند.براي تعيين ساختار ،طيف پراش اشعه X نمونه ها اندازه گيري شدند. براي استخراج كميات بيشتر از طيفXRD از ظريف سازي ريتولد با استفاده از نرم افزار 92- DBW استفاده شد{18}. ايده اصلي آن است كه با فرض دانستن نوع اتمها و ساختار تركيب مورد نظر، به صورت نظري شدت طيف انعكاسي را بر حسب زاويه ورودي، فاصله ميان صفحات d، شدت پرتو ورودي محاسبه مي نماييم. از مقايسه اين طيف و طيف واقعي نمونه مي توان اطلاعات بسيار مهم و مفيدي به دست آورد. در محاسبه طيف نظري، نوع اتمها، مكان آنها در سلول واحد(z,y,x) پارامترهاي شبكه(c,b,a) زواياي بين محورهاي پارامترهاي شبكه(a,p,y) درصد اشغال اتمها در جايگاه خودشان(N) و افت و خيز حرارتي اتمها حول موضع تعادليشان(B) وارد مي شوند. در واقع اينها پارامترهايي هستند كه جهت انطباق بيشتر طيف نظري و تجربي قابل تنظيم بوده، لذا با انجام بهترين برازش، مكان اتمها، پارامترهاي شبكه و زواياي بين آنها، درصد اشغال اتمها در هر جايگاه و افت و خيز حرارتي حول موضع تعادليشان قابل حصول خواهند بود. اين اطلاعات ساختاري در آناليز ابررساناهاي دماي بالا بسيار پر اهميت هستند. با دانستن مكان اتمها مي توان ظرفيت آنها را از نظريهBVS به دست آورد{19}:

(1-4)                                                                              V1=exp{(r=Rg)/Bo}

V ظرفيت اتم مورد نظر است. Rgفاصله بين اتم مورد بررسي با اولين اتمهاي همسايه اش،  rgثابتي است كه براي هر اتم به صورت نيمه تجربي تعيين مي شود وB عدد ثابت است.N عدد هم آرايي است. براي اندازه گيريهاي الكتريكي از يك يخچال مدار بسته ديسپلكس در بازه دمايي 10 تاK 300 استفاده شد. اين اندازه گيريها بر اساس روش 4 ميله اي و با جريان متناوب با پسامدHz 33 انجام شد. سيمهاي مسي با استفاده از چسب نقره در فواصل مشخص روي نمونه چسبانده شد. براي كنترل و تعيين دما از يك كنترل كننده 330lake shore با قابليت كنترل دماييmk 10 و دو مقاومت Pt-100براي اندازه گيري دما استفاده شد. جريانهاي 10 تاMa 100 در اندازه گيريهاي الكتريكي اعمال شد. جهت اندازه گيري مقاومت مغناطيسي نمونه ها، ميدان مغناطيسيDC با شدت حداكثرKOe 20 عمود بر سطح نمونه و جهت جريان اعمال شد. اندازه گيريهاي پذيرفتاريDC مغناطيسي نمونه با استفاده از يك دستگاهVSM مدلPAR با حساسيت10^-2emn انجام شد.

2-4نتايج و بحث

 

آزمايشSEM نشان مي دهد كه نمونه ها دانه اي شكل بوده و به نظر نمي رسد جهت گيري خاصي داشته باشند. شكل دانه ها چندوجهي بوده و اندازه دانه ها در نمونه هاي مختلف بين M10-2 هستند (شكل1). لكن در هر نمونه خاص، توزيع دانه ها همگن هستند.با افزايش تغيير محسوسي در تصاويرSEM قابل نتيجه گيري نبوده و در مقياسهاي ميكرومتري آلايشPr اثر تعيين كننده اي ندارد. هر يك از دانه ها خود يك نمونه چند بلوري است كه داخل آن از تك بلورهايي تشكيل يافته است كه نسبت به هم جهت گيري كتره اي دارند. تصاويرSEM تخميني از اندازه دانه ها يعني چند بلوري ها خواهند داد و پهناي قله طيفXRD تخميني از اندازه تك بلورهاي داخل دانه ها خواهد داد.

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 1-4. تصويرSEM نمونه Gd(Ba_1/7pr_0/4) Cu₂o_7/-6 با بزرگ نمايي 7000 * .

 

جدول 1 چگالي جرمي نمونه ها بر حسبX را نشان مي دهد. چگالي جرمي نمونه ها با جايگزيني اتم بزرگتر و سبكترBa ba=1/23) شعاع اتمي و 327137جرم اتميBa هستند) با اتم كوچكتر و سنگين ترPr در تركيبGd=123 كاهش مي يابد. در شرايط ساخت يكسان، علي الاصول چگالي جرمي نمونه ها بايد با افزايش آلايش Pr افزايش يابد، در حالي كه كاهش مي يابد. اين نشان مي دهد كه افزايشPr باعث افزايش تخلخل نمونه ها شده و در نهايت چگالي جرمي كاهش يافته است. هر چند اين افزايش تخلخل در ابعاد ميكرومتري( يعني ابعاد دانه ها) است لكن ممكن است اثراتي بر خواص عمومي و نابهنجار نمونه ها داشته باشد. البته نين تأثيري بسيار بعيد به نظر مي رسد و تاكنون در مراجع مختلف به آن توجه نشده است. از طرف ديگر با ابزارهاي اندازه گيري و سنجش موجود، امكان چنين ارزيابي بر ايمان ميسر نيست. مقدار اكسيژن نمونه ها در جدول 1 ارائه شده است ، با افزايشx مقدار اكسيژن نمونه ها تقريبا ثابت و در حدود 7 است. از آنجا كه در تركيبات Gd(Ba2-xPrx)Cu3O7+& با افزايشx، عنصر (لااقل) سه ظرفيتيPr3+ را به جاي عنصر دو ظرفيتيBa ²⁺ جايگزين مي كنيم، نياز به بار منفي در سلول واحد جهت خنثي بودن بار كل سلول واحد وجود خواهد داشت. اين بار منفي علي الاصول از طريق جذب اكسيژن تأمين خواهد شد. بنابراين در تركيبات مشابه، افزايش اكسيژن تركيب به بيش از مقدار 7 هم گزارش شده است.{20}. اكسيژنهاي مازاد بر مقدار 7 در مكان جاي خواهند گرفت. شكل 2 ساختار 123-R را نشان مي دهد . مكان اتمهاي مختلف در اين تركيب به صورت جدول 2 هستند كه مختصات نسبت به پارامترهاي شبكه a,b,c مطرح شده اند. حضور اتمهاي اكسيژن در مكان باعث هم ارزي راستاهايa,b شده و در نهايت منجر به گذار راست گوشه به تتراگونال با اورتورومبيك- تتراگونال خواهد شد كه در بخش نتايج ساختاري به تفصيل بحث خواهد شد . شكل 3 طيف XRD از نمونهx=0/05 را نشان مي دهند. مقايسه طيفها با طيفهاي تركيبات مشابه ساختار 123 و همچنين طيفهاي فازهاي ناخالصي محتمل، حاكي از تشكيل فاز 123 و عدم حضور فازهاي ناخالصي به مقدار قابل توجه است. قله هاي (200)و(020)در نزديكي 2=47، مشخصه وجود فاز راست گوشه در تركيبات 123 است{21}، بنابراين، از طيفهايXRD نمونه ها چنين نتيجه مي شود كه در مقادير0/00<=x<=0.15 فاز راست گوشه با تقارنPmmmm و به ازاي0/20<=x<=0/50 مقادير ساختار تتراگونال با تقارنP4/mmmm تشكيل شده است. جدول 1-4. مقدار اكسيژن و چگالي جرمي نمونه هاي Gd(Ba_2-xpr_x) Cu₂o_7+&.

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 2-4 . سلول واحد و نحوه قرار گرفتن اتمهاي مختلف در تركيب Gd(Ba_2-x pr_x ) Cu₂o_2+&

جدول 2-4. مكان اتم هاي مختلف درتركيب Gd(Ba_2-x pr_x ) Cu₂o_2+&

 

در تركيبات(R1-xPr_x)Ba₂Cu₃O7-& قبل از قله28=31 وجود قله هاي ناخالصي فازBaCuO₂ اجتناب ناپذير است{22}. وجود اين فاز به حضور اتمهايR در مكانBa و خروجBa از جايگاه خودش منتسب شده است كهBa هاي اضافي تشكيل فاز ناخالصي اخير را مي دهند به هر حال در تركيب مورد بررسي، فاز ناخالصي قابل ملاحظه اي شاملBa مشاهده نشده است. اين نشان مي دهد كه در اين تركيب ، اتمهايBa به طور كامل در ساختار مورد نظر شركت نموده اند. به علاوه، اگر اتم هايPr به جاي اشغال جايگاهBa، مكانR را ترجيح مي دادند، در نتيجه بايد تعدادي از اتمهاي اضافيGd يك فاز ناخالصي تشكيل مي دادند. عدم وجود هر گونه فاز ناخالصي متشكل از Gd گواه ديگري است بر آنكه تركيب مورد انتظار Gd(Ba2-xPrx)Cu3O7+& تشكيل شده است. طيفXRD نمونه هايx>=0/6 نشان مي دهند كه ساختار 123 تشكيل نشده است. شكل 4 طيفXRD براي نمونهx=1/00 را نشان مي دهد. چنانچه از شكل مشخص است حذف قله هاي فاز 123 و ظهور فازهاي ناخالصي حاكي از عدم تشكيل ساختار مطلوب 123 است. به دليل تفاوت مقدار بار و اندازه هاي اتمي يونهايBa²⁺ و R ²⁺ ساختار 123 تنها در يك بازه خاصي از مقدار آلايش R ²⁺ به جاي Ba²⁺ مي تواند پايدار باشد. حد حل پذيري يونهايR در مكانBa به اندازه يون نادر زمين بستگي دارد. هر چه اندازه يون نادر زمين بزرگتر باشد، از آنجا كه بيشتر به يون Ba شبيه خواهد بود، ميزان حل پذيري آن بزرگتر خواهد بود.La بيشترين حل پذيري در مكانBa را به ميزانx=0/7 داراست و Y كمترين مقدار را دارد{23}. حد حل پذيري تركيباتR(Ba₂–_xR_x)Cu₃O₇+& باR=Sm,En به مقدارx<=0/5 و برايR=nd به مقدارx<=0/6 گزارش شده است{23}. به ازاي مقادير بزرگتر ازx=<=0/5 فازهاي پروسكيت- گونه همانند ساختارK₂NiF تشكيل مي شوند، همان طور كه در طيفXRD نمونه هاي شاملSM وEU به ازايx=0/6 نشان داده شده است{24}. اين نكته مي تواند حاكي از آن باشد كه بلوكهاي اصلي ساختار 123 پروسكيتها هستند كه در شرايط مطلوب ساخت، از به هم پيوستنشان فاز 123 تشكيل مي شود و در شرايط ناپايدار، همان پروسكيتها باقي مي مانند.

 

 

 

 

 

دانلود رایگان فایلهای متلب

 

شكل 3-4. طيف XRD نمونه Gd(Ba_0/95 pr_0/05 ) Cu₂o_2/03

 

راي بدست آوردن اطلاعات ساختاري بيشتر، بايد طيف XRD نمونه ها را با روش ريتولد ظريف سازي كنيم. جهت انجام اين كار، مقدار اكسيژن نمونه ها كه به طريق تجربي تعيين شده است(جدول1)، به عنوان مقدار اكسيژن هر نمونه استفاده شد. فاكتور افت و خيز حرارتي(B)كه از پارامترهاي آزاد ظريف سازي ريتولد است، براي اكسيژنها 1 قرار داده شد{25}،مكان اتمها ، درصد اشغال هر ات در جايگاه مربوطه و فاكتورB عناصر بجز اكسيژن و پارامترهاي شبكه جهت حصول همگرايي در فرآيند ظريف سازي ريتولد، بهينه شده اند. در ادامه، اين نتايج به تفصيل ارائه مي شوند. پارامترهاي شبكه بر حسب ميزان آلايش در شكل 5 نشان داده شده اند. با افزايشx پارامتر شبكهa افزايش وb كاهش مي يابد تا آنكه درx=0/2 گذارt اتفاق مي افتد اين گذار ناشي از حضور اتمهاي اكسيژن در مكان و هم ارزي راستاهاي a وb است كه حضور اتمهاي اكسيژن به دليل نياز بيشترPr²+ به بار منفي نسبت بهBa²+ است. چنين گذاري در تركيبات ديگر (Ba₂–_xR_x)Cu₃O₇+& R نيز گزارش شده است{26}، در _xR_x)Cu₃O₇+& – (Ba₂ Pr₂ چنين گذاري درx=0/4 {27}، درxR_x)Cu₃O₇+& Pr(Ba₂– و درx=0/4 دSm(Ba2-xPrx)Cu3O7+& در x=0/35{23} اتفاق مي افتد. طيف پراش نوترون xPrx)Cu3O7+& Nd(Ba2-   نشان داده است كه هنگاميكهPr در مكانBa جانشين مي شود ، گذار اتفاق مي افتد{26}. و از اين نظر شبيه همه اتمهاي ديگر نادر زمين سه ظرفيتي رفتار مي كند. همچنين پارامتر ساختاري، با افزايشx كاهش مي يابد كه به نظر، به دليل جايگزيني اتم كوچكترPr به جاي اتم بزرگترBa است. در تركيب_xPr_x)Ba₂Cu₃O7+& (Gd₁– چنين گذارO-T وجود ندارد و پارامترهاي شبكهc,b,a و حجم سلول واحد به دليل جايگزيني اتمPr يا اتم كوچكترGd همگي افزايش مي يابند{29}. اينها به طور غير مستقيم همگي شواهدي براي تشكيل ساختار موردنظر ماست؛ يعني جاينشاني اتمهاي  Pr در مكان اتمBa و نه در مكان اتمGd.

 

 

 

 

 

 

شكل 4-4. طيف XRD نمونه GdBaprCu₂o_7+&

 

در بررسي آناليز ريتولد، هنگامي كه از درصد اشغال ثابت اتمها در هر جايگاه(N) استفاده مي كنيم، فاكتورB مربوط به بعضي از اتمها منفي به دست مي آيند. به علاوه =0/13،Zo(2) به دست مي آيد،در حالي كه بايد در حدود 16/0 باشد. همچنين Zo(2) كمتر از ZCU(2) به دست مي آيد،در حالي كه بايد بزرگتر باشد. بنابراين مجبور به متغير قرار دادنN هستيم كه در اين حالت مشكلB هاي منفي برطرف خواهد شد اما هنوز ناهنجاريهايي باقي مي ماند. نتايج ظريف سازي ريتولد در آلايشهاي مختلفPr در جدول 3 آمده است. ناهنجاريهاي گفته شده در اين مرحله از ظريف سازي ريتولد ، در شكلهاي 7 و 8 نشان داده شده اند.چنانكه از شكل 8 مشخص است به ازاي 0/10<=x<=0/25 مكان اتم (2)cu كمتر از مقدار مورد انتظار از منحني است وzo(2) وzo(2) درx=0/15 به وضوح مقدار غيرقابل انتظاري دارند. همچنين اتم (4)O در همان بازه x،يك كاهشي را در مقدارZo(4) نشان مي دهد(شكل8) اگر چه نتايج مجزاي آناليز ريتولد در تقريب اول صحيح به نظر مي رسد، لكن از مقايسه يك سري از نمونه ها با هم متوجه ناهنجاريهايي مي شويم كه بايد به ترتيبي ريشه يابي شوند. در ادامه، دوباره به اين ناهنجاري باز خواهيم گشت و خواهيم ديد كه فيزيك جالبي در پس اين ناهنجاريها نهفته است.

 

مقاومت الكتريكي نمونه ها در جريانmA 10 از دماي اتاق تا حدودK 10 اندازه گيري شده و در شكل 9 نشان داده شده است. با افزايشx دماي گذار ابررسانايي(كاهش مي يابد، پهناي گذار ابررسانايي و مقاومت فاز هنجار افزايش مي يابند. با افزايش تعداد نواحي عايق در داخل دانه كه مربوط به سلولهاي

 

 

 

 

 

 

 

شكل 5-4. پارامترهاي شبكه بر حسب مقادير آلايش pr

شاملPr است، همگني دانه ها كاهش يافته و در نتيجه(T) افزايش مي يابد. مقاومت فاز هنجار نمونه ها به ازاي فلزگونه و به ازاي0/0<=x<=0/20  عايق يا نيمه هادي گونه است. بنابراين به ازاي آرايش بحراني گذار فلز- عايق اتفاق مي افتد. در نمونه هاي فلزي، شيب خط از دماي اتاق تا با افزايش آلايش افزايش مي يابد. به ازاي نمونه ها ابررسانا شده و به ازاي تا دماي حدود 10 ابررسانايي از خود نشان نمي دهند. بنابراين به ازاي گذار ابررسانا عايق اتفاق مي افتد در اين تركيب كمتر از مقدار هم ارز خود در تركيب يعني است{30}، اين نشان مي دهد كه اثر در مكان نسبت به مكان براي اضمحلال ابررسانايي مخرب تر است. يك توضيح ساده براي اين موضوع آن است كه هر دو داراي ظرفيت 3+ هستند،

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 6-4. حجم سلول واحد بر حسب مقاديرمختلف آلايش pr

 

جدول 3-4. نتايج ظريف سازي ريتولد تركيب Gd(Ba _2-x Pr _x) Cu₂O_7+& با امكان حضور اتمهاي Ba در مكان اتم R (Ba_R  )

 

 

 

 

 

 

 

شكل 7-4. مكان اتمهاي O(3) O (2)Cu (2) در سلول واحد برحسب مقادير مختلف آلايش pr

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل8-4 .مکان اتم O(4) در سلول واحد بر حسب مقادیر مختلف آلایش Pr

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل9-4 .مقاومت الکتریکی بر حسب دمای نمونه های Gd(Ba _2-x Pr _x) Cu₂O_7+&

 

وليBa داراي ظرفيت 2+ است. بنابراين، حضور اتم سه ظرفيتي در مكان اتم دو ظرفيتي خنثي بودن بار كل سلول واحد را تهديد مي كند. پس انتظار اثر تخريبي بيشتري را در اين حالت بايد داشت. توضيح ديگر اين است كه مكان بين صفحه ابررسانايي و زنجيره هاي ( كه مخازن بار الكتريكي هستند) است كه هر دو در بروز پديده ابررسانايي مهم بوده و با هم اندركنش حياتي دارند. در حالي كه مكان بين دو صفحه ابررسانايي است كه بنابر باور عمومي ابررسانايي به طور مستقل در اين صفحات اتفاق مي افتد. بنابراين حضور اتم مخرب بين دو جزء اساسي براي ابررسانايي، يعني مكان مخرب تر از حضور آن در مكان خواهد بود.مقاومت نمونه ها به طور نمونه، در دماي 100 بر حسب مقادير مختلف آلايش در بازه به صورت خطي با تغيير مي كند، ليكن در شكل در كه است شيب خط تغيير مي كند. اين به آن معني است كه فاز هنجار به گونه اي با فاز ابررسانا مرتبط است؛ به ازاي كه نمونه ها ابررسانا مي شوند، با يك شيب تغيير مي كند و به ازاي كه نمونه ها عايق اند شيب شديدا افزايش مي يابد. نسبت دو شيب 40/11 است. همچنين جالب است توجه شود كه لزوما گذار فلز – عايق در همان مقدار از آلايشي كه گذار ابررسانا- عايق اتفاق مي افتد، به وقوع نمي پيوندد اين نكته در مرجع {31} بررسي شده است.

در برخي از سيستمها مانند {32}، ابررسانايي قبل از آنكه گذار فلز – عايق اتفاق بيفتد از بين مي رود. حالت معكوس نيز در غالب ابررساناهاي دماي بالا با حاملهاي حفره نيز اتفاق مي افتد كه فهرستي از آنها در مرجع {29} آمده است.

انواع مختلف نمونه ها شامل تك بلور، چند بلوري، لايه نازك ، با و بدون آلايش در مكان و يا در ساختار 123 از وقوع را قبل از نشان داده اند. از آنجا كه مقدار اكسيژن نمونه ها در مقادير مختلف آلايش تقريبا ثابت است(جدول1)، تغيير ميزان آلايش حفره ها در صفحات بايد ناشي از تغيير نظم اكسيژنها و هيبريداسيون ناشي از آلايش باشد. اگر چه در برخي از سيستمها در يك اتفاق مي افتند، مانند {33}، لكن به نظر مي رسد اين حالت خاص بوده و حالت كلي تر مربوط به تمايز و باشد. تلاش براي برازش منحني تغييرات بر حسب به مدل خطي شكست جفت ابريكوسوف-گوركوف {34} و يا تركيب خطي شكست و پرشدگي حفره (درجه دوم نسبت به){35} موفقيت آميز نبوده است. همچنين هيچ مقدار آلايش بحراني جهت تفكيك بازه هاي براي برازش به مدلهاي مختلف، يافت نشد. به نظر مي رسد اندركنش ناشي از حضور باعث آشفتگي در روند تغييرات بوده باشد. منحني مقاومت بر حسب دماي نمونه هاي 30/0 و25/0 ،20/0 ،15/0 به طور مجزا در شكل 10 رسم شده اند. وجود يك برآمدگي در منحني در دماهاي حدود غير معمول بوده و نياز به توضيح دارد. اين برآمدگي با قله شكل لبه گذار ابررسانايي كه با آلايش اتفاق مي افتد، متفاوت است{39}. رفتار شكل منحني مشخصه كمبود اكسيژن {37}يا جاينشاني كانيون جديد به جاي اتم مس زنجيره است{38}. شكل 11 منحني تغييرات و دماي برآمدگي را بر حسب نشان مي دهد. اين برآمدگي تنها در بعضي از مقادير آلايش اتفاق مي افتد. بنابراين اين برآمدگي يك اصلاح ساختاري ناشي از حضور در مكان نيست، بلكه پديده اي است كه فقط در بعضي از مقادير روي مي دهد. لازم است توجه داده شود كه اين برآمدگيها تكرارپذير بوده و به دليل خطاي اندازه گيري نيز نيستند. از طرفي، از آنجا كه در مقادير ياد شده از آلايش، هيچ فاز ناخالصي قابل توجهي وجود ندارد، وجود فاز ناخالصي با خواص الكتروني متفاوت، نمي تواند منشاء چنين ناهنجاري باشد. چنين قله هايي درست قبل از گذار ابررسانايي در تركيبات {40} نيز مشاهده شده است كه هيچ توضيحي براي آنها ارائه نشده است. نكته قابل توجهي كه در اين منحنيها جالب است، دماي بروز آنهاست كه همگي در حوالي 90-80 هستند، يعني همان دماهايي كه در نمونه هاي مورد مطالعه ما اتفاق مي افتد. اين مي تواند در راهنمايي ما به سوي دليل اين رفتار مؤثر باشد. در فرآيند ساخت، نمونه هاي 20/0 و 10/0 ،00/0 در يك مرحله، نمونه هاي 25/0   15/0 ، 05/0 در يك مرحله ديگر و نمونه هاي 50/0 40/0 ،30/0 در مرحله سوم ساخته شده اند. به اين معني كه شرايط كلي ساخت براي همگي يكسان بوده و در هر مرحله، تكليس و كلوخه سازي براي سه نمونه يكسان بوده است. از آنجا كه حضور ناهنجاري فقط در بعضي از نمونه هاي هر مرحله اتفاق افتاده است، بديهي است كه تفاوت خواسته و يا ناخواسته در مراحل مختلف ساخت باعث چنين برآمدگي نيست. همچنين، برآمدگي مشاهده شده همانند برآمدگي موجود در تركيب (124-) در دماي حدود 160 پهن نيست {41}. اگر چه منشاء اين رفتار تركيب 124- هنوز به طور كامل توضيح داده نشده است،لكن ناپايداري ساختاري در اين دما به عنوان يك نامزد ناهنجاري معرفي شده است{42}. نمونه هاي مورد بررسي ما كه داراي ناهنجاري هستند همگي برخلاف 124- ابررسانا مي شوند. بنابراين حالت مورد نظر بايد متفاوت از تركيب 124- باشد.ابررساناي 123- ناهنجاري مشابهي را در دماهاي 55 و 190 نشان داده است كه به كمك تصاوير و مشاهده نواحي مختلف، به عنوان نواحي با خواص الكتروني متفاوت تفسير شده اند{43}. اگر چه، اين بيان مفيد به نظر مي رسد، لكن بايد توضيح دقيقتري راجع به نواحي با خواص الكتروني متفاوت در درون دانه ها ارائه نمود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل10-4 .برامدگی در منحنی P(T)در نمونه های Gd(Ba _2-x Pr _x) Cu₂O_7+&

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل11-4 .دمای گذرا ابررسانایی (Te)و دمای که برآمدگی در منحنی P(T) اتفاق میافتد(Tp) بر

حسب مقادیر آلایش Pr. خطوط عمودی در هر نقطه عرض گذرا ابررسانایی را نشان می دهد .

 

برآمدگي منحني نمونه هاي مورد بررسي ما به ترتيب سرد و يا گرم كردن نمونه ها بستگي نداشته و در هر دو حالت قابل مشاهده است.بنابراين، پسماندي در اين فرآيند مشاهده نمي شود در حالي كه ، مقاومت نمونه يك رفتار نابهنجار در دماي كمتر از 160 نشان مي دهد. يعني مقاومت كاهش يافته است، با كاهش بيشتر دما، يك پيشينه اي در مقاومت در دماي 100 مشاهده شده است. در فرآيندافزايش دما، يك پسماند مقاومت در دماي بالاتر از 40 مشاهده شده است{44}، در نهايت، مؤلفين با استدلالات مختلف نتيجه گرفته اند كه يك گذار فاز ناشي از ناپايداري موج چگالي بار دليل چنين رفتاري است.به هر حال، عدم وجود پسماند مقاومت در نمونه هاي مورد مطالعه ، اين نوع ناپايداري را نامزد مناسبي براي ناهنجاري نمي سازد. در تك بلورهاي قله كوچكي بالاتر از در مقاومت صفحه مشاهده شده است. با فرض عدم تداخل در اين قله به يك گذار فاز الكتروني از فاز به فاز منظم تر منتسب شده است{45}، در نمونه هاي مورد بررسي كه چندبلوري هستند، مقاومت اندازه گيري شده، مقاومت مؤثر در راستاي صفحات و جهت عمود بر آنها يعني جهت است. بنابراين ، انطباق بحث مطرح شده به نمونه هاي مورد مطالعه به دليل چند بلوري بودن مناسب به نظر نمي رسد.به علاوه، مؤلفين اخير ناهمگني بلوري را همچنين به عنوان يك عامل در وقوع قله در محتمل دانسته اند.به علاوه، در تركيبات پرش كوچكي در منحني در نزديكي دماي دمايي كه يك گذار فاز ساختاري (از ساختار راست گوشه به تتراگونال) نيز اتفاق مي افتد، مشاهده شده است{46}، چنانكه مي دانيم گذار فاز ساختاري در تركيبات 123 در دماي 60 به دليل كمبود اكسيژن نمونه ها حاكي از كفايت مقدار لازم بوده و هيچگونه نقصاني در اكسيژن نمونه ها وجود ندارد، حتي به دليل نياز بيشتر به اكسيژن نسبت به مقدار اكسيژن نمونه از مقدار بهينه در تركيب 123 يعني نيز بيشتر است. به علاوه در دماهاي 90-80 هيچ نوع گذار فاز ساختاري گزارش نشده است، بنابراين، ناهنجاري بايد منشاء ديگري داشته باشد. در منگنيتها نيز در نزديكيهاي دماي كوري يك قله اي در منحني مشاهده شده است {49}، اين قله بزرگ مي تواند تحت ميدان مغناطيسي كوچك شده و يا حتي از بين برود. البته در نمونه هاي مورد مطالعه ما، برآمدگيهاي بسيار كم ارتفاع هستندو تحت ميدان مغناطيسي تا بزرگي از بين نمي روند. بنابراين قله هاي مذكور همسنخ به نظر نمي رسند، به علاوه، لايه هاي فوق نازك –123 يك قله مشابهي را در منحنيهاي عايق گونه مقاومت بر حسب دما نشان مي دهند كه تحت ميدان مغناطيسي ارتفاع قله كاهش يافته و در ميدان كاملا محو شده است{50}،مؤلفين دليل مشاهده اين ناهنجاري در دماي 20 را به عدم يكنوتختي ضخامت لايه 123- منتسب كرده اند. از آنجا كه نمونه هاي ما كپه اي بوده و تحت ميدان مغناطيسي، قله ها باقي مي مانند چنين امكاني منتفي است. جهت ارزيابي بيشتر برآمدگي جريانهاي بين 10 تا 100 و همچنين ميدان مغناطيسي با بزرگي بر نمونه ها اعمال شدند شكل 12. هيچ يك از عوامل بالا اثري بر قله در نمونه هاي مورد نظر نداشت. بنابراين ، به دليل آنكه ميدانها و جرياهاي بالا اثري بر پديده مشاهده شده ندارند، علي الاصول اين اتفاق بايد مربوط به درون دانه ها بوده باشد، يعني اثري “ بين دانه اي“ نيست. در ابررساناهاي دماي بالاي دانه اي ، به دليل ارتباطات ضعيف جوزفون در مرز بين دانه ها، تحت ميدان مغناطيسي و جريانهاي بزرگ ، ابتدا اين نواحي تحت تأثير واقع مي شوند و سپس نواحي درون دانه ها {51}، اين اثرات در ادامه مورد مطالعه قرار خواهند گرفت همان طور كه در شكل 13 مشخص است، بستگي دمايي مقاومت نمونه يك گذار دوپله اي ، مشابه ناهنجاري مورد مطالعه را نشان مي دهد،{52}، اين پديده غالبا در ابررساناهاي با حاملهاي الكترون و تركيبات مشاهده مي شود{53}. اين گذار دو پله اي در دماي به وجود يك حجم كوچكي از يك فاز ابررسانا در نمونه و بر حسب گذارهاي درون دانه اي و بين دانه اي توضيح داده شده است. در دماي تعدادي از نواحي درون دانه ها ابررسانا مي شوند.بنابراين مقاومت شروع به كاهش مي كند. اما ابر جريان درون دانه اي نمي تواند به راحتي از ارتباطات ضعيف جوزفون بين دانه اي عبور كند، بنابراين

 

دانلود رایگان فایلهای متلب

 

 

 

 

.شکل12-4 . ناهنجاریP(T) تحت میدانهای مغناطیسی مختلف.

 

كاهش مقاومت تا صفر ادامه پيدا نخواهد كرد تا زمانيكه انرژي زوج شدگي جوزفون از انرژي گرمايي لازم كه از مرتبه است ، بيشتر شود. در اين حالت، گذار ابررسانايي اتفاق مي افتد. اين توضيح در مورد نمونه هاي ما به نظر قابل استفاده مي رسد، اگر بتوانيم شواهدي بر ابررسانايي بعضي از نواحي درون دانه ها در دماي پيدا كنيم . چنانچه به شكل 7 توجه كنيم ، مي بينيم كه در همان هايي كه يك ناهنجاري در رخ داده است، مقادير يك كاهش نامتعارفي را نشان مي دهند. اگر اتمي بزرگتر از اندازه متعارف در مكان عنصر نادر زمين قرار گرفته باشد، مي تواند باعث ايجاد فاصله بيشتر بين صفحات يعني كاهش ارتفاع مكان اتمهاي شده باشد. حضور اتمي بزرگتر از كه نياز كمتري به بار منفي داشته باشددر مكان مي تواند باعث فاصله بيشتر اتمهاي از آتيون قرار گرفته در مكان شود. اين كاهش ارتفاع مكان مي تواند باعث دفع اتم از مكان خودش و در نتيجه كاهش ارتفاع مكان آن شود{شكل 8}. بهترين كانديد با خصوصيات گفته شده اتم با شعاع اتمي بزرگ و بار مثبت كوچك است.

براي آزمودن فرضيه اخير و تصحيح نتايج ظريف سازي ريتولد، آناليز با امكان حضور اتم در مكان در همه مقادير يعني تكرار شد{54}.نتايج در جدول 3 ارائه شده اند. پارامتر كه معياري براي خوبي برازشهاست و در بهترين حالت بايد باشد، خيلي به 1 نزديك است كه شاهدي بر قابل قبول بودن نتايج است {55}،

 

 

 

 

 

 

شکل 13-4 . مقاومت بر حسب دما

 

نتيجه بسيار جالب آنست كه تقريبا در همان هايي كه ناهنجاري مشاهده شده است، يعني اتم مكان را اشغال كرده است(شكل 14)؛ بدجاينشيني بيشترين مقدار را در دارد. حال مسئله اصلي يافتن رابطه اي بين بدجاينشيني و ناهنجاري است. در نتايج ظريف سازي ريتولد، اختلاف درصد اشغال از 1 مي توان مربوط به سلول واحدهاي ناكامل باشد؛ سلولهايي كه ساختار 123 دارند لذا به عنوان فاز ناخالصي قابل شناسايي نيستند. ولي در عين حال جايگاه بعضي از اتمها تهي است كه منجر به كوچكتر از 1 براي آن اتم مي شود، وجود اتم در مكان مي تواند باعث دافعه صفحات از هم شده و اين خود منجر به راندن اتم هاي كوچكتر مي شود.

 

در نمونه هاي ابررساناي 123 ساخته و گزارش شده توسط زو و همكارانش {15}، پارامتر شبكه سلولهاي واحد كمي بزرگتر از مقدار متعارف بقيه به دست مي آيد. يعني به جاي در حدود به دست مي آيد. يك احتمال براي اين مقدار بزرگ حضور اتمهاي بزرگ به جاي اتم در مكان عنوان شده است. ناروزني و همكارانش {56} بر اساس ممان مغناطيسي مؤثر به دست آمده اتم نتيجه گيري نموده اند كه در نمونه هاي ابررساناي زو، تعدادي از اتمهاي بايد در مكان قرار گرفته باشند، حضور در مكان باعث آلايش حفره هاي متحرك و جبران جايگزيدگي حفره ها در اثر هيبريداسيون مي شود. مؤلفين همچنين توجه مي دهند كه مي تواند توضيحي طبيعي نه تنها براي مشاهده ابررسانايي در تركيب بلكه افزايش

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل14- 4 . درصد اشتقال اتم Ba در مکان R بر حسب مقادیر مختلف آلایش Pr(x).

 

فاصله بين صفحات و در نهايت افزايش باشد. زو و نيشيهارا همچنين بر اساس ممان مغناطيسي را يك توضيح محتمل براي ابررسانايي در عنوان نموده اند{57}. نكته جالب ديگر در مورد نمونه هاي ابررساناي زو و همكارانش آن است كه دماي گذار ابررسانايي آنها حدود يعني در تطابق با است. بنابراين، اگر در سلول واحدهايي كه شامل هستند . ابررسانايي اتفاق بيفتد، مقاومت در دماي شروع به كاهش مي كند. لكن به دليل تعداد زياد سلول واحدهاي عايق آنهايي كه شامل هستند مقاومت به صفر كاهش پيدا نمي كند تا آنكه انرژي درج شدگي جوزفون بين بخشهاي ابررسانا از انرژي گرمايي بيشتر شود كه در اين حالت گذار ابررسانايي اتفاق خواهد افتاد.

بخشهايي از ماده كه در دماي ابررسانا شده اند نمي توانند ناشي از تشكيل فاز بوده باشند. چرا كه اولا تركيب با مقدار اكسيژن بهينه است{48}، همچنين با نقصان اكسيژن كه بخواهد را نتيجه بدهد بايد مقدار اكسيژنش باشد{48}، در حالي كه كمترين مقدار اكسيژن نمونه هاي مختلف ما است (جدول 1). از طرف ديگر دماي برآمدگي در همه نمونه ها حوالي 80 است. چگونه است كه همه نمونه ها داراي فازي از هستند كه همگيي داراي حوالي 80 هستند و نقصان اكسيژن به ازاي بقيه دماهاي گذار اتفاق نمي افتد؟ بنابراين، فاز نمي تواند عامل اين ناهنجاري باشد. نمونه هاي توسط ينگ و همكارانش مورد مطالعه قرار گرفته اند{58}. آنها مشاهده نموده اند كه با افزايش مقاومت نمونه ها كه رفتار عايق گونه دارند كاهش و پارامتر شبكه افزايش مي يابد. اين بررسي همچنين در مرجع {59} انجام شده است. نتيجه حاصله از اين قرار است كه با آلايش در مكان يك افزايشي در مقاومت تا رخ مي دهد. سپس با افزايش مقدار آلايش، مقاومت كاهش مي يابد. تا در به دليل حد حل پذيري فاز غير 123 تشكيل مي شود و مقاومت شديدا افزايش مي يابد. نويسندگان پيش بيني نموده اند در صورتي كه بتوان با روش خاصي در ساخت نمونه حد حل پذيري را افزايش داد مي توان شاهد بازيافت ابررسانايي در 123 بود. آزمايشات جذب اشعه ايكس لبه اكسيژن در نمونه هاي آنها نشان داده است كه تمركز حامل ها با آلايش افزايش مي يابد. مرز و همكارانش {60} در بررسي نمونه هاي مشابه با آزمايشات گزارش نموده اند كه با جاينشاني به جاي يك جابجايي در نوار به زير تراز فرمي، همراه با بازگشت حفره ها به نوار رسانش اتفاق مي افتد. آنها ادعا نموده اند كه اگر ميزان آلايش در مكان بيشتر از آن مقداري باشد كه آنها بررسي كرده اند، مي تواند باعث مشاهده ابررسانايي در نمونه هاي شود. حضور در مكان مي تواند باعث احياي ابررسانايي در بشود، همانند : لايه هاي نازك ابررسانا يا دماي گذار هستندو نمونه هاي كپه اي آن كه تحت فشار ساخته شده اند دماي گذار دارند{62}. بنابراين با توجه به شواهد بالا ، بروز باعث ابررسانايي موضعي در نمونه هاي مورد مطالعه و همچنين برآمدگي در منحني شده است. اين نتيجه براي توجيه مشاهده ابررسانايي در تركيب بسيار ارزشمندو راهگشاست. همانطور كه توضيح داده شد، روش يك روش موفق در محاسبه ظرفيت اتمهاي يك تركيب است. از آنجا كه ورودي اين محاسبات مكان اتمهاست، هر گونه خطا در مكان اتمها منجر به ظرفيتهاي نامعقول اتمها خواهد شد. بنابراين براي سنجش صحت نتايج ظريف سازي رينوئد، به كمك ظرفيت اتمها محاسبه شده اند. نتايج اين ظرفيتها در شكل 15 نشان داده شده است. چنانكه مشخص است، در حدود دقت نتايج ظرفيت همه اتمها بجز درباره معقول اند. بنابراين فاصله نسبي اين دو اتم بايد بهينه شوند. پارامتري كه مي تواند تغيير كند تا ظرفيتهاي معقولي براي بدهد، درصد اشغال اتم در جايگاه خودش است.اهميت اكسيژن در چارچوب مدل انتقال بار بين صفحات و زنجيره هاي قبلا در مراجع مختلف به تفصيل بحث شده است{63}. با تكرار ظريف سازي رينوئد به ازاي مقادير متغير درصد اشغال اتم در بازه مشاهده شده است كه به ازاي ظريف سازي به مقادير نامعقولي از درصد اشغال و مكان اتمي منجر مي شود. بنابراين در بازه گفته شده، از مقدار ثابت و قابل انتظار در ظريف سازي استفاده شد. در نتيجه اين كار ، واگراييهاي گفته شده برطرف و ظرفيتهاي به دست آمده قابل قبول اند. شكل 16 نتايج ظرفيتهاي گفته شده را نشان مي دهد. با افزايش ميزان حضور در مكان كاهش پيدا   مي كند.

اگر چه پيدا نمودن درصد اشغال اكسيژن بر اساس ظريف سازي رينوئد نتايج طيف پراش نوترون، قابل استنادترند، لكن نتايج به علاوه روش لااقل به صورت نيمه كمي پذيرفتني است . درصد اشغال كمتر از 1 اتمهاي قبلا نيز در تركيب مشاهده شده است . نتايج نهايي ظريف سازي رينوئد با متغير در جدول 4 ارائه شده اند. كاهش مي تواند در نتيجه ي مهاجرت اتمهاي از جايگاهشان و همچنين حضور در مكان باشد. شاهدي ديگر براي خروج از مكانش، مي تواند اشباع مقدار اكسيژن نمونه ها با افزايش به مقدار باشد. اين در حالي است كه در تركيب به ازاي مقدار اكسيژن تا افزايش مي يابد. به عبارت ديگر ، در تركيب مقدار اكسيژن كمتر از ميزان لازم براي جبران بار اضافي نسبت به است. با افزايش آلايش اشغال مكان توسط اتمهاي اكسيژن شروع مي شودو صفحه شامل زنجيره هاي شبيه صفحات شده، در حالي كه اتمهاي از جايگاهشان خارج مي شوند. در نتيجه اين ورود و خروج اكسيژن مقدار اكسيژن كل از تجاوز نمي كند. با جاينشاني در مكان بلوكهاي پروسكپتهاي سازنده ساختار 123 كه شامل هستند بيشتر شبيه پروسكپت حاوي مي شوند. بنابراين فرآيند محيط اطرافش را همانند محيط در مكان يعني مي سازد، هر چند به دليل حد حل پذيري، اين پديده تا حد خاصي اتفاق مي افتد خروج باعث نزديكي كردن عدد آرايش در مكان به يعني همانند Pr در مكان R مي شود. بنابراين، به نظر مي رسد كه تشكيل پروسكپتهاي ناكامل در ساختار 123 نكته اساسي نظريه بد- جاينشيني است. بنابراين از آنجا كه حضور Pr در مكان Ba محيط اطرافش را شبيه حالت حضور Pr در مكان R مي نمايد، به نظر مي رسد كه Pr در مكان Ba و يا ، هر دو با يك سازوكار باعث اضمحلال ابررسانايي در تركيبات(R-123) آلاييده با Pr مي شوند. همچنين، با توجه به شواهد ارائه شده، بروز Ba باعث ابررسانايي موضعي در نمونه هاي مورد مطالعه و همچنين برآمدگي در منحني(T)P شده است. اين نتيجه براي توجيه مشاهده ابررسانايي در تركيب (R-123) بسيار مهم است. در بررسي فاز هنجار نمونه هاي Gd(Ba2-xPrx)Cu2O2+6 ، علاقه منديم تا سازوكار رسانش را در اين فاز جستجو كنيم. به اين منظور، انتظار داريم كه در سراسر بازه دمايي فاز هنجار، به يك سازوكار رسانش دست يابيم. چرا كه اولا دليل و يا شاهدي بر تغيير سازوكار رسانش در فاز هنجار نداريم، ثانيا گذار فازي در فاز هنجار و يا دماي ويژه اي كه پايه تغيير سازوكار رسانش باشد نيز در اين فاز گزارش نشده است. بنابراين، در چارچوب مدلهاي ارائه شده ، در بزرگترين بازه دمايي ممكن، به دنبال رژيم حاكم رسانشي در فاز هنجار نمونه ها خواهيم گشت. در برازش داده هاي نمونه هاي شامل ناهنجاري (‏T)P ، بخش برآمده منحنيها در

 

 

دماي حدود 80k حذف شده اند. در ابتدا مدلهاي مختلف استفاده شده براي برازش داده هاي مقاومت بر حسب دماي ابررساناهاي دماي بالا، همانند مدل اندرسون-زو(p =AT#B/T) {65} و رفتار نيمه هادي گونه ( p =exp(t)) {66} جهت برازش داده ها مورد سنجش قرار گرفتند. هيچ يك از اين مدلها براي تمام مقادير آلايش pr و در بازه هاي بزرگ دمايي مورد انتظار، خوب كار نكردند. در ميان مدلهاي مختلفي كه براي خواص ترابردي مواد ارائه شده اند، رسانش پرشي با برد متغير(VRH) بين حالات جايگزيده يعني معادله زير{67}:

p(T)=p(t/t)2p exp(T/T)p                                                                           (4-2)

 

 

 

كه در آن T,P وP ثابتهاي برازش، P مقاومت ويژه و T دماست. به طور وسيعي براي حالت هنجار HTSC استفاده شده است. بنابراين در قدم بعد، رژيمهاي رسانش پرشي در 2 بعد(p=1/3 2D-VRH) ، رسانش پرشي در 3 بعد (p =1/3 2D-VRH) و رژيم گاف كولني p=1/2CG به طور جداگانه براي تمامي نمونه هاي با جهت برازش داده ها مورد استفاده قرار گرفتند(روش P ثابت). اين نتايج در شكل 17 ارائه شده اند. نتايج برازش براي كاملا مشابه هم بودند. همچنين از آنجا كه منحنيها ي برازش در رژيمهاي مختلف، همگي مناسب به نظر مي رسد، به منظور امكان انتخاب برازش بهتر، از پارامتر برازش يعني استفاده شد. نتايج برازشهاي مختلف در جدول 5 ارئه شده اند.گزارشهايي نيز مبني بر عدم تشخيص بين رژيمهاي وجود دارد. به عنوان مثال: در تركيب عايق مقاومت صفحه از رسانش پيروي مي كند. لكن مؤلفين نتوانسته اند رژيم غالب را در بازه دمايي تشخيص دهند{68}. به هر حال، ما فكر مي كنيم كه تقريبهاي به كار رفته در استخراج مقدار به خصوص در دليل اصلي بروز مشكل اخير است. بر اساس جدول 5 ، بين رژيمهاي به نظر ترجيح دارد (به دليل نزديكي بيشتر ) جهت تميز بين جالب خواهد بوداگر توان به عنوان يك متغير در برازش، آزاد گذارده شود تا بهترين مقدار مرجح آن از نتيجه برازش حاصل شود نتيجه عددي اين كار در جدول 6 و نمايش برازش ها در شكل 18 ارائه شده اند. تقريبا در همه مقادير آلايش تمايل به مقدار يعني

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

رسانش 2D-VRH دارد. مزيت روشP متغير علاوه بر تأييد نتيجه روش P ثابت، آن است كه رژيم مرجح بين رسانش3D,2D را معرفي مي كند. رسانش دو بعدي از جمله خواص دو بعدي گونه ابررساناهاي دماي بالاست كه از اولين سالهاي كشف HTSC مورد توجه قرار گرفته است{69}. اين رفتار در مقايسه با سيستمهاي الكتروني 2 بعدي در ادامه مورد مطالعه قرار خواهد گرفت. بايد توجه شود كه فرض اساسي در سازوكار دو بعدي و سه بعدي در معادله (2)، عدم بستگي چگالي حالات الكتروني به انرژي، در تراز فرمي است كه ممكن است در HISC كاملا صحيح نباشد. بنابراين، تفاوت در مقادير به دست آمده P از 3/1 مي تواند ناشي از فرض اخير باشد . البته بايد توجه داشت كه سازوكار VRH عموما در دماهاي پايين كه انرژي براي برانگيختگي حاملها در راستاي گاف كولني كافي نيست، اتفاق مي افتد بنابراين، رسانش به وسيله پرش در ناحيه كو چك –K&T در حوالي انرژي فرمي اتفاق مي افتد كه چگالي حالات الكتروني تقريبا ثابت است. لذا تقريب به كار رفته در VRH براي به دست آوردن P خيلي هم نامناسب نيست. لازم به يادآوري است كه كارهاي اخير نشان داده اند كه سازوكارVHR در بازه دمايي 100K<T<900K نيز كار مي كند {69}، بنابراين، بر اساس مدل تقريبي حاضر و چگالي حالات غير صفر تركيب Gd-123 كه توسط محاسبات به دست آمده است{4}، همانند تركيب Y-123{70} و همچنين آزمايش ترموالكتريك در تركيبات 123{71}، نتيجه رسانش 2D-VRH در تركيب 123 مورد نظر ، معقول به نظر مي رسد . نتيجه محكم تر نياز به تعيين دقيق DOS در سطح فرمي براي HTSC و

همچنين تعميم نظريه جايگزيني مات-ديويس براي DOS وابسته به انرژي در سطح فرمي دارد{69}. بر اساس فرمول بندي مات {72}، T در معادله (2) به DOS در سطح فرمي يعني (E_f)N و طول جايگزيني d حاملها مربوط مي شود.كه در آن d طول جايگزيني يعني طول پهن شدگي تابع موج جايگزيده است. انرژي پرشي كه مقدار انرژي لازم براي حاملهاست تا بتواند رسانش پرشي را به طول R انجام دهند به صورت زير داده مي شود.و دامنه پرشي( R) نيز به صورت زير مي شود.

(E_f)N در سه بعد از مرتبه /eV=cm³ حالت 10²¹ است كه در نتيجه، در دو بعد در حدود /eV=cm³ حالت 10¹⁴ است{73} كه معادل /eV-A2 حالت 2-10 در دو بعد است. با دانستن تخميني از (Ef)N و T حاصل از برازش،R,W وd قابل استخراج خواهند بود. طول جايگزيدگي و دامنه پرشي در مقادير مختلف آلايش Pr محاسبه و در شكل 19 نشان داده شده اند. طول تابع موج جايگزيده در Gd-123 (يعنيx=0/00) بيشينه است . اين بدان معني است كه به دليل برهم نهي زياد توابع موج حاملها، رسانش به راحتي انجام مي شود، چنانچه رفتار(T)P نيز فلزگونه است.با آلايش Pr،d كاهش مي يابد. با افزايش x به دليل كاهش طول جايگزيدگي، دامنه پرشي نيز كاهش مي يابد. يعني آلايشPr حاملها را در فاز هنجار جايگزيده مي كند. همچنين با افزايش بخشهاي عايق در دانه ها، يعني سلول واحدهاي شامل Pr همگني ساختاري كاهش پيدا مي كند و همزمان با كاهش دامنه پرشي،MIT اتفاق مي افتد. هنگاميكه طول جايگزيدگي خيلي بزرگ است، مقاومت رفتار فلزي از خود نشان مي دهد و حاملهاي گسترده كار رسانش را به راحتي انجام مي دهند. بنابراين، در مقادير كوچك x ، دامنه پرشي كوچكتر از طول جايگزيدگي است. چنانكه مي دانيم، براي سازوكار VRH، بايدR>d باشد. بنابراين، در دماهاي كوچك مثلا k50 به ازاي 2D-VRH,x>=0/20 ، و احتمالا در صفحات CuO2 اتفاق مي افتد . با افزايش دما به دليل افت و خيز گرمايي، دامنه پرشي كاهش پيدا مي كند و مقدار x مخصوص (x) كه به ازاي xهاي بزرگتراز آن، پرش مي تواند اتفاق بيافتد،تغيير مي كند. با افزايش دما،x به مقادير بزرگتر ميل مي كند (شكلهاي 19و20).

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 20 طول جايگزيدگي و دامنه پرشي براي مقادير مختلف x را با روش p متغير نشان مي دهد . اگر چه d,R اختلافات كوچكي را در مقادير مطلق شان نسبت به روشP ثابت دارند، لكن مرتبه تزرگيشان و نحوه تغييرات شان با x و دما در هر دو روش يكسان است. اين نشان مي دهد كه رژيم 2D-VRH كه از روش P متغير حاصل شده است،Tهاي سازگار با روش P ثابت را به دست مي دهد. نحوه تغييرات R با دما بر اساس هر دو روش P متغير و ثابت در شكل 21 ارائه شده اند. با كاهش دما ، افت و خيز گرمايي كاهش پيدا مي كند و پرش رسانتي در مسافتهاي بزرگتري قابل انجام است و لذا R افزايش مي يابد. اين نتيجه يا نحوه تغيير دامنه پرشي پروسكيتها با دما سازگار است {74} نتايج ما همچنين مطابق با دامنه پرشي به دست آمده در تركيب Pr=123 يعني A960 در دماي k2 مطابقت دارد.(73). شكل 22 نحوه تغييرات انرژي پرشي بر حسب x براي مقادير مختلف دما را با هر دو روش P ثابت و p متغير نشان مي دهد. با افزايش آلايش pr ، به دليل اثر مخرب Pr در رسانش، انرژي لازم براي رسانش پرشي حاملها، افزايش مي يابد. جهت انجام رسانش بر اساس VHR، انرژي پرشي بايد بزرگتر از K&T باشد. در شكل 22 خطوط افقي مقدار K&T در هر دمايي را نشان مي دهند.

 

 

 

دانلود رایگان فایلهای متلب

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل 19. طول جايگزيني (d) و دامنه پرشي (R) بر حسب مقادير مختلف آلايشPr (x) كه از روش P ثابت به دست آمده اند. شكل داخلي تغييرات d بر حسب x را دركل دامنه نشان مي دهد . خطوط كشيده شده براي راهنمايي چشم اند.

شكل 20. طول جايگزيني (d) و دامنه پرشي (R) بر حسب مقادير مختلف آلايشPr (x) كه از روش P متغير به دست آمده اند. شكل داخلي تغييرات d بر حسب x را در كل دامنه نشان مي دهد . خطوط كشيده شده براي راهنمايي چشم اند.

شكل 21. دامنه پرشي (R) بر حسب دما براي مقادير مختلف آلايش Pr كه به روش (الف):P ثابت و (ب):P متغير به دست آمده اند. خطوط براي راهنمايي چشم اند.

در دماهاي پايين مثلا k 50 ، به دليل افت و خيز گرمايي كوچك ، مقدار كمي انرژي پرشي براي انجام رسانش پرشي كافي خواهد بود. بنابراين به ازاي 20 /0 VRH,x>= سازو كار غالب براي رسانش در فاز هنجار نمونه ها در دماي K50 خواهد بود. جالب است كه با افزايش دما،x افزايش مي يابد و مقدار x به دست آمده از اين منحني در تطابق كامل با x به دست آمده از منحني دامنه پرشي بر حسب آلايش مقادير مختلف Pr است. همچنين نتايج هردو روش P ثابت و P متغير با يكديگر سازگارند. شكل23 تغييرات ً بر حسب دما را نشان مي دهد. با افزايش دما، به دليل افزايش افت و خيز گرمايي كه براي رسانش پرشي مخرب است، انرژي پرشي نيز افزايش يابد. اين نتيجه همچنين در تطابق با نحوه تغيير انرژي پرشي بر حسب دما در پروسكپتها است.{75}. شكل 24 منحني dp را برحسب مقادير مختلف آلايش Pr نشان مي دهد. نمونه هاي x<0/20 در فاز هنجار رفتار فلزي و نمونه ها ي x>0/20 رفتار نيمه هادي – گونه دارند. در نمونه هاي فلزي، انحراف مقاومت از رفتار خطي هم ارز گشايش شبه گاف در تراز فرمي است. دمايي كه اين اتفاق مي افتد به دماي گشايش شبه گاف معروف است. شكل 25 نحوه استخراج T از منحني (T)p را نشان مي دهد. از آنجا كه در بررسي شبه گاف، مقايسه Pr در مكان Ba وPr در مكان R بسيار مفيد خواهد بود، در اين بخش داده هاي مرجع {54} براي نمونه هايBa₂Cu₂O₂-6(Gd-x^Prx) نيز مورد ارزيابي قرار مي گيرند. نحوه تغييرات T در نمونه هاي GdBaPr-123 وGdPr-123 در مقادير مختلف آلايش Pr در شكل 26 آمده است.

در هر دو سيستم با افزايش T,pr افزايش مي يابد، لكن تغييرات T در سيستم GdPr-123 به رفتار خطي نزديكتر از سيستم GdBaPr-123 است {76}. اين نتيجه در تطابق با بقيه R Prx-123 هاست {77}. در تركيب GdBaPr-123 به صورت نمايي يا x رشد مي كند و براي يك مقدار ثابت آلايش T Pr آن نسبت به مقدار تركيب GdPr-123 بزرگتر است. اين نشان مي دهد كه اثر Pr در مكان Ba براي تغيير رفتار خطي مقاومت نسبت به دما و گشايش صفحه CuO₂ بيشتر از فاصله بين Pr در جايگاه R و صفحه شبه گاف در مقايسه با اثر Pr در مكان R قويتر است. همچنين از آنجا كه حضور Pr

 

 

 

در مكان Ba از طريق اضافه بار Pr نسبت به Ba¹⁰ يعني پر شدگي حفره، باعث ابررسانايي مي شود مي توان نتيجه اخير را به اين صورت تفسير كرد كه پر شدگي حفره اثر مخرب تري روي مقاومت فاز هنجار نسبت به بقيه سازوكارهاي پيشنهاد شده براي تخريب ابررسانايي توسط آلايش Pr دارد.بنابراين، بر اساس نتايج بالا، مشاهده مي شود كه جايگاه اصلي Pr در ساختار 123 نه تنها براي خواص ابررسانايي بسيار مهم است {78}، بلكه براي خواص فاز هنجار نيز اساسي است. {79و78} بنابراين جانشيني ناخواسته Pr در مكان Ba (بد جانشيني) در فرآيند ساخت تركيبPr-123 مي تواند براي بروز ابررسانايي در آن مخرب باشد. همچنين به دليل طول پراكندگي نوترن نزديك به هم براي Pr (cm ^12-10×458/0) و Ba (cm ^12- 10 ×507/0) .{80}، امكان تميز Pr و Ba در اندازه گيريهاي پراش را بسيار مشكل مي سازد . به اين جهت ، تعيين دقيق مكان Pr در ساختار 123 براي توضيح اثر واقعي Pr بسيار حياتي است. همچنانكه نتيجه گرفتيم، Pr در مكان Ba نسبت به مكان R اثر بيشتري بر شبه گاف دارد. فاصله بين Pr در جايگاه Ba و CuO₂ است.بنابراين ، اگر صفحات CuO₂ عنصر اصلي در بروز شبه گاف هستند، اثر Pr درمكان Ba بايد كمتر از اثر Pr در مكان R بر T مي بود، در حاليكه در تجربه، عكس اين امر مشاهده مي شود. از اين رو، بايد گفت كه صفحات CuO₂ در بروز شبه گاف نقش مهمي دارند و نه آنكه شبه گاف در اين صفحات اتفاق مي افتد، چنانكه در مرجع{81} ادعا شده است. مرز دانه ها معمولا J نمونه هاي چند بلوري HTSC را محدود مي كنند. لكن، مرز دانه هاي HTSC با مرز دانه هاي ابررساناهاي متعارف و MgB2 متفاوت اند{82}، مرز دانه هاي ابررساناهاي متعارف از نظر الكتروني كمتر اثر گذارند وحداكثر به عنوان مراكز ميخكوبي شان عمل مي كنند{83}، حضور جريانهاي درون و بين دانه اي در نمونه هاي چندبلوري HTSC ارائه مدلي را براي رفتار الكترومغناطيسي آنها دشوار مي كند{84}.

از آنجا كه نمونه هاي تك بلوري هم ساختار دانه اي دارند و بسياري از خواص آنها از جمله رفتار همانند نمونه هاي چندبلوري است،بنابراين بحث شبه گاف براي نمونه هاي تك بلوري و چندبلوري به طور هم ارز قابل اعمال خواهند بود. شكل 27 رفتار بر حسب براي تركيبات و نمونه هاي 123 با مقادير مختلف اكسيژن را نشان مي دهد. اين شكل نشان مي دهد كه چگالي حاملهاي كمتر، به دماي شبه گاف بالاتر مربوط است. براي يك مقدار ثابت تركيب پايه 123- به مقدار اكسيژن نمونه و همچنين مكان در تركيب بستگي دارد. براي يك مقدار ثابت به دليل كاهش تعداد حاملهاي حفره با كاهش تركيب 123- كمترين مقدار حفره را در صفحات ابررسانايي دارد. پس از 123- بيشترين مقدار چگالي حفره ها به نمونه 123- با نقصان اكسيژن مربوط مي شود. اين شاهد ديگري است كه اثر مخربتر در مكان را نشان مي دهد. براي نمونه هاي 123- با نقصان اكسيژن، به دليل رفتار مشابه بر حسب براي عناصر مختلف اينگونه نتيجه گيري شده است كه عناصر نادر زمين در جايگاه و همچنين فاصله بين صفحات از يكديگر اثر قابل توجهي روي دماي شبه گاف ندارند{81}. بر اساس نتايج ما، در تركيب 123- آلاييده با نه تنها به جايگاه در ساختار، بلكه همچنين به مقدار اكسيژن نمونه هم بستگي دارد. بنابراين،بر همكنش گاف ابررسانايي و شبه گاف فاز ابررسانا از منحني مبرهن است بستگي زياد منحني به مقدار اكسيژن نمونه و جايگاه در ساختار، پيشنهاد مي كند كه بايد يك برهمكنشي بين گاف ابررسانايي كه به دماي گذار ابررسانايي مربوط است و شبه گاف وجود داشته باشد. اين نتيجه در مورد لايه هاي نازك تركيب كه در راستاي رشد يافته است نيز گزارش شده است{85}. بستگي گاف ابررسانايي به آلايش در تركيب ارتباط قوي آن با دماي شبه گاف را پيشنهاد مي كند و همچنين نشان مي دهد كه ناحيه شبه گاف لااقل به صورت جزئي در نتيجه نوعي ابررسانايي است{86}.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل پنجم

 

موتورهاي برقي با خاصيت ابررسانا

 

تحقيقاتي كه از سال ها قبل براي ساخت موتورهاي برقي با سيستم هايي از نوع ابررسانا شروع شده بود ، سرانجام به نتيجه رسيده و موتورهاي برقي ابررسانا با دماي بالا (HTS) ساخته شده است .

كاربرد موتورهاي برقي به عنوان نيروي محركه شناورها (PROPULSION SYSTEM) در صنايع كشتي سازي براي كشتي هاي خاص مانند زيردريايي وبعضي يدك كش ها متداول بوده ولي به كارگيري موتورهاي برقي به عنوان نيروي محركه براي انواع شناورها يكي از روشهايي است كه در سال هاي اخير مورد توجه خاص طراحان سيستم هاي رانش كشتي ها قرار گرفته است . اين طرح با ساخت موتورهاي برقي از نوع ابررسانا بيشتر قوت گرفته است .

 

1-5ابررسانا چيست ؟

 

در سال 1911 ميلادي يك محقق هلندي پي برده بود كه وقتي جيوه تا دماي 4 درجه كلوين (4⁰K=-269⁰C) سرد شود مقاومت آن در مقابل جريان الكتريكي ادامه مي يابد اين حالت را خاصيت ابررسانا ناميده اند .

در دماي معمولي فلزات در مقابل حركت الكترون ها داراي مقاومت هستند ؛ ولي اگر دماي فلز كاهش يابد مقاومت آن در مقابل حركت الكترون ها نيز كاهش مي يابد به طوري كه هر قدر فلز سردتر باشد مقاومت آن در مقابل حركت الكترون ها نيز كمتر مي شود تا به صفر برسد .

بدين علت كه با برقراري جريان برق در فلز اتم هاي فلز (سيم ) به شدت لرزش يافته وباعث پراكنده شدن الكترون ها مي گردد كه اين حالت نوعي مانع در مقابل حركت الكترونها ايجاد مي نمايد و با سردشدن فلز ارتعاش اتم ها كم تر شده وهر قدر سردتر شود ارتعاش اتم ها نيز كمتر مي شود كه در نتيجه حركت الكترونها بهتر صورت مي گيرد واگر دماي فلز باز هم كاهش داده شود، در دماي مشخص هر فلز حركت اتمها به کلی متوقف میگردد که در این مرحله مقاومت فلز ناگهان صفر مي گردد و   الكترون ها درمدار بدون مقاومت حركت مي كنند اين خاصيت در الياژهاي مختلف فلزات و مواد رسانا متفاوت است .

به كارگيري موتورهاي برقي به عنوان نيروي محركه براي انواع شناورها يكي از روشهايي است كه در سالهاي اخير مورد توجه خاص طراحان سيستم هاي رانش كشتي ها قرار گرفته است .

2-5ابررسانا درجه حرارت بالا چيست ؟

 

ابررسانا موادي هستند كه معمولاً در دماي فقط چند درجه بالاتر از صفر مطلق                           (274- درجه سانتي گراد ) ابررسانا مي شوند اين امر مستلزم سرد كردن فلز تا حدود صفر مطلق است . مواد ابررسانا در دماي بالا (HTS) موادي هستند كه به مراتب بالاتر از صفر مطلق ، ابررسانا مي شوند مثلاً در دماي 190- درجه سانتي گراد در نتيجه به مراتب مناسبتر از ساير موادي هستند كه بايد در دماي صفر مطلق سرد شوند .

پيش از اين براي سرد كردن مواد جهت رساناي آن به ابر رسانا از هليوم مايع استفاده مي شد كه مايعي بسيار گران وكمياب است در سال 1986 ميلادي تحقيقات نشان داد كه آلياژ مس با نوعي اكسيد را مي توان با نيتروژن مايع تا دماي 196- درجه سانتي گراد سرد كرد اين مايع ضمن اين كه فراوان و ارزان مي باشد ، كاربرد آن نيز براي اين منظور بسيار ساده است .

 

3-5تكامل در طراحي و ساخت

 

تكامل در طراحي وساخت موتورهاي برقي باخاصيت ابررسانا با دماي بالا (HTS) يك موفقيت چشمگير در جهت نيل به هدف مجهز نمودن كشتي ها با موتور برقي بوده است آزمايش اوليه موتور برقي از نوع ابررسانا در دماي بالا(HTS) براي يك موتور با قدرت 5 مگاوات با 230 دور در دقيقه بوده كه با موفقيت كامل ا نجام شده است اين نوع موتور توسط مؤسسه ابررساناي آمريكا ²(AMSC) تحت يك قرارداد يا مركز تحقيقات نيروي دريايي آمريكا ساخته شده است كه در مقايسه با موتورهاي متداول و معمولي به مراتب سبك تر و از نظر حجم كوچك تر است و ميتوان آن را در شناورهاي نظامي و غير نظامي به كار گرفت .

مؤسسه ابر رساناي آمريكا قسمت روتور (ROTOR) آن را با سيستم خنك كننده بسيار قوي براي دماي بسيار پايين ساخته و شركت ALSTOM قسمت استاتور و تجهيزات الكترونيكي سيستم رانش درياي را ساخته وآزمايش كارگاهي انجام داده است آزمايش موتور HTS در مركز آزمايش پيشرفته توليد نيرو ³(CAPS) كه بخشي از دانشگاه ايالتي فلوريداست انجام شده كه در آن انواع آزمايش با شبيه سازي و شرايطي كه ممكن است براي يك كشتي در دريا حادث مي شود به عمل آورده كه نتيجه كاملاً رضايت بخش بوده است. قرار است در مركز بررسي هاي مسايل مربوط به عمليات سطحي نيروي دريايي آمريكا در فيلادلفيا آزمايش هاي پيچيده تري نيز انجام شود .

نتيجه بسيار مهمي كه از آزمايش هاي موتور توسط مركز براي نيروي پيشرفته CAPS به دست آمده ، تأييد مدل به خصوص تجزيه وتحليل خواص الكترو مغناطيسي – مكانيكي و الكتريكي موتورهاي برقي ابر رسانا با دماي بالا براي استفاده در سيستم رانش برقي كشتي است كه يك قدم بسيار مهم در چرخه پيشرفت توليد اين نوع موتورها براي شناورهاي نظامي و غير نظامي محسوب مي شوند با اين تأييديه مؤسسه ابررساناي آمريكا قادر خواهد بود موتورهاي با قدرت به مراتب بالاتر طراحي و توليد نمايد . در اين راستا قرار است در سال 2006 ميلادي يك موتور با قدرت 5/36 مگاوات پس از طي آزمايش هاي متعدد كه در آن انواع شرايط دريايي اعمال شده باشد تحويل گردد .

موتورهاي ابررسانا داراي روتور و كوتل پيچيده شده از سيم هاي ابررسانا هستند كه 150 برابر بهتر از سيم هاي مسي به اندازه مشابه كه در موتورهاي معمولي به كار رفته داراي خاصيت هدايت جريان برق هستند اين امر باعث شده است كه موتورهاي ابررسانا داراي حجم و وزن بسيار كم تري در مقايسه با موتورهاي معمولي باشد در مقايسه دو موتور با قدرت مشابه موتور ابررسانا از نظر وزن يك سوم واز نظر حجم نصف يك موتور با سيم هاي مسي معمولي است كه اين كاهش وزن و حجم در كشتي يكي از مزاياي بسيار باارزش است ؛ زيرا شناورها به خصوص شناورهاي نظامي قادر خواهند بود نيازمندي هاي ديگر عملياتي مانند سوخت و يا مهمات وغيره را حمل كنند .

علاوه برآن دستاوردهاي غير نظامي امكان حمل بار و مسافر بيشتري خواهند داشت ، مضافاً بر اين كه مصرف سوخت كم تر و هزينه هاي تعمير و نگهداري شناورها نيز كمتر است .

 

 

 

 

 

دانلود رایگان فایلهای متلب

 

 

 

 

 

فصل ششم

 

نگاهي به فن آوري ذخيره سازي انرژي الكتريكي توسط ميدانهاي مغناطيسي در جهان

 

ذخيره سازي انرژي در يك سيستم قدرت الكتريكي همواره به عنوان روشي براي بهره برداري بهينه از ظرفيت توليد وانتقال شناخته شده است . انرژي الكتريكي را در هنگام پايين بودن ميزان مصرف مي توان ذخيره و در ساعات اوج مصرف (پيك ) براي تامين انرژي مورد نياز، از آن استفاده كرد.

در كشور ژاپن معمولاً اصلاح منحني بار با استفاده از ذخيره سازي انرژي در نيروگاه تلمبه ذخيره اي انجام مي شود كه از بازدهي نسبتاً پاييني در حدود 70% برخوردار مي باشد. همچنين با توجه به تراكم تاسيسات و اماكن مسكوني در طول مسير رودخانه هاي ژاپن و گراني زمين، امكان نصب و بكارگيري بيشتر تجهيزات ذخيره سازي پمپي وجود ندارد. بنابراين ژاپني ها در تلاش براي كشف فن آوريهاي جديدي جهت ذخيره سازي انرژي هستند كه از آن جمله مي توان فن آوريهاي ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها و چرخ طيار را نام برد. كار بر روي پروژه ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در ژاپن از سال 1970 شروع شده و هم اينك نمونه هاي زيادي طراحي و ساخته شده و تحت آزمايش قرار گرفته اند.

مركز بين المللي فن آوري ابررسانايي ژاپن مطالعات امكان سنجي سه ساله اي را بر روي تجهيزات الكتريكي و از جمله ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها از سال 1988 آغاز نمود . اين پروژه تحقيقاتي تحت حمايت آژانس انرژي و منابع طبيعي قرار دارد. در بخشي از اين مطالعات كميته ذخيره سازي انرژي الكتريكي در سال 1989 طرحي پيشنهاد كرد كه در آن از فن آوري ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها همراه با يك سولونوئيد يا يك ميدان چنبري شكل استفاده شده بود.

اين پروژه نيز مانند طرح Super – GM از ابررساناهاي دما بالا برخوردار نگرديد . بنابراين هاديهاي LTS مانند Nb-Ti و Nb₃Sn انتخاب اول بودند. كاركرد ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در مقياس كوچك ، كه اندازه آن براي پايدارسازي سيستم قدرت مناسب است مي تواند بسياري از مسائل تكنيكي ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها قدرت بالا مانند مقدار تلفـــــات AC ، شــــرايط انتقال قدرت و روش هاي خنك كنندگي را مشخص نمايد . نخستين فعاليت ISTEC در زمينه ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها تحت يك پروژه 6 ساله از سال 1991 آغاز گرديد . اين برنامه شامل طراحي ، ساخت و آزمايش يك نمونه ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها كوچك در اندازه 100 kWh/20 MW بود. اين پروژه نيز تحت مسئوليت آژانس انرژي و منابع طبيعي انجام گرفت و شركت توشيبا به عنوان اولين سازنده مگنت در آن شركت داشت . شركتهاي مختلف ديگري نيز در اين پروژه به رهبري شركت chubu حضور داشتند و حمايتهاي مالي اضافي توسط شركت هاي برق Tohoko و Kyushu انجام مي گرفت .

همانطـــور كه در شكل(1) نشان داده شده است طرح موجود براي سيستمي با قدرت100 kWh/20 MW، شامل يك مغناطيس (آهن ربا) چنبري شكل با قطرخارجي تقريباً 12 متر ( قطر كريوستات ) بود يك مدل نيم اندازه توسط شركت توشيبا ساخته شده و اخيراً مورد آزمايش قرار گرفت . در سيم پيچ مورد آزمايش يك هادي كابلـــي Nb –T با شار اجباري استفاده شده و جريان 20 kA را كه جريان نامي براي طرح اصلي است ، از خود عبور ميدهد . آزمايشهاي اوليه در ايالات متحده آمريكا و همچنين در انستيتوي تحقيقات انرژي اتمي ژاپن هدايت و انجام شد. اطلاعات بيشتر در مورد اين برنامه ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در سايت خبري توشيبا موجود است .

 

 

شكل (1-6 ) – طرح سيم پيچ ابررسانائي ISTEC براي SMES با ظرفيت 100kWh

 

يك برنامه ديگر با استفاده از ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها جهت پايداري سيستم قدرت توسط شركت برق كانساي هدايت و انجام شده است . يك سيستم سه سيم پيچه كوچك ( با قدرت 400 kJ براي هر سيم پيچ ) كه در شكل (2) نشان داده شده است ، در شركت برق كانساي ساخته شده و تحت آزمايش قرار گرفت. آزمايش اين وسيله بر روي سيستم قدرت شركت برق كانساي با استفاده از ترانسفورماتور و يك چاپر انجام شد . دو عدد از اين سيم پيچ ها جداگانه توسط صنايع الكتريك سومیتوبو و صنايع سنگين میتسوبیشی با به كارگيري هاديهاي Nb-Ti جداگانه ساخته شدند. سيم پيچ سوم توسط صنايع سنگين میتسوبیشی با استفاده از Nb₃Sn ساخته شد.

اين برنامه همچنين در دانشگاه اوزاكا مورد بررسي قرار گرفت. اين دانشگاه همراه با شركت شركت برق كانساي راجع به اين مساله كه چگونه از ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها مي توان براي كنترل سيستم قدرت و پايداري آن استفاده نمود، تحقيق نموده است .

 

شكل ( 2-6 ) – سيم پيچ سه گانه استوانه اي ساخت شركت شركت برق كانساي ( ظرفيت 400 KJ براي هر سيم پيچ )

 

1-6نگاهي به فن آوري ذخيره سازي انرژي الكتريكي توسط ميدانهاي مغناطيسي در آمريكا

 

مهمترين برنامه ذخيره سازي انرژي در دنيا توسط شركتهاي بابکوک و ویلکاس در ايالات متحده آمريكا انجام شده است . 70% بودجه اين برنامه تقريباً 50 ميليون دلاري توسط صنعت و 30% آن توســــط دولت فــدرال در دارپا تامين مي شود. بابکوک و ویلکاس ، يك طرح اوليه ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها به ظرفيت 500 kWh را بعنوان رزرو گردشي براي شركت برق AML&P خواهد ساخت . شركت برق AML&P بخشي از سيستم الاسکا است كه يكي از ايزوله ترين شبكه هاي موجود در ايالات متحده مي باشد. ناحيه انچورگ كه توسط AML&P تغذيه مي شود ، بيش از نصف بار پيك سيستم Alaskan را كه در زمستان به بيش از 600 MW مي رسد ، تشكيل ميدهد . AML&P به عنوان بخشي از شبكه railbelt ،30% از توليد خودش را براي رزرو گردشي اختصاص مي دهد. قسمتي از اين رزرو توسط تجهيزات هيدروالكتريك در درياچه باردلی تامين مي شود . بعلت وجود محدوديت هاي فيزيكي در درياچه باردلی زمان پخش انرژي توليد شده ، به حدود يك دقيقه يا بيشتر مي رسد كه اين زمان ، براي مقابله با قطع بيشتر باردر هنگام حوادث اضطراري مانند خروج يكي از ژنراتورها (و ديگر حوادث) بسيار طولاني است . اين امر ميتواند منجر به ناپايداري فركانس در شبكه شود .

سيستـــم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها طراحي شده به طور آني حدود 30 MW را در يك دوره زماني 1 دقيقه اي ارسال خواهد كرد، كه اين زمان براي افزايش ظرفيت توليد كافي خواهد بود و از قطع بار در شبكه جلوگيري خواهد كرد.

طبق طراحي انجام شده ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها ، 1800 MJ انرژي را در يك سولنوئيد با قطر تقريبي 7 متر با استفاده از يك هادي Nb-Ti با جنس آلومينيم ثبت شده كه با استفاده از كريوستات خنك مي شود ، ذخيره مي كند.

چندين شركت آمريكايي مشغول ساختن سيستم هاي ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها مقياس كوچك هستند كه تحت عنوان micro-SMES ناميده ميشوند . ازاين روش دردرجه اول براي افزايش كيفيت انرژي توليدي جهت مشتركان خاص استفاده ميشود. اين واحدهاي تقريباً يك مگاواتي با چند مگاژول انرژي ذخيره شده بصورت تجاري توسط شركت Superconducting در Madison و Wisconsin و IGC درنيويورك ساخته ميشوند.

SI IGC سيستم هاي micro-SMES را به عنوان قسمتي از يك برنامه جهت تامين نيروي الكتريكي پيوسته (غير منقطع) براي نيروي هوايي ايالات متحده (USAF) تهيه كرده اند. از اين سيستم ها در درجه اول جهت حفظ ثبات و پايداري ولتاژ در مراكز كنترل خاصU SAF استفاده مي شود.

در حال حاضر كيفيت انرژي به خصوص در ژاپن و آلمان هنوز هم توسط باطريهاي ذخيره كننده و سيستم هاي چرخ طيار تامين مي شود .

در خارج از ايالات متحده فعاليت قابل ملاحظه اي در زمينه micro-SMES تجاري وجود ندارد.

 

2-6تلاش جهت ذخيره سازي انرژي الكتريكي به كمك مغناطيس در آلمان

 

بيشترين تلاش در زمينه ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در آلمان در لابراتوار FZK كارلزروهه انجام ميشود . FZK مشغول ســـــاختن يك ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها 250 كيلو ژول بــــا يك طرح ميدان چنبري شكل است . اين طرح مي تواند يك مشكل عمده در راه بهبود كيفيت انرژي كه در نتيجه راه اندازي هاي فراوان موتورهاي بزرگ بوجود مي آيد را حل كند. آناليزهاي انجام شده نشان مي دهد كه يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها بخاطر پاسخ سريعش براي كاهش مشكل فليكر ايده آل مي باشد . FZK همچنين در لابراتوار DESY در حال تحقيق روي نحوه استفاده از ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها به عنوان يك منبـــع قدرت پالسي براي توليد ضربه هاي 10 GW با پريود 1/0 ميلي ثانيه و فركانس 10 Hz مي باشد.

در كمپاني زيمنس علاقه به كار روي ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها طي چند سال اخير به طراحي و ارزيابي مطالعات (بدون هيچ طرح مستمر براي توسعه يا ساخت) آن محدود شده است . زيمنس ، Preussen Electra REW يك طراحي مفهومي و ارزيابي شده براي يك ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها با قدرت 2 MWh/50 MW كه براي پايدار سازي فركانس سيستم قدرت الكتريكي در نظر گرفته شده است را انجام ميدهند . ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها همچنان مورد نظر و علاقه ميباشد اما مطالعات اقتصادي اخير كه توسط زيمنس انجام شده است نشان مي دهد كه ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در مقايسه با ساير تكنولوژيهاي ذخيره سازي انرژي بسيار گران است .

تصور ميشود استفاده از هادي هاي جريان HTS ( كه هم اكنون يك ماهيت تجاري دارند و مي توان آنها را از تعدادي از سازندگان مانند Hoechest و Asc خريداري كرد ) مي تواند نشت حرارت را در سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها كاهش دهد. استفاده از هاديهاي HTS براي ساختن يك ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها با ميدان قوي و چگالي بالا به عنوان يك طرح مورد تقاضا در آينده مورد مطالعه ميباشد . يك ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها با هاديهاي HTS ، نياز به يك هادي مركب دارد كه توانايي عبور هزاران آمپر جريان را با تلفات a c پايين داشته باشد تا بتواند حرارت را براي سيكل هاي شارژ و دشارژ متعدد حداقل كند. دانشگاه فني Munich نيز در حال حاضر تحقيقاتي بر روي ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها انجام مي دهد و در حال ساخت يك ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها با ظرفيت 1.4MJ با ميدان چنبري شكل است كه در آن از هاديهاي LTS استفاده شده است . در شركت ABB سوييس ذخيره سازي انرژي به عنوان يك مساله مهم مورد رسيدگي است . اين مساله قبلاً نيز با جديت پيگيري شده است و يك ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها با هادي LTS نيز براي ارزيابي تجربي ساخته شده است.

در زمان ديدار از WTEC يك ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها اصلي با هاديهاي LTS كه براي راه آهن سويس توسعه داده ميشد خاتمه يافته بودكه منجر به تحقق يك روش اقتصادي ديگر شد.ABB هيچ طرحي براي ذخيره سازي SC نداشت ولي طرحي را براي ادامه ارزيابي اين تكنولوژي ارائه داد.

 

3-6ابرشاره ي ابررسانا

تحت ِ فشار و دماي بالا به نظر مي رسه که  هيدروژن ابررسانا  ميشه. يعني الکتريسيته را بدون مقاومت عبور مي ده. اما ممکنه که «همزمان» مايعي بشه که بدون ِ اصطکاک جاري ميشه (يعني ميشه ابرشاره).  اين حالت معجون ِ جديد در ژوئن امسال (۲۰۰۵) و ۲۳ سپتامبر امسال (۱۰ روز پيش) با شبيه سازي کامپيوتري پيش بيني شد.تحت فشار بالا (در حد ميليون اتمسفر)؛ مثل شرايط داخل سياره ي مشتري؛ هيدروژن تبديل به فلز ِ مايع مي شه و اگه دماي کمي بالاي صفر مطلق باشه اين مايع ِ فلزي تبديل به ابررسانا مي شه. علاوه بر ابررسانايي ِ الکتروني؛ در حول و حوش دماي صفر حالت ِ ابررسانايي پروتوني هم مي تونه بيرون بزنه. حالتهاي الکتروني و پروتوني ممکنه دست بدست ِ هم بـِدن و ابررسانا يي رو بسازن که در اون الکترون و پروتون به نوعي حرکت مي کنن که حرکت ِ بي اصطکاک ِ جرمها رو بوجود بياد و هيچ بار الکتريکي هم حرکت نکنه.

آسل ِ سودبو  از دانشگاه علم و صنعت ِ ترُندهيم  در نروژ با همکاري دو فيزيک پيشه ي دانشگاه کورنل اخيرا ويژگي هاي جديدي از اين «حالت ِ ابرشاره ي ابررسانا» و همچنين دو حالت ِ «ابررساناي نا-ابرشاره» و «حالت ِ ابرشاره ي نا-ابررسانا» را پيش بيني کرد. آنها با شبيه سازي تشخيص دادند که همه ي اين ۳ حالت ِ هليوم همزمان با هم تشکيل مي شود که جدايي ِ اين حالتها با دما و ميدان مغناطيسي خارجي هستند.

يک ميدان مغناطيسي مي تواند ابررساناها را به حالت ِ پنير ِ سوئيسي ببرد  که در آن حالت اين ميدان مغناطيسي خارجي به داخل ِ لوله هايي از ماده ي نا-ابررسانا نفوذ مي کند. اين تيوبهاي نا-ابررسانا را خطهاي گردابي مي نامند. دور ِ اين خطها الکترونها مي چرخند.

در هليم مايعي که ابررساناي ابرشاره است؛ در دماهاي پائين؛ خطهاي گردابي ِ الکترون و پروتون با هم برخورد مي کنند و يک شبکه ي ثابت تشکيل مي دهند.

وقتي هيدروژن رو گرم مي کنين بسته به قدرت ِ ميدان مغناطيسي دو چيز رخ ميده. در ميدان مغناطيسي ضعيف با گرم کردن گردابه هاي پروتوني از گردابه هاي الکتروني جدا ميشن. اين جدايي باعث ميشه که ابررسانايي خراب بشه و فقط ابرشارگي بمونه. اگر دما بسشتر بشه دو نوع خط ِ گردابي در هم مي پيچن اما ديگه اين گردابه هاي مرکب روي شبکه ي ثابت ديگه نمي مونن و آزادانه حرکت مي کنن که بهش ميگن «مايع ِ گردابه».

در اين حالت ديگه ماده بررسانا نيست چون جريان ِ الکتريکي تيوبهاي شار مغناطيسي رو حرکت ميدن که باعث ميشه انرژي صرف بشه. مثل اينکه مقاومتي درون ماده بوجود بياد. اما هنوز ماده ابرشاره هست.

ديويد سيپرلي از دانشگاه ايلينويز گفت: «اين فاز ِ ابرشاره ي ابررسانا ميتونه خيلي جالب باشه» اما  شک دارم تو آزمايشگاه بشه حقيقتا ديدش. سوال اصلي اينه که آيا هيدروژن تو اون دما يخ ميزنه يا مايع باقي   مي مونه. محاسبات ِ کامپيوتري ديويد ميگه که يخ مي زنه و اون مايع ِ گردابي و … رخ نمي ده.

برنامه Super-GM ژاپني ها براي توسعه ژنراتورهاي SC باعث شد كه در تمام دنيا فعاليتي جهت تجارتي و بازرگاني كردن تكنولوژي ابررسانا براي كاربردهاي عملي در سيستم قدرت انجام شود. اين نتيجه با در نظر گرفتن دوره انجام اين برنامه ، كل پول سرمايه گذاري شده توسط صنايع ودولت ژاپن ، و تعداد افرادي كه مشمول آن مي شوند، حاصل شده است . با اين حال آينده اين برنامه بستگي به موفقيت كامل آزمايشات برنامه ريزي شده اي دارد كه از سال 1998 بر روي ژنراتورهاي با سه روتور انجام مي شود. برنامه ساخت يك ماشين نمونه 200 MW ، همچنين بستگي زياد به توسعه وضعيت بازار تقاضاي اين ژنراتور دارد. عدم افزايش تقاضا مشابه با عدم موفقيت در آزمايشات ژنراتور مي باشد كه در نتيجه ، صنايع ژاپني خودشان را براي پرداخت هزينه جهت پيشبرد اين برنامه گرفتار نخواهند كرد . علاقه به استفاده از هاديهاي HTS در اين برنامه بستگي به پيشرفت در ويژگيهاي انتقال بيشتر در ميدان هاي بزرگتر دارد.

برنامه هاي در حال انجام V.S.Doe spi در توسعه يك موتور سنكرون HTS از برنامه هاي      بي نظير در حال انجام است. برنامه رزرو گردشي AML&P&w بزرگترين برنامه ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در دنياست و يك عملكرد مطلوب و راه حل اقتصادي براي مشكل صنعت برق ارائه مي دهد.

 

 

دانلود رایگان فایلهای متلب

 

 

 

 

 

فصل هفتم

كاربرد ذخيره سازي مغناطيسي ابررسانا درافزايش بارگيري از شبكه انتقال انرژي

 

در اين تحقيق ذخيره سازي ابررسانا (SMES ) جهت بهبود پايداري گذرا و هم چنين افزايش ميرايي شبكه انتقال انرژي پيشنهاد شده است .روش ارائه شده، ظرفيت انتقال توان خطوط انتقال را كه معمولاً محدود به انديس پايداري و به خصوص پايداري گذرا است ، افزايش مي دهد . در اين مقاله ، مدل سازي و كنترل فازي واحد ذخيره سازي مغناطيسي ابررسانا (SMES ) جهت كنترل پايداري گذرا ارائه گرديده است . ديناميك ماشين ، سيستم تحريك و گاورنر به كمك مدل مرتبه هشتم مدل سازي شده است . شبيه سازي عددي بر روي يك خط انتقال كه توان توليدي يك ماشين را به بقيه شبكه منتقل مي كند ، اجرا گرديده كه به وضوح بهبود پايداري گذرا و هم چنين افزايش ظرفيت انتقال توان خط براي شبكه مورد آزمايش را نشان مي دهد .

واژه كليدي : ابررسانا – مغناطيس – انرژي – انتقال .

در سال هاي اخير ، سهم عمده اي از تحقيق در زمينه طراحي و بهره برداري از سيستم هاي قدرت بر روي بهبود ظرفيت انتقال توان در خطوط الكتريكي متمركز بوده است . در عمل ، جهت اطمينان از وجود حاشيه پايداري كافي ، شبكه هاي الكتريكي درظرفيت هاي نسبتاً پايين مورد بهره برداري قرار مي گيرند } 5 { . عملاً در بسياري از موارد حداكثر بارگيري از خطوط انتقال به وسيله پايداري گذرا و ميزان ميرايي سيستم محدود مي شود . محدوديت پايداري گذراي انتقال توان معمولاً براي خطوط بلند بسيار پايين تر از حد حرارتي آن هاست . سيستم ذخيره سازي مغناطيسي ابررسانا به همراه يك روش كنترل مناسب داراي پتانسيل بالا و مؤثري جهت بهبود حد پايداري گذراي شبكه انتقال و افزايش ميرايي سيستم است . استفاده عملي از چنين پتانسيلي اجازه مي دهد كه ازشبكه موجود با ظرفيت بالاتري استفاده شده و حدود انتقال توان خطوط رابه حدود حرارتي آن ها نزديك كنند ، اين كاربرد باعث جلوگيري از ساخت خطوط انتقال جديد مي شود كه مزاياي زياد اقتصادي و زيست محيطي را در بردارد . در اين مطالعه ، كنترل توان هاي اكتيو و راكتيو ذخيره سازي مغناطيسي ابررسانا جهت كنترل پايداري گذرا استفاده شده است . واحد ذخيره سازي مغناطيسي ابررسانا دردوره كوتاه گذرايي كه به دنبال يك اغتشاش ناخواسته پيش مي آيد عمل كرده و هيچ گونه اثري برروي كار عادي سيستم قدرت ندارد .

 

1-7 تاريخچه سيستم هاي ذخيره سازي مغناطيسي ابررسانا

 

يكي ازاولين مقالات در مورد ذخيره سازي مغناطيسي ابررسانا به وسيله فريبردر مورد یک بوبین ذخيره انرژي روزانه يا ظرفيت بالا براي فرانسه بوده است } 2‍‍{. مطالعه برروي ذخيره سازي ابررسانا در آمريكا ، براي اولين بار در دانشگاه ويسكانسين در سال 1971 شروع شد .دراين مطالعه تأثيرات متقابل بين يك واحد واحد ذخيره انرژي و يك سيستم برق رساني كه از طريق يك پل چند فازه به يكديگر متصل بودند بررسي شد . اين مطالعه شامل ارزيابي اثرات پايدارسازي واحد ذخيره سازي در شبكه مورد مطالعه نيز بود ، در سال 1972 كميسيون انرژي اتمی امريكا از لابراتور علمي لوس آلاموس خواست تا اقتصادي بودن ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا رابه عنوان يك تكنولوژي كاربردي مورد مطالعه قرار دهد . دو محور كاري در اران مطالعه مدنظر بود . اولين محور تعيين ارزش نسبي ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا بايستي در آن كار نمايد . نتيجه مطالعه ، ارزان بودن اين تكنولوژي از نظر هزينه ، پر بازده بودن ، قابل اعتماد بودن ، به سادگي قابل نصب بودن و هم چنين قابل بودن از نظر زيست محيطي بود . تحقيقات در زمينه سايركاربردهاي ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا ، همچون پايداري سيستم قدرت ، عملاً در سال 1976 با همكاري گروه لوس آلاموس وBPA شروع شد . اين همكاري جهت استفاده از يك واحد كوچك وسريع ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا براي كمك به پايدار سازي توان انتقال از شمال غربي پاسفيك به كاليفرنياي جنوبي بود . اين نمونه از ذخيره ساز ابررسانا اولين نمونه ساخته شده است . اين واحد به مدت حدود يك سال (84-1983 ) مورد بهره برداري قرار گرفت . در سال 1980 يك طراحي نقطه مرجع براي ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا با ظرفیتGWH 1 به وسیله لابراتور ملی لوس الاموس انجام شد.نتیجه این طراحی این بود که ذخیره ساز مغناطیسی ابررسانا با اندازه 1تا 5 مگاوات ساعت از نظراقتصادي قابل توجيه هستند . از سال 1981 موسسه EPRI ارزيابي مربوط به ذخيره سازهاي مغناطيسي ابررسانا را شروع كرد ، در سال 1986 اين موسسه پيشنهاد ساخت يك مدل آزمايشي مهندسي را با ظرفيت MWH 10 و با قطري حدود 100 متر را مطرح را مطرح نمود .} 2{ . در سال 1987 ابتكار دفاع استراتژيك پنتاگون آمريكا يك برنامه دو مرحله اي را براي طراحي و ساخت يك مدل تست مهندسي ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا شروع كرد . ساخت چنين ذخيره سازي جهت استفاده در جنگ افزارهاي استراتژيك كنترل شده از زمين همچون ليزر الكترون آزاد مورد علاقه SDI بود ، به دليل علاقه صنعت برق به اين ذخيره سازها ، موسسه EPRI كه موسسه تحقيقاتي شركت هاي برق آمريكايي است در برنامه توسعه ETM-SMES با SDI شركت كرد ، در اوايل سال 1987 پيشنهادهاي زيادي جهت استفاده از ابررساناهاي با دماي بحراني بالا در ذخيره سازهاي مغناطيسي ابررسانا ارائه شد . دماي بحراني اين بررساناهاي با دماي بحراني بالا در ذخيره سازهاي مغناطيسي ابررسانا ارائه شد . دماي بحراني اين ابررسانا ها K77 است واستفاده از آن ها هزينه سرمايه گذاري ذخيره سازهاي مغناطيسي ابررساناهای با دمای بحرانی بالا در ذخیره سازهای مغناطیس ابررسانا ارائه شد.دمای بحرانی این ابررسانا K 77 است و استفاده از آن ها هزينه سرمايه گذاري ذخيره سازهاي مغناطيسي ابررسانا را 8% كاهش داده و راندامان آن ها را 2% افزايش مي دهد }2{ . در سال 1988 شركت SI ) Superconductity Incoroporated ) جهت توسعه كاربردهاي ذخيره سازهاي مغناطيسي ابررساناي تجاري بنيان گذاشته شد } 8و7 { .

 

2-7 ملاحظات مدل سازي

الف – معادلات سيستم قدرت

دراين مطالعه ، براي بيان ديناميك سيستم قدرت از يك مدل تفصيلي استفاده شده است .مدل ماشين سنكرون به سيستم تحريك از نوعDC1 و يك مدل ساده گاورنر تجهيز شده است . معادلات ديناميكي در روابط (1) تا (8) ارائه شده اند } SA-97 { .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

كه مقادير i_di وiqi وViو p_ei عبارتند از :

 

فهرست نمادهاي به كاررفته در مرجع }4{ آورده شده است .

ب – ساختمان و مدل ذخيره سازي مغناطيسي ابررسانا (SMES )

ساختمان يك واحد ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا در شكل 1 نشان داده شده است .در اين شكل بويين ابررساناي L از طريق دومبدل CONV1 و CONV2 و هم چنين ترانسفورماتورهاي T1 و T2 به سيستم انتقال متصل شده است . زواياي آتش a₁ و a₂ هر دو مبدل بوسيله يك كنترل كننده لحظه اي )P-Q P-Q Simultaneous Controller ) به گونه اي تعيين مي شوند تا مقادير مورد درخواست توان اكتيو و راكتيو تأمين شود ، در حالت چرخه آزاد كنترل كننده     لحظه اي P-Q مقدار جريان بويين ابررسانا راجهت هر گونه تبادل انرژي در شكل مورد نياز ، تنظيم مي كند . تريستورهاي bypass يك مسير جانبي براي جريان بويين ابررسانا (I_d  ) فراهم آورد تا در صورت بروز هر گونه اشكال در مبدلها ، امكان عبور جريان بويين ابررسانا از آن مسير وجود داشته باشد ، كليد dc اجازه مي دهد تا در صورت بروز اشكال در سيستم مبدل ها و هم چنين سيستم سرمازايي ، جريان بويين ابررسانا از دور مقاومت ميراكننده عبور نمايد . مقادير موردنياز توان اكتيو و راكتيو((t) Q_{I ،} (t) P_I )به وسيله كنترل كننده فازي پيشنهاد شده در اين فصل به صورت لحظه اي تعيين مي شود ، بعضي از اجزاء مهم ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا عبارتند از :

بويين ابررسانا : قلب يك سيستم ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا ، بويين ابررساناي آن است . ابعاد بويين بوسيله ظرفيت ذخيره انرژي آن مشخص مي شود .هادي ابررسانا از نوع Ti –Nb و تركيب مس پايدار شده به وسيله آلومينيم بسيار خالص است . ميزان Tiدر آلیازTi –Nb برابر%6/45 است كه بعضي اوقات جهت افزايش چگالي جريان ، ميزان آن را تا %50 الي %55 افزايش مي دهند ، ميزان چگالي جريان بحراني كه براي محاسبات هزينه در نظر گرفته مي شود برابرmm² /A7000 دردماي K 8/1 و ميدان T 5 است . معمولاً يك هادي ابررسانا در% 90 جريان بحراني مورد استفاده قرار مي گيرد ‌}2{ .

مبدل : كنترل توان اكتيو در ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا به مبدل تغذيه اي نياز دارد كه در حالت هاي اينورتري و همچنين ركتيفايري عمل كند . علاوه بر اين كنترل توان راكتيو نيازمند به توليد توان هاي راكتيو خازني و همچنين اندوكتانسي است . لازم به ذكر است كه مشخصه توان معمولاً به وسيله ظرفيت مبدل تغذيه تعيين مي شود . توان ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا اساسي ترين نقش را در كنترل پايدار گذار از ميان سايرمشخصات آن بر عهده دارد . دليل اين اهميت در آن است كه در كنترل پايداري گذار ، لازم است حجم زيادي از انرژي در فاصله هاي بسياركوتاه در حد چند صدم ثانيه به شبكه تحويل و يا از آن دريافت شود . اين عمل نوعاً در مدت زمان حالت گذاري پس از رخ داد يك خطا يا اعتشاش در شبكه ادامه مي يابد . حالت گذرا معمولاً بين چند دهم ثانيه تا چند ثانيه به طول مي انجامد . ‌} 4{ . ميانگين مجموعه جذب ها و دريافت هاي انرژي در اين فاصله نوعاً بسيار پايين بوده و همين مقدار هم پس از پايان يافتن حالت گذرا مي تواند به تدريج با شبكه تبادل گردد . مهمترين عامل محدود كننده توان در واحدهاي ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا مبدل تغذيه آن ها است .

سيستم سرما سازي : در اغلب سيستم هاي پيشنهادي براي ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا ، بويين ابررسانا در درجه حرارت K 8/1 در حمام هليوم كار مي كند . انتخاب درجه حرارت هاي زيرK2/4 بدين دليل است كه چگالي جريان ابررسانا در درجه حرارت هاي پايين بيشتر ازدرجه حرارت هاي بالاست . انتخاب درجه حرارت K 8/1 در فشار اتمسفربه دليل حداكثربودن انتقال و هدايت حرارتي He II در اين درجه حرارت هاست . }2{ .

 

 

 

 

 

 

در اين مطالعه واحد ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا به وسيله ادميتانس متغير(t) JB_SMES +(t )G_SMES =(Y_SMES (t به صورت زيرمبدل مي شود .

(t) JB_SMES +(t )G_SMES =(Y_SMES (t (15 )

كه درآن (t ) G_SMES و ) t )B_SMES به ترتيب رسانايي (Conductance ) و سوسپتانس (Suceptance ) متناظربا توان هاي اكتيوو راكتيو هستند . جهت سادگي در محاسبات معادله فوق را مي توان به صورت زيرمرتب كرد.

 

 

كه   _ZIh     يك مقدارامپدانس معادل تونن شبكه در باس مربوط به واحد ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا است . مقادير (t) U_P و(t )U_Q به ترتيب توابع كنترل مربوط به توان هاي اكتيو و راكتيو ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا هستند . اين توابع به وسيله حد دايره اي (circular limit ) به صورت زيرمحدود مي شوند :

كه در آنMAX به مقدار جريان مستقيم ذخيره شده در بويين ابررسانا در قبل از وقوع حالت گذرا بستگي دارد . معادله ادميتانس گره هاي سيستم قدرت پس از حذف گره هاي مربوط به ترمينال هاي ژنراتورها و گره هاي بار به صو رت زير است :

 

 

كه درآن } G { و K به ترتيب نشان دهنده گره هاي فرضي دروني ژنراتورها و گره مربوط به ذخيره سازمغناطیسی ابررسانا ، معادله زير به دست مي آيد :

 

مقادير Gij و Bij در معادلات (9) و (10) مستقيماً از عناصر Y _Gدر رابطه فوق به دست مي آيند .

اثرات كنترل توان اكتيو و راكتيو ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا

شكل 2 خط انتقال با امپدانس Z_B +Z_A را نشان مي دهد كه يك واحد ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا در يك نقطه مياني از آن نصب شده است . توان انتقالي خط را مي توان به صورت زير بيان كرد } 3 {  :

كه درآن E_A وE_B اندازه هاي ولتاژ ترمينال هاي خط و ø زاويه توان بين اين ترمينال هاست . شكل 3 نشان مي دهد كه چگونه مشخصه توان – زاويه خط انتقال فوق الذكر با تغييرات U_P وقتي كه O=    U _Qاست تغيير مي كند . همين مشخصه براي وضعيتي كه U _{Q تغییر} میکند و U_P=0 است   درشکل 4نشان داده شده است .از شکل 3میتوان دید که تغییرات تابع کنترل U_P باعث شیفت دادن توان دادن مشخصه توان زاویه در هر دو جهت افقي و عمودي مي شود . بيشترين تأثيراين تابع كنترل بر روي زاويه توان هاي كوچك و متوسط متمركز است . شكل 4 نشان مي دهد كه تابع كنترل U _Q اندازه مشخصه اي توان – زاويه را تغيير مي دهد و بيشترين اثرآن بر روي زاويه توان هاي بزرگ متمركز است . به عنوان يك نتيجه مي توان گفت در زوايه توان هاي كوچك ، بيشترين ميرايي با كنترل مناسب U_P به دست مي آيد . هم چنين در زوايه توان هاي بزرگ بيشترين ميرايي با كنترل مناسب U _Q به دست مي آيد .

وضعيت هايي كه زاويه توان خط انتقال بزرگتر از وضعيت هايي كه زاويه توان خط انتقال بزرگتر از نقطه تعادل پايدار خود است ، نتيجه مي دهد كه لازم است انتقال توان خط را افزايش دهيم . اين بدان علت است كه ماشين هاي متصل شده به شبكه از طريق اين خط انتقال در مرحله در حين خطا شتاب گرفته اند . در قابل وضعيت هايي كه زاويه توان خط از مقدار تعادل پايدار خود كمتر هستند ، لازم است كه انتقال توان خط كاسته شود بدين ترتيب سعی مي شود كه با كنترل شتاب منفي و مثبت ، سرعت زاويه اي در اطراف نقطه تعادل حداقل گردد. وضعيتي كه زاويه توان بزرگتر از نقطه تعادل و مشتق آن منفي وهم چنين وضعيتي كه زاويه توان كوچكتر از نقطه تعادل و مشتق آن مثبت است ، احتياجي به نيروي كنترل كننده وجود ندارد .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3-7 طراحي كنترل كننده فازي

بر اساس نتايج بخش گذشته ، اين بخش به تعيين ورودي ها ، توابع عضويت و قوانين تصميم گيري مربوط به كنترل كننده پيشنهادي مي پردازد . ورودي هاي كنترل كننده عبارتند از زاويه توان خط انتقال (∂) و نرخ تغييرات آن (∞) كه ما آنرا در اينجا سرعت زاويه اي مي ناميم . انتخاب زاويه توان خط جهت ورودي كنترل كننده بر اساس نتايج به دست آمده از شكل هاي 3 و4 است نرخ تغييرات زاويه توان ، حاوي اطلاعات مفيدي درباره مسير حركت سيستم وجهت آن است و در انجام تصميم گيري ها در كنترل كننده سودمند است .

توابع عضويت فازي ورودي هاي كنترل كننده در شكل هاي 5و6 نشان داده شده اند . د ر تابع عضويت زاويه توان ، فاصله        ] Y₁   Y₂ [ ناحيه اي است كه شامل مقدار حالت دائم زاويه توان خط مي شود . در اين تابع عضويت ، متغير زاويه توان به شش مقدار زباني تقسيم مي شود . اين مقادير عبارتند از : منفي (N) ، كوچك (S) ، تعادل(EQ) ، متوسط (M)، بزرگ( (Lو ناپايدار (U) . در اين مطالعه به كمك تكرار شبيه سازي مختلف ، تحقيق شده است كه اين تعداد تقسيم بندي جهت بيان حالات گذاري سيستم قدرت كافي هستند .

متغيير سرعت زاويه اي به مقادير زباني منفي (N)، صفر (Z) و مثبت (P) تقسيم مي شود تابع عضويت خروجي هاي U_P و U_Q شامل مقادير منفي بزرگ (NL) ، منفي كوچك (NS) ، صفر(ZE) ، مثبت كوچك (PS) و مثبت بزرگ (PL) مي شود .

مرزهاي اين قسمت ها متناسب با شعاع محدوديت دايره اي واحد ذخيره ساز مغناطيسي ابر رسانا در مرجع ]9[. توضيح داده شده است جدول 1 نشان دهنده قوانين كنترل كننده فازي در قالب جدول تصميم گيري هستند .

جهت فازي زدايي مقادير خروجي از روش فازي زدايي مركز ثقل يا سنترويد استفاده شده است .

 

دانلود رایگان فایلهای متلب

 

4-7 نتايج شبيه سازي عددي يك خط انتقال

در مطالعه ارائه شده در اين زير بخش يك واحد ذخيره ساز مغناطيسي ابر رسانا با ظرفيت MJ 30 جهت بهبود پايداري گذار و هم چنين افزايش ميرايي سيستم در نوسانات پس از اغتشاش ، استفاده شده است . اين واحد ذخيره ساز مغناطيسي ابر رسانا قادر است . MJ 10 انرژي را با فركانسي معادل HZ35/0 جذب و تحويل نمايد . سيستم قدرت مورد مطالعه در اين زير بخش يك خط انتقال طولاني است كه توان توليدي يك واحد ژنراتوري را به بقيه سيستم منتقل مي كند . واحد ژنراتوري و سيستمهاي تحريك و گاورنر آن بر اساس معادلات ديناميكي 1 تا 8 مدل شده است مقادير پارامترهاي واحد ذخيره ساز مغناطيسي ابررسانا، كنترل كننده و مدل ديناميكي سيستم مورد مطالعه در ضميمه آورده شده است . جهت نشان دادن اثر كنترل كننده ، خطاهاي سه فاز بر روي باس ارسال خط انتقال در نظر گرفته شده اند. زمان هاي بحراني رفع خطا براي سيستم هاي كنترل نشده و كنترل شده به ترتيب برابر با 294/0 و 373/0 ثانيه هستند . لازم به ذكر است كه زمان هاي رفع خطا در مطالعه صورت گرفته همان زمانهاي بحراني هستند جدول 1 قوانين فازي كنترل كننده طرح شده را در قالب يك جدول تصميم گيري نشان مي دهد شكل 7 حالت گذاري توان اكتيو خط انتقال را براي هر دو حال كنترل شده و كنترل نشده نشان مي دهد .شكل 8 اثر خطاهايي را كه به مدت 294/0و 373/0 ثانبه ادامه داشته اند را بر روي منحني سرعت زاويه اي – زاويه توان ژنراتور نشان مي دهد همانگونه كه در شكل مشهود است نوسانات زاويه توان سريعاً ميرا شده اند . به علاوه كنترل كننده نصب شده زماني بحراني رفع خطا را از 294/0 ثانيه به 373/0 ثانيه افزايش داده است . اين بدان معني است كه اثر كنترل كننده فوق را در دوجهت مهم يعني بهبود پايداري گذرا در اولين نوسان و هم چنين بهبود پاسخ ديناميكي سيستم در ميرا كردن نوسانات پس از اغتشاش مي توان مورد ملاحظه قرار داد .

 

 

شکل7-7

 

 

4-7   افزايش بارگير از خط انتقال (Line Loadability Improvement)

در اين قسمت مطالعه صورت گرفته شده در بخش قبل براي بارگيري هاي مختلف از خط انتقال تكرار شده است ، تا اثر كنترل كننده طرح شده بر روي افزايش بارگيري از خط انتقال مشخص شود. لازم به توضيح است كه در خطوط انتقال بلند ، انتقال توان محدود به حدود پايداري و به خصوص پايداري گذار مي شود كه معمولاً فاصله زيادي تا حد حرارتي آنها دارد ، انتقال توان عادي خط تحت كنترل در بخش قبل برابر pu58/0 است . جهت مطالعه تأثير كنترل كننده طرح شده بر روي افزايش بارگيري از خط انتقال، بار اين خط از مقدار pu32/0 تا pu 9/0 تغيير داده شده است و براي هر ميزان از بارگيري ، زمان بحراني رفع خطا تعيين شده است . نتايج حاصل به صورت دو منحني براي هر دو سيستم كنترل شده و كنترل شده در شكل 9 نشان داده شده است ، در اين شكل ظرفيت انتقال توان حالت كار دائم خط انتقال بر حسب زمان بحراني رفع خطا در نظر گرفته شده است . همانگونه كه از اين شكل مشاهده می شود با استفاده از كنترل فازي ذخيره ساز مغناطيسي ابر رسانا، مي توان در سطح بالاتري از خط انتقال بهره برداري نمود بدون آنكه انديس پايداري شبكه كاهش يابد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5-7 نتيجه گيري

در اين تحقيق كنترل فازي ذخيره ساز مغناطيسي ابر رسانا مورد مطالعه قرار گرفت ونشان داده شد كه روش پيشنهادي مي تواند پايداري گذاري سيستم هاي قدرت وهم چنين ميزان نوسانات به وجود آمده در اثر اغتشاشات بزرگ را به صورت قابل ملاحظه اي بهبود بخشيد واحد ذخيره ساز مغناطيسي ابر رسانا در اين مطالعه در يك نقطه مياني در خط انتقال نصب مي شود .

روش ارائه شده همچنين مي تواند ظرفيت انتقال توان خطوط بلند را كه معمولاً محدود به انديس پايداري و به خصوص پايداري گذار است بهبود بخشد . در شبيه سازي انجام شده بر روي يك خط انتقال نمونه ، ظرفيت انتقال توان به ميزان قابل ملاحظه اي افزايش يافته است . به عنوان مثال با فرض 2/0 ثانيه به عنوان زمان بحراني رفع خطاي سيستم ، شبيه سازي فوق امكان افزايش 34/35% توان در خطا مورد مطالعه را نشان مي دهد .

 

 

 

فصل هشتم

 

ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها (SMES) و كاربرد آنها براي تعديل منحني پيك‌بار و پايداري شبكه در سيستم‌هاي قدرت

 

استفاده از سيستم‌هاي ذخيره‌كننده مغناطيسي انرژي نيرومند در شبكه قدرت از اهميت خاصي برخوردار است. با توجه به قابليت ذخيره‌سازي بسيار زياد انرژي سيم‌پيچهاي ابررسانا در ميدان اطراف خود و امكان تحمل جريانهاي بالا به علت مقاومت تقريباً صفر آنها و همچنين پيشرفتهاي شايان توجه اخير در ساخت سيستم‌هاي ابررساناي دماي پايين و دماي بالا، اميد تازه‌اي در استفاده از آنها در شبكه‌هاي قدرت به منظورهاي گوناگون پيدا شده است.

با يك بررسي اجمالي مي‌توان ديد كه عدم وجود يك سيستم ذخيره‌كننده انرژي هنگام ناپايداري شبكه قدرت و در نتيجه قطعي برق آن تا چه حد مي‌تواند هزينه‌بردار و مخرب باشد به عنوان مثال هزينه هر بار قطع شدن برق در يك كارخانه اتومبيل‌سازي ماهانه 000/250 دلار بوده و اين ضرر تا زماني كه تعميرات كلي در سطح كارخانه صورت نگيرد ادامه خواهد داشت. ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررسانا داراي مزايايي چون: تعديل منحني پيك‌بار، حفاظت از ژنراتورها و نگهداري و پايداري شبكه در هنگام وقوع خطا در نقاط مختلف شبكه، استفاده به عنوان سيستم برق اضطراري با توان بالا، تثبيت ولتاژ و فركانس در شبكه و غيره است كه باعث شده تا كار تحقيقات بر روي سيستم‌هاي ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها با شدت و سرعت بيشتري توسط كشورهاي پيشرفته و شركتهاي بزرگ توليد و انتقال برق در دنيا دنبال شود.

در اين مقاله ضمن بررسي موارد بالا، تاثير ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در يك شبكه قدرت بررسي شده و همچنين اين سيستم با سيستم‌هاي ذخيره‌كننده انرژي ديگر مقايسه مي‌شود. همچنين سيستم‌هاي ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها از نظر اقتصادي مورد مطالعه و بررسي قرار خواهد گرفت.

اصولاً يك سيستم قدرت در ساعات مختلف شبانه‌روز داراي مصارف مختلفي است،‌بنابراين ميزان توليد انرژي بايد متناسب با نياز مصرف‌كننده تغيير كند. همچنين در يك شبكه وسيع، مشكل تثبيت ولتاژ، تاثيرات هارمونيكها، نامتعادل شدن ناگهاني شبكه در هنگام بروز خطا و در نتيجه از كارافتادن ژنراتورها و در نهايت از سرويس خارج شدن كل شبكه وجود دارد. براي رفع اين مشكل تاكنون راه‌حلهاي گوناگوني ارايه شده كه به همراه مزايا و معايب سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در مقايسه با سيستم‌هاي معرفي شده ديگر در قسمتهاي بعد آورده مي‌شود.

با توجه به اينكه عيوب فوق‌الذكر تاثيرات بسيار نامطلوبي بر ژنراتور نيروگاهها و تاسيسات شبكه داشته و بسيار پرهزينه و مضرند، يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها قوي با طراحي صحيح و جايگذاري دقيق در شبكه مي‌تواند به طور موثر باعث كاهش هزينه جاري و تعمير و نگهداري كل شبكه شود.

كشورهايي چون كانادا، ژاپن، سوئيس و آمريكا به طور وسيعي بر روي ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها كار مي‌كنند و تاكنون بيش از 20 نمونه از اين سيستم با قابليتها و ظرفيتهاي مختلف ساخته‌اند.

در ابتدا معرفي مختصري از سيتم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها خواهد شد و سپس نقش و تاثيرات عملي آن در يك شبكه قدرت نمونه آورده مي‌شود.

1-8 چگونگي ساختار يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها

 

جزء اصلي يا هسته اساسي يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها ، سيستم ابررسانايي آن است. شماي ساده يك مخزن حاوي سيم‌پيچ ابررسانا در شكل (1) به نمايش درآمده است.به طور كلي تاكنون دو نوع ابررسانا ساخته شده است. نوع اول ابررساناهاي دماي پايين‌اند كه هادي ابررسانا معمولاً يك فلز خالص مانند مس يا آلومينيوم بوده و دماي كار آن در حدود 2/4 K است. با وجود مقاومت در حد صفر سيم ابررسانا، ميزان تحمل جريان ميدان مغناطيسي در سيم با داشتن يك سيستم تبريد خوب، بالاست،‌به حدي كه فن‌آوري جديد، جريانهايي در حدود صدها هزار آمپر را در سطح مقطعهاي در حدود سانتي‌متر مطرح مي‌كند. براي رسيدن به چنين دماي پاييني، محققان تاكنون چندين روش پيشنهاد كرده و وسايل و سردكننده‌هاي متنوعي ساخته‌اند. در خنك كردن ابررسانا از هليم مايع استفاده مي‌شود كه اين هليم توسط لوله مخصوصي كه چند جداره بوده و داراي ديواره خلا است به يك يخچال سيكل بسته فرستاده مي‌شود. روش ديگر، مايع كردن گاز تبخير شده از مخزن هليم حاوي سيم‌پيچهاي ابررساناست. براي جلوگيري از انتقال گرما از بيرون به مخزن دروني، از دو يا چند لايه خلا استفاده مي‌شود. به جاي دو يا چند لايه خلا مي‌توان از يك لايه نيتروژن مايع نيز استفاده كرد.

اخيراً محققان از مواد ابر عايق نيز در اين مورد بهره جسته‌اند.

سيم‌پيچ ذكر شده فوق داراي امپدانس بسيار زيادي بوده و مانند يك منبع جريان DC عمل مي‌كند. نكته قابل توجه اين است كه جهت جريان هيچ‌گاه در سيم‌پيچ ابررسانا عوض نمي‌شود بلكه در هنگام دشارژ سيم‌پيچ، ولتاژ دو سر آن معكوس مي‌شود بنابراين سيستم ابررسانا در واقع يك واحد DC است كه بيشتر كاربردها با يك سيستم AC تركيب مي‌شود. معمولاً اين تركيب توسط يك كانورتور دو طرفه AC بهDC و DC به AC امكانپذير است كه مي‌تواند براي شارژ و دشارژ سيم‌پيچ ابررسانا و همچنين تنظيم و كنترل توان ارسالي يا دريافتي به كار برده شود. به عبارت ديگر اين كانورتور بايد قادر باشد كه ولتاژ و جريان DC متغير را از سيم‌پيچ ابررسانا گرفته و به يك ولتاژ AC ثابت و جريان بار با مقادير و اختلاف فازهاي متفاوت تبديل كند.

نمونه‌اي از نمودار بلوكي ساده شده يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها كه به صورت موازي به سيستم قدرت متصل شده است. در شكل 2 نشان داده شده است. در قسمتي از شكل، يخچال هليم مايع متصل به كپسول حاوي ابررسانا نشان داده شده است.

مدار شامل يك سيستم كنترل‌كننده است كه داراي سه وظيفه اصلي است: كنترل سوئيچهاي نميه‌هادي ايزوله، مشخص كردن و آشكار ساختن ولتاژها و جريانهاي منبع توان و مصرف‌كننده‌ها و كنترل ولتاژ تنظيم‌كننده، ميزان و جهت توان DC گرفته شده يا داده شده به سيم پيچ ابررساناي سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها.

نمودار بلوكي، بيشتر براي سيستم‌هاي كوچك مناسب بوده و تا حدي شبيه به يك سيستم برق اضطراري و تثبيت‌كننده ولتاژ عمل مي‌كند. همچنين از ديگر مزاياي اين سيستم مي‌توان اصلاح ضريب قدرت را نام برد.

نمونه ديگري از اجزاي تشكيل‌دهنده يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها را نشان مي‌دهد كه جزئي از سيستم قدرت پرسك‌آيزل واقع در ميلواكي آمريكا در سال 1991 بوده كه در بخشهاي بعدي به آن پرداخته خواهد شد. توان مورد نظر براي سيستم مزبور 100 مگاوات با ضريب توان 9/0 است.

 

2-8 نحوه كار سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها

 

سيم‌پيچ ابررسانا توسط يك يكسوساز AC به DC كه در منبع تغذيه سيم‌پيچ ابررسانا قرار دارد شارژ مي‌شود، شارژ‌كننده سيم‌پيچ به منظور غلبه بر تلفات اهمي آن قسمت از مدار كه در دماي محيط قرار دارد، ولتاژ كوچكي در دو سر سيم‌پيچ ايجاد مي‌كند. اين مساله باعث مي‌شود كه جريان ثابتي در سيم‌پيچ ابررسانا جاري شود. در حالت آماده به كار يعني زماني كه هيچ تبادل تواني با سيم‌پيچ انجام نمي‌شود جريان ذخيره‌شده سيم پيچ توسط يك سوئيچ كه دو سر سيم‌پيچ را اتصال كوتاه مي‌كند دوباره به خود سيم‌پيچ ابررسانا بازگردانده شده و حالت گردشي پيدا مي‌كند. در نتيجه انرژي سيم پيچ ابررسانا حفظ مي‌شود. در بعضي از مدلهاي ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها اين سوئيچ به داخل مخزن حاوي سيم‌پيچ انتقال پيدا كرده كه با طرق مختلف از بيرون مخزن به آن فرمان داده مي‌شود. بدون قرار دادن اين سوئيچ اتصال كوتاه كننده ميزان تلفات سيم‌پيچ در حالت آماده به كار زياد خواهد بود. مانند قبل منبع تغذيه سيم پيچ به منظور جبران تلفات اهمي قسمتي از مدار كه در گرماي محيط قرار دارد ولتاژ كوچك را در دو سر سيم‌پيچ ابررسانا توليد مي‌كند.

اگر سيستم كنترل‌كننده حس كند كه ولتاژ خط سيستم قدرت به خاطر تضعيف و يا خطاي اتفاق افتاده در شبكه كاهش پيدا كرده، كليد اتصال كوتاه‌كننده ظرف مدت 200 تا 500 ميكروثانيه قطع خواهد شد. به دنبال اين امر ابتدا جريان سيم‌پيچ ابررسانا به يك بانك خازني قوي منتقل شده و سطح ولتاژ آن را بالا مي‌برد. سپس سوئيچ دوباره بسته مي‌شود. بانك خازني يك اينورتر 12 پالسه را كه تامين‌كننده توان AC مورد نياز بار است تغذيه مي‌كند.

بار مورد نظر باعث كاهش توان و افت ولتاژ بانك خازني مي‌شود تا حدي كه اين ولتاژ به يك حداقل مي‌رسد در اين حالت مجدداً كليد اتصال كوتاه‌باز شده و بانك خازني شارژ مي‌شود.
اين فرايند آن قدر ادامه مي‌يابد تا افت ولتاژ خط تامين شده و ولتاژ خط به حالت عادي باز گردد و يا اينكه انرژي ذخيره شده در سيم‌پيچ ابررسانا پايان يابد. ابعاد و ظرفيت سيستم طوري طراحي مي‌شود كه انرژي ذخيره‌شده در سيم‌پيچ بتواند تا بازگرداندن ولتاژ خط تغذيه‌كننده به حالت عادي تداوم پيدا كرده و كافي باشد.

سيستم به نحوي طراحي شده كه مي‌تواند قدرت چندين مگاوات را براي جبران‌سازي توان از دست رفته در اثر خطا در مدتي كمتر از 23 ميلي‌ثانيه به خط تزريق كند. بدين ترتيب هيچ‌گونه افت ولتاژ يا قطعي انرژي از طرف بار مشاهده نمي‌شود.

شارژ شدن دوباره سيم‌پيچ ابررسانا طي چند دقيقه انجام مي‌شود و تعداد شارژ و دشارژ مي‌تواند بارها تكرار شود. همچنين براي برآوردن بعضي از نيازها امكان شارژ سريع در حد چند ثانيه نيز امكانپذير است. البته بايد شبكه قدرت، قادر به تامين اين ميزان توان بوده و شارژ سريع سيم پيچ ابررسانا باعث افت ناگهاني در ولتاژ شبكه نشود. از خصوصيات سيستم اين است كه در زمان افت ولتاژ خط، حداكثر ظرف مدت 5/0 ميلي‌ثانيه اين ولتاژ بايد تامين شود.

 

 

3- 8 نقش و تاثيرات سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در يك شبكه قدرت نمونه

در اين قسمت نقش و تاثير نصب يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در يك شبكه قدرت آورده شده است. اين تحقيق در منطقه پرسك‌آيزل ميلواكي آمريكا انجام شده است. شركت توليد برق ويسكانسين (WE) با بيش از 000/900 مشترك و حداكثر بار 535 مگاوات وظيفه تامين انرژي الكتريكي اين منطقه را بر عهده دارد. پرسك‌آيزل از 9 واحد توليدي با سوخت ذغال با حداكثر ظرفيت 594 مگاوات تشكيل شده است كه شامل 5 واحد بزرگ (هر كدام 80 تا 85 مگاوات) دو واحد متوسط (75 تا 58 مگاوات) و دو واحد كوچك با حداكثر ظرفيت كلي 62 مگاوات است. اين سيستم قرار است در سال 1999 از پرسك‌آيزل به زيرمجموعه پلينز و ويسكانسين مركزي تقسيم شود كه از دو خط 138 كيلوولت و يك خط 345 كيلوولت تشكيل مي‌شود. در سطح حداكثر بار، سيستم توزيع اقتصادي تعيين مي‌كند كه حدود 500 مگاوات از پرسك‌آيزل براي جنوب به سوي پلينز فرستاده شود و 415 مگاوات از ايستگاه دوم پلينز به جنوب انتقال يابد. پيك بار سيستم بنا به تعريف آن زماني است كه بار سيستم حداقل به 90 درصد مقدار حداكثر آن برسد و مدت زمان آن 100 ساعت در سال است. بررسيهاي پايداري نشان داده‌اند كه قطع برق در نقاط مختلف سيستم انتقال در حد 500 مگاوات منجر به ناپايداري نوسان اول در پرسك‌آيزل يا منجر به اضافه بارهاي سيستم مي‌شود. به خاطر فشارهاي شديد اعمال شده بر واحد توليد، ناشي از عمل تريپ در هنگامي كه واحد با توان زياد كار مي‌كند لازم است كه مقدار تريپ توليدي براي انواع خطاهاي احتمالي كاهش داده شود.

انتخابهاي انجام شده زير، اصلاحاتي براي سيستم در بر دارند كه در هر مورد سطح تريپ توليد را كاهش مي‌دهند.

 انتخاب اول نصب يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در سال 1999 در پرسك‌آيزل است. ابررسانا براي بهبود پايداري نوسان اول و فراهم كردن ميرايي به كار برده مي‌شود. در حقيقت ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها منتقل‌كننده توان لحظه‌اي است يعني توان اكتيو را طي دوره‌هاي سرعت بالا در واحد پرسك‌آيزل ذخيره كرده و در زمان پايين بودن سرعت، آن را آزاد مي‌كند.

سيستم احساس و رديابي اغتشاشات باس 138 كيلوولت در پرسك‌آيزل طراحي شده و به همراه سيستم براي اطمينان از پاسخ ديناميكي مناسب سيستم كار خواهد كرد.

 انتخاب دوم نصب يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها همراه يك مقاومت ترمزي در پرسك‌آيزل در سال 1999 است. ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها پايداري نوسان اول وميرايي را بهبود بخشيده و مقاومت ترمزي نيز نقش ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها را تقويت كرده و باعث كوچكتر شدن اندازه آن مي‌شود. مقاومت ترمزي مذكور به صورت يك بار مقاومتي مدلسازي شده كه مي‌تواند به طور لحظه‌اي قطع و وصل شود. اين مقاومت بعد از عملكرد بحراني كليد خط، وصل شده و بعد از زمان مشخصي قطع مي‌شود.
 انتخاب سوم افزودن يك پايدار‌كننده سيستم قدرت (Pss) در هر كدام از 5 واحد بزرگ توليد نيرو در پرسك‌آيزل است. اين سيستم‌ها براي تطبيق تحريك هر ژنراتور و ايجاد يك پاسخ ميرا شونده در هنگام اغتشاشات سيستم تنظيم شده‌اند. البته مشكلي كه اين وسايل دارند اين است كه در بهبود پايداري نوسان اول نقشي ندارند.
استفاده از ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در سيستم قدرت پرسك‌آيزل
نتايج مقايسه‌اي بين شبيه‌سازيهاي ديناميكي خطاهاي سه‌فاز در خط 138 كيلوولت در پرسك‌آيل دِد ريور در زمان اوليه برطرف شدن خطا با ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها و بدون آن در شكل (5) نشان داده شده‌اند.

سطح انتقال توان 500 مگاوات بوده و 152مگاوات از توان مجموعه تريپ مي‌شود تا اضافه بارهاي سيستم برطرف شود. در حالي كه پاسخ سيستم بدون حضور ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها منجر به ناپايداري نوسان اول در پرسك‌آيزل مي‌شود، سيستم ابررسانا علاوه بر فراهم كردن ميرايي بعد از خطا، بر مشكل ناپايداري نوسان اول نيز غلبه مي‌كند. در شبيه‌سازي اين آزمايش با توان انتقالي 500 مگاوات از روش سعي و خطا استفاده شده و مشخص شده است كه ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها براي ارسال يا جذب 500 مگاوات توان، مدت 2/0 ثانيه لازم دارد تا پاسخ را به حالت پايدار برساند.

4-8 استفاده از ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها و مقاومت ترمزي
با استفاده از مقاومت ترمزي 100 مگاواتي در پرسك‌آيزل در طول دوره بحراني، بعد از نوسان اول، توان راكتيو جذب شده و بعد از قطع شدن مقاومت به ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها امكان فراهم كردن ميرايي در پرسك‌آيزل را مي‌دهد. مدل شبيه‌سازي مقاومت ترمزي شامل كليدها و مقاومت در حال كار، به مدت دو سيكل بعد از عملكرد كليد است كه پاسخ زماني، مشابه حالت تريپ ژنراتورهاي پرسك‌آيزل است. مقاومت بعد از نصب براي 12 سيكل قبل از قطع شدن روي خط باقي مي‌ماند. اين 12 سيكل زماني، از شبيه‌سازيهاي ديناميكي به دست مي‌آيند و نشان‌دهنده زماني هستند كه به طور تقريبي براي رسيدن به حداكثر دامنه نوسان اول در پرسك‌آيزل لازم است. براي تعيين اندازه ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها و زمان مرحله‌بندي روش سعي و خطا مورد استفاده قرار گرفته است. با استفاده از اين روش مشخص شد كه ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها براي اين انتخاب بايد 35 مگاوات توان جذب يا ارسال را براي مدت 2/0 ثانيه توليد كند. بنابراين مقاومت ترمزي 100 مگاوات ماكزيمم توان اكتيو مورد نياز ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها را 15 مگاوات كاهش مي‌دهد.

شبيه‌سازيهاي مربوط به ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها همراه با مقاومت ترمزي شبيه ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها اولي، منجر به پايداري سيستم براي حالتهاي بحراني با تريپ توليدي برابر با مقدار لازم براي حذف اضافه بارها مي‌شود. اين عمل باعث مي‌شود كه يك واحد كمتر از واحدهاي نيروگاه پرسك‌آيزل (در طي تريپ نيرو) از مدار خارج شود.
مقايسه نتايج شبيه‌سازي براي خطاي سه فاز خط 138 كيلوولت دِدريور پرسك‌آيزل با ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها همراه با مقاومت ترمزي و بدون آن دو در شكل (6) نشان داده شده است.

سطح انتقال در اين مقايسه 500 مگاوات بوده و خطا در زمان 4 سيكل برطرف مي‌شود. از مجموعه پرسك‌آيزل، 152 مگاوات توان تريپ شده تا اضافه بارهاي سيستم حذف شوند.

شبيه‌سازيها نشان داده‌اند كه با وجودي كه حالات احتمالي باعث ناپايداري نوسان اول در شرايط عدم حضور تجهيزات اضافي مي‌شوند، اضافه كردن ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها و مقاومت ترمزي باعث پايداري پاسخ سيستم مي‌شوند. اولين نوسان در شكل (5) در اين حالت كوچكتر از حالت بدون مقاومت ترمزي است. بنابراين استفاده از مقاومت ترمزي روشي براي كم كردن اندازه سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها است كه هزينه لازم را كاهش مي‌دهد.

 

5-8 استفاده از سيستم قدرت پايدار‌كننده (PSS)

 

فن‌آوري نقطه مقابل اين روش، استفاده از پايدار‌كننده‌هاي سيستم قدرت (PSS) در هر كدام از 5 واحد بزرگ در سال 1999 است. اين تجهيزات ميراكنندگي لازم را در هنگام خطاها فراهم كرده و تريپ توليد را در هنگام قطعي خطوط كاهش مي‌دهند.

دستورالعمل تنظيم PSS از مشخصات پاسخ تواني ژنراتورها، شبيه‌سازي شده و براي هر كدام از ماشينها از پارامترهاي مربوطه استفاده مي‌شود.

شبيه‌سازيها با پايدار‌كننده‌هاي نصب شده در پرسك‌آيزل نشان مي‌دهد كه روش PSS مانند ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها تريپ مورد نياز را كاهش مي‌دهد. خارج شدن خط 345 كيلوولت و دِدريورپرسك آيزل به تنهايي به 152مگاوات تريپ توان نياز دارد تا اضافه بارها و نيز ناپايداريها مرتفع شوند.

اما قطع شدن خط 138 كيلوولت در پرسك‌آيزل نياز به تريپ انرژي به مقدار 13 مگاوات بيشتر از مقدار لازم برا حذف اضافه بارها دارد. اگر چه اين مقدار باعث تريپ يك واحد اضافه نسبت به حالتي كه از ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها استفاده شده نمي‌شود ولي بايد يك واحد بزرگتر نسبت به حالت قبل، قطع شود. شكل (7) نتايج مقايسه‌اي بين شبيه‌سازي ديناميكي خطاي سه‌فاز و تريپ خط 345 كيلوولت ددريور را كه در مدت 3 سيكل برطرف شده است نشان مي‌دهد. سطح انتقال توان 500 مگاوات بوده و 152 مگاوات از توان توليدي پرسك‌آيزل بعد از قطع شدن خط تريپ مي‌كند تا اضافه بارهاي سيستم حذف شوند.

6-8 مقايسه ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها با ديگر ذخيره‌كننده‌هاي انرژي
تاكنون به غير از ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها ، UPS‌هاي گوناگوني با استفاده از باتري، خازن، چرخ‌گردان و ديگر فن‌آوريهاي ذخيره‌سازي انرژي ساخته شده است. هر كدام از اين فن‌آوريها از نظر ويژگيهايي مانند: ميزان انرژي قابل ذخيره، بازده سيكل شارژ و دشارژ سيستم، تاثيرات محيطي، قابليت اطمينان، سادگي استفاده و سرعت آماده به كار شدن، امكان استفاده در شبكه به عنوان بار راكتيو، يا تثبيت‌كننده فركانس و پايداركننده شبكه و تعديل منحني پيك‌بار و مدت زماني كه مي‌توانند قسمت اعظمي از انرژي را در خود نگه دارند، با يكديگر تفاوت دارند. بعضي در تعداد مرتبه‌هاي شارژ و دشارژ، بعضي در سادگي و راحتي استفاده و بعضي در قيمت بر بقيه ارجحيت دارند. مسلم است كه در سطوح انتقال توان مساله ميزان توان قابل ذخيره كه معمولاً در حد چند مگاوات است در درجه اهميت بيشتري قرار دارد. خوشبختانه سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها داراي تمام خصوصيات مذكور بوده و به راحتي مي‌تواند در هنگام وقوع خطا ميزان انرژي زيادي را در اختيار شبكه قرار دهد (تا چندين مگاوات در ثانيه)، در حالي كه سيستمهاي چرخ‌گردان و باتريها فاقد اين خصوصيت‌اند. همچنين ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در مقايسه با ديگر وسايل دخيره‌كننده انرژي داراي بازده سيكل شارژ و دشارژ بهتري است كه اين بازده حتي به بيش از 95 درصد مي‌رسد. مدت زمان نگهداري انرژي در ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها مي‌تواند زياد باشد در حالي كه سيستم‌هاي چرخ‌گردان و خازنها فاقد اين خصوصيات‌هستند.. تعداد دفعات شارژ و دشارژ در ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها نامحدود بوده كه بمعني طولاني‌بودن عمر آن است. عمر يك ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها به بيش از 30 سال مي‌رسد كه اين مدت از عمر بهترين سيستم‌هاي داراي چرخ‌گردان و باتري بيشتر است. حجم و وزن اشغال شده براي ذخيره ميزان زيادي از انرژي در سيستم‌هاي ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها از كليه سيستم‌هايي كه تاكنون پيشنهاد شده به مراتب كمتر است.

يكي از مشكلات سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها قيمت زياد آن است كه در قسمت بعدي به آن پرداخته خواهد شد. از ديگر مشكلات ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها مي‌توان به ميدان مغناطيسي قوي اطراف آن اشاره كرد كه احتياج به لايه‌هاي محافظ مغناطيسي تا فاصله 5 متري سلول ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها دارد، ولي خوشبختانه اين ميدان در حدي نيست كه براي سلامتي انسان مضر باشد.

7-8 براورد هزينه‌ها و مزاياي استفاده از ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها

 

به صرفه بودن نصب سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در يك شبكه، زماني قابل بررسي و ارزيابي دقيق است كه به بارهاي تغذيه شونده و اهميت پيوسته بودن برق آنها توجه شود. به عنوان مثال طي يك بررسي، هزينه قطعي برق در يك كارخانه اتومبيل‌سازي ماهانه 000/250 دلار بوده و اين ضرر تا زماني كه تعميرات كلي در سطح كارخانه صورت گيرد ادامه خواهد داشت. همچنين هر قطع برق در يك كارخانه ساخت نيمه هاديها بين 000/30 تا يك ميليون دلار ضرر در بر خواهد داشت. همچنين قطع برق به مدت 15 دقيقه هزينه‌اي برابر با 24/20 دلار به ازاي ميزان مصرف هر كيلووات ساعت برق بر كليه كاربران كامپيوتر تحميل خواهد كرد. قطع برق براي صنايع كوچك نيز هزينه‌هايي در بر دارد كه مي‌توان مقادير آن را از كتاب استانداردهاي IEEE 1987-466 استخراج كرد. همچنين تريپ دادن ناگهاني ژنراتور هم مي‌تواند بسيار هزينه‌بردار باشد، به عنوان مثال خرابي يك ژنراتور بعد از 20 بار تريپ كردن حتمي خواهد بود.

طي يك بررسي اجمالي در شبكه قدرت آمريكا مشخص شده است كه با پرداخت 5/1 تا 3 سنت براي خريد هر دلار توان الكتريكي به شركتهاي برق مي‌توان كليه بهينه‌سازيهاي مربوط به شبكه قدرت را انجام داد. به عنوان مثال ميزان خريد برق ساليانه توسط مشتريان در آمريكا در سال 1987، 6/853 ميليارد دلار بوده است.

بنابراين ميزان پرداخت هزينه براي نصب سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها و بهينه‌سازي شبكه 6/25 ميليارد دلار در سال خواهد بود. براي به دست آوردن ديد بهتر نسبت به هزينه يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها بررسي در مورد نصب يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها و همچنين نصب يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها به اضافه مقاومت ترمزي در محل پرسك‌آيزل انجام مي‌شود.

سرمايه‌گذاري مربوط به ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها ، شامل تجهيزات ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها ، پايدار‌كننده فركانس و نيز هزينه نصب ايستگاه فرعي است. هزينه‌هاي همچنين شامل دستمزد كارگران، طراحي و مهندسي و سودي است كه مي‌تواند از عدم نصب مولد‌هاي جديد به خاطر نصب سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها بدست آيد. براي سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها با مقاومت ترمزي، هزينه مقاومت ترمزي و هزينه نصب آن نيز اضافه مي شود. برآورد هزينه‌هاي مربوطه براي نصب يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در پرسك‌آيزل در جدول 1 آورده شده است.
البته همان طور كه قبلاً هم ذكر شد به صرفه‌بودن نصب يك سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها به عوامل مهمي چون اهميت مصرف‌كننده‌ها، اهميت ميزان حساسيت و هزينه تعميرات ژنراتور توليد‌كننده‌ها، گستردگي شبكه و عوامل ديگر بستگي دارد كه بايد بادقت و توجه بيشتري مورد بازبيني قرار گيرد.

 

8-8 نتيجه‌گيري و پيشنهادات

قطع برق و مشكلات ناشي از نوسانات و اغتشاشات در شبكه قدرت در بردارنده عوارض و هزينه‌هايي هم براي توليد‌كننده و هم براي مصرف‌كننده است. از جمله تريپ دادن ناگهاني ژنراتور مي‌تواند بسيار هزينه ‌بردار باشد. به عنوان مثال خرابي يك ژنراتور بعد از 20 مرتبه تريپ كردن حتمي خواهد بود. همچنين قطع برق به مدت 15 دقيقه هزينه‌اي برابر با 24/20 دلار به ازاي ميزان مصرف هر كيلووات ساعت برق بر كليه كاربران كامپيوتر تحميل خواهد كرد.

با توجه به پيشرفت روز‌افزون استفاده از ابررساناها و مزاياي استفاده از سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در شبكه‌هاي قدرت و همچنين در شبكه‌هاي فشار ضعيف كه پيش از اين بيان شد، لازم است كه تحقيقات جدي‌تري در مورد ابررساناها و فن‌آوري ساخت ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها انجام شود. ساخت و نصب سيستم ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها گرچه پرهزينه بوده و احتياج به استفاده از فن‌آوريهاي جديد در زمينه ابررساناها دارد ولي نصب آن در شبكه بسيار به صرفه است همچنين با توجه به گستردگي و يكپارچه بودن شبكه قدرت در ايران، نصب يك سيستم ذخيره‌كننده انرژي ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها در اين شبكه از اهميت خاصي برخوردار است. منحني پيك‌بار در ايران حالت عادي نداشته و تفاوت سطح مصرف در ساعات حداكثر بار با ديگر اوقات بسيار زياد است كه اين مساله ايجاب مي‌كند كه نيروگاههاي جديدي تنها براي ساعات حداكثر بار ساخته شده و به شبكه اضافه شوند. مزاياي گسترش فن‌آوري ذخيره‌كننده‌هاي مغناطيسي انرژي با استفاده از ابررساناها علاوه بر حل مشكل فوق باعث نفوذ و گسترش و پيشرفت فن‌آوري استفاده از ابررساناها در ديگر صنايع كشور همچون ساخت وسايل مدرن پزشكي، ساخت كابلهاي ابررسانا، قطارهاي معلق مغناطيسي (Maglev)، توپها و لانچرهاي الكترومغناطيسي پرسهاي مافوق سنگين، ساخت ماهواره‌ها، ساخت ابركامپيوترها و ديگر صنايع خواهد شد و مي‌تواند كشور ما را از نظر علمي و صنعتي در سطح كشورهاي پيشرفته دنيا قرار دهد.

 

دانلود رایگان فایلهای متلب

رمز sim-power.ir