凍結磁場

“凍結磁場”是天文學專有名詞。來自中國天文學名詞審定委員會審定發布的天文學專有名詞中文譯名，詞條譯名和中英文解釋數據著作權由天文學名詞委所有。

補充說明

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基本介紹

• 中文名：凍結磁場
• 外文名：frozen-in magnetic field
• 分類：自然

交流磁化率測量超導體零場凍結磁通的方法

提出一種通過測量外加直流磁場下交流磁化率來研究超導體零場凍結磁通的方法。按外加直流磁場方式不同，測量方法可分為先加場方式(邁斯納效應)和後加場方式(磁禁止過程)兩種。對測量方法進行了簡要分析。作為套用實例，給出了對Bi一Pb一Sr一Cu一Ca一O系高溫氧化物超導體零場凍結磁通的測量結果。

FC方式下零場凍結磁通的測量

首先測量零外場下樣品交流磁化率關與溫度T關係曲線a，當溫度降至T時(T<T_c)，X一Y記錄儀記錄筆移至A點，記錄A點的交流磁化率X_A。然後將樣品升溫至正常態(T>T_c)，加外磁場，測量降溫過程X_A一T曲線b，溫度降至T時，記錄筆到達B點，記錄X_B值。保持T不變，撤去外場(H=0)，記錄筆迅速下降，最後穩定在C點，記錄C點X_C。可以看到，A、C兩點交流磁化率之差義X_C一X_A即反映了在溫度為T時，超導樣品在加場方式(一定外磁場)，即FC方式零場凍結磁通B_r。

ZFC方式下零場凍結磁通的測量

首先測量零外場下的X一T曲線a，記錄溫度為T時A點的交流磁化率X_A。保持溫度T不變，給樣品施加外場，X一Y記錄儀的記錄筆迅速上升，穩定在B點，記錄B點的X_B。然後撤去外場，H=0，記錄筆又迅速下降，穩定在C點，記錄C點的X_C。A、C兩點的交流磁化率之差X_C一X_A即反映了在溫度T時，超導樣品在後加場方式(一定外磁場)，即ZFC方式的零場凍結磁通B_r。

利用標準樣品或其它方法標定，定量測定兩種不同加場方式下超導樣品的零場凍結磁通。通過改變溫度T或改變外磁場H的大小，就可得到在兩種不同加場方式下超導樣品的零場凍結磁通與溫度T和外磁場H的依賴關係。

差值∣XA一XC∣是零場凍結磁通的反映

在兩種不同加場方式測量中所到達的A點都是在零外場下的，所以A點對應的樣品體內直流磁通密度B_A一0。加外磁場後，並沒有回到A點，而是到達C點。A、C處於相同溫度和零外場中，但∣X_A〉X_C∣，所以在C點體內相應存在直流磁通密度B_C(實際上，總可以調整外磁場的大小，使兩種過程的B點與C點重合，B_B≠0，所以B_C≠0)。所以偏離A點的程度∣XA一XC∣決定了某一外磁場H磁化超導樣品後，樣品的零場凍結磁通。

差值∣XA一XC∣與交流場無關

在低頻(<10⁴Hz，測量頻率為220Hz)範圍，交流場周期比非理想第二類超導樣品趨於臨界態所需時間長得多，當交流場H_ac(t)還沒有明顯改變時，樣品已達到與H_ac(t)對應的臨界態了。由於這一原因，Bean模型對處於低頻磁場中的非理想第二類超導體是適用的。按Bean模型畫出的樣品內磁通分布情況(以半徑為R的圓柱體為例)，加入外直流磁場H_dc後，樣品內磁通密度發生了變化，但樣品內磁通密度主要由H_dc決定，磁通的渦旋運動僅由交流場的穿透區域決定。

用中空超導環段凍結環向磁場的構想

將一個中空超導環沿縱向等距切割成n段，每段置於Tokamak裝置的n餅縱場線圈的兩餅之間，分段凍結環向磁場可使縱場線圈所需的功率降低到常規縱場磁體線圈的2/n倍。這樣，中等大小的裝置(如T一4，TFR)的電源就可以滿足動力堆電源的需要；當電漿電流建立後這些中空超導環可以和平衡場、反饋場一起去穩定平衡電漿；超導段與沿大環內徑方向割縫的銅殼組成組合導體，不僅大大地擴展了銅殼穩定、平衡電漿的作用，而且還可使銅殼壁減薄。雖然它需要的電功率比超導磁體的電功率高得多，但它恰好可以避免超導磁體中由於巨大的電磁力引起線料微小的機械移動而造成的局部溫升和長線不穩定等問題。

根據已達到的凍結磁場的水平(>55kG)，這一構想是有可能實現的。

凍結場

知道超導體有兩個基本特性：即電阻率p~0；在超導體內的磁感應強度B=0。假如把超導體做成一個中空的無限長圓柱，沿圓柱的軸向加一個磁場H。如果中空圓柱是I類超導體，則在H<H_c(T)時，H_c(T)是超導體的臨界場，圓柱的中空區磁場為零；當

H≥H_c(T)

時，磁場全部進人中空區，即中空區的場為H。當減小場到H<H_c(T)並逐漸到H=0時，由於超導體的p=0，B=0，則中空區保持著一個等於H_c(T)的場，這個H_c(T)就是凍結場。由於I類超導體的H_c很低(幾百到幾千高斯)，因此沒有什麼套用價值。

理想的II類超導體有兩個臨界場H_cl(T)和H_cl（T），當H≤H_c1(T)時，和I類超導體一樣，可以凍結一個H_cl(T)的場值，而當H_cl(T)<H<H_cl(T)時，超導體內已不保持B=0的狀態，而是所謂邁斯納態，這時超導體進入所謂混合態，雖然超導體的p=0，但超導體內的B≠0，這時場已滲透到超導圓柱的中空區。顯然它不能凍結比H_c1(T)高的場值。由於H_c1(T)很低，況且理想的第II類超導體在混合態能承受電流的能力很小，所以理想的II類超導體亦沒有套用價值。

對非理想的II類超導體，如果沿中空圓柱的軸向加場H，讓H按0→H_D→0改變，其中H_c1(T)<H_D<H_c1(T)，那么在0≤H≤H_fi時，中空區的場為零，當H_fi≤H≤H_D時，場進入中空區，當H從H_D→0時，中空區保持了一個凍結場H_fi，H_fi是一個較高的場，它依賴於超導材料的比熱‘和特徵溫度T_0。

凍結場套用於Tokamak的新構想—--分段凍結

Tokamak是一個環形器，因此縱場線圈在環的內壁邊緣上產生的場值H_in大於外邊緣的H_out，如果將超導中空圓柱組成環形，當軸向場H升到一定數值使以H_in>H_fj時，圓柱環的內邊緣達到並超過臨界場值，磁場則全部進人中空區。然後把軸向場減到零，則中空超導環柱中凍結了一個環內壁場值為H_in=H_fj的場，其場的分布和環向場一樣。

假如在縱場線圈中放置一個閉合的中空超導環，則按上述原理可以使中空超導環中凍結一個環向恆定場。但是，正是由於中空超導環是閉合的，則加熱場(或叫橫場)引起的感應電流全部承受到中空超導環壁中，而起不到加熱電漿的作用。為了解決這個間題只要將超導環縱向切開，這樣在大環中不形成迥路以致不影響對電漿的加熱。

如果構想將中空超導環按縱場線圈的餅數n縱向等距切割成n段，每一段分別置於縱向線圈的每兩餅之中。先對l，2餅縱場線圈通電產生場H≥H_fj，這時1，2餅線圈中的超導環段I進人了H的場；2，3和n，1餅線圈中的超導環段II和N，在靠近超導環I的一頭也有場進人，這時II和N段進人混合態，1，2餅線圈的磁力線穿越II和N段而形成閉合迥路。因為對超導體的混合態，場可以不變形的穿越，所以在這個過程中，l，2餅線圈產生的場在空區的分布不受超導體(這時已是混合態)的存在而改變。當退場到H≤H_fj時，由I，II和N三段超導環凍結了這個磁場，而且並不因I，II段N，I段之間的割縫存在而改變l，2餅線圈產生的場的分布。