Critical currents and dissipation of grain boundary networks in coated conductors

Abstract

Les cintes superconductores d'alta temperatura han sorgit com un material molt prometedor per aplicacions de potència en alts camps magnètics ja que s'ha demostrat la possible utilització del material YBaCuO-123 (YBCO) per produir cintes superconductores amb prestacions de densitat de corrent crítica de l'ordre de 1MA/cm2 a 77K sota camps magnètics elevats (1-5T). Les cintes superconductores de YBCO estan formades per una estructura bi-dimensional de fronteres de gra de baix angle (FGBA) (&#61508;&#61542;~4º-8º) induïdes per la textura del substrat metàl·lic flexible sobre el qual estan dipositades amb previ condicionament mitjançant el dipòsit de capes tampó.<br/> La granularitat present en aquests materials representa la limitació més important al pas de corrent elèctrica i estableix la presencia de dos mecanismes de dissipació interactuants associats per una banda al pas de corrent percolativa a través de les FGBA (limitada per la densitat de corrent crítica associada a les fronteres de gra JcFG) i per altra banda a la corrent que flueix al interior dels grans superconductors (limitada per la densitat de corrent crítica associada als grans, JcG). Si be JcG esta clarament determinada per l'ancoratge dels vòrtex Abrikosov en els grans superconductors, la dissipació associada a JcFG es encara un interrogant. Estudis teòrics han predit l'existència d'una nova classe de vòrtex superconductors associats a les fronteres de gra que han estat anomenats vòrtex Abrikosov-Josephson.<br/>En aquesta tesi doctoral hem analitzat la resposta electromagnètica de les cintes superconductores de YBCO mitjançant mesures magnètiques de cicles de histèresi menors. A partir de la forma característica dels cicles de histèresi s'ha desenvolupat un formalisme que ens ha permès determinar de manera independent i simultània les densitats de corrent crítica JcG i JcFG a baix camp magnètic, en el marc del model d'estat crític. La metodologia desenvolupada ens ha permès estudiar la relació existent entre els efectes de granularitat, l'ancoratge de vòrtex Abrikosov als grans i la dissipació associada al moviment de vòrtex Abrikosov-Josephson a les FGBA i per tant ens ha permès inferir en els mecanismes físics que regeixen el transport elèctric d'aquests materials. Hem realitzat un estudi complert de la relació entre aquests mecanismes variant diferents paràmetres característics de les cintes superconductores tal com l'angle mig entre fronteres de gra, el tamany de gra, el gruix de la capa superconductora o el procés de creixement. <br/>Addicionalment, mitjançant mesures de susceptibilitat ac, hem identificat i caracteritzat diferents dominis de percolació de corrent en diverses cintes superconductores de YBCO associats a diferents valors de JcFG. Aquest estudi ens ha permès complementar l'anàlisi magnètic de la granularitat inherent a aquests materials i caracteritzar la dissipació associada. A partir de l'estudi de les corbes de susceptibilitat ac mesurades a diferent freqüència hem determinat l'energia d'activació tèrmica a diferents camps magnètics i diferents densitats de corrent. Comparant els valors obtinguts amb els valors de Jc mesurats mitjançant magnetització dc hem pogut determinar un diagrama de fases magnètic (camp magnètic/temperatura) per a les cintes superconductores de YBCO on es poden distingir diferents règims de moviment de vòrtex.

High temperature coated conductors has emerged as a very promising material for power applications at high magnetic fields since it has been demonstrated the possible utilization of YBaCuO-123 (YBCO) for performing coated conductors able to support current densities higher than 1MA/cm2 at 77K and high magnetic fields (1-5T). YBCO coated conductors consist on a bi-dimensional structure of low angle grain boundaries (LAGB) (&#61508;&#61542;~4º-8º) induced by the texture of the metallic tape used as a substrate, which is usually covered with several buffer layers.<br/>The granularity present in this materials represent the major limitation for the electrical current to flow and establish the presence of two different interactive dissipation mechanisms associated on one hand to the percolative current flowing through the LAGB (limited by the grain boundary critical current density, JcGB) and on the other hand to the current flowing inside the superconducting grains (limited by the grain critical current density, JcG). While JcG is clearly limited by the Abrikosov vortex pinning inside the superconducting grains, the dissipation associated to JcGB is still an open issue. Theoretical studies has predicted the existence of a new kind of vortex located at the grain boundaries called Abrikosov-Josephson vortices.<br/>In this Thesis we have analyzed the electromagnetic response of YBCO coated conductors by means of magnetic measurements of minor hysteresis loops. From the characteristic feature of the hysteresis loops we have developed a new formalism which has allowed us to determine independently and simultaneously both critical current densities, JcG i JcGB, at low applied magnetic field, in the framework of the Critical state Model. The methodology devolved has allowed us to study the relationship between granularity effects, Abrikosov vortex pinning inside the grains and the dissipation associated to the motion of Abrikosov-Josephson vortices at the LAGB and thus, it has allowed us to infer in the physical mechanisms which governing the electric transport in these materials. We have performed a complete study of the relationship between these mechanisms by changing different characteristic parameters of the YBCO coated conductors such as the average misorientation angle in the grain boundaries, the grain size, the thickness of the YBCO layer or the growing process.<br/>Additionally, by means of ac susceptibility measurements, we have identified and characterized different current percolative domains in several YBCO coated conductors associated to different values of JcGB. This study has allowed us to complement the analysis of magnetic granularity inherent at these materials and characterize the associated dissipation. By means of the study of ac susceptibility curves measured at different frequency we have determined the thermal activation energy of YBCO coated conductors at several magnetic fields and current densities. By comparing the resultant values with the values of Jc measured by means of dc magnetization we have determined a general magnetic phase diagram (magnetic field/temperature) for YBCO coated conductors where we have distinguished different vortex motion regimes.