Содержание

Работа № 1

Контроль структуры и строения композитных сверхпроводников на основе Nb₃SnиNbTi.

1. Цель работы

Ознакомление с методиками контроля геометрических параметров и микроструктурой композитных Nb₃Sn сверхпроводников различной конструкции.

2. Теоретическое введение

Известно, [1] что сверхпроводящие характеристики проводников заданного размера зависят в основном от их конструкции и режимов диффузионной термообработки. Технические сверхпроводники представляют собой композиты весьма сложной конструкции. Они могут содержать до 5-6 разнородных материалов, выполняющих различные функции, и должны удовлетворять целому комплексу часто взаимоисключающих требований. Как правило, это многожильные композиты, содержащие в металлической матрице с высокой тепло- и электропроводностью строго определенную долю непрерывных волокон из сверхпроводящего материала. В большинстве случаев этот композит содержит также резистивные или диффузионные барьерные материалы, стабилизирующие оболочки и прочные армирующие элементы. Обычно композиционные сверхпроводники имеют круглое (диаметр от 0,5 до 2 мм) или прямоугольное (0,1-5 х 3-10 мм) сечение и длину от нескольких сотен метров до нескольких десятков километров. При этом в матрице может содержаться до нескольких десятков тысяч сверхпроводящих волокон диаметром от 20-50 мкм до десятых долей микрона при их объемной доле до 50%. Объемная доля стабилизирующего материала может составлять от 0 до 60%, в то время как объемная доля барьерных и упрочняющих материалов обычно не превышает 5-7%.

К сверхпроводящим материалам предъявляются высокие требования, главным образом по следующим параметрам:

• величина и стабильность значений критических параметров сверхпроводящих волокон, а также теплофизических и электрических свойств других составляющих композита;

• конструкция сверхпроводника, определяемая числом волокон, их размером, расположением, объемной долей, закручиванием волокон по геликоидальной спирали с определенным шагом (шаг твиста);

• сохранение целостности волокон и других составляющих композита, однородность их сечения и распределения в материале матрицы, химическая и структурная однородность по длине;

• уровень механических свойств в широком диапазоне температур, включая рабочие;

• сохранение сверхпроводящих характеристик в процессе изготовления и эксплуатации систем;

• допуски на геометрические размеры поперечного сечения.

Для стабилизации в конструкцию сверхпроводника вводят такой важный элемент как медная оболочка, которая обычно составляет от 20 до 60% от площади поперечного сечения проводника. Медную оболочку отделяют танталовым или ниобиевым диффузионным барьером, чтобы предотвратить загрязнение меди оловом из бронзовой матрицы. Медь может быть помещена и в центре, также с использованием диффузионного барьера, либо распределена по композиту с соответствующими барьерами из тантала или ниобия. (рис. 1 а-е).

а б в

г д е

Рисунок 1. Общий вид структуры поперечного сечения многоволоконных сверхпроводников на основе Nb₃Snс различным расположением медной стабилизации:

а- распределенное,б- в центре,в, г, д, е- на периферии

Отношение медь/не медь (Cu/non Cu) в сверхпроводниках с наружной медной оболочкой рассчитывается по формуле (1).

(1)

где: сm - вес медной оболочки, (в граммах), который составляет m=m₁-m₂, где m₁ и m₂ - вес образца до и после стравливания медной оболочки,

l - длина образца (в см);

d - диаметр стренда (в см),

 - удельный вес меди, (=8,94 г/см³).

Применение электропроводящего материала матрицы приводит к магнитной связи отдельных волокон. Магнитная связь волокон является невыгодной, т.к. при этом магнитное поведение всего проводника не отличается от монолита. Таким образом, преимущества дробления сверхпроводника на волокна теряются, и композит оказывается подвержен скачкам потока, так же как и монолитный проводник. Магнитной связи можно избежать твистированием: свивая композит таким образом, чтобы волокна образовывали геликоидальные траектории подобно прядям каната (рис. 2). Хотя твистирование - очень эффективное средство против магнитной связи во внешнем поле, однако оно становится неэффективным в собственном поле проводника, возникающем вследствие протекания по проволоке транспортного тока, появляющегося при присоединении проволоки к внешнему источнику питания. Таким образом, твистированный сверхпроводник может стать совершенно стабильным при условии отсутствия передачи по нему тока, и перейти в нестабильное состояние, если по нему течет ток.

Рисунок 2. Композитные проводники с магнитной связью между волокнами (а) и с независимой связью (б).