Кіріспе

Ниобий-тин – ниобий (Nb) пен қалайының (Sn) металл аралық қосылысы, өнеркәсіпте II типті суперөткізгіш ретінде қолданылады. Бұл металл аралық қосылыстың құрылымы қарапайым: А3В. Ол ниобий-титаннан (NbTi) қымбат, бірақ магниттік ағын тығыздығына дейін суперөткізгіш күйін сақтайды, ал NbTi үшін бұл көрсеткіш шамамен 15 Т құрайды. Nb3Sn 1954 жылы суперөткізгіш екені анықталды. Материалдың жоғары ток пен магниттік өрістерді ұстап тұру қабілеті 1961 жылы ашылды, содан бері суперөткізгіштіктің кең ауқымды қолданылу дәуірі басталды. Критикалық температурасы – қолдану температурасы көбінесе атмосфералық қысымдағы сұйық гелийдің қайнау нүктесіне жуық. 2008 жылдың сәуір айында 12 Т және 4,2 К температурада 2643 А мм−2 рекордтық мыссыз ток тығыздығына қол жеткізілді.

Тарих

Nb3Sn 1954 жылы V3Si, A3B суперөткізгішінің алғашқы мысалы ашылғаннан кейін бір жыл өткен соң суперөткізгіш екені анықталды. 1961 жылы ниобий-қалайының жоғары ток және күшті магнит өрістерінде де суперөткізгіштік қасиетін сақтайтыны белгілі болды, осылайша пайдалы жоғары қуатты магниттер мен электр қуаты машиналарын жасауға қажетті жоғары ток пен өрістерді көтере алатын алғашқы материал ретінде танылды.

Ерекше қолданылуы

Жоспарланған тәжірибелік ITER синтез реакторының орталық соленоиды мен тороидтық өріс жоғары өткізгіш магниттерінде өткізгіш ретінде ниобий-қалайы қолданылады. Орталық соленоид катушкасы шамамен 11,8 Т өріс тудырады. Тороидтық өріс катушкалары 11,8 Т максималды өрісте жұмыс істейді. Шамамен Nb3Sn жіптерінің 250 метрикалық тоннасы және 250 метрикалық тонна NbTi жіптері қолданылуы күтілуде. CERN-дегі Ұлы адрондық коллайдерде 2018 жылдың соңы мен 2020 жылдың басында үдеткіштің маңызды нүктелеріне ниобий-қалайыдан жасалған аса күшті төртполярлы магниттер (сәулелерді бағыттау үшін) орнатылуда. Ниобий-қалайы 1986 жылы ниобий-титанға балама ретінде ұсынылған, себебі ол суперсұйық гелийге қарағанда қарапайым салқындатқыштарды пайдалануға мүмкіндік берді, бірақ бұл АҚШ жетекшілігімен жоспарланған Суперөткізгіш Супер коллайдермен бәсекелесу кезінде кешігулерді болдырмау үшін іске асырылмады.

Құрама сым

Механикалық тұрғыдан Nb3Sn өте қатырғы және сондықтан оны суперөткізгіш магниттерді орауға қажетті сымға оңай тарту мүмкін емес. Бұл қиындықтың шешімі ретінде сым өндірушілер әдетте икемді алғы материалдардан тұратын композиттік сымдарды тартады. "Ішкі қалайы" процесі Nb, Cu және Sn бөлек қорытпаларын қамтиды. "Бронза" процесінде Nb мыс-қалайы қола матрицасында орналасады. Екі процесте де сым соңғы өлшемге дейін тартылып, жылумен өңдеуден бұрын соленоид немесе кабель түріне оралады. Жылумен өңдеу кезінде ғана Sn, Nb-мен реакцияласып, қатырғы, суперөткізгіш ниобий-қалайы қосылысын құрайды. Сондай-ақ, түтік ішіндегі ұнтақ процесі де қолданылады. Қазіргі заманғы ЯМР магниттерінің жоғары өріс бөлігі ниобий-қалайы сымынан жасалған.

Шет әсері

Магниттің ішінде сымдар жоғары Лоренц күштеріне және салқындау кезіндегі жылулық кернеуге ұшырайды. Ниобий қалайының кез келген деформациясы материалдың суперөткізгіштік қасиеттерін төмендетеді және осы сынық материалдың сынуына әкелуі мүмкін. Сондықтан сымдарды мүмкіндігінше берік ету қажет. Ниобий қалайының Янг модулі бөлме температурасында шамамен 140 ГПа-ға тең. Бірақ материалды төмен температураға дейін салқындатқанда, беріктігі 50 ГПа-ға дейін төмендейді. Материалдың беріктігін арттыру үшін композитті ниобий қалайы сымдарына көбінесе нығайтушы талшықтар қосылады. Криогендік температурада беріктігі жоғары болғандықтан, Инконель, тот баспайтын болат, молибден және тантал сияқты материалдар көбінесе қолданылады. Матрицаның, талшықтың және ниобий қалайының жылулық кеңею коэффициенттері әртүрлі болғандықтан, сымды қыздырып, жұмыс температурасына дейін салқындатқаннан кейін маңызды деформация туындауы мүмкін. Бұл деформация сымдағы алдын ала деформация деп аталады. Ниобий қалайының кез келген деформациясы әдетте материалдың суперөткізгіштік қасиеттерін төмендетіп, осы мәнді азайту үшін материалдардың дұрыс комбинациясын пайдалану қажет. Композиттік сымның алдын ала деформациясын келесі формула арқылы есептеуге болады:

мұнда εm – алдын ала деформация, ΔL/Lc және ΔL/Lf тиісінше ниобий қалайы құбырының және нығайтушы талшықтың жылулық кеңеюінен туындаған ұзындықтағы өзгерістер; Vc, Vf, Vcu және Vbz – құбырдың, талшықтың, мыстың және қоланың көлемдік үлестері; σcu,y және σbz,y – мыс пен қоланың беріктік шегі; ал Ec және Ef – құбырдың және талшықтың Янг модулі. Мыс пен қола матрицасы салқындау кезінде пластикалық деформацияға ұшырайды, сондықтан олар өздерінің беріктік шегіне тең тұрақты кернеуді қолданады. Алайда, құбыр мен талшық конструкция бойынша серпімді деформацияланады. Бронзалық әдіспен өндірілген коммерциялық суперөткізгіштерде алдын ала деформацияның мәні әдетте 0,2%-дан 0,4%-қа дейін болады. «Деформация әсері» деп аталатын құбылыс ниобий қалайы сияқты көптеген материалдардың суперөткізгіштік қасиеттерін төмендетуіне әкеледі. Суперөткізгіштік жоғалуы мүмкін ең жоғары рұқсат етілген деформация – критикалық деформация келесі формуламен беріледі:

мұнда εc – критикалық деформация, εco – ниобий қалайы үшін кернеуде 1,5% (-сығуда 1,8%) тең материалға тәуелді параметр, B – қолданылатын магнит өрісі, ал Bc2m – материалдың ең жоғарғы критикалық өрісі. Ниобий қалайындағы деформация кристалл торында тетрагональды бұрмалануға әкеледі, бұл электрон-фононның өзара әрекеттесу спектрін өзгертеді. Бұл А15 кристалл құрылымындағы тәртіпсіздіктің артуымен тең. Деформация жеткілікті деңгейге жеткенде, шамамен 1% болса, ниобий қалайы құбыры сынықтарды дамытады және сымның ток тасымалдау қабілеті қайта келтірілмейтіндей зақымданады. Көп жағдайда, жоғары өріс жағдайларын қоспағанда, ниобий қалайы құбыры критикалық деформацияға жеткенге дейін сыналады.

Даму және болашақ пайдалану

Ниобий-қалайыға гафний немесе цирконий қосылғанда магнит өрісіндегі максималды ток тығыздығы артады. Бұл CERN-нің жоспарлап отырған Болашақ айналмалы коллайдерінде 16 теслада қолдануға мүмкіндік беруі мүмкін.