Введение
Сверхпроводящее межметаллическое соединение
Ниобий-олово (Nb3Sn) — это межметаллическое соединение ниобия (Nb) и олова (Sn), используемое в промышленности в качестве сверхпроводника II рода. Это межметаллическое соединение имеет простую структуру: A3B. Оно дороже, чем ниобий-титан (NbTi), но сохраняет сверхпроводящие свойства при плотности магнитного потока , в отличие от примерно 15 Т для NbTi. Сверхпроводящие свойства Nb3Sn были обнаружены в 1954 году. Способность материала выдерживать высокие токи и магнитные поля была установлена в 1961 году, что положило начало эре масштабного применения сверхпроводимости. Критическая температура составляет . Рабочие температуры обычно находятся около точки кипения жидкого гелия при атмосферном давлении. В апреле 2008 года было заявлено о рекордной плотности тока без примеси меди в 2643 А/мм² при 12 Т и 4,2 К.
История
Nb3Sn был обнаружен как сверхпроводник в 1954 году, спустя год после открытия V3Si, первого примера сверхпроводника типа A3B. В 1961 году было установлено, что ниобий-олово сохраняет сверхпроводимость при высоких токах и сильных магнитных полях, и таким образом стал первым известным материалом, способным выдерживать высокие токи и поля, необходимые для создания мощных магнитов и электрооборудования.
Примечательные применения
Центральный соленоид и тороидальные сверхпроводящие магниты для планируемого экспериментального термоядерного реактора ITER используют ниобий-олово в качестве сверхпроводника. Центральная соленоидная катушка будет создавать поле в. Тороидальные магнитные катушки будут работать при максимальном поле 11,8 Т. Предполагается использование нитей Nb3Sn и 250 метрических тонн нитей NbTi. В Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе сверхсильные квадрупольные магниты (для фокусировки пучков), изготовленные из ниобий-олова, устанавливаются в ключевых точках ускорителя в период с конца 2018 года по начало 2020 года. Ниобий-олово было предложено в 1986 году как альтернатива ниобию-титану, поскольку оно позволяло использовать менее сложные охлаждающие жидкости, чем сверхжидкий гелий, но от этой идеи отказались, чтобы избежать задержек и конкуренции с планировавшимся в то время американским сверхпроводящим суперколлидером.
Провод из композитов
Механически Nb3Sn чрезвычайно хрупкий и поэтому его сложно вытягивать в проволоку, что необходимо для намотки сверхпроводящих магнитов. Для решения этой проблемы производители проволоки обычно вытягивают композитные проволоки, содержащие пластичные предшественники. В процессе "внутреннего олова" используются отдельные сплавы Nb, Cu и Sn. В процессе "бронзового" Nb находится в матрице из медно-оловяной бронзы. В обоих процессах прядь обычно вытягивается до конечного размера и наматывается в соленоид или кабель перед термообработкой. Реакция Sn с Nb с образованием хрупного сверхпроводящего соединения ниобий-олово происходит только во время термообработки. Также используется технология "порошок в трубке". Высокопольная секция современных магнитов ЯМР изготавливается из ниобий-оловянной проволоки.
Эффекты деформации
Внутри магнита провода подвергаются высоким силам Лоренца, а также тепловым напряжениям при охлаждении. Любое напряжение в ниобид-олове приводит к снижению сверхпроводящих характеристик материала и может вызвать разрушение хрупкого материала. Поэтому провода должны быть максимально жесткими. Модуль Юнга ниобид-олова составляет около 140 ГПа при комнатной температуре. Однако жесткость снижается до 50 ГПа при охлаждении материала ниже этой температуры. В связи с этим инженерам необходимо найти способы повышения прочности материала. Укрепляющие волокна часто вводят в состав композитных ниобид-оловянных проводов для увеличения их жесткости. Распространенными укрепляющими материалами являются инконель, нержавеющая сталь, молибден и тантал благодаря их высокой жесткости при криогенных температурах. Поскольку коэффициенты теплового расширения матрицы, волокна и ниобид-олова различны, после отжига и охлаждения провода до рабочих температур могут возникать значительные напряжения. Это напряжение называется предварительным напряжением в проводе. Поскольку любое напряжение в ниобид-олове обычно снижает сверхпроводящие характеристики материала, необходимо использовать правильную комбинацию материалов для минимизации этого значения. Предварительное напряжение в композитном проводе можно рассчитать по формуле:
где εm – предварительное напряжение, ΔL/Lc и ΔL/Lf – изменения длины, вызванные тепловым расширением ниобид-оловянного канала и укрепляющего волокна соответственно; Vc, Vf, Vcu и Vbz – объемные доли канала, волокна, меди и бронзы; σcu,y и σbz,y – пределы текучести меди и бронзы; и Ec и Ef – модули Юнга канала и волокна. Поскольку медная и бронзовая матрицы пластически деформируются при охлаждении, они создают постоянное напряжение, равное их пределу текучести. Канал и волокно, однако, деформируются упруго по конструкции. Коммерческие сверхпроводники, изготовленные бронзовым способом, обычно имеют значение предварительного напряжения в диапазоне от 0,2% до 0,4%. Так называемый эффект деформации приводит к снижению сверхпроводящих свойств многих материалов, включая ниобид-олово. Критическое напряжение, максимальное допустимое напряжение, при котором теряется сверхпроводимость, определяется формулой:
где εc – критическое напряжение, εco – параметр, зависящий от материала, равный 1,5% при растяжении (−1,8% при сжатии) для ниобид-олова, B – приложенное магнитное поле, а Bc2m – максимальное верхнее критическое поле материала. Напряжение в ниобид-олове вызывает тетрагональные искажения в кристаллической решетке, что изменяет спектр взаимодействия электронов и фононов. Это эквивалентно увеличению беспорядка в кристаллической структуре A15. При достаточно высоком напряжении, около 1%, ниобид-оловянный канал будет разрушаться, и токопроводящая способность провода будет необратимо повреждена. В большинстве случаев, за исключением условий высокого магнитного поля, ниобид-оловянный канал будет разрушаться до достижения критического напряжения.
Развитие и будущее использование
Гафний или цирконий, добавленные к ниобий-олову, повышают максимальную плотность тока в магнитном поле. Это может позволить использовать его при 16 Тесла для планируемого будущего циркулярного коллайдера ЦЕРН.