Введение
Сверхпроводящий сплав ниобия и титана
Нобелий-титан (Nb Ti) — это сплав ниобия и титана, который промышленно используется в качестве сверхпроводящего провода II рода для сверхпроводящих магнитов, как правило, в виде волокон Nb Ti в алюминиевой или медной матрице. Его критическая температура составляет около 10 кельвинов. Высокое критическое магнитное поле и высокая критическая плотность сверхтока Nb Ti были обнаружены в 1962 году в Atomics International Т. Г. Берлинкуртом и Р. Р. Хейком. Сплавы Nb Ti примечательны своей легкостью в обработке и доступностью, что отличает их от других сверхпроводящих материалов. Сплавы Nb Ti имеют максимальное критическое магнитное поле около 15 тесла и, следовательно, подходят для изготовления сверхмагнитов, способных генерировать магнитные поля до 10 тесла. Для создания более сильных магнитных полей обычно используются сверхпроводники с более высокими характеристиками, такие как ниобий-олово, но их сложнее изготавливать и они дороже в производстве. В 2014 году мировой рынок сверхпроводности оценивался примерно в пять миллиардов евро. Системы магнитно-резонансной томографии (МРТ), в большинстве из которых используется Nb Ti, составляли около 80% от общей рыночной стоимости.
Niobium–titanium (Nb Ti) is an alloy of niobium and titanium, used industrially as a type II superconductor wire for superconducting magnets, normally as Nb Ti fibres in an aluminium or copper matrix. Its critical temperature is about 10 kelvins. The high critical magnetic field and high critical supercurrent density of Nb Ti was discovered in 1962 at Atomics International by T. G. Berlincourt and R. R. Hake. Nb Ti alloys are notable for their easy workability and affordability, distinguishing them from other superconducting materials. Nb Ti alloys have a maximal critical magnetic field of about 15 teslas and, thus, are suitable for fabricating supermagnets capable of generating magnetic fields of up to about 10 teslas. For stronger magnetic fields, higher performance superconductors, such as niobium–tin, are commonly used, but these are more difficult to fabricate and more expensive to produce. The global superconductivity market was valued at around five billion euros in 2014. Magnet resonance imaging (MRI) systems, most of which use Nb Ti, accounted for about 80% of the total market value.
Сверхпроводящие магниты
В пузырьковой камере Национальной лаборатории Аргонн имеется Nb Ti магнит диаметром 4,8 метра, который создает магнитное поле 1,8 Тесла. Около 1000 сверхпроводящих Nb Ti магнитов были использованы в главном кольце ускорителя Теватрон в Фермилабе длиной 4 мили. Магниты были обмотаны 50 тоннами медных кабелей, содержащих 17 тонн Nb Ti нитей. Они работают при 4,5 К и генерируют поля до 4,5 Т.
В 1999 году Релятивистский коллайдер тяжелых ионов использовал 1740 сверхпроводящих Nb Ti магнитов напряжением 3,45 Т для отклонения пучков в своем 3,8-километровом двойном кольце хранения. В ускорителе частиц Большого адронного коллайдера магниты содержат 1200 тонн кабеля Nb Ti, из которых 470 тонн – Nb Ti, а остальное – медь. Они охлаждаются до 1,9 К для обеспечения безопасной работы при полях до 8,3 Т.
Сверхпроводящие магнитные катушки из ниобий-титана (охлаждаемые жидким гелием) были созданы для использования в миссии «Альфа-магнитный спектрометр» на Международной космической станции. Позже их заменили на не сверхпроводящие магниты. Экспериментальный термоядерный реактор ITER использует ниобий-титан для своих полоидальных катушек. В 2008 году опытная катушка достигла стабильной работы при 52 кА и 6,4 Т.
Звездный стабилизатор Вендельштейн 7 X использует Nb Ti для своих магнитов, которые охлаждаются до 4 К для создания поля 3 Т. SCMaglev использует Nb Ti для магнитов, установленных на поездах. Поезд, использующий эту технологию, в настоящее время держит мировой рекорд скорости поездов – 603 км/ч. Он будет использоваться на линии Тюо-Синкансэн, обеспечивая пассажирское сообщение между Токио, Нагоей и Осакой на запланированной максимальной эксплуатационной скорости 505 км/ч. В настоящее время ведется строительство участка Токио-Нагоя, открытие которого запланировано на 2027 год.