CC BY
399
ФИЗИКА
Вестн. Ом. ун-та. 2013. № 2. С. 57-65.
УДК 669.356.539.25,538.945
И.Л. Дерягина, Е.Н. Попова, Е.П. Романов
РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ НА ОСНОВЕ NBзSN И N071
Низкотемпературные сверхпроводники на основе №38п и №Ті широко используются в сверхпроводящих магнитах как для научных, так и для практических целей. Значения плотности критического тока и верхнего критического поля зависят от тонкой структуры сверхпроводящего материала, которая обеспечивается сложной многоступенчатой термомеханической обработкой сверхпроводящего композита. В статье излагается история развития промышленного производства низкотемпературных сверхпроводников в России - от первых разработок до проекта Интернационального термоядерного экспериментального реактора, причем основное внимание уделяется особенностям структуры сверхпроводящей фазы №38п и сплава №Ті.
Ключевые слова: сверхпроводимость, низкотемпературные сверхпроводники,
№38п, №Ті, диффузионный отжиг, структура.
Введение
На протяжении первых пятидесяти лет после открытия сверхпроводимости в 1911 г. это крайне интересное физическое явление около полувека не находило возможности использования в промышленности. Основная проблема заключалась в том, что в известных на тот момент сверхпроводниках (сверхпроводники I рода) магнитное поле не проникало внутрь сверхпроводника, только в тонкий приповерхностный слой (эффект Мейснера). Как только магнитное поле достигало значений, при которых оно могло проникнуть в сверхпроводник (критическое поле - Вс), сверхпроводящее состояние разрушалось. Ситуация изменилась около 50 лет назад - после открытия сверхпроводников 2 рода, возможность работы которых в высоких магнитных полях сначала была предсказана теоретически, а затем реализована на практике. В сверхпроводниках второго рода сверхпроводящее состояние под воздействием магнитного поля разрушается не резко, скачком, как в сверхпроводниках первого рода, а в некотором интервале полей - от нижнего (Вс1) до верхнего (Вс2) критического поля. В интервале этих полей в сверхпроводнике формируется смешанное состояние (фаза Шубникова) из участков сверхпроводящей фазы и магнитных вихрей. Магнитные вихри внутри такого сверхпроводника располагаются не хаотично, а формируют так называемую решетку Абрикосова, существование которой предсказал А.А. Абрикосов [1], основываясь на модельных расчетах теории Ландау - Гинсбурга [2]. Это позволяло надеяться, что исследование механизмов проникновения магнитного поля в сверхпроводник и условий образования центров пиннинга (участков структуры, на которых закрепляются магнитные вихри), а также установление взаимосвязи этих характеристик со структурными особенностями материала приведет к получению сверхпроводников (причем в промышленных масштабах) с ранее недостижимыми высокими значениями Вс2 для использования их в качестве обмоточных проводов сверхпроводящих магнитов. Дело в том, что вследствие отсутствия электрического сопротивления у сверхпроводника сверхпроводящие провода способны выдерживать токи, недоступные традиционным медным проводам, и создавать в сверхпроводящем магните поля, значительно превышающие поля обычных электромагнитов. Единственным минусом такого магнита является необходимость в наличии хладагента для низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), которым и посвящена эта статья -жидкого гелия. На сегодняшний день методы охлаждения достаточно хо-
© И.Л. Дерягина, Е.Н. Попова, Е.П. Романов, 2013
рошо разработаны, а с появлением компактных криокулеров, работающих по замкнутому циклу и способных в течение длительного времени поддерживать температуру около 4 К, затраты на охлаждение магнитной системы резко снизились.
1. Низкотемпературные сверхпроводники промышленного назначения
Поиск новых сверхпроводящих (СП) материалов следовало вести не среди чистых металлов, а в направлении сплавов или интерметаллических соединений с дефектами структуры (дислокации, дефекты упаковки, включения несверхпроводящей фазы), поскольку именно дефекты играют роль центров пиннинга, повышение их концентрации ведет к росту Вс2. Разработка технологии получения новых сверхпроводящих материалов активно развивалась во всем мире (США, Швейцария, Япония, Корея). В России разработкой промышленной технологии получения СП материалов с 60-х гг. XX в. занимался ВНИИНМ им. академика А.А. Бочвара (г. Москва) [3]. С 1975 г. к структурным исследованиям этих материалов подключились сотрудники лаборатории прецизионных сплавов ИФМ УрО РАН [4].
Из достаточно широкого спектра материалов наиболее пригодными для промышленного использования оказались сплавы МЪТ и интерметаллические соединения группы А3В. Эти материалы являются сверхпроводниками 2 рода, но структурные элементы, отвечающие за высокие критические токи этих сверхпроводников, различны. В соединениях А3В центрами пиннинга, на которых крепятся магнитные вихри, являются границы зерен фазы интерметалли-да, а в сплаве МЪТ - частицы несверхпроводящей а-фазы титана. В ряду СП интер-металлидов А3В (в силу особенностей фазовой диаграммы) пригодными для промышленной технологии оказались всего два соединения - У3Оа и МЪ38п. Но на протяжении ряда лет из-за высокой хрупкости этих материалов разработчики не могли найти пути их промышленного производства. Поэтому первые промышленные сверхпроводники стали делать на основе пластичного сплава МЪТ1, который выдерживал высокие токи в магнитных полях до 5-12 Тл, а высокая пластичность этого сплава позволяла его деформировать для получения из исходных слитков длинномерной тонкой проволоки. Исследования показали, что за СП свойства МЪТ сверхпроводников отвечает а-фаза титана, распределенная в ^-матрице ниобия (рис. 1, а). Частицы а-фазы являются несверхпроводящими и играют роль центров пиннинга. От объемной доли частиц а-фазы зависит Лс провода (рис. 1, б). Для увеличения силы пиннинга необходимо частицы а-фаза предельно измельчить, обеспечив при этом их высокую плотность, что успешно
достигается многократной деформацией сплава при получении тонкой проволоки из массивного слитка сплава.
0 5 П) ^ 5о ?5
объемная доля а-фазы (%)
б
Рис. 1. Сплав ЫЬЛ: а) ПЭМ-изображение включений а-И - светлые ленты -на фоне матрицы из р-фазы сплава ЫЬ-ЭБЛ после многоступенчатой термомеханической обработки [5]; б) зависимость Л от объемной доли а-И в полях 5 (•) и 8 (о) Тл в сплаве 1\1Ь-46Т1 [6]
Далее следовало определиться с составом сплава (оптимальными оказались составы МЪ-50 мас. % Т и МЪ-47 мас. % Т1), а также степенью допустимой вытяжки исходного слитка в проволоку. Оказалось, что с увеличением деформации идет нарастание критического тока в МЬТьсплаве, но при превышении некоторой степени деформации в сплаве наряду с частицами а-фазы появляются частицы несверхпроводящей о-фазы, которые на величину Лс и прочностные характеристики провода влияют неоднозначно. При минимальной концентрации о-фазы ее частицы могут повысить Лс как дополнительные центры пиннинга [7; 8], а при больших концентрациях приводят к повышению хрупкости и потере пластичности слава. Поэтому отработка таких тонких технологических моментов, как степень допустимой вытяжки, температурный и временной режим промежуточных отжигов для снятия напряжений - процесс далеко непростой.
2. №Т1-сверхпроводник для ТОКАМАК-7 Несмотря на все сложности, во ВНИИНМ была разработана технология и налажено производство длинномерных сверхпроводящих МЪТьпроволок, которые послужили основой для создания кабеля магнитной катушки установки термоядерного синтеза
ТОКАМАК-7 (Т-7). К 1978 г. было выпущено
10 т МЪТ сверхпроводящих стрендов для Т-7. Стренды выпускались по технологии сборки и вытяжки биметаллических заготовок - стержни из сплава МЪТ в медной трубе. В процессе вытяжки сборной конструкции диаметр волокон в СП проводе уменьшался до 96 мкм. В готовом виде МЪТь сверхпроводник представлял собой проволоку диаметром около 1 мм, в которой 37 МЪТьволокон размещались в медной матрице (рис. 2, а). Плотность тока в таком проводе достигала 1100 А/мм2 в поле 5 Тл. Это были рекордные для того времени результаты. Из этой проволоки во ВНИИ кабельной промышленности (ВНИИКП) изготавливали кабели довольно сложной конструкции - со специальными каналами для жидкого гелия.
н?к**
шжш. нам»»
11 ООмкм
Рис. 2. Сверхпроводящий ЫЬИ-композит: а) для магнитной системы ТОКАМАК-7 (0 композита - 1 мм, количество волокон - 37, 0 волокна - 96 мкм,
_1с - 1100 мм/см2); б) многоволоконный сверхпроводящий ИЬИ-композит для УНК (0 композита - 0,85 мм, количество волокон - 5000, 0 волокна - 6 мкм, _1с - 2500 А/мм2) [9]
Успешная реализация проекта ТОКАМАК-7 позволила приступить к разработке нового масштабного проекта МЪТь проводов для СП магнитов ускорителя заряженных частиц на встречных пучках ускорительно-накопительного комплекса (УНК) для Института физики высоких энергий (ИФВЭ, г. Протвино) - аналога современного БАКа. Поскольку для УНК требовались поля и критические токи большие, чем в ТОКАМАК-7, возникла необходимость зна-
чительно усовершенствовать конструкцию СП провода и, соответственно, изменить технологию. Вместо одноволоконной стала применяться многоволоконная сборка - тело будущего композита собиралось из нескольких десятков пучков (стрендов) волокон, а каждый пучок содержал в себе до 37 одноволоконных МЪТьтрубок. После протяжки такой сборной конструкции в проволоку диаметром 0,85 мм (рис. 2, б) выигрывали дважды. Во-первых, увеличивалось число волокон и, соответственно, токопропускная способность композита. Во-вторых, происходило увеличение концентрации центров пиннинга за счет дополнительного измельчения структуры (диаметр волокон теперь уже составлял не 96, а 6 мкм), что обеспечивало работу провода в более высоких магнитных полях. Кроме того, было применено такое новшество, как введение ниобиевого барьера, способного создавать дополнительные центры пиннинга и предотвращать взаимодействие МЪЛ-волокна с медной матрицей. Во ВНИИНМ было выпущено более 100 т МЪТьпроводов для этого проекта. Но наступили времена перестройки, финансирование науки резко сократилось, и проект УНК был заморожен.
3. №звп-сверхпроводник для ТОКАМАК-15
С середины 1970-х гг. ВНИИНМ добивается успехов в развитии технологии производства не только МЪТ СП проводов, но и проводов на основе МЪ38п. О крайней хрупкости этого интерметаллида и, казалось бы, полном отсутствии возможности изготавливать на его основе тянутый тонкий провод уже говорилось. Поначалу пытались получить МЪ38п-сверхпроводники путем нанесения тонкого слоя МЪ38п на гладкую длинную ленту (аналогичным путем сейчас идет развитие производства ВТСП сверхпроводников 2-го поколения). Но практически одновременно в нескольких странах было найдено и оригинальное техническое решение получения именно провода на основе МЪ3Эп, что нашло свое отражение в ряде отечественных и зарубежных монографий [10-12]. Для этого были использованы основы технологии получения МЪТьсверхпроводников.
В исходном состоянии собирается заготовка из медной трубы, в которую вставляется бронзовая труба, а в нее помещается МЪ-стержень. Все компоненты такого композита пластичны и легко деформируются. Когда все стадии деформации пройдены, проволока многоволоконного композита, состоящая из тысяч тонких волокон ниобия в бронзовой матрице с медной оболочкой, помещается в печь для крайне важного этапа - так называемого диффузионного отжига, в процессе которого олово из бронзовой матрицы диффундирует в слой МЪ и формирует там СП фазу МЪ38п. Эта технология получила название «бронзовой» (рис. 3, а). При использо-
а
вании этой технологии рост зерен СП фазы идет за счет процессов твердофазной диффузии. Немного позже появилась еще одна технология получения МЪ3Эп-сверхпроводни-ков - так называемый метод внутреннего источника олова, или внутреннего источника питания (ВИП), который основан на том, что в матрицу композита помещаются стержни из чистого олова или сплава на его основе (рис. 3, б). Во время диффузионного отжига легкоплавкое олово (жидкофазная диффузия) активно диффундирует в ниобий, формируя слои МЪ3Эп. Каждая из этих технологий («бронзовая» и ВИП) имеет свои достоинства и недостатки, сравнительный анализ которых делается в работах [13; 14].
б
Рис. 3. СЭМ-изображение поперечного сечения многоволоконных композитов на основе ЫЬэБп, изготовленных по а) бронзовой и б) ВИП технологиям
Для реализации кажущейся на первый взгляд простой схемы изготовления МЪ3Эп-композитов потребовались десятки новаторских инженерно-технологических разработок. ВНИИНМ является обладателем множества авторских свидетельств и патентов по развитию промышленной технологии получения МЪ3Эп сверхпроводящих композитов. Процесс изготовления многоволоконных СП на основе МЪ3Эп включает в себя многоступенчатую термомеханическую обработку с многочисленными промежуточными отжигами для снятия напряжений, возникающих в процессе деформации. Температуру промежуточного отжига надо подбирать таким образом, чтобы она, с одной стороны, могла
снять механические напряжения, возникшие в проволоке при деформации, а с другой - была ниже температуры начала диффузии олова в МЪ, чтобы избежать возможности образования хрупкой МЪ38п-фазы, пока не закончен весь цикл деформации композиционной заготовки. При этом материалы, входящие в состав композита, отличаются и механическими, и физическими (коэффициент теплового расширения) характеристиками.
Отдельной проблемой стало решение задачи повышения концентрации олова в бронзе («бронзовая» технология) при сохранении пластичности бронзовой матрицы. Дело в том, что при концентрации олова выше 6 вес. % в бронзе может выделяться хрупкая е-фаза, которая приводит к такому охрупчиванию сплава, что в композите возникают трещины на стадиях промежуточной механической обработки, задолго до диффузионного отжига. В то же время для того чтобы обеспечить глубокую проработку ниобиевых волокон, концентрация олова должна быть не менее 10 вес. %. Отметим сразу, что современные технологии позволяют получать пластичную бронзу с 1415 вес. % олова [15].
Однако даже решение перечисленных «предварительных» проблем по сохранению целостности композита во время термомеханической обработки не является гарантией получения качественного (т. е. обеспечивающего высокую плотность тока в требуемых полях 12 Тл и выше) СП провода. Объяснение этому заключается в том, что СП фаза МЪ3Эп чувствительна к условиям диффузионного отжига.
Во-первых, интерметаллид МЪ3Эп имеет широкую область гомогенности - от 18 до 25 ат. % Эп, а верхнее критическое поле (Вс2) и критическая температура (Тс) зависят от концентрации олова в сверхпроводящей фазе (рис. 4), уменьшение которой от 25 до 19 ат. % приводит к снижению Вс2 с 27 до 5 Тл (рис. 4, а), а Тс понижается от 18 К до ~ 10 К (рис. 4, б).
Во-вторых, к условиям диффузионного отжига чувствительны размеры зерен растущей СП фазы, границы которых в МЪ3Эп являются центрами пиннинга. И для увеличения концентрации центров пиннинга необходимо максимально измельчить зерно сверхпроводящей фазы, поскольку чем мельче зерно, тем больше площадь межзе-ренных границ и выше сила пиннинга.
В-третьих, и состав фазы, и средний размер зерна зависят от конструкции сверхпроводника и применяемой технологии. Так, для ВИП композитов характерна более полная проработка ниобиевых волокон, но при этом в них труднее сдерживать рост зерна, потому что жидкофазная диффузия олова протекает более интенсивно, чем твердофазная.
а
б
Рис. 4. Влияние концентрации олова в соединении NbзSn на Bс2 И [16] и Тс (б) [17]
В своих ранних работах [18; 19] мы показали, что фаза №^п образуется в виде наноразмерных (15-20 нм) зародышей в нио-биевых волокнах, куда олово проникает из бронзовой матрицы (рис. 5, а). Если на первом этапе диффузионного отжига температуру поддерживать на более низком уровне, не провоцируя роста размера зерна, но стимулируя и поддерживая диффузию олова, можно добиться высокой концентрации зародышей №^п в ниобии. Именно высокая плотность зародышей обеспечит малые размеры зерен СП фазы по окончании отжига (рис. 5, б). Опираясь на эти рассуждения, мы предложили проводить диффузионный отжиг в две ступени. Первая - при более низкой температуре - для создания высокой концентрации зародышей; вторая - при более высокой температуре - для проработки волокон на всю глубину. Наше предложение было реализовано во ВНИИНМ (получено совместное авторское свидетельство). К настоящему времени именно двухступенчатый диффузионный отжиг является наиболее распространенным в мировой практике производства №>^п-композитов по бронзовой технологии [20; 21].
Благодаря отработке технологии получения №^п-проводов в России была создана более мощная по сравнению с предыдущей установка термоядерного синтеза ТОКАМАК-15, для магнитов которой ВНИИНМ выпустил 25 т №^п-стрендов. СП кабель на осно-
ве созданного во ВНИИНМ №^п многоволоконного СП провода в поле 8 Тл обеспечивал токи до 8,5 кА.
б
Рис. 5. ПЭМ-изображения структуры NbзSn при диффузионном отжиге композитов с 0,24 мас. %Ті в бронзе: а) зарождение слоя \lb3Sn на первой ступени отжига 575 °С/100 ч, темное поле в рефлексах (110Ц, (210)Nbзsn и (211)Nbзsn; б) структура слоя \lb3Sn после отжига (575 °С/100 ч + 650 °С/100 ч)
4. Сверхпроводники для проекта ИТЭР
Успехи, которых достигла наша страна в производстве СП проводов в промышленных масштабах, позволили академику Е.П. Велихову выйти к правительству СССР с идеей международного совместного научно-производственного проекта создания термоядерного реактора для нужд энергетики. С учетом истощения энергетических запасов земли и безопасности термоядерных электростанций по сравнению с атомными электростанциями проект оценивался как крайне необходимый. В силу высокой стоимости проекта для его реализации необходимо было объединение финансовых и промышленных усилий нескольких стран-участниц проекта. Руководители СССР, США, Японии и Европы подписали соглашение, и в 1985 г. начались работы по проектированию установки, расчету затрат на его реализацию, составлению спецификации требований к материалам, в том числе и сверхпроводящим проводам для магнитной системы экспериментального термоядерного реактора [9; 22]. Было решено реализовывать проект ступенчато - сначала построить и запустить экспериментальный реактор (ИТЭР), а затем - демонстрационный реактор (ОЕМО), для снабжения реальных потребителей стран ЕЭС энергией.
Требования, предъявляемые к СП материалам для проекта ИТЭР, оказались гораздо выше, чем для проводов, ранее выпускавшихся во ВНИИНМ для ТОКАМАК-7 и ТОКАМАК-15 (таблица). Особенно возросли требования к критическим токам. Предстояло увеличить Лс для МЪТ сверхпроводников в два раза (в поле 5 Тл), а для МЪ38п-композитов - в 1,5 раза, повысив рабочее поле с 8 до 12 Тл. На тот момент в мире ни один из производителей СП проводов не обеспечивал подобных характеристик своей продукции. 17 крупнейших мировых фирм, в том числе ВНИИНМ (Россия), заявили о своем желании участвовать в проекте. Был объявлен конкурс, по условиям которого необходимо было сначала изготовить отрезок кабеля заданной длины и требуемых характеристик, который по всему ряду параметров тестировался в независимой лаборатории в Швейцарии. Если кабель удовлетворял требованиям ИТЭР проекта, конкурсант допускался к изготовлению СП модельной катушки, которая по окончании изготовления тестировалась в Институте ядерных исследований (Япония). В случае соответствия рабочих параметров катушки требованиям ИТЭР конкурсант мог быть допущен к участию в проекте.
Требования к характеристикам СП проводов ТОКАМАК и ИТЭР (по данным [9; 22])
Характе- ристики провода Т - 7 1978 г Т -15 1988 г. КВПТО" 1993-2001 гг ИТЭР 20032005 г ИТЭР 2007г
сверх- провод- ник ЧЬТІ ЧЬэБп ІЧЬТІ ЧЬзБп ЧЬзБп ЧЬ3Бп
0 стрен-да, мм 1,0 1,5 0,73 0,81 ± 0,003 0,81 ± 0,003 0,85 ± 0,005
Л А/мм2 (4,2 К) 1200 (5 Тл) 100 (8 Тл) > 2700 (5 Тл) 0 л) 5Т * £ > 650 (12 Тл) > 720 (12 Тл)
длина единичн. куска, м 150 340 > 1500 > 1500 > 1500 > 1500
КВПТО* - модельная катушка (катушка-вставка проводника тороидальной обмотки).
Для повышения критических характеристик СП необходимо было совершенствовать технологию их производства. Поскольку СП свойства МЬТі-сверхпроводников зависят от доли а-фазы (а эта доля определяется степенью деформации), решено было увеличить диаметр исходной составной заготовки - повысить число стрендов в СП композите, но при этом диаметр готовой проволоки оставался на таком же уровне, что и раньше. Кроме того, был применен ниобиевый барьер между медной матрицей композита и МЬТі-стержнем (для создания дополнительных центров пиннинга). Новые элементы технологии позволили коллективу ВНИИНМ создать многоволоконные МЬТі-
стренды (рис. 6, а) с ~ 4000 волокон диаметром около 7 мкм и с Лс = 2734 А/мм2 (в поле 5 Тл) [23; 24].
Пришлось модернизировать и технологию создания МЪ38п-стрендов - увеличить число МЪ-волокон в матрице композита, применяя «спаренные» волокна (рис. 6, б), разработать специальную конструкцию МЪ/Та-барьера (рис. 6, в) для предотвращения диффузии олова из бронзы в стабилизирующую медную оболочку и возникновения паразитных токов. Требуемые ИТЭР параметры СП провода были достигнуты (даже с некоторым перекрытием). Из полученного провода был изготовлен кабель, который прошел успешное тестирование в Швейцарии [20].
в
Рис. 6. СЭМ изображение фрагментов многоволоконных а) \lbTi [24] и б, в) ЫЬэБп, композитов для программы ИТЭР со спаренными волокнами (б) и 1\1Ь-Та барьером (в)
Россия перешла ко второй ступени конкурса - созданию модельной катушки, которая была создана к 2002 г. Для этого ВНИИНМ выпустил 810 кг МЪ38п-стрендов.
В катушке для диффузионного отжига проводов была разработана и создана уникальная печь, позволяющая проводить длительный отжиг в течение 600 часов с температурным перепадом не более 2 градусов. После завершения отжига вся 7-тонная конструкция катушки была доставлена в Финляндию, а оттуда - в Японию. В сентябре 2002 г. тестирование модельной катушки показало полное ее соответствие требуемым параметрам ИТЭР-проекта.
Благодаря этим успешным испытаниям Россия вошла в состав стран-участниц ИТЭР, и на нее были возложены обязательства, в том числе по изготовлению 100 т МЪ38п-стренедов и 120 т МЪТьсверхпровод-ников. Организация промышленного производства сверхпроводников была налажена на ОАО «Чепецкий механический завод» (ЧМЗ). Специалисты ВНИИНМ и ЧМЗ разработали уникальные технологии получения высокочистых исходных материалов и изготовления на их основе композиционных сверхпроводящих стрендов. В результате в 2009 г. состоялось открытие первого отечественного крупномасштабного промышленного производства сверхпроводящих материалов с характеристиками, которые полностью удовлетворяют Соглашению о поставках ИТЭР.
Однако требования к критическим характеристикам проводов для ИТЭР продолжили повышаться (см. таблицу). Так, к 2007 г. необходимо было повысить Лс в МЪ38п-стрендах до 720 А/мм2. Для реализации этих параметров разработали композиты с Оспрей-бронзой, которая не только содержала высокую концентрацию олова (14,5 мас. %), но и была легирована титаном. Легирование титаном в производстве МЪ3Эп сверхпроводников применяется для повышения верхнего критического поля за счет создания дополнительных центров пиннин-га. Но в первых разработках в основном использовалось легирование вставкой из сплава МЪП, так называемое искусственное легирование [25]. В более поздние годы во ВНИИНМ изготовили опытные образцы композитов с легированной титаном бронзой. В совместной работе с ВНИИНМ мы исследовали тонкую структуру серии композитов с различными методами легирования и показали, что метод легирования влияет и на скорость роста диффузионного слоя сверхпроводящей фазы, и на морфологию слоев, которые состоят из зерен равноосной и столбчатой конфигурации [21; 26; 27]. Это влияние заметно уже на первой ступени диффузионного отжига. Область остаточного ниобия у нелегированного композита (рис. 7, а) значительно шире, чем у легированного вставкой из сплава МЪТ (рис. 7, б). Для повышения Лс необходимо, чтобы ширина зоны столбчатых зерен фазы МЪ38п была минимальна, а мелких равноосных зерен -
максимальна. Согласно нашим исследованиям, оптимальной структурой (минимальными средним размером зерна и зоной столбчатых зерен) обладали композиты с легированной титаном матрицей. Большинство волокон в этих композитах после диффузионного отжига полностью состоят из зерен сверхпроводящей фазы и не имеют остаточного ниобия (рис. 7, в). При этом основную часть зерен МЪ38п составляют мелкие равноосные зерна. Именно в этих композитах были получены рекордно высокие значения Лс (997 А/мм2) в поле 12 Тл, и именно эта технология используется сейчас для производства сверхпроводящих проводов по проекту ИТЭР.
Рис. 7. Излом ЧЬ-волокон после а, б) первой ступени диффузионного отжига 575 °С/100 ч и в) двухступенчатого диффузионного отжига (575 °С/100 ч + 650 °С/200 ч) в композитах ЧЬ/Ои-Бп, а) не легированных, б) легированных вставкой 1,55 мас. % ТІ (б) и в) 0,24 мас.% ТІ в бронзе; белыми стрелками указаны зерна ЧЬ3Бп, черными - область остаточного ниобия
В декабре 2011 г. в Национальном исследовательском центре Курчатовский институт (НИЦ КИ) состоялась 1-я национальная конференция по прикладной сверхпро-
водимости (НКПС-2011), на которой руководители разработок российских сверхпроводников А.К. Шиков (НИЦ КИ), А.Е. Воробьева (ВНИИНМ) представили результаты успешного развития программы промышленного производства низкотемпературных сверхпроводников для проекта ИТЭР. К настоящему времени Россия выполняет все обязательства по поставке для ИТЭР Nb3Sn и NbTi-сверхпроводников. А наши ученые продолжают ставить перед собой новые задачи. Начальник научно-технологического комплекса сверхпроводимости и заместитель директора Курчатовского НБИКС-центра А. К. Шиков, указывая на пока пустующее новое здание на территории Курчатовского института, уверенно сказал: «Здесь через два года мы запустим линию производства ВТСП материалов 2 поколения». Но это уже будет материал для другой статьи.
Исследование структуры многоволоконных сверхпроводников на основе Nb3Sn в ИФМ УрО РАН выполнено при частичной поддержке Президиума РАН (проект № 12-П-2-1015) на оборудовании ЦКП ИФМ УрО РАН.
Изложенный материал был представлен в докладе на IX Сибирском семинаре по сверхпроводимости и физике наноструктур (ОКНО - 2012, г. Омск).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Абрикосов А. А. О магнитных свойствах сверхпроводников второй группы // ЖЭТФ. 1957. 32 (6). С. 1442-1452.
[2] Гинзбург В. Л., Ландау Л. Д. К теории сверхпроводимости // ЖЭТФ. 1950. 20. С.1064-1081.
[3] Шиков А. К. ITER акция сверхпроводимости // В мире науки. 2013. № 1. C. 25-31.
[4] Романов Е. П., Сударева С. В., Попова Е. Н., Криницина Т. К. Низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники и композиты на их основе. Екатеринбург, 2009. 515 с.
[5] Peter J. Lee. Abridged Metallurgy of Ductile Alloy Superconductors // Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronic Engineering. 1999. V. 24. URL: http://www.wiley.com/ee/engineering.
[6] Cooley L., Lee P., Larbalestier D. Conductor processing of Low Tc materials: the alloy Nb-Ti. Institute of Physics. Handbook of Superconductivity. Niobium-Titanium, Fabrication and Process. URL: http://indico.cern.ch/getFile.py/access7resId =0&materialId=1&confId=a032684.
[7] Kramer D., Rhodes C. G. Omega Phase Precipitation and Superconducting Critical Transport Currents in Titanium-22 at PCT Niobium // (Co-lumbium). Trans. AIME 236. 1967. P. 1612-1615.
[8] Buckett M. I., Larbalestier D.C. Precipitation at Low Strains in Nb 46.5 wt.% Ti. // IEEE Trans. Mag. 1987. 23. P. 1638-1641.
[9] Шиков А. К. Крупные проекты НТСП устройства. Становление ИТЭР в России // Сверхпроводники для электроэнергетики. 2012. Июль. 9. Вып. 3. С. 1-9.
[10] Физико-химические основы получения сверхпроводящих материалов / под ред. Е. М. Са-
вицкого, О. Хенкеля, Ю. В. Ефимова. М. : Металлургия, 1981. 480 с.
[11] Металловедение и технология сверхпроводящих материалов : пер. с англ. / под ред. С. Фо-нера, Б. Шварца. М. : Металлургия, 1987. 560 с.
[12] Металлургия сверхпроводящих материалов : пер. с англ. / под ред. Т. Люмана, А. Дью-Хьюза. М. : Металлургия, 1984. 359 с.
[13] Thoner M., Krauth H., Szulzyk A. et al. Nb3Sn-multifilamentary superconductors: an updated comparison of different manufacturing routes // IEEE Trans. Magn. 1991. V. 27. № 2. Р. 20272032.
[14] Shikov A., Pantsyrnyi V, Kozlenkova N. et al. The study of Tc, Hc2, and Jc(T,B) in multifilamentary Nb3Sn conductors of different design // Physica C. 2001. V. 354. № 11(4). P. 367-370.
[15] Дерягина И. Л., Попова Е. Н., Сударева С. В., Романов Е. П., Елохина Л. В., Дергунова Е. А., Воробьева А. Е., Абдюханов И. М. Структура высокооловянистой легированной титаном бронзы, полученной Оспрей-методом // ФММ.
2010. 110. № 2. С. 171-183.
[16] Flukiger R., Uglietti D., Senatore C., Buta F.. Microstructure, composition and critical current density of superconducting Nb3Sn wires // Cryogenics. 2008. 48. Р. 293-307.
[17] Kolosov V. N., Shevyrev A.A. Superconducting Microwave Cavities Based on NbaSn Electrolytic Coatings // Inorganic Materials. 2010. Vol. 46. № 12. P. 1313-1320.
[18] Попова Е. Н., Сударева С. В., Романов Е. П., Родионова Л. А. Тонкая структура легированных многожильных композитов на основе соединений А3В и ее влияние на сверхпроводящие характеристики // ФММ. 1994. Т. 78. № 5. С. 73-84.
[19] Попова Е.Н., Романов Е.П., Сударева С.В. Исследование сверхпроводящих композитов на основе соединений со структурой А15 и высокопрочных проводников Cu-Nb // ФММ. 2003. Т. 96. № 2. С. 31-44.
[20] Pantsyrny V., Shikov A., Vorobieva A. NbaSn material development in Russia // Cryogenics. 2008. 48. P. 354-370.
[21] Дерягина И. Л., Попова Е. Н., Романов Е. П., Дергунова Е. А., Воробьева А. Е., Балаев С. М. Эволюция нанокристаллической структуры сверхпроводящих слоев Nb3Sn при двухступенчатом отжиге композитов Nb/Cu-Sn, легированных титаном // ФММ. 2012. 113. № 4. С. 413-427.
[22] http://iterrf.ru.
[23] Воробьева А. Е., Шиков А. К., Потанина Л. В. и др. Разработка Nb3Sn и NbTi сверхпроводников для магнитной системы ИТЭР и создание промышленного производства // 1-я национальная конференция по прикладной сверхпроводимости. Москва, 6-8 декабря 2011 г. М.,
2011.
[24] Potanina L. V., Shikov A. K., Vedernikov G. P., Vorobieva A. E., Pantsyrnyi V. I., Gubkin I. N.,. Sylaev A. G, Plashkin E. I., Dergunova E. A, Soudjev S. V. Recent progress of low temperature superconducting materials at Bochvar Institute // Physica C. 2003. 386. P. 390-393.
[25] Nikulin A, Shikov A, Vorobieva A. et al. The investigation of the effect of niobium artificial doping with titanium on Nb3Sn superconductors proper-
ties // Adv. Cryog. Eng. Mater. 1996. 42. P. 13371343.
[26] Дерягина И., Попова Е., Захаревская Е., Романов Е., Воробьева А., Дергунова Е., Балаев С. Влияние способа легирования и геометрии композита на структуру нанокристалличе-ских слоев Nb3Sn в сверхпроводящих композитах Nb/Cu-Sn // Сибирский федеральный уни-
верситет. «Физика и математика». 2011. 4 (2). С. 149-161.
[27] Popova E. N., Deryagina I. L., Romanov E. P., Dergunova E. A., Vorobyova A. E., Balaev S. M. Solid-State Diffusion Formation of Nanocrystalline Nb3Sn Layers at Two-Staged Annealing of Multifi-lamentary Nb/Cu-Sn Wires // Journal of Nano Research. 2011. 16. P. 69-75.
