Изменение токонесущей способности в многожильных проводах сверхпроводящего интерметаллида Nb3Sn при облучении быстрыми протонами с энергией до 32 МэВ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Статья

Изменение токонесущей способности в многожильных проводах сверхпроводящего интерметаллида Nb3Sn при облучении быстрыми протонами с энергией до 32 МэВ

П. Н. Дегтяренко1*, С. Ю. Гаврилкин2, А. Ю. Цветков2

1 Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 125412, Москва, Россия

2 Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии Наук, 100000, Москва, Россия

* e-mail: degtyarenkopn@inbox.ru

Сверхпроводящие провода на основе Nb3Sn являются перспективными претендентами на использование в больших магнитных системах, например, в ускорителях и будущих термоядерных реакторах. Поэтому важной задачей является исследование изменения критических свойств этих проводов после интенсивного облучения быстрыми частицами. В данной работе представлены результаты измерений намагниченности многопроволочных проводов Nb3Sn после облучения быстрыми протонами. Исследовались 4 типа проволок (образцы диаметром 0,7-1,2 мм), поставляемые различными производителями. Облучение всех образцов при комнатной температуре проводилось протонами с энергией 32 МэВ при 4 флюенсах до 1x1018 1/см2. Измерения намагниченности проводились на необлучённых и облучённых проводах Nb3Sn при помощи вибрационного магнитометра в полях до 6 Тесла при температурах 7 и 12 К. Температура перехода T всех образцов определялась с помощью остаточного магнитного момента. Анализ экспериментальных данных облучённых образцов показал, что облучение оказывает сильное влияние как на величину, так и на функциональную зависимость нормированной силы пиннинга.

Ключевые слова: низкотемпературные сверхпроводники, пиннинг, критическая температура, протонное облучение, критическая плотность тока.

1. Введение

В процессе эксплуатации дипольные и квадрупольные магниты на основе многожильных проводов Nb3Sn для ускорителей различного типа и установок термоядерного синтеза будут подвергаться облучению различными частицами высоких энергий, например, нейтронами, протонами и пионами [1-3]. Поэтому исследование особенностей электрофизических характеристик многожильных проводов Nb3Sn до и после облучения быстрыми протонами является актуальной задачей физики прикладной сверхпроводимости. На сегодняшний день нет общих подходов в определение свойств низкотемпературных сверхпроводников, поэтому необходимо разработать подходы к определению электрофизических характеристик многожильных проводов Nb3Sn, образовавшихся в результате радиационных дефектов.

В представленной работе обсуждаются результаты экспериментального исследования 4 коммерческих многожильных проводов Nb3Sn. Подробные характеристики — тип образцов проволоки, диаметры и количество сверхпроводящих нитей — приведены в табл. 1 [4-6].

Таблица 1. Характеристики проводов Nb3Sn

Тип провода Диаметр, мм Технология производства Число жил

№0802 0,7 PIT+Ta (порошок в трубе) 114

№7419 0,8 RRP+Ta (внутренний источник олова с Ta барьером) 54

№11976 0,8 RRP+Ti (внутренний источник олова с Ti барьером) 108

№63468 1,2 BIN (бронзовая технология) 246

Проведены экспериментальные исследования влияния облучения протонами с энергией 32 МэВ при флюенсах 3*1016, 1х1017, 3Х1017 и 1х1018 1/см2 на величину критической плотности тока J и критическую температуру T Полученные нами результаты сравниваются с более ранними данными по тем же проволокам Nb3Sn, облучённым протонами с энергией 65 МэВ и 24 ГэВ, а также нейтронами с энергией 1 МэВ, приведенными в работах [4-6], соответственно.

2. Экспериментальная методика

Кривые намагниченности сверхпроводящих проводов при температурах 7 и 12 К измерялись при помощи вибрационного магнитометра (установка PPMS c приставкой вибрационный магнитометр). Измерения проводились при внешнем магнитном поле, перпендикулярном оси провода, в диапазоне от 0 до 6 Тл со скоростью развертки поля — 10 мТл/с. Из-за высокой активности образцов были разработаны индивидуальные держатели для каждого из них. Длина образца в держателе составляла 3 мм. По окончании измерения кривой намагниченности температура образца повышалась со скоростью 1 К/мин и регистрировалась кривая остаточного магнитного момента в зависимости от температуры. Данная методика использовалась для всех необлучённых и облучённых образцов. Измерения намагниченности использовались для определения критических свойств сверхпроводников — J Bc2 и T Критическая плотность тока в проводах до и после протонного облучения оценивалась с помощью аппроксимационного метода, описанного в [3]. Облучение образцов провода проводилось на изохронном циклотроне протонами с энергией 32 МэВ при флюенсе до 1х1018 1/см2. Процесс облучения образцов проводился при комнатной температуре в дистиллированной воде, что исключает перегрев образцов.

3. Результаты

На основе анализа экспериментальных данных кривых намагничивания [6] мы определили критическую плотность тока по формуле:

(1)

lc 4NL(rg-rf)’

где Amirr(p0H)=1/2(m+(p0H)-m_(p0H), N — число жил в проводе, L — длина провода, г0 и г — внешний и внутренний радиусы жил. Для всех 4 типов сверхпроводящих многожильных проводов Nb3Sn также определялась нормированная сила пининга до облучения при 7 и 12 К во внешнем магнитном поле до 6 Т (рис. 1).

(а) (Ъ)

Рис. 1. Нормированная сила пиннинга для необлучённых образцов провода Nb3Sn при температурах 7 и 12 К: а) №0802 и 7419; Ъ) #11976 и №63468. Символами обозначены экспериментальные данные, прерывистой

линией - аппроксимация по формуле (2) из [7]

До облучения экспериментальные данные аппроксимируются уравнением для объёмной силы пиннинга из [7], т.е:

(2)

где B — внешнее магнитное поле, p и q фиксированы при p=0,5 и q=2 соответственно (пиннинг на границах зерен [7]), Cunirr и Вс2(0)-второе критическое поле при температуре T=0 взяты в качестве подгоночных параметров.

На рис. 2 показана температурная зависимость Bc2 для 4 типов необлучённых проволок, а экстраполированные значения

вС2(Т) t)2 - С2( 1 - t)4),

(3)

где С1=0,153; С2=0,152; t=T/T имеет хорошее согласие с экспериментальными результатами работы [7].

н

с<

с

03

25

20

15

10

5

ОН

- _ . . ■ №0802 • №7419 А №11976 ♦ №63468

'V N Ч Ч V Ч N

о:;* ч 'ч ♦ х

'Ох ч 'V,

ч

\ к

■ ' ' ■ • Т*—

0,0

0,2

0,8

1,0

0,4 0,6

т/тс

Рис. 2. Температурная зависимость верхнего критического поля для 4-х необлучённых проводов Nb3Sn. Символами обозначены экспериментальные данные взятые из рисунка; пунктирной линией экстраполяция согласно [6]

Аналогичным способом мы оценили критическую плотность тока для всех 4 проводов после облучения (рис. 3). На рис. 4 представлена зависимость плотности критического тока от флюенса протонов для проводов №7419 и №11976 при 7 К. Отчётливо наблюдается увеличение плотности критического тока с флюенсом при больших внешних магнитных полях, которое сохраняется и при флюенсе 3*1017 1/см2 для провода №7419 при Т=7 К. При меньших значениях внешних магнитных полей и 7К Jc увеличивается до 1*1017 1/см2, а затем начинает уменьшаться. Такое поведение при приложенном магнитном поле 6 Тл аналогично результатам, полученным в работах [4-5]. Наибольшее значение Jc, о котором сообщали эти авторы [4-5], было заметно выше, но общее поведение аналогичное: максимум Jc ожидался выше 1,4 х 1017 1/см2.

Рис. 3. Полевая зависимость плотности критического тока при различных флюенсах и температурах (закрытые символы - T=7 К, открытые символы - T=12 K): а) для образца провода №7419 и b) для образца провода №11976

Согласно [4], такое поведение связано с оптимальной концентрацией радиационных дефектов (точечный пиннинг) при флюенсах, близких к 3*1017 1/см2.

для образца провода №7419 (а) и №11976 (b)

Слабая зависимость верхнего критического поля от флюенса показана на рис. 5. Выше 3х1017 1/см2 значения Bc2 и Tc начинают уменьшаться. При 1х1018 1/см2 плотность критического тока и верхнее критическое поле достигают очень низких значений, а критическая температура снижается из-за уменьшения параметра атомного порядка (рис. 6).

Рис. 5. Зависимость верхнего критического поля от флюенса протонов для образцов провода Nb3Sn (см. табл.1). Закрытые символы температура T=7 K: открытые символы T=12 K

а

ь.“

19

18

17

16

15

14

13

■ \

■ ' -А V

''Л\\

№0802 \'Д'■

- ■- №7419 \\\

№11976 4 \

№63468 >

0.01 0.1 1

ij>t, 1х1018 cm 2

Рис. 6. Зависимость критической температуры от флюенса протонов для образцов провода Nb3Sn (см. табл.1)

Для образца провода №11976 увеличение плотности критического тока наблюдается только до флюенса, близкого к 1*1017 1/см2, при приложенном магнитном поле около 6 Тл. При полях от 1 до 4 Тл значение Jc уменьшается.

4. Выводы

Проведены экспериментальные исследования намагниченности и остаточного магнитного момента для 4 типов проводов Nb3Sn различной конфигурации и диаметра до протонного облучения при 7 и 12 К. Определена критическая плотность тока для всех 4 типов проводов до облу-

чения при 7 и 12 К при полях до 6 Тл. Проведено облучение этих проводов протонами с энергией 32 МэВ при флюенсах 3х1016, 1Х1017, 3х1017 и 1х1018 1/см2. Экспериментальные исследования намагниченности и остаточного магнитного момента для всех типов облученных образцов проводились при температуре 7 К и полях до 6 Тл. По этим данным определена критическая плотность тока для всех облучённых образцов. На основании этих экспериментальных результатов можно предложить некоторые выводы о влиянии облучения быстрыми протонами на электрофизические свойства проводов Nb3Sn. Наблюдается общая тенденция — увеличение критической плотности Jc с ростом флюенса до 1х1017 1/см2, аналогично облучению протонами более высоких энергий [4], [5]. Значительные изменения Tc наблюдались для всех 4 образцов проводов до 1х1017 1/см2, при этом наблюдалось сильное снижение Tc при флюенсе выше 3х1017 1/см2. Облучение протонами с энергией 32 МэВ при флюенсе до 1x1018 1/см2 оказывает существенное влияние как на величину, так и на функциональную зависимость силы пиннинга проводов Nb3Sn.

Литература

[1] H. W. Weber, J. Modern Phys. 20, 1 (2011).

[2] C. L. Snead Jr, J. Nucl. Mater.72, 192 (1978).

[3] L. Bottura, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 22, 4002008 (2012).

[4] T. Spina, et al., J. Phys.: Conf. Ser. 507, 022035 (2014).

[5] T. Spina, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 25, 6000505 (2015).

[6] T. Baumgartner, et al., Supercond. Sci. Technol., 27, 1, 015005 (2014).

[7] D. Dew-Hughes, Philosophical Magazine 30, 293 (1974).

[8] P. N. Degtyarenko, et al., In Abstract of Applied Superconductivity Conference, 10-15 August, Charlotte, North Carolina (2014).

[9] T. Baumgartner, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 22, 6000604 (2012).

[10] N. Degtyarenko, et al., Journal of technical physics, 58, 2, 388, (1988).

Behavior of Magnetization Changes of Nb3Sn Multifilamentary Wires after Fast Proton Irradiation with Energy up to 32 MeV

P. N. Degtyarenko1*, S. Yu. Gavrilkin2, A.Yu. Tsvetkov2

1 Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, 125412 Москва, Россия

2 Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences, 119991, Moscow, Russia * e-mail: degtyarenkopn@inbox.ru

Дегтяренко Павел Николаевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Объединенного института высоких температур Российской академии наук.

Dr. Pavel Degtyarenko - Senior Researcher, Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences.

Гаврилкин Сергей Юрьевич - научный сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук.

Sergey Gavrilkin - Researcher, Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences.

Цветков Алексей Юрьевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук.

Dr. Alexey Tsvetkov - Senior Researcher, Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences.