Ниобий-олово — интерметаллическое соединение ниобия (Nb) и олова (Sn), используемое в промышленности как сверхпроводник II типа . Это интерметаллическое соединение имеет простую структуру: A3B . Он дороже, чем ниобий-титан (NbTi), но остается сверхпроводящим до плотности магнитного потока 30 тесла [Тл] (300 000 Гс) [1] по сравнению с пределом примерно в 15 Тл для NbTi.
В 1954 году было обнаружено, что Nb 3 Sn является сверхпроводником. Способность этого материала выдерживать большие токи и магнитные поля была открыта в 1961 году и положила начало эпохе крупномасштабных применений сверхпроводимости.
Критическая температура составляет 18,3 Кельвина (-254,8 ° C; -426,7 ° F). Температура применения обычно составляет около 4,2 К (-268,95 ° C; -452,11 ° F), точки кипения жидкого гелия при атмосферном давлении.
В апреле 2008 года была заявлена рекордная плотность тока без меди - 2643 А /мм2 при 12 Тл и 4,2 К. [2]
Сверхпроводник Nb 3 Sn был открыт в 1954 году, через год после открытия V 3 Si , первого примера сверхпроводника A 3 B. [3] В 1961 году было обнаружено, что ниобий-олово по-прежнему проявляет сверхпроводимость при больших токах и сильных магнитных полях, став, таким образом, первым известным материалом, поддерживающим высокие токи и поля, необходимые для изготовления полезных мощных магнитов и электроэнергетического оборудования . [4] [5]
В центральном соленоиде и сверхпроводящих магнитах с тороидальным полем для планируемого экспериментального термоядерного реактора ИТЭР в качестве сверхпроводника используется ниобий-олово. [6] Центральная соленоидная катушка будет создавать поле силой 13,5 Тесла (135 000 Гс). Катушки тороидального поля будут работать при максимальном поле 11,8 Тл. Предполагаемое использование составляет 600 метрических тонн (590 длинных тонн) нитей Nb 3 Sn и 250 метрических тонн нитей NbTi . [7] [8]
На Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе в период с конца 2018 по начало 2020 года в ключевых точках ускорителя будут установлены сверхсильные квадрупольные магниты (для фокусировки пучков), изготовленные из ниобия и олова. [9] Ниобий-олово было предложено в 1986 году в качестве альтернатива ниобию-титану , поскольку он позволял использовать теплоносители менее сложные, чем сверхтекучий гелий , [ необходимы разъяснения ] [ нужна ссылка ] , но это не преследовалось во избежание задержек во время конкуренции с запланированным на тот момент сверхпроводящим суперколлайдером под руководством США .
Механически Nb 3 Sn чрезвычайно хрупок и поэтому его нелегко втянуть в проволоку, необходимую для намотки сверхпроводящих магнитов . Чтобы преодолеть эту проблему, производители проволоки обычно отказываются от использования композитных проволок, содержащих пластичные предшественники. Процесс «внутреннее олово» включает отдельные сплавы Nb, Cu и Sn. «Бронзовый» процесс содержит Nb в матрице медно -оловянной бронзы . В обоих случаях прядь обычно вытягивается до окончательного размера и перед термообработкой сматывается в соленоид или кабель. Только во время термообработки Sn реагирует с Nb с образованием хрупкого сверхпроводящего соединения ниобий-олово. [10] Также используется метод « порошок в трубке» . [2] [11]
Секция сильного поля современных ЯМР- магнитов состоит из ниобий-оловянной проволоки.
Внутри магнита провода подвергаются воздействию высоких сил Лоренца , а также термическим напряжениям во время охлаждения. Любая деформация ниобиевого олова приводит к снижению сверхпроводящих характеристик материала и может привести к разрушению хрупкого материала. По этой причине провода должны быть максимально жесткими. Модуль Юнга ниобия-олова составляет около 140 ГПа при комнатной температуре. Однако жесткость падает до 50 ГПа, когда материал охлаждается ниже 50 К (-223,2 ° C; -369,7 ° F). [12] Поэтому инженеры должны найти способы повышения прочности материала. В состав композитных ниобиево-оловянных проволок часто включаются упрочняющие волокна для повышения их жесткости. Обычные упрочняющие материалы включают инконель , нержавеющую сталь , молибден и тантал из-за их высокой жесткости при криогенных температурах. [13] Поскольку коэффициенты теплового расширения матрицы, волокна и ниобиевого олова различны, после отжига и охлаждения проволоки до рабочих температур может возникнуть значительная деформация. Эта деформация называется предварительной деформацией проволоки. Поскольку любая деформация ниобиевого олова обычно снижает сверхпроводящие характеристики материала, для минимизации этого значения необходимо использовать правильную комбинацию материалов. Предварительную деформацию композитной проволоки можно рассчитать по формуле
где ε m — предварительная деформация, ΔL/L c и ΔL/L f — изменения длины из-за теплового расширения ниобиево-оловянного трубопровода и упрочняющего волокна соответственно; Vc , Vf , Vcu и Vbz — объемные доли кабелепровода, волокна, меди и бронзы; σcu ,y и σbz ,y — пределы текучести меди и бронзы; и E c , и E f представляют собой модуль Юнга трубопровода и волокна. [14] Поскольку медная и бронзовая матрица пластически деформируется во время охлаждения, к ним прикладывается постоянное напряжение, равное их пределу текучести. Однако трубопровод и волокно по своей конструкции упруго деформируются. Коммерческие сверхпроводники, изготовленные бронзовым способом, обычно имеют величину предварительной деформации от 0,2% до 0,4%. Так называемый эффект деформации вызывает снижение сверхпроводящих свойств многих материалов, в том числе ниобия и олова. Критическая деформация, максимально допустимая деформация, при которой теряется сверхпроводимость, определяется формулой
где ε c — критическая деформация, ε co — параметр, зависящий от материала, равный 1,5 % при растяжении (-1,8 % при сжатии) для ниобия и олова, B — приложенное магнитное поле, а B c2m — максимальное верхнее критическое поле материал. [15] Деформация ниобия-олова вызывает тетрагональные искажения кристаллической решетки, что изменяет спектр электрон-фононного взаимодействия. Это эквивалентно увеличению беспорядка в кристаллической структуре А15. [16] При достаточно высокой деформации, около 1%, в ниобиево-оловянном кабелепроводе возникнут трещины, и токопроводящая способность провода будет необратимо повреждена. В большинстве случаев, за исключением условий сильного поля, ниобиево-оловянный трубопровод разрушается до того, как будет достигнута критическая деформация.
Добавление к ниобию-олову гафния или циркония увеличивает максимальную плотность тока в магнитном поле. Это может позволить использовать его при мощности 16 Тесла для запланированного ЦЕРН будущего кругового коллайдера . [17]
{{cite journal}}
: Неизвестный параметр |agency=
игнорируется ( справка )