stringtranslate.com

Ниобий-олово

Фазовая диаграмма Nb-Sn

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]

История

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]

Известные применения

Проволока Nb 3 Sn из строящегося сейчас термоядерного реактора ИТЭР .

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 .

Композитный провод

Элементарная ячейка фаз A3B Nb 3 Sn

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.

Эффекты деформации

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.

Разработки и будущее использование

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]

См. также

Ссылки

  1. ^ Годеке, А.; Ченг, Д.; Дитдерих, доктор медицинских наук; Феррацин, П.; Престемон, СО; Са Бби, Г.; Сканлан, РМ (1 сентября 2006 г.). Ограничения NbTi и Nb3Sn и разработка сильнополевых ускорительных магнитов W&R Bi-2212. Управление науки физики высоких энергий Министерства энергетики США . Проверено 26 декабря 2015 г.
  2. ^ ab «Рекордный ток с помощью сверхпроводника типа порошок в трубке» . Laboratorytalk.com. Архивировано из оригинала 8 октября 2008 года . Проверено 6 сентября 2008 г.
  3. ^ Матиас, BT; Гебалле, TH ; Геллер, С.; Коренцвит, Э. (1954). «Сверхпроводимость Nb 3 Sn». Физический обзор . 95 (6): 1435. Бибкод : 1954PhRv...95.1435M. doi :10.1103/PhysRev.95.1435.
  4. ^ Гебалле, Теодор Х. (1993). «Сверхпроводимость: от физики к технологии». Физика сегодня . 46 (10): 52–56. Бибкод : 1993PhT....46j..52G. дои : 10.1063/1.881384.
  5. ^ Годеке, А. (2006). «Обзор свойств Nb3Sn и их изменение в зависимости от состава, морфологии и деформированного состояния А15». Суперконд. наук. Технол. 19 (8): С68–Р80. arXiv : cond-mat/0606303 . Бибкод : 2006SuScT..19R..68G. дои : 10.1088/0953-2048/19/8/R02. S2CID  73655040.
  6. ^ «Результаты первых испытаний тороидального магнитопровода ИТЭР». Комиссариат по атомной энергии. 10 сентября 2001 года . Проверено 6 сентября 2008 г.
  7. ^ Грюнблатт, Г.; Мокаер, П.; Верверде, Ч.; Колер, К. (2005). «История успеха: производство кабеля LHC в ALSTOM-MSA». Термоядерная инженерия и дизайн (Материалы 23-го симпозиума по термоядерным технологиям) . 75–79: 1–5. doi :10.1016/j.fusengdes.2005.06.216. S2CID  41810761.
  8. ^ «Alstom и Oxford Instruments объединяются, чтобы предложить сверхпроводящую ниобий-оловянную нить» . Альстрем. 27 июня 2007 года . Проверено 6 сентября 2008 г.
  9. ↑ Росси, Лусио (25 октября 2011 г.). «Сверхпроводимость и БАК: первые дни». ЦЕРН Курьер . Проверено 10 декабря 2013 г. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |agency=игнорируется ( справка )
  10. ^ Сканлан, Р.; Грин, А.Ф.; Суэнага, М. (май 1986 г.). Обзор сильнополевых сверхпроводящих материалов для магнитов ускорителей. 1986 Семинар ICFA по сверхпроводящим магнитам и криогенике. Аптон, Нью-Йорк. Отчет LBL-21549.[ постоянная мертвая ссылка ]
  11. ^ Линденховиус, JLH; Хорнсвельд, ЕМ; ден Оуден, А.; Вессель, WAJ; тен Кейт, HHJ (2000). «Порошково-трубные (ПИТ) проводники Nb3Sn для сильнополевых магнитов». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 10 (1): 975–978. Бибкод : 2000ITAS...10..975L. дои : 10.1109/77.828394. S2CID  26260700.
  12. ^ Бюссьер, Ж.Ф.; ЛеХай, Х.; Фаушер, Б. (1984). «УПРУГОЕ ПОВЕДЕНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ Nb3Sn, V3Ga И Nb3Ge». В Кларке, AF; Рид, Р.П. (ред.). Достижения в области криогенных технических материалов. Том. 30. Спрингер, Бостон, Массачусетс. стр. 859–866. дои : 10.1007/978-1-4613-9868-4. ISBN 978-1-4613-9870-7. Проверено 20 мая 2020 г.
  13. ^ Флюкигер, Р.; Дрост, Э.; Спекинг, В. (1984). «ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННЕГО АРМИРОВАНИЯ НА КРИТИЧЕСКУЮ ПЛОТНОСТЬ ТОКА ПРОВОЛОК Nb 3 Sn». В Кларке, AF; Рид, Р.П. (ред.). Достижения в области криогенных технических материалов. Том. 30. Спрингер, Бостон, Массачусетс. стр. 875–882. дои : 10.1007/978-1-4613-9868-4. ISBN 978-1-4613-9870-7. Проверено 20 мая 2020 г.
  14. ^ Стивс, ММ; Хёниг, Миссури; Сайдерс, CJ (1984). «ВЛИЯНИЕ ИНКОЛОЯ 903 И ТАНТАЛОВЫХ ПРОВОДОВ НА КРИТИЧЕСКИЙ ТОК В ПРОВОДНИКАХ КАБЕЛЯ В КАБОЛЕ Nb3Sn». В Кларке, AF; Рид, Р.П. (ред.). Достижения в области криогенных технических материалов. Том. 30. Спрингер, Бостон, Массачусетс. стр. 883–890. дои : 10.1007/978-1-4613-9868-4. ISBN 978-1-4613-9870-7. Проверено 20 мая 2020 г.
  15. ^ Экин, JW (1984). «ДЕФФЕКТИВНЫЕ ЭФФЕКТЫ В СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СОЕДИНЕНИЯХ». В Кларке, AF; Рид, Р.П. (ред.). Достижения в области криогенных технических материалов. Том. 30. Спрингер, Бостон, Массачусетс. стр. 823–836. дои : 10.1007/978-1-4613-9868-4. ISBN 978-1-4613-9870-7. Проверено 20 мая 2020 г.
  16. ^ Годеке, А. (2008). «Обзор свойств Nb 3 Sn и их изменение в зависимости от состава, морфологии и деформированного состояния A15». Сверхпроводниковая наука и технология . 19 (8). IOP Publishing Ltd: 68–80.
  17. ^ MagLab получила от Министерства энергетики США 1,5 миллиона долларов на разработку более совершенных сверхпроводников, июль 2020 г.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме ниобия-олова .