Структура сверхпроводящих слоев в композитах с внутренними источниками олова в зависимости от диаметра провода

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии исследована структура сверхпроводящих слоев в композитах с внутренними источниками олова и распределенным Nb барьером. Показано, что внешний диаметр композита (1 мм, 0.7 мм и 0.5 мм) оказывает влияние на морфологию, размер зерен и состав слоев сверхпроводящей фазы Nb3Sn, формирующихся при реакционной термообработке по режиму 370°С, 100 ч + 665°С, 40 ч. Остаточный ниобий обнаружен в 10% субэлементов в образце ∅ 1 мм, 4% в образце ∅ 0.7 мм и 0.8% в образце ∅ 0.5 мм. Минимальный средний размер зерен Nb3Sn наблюдается в композите диаметром 0.7 мм.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. Н. Попова

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: popova@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

И. Л. Дерягина

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Email: popova@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

Е. И. Патраков

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Email: popova@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург

А. С. Цаплева

АО Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А. А. Бочвара

Email: popova@imp.uran.ru
Россия, Москва

И. М. Абдюханов

АО Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А. А. Бочвара

Email: popova@imp.uran.ru
Россия, Москва

Н. В. Коновалова

АО Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А. А. Бочвара

Email: popova@imp.uran.ru
Россия, Москва

М. В. Алексеев

АО Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А. А. Бочвара

Email: popova@imp.uran.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Ballarino A., Hopkins S.C., Bordini B., Richter D., Tommasini D., Bottura L., Benedikt M., Sugano M., Ogitsu T., Kawashima S., Saito K., Fukumoto Y., Sakamoto H., Shimizu H., Pantsyrny V., Abdyukhanov I., Shlyakov M., Zernov S., Buta F., Senatore C., Shin I., Kim J., Lachmann J., Leineweber A., Pfeiffer S., Baumgartner Th., Eisterer M., Bernardi J., Malagoli A., Braccini V., Vignolo M., CNR-SPIN, Putti M., Ferdeghini C., The CERN FCC Conductor Development Program: A Worldwide. Effort for the Future Generation of High-Field Magnets // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2019. V. 29. No. 5. P. 1–9. Art no. 6001709.
  2. Ballarino A., Bottura L. Targets for R&D on Nb3Sn Conductor for High Energy Physics // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2015. V. 25. No. 3. Art. Numb. 6000906.
  3. Попова Е.Н., Дерягина И.Л. Оптимизация микроструктуры слоев Nb3Sn в сверхпроводящих композитах // ФММ. 2018. Т. 119. № 12. С. 1290–1296.
  4. Larbalestier D.C. Micro- and macro-structural factors which may control the superconducting properties of Nb3Sn multifilamentary composite superconductors // Cryogenics. 1995. V. 35. VAMAS Suppl. P. S15S18.
  5. Godeke A. A review of the properties of Nb3Sn and their variation with A15 composition, morphology and strain state // Supercond. Sci. Technol. 2006. V. 19. P. R68–R80.
  6. Flükiger R., Uglietti D., Senatore C., Buta F. Microstructure, composition and critical current density of superconducting Nb3Sn wires. // Cryogenics. 2008. V. 48. Р. 293–307.
  7. Abächerli V., Uglietti D., Lezza P., Seeber B., Flükiger R., Cantoni M., Buffat P.-A. The influence of Ti doping methods on the high field performance of (Nb,Ta,Ti)3Sn multifilamentary wires using Osprey bronze // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2005. V. 15. № 2. Р. 3482–3485.
  8. Xu X., Sumption M.D., Bhartiya S., Peng X., Collings E.W. Critical current densities and microstructures in rod-in-tube and tube type Nb3Sn strands — present status and prospects for improvement // Supercond. Sci. Technol. 2013. V. 26. Art. No. 075015.
  9. Zhang P.X., Feng Y., Liu X.H., Li C.G., Zhang K., Tang X.D., Wu Y. Microstructure and superconducting properties comparison of bronze and internal tin process Nb3Sn strands for ITER // Physica C. 2009. V. 469. P. 1536–1540.
  10. Deryagina I., Popova E., Patrakov E., Valova-Zaharevskaya E. Structure of superconducting layers in bronze-processed and internal-tin Nb3Sn-based wires of various designs // J. Appl. Phys. 2017. V. 121. Р. 233901.
  11. Cheggour N., Lee P.J., Goodrich L.F., Sung Z.-H., Stauffer T.C., Splett J.D., Jewell M.C. Influence of the heat-treatment conditions, microchemistry, and microstructure on the irreversible strain limit of a selection of Ti doped internal-tin Nb3Sn ITER wires // Supercond. Sci. Technol. 2014. V. 27. Art. No. 105004.
  12. Tarantini C., Sung Z.-H., Lee P.J., Ghosh A.K., Larbalestier D.C. Significant enhancement of compositional and superconducting homogeneity in Ti rather than Ta-doped Nb3Sn // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 108. Art. No. 042603.
  13. Попова Е.Н., Дерягина И.Л., Валова-Захаревская Е.Г., Патраков Е.И. Влияние режимов отжига на структуру сверхпроводящих слоев Nb3Sn в композитах с внутренними источниками олова // ФММ. 2016. Т. 117. № 10. С. 1063–1072.
  14. Xu X. A review and prospects for Nb3Sn superconductor development // Supercond. Sci. Technol. 2017. V. 30. Art. No. 093001.
  15. Deryagina I., Popova E., Patrakov E., Valova-Zaharevskaya E. Effect of diffusion annealing and design of internal-tin wires on the structure and morphology of superconducting Nb3Sn layers // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2016. V. 26. № 2. Art. Numb. 6000706 (6 pp.)
  16. Lukyanov P., Pantsyrny V., Polikarpova M., Guryev V., Novosilova D., Bazaleeva K., Tsapleva A., Alekseev M., Silaev A., Abdyukhanov I., and Sergeev V. The comparative study of the Internal Tin Nb3Sn wires with different layouts // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1559. Art. Numb. 012061.
  17. Abdyukhanov I., Pantsyrny V., Tsapleva A., Lukyanov P., Konovalova N., Mareev K., Novosilova D., Drobyshev V., Kravtsova M., Krylova M., Savel’ev I., Potapenko M., Alekseev M., Silaev A., Zernov S.M., Shlyahov M.J., Eseneev A.V., Kropachev A.S. Superconducting properties of Nb3Sn superconductors doped with Ti, Zr and Ti, Ti and Ta // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2020. V. 30. No. 4. Art. No. 19621359.
  18. Vostner A., Salpietro E. Enhanced critical current densities in Nb3Sn superconductors for large magnets // Supercond. Sci. Technol. 2006. V. 19. P. S90–S95.
  19. Новосилова Д.С., Поликарпова М.В., Абдюханов И.М., Дерягина И.Л., Попова Е.Н., Патраков Е.И., Цаплева А.С., Алексеев М.В. Влияние диффузионного отжига сверхпроводников на основе Nb3Sn с внутренним источником олова на электропроводность стабилизирующей меди // ФММ. 2021. Т. 122. № 1. С. 38–44.
  20. Новосилова Д.С., Абдюханов И.М., Воробьева А.Е., Дергунова Е.А., Поликарпова М.В., Мареев К.А., Трактирникова Н.В., Попова Е.Н., Дерягина И.Л., Сударева С.В. Влияние диффузионного отжига на остаточное электросопротивление хромированных стрендов на основе Nb3Sn, полученных по бронзовой технологии // ФММ. 2012. Т. 113. № 10. С. 1008–1013.
  21. Alknes P., Bordini B., Bartova B., Izquierdo G.A., Cantoni M., Devred A., Vostner A., Ballarino A., Bottura L. Degradation of the Cu Residual Resistivity Ratio in Cr-Plated Composite Nb3Sn Wires // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2015. V. 25. Art. Numb. 7038153.
  22. Popova E.N., Popov V.V., Romanov E.P., Sudareva S.V., Elohina L.V., Vorobyova A.E., Shikov A.K., Pantsyrny V.I., Sudiev S.V. Effect of annealing on nanocrystalline structure of Nb3Sn diffusion layers in composites with internal tin sources // Def. Diffus. Forum. 2010. V. 297–301. P. 126–131.
  23. Popova E.N., Romanov E.P., Deryagina I.L., Sudareva S.V., Dergunova E.A., Vorobyova A.E., Balaev S.M. Effect of multifilamentary Nb/Cu-Sn wire diameter on the Nb3Sn diffusion layers structure // Def. Diffus. Forum. 2011. V. 312–315. P. 289–294.
  24. Дерягина И.Л., Попова Е.Н., Захаревская Е.Г., Романов Е.П., Воробьева А.Е., Дергунова Е.А., Балаев С.М. Влияние способа легирования и геометрии композита на структуру нанокристаллических слоев Nb3Sn в сверхпроводящих композитах Nb/Cu–Sn // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: математика и физика. 2011. Т. 4. № 2. С. 149–161.
  25. 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 multifilamentary Nb/Cu-Sn wires // J. Nano Research 2011. V. 16. P. 69–75.
  26. Popova E.N., Deryagina I.L., Valova-Zaharevskaya E.G. The Nb3Sn layers formation at diffusion annealing of Ti-doped multifilamentary Nb/Cu-Sn composites // Cryogenics. 2014. V. 63. P. 63–68.
  27. Barzi E., Gregory E., Pyon T. Heat treatment optimization of Internal Tin Nb3Sn strands // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2001. V. 11. № 1. P. 3573–3576.
  28. Sudyev S.V., Pantsyrny V.I., Vorobyeva A.E., Beliakov N.A., Sergeev V.V. Development of Nb3Sn Internal Tin strands with enhanced current capacity and improved mechanical properties // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2011. V. 21. P. 2575–2578.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. СЭМ-изображения (в режиме Z-контраст) фрагментов шлифов поперечных сечений образцов 1 (∅ 1.0 мм) (а), 2 (∅ 0.7 мм) (б) и 3 (∅ 0.5 мм) (в) после РТО 370°С, 100 ч + 665°С, 40 ч. На рис. 1а стрелками отмечены: 1 — стабилизирующая медь; 2 — субэлемент; 3 — источник олова.

Скачать (46KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Фрагменты изломов образцов 1 — ∅ 1.0 мм (а), 2 — ∅ 0.7 мм (б) и 3 — ∅ 0.5 мм (в, г) после РТО 370°С, 100 ч + 665°С, 40 ч. На рис. 2г — структура слоя Nb3Sn, выделенного рамкой на рис. 2в.

Скачать (46KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Критическая температура (Тc0.1, Тc0.5 и Тc0.9) образца 1 (Ø 1.0 мм) в зависимости от температуры (а) и длительности (б) второй ступени термообработки.

Скачать (33KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Структура образца 1 (∅ 1.0 мм): а–в — остаточный ниобий — светлое поле (а), темное поле (б) в рефлексе (110)Nb, выделенном апертурой на электронограмме (в), ось зоны [001]Nb; г–е — сверхпроводящий слой — светлые поля (г, д), темное поле (е) в рефлексе (200)Nb3Sn (указан стрелкой на электронограмме).

Скачать (49KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Структура образца 2 (∅ 0.7 мм): а–в — остаточный ниобий — светлое поле (а), темные поля в рефлексах (͞1͞10)Nb, (210) Nb3Sn и (200) Nb3Sn, указанных стрелкой на электронограмме (б, в), ось зоны [001]Nb; г–е — сверхпроводящий слой — светлые поля (г, д), темное поле (е) в рефлексе (200)Nb3Sn (указан стрелкой на электронограмме).

Скачать (54KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Структура сверхпроводящего слоя образца 3 (∅ 0.5 мм): а, б — светлые поля; в — темное поле в рефлексах (211)Nb3Sn и (210)Nb3Sn и электронограмма.

Скачать (23KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Гистограммы распределения зерен Nb3Sn по размерам в образцах разного диаметра: а — образец 1 (∅ 1.0 мм); б — образец 2 (∅ 0.7 мм); в — образец 3 (∅ 0.5 мм). ПЭМ.

Скачать (41KB)
Метаданные