МНОГОВОЛОКОННЫЙ СВЕРХПРОВОДНИК НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ NB*003SN Российский патент 1997 года по МПК H01B12/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к получению сверхпроводников для обмоток высокополевых магнитных систем, а также магнитных систем установок термоядерного синтеза.

Известно, что наиболее перспективным материалом для изготовления обмоток высокополевых (более 15 Тл) магнитных систем является многоволоконный сверхпроводник с внутренним источником олова, имеющий повышенную токонесущую способность в высоких магнитных полях.

Известен сверпроводник [1] содержащий распределенные в медной стабилизирующей матрице трубчатые волокна из ниобия, на внутренней поверхности которых расположен кольцевой слой интерметаллического соединения Nb₃Sn, образованный в результате реакционного взаимодействия при проведении термообработки материала волокон с содержащимся внутри каждого волокна сплавом на основе олова.

Недостатком известной конструкции сверхпроводника является трудность формирования длинномерных непрерывных по длине кольцевых волокон из сверхпроводящего интерметаллического соединения с равномерной толщиной вследствие неблагоприятной схемы напряженного состояния в материале ниобиевых трубчатых волокон, имеющих толщину стенок порядка 2-3 мкм при диаметре порядка 20 мкм, при длительном процессе холодной деформации, а также трудность получение волокон малого диаметра, что важно при использовании указанных проводников в качестве обмоточного провода магнитных систем установок термоядерного синтеза, предполагающих низкий уровень энергетических потерь в проводе при изменении магнитного поля.

Сверхпроводник с раздельным размещением ниобиевых волокон в медной матрице и сплавов на основе олова в виде отдельно размещенного сердечника был впервые предложен в техническом решении [2] Согласно которому сверпроводник содержит сердечник из сплава на основе олова и окружающий его матричный материал из сплава на основе меди с распределенными в нем волокнами из Nb₃Sn, диффузионный барьер из тугоплавкого материала, например ниобия или тантала, отделяющий указанные элементы конструкции провода от наружной стабилизирующей медной оболочки.

Недостатком известной конструкции сверхпроводника является наличие одной центральной зоны в проводе, содержащей сердечник из легкоплавкого сплава на основе олова (температура плавления 232^oC). В результате того, что при обычно используемых диаметрах обмоточных проводов порядка 1 мм диаметр источника олова составляет около 300 мкм, то в процессе термообработки в центральной части провода формируется зона расплава большого объема, что приводит к возможности разрыва окружающего медно-ниобиевого материала и как следствие к разрушению проводника.

Известна также конструкция проводника [3] которая содержит аксиально расположенную группу непрерывных по всей длине сверпроводящих волокон, размещенных в матрице из сплава на основе медь-олово, наружную оболочку из стабилизирующей высокочистой меди, диффузионный барьер из Ta, Nb, V, отделяющий наружную оболочку от остальной части провода, причем диффузионный барьер отделен от группы сверхпроводящих волокон в поперечном сечении провода кольцевым слоем сплава на основе медь-олово. Данная конструкция сверхпроводника принята за прототип как наиболее близкая по своей технической сущности.

Недостатком конструкции данного сверхпроводника является недостаточное развитие поверхности взаимодействия сплава источника олова, расположенного в полуфабрикате провода перед заключительной термообработкой в кольцевом слое, примыкающем к диффузионному барьеру, с медной матрицей, содержащей аксиально размещенные в ней волокна из сплава на основе ниобия.

Целью изобретения являются повышение эксплуатационных характеристик сверхпроводника, в частности усиление его токонесущей способности путем улучшения условий протекания диффузионных процессов формирования сверхпроводящего соединения Nb₃Sn в ходе заключительной термообработки.

Указанная цель достигается тем, что многоволоконный сверхпроводник на основе интерметаллического соединения Nb₃Sn содержит две группы непрерывных по всей длине сверпроводящих волокон, размещенных в матрице из сплава на основе медь-олово, наружную оболочку из стабилизирующей высокочистой меди, диффузионный барьер из тантала, ниобия, ванадия или комбинации из этих металлов или сплава на их основе, отделяющий наружную оболочку от остальной части провода, причем одна группа сверхпроводящих волокон размещена в центральной части провода, ориентированной вдоль его продольной оси, а другая группа сверпроводящих волокон размещена в кольцевой зоне провода, прилегающей к диффузионному барьеру, указанные группы волокон разделены в поперечном сечении провода слоем сплава на основе медь-олово, а отношение площадей центральной и кольцевой зон провода, содержащих сверхпроводящие волокна, выполнено в соответствии с соотношением S/S_k 0,5 4, где S площадь центральной зоны провода, S_k площадь кольцевой зоны провода.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый сверхпроводник отличается тем, что в нем сверхпроводящие волокна разбиты на две основные группы, в каждой из которых они разделены практически равномерно, а между ними расположен слой сплава на основе медь-олово, который образуется в процессе термообработки готового провода путем реакции взаимодействия сплава на основе олова, размещенного в заготовке на этом же месте, с окружающей волокна матрицей на основе сплава олова. Данное изменение конструкции многоволоконного сверхпроводника обеспечивает существенное (практически в два раза) увеличение поверхности взаимодействия сплава на основе олова с матричным материалом, что способствует исключению возможности порообразования в объеме матрицы в процессе термообработки заготовки провода, позволяет существенно сократить время термообработки, а также повысить сверпроводящие свойства готового провода, тем самым позволяет получить новый технический результат.

Выбор соотношения площадей центральной и кольцевой зон провода, содержащий сверхпроводящие волокна, в интервале от 0,5 до 4 определен экспериментальным путем. Было установлено, что при соотношении площадей менее 0,5 происходят смещение центральной групыы ниобиевых волокон и формирование кольцевого слоя сплава на основе меди неравномерной толщины, что в конечном итоге приводит к неоднородности сверхпроводящих свойств волокон, расположенных в различных зонах провода, и к общему снижению уровня токонесущей способности готового провода. При соотношении площадей более 4 наблюдается неравномерная проработка ниобиевых волокон в группе волокон, имеющих более сечение, в процессе диффузионной термообработки провода, и как следствие также снижение токонесущей способности готового проводника.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение многоволоконного сверпроводника на основе Nb₃Sn. Многоволоконный сверхпроводник содержит: 1 - сверхпроводящие волокна, 2 матрица из сплава на основе медь-олово, 3 - наружная оболочка из стабилизирующей высокочистой меди, 4 диффузионный барьер из тантала, ниобия, ванадия или комбинации из этих металлов или сплавов на их основе, 5 слой сплава на основе медь-олово.

Пример 1. В качестве исходных материалов использовали высокочистотную медь марки МВ с отношением электросопротивлений при комнатной температуре и при температуре жидкого гелия более 200 и ниобий марки НБ-1. Вначале методом совместной деформации получали композиционный биметаллический пруток шестигранного поперечного сечения. Методом прессования с последующим волочением формирования композиционную трубную заготовку, содержащую наружную оболочку из высокочистой стабилизирующей меди и отдельную от нее диффузионным барьером из тантала, матрицу, в которой распределены 1938 ниобиевых волокон. Наружный диаметр трубной заготовки длиной 3 м составлял 22 мм, а внутренний диаметр 16 мм. В трубную заготовку помещали трубку из сплава на основе олова с массовым содержанием меди 5% Внутрь трубки помещали сердечник, содержащий 1045 ниобиевых волокон, распределенных в матрице из меди или деформируемого сплава на основе меди. Сформированную таким образом заготовку деформировали волочением до конечного диаметра 0,8 мм, после чего подвергали заключительной термообработке при 650^oC в течение 100 часов, в процессе которой олово из кольцевого слоя диффундирует в медную матрицу и взаимодействует с материалом волокон с формированием сверхпроводящих волокон диаметром 4 мкм и слоя из сплава на основе олова.

На фиг. 2 изображено поперечное сечение многоволоконного сверхпроводника на основе Nb₃Sn. Многоволоконных сверхпроводник содержит: 1 - сверпроводящие волокна, 2 матрица из сплава на основе медь-олово, 3 - наружная оболочка из стабилизирующей высокочистой меди, 4 диффузионный барьер из тантала, ниобия, ванадия или комбинации из этих металлов или сплавов на их основе, 5 слой сплава на основе медь-олово.

Пример 2. В отличие от конструкции, описанной в примере 1, композиционную трубную заготовку формируют с неравномерным расположением волокон в медной матрице во внутреннем кольцевом слое, примыкающем к диффузионному барьеру. При этом в готовом проводе группа сверхпроводящих волокон, размещенных в кольцевой зоне провода, состоит из по крайней мере двух коаксиальных слоев волокон, причем в слое или слоях сверхпроводящих волокон, расположенных ближе к центральной части провода, волокна расположены неравномерно, образуя по крайней мере шесть участков слоя по его периметру, в которых расстояние между соседними волокнами не менее чем в два раза превышает расстояния между волокнами, расположенными в остальной части слоя сверхпроводящих волокон. Данная конструкция сверхпроводника обеспечивает дальнейшее улучшение условий протекания диффузионных процессов перераспределения олова в медной матрице на начальной стадии заключительной термообработки проводника путем облегчения диффузии олова в медную матрицу по более широким диффузионным каналам, образовавшимся между отдельными группами ниобиевых волокон, что позволяет также сократить время заключительной термообработки до 60 часов.

Предложенный сверхпроводник имеет высокую токонесущую способность в высоких магнитных полях (700-800 А/мм² в магнитном поле 12 Тл) при достаточно низком уровне энергетических потерь (200-300 мДж/см³ при цикле изменения магнитного поля +3 Тл), что делает предпочтительным его использование в качестве обмоточных проводников магнитных систем различного назначения.

Использование: изобретение относится к области электротехники, в частности к получению сверхпроводников для обмоток высокополевых магнитных систем, а также магнитных систем установок термоядерного синтеза. Сущность изобретения: в сверхпроводнике сверхпроводящие волокна образуют две группы, причем одна группа волокон размещена в центральной зоне провода и ориентирован вдоль его продольной оси, в другая сверхпроводящих волокон размещена в кольцевой зоне провода, прилегающей к диффузному барьеру, при этом указанные группы волокон разделены в поперечном сечении провода слоем сплава на основе медь-олово, а отношение площадей центральной и кольцевой зон провода, содержащих сверхпроводящих волокна, выполнено в соответствии с соотношением 0,5 - 4. Такая конструкция сверхпроводника позволила увеличить его токонесущую способность, обеспечить улучшение условий протекания диффузионных процессов формирования сверхпроводящего соединения в ходе заключительной термообработки. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Многоволоконный сверхпроводник на основе интерметаллического соединения Nb₃Sn, содержащий непрерывные по всей длине сверхпроводящие волокна, размещенные в матрице из сплава на основе медь-олово, наружную оболочку из стабилизирующей высокочистой меди, диффузионный барьер из тантала, ниобия, ванадия или комбинации из этих металлов или сплавов на их основе, отделяющий наружную оболочку от остальной части провода, и слой сплава медь-олово, отличающийся тем, что сверхпроводящие волокна образуют две группы, причем одна группа сверхпроводящих волокон размещена в центральной зоне провода, ориентированной вдоль его продольной оси, а другая группа сверхпроводящих волокон размещена в кольцевой зоне провода, прилегающей к диффузионному барьеру, при этом указанные группы сверхпроводящих волокон разделены в поперечном сечении провода слоем сплава на основе медь-олово, а отношение площадей центральной и кольцевой зон провода составляет 0,5 4,0. 2. Сверхпроводник по п.1, отличающийся тем, что группа сверхпроводящих волокон, размещенных в кольцевой зоне провода, состоит из по крайней мере двух коаксиальных слоев сверхпроводящих волокон, причем в слое или слоях сверхпроводящих волокон, расположенных ближе к центральной части провода, сверхпроводящие волокна расположены неравномерно, образуя по крайней мере шесть участков слоя по его периметру, в которых расстояния между соседними сверхпроводящими волокнами не менее чем в два раза превышают расстояния между сверхпроводящими волокнами, расположенными в остальной части слоя сверхпроводящих волокон.