ЛЕНТОЧНЫЙ СВЕРХПРОВОДНИК Советский патент 1971 года по МПК H01B1/02 H01B12/00 H01L39/12 

Отдельные металлы (чистые Или содержащие малые добавки сплавов) способны после взаимодействия с другими металлами образовать сверхпроводники с высокой электропроводностью. Ниобий, тантал, технеций и ванадий могут взаимодействовать или снлавляться с оловом, алюминием, кремнием или галлием, образуя сверхпроводящие соединения или сплавы, такие как NbsSn с высокой электропроводностью. Эти сплавы или соединения могут быть улучшены путем предварительного сплавления основного или материнского металла, т. е. ниобия, тантала, технеция или ванадия, с малым количеством растворенного металла, имеюпдего диаметр атомов по крайней мере на 0,29 А больше, чем диаметр атомов материнского металла.

Материалы, обнаруживающие явление сверхпроводимости при очень низких температурах (ниже 20°К) хрупки в обычных условиях и вызывают большие трудности при изготовлении и обработке изготовляемых из них проводников, особенно при намотке катушек. Хотя некоторые из них произвольно определядт как «гибкие (например, ниобий-цирконий, ниобий-титан), а другие (интерметаллическое соединение ниобия-олова NbaSn и иные интерметаллические соединения) определяют как «хрупкие, фактически различие между

НиМй относительно мало. Например, разрыйная гибкость (процент удлинения при разрыве) для так пазываемых «гибких материалов порядка 0,8%, а для «хрупких материалов

0,2%.

Ниобий представляет собой чрезвычайно ценный материнский металл, вследствие того, что сплавы, которые он образует, являются наиболее сверхпроводяшимп. Для значительного увеличения способности ниобия проводить электрический ток, к нему может быть добавлено, например, небольшое процентное количество раствореппого металла (обычно больше, чем 0,1 вес. %). Циркопиевые добавк)

наиболее полезны. Растворенный металл, например цирконий, добавляют в количестве, определяемом пределами от 0,1 вес. %, до количества, эквивалентного отношению, представляемому формулой Nb2Zr. Ниые добавки применяют в сходных количествах. Ниобий, имеющий раствореииый металл-добавку, взаимодействует либо с оловом, либо с алюминием путем контактирования ниобия с одним из этих металлов и дальнейшего нагревания их

при повышенной температуре в течение времени, достаточного для взаимодействия.

Наиболее ценными материалами являются те из соединений ниобий-олово, в которых отношение ниобия к олову приближается к знариалы являются наиболее сверхпроводящими. Такой сплав изготовляется в различных формах, в частности в виде проволок и тонких лент, для производства таких устройств как электромагниты, даюш,ие высокие поля за счет сверхпроводимости. Одним из наилучших способов получения сверхпроводящей проволоки или лепты является способ, при котором проволокп или лепту из подобранного материпского металла, преиглуществеппо из ниобия или из ниобиевого сплава, непрерывно протягивают через ванну с расплавленным металлом, способным соединяться с материнским металлом и образовать сверхпроводящий сплав. Хотя эти материалы обладают превосходными сверхпроводниковымИ свойствами и выдерживают чрезвычайно высокие плотиости тока, при использовании их в катущках для электромагнитов было обнаружено, что они хрупки и подвержены трещинам и изломам, что в конечном счете приводит к непригодности устройств для тех целей, которым они предназначены. Кроме того, когда токовая нагрузка на сверхпроводящей катущке превосходит критическую плотность тока, обмотка переходит в состояние нормальной проводимости, и при этом выделяется больщое количество тепла, которое должно быть быстро рассеяно, чтобы не повредить катущку электромагнита. Известны сверхпроводниковые ленты, содержащие сверхпроводящую внутреннюю прослойку и внещнюю прослойку из несверхпроводникового металла, которые являются гибкими и могут быть свиты в катущку без повреждения хрупкого сверхпроводникового материала. Например, относительно тонкую ленту ниобиевой фольги обрабатывают оловом, в результате чего на поверхности фольги образуется плотно прилегающий слой NbsSn. Затем к каждой из основных поверхностей сверхпроводящей ленты мягким припоем припаивают медную фольги тех же размеров, а на наружные поверхности медной фольги мягким ирипоем ленты, например, из нержавеющей стали. В результате образуется симметричная слоистая структура. Ленты, изготовленные таким образом, имеют ряд преимуществ. Оии совсем гибкие и легко могут быть свернуты в катущку. Вследствие разницы в значениях коэффициентов теплового расщирения для меди и для «ниобий-ниобий-олово материала хрупкое интерметаллическое соединение остается под сжатием даже при комнатной температуре, что уменьшает опасность механических изломов при намотке. Наружные слои из нержавеющей стали обеспечивают механическую прочность и коррозионную стойкость. Целью изобретения является упрощение конструкции сверхпроводника. Для этого предложенный слоистый проводник электрического тока содержит слой сверхпроводящего материала, который закреплен двумя слоями немагнитных, несверхпроводниковых материалов. Один из слоев выполнен из материала с высоким модулем упругости И высоким пределом текучести, а другой - из материала с более низким модулем упругости и относительно малым электрическим сопротивлением при температуре ниже 20°К. Толщины обоих слоев обратно пропорциональны значениям модулей упругости металлов, из которых они выполнены. Ниобий или один из материнских металлов контактирует с одним из взаимодействующих металлов, таким как олово в случае ниобия, а затем подвергается воздействию тепла в атмосфере кислорода. Полученную ленту затем соединяют с двумя лентами металла, который имеет больщий коэффициент теплового расщирения, чем сверхпроводниковый материал (последний способен выдерживать напряжение, возникающее при свивании его в катущку или другую конфигурацию). Целостное соединение между наружными слоями и внутренней сверхпроводниковой прослойкой может быть выполнено с номощью, например, пайки. На фиг. 1 изображен предложенный слоистый сверхпроводник, поперечное сечение; на фиг. 2 - вариант сверхпроводника; «а фиг. 3 - испытание сверхпроводника; на фиг. 4 - график электрических свойств проводника на фиг. 2, по оси X - отношение тока в образце, подвергщемся испытанию, к току в образце до изгибания (%), по оси Y - диаметр изгиба образца; на фиг. 5 - график сверхпроводники, показанного на фиг. 1. Сверхпроводник содержит слой / из несверхпроводного металла или сплава с высоКИМ модулем упругости и относительно высоким пределом текучести. Такими материалами могут быть нержавеющая сталь или доступные силавы на никелевой или кобальтовой основе. Внутренний слой 2 содерлшт относительно хрупкий слой сверхпроводникового материала. Слой 3 изготовлен из несверхпроводящего металла высокой чистоты, который имеет конечное, но относительно малое электрическое сопротивление при рабочей температуре порядка 4,2°К, модуль упругости которого и прочность значительно меньще, чем у слоя 1. Такими материалами могут быть медь, алюминий, серебро, золото или металлы платиновой группы. Слои скрепляют вместе путем, например, мягкой или твердой пайки в зависимости от выбора материалов. Нредпочтительным материалом является нержавеющая сталь 304 для слоя , NbsSn для слоя 2 и медь для слоя 3. Эти материалы могут быть спрессованы посредством обычного свинцово-оловянного припоя. Слой 3 несколько толще слоя 1. На фиг. 2 показан слоистый сверхпроводник, слои 4, 5, 6 которого соответствуют слоям 1, 2 и 3, но слои 4 и 5 выполнены одинаковой толщины. Слой 1 выполнен из ленты нержавеющей стали 304, в жестком состоянии (толщина около 25 МП, предел текучести превыщает 7031 кг/см). Слой 2 выполнен из NbsSn сверхцией оловянного покрытия на ниооиевой ленте по известному снособу. Толщина слоя около

2мк, минимальный критический ток 300 а в поперечном поле напряженностью 100 кгс слой

3выполнен из медной ленты в мягком состоянии, толщиной около 50 мк. Разные слои скреплены эвтектическим свинцово-оловянным припоем, общая толщина слоистой структуры около 125 мк. Проводник разрезают на полосы щириной около 12,5 см.

Толщина мягкого медного слоя 6 в проводнике (показанном на фиг. 2) 25 мк.

Для сравнения обоих сверхпроводников (с целью выяснения возможности намотки) был подготовлен ряд образцов проводников.

Перед изгибанием образцов определяют их значения критического тока, т. е. тока, при котором свойство сверхпроводимости уменьщается с переходом в нормальное сопротивление в условиях расположения проводника лри 4,2°К в поперечном поле напряженностью 50 кгс. Полученное значение принимают за 100%. Затем каждый образец подвергают одному циклу изгибаний (см. фиг. 3): прямой образец 7 сгибают вокруг оправки 8 на 180° (положение показано пунктиром.). После этого образцы выпрямляют, и снова определяют значение критического тока, причем используют оправки различных диаметров. Все изменения критического тока, выраженные в процентах относительно диаметра оправок в дюймах, показаны на фиг. 4 и 5.

На графике (фиг. 4) приведены результаты испытаний при одном цикле изгибания образцов, показанных на фиг. 2. Некоторые из образцов изгибали вокруг оправок с различными диаметрами, причем к поверхности оправки непосредственно прилегал медный слой (темные кружочки) или слой нержавеющей стали (светлые кружочки).

Когда слой из нержавеющей стали находится на наружном радиусе изгиба (сплощная линия на фиг. 4), образцы могут быть изогнуты вокруг диаметров приблизительно от 2,5 до 0,5 мм без повреждений. Если на наружном радиусе изгиба находится медный слой, новреждения сверхпроводника заметны при диаметре 20 мм (щтриховая линия).

При испытании образцов, в которых медный слой 3 (см. фиг. 1) вдвое толще слоя / из нержавеющей стали (см. фиг. 5) видно, что фактически нет разницы между направлениями изгиба и что эта конфигурация дает проводники, которые могут быть изогнуты вокруг диаметра приблизительно 10 мм без заметных

повреждений.

Таким образом, слоистый сверхироводник, показанный на фиг. 1, является более стойким к повреждениям при обработке в результате нечаянного изгибания в неправильном направлении, чем сверхпроводник, показанный на фиг. 2.

Отрезки сверхпроводниковых лент, которые должны наматываться на катущку, могут иметь концы, соединенные посредством связи

медь к меди, даже если радиус катущки совсем мал.

Фактически отнощение толщин меди и нержавеющей стали обратно пропорционально значениям модулей упругости этих материалов (хотя в предложенном сверхпроводнике это отнощение равно 2;1).

Предмет изобретения

Ленточный сверхпроводник с внутренним слоем из сверхпроводящего металла, например интерметаллического соединения NbsSn, заключенным между слоями из несверхнроводящих металлов, один из которых, нрилегающий

непосредственно к указанному внутреннему слою, выполнен из металла с высокой электропроводностью, например меди, а другой - из металла, например нержавеющей стали, с высоким модулем упругости и высоким нределом текучести, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции сверхпроводника, второй слой непосредственно прилегает к сверхпроводящему металлу, и соотнощепиё Толщин внешних слоев обратно пропорционально значениям модулей упругости металлов, из которых они выполнены.

.

izzzzzd

0 .2 . .6 8 1.0 иг

0 .2 . .6 .8 (.0 Риг 5