Способ обработки сверхпроводящих материалов

Изобретение относится к способу обработки сверхпроводящих материалов на основе композитных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и может быть использовано для передачи электроэнергии, для создания токоограничителей, трансформаторов, мощных магнитных систем. Способ основан на формировании плазменного потока в газовой среде и воздействии им на твердотельную мишень, при этом формируют сфокусированную магнитным полем кумулятивную плазменную струю в импульсном режиме со скоростью истечения струи (4-10)·10⁵ м/сек с обеспечением в импульсе давления струи на твердотельную мишень 10⁵-10⁶ атмосфер, температурой более 10⁶ °C и плотностью потока энергии в плазменной струе 10⁸-10¹⁰ Вт/см². При воздействии плазменным потоком на твердотельную мишень создают в ней ударную волну и передают энергию ударной волны через слой вязкой среды на сверхпроводящий материал. Плазменную струю формируют в среде неона, или аргона, или водорода, или азота, или их смеси. Длительность импульсного воздействия кумулятивной струи на твердотельную мишень составляет (5-10)·10^-8 сек. В качестве твердотельной мишени используют пластину из тугоплавкого материала, а в качестве вязкой среды используют эпоксидную смолу без отвердителя или другой вязкий материал с низким давлением насыщенных паров. Повышение критического тока в сверхпроводнике является техническим результатом изобретения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области сверхпроводимости, а именно - к технологии получения и обработки композитных материалов на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), предназначенных для передачи электроэнергии, для создания токоограничителей, трансформаторов, мощных магнитных систем.

Целью изобретения является повышение критического тока в сверхпроводнике за счет генерации дополнительных центров пиннинга.

Известен способ обработки сверхпроводников [1], заключающийся в облучении сверхпроводниковой композиции с висмутом Bi(2223) нейтронами низкой энергии. В результате такого облучения критический ток сверхпроводника увеличивается на 30%, а критическая температура увеличивается на 2,5-5,0 К.

Известен также способ обработки сверхпроводников [2], заключающийся в облучении сверхпроводника NbSe₂ электронами на ускорителе Ван де Граафа различными дозами облучения 100, 200 и 500 Мрад. В результате такого облучения критический ток увеличился в два раза по сравнению с необлученными образцами.

Недостатками указанных способов [1, 2] являются большие экономические потери, обусловленные дороговизной оборудования (ускорители, реакторы) и большими энергозатратами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является известный способ обработки сверхпроводников [3], заключающийся в облучении сверхпроводника плазменным потоком ионов аргона, генерируемых в установке типа плазменный фокус. Данный способ использован для увеличения критической температуры сверхпроводящей толстой пленки на основе висмута (BiPb)SrCaCuO. Эта пленка была изготовлена методом трафаретной печати и содержала две сверхпроводящие фазы с разной критической температурой, 2212 (Т_с=85К) и 2223 (T_c=110K). В результате термического воздействия плазменного потока происходила перекристаллизация, после чего пленка оказывалась однофазной - Bi(2223) - с высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние.

Недостатком этого способа [3] является использование теплового воздействия плазменного фокуса, которое приводит к изменению критической температуры, а не критического тока, наиважнейшей характеристики токонесущей способности сверхпроводника.

Кроме того, недостатком этого способа воздействия на сверхпроводник [3] при выбранных параметрах плазменного потока ионов аргона является недостаточная эффективность структурно-фазовых превращений и, соответственно, слабое повышение токонесущих свойств.

В предлагаемом способе обработки сверхпроводящих материалов, основанном на формировании плазменного потока в газовой среде и воздействии им на твердотельную мишень, технический результат, заключающийся в устранении недостатка прототипа, а именно - в повышении токонесущих свойств сверхпроводника, достигается тем, что формируют сфокусированную магнитным полем кумулятивную плазменную струю в импульсном режиме со скоростью истечения струи (4-10)·10⁵ м/сек с обеспечением в импульсе давления струи на твердотельную мишень 10⁵-10⁶ атмосфер, температурой более 10⁶ °С и плотностью потока энергии в плазменной струе 10⁸-10¹⁰ Вт/см², причем при воздействии плазменного потока на твердотельную мишень в ней создают ударную волну и передают энергию ударной волны через слой вязкой среды на сверхпроводящий материал.

Под действием ударной волны происходит образование дополнительных (искусственных) центров пиннинга, которые препятствуют свободному перемещению магнитных вихрей, что приводит к увеличению критического тока во внешнем магнитном поле.

Примечание: Пиннинг - от анг. pin - булавка - закрепление Абрикосовских магнитных вихрей на дефектах структуры.

Технический результат достигается также тем, что плазменную струю формируют в среде неона, или аргона, или водорода, или азота, или их смеси, и тем, что длительность импульсного воздействия кумулятивной струи на твердотельную мишень составляет (5-10)·10^-8 сек.

Кроме того, технический результат достигается тем, что в качестве твердотельной мишени используют пластину из тугоплавкого материала, например молибдена, тантала и других тугоплавких металлов и сплавов, а в качестве вязкой среды используют эпоксидную смолу без отвердителя или другой вязкий материал с низким давлением насыщенных паров и высокой способностью прилипания к поверхности сверхпроводника.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ;

- на фиг.2 приведены вольт-амперные характеристики ВТСП - ленты до и после воздействия кумулятивной струи плазмы.

Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности операций над материальным объектом;

- формируют сфокусированную магнитным полем кумулятивную плазменную струю в импульсном режиме со скоростью истечения струи (4-10)·10⁵ м/сек с обеспечением в импульсе давления струи на твердотельную мишень 10⁵-10⁶ атмосфер, температурой более 10⁶ °С и плотностью потока энергии в плазменной струе 10⁸-10¹⁰ Вт/см²;

- при воздействии плазменным потоком на твердотельную мишень создают в ней ударную волну;

- энергию ударной волны передают через слой вязкой среды на сверхпроводящий материал.

При этом плазменную струю формируют в среде неона, или аргона, или водорода, или азота, или их смеси.

Длительность импульсного воздействия кумулятивной струи на твердотельную мишень составляет (5-10)·10^-8 сек.

В качестве твердотельной мишени используют пластину из тугоплавкого материала, например молибдена, тантала и других тугоплавких металлов и сплавов.

В качестве вязкой среды используют эпоксидную смолу (без отвердителя) или другой вязкий материал с низким давлением насыщенных паров.

Аппаратурная реализация способа поясняется чертежом на фиг.1, на котором изображены образец 1 (ленточный сверхпроводник), алюминиевая кювета 2, слой 3 эпоксидной смолы, пластина из молибдена 4, струя аргоновой плазмы 5, катод 6 и анод 7.

В основе предлагаемого способа лежит явление образования многочисленных наноразмерных точечных дефектов - вакансий и межузельных атомов (коллективных пар Френкеля) - на фронте ударных волн при их прохождении через металлические и полупроводниковые материалы. При этом концентрация возникающих вакансий может на несколько порядков превышать концентрацию термических вакансий, присутствующих в материале образца при выбранной температуре

Как показали исследования, при воздействии на ВТСП ударных волн большой мощности происходят существенные изменения сверхпроводящих характеристик как за счет формирования в сверхпроводнике более равновесных структурно-фазовых состояний, так и за счет образования дислокационных петель внедрения и вакансионных пор, являющихся дополнительными центрами пиннинга.

Для реализации субмикросекундного ударно-волнового воздействия использовано явление генерации ударных волн при взаимодействии высокоскоростной кумулятивной струи плазмы с твердотельной мишенью. Для этого был выбран режим работы установки со следующими параметрами: энергия, запасаемая в конденсаторном накопителе, 3.6 кДж, рабочий газ - аргон, давление рабочего газа 2.5 мбар. Установка позволяла получать кумулятивные плазменные струи с ионной плотностью около 10¹⁸ см^-3. Скорость плазменной струи в месте установки образцов (1-4)•10⁷ см/с. Время воздействия плазменного импульса на образец ~ 50 нс. Плотность потока энергии плазменного импульса на мишени от 10⁸ до 10¹⁰ Вт/см².

Кумулятивная плазменная струя 5 направлялась в узел установки образца, представляющий собой разборную алюминиевую кювету 2 с окном в стенке, обращенной к струе. Для исключения термического воздействия струи плазмы устанавливалась защитная пластина 4 из молибдена. Для равномерной передачи ударного воздействия на поверхность образца 1 по всей площади контакта использовалась вакуумная эпоксидная смола 3, заполняющая промежуток от пластины 4 молибдена до образца 1.

Образцы 1 представляли собой прямолинейные отрезки герметичного композитного сверхпроводника в виде ленты размером 0.1х4х30 мм³ производства компании "SuperPower Inc." (США) с критическими параметрами J_c=2·10⁶ А/см² (при Т=77К) и Т_с=92К. Лента Y-123 представляет собой пленку YBa₂Cu₃O_7-х на подложке из сплава хастеллой С 276 (Ni-Cr-Мо-Fe-W) с несколькими буферным слоями. Сверху пленка сверхпроводника покрыта слоем серебра толщиной 2 мкм. Для защиты от механических повреждений, герметизации и стабилизации сверхпроводящего состояния лента Y-123 также покрыта слоем меди толщиной 20 мкм.

Результаты эксперимента

Величина критического тока до и после воздействия кумулятивной струи плазмы определялась четырехзондовым методом по вольтамперным характеристикам, приведенным на фиг.2. Получено заметное увеличение величины критического тока:

I_c увеличился с 95 А до 100 А (Т=77К, Н=0).

Для исследования пространственного распределения критического тока в ВТСП-ленте, обработанной ударными волнами, применен метод сканирующей холловской магнитометрии. Суть метода заключается в том, что датчик Холла фиксирует непосредственно величину локального магнитного поля на поверхности ВТСП-образца, предварительно намагниченного во внешнем магнитном поле. При перемещении датчика Холла в двух направлениях производится сканирование и запись значения магнитного потока по всей исследуемой поверхности. Из полученных данных с помощью численного решения задачи инверсии закона Био-Савара в рамках модели Бина определен критический ток в различных точках исследуемого образца.

Основой экспериментального стенда является полупроводниковый датчик Холла, расположенный на двухкоординатном манипуляторе. Использовался преобразователь Холла, имеющий следующие характеристики: размер преобразователя 2×1.5×0.6 мм³, размер рабочей зоны датчика 0.45×0.15 мм², магнитная чувствительность 64 мкВ/мТл.

С помощью сканирующей холловской магнитометрии были построены поверхности распределения захваченного магнитного поля и критического тока, которые демонстрируют заметное повышение токонесущей способности после воздействия ударной волны. Кроме того, показано, что несмотря на локальное действие плазменной струи (диаметром примерно 5 мм), увеличение критического тока происходит по всей площади образца.

Для исходного и экспериментального образцов были измерены зависимости критического тока от внешнего магнитного поля до 8 Тл при двух ориентациях (в параллельном поле и перпендикулярно по отношению к поверхности ленты). Для каждой из указанных ориентаций значение критического тока после воздействия ударной волны оказалось заметно больше, чем в исходном образце.

Таким образом, предлагаемый способ ударного воздействия импульсной высокоскоростной кумулятивной струи плазмы приводит к повышению критического тока ВТСП-ленты, в том числе в сильных магнитных полях до 8 Тл. Предполагается, что причиной увеличения критического тока под действием ударной волны является генерация эффективных центров пиннинга в сверхпроводник.

Для реализации предлагаемого способа использовалась установка типа плазменный фокус ПФ-4 комплекса "Тюльпан" (ФИАН). В качестве образца 1 использовалась промышленная лента ВТСП YBa₂Cu₃О_7-x производства США. Эксперименты проводились при плотности потока энергии (Q), передаваемой плазменной струей на поверхность твердотельной мишени, в диапазоне Q=10⁸-10¹⁰ Вт/см². Изменение плотности потока энергии осуществлялось размещением твердотельной мишени (генератора ударной волны) на различных расстояниях от анода установки плазменный фокус.

Так, при расположении образца на расстоянии Х меньше 10 мм (Q≥10¹⁰ Вт/см²) наблюдается деградация электрических свойств ВТСП-лент.

При расстоянии Х более 100 мм (Q≤10⁸ Вт/см²) изменение критического тока ВТСП-ленты не наблюдается.

В интервале Х=20-40 мм (Q≈10⁹ Вт/см²) наблюдается увеличение критического тока с 90 А до 100 А (см. кривые 1 и 2 на фиг.2). Эффект наблюдается при количестве плазменных импульсов 10-15. При увеличении числа плазменный импульсов наблюдается деградация электрических свойств ВТСП-лент.

Источники информации

1. Wu Ming Chen, S.S.Jiang, Y.C.Guo, J.R.Jin, X/S.Wu, X.H.Wang, X.Jin, X.N.Xu, X.X.Yao, S.X.Dou. Effects of low-energy neutron irradiation on Bi-based superconductors. Physica С 299 (1998,) P. 77-82.

2. D.H.Galvan, Shi Li, W.M.Yuhasz, JunHo Kim, M.B.Maple, E.Adem. Superconductivite of NbSe2 samples subjected to electron irradiation. Physica С 398 (2003), P.147-151.

3. Priti Agarwala, M.P.Srivastava, P.N.Dheer, V.P.N.Padmanaban, A.K.Gupta. Enhancement in Tc of superconducting BPSCCO thick films due to irradiation of energetic argon ions of dense plasma focus. Physica С 313 (1998, P.) 87-92.

1. Способ обработки сверхпроводящих материалов, основанный на формировании плазменного потока в газовой среде и воздействии им на твердотельную мишень, отличающийся тем, что формируют сфокусированную магнитным полем кумулятивную плазменную струю в импульсном режиме со скоростью истечения струи (4-10)·10⁵ м/сек с обеспечением в импульсе давления струи на твердотельную мишень 10⁵-10⁶ атмосфер, температурой более 10⁶ °C и плотностью потока энергии в плазменной струе 10⁸-10¹⁰ Вт/см², причем при воздействии плазменным потоком на твердотельную мишень создают в ней ударную волну и передают энергию ударной волны через слой вязкой среды на сверхпроводящий материал.

2. Способ по п.2, отличающийся тем, что плазменную струю формируют в среде неона, или аргона, или водорода, или азота, или их смеси.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность импульсного воздействия кумулятивной струи на твердотельную мишень составляет (5-10)·10^-8 с.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве твердотельной мишени используют пластину из тугоплавкого материала, например, молибдена, тантала и других металлов и сплавов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве вязкой среды используют эпоксидную смолу без отвердителя или другой вязкий материал с низким давлением насыщенных паров.