Ленточный сверхпроводник

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Союз Соеетских

Социалистических

Республик

Зависимый от патента №

МПК, Н Olb 1/02

Н 01i: 11 12

Заявлено 29Х!1.1968 (№ 1259701/24-7) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 02.lll.1971. Бюллетень № 9

Дата опубликования описания 8.VII.1971

Комитет по делам изобретений и открытий при Сосете Мииистрое

СССР

УДК 621.315.59 (088.8) Авторы изобретения

Иностранцы

Марк Джильберт Бенц и Луис Фассел Коффин мл. (Соединенные Штаты Америки) Иностранная фирма

«Дженерал Электрик Компани» (Соединенные Штаты Америки) Заявитель

ЛЕНТОЧНЫЙ СВЕРХПРОВОДН ИК

Отдельные металлы (чистые иля содержа. щие малые добавки сплавов) способны после взаимодействия с другими металлами образовать сверхпроводники с высокой электропроводностью. Ниобий, тантал, технеций и ванадий могут взаимодействовать или сплавляться с оловом, алюминием, кремнием или галлием, образуя сверхпроводящие соединения или сплавы, такие как Nb>Sn с высокой электропроводностью. Эти сплавы или соединения могут быть улучшены путем предваритепьного сплавлен и я основного или материнского металла, т. е. ниобия, тантала, технеция пли ванадия, с малым количеством растворенного металла, имеющего 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 †циркон, ниобий †тит), а другие (интерметаллическое соединение ниобия †оло Nb3Sn и иные интерметаллические соединения) определяют как «хрупкие», фактически различие вежд> ними относительно мало. Например, разрывная гибкость (процент удлинения прп разрыве) для так называемых «гибких» материалов порядка 0,8%, а для «хрупких» материалов

02%

Ниобий представляет собой черезвычайно ценный материнский металл, вследствие того, что сплавы, которые он образует, являютсч наиболее сверхпроводящпмн. Для значитель10 ного увеличения способности ниобия проводить электрический ток, к нему может быть добавлено, например, небольшое процентное количество растворенного металла (обычно больше, чем 0,1 вес. %). Циркоппевые добавки

15 наиболее полезны. Растворенный металл, например цирконий, добавляют в количестве, определяемом пределами от 0,1 вес. %, до количества, эквивалентного отношению, представляемому формулой NbqZr. Иные добавки при20 меняют в сходных количествах. Ниобий, имеющий растворенный металл-добавку, взаимодействует либо с оловом, либо с алюминием путем контактирования ниобия с одним из этих металлов и дальнейшего нагревания их

25 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 зна30 чению 8: 1, т. е. КЬзЯп. поскольк эти мате297215 риалы являются наиболее сверхпроводящими.

Такой сплав изготовляется в различных формах, в частности в виде проволок и тонких лент, для производства таких устройств как электромагниты, дающие высокие поля за счет сверхпроводимости.

Одним из наилучших способов получения сверхироводящей проволоки или лепты является способ, при котором проволоки или ленту из подобранного материнского металла, преимущественно 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 черезвычайно высокие плотности тока, при использовании их в катушках для электромагнитов было обнаружено, что они хрупки и подвержены трещинам и изломам, что в конеч ном счете приводит к непригодности устройств для тех целей, которым они предназначены.

Кроме того, когда токовая нагрузка на сверхпроводящей катушке превосходит критическую плотность тока, обмотка переходит в состояние нормальной проводимости, и при этом выделяется большое количество тепла, которое должно быть быстро рассеяно, чтобы не повредить катушку электромагнита.

Известны сверхпроводниковые ленты, содержащие сверхпроводящую внутреннюю прослойку и внешнюю прослойку из несверхпроводникового металла, которые являются гибкими и могут быть свиты в катушку без повреждения хрупкого сверхпроводникового материала. Например, относительно тонкую ленту ниобиевой фольги обрабатывают оловом, в результате чего на поверхности фольги образуется плотно прилегающий слой Nb Sn. Затем к каждой из основных поверхностей сверхпроводящей ленты мягким припоем припаивают медную фольги тех же размеров, а на наружные поверхности медной фольги мягким припоем ленты, например, из нержавеющей стали.

В результате образуется симметричная слоистая структура. Ленты, изготовленные таким образом, имеют ряд преимуществ, Они совсем гибкие и легко могут быть свернуты в катушку. Вследствие разницы в значениях коэффициентов теплового расширения для меди и для

«ниобий †ниоб-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 между двумя слоями немагнитных, несверхпроводниковых материалов. Один из слоев выполнен из материа5

65 ла с высоким модулем упругости и высокйм 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 больший коэффициент теплового расширения, чем сверхпроводниковый материал (последний способен выдерживать напряжение, возникающее при свивании его в катушку или другую конфигурацию). Целостное соединение между наружными слоями и внутренней сверхпроводниковой прослойкой может быть выполнено с помощью, например, пайки.

На фиг. 1 изображен предложенный слоистый сверхпроводник, поперечное сечение; на фиг. 2 — вариант сверхпроводника; на фиг, 3 — испытание сверхпроводника; на фиг. 4— график электрических свойств проводника на фиг, 2, по оси Х вЂ” отношение тока в образце, подвергшемся испытанию, к току в образце до изгибания (/О), по оси Y — диаметр изгиба образца; на фиг. 5 — график сверхпроводники, показанного на фиг. 1.

Сверхпроводник содержит слой 1 из несверхпроводного металла или сплава с высоким модулем упругости и относительно высоким пределом текучести. Такими материалами могут быть нержавеющая сталь или доступные сплавы на никелевой или кобальтовой основе.

Внутренний слой 2 содержит относительно хрупкий слой сверхпроводникового материала.

Слой 8 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 меньше, 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. Предпочтительным материалом является нержавеющая сталь 304 для слоя 1, Nb3Sn для слоя 2 и медь для слоя 8.

Эти материалы могут быть спрессованы посредством обычного свинцово-оловянного припоя. Слой 8 несколько толще слоя 1, На фиг. 2 показан слоистый сверхпроводник, слои 4, 5, б которого соответствуют слоям 1, 2 и 8, но слои 4 и б выполнены одинаковой толщины.

Слой 1 выполнен из ленты нержавеющей стали 304, в жестком состоянии (толщина около 25 мк, предел текучести превышает

7031 кг/см ), Слой 2 выполнен из Nb>Sn сверхпроводника, полученного диффузионной реак5

45 цией оловянного покрытия на ниобиевой ленте по известному способу. Толщина слоя около

2 мк, минимальный критический ток 800 а в поперечном поле напряженностью 100 кгс слой

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

Толщина мягкого медного слоя б в проводнике (показанном на фиг. 2) 25 як.

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 уменьшается с переходом в нормальное сопротивление в условиях расположения проводника при

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 (сплошная линия на фиг. 4), образцы могут быть изогнуты вокруг диаметров приблизительно от 2,5 до

0,5 м и без повреждений. Если на наружном радиусе изгиба находится медный слой, повреждения сверхпроводника заметны при диаметре 20 лил (штриховая линия).

При испытании образцов, в которых медный слой 8 (см. фиг. 1) вдвое толще слоя 1 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 л .я без заметных повреждений.

Таким образом, слоистый сверхпроводник, 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 катушку, могут иметь концы, соединенные посредством связи медь к меди, даже если радиус катушки совсем мал.

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

Предмет изобретения

Ленточный сверхпроводник с внутренним слоем из сверхпроводящего металла, например интерметаллического соединения Nb>Sn, заключенным между слоями из несверхпроводящих металлов, один из которых, прилегающий 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 пределом текучести, отличсоощийся тем, что, с целью упрощения конструкции сверхпроводнпка, второй слой непосредственно прилегает и сверхпроводящем у металлу, и соотношение толщин внешних слоев обратно пропорционально значениям модулей упругости металлов, из которых они выполнены.

«Риг 2 оиг J х

1Dil ) о °

Р °,Z0

0 .2 .4 .б д t д .2 .Ф .б .Д 10 Риг иг 5

Заказ К89/19 Изд. № 626 Тираж 473 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Составитель 10. Цыбульникова

Редактор Е. Г. Кравцова Техред Л. Е. Евдонов Корректор О. С. Зайцева