Ниобий-олово

Сверхпроводящее интерметаллическое соединение Фазовая диаграмма Nb-Sn

Ниобий – олово представляет собой интерметаллическое соединение ниобия (Nb) и олова (Sn), используется в промышленности как сверхпроводник типа II. Это интерметаллическое соединение имеет простую структуру: A3B. Он дороже, чем ниобий-титан (NbTi), но остается сверхпроводящим до плотности магнитного потока 30 тесла [Тл] (300000 Гс), по сравнению с пределом примерно 15 Тл для NbTi.

Nb3Sn был открыт как сверхпроводник в 1954 году. Способность материала выдерживать высокие токи и магнитные поля была обнаружена в 1961 году и положила начало эпохе крупномасштабных применений сверхпроводимости.

критическая температура составляет 18,3 кельвина (-254,8 ° C; -426,7 ° F). Температура нанесения обычно составляет около 4,2 К (−268,95 ° C; −452,11 ° F), т.е. точка кипения жидкого гелия при атмосферном давлении.

В апреле 2008 года была заявлена ​​рекордная не-медная плотность тока в 2643 А мм при 12 Т и 4,2 К.

• 1 Проволока из ниобий-оловянного композитного материала
  • 1.1 Влияние деформации
• 2 История
• 3 Известные применения
• 4 Разработки и будущие применения
• 5 См. Также
• 6 Ссылки
• 7 Внешние ссылки

Устройство ячейка фаз A3B из Nb 3Sn

С механической точки зрения, Nb 3 Sn чрезвычайно хрупкий, и поэтому его нельзя легко втянуть в провод, что необходимо для намотки сверхпроводящих магнитов. Чтобы избежать этого, производители проволоки обычно используют композитные проволоки, содержащие пластичные предшественники. Процесс «внутреннего олова» включает отдельные сплавы Nb, Cu и Sn. «Бронзовый» процесс содержит Nb в матрице медь – олово бронза. В обоих процессах прядь обычно вытягивается до конечного размера и скручивается в соленоид или кабель перед термообработкой. Только во время термообработки Sn вступает в реакцию с Nb с образованием хрупкого сверхпроводящего соединения ниобий-олово. Также используется процесс порошка в трубке.

Высокопольная секция современных магнитов ЯМР состоит из ниобий-оловянной проволоки.

Эффекты деформации

Внутри магнита провода подвергаются воздействию высоких сил Лоренца, а также термических напряжений во время охлаждения. Любая деформация в ниобиевом олове вызывает снижение сверхпроводящих характеристик материала и может вызвать разрушение хрупкого материала. Из-за этого провода должны быть как можно более жесткими. Модуль Юнга ниобия-олова составляет около 140 ГПа при комнатной температуре. Однако жесткость снижается до 50 ГПа, когда материал охлаждается ниже 50 К (-223,2 ° C; -369,7 ° F). Поэтому инженеры должны найти способы улучшить прочность материала. В композитные проволоки из ниобия и олова часто включают упрочняющие волокна для повышения их жесткости. Обычные упрочняющие материалы включают: инконель, нержавеющую сталь, молибден и тантал из-за их высокой жесткости при криогенных температурах. Поскольку коэффициенты теплового расширения матрицы, волокна и ниобиевого олова различны, после отжига и охлаждения проволоки до рабочих температур могут возникать значительные напряжения. Эта деформация называется предварительной деформацией проволоки. Поскольку любая деформация в ниобиевом олове обычно снижает сверхпроводящие свойства материала, необходимо использовать правильную комбинацию материалов, чтобы минимизировать это значение. Предварительное напряжение в композитной проволоке можно рассчитать по формуле

$\epsilon \; m\; =\; V\; c\; E\; c\; \{\Delta \; LL\; c\; -\; \Delta \; LL\; f\}\; -\; \sigma \; cu,\; y\; V\; cu\; -\; \sigma \; bz,\; y\; V\; bz\; V\; f\; E\; f\; +\; V\; c\; E\; c.\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{m\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{c\}\; E\_\; \{c\}\; \backslash \; \{\{\backslash \; frac\; \{\backslash \; Delta\; L\}\; \{L\_\; \{c\}\}\}\; -\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; Delta\; L\}\; \{L\_\; \{f\}\}\}\; \backslash \}\; -\; \backslash \; sigma\; \_\; \{cu,\; y\}\; V\_\; \{cu\}\; -\; \backslash \; sigma\; \_\; \{bz,\; y\}\; V\_\; \{bz\}\}\; \{V\_\; \{f\}\; E\_\; \{f\}\; +\; V\_\; \{c\}\; E\_\; \{\; c\}\}\}.\}$

где ε m - предварительная деформация, ΔL / L c и ΔL / L f - изменения длины из-за к тепловому расширению канала из ниобия и олова и упрочняющего волокна соответственно; V c, V f, V cu и V bz - объемные доли трубопровода, волокна, меди и бронзы; σ cu, y и σ bz, y - пределы текучести меди и бронзы; и E c, и E f - это модуль Юнга канала и волокна. Поскольку медная и бронзовая матрица пластически деформируется во время охлаждения, они прикладывают постоянное напряжение, равное их пределу текучести. Канал и волокно; однако деформируются упруго по своей конструкции. Промышленные сверхпроводники, изготовленные методом бронзы, обычно имеют значение предварительной деформации от 0,2% до 0,4%. Так называемый эффект деформации вызывает снижение сверхпроводящих свойств многих материалов, в том числе ниобия и олова. Критическая деформация, максимально допустимая деформация, при которой теряется сверхпроводимость, задается формулой

$\epsilon \; c\; =\; \epsilon \; c\; o\; \{1\; -\; B\; B\; c\; 2\; m\}.\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{c\}\; =\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{co\}\; \backslash \; \{1\; -\; \{\backslash \; frac\; \{B\}\; \{B\_\; \{c2m\}\}\}\; \backslash \}.\}$

где ε c - критическая деформация, ε co - это параметр, зависящий от материала, равный 1,5% при растяжении (-1,8% при сжатии) для ниобия-олова, B - приложенное магнитное поле, а B c2m это максимальное [сверхпроводник типа II | верхнее критическое поле] материала. Деформация в ниобиевом олове вызывает тетрагональные искажения кристаллической решетки, которые изменяют спектр электрон-фононного взаимодействия. Это эквивалентно увеличению беспорядка в кристаллической структуре A15. При достаточно высокой деформации, около 1%, в канале из ниобия и олова разовьются трещины, и токопроводящая способность провода будет необратимо нарушена. В большинстве случаев, за исключением условий сильного поля, канал из ниобия и олова разрушается до того, как будет достигнута критическая деформация.

Nb3Sn был открыт как сверхпроводник в 1954 году, через год после открытия V3Si, первого примера сверхпроводника A 3 B. В 1961 году было обнаружено, что ниобий-олово все еще проявляет сверхпроводимость при больших токах и сильных магнитных полях, таким образом, он стал первым известным материалом, поддерживающим высокие токи и поля, необходимые для создания полезных высокомощных магнитов и электрического оборудования .

Nb3Sn-провод от термоядерного реактора ITER , который в настоящее время строится.

Центральный соленоид и тороидальное поле сверхпроводящие магниты для планируемого экспериментального термоядерного реактора ITER используют ниобий-олово в качестве сверхпроводника. Катушка центрального соленоида будет создавать поле 13,5 тесла (135 000 G). Катушки с тороидальным полем будут работать при максимальном поле 11,8 Т. Расчетное использование составляет 600 метрических тонн (590 длинных тонн) нитей Nb 3 Sn и 250 метрических тонн нитей NbTi.

На Большом адронном коллайдере в ЦЕРН в ключевых точках ускорителя устанавливаются сверхпрочные квадрупольные магниты (для фокусировки лучей) из ниобия-олова. между концом 2018 и началом 2020 года. Ниобиевое олово использовалось с 1986 года в качестве альтернативы ниобий-титановому, поскольку они допускали менее сложные хладагенты, чем сверхтекучий гелий. В конце концов, этот вариант не использовался, чтобы избежать задержек при конкуренции с запланированным тогда сверхпроводящим суперколлайдером.