WikiDer > Ниобий – олово

Niobium–tin

Фазовая диаграмма Nb-Sn

Ниобий – олово является интерметаллид соединение ниобий (Nb) и банка (Sn), используется в промышленности как сверхпроводник II типа. Это интерметаллическое соединение имеет простую структуру: A3B. Это дороже чем ниобий-титановый (NbTi), но остается сверхпроводящим до плотность магнитного потока из 30 теслас [T] (300 000 G),[1] по сравнению с пределом примерно 15 Тл для NbTi.

Nb3Sn был обнаружен 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.

В критическая температура составляет 18,3 кельвины (-254,8 ° C; -426,7 ° F). Температура нанесения обычно составляет около 4,2 К (-268,95 ° C; -452,11 ° F), точка кипения жидкий гелий при атмосферном давлении.

В апреле 2008 г. рекордное количество немедных плотность тока было заявлено 2643 А мм−2 при 12 Тл и 4,2 К.[2]

Проволока из композиционного материала на основе ниобия и олова

Элементарная ячейка A3B-фаз Nb3Sn

Механически Nb3Sn чрезвычайно хрупкий и поэтому его нельзя легко втянуть в провод, который необходим для намотки сверхпроводящие магниты. Чтобы решить эту проблему, производители проволоки обычно вытягивают композитную проволоку, содержащую пластичные предшественники. Процесс «внутреннего олова» включает отдельные сплавы Nb, Cu и Sn. «Бронзовый» процесс содержит Nb в медь-банка бронза матрица. В обоих процессах прядь обычно вытягивается до окончательного размера и скручивается в соленоид или кабель. перед термическая обработка. Только во время термообработки Sn вступает в реакцию с Nb с образованием хрупкого сверхпроводящего соединения ниобий-олово.[3] В порошок в тюбике также используется процесс.[2][4]

Секция высокого поля современного ЯМР Магниты состоят из ниобий-оловянной проволоки.

Эффекты деформации

Внутри магнита провода подвергаются высокому Силы Лоренца а также термические напряжения при охлаждении. Любой напряжение в ниобиевом олове вызывает снижение сверхпроводящих характеристик материала и может привести к разрушению хрупкого материала. Из-за этого провода должны быть как можно более жесткими. В Модуль для младших 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).[5] Поэтому инженеры должны найти способы улучшить прочность материала. В композитные проволоки из ниобия и олова часто включают упрочняющие волокна для увеличения их жесткости. К распространенным упрочняющим материалам относятся: Инконель, нержавеющая сталь, молибден и тантал из-за их высокой жесткости при криогенных температурах.[6] Поскольку коэффициенты теплового расширения матрицы, волокна и ниобиевого олова различны, после отжига и охлаждения проволоки до рабочих температур могут возникать значительные деформации. 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

где εм - предварительная деформация, ΔL / Lc и ΔL / Lж - изменения длины из-за теплового расширения канала из ниобия и олова и упрочняющего волокна соответственно; Vc, Vж, Vу.е., а Vbz - объемные доли трубопровода, волокна, меди и бронзы; σу.е., у, а σbz, y - пределы текучести меди и бронзы; и Ec, а Eж - модуль Юнга канала и волокна.[7] 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 величину 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, определяется формулой

где εc - критическая деформация, εco - параметр, зависящий от материала, равный 1,5% при растяжении (-1,8% при сжатии) для ниобия олова, B - приложенное магнитное поле, а Bc2m это максимальное [сверхпроводник типа II | верхнее критическое поле] материала.[8] Деформация в ниобиевом олове вызывает тетрагональные искажения кристаллической решетки, которые изменяют спектр электрон-фононного взаимодействия. Это эквивалентно увеличению беспорядка в кристаллической структуре A15.[9] 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.

История

Nb3Sn был открыт как сверхпроводник в 1954 году, через год после открытия V3Si, первый пример A3B сверхпроводник.[10] В 1961 году было обнаружено, что ниобий-олово все еще проявляет сверхпроводимость при больших токах и сильных магнитных полях, таким образом, став первым известным материалом, поддерживающим высокие токи и поля, необходимые для создания полезных мощных магнитов и электроэнергии. машины.[11][12]

Известные применения

Nb3Sn провод от ИТЭР термоядерный реактор, который в настоящее время находится в стадии строительства.

Центральный соленоид и тороидальное поле сверхпроводящие магниты для запланированного экспериментального ИТЭР слияние В реакторе в качестве сверхпроводника используется ниобий-олово.[13] Катушка центрального соленоида будет создавать поле 13,5 тесла (135 000 G). Катушки тороидального поля будут работать при максимальном поле 11,8 Т. Расчетное использование составляет 600 метрических тонн (590 длинных тонн) Nb.3Прядей Sn и 250 метрических тонн NbTi пряди.[14][15]

На Большой адронный коллайдер в ЦЕРНС конца 2018 г. по начало 2020 г. в ключевых точках ускорителя устанавливаются сверхпрочные квадрупольные магниты (для фокусировки лучей) из ниобия-олова.[16]Ниобиевое олово использовалось с 1986 года как альтернатива ниобий-титановый, поскольку они допускали использование охлаждающих жидкостей менее сложных, чем сверхтекучий гелий.[требуется разъяснение][нужна цитата] В конце концов, этот вариант не был реализован, чтобы избежать задержек и конкурировать с запланированными на тот момент действиями под руководством США. Сверхпроводящий суперколлайдер.

Разработки и будущее использование

Гафний или же цирконий добавление ниобия-олова увеличивает максимальную плотность тока в магнитном поле. Это может позволить использовать его при 16 тесла для запланированных ЦЕРН Круговой коллайдер будущего.[17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Годеке, А .; Cheng, D .; Dietderich, D. R .; Ferracin, P .; Prestemon, S.O .; Sa Bbi, G .; Сканлан, Р. М. (1 сентября 2006 г.). «Пределы NbTi и Nb3Sn и разработка сильнопольных ускорительных магнитов W&R Bi – 2212 ». Управление науки, физика высоких энергий, Министерство энергетики США. Получено 26 декабря, 2015. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  2. ^ а б «Рекордный ток со сверхпроводником типа порошок в трубке». labtalk.com. Архивировано из оригинал 8 октября 2008 г.. Получено 6 сентября, 2008.
  3. ^ Scanlan, R .; Грин, А. Ф .; Суэнага, М. (май 1986 г.). Обзор высокополевого сверхпроводящего материала для магнитов ускорителей. 1986 Семинар ICFA по сверхпроводящим магнитам и криогенике. Аптон, штат Нью-Йорк. Отчет LBL-21549.
  4. ^ Lindenhovius, J. L.H .; Хорнсвельд, Э. М .; den Ouden, A .; Wessel, W. A. ​​J .; Тен Кейт, Х. Х. Дж. (2000). "Порошок в тубе (PIT) Nb3Sn-проводники для сильнопольных магнитов ». IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости. 10 (1): 975–978. Bibcode:2000ITAS ... 10..975L. Дои:10.1109/77.828394.
  5. ^ Bussiére, J. F .; LeHuy, H .; Фаучер, Б. (1984). «УПРУГОЕ ПОВЕДЕНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ Nb3Sn, V3Ga И Nb3Ge». Достижения в области криогенных технических материалов. Спрингер, Бостон, Массачусетс. 30: 859–866. Дои:10.1007/978-1-4613-9868-4. Получено 20 мая, 2020.
  6. ^ Flükiger, R .; Drost, E .; Спкинг, W. (1984). «ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННЕГО УСИЛЕНИЯ НА КРИТИЧЕСКУЮ ПЛОТНОСТЬ ТОКА ПРОВОДОВ Nb 3 Sn». Достижения в области криогенных технических материалов. Спрингер, Бостон, Массачусетс. 30: 875–882. Дои:10.1007/978-1-4613-9868-4. Получено 20 мая, 2020.
  7. ^ Стивс, М. М .; Hoenig, M. O .; Сайдерс, C.J. (1984). «ВЛИЯНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ ИНКОЛОЯ 903 И ТАНТАЛА НА КРИТИЧЕСКИЙ ТОК В КАБЕЛЬНЫХ ПРОВОДАХ Nb3Sn». Достижения в области криогенных технических материалов. Спрингер, Бостон, Массачусетс. 30: 883–890. Дои:10.1007/978-1-4613-9868-4. Получено 20 мая, 2020.
  8. ^ Экин, Дж. У. (1984). «ДЕФФЕКТИВНОЕ ДЕЙСТВИЕ В СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СОЕДИНЕНИЯХ». Достижения в области криогенных технических материалов. Спрингер, Бостон, Массачусетс. 30: 823–836. Дои:10.1007/978-1-4613-9868-4. Получено 20 мая, 2020.
  9. ^ Годеке, А. (2008). «Обзор свойств Nb 3 Sn и их вариаций в зависимости от состава, морфологии и деформированного состояния A15». Наука и технологии сверхпроводников. IOP Publishing Ltd. 19 (8): 68–80.
  10. ^ Matthias, B.T .; Гебалле, Т.; Геллер, С .; Коренцвит, Э. (1954). «Сверхпроводимость Nb3Sn ». Физический обзор. 95 (6): 1435. Bibcode:1954ПхРв ... 95.1435М. Дои:10.1103 / PhysRev.95.1435.
  11. ^ Гебалле, Теодор Х. (1993). «Сверхпроводимость: от физики к технике». Физика сегодня. 46 (10): 52–56. Bibcode:1993ФТ .... 46ж..52Г. Дои:10.1063/1.881384.
  12. ^ Годеке, А. (2006). «Обзор свойств Nb3Sn и их изменения в зависимости от состава A15, морфологии и состояния деформации». Сверхсекунда. Sci. Technol. 19 (8): R68 – R80. arXiv:cond-mat / 0606303. Bibcode:2006SuScT..19R..68G. Дои:10.1088 / 0953-2048 / 19/8 / R02.
  13. ^ «Результаты первых испытаний тороидального магнитопровода ИТЭР». Commissariat à l'Énergie Atomique. 10 сентября 2001 г.. Получено 6 сентября, 2008.
  14. ^ Grunblatt, G .; Mocaer, P .; Verwaerde, Ch .; Колер, К. (2005). «История успеха: производство кабелей LHC на предприятии ALSTOM-MSA». Fusion Engineering and Design (Материалы 23-го симпозиума по технологии термоядерного синтеза). 75–79: 1–5. Дои:10.1016 / j.fusengdes.2005.06.216.
  15. ^ «Alstom и Oxford Instruments объединились, чтобы предложить сверхпроводящую нить ниобий – олово». Альстрём. 27 июня 2007 г.. Получено 6 сентября, 2008.
  16. ^ Росси, Лючио (25 октября 2011 г.). «Сверхпроводимость и LHC: первые дни». ЦЕРН Курьер. ЦЕРН. Получено 10 декабря, 2013.
  17. ^ Министерство энергетики США выделило MagLab 1,5 миллиона долларов на разработку сверхпроводников лучшего качества Июль 2020

внешняя ссылка