Патент на изобретение №2334296

(54) ТЕПЛОСТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ СВЕРХПРОВОДНИК

(57) Реферат:

Изобретение относится к области прикладной сверхпроводимости и может быть использовано при изготовлении сверхпроводников для сильно механически нагруженных сверхпроводящих обмоток, работающих в переменных режимах, например сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии, дипольных и квадрупольных магнитов для ускорителей заряженных частиц. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей сверхпроводника за счет увеличения его теплопоглощающей способности. Для этого теплостабилизированный сверхпроводник выполняют в виде матрицы из металла или сплава, содержащей волокна сверхпроводящего материала и соединение из редкоземельных металлов с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах. При этом сверхпроводник содержит, по меньшей мере, две металлические трубки произвольного поперечного сечения, заполненные соединением из редкоземельных металлов, а расстояние между трубками составляет не менее двух линейных размеров трубки, и сверхпроводник имеет наружную оболочку из металла с высокими проводящими свойствами. Трубки с соединением из редкоземельных металлов могут быть распределены как по сечению сверхпроводника как в матрице, так и в оболочке. 4 ил.

Изобретение относится к области прикладной сверхпроводимости и может быть использовано при изготовлении сверхпроводников для сильно механически нагруженных сверхпроводящих обмоток (с механическим напряжением проводника больше 100 МПа при работе), а также для сверхпроводящих обмоток и устройств, работающих в переменных режимах, например сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии, дипольных и квадрупольных магнитов для ускорителей заряженных частиц.

Известен сверхпроводник, в котором волокно или множество волокон расположены в матрице из высокопроводящего металла или сплава, см. Фонер С., Шварц Б. Металловедение и технология сверхпроводящих материалов, “Металлургия”, 1987, стр.64.

Недостатком известного сверхпроводника является ограниченная способность работы в переменных режимах при скоростях изменения магнитного поля больше или порядка 1 Т/с. В этих режимах в сверхпроводнике выделятся тепло, которое должно поглощаться либо сверхпроводником за счет собственной теплоемкости, если обмотка плотная без каналов для прохода хладагента, либо хладагентом. Поскольку поглощающая способность сверхпроводника ограничена нагревом до критической температуры сверхпроводника, а хладагента в каналах, соответственно, критическими явлениями в теплоотдаче на поверхности нагретого сверхпроводника, особенно, в узких каналах (кризис режима кипения с резким, на десятки градусов, ростом температуры), то отсюда появляются временные ограничения на работу современных сверхпроводников в переменных режимах.

Наиболее близким техническим решением является теплостабилизированный сверхпроводник, выполненный в виде матрицы из металла или сплава с высокими проводящими свойствами, содержащей волокна из сверхпроводящего материала и соединение из редкоземельных металлов с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах (например, CeAl₃, CeCu₆, HoCu₂, PrB₆, Gd₂O₃, Gd₂O₂S, U₆Fe, Ube₁₃, UZn₁₇). Соединение из редкоземельных металлов может быть диспергированно (распределение) по всей матрице в виде мелких частиц. Соединение из редкоземельных металлов может быть распределено в матрице в виде жил с существенно меньшим поперечным размером, чем сверхпроводящие волокна, причем эти жилы проходят по сверхпроводнику параллельно сверхпроводящим волокнам. Также эти соединения могут в виде кольцевого слоя окружать матрицу с одним сверхпроводящим волокном, либо в виде концентрических слоев чередоваться с металлом матрицы. Собственно матрица может быть выполнена из соединения из редкоземельных металлов и содержать в себе сверхпроводящие волокна (US Patent 4623862, 1986, кл. H01F 7/22).

Введение соединения из редкоземельных металлов с экстремально высокой теплоемкостью (например, при температуре кипения жидкого гелия 4,2 К теплоемкость интерметаллида HoCu₂ в 450 раз больше, чем у меди, а у керамики, Gd₂O₂S соответственно в 650 раз) в состав сверхпроводников с объемной долей 3÷6% в 5÷10 раз повышает их среднюю объемную теплоемкость. Соответственно возрастает их теплопоглощающая способность и способность к работе в переменных режимах, а также в условиях больших механических напряжений сверхпроводника, когда необходима способность противостоять импульсным локальным тепловыделениям механического происхождения (например, движение витков, растрескивание связующего витки материала и т.д.).

Недостатками известного теплостабилизированного сверхпроводника являются практически непреодолимые трудности в его изготовлении. Невозможно обеспечить равномерное диспергирование (распределение) мелкодисперсного порошка из соединения редкоземельных металлов по объему матрицы сверхпроводника из-за невозможности равномерного размешивания этого порошка в расплаве меди, поскольку он существенно легче нее.

Ввиду того, что соединения из редкоземельных металлов (интерметаллиды, например PrB₆, или керамики, например Gd₂O₂S) относятся к классу химических соединений, отличительная черта которых сложное строение кристаллической решетки, они теряют способность к пластической деформации. В этой связи сложно обеспечить необходимую для достижения заданных параметров деформацию композитной заготовки в присутствии высокотеплоемких элементов. Поэтому невозможно обеспечить стандартную операцию безобрывной протяжки с обязательным для сверхпроводящих проводов скручиванием заготовки провода до нужных поперечных размеров и шага скручивания, когда соединения из редкоземельных металлов, также как и сверхпроводящий материал, помещены, например, в медную матрицу в виде стержней, из-за существенной разницы механических свойств. Также невозможно обеспечить безобрывную протяжку заготовки сверхпроводника, но уже без скручивания, когда соединение из редкоземельных металлов размещено в матрице, например, медной, в виде одного или нескольких концентрических слоев, или само выполняет функцию матрицы.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей.

Для достижения технического результата предложен теплостабилизированный сверхпроводник, выполненный в виде матрицы из металла или сплава, содержащей волокна сверхпроводящего материала и соединение из редкоземельных металлов с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах, при этом сверхпроводник дополнительно содержит не менее одной металлической трубки произвольного поперечного сечения, заполненных соединением из редкоземельных металлов, расстояние между трубками составляет не менее двух линейных размеров трубки, при этом сверхпроводник имеет наружную оболочку из металла с высокими проводящими свойствами.

Трубки с соединением из редкоземельных металлов могут быть распределены по сечению сверхпроводника.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено поперечное сечение сверхпроводника на основе Nb-Ti, в центре которого размещена трубка с соединением из редкоземельных металлов, в частности с керамикой Gd₂О₂S; на фиг.2 представлено поперечное сечение сверхпроводника на основе Nb₃Sn, в матрице которого расположены 10 трубок с соединением из редкоземельных металлов, в частности интерметаллидом PrB₆. Поперечное сечение трубок не обязательно должно быть круглым, оно может быть прямоугольным, трапецеидальным и пр. На фиг.3 представлена электрическая схема эксперимента с продольными электромагнитными возмущениями, подаваемыми на образцы изготовленных сверхпроводников (индукционный нагрев кольцевыми вихревыми токами), а на фиг.4 представлены зависимости запасенной в конденсаторе энергии электромагнитного возмущения, при которой образец из Nb-Ti переходит в нормальное состояние (критические энергии; тепловыделения в образцах всегда им пропорциональны) от тока в образце, который помещен во внешнее поперечное магнитное поле с индукцией В=3 Т (критический ток I_с=515 А).

Используя технологические схемы и режимы изготовления сверхпроводников на основе сплава Nb-Ti и соединения Nb₃Sn, были получены два экспериментальных сверхпроводника длиной по 500 м. В первом сверхпроводнике соединение из редкоземельных металлов (Gd₂O₂S) 1 (см. фиг.1) сосредоточено в одной трубке 2, (диаметр трубки ˜0,4 мм), расположенной в центре матрицы 3, несущей в себе волокна сверхпроводящего материала из Nb-Ti 4; матрица заключена в наружную оболочку из меди 5. Во втором сверхпроводнике (см. фиг.2) соединение из редкоземельных металлов (PrB₆) 1 было сосредоточено в нескольких трубках 2, (диаметр трубок ˜0,05 мм),расположенных в матрице из бронзы 3, содержащей волокна Nb – 4. Сверхпроводник Nb₃Sn получается в процессе высокотемпературного отжига, когда олово из матрицы диффундирует в волокна Nb. Матрица окружена стабилизирующей медной наружной оболочкой 5.

Проведены сравнительные испытания по устойчивости к электромагнитным возмущениям двух образцов первого сверхпроводника из Nb-Ti (см. фиг.1). В одном из них присутствует трубка с керамикой Gd₂O₂S, а в другом, контрольном, эта трубка заменена медным стержнем. Образцы представляли собой сверхпроводящие провода диаметром 0,72 мм, содержащие каждый 4242 волокна из Nb-Ti диаметром 6 мкм, скрученных с шагом 17 мм, в медной матрице. Образцы сверхпроводников 6 (см. фиг.3) помещались в изолирующие оправки 7 для имитации адиабатических условий. На оправку 7 наматывалась катушка возбуждения 8 из медного провода диаметром 0,125 мм, содержащая 600 витков. Продольные электромагнитные возмущения моделировались разрядом конденсатора 9 с помощью ключа 10 на катушку возбуждения 8. При этом возникали электромагнитные колебания частотой 320 Гц, которые приводили к индукционному нагреву образца кольцевыми вихревыми токами с характерным временем их затухания 1,1 мс. На фиг.4 сравниваются зависимости энергии возмущений, переводящих образцы в нормальное состояние (критические энергии) от величины транспортного тока, для образца, содержащего высокотеплоемкую добавку – керамику Gd₂O₂S и образца, который ее не содержал. Видно, что использование керамики Gd₂O₂S с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах существенно повышает устойчивость сверхпроводников к импульсным возмущениям (см. фиг.4).

Сосредоточение соединения из редкоземельных металлов в одной или нескольких металлических трубках, которые распределены по сечению сверхпроводника, позволяет создать условия, обеспечивающие дробление и перемещение относительно друг друга и выстраивание кристаллитов в линию параллельно сверхпроводящим волокнам без обрывов как самого провода, так и отдельных волокон.

Основной способ получения проводов большой строительной длины – волочение. Этот способ обработки давлением предполагает уменьшение толщины периферийных и центральных слоев практически на одну и ту же величину, но при этом происходит это под нагрузками разных видов. Периферийные слои значительно утоняются в радиальном направлении под действием радиальных сжимающих напряжений и в меньшей степени под действием продольных растягивающих напряжений. Центральные слои, наоборот, становятся значительно тоньше в радиальном направлении под действием осевых растягивающих напряжений и в меньшей степени – под действием радиальных сжимающих напряжений. При определенных условиях процесса радиальные сжимающие напряжения в центральных слоях ничтожно малы. В этом случае: пластическая оболочка – матрица, маловязкий сердечник – соединение из редкоземельных металлов (интерметаллид или керамика); возникают дополнительные растягивающие напряжения, связанные с более интенсивной деформацией оболочки. При некоторых условиях возникающие в центральных слоях растягивающие напряжения могут вызывать нарушения целостности протягиваемого металла. Нежелательный факт для пластичных материалов может играть положительную роль для формоизменения соединения из редкоземельных металлов. Для конструкции с центральным расположением материала с повышенной теплоемкостью при деформации волочением создаются благоприятные условия для измельчения кристаллитов соединения из редкоземельных металлов, их перемещения относительно друг друга, не вызывая при этом разрушения волокон. Это можно объяснить тем, что возникает разрыхление серединной части или даже разрыв, создающий пустоту, в которую устремляются кристаллиты с периферии, тем самым способствуя перераспределению интерметаллида в процессе пластической деформации волоконной зоны и оболочки из высокопроводящего металла.

Необходимость обеспечения расстояния между трубками с соединением из редкоземельных металлов не менее двух линейных размеров трубки гарантирует сохранение целостности сверхпроводника как композита. Трубки с редкоземельным соединением могут быть распределены как в матрице, так и в оболочке сверхпроводника.

Наличие наружной оболочки из металла с высокими проводящими свойствами позволяет скомпенсировать потерю части сечения матрицы, занятой трубками с соединением из редкоземельных металлов. Для исключения электрического пробоя и пережога проводника в сверхпроводящих магнитах часть его сечения (˜50%) должна быть занята металлом с высокими проводящими свойствами (например, медь, алюминий). Кроме того, когда сверхпроводящий материал требует высокотемпературного отжига (Nb₃Sn, Nb₃Al, Nb₃Ge), часто удобно расположить трубки с соединением из редкоземельных металлов в самой наружной оболочке.

Таким образом, изобретение позволит получить сверхпроводник, который по своим характеристикам можно использовать при изготовлении сверхпроводников для сильно механически нагруженных сверхпроводящих обмоток, работающих в переменных режимах, например сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии, дипольных и квадрупольных магнитов для ускорителей заряженных частиц.

Формула изобретения

Теплостабилизированный сверхпроводник, выполненный в виде матрицы из металла или сплава, содержащей волокна сверхпроводящего материала и соединение из редкоземельных металлов с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах, отличающийся тем, что сверхпроводник дополнительно содержит, по меньшей мере, две металлические трубки произвольного поперечного сечения, распределенные по сечению сверхпроводника, заполненные соединением из редкоземельных металлов, при этом расстояние между трубками составляет не менее двух линейных размеров трубки, а сверхпроводник имеет наружную оболочку из металла с высокими проводящими свойствами.

РИСУНКИ