МНОГОКРАТНО СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ КОМПОЗИТНЫЙ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД, СОДЕРЖАЩИЙ NbTi
MULTIPLY STABILISED COMPOSITE SUPERCONDUCTIVE WIRE CONTAINING NbTi

Область техники
Данное изобретение относится к легкому, многократно стабилизированному сверхпроводящему проводу с алюминиевым сердечником, обладающему улучшенными электрическими и механическими свойствами.
Уровень техники
В областях применения сверхпроводников, таких как МРВ (магнитно-резонансная визуализация), обычно используют композиты, содержащие многожильный NbTi с единственным стабилизирующим обычным металлом - не содержащей кислород медью. Медь обладает рядом недостатков по сравнению с алюминием, включая стоимость и вес. Для применяемых в МРВ магнитах с сильным магнитным полем, где стоимость и вес сверхпроводящего провода имеют большое значение, существует потребность в менее дорогом, более легком сверхпроводящем проводе, который в целом сохраняет свои характеристики.
Сущность изобретения
Данное изобретение удовлетворяет вышеописанную потребность путем обеспечения легкого композитного сверхпроводника, в котором нити сверхпроводника внедрены в матрицу из обычного стабилизирующего металла, окружающую центральный сердечник, состоящий из более легкого металла, например алюминия. Алюминий с большой вероятностью обеспечивает дополнительную стабилизацию. Относительные объемные доли алюминиевого сердечника, сверхпроводящих нитей и медной матрицы можно регулировать в зависимости от конкретного применения. Алюминиевый сердечник представляет собой средство для снижения веса композитного проводника.
Одной из целей данного изобретения является обеспечение экономически эффективного способа производства легкого, многократно стабилизированного сверхпроводящего провода с алюминиевым сердечником при значительных преимуществах по рабочим характеристикам сверхпроводящего провода.
Другой целью данного изобретения является обеспечение многократно стабилизированного сверхпроводящего провода с алюминиевым сердечником, имеющего пониженное удельное электрическое сопротивление и улучшенные механические свойства.
Дополнительной целью этого изобретения является обеспечение сверхпроводящего провода для применения в областях МРВ с сильным магнитным полем или для крупных объектов.
В сверхпроводнике эффективно использованы преимущественные свойства алюминия, такие как низкое удельное сопротивление алюминия при криогенных температурах в сравнении с медью. Алюминий также имеет более высокую теплопроводность при криогенных температурах и более низкую плотность, чем медь.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид в поперечном разрезе одного из примеров реализации сверхпроводника по данному изобретению.
Фиг.2 представляет собой вид в поперечном разрезе еще одного примера реализации данного изобретения.
Фиг.3 представляет собой вид в перспективе еще одного примера реализации данного изобретения.
Фиг.4 представляет собой вид в перспективе еще одного примера реализации данного изобретения.
На Фиг.5 представлена зависимость числа твердости по Викерсу (HV) от приложенной деформации для компонента алюминиевого сплава и медного компонента по одному из примеров реализации данного изобретения.
На Фиг.6 представлена таблица, в которой приведено сравнение Jc и Fp различных сверхпроводящих проводов.
На Фиг.7 представлена зависимость силы пиннинга от приложенного магнитного поля.
Подробное описание изобретения
На Фиг.1 многократно стабилизированный композитный NbTi сверхпроводник 7 с алюминиевым сердечником имеет медную оболочку 10 (которая служит в качестве стабилизатора), причем сверхпроводник состоит из многожильных NbTi стержней 13, которые покрыты слоем 14 меди. Покрытые медью многожильные NbTi стержни 13 окружены медной оболочкой 10, и она окружает также сердечник из алюминиевого сплава. Алюминий, применяемый для сердечника 16, может представлять собой чистый металл или малолегированный сплав. В конкретном примере реализации данного изобретения применяемый алюминиевый сплав представляет собой алюминий 2011. Типичный химический состав этого сплава: Si - 0,4%, Fe - 0,7%, Сu -5,0 - 6,0%, Pb - 0,2 - 0,6%, Bi - 0,2 - 0,6%, Zn - 0,3%, другие примеси - 0,15%, остальное (около 93%) - Al. В другом примере реализации данного изобретения алюминиевый сплав имеет чистоту от 90 до 99,5%.
Алюминиевый сердечник может придавать криогенную стабильность и/или прочность, которые сравнимы с существующими в настоящее время композитными сверхпроводниками. Посредством применения сердечника из алюминия высокой чистоты возможно также обеспечить криогенную стабильность проводника в целом выше, чем можно получить с медью.
Неожиданно было обнаружено, что даже если в данном изобретении используют алюминиевый сплав, который не обладает высокой чистотой, сверхпроводник все равно приобретает все преимущества, которых достигают при использовании металлического сердечника из алюминия высокой чистоты, включая повышенное остаточное электрическое сопротивление, повышенные механические свойства и пониженную плотность провода.
В одном из примеров реализации данного изобретения, как показано на Фиг.1 и 2, массив сверхпроводящих проводов 13 может быть организован в виде одного концентрического кольца. В другом примере реализации данного изобретения сверхпроводящие провода 13 могут быть расположены в виде нескольких концентрических колец.
Объемная доля металлического сердечника из алюминия может составлять от 5% до 60% об. включительно. Объемная доля многожильных NbTi стержней составляет от 10 до 50% от общего объема. Объемная доля меди составляет от 10 до 80% от общего объема.
В одном из конкретных примеров реализации объемная доля каждого компонента составляет: медь - 0,652; алюминий - 0,220 и сверхпроводник - 0,128. В другом примере реализации объемная доля каждого компонента составляет: медь - примерно 0,422; алюминий - примерно 0,450 и сверхпроводник - примерно 0,128.
На Фиг.3 и 4 описаны альтернативные конфигурации данного изобретения. Сверхпроводник 100 может иметь либо круглую (как показано на Фиг.3), либо прямоугольную форму (Фиг.4). Также этот пример реализации данного изобретения включает массив сверхпроводящих проводов 13, покрытых слоем 14 меди, организованный в виде многочисленных концентрических колец, но также может иметь неконцентрическое расположение.
Изобретение можно осуществлять многими способами, как это станет очевидным для специалиста на основании данного описания. Одним из способов является метод «холодной сборки», который описан в US 7155806, включенном в текст настоящего описания посредством ссылки. В этом способе центральный медный стержень сердечника (позиция 20 на Фиг.2) просто замещают алюминиевой деталью. Все остальные стадии остаются такими же, как описано в патенте. Поскольку нити из сплава NbTi являются механически прочными и они внедрены в достаточно прочную медную матрицу, то эти нити могут однородно уменьшаться, не вызывая неравномерностей в поперечном сечении.
Другой способ осуществления данного изобретения представляет собой плакирование, как описано в US 5689875, который включен в текст настоящего описания посредством ссылки. Путем замещения сердечника 13 алюминиевым стержнем и повторения способа получают проводник с легким весом. Другой подход заключается в размещении NbTi стержней, плакированных некоторым количеством меди, вокруг центрального алюминиевого сердечника. Плакированные медью NbTi стержни могут быть круглыми или шестигранными в поперечном сечении.
Другой способ изготовления заключается в сборке NbTi стержней в заготовку, которую затем экструдируют. Сердечник заготовки может быть затем выполнен из алюминия. NbTi стержни могут быть пропущены в отверстия, высверленные в медной заготовке.
Сверхпроводящий провод по данному изобретению имеет повышенное остаточное электрическое сопротивление (ОЭС). Для сравнения, ОЭС композитного сверхпроводника с алюминиевым сердечником по данному изобретению составляет около 300. ОЭС композита с медным сердечником, полученного методом холодной сборки, составляет около 130. Наконец, ОЭС обработанного горячим способом обычного материала сверхпроводника составляет около 120. Полагают, что более высокое значение ОЭС материала с алюминиевым сердечником является результатом значительно более низкого удельного сопротивления композитного провода с Al сердечником при низких температурах. Низкие температуры включают температуры ниже критической температуры NbTi сверхпроводника примерно при 10 K, которая представляет собой температуру, которая необходима для того, чтобы сверхпроводящие провода были способны к работе.
Другим преимуществом данного изобретения является улучшение механических свойств. Для сравнения, механические свойства композитного сверхпроводника с Al сердечником по данному изобретению (изготовленного методом холодной сборки), а именно 0,05% условный предел текучести и предел прочности при растяжении, соответственно, составляют примерно 290 и примерно 600. Для композита с медным сердечником при методе холодной сборки 0,05% условный предел текучести и предел прочности при растяжении составляют примерно 200 и примерно 450, соответственно. Наконец, для обработанного горячим способом обычного материала сверхпроводника 0,05% условный предел текучести и предел прочности на растяжение составляют примерно 180 и примерно 400, соответственно.
Улучшение механических свойств можно объяснить характеристиками наклепа алюминиевого сплава, применяемого в этом конкретном композите. Как показано на Фиг.5, где представлена твердость по Викерсу в зависимости от приложенной деформации, твердость меди не повышается значительно после того, как она достигает твердости примерно 120. В противоположность этому, твердость Al-сплав постоянно повышается при наклепе по мере того, как уменьшается толщина провода. Пересечение для композитного провода было обнаружено при уровне деформации примерно 4.
Дополнительное преимущество данного изобретения заключается в том, что плотность провода снижена на одну треть по сравнению с обычным, не стабилизированным алюминием, сверхпроводящим проводом.
Сверхпроводящий провод по данному изобретению в первую очередь пригоден для применения в магнитно-резонансной визуализации (МРВ), особенно для МРВ в сильном поле, что требует большого количества сверхпроводящего провода.
На Фиг.6 представлена таблица, в которой сравнивают критическую плотность тока (Jc) и силу пиннинга (Fp) сверхпроводящих проводов, полученных обычным способом, методом холодной сборки без алюминиевого сердечника, методом холодной сборки с алюминиевым сердечником. Сила пиннинга (Fp) является одним из наиболее важных свойств сверхпроводящих материалов. Это свойство коррелирует с критической плотностью тока (Jc). Fp является еще одним показателем, характеризующим рабочие характеристики сверхпроводника для применения в МРВ, при этом более высокое значение Fp указывает на лучшие рабочие характеристики при определенных магнитных полях.
Как видно из Фиг.6, сверхпроводящий провод, полученный методом холодной сборки с алюминиевым сердечником, имеет более высокие значения Jc и Fp при всех значениях магнитной индукции (В) поля, чем обычный сверхпроводящий провод и сверхпроводящий провод, полученный методом холодной сборки без алюминиевого сердечника. Однако различие значений Jc между двумя видами проводов, изготовленных методом холодной сборки, является чрезвычайно незначительным и, по-видимому, не определяется материалом сердечника. Авторы данного изобретения неожиданно обнаружили, что сверхпроводник по данному изобретению сохраняет высокое значение Jc, характерное для сверхпроводящих проводов существующего уровня техники, при более низкой массе сверхпроводящего провода, что является преимуществом.
На Фиг.7 приведена зависимость силы пиннинга (Fp) от приложенного магнитного поля (В). Символами  обозначена зависимость для обычного сверхпроводящего провода. Символами  обозначена зависимость Fp от В для сверхпроводящего провода без алюминиевого сердечника, полученного методом холодной сборки, а символами ♦ обозначена зависимость для сверхпроводящего провода с алюминиевым сердечником, полученного методом холодной сборки. Как можно видеть, различие Fp для двух материалов, обработанных методом холодной сборки (ХС), является незначительным. На Фиг.7 видно, что провод с алюминиевым сердечником сохраняет все преимущества способа холодной сборки, в то же время проявляя дополнительные положительные свойства, включая более легкий вес, более высокое значение ОЭС и улучшенные механические свойства.
Данное изобретение обеспечивает экономическое преимущество, которое заключается в том, что стоимость материала алюминиевого сердечника на единицу сборки является значительно более низкой, чем стоимость меди. Кроме того, плотность сверхпроводящего провода по данному изобретению ниже, чем плотность обычного сверхпроводящего провода.