СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
SUPERCONDUCTING WIRE AND METHOD OF MAKING SAID WIRE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к сверхпроводящему проводу, содержащему разделители различных видов, которые размещены между противодиффузионной трубкой и модулями, а также между самими модулями с использованием способа внутрифазовой диффузии. В этом проводе в отверстие заданного диаметра, сформированное сверлением в центральной части медного стержня, изготовленного в виде пресс-болванки, вставлен оловянный стержень. В противодиффузионной трубке совместно размещены с образованием укладки модули, выполненные резкой и зачисткой полупродуктов, содержащих ниобиевые нити, вставленные в медную матрицу, ограничивающую оловянный стержень, и размещенные в этой матрице. Затем укладку подвергают волочению и термообработке несколько десятков раз и таким образом изготовливают сверхпроводящий провод, содержащий Nb3Sn структуры А15.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Сверхпроводимость представляет собой явление, при котором электрическое сопротивление, равное приложенному внешнему напряжению, отнесенному к току, падает до нуля при некоторой температуре и некоторой величине магнитного поля, так что электроны формируют куперовские пары согласно теории Бардина-Купера-Шриффера, в результате чего тепловые потери, вызываемые сопротивлением, исчезают. При низких температурах примерно от -270 до -196°С электрическое сопротивление многих металлов резко падает до нуля. Материал, переведенный в эти условия, называют сверхпроводником, а температуру и магнитное поле, которые обеспечивают сверхпроводимость, называют соответственно "критической температурой" и "критическим магнитным полем".
Как правило, все материалы включают спиновые магниты, которые полностью притягиваются магнитом при их ориентации в направлении внешнего магнитного поля. Материал, в котором эффект ориентации таких спиновых магнитов в направлении магнитного поля является минимальным, так что явление притягивания магнитом этого материала редко наблюдается в нормальном состоянии, относится к парамагнитным материалам, а материал, в котором такая характеристика проявляется максимально, так что он легко притягивается магнитом, например железо, относится к ферромагнитным материалам.
Далее материал относится к диамагнитным материалам, если его внутренние электроны обеспечивают протекание индуцированного тока, вызванного электромагнитной индукцией, под влиянием внешнего магнитного поля и ввиду отсутствия спиновых магнитов таким образом, что он препятствует внешнему магнитному полю, а материал отталкивается от магнита.
Если такой сверхпроводник используют в качестве катушки, ввиду отсутствия энергетических потерь может быть изготовлен электромагнит, который может создавать сильное магнитное поле при малом токе. Поскольку сверхпроводник представляет собой диамагнитное вещество, если на сверхпроводнике расположен магнит, магнитное поле, созданное этим магнитом, не может проходить через сверхпроводник, а отталкивается от него, так что становится возможна левитация магнита.
Главная характеристика сверхпроводника, который обеспечивает такую сверхпроводимость, состоит в том, что он представляет собой вещество, не имеющее сопротивления, препятствующего прохождению тока, при некоторой температуре и некотором магнитном поле и при этом является диамагнитным веществом, которое не допускает проникновения магнитного поля, но он может принимать внешнее магнитное поле таким образом, что находится в состоянии, в котором состояние сверхпроводимости сочетается с нормальным состоянием.
Сверхпроводники подразделяются на сверхпроводники первого типа, электрическое сопротивление которых равно нулю и которые также имеют выраженные диамагнитные характеристики, полностью гасящие внешнее магнитное поле таким образом, что внутреннее магнитное поле сверхпроводника падает до нуля, и сверхпроводники второго типа, которые принимают внешнее магнитное поле до некоторого ограниченного значения таким образом, что состояние сверхпроводимости нарушается и сочетается с нормальным состоянием.
Сверхпроводники первого типа включают чистые металлы с высокой степенью чистоты, а их характеристики проявляются, когда внешнее магнитное поле (Н) меньше критического магнитного поля (Нс). В сверхпроводниках первого типа вдоль поверхности протекает сверхбольшой ток, а в их внутренней части на глубине, превышающей предварительно установленное значение, ток не протекает, так что внутреннее магнитное поле отсутствует. В сверхпроводниках первого типа проявляется эффект Мейснера для тока в сверхпроводнике, состоящий в том, что внутреннее магнитное поле ориентировано в направлении, противоположном внешнему магнитному полю, так что оно гасит внешнее магнитное поле.
Сверхпроводники второго типа включают Nb3Sn, Nb3Al, NbTi, MgB2, высокотемпературные сверхпроводники и пр., в которых наблюдается сильное магнитное поле. Сверхпроводники второго типа уменьшают внешнее магнитное поле до нижнего критического магнитного поля Нс1 с достижением диамагнитного состояния, при котором магнитное поле во внутренней части сверхпроводника не существует, но принимают внешнее магнитное поле (Н) постепенно от нижнего критического магнитного поля (Нс1) до верхнего критического магнитного поля (Нс2) таким образом, что сверхпроводник начинает постепенно терять сверхпроводимость и создает в нормальном состоянии многочисленные вихри.
Кроме того, в сверхпроводниках второго типа формируется состояние, в котором сверхпроводимость сочетается с вихрями, так что из двух электронов формируется куперовская пара. Поэтому образуется сверхпроводник, обеспечивающий прохождение тока сверхпроводимости вдоль краевой поверхности вихря, и другой сверхпроводник, обеспечивающий прохождение тока сверхпроводимости без электрического сопротивления при формировании двумя электронами куперовской пары посредством тока, подводимого извне.
В частности, сверхпроводник второго типа имеет превосходную характеристику сверхпроводимости, так как он демонстрирует сильный эффект захвата потока (захвата вихря), который препятствует перемещению вихря, но когда его магнитное поле превышает верхнее критическое магнитное поле (Нс2), сверхпроводник второго типа возвращается в нормальное состояние и теряет сверхпроводимость.
Кроме того, сверхпроводники могут подразделяться на высокотемпературные и низкотемпературные в соответствии с температурой, при которой их используют. Первые обеспечивают сверхпроводимость при температуре жидкого азота (77К), а вторые обеспечивают сверхпроводимость при температуре жидкого гелия (4К). Обнаружено более тысячи видов таких сверхпроводников, включающих металлы, органические вещества, керамику, химические соединения и пр. Сплав Nb-Ti, представляющий собой сверхпроводящий материал на основе металлов, и Nb3Sn, представляющий собой сверхпроводящий материал на основе химического соединения, недавно стали применять на практике и используют в токамаках для термоядерных реакторов, ускорителей частиц, медицинских магнитно-резонансных исследований, исследований с помощью ядерно-магнитного резонанса и пр.
Таким образом, для изготовления магнита, который может создавать очень сильное магнитное поле с помощью сверхпроводников и который может быть использован в различных областях, как описано выше, необходим сверхпроводящий провод, который имеет большой критический ток (Ic), а также хорошие характеристики, например критическую плотность тока (Jc) в ферромагнитном поле. Типичный сверхпроводящий провод может быть проводом, содержащим соединение металлов Nb3Sn и изготовленным различными способами, например с использованием способа внутрифазовой диффузии, бронзового способа и пр.
Согласно способу внутрифазовой диффузии, как показано на фиг.1-3, в стержень 11 из меди или медного сплава с медной матрицей вставляют ниобиевые нити 12 и должным образом размещают их в таком стержне в требуемом положении в осевом направлении с образованием пресс-болванки 1, которую затем прессуют с образованием прессованного стержня.
Далее в центральной части прессованного стержня сверлят отверстие и вставляют в него стержень 13 из олова или оловянного сплава, а затем несколько раз повторяют волочение для изготовления полупродукта 2. Модули 2, выполненные резкой полупродукта 2 на отрезки нужной длины и их зачисткой, совместно размещают в противодиффузионной трубке 33, выполненной из тантала или ниобия и т.д., а затем в каждый промежуток между модулями 2 вставляют разделитель 32. Таким образом, согласно этой схеме, формируют укладку 3.
Затем трубку 33 компонуют с внутренней окружной поверхностью стабилизирующей трубки 31, выполненной из меди или медного сплава, с обеспечением их контакта.
Укладку, изготовленную как описано выше, после выполнения волочения несколько десятков раз подвергают термообработке таким образом, чтобы в результате между стержнем из меди или медного сплава и ниобиевыми нитями произошла реакция взаимной диффузии с образованием таким образом химического соединения Nb3Sn, являющегося сверхпроводником.
При этом разделители 32, вставленные внутрь укладки 3, используют для минимизации промежутков, неизбежно образуемых между модулями 2. Известно использование разделителя на основе олова в виде например, стержня из олова, стержня из оловянного сплава и пр., при этом модули 2 круглого сечения обычно вставляют в трубку 33, а затем разделитель 32 вставляют только в самые большие промежутки, образованные между модулями 2.
Поэтому когда укладку со вставленными в нее разделителями подвергают волочению несколько десятков раз, промежутки между модулями исчезают в результате сжатия с изменением формы сечения каждого полупродукта с круглой на гексагональную. После такого многократного волочения внутреннее напряжение каждого полупродукта становится неравномерным, в результате при волочении происходит разрыв провода. Таким образом, изготовление провода большой длины затруднено, а стоимость его изготовления увеличена.
Пример описанного выше способа изготовления сверхпроводящего провода Nb3Sn типа А15 с использованием внутрифазовой диффузии раскрыт в патенте Японии №4-129106. В этом способе шесть разделителей из оловянного сплава вставляют во внешний слой, в который уложены семь модулей, а в каждый промежуток с сечением примерно треугольной формы, который образован между тремя модулями, вставляют разделитель малого диаметра из оловянного сплава. Поскольку на внешней границе каждого модуля образована угловая часть, каждая ниобиевая нить приобретает плоскую форму, а не круглую форму. В магните, сформированном за одно целое в процессе изготовления многожильного скрученного кабеля, а именно свивкой нескольких сверхпроводящих проводов в один, скручиванием кабеля, сваркой и т.д., сопротивление деформации во время цикла повторения сжатия и растяжения, вырабатываемое в условиях конкретной окружающей среды, обусловливающей сверхпроводимость, в частности при чрезвычайно низкой температуре и в сильном магнитном поле, становится более слабым. В результате происходит ухудшение сверхпроводящих характеристик, например уменьшение критического тока сверхпроводящего провода, концентрации носителей заряда и т.д.
Кроме того, когда форма каждой ниобиевой нити неравномерно переходит в плоскую, а не в круглую, критическая плотность тока заметно падает из-за внешнего магнитного поля, и возникают потери на намагничивание, соответствующие приложенному магнитному полю. Поэтому существует ограничение в применении сверхпроводящего провода, генерирующего сильное магнитное поле переменного тока, а характеристики сверхпроводимости, связанные с деформацией, вызванной циклом повторения растяжения и сжатия при чрезвычайно низкий температуре, заметно ухудшаются.
Кроме того, избыточное количество оловянных компонентов по мере формирования сверхпроводящего материала во время волочения и нагрева приводит к образованию не обычного сверхпроводящего материала, такого как Nb3Sn, a Nb6Sn5 или NbSn2, в которых критический ток недостаточно высок.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая задача
Настоящее изобретение призвано преодолеть недостатки известных способов изготовления укладки совместным размещением модулей с оловянными разделителями в противодиффузионной трубке при изготовлении сверхпроводящего провода, содержащего Nb3Sn, с использованием способа внутрифазовой диффузии. Настоящее изобретение обеспечивает создание сверхпроводящего провода, в котором применен способ расположения разделителей из меди или медного сплава и разделителей, включающих медь или медный сплав и олово или оловянный сплав, скомпонованные в нем в заданном соотношении, а их виды определены по-разному, так что изменение формы сечения модуля из первоначальной круглой на гексагональную минимизировано при высокоинтенсивном волочении, выполняемом несколько десятков раз, а модуль и изменение его формы могут быть отрегулированы с выравниванием для сохранения формы сечения нити, близкой к круглой.
Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает создание сверхпроводящего провода, который может образовывать однородный сверхпроводящий материал с сохранением формы сечения каждой ниобиевой нити круглой насколько возможно таким образом, что соответственно устранены разрывы провода при волочении, а олово размещают с выравниванием таким образом, что во время термообработки сверхпроводящего провода управляют диффузионным давлением, вызванным перемещением атомов олова, а также предотвращают образование иных материалов, нежели обычные сверхпроводящие материалы, из-за избыточного количества олова.
Техническое решение
Решение вышеупомянутой задачи настоящего изобретения достигнуто благодаря использованию различных видов разделителей, в которых разным компонентам соответствуют разные относительные доли площади сечения.
Прежде всего с целью избежания неопределенности в терминологии необходимо отметить, что названия компонентов, использованных в настоящем изобретении, идентичны упомянутым выше. Стержень, содержащий медный сплав, который включает медный стержень или медную матрицу и ниобиевые нити, вставленные в него и размещенные в нем в требуемом положении в осевом направлении, назван "пресс-болванкой", а пресс-болванка, которую подвергли волочению в состоянии, в котором оловянный стержень или стержень, содержащий оловянный сплав, вставлен в отверстие, высверленное в центральной части пресс-болванки, после прессования названа "полупродуктом".
Кроме того, компонент, выполненный резкой полупродукта на отрезки требуемой длины и его зачисткой, назван "модулем", а компонент, образованный совместным размещением модулей в противодиффузионной трубке, выполненной из тантала, ниобия и т.д., вставкой в каждый промежуток внутренней окружной поверхности противодиффузионной трубки разделителей в форме стержня и затем приведением внутренней окружной поверхности стабилизирующей трубки, выполненной из меди, медного сплава и т.д., в плотный контакт с внешней окружной поверхностью противодиффузионной трубки, назван "укладкой".
Особенностью настоящего изобретения является то, что в соответствии с пространственной формой внутренней границы противодиффузионной трубки для изготовления сверхпроводящего провода, в частности сверхпроводящего провода Nb3Sn, с использованием способа внутрифазовой диффузии согласно настоящему изобретению используют различные виды разделителей.
Кроме того, разделитель имеет форму круглого стержня и представляет собой медно-оловянный или медный разделитель, в котором в центральную часть стержня из меди или медного сплава (далее для удобства называемого "медным") вставлен стержень из олова или оловянного сплава (далее для удобства называемый "оловянным") с обеспечением между ними плотного контакта.
Здесь медно-оловянным разделителем называется такой разделитель, в котором в центральную часть медного стержня вставлен оловянный стержень, или в центральную часть медного стержня вставлен стержень из оловянного сплава, или в центральную часть стержня из медного сплава вставлен оловянный стержень, или в центральную часть стержня из медного сплава вставлен стержень из оловянного сплава, а медным разделителем называется разделитель, выполненный в виде стержня из меди или медного сплава.
Кроме того, еще одной особенностью настоящего изобретения является то, что в качестве медно-оловянных разделителей используют разделители, каждый из которых имеет различные отношения площадей, перпендикулярных осевому направлению сечений медного стержня и оловянного стержня.
В частности, в сверхпроводящем проводе согласно настоящему изобретению после расположения модуля в центральной части противодиффузионной трубки модули последовательно укладывают в форме многослойной структуры на границе указанного модуля. Разделитель с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди, имеющий сравнительно малое отношение площади сечения меди к площади сечения олова, вставляют в тот из внутренних промежутков, сформированных между модулями, который сформирован между четырьмя модулями, а разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди или медный разделитель, имеющий сравнительно большое отношение площади сечения меди к площади сечения олова, вставляют во внутренний промежуток, сформированный между тремя модулями, и внутренний промежуток, сформированный между противодиффузионной трубкой и двумя модулями.
Здесь термины "с высоким содержанием олова" и "с низким содержанием олова" применительно к разделителю употребляются в соответствии с разницей между долями площади сечения меди в разделителях, при этом разделители "с высоким содержанием олова" могут быть дополнительно подразделены на разделители "с высоким содержанием олова" и "со средним содержанием олова".
Причина, по которой различные виды разделителей используют в соответствии с пространственной формой, описана ниже.
В случае, когда модули, изготовленные резкой и зачисткой полупродукта, в котором ниобиевые нити очень малого диаметра вставлены в медную матрицу, окружающую оловянный стержень и размещены в ней, вставляют в противодиффузионную трубку и размещают в ней, медные матрицы модулей соединены в промежутках между модулями, а также между модулями и противодиффузионной трубкой.
Поэтому разделители различных форм используют в соответствии с формой промежутков в противодиффузионной трубке для равномерного распределения деформации между модулями или между разделителем и модулем при волочении, для предотвращения ухудшения характеристик сверхпроводимости при смещении ниобиевых нитей, поскольку во время термообработки при диффузии олова на ниобиевые нити действует диффузионное давление, возникающее при перемещении атомов олова, и вызывания реакции диффузии нитей, меди и олова, расположенных в каждом месте с формированием сверхпроводящего материала, имеющего однородный состав.
В частности, в качестве разделителя, который вставляют между тремя модулями, а также между противодиффузионной трубкой и двумя модулями, используют разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди, в котором отношение площади сечения медного стержня к площади сечения оловянного стержня больше 6,0, или медный разделитель, в котором отношение площади сечения медного стержня к площади сечения оловянного стержня равно бесконечности (∞), а в качестве разделителя, который вставляют между четырьмя модулями, используют разделитель с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди, в котором отношение площади сечения медного стержня к площади сечения оловянного стержня лежит в диапазоне 0,01-6,0.
При этом разделители с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди могут быть дополнительно подразделены на разделители, в которых отношение площади сечения меди к площади сечения олова меньше 0,01-1,5 (высокое содержание), и разделители, в которых отношение площади сечения меди к площади сечения олова меньше 1,5-6,0 (низкое содержание).
Прочность каждого разделителя, описанного выше, уменьшается по мере уменьшения площади сечения меди в следующем порядке: медный разделитель, разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди и разделитель с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди. Медный разделитель и разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди придают более округлую форму угловой части модуля и препятствуют приданию сечению модуля гексагональной формы, таким образом улучшая характеристики сверхпроводимости, например критический ток и т.д., готового сверхпроводящего провода.
Кроме того, причина использования разделителей, имеющих различную прочность, также состоит в том, что они при волочении демонстрируют разные типы формообразования, отличающиеся друг от друга в соответствии с внутренним промежутком, в который вставлен разделитель. Используют медный разделитель, разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди или разделитель с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди, но если в случае медно-оловянного разделителя отношение площади сечения меди к площади сечения олова, перпендикулярного осевому направлению, не достигает ограниченного диапазона отношений или превосходит его, то форма сечения после волочения не является предпочтительной, а характеристики сверхпроводимости ухудшены.
Причина ограничения отношения площади сечения меди к площади сечения олова в вышеописанном медно-оловянном разделителе пояснена ниже. Если в разделителе с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди указанное отношение больше 6,0, излишне увеличенная прочность разделителя облегчает при волочении переход формы каждого модуля в некруглую. Соответственно нити в модулях легко приобретают неоднородную или плоскую форму, а не круглую форму, и интервал между нитями также становится неоднородным, так что диффузия атомов Sn во время термообработки при формировании сверхпроводящего провода Nb3Sn структуры А15 становится неоднородной. Поэтому характеристики сверхпроводимости могут быть ухудшены.
Кроме того, если указанное отношение площадей сечения меньше 0,01, прочность разделителя недостаточна, и напряжение сконцентрировано на разделителе, имеющем меньшую прочность. Поэтому форма модуля также может быть легко переведена в круглую или эллиптическую форму.
Кроме того, в разделителе с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди, как и в разделителе с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди, если указанное отношение площадей сечения меньше 6,0, прочность разделителя недостаточна, что вызывает при волочении ухудшение характеристик сверхпроводимости, например неоднородную деформацию модулей.
Предпочтительные результаты
В сверхпроводящем проводе согласно настоящему изобретению разделители вставляют в каждый внутренний промежуток между модулями, вставленными во внутреннюю окружную часть противодиффузионной трубки, а различные виды медно-оловянных разделителей с разными отношениями площадей сечения меди и олова используют в соответствии с формой внутренних промежутков. В результате уменьшают частоту разрывов провода при волочении по сравнению со сравнительным продуктом с увеличением производительности и единообразия внутренней структуры, а также заметно улучшают сверхпроводимость.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеупомянутая и другие задачи, особенности и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны из нижеследующего подробного описания в сочетании с сопроводительными чертежами, на которых:
фиг.1 изображает сечение, иллюстрирующее пресс-болванку, в которую вставлены ниобиевые нити;
фиг.2 изображает сечение, иллюстрирующее полупродукт, в котором оловянный стержень соединен с центральной частью пресс-болванки;
фиг.3 изображает сечение, иллюстрирующее стандартную укладку, в которой модули скомпонованы в противодиффузионной трубке;
фиг.4А и В изображает виды, иллюстрирующие укладку для изготовления сверхпроводящего провода согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения, перед компоновкой разделителей, причем:
фиг.4А изображает сечение, иллюстрирующее укладку, в которую вставлены и в которой размещены 19 модулей;
фиг.4В изображает сечение, иллюстрирующее укладку, в которую вставлены и в которой размещены 37 модулей;
фиг.5А-С изображает виды, иллюстрирующие разделитель, используемый с укладкой, показанной на фиг.4А и В, причем:
фиг.5А изображает сечение, иллюстрирующее медный разделитель;
фиг.5В изображает сечение, иллюстрирующее разделитель с низким содержанием олова по отношению содержанию меди;
фиг.5С изображает сечение, иллюстрирующее разделитель с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди;
фиг.6 изображает сечение, иллюстрирующее укладку для изготовления сверхпроводящего провода согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения, когда разделители скомпонованы;
фиг.7 изображает сечение, иллюстрирующее укладку для изготовления сверхпроводящего провода согласно еще одному варианту выполнения настоящего изобретения, когда разделители скомпонованы;
фиг.8 изображает фотографию сечения, иллюстрирующую предлагаемый продукт 1 согласно настоящему изобретению, на которой указанный материал показан после волочения перед термообработкой;
фиг.9 изображает фотографию сечения, иллюстрирующую предлагаемый продукт 2 согласно настоящему изобретению, на которой указанный материал показан после волочения перед термообработкой;
фиг.10 изображает фотографию сечения, иллюстрирующую предлагаемый продукт 3 согласно настоящему изобретению, на которой указанный материал показан после волочения перед термообработкой;
фиг.11 изображает фотографию сечения, иллюстрирующую предлагаемый продукт 4 согласно настоящему изобретению, на которой указанный материал показан после волочения перед термообработкой;
фиг.12 изображает фотографию сечения, иллюстрирующую сравнительный продукт 1 согласно настоящему изобретению, на которой указанный материал показан после волочения перед термообработкой;
фиг.13 изображает фотографию сечения, иллюстрирующую сравнительный продукт 2 согласно настоящему изобретению, на которой указанный материал показан после волочения перед термообработкой; и
фиг.14 изображает фотографию сечения, иллюстрирующую сравнительный продукт 3 согласно настоящему изобретению, на которой указанный материал показан после волочения перед термообработкой.
СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже со ссылками на фиг.4А-6 описана конструкция укладки для изготовления сверхпроводящего провода согласно настоящему изобретению, в которой различные виды разделителей использованы вперемешку.
Как показано на чертежах, укладка 4 для изготовления сверхпроводящего провода согласно настоящему изобретению имеет конструкцию, в которой в противодиффузионную трубку 44 вставлены модули в количестве 19, 37, 64 и т.д., а в каждый внутренний промежуток R, сформированный между модулями 42, вставлены разделители 43 с отличающимися друг от друга отношениями площадей сечения.
Здесь внешняя окружная поверхность трубки 44 скомпонована с внутренней окружной поверхностью стабилизирующей трубки 41 с обеспечением между ними контакта, а каждый внутренний промежуток R, сформированный у внутренней границы трубки 44, относится к треугольным промежуткам R3, сформированным между тремя модулями 42, квадратным промежуткам R4, сформированным между четырьмя модулями 42, или внешним промежуткам R2, сформированным между двумя модулями 42.
Кроме того, в треугольный промежуток R3 и внешний промежуток R2 вставлен медный разделитель 43С, имеющий сравнительно высокую прочность, или разделитель 43L с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди, а в квадратный промежуток R4 вставлен разделитель 43Н, имеющий высокое содержание олова по отношению к содержанию меди и сравнительно низкую прочность.
В этом состоянии различие между треугольным промежутком R3 и внешним промежутком R2 состоит в том, что в треугольный промежуток может быть вставлен медный разделитель, а во внешний промежуток одновременно может быть вставлен разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди. С другой стороны, в треугольный промежуток может быть вставлен разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди, а во внешний промежуток может быть вставлен медный разделитель. Кроме того, медный разделитель и разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди могут быть вставлены в треугольный промежуток и внешний промежуток вперемешку, или разделитель одного из двух вышеупомянутых видов может быть вставлен как в треугольный промежуток, так и во внешний промежуток. Эти виды вставляемых разделителей должным образом выбирают в соответствии с формой расположения модуля, этапом волочения, условиями термообработки и т.д. изготавливаемого сверхпроводящего провода.
Площадь сечения каждого первоначального промежутка 43 перед волочением почти такая же, что и после него. Всю площадь сечения оловянных стержней 42В, расположенных в центральных частях модулей 42, и оловянных стержней 43В, расположенных в центральных частях разделителей 43, предпочтительно устанавливают в диапазоне 10-40% по отношению к общей площади сечения ниобиевых нитей 42А и меди модулей 42, размещенных в трубке 44.
В частности, если общую площадь сечения нитей 42А, размещенных в трубке 44, и меди принять за "100", то всю площадь сечения оловянных стержней 42В и 43А предпочтительно принимают равной "10-40". При этом, если указанное отношение площадей сечения составляет менее 10%, диффузия олова недостаточна, и трудно получить химическое соединение Nb3Sn, являющееся превосходным сверхпроводящим материалом. С другой стороны, если указанное отношение площадей сечения превышает 40%, из-за избыточной диффузии атомов олова образуется такое химическое соединение, как Nb6Sn, NbSn2 и т.д., которое не является обычным сверхпроводящим материалом, что ухудшает характеристики сверхпроводимости.
В такой конструкции, если, например, используют 19 модулей, медный разделитель вставляют в треугольный промежуток R3, а разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди вставляют во внешний промежуток R2 и используют шесть разделителей 43Н с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди, двенадцать медных разделителей 43с и двенадцать разделителей 43L с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди. В то же время при использовании 37 модулей 42 используют двенадцать разделителей 43Н с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди, 24 медных разделителя и 18 разделителей 43L с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди.
Укладку, скомпонованную способом, описанным выше, подвергают термообработке после выполнения волочения несколько десятков раз с формированием сверхпроводящего материала Nb3Sn. Медная матрица в противодиффузионной трубке благодаря термообработке вступает в реакцию диффузии с атомами Sn и переходит в бронзу, содержащую от 3 до 15% по весу Sn, с формированием сверхпроводящего материала Nb3Sn с превосходными сверхпроводящими характеристиками. Существуют различные способы термообработки для формирования такого сверхпроводящего материала. Один из примеров такого способа описан ниже.
Термообработка может быть выполнена способом, при котором во внутренней части укладки поддерживают глубокий вакуум, температуру в указанной внутренней части увеличивают до 200°С градусов со скоростью 7°С/час, а затем поддерживают ее в течение пяти часов. После этого температуру увеличивают до 570°С со скоростью 6°С /час и поддерживают ее постоянной в течение 200 часов. После завершения обработки при постоянной температуре температуру во внутренней части увеличивают до 660°С со скоростью 6°С /час, затем поддерживают ее в течение 240 часов, а затем осуществляют охлаждение со скоростью 6°С/час.
Кроме того, существует еще один способ для выполнения термообработки, при котором температуру внутренней части укладки изменяют за пять шагов со скоростью 5°С/час на каждом шаге. Температуру 210°С поддерживают в течение 50 часов, температуру 340°С поддерживают в течение 25 часов, температуру 450°С поддерживают в течение 25 часов, температуру 575°С поддерживают в течение 100 часов, а температуру 660°С поддерживают в течение 200 часов, таким образом формируя сверхпроводящий материал. Затем температуру снова снижают до нормальной.
При этом когда температуру увеличивают с 210 до 575°С, ее можно увеличивать сразу, без выполнения нескольких шагов, а время поддержания температуры на уровне около 660°С может быть изменено.
Кроме того, как показано на фиг.7, в случае вставки семи модулей в трубку 44 формируют только промежуток для вставки разделителя с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди 43L, а описанный выше квадратный промежуток не формируют. В этом случае в каждый внутренний промежуток вставляют разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди или медный разделитель или указанные разделители вставляют в каждый внутренний промежуток вперемешку.
ВАРИАНТ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На этапе, когда прессованный медный стержень и ниобиевые нити были очищены после сверления отверстий в этом стержне в осевом направлении, 7 ниобиевых нитей, 180 ниобиевых нитей и 176 ниобиевых нитей были вставлены в каждое отверстие медного стержня стандартным способом для изготовления пресс-болванки диаметром 180 мм. Затем ее прессовали с применением термообработки для изготовления прессованной стержневой заготовки диаметром 30 мм.
После выполнения в центральной части прессованной стержневой заготовки глубокого отверстия и зачистки этой части в нее был вставлен оловянный стержень и скомпонован с ней. На этом этапе стержневую заготовку, полученную прессованием, подвергали волочению со скоростью, уменьшенной более чем на 20%, с изготовлением полупродукта. Модуль был изготовлен резкой полупродукта на отрезки нужной длины и его зачисткой, а затем с использованием 19 модулей и разделителей была изготовлена укладка диаметром 70 мм.
Здесь полное количество промежутков, в которые может быть вставлен разделитель, доходит до 30, включая шесть квадратных промежутков, двенадцать треугольных промежутков и двенадцать внешних промежутков.
Затем предлагаемый продукт и сравнительный продукт, которые были изготовлены с использованием разделителей различных видов, сравнивали друг с другом. Результаты этого сравнения показаны в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1
Материал
Разделитель (отношение площади сечения меди к площади сечения олова)
Квадратный промежуток
Треугольный промежуток
Внешний промежуток
Предлагаемый продукт 1
0,9
∞
∞
Предлагаемый продукт 2
3,8
7,0
7,0
Предлагаемый продукт 3
3,0
∞
8,0
Предлагаемый продукт 4
1,3
9.0
9,0
Сравнительный продукт 1
0,9
1,4
1,4
Сравнительный продукт 2
0,9
0
0
Сравнительный продукт 3
0,9
0,9
0,9
* ∞: медный разделитель
* "0": оловянный разделитель
После использования разделителей различных видов из предлагаемого продукта 1, 2, 3 и 4 и из сравнительного продукта 1, 2 и 3 посредством волочения, выполненного несколько десятков раз, были изготовлены согласно настоящему изобретению сверхпроводящие провода диаметром 0,816. Фотографии их поперечных сечений представлены на фиг.8-14.
Были исследованы формы поперечного сечения каждого модуля в сверхпроводящем проводе, полученном волочением. В сравнительном продукте, в котором использовали только разделитель с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди или разделитель с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди и оловянный разделитель, наблюдалась высокая степень приближения к гексагональной форме.
Однако в продукте, выполненном согласно настоящему изобретению, в котором были использованы разделитель с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди и медный разделитель (предлагаемый продукт 1), разделитель со средним содержанием олова по отношению к содержанию меди и разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди (предлагаемый продукт 2), разделитель со средним содержанием олова по отношению к содержанию меди, медный разделитель и разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди (предлагаемый продукт 3) или разделитель с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди и разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди (предлагаемый продукт 4), в промежуток внешнего или внутреннего слоя был вставлен разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди с заданной прочностью или медный разделитель. Таким образом ясно, что поляризации между полупродуктами не происходит, так что они имеют почти круглую и устойчивую форму, а не гексагональную форму.
Кроме того, после термообработки каждого сверхпроводящего провода были исследованы его характеристики. В результате исследования ток при напряжении 0,1 мкВ/см был определен как критический. Кроме того, точка с напряжением 5 микровольт на основе интервала 50 см между выводами напряжения получена с использованием критического тока, а значение, полученное делением критического тока на площадь сечения немедной области в этой точке, определено как критическая плотность тока.
Кроме критического тока и критической плотности тока было использовано n-значение как значение, показывавшее степень разнородности, которую имела форма нити сверхпроводящего провода. Для сравнения n-значение было измерено как экспоненциальная функция, используемая в качестве индикатора, показывающего степень неоднородности сверхпроводящей нити или разнородности сверхпроводящего провода, в частности в качестве стандарта, показывающего, насколько хорошо сверхпроводящий провод восстанавливает сверхпроводимость, когда температуру снова понижают в случае нарушения сверхпроводимости, а также в качестве стандарта, показывающего, насколько хорошо изготовлен сверхпроводящий провод.
Потери переменного тока в сверхпроводящем проводе обычно измеряют способом калориметрии, способом намагничивания, способом электропередачи и т.д. Измерение потерь переменного тока в сверхпроводящем проводе в настоящем изобретении было выполнено способом, в соответствии с которым на сверхпроводящий материал немедной части воздействовали внешним магнитным полем переменного тока в диапазоне +/- тесла с применением системы для измерения физических свойств для измерения намагниченности.
Электрическое сопротивление сверхпроводника, равное "0", наблюдается, если ток, текущий по сверхпроводнику, не меняется. Если ток меняется, имеют место потери тока с возникновением сопротивления. Потери тока, возникающие при этом, содержат потери переменного тока, включающие переходное затухание, потери на вихревые токи и потери на гистерезис.
Кроме того, потери переменного тока возникают из-за изменения магнитного поля, а если меняется ток, меняется магнитное поле, так что возникают потери переменного тока.
Характеристики сверхпроводимости каждого предлагаемого продукта и сравнительного продукта показаны в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2
Материал
Ic
Jc
n-значение
Потери переменного тока
Предлагаемый продукт 1
250
950
33
712
Предлагаемый продукт 2
270
1050
40
653
Предлагаемый продукт 3
230
920
32
681
Предлагаемый продукт 4
284
1090
42
678
Сравнительный продукт 1
183
637
17
523
Сравнительный продукт 2
180
630
19
514
Сравнительный продукт 3
206
770
22
468
Характеристики сверхпроводимости являются превосходными, поскольку значение Jc и n-значение выше, но при росте Jc растут потери переменного тока. Поэтому необходим способ увеличения Jc при подавлении увеличения потерь переменного тока в нужной степени.
Несмотря на то, что при термообработке сравнительного продукта, в которой использован разделитель с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди, в котором доля площади сечения меди близка к нижнему пределу, или оловянный разделитель, диффузионное давление атомов олова может быть уменьшено для обеспечения компенсации в некоторой степени потерь переменного тока, разделитель не может иметь достаточную прочность при волочении уклада, что вызывает, таким образом, однородную деформацию модулей. Поэтому происходит разрыв провода, а форма сечения провода после волочения искажена, так что форма нити неравномерно изменяется, таким образом заметно ухудшая характеристики сверхпроводимости.
Однако укладка в предлагаемом продукте 1 позволяет преодолеть недостаток сравнительного продукта, выполненного из укладки, изготовленной вставкой в квадратный промежуток разделителя с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди, в котором доля площади сечения меди близка к нижнему пределу, и вставкой в треугольный промежуток и внешний промежуток, медного разделителя. Неоднородная деформация модуля, расположенного во внешнем слое укладки, при волочении уменьшена, а при волочении провода уменьшена вероятность его разрыва, но потери переменного тока по сравнению со сравнительным продуктом 1, 2 и 3 несколько увеличены. Однако критический ток, критическая плотность тока и n-значение заметно увеличены с увеличением таким образом сверхпроводимости.
Вместе с тем в предлагаемом продукте 1 разделитель с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди, расположенный в квадратном промежутке, еще не имеет достаточной прочности, поэтому большинство модулей немного смещены внутрь.
Для устранения этого недостатка предлагаемого продукта 1 в предлагаемом продукте 2 использован разделитель со средним содержанием олова по отношению к содержанию меди, в котором доля площади поперечного сечения меди увеличена по сравнению с разделителем с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди для управления прочностью разделителя с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди, предназначенного для установки в квадратном промежутке, сформированном между четырьмя модулями. Кроме того, для дополнительного уменьшения количества оловянных элементов в предлагаемом продукте 2 в отличие от предлагаемого продукта 1 использован разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди, обработанный таким образом, что стержень из олова или оловянного сплава вставлен в медный разделитель, предназначенный для установки в промежутке треугольной формы и внешнем промежутке.
В результате поляризация во внутреннем направлении модуля внешнего слоя, которая может быть вызвана в предлагаемом продукте 1, была устранена, а разделители, включающие олово или оловянный сплав (по меньшей мере двойной сплав), были симметрично использованы в каждом промежутке в противодиффузионной трубке для однородного управления реакцией диффузии атомов олова или оловянного сплава во время термообработки. В результате был сформирован высококачественный сверхпроводящий материал Nb3Sn.
Кроме того, поскольку диффузионное давление, которое может возникать при диффузии атомов олова или оловянного сплава, устранено, образование перемычек между нитями может быть уменьшено. В результате снижена степень увеличения потерь переменного тока и одновременно заметно улучшены характеристики сверхпроводимости, например критический ток или критическая плотность тока.
В отличие от изобретения 2, в изобретении 3 вместо разделителя с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди для вставки в треугольный промежуток использован медный разделитель, обладающий высокой прочностью, благодаря чему повышена эффективность волочения провода, и одновременно могут быть заметно улучшены характеристики сверхпроводимости по сравнению со сравнительным продуктом, хотя диффузией атомов олова или оловянного сплава в противодиффузионной трубке управляют с помощью медного разделителя.
Для улучшения характеристик по сравнению с характеристиками предлагаемого продукта 2, имеющего наилучшие характеристики, обеспеченные вставкой разделителя, содержащего Sn, для распределения Sn, предлагаемый продукт 4 имеет устойчивое сечение и улучшенные характеристики благодаря тому, что в квадратные промежутки вместо разделителя со средним содержанием олова по отношению к содержанию меди вставлен разделитель с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди с высоким уровнем содержания Sn, причем все промежутки в противодиффузионной трубке расположены симметрично по отношению друг к другу и обеспечено наибольшее содержание Sn.
Кроме того, диспропорция напряжений между модулями, обусловленная волочением сравнительного продукта, уменьшена таким образом, что изменение модуля является однородным. В результате характеристики сверхпроводимости, например Jc, улучшены, а n-значение увеличено.
При этом когда отношение площади сечения меди к площади сечения олова в разделителе с высоким содержанием олова по отношению к содержанию меди, вставленным в квадратный промежуток между внешним модульным слоем и модульным слоем, смежным с его внутренней частью, больше 6,0, в частности когда вставлен разделитель с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди, то прочность разделителя намного превышает необходимый уровень, так что форма модуля переходит в некоторую другую форму, не являющуюся круглой, а содержание олова в немедной области чрезмерно уменьшено. Поэтому трудно сформировать высококачественный сверхпроводящий материал Nb3Sn.
В результате сечению каждой нити в модуле может быть придана неоднородная форма или плоская форма, а не круглая форма. Очевидно, интервал между нитями, а также между слоями нитей становится неоднородным, поэтому диффузия атомов Sn при термообработке становится однородной с обеспечением реакции сверхпроводящего материала Nb3Sn структуры А15. Поэтому высококачественная сверхпроводящая нить Nb3Sn не может быть сформирована, в силу чего ухудшены характеристики сверхпроводимости при приложении магнитного поля.
В нити, имеющей некруглую форму, характеристики сверхпроводимости, связанные с характеристиками деформации, могут быть ухудшены при повторном цикле напряжения растяжения и/или сжатия при крайне низкой температуре, при которой используют сверхпроводящий провод.
Когда отношение площади сечения меди к площади сечения олова в разделителе с низким содержанием олова по отношению к содержанию меди, вставленном в треугольный промежуток или внешний промежуток, меньше 6,0, так как прочность каждого разделителя, расположенного между внешним модульным слоем и противодиффузионной трубкой, ниже прочности таких разделителей сравнительного продукта, разделители, расположенные во внешнем промежутке, принимают на себя высокое напряжение при волочении, так что они оказываются вдавлены по направлению центральной части их внутренней границы.
Одновременно смежные модули, имеющие сравнительно высокую прочность, принимают на себя напряжение, приложенное к внешней стороне провода таким образом, что форма каждого модуля не может быть переведена в круглую, а переходит в неправильную. Поэтому форма каждой нити легко переходит в неправильную или плоскую форму, а не в круглую форму, а интервал между нитями и между слоями нитей становится неоднородным. Соответственно, как описано выше, высококачественная сверхпроводящая нить Nb3Sn не может быть сформирована путем термообработки, а характеристики сверхпроводимости могут быть ухудшены при приложении магнитного поля.
Анализ каждого отношения площади сечения меди к площади сечения олова в каждом разделителе выполнен с использованием устройства для анализа изображений оптического микроскопа. Площадь сечения первоначального модуля начальной толщины получена делением площади сечения меди, расположенной между модулями, в пропорции 1/2, затем на основе этой площади сечения получают площадь сечения разделителя путем вычитания толщины внешнего слоя модуля, деленной в пропорции 1/2, из площади сечения треугольного промежутка или квадратного промежутка, в которых расположены разделители. Каждую площадь сечения олова и меди анализируют с использованием устройства для анализа изображений оптического микроскопа для исследования металлов в каждой части сечения разделителей.