способ изготовления сверхпроводящего изделия

Формула изобретения

1. Способ изготовления сверхпроводящего изделия, включающий формирование винтовой спирали на основе композиции из сверхпроводника и металла с нормальной проводимостью, изолирование витков спирали друг от друга и скрепление витков, отличающийся тем, что сверхпроводник и металл с нормальной проводимостью выполняют в виде слоев, ширина которых в общем и целом равна ширине витка спирали, и располагают один на другом, причем вначале образуют слой с нормальной проводимостью и наносят на него сверхпроводящий слой, при этом сверхпроводящему слою обеспечивают анизотропию относительно силы пиннинга, максимум которой направляют ортогонально поверхности витка, а изолирование витков спирали производят формированием оксидной диэлектрической пленки на поверхности витков.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в композиции в качестве материала сверхпрсводящего слоя используют ниобий.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в композиции в качестве материала сверхпроводящего слоя используют соединение станнида ниобия со структурой А-15.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что композиции в качестве материала слоя с нормальной проводимостью используют нержавеющую сталь.

5. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что в композиции в качестве материала слоя с нормальной проводимостью используют один или более металлов, выбранных из группы, содержащей медь, молибден, вольфрам, тантал, хром, рений.

6. Способ по п. 1 или 3, отличающийся тем, что в композиции в качестве материала слоя с нормальной проводимостью используют ниобий.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что ниобий наносят электролизом из расплава солей в атмосфере инертного газа, а анизотропию относительно силы пиннинга достигают путем обеспечения общего содержания примесей в сверхпроводящем слое, равного 0,05-0,50 мас.%.

8. Способ по п.3, отличающийся тем, что соединение станнида ниобия со структурой А-15 наносят электролизом из расплава солей в атмосфере, содержащей инертный газ.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что анизотропию относительно силы пиннинга достигают путем легирования наносимого соединения танталом, причем содержание тантала в сверхпроводящем слое составляет 0,3-1,5 мас.%.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что анизотропию относительно силы пиннинга достигают путем легирования наносимого соединения цирконием, причем содержание циркония в сверхпроводящем слое составляет 0,1-0,5 мас.%.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что анизотропию относительно силы пиннинга достигают путем легирования наносимого соединения медью, причем содержание меди в сверхпроводящем слое составляет 3-10 мас.%.

12. Способ по п.8, отличающийся тем, что анизотропию относительно силы пиннинга достигают путем легирования наносимого соединения углеродом, причем содержание углерода в сверхпроводящем слое составляет 0,06-0,24 мас.%.

13. Способ по п.8, отличающийся тем, что анизотропию относительно силы пиннинга достигают путем легирования наносимого соединения азотом, причем содержание азота в сверхпроводящем слое составляет 0,07-0,21 мас.%.

14. Способ по одному из пп. 3-6, отличающийся тем, что соединение станнида ниобия со структурой А-15 содержит фазы Nb₆Sn₅ и/или NbSn_n, при этом соединение наносят бестоковым переносом из расплава солей в атмосфере инертного газа, а анизотропию относительно силы пиннинга достигают за счет фаз Nb₆Sn₅ и/или NbSn_n.

15. Способ по одному из пп. 7, 8, 14, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон, гелий или их смесь.

16. Способ по одному из пп. 1-3, 5, 6, отличающийся тем, что композицию образуют из нескольких сверхпроводящих слоев и нескольких слоев с нормальной проводимостью.

17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве изолирующей оксидной диэлектрической пленки на поверхности витков формируют аморфную пленку Nb₂O₅ толщиной 0,05-5,0 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области криогенной техники и может быть использовано при изготовлении сверхпроводящих магнитных систем для генерации стационарных магнитных полей, в том числе токамаков, индуктивных накопителей энергии, ускорителей заряженных частиц, электрогенераторов со сверхпроводящими обмотками возбуждения, МГД-генераторов, ЯМР-томографов и других изделий.

В сверхпроводящих обмотках промышленных магнитных систем под действием пондеромоторных сил возникают высокие механические напряжения. За счет осевой компоненты магнитного поля на витки обмотки действуют большие растягивающие усилия, а за счет радиальной компоненты - аксиальные сжимающие усилия, которые могут достигать сотен и тысяч килограммов на виток, в связи с чем сверхпроводящее изделие должно иметь повышенную механическую прочность, особенно его токоведущие части и межвитковая изоляция. При этом, наиболее слабым звеном является изоляция. Это связано с тем, что обычно используемые изоляционные материалы обладают меньшей механической прочностью по сравнению со сверхпроводниками и металлами с нормальной проводимостью, большим температурным коэффициентом расширения-сжатия, менее устойчивы к воздействию низких температур. С другой стороны, с учетом высокой стоимости сверхпроводящих материалов большое значение имеет снижение их расхода, что диктует необходимость более полного использования токонесущей способности сверхпроводника в разных полях. Кроме того, для крупномасштабных магнитов становится существенной проблема динамической устойчивости к скачкам магнитного потока и снижения гистерезисных потерь в переходных режимах, а также вывода энергии из сверхпроводящей обмотки при переходе ее в нормальное состояние. Для этого требуется снижать индуктивность обмотки и увеличивать рабочий ток, используя рабочие элементы все более крупного сечения, что лимитируется имеющимися техническими средствами. Сверхпроводящие материалы с высокими критическими характеристиками типа интерметаллидов с кристаллической структурой А-15, халькогенидов и высокотемпературных керамических оксидов являются хрупкими материалами, что затрудняет изготовление на их основе обмоточных проводов. Во многих случаях эти трудности практически непреодолимы.

Известен способ изготовления сверхпроводящего изделия (см. заявку ФРГ N 1 514 707, Н. кл. 21g 1/02; МПК H 01 F, 1969), включающий формирование винтовой спирали в виде сверхпроводника и металла с нормальной проводимостью. Спираль образуют из набора кольцеобразных сверхпроводящих фольг и фольг с нормальной проводимостью, имеющих радиальную прорезь и расположенных одна на другой, причем поверхность сверхпроводящей фольги за исключением участка, прилегающего к радиальной прорези, снабжают изолирующим покрытием. Неизолированный участок, прилегающий к прорези одной фольги, располагают на неизолированном участке, прилегающем к прорези другой соседней фольги, с припаиванием этих участков друг к другу. В таком изделии ток распределяется в точном соответствии с магнитным полем, оптимально заполняя обмотку.

Недостатком данного способа является большое количество радиальных спаев сверхпроводника между витками. В связи с этим, изделие не обладает достаточной механической жесткостью и не в состоянии выдерживать растягивающие нагрузки, создаваемые за счет осевой компоненты магнитного поля. Кроме того, большое количество спаев снижает динамическую устойчивость к скачкам магнитного потока и приводит к большим гистерезисным потерям в переходных режимах, а также преждевременному переходу изделия из сверхпроводящего в нормальное состояние. Использование в качестве сверхпроводника такого хрупкого материала как Nb₃Sn не позволяет обеспечить спаи хорошего качества, поэтому изготовление из фольги магнитов больших размеров является очень сложной технической задачей. Дополнительным недостатком способа является то, что при изолировании витков друг от друга не удается прочно закрепить изолирующий слой на сверхпроводнике.

Известен также способ изготовления сверхпроводящего изделия (см. Авт. свид. СССР N 1325587, МПК⁴ H 01 F 41/06, 1987), включающий формирование непрерывной винтовой спирали с плоскими витками на основе композиции из сверхпроводника и металла с нормальной проводимостью путем одновременной подачи множества коаксиальных проводов, внутренняя часть которых состоит из сверхпроводника, а наружная часть - из металла с нормальной проводимостью, их навивки в одной плоскости с непрерывным продольным соединением наружных частей между собой, например пайкой, и изолирования витков. Изготовленное таким способом изделие имеет большую по сравнению с фольговыми магнитами жесткость, поскольку как растягивающие усилия витка за счет осевой компоненты магнитного поля, так и изгибающие механические моменты воспринимаются всем плоским витком.

Недостатком известного способа является высокая индуктивность вследствие множества коаксиальных проводов, составляющих виток спирали, а также большой уровень гистерезисных потерь и невысокая динамическая устойчивость к скачкам магнитного потока из-за наличия спаев между проводами, которые снижают допустимые скорости ввода тока и соответственно увеличивают время запитки. Кроме того, способ характеризуется низкой эффективностью использования сверхпроводящего материала и сложностью изготовления изделия по причине крепления как отдельных прядей сверхпроводника так и изолирующего слоя в плоскости витка.

В основу настоящего изобретения положена задача повышения динамической устойчивости сверхпроводящего изделия к скачкам магнитного потока, снижение уровня гистерезисных потерь и повышение эффективности использования сверхпроводящего материала при минимальном его расходе. Кроме того, изобретение решает задачу упрощения процесса изготовления изделия как при формировании винтовой спирали, так и при изолировании ее витков, а также улучшает качество и эффективность изолирующего слоя.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления сверхпроводящего изделия, включающем формирование винтовой спирали на основе композиции из сверхпроводника и металла с нормальной проводимостью, изолирование витков спирали друг от друга и скрепление витков, согласно изобретению сверхпроводник и металл с нормальной проводимостью выполняют в виде слоев, ширина которых в общем и целом равна ширине витка спирали, и располагают один на другом, причем вначале образуют слой с нормальной проводимостью и наносят на него сверхпроводящий слой, при этом сверхпроводящему слою обеспечивают анизотропию относительно силы пиннинга, максимум которой направляют ортогонально поверхности витка, а изолирование витков спирали производят формированием оксидной диэлектрической пленки на поверхности витков. При этом под силой пиннинга понимают силу F_p, которая вызывает зацепление (пиннинг) вихревых нитей магнитного поля в сверхпроводнике, предотвращая их движение, и тем самым исключает возникновение омического сопротивления и выделение джоулева тепла в сверхпроводящем материале при прохождении по нему электрического тока. Сила пиннинга F_p, действует на вихревую нить в противоположную сторону по отношению к силе Лоренца и связана с критической плотностью тока I_c в сверхпроводнике уравнением I_c B = F_p, где B - магнитная индукция. Исходя из этого уравнения, анизотропию относительно силы пиннинга характеризуют коэффициентом анизотропии k, равным отношению критических плотностей тока при параллельной и перпендикулярной ориентации плоскости сверхпроводящего слоя относительно вектора магнитной индукции B, а максимум силы пиннинга определяют по максимуму критической плотности тока.

Поставленная задача решается также тем, что в композиции в качестве материала сверхпроводящего слоя используют ниобий.

Решению поставленной задачи способствует то, что в композиции в качестве материала сверхпроводящего слоя используют соединение станнида ниобия со структурой А-15, представляющее собой интерметаллид с химической формулой Nb₃Sn.

Поставленная задача решается и тем, что в композиции в качестве материала слоя с нормальной проводимостью используют нержавеющую сталь.

Решению поставленной задачи способствует и то, что в композиции в качестве материала слоя с нормальной проводимостью используют один или более металлов, выбранных из группы, содержащей медь, молибден, вольфрам, тантал, хром и рений.

Поставленная задача решается также и тем, что в композиции в качестве материала слоя с нормальной проводимостью используют ниобий.

Решению поставленной задачи способствует то, что ниобий наносят электролизом из расплава солей в атмосфере инертного газа, а анизотропию относительно силы пиннинга достигают путем обеспечения общего содержания примесей в сверхпроводящем слое, равного 0,05-0,50 мас.%.

Поставленная задача решается тем, что соединение станнида ниобия со структурой А-15 наносят электролизом из расплава солей в атмосфере, содержащей инертный газ.

Решению поставленной задачи способствует и то, что анизотропию относительно силы пиннинга достигают путем легирования наносимого соединения танталом, причем содержание тантала в сверхпроводящем слое составляет 0,3-1,5 мас.%.

Решению поставленной задачи способствует также и то, что анизотропию относительно силы пиннинга достигают путем легирования наносимого соединения цирконием, причем содержание циркония в сверхпроводящем слое составляет 0,1-0,5 мас.%.

Поставленная задача решается также и тем, что анизотропию относительно силы пиннинга достигают путем легирования наносимого соединения медью, причем содержание меди в сверхпроводящем слое составляет 3-10 мас.%.

Решению поставленной задачи способствует и то, что анизотропию относительно силы пиннинга достигают путем легирования наносимого соединения углеродом, причем содержание углерода в сверхпроводящем слое составляет 0,06-0,24 мас.%.

Поставленная задача решается также тем, что анизотропию относительно силы пиннинга достигают путем легирования наносимого соединения азотом, причем содержание азота в сверхпроводящем слое составляет 0,07-0,21 мас.%.

Решению поставленной задачи способствует то, что соединение станнида ниобия со структурой А-15 содержит фазы Nb₆Sn₅ и/или NbSn₂, при этом соединение наносят бестоковым переносом из расплава солей в атмосфере инертного газа, а анизотропию относительно силы пиннинга достигают за счет фаз Nb₆Sn₅ и/или NbSn₂.

Решению поставленной задачи способствует и то, что в качестве инертного газа используют аргон, гелий и их смесь.

Поставленная задача решается и тем, что композицию образуют из нескольких сверхпроводящих слоев и нескольких слоев с нормальной проводимостью.

Решению поставленной задачи способствует также и то, что в качестве изолирующей оксидной диэлектрической пленки на поверхности витков формируют аморфную пленку Nb₂O₅ толщиной 0,05-5,0 мкм.

Выполнение сверхпроводника и металла с нормальной проводимостью в виде слоев, ширина которых в общем и целом равна ширине витка спирали, способствует повышению жесткости витка, необходимой для противостояния большим растягивающим усилиям, создаваемым в витке осевой компонентой магнитного поля, а также снижает индуктивность витка и тем самым способствует уменьшению уровня гистерезисных потерь. При этом линия, образующая поверхность винтовой спирали, может быть прямой с формированием сверхпроводящего изделия в виде геликоида или кривой с постоянными или переменными радиусами кривизны и знаками кривизны, причем пространственная ось винтовой спирали может быть замкнута. Входящие в композицию сверхпроводящий слой и слой с нормальной проводимостью могут состоять из нескольких подслоев. Следует отметить, что при использовании изделия в качестве индуктивного накопителя энергии с запасаемой энергией более нескольких мегаджоулей, именно прочность металла с нормальной проводимостью ограничивает допустимую плотность тока, поскольку она пропорциональна величине напряжения, приемлемого для металла с нормальной проводимостью. Однако прочные материалы обладают большим электрическим сопротивлением. В связи с этим важное практическое значение имеет композиция из сверхпроводника и металла с нормальной проводимостью, в которой последний сочетал бы в себе высокие прочностные характеристики и высокую электропроводность. Такой слой может быть создан на основе двух или более металлов с нормальной проводимостью, имеющих высокую прочность и электропроводность, как например медь и сталь, медь и вольфрам, медь и молибден, вольфрам и рений, хром и вольфрам и т.п. Причем наилучшим слоем с нормальной проводимостью является слой, состоящий из меди и стали, поскольку наряду с высокой электропроводностью для меди характерна высокая пластичность и вязкость до температур, близких к абсолютному нулю, и в области криогенных температур медь не показывает даже признаков хрупкого разрушения.

Расположение слоев сверхпроводника и металла с нормальной проводимостью один на другом способствует повышению динамической устойчивости изделия к возникновению скачков магнитного потока.

Образование вначале слоя с нормальной проводимостью и нанесение на него сверхпроводящего слоя упрощает процесс изготовления изделия, поскольку при формировании композиции слой с нормальной проводимостью может подвергаться различным механическим воздействиям (прокатке, волочению, изгибу и т.д.) и при этом не существует опасности разрушения или повреждения обычно хрупкого слоя сверхпроводника, за счет которого создается магнитное поле в витках изделия.

Обеспечивание сверхпроводящего слоя анизотропией относительно силы пиннинга с максимумом силы в направлении, ортогональном поверхности витка, способствует наиболее эффективному использованию сверхпроводящего материала, поскольку направление магнитного поля, создаваемого изделием, всегда составляет угол, близкий к 90^o, для любого произвольного участка поверхности витка.

Изолирование витков спирали формированием оксидной диэлектрической пленки на поверхности витков упрощает выполнение изолирующего слоя между витками.

Применение ниобия в качестве материала сверхпроводящего слоя в композиции способствует динамической устойчивости изделия к скачкам магнитного потока и снижению уровня гистерезисных потерь в стационарных полях низкой напряженности.

Выполнение сверхпроводящего слоя композиции из соединения станнида ниобия со структурой А-15 способствует динамической устойчивости изделия к скачкам магнитного потока в стационарных полях высокой напряженности.

Применение нержавеющей стали в качестве материала слоя с нормальной проводимостью в композиции термически и электрически стабилизирует сверхпроводящий слой, способствует противодействию пондеромоторным силам, возникающим при воздействии магнитного поля, и тем самым повышает динамическую устойчивость изделия к скачкам магнитного потока. При этом используют стали 12Х18Н9Т, 08Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 03Х18Н11 или 12Х18Н9, поскольку они имеют малую чувствительность к хрупкому разрушению при низких температурах, высокую прочность и технологичны при обработке.

Применение в качестве материала слоя с нормальной проводимостью композиции одного или более металлов, выбранных из группы, содержащей медь, молибден, вольфрам, тантал, хром и рений, также термически и электрически стабилизирует сверхпроводящий слой и способствует его противодействию пондеромоторным силам, возникающим при воздействии на сверхпроводящий слой магнитного поля и тем самым способствует динамической устойчивости изделия к скачкам магнитного потока.

Выполнение в композиции слоя с нормальной проводимостью из ниобия способствует наилучшему демпфированию сверхпроводящего слоя, поскольку ниобий имеет наиболее близкий коэффициент температурного расширения к материалу сверхпроводящего слоя из станнида ниобия со структурой А-15. Результатом упомянутого выше демпфирования является повышение устойчивости изделия к скачкам магнитного потока.

Нанесение сверхпроводящего ниобиевого слоя электролизом из расплава солей в атмосфере инертного газа с общим содержанием примесей 0,05-0,50 мас.% обеспечивает рост столбчатой структуры зерен с выделением примесей на границах, что способствует анизотропии относительно силы пиннинга с ее максимумом в направлении, ортогональном поверхности витка и тем самым способствует повышению эффективности использования сверхпроводящего материала при минимальном его расходе. При содержании примесей менее 0.05 мас.%, ниобий близок по своим свойствам к сверхпроводнику первого рода и не обеспечивает прохождения в изделии высоких критических токов. При содержании примесей более 0.50 мас. % резко снижается критическая температура сверхпроводящего слоя, что приводит к снижению динамической устойчивости изделия к скачкам магнитного потока.

Нанесение соединения станнида ниобия со структурой А-15 электролизом из расплава солей в атмосфере, содержащей инертный газ, способствует повышению эффективности использования сверхпроводящего материала.

Содержание тантала в сверхпроводящем слое в количестве 0,3-1,5 мас.% обеспечивает максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, и тем самым способствует повышению эффективности использования сверхпроводящего материала при минимальном его расходе. При концентрации тантала менее 0,3 мас.% количество его выделений на границах зерен недостаточно для создания эффективных центров пиннинга в сверхпроводнике. Увеличение содержания тантала свыше 1,5 мас.% приводит к значительному уходу от стехиометрии по олову фазы А-15, которое, в свою очередь, приводит к деградации критической температуры и критического тока сверхпроводящего слоя.

Содержание циркония в сверхпроводящем слое в количестве 0,1-0,5 мас.% обеспечивает максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, и тем самым способствует повышению эффективности использования сверхпроводящего материала при минимальном его расходе. При концентрации циркония менее 0,1 мас. % его воздействие на сверхпроводящие характеристики пренебрежимо мало. Увеличение содержания циркония в сверхпроводящем слое более 0,5 мас. % изменяет анизотропию относительно силы пиннинга и ее максимум имеет место в направлении, параллельном поверхности витка.

Содержание меди в сверхпроводящем слое в количестве 3-10 мас.% способствует его дополнительной электрической и термической стабилизации вследствие ее высокой электро- и теплопроводности и тем самым способствует повышению динамической устойчивости изделия к скачкам магнитного потока, а также обеспечивает максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, и тем самым способствует повышению эффективности использования сверхпроводящего материала при минимальном его расходе. При содержании меди менее 3 мас.% ее влияние на стабилизацию слоя незначительно. При содержании меди более 10 мас.% происходит деградация сверхпроводящей фазы А-15, входящей в сверхпроводящий слой.

Содержание углерода в сверхпроводящем слое в количестве 0,06-0,24 мас.% обеспечивает максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, и тем самым способствует повышению эффективности использования сверхпроводящего материала при минимальном его расходе. При концентрации углерода менее 0,06 мас.% его влияние на критический ток обмотки пренебрежимо мало. Увеличение содержания углерода в сверхпроводящем слое более 0,24 мас.% изменяет анизотропию относительно силы пиннинга и ее максимум имеет место в направлении, параллельном поверхности витка.

Содержание азота в сверхпроводящем слое в количестве 0,07-0,21 мас.% обеспечивает максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, и тем самым способствует повышению эффективности использования сверхпроводящего материала при минимальном его расходе. При концентрации углерода менее 0,07 мас.% он слабо влияет на величину критического тока в витке. Увеличение содержания углерода в сверхпроводящем слое более 0,21 мас. % изменяет величину анизотропии относительно силы пиннинга и ее максимум имеет место в направлении, параллельном поверхности витка.

Содержание в соединении станнида ниобия со структурой А-15 фаз Nb₆Sn₅ и/или NbSn₂, при нанесении сверхпроводящего слоя бестоковым переносом из расплава солей в атмосфере инертного газа обеспечивает анизотропию относительно силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, и тем самым способствует повышению эффективности использования сверхпроводящего материала при минимальном его расходе.

Анизотропия относительно силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, может быть обеспечена не только легированием, но и другими методами. Для нелегированного соединения станнида ниобия со структурой А-15 она может быть обеспечена в результате использования гальваностатического режима электролиза.

Использование в качестве инертного газа аргона, гелия или их смеси способствует получению сверхпроводящего слоя с высокими критическими характеристиками и тем самым повышает эффективность использования сверхпроводящего материала при минимальном его расходе.

Образование композиции из нескольких сверхпроводящих слоев и нескольких слоев с нормальной проводимостью приводит к увеличению рабочего тока обмотки, большей устойчивости к тепловым возмущениям, повышению динамической устойчивости сверхпроводящего изделия к скачкам магнитного потока, снижению уровня гистерезисных потерь.

Формирование на поверхности витков в качестве изолирующей оксидной диэлектрической пленки аморфной пленки Nb₂O₅ толщиной 0,05-5,0 мкм упрощает изолирование витков спирали, а также улучшает качество и эффективность изолирующего слоя. Это обусловлено тем, что такая пленка имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, обладают большей механической прочностью, более устойчива к воздействию низких температур и циклических изменений температуры по сравнению с изоляционными материалами, используемыми в настоящее время для изолирования сверхпроводящих витков. Кроме того, аморфная пленка устойчива при нагреве обмотки в случае аварийного перехода сверхпроводника в нормальное состояние, причем по мере увеличения напряжения в витках в процессе аварийного перехода межвитковая электрическая емкость, обусловленная оксидной пленкой, уменьшается примерно в 10 раз, способствуя предохранению изделия от разрушения. При толщине пленки Nb₂O₅ менее 0,05 мкм слой оксида может быть не сплошным и поэтому не обеспечивать надежной межвитковой электрической изоляции. При толщине слоя Nb₂O₅ более 5 мкм ухудшаются условия охлаждения витка, что приводит к снижению динамической устойчивости сверхпроводящего изделия к скачкам магнитного потока.

Сущность предлагаемого изобретения может быть пояснена следующими примерами конкретного выполнения изобретения.

В общем случае способ изготовления сверхпроводящего изделия реализуют следующим образом. Из листового металла с нормальной проводимостью толщиной d формируют основу винтовой спирали с внутренним диаметром D, имеющую n витков с шириной витка w, с последующим нанесением на основу сверхпроводящего слоя. Затем производят изолирование витков спирали путем образования аморфной оксидной диэлектрической пленки в 0,01%-м растворе ортофосфорной кислоты. После этого витки скрепляют, монтируют токовводы, погружают изделие в металлический гелиевый криостат КГ-150 и при температуре 4,2 К исследуют стабильность сверхпроводящего состояния. Динамическую устойчивость оценивают по скорости нарастания поля dB/dt (где В - индукция магнитного поля, a t- время) с помощью низкотемпературного зонда, который выполнен в виде немагнитного штока с закрепленным в нижней части датчиком магнитного поля, имеющим чувствительность 0,5х10^-4 Тл. Чувствительный элемент датчика магнитного поля помещают в центральной части изделия. После испытания изделия в целом из него вырезают часть витков, изготовляют из них образцы соответствующих размеров и проводят исследования. Примесный состав сверхпроводящих слоев определяют искровой масс-спектрометрией, фазовый состав определяют с помощью рентгеновского дифрактометра, а структуру поперечного сечения исследуют методом металлографического анализа. Измерения критического тока производят четырехзондовым методом в сверхпроводящем соленоиде, при этом исследуемые образцы располагают так, чтобы ток был перпендикулярен магнитному полю, а поверхность сверхпроводящего слоя либо параллельна, либо перпендикулярна полю. Критический ток фиксируют по появлению на образце напряжения, равного 10^-6 В. Анизотропию относительно силы пиннинга характеризуют коэффициентом анизотропии k, равным отношению критических токов при параллельной и перпендикулярной ориентации плоскости сверхпроводящего слоя относительно магнитного поля, т.е. Критическую температуру Т_с замеряют резистивным методом. Для измерения верхнего критического поля В_с2 соединения станнида ниобия со структурой А-15 при нескольких значениях поля, создаваемого сверхпроводящим соленоидом, измеряют величину Т_с. Затем определяют верхние критические поля при 0 и 4,2 К по известным формулам.

Пример 1. Формируют из нержавеющей стали марки 12Х18Н9Т основу винтовой спирали, имеющую толщину d - 0,2 мм, внутренний диаметр D - 20 мм, количество витков n - 120 и ширину витка w - 27 мм. Затем при температуре 800^oC в атмосфере аргона из расплава галогенидов щелочных металлов, содержащих соль ниобия, наносят электролизом сверхпроводящий слой ниобия толщиной 15 мкм. В качестве растворимого анода используют ниобиевый прокат марки НБР-1. После нанесения сверхпроводящего слоя образуют оксидный аморфный слой Nb₂O₅ толщиной 0,05 мкм. Испытания изделия показали, что его динамическая стабильность сохраняется при dB/dt 1,4 10^-2 Тл/с. Полученное ниобиевое покрытие по данным искровой масс-спектрометрии имело следующие примеси, мас.%:Ta-310^-4, Zr-110^-4, Fe-910^-4, К-110^-4, Na-110^-4, Li-210^-4, Al-510^-4, Mg-410^-4,

Ni-810^-4, S-510^-4, F-510^-4, O-210^-2, N-210^-4, C-310^-4. Остальные примеси составляют в сумме 2,510^-2 мас. %. Общее содержание примесей в сверхпроводящем слое равно 0,05 мас.%. Исследования, проведенные с помощью оптической и растровой электронной микроскопии, указывают на сплошность и равномерность ниобиевого и оксидного слоев. Критическая температура Т_с составила 9,3 К, величина верхнего критического поля H_с2 (4,2 К)= 1,2 Тл. Критическая плотность тока I_c в поле 0,5 Тл, рассчитанная на сверхпроводящий слой, равна 210⁷ А/м², коэффициент анизотропии k = 2,1. Максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, обеспечивается за счет общего содержание примесей в сверхпроводящем слое, равного 0,05 мас.%.

Пример 2. Формируют основу винтовой спирали, имеющую параметры d - 0,5 мм, D - 75 мм, n - 70 и w - 20 мм из технической меди марки М1, имеющей химический состав согласно ГОСТ 859-78. Затем при температуре 700^oC в атмосфере гелия из расплава галогенидов щелочных металлов, содержащих соль ниобия, наносят электролизом сверхпроводящий слой ниобия толщиной 25 мкм. В качестве растворимого анода используют технический ниобий с содержанием основного металла 97 мас.%. После нанесения сверхпроводящего слоя образуют оксидный аморфный слой Nb₂O₅ толщиной 5,0 мкм. Испытания изделия показали, что его динамическая стабильность сохраняется при dB/dt 2,4х10^-2 Тл/с. Полученное ниобиевое покрытие имело состав примесей, аналогичный Примеру 1, за исключением тантала, содержание которого составляло 310^-1 мас.%. Общее содержание примесей в сверхпроводящем слое равно 0,35 мас.%. Критическая температура Т_с составила 9,4 К, величина верхнего критического поля H_с2 (4,2 К)= 1,3 Тл. Критическая плотность тока I_c в поле 0,5 Тл, рассчитанная на сверхпроводящий слой, равна 5 10⁷ А/м², коэффициент анизотропии k = 1,9. Максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, обеспечивается за счет общего содержание примесей в сверхпроводящем слое, равного 0,35 мас. %.

Пример 3. Формируют основу винтовой спирали, имеющую параметры d - 0,3 мм, D - 10 мм, n - 80 и w - 15 мм. В качестве металла с нормальной проводимостью используют молибден. Затем при температуре 750^oC в атмосфере аргона и гелия, взятых в объемном соотношении 1:1, из расплава галогенидов щелочных металлов, содержащих соль ниобия, наносят электролизом сверхпроводящий слой ниобия толщиной 15 мкм. В качестве растворимого анода используют технический ниобий с содержанием основного металла 95 мас.%. После нанесения сверхпроводящего слоя образуют оксидный аморфный слой Nb₂O₅ толщиной 1,0 мкм. Испытания изделия показали, что его динамическая стабильность сохраняется при dB/dt 1,8 10^-2 Тл/с. Общее содержание примесей в сверхпроводящем слое равно 0,5 мас.%. Критическая температура T_c составила 9,3 К, величина верхнего критического поля H_c2 (4,2 К) = 1,5 Тл. Критическая плотность тока I_c в поле 0,5 Тл, рассчитанная на сверхпроводящий слой, равна 8 10⁷ А/м², коэффициент анизотропии k = 2,0. Максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, обеспечивается за счет общего содержание примесей в сверхпроводящем слое 0,5 мас.%.

Пример 4. Формируют изделие аналогично примеру 3. Отличие заключается в том, что в качестве металла с нормальной проводимостью используют вольфрам. Результаты испытаний изделия такие же, как в Примере 3.

Пример 5. Формируют изделие аналогично Примеру 3. Отличие заключается в том, что в качестве металла с нормальной проводимостью используют тантал. Результаты испытаний изделия такие же, как в примере 3.

Пример 6. Формируют изделие аналогично примеру 3. Отличие заключается в том, что в качестве металла с нормальной проводимостью используют хром. Результаты испытаний изделия такие же, как в примере 3.

Пример 7. Формируют изделие аналогично примеру 3. Отличие заключается в том, что в качестве металла с нормальной проводимостью используют рений. Результаты испытаний изделия такие же, как в примере 3.

Пример 8. Формируют изделие аналогично примеру 3. Отличие заключается в том, что в качестве металла с нормальной проводимостью используют ниобий. Результаты испытаний изделия такие же, как в примере 3.

Пример 9. Формируют основу винтовой спирали, имеющую параметры d - 0,3 мм, D - 15 мм, n - 80 и w - 12 мм из технической меди марки М2. Затем из электролита, содержащего соли ниобия и олова, в атмосфере аргона наносят электролизом слой сверхпроводящего соединения станнида ниобия со структурой А-15 толщиной 12 мкм. После нанесения сверхпроводящего слоя производят изолирование витков спирали посредством аморфной оксидной диэлектрической пленки 1,5 мкм. Испытания изделия показали, что его динамическая стабильность сохраняется при dB/dt 3,5 10^-2 Тл/с. Содержание примесей в станниде ниобия согласно данным искровой масс-спектрометрии было следующим, мас. %: Ta - 3 10^-3, Zr - 1 10^-3, Fe - 9 10^-3, K - 1 10^-4, Na - 1 10^-4, Li - 2 10^-4, Al - 5 10^-3, Mg - 4 10^-3, Ni - 8 10^-3, S - 5 10^-2, F - 1 10^-3, O - 5 10^-2, N - 5 10^-4, C - 7 10^-4. Рентгеноспектральный анализ показал в сверхпроводящем слое соотношение [Nb]/[Sn] = 2,50. Рентгенофазовый анализ идентифицировал только фазу со структурой А-15 с межплоскостным расстоянием a = 5,289 0,001 A. Исследования, проведенные на микрозондовом анализаторе "Cameca" в характеристических и отраженных электронах, указывают на сплошность и гомогенность слоя станнида ниобия. Критическая температура T_с составила 17,7 К. Расчетные величины верхнего критического поля B_c2(0) = 22,5 Тл, B_c2(4,2 К) = 21,0 Тл. Критическая плотность тока I_c в поле 5 Tл, рассчитанная на сверхпроводящий слой, равна 5,1 10⁹ А/м², коэффициент анизотропии k = 1,9. Максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, обеспечивается столбчатой структурой слоя, получающегося при гальваностатическом режиме электролиза.

Пример 10. Формируют основу винтовой спирали аналогично Примеру 9. Затем из электролита, содержащего соли ниобия, олова и тантала, в атмосфере гелия наносят электролизом слой сверхпроводящего соединения станнида ниобия со структурой А-15 толщиной 15 мкм. После нанесения сверхпроводящего слоя производят изолирование витков спирали посредством аморфной оксидной диэлектрической пленки толщиной 2,5 мкм. Испытания изделия показали, что его динамическая стабильность сохраняется при dB/dt 3,6 10^-2 Тл/с. Содержание примесей в станниде ниобия за исключением тантала аналогично содержанию примесей в Примере 9. Концентрация тантала в сверхпроводящем слое составила 0,3 мас.%. Рентгеноспектральный анализ показал в сверхпроводящем слое соотношение [Nb]/[Sn] = 2,45. Критическая температура T_c составила 17,7 К. Расчетные величины верхнего критического поля B_c2(0) = 26,0 Тл, B_c2(4,2 К) = 24,5 Тл. Критическая плотность тока I_c в поле 5 Тл, рассчитанная на сверхпроводящий слой, равна 2,1 10¹⁰ А/м², коэффициент анизотропии k = 1,9. Максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, обеспечивается за счет легирования сверхпроводящего соединения танталом в количестве, равном 0,3 мас.%.

Пример 11. Формируют основу винтовой спирали аналогично Примеру 9. Затем из электролита, содержащего соли ниобия, олова и циркония, в атмосфере аргона и гелия, взятых в объемном соотношении 1:1, наносят электролизом слой сверхпроводящего соединения станнида ниобия со структурой А-15 толщиной 14 мкм. После нанесения сверхпроводящего слоя производят изолирование витков спирали посредством аморфной оксидной диэлектрической пленки толщиной 1,5 мкм. Испытания изделия показали, что его динамическая стабильность сохраняется при dB/dt 3,2 10^-2 Тл/с. Содержание примесей в станниде ниобия за исключением циркония аналогично содержанию примесей в Примере 9. Концентрация циркония в сверхпроводящем слое составила 0,1 мас.%. Рентгеноспектральный анализ показал в сверхпроводящем слое соотношение [Nb]/[Sn] = 2,35. Критическая температура T_c составила 18,1 К. Расчетные величины верхнего критического поля B_c2(0) = 22,5 Тл, B_c2(4,2 К) = 21,0 Тл. Критическая плотность тока I_c в поле 5 Тл, рассчитанная на сверхпроводящий слой, равна 1,6 10¹⁰ А/м², коэффициент анизотропии k = 1,8. Максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, обеспечивается за счет легирования сверхпроводящего соединения цирконием в количестве, равном 0,1 мас.%.

Пример 12. Формируют основу винтовой спирали аналогично Примеру 9. Затем из электролита, содержащего соли ниобия, олова и меди, в атмосфере аргона наносят электролизом слой сверхпроводящего соединения станнида ниобия со структурой А-15 толщиной 16 мкм. После нанесения сверхпроводящего слоя производят изолирование витков спирали посредством аморфной оксидной диэлектрической пленки толщиной 3 мкм. Испытания изделия показали, что его динамическая стабильность сохраняется при dB/dt 3,9 10^-2 Тл/с. Содержание примесей в станниде ниобия за исключением меди аналогично содержанию примесей в Примере 9. Концентрация меди в сверхпроводящем слое составила 3 мас.%. Рентгеноспектральный анализ показал в сверхпроводящем слое соотношение [Nb] /[Sn] = 2,40. Критическая температура T_c составила 18,1 К. Расчетные величины верхнего критического поля B_c2(0) = 24,0 Тл, B_c2(4,2 К) = 22,5 Тл. Критическая плотность тока I_c в поле 5 Тл, рассчитанная на сверхпроводящий слой, равна 1,3 10¹⁰ А/м², коэффициент анизотропии k = 1,8. Максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, обеспечивается за счет легирования сверхпроводящего соединения медью в количестве, равном 3 мас.%.

Пример 13. Формируют основу винтовой спирали аналогично Примеру 9. Затем из электролита, содержащего соли ниобия, олова и тетрахлорметан, в атмосфере аргона наносят электролизом слой сверхпроводящего соединения станнида ниобия со структурой А-15 толщиной 12 мкм. После нанесения сверхпроводящего слоя производят изолирование витков спирали посредством аморфной оксидной диэлектрической пленки толщиной 2,5 мкм. Испытания изделия показали, что его динамическая стабильность сохраняется при dB/dt 3,3 10^-2 Тл/с. Содержание примесей в станниде ниобия за исключением углерода аналогично содержанию примесей в Примере 9. Концентрация углерода в сверхпроводящем слое составила 0,06 мас.%. Рентгеноспектральный анализ показал в сверхпроводящем слое соотношение [Nb]/[Sn] = 2,50. Критическая температура T_c составила 18,1 К. Расчетные величины верхнего критического поля B_c2(0) = 22,5 Тл, B_c2(4,2 К) = 21,0 Тл. Критическая плотность тока I_c в поле 5 Тл, рассчитанная на сверхпроводящий слой, равна 1,1 10¹⁰ А/м² коэффициент анизотропии k = 1,8. Максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, обеспечивается за счет легирования сверхпроводящего соединения углеродом в количестве, равном 0,06 мас.%.

Пример 14. Формируют основу винтовой спирали аналогично Примеру 9. Затем из электролита, содержащего соли ниобия и олова, в атмосфере смеси аргона и азота наносят электролизом слой сверхпроводящего соединения станнида ниобия со структурой А-15 толщиной 10 мкм. После нанесения сверхпроводящего слоя производят изолирование витков спирали посредством аморфной оксидной диэлектрической пленки толщиной 2,5 мкм. Испытания изделия показали, что его динамическая стабильность сохраняется при dB/dt 3,1 10^-2 Тл/с. Содержание примесей в станниде ниобия за исключением азота аналогично содержанию примесей в Примере 9. Концентрация азота в сверхпроводящем слое составила 0,07 мас. %. Рентгеноспектральный анализ показал в сверхпроводящем слое соотношение [Nb]/[Sn] = 2,50. Критическая температура T_c составила 17,9 К. Расчетные величины верхнего критического поля B_c2(0) = 23,5 Тл, B_c2(4,2 К) = 22,0 Тл. Критическая плотность тока I_c в поле 5 Тл, рассчитанная на сверхпроводящий слой, равна 2,7 10¹⁰ А/м² коэффициент анизотропии k = 1,9. Максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, обеспечивается за счет легирования сверхпроводящего соединения азотом в количестве, равном 0,07 мас.%.

Пример 15. Формируют основу винтовой спирали аналогично Примеру 1. Затем при температуре 800^oC в атмосфере аргона из расплава галогенидов щелочных металлов, содержащих соль меди, методом контактного вытеснения наносят слой меди толщиной 10 мкм. На образовавшийся медный слой при температуре 750^oC в атмосфере гелия из расплава галогенидов щелочных металлов, содержащих соль ниобия, наносят электролизом слой ниобия толщиной 15 мкм. В качестве растворимого анода используют ниобиевый прокат марки НБР-1. На полученном ниобиевом слое из расплава галогенидов щелочных металлов, содержащих соль олова, в атмосфере аргона методом бестокового переноса получают соединение станнида ниобия со структурой А-15 толщиной 8 мкм. После нанесения сверхпроводящего слоя производят изолирование витков спирали посредством аморфной оксидной диэлектрической пленки толщиной 1,8 мкм. Испытания изделия показали, что его динамическая стабильность сохраняется при dB/dt 2,9 10^-2 Тл/с. Содержание примесей в станниде ниобия согласно данным масс-спектрометрического анализа такое же, как в Примере 9. Рентгенофазовый анализ идентифицирует фазу со структурой А-15 с межплосткостным расстоянием а = 5,291 0,001 А, а также фазы Nb₆Sn₅ и NbSn₂. Критическая температура T_c составила 17,9 К. Расчетные величины верхнего критического поля B_c2(0) = 22,5 Тл, B_c2(4,2 К) = 21,0 Тл. Критическая плотность тока I_c в поле 5 Тл, рассчитанная на сверхпроводящий слой, равна 6,7 10⁹ А/м², коэффициент анизотропии k = 1,8. Максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, обеспечивается за счет образования фаз Nb₆Sn₅ и NbSn₂.

Пример 16. Формируют из нержавеющей стали марки 08Х18Н9Т основу винтовой спирали, имеющую толщину d - 0,2 мм, внутренний диаметр D - 20 мм, количество витков n - 120 и ширину витка w - 27 мм. Затем при температуре 650^oC в атмосфере гелия из расплава галогенидов щелочных металлов, содержащих соль меди, методом контактного вытеснения наносят слой меди толщиной 5 мкм. После нанесения медного слоя из электролита, содержащего соли ниобия, олова и тантала, в атмосфере аргона наносят электролизом слой сверхпроводящего соединения станнида ниобия со структурой А-15 толщиной 5 мкм, легированный танталом в количестве 1,5 мас.%. Затем на этот слой методом контактного вытеснения снова наносят слой меди толщиной 5 мкм. После нанесения медного слоя из электролита, содержащего соли ниобия, олова и циркония, в атмосфере гелия наносят электролизом слой сверхпроводящего соединения станнида ниобия со структурой А-15 толщиной 5 мкм, легированный цирконием в количестве 0,5 мас. %. На этот слой методом контактного вытеснения снова наносят слой меди толщиной 5 мкм. После нанесения медного слоя из электролита, содержащего соли ниобия, олова и меди, в атмосфере аргона наносят электролизом слой сверхпроводящего соединения станнида ниобия со структурой А-15 толщиной 5 мкм, легированный медью в количестве 10 мас.%. Затем на этот слой методом контактного вытеснения снова наносят слой меди толщиной 5 мкм. После нанесения медного слоя из электролита, содержащего соли ниобия, олова и тетрахлорметан, в атмосфере аргона наносят электролизом слой сверхпроводящего соединения станнида ниобия со структурой А-15 толщиной 5 мкм, легированный углеродом в количестве 0,24 мас.%. На этот слой методом контактного вытеснения снова наносят слой меди толщиной 5 мкм. После нанесения медного слоя из электролита, содержащего соли ниобия и олова, в атмосфере смеси аргона и азота наносят электролизом слой сверхпроводящего соединения станнида ниобия со структурой А-15 толщиной 5 мкм, легированный азотом в количестве 0,21 мас.%. Затем производят изолирование витков спирали посредством аморфной оксидной диэлектрической пленки толщиной 1,9 мкм. Испытания изделия показали, что его динамическая стабильность сохраняется при dB/dt 3,2 10^-2 Тл/с. Содержание примесей в станниде ниобия за исключением легирующих элементов аналогично содержанию примесей в Примере 9. Максимальная критическая температура T_c составила 18,0 К. Расчетные величины верхнего критического поля B_c2(0) = 25,0 Тл, B_c2(4,2 К) = 23,5 Тл. Критическая плотность тока I_c в поле 5 Тл, рассчитанная на сверхпроводящий слой, равна 3,8 10¹⁰ А/м², коэффициент анизотропии k = 2,4. Максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, обеспечивается за счет легирования сверхпроводящего соединения танталом, цирконием, медью, углеродом и азотом, в количестве соответственно 1,5; 0,5; 10; 0,24 и 0,21 мас.%.

Пример 17. Формируют основу винтовой спирали, имеющую параметры d - 0,3 мм, D - 15 мм, n - 80 и w - 12 мм из технической меди марки М3. Затем из электролита, содержащего соли ниобия, олова и меди, в атмосфере аргона наносят электролизом слой сверхпроводящего соединения станнида ниобия со структурой А-15 толщиной 6 мкм с содержанием в нем меди в количестве 10 мас.%. На полученный слой из расплава галогенидов щелочных металлов, содержащих соль молибдена, наносят покрытие молибдена толщиной 5 мкм. На этот слой вновь наносят сверхпроводящий слой со структурой А-15 толщиной 6 мкм с содержанием в нем меди 8 мас.%. На полученный сверхпроводящий слой из расплава галогенидов, содержащих соль вольфрама, наносят слой вольфрама толщиной 5 мкм. На этот слой вновь наносят сверхпроводящий слой со структурой А-15 с содержанием в нем меди 6 мас.%. На него из расплава солей галогенидов, содержащих соль тантала, наносят слой тантала толщиной 5 мкм. На этот слой вновь наносят сверхпроводящий слой со структурой А-15 толщиной 6 мкм с содержанием в нем меди 8 мас. %. На него электролизом из водного раствора, содержащего соль хрома, наносят слой хрома толщиной 5 мкм. На этот слой вновь наносят сверхпроводящий слой со структурой А-15 с содержанием в нем меди 7 мас.%. На полученный сверхпроводящий слой из расплава солей, содержащего соль рения, наносят слой рения толщиной 5 мкм. На этот слой вновь наносят сверхпроводящий слой со структурой А-15 толщиной 7 мкм с содержанием в нем меди 3 мас. %. Затем производят изолирование витков спирали посредством аморфной оксидной диэлектрической пленки толщиной 2,8 мкм. Испытания изделия показали, что его динамическая стабильность сохраняется при dB/dt 2,7 10^-2 Тл/с. Содержание примесей в станниде ниобия за исключением меди аналогично содержанию примесей в Примере 9. Максимальная критическая температура T_c составила 18,0 К. Расчетные величины верхнего критического поля B_c2(0) = 23,5 Тл, B_c2(4,2 К) = 22,0 Тл. Критическая плотность тока I_c в поле 5 Тл, рассчитанная на сверхпроводящий слой, равна 1,7 10¹⁰ А/см² коэффициент анизотропии k = 2,2. Максимум силы пиннинга в направлении, ортогональном поверхности витка, обеспечивается за счет легирования сверхпроводящего соединения медью в количестве до 10 мас.%.

Из приведенных Примеров следует, что предложенный способ обеспечивает повышение динамической устойчивости сверхпроводящего изделия к скачкам магнитного потока, способствует устойчивой работе изделия на повышенном уровне мощности, снижает уровень гистерезисных потерь и повышает эффективность использования сверхпроводящего материала при минимальном его расходе. Минимальный расход сверхпроводящего материала не только снижает стоимость изделия, но и уменьшает затраты на эксплуатацию криогенной системы, поскольку требуется меньшее количество хладагента для охлаждения изделия до рабочей температуры. Изобретение также решает задачу упрощения процесса изготовления, поскольку не требует сложной и дорогостоящей аппаратуры для его реализации. Кроме того, изобретение решает задачу упрощения изготовления изолирующего слоя, улучшает его эффективность, поскольку изолирующий слой прочно скреплен с металлической поверхностью витка и при криогенных температурах, а за счет снижения его толщины и повышения теплопроводности улучшается устойчивость изделия к тепловым возмущениям.