способ обработки сверхпроводящих материалов
Классы МПК: | H01B12/00 Сверхпроводники, сверхпроводящие кабели или передающие линии |
Автор(ы): | Иванов Лев Иванович (RU), Боровицкая Ирина Валерьевна (RU), Горшков Павел Вадимович (RU), Михайлов Борис Петрович (RU), Крохин Олег Николаевич (RU), Никулин Валерий Яковлевич (RU), Перегудова Елена Николаевна (RU), Михайлова Галина Николаевна (RU), Троицкий Алексей Владимирович (RU) |
Патентообладатель(и): | Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (RU), Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН (RU), Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-12-16 публикация патента:
20.11.2010 |
Изобретение относится к способу обработки сверхпроводящих материалов на основе композитных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и может быть использовано для передачи электроэнергии, для создания токоограничителей, трансформаторов, мощных магнитных систем. Способ основан на формировании плазменного потока в газовой среде и воздействии им на твердотельную мишень, при этом формируют сфокусированную магнитным полем кумулятивную плазменную струю в импульсном режиме со скоростью истечения струи (4-10)·10 5 м/сек с обеспечением в импульсе давления струи на твердотельную мишень 105-106 атмосфер, температурой более 106 °C и плотностью потока энергии в плазменной струе 108-1010 Вт/см2. При воздействии плазменным потоком на твердотельную мишень создают в ней ударную волну и передают энергию ударной волны через слой вязкой среды на сверхпроводящий материал. Плазменную струю формируют в среде неона, или аргона, или водорода, или азота, или их смеси. Длительность импульсного воздействия кумулятивной струи на твердотельную мишень составляет (5-10)·10-8 сек. В качестве твердотельной мишени используют пластину из тугоплавкого материала, а в качестве вязкой среды используют эпоксидную смолу без отвердителя или другой вязкий материал с низким давлением насыщенных паров. Повышение критического тока в сверхпроводнике является техническим результатом изобретения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
![способ обработки сверхпроводящих материалов, патент № 2404470](/images/patents/58/2404470/2404470.jpg)
![способ обработки сверхпроводящих материалов, патент № 2404470](/images/patents/58/2404470/2404470-2.jpg)
Формула изобретения
1. Способ обработки сверхпроводящих материалов, основанный на формировании плазменного потока в газовой среде и воздействии им на твердотельную мишень, отличающийся тем, что формируют сфокусированную магнитным полем кумулятивную плазменную струю в импульсном режиме со скоростью истечения струи (4-10)·105 м/сек с обеспечением в импульсе давления струи на твердотельную мишень 105-106 атмосфер, температурой более 10 6 °C и плотностью потока энергии в плазменной струе 108-1010 Вт/см2, причем при воздействии плазменным потоком на твердотельную мишень создают в ней ударную волну и передают энергию ударной волны через слой вязкой среды на сверхпроводящий материал.
2. Способ по п.2, отличающийся тем, что плазменную струю формируют в среде неона, или аргона, или водорода, или азота, или их смеси.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность импульсного воздействия кумулятивной струи на твердотельную мишень составляет (5-10)·10-8 с.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве твердотельной мишени используют пластину из тугоплавкого материала, например, молибдена, тантала и других металлов и сплавов.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве вязкой среды используют эпоксидную смолу без отвердителя или другой вязкий материал с низким давлением насыщенных паров.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области сверхпроводимости, а именно - к технологии получения и обработки композитных материалов на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), предназначенных для передачи электроэнергии, для создания токоограничителей, трансформаторов, мощных магнитных систем.
Целью изобретения является повышение критического тока в сверхпроводнике за счет генерации дополнительных центров пиннинга.
Известен способ обработки сверхпроводников [1], заключающийся в облучении сверхпроводниковой композиции с висмутом Bi(2223) нейтронами низкой энергии. В результате такого облучения критический ток сверхпроводника увеличивается на 30%, а критическая температура увеличивается на 2,5-5,0 К.
Известен также способ обработки сверхпроводников [2], заключающийся в облучении сверхпроводника NbSe2 электронами на ускорителе Ван де Граафа различными дозами облучения 100, 200 и 500 Мрад. В результате такого облучения критический ток увеличился в два раза по сравнению с необлученными образцами.
Недостатками указанных способов [1, 2] являются большие экономические потери, обусловленные дороговизной оборудования (ускорители, реакторы) и большими энергозатратами.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является известный способ обработки сверхпроводников [3], заключающийся в облучении сверхпроводника плазменным потоком ионов аргона, генерируемых в установке типа плазменный фокус. Данный способ использован для увеличения критической температуры сверхпроводящей толстой пленки на основе висмута (BiPb)SrCaCuO. Эта пленка была изготовлена методом трафаретной печати и содержала две сверхпроводящие фазы с разной критической температурой, 2212 (Тс=85К) и 2223 (Tc=110K). В результате термического воздействия плазменного потока происходила перекристаллизация, после чего пленка оказывалась однофазной - Bi(2223) - с высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние.
Недостатком этого способа [3] является использование теплового воздействия плазменного фокуса, которое приводит к изменению критической температуры, а не критического тока, наиважнейшей характеристики токонесущей способности сверхпроводника.
Кроме того, недостатком этого способа воздействия на сверхпроводник [3] при выбранных параметрах плазменного потока ионов аргона является недостаточная эффективность структурно-фазовых превращений и, соответственно, слабое повышение токонесущих свойств.
В предлагаемом способе обработки сверхпроводящих материалов, основанном на формировании плазменного потока в газовой среде и воздействии им на твердотельную мишень, технический результат, заключающийся в устранении недостатка прототипа, а именно - в повышении токонесущих свойств сверхпроводника, достигается тем, что формируют сфокусированную магнитным полем кумулятивную плазменную струю в импульсном режиме со скоростью истечения струи (4-10)·10 5 м/сек с обеспечением в импульсе давления струи на твердотельную мишень 105-106 атмосфер, температурой более 106 °С и плотностью потока энергии в плазменной струе 108-1010 Вт/см2, причем при воздействии плазменного потока на твердотельную мишень в ней создают ударную волну и передают энергию ударной волны через слой вязкой среды на сверхпроводящий материал.
Под действием ударной волны происходит образование дополнительных (искусственных) центров пиннинга, которые препятствуют свободному перемещению магнитных вихрей, что приводит к увеличению критического тока во внешнем магнитном поле.
Примечание: Пиннинг - от анг. pin - булавка - закрепление Абрикосовских магнитных вихрей на дефектах структуры.
Технический результат достигается также тем, что плазменную струю формируют в среде неона, или аргона, или водорода, или азота, или их смеси, и тем, что длительность импульсного воздействия кумулятивной струи на твердотельную мишень составляет (5-10)·10-8 сек.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в качестве твердотельной мишени используют пластину из тугоплавкого материала, например молибдена, тантала и других тугоплавких металлов и сплавов, а в качестве вязкой среды используют эпоксидную смолу без отвердителя или другой вязкий материал с низким давлением насыщенных паров и высокой способностью прилипания к поверхности сверхпроводника.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ;
- на фиг.2 приведены вольт-амперные характеристики ВТСП - ленты до и после воздействия кумулятивной струи плазмы.
Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности операций над материальным объектом;
- формируют сфокусированную магнитным полем кумулятивную плазменную струю в импульсном режиме со скоростью истечения струи (4-10)·10 5 м/сек с обеспечением в импульсе давления струи на твердотельную мишень 105-106 атмосфер, температурой более 106 °С и плотностью потока энергии в плазменной струе 108-1010 Вт/см2;
- при воздействии плазменным потоком на твердотельную мишень создают в ней ударную волну;
- энергию ударной волны передают через слой вязкой среды на сверхпроводящий материал.
При этом плазменную струю формируют в среде неона, или аргона, или водорода, или азота, или их смеси.
Длительность импульсного воздействия кумулятивной струи на твердотельную мишень составляет (5-10)·10-8 сек.
В качестве твердотельной мишени используют пластину из тугоплавкого материала, например молибдена, тантала и других тугоплавких металлов и сплавов.
В качестве вязкой среды используют эпоксидную смолу (без отвердителя) или другой вязкий материал с низким давлением насыщенных паров.
Аппаратурная реализация способа поясняется чертежом на фиг.1, на котором изображены образец 1 (ленточный сверхпроводник), алюминиевая кювета 2, слой 3 эпоксидной смолы, пластина из молибдена 4, струя аргоновой плазмы 5, катод 6 и анод 7.
В основе предлагаемого способа лежит явление образования многочисленных наноразмерных точечных дефектов - вакансий и межузельных атомов (коллективных пар Френкеля) - на фронте ударных волн при их прохождении через металлические и полупроводниковые материалы. При этом концентрация возникающих вакансий может на несколько порядков превышать концентрацию термических вакансий, присутствующих в материале образца при выбранной температуре
Как показали исследования, при воздействии на ВТСП ударных волн большой мощности происходят существенные изменения сверхпроводящих характеристик как за счет формирования в сверхпроводнике более равновесных структурно-фазовых состояний, так и за счет образования дислокационных петель внедрения и вакансионных пор, являющихся дополнительными центрами пиннинга.
Для реализации субмикросекундного ударно-волнового воздействия использовано явление генерации ударных волн при взаимодействии высокоскоростной кумулятивной струи плазмы с твердотельной мишенью. Для этого был выбран режим работы установки со следующими параметрами: энергия, запасаемая в конденсаторном накопителе, 3.6 кДж, рабочий газ - аргон, давление рабочего газа 2.5 мбар. Установка позволяла получать кумулятивные плазменные струи с ионной плотностью около 1018 см-3. Скорость плазменной струи в месте установки образцов (1-4) 107 см/с. Время воздействия плазменного импульса на образец ~ 50 нс. Плотность потока энергии плазменного импульса на мишени от 108 до 1010 Вт/см2 .
Кумулятивная плазменная струя 5 направлялась в узел установки образца, представляющий собой разборную алюминиевую кювету 2 с окном в стенке, обращенной к струе. Для исключения термического воздействия струи плазмы устанавливалась защитная пластина 4 из молибдена. Для равномерной передачи ударного воздействия на поверхность образца 1 по всей площади контакта использовалась вакуумная эпоксидная смола 3, заполняющая промежуток от пластины 4 молибдена до образца 1.
Образцы 1 представляли собой прямолинейные отрезки герметичного композитного сверхпроводника в виде ленты размером 0.1х4х30 мм3 производства компании "SuperPower Inc." (США) с критическими параметрами Jc=2·106 А/см2 (при Т=77К) и Тс=92К. Лента Y-123 представляет собой пленку YBa 2Cu3O7-х на подложке из сплава хастеллой С 276 (Ni-Cr-Мо-Fe-W) с несколькими буферным слоями. Сверху пленка сверхпроводника покрыта слоем серебра толщиной 2 мкм. Для защиты от механических повреждений, герметизации и стабилизации сверхпроводящего состояния лента Y-123 также покрыта слоем меди толщиной 20 мкм.
Результаты эксперимента
Величина критического тока до и после воздействия кумулятивной струи плазмы определялась четырехзондовым методом по вольтамперным характеристикам, приведенным на фиг.2. Получено заметное увеличение величины критического тока:
Ic увеличился с 95 А до 100 А (Т=77К, Н=0).
Для исследования пространственного распределения критического тока в ВТСП-ленте, обработанной ударными волнами, применен метод сканирующей холловской магнитометрии. Суть метода заключается в том, что датчик Холла фиксирует непосредственно величину локального магнитного поля на поверхности ВТСП-образца, предварительно намагниченного во внешнем магнитном поле. При перемещении датчика Холла в двух направлениях производится сканирование и запись значения магнитного потока по всей исследуемой поверхности. Из полученных данных с помощью численного решения задачи инверсии закона Био-Савара в рамках модели Бина определен критический ток в различных точках исследуемого образца.
Основой экспериментального стенда является полупроводниковый датчик Холла, расположенный на двухкоординатном манипуляторе. Использовался преобразователь Холла, имеющий следующие характеристики: размер преобразователя 2×1.5×0.6 мм3, размер рабочей зоны датчика 0.45×0.15 мм2, магнитная чувствительность 64 мкВ/мТл.
С помощью сканирующей холловской магнитометрии были построены поверхности распределения захваченного магнитного поля и критического тока, которые демонстрируют заметное повышение токонесущей способности после воздействия ударной волны. Кроме того, показано, что несмотря на локальное действие плазменной струи (диаметром примерно 5 мм), увеличение критического тока происходит по всей площади образца.
Для исходного и экспериментального образцов были измерены зависимости критического тока от внешнего магнитного поля до 8 Тл при двух ориентациях (в параллельном поле и перпендикулярно по отношению к поверхности ленты). Для каждой из указанных ориентаций значение критического тока после воздействия ударной волны оказалось заметно больше, чем в исходном образце.
Таким образом, предлагаемый способ ударного воздействия импульсной высокоскоростной кумулятивной струи плазмы приводит к повышению критического тока ВТСП-ленты, в том числе в сильных магнитных полях до 8 Тл. Предполагается, что причиной увеличения критического тока под действием ударной волны является генерация эффективных центров пиннинга в сверхпроводник.
Для реализации предлагаемого способа использовалась установка типа плазменный фокус ПФ-4 комплекса "Тюльпан" (ФИАН). В качестве образца 1 использовалась промышленная лента ВТСП YBa2Cu3О7-x производства США. Эксперименты проводились при плотности потока энергии (Q), передаваемой плазменной струей на поверхность твердотельной мишени, в диапазоне Q=108-1010 Вт/см2 . Изменение плотности потока энергии осуществлялось размещением твердотельной мишени (генератора ударной волны) на различных расстояниях от анода установки плазменный фокус.
Так, при расположении образца на расстоянии Х меньше 10 мм (Q 1010 Вт/см2) наблюдается деградация электрических свойств ВТСП-лент.
При расстоянии Х более 100 мм (Q 108 Вт/см2) изменение критического тока ВТСП-ленты не наблюдается.
В интервале Х=20-40 мм (Q 109 Вт/см2) наблюдается увеличение критического тока с 90 А до 100 А (см. кривые 1 и 2 на фиг.2). Эффект наблюдается при количестве плазменных импульсов 10-15. При увеличении числа плазменный импульсов наблюдается деградация электрических свойств ВТСП-лент.
Источники информации
1. Wu Ming Chen, S.S.Jiang, Y.C.Guo, J.R.Jin, X/S.Wu, X.H.Wang, X.Jin, X.N.Xu, X.X.Yao, S.X.Dou. Effects of low-energy neutron irradiation on Bi-based superconductors. Physica С 299 (1998,) P. 77-82.
2. D.H.Galvan, Shi Li, W.M.Yuhasz, JunHo Kim, M.B.Maple, E.Adem. Superconductivite of NbSe2 samples subjected to electron irradiation. Physica С 398 (2003), P.147-151.
3. Priti Agarwala, M.P.Srivastava, P.N.Dheer, V.P.N.Padmanaban, A.K.Gupta. Enhancement in Tc of superconducting BPSCCO thick films due to irradiation of energetic argon ions of dense plasma focus. Physica С 313 (1998, P.) 87-92.
Класс H01B12/00 Сверхпроводники, сверхпроводящие кабели или передающие линии