XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

В сверхпроводящем композите в единое целое объединены жесткий сверхпроводник и нормальный металл, находящиеся в электрическом и тепловом контакте между собой [1]. Структура таких проводников определяется их назначением и может быть весьма сложной [1]. Сверхпроводящие композиты позволяют наиболее эффективно использовать одно из основных достоинств жестких сверхпроводников – высокую плотность критического тока [1]. Именно на их основе создаются проводники с большими критическими токами [1]. Изменяя структуру и применяя жесткие сверхпроводники и нормальные металлы с различными электрическими, тепловыми и механическими свойствами, можно влиять на устойчивость сверхпроводящего состояния, потери энергии в применяемых магнитных полях, пластичность, прочность и другие важные физические характеристики сверхпроводящих композитов [1].

Современные композитные сверхпроводники по своей структуре можно разделить на три основных типа:

Многожильные композиты, состоящие из матрицы нормального металла с внедренной в неё относительно регулярной структурой сверхпроводящих жилок.

Ленточные композиты, представляющие собой сравнительно широкую ленту из чередующихся слоев сверхпроводника и нормального металла.

Волокнистые композиты, изготовленные по той или иной технологии из неупорядоченной смеси порошков нормального металла и сверхпроводника.

В настоящее время наиболее распространены многожильные композитные сверхпроводники. На рисунке 1.1 изображено несколько таких конструкций сверхпроводников. Наиболее часто применяются композитные сверхпроводники круглого сечения (рис.1.1, а). Реже применяются композитные сверхпроводники с прямоугольным сечением (рис.1.1, б). В ряде случаев в композитном сверхпроводнике делают каналы (рис.1.1, в), по которым прокачивают охладитель – жидкий гелий [1].

 

в

б

а

Рис.1.1 – Примеры композитных сверхпроводников простейшей конструкции (а – круглого сечения, б – прямоугольного сечение, в – композитный сверхпроводник, охлажденный гелием) [1]

В ряде случаев в композитном сверхпроводнике делают каналы (рис.1.1, в), по которым прокачивают охладитель – жидкий гелий.

Матрицу многожильный композитных сверхпроводников, как правило, изготавливают из металлов с хорошей электропроводностью (Cu, Al). Иногда в композитах с относительно небольшим числом сверхпроводящих жилок, для этого используют и высокоомные сплавы (Cu-Ni, Cu-Sn и др.) [1].

Диаметр провода из композитного сверхпроводника, как правило, составляет от 10^-4 м до м. Число сверхпроводящих жилок варьируется от нескольких единиц до нескольких тысяч (и даже сотен тысяч), а диаметр жилок – от 10^-6 м до 10^-4 м. Объемное содержание сверхпроводника в многожильных композитах обычно не превышает .

Структура композитного сверхпроводника, изображенная на рис.1.1, а, характерна для проводников, изготовленных на основе сверхпроводящих сплавов Nb-Ti различного состава. Часто используют и более сложные конструкции; например, проводники, в которых сверхпроводящие жилки расположены однородно в плоскости поперечного сечения провода (как это показано на рис.1.1, а), но каждая из жилок окружена ободком из высокоомного сплава (рис.1.2). Толщина ободка, как правило, порядка 10^-6 м, он служит дополнительным резистивным «барьером» при перетекании тока из сверхпроводника в нормальный металл.

 

б

а

Рис.1.2 – Сверхпроводящая жилка с ободком из высокоомного сплава: а) 1 – сверхпроводник, 2 – сплав, 3 – матрица; б) 1 – ниобий, 2 – соединение Nb₃Sn, 3 – бронза, 4 – медь [1]

Усложнение конструкции композитов может быть связано с технологией производства самого сверхпроводника, как это имеет место для проводников с жилками из сверхпроводящего соединения Nb₃Sn (см. рис.1.2, б). Слой Nb₃Sn с толщиной порядка 10^-5 м заключен здесь между слоем бронзы и ниобиевой сердцевиной. Такие сверхпроводящие жилки получаются при изготовлении сверхпроводящего соединения Nb₃Sn по бронзовой технологии. При этом слой Nb₃Sn возникает в результате диффузии олова в ниобий. Одновременно из-за диффузии олова в медь образуется резистивный ободок из бронзы (Cu-Sn), которая при гелиевых температурах имеет проводимость на 2-3 порядка меньше, чем медь [1].

На рисунке 1.3 в качестве иллюстрации показана структура ещё трех промышленных образцов композитных сверхпроводников. Они, как видно, имеют более сложное устройство, чем изображенное на рисунке 1.2.

 

в

б

а

Рис. 1.3 – Поперечный срез трех композитов: а) в центре проводника – медный провод, окруженный ободком из тантала, сверхпроводящие жилки из соединения Nb₃Sn находятся в матрице из меди; б) проводник из пропаянных сплавом CdZnAg медных и сверхпроводящих композитных проволок, в центре – канал для жидкого гелия; в) проводник из композитных сверхпроводящих проколок с жилками из соединения V₃Ga и центральной медной проволоки [1]

Композитные сверхпроводники обычно скручены вдоль своей продольной оси. Поэтому каждая из сверхпроводящих жилок представляет собой винтовую спираль с некоторым шагом L_p, который принято называть шагом скрутки или твиста. Величина L_p по технологическим причинам всегда больше, чем диаметр проводника. Характерные значения L_pлежат в пределах от м до м. Скрутка композитных сверхпроводников приводит к повышению устойчивости сверхпроводящего состояния и к снижению потерь энергии в переменном магнитном поле.

Рис.2.4 – Структура ленточного композита: 1 – ниобий, 2 – соединение Nb₃Sn, 3 – бронза, 4 – медь, 5 – изоляция [1]

Ленточные композиты (рис.1.4) обычно изготовлены на основе сверхпроводников с кристаллической структурой, получившей название А15. Это, например, станид ниобия (Nb₃Sn), V₃Ga, Nb₃Ge и т.д. Критические параметры (j_c(B), T_c(B), B_{c 2}) перечисленных из ряда других сверхпроводящих соединений из группы А15 существенно превышают критические параметры таких широко распространенных в настоящее время жестких сверхпроводников, как сплавы Nb-Ti различного состава. Однако при гелиевых температурах они являются весьма хрупкими. Это затрудняет их использование в многожильных композитах. В ленточных композитах вероятность обрыва и растрескивания сверхпроводящих соединений из группы А15 заметно снижается [1].

Список использованных источников

Гуревич, А.В. Физика композитных сверхпроводников [Текст] / А.В. Гуревич, Р.Г. Минц, А.Л. Рахманов. – М.: Наука, 1987. - 240 с.

Гольцман, Г.Н. Эффекты Джозефсона в сверхпроводниках [Текст] / Г.Н. Гольцман // Соросовский образовательный журнал. - 2000. - №265. – С. 100-108 .

Воронов, В.К. Современная физика [Текст]: учеб. пособие / В.К. Воронов, А.В. Подплелов. – М. :КомКнига, 2005. – 512 с.

Ашкрофт Н. Физика твердого тела [Текст] / Н. Ашкрофт, Н. Мермин. – М.: Мир, 1979. - 458 с.

Код для цитирования: Скопировать