Способ повышения критического тока сверхпроводника

 

Изобретение относится к области получения сверхпроводников, сверхпроводящих композиций и проводников на их основе. Предложен способ повышения критического тока сверхпроводника, например свинца, легированием его элементами. В качестве легирующих используют элементы, не взаимодействующие с основой сверхпроводника, например алюминий. Легирование осуществляют одновременным со сдвигом в пространстве распылением основы сверхпроводника и легирующего элемента в нанодисперсное состояние в плазме низкого давления и соосаждением их при температуре не выше 0,3 Т_пл основы сверхпроводника при сохранении нанодисперсного состояния легирующего элемента в основе, причем соосаждение ведут слоями субатомного размера, поочередным повторяющимся пересечением потоков плазмы. В результате увеличивается эффективность процесса повышения критического тока сверхпроводника.

Изобретение относится к области получения сверхпроводников, сверхпроводящих композиций и проводников на их основе и может быть использовано в электротехнической, радиотехнической, медицинской и других отраслях промышленности.

Критический ток сверхпроводника является величиной, превышение которой влечет за собой утрату проводником свойства сверхпроводимости. Ток вследствие вытеснения его магнитным полем течет по внешней поверхности сверхпроводника, проникая на глубину до 10^-7 м, что приводит к высокой плотности тока на поверхности и отсутствию таковой для всего сечения. Уменьшение плотности тока при использовании всего сечения для прохождения тока возможно в случае наличия в структуре проводника дислокаций, большого числа межзеренных границ и прочих неоднородностей структуры, способствующих закреплению токовых вихрей и распределению токовой нагрузки по всему сечению проводника. Легирование сверхпроводника другими металлами при определенных условиях приводит по названным причинам к изменению его физических свойств и величины критического тока в том числе.

Известен способ увеличения критического тока сверхпроводника станнида ниобия легированием его 0,2-2 мас.% титаном, цирконием, ванадием или вольфрамом (Сверхпроводящие материалы. М., Наука, 1983, с. 60), включающий предварительное легирование ниобия титаном, цирконием, ванадием или вольфрамом путем спекания при 1200 -1500^oC с последующим диффузионным отжигом и обработкой в расплаве олова при 1000^oC в течение 1 ч. Способ позволяет осуществить процесс повышения критического тока сверхпроводника за счет образования мелкозернистой структуры, в частности на основе Nb₃Sn, однако, недостаточно эффективен из-за ограничений, обусловленных операцией легирования вследствие возможного наличия пределов растворимости легирующего элемента в основе сверхпроводника, а также разницей физических свойств составляющих.

Известен также способ получения высоких значений критического тока ленточного сверхпроводника Nb₃(Al, Ge) легированием медью, получаемого совместной прокаткой ниобия и сплава Al-Ge-Cu с последующей термообработкой в два этапа: при 1650-1850^oC в течение 1-60 с для образования диффузионного слоя соединения, при 800-900^oC в течение нескольких часов (Духовный И.С., Коржов В. П., Шмидт В.В. Влияние меди на критический ток диффузионных слоев сверхпроводящего соединения Nb₃(Al,Ge). ФММ, 1979, т. 47, N 5, с. 933-936). Повышения критического тока достигают за счет выделения игольчатых частиц второй фазы в слое сверхпроводящего соединения при низкотемпературном отжиге благодаря процессу типа старения. Увеличение количества фазовых переходов влечет за собой повышение величины критического тока. Вместе с тем, способ также недостаточно эффективен из-за сложности и большого числа операций, выполняемых при высоких температурах, и невозможности применения для сверхпроводника и легирующего элемента, нерастворимых друг в друге.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ увеличения критического тока сверхпроводника первого рода - свинца легированием оловом (Савицкий Е.М. и др. Кристаллизация двойного сверхпроводящего сплава олово- свинец в условиях микрогравитации. Сверхпроводящие материалы. М. , Наука, 1983, с. 112), осуществляемый кристаллизацией двойного сплава в условиях практического отсутствия гравитационного поля. Увеличения критического тока достигают за счет регулярного строения эвтектики свинца с 4% олова. Способ достаточно прост технологически, но неэффективен в условиях гравитационного поля на Земле, особенно для элементов, не взаимодействующих между собой и имеющих большую разницу величин плотности, таких как, например, свинец и алюминий, из-за невозможности процесса равномерного распределения легирующего элемента в основе сверхпроводника вследствие расслаивания.

Технический результат от совокупности влияния признаков, предлагаемых в изобретении, как следует из изложенного, заключается в увеличении эффективности процесса повышения критического тока сверхпроводника.

В предлагаемом способе повышения критического тока сверхпроводника, например свинца, легированием его элементами, в качестве легирующих используют элементы, не взаимодействующие с основой сверхпроводника, например алюминий, легирование осуществляют одновременным со сдвигом в пространстве распылением основы сверхпроводника и легирующего элемента в нанодисперсное состояние в плазме низкого давления и соосаждением их при температуре не выше 0,3 Т_пл основы сверхпроводника при сохранении нанодисперсного состояния легирующего элемента в основе, причем соосаждение ведут слоями субатомного размера, поочередным повторяющимся пересечением потоков плазмы.

Легирование основы сверхпроводника, например свинца, элементом, не взаимодействующим с материалом основы, например алюминием, с коэффициентом активности в таких смесях, равным или большем единицы, делает систему склонной к появлению границ раздела фаз. Осуществление процесса легирования одновременным распылением основы сверхпроводника и легирующего элемента позволяет получить нанодисперсную субстанцию, совместное осаждение составляющих которой обеспечивает равномерное в известных пределах распределение легирующего элемента в основе сверхпроводника. Присутствие нанодисперсных зерен в основе сверхпроводника, склонных к образованию межфазных и межзеренных границ в сочетании с большим количеством их, приводит к увеличению неоднородности структуры и тем самым к повышению критического тока сверхпроводника.

Перевод исходных составляющих легированного сверхпроводника в распыленное состояние в плазме низкого давления позволяет получить нанодисперсные частицы, высокоэнергетическое состояние которых при последующих соосаждении и кристаллизации способствует появлению напряжений в решетке и структурных дефектов, что также способствует эффективности процесса повышения критического тока.

Раздельное распыление основы сверхпроводника и легирующего элемента со сдвигом в пространстве предотвращает возможное образование метастабильных границ фаз, обусловленное высокоэнергетическим состоянием нанодисперсных частиц и их совместным присутствием в потоке плазмы, негативно влияющих на параметры сверхпроводимости.

Ограничение верхнего предела температуры соосаждения в зависимости от температуры плавления основы сверхпроводника препятствует укрупнению микроструктуры легированного сверхпроводника и направлено на достижение технического результата. Превышение температуры соосаждения более чем 0,3 Т_пл ведет к укрупнению нанодисперсных частиц легирующего элемента и снятию напряжений в сформированном сверхпроводнике, что не способствует увеличению критического тока.

Соосаждение материала основы сверхпроводника и легирующего элемента слоями субатомного размера позволяет повысить регулярность распределения последнего в материале основы, что также положительно сказывается на эффективности процесса повышения критического тока. Поочередное пересечение потоков плазмы позволяет стабилизировать процесс соосаждения и состав соосаждаемой субстанции и делает возможным сохранение регулярности распределения легирующего элемента, как одной из составляющих процесса повышения критического тока, и избежать образования метастабильных фаз.

Пример. Способ реализован на вакуумной установке с двумя однотипными магнетронами постоянного тока и устройством карусельного типа для поочередного пересечения ленточной подложкой потоков плазмы. Магнетроны снабжены мишенями из свинца и алюминия высокой чистоты, с содержанием основного элемента более чем 99,99 мас.%. Установка снабжена системой очистки, регулировки и стабилизации подачи газа. На медной подложке сформировали ленточный сверхпроводник свинца, легированного 12,8 мас.% алюминия, толщиной 1,3 мкм, соосаждением слоями размером от 2 до 12 атомных слоев. Температуру подложки поддерживали равной 98^oC. Толщину слоев определяли ядерно-физическим методом Резерфордовского обратного рассеяния с энергией первичного протонного пучка 1 МэВ. Размеры частиц легирующего элемента в основе сверхпроводника составили 10-100 нм. Криогенные испытания легированного сверхпроводника показали, что при критической температуре перехода 7,2 К величина критического тока достигла 230000 А/см².

Сравнительные криогенные испытания свинцового сверхпроводника без легирования, полученного в пленочном исполнении, дали следующие результаты: критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние - 7,1 К, критический ток - 3700 А/см².

Таким образом, проведенные испытания свидетельствуют о весьма значительном увеличении критического тока сверхпроводника при реализации процесса повышения его предлагаемым способом.

Формула изобретения

Способ повышения критического тока сверхпроводника, например свинца, легированием его элементами, отличающийся тем, что в качестве легирующих используют элементы, не взаимодействующие с основой сверхпроводника, например алюминий, легирование осуществляют одновременным со сдвигом в пространстве распылением основы сверхпроводника и легирующего элемента в нанодисперсное состояние в плазме низкого давления и соосаждением их при температуре не выше 0,3 Т_пл основы сверхпроводника при сохранении нанодисперсного состояния легирующего элемента в основе, причем соосаждение ведут слоями субатомного размера поочередным повторяющимся пересечением потоков плазмы.