EUCAS-2013: избранное
2013, Tом 10, выпуск 5
Тематика: Вести с конференций
К активно развивающимся методам нанесения сверхпроводящего слоя ВТСП проводников 2-го поколения (ВТСП-2) относятся химические методы - CVD и MOD. Это связано с тем, что эти методы не требуют высокого вакуума как, например, импульсное лазерное напыление, что делает их более простыми и экономичными. ВТСП ленты выращивают на буферном слое из STO (SrTiO3) LAO (LaAlO3). Поскольку выращивание сверхпроводников 2-го поколения химическими методами (например, TFA-MOD), требуют использования раствора плавиковой кислоты, которая токсична, многие работы направлены на поиск способа приготовления раствора без фтора. Химически инертный STO может быть осажден из водного раствора, что решает упомянутую выше проблему. Буферный слой YBO (YBiO3) – можно использовать для замещения оксида церия, поскольку параметры его решетки совпадают с параметрами решетки YBCO лучше, и его также возможно осаждать из водного раствора методом струйной печати. C помощью такой технологии можно получать дорожки сверхпроводника толщиной 0.3 мкм и шириной 150 мкм, что годится и для осаждения из водного раствора, так и из газотвой фазы (в такой «многожильной» сверхпроводящей пленке меньше AC- потери)
Импульсное лазерное осаждение также активно развивается силами ученых из Fujikura, Bruker, American Superconductors, и других компаний. Например, использование методики Hot Wall дало возможность увеличить толщину слоя сверхпроводника до 4 мкм без существенного падения плотности критического тока. Полный ток в такой ленте на основе YBCO превысил 1000 А (длина несколько метров). Идея методики Hot Wall состоит в увеличении однородности плазменного факела путем внесения ленты с осаждаемым сверхпроводящим слоем в инфракрасный нагреватель, который призван уменьшить градиенты температуры при лазерной абляции. Как заявляют представители компании, стандартные, надежно воспроизводимые образцы, имеют длину до 500 м, однородность по длине - 2-3 %, критический ток при 77 К - до 500 А на 1 см ширины. В 2011 году компанией Fujikura при помощи Hot Wall методом PLD была изготовлена лента длиной 816 м c током 572 А/см, что является на сегодняшний день абсолютным мировым рекордом критического тока в длинномерных ВТСП-2 проводниках.
Другим активно развивающимся методом является Multi–plume, который был доложен в работах коллег из компании Bruker. Несколько мишеней, расположенных под углом друг к другу, образуют скрещенные плазменные факелы абляции. Это дает возможность, во-первых, увеличить скорость нанесения; во-вторых, сделать сверхпроводящий слой более однородным.
По-прежнему большое внимание исследователей привлекает возникновение «горячих точек» и скорость распространения нормальной зоны в длинномерных ВТСП-2 лентах (Александр Усоскин, Bruker). Затравкой для распространения нормальной зоны является область контакта. Скорость измерялась по задержке появления напряжения на потенциальных контактах, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Скорость распространения нормальной фазы зависит от сопротивления интерфейса между сверхпроводником и стабилизирующим слоем. При добавлении специального разделительного слоя, увеличивающего это сопротивление, скорость распространения нормальной фазы возрастает в десяток раз. Высокое значение этой скорости позволяет избежать локального перегорания ленты, поэтому такие ленты есть смысл использовать в тех приложениях, где может возникнуть нестабильность, и ток может превысить Ic.
Было промоделировано, и затем измерено обтекание током двух- или одномерного дефекта по шунтирующему покрытию в стабилизированной сверхпроводящей ленте, построены вольт-амперные характеристики. Были получены оценки перколяционного предела - среднего расстояния между трещинами, при котором не происходит падения критического тока с увеличением длины ленты.
Массивные ReBCO материалы на сегодняшний день являются доступными широкому потребителю. Компании Ceraco Ceramics (Германия) и Can Superconductors (Чехия) запустили серийный выпуск образцов диаметром до 60 мм для магнитной левитации или в качестве мишеней для PLD. Эти массивные сверхпроводники, выращенные методом охлаждения из расплава, обладают максимальным захваченным полем, равным 1,5 Тл при 77 К и, согласно спецификации, способны выдерживать нагрузку до 350 Н при этой температуре. Стоимость их колеблется в диапазоне от 70 евро (диаметр 20 мм) до 950 евро (диаметр 56 мм).
Смешивание порошков из разных редкоземельных (элементов Dy, эрбий Er, гольмий Ho) и последующее охлаждение из расплава дает возможность приготавливать массивные образцы смешанного состава. Полученные включения фаз 211 работают как эффективные центры пиннинга, что делает критический ток менее зависимым от величины магнитного поля в диапазоне полей до 5 Тл при температурах до 78 К.
Также интересная тематика работ (D.Cardwell, Cambridge Univ) по массивным сверхпроводникам — «сглаживание» распределения центров пиннинга (частиц Y 211) в ходе роста при помощи охлаждения из расплава с затравкой. Градиент концентрации несверхпроводящих частиц 211 приводит к неоднородному значению плотности критического тока и критической температуры по радиусу сверхпроводящих шайб. Как правило, в центральной области, где располагается затравка, эти характеристики выше. Чтобы преодолеть этот краевой эффект, была приготовлена смесь 123 и 211, в которой концентрация 211 увеличивалась к периферии не в процессе роста, а загодя, вручную. В этом случае был достигнут обратный градиент концентрации — на этот раз периферия массивного сверхпроводника обладала большим током, чем центральная область.
Пока что низкотемпературный потенциал массивных сверхпроводников с точки зрения захвата магнитных полей не раскрыт до конца. В ранней работе Murakami, где методом «замороженного потока» на армированных углеродным волокном массивных сверхпроводников было достигнуто 17 Тл при 29 К. Картина распределения магнитного поля по радиусу образца, показывает, что образец не заполнен током целиком. И поэтому возможно увеличить рекордное значение захваченного массивным сверхпроводником поля выше 20 Тл при достаточно медленном охлаждении и увеличении механической прочности образцов путем бандажирования и других методов. Это и было показано в работе [D.Cardwell].
Массивные нетекстурированные образцы из диборида магния, полученные методом холодного изостатического сжатия или спекания в искровом плазменном разряде, при Т=20 К могут нести захваченные поля до 1,5 Тл. Преимущество массивных MgB2 над традиционными массивными ВТСП состоит в легкости и дешевизне их приготовления.
Бесконтактное измерение скоростей тока расплавленного электролита с помощью намагниченных массивных сверхпроводников было представлено группой из университета Ильменау (B.Halbedel). Суть работы заключается в том, что пара предварительно намагниченных массивных сверхпроводящих шайб создает магнитное поле порядка 1,5 Тл в области протекания электролита. В производстве такая задача встречается, например, при литье стекла. Электролит намагничивается в соответствии с законом индукции Фарадея. Индуцированный в электролите магнитный момент воздействует на массивные сверхпроводники. Сила, действующая на сверхпроводник со стороны намагниченного электролита, - порядка 50 мкН является измеряемым параметром. Исходя из расчета, можно воспроизвести скорость тока электролита. Интерес к данной работе продиктован возможностью использования созданного в Лаборатории Низких Температур НИЦ «КИ» Гибридного Магнита в системе «бесконтактного » измерения скоростей тока.
Львиная доля работ на EUCAS была посвящена созданию наноразмерных центров пиннинга в ВТСП-2 пленках. Цель - уменьшить анизотропию критического тока в ВТСП. При внесении наночастиц Ba2YTaO6, BZO(BaZrO3), BYNO(Ba2YNbO6), BCO (BaCrO3), или YO(Y2O3) в ВТСП образцы, например, в процессе импульсного лазерного напыления позволяет получить второй максимум в угловом распределении критического тока J(Q) при Q = 900.. Комбинируя эти включения в различной пропорции (2% на 5 %, 2.5 % на 2.5 % и т.д.), можно добиваться появления пика и на других углах, например, на Q = 600. Атомно-силовая микроскопия показала, что данные продолговатые наночастицы выстраиваются в подобие лестницы, направление «ступеней» которой и есть тот угол, на котором появляется второй максимум в распределении тока.
При этом объемная сила пиннинга при температуре 78 К увеличивается в 10 раз по сравнению с недопированным материалом, достигая значения 20 ГН/м3 [A.Palau, Barcelona Autonoma Univ.]. Увеличение силы пиннинга влечет за собой заметно лучшие токовые характеристики во внешних полях до 2 Тл. С точки зрения модели, пиннинг происходит не на самих наночастицах этих веществ, а на внутренних напряжениях, вносимых ими в материал ВТСП: Обнаружена корреляция между величиной напряжений, вносимых в материал центрами пиннинга, (измеряется с помощью рентгеновской дифракции) и величиной объемной силы пиннинга.
Влияние концентрации BCO и BZO на Bc2 и поле необратимости было проведено в работе исследователей из Финляндии [Mika Malmivitra, Turku Univ.]. С помощью методики импульсного лазерного осаждения и фотолитографии были приготовлены полоски шириной 50 мкм из YBCO, легированного BZO с массовой долей от 0 до 9 %. Показано, что параметр Блаттера g, определяющий анизотропию образца, с увеличением концентрации центров пиннинга снижается от 6 до 3. Концентрация центров BZO, равная 2.6 %, увеличивает поле Birr и Bc2 во всем диапазоне температур и углов Q, дальнейшее повышение концентрации приводит к снижению этих характеристик. Упоминавшийся выше эффект пика в J(Q) при Q = 90o наблюдается при всех концентрациях BZO.
В то время как диборид магния уже вышел на широкий рынок, (компания Columbus Superconductors Италия запустила линию по промышленному производству проводов MgB2, изготовленных по методу «порошок в трубе», и уже созданы первые томографы, с магнитами из диборида магния), ферропниктиды пока лишь рассматриваются как возможные материалы для массового производства. Их высокий потенциал для использования в магнитах обусловлен огромными значениями Hc2, в чем они превосходят традиционные ВТСП-материалы, такие как YBCO или BiSCCO при низких температурах (Shimoyama,Wen). Технология производства лент на основе BaFe2As2 может быть позаимствована из ВТСП-2, при этом буферный слой MgO, «затравочный» слой Y2O3 и подложка из хастеллоя аналогичны используемым в проводах второго поколения. Для напыления используется импульсное лазерное осаждение. Тонкая пленка толщиной 70 нм была получена на бикристалле Fe, структурированном с помощью IBAD. Токонесущие характеристики в этом слое при T = 4 K составили 100-500 кА/см2 и, существенно не уменьшались с увеличением величины внешнего поля до 10 Тл.
Провода из ферропниктидов, изготовленные на основе технологии «порошок в трубе», демонстровали несколько худшие характеристики.
Многие технические применения сверхпроводящих лент требуют изучения потерь в них на переменном токе. Эти измерения продиктованы необходимостью оценки условий охлаждения и коммерческой эффективности эксплуатации этих устройств. Измерения AC потерь - базовое исследование, которое проводится, например, на кабелях Рёбеля, токоограничителях, катушках для роторов ветряных электростанций, трансформаторах.
Представлена расчетная работа [V.S.Vyatkin, E.S.Otabe, T.Matsushita, Kyushu Inst Technology, Japan] по минимизации AC потерь в сверхпроводящих кабелях. В ней показано, как правильно навивать сверхпроводящую ленту в кабеле, чтобы минимизировать потери в ней. Рассмотрен кабель, состоящий из трех повивов ленты. Расчет показал, что шаг повива следует увеличивать по мере удаления от центра кабеля.
Весьма интересна работа по измерению коэффициента теплопередачи в жидкий азот с нагретой медной поверхности. Эта работа была представлена учеными из университета Карлсруэ [Sebastian Hellman]. Платиновый термометр помещался внутрь медного образца в форме куба. Эксперимент проводился при помещении медного образца с термометром внутри в криостат с жидким азотом, и записывалась кривая остывания от комнатной температуры T(t). Такой же эксперимент проводился для полированного медного образца, образца с «шершавой» поверхностью, а также для образца, покрытого 75-микронным слоем каптона. Было показано, что точка перехода от пузырькового режима кипения к переходному режиму и точка начала пленочного кипения могут сдвигаться по оси температурного напора q(DT) на порядок при изменении структуры поверхности и при нанесении изолирующего слоя. Эти исследования интересны, прежде всего, для разработчиков ВТСП токоограничителей.