Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

Производство ВТСП-2 проводников в компании Fujikura

2015, Tом 12, выпуск 2
Тематика: Зарубежные фирмы и их разработки

Компания Fujikura входит в число наиболее успешных производителей ВТСП лент второго поколения (ВТСП-2). Выпускаемая компанией ВТСП-2 лента (см. Рис. 1) состоит из хастеллоевой подложки, на которую методом реактивного напыления нанесены слои оксида Y2O3 (20 нм) и Al2O3 (150 нм), слой МgO осаждается с помощью ионной технологии (IBAD - Ion Beam Assisted Deposition). Буферный слой CeO2  и сверхпроводящий слой GdBCO наносятся с помощью импульсного лазерного осаждения (PLD). Затем магнетронным напылением наносится защитный слой серебра (до 6-13 мкм) и припаивается стабилизирующий слой медной фольги (75-100 мкм). Затем, проводник со всех сторон покрывается полиамидной изолирующей пленкой. Общая толщина ВТСП ленты составляет 150-300 мкм при ширине от 5 до 12 мм со среднем значением критического тока при 77 К в собственном магнитном поле более чем 500 А/см (максимальное достигнутое значение - 937 A/см).

Рис. 1. Архитектура ВТСП-2 ленты компании Fujikura.

Столь высокие характеристики ВТСП-2 проводников стали возможны благодаря усовершенствованиям технологии PLD напыления, таким как Multi-Plume и Hot-Wall heating (см. рис. 2). Благодаря технологии Hot-Wall, удалось увеличить толщину сверхпроводящего слоя и повысить критический ток, а с помощью Multi-Plume процесса значительно увеличилась производительность производства.

Начиная с 1991 года, коллектив ученых под руководством Ииджимы работает над усовершенствованием технологии IBAD [1]. Впервые в мировой практике был применен метод напыления с применением вспомогательного (ассистирующего) ионного пучка падающего под углом отличным от нормального, что позволило сформировать биаксиальную текстуру в пленках YSZ на полированных поликристаллических подложках из никелевого сплава (Hastelloy C-276). На данный момент в установке IBAD напыления используется ионный источник размером 110´15 см, что позволило поднять производительность технологического процесса с 150 м/ч до 1000 м/ч

Рис. 2. Схема IBAD процесса Fujikura.

Отдельного внимания заслуживает модификация процесса импульсного лазерного нанесения сверхпроводящего слоя, носящая название hot-wall (или «горячая стена», см. Рис. 3). Хотя детали данной технологии являются коммерческой тайной, общей смысл сводится к организации однородного температурного поля в камере импульсного лазерного осаждения при помощи инфракрасных нагревателей. Конечно, температура подложки контролируется и при реализации PLD метода другими фирмами (например, Bruker), но нагреватели, как правило, располагаются в барабане - нагрев ленты происходит со стороны подложки, а не со стороны YBCO слоя.  По-видимому, это дает худшие результаты чем «горячая стена», в публикациях японских исследователей такая технология называется «холодной стеной». Поскольку основным источником температурной неоднородности ленты является плазменный факел, периодически изменяющий температуру подставленных под него участков, выравнивание температуры необходимо производить с наружной стороны. Передача тепла со стороны подложки осложняется наличием буферных слоев с низкой теплопроводностью и большой толщиной самой подложки. Эти факторы делают время выравнивания температуры при нагреве со стороны подложки существенно большим, чем в случае нагрева излучением с внешней стороны проводника. Использование технологии «горячей стены» позволило увеличить толщину ВТСП слоя до 6 мкм без ощутимого падения критической плотности тока (см. рис. 4.)

Рис. 3. Схема PLD напыления с нагревателями «горячей стены»

Рис. 4. Зависимостей критического тока ВТСП лент от толщины ВТСП слоя, технология Hot-Wall показывает значительно лучший результат.

 

Рис. 5. Зависимости критического тока от толщины сверхпроводящего слоя при 77,3К  и 20К снятые в собственном поле и во внешнем поле 3Тл

Стоит обратить внимание, что зависимости критического тока от толщины ВТСП слоя в собственном магнитном поле при 77К и 20К выходит на насыщение (см. рис. 5), тогда как аналогичные зависимости, измеренные во внешнем поле 3Тл, практически линейны. Очевидно, что такие ВТСП проводники целесообразно использовать в сильных магнитных полях.

Компания Fujikura пошла по пути увеличения толщины сверхпроводящего слоя и достигла значения  критического тока на уровне 930 А/см (77 К в собственном поле) при рекордной толщине ВТСП слоя в 5,5 мкм и длине отрезка 100 м [4]. Величина анизотропии критических свойств составляет около 2,5, что достаточно хорошо для проводника без дополнительных центров пининнга.

Для практического использования ВТСП лент необходимо осуществлять контроль их критических свойств не только при 77К в собственном поле, но и в широком диапазоне температур во внешних магнитных полях. Естественно, подобные измерения сложно реализовать для всей длины проводника, поэтому измерения  производятся на коротких образцах, отбираемых через каждые 100 м или более (см. Рис. 6). К сожалению, данные измерения не дают возможности определить характеристики по всей длине проводника. Такой метод можно использовать лишь вместе с непрерывным измерением датчиками Холла критического тока при 77К. Неоднородность критических свойств для кусков проводника длиной 500 м не превышает 1,5%. При понижении температуры критический ток увеличивается, однако, увеличивается и степень его неоднородности по длине проводника, для ВТСП лент длиной 1050м она достигает 5 % (см. Рис. 6).

Рис. 6. Однородности токонесущей способности в магнитном поле 3 Тл в широком диапазоне температур.

Прилагаются усилия по созданию ВТСП-2 проводников с улучшенным пининнгом для работы в высоких магнитных полях. Исследования, проведенные на GdBaCuO пленках толщиной 1 мкм показали, что легирование наностержнями из BHO (BaHfO3) дает возможность увеличить величину верхнего критического поля при 77 К на 40% по отношению к нелегированному материалу (черная кривая на Рис. 7), а также увеличить максимальную объемную силу пиннинга в 2 раза (синяя кривая на Рис 7). Данные зависимости были получены путем измерения релаксационным методом вольт-амперных характеристик в магнитном поле [2]. Однако, дальнейшее добавление центров пиннинга ухудшило силу пининга в ВТСП пленке, что указывает на наличие оптимального значения концентрации наностержней.

Рис. 7. Зависимости объёмной плотность силы пининнга от внешнего магнитного поля.

 

В 2013 г. руководством компании Fujikura была поставлена цель к 2015 году достигнуть критического тока в 700 А/см (при 77К в собственном поле) в отрезках проводника длиной более 1000 м [1]. На 2013 г. рекорд компании составлял: 572 А/см при длине 816 м (77К в собственном поле). В настоящее время отрезки проводника длиной более 1 км и критическим током более 600 А/см выпускаются серийно, что позволяет говорить о значительном развитии технологии.

 

  1. Yasuhiro Iijima. High-Performance Y-based Superconducting Wire and Their Applications, Fujikura Technical Review, 2013.
  2. T. Matsushita, H. Nagamizu, K. Tanabe, M. Kiuchi, E. S. Otabe, H. Tobita, M. Yoshizumi, T. Izumi, Y. Shiohara, D. Yokoe, T. Kato, and T. Hirayama. Flux Pinning Properties of BHO Pinning Centers at High Magnetic Fields in GdBCO Coated Conductors, IEEE transactions on applied superconductivity, vol. 23, no. 3, june 2013.
  3. Takahiro Taneda, Masateru Yoshizumi, Takahiko Takahashi, Reiji Kuriki, Takaomi Shinozaki, Teruo Izumi, Yuh Shiohara, Yasuhiro Iijima, Takashi Saitoh, Ryuji Yoshida, Takeharu Kato, Tsukasa Hirayama, and Takanobu Kiss. Mechanism of Self-Epitaxy in Buffer Layer for Coated Conductors. IEEE transactions on applied superconductivity, vol. 23, no. 3, june 2013.
  4. S Fujita, M Daibo, M Igarashi, R Kikutake, K Kakimoto, Y Iijima, M Itoh and T Saitoh. In-field critical current property of IBAD/PLD coated conductors. 11th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS2013) 

 

 

 

 

 

О.И. Свистунова

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.