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

Диборид магния – моя страсть и боль…

2006, Tом 3, выпуск 6
Тематика: Позиция

Ниже – интервью с Евгением Павловичем Красно-перовым, д.ф.-м.н, начальником лаборатории ИСФТТ РНЦ «Курчатовский институт»

Давайте сначала о страсти…

MgB2 чуть-чуть задержался с рождением, пропус-тив вперед ВТСП материалы. Если бы его открыли чуть раньше ВТСП, ученый мир охватил бы тот же ажиотаж, что и с памятным открытием ВТСП. Его критическая температура 39 К, почти вдвое выше, чем у сверхпроводников, известных до появления ВТСП. Относительно низкая анизотропия, простой химический состав, дешевизна исходных состав-ляющих для его синтеза – все это заставило бы уче-ных и инженеров цепко ухватиться за него, и, ска-жем, проект термоядерного реактора стал бы суще-ственно дешевле сегодняшней пугающей цифры и, может быть, надежнее. Но все это при условии, что в его разработку вложили хотя бы 2-3% средств, затраченных миром на разработки ВТСП.

Но у ВТСП материалов критическая температура значительно выше и это – существенное преиму-щество?

Конечно, температура выше. Но давайте посмотрим, при какой температуре реально работают сегодняшние прототипы ВТСП устройств. Это 20-30 К. Другие качества ВТСП материалов мешают ему работать при температуре ближе к критической. Возьмем ту же анизотропию критических токов для различных направлений магнитного поля к кристаллографическим осям. Анизотропия – это гигантская проблема в ВТСП висмутовой системы, где коэффициент анизотропии 20-30. Хотя в этой системе большие критические поля, но из-за высокой анизотропии сложно сделать провод, способный работать в ситуации больших магнитных полей. Для уменьшения анизотропии приходится снижать рабочую температуру до 20-30 К. И вот вам потеря преимущества высокой температуры.

В MgB2 тоже есть небольшая анизотропия, но она составляет 2-3. И есть возможность снизить, вос-пользовавшись уже имеющимся опытом НТСП ниобиевой технологий. В ниобий добавили при-месь, затем сделали замечательный «грязный» сверхпроводник Nb-Ti. И вот года 2 назад сделали грязный диборид магния - анизотропия еще умень-шилась, токи возросли. Правда, еще дебатируется вопрос, куда именно девать эти примеси. Сначала примесь «садили» неуправляемо, куда сядет. Те-перь накопили много данных, но пока каждый ав-тор интерпретирует результат по-своему, единой точки зрения нет, но во всех экспериментах при-месь улучшает качество диборида магния. Уже сей-час грязный материал дает критическое поле до 70Тл. Причем, если у чистого диборида магния со-противление – 4 мкОм, то у грязного оно возрастает почти в 10 раз. Материал доводят почти до уровня нестабильности - именно на таком материале полу-чили 70 Тл. Но вот задача – он нестабилен и живет недолго. С другой стороны, такие рекордно высо-кие поля в практических устройствах пока не вос-требованы.

Ваша страсть понятна, в чем же причина вашей боли?

У нас, в Курчатовском давно и успешно занимались сверхпроводниками. Мы, наряду с бочваровцами, причастны к серийной технологии станида ниобия, на который сейчас ориентирован термоядерный ре-актор ITER. Потому сразу оценили перспективу диборида магния. Я с энтузиазмом включился в его разработку.

Для формирования нужной структуры необходимо делать очень плотный материал, а, значит, нужно прессовать порошок диборида магния в горячем состоянии и при высоком давлении. Создать высокие давления при традиционном волочении не удастся. Родилась идея магнитного обжатия. К тому же, в Курчатовском имелось необходимое оборудование – установки высоких импульсных магнитных полей. Можно сказать, мы на коленках провели магнитное обжатие при комнатной температуре, получили первые образцы провода не более метра длиной. Далее требовалась существенная модернизация установки для осуще-ствления обжатия протяженных образцов в горячем состоянии. Принципиально такой процесс разрабо-тать можно, но нужна существенная модернизация установки. Вот и первая боль – где деньги?

Мы получили небольшой грант из фонда РФФИ на первые исследовательские работы, на технологию уже трудно получить академический грант, а дибо-рид магния – это не столько научные изыскания, сколько хитрая технология. Из-за отсутствия фи-нансовой поддержки мы приостановили развитие метода. Патента нет…Так что результат наших усилий по магнитному обжатию – статья в “Super-conductors Science and Technology” 17, S274 (2004), имеющая, к удовлетворению авторского тщеславия, высокий индекс цитируемости. Но и, конечно, опыт работы с диборидом магния. Если появятся финан-сы, этот опыт будет весьма полезен.

Поделитесь своими технологическими тайнами с читателями бюллетеня?

Весьма привлекательна технология сжатия с помо-щью Z-пинча. Идея простая – берете трубку, в нее помещаете порошок диборида магния или смесь его компонентов, нагреваете заполненную трубку, ска-жем, постоянным током градусов до 900, а затем коротким импульсом в 1,5 МА обжимаете. Давле-ние в 10 кбар обеспечено. Но пока реализации этой технологии препятствуют банальные трудности… аргона нет, тефлона нет, мастерских нет, пятое-десятое… Эксперименты с Z-пинчем ждут своего часа.

Конечно, как известно, часто успех разработки оп-ределяется правильно поставленными вопросами. Вот наш небольшой опыт – в возникших вопросах. Ответы можно искать вместе с заинтересованными читателями.

Важный вопрос (он стоит и решается и в ВТСП разработках) – как качественно соединять между собой отдельные куски провода. В традиционной технологии сверхпроводящего провода работают с проводами, состоящими из тончайших жил. Мы убеждены, что из диборида магния нужно делать стержни диаметром 2- 3 мм. Такой стержень может нести ток до 10кА. Пусть стержень будет иметь длину несколько метров. Как сконтактировать стержни между собой? Мой аспирант Вадим Гри-ненко стал добавлять в месте стыка избыток маг-ния. За счет градиента концентрации магния (ло-кального избытка в месте стыка) идет его диффу-зия, и место стыка зарастает. Как создать необхо-димый избыток? Сделаем куски провода слабо кон-тактирующими (гранулки MgB2 почти не контакти-руют, скажем, на пороге перколяции) и проведем отжиг при весьма средней температуре (где-то 600°С) в условиях избытка магния - и все – контакт хороший. Проблема решена. Правда, этот метод уже – не тайна. Другие разработчики (в частности, американцы) тоже догадались до этой относительно простой технологии при решении проблемы меж-гранульных контактов.

Другой вопрос связан с разнозначными толкова-ниями оптимальной позиции расположения приме-си в решетке MgB2. Когда вводите примесь, полу-чаете дефекты в основном в структуре магния. Ре-шетка бора не нарушена. А вот, судя по всему, можно и не вводить примесь, а просто формировать структуру с дефектами в структуре бора, т. е. де-лать синтез в условиях избытка магния. Если не-много пофантазировать… Вы имеете слой магния, осаждаете на него тончайший слой бора, например, толщиной в пару мкм, потом снова - слой магния. Тогда при синтезе решетка начинает расти с дефи-цитом бора и избытком магния. Это недавно воз-никший метод – инфильтрации. Все это можно сде-лать довольно примитивно. Берете крупные грану-лы магния и ультрадисперсный порошок бора (по нынешней терминологии – нанопорошок), и все это перемешиваете. (К слову, ультрадисперсные по-рошки были получены 30-40 лет назад в Курчатов-ском по заказу МинАтома). Таким образом, вы по-лучаете гранулы магния, окруженные слоями по-рошка бора (с дефицитом стехиометрического со-става). Все это спекаете. В результате критическая температура понижается, а критические поля рас-тут. Уже на первых образцах при температуре 16К критическое поле достигло 12Т. Если, как мы наде-емся, удастся доказать, что диборид магния с де-фектной по бору решеткой дает хорошие результа-ты, то и не придется вводить примесь и искать ей оптимальное место. Ко всему, магний - хороший проводник, при его избытке такой материал сможет выполнять и функцию неплохого стабилизатора. Получим хорошие провода.

Наш результат с дефектной по бору решеткой очень многообещающ. Поэтому сидим и на коленках трем порошок. Ведь российского производства диборид-магниевого порошка нет. Купить за рубежом – «Где ж деньги, Зин?». Конечно, для хорошей технологи-ческой разработки многое надо. Чтобы создать тон-кий слой порошка, нужен коллоидный метод, нуж-ны чистые комнаты, чистые исходные материалы и т. д. Необходима модернизация имеющегося или закупка современного оборудования. И этого мало – современное оборудование требует квалифициро-ванного обслуживания, необходимо обучать кадры. Задач много. Чтобы их решать, нужны энтузиазм (он, кажется, есть) и хорошее финансовое обеспе-чение (хотелось бы верить, что будет).

Кто еще в России пробует силы в диборидмагние-вой технологии?

Насколько я осведомлен, серьезных технологиче-ских разработок в России нет. Хотя отдельные об-разцы, судя по публикациям, делают и исследуют в Черноголовке (ИФТТ РАН).

За рубежом не упустили шанс? Существуют ли компании, производящие диборид магния в коммер-ческих количествах?

Да, это так. У них в крови – ориентация на частный успех. Каждый ищет свой шанс, свою, не занятую нишу для коммерческого успеха. Поскольку к мо-менту открытия диборида магния все сколь-нибудь перспективные ниши в ВТСП уже были прочно за-няты, народ ухватился за новый материал, оценив его дешевизну и относительно простую технологию синтеза. К тому же, рисковые проекты там имеют шанс на государственную поддержку. Та же теперь лидирующая в диборидмагниевой технологии аме-риканская компания Hyper Tech собрала от прави-тельственных ведомств на предварительные разра-ботки до 3,5 млн. долл. Сразу появилась компания Alfa Aesar, выпускающая исходный MgB2 порошок – покупай и делай провод. За MgB2 ухватились и большие коллективы в Японии, Китае. ВТСП пона-добилось 20 лет до первого коммерческого провода, пока еще очень дорогого. А вот MgB2 … 3 года и сразу в продаже коммерческий провод по цене не-сколько долл. за метр. Структура то простая.

А почему китайцы пробуют и пленочную структу-ру для MgB2 провода, если так уж хорош массив-ный провод?

У китайцев диборидом магния занимается море ор-ганизаций и пробуют разные варианты технологий. Принципиально не вижу специальной потребности сделать не объемный, а пленочный провод. Те же китайцы опубликовали данные, что из диборида магния надо делать провод диаметром 1,5 мм. Мо-жет нужны и пленочные. Главное, в каких целях будет использоваться провод. Хотя, например, для магнитных экранов пленочные образцы – это хо-рошо. В ситуации с ВТСП - есть и провод, и лента, и массивная керамика. И все находит свое опти-мальное применение: из массива стали делать по-стоянные магниты с захваченным потоком и при 15 К достигли рекордного для ВТСП поля в 16 Тл. Ко-нечно, получить магнит еще не значит, что вы нау-чились его использовать. Вы сформировали магнит, поместили в криокуллер, охладили, внешним по-лем, намагнитили и используйте, например, в маг-нетроне. А как в промышленных условиях, напри-мер, сразу после аварии? Полагаю, что для намаг-ничивания будет применяться импульсное поле. Импульсная установка – небольшая, размагничен-ный образец можно намагничивать по частям и ис-пользовать в любом месте. Кстати, привлекает идея использовать подобные магниты для синхротрон-ного источника. Представьте – небольшая шайба, а поле в ней с десяток Тл. Такие магниты с захвачен-ным потоком могут производить даже мелкие фир-мочки.

За рубежом диборид магния входит в самые боль-шие проекты, включая ИТЭР, ускорители. Пре-имущество – дешевизна при параметрах, подходя-щих для многих целей. Для ИТЭРа он будет важен, когда дело упрется в стоимость при разработке коммерческих вариантов термоядерного реактора.

К случаю, хочу обратить внимание на тот факт, что даже с хорошими сверхпроводящими проводами дела не пойдут без надежной и недорогой криоге-ники – криокуллеров. О том, что криокуллеры пер-спективны мы уже говорим лет 15, а воз и ныне там.

Что бы вы хотели сказать в заключение?

Наш Институт имеет уникальные шансы создать технологию магнитного обжатия диборид магния. Установки, генерирующие большие магнитные по-ля, фактически остались только у нас в институте. Давайте поддержим эти уникальные технологии. Конечно, установки сильных магнитных полей – это не нанобъект, но это готовая установка для по-лучения провода из нанопорошка и уникальный прибор для исследования электрических и магнит-ных свойств наноматериалов.

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.