УДК 621.357.7+669.2936:538.945
АНИЗОТРОПИЯ КРИТИЧЕСКОГО ТОКА СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ Nb3Sn, ПОЛУЧЕННЫХ СОВМЕСТНЫМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ ОСАЖДЕНИЕМ МЕТАЛЛОВ © 2010 г. В. Н. Колосов*, А. А. Шевырев**
*Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ Российской академии наук, Апатиты e-mail: tantal@chemy.kolasc.net.ru **Научно-производственный центр "Синтез", Москва e-mail: shevyrev@demos.ru Поступила в редакцию 12.01.2009 г.
Исследованы критические токи сверхпроводящих покрытий Nb3Sn, полученных совместным электрохимическим осаждением в солевых расплавах, и их анизотропия в поперечном магнитном поле. Количественно анизотропию характеризовали коэффициентом k, равным отношению критических токов при параллельной и перпендикулярной ориентации плоскости покрытия относительно направления магнитного поля. Изучено влияние легирования слоев Nb3Sn танталом и азотом на их микроструктуру, критический ток и коэффициент анизотропии k. Показано, что для нелегированных и легированных танталом покрытий величина k изменяется в интервале от 0.4 до 1.0, а для легированных азотом — от 0.4 до 1.4. Изменения критического тока и коэффициента анизотропии образцов обсуждены с точки зрения изменения их микроструктуры.
ВВЕДЕНИЕ
Соединение №38п является практическим высокополевым сверхпроводящим материалом, который используется для изготовления магнитных систем различного назначения. Это обусловлено способностью сверхпроводников второго рода нести большие транспортные токи до полей, почти равных верхнему критическому полю Ис2. Как теоретические, так и экспериментальные исследования связывают эту особенность с неоднород-ностями и дефектами их структуры (границами зерен, дислокациями, выделениями других фаз), которые осуществляют пиннинг вихрей Абрикосова. В зависимости от расположения и ориентации дефектов в сверхпроводящем материале часто наблюдается анизотропия критического тока I, т.е. его величина зависит от направления магнитного поля относительно поверхности сверхпроводящего слоя. Учет анизотропии критического тока имеет большое значение при конструировании осе-симметричных магнитов прямоугольного сечения, геликоидов, магнитных экранов и других устройств, предназначенных для работы в магнитных полях [1-4].
Ранее была исследована зависимость 1с от ориентации магнитного поля относительно поверхности двух типов лент с покрытиями №38п, полученных совместным восстановлением водородом тетрахлорида ниобия и дихлорида олова и диффузионным методом [5]. При этом обнаружено, что
ленты, приготовленные диффузионным методом, имели более высокие критические токи при ориентировании магнитного поля параллельно ее поверхности, а ленты, приготовленные водородным восстановлением, - при ориентации поля перпендикулярно поверхности. Это различие авторы сопоставили с микроструктурой лент. В лентах водородного восстановления размер зерен в направлении роста (перпендикулярно поверхности ленты) выше, чем в плоскости ленты. В диффузионных образцах размер зерен больше в направлении, параллельном поверхности ленты, поскольку их форма повторяла форму зерен подложки. Исходя из концепции закрепления вихрей на границах была рассчитана эффективность зацепления для зерен эллиптической и синусоидальной форм [6]. Сравнение расчетных данных с экспериментом привело авторов к заключению об эллипсоидальной форме зерен, полученных диффузионным методом, и синусоидальной для покрытий №38п, полученных водородным восстановлением. Анизотропия критического тока также была обнаружена в лентах МЪ38п, полученных по "бронзовой" технологии [7]. В этом случае при расположении поверхности ленты перпендикулярно магнитному полю значение 1с было минимальным, а при ее расположении параллельно полю - максимальным. По мнению авторов, различие в критических токах лент №38п, полученных по "бронзовой" технологии, обусловлено не только столбчатой формой зерен, но и анизотро-
(я)
Рис. 1. Схема расположения образцов в соленоиде при измерении 1С.
пией верхнего критического поля Нс2. Независимо от способа получения №38п значительное влияние на анизотропию критического тока оказывают легирующие добавки [5, 7].
Цель настоящей работы — изучение токонесущих свойств и анизотропии критического тока в поперечном магнитном поле электролитических покрытий МЪ38п.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Покрытия №>38п получали совместным электрохимическим осаждением ионов ниобия и олова из расплавов солей. Электролиз проводили в гальваностатическом режиме с катодной плотностью
тока 200 А/м2 при температуре 750 ± 10°С на подложки из молибдена марки "мч-1" размером 40 х 80 х 1 мм. Аппаратурное оформление, используемые реактивы и их подготовка соответствовали применявшимся ранее [8]. Кроме чистых слоев №38п, осаждаемых в атмосфере аргона, также получали образцы, легированные танталом или азотом. В качестве источника тантала в расплаве использовали гептафторотанталат калия (K2TaF7), легирование азотом осуществляли из газовой атмосферы над расплавом, содержащей смесь Аг + N [9, 10]. В легированных слоях №38п концентрация тантала составляла =0.3 ат. %, концентрация азота находилась в интервале 0.3—1.5 ат. %.
Структуру слоев исследовали металлографическим методом, используя оптический микроскоп №орИо1;. Для выявления микроструктуры в качестве травителя применяли раствор на основе глицерина, азотной и фтористоводородной кислот, взятых в равных объемах. Примесный состав определяли с помощью искрового масс-спектрометра МХ-3301 (относительная погрешность 20—25%). Профили распределения элементов в сверхпроводящем слое снимали на рентгеновском микроанализаторе М8-46 Сатеса. Более детальное исследование распределения легирующих примесей проводили с помощью оже-электронной спектроскопии по методике [11]. При этом ионным пучком Аг+ проводили послойное распыление как внешнего слоя образца, так и слоя, прилегавшего к подложке. Молибденовую подложку предварительно растворяли в азотной кислоте. Скорость распыления сверхпроводящего слоя составляла =20 А/мин.
Фазовый состав исследовали на рентгеновском дифрактометре (Си^а-излучение). Оценку плотности дислокаций в покрытиях проводили по методике [12]. Измерения критического тока производили четырехконтактным методом при температуре 4.2 К в сверхпроводящем соленоиде. Образцы располагали так, чтобы транспортный ток был перпендикулярен, а поверхность электролитического покрытия — либо параллельна (рис. 1а), либо перпендикулярна (рис. 1б) магнитному полю. Критический ток фиксировали по появлению на образце падения напряжения, равного 10-6 В и соответственно обозначали как и /1с. Расстояние между потенциальными контактами 5 мм, длина измеряемого образца 30 мм, ширина в области потенциальных контактов составляла 2.0 мм. Количественно анизотропию 1С характеризовали коэффициентом анизотропии к, равным отношению критических токов при параллельной (1||С) и перпендикулярной (/1с) ориентаци-ях плоскости покрытия относительно направления магнитного поля в соленоиде: к = !цс//1с.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 представлены зависимости критических токов электролитических покрытий станни-да ниобия от ориентации поверхности образца по отношению к направлению поля в поперечных магнитных полях (толщина сверхпроводящего слоя для всех образцов — 15 мкм). Видно, что независимо от ориентации образца по отношению к магнитному полю величина 1С легированных слоев значительно выше, чем 1С слоев чистого соединения №38п. При этом для покрытий, легированных азотом, критический ток больше при ориентации магнитного поля параллельно поверхности покрытия, в то время как для чистых и легированных танталом — перпендикулярно поверхности. Для того чтобы объяснить эти закономерности, рассмотрим структуру и возможные типы центров пиннинга в исследуемых слоях.
Структура нелегированных слоев №38п аналогична структуре электролитических осадков чистых металлов, полученных из расплавов солей [13]. Вблизи подложки расположен слой с мелкими, близкими к равноосным, зернами, и по мере удаления от подложки отчетливо проявляется столбчатая структура (рис. 3а). Она характерна для гальваностатического режима электролиза в чистых расплавах (без добавок легирующих веществ), независимо от материала подложки, катодной плотности тока и температуры электролиза [8, 14]. Типичная зависимость среднего размера зерна й от толщины 5 слоя №38п представлена на рис.4а. Вид зависимости й = /(5) обусловлен тем, что при стационарных условиях электролиза зерна зарождаются только на подложке и по мере нарастания слоя происходит их слияние в процессе роста. Слияние зерен с образованием столбчатой структуры обусловлено формированием сильной аксиальной текстуры при одноосном перпендикулярно подложке подводе разряжающихся ионов в условиях стационарного потока вещества при гальваностатическом режиме электролиза [13]. Концентрационные кривые распределения ниобия и олова в слое №38п подтверждают его однородность по толщине (рис. 3б).
Для нелегированных соединений с кристаллической структурой типа А-15, к которым относится №38п, при снижении размера зерна й от нескольких микрон до —0.1 мкм между критическим током и величиной й выполняется соотношение [15]:
I =
с 1
с /
(1)
где с — константа, зависящая от условий приготовления материала, 0.5 < п < 1.0. При достижении й = 0.04—0.08 мкм 1С достигает максимума, а при дальнейшем снижении размера зерна резко падает. На рис. 4 представлены зависимости й (а) и 7||с (б) покрытий №38п от толщины слоя. Исходя из соотношения (1) можно заключить, что в
800
600
2 £
400
200
800
2400
4000
Н, кА/м
Рис. 2. Зависимости 1с покрытий №38п от ориентации поверхности образца к направлению магнитного поля: 7, 2 — чистое соединение, 3, 4 — легированное Та, 5, 6 — легированное N (С^ = 1.2 ат. %); 7, 3, 5 — 1с 2, 4, 6 — /1с.
(а)
(б)
мас. % 5п, мас. %
100 ____
-------30
0
70
-
--
№
Мо-основа | №38п
70 мкм
(в)
мас. %
100
(г)
70
0
8п, мас. % 30
0
11-
Та
0к"Ж
Ъ
|Мо-основа | (№,Та)38п]
65 мкм
Рис. 3. Микроструктура поперечного сечения покрытий
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.