ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2007, том 104, № 1, с. 63-71
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.2936:538.945
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДАМИ ЯМР И МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СЛОЕВ NbзSn В КОМПОЗИТАХ МЬ/Си^п РАЗНОЙ КОНСТРУКЦИИ
© 2007 г. Б. А. Алексашин, А. В. Солонинин, А. В. Королев, В. П. Дякина, Е. Н. Попова,
Е. П. Романов, С. В. Сударева
Институт физики металлов УрО РАН, 620041 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 04.12.2006 г.
Представлены результаты измерений температурной зависимости формы линии ЯМР 93№ и действительной части динамической магнитной ас-восприимчивости %'(Т) многоволоконных сверхпроводящих композитов на основе NЪзSn с разной геометрией ниобиевых волокон (обычные цилиндрические, спаренные цилиндрические и кольцевые), изготовленных по "бронзовой" технологии. Во всех исследованных композитах наблюдается сверхпроводящий (СП) переход диффузионных слоев при Тс ~ 17 К. Ширина его в исследованных композитах составляет ДТс ~ 3 К и не за-
висит от их конструкции. Перепад абсолютного значения %'(Т) у композитов обычной сборки и со спаренными № волокнами в полтора раза меньше по абсолютной величине, чем у композита с кольцевыми волокнами. В экспериментальных спектрах ЯМР 93№ выделены разные по интенсивности подспектры, причем в композитах обычной сборки и со спаренными волокнами их по три, а в композите с кольцевыми волокнами - два. Произведенная оценка интенсивности каждого из под-спектров в каждом экспериментальном спектре исследованных композитов соотнесена с определенным диффузионным слоем и, таким образом, произведена оценка количества зерен соответствующего слоя в каждом из композитов. Кроме того, установлено, что в первых двух композитах форма линии ЯМР 93№ асимметрична, что указывает на анизотропию сдвига Найта в слоях как в нормальном, так и сверхпроводящем состоянии, в то время как у композита с кольцевыми волокнами форма линии симметрична и сдвиг Найта оказывается изотропным. Величина анизотропного сдвига Найта в композитах с одиночными и спаренными цилиндрическими волокнами составляет 93Кан ~ 0.02 %. Анизотропия в них обусловлена, по-видимому, различным характером и величиной взаимодействия зерен слоев с бронзовой матрицей и с остаточным ниобием, которое приводит к различным сдвигам частоты подспектров и, соответственно, к асимметрии формы линии ЯМР 93№. В то же время, в композите с кольцевыми волокнами взаимодействие слоя происходит с обеих сторон с бронзовой матрицей, носит, по-видимому, одинаковый характер и скомпенсировано по величине. При этом в первых двух случаях распределение олова по сечению диффузионных слоев неравномерно, и наблюдается значительное их отклонение от стехиометрического состава.
PACS 74.70. Ad, 76.60.-k
ВВЕДЕНИЕ
Интерметаллическое соединение КЬ38и имеет кристаллическую структуру типа А15 (А3В) и относится к сверхпроводникам 2-го рода с сильной связью. Атомы В образуют решетку объемно-центрированного куба, а атомы А расположены попарно в гранях куба параллельно координатным осям, образуя семейства пересекающихся линейных цепочек, причем расстояние между атомами А в цепочке является кратчайшим и на 22% меньше, чем между атомами А, принадлежащими различным цепочкам [1].
Классическое интерметаллическое соединение КЬ38и с микрокристаллической структурой, полученное металлургическим способом, интенсивно изучалось различными методами с конца 50-х годов прошлого века, когда Бардином, Купе-
ром и Шриффером была создана (1957 г.) изотропная модель микроскопической теории сверхпроводимости, именуемая БКШ. К настоящему времени получена, можно сказать, исчерпывающая информация о физических свойствах этого соединения, и выявлены основные факторы, влияющие на его сверхпроводящие характеристики. На его основе создаются технические изделия, которые находят широкое применение в различных областях науки и техники. В частности, кабели и ленты с использованием композитов на основе №>38и применяются для намотки соленоидов при получении рекордно высоких магнитных полей в криомагнитных системах спектрометров ЯМР. В настоящее время особый интерес к этим материалам обусловлен проектом создания ИТЭР - интернационального термоядерного экс-
периментального реактора [2]. Однако изготовление промышленных изделий требует постоянного совершенствования композиционных материалов с целью повышения их сверхпроводящих характеристик.
Практическое применение чрезвычайно хрупких сверхпроводящих соединений со структурой A15 стало возможным благодаря разработке так называемого "бронзового" метода изготовления сверхпроводящих композитов, основанного на твердофазном диффузионном взаимодействии ниобия или ванадия с находящимися с ними в контакте медными сплавами с оловом или галлием, соответственно [3]. Этот метод постоянно совершенствуется, причем изменяется геометрия композитов (т.е. количество и форма ниобиевых волокон, их расположение в бронзовой матрице, отношение количества ниобия к бронзе и т.п.), применяются различные способы легирования, разрабатываются новые режимы термической обработки [4]. Эти разработки активно проводятся, в частности, во ВНИИ Неорганических материалов им. акад. A.A. Бочвара. Для формирования научно обоснованного подхода к дальнейшему развитию технологии получения сверхпроводников с требуемыми высокими и стабильными критическими параметрами необходим целый комплекс физических и структурных исследований.
Целью настоящей работы явилось выяснение влияния конструкции многоволоконных композитов с обычными, спаренными и кольцевыми ниобиевыми волокнами на структуру и сверхпроводящие характеристики слоев Nb3Sn.
Для решения этой задачи в работе применены методики ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и магнитной восприимчивости на переменном токе (ас-восприимчивость).
Известно, что ЯМР, как локальная методика, позволяет получать информацию о структуре сплава или соединения по изменению измеряемых в эксперименте параметров ЯМР при малейших изменениях взаимодействий резонансных ядер как между собой, так и с ближайшим окружением. Это касается материалов, находящихся в любом агрегатном состоянии, в том числе и в конденсированном, а если это сверхпроводник, то как в нормальном, так и сверхпроводящем состоянии. Изменение структуры отражается на форме и ширине линии, ее интенсивности, временах спин-спиновой (T2) и спин-решеточной (T1) релаксации, сдвигах частоты резонанса (Av), обусловленных различной природой взаимодействий, в том числе и за счет взаимодействия магнитного момента резонансного ядра с магнитным полем, наведенным электронами проводимости в месте расположения этого ядра и называемого сдвигом Найта (К) [5-7]. В настоящей работе установлена взаимосвязь структуры диффузионных слоев Nb3Sn с
формой линии ЯМР 93Nb и анизотропным сдвигом Найта: линия асимметрична и 93Кан > 0 (не-проработанные одиночные и спаренные Nb волокна-композиты МКНОС и A-32-3), линия симметрична и 93Кан = 0 (кольцевые проработанные Nb волокна - композит К-30-5). С помощью методики магнитной ас-восприимчивости получена информация о температуре и ширине СП-перехода в композитах с разной геометрией ниобиевых волокон.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе, как упоминалось выше, исследованы три отечественных композита, изготовленных по "бронзовой" технологии во ВНИИ Неорганических материалов им. ак. A.A. Бочвара, с разной геометрией ниобиевых волокон: композит МКНОС1 с обычной сборкой (одиночные цилиндрические волокна), композит A-32-3 со спаренными цилиндрическими волокнами и композит К-30-5 с кольцевыми (трубчатыми) Nb волокнами. Для удобства дальнейшего изложения обозначим их как 1-О, 2-С и 3-К. Поперечные сечения исследованных композитов показаны на рис. 1. Они имеют, соответственно, 7225 Nb волокон, 7560 спаренных в виде гантелей Nb волокон и 1897 кольцевых Nb волокон, а их внешний диаметр вместе с медной оболочкой составляет 0.81, 0.72 и 0.60 мм. Отметим, что кольцевые волокна фактически являются трубками, а кольцами они представляются на поперечных сечениях (рис. 1в). Во всех трех композитах Nb волокна искусственно легированы титаном в количестве 2 мас. %. Диффузионный отжиг для получения слоев Nb3Sn проводили по режиму 575°С, 150 ч + 650°С, 200 ч. Результаты электронно-микроскопического исследования структуры этих композитов представлены в [8].
Остановимся подробнее на конструкции композитов с точки зрения получения достоверной информации при их исследовании методом ЯМР. Как видно из рис. 1, конструкция каждого из них представляет собой довольно сложную сборку из материалов, обладающих различной электропроводностью. Конструкции первых двух композитов достаточно схожи, а именно, внутри Nb-Ta-барьера в Cu-Sn-матрице размещены 85 стрендов (пучков) по 85 одиночных Nb волокон в матрице в каждом стренде (композит 1-О) или 126 стрендов по 30 пар Nb волокон, т.е по 60 волокон в каждом стренде (композит 2-С). Композит 3-К обладает совершенно иной геометрией, а именно, в нем всего 7 стрендов, содержащих по 271 ниобие-вому волокну, каждое в виде трубки, и каждый из таких стрендов окружен Nb-Та-барьером, пред-
1 Многожильный Композит Ниобий-Олово Стабилизированный
ставляющим танталовую (внутри) и ниобиевую (снаружи) трубки с толщиной стенок порядка 1 мкм. Подчеркнем, что внутренний объем танталовой трубки, в котором находятся ниобиевые трубчатые волокна, изначально заполнен Си^п-матрицей, из которой олово в процессе отжига диффундирует в ниобиевые трубчатые волокна, образуя соединение №>^п. При этом и внутри каждой ниобиевой трубки находится бронзовая матрица, откуда олово также поступает в ниобий, который при этом прорабатывается, то есть превращается в NbзSn, полностью. Таким образом, диффузионный слой ЫЪ^п в композите с кольцевыми (точнее, трубчатыми) волокнами с двух сторон граничит с бронзовой матрицей. Получается, что интерметаллид ЫЪ^п находится во всех трех случаях за тремя металлическими экранами: нио-биевым, танталовым и Си^п-матрицей, имеющей где-то большую, где-то меньшую толщину. Поэтому при воздействии на исследуемые об
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.