ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 428, № 5, с. 608-610
ФИЗИКА
УДК 537.311.87:538.945:539.16.04
ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНАМИ И ИОНАМИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ НА ИЗМЕНЕНИЯ КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ YBCO (123) ЛЕНТ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ
© 2009 г. В. П. Аксенов, Л. Х. Антонова, А. Г. Белов, В. В. Воронов, Е. И. Демихов, А. Ю. Дидык, Л. И. Иванов, В. А. Мальгинов, Г. Н. Михайлова, А. В. Троицкий
Представлено академиком В.В. Осико 04.06.2009 г. Поступило 08.06.2009 г.
В настоящее время получены сверхпроводящие материалы в виде тонких лент, которые выпускаются промышленными партиями с температурами сверхпроводящих переходов в диапазоне, превышающем 90 К, при плотности критического тока до ~106 А/см2 [1]. Продолжаются работы по созданию новых типов высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) (см., например, обзор [2] и цитированную там литературу). Актуальным направлением является также применение ВТСП в сверхмощных компьютерах типа ТЕЯА-10 с высокой потребляемой электрической мощностью до 5 МВт [3]. Изучаются возможности достижения еще больших критических токов и стабильности их работоспособности в полях ионизирующих излучений и сверхмощных компьютеров.
В последние два десятилетия проводились многочисленные исследования свойств ВТСП при воздействии ионизирующих излучений [4—7]. Имеющиеся в литературе данные касаются исследований керамических, поликристаллических и монокристаллических образцов ВТСП в условиях облучения высокоэнергетическими частицами различной природы. Однако композитные ВТСП первого и второго поколения на основе купратов — это по существу новые структурированные материалы, которые ранее не изучались с точки зрения радиационной стабильности и накопления радиационных дефектов при облучении.
Цель настоящей работы — изучение радиационной стойкости ВТСП-лент. Исследованные в
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской Академии наук, Москва Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория ядерных реакций им. Т.Н. Флерова, Дубна Московской обл. Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской Академии наук, Москва Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Российской Академии наук, Москва
работе образцы ВТСП представляли собой отрезки коммерческой ленты второго поколения на основе YBa2Cu3O7-x (x = 0.0—0.3) производства компании "Super Power Inc." (США) марки SCS 4050 и SF 12100 с критическими параметрами: плотность критического тока Jc = 2 • 106 A/см2 (при T = 77 К, H = 0) и температура перехода Tc = = 92 К [1].
Для исследований были специально отобраны образцы ВТСП двух типов: I — с двухсторонним покрытием по 20 мкм меди с каждой стороны для стабилизации по току, герметизации, повышения механической прочности и гибкости ленты [8]; II — без медного покрытия. Это обусловлено тем, что электроны с энергиями 10—25 МэВ и тяжелые ионы, например криптона с энергиями более 700 МэВ, способны пройти толщину покрытия (20 мкм меди, 2 мкм серебра) и слой ВТСП-ленты толщиной 1 мкм [8]. В то же время высоко ионизирующие ионы, например ксенона с энергией 167 МэВ, не обладают проникающей способностью, достаточной для достижения слоя с ВТСП, именно поэтому и была взята лента ВТСП без покрытия медью (тип II). Это хорошо видно из рис. 1, где представлены зависимости удельных
ионизационных ¿*inel = — (X) и упругих =
inel
(X) потерь энергии от глубины Х для
= - №
^ е,
ионов 132Хе27+ с энергией 167 МэВ и для ионов 40Аг8+ с энергией 48 МэВ.
Образцы I типа представляли собой прямолинейные отрезки ленты размерами 30 х 4 х 0.1 мм3. Образцы II типа с размерами 20 х 12 х 0.1 мм3 были приготовлены из сверхпроводящей ленты УВа2Си307-х марки SF 12100.
Все критические параметры образцов были промерены перед облучением: критический ток исходных образцов I типа составлял 105—115 А,
ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНАМИ
609
типа II 280—300 А c критической температурой 92 К.
Электронное облучение проводили на микротроне МТ-25. Энергия электронов варьировалась от 10 до 23 МэВ. Флюенс облучения изменялся в диапазоне от 1017 до 3 • 1018 электрон/см2. Образцы типа II облучали ионами ксенона 132Xe+27 с энергией 167 МэВ и ионами 40Ar8+ c энергией 48 МэВ на ускорителе ИЦ-100Л ЯР им. Г.Н. Флерова ОИЯИ [8].
До и после облучения на всех образцах были измерены критические параметры (Tc и Ic) четы-рехзондовым методом. Результаты представлены в табл. 1.
Из данных, приведенных в табл. 1, видно, что при достижении дозы повреждений при облучении электронами вплоть до D ~ 10-4 с.н.а. (смещений на атом) не наблюдается деградации свойств ВТСП. Доза повреждений в ВТСП рассчитана с использованием компьютерной программы DAMAGE, созданной на основе выражений, приведенных в работе [9]. Таким образом, экспериментальные исследования показали высокую радиационную стойкость образцов ленты второго поколения на основе YBa2Cu3O7- х производства компании "SuperPower Inc." (США) марки SCS 4050 при облучении электронами высокой энергии.
Флюенсы облучения ионами 132Xe27+ c энергией 167 МэВ составляли 1.0 • 1010, 5.0 • 1012, 1.0 • 1013 и 2.5 • 1014 ион/см2. После облучения определяли зависимость сопротивления образцов от температуры в диапазоне 4.2—300 К. Экспериментальные результаты приведены на рис. 2а. Облучение всех образцов при флюенсах, равных и превышающих 5.0 • 1012 ион/см2, привело к полной деградации сверхпроводящих свойств вплоть до гелиевых температур.
Флюенсы облучения ионами аргона составляли 2.0 • 1010, 1.0 • 1011 и 5.0 • 1011 ион/см2. После облучения определяли зависимость сопротивления образцов от температуры в диапазоне 4.2—300 К. Экспериментальные результаты приведены на рис. 2б.
На установке ДРОН-4 исследовали рентгено-диффракционные спектры образцов ВТСП до и после облучения ионами. На исходном образце (с Tc = 92 К) хорошо видны отражения типа (001), что указывает на сильную текстуру YBCO(123). При флюенсе ионов ксенона 1010 ион^м2 центральный пик еще виден, Tc = 86 К — сверхпроводимость не подавлена. При больших флюенсах все пики исчезают, что говорит о полной аморфи-зации материала, при этом сверхпроводящие свойства отсутствуют вплоть до гелиевых температур.
На образце ленты после облучения ее ионами аргона при всех флюенсах сохраняются цен-
Sinel, кэВ/нм Sel, вакансий/(А • ион)
X, мкм
Рис. 1. Зависимости удельных ионизационных Sinei(X) и упругих Sei(X) потерь энергии от глубины X
для ионов 132Хе27+ с энергией 167 МэВ и ионов 40Ar8+ с энергией 48 МэВ в мишени (тип II).
тральный и боковые пики, но их интенсивности падают, линии уширяются, что свидетельствует об уменьшении областей когерентного рассеяния и существовании микродеформаций. Это означает, что кристаллическая фаза 123 сохраняется, при этом сохраняется и
Таблица 1. Параметры образцов лент производства компании "SuperPower Inc." (США) марки SCS 4050 до и после электронного облучения (Ф = 9.3 • 1017 см_ 2, Ee = 23 МэВ, T < 100°C)
Ic, А (77К) Tc, К
№ п.п. до облучения после облучения до облучения после облучения
1 113 ± 1 113 ± 1 92 ± 0.5 92 ± 0.5
2 106 ± 1 107 ± 1 92 ± 0.5 92 ± 0.5
610
АКСЕНОВ и др.
р, мкОм ■ см
60
(a)
40
20 -
300
р, мкОм ■ см 80
60
40
20
300 T, K
Рис. 2. Зависимость эффективного удельного сопротивления от температуры композитных образцов УБСО(123) ленты типа II (марки 12100) до и после облучения ионами 132Хе27+ с энергией 167 МэВ для флюенсов (а) и ионами
40Ar8+ c энергией 48 МэВ для флюенсов (б). а: Ф = 5 ■ 1012 (1),
= 5
■ 1011 (1), 1011 (2), 2 ■ 1010 ион/см2 (3), 4 - исходный образец.
1013 (2), 1010 ион/см2 (3), 4 - исходный образец. б: Ф =
сверхпроводящая фаза, правда с пониженной критической температурой.
Таким образом, проведенные исследования показали высокую радиационную стойкость сверхпроводящей ленты при электронном облучении и позволили обнаружить изменения температуры перехода и деградацию сверхпроводящих свойств под действием облучения тяжелыми ионами 132Хе27+ и 40Ar8+.
Авторы выражают благодарность академику В.В. Осико за плодотворное обсуждение результатов работы и В.А. Скуратову за проведение облучений образцов на ускорителе ИЦ-100.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. www.superpower-inc.com Официальный сайт компании "SuperPower Inc.".
2. Ивановский А.Л. // УФН. 2009. Т. 178. № 12. С. 1273-1305.
3. Рамбиди Н.Г., Березкин А.В. Физические основы нанотехнологий. М.: Физматлит, 2008. 454 с.
4. Moschalkov V.V., Didyk A.Yu., Guntherodt Gt. et al. // Phys. Rev. B. 1995. V. 50. P. 642-646.
5. Moschalkov V.V., Didyk A.Yu., Bruynseraede Y. et al. // The Vortex State. Amsterdam: Kluwer Acad. Publ., 1994. P. 293-302.
6. Didyk A.Yu., Varichenko V.S. // Nucl. Tracks and Radiat. Meas. 1995. V. 25. № 1/4. P. 119-124.
7. Trappniers L., Vanacken J., Goncharov I.N., Didyk A.Yu. // Physica C. 1999. V. 313. № 1/2. P. 1-10.
8. Белов А.Г., Дидык А.Ю., Антонова Л.Х. и др. Материалы научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника". Сочи, 2009.
9. Дидык А.Ю., Козлов О.С., Хофман А. // Физика и химия обработки материалов. 2008. № 1. C. 5-8.
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.