多芯Nb_3Sn的结构和性能

用扫描电镜和光学显微镜研究了“青铜法”制作的多芯Nb_3Sn的结构.观察了Nb_3Sn的晶粒形貌及复合线的断口形貌.测量了不同热处理制度下的Nb_3Sn层厚度、晶粒度及导体的临界电流.讨论了它们之间的关系.研究了固态扩散时产生的Kirkendall孔洞及其对导体机械性能的影响.     

青铜基体配置对多芯Nb_3Sn导体的影响

采用青铜工艺制备了具有不同青铜基体配置的两种多芯Nb_3Sn复合线,一种复合线具有均匀的青铜配置;另一种是不均匀的,并且,和国内外大多数复合线一样,在其外部有一个厚的青铜壳。研究结果表明,复合线中的青铜配置对芯丝的均匀反应、Nb_3Sn晶粒形貌以及青铜基体中的锡源变化具有明显的影响。所有这些使得两种导体的临界电流密度出现明显的差别。对于青铜基体均匀配置的导体,J_(c芯)(Nb_3Sn + Nb)比非均匀配置的导体高20—50％,     

青铜法多芯Nb_3Sn(Ti)复合线的超导性能

本文报道了青铜法55×55芯 Nb/Cu-7.4at％Sn-(0.5、0.6)at％Ti复合线的超导性能。导体临界电流密度J_c(青铜十铌)最佳值:Nb/Cu-7.4at％Sn-0.6at％Ti复合线,在4.2K、16T和20T下分别为300A/mm_2和133A/mm_2。Nb/Cu-7.4at％Sn-0.5at％Ti复合线,在4.2K和ZK、20T下分别为119A/mm_2和219A/mm_2。超导转变温度T_c为17.30～17.45K。上临界磁场B_(c2)~*在4.2K和2K下分别为26.0～26.8T和29T。     

Ti对Nb管富Sn法多芯Nb_3Sn超导转变温度T_c的影响

利用电阻法和电感法分别测量了不掺Ti和不同掺Ti量的一组Nb管富Sn法多芯Nb_3Sn样品的超导转变温度T_c,结果表明,掺Ti提高多芯Nb_3Sn T_c的主要原因是掺Ti以后改善了Nb_3Sn的冷收缩应力。     

高场磁体用多芯Nb_3Sn超导线的制作与性能

近十年来,人们对多芯Nb_3Sn超导复合导体(以下简称导体)进行了大量的研究,结果表明:在制作工艺上,采用青铜固态扩散或外部涂锡扩散方法均是可行的;在超导性能方面,这种导体材料的载流能力目前已达到J_c=1×10~4A/cm~2(4.2K,12T)的水平,可以满足受控装置、高能物理及超导电机的要求。近期,有待进一步弄清楚的主要问题是建立导体在使用中所承受的应力-应变与载流能力退化之间的关系。     

Nb_3Sn CICC导体接头电阻测试

介绍了用于测试大电流Nb3Sn管内电缆导体接头电阻的超导变压器系统。该超导变压器包括初级线圈和次级线圈,其中初级线圈采用Nb Ti超导股线绕制;次级线圈采用Nb3Sn CICC导体绕制。初级线圈和次级线圈均浸泡在液氦中冷却。利用超导变压器对Nb3Sn CICC导体超导接头的测试结果表明,所设计的超导接头电阻满足设计要求。     

计算多芯Nb_3Sn扩散层厚度的数学模型

本文对94组用青铜法制备的多芯Nb_3Sn扩散层厚度的实测数据,在TQ-16型电子计算机上进行逐步回归分析,得到了一个计算多芯Nb_3Sn扩散层厚度的最优回归模型 式中y——Nb_3Sn层厚(μm) x_1——热处理时间(hr/100) x_2——热处理温度(℃/100) x_3——青铜基体锡含量(Wt.％×100) x_4——青铜基体与铌芯的体积比 x_5——复合线中铌芯直径(mm) x_6——复合线中铌芯数目(芯数/100)该回归模型的复相关指数R=0.969,剩余均方差σ=0.263(μm),F检验值为110.模型高度显著,可用于预测与控制.文中还讨论了根据该模型寻求形成Nb_3Sn的最佳热处理制度区域问题.为材料工作者提供了选择工艺参数的依据.     

NbTi-Nb_3Sn混合超导磁体Nb_3Sn芯磁体的研制

采用掺 Ti 铌管法(NbTi)_3Sn 导体以及“不均匀电流密度绕组设计”,“先绕制后反应”和“环氧真空浸渍”等技术制造的 Nb_3Sn 磁体适合用作 NbTi-Nb_3Sn 混合超导磁体装置的 Nb_3Sn芯磁体,其高场性能优异,体积小、重量轻、容许励磁速度快,承受失超能力强,所研制的净孔为28.5mm(重2.5kg)、30.3mm(重3.0kg)和41mm(重3.95kg)的 Nb_3Sn 磁体分别成功地用于工作中心磁场 14T,12T 和11T 的NbTi-Nb_3Sn 混合超导磁体装置.     

Nb_3Sn导体磁化及磁滞损耗特性研究

针对中国聚变工程实验堆中心螺管模型线圈(CFETR CSMC)中用内锡法工艺制备的Nb_3Sn导体的磁化及损耗特性展开研究。采用国际热核聚变实验堆(ITER)标准磁化样品和测量程序,获得4.2K到14K温区下的磁化曲线;利用钉扎定律及优化模型,模拟不同磁场区间内的磁化强度,拟合获得不同温度下钉扎模型参数;对磁化特性的重要参量进行了详细分析和讨论,并探讨了不影响Jc条件下合理减少磁滞损耗的途径。     

大型Nb_3Sn CICC型超导线圈的热处理工艺

中科院强磁场科学中心已成功设计研制出800mm口径的大型Nb_3Sn CICC型超导线圈。由于Nb_3Sn CICC型外超导磁体在制作过程中必须经过高温反应热处理,其热处理的质量直接决定外超导磁体的超导性能。本文通过对Nb_3Sn的热处理工艺的研究,最终确定了热处理前布置与安装测温热电偶的工艺方法、最佳热处理工艺制度的制定和热处理中杂质气体的控制工艺,以及长时间热处理过程可能发生的各种故障的工艺处理措施等。     

Nb_3Sn超导材料的高场钉扎行为

本文利用线性回归分析法处理扩散和气相沉积Nb_3Sn带材样品以及青铜法多芯Nb_3Sn线材样品在高场(～22T)下的临界电流测试数据,得到J_c-B曲线和钉扎力随磁场变化的经验规律。该规律与Kramer模型的钉扎力公式不一致,有待提出新的理论模型加以说明。     

热处理对青铜法制作的多芯Nb_3Sn超导体的影响

本文研究了热处理对实用多芯Nb,Sn超导体的影响.在(650—750℃热处理时,Nb_3Sn层厚度Y与时间t可用Y∞t~(72)关系表示,这里0.130≤n≤0.195.多芯复合材料在热处理过程中,Cu-Sn基体中Sn量消耗显著地影响Nb_3Sn生长速率,考虑了这一因素的Nb_3Sn生长动力学修正公式能对实验结果进行解释.700℃热处理10—100小时,Nb_3Sn品粒尺寸是热处理时间的一个函数。晶粒大小随热处理时间增长而增大,并且∞t~m,m=0.205.对于锡青铜基体与铌比值分别为1.84和3.05的两种导体,在700℃热处理时,其临界电流是热处理时间的一个函数.I_c(t)中最大值取决于Nb_3Sn层增厚和晶粒度长大的综合效果.T_c随热处理时间增长和温度升高而峪有提高.这大概与Nb_3Sn层化学计量比有关.     

富Sn法制备多芯Nb_(3)Sn超导复合线的研究

采用Nb管和富Sn的铜锡合金之间的内扩散法制备了33和55芯的多芯Nb_3 Sn超导复合线.研究了Nb_3Sn反应扩散热处理(600—850℃,1—250hr)和添加元素In对Nb_3Sn反应扩散层的厚度、晶粒大小和超导性能的影响.结果表明:阶梯升温扩散热处理有利于晶粒细化,添加元素In提高了Nb_3Sn反应扩散层平均生长速率与Nb_3Sn晶粒长大速率之比值.55芯Nb_3(SnIn)复合线全电流密度J_c(4.2K,6T)约为7.3×10~4 Acm~(-2)     

添Ti或添Mg铌管富Sn法Nb3Sn导体的超导性能

采用 Nb 管富 Sn 法制备 Nb_3Sn 导体母材中添加适量合金元素 Ti 或 Mg 分别显著提高导体在≥12T 或≤12T 磁场区域的载流能力.由于 Ti 和 Mg 改善 Nb_3Sn 材料载流能力的机制不同,同时,Ti 进入 A15型(Nb,Ti)_3Sn 化合物晶格,并占据 Nb 原子的结晶学位置,而进入 Nb_3Sn 反应层的 Mg 则以 Mg-Nb-O 化合物沉淀相微粒弥散分布在 Cu-Sn-Mg 母材侧的 Nb_3Sn 晶粒中,因此,若在母材中同时添加合金元素 Ti 和 Mg 将可能明显提高导体在8—20T 整个实用磁场区域的载流能力.使用(Nb,Ti)_3Sn 导体(0.99mm~(?)×1.69mm~ω)制造的超导磁体(2a_1×2a_2×2b=31.5mm×70mm×99.5mm)在10.4T NbTi-Nb_3Sn 背景磁场下,磁体工作电流 I_a=392A(未失超)时,磁体中心场强 H_(?)=14.2T,此时,导体的工作电流密度 Ja(non cu)(14.2T,4.2K)=5.2×10~4Acm~(-2).     

Nb/Nb_3Sn复合超导材料的高压电子显微镜观察

用1000kV高压电子显微镜观察了单芯和多芯Nb/Nb_3Sn复合材料的显微组织,看到了由Nb_3Sn/Nb_3Sn晶粒重叠而成的叠栅图和Nb基体/Nb_3Sn晶粒重叠而成的叠栅图。     

Nb_3Sn/Cu复合导体分流温度的定量计算

铌三锡是高磁场下实用的一种低温超导材料,分流温度是超导磁体的关键设计参数。文中采用超导体幂指数模型,定量计算了绝热条件下柱状铌三锡复合导体的分流温度,计算结果与现有的分流温度估算公式结果相符;另外还分别讨论了幂指数模型的中的指数n以及磁场对铌三锡复合导体分流温度的影响。结果可以为无液氦直接冷却系统中超导磁体的相关低温技术研究提供一定的数据参考。     

Mg对固相扩散Nb_3Sn生长特性和超导性能作用的研究

采用“Nb管富Sn法”研究了Mg添加到Cu-Sn母体中后,Nb_3Sn在固相扩散形成过程中的生长特性、微组织结构变化与其超导性能的关系。研究结果表明:Mg能形成Mg-Nb-O化合物沉淀相粒子并弥散分布在Nb_3Sn层靠母体一例的晶粒中,细化了这部分晶粒,提高了临界电流密度;Mg的作用主要是通过改变Nb_3Sn层的微组织结构来影响其超导性能。     

Nb_3Sn超导磁体的稳定性

我们曾对国产Nb-Ti磁体的退化和在快速励磁条件下的稳定性及其失超动力学,进行了实验研究。这里将在上述工作中证明是克服Nb-Ti磁体机械退化行之有效的措施,应用于国产汽相沉积Nb_3Sn带绕制的磁体中,并把Nb_3Sn磁体与Nb-Ti磁体组装,研究Nb_3Sn磁体的横场(H_(?))、纵场(H_(?))动态稳定性和低场不稳定性。同时给出了室温拉伸对短样I_c的影响。     

用多芯Nb/Cu挤压管法Nb_3Sn超导复合线制成13T实用超导磁体

实验证实了用“MF Nb/Cu挤压管法”超导复合线制作13T实用Nb_3Sn/Nb-Ti超导磁体的可行性。净孔径为φ40mm的复合磁体,在4.2K,中心场强达到11.0T;净孔径为φ18mm的复合磁体,在4.2K,中心场强达到13.0T,此时内绕组中的Nb_3Sn 复合线的全临界电流密度J(cw)=310A/mm_2,与短样性能相一致。     

Nb_3Sn超导磁体的设计与制作

本文介绍了用BASIC程序计算螺线管超导磁体的磁场和磁场均匀度。根据磁场均匀度的不同要求,给出复合磁体系统中内磁体的几何尺寸及所需线材。实例给出的是采用多芯Nb_3Sn复合导体制作螺线管磁体的工艺及某些测量结果,对于Nb_3Sn磁体的制作具有普遍适用性。