Введение к работе
Атуальность тены.
В течение длительного периода времени проводились активные исследования свойств сверхпроводящих материалов. Высокие критические параметры соединений со структурой А15 выдвинули эти материалы в число реальных претендентов для создания на их основе сверхпроводящих магнитных систем термоядерных реакторов (CMC ТЯР)'. Перспектива такого использования определила область исследований, связанных с радиационной стойкостью этих материалов в условиях внешнего облучения частицами высоких энергий. Эти исследования тем более важны, что критические . параметры сверхпроводников со. структурой А15 очень чувствительны к радиационным воздействиям. Вопросы радиационной стойкости натериала CMC и прогнозирования ресурса его работы в радиационных полях являются актуальными не только в научно-техническом плане, но и с экономической точки зрени.ч. Большой интерес представляют исследования дефектного состояния материалов .при различных видах облучения. Их наиболее целесообразно проводить ' на пленочных образцах, т.к. можно создавать однородные Повреждения облучением различными частицами (от легких до тяжелых) в широком диапазоне энергий. Детальные исследования влияния облучения на свойства соединений со структурой А15, а также и ВТСП, имеют большое значение не только для прогнозирования радиационной стойкости этих сверхпроводников, но и для изучения характера радиационных дефектов в твердом теле. Эта задача особенно актуальна, т.к. нет полной ясности в вопросе о поведении радиационных дефектов в этих соединениях.
Для решения поставленных задач требовалось, в первую очередь, разработать методы приготовления перспективных сверхпроводников,' с широким спектром свойств, а также методы определения их сверхпроводящих, электрофизических и структурных характеристик/Для исследования радиационной стойкости необходимо провести облучение полученных сверхпроводников. И, наконец, немаловажная проблема отжига такого уровня, который позволил бы восстановить критические характеристики сверхпроводников оптимальным образом.
Помимо этого, для изучения поведения сверхпроводников под облучением, как правило, требуются разнообразные образцы со специфическими свойствами. Например: пленки соединения станида. ниобия с различным уровнем механических напряжений, свободные пленки, покрытия из Nb.Sn на различных цилиндрических поверхностях, массивные сверхпроводники и т.д.
Для . решения этих задач сконструированы различные
напылительные узлы, спроектированы, созданы и отлажены стенды для
измерения электрофизических и сверхпроводящих характеристик,
проведены комплексные исследования' по изучение поведения
сверхпроводников при облучении и отжиге. , ; г '
Помимо традиционных сверхпроводников огромный интерес в последнее время вызывает изучение свойств высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). . Причем, хотя . с момента их открытия прошло уже 10 лет, до сих пор существуют определенные проблемы в изготовлении образцов ВТСП, в особенности это касается пленок.
При исследовании поведения объемных и пленочных образцов ВТСП в радиационных и температурных полях до сих пор остаются . вопросы, относящиеся к природе дефектов; их распределению по объему сверхпроводника и их отжигу (в том числе и в вакууме). Сложной проблемой остается вопрос поведения сверхпроводников при низких температурах в радиационных и магнитных полях. При этом не всегда ясны причины различия поведения разных сверхпроводящих соединений в радиационных и тепловых полях.
Одна из перспективных '. задач -изучение поведения сверхпроводников при последовательном радиационном и термическом воздействиях. Радиационно-термическое циклированйе подразумевает последовательный цикл: радиационное воздействие - термический; отжиг, затен, после . максимально возможного восстановления изучаемых свойств до первоначального уровня (до облучения), последующие аналогичные циклы: радиационное воздействие ' -термический отжиг. С точки '. зрения практики эта задача особенно актуальна для рабочего цикла обмоток сверхпроводящих магнитных систем термоядерных реакторов (CMC ТЯР). После того, как под влиянием облучения критические характеристики сверхпроводящих материалов деградировали до определенного уровня (до нерабочего состояния CMC) можно, провести восстанавливающий отжиг, а затем снова пользоваться' данной CMC,Можно проводить
термический отжиг, а ножно осуществлять токовое воздействие на провода CMC до восстановления их характеристик. Заметим, что не разработана проблема усталости сверхпроводящих материалов при радиационно-термическом циклировании и поведения реальных материалов при таком воздействии.
Актуальность проблемы обусловлена реальной возможностью использования перспективных сверхпроводников (Nb3Sn, V3Ga, YBa-Cu.O- , Bi-Sr-Cai-Cu-0 и т.д.) в качестве токонесущих материалов в сверхпроводящих магнитных системах термоядерных реакторов (CMC ТЯР). Радиационное воздействие на обмотку CMC будет приводить к деградации ее критических характеристик, поэтому важной проблемой является выяснение наличия предельного уровня облучения, после которого нельзя восстановить Т сверхпроводника с помощью отжига. При этом, большой актуальностью обладает проблема восстановления критических характеристик, деградировавших при облучении, материалов обмотки CMC без ее разборки. Один из путей - это предлагаемый в диссертации метод токового воздействия (токового отжига). Кроме того, в диссертации предложена методика проведения радиационно-термического циклирования композитов на основе Nb Sn, которая дает основу для многогократного повышения ресурса работы CMC в радиационных
полях, что является актуальным не только в научно-техническом плане, но и с экономической точки зрения.
Цель работы: создание экспериментальных установок, отработка методики приготовления 'Образцов и проведения экспериментов по исследованию влияния ионного облучения, пострадиационных термических и " токовых отжигов на физические свойства перспективных сверхпроводников.
Научная новизна результатов в диссертации:
на основе вакуумной установки УВН-73П-1 разработана и создана многоцелевая технологическая и исследовательская система, позволяющая проводить протяженные циклы экспериментов от приготовления сверхпроводящих пленок до изучения их поведения при термическом и токовом отжигах;
разработаны методики и.приготовлены пленки сверхпроводников со структурой А15 (в том числе и. из жидкой фазы) с разным уровнем механических напряжений и без них, а также на цилиндрических поверхностях;
- созданы методики: изучения распределения Т вдоль поверхности
сверхпроводников и их токового отжига и.радиационно-тернического
циклирования; ' '
проведены сравнительные исследования электрофизических, критических и механических свойств перспективных сверхпроводников при радиационном, термическом и токовом воздействиях;
- установлено, что по сравнению с ЫЬ-Sn, . _Т V,Ga менее
чувствительна к ионному облучению и к механическим напряжениям^ .
но более чувствительна -к воздействию . ; пострадиационного
термического отжига; .."-..
- установлено, что в диапазоне флюенсов от 1*10 до 1*10 см"
—4 ' ' - "
(по с, от 10 до 1) облучения ионами Не с энергией .1,2 МэВ
пленок Nb.Sn не наблюдается.предельный, уровень их облучения
(т.е. не найден предел восстанавливаемости), после которого нет
полного восстановления их Т при пострадиационном отжиге; ...
установлены особенности пострадиационного термического отжига дефектов в пленках ВТСП после облучения при'ЗО К и 300 К; .
дана оценка предельного количества циклов при радиационно-термическом циклировании композита Nb.Sn-'CU: 8-12 циклов, - причем чем выше доза облучения образца, тен ниже уровень восстановления Т ; для Nb.Sn-сапфир такую оценку дать пока невозможно;
установлено, что критическую температуру. облученных сверхпроводников можно .восстановить как с помощью термического, так и с помощью токового отжига; для восстановления Т требуется отжиг пленок Nb.Sn при Э00с; Bi.Sr-CaCu-Oy при 700С по 30 мин;
- установлено, что после термического отжига, облученных пленок
Nb,Sn при 900С восстанавливается полностью не только $_, нои
распределение Т по поверхности плленок станида ниобия.
Перечисленные результаты получены впервые и выносятся на зашиту.
Практическая ценность "' работы заключается в ток, что полученные экспериментальные результаты позволяют разработать . методики повышения ресурса использования CMC ТЯР в радиационных полях. К тому же полученные данные способствуют лучшему пониманию поведения . критической температуры / перспективных сверхпроводников при ионном облучении и . при. пострадиационных -термических и токовых отжигах.
Разработаны методики, - которые : позволили создавать
'; б ,.
бииеталлические и композитные структуры с разным уровнем механических напряжений для моделирования поведения сверхпроводящих проводов CMC ТЯР в радиационных полях при низких температурах.
Результаты работы могут быть использованы при проектировании сверхпроводящих магнитных систем, работающих при низких температурах и радиационном воздействии.
Данные о поведении сверхпроводников в радиационных и термических полях важны в фундаментальном и практическом плане.
Апробация работы. .,"/..
Основные результаты диссертации доложены на XXX, XXXI, XXXII
научных - конференциях МИФИ 1983-87 годах, на конференции
Металлофизика сверхпроводников Киев, 1936, на Рабочем совещании
по проблемам высокотемпературной сверхпроводимости, Свердловск -
Заречный, 7-10 ноля 1987 г, на школе-семинаре "Физика и химия
твердого тела", Благовещенск, 1988; на XXV Всесоюзном совещании
по ФИТ, Ленинград, 25-27 октября 1988; на 1 Всесоюзном совещании
"Физикохимия и технология- высокотемпературных, сверхпроводящих
материалов11, Москва, 1988; на II Всесоюзной школе по физике и
химии сложных и рыхлых кристаллических структур, г. Харьков,
октябрь 1988 г.; на XIII Международной конференции по когерентной
и нелинейной оптике, Минск, 1988, 1 Всесоюзном совещании по
высокотемпературной сверхпроводимости, Харьков 20-23.12.88, на 1
Всесоюзном семинаре "Физика электронных структур на основе.
высокотемпературной сверхпроводимости", Москва 1989, на VII
Всесоюзной конференции по радиационной физике и химии
неорганических материалов, г. Рига; октябрь 1989 г.; на I
конференции : МИФИ "Высокотемпературная сверхпроводимость",
Москва, МИФИ, 1990; на конференции "Новые процессы и
оборудование для нанесения покрытий",Севастополь, 2-25.08.90;
" Effects of'. Strong Disordering in HTSC, June 25-29, 1990,
Zarechny, USSR;! Proc. of European Conferense on Applied
Superconductivity, 4-8.10.93, Gsttingen, Germany, p. 11 - 14; 1-
st Conference Materials and Mechanisms of Superconductivity
High Temperature Superconductors-I (M2S-HTSC-I), Interlaken,
Switzerland, 1988; Conference M2S-HTSC-II Stanford, CA, USA 1989;
Conference M S-HTSC-III, Kanasawa, Japan, 1991; Conference
2 M S-HTSC-IV, Grenoble, France, 5-9 July 1994.
объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из: 183 названий, содержит 212 страниц, 65 рисунков, 1 таблицу. . -
