НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

 

НАУЧНАЯ РАБОТА

1977-1986

В ходе исследований деградации критических параметров СП-соединений под действием ионизирующих излучений коллективом кафедры были получены следующие результаты.

·                Для СП-соединений со структурой А15 (в частности Nb3Sn) построена теоретическая модель воздействия радиационных дефектов на критическую температуру, основанную на представлениях о размытии пика плотности числа состояний. Предложенная модель позволила объяснить все полученные в ходе экспериментов зависимости ТС от концентрации дефектов и получить универсальную зависимость ТС как функцию числа смещений на атом облучаемого соединения. На основании разработанной модели и полученных экспериментальных результатах определен срок возможной работы СП-магнитов реактора-токамака.

·                Показано, что воздействие нейтронных потоков на сверхпроводящие свойства соединений со структурой А15 можно успешно имитировать с помощью ионного облучения тонкопленочных образцов. Это позволило в короткие сроки провести комплексные экспериментальные исследования радиационного воздействия на критические параметры при облучения во внешнем магнитном поле до 8 Тл, в токовом состоянии и при приложении к образцу механических напряжений.

·                Для проведения подобных экспериментов были разработаны методики получения тонкопленочных СП-образцов, разработана и изготовлена серия криостатов для низкотемпературного (4,2 К) ионного облучения, созданы специальные облучательные установки и разработаны уникальные методики измерений в ходе облучения, как сверхпроводящих параметров образцов, так и их структурных характеристик.

 

Кривые сверхпроводящего перехода по R(T) при различных флюенсах облучения ионами He+

1 – F=0;

2 – F=0.5×1015 см-2;

3 – F=6.0×1015 см-2;

4 – F=9.9×1015 см-2;

5 – F=1.3×1016 см-2;

6 – F=1.5×1016 см-2;

7 – F=2.1×1016 см-2.

 

 
 



 

 

 

 

 

Зависимости критического тока от числа смещений на атом  Cd для разных типов облучения и образцов. Сплошная линия - универсальная зависимость Tc(Cd)

 
 

 

 

 


На основании полученных данных, разработанных теорий и про­грамм была дана предварительная оценка Флюенса нейтронов, при ко­тором критическая температура сверхпроводника ниобий-олово долж­на деградировать в два раза:

для нейтронов с энергией 14 МэВ (окно в защите ТЯР) - 6×1018н/см2;

для нейтронов с энергетическим спектром за защитой на обмотках СМС - 1×1019н/см2.


 

1980-1996гг.

На втором этапе на основе экспериментальных и теоретических исследований была проведена оценка поведения сверхпроводящих материалов при совмещенном воздействии различных внешних факторов.

Обмотка СМС ТЯР должна работать в условиях воздействия жесткого излучения, связанного с ним дефектообразования, разупорядочения структуры, радиационного перемешивания на границах сверхпроводящий материал - матрица, объемного тепловыделения и наличия механических напряжений, срав­нимых по порядку величины с пределом упругости материалов. Эти процессы происходят в СМС при низких температурах, сильных транс­портных токах и магнитных полях. Указанный набор внешних воздей­ствий создает экстремальную ситуацию.

В нашей работе  был предпринят следующий шаг. В рамках феноменологической модели, учитывающей снятие вырождения пика плотности числа состояний (его расщепления) при воздействии одноосных напряжений. В свою очередь, пондермоторные силы, действующие на обмотки СМС и обусловленные взаимодействием транспортного тока и магнитного поля, создают эти одноосные напряжения, срав­нимые по порядку величины с пределом упругости материалов.

Это позволило построить диаграммы зависимости критической температуры Nb3Sn как флюенса внешнего облучения, так и от величины транспортного тока в обмотках СМС.

 

 

vp04

 

 

 

 

 

 

1986-2000

 

 

·                Всего через год после открытия высокотемпературных сверхпроводников, сотрудниками кафедры впервые в мире было обнаружено сильное влияние радиационных дефектов на критические характеристики ВТСП-соединений и показано, что их ТС и JC быстро уменьшаются с ростом концентрации дефектов и обращаются в нуль при некоторой критической концентрации. Проведенные затем детальные исследования воздействия электронного и ионного облучения на поликристаллические образцы и пленки ВТСП-материалов с различной концентрацией носителей позволили получить следующие результаты:

·                в ВТСП имеет место фазовый переход сверхпроводник-полупроводник;

·                теоретическая интерпретация, основанная на моделировании дефектов андерсоновским беспорядком, показала, что сверхпроводящие корреляции в d-канале нарушаются с ростом концентрации дефектов гораздо быстрее, чем в s-канале и вклад d-волны в сверхпроводящую щель, либо во много раз меньше вклада s-волны, либо вообще отсутствует.

 

 

 

 

 

Дальнейшая программа работ для соединений А15 может быть:

· Реализована на новом уровне путем непосредственного расчета плотности числа состояний в  соединениях А15 в зависимости от концентрации дефектов различного типа и величины одноосных напряжений из ab-initio расчетов квантовыми методами (в случае выбора токонесущих элементов СМС ИТЭР на основе А15).

Зонная структура и плотность числа состояний, рассчитанные квантовыми ab-initio методами

 

· Быть ориентиром в проводимых в настоящее время исследованиях ВТСП (конкретно YBaCuO). К настоящему времени коллективом кафедры были получены уникальные результаты по влиянию облучения на критические параметры ВТСП. В частности, впервые был показан фазовый переход металл-диэлектрик под действием радиационных дефектов. Очевидно, что физическая сторона вопроса о природе ВТСП несравненно богаче и сложнее. В равной степени это замечание относится и к вопросам радиационной физики материалов ВТСП (в случае последующей переориентации проекта на ВТСП токонесущие элементы СМС ИТЭР).

 

 

 

Научные исследования, проводимые на кафедре

в области сверхпроводимости

 

1. Исследования в области технической сверхпроводимости направленные на разработку и создание сверхпроводящих магнитных систем для энергетики, для термоядерных реакторов с магнитным удержанием плазмы, для ускорителей высоких энергий, систем, основанных на явлении магнитной левитации.

Цель: разработка физических принципов повышения критических характеристик ВТСП проводов первого и второго поколения методом наноструктурирования; разработка и реализация бесконтактных методик аттестации и контроля качества ленточных и массивных ВТСП материалов; измерение сверхпроводящих характеристик ленточных ВТСП проводов первого и второго поколения (критический ток, энергетические потери в переменных электромагнитных полях); разработка физических основ технологии получения высокотемпературных сверхпроводящих проводов второго поколения.

В настоящее время в России (Росатом и РАО «ЕЭС России») формируется программа работ по созданию и применению в электроэнергетике технологий и оборудования на основе сверхпроводимости на 2006-2015 гг. Данной программой предусматривается разработка и изготовление головных образцов оборудования на основе высокотемпературных сверхпроводников, а также создание производства сверхпроводящих материалов. По мнению РАО «ЕЭС России» вопрос создания производства G2 должен входить в зону ответственности Росатома. Рабочей группой, созданной РАО «ЕЭС России», сформулированы основные требования к единичным G2 проводникам:

- длина единичного куска не менее 520 м,

- ток в собственном поле при 77К не менее 80А при ширине ленты около 4 мм.

(из решения секции НТС РОСАТОМА от 16 февраля 2007).

На сегодняшний день кафедрой предложено организация и выполнение проекта:

Разработка методики получения ВТСП лент второго поколения методом лазерного осаждения и доведение технологии до производства опытных партий 

 

Исполнители: каф. 38 (рук. В.Ф. Елесин), каф. 37 (рук. А.П. Менушенков).

Также на разных этапах работы совместно с РНЦ «Курчатовский институт», ВНИИНМ, НИИЭФА. 

Решение поставленной проблемы необходимо для разработки новых сверхпроводниковых технологий создания энергосберегающих экологически безопасных систем транспортировки, распределения и потребления электроэнергии, что позволит значительно повысить надежность энергосистемы России и уменьшить себестоимости электроэнергии.

Отличительной особенностью предлагаемого нами подхода является комплексный характер решения поставленных задач, основанный на объединении усилий специалистов в фундаментальных, технологических и прикладных вопросах. Именно это позволило ведущим зарубежным компаниям совершить прорыв и быстро перейти от научных исследований и опытных разработок к реальному практическому использованию 2G-лент.

Для изготовления лент второго поколения в настоящее время в различных лабораториях мира применяют несколько основных методов, каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Однако, анализ литературы показывает, что наиболее качественные ленты  получаются при использовании метода лазерного осаждения.

Главной задачей исследований является разработка нано-технологического метода структурирования пленочных высокотемпературных сверхпроводников формируемых с помощью лазерной абляции путем введения в сверхпроводник нанодобавок тугоплавких неорганических материалов. Также будут решены задачи выяснения физических механизмов, определяющих величины критических токов в пленочных ВТСП покрытиях, будут предложены пути их повышения, выяснены взаимосвязи интегральных и локальных электрофизических, магнитных и структурных характеристик.

 В коллективе исполнителей проекта создан значительный научно-технический задел для успешного выполнения и завершения исследований:

На протяжении ряда лет в МИФИ велись работы по исследованию сверхпроводящих характеристик ВТСП лент. Основное внимание уделялось детальному экспериментальному изучению энергетических потерь на переменном транспортном токе в 1G ВТСП композитах. Были определены фундаментальные механизмы возникновения потерь на переменном токе, установлено влияние температуры и магнитного поля, найдена связь между энергетическими потерями и вольтамперными характеристиками композитов. Результаты опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных журналах.

Также была разработана и изготовлена уникальная установка для бесконтактного измерения распределения критического тока в длинных (более 10 м) 1G ВТСП композитах. Установка была протестирована и установлена для работы во ВНИИНМ.

Вверху – центральное распределение захваченной магнитной индукции ВТСП ленты.

Внизу - центральное распределение критического тока ленты.

 

 

 

В настоящее время на кафедре «Сверхпроводимости и физики наноструктур» МИФИ проводятся активные работы по разработке и реализации фундаментальных принципов бесконтактной аттестации ВТСП лент второго поколения. Разработаны, реализованы и протестированы экспериментальные стенды, позволяющие проводить быстрые бесконтактные измерения пространственного распределения критического тока как на коротких (до 20 см), так и на длинных образцах 2G ВТСП композитах.

Большой объем работ проводится по исследованию влияния нанодобавок на свойства высокотемпературных сверхпроводников с целью повышения их критических характеристик.

Зависимость нормированной плотности критического тока от объемной концентрации различных легирующих наноразмерных добавок при T = 4,2 K.

 

 

 

 

 


2. Экспериментальные и теоретические  исследования влияния радиационных воздействий на свойства низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводников. Расчет радиационного ресурса сверхпроводящих магнитных систем (СМС) ИТЭР.

Цель: Разработка детальной, физически обоснованной модели радиационного ресурса сверхпроводящей магнитной систем.

21 ноября 2006 года в Париже состоялось подписание соглашения о создании «Международной организации ИТЭР по термоядерной энергии для совместной реализации проекта ИТЭР». В нем приняли участие представители Европейского Союза, России, Китая, Индии, Южной Кореи, США и Японии.

Применительно к проекту ИТЭР необходимо отметить создание в конце 70-х годов первого в мире токамака со сверхпроводящей магнитной системой основного тороидального поля и последовавшие затем создание и пуск в конце 80-х годов самого крупного Токамака-15 на базе перспективного материала Nb3Sn. Именно в этих разработках были заложены основы создания СМС, отвечающих сложным требованиям работы в условиях воздействия переменных магнитных полей и возможного развала тока плазмы (сильноточный Nb3Sn-сверхпроводник, циркуляционное охлаждение обмотки и т.д.). Они положены в основу проекта ИТЭР, и открыли возможности для создания коммерческих термоядерных электростанций на базе токамаков.

Вопрос о радиационной стойкости сверхпроводящих материалов является важным не только с прикладной точки зрения. Изучение влияния облучения на соединения со структурой А15 в определенной степени открыло путь к пониманию природы сверхпроводимости этих соединений и позволило выделить основные механизмы, определяющие характерные особенности их свойств в нормальной фазе (электросопротивления, магнитной восприимчивости, электронной теплоемкости и т.д.). Такие исследования позволили получить информацию о природе относительно высокого значения критической температуры, причинах ее сильной зависимости от наличия дефектов в структуре, извлечь данные об электронном спектре, т. е. позволили получить информацию, представляющую фундаментальный интерес.


Были получены достоверные экспериментальные результаты по воздействию различных видов облучения на их свойства. В частности, на кафедре были впервые проведены уникальные эксперименты и получены новые данные по влиянию ионного облучения на критическую температуру, критический ток, удельное электросопротивление и др. характеристики сверхпроводников в различных условиях облучения (низкие температуры, магнитные поля, механические нагрузки).

.

Зависимости критического тока от флюенса  для облучения ионами He (E=125 кэВ) в различных условиях

 
 


Это позволило:

1. Разработать теорию радиационного воздействия на параметры сверхпроводников А15, адекватно описавшую экспериментальные результаты.

2.Предсказать эффект увеличения под действием облучения критической температуры ряда сверхпроводников, подтвержденный экспериментально.

3.Развить микроскопическую модель аномальных свойств и сверхпроводимости интерметаллидов со структурой А15.

4.Создать комплекс программ для расчета радиационных повреждений сверхпроводника ниобий-олово, ввести критерии для имитационных экспериментов и разработать схему определения радиационного ресурса интерметаллидов А15 при их использовании в качестве токонесущих элементов СМС ТЯР.

Основные физические положения этой методики:

·  изменение значения критических параметров происходит вследствие размытия тонкой структуры плотности электронных состояний под действием радиационных дефектов;

·  первоначальные (до облучения) микроскопические параметры плот­ности электронных состояний определяются из измерений свойств образцов в нормальном и сверхпроводящем состоянии;

·  критическая температура является универсальной функцией числа смещений на атом для всех видов облучений;

·  основным типом дефектов, ответственным за деградацию критической температуры при облучении соединений А15 являются дефекты замещения (антисайты), их концентрация возрастает линейно с флюенсом облучения на основном интервале деградации Тc.

На основании полученных данных, разработанных теорий и программ была дана предварительная оценка флюенса нейтронов, при котором критическая температура сверхпроводника ниобий-олово должна деградировать в два раза:

для нейтронов с энергией 14 МэВ (окно в защите ТЯР) - 6×1018н/см2;

для нейтронов с энергетическим спектром за защитой на обмотках СМС - 1×1019н/см2.

На втором этапе на основе экспериментальных и теоретических исследований была проведена оценка поведения сверхпроводящих материалов при совмещенном воздействии различных внешних факторов.

Обмотка СМС ТЯР должна работать в условиях воздействия жесткого излучения, связанного с ним дефектообразования, разупорядочения структуры, радиационного перемешивания на границах сверхпроводящий материал - матрица, объемного тепловыделения и наличия механических напряжений, сравнимых по порядку величины с пределом упругости материалов. Эти процессы происходят в СМС при низких температурах, сильных транспортных токах и магнитных полях. Указанный набор внешних воздействий создает экстремальную ситуацию.

Также на кафедре проведены исследования по подавлению сверхпроводимости монокристаллов ВТСП YBa2Cu3O7 радиационными дефектами, образованными при электронном облучении:

Tc0 – критическая температура до облучения,

Tc – критическая температура после облучения с разными дозами,

Drab – приращение удельного электросопротивления при облучении. (треугольники- эксперимент)

Пунктирная и штриховая кривые – теоретические зависимости для d-волнового сверхпроводника с различными параметрами.

Сплошная линия – теоретическая зависимость для (d+s)-волнового сверхпроводника, содержащего магнитные и немагнитные примеси. По результатам работ, выполненных на кафедре сверхпроводимости и физики наноструктур МИФИ