Leiterkonzepte für die interne Oxidation von Nb3Sn-basierten Supraleitern

Anwendungen der Hochenergiephysik wie der Future Circular Collider (FCC) am CERN erfordern eine Steigerung von etwa 30 % bis 50 % der Leistungsfähigkeit von supraleitenden Drähten nach dem neuesten Stand der Technik. Das supraleitende Material in diesen Drähten ist Nb₃Sn, ein sprödes intermetallisches Material, das sich während einer abschließenden Wärmebehandlung bildet, nachdem der Draht in seine gewünschte Form gewickelt wurde. Eine vielversprechende Methode zur Leistungssteigerung eines solchen Drahtes ist die Erzeugung künstlicher Pinningzentren in Form von oxidischen Ausscheidungen. Diese nanoskaligen, nichtleitenden Partikel verbessern das supraleitende Material auf zwei Arten: Erstens können die Teilchen selbst das Magnetfeld, das den supraleitenden Draht durchdringt, festhalten. Zweitens können die Teilchen zu einer Kornverfeinerung im gebildeten Nb₃Sn führen. Da Korngrenzen als Pinningzentren in Nb₃Sn wirken, führt die Verfeinerung der Kornstruktur ebenfalls zu mehr Pinningzentren. Die Erzeugung von Pinningzentren, entweder in Form von Ausscheidungen oder als Korngrenzen, verbessert die Stromtragfähigkeit des supraleitenden Materials. Die erforderlichen nichtleitenden Teilchen können jedoch nicht direkt in die Vorläufermaterialien eines Drahtes eingearbeitet werden, da sie zu einer übermäßigen Kaltverfestigung und schließlich zum Bruch des Stranges während der Herstellung führen würden. Stattdessen müssen bei der Wärmebehandlung neben dem Nb₃Sn Ausscheidungen erzeugt werden. Zu diesem Zweck wird ein zu oxidierendes, weniger edles Legierungselement in den Nb-Legierungsvorläufer eingearbeitet, aus dem sich schließlich Nb₃Sn bildet. Zusätzlich wird eine Sauerstoffquellenstruktur in den Leiter eingebracht. Während der Wärmebehandlung diffundiert Sauerstoff aus der Sauerstoffquellenstruktur in den Nb-Legierungsvorläufer und oxidiert das Legierungselement. Auf diese Weise wird die ansonsten auftretende Kaltverfestigung und ein mögliches Versagen des Drahtes vermieden, da die nanoskaligen Ausscheidungen erst erzeugt werden, nachdem der Draht in seine endgültige Form gebracht wurde.

Im Rahmen einer größeren Zusammenarbeit mit dem CERN arbeiten die Bruker EAS GmbH und das ITEP am KIT bei der Entwicklung, Herstellung und Analyse von Leitern zusammen, die für eine solche interne Oxidation der Nb-Legierung ausgelegt sind. Es konnte gezeigt werden, dass in dem gebildeten Nb₃Sn künstliche Pinningzentren erzeugt werden können und der Zeitpunkt der Ausscheidungsbildung die Morphologie des gebildeten Nb₃Sn stark beeinflusst. Es wurde beobachtet, dass die erzeugten Ausscheidungen tatsächlich als künstliche Pinningzentren wirken, die die Leistung des Leiters verbessern - insbesondere bei hohen Feldern. Durch die Wahl eines geeigneten Leiterdesigns war es möglich, Ausscheidungen zu erzeugen und die Nb₃Sn-Korngröße zusätzlich zu verfeinern (siehe Abbildung).

• C. Buehler, B. Sailer, M. Wanior, V. Abaecherli, M. Thoener, K. Schlenga, S. Kauffmann-Weiss, J. Hänisch, M. Heilmaier, B. Holzapfel, Challenges and Perspectives of the Phase Formation of Internally Oxidized PIT-Type Nb3Sn Conductors, IEEE Trans. Applied. Supercond. 30, 6000805 (2020), DOI: 10.1109/TASC.2020.2969906