RU206446U1 - DEVICE FOR MANUFACTURING HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR IN THE FORM OF METAL TAPES WITH TEXTURED FILMS RBa2Cu3O7 - Google Patents

DEVICE FOR MANUFACTURING HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR IN THE FORM OF METAL TAPES WITH TEXTURED FILMS RBa2Cu3O7 Download PDF

Info

Publication number
RU206446U1
RU206446U1 RU2020140944U RU2020140944U RU206446U1 RU 206446 U1 RU206446 U1 RU 206446U1 RU 2020140944 U RU2020140944 U RU 2020140944U RU 2020140944 U RU2020140944 U RU 2020140944U RU 206446 U1 RU206446 U1 RU 206446U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
crystallization furnace
crystallization
possibility
oxygen
temperature
Prior art date
Application number
RU2020140944U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Иванович Панцырный
Дмитрий Николаевич Раков
Ильдар Мансурович Абдюханов
Original Assignee
Акционерное Общество "Наука И Инновации"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Наука И Инновации" filed Critical Акционерное Общество "Наука И Инновации"
Priority to RU2020140944U priority Critical patent/RU206446U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU206446U1 publication Critical patent/RU206446U1/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C30B29/22—Complex oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
    • H01B12/06—Films or wires on bases or cores

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к области высокотемпературной сверхпроводимости, изготовлению высокотемпературных сверхпроводников, более конкретно - к устройству для изготовления высокотемпературного сверхпроводника в виде металлических лент с текстурированными пленками RBa2Cu3O7(R-123) путем направленной кристаллизации тонких аморфных пленок R-Ba-Cu-O, где R - редкоземельный элемент. Устройство содержит цилиндрическую печь кристаллизации 5, внутри которой расположены термопара 8, датчик давления газа и соосный цилиндрический нагреватель 1 с возможностью подведения к нему через штуцер электропитания. Печь кристаллизации 1 также снабжена штуцером вакуумной откачки 4, двумя штуцерами подачи и слива охлаждающей воды, и штуцером подачи технологических газов. Штуцер вакуумной откачки 4 выполнен с возможностью соединения с форвакуумным и турбомолекулярным насосами. Штуцеры подачи и слива охлаждающей воды выполнены с возможностью охлаждения стенок печи кристаллизации 5. Штуцер подачи технологических газов выполнен с возможностью соединения с клапаном-дозатором 2 для открытия и закрытия баллонов с технологическими газами с учетом показаний датчика давления газа. В качестве технологических газов можно использовать азотно-кислородные или кислородные смеси с различным содержанием кислорода в каждом из трех баллонов. Техническим результатом полезной модели является повышение производительности процесса изготовления сверхпроводников. 2 пр., 8 ил.The utility model relates to the field of high-temperature superconductivity, the manufacture of high-temperature superconductors, more specifically, to a device for the manufacture of a high-temperature superconductor in the form of metal ribbons with textured RBa2Cu3O7 (R-123) films by directional crystallization of thin amorphous R-Ba-Cu-O films, where R - a rare earth element. The device contains a cylindrical crystallization furnace 5, inside which there are a thermocouple 8, a gas pressure sensor and a coaxial cylindrical heater 1 with the possibility of supplying it through the power supply connection. The crystallization furnace 1 is also equipped with a vacuum pump 4, two cooling water supply and drain connections, and a process gas supply connection. The vacuum pumping nozzle 4 is made with the ability to connect with the foreline and turbomolecular pumps. The cooling water supply and drain connections are made with the possibility of cooling the walls of the crystallization furnace 5. The process gas supply connection is adapted to be connected to the metering valve 2 for opening and closing the process gas cylinders, taking into account the readings of the gas pressure sensor. Nitrogen-oxygen or oxygen mixtures with different oxygen content in each of the three cylinders can be used as process gases. The technical result of the utility model is to increase the productivity of the superconductor manufacturing process. 2 ex., 8 ill.

Description

Полезная модель относится к области высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), изготовлению высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП-проводников), более конкретно - к устройству для изготовления высокотемпературного сверхпроводника в виде металлических лент с текстурированными пленками RBа2Сu3О7 (R-123) путем направленной кристаллизации тонких аморфных пленок R-Ba-Cu-O, где R - редкоземельный элемент.The utility model relates to the field of high-temperature superconductivity (HTSC), the manufacture of high-temperature superconductors (HTSC-conductors), more specifically, to a device for the manufacture of a high-temperature superconductor in the form of metal ribbons with textured films RBa 2 Cu 3 O 7 (R-123) by directional crystallization thin amorphous films R-Ba-Cu-O, where R is a rare earth element.

Из уровня техники известен способ изготовления высокотемпературной сверхпроводящей ленты и лента (патент РФ № 2696182, МПК H01L 39/24, С23С 14/06, С23С 30/00, С23С14/28, опубликован 31.07.2019). Согласно известному изобретению осуществляют осаждение буферных слоев на подложку. Слои оксида магния и гомоэпитаксиального оксида магния осаждают путем электронно-лучевого испарения. Слой оксида магния осаждают при одновременном облучении зоны осаждения потоком ионов аргона, слой гомоэпитаксиального оксида магния осаждают при нагреве подложки до температуры 400-800°С. Нанесение слоя высокотемпературного сверхпроводника на буферные слои проводят путем импульсного лазерного осаждения при нагреве подложки до 500-900°С и последующего отжига при температуре 300-500°С в атмосфере кислорода. При этом в качестве высокотемпературного сверхпроводника наносят слой GdBa2Cu3O7-x.A method of manufacturing a high-temperature superconducting tape and a tape is known from the prior art (RF patent No. 2696182, IPC H01L 39/24, C23C 14/06, C23C 30/00, C23C14 / 28, published on July 31, 2019). According to the known invention, the buffer layers are deposited onto the substrate. Layers of magnesium oxide and homoepitaxial magnesium oxide are deposited by electron beam evaporation. A layer of magnesium oxide is deposited with simultaneous irradiation of the deposition zone with a flow of argon ions, a layer of homoepitaxial magnesium oxide is deposited when the substrate is heated to a temperature of 400-800 ° C. The deposition of a layer of a high-temperature superconductor on the buffer layers is carried out by pulsed laser deposition by heating the substrate to 500-900 ° C and subsequent annealing at a temperature of 300-500 ° C in an oxygen atmosphere. In this case, a layer of GdBa 2 Cu 3 O 7-x is applied as a high-temperature superconductor.

Недостатком известного изобретения является недостаточная производительность процесса изготовления сверхпроводников из-за применения технологии лазерного осаждения.The disadvantage of the known invention is the insufficient productivity of the process of manufacturing superconductors due to the use of laser deposition technology.

Из уровня техники известен способ изготовления тонкопленочного сверхпроводника (патент Японии JPH0483714, МПК C01G 1/00, С01G 3/00, С30В 29/22, H01L 39/24, опубликован 17.03.1992). Сверхпроводник в виде монокристалла изготавливается путем формирования тонкой оксидной пленки заданного состава в аморфном состоянии на подложке и проведения специальной термообработки - мгновенная термообработка, сопровождающаяся быстрым нагревом и быстрым охлаждением, затем ступенчатая термообработка для ступенчатого изменения температуры нагрева. В качестве тонкой оксидной пленки в аморфном состоянии на подложке может быть, например, тонкая пленка Y-Ca-Ba-Cu-O.A method for manufacturing a thin-film superconductor is known from the prior art (Japanese patent JPH0483714, IPC C01G 1/00, C01G 3/00, C30B 29/22, H01L 39/24, published 03.17.1992). A superconductor in the form of a single crystal is manufactured by forming a thin oxide film of a given composition in an amorphous state on a substrate and carrying out a special heat treatment - instant heat treatment, accompanied by rapid heating and rapid cooling, then stepwise heat treatment to stepwise change the heating temperature. The thin oxide film in the amorphous state on the substrate may be, for example, a Y-Ca-Ba-Cu-O thin film.

Недостатком известного устройства является то, что синтез соединения R-123 происходит во время быстрого охлаждения закалке, что приводит к низкому качеству формируемой пленки из-за термических напряжений и появлению трещин, и, кроме того, такая технология труднореализуема при масштабировании.The disadvantage of the known device is that the synthesis of the R-123 compound occurs during rapid cooling by quenching, which leads to a low quality of the formed film due to thermal stresses and the appearance of cracks, and, in addition, this technology is difficult to implement when scaling.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является патент США US9634223 (МПК Н01В 12/06, Н01В 13/00, Н05К 1/09, опубликован 14.01.2016), описывающий сверхпроводник, сверхпроводниковый провод и способ формирования сверхпроводника. Суперпроводник формируют способом, включающим первую стадию образования жидкофазного оксида редкоземельного элемента-меди-бария путем термообработки прекурсора сверхпроводника, включающего редкоземельный элемент-барий-медь, вторую стадию формирования первого сверхпроводника из оксида редкоземельного элемента-меди-бария, который эпитаксиально выращивают из жидкофазного оксида редкоземельного элемента-меди-бария, и третью стадию формирования второго сверхпроводника из редкоземельного оксида-меди-бария путем термообработки первого сверхпроводника. При этом термообработку на третьей стадии проводят в атмосфере, в которой оксид редкоземельного элемента-меди-бария не имеет жидкой фазы. В частности, оксид редкоземельного элемента представляет собой Rе2О3, первый сверхпроводник имеет фазу Re1+xBa2-xCu3O7-δ, второй сверхпроводник имеет фазу Re1+yBa2-yCu3O7-δ и х>у, при этом Re содержит иттрий (Y) или по крайней мере один из элементов лантаноидов, включая лантан (La), неодим (Nd), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd), тербий (Tb), диспрозий (Dy), гольмий (Но), эрбий (Еr), тулий (Тm), иттербий (Yb) и лютеций (Lu).The closest analogue adopted for the prototype is US patent US9634223 (IPC Н01В 12/06, Н01В 13/00, Н05К 1/09, published 01.14.2016), which describes a superconductor, a superconducting wire and a method for forming a superconductor. The superconductor is formed by a method including the first stage of the formation of a liquid-phase oxide of a rare-earth element-copper-barium by heat treatment of a superconductor precursor containing a rare-earth element-barium-copper, the second stage of formation of the first superconductor from a rare-earth oxide-copper-barium oxide, which is grown from a liquid epitaxial oxide element-copper-barium, and the third stage of forming the second superconductor from rare earth oxide-copper-barium by heat treatment of the first superconductor. In this case, the heat treatment at the third stage is carried out in an atmosphere in which the oxide of the rare-earth element-copper-barium does not have a liquid phase. In particular, the oxide of the rare earth element is Re 2 O 3 , the first superconductor has a phase Re 1 + x Ba 2 - x Cu 3 O 7-δ , the second superconductor has a phase Re 1 + y Ba 2 - y Cu 3 O 7-δ and x> y, while Re contains yttrium (Y) or at least one of the lanthanide elements, including lanthanum (La), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium ( Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb) and lutetium (Lu).

Недостатком известного устройства является громоздкость и сложность устройства для реализации способа и то, что для проведения каждого эксперимента The disadvantage of the known device is the cumbersomeness and complexity of the device for implementing the method and the fact that for each experiment

требуется использование большое количество (десятки метров) дорогостоящей текстурированной подложки.requires the use of a large amount (tens of meters) of an expensive textured substrate.

Техническим результатом полезной модели является повышение производительности процесса изготовления сверхпроводников.The technical result of the utility model is to increase the productivity of the superconductor manufacturing process.

Сущность заявленной полезной модели заключается в том, что устройство для изготовления высокотемпературного сверхпроводника в виде металлических лент с текстурированными пленками RВа2Сu3О7, где R - редкоземельный элемент, содержит печь кристаллизации, выполненную цилиндрической с возможностью вакуумирования, внутри которой расположены термопара, датчик давления газа и соосный цилиндрический нагреватель с возможностью подведения к нему через штуцер электропитания, при этом печь кристаллизации снабжена штуцером вакуумной откачки, выполненным с возможностью соединения с форвакуумным и турбомолекулярным насосами, двумя штуцерами подачи и слива охлаждающей воды для охлаждения стенок печи кристаллизации, и штуцером подачи технологических газов, выполненным с возможностью соединения с клапаном-дозатором для открытия и закрытия баллонов с технологическими газами с учетом показаний датчика давления газа.The essence of the claimed utility model lies in the fact that a device for manufacturing a high-temperature superconductor in the form of metal strips with textured films RВа 2 Сu 3 О 7 , where R is a rare-earth element, contains a crystallization furnace made cylindrical with the possibility of evacuation, inside which there are a thermocouple, a sensor gas pressure and a coaxial cylindrical heater with the possibility of supplying it through the power supply connection, while the crystallization furnace is equipped with a vacuum pumping connection made with the possibility of connecting to the foreline and turbomolecular pumps, two cooling water supply and drain connections for cooling the walls of the crystallization furnace, and a supply connection process gases, made with the possibility of connection with a metering valve for opening and closing cylinders with process gases, taking into account the readings of the gas pressure sensor.

Полезная модель иллюстрируется следующими графическими материалами.The utility model is illustrated by the following graphic materials.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства, где 1 - цилиндрический нагреватель, 2 - клапан-дозатор, 3 - система вакуумной откачки, 4 - штуцер вакуумной откачки, 5 - печь кристаллизации, 6 - крышка печи кристаллизации.FIG. 1 shows a general view of the device, where 1 is a cylindrical heater, 2 is a metering valve, 3 is a vacuum pumping system, 4 is a vacuum pumping connection, 5 is a crystallization furnace, 6 is a crystallization furnace lid.

На фиг. 2 представлен общий вид печи кристаллизации, где 7 - штуцер электропитания, 8 - термопара, 9 - штуцер подачи технологических газов, 10 - штуцеры подачи и слива охлаждающей воды.FIG. 2 shows a general view of the crystallization furnace, where 7 - power supply connection, 8 - thermocouple, 9 - process gas supply connection, 10 - cooling water supply and drain connections.

На фиг. 3 представлен блок кристаллизации, вид сверху.FIG. 3 shows the crystallization block, top view.

На фиг. 4 представлен блок кристаллизации, вид спереди.FIG. 4 shows the crystallization unit, front view.

На фиг. 5 представлен блок кристаллизации, вид сбоку.FIG. 5 shows the crystallization unit, side view.

На фиг. 6 представлено продольное сечение блока кристаллизации, показывающее вакуумную камеру печи кристаллизации.FIG. 6 is a longitudinal section through the crystallization block showing the vacuum chamber of the crystallization furnace.

На фиг. 7 представлена вакуумная камера печи кристаллизации в изометрической проекции.FIG. 7 is an isometric view of the vacuum chamber of the crystallization furnace.

На фиг. 8 представлен блок кристаллизации в компоновке с перчаточным боксом.FIG. 8 shows a crystallization unit with a glove box.

Устройство согласно настоящей полезной модели направлено на изготовление ВТСП-проводников - металлических лент с текстурированными пленками RBa2Cu3O7 - методом напыления аморфных покрытий R-Ba-Cu-О на текстурированные подложки с последующей их направленной кристаллизацией. Цель направленной кристаллизации заключается в синтезе вместо аморфной пленки R-Ba-Cu-O сверхпроводящего соединения RBa2Cu3O7 (R-123), причем синтез должен проходить направленно, то есть кристаллическая решетка R-123 должна приобрести текстуру, аналогичную текстуре подложки. Сами сверхпроводники представляют собой тонкие (толщиной ~ 0,1 мм) металлические ленты, на которые последовательно нанесено несколько буферных слоев простых оксидов (например, YSZ, CeO2) и слой R-Ba-Cu-O. Обозначение «R-123» выражает, что молярное соотношение R:Ba:Cu составляет 1:2:3.The device according to this utility model is aimed at manufacturing HTSC conductors - metal strips with textured films RBa 2 Cu 3 O 7 - by spraying amorphous R-Ba-Cu-O coatings onto textured substrates with their subsequent directional crystallization. The purpose of directional crystallization is to synthesize a superconducting compound RBa 2 Cu 3 O 7 (R-123) instead of an amorphous R-Ba-Cu-O film, and the synthesis should proceed in a directional manner, that is, the crystal lattice of R-123 should acquire a texture similar to that of the substrate ... The superconductors themselves are thin (~ 0.1 mm thick) metal strips, on which several buffer layers of simple oxides (for example, YSZ, CeO 2 ) and an R-Ba-Cu-O layer are successively deposited. The designation "R-123" indicates that the molar ratio of R: Ba: Cu is 1: 2: 3.

Устройство является частью комбинированной экспериментальной установки, предназначенной для построения фазовой диаграммы в системе R-Ba-Cu-O, а также для получения экспериментальных ВТСП образцов.The device is part of a combined experimental setup designed to plot a phase diagram in the R-Ba-Cu-O system, as well as to obtain experimental HTSC samples.

Конструктивно устройство содержит печь кристаллизации 5, цилиндрический нагреватель 1 и системы нагрева, охлаждения, подачи технологических газов, вакуумной откачки.Structurally, the device comprises a crystallization furnace 5, a cylindrical heater 1 and systems for heating, cooling, supplying process gases, and vacuum pumping.

Печь кристаллизации 5 выполнена цилиндрической, с возможностью вакуумирования. В печи кристаллизации 5 возможно проведение термообработок заготовок ВТСП-проводников, как в условиях вакуума, так и в различных кислородсодержащих газовых смесях, при низком парциальном давлении кислорода - 10-6 - 10 Торр.The crystallization furnace 5 is cylindrical, with the possibility of evacuation. In the crystallization furnace 5 it is possible to carry out heat treatment of HTSC conductor blanks, both under vacuum conditions and in various oxygen-containing gas mixtures, at a low oxygen partial pressure of 10 -6 - 10 Torr.

Внутри печи кристаллизации 5, в центре, соосно ей, расположен цилиндрический нагреватель 1, позволяющий нагревать образец до рабочей температуры 700-900°С.Inside the crystallization furnace 5, in the center, coaxially, there is a cylindrical heater 1, which allows the sample to be heated to an operating temperature of 700-900 ° C.

Система вакуумной откачки 3 содержит штуцер вакуумной откачки 4, присоединенный к печи кристаллизации 5, а также предусматривает наличие форвакуумного и турбомолекулярного насосов, присоединенных к штуцеру вакуумной откачки 4.The vacuum pumping system 3 contains a vacuum pumping nozzle 4 connected to the crystallization furnace 5, and also provides for the presence of a foreline and turbomolecular pumps connected to the vacuum pumping nozzle 4.

Система нагрева включает термопару 8, расположенную в печи кристаллизации 5, и электропитание цилиндрического нагревателя 1, подведенное через штуцер электропитания 7. Термопара 8 выполнена с возможностью контролирования температуры цилиндрического нагревателя 1.The heating system includes a thermocouple 8, located in the crystallization furnace 5, and the power supply of the cylindrical heater 1 supplied through the power supply connection 7. The thermocouple 8 is configured to control the temperature of the cylindrical heater 1.

Система охлаждения выполнена с возможностью охлаждения стенок печи кристаллизации 5 и включает два штуцера 10 подачи и слива охлаждающей воды, присоединенных к печи кристаллизации 5.The cooling system is configured to cool the walls of the crystallization furnace 5 and includes two nozzles 10 for supplying and discharging cooling water connected to the crystallization furnace 5.

Система подачи технологических газов включает датчик давления газа, расположенный в печи кристаллизации 5, клапан-дозатор 2, присоединенный через штуцер подачи технологических газов 9 к печи кристаллизации 5, и три баллона с технологическими газами, присоединенные к клапану-дозатору 2.The process gas supply system includes a gas pressure sensor located in the crystallization furnace 5, a metering valve 2 connected through the process gas supply connection 9 to the crystallization furnace 5, and three cylinders with process gases connected to a metering valve 2.

Система подачи технологических газов допускает применение в качестве технологических газов смесей инертных газов с кислородом. При этом упомянутые три баллона могут содержать смеси с различным содержанием кислорода в каждом из трех баллонов. К примеру, баллоны могут содержать азотно-кислородные, кислородно-аргоновые, кислородные или другие смеси с различным содержанием кислорода в каждом из трех баллонов. В частности, в качестве азотно-кислородных смесей могут быть использованы смеси в следующих соотношениях: в первом баллоне содержание кислорода 1 об.%, азота - остальное, во втором баллоне содержание кислорода 10 об.%, азота - остальное, в третьем баллоне содержание кислорода 20 об.% и более, азота - остальное, или кислорода 100 об.%.The process gas supply system allows the use of mixtures of inert gases with oxygen as process gases. In this case, the three balloons mentioned may contain mixtures with different oxygen content in each of the three balloons. For example, cylinders can contain nitrogen-oxygen, oxygen-argon, oxygen or other mixtures with different oxygen content in each of the three cylinders. In particular, mixtures in the following ratios can be used as nitrogen-oxygen mixtures: in the first cylinder the oxygen content is 1 vol.%, Nitrogen is the rest, in the second cylinder the oxygen content is 10 vol.%, Nitrogen is the rest, in the third cylinder the oxygen content is 20 vol.% Or more, nitrogen - the rest, or oxygen 100 vol.%.

Клапан-дозатор 2 выполнен с возможностью открытия и закрытия с учетом показаний датчика давления газа. А именно, клапан-дозатор 2 по заранее заданной программе позволяет автоматически переключать подачу газов от трех разных баллонов в течение заданных промежутков времени и отключать ее после достижения заданного давления. Программа задается с помощью компьютера, управляющего открытием и закрытием клапана, с учетом показаний датчика давления газа в печи кристаллизации 5.The metering valve 2 is made with the possibility of opening and closing taking into account the readings of the gas pressure sensor. Namely, the metering valve 2, according to a predetermined program, makes it possible to automatically switch the supply of gases from three different cylinders during predetermined periods of time and turn it off after reaching a predetermined pressure. The program is set using a computer that controls the opening and closing of the valve, taking into account the readings of the gas pressure sensor in the crystallization furnace 5.

Процесс кристаллизации и формирования фазы R-123 основан на том, что фазовые равновесия в системе R-Ba-Cu-O зависят не только от температуры, но и от парциального давления кислорода (PO2) [J.W. Lee, J.Н. Lee, S.Н. Moon, S.I. Yoo // Superconductivity and Cryogenics Vol. 14, No. 4, (2012), рр. 28~31]. В интервале 700-900°C, при значениях PO2~10-5-10-6 Торр сохраняется аморфное состояние пленки R-Ba-Cu-O, полученное после напыления соответствующих компонентов. При повышении PO2 до 10-2-10-3 Торр происходит плавление этой аморфной пленки. При дальнейшем повышении PO2 до ~10-2-10-1 Торр вначале происходит кристаллизация пленки с образованием различных фаз, в том числе и фазы R-123, но затем постепенно происходят другие фазовые превращения, которые приводят к разложению только что образовавшейся фазы R-123. При увеличении значений выше PO2 1 Торр система приобретает устойчивость, все уже образовавшиеся фазы сохраняются в течение неопределенно длительного времени. Конкретные значения PO2, при которых происходят указанные фазовые превращения, зависят от температуры термообработки. При температуре ниже 700°С фазовых превращений не происходит, а при температуре выше 900°С фаза R-123 не образуется, поэтому термообработку целесообразно вести только в диапазоне 700-900°С.The process of crystallization and formation of the R-123 phase is based on the fact that phase equilibria in the R-Ba-Cu-O system depend not only on temperature, but also on the partial pressure of oxygen (P O2 ) [JW Lee, J.H. Lee, S. H. Moon, SI Yoo // Superconductivity and Cryogenics Vol. 14, No. 4, (2012), pp. 28 ~ 31]. In the range 700-900 ° C, at values of P O2 ~ 10 -5 -10 -6 Torr, the amorphous state of the R-Ba-Cu-O film, obtained after the deposition of the corresponding components, remains. With an increase in P O2 to 10 -2 -10 -3 Torr, this amorphous film melts. With a further increase in P O2 to ~ 10 -2 -10 -1 Torr, the film first crystallizes with the formation of various phases, including the R-123 phase, but then gradually other phase transformations occur, which lead to the decomposition of the newly formed R phase. -123. With an increase in values above P O2 1 Torr, the system acquires stability, all the already formed phases persist for an indefinitely long time. The specific P O2 values at which these phase transformations occur depend on the heat treatment temperature. At temperatures below 700 ° C, phase transformations do not occur, and at temperatures above 900 ° C, the R-123 phase is not formed, therefore, it is advisable to conduct heat treatment only in the range of 700-900 ° C.

Технологический процесс в данной полезной модели происходит следующим образом:The technological process in this utility model is as follows:

1. Образец с аморфным покрытием помещается в печь кристаллизации 5 и закрепляется на цилиндрическом нагревателе 1. Загрузка образца происходит в инертной атмосфере. Печь кристаллизации 5 закрывается крышкой 6 и откачивается системой вакуумной откачки 3 до остаточного давления не более 10-6 Торр.1. A sample with an amorphous coating is placed in a crystallization furnace 5 and fixed on a cylindrical heater 1. The sample is loaded in an inert atmosphere. The crystallization furnace 5 is closed with a lid 6 and is pumped out by a vacuum pumping system 3 to a residual pressure of no more than 10 -6 Torr.

2. Через клапан-дозатор 2 подается первая газовая смесь - смесь азота и кислорода с содержание кислорода 1 об.%. Давление устанавливается такое, чтобы с учетом нагрева до рабочей температуры значение PO2 было бы ниже 10-5 Торр.2. The first gas mixture is fed through the metering valve 2 - a mixture of nitrogen and oxygen with an oxygen content of 1 vol.%. The pressure is set such that, taking into account heating to operating temperature, the P O2 value is below 10 -5 Torr.

3. Образец нагревается до определенной рабочей температуры, лежащей в интервале 700-900°С.3. The sample is heated to a certain operating temperature in the range of 700-900 ° C.

4. С помощью клапана-дозатора 2 в печь кристаллизации 5 подается вторая азотно-кислородная газовая смесь с содержанием кислорода 10 об.% до установления в печи кристаллизации 5 значения PO2, лежащего в интервале 10-4-5⋅10-3 Торр. Время напуска газа до рабочего давления газа составляет менее 1 сек.4. With the help of metering valve 2, a second nitrogen-oxygen gas mixture with an oxygen content of 10 vol.% Is fed into the crystallization furnace 5 until the value of P O2 in the crystallization furnace 5 is established, lying in the range 10 -4 -5⋅10 -3 Torr. The gas filling time to the working gas pressure is less than 1 sec.

5. По истечении заданного времени (от 1 до 5 сек) значение PO2 опять увеличивается путем напуска в печь кристаллизации 5 третьей азотно-кислородной газовой смеси с содержанием кислорода 20 и более об.% (или чистого кислорода) с таким расчетом, чтобы значение PO2 достигло заданного значения, находящегося в интервале 1⋅10-2-2⋅10-1 Торр. Время напуска газа до рабочего давления газа составляет менее 1 с.5. After a predetermined time (from 1 to 5 sec), the value of P O2 increases again by filling the crystallization furnace 5 with a third nitrogen-oxygen gas mixture with an oxygen content of 20 vol.% Or more (or pure oxygen) so that the value P O2 has reached the target value, which is in the range of 1⋅10 -2 -2⋅10 -1 Torr. The gas filling time to the working gas pressure is less than 1 s.

6. По истечении заданного времени (от 3 до 30 сек) значение PO2 увеличивается путем дополнительного напуска в печь кристаллизации 5 третьей азотно-кислородной газовой смеси (или кислорода) с таким расчетом, чтобы значение PO2 было бы выше 1 Торр. Далее печь кристаллизации 5 охлаждается, и экспериментальный образец извлекается для проведения исследований.6. After a predetermined time (from 3 to 30 seconds), the P O2 value is increased by additionally filling the crystallization furnace 5 with a third nitrogen-oxygen gas mixture (or oxygen) so that the P O2 value would be higher than 1 Torr. Next, the crystallization furnace 5 is cooled, and the experimental sample is removed for research.

Примеры осуществления полезной модели.Examples of the implementation of the utility model.

Пример 1.Example 1.

Ленточный образец 100 × 4 × 0,1 мм, состоящий из нержавеющей стали с нанесенными на нее текстурированными слоями YSZ, СеО2 и аморфным слоем Gd-Ba-Cu-О с соотношением катионов Gd : Ва : Cu = 1,0:1,5:2,5, помещают в перчаточный бокс (см. фиг. 8), соединенный с устройством для изготовления высокотемпературного сверхпроводника. Атмосфера перчаточного бокса - осушенный азот. В боксе образец прикрепляют к пластинчатому держателю, открывают крышку 6 печи кристаллизации 5 устройства и помещают держатель с образом на цилиндрический нагреватель 1. Крышку 6 закрывают и откачивают печь кристаллизации 5 до остаточного давления 2⋅10-6 Торр. Образец нагревается до заданной температуры 800°С. На управляющем компьютере задается программа переключения клапана-дозатора 2. К клапану-дозатору 2 подсоединены 3 газовых баллона, содержащие газовые смеси азот - кислород с соотношениями N2 : О2 = 99:1,9:1 и 1:1. По достижении заданной температуры включается автоматический клапан-дозатор 2. Давление газа в печи кристаллизации 5 (и парциальное давление кислорода) меняются следующим образом:A strip sample 100 × 4 × 0.1 mm, consisting of stainless steel coated with textured layers of YSZ, СеО 2 and an amorphous layer of Gd-Ba-Cu-О with a ratio of cations Gd: Ba: Cu = 1.0: 1, 5: 2.5 is placed in a glove box (see FIG. 8) connected to a device for manufacturing a high temperature superconductor. The atmosphere of the glove box is dry nitrogen. In the box, the sample is attached to the plate holder, the lid 6 of the crystallization furnace 5 of the device is opened and the holder with the image is placed on the cylindrical heater 1. The lid 6 is closed and the crystallization furnace 5 is pumped out to a residual pressure of 2⋅10 -6 Torr. The sample is heated to a predetermined temperature of 800 ° C. On the control computer, the program for switching the metering valve 2 is set. 3 gas cylinders are connected to the metering valve 2, containing gas mixtures nitrogen - oxygen with the ratios N 2 : О 2 = 99: 1.9: 1 and 1: 1. When the set temperature is reached, the automatic metering valve 2 is switched on. The gas pressure in the crystallization furnace 5 (and the oxygen partial pressure) change as follows:

- печь кристаллизации 5 заполняется газовой смесью с соотношением N2 : О2=99:1 до давления 10-1 Торр (PO2=1⋅10-3 Торр) в течение 0,5 сек,- crystallization furnace 5 is filled with a gas mixture with a ratio of N 2 : O 2 = 99: 1 to a pressure of 10 -1 Torr (P O2 = 1⋅10 -3 Torr) for 0.5 sec,

- через 3 сек печь кристаллизации 5 заполняется газовой смесью с соотношением N2 : О2=9:1 до давления 1 Торр (PO2=1⋅10-1 Торр), заполнение происходит в течение 0,5 сек,- after 3 seconds, crystallization furnace 5 is filled with a gas mixture with a ratio of N 2 : О 2 = 9: 1 to a pressure of 1 Torr (P O2 = 1⋅10 -1 Torr), filling occurs within 0.5 seconds,

- через 15 сек печь кристаллизации 5 заполняется газовой смесью с соотношением N2 : О2=1: 1 до давления 10 Торр (PO2=5 Торр), заполнение происходит в течение 2 сек.- after 15 seconds, the crystallization furnace 5 is filled with a gas mixture with a ratio of N 2 : O 2 = 1: 1 to a pressure of 10 Torr (P O2 = 5 Torr), filling occurs within 2 seconds.

Далее образец охлаждается с помощью системы охлаждения, извлекается в перчаточный бокс и передается на измерения. По данным рентгенофазового анализа, содержание фазы Gd-123 в пленочном покрытии составляет 70% отн., по соотношению рентгеновских пиков (004) и (113) фазы Gd-123 определяется, что доля кристаллитов в ориентации {001} составляет 60%.Then the sample is cooled using a cooling system, removed into the glove box and transferred for measurements. According to the X-ray phase analysis data, the content of the Gd-123 phase in the film coating is 70% rel.

Пример 2.Example 2.

Ленточный образец 100 × 4 × 0,1 мм, состоящий из нержавеющей стали с нанесенными на нее текстурированными слоями YSZ, СеО2 и аморфным слоем Gd-Ba-Cu-О с соотношением катионов Gd : Ва : Сu=1,0:1,8:3,0, помещают в перчаточный бокс, соединенный с устройством. Атмосфера перчаточного бокса - осушенный азот. В боксе образец прикрепляют к пластинчатому держателю, открывают крышку 6 печи кристаллизации 5 и помещают держатель с образом на цилиндрический нагреватель 1. Крышку 6 закрывают и откачивают печь кристаллизации 5 до остаточного давления 2⋅10-6 Торр. Образец нагревается до заданной температуры 870°С. На управляющем компьютере задается программа переключения клапана-дозатора 2. К клапану-дозатору 2 подсоединены 3 газовых баллона, содержащие газовые смеси азот - кислород с соотношениями N2 : О2=99:1,9:1 и 1:1. По достижении заданной температуры включается автоматический клапан дозатор 2. Давление газа в камере (и парциальное давление кислорода) меняются следующим образом:A strip sample 100 × 4 × 0.1 mm, consisting of stainless steel coated with textured layers of YSZ, СеО 2 and an amorphous layer of Gd-Ba-Cu-О with a ratio of cations Gd: Ba: Cu = 1.0: 1, 8: 3.0 is placed in a glove box connected to the device. The atmosphere of the glove box is dry nitrogen. In the box, the sample is attached to the plate holder, the lid 6 of the crystallization furnace 5 is opened and the holder with the image is placed on the cylindrical heater 1. The lid 6 is closed and the crystallization furnace 5 is pumped out to a residual pressure of 2⋅10 -6 Torr. The sample is heated to a predetermined temperature of 870 ° C. On the control computer, the program for switching the metering valve 2 is set. 3 gas cylinders are connected to the metering valve 2, containing gas mixtures nitrogen - oxygen with the ratios N 2 : О 2 = 99: 1.9: 1 and 1: 1. When the set temperature is reached, the automatic dispenser valve 2 is turned on. The gas pressure in the chamber (and the oxygen partial pressure) changes as follows:

- печь кристаллизации 5 заполняется газовой смесью с соотношением N2 : О2=99:1 до давления 3 × 10-1 Торр (PO2=3⋅10-3 Торр) в течение 0,5 сек,- crystallization furnace 5 is filled with a gas mixture with a ratio of N 2 : O 2 = 99: 1 to a pressure of 3 × 10 -1 Torr (P O2 = 3⋅10 -3 Torr) for 0.5 sec,

- через 2 сек печь кристаллизации 5 заполняется газовой смесью с соотношением N2 : О2=9:1 до давления 5⋅10-1 Торр (PO2=5⋅10-2 Торр), заполнение происходит в течение 0,5 сек,- after 2 seconds the crystallization furnace 5 is filled with a gas mixture with a ratio of N 2 : О 2 = 9: 1 to a pressure of 5⋅10 -1 Torr (P O2 = 5⋅10 -2 Torr), filling occurs within 0.5 seconds,

- через 10 сек печь кристаллизации 5 заполняется газовой смесью с соотношением N2 : О2=1:1 до давления 10 Торр (PO2=5 Торр), заполнение происходит в течение 2 сек.- after 10 seconds, the crystallization furnace 5 is filled with a gas mixture with a ratio of N 2 : O 2 = 1: 1 to a pressure of 10 Torr (P O2 = 5 Torr), filling occurs within 2 seconds.

Далее образец охлаждается с помощью системы охлаждения, извлекается в перчаточный бокс и передается на измерения. По данным рентгенофазового анализа, содержание фазы Gd-123 в пленочном покрытии составляет 80% отн., по соотношению рентгеновских пиков (004) и (113) фазы Gd-123 определяется, что доля кристаллитов в ориентации {001} составляет 90%.Then the sample is cooled using a cooling system, removed into the glove box and transferred for measurements. According to X-ray phase analysis, the content of the Gd-123 phase in the film coating is 80% rel.

Таким образом, полезная модель обеспечивает возможность быстрого и эффективного проведения исследований по построению фазовой диаграммы в системе R-Ва-Си-O и отработке технологических режимов новой технологии изготовления сверхпроводников - напыление аморфного слоя R-Ba-Cu-O с последующей его направленной кристаллизацией. Новая технология отличается удешевлением производства сверхпроводников, что позволяет снизить себестоимость продукции в 2-2,5 раза и повысить производительность в 2-3 раза - 1200 нм-м/мин по сравнению с наиболее распространенной сегодня технологией лазерного напыления, с перспективой дальнейшего увеличения еще в четыре раза при переходе к промышленным напылительным установкам.Thus, the utility model provides the possibility of fast and effective research on the construction of a phase diagram in the R-Ba-Cu-O system and the development of technological modes of a new technology for manufacturing superconductors - the deposition of an amorphous R-Ba-Cu-O layer with its subsequent directional crystallization. The new technology is distinguished by the cheapening of the production of superconductors, which makes it possible to reduce the production cost by 2-2.5 times and increase the productivity by 2-3 times - 1200 nm-m / min compared to the most widespread technology of laser deposition today, with the prospect of a further increase even in four times in the transition to industrial spray installations.

Claims (6)

Устройство для изготовления высокотемпературного сверхпроводника в виде металлических лент с текстурированными пленками RBa2Cu3O7, где R - редкоземельный элемент, включающееA device for manufacturing a high-temperature superconductor in the form of metal ribbons with textured films RBa 2 Cu 3 O 7 , where R is a rare earth element, including печь кристаллизации, выполненную цилиндрической с возможностью вакуумирования, внутри которой расположены термопара, датчик давления газа и соосный цилиндрический нагреватель с возможностью подведения к нему через штуцер электропитания,a crystallization furnace made cylindrical with the possibility of evacuation, inside which there are a thermocouple, a gas pressure sensor and a coaxial cylindrical heater with the possibility of being connected to it through a power supply connection, при этом печь кристаллизации снабженаthe crystallization furnace is equipped with штуцером вакуумной откачки, выполненным с возможностью соединения с форвакуумным и турбомолекулярным насосами,a vacuum pumping nozzle made with the possibility of connection with a foreline and turbomolecular pumps, двумя штуцерами подачи и слива охлаждающей воды для охлаждения стенок печи кристаллизации,two fittings for supply and discharge of cooling water for cooling the walls of the crystallization furnace, штуцером подачи технологических газов, выполненным с возможностью соединения с клапаном-дозатором для открытия и закрытия баллонов с технологическими газами с учетом показаний датчика давления газа.a nozzle for supplying process gases, made with the possibility of connecting with a metering valve for opening and closing cylinders with process gases, taking into account the readings of the gas pressure sensor.
RU2020140944U 2020-12-11 2020-12-11 DEVICE FOR MANUFACTURING HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR IN THE FORM OF METAL TAPES WITH TEXTURED FILMS RBa2Cu3O7 RU206446U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140944U RU206446U1 (en) 2020-12-11 2020-12-11 DEVICE FOR MANUFACTURING HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR IN THE FORM OF METAL TAPES WITH TEXTURED FILMS RBa2Cu3O7

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020140944U RU206446U1 (en) 2020-12-11 2020-12-11 DEVICE FOR MANUFACTURING HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR IN THE FORM OF METAL TAPES WITH TEXTURED FILMS RBa2Cu3O7

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU206446U1 true RU206446U1 (en) 2021-09-13

Family

ID=77746182

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020140944U RU206446U1 (en) 2020-12-11 2020-12-11 DEVICE FOR MANUFACTURING HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR IN THE FORM OF METAL TAPES WITH TEXTURED FILMS RBa2Cu3O7

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU206446U1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0483714A (en) * 1990-07-25 1992-03-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Production of thin-film superconductor
US9634223B2 (en) * 2014-07-09 2017-04-25 Sunam Co., Ltd. Superconductor, superconducting wire, and method of forming the superconductor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0483714A (en) * 1990-07-25 1992-03-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Production of thin-film superconductor
US9634223B2 (en) * 2014-07-09 2017-04-25 Sunam Co., Ltd. Superconductor, superconducting wire, and method of forming the superconductor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ТИТОВА С.Г. и др., Термическая устойчивость пленок YBa2Cu3O7−δ, напыленных на текстурованные подложки Ni−W методом лазерной абляции, "Физика твердого тела", 2013, т. 55, вып. 8, стр. 1500-1503. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Norton Synthesis and properties of epitaxial electronic oxide thin-film materials
US6399154B1 (en) Laminate article
US5231074A (en) Preparation of highly textured oxide superconducting films from mod precursor solutions
US5212148A (en) Method for manufacturing oxide superconducting films by laser evaporation
JP2567460B2 (en) Superconducting thin film and its manufacturing method
CN100367525C (en) Superconductor method and reactor
US5039657A (en) Preparation of superconducting oxide films by reactive evaporation using ozone
CN1328168C (en) Collosol of yttrium barium cupper oxygen superconducting film and process for preparing high temp. superconducting film thereof
US7910155B2 (en) Method for manufacturing high temperature superconducting conductor
EP0387456A2 (en) Method for vapor-phase growth of an oxide thin film
Schieber Deposition of high temperature superconducting films by physical and chemical methods
US7625843B2 (en) Method for manufacturing a metal organic deposition precursor solution using super-conduction oxide and film superconductor
WO2007018027A1 (en) Method for producing superconducting material
US6794339B2 (en) Synthesis of YBa2CU3O7 using sub-atmospheric processing
EP0533945A1 (en) Production method for oxide superconductor film
JP3851948B2 (en) Superconductor manufacturing method
US20050014652A1 (en) Vacuum processing for fabrication of superconducting thin films fabricated by metal-organic processing
RU206446U1 (en) DEVICE FOR MANUFACTURING HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR IN THE FORM OF METAL TAPES WITH TEXTURED FILMS RBa2Cu3O7
EP0698932A2 (en) Process for preparing high crystallinity oxide thin film and film deposition apparatus for the process
US5061684A (en) Production of thin layers of a high temperature superconductor (htsc) by a plasma-activated physical vapor deposition process, and cathodes used therein
Kumar et al. Low cost synthesis of high-Tc superconducting films on metallic substrates via ultrasonic spray pyrolysis
Wördenweber Deposition technologies, growth and properties of high-Tc films
McHale et al. Preparation of high-T c oxide films via flaming solvent spray
Tomlinson et al. Optimization of thin-film YBa/sub 2/Cu/sub 3/O/sub 7/deposition by DC sputtering onto sapphire substrates
US5851955A (en) Efficient growth of HTS films with volatile elements