RU2233349C2

RU2233349C2 - Method of converting metal conductor into superconducting state

Info

Publication number: RU2233349C2
Application number: RU2002121886/02A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Марков (RU); Г.А. Марков
Original assignee: Марков Геннадий Александрович
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2004-07-27
Also published as: RU2002121886A

Abstract

FIELD: changing the physical structure of metals.

SUBSTANCE: method include plastic deformation of a conductor by winding a wire in a monospiral or by twisting the wire in to a spiral. By deforming, the dislocation density in the conductor is provided to be no less than 10¹²-10¹⁵ cm^-2. Further increase of the dislocation density in the metal conductor up to 10¹²-10¹⁵ reaches by thermal treatment.

EFFECT: enhanced efficiency.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике и касается материалов с высокой проводимостью.The invention relates to technology and relates to materials with high conductivity.

Известен ряд способов обработки металлов и сплавов с целью увеличения проводимости металлических проводников за счет сочетания деформации и термообработки.A number of methods for processing metals and alloys are known to increase the conductivity of metal conductors by combining deformation and heat treatment.

Известен способ обработки алюминиевого сплава (Заявка Японии 61-44939, МПК C 22 F 1/04, опубл. 1986 г.). Способ заключается в том, что заготовку из сплава прокатывают при 450-350°С с 10-40%-ным коэффициентом обжатия, нагревают до 580-450°С, в процессе нагрева прокатывают с 40%-ным коэффициентом обжатия, далее прокатывают при 350-100°С с коэффициентом обжатия 60% с одновременным охлаждением со скоростью 100°С/с и подвергают 70%-ной холодной вытяжке. Проводимость удается повысить на 1-10%, используя слоистую многостадийную обработку металла.A known method of processing an aluminum alloy (Japanese Application 61-44939, IPC C 22 F 1/04, publ. 1986). The method consists in the fact that the alloy billet is rolled at 450-350 ° C with a 10-40% compression ratio, heated to 580-450 ° C, during heating, rolled with a 40% compression ratio, then rolled at 350 -100 ° C with a compression ratio of 60% with simultaneous cooling at a speed of 100 ° C / s and subjected to 70% cold drawing. Conductivity can be increased by 1-10%, using layered multi-stage metal processing.

Известен способ повышения критической температуры сверхпроводимости материала (Патент РФ 2127461, МПК 6 Н 01 В 12/00, БИ 7-99). Способ заключается в деформации и отжиге материала. Предварительно производят отжиг до полного удаления пластических внутренних напряжений, указанную деформацию осуществляют сжатием выше предела текучести материала, создавая в нем однородные растягивающие внутренние напряжения, а указанный отжиг производят до полного удаления пластических напряжений.A known method of increasing the critical temperature of the superconductivity of the material (RF Patent 2127461, IPC 6 N 01 12/00, BI 7-99). The method consists in deformation and annealing of the material. Annealing is preliminarily performed until complete removal of plastic internal stresses, said deformation is carried out by compression above the yield strength of the material, creating uniform tensile internal stresses in it, and said annealing is performed until plastic stresses are completely removed.

Известен способ создания аномальной проводимости при повышенных температурах (Патент РФ 2061084, МПК 6 С 22 F 1/00, БИ 15 - 96). Способ заключается в проведении пластической деформации проводника путем скручивания двух проволок в спираль с углом наклона витков спирали к ее продольной оси 20-58° и последующим пропусканием электрического тока.A known method of creating anomalous conductivity at elevated temperatures (RF Patent 2061084, IPC 6 C 22 F 1/00, BI 15 - 96). The method consists in conducting plastic deformation of the conductor by twisting two wires into a spiral with an angle of inclination of the turns of the spiral to its longitudinal axis of 20-58 ° and then passing an electric current.

Недостатком всех указанных способов является невозможность достижения плотности дислокаций в проводнике пластической деформацией и отжигом, необходимой для перехода материала в состояние сверхпроводимости при температуре, близкой к комнатной.The disadvantage of all these methods is the inability to achieve the density of dislocations in the conductor by plastic deformation and annealing, which is necessary for the transition of the material to the state of superconductivity at a temperature close to room temperature.

Задача изобретения - достижение плотности дислокаций в металлическом проводнике, необходимой для перевода проводника в состояние сверхпроводимости и не достигаемое пластической деформацией.The objective of the invention is the achievement of the density of dislocations in a metal conductor, necessary for the transfer of the conductor to a state of superconductivity and not achieved by plastic deformation.

Поставленная задача решается тем, что пластической деформацией доводят плотность дислокаций в проводнике до 1·10⁸-1·10¹² см^-2 и дальнейшую деформацию проводят термической обработкой до достижения плотности дислокаций 1·10¹²-1·10¹⁵см^-2.The problem is solved in that the plastic dislocation brings the dislocation density in the conductor to 1 · 10 ⁸ -1 · 10 ¹² cm ^-2 and further deformation is carried out by heat treatment to achieve a dislocation density of 1 · 10 ¹² -1 · 10 ¹⁵ cm ^-2 .

Поставленная задача решается тем, что термическую обработку проводят при температуре, не достигающей температуры плавления металла любыми известными методами.The problem is solved in that the heat treatment is carried out at a temperature not reaching the melting temperature of the metal by any known methods.

Поставленная задача решается тем, что пластическую деформацию проводника проводят путем навивки проволоки в моноспираль или путем скручивания двух проволок в спираль.The problem is solved in that the plastic deformation of the conductor is carried out by winding the wire into a monospiral or by twisting two wires into a spiral.

Отличие предлагаемого способа заключается в том, что термической обработкой достигают плотности дислокаций до 1·10¹⁵ см^-2, что на порядок превышает плотность дислокаций, достигаемой пластической деформацией.The difference of the proposed method lies in the fact that the heat treatment reaches a dislocation density of up to 1 · 10 ¹⁵ cm ^-2 , which is an order of magnitude higher than the density of dislocations achieved by plastic deformation.

Для перевода металлического проводника в состояние сверхпроводимости в проводнике сначала необходимо создать плотность дислокаций не ниже 1·10⁸ см^-2. Такой плотности дислокаций можно достичь различными методами деформаций: изгибом, прокатом, обжатием и растяжением. Кроме условия образования высокой плотности дислокаций необходимо их регулярное распределение по длине проводника, что трудно обеспечить перечисленными методами деформации металла. Однако можно достичь плотности дислокаций и их регулярного распределения по длине проводника путем навивки проволоки в моноспираль или путем скручивания двух проволок в спираль. В этом случае внутренний диаметр каждой моноспирали стремится к нулю, а внешний диаметр моноспирали стремится к двум диаметрам проволоки, в результате чего достигается максимальная плотность упаковки, т.е. чем больше угол направления кручения проводника к продольной оси, тем выше плотность дислокаций.To transfer a metal conductor to a state of superconductivity in a conductor, it is first necessary to create a dislocation density of at least 1 · 10 ⁸ cm ^-2 . Such a dislocation density can be achieved by various deformation methods: bending, rolling, compression and stretching. In addition to the conditions for the formation of a high density of dislocations, their regular distribution along the length of the conductor is necessary, which is difficult to provide with the above methods of metal deformation. However, it is possible to achieve a density of dislocations and their regular distribution along the length of the conductor by winding the wire into a monospiral or by twisting two wires into a spiral. In this case, the inner diameter of each monospiral tends to zero, and the outer diameter of the monospiral tends to two wire diameters, as a result of which the maximum packing density is achieved, i.e. the larger the angle of the direction of torsion of the conductor to the longitudinal axis, the higher the density of dislocations.

Плотность дислокаций, полученную пластической деформацией, рассчитывали по формуле n=к/b(r+h)Cosβ, где n - плотность дислокаций, b - вектор Бгоргерса, r - средний радиус моноспирали, h - диаметр проводника, β - угол между линией средней окружности моноспирали и плоскостью скольжения дислокаций, к - отношение диаметра проводника к внутреннему диаметру моноспирали. Проверку плотности дислокаций проводили на электронном микроскопе, затем определяли температуру перехода проводника в состояние сверхпроводимости. Определение критической температуры перехода в СП и условий для этого перехода проводили по формулеThe dislocation density obtained by plastic deformation was calculated by the formula n = к / b (r + h) Cosβ, where n is the dislocation density, b is the Bgorges vector, r is the average radius of the monospiral, h is the diameter of the conductor, β is the angle between the middle line monospiral circles and the slip plane of dislocations, k is the ratio of the diameter of the conductor to the inner diameter of the monospiral. The density of dislocations was checked using an electron microscope, and then the temperature of the transition of the conductor to the state of superconductivity was determined. The critical temperature of the transition to the joint venture and the conditions for this transition were determined by the formula

где t_кр - критическая температура перехода в СП; t_пл - температура плавления проводника; n_кр - критическая плотность дислокации для перехода в СП; n - плотность дислокаций в проводнике; j_кр - критическая плотность тока для перехода в СП; j_c - скорость роста плотности тока в проводнике.where t _cr - the critical temperature of the transition to the joint venture; t _PL - the melting temperature of the conductor; n _cr - critical dislocation density for the transition to the SP; n is the dislocation density in the conductor; j _cr - critical current density for the transition to the SP; j _c is the growth rate of the current density in the conductor.

Данная формула вместе с приведенной выше позволяет рассчитать все параметры, необходимые для перевода проводника в состояние сверхпроводимости. Например, необходима температура перехода 1250°С. По формуле (1) рассчитываем необходимую плотность дислокаций для вольфрамовой проволоки и определяем, что она должна составлять 5,7·10¹⁰ см^-2. По приведенной формуле рассчитываем диаметр цилиндрической моноспирали для проволоки двух диаметров 0,0025 и 0,0050 см и определяем, что диаметр моноспирали должен составлять соответственно 0,0081 и 0,0130 см.This formula, together with the above, allows you to calculate all the parameters necessary to transfer the conductor to the state of superconductivity. For example, a transition temperature of 1250 ° C is required. By the formula (1), we calculate the necessary dislocation density for a tungsten wire and determine that it should be 5.7 · 10 ¹⁰ cm ^-2 . Using the above formula, we calculate the diameter of the cylindrical monospiral for a wire of two diameters 0.0025 and 0.0050 cm and determine that the diameter of the monospiral should be 0.0081 and 0.0130 cm, respectively.

Пластической деформацией можно достичь плотности дислокаций не выше 1·10¹⁴ см^-2. При этой плотности дислокаций температура перехода проводника в состояние сверхпроводимости достаточно высока. На фиг.1 в трехмерном пространстве изображена зависимость температуры перехода в состояние сверхпроводимости от плотности дислокаций и скорости нарастания плотности тока. При плотности дислокаций 1·10⁸ см^-2 и скорости нарастания плотности тока 2·10⁵ А·см^-2·с^-1 температура перехода в состояние сверхпроводимости для вольфрама составляет 3410°С. Величина плотности дислокаций 5·10¹⁵ см^-2 - экспериментально полученный результат, достигаемый при термической обработке металлического проводника. При этой плотности дислокаций переход проводника в состояние сверхпроводимости происходит при комнатной температуре. Величина плотности дислокаций 1·10¹⁵ см^-2теоретически невозможна, однако, благодаря термической обработке в отдельных экспериментах при скорости нарастания плотности тока 1·10⁴ А·см^-2·с^-1 нам удалось констатировать переход в состояние сверхпроводимости при 10-20°С. Стабильно полученные результаты соответствуют параметрам на трехмерной диаграмме (фиг.1) и составляютBy plastic deformation, a dislocation density of not higher than 1 · 10 ¹⁴ cm ^-2 can be achieved. At this dislocation density, the transition temperature of the conductor to the state of superconductivity is quite high. Figure 1 in three-dimensional space shows the dependence of the temperature of the transition to the state of superconductivity on the dislocation density and the slew rate of the current density. At a dislocation density of 1 · 10 ⁸ cm ^-2 and a current density rise rate of 2 · 10 ⁵ A · cm ^-2 · s ^{-1, the} temperature of transition to the state of superconductivity for tungsten is 3410 ° С. The value of the dislocation density of 5 · 10 ¹⁵ cm ^-2 is the experimentally obtained result achieved by heat treatment of a metal conductor. At this dislocation density, the transition of the conductor to the state of superconductivity occurs at room temperature. The magnitude of the dislocation density of 1 · 10 ¹⁵ cm ^{-2 is} theoretically impossible, however, due to heat treatment in individual experiments at a current density rise rate of 1 · 10 ⁴ A · cm ^-2 · s ^-1, we were able to ascertain the transition to the state of superconductivity at 10-20 ° C. Stably obtained results correspond to the parameters in the three-dimensional diagram (figure 1) and make up

Таким образом, было установлено, что при приближении плотности дислокаций к 1·10 см^-2 и предельной скорости нарастания плотности тока, можно обеспечить переход в сверхпроводимость при -50°С. Повышение плотности дислокации от 1·10⁸до 1·10¹⁵ см^-2 удалось получить путем термической обработки проводника, деформированного предварительно механическим способом. Образцы специально деформируются путем скручивания в моноспираль с внутренним радиусом изгиба, стремящегося к нулю. При этом происходит геометрическое перераспределение атомов на внутренней (малая кривизна) и наружной (большая кривизна) поверхностях, при этом образуются стенки из дислокаций. При отжиге металлического проводника, скрученного в моноспираль с большим радиусом кривизны проводника, со скоростью нарастания плотности тока более 100 А/см²·с происходит перемещение электронов между стенками из дислокаций, как волны де Бройля по волноводам. Подобное происходит, например, в СВЧ-технике с электромагнитными волнами. При нагреве свыше 3000°С, деформированного скручиванием проводника, в нем образуются монокристаллические блоки, расположенные вдоль проводника, длиной от 0,5 до 2 диаметров проволоки с высокой плотностью дислокаций, что можно наблюдать в микроскопе. Проволока при этом становится не круглой и представляет собой упаковку из блоков, расположенных вдоль проволоки. Эти блоки имеют различную форму в зависимости от степени кривизны и вследствие высокой плотности дислокаций. Если спираль нагревать пропусканием электрического тока в инертной среде и достичь температуры нагрева 2500°С, то спираль переходит в состояние сверхпроводимости, при этом температура спирали снижается до комнатной температуры и спираль находится в состоянии СП до тех пор, пока по ней протекает электрический ток. Для сокращения времени достижения перехода проводника в состояние СП при комнатной температуре необходимо использовать внешний источник нагрева до 3000°С. На тысячах образцов экспериментально была проверена стабильность перехода проводника в состояние СП в зависимости от температуры нагрева, плотности тока и плотности дислокаций. Для отработки методов термического отжига для увеличения плотности дислокаций за счет процесса полигонизации и для контроля за плотностью дислокаций проводили измерение температуры перехода в СП по вольтамперной характеристике, при этом для каждого конкретного образца температура перехода сохраняется при многократном (до 10000 циклов) выводе проводника в состояние СП и обратно с точностью 0,01%. Было установлено, что использование электрического нагрева спирали нерационально, так как требуется много времени для понижения температуры перевода проводника в СП до комнатной. Так, если взять моноспираль с параметрами, соответствующими температуре перехода 3000°С, то для понижения температуры перехода до 1000-2000°С требуется много тысяч часов и процесс становится нерациональным. Предлагается использовать другие методы нагрева спирали, что отражено в п.2 формулы изобретения. Для того чтобы получить высокую степень плотности дислокаций при термической обработке, необходимо достигать температуры, близкой к температуре плавления для сокращения времени проведения процесса.Thus, it was found that when the dislocation density approaches 1 · 10 cm ⁻² and the limiting rate of rise of the current density, it is possible to ensure transition to superconductivity at -50 ° С. An increase in the dislocation density from 1 · 10 ⁸ to 1 · 10 ¹⁵ cm ^-2 was obtained by heat treatment of a conductor that was previously deformed by a mechanical method. Samples are specially deformed by twisting into a monospiral with an internal bending radius tending to zero. In this case, a geometric redistribution of atoms occurs on the internal (small curvature) and external (large curvature) surfaces, with the formation of walls from dislocations. Upon annealing of a metal conductor twisted into a monospiral with a large radius of curvature of the conductor, with a current density increasing more than 100 A / cm ² · s, electrons move between the walls from the dislocations, like de Broglie waves along waveguides. This happens, for example, in microwave technology with electromagnetic waves. When heated above 3000 ° C, deformed by twisting of the conductor, monocrystalline blocks are formed in it, located along the conductor, with a length of 0.5 to 2 wire diameters with a high dislocation density, which can be observed under a microscope. The wire does not become round and is a package of blocks located along the wire. These blocks have different shapes depending on the degree of curvature and due to the high density of dislocations. If the spiral is heated by passing an electric current in an inert medium and a heating temperature of 2500 ° C is reached, then the spiral goes into a state of superconductivity, while the temperature of the spiral decreases to room temperature and the spiral is in the state of SP until an electric current flows through it. To reduce the time required to reach the transition of the conductor to the state of the superconducting state at room temperature, it is necessary to use an external heating source up to 3000 ° C. On thousands of samples, the stability of the transition of the conductor to the state of the SP was experimentally verified, depending on the heating temperature, current density, and dislocation density. To develop thermal annealing methods to increase the density of dislocations due to the polygonization process and to control the density of dislocations, we measured the transition temperature in the joint venture using the current-voltage characteristic, while for each specific sample, the transition temperature is preserved upon multiple (up to 10,000 cycles) transfer of the conductor to the joint state and back with an accuracy of 0.01%. It was found that the use of electric heating of the spiral is irrational, since it takes a lot of time to lower the temperature of the transfer of the conductor into the joint venture to room temperature. So, if we take a monospiral with parameters corresponding to a transition temperature of 3000 ° C, then it takes many thousands of hours to lower the transition temperature to 1000-2000 ° C and the process becomes irrational. It is proposed to use other methods of heating the spiral, which is reflected in paragraph 2 of the claims. In order to obtain a high degree of dislocation density during heat treatment, it is necessary to reach a temperature close to the melting temperature to reduce the time of the process.

Методы термической обработки могут быть различными: нагрев электрическим током, ионным током, электронным током, электронной пушкой, плазменными разрядами, плазмотроном, лазерным лучом и т.д., лишь бы нагрев обеспечивал решение главной задачи - достижение плотности дислокаций, необходимой для перевода проводника в состояние сверхпроводимости.The methods of heat treatment can be different: heating by electric current, ion current, electron current, electron gun, plasma discharges, plasmatron, laser beam, etc., if only heating would provide a solution to the main problem - achieving the dislocation density necessary to transfer the conductor into superconductivity state.

Практическая применимость изобретения доказывается следующими примерами.The practical applicability of the invention is proved by the following examples.

Пример 1. Из вольфрамовой проволоки диаметром 0,005 см изготовлен вольфрамовый проводник путем навивки в моноспираль. Проводник помещают в камеру с инертным газом и подключают к токоподводам. Вольтамперную характеристику записывают на двухкоординатном самописце. На проводник подают ток, возрастающий во времени, но при этом он находится в режиме стабилизации, т.е. любая задаваемая величина тока остается неизменной независимо от изменения сопротивления нагрузки в любой момент времени. Изменение тока во времени задают регулятором стабилизации тока. Ведут нарастание плотности тока до остановки роста напряжения в проводнике. Остановка роста напряжения является началом перехода в состояние сверхпроводимости, и дальнейшее незначительное увеличение плотности тока приводит к снижению напряжения до нуля, поэтому в момент остановки роста напряжения прекращают повышение тока и снижают напряжение на 5% по отношению к зафиксированному в момент перехода проводника в состояние сверхпроводимости.Example 1. A tungsten conductor is made from a tungsten wire with a diameter of 0.005 cm by winding into a monospiral. The conductor is placed in an inert gas chamber and connected to current leads. The current-voltage characteristic is recorded on a two-coordinate recorder. A current increasing in time is applied to the conductor, but at the same time it is in stabilization mode, i.e. any set current value remains unchanged regardless of a change in load resistance at any time. The change in current over time is set by the current stabilization regulator. The current density increases until the voltage in the conductor stops growing. The stop of the voltage growth is the beginning of the transition to the state of superconductivity, and a further slight increase in the current density leads to a decrease in voltage to zero, therefore, at the moment of stopping the voltage growth, the current increase is stopped and the voltage is reduced by 5% relative to that recorded at the time the conductor enters the state of superconductivity.

Операцию повторяют многократно, при этом каждый раз снижают напряжение на 5% путем уменьшения плотности тока. График на фиг.2 поясняет процесс дискретной динамики температуры термической обработки и длительности обработки с целью снижения температуры перехода проводника в сверхпроводимость.The operation is repeated many times, while each time reduce the voltage by 5% by reducing the current density. The graph in figure 2 illustrates the process of discrete dynamics of the temperature of the heat treatment and the duration of the treatment in order to reduce the temperature of the transition of the conductor to superconductivity.

Пример 2. Изучалась зависимость перехода во времени в состояние сверхпроводимости от рабочего напряжения нагрева спирали. На фиг.3 изображен график зависимости, по оси абсцисс отложено изменение напряжения в % от расчетного, по оси ординат - продолжительность термообработки в час.Example 2. The dependence of the transition in time to the state of superconductivity on the operating voltage of heating the spiral was studied. Figure 3 shows a graph of the dependence, the abscissa axis shows the voltage change in% of the calculated, the ordinate axis - the duration of the heat treatment per hour.

Таким образом, с помощью термообработки удается увеличить плотность дислокаций до 1·10¹⁵, что приводит к снижению температуры перехода в состояние сверхпроводимости.Thus, using heat treatment, it is possible to increase the density of dislocations to 1 · 10 ¹⁵ , which leads to a decrease in the temperature of the transition to the state of superconductivity.

Claims

1. A method of transferring a metal conductor to a state of superconductivity, including plastic deformation of the conductor by winding the wire into a monospiral or by twisting two wires into a spiral, characterized in that the dislocation density in the conductor is adjusted to 1 · 10 ⁸ -1 · 10 ¹² cm ^-2 and a further increase in the density of dislocations in the conductor is carried out by heat treatment until it reaches 1 · 10 ¹² -1 · 10 ¹⁵ cm ^-2 .

2. The method according to claim 1, characterized in that the heat treatment is carried out at a temperature below the melting temperature of the metal by any known method.