DE4200794C2

DE4200794C2 - Verwendung von Gammastrahlen zur Erhöhung der Strombelastbarkeit und der oberen kritischen Magnetfeldstärke (H¶c¶¶2¶) von hochtemperatur-supraleitenden Kupferoxid-Perowskiten

Info

Publication number: DE4200794C2
Application number: DE4200794A
Authority: DE
Inventors: Carol Z Rosen
Original assignee: GEC Marconi Electronic Systems Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1991-01-30
Filing date: 1992-01-15
Publication date: 1995-02-23
Anticipated expiration: 2012-01-16
Also published as: DE4200794A1; GB2252314A; GB9118846D0; JPH04265221A; GB2252314B; FR2672159B1; FR2672159A1; US5093310A; US5196397A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hochtemperatur- Supraleiter, und insbesondere auf die Steigerung der oberen kritischen Feldstärke sowie auf die Strombelastbarkeit solcher Werkstoffe.

Hochtemperatur-supraleitende Keramikwerkstoffe (HTSL) wurden in den letzten Jahren entdeckt. Ein typischer Werkstoff, wie z. B. YBa₂Cu₃O₇ (YBCO), gehört zur Kupferoxid-Perowskitgruppe, die sich mit den Alkali-Ionen und seltenen Erden leicht verbinden, um diese HTSL zu bilden. Für industrielle und militärische Anwendungen sind diese Werkstoffe vielversprechend. Um optimal nutzbar zu sein, sollte ihre Strombelastbarkeit mindestens 10⁹ A/m² betragen. Diese physikalische Eigenschaft setzt beim RTSL eine hohe kritische Stromdichte (J_c) sowie eine hohe obere kritische Magnetfeldstärke (H_c2) voraus.

Es ist bereits bekannt, daß solche erstrebenswerten Eigenschaften bei den Typ-II-Supraleitern erreicht werden können, bei denen eine Flußlinienverankerung, d. h. das örtliche Festhalten im Körper des Supraleiters des durch den fließenden Strom erzeugten Magnetflusses, zu beobachten ist. Bei einem in seiner Stärke zunehmenden Magnetfeld kann das Eindringen von bedeutenden Flußmengen in den HTSL aufgrund der Verankerungseffekte auch erst dann eintreten, wenn ein Feld, das um ein mehrfaches stärker ist als das untere kritische Feld (H_c1), angelegt wurde. Wenn das Eindringen des Flusses nun einsetzt, erfolgt dies relativ langsam (bezogen auf die Stärke des Magnetfelds) und das Eindringen bleibt solange unvollständig, bis die angelegte Feldstärke den Wert H_c2 erreicht.

Gegenwärtig wird in Versuchen nach Möglichkeiten der Steigerung der Flußlinienverankerung im HTSL geforscht. Ein erstes Verfahren, bei dem die Schockverdichtung Anwendung findet, ist in "Superconducting and Microstructural Properties of Shock- Impacted High-TC Oxide Powders" - C. L. Seaman, M. B. Maple, U. California, San Diego; W. J. Nellis, J. B. Holt, M. Kamegai - Lawrence Livermore Laboratory, vorgetragen anläßlich des 1989 Topical Conference on Shock Compression of Condensed Matter, Albuquerque, Neu Mexiko, 14.-17. August, 1989, beschrieben worden. (Veröffentlicht in Shock Compression of Condensed Matter 1989, Elsevier Science Publishers B.V., 1990, Seite 571-574).

Bei einem zweiten Verfahren handelt es sich um eine chemisch herbeigeführte Veränderung der Korngrenzschichtbreite. Es wurde unter dem Titel "Grain Boundaries and Critical Current in Type II Superconducters" von A. DasGupta, U. S. Department of Energy, Chicago Operations Office, 9800 South Cass Avenue, Argonne, Illinois 60439, vorgetragen anläßlich des Second International Ceramic Science and Technology Congress sowie des American Ceramic Society′s Electronics Division Meeting, Orlando, Florida, 12.-15. November, 1990. Jedoch hat keiner dieser Versuche zu vollkommen befriedigenden Ergebnissen geführt.

Mit dem U. S. Patent Nr. 3 149 232 von Jaffe et al wird ein Verfahren offenbart, nach dem piezoelektrische Keramik werkstoffe zwecks Verbesserung einiger ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften mit Gammastrahlen bestrahlt werden. Es wird jedoch von Jaffe et al nicht angesprochen, daß die Gammastrahlung auch angewendet werden könnte, um die obere kritische Magnetfeldstärke und die Strombelastbarkeit von supraleitenden Werkstoffen, insbesondere von hochtemperatur supraleitenden Keramikwerkstoffen zu erhöhen.

Es ist bekannt, daß man YBa₂Cu₃O_7-x einer Gammastrahlung von bis zu 8·10⁶Gy ohne Qualitätsverlust aussetzen kann (Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 28, No. 8, August, 1989, pp. L 1393 - L 1394).

Das Ziel der Erfindung ist daher die Behandlung von HTSL zwecks Steigerung seiner oberen kritischen Magnetfeldstärke (H_c2) und der Strombelastbarkeit.

Erreicht wird dies durch die Verwendung von Gammastrahlen nach dem Anspruch 1.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zum besseren Verständnis der Grundgedanken der Erfindung dient die Lektüre der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den die Forschungsergebnisse darstellenden Zeichnungen, wobei:

Fig. 1 das Verhalten von H_c2 als Funktion der Temperatur vor (D₀) und nach (D₁₀) der Gammabestrahlung von YBCO graphisch darstellt;

Fig. 2 das Verhalten von [H_c2(0)-H_c2(T)]/H_c2(0) in Abhängigkeit von t² für (D₀, D₁₀, D₁₀₀) Gammabestrahlungen von YBCO graphisch darstellt, wobei t = T/T_c, T_c die supraleitende Übergangstemperatur und H_c2(0) die obere kritische Feldstärke bei 0 K ist, die durch Regressionsanalyse bei Annahme der Beziehung H_c2(T) = H_c2(0) (1-t²) bestimmt wird;

Fig. 3 das Verhalten von H_c2(0) in Abhängigkeit von log D_i graphisch darstellt;

Fig. 4 die für die D₀-, D₁₀-, D₁₀₀-Daten bei T_c = 96 K errechneten H_c2(0)-Werte angibt; und

Fig. 5 die lineare Regressionsanalyse für H_c2(0) aus dem parabolischen Gesetz für H_c2(T) darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Wirksamkeit der Erfindung läßt sich möglicherweise durch einen mikroskopischen Mechanismus erklären, und zwar in der Weise, daß die gemäß der Erfindung erfolgte Behandlung der HTSL derartige Fehlstellenbildungen und Veränderungen des Gitterbaus sowie der Korngrenzen des HTSL-Werkstoffs verursacht, daß eine gesteigerte Verankerung der Magnetflußlinien erreicht wird. Der die Magnetflußlinien erzeugende Strom ist immer dann einer Lorentz-Kraft ausgesetzt, wenn ein Strom in diesen Typ-II-HTSL fließt, F_L(vol) = J x B, wobei F_L(vol) die Lorentz-Kraft pro Volumeneinheit, J die Stromdichte des fließenden Stroms und B die Magnetflußdichte sind. Der Strom erzeugt das Magnetfeld ganz oder teilweise selbst. Gemäß den nachfolgenden Erläuterungen zur Bewegung von Flußlinien tritt eine hohe kritische Feldstärke in Verbindung mit einem hohen kritischen Strom auf. Dies wird oftmals damit beschrieben, daß auf die Flußlinien eine Kraft wirkt. Diese Kraft wirkt in eine Richtung, die sowohl zum Strom als auch zu den Flußlinien normal ist. Solange die Flußlinien nicht daran gehindert werden, sich zu bewegen, bewegen sie sich in der Richtung dieser Lorentz-Kraft.

Flußlinien lassen sich festsetzen bzw. "verankern", wenn sie mit inneren oder äußeren mikrostrukturellen Merkmalen des Supraleiters in Wechselwirkung treten. Diese Wechselwirkung übt auf die Flußlinien eine der Lorentz-Kraft entgegengesetzte verankernde Kraft pro Volumeneinheit, F_P(vol), aus. Dabei ist die maximale vom Werkstoff widerstehbare F_L(vol) gleich F_P(vol). Ist F_L(vol) größer, so bewegen sich die Linien, dann gilt

J_c x B = -F_P(vol).

Die Geschwindigkeit der Flußlinie (v) und die Flußdichte (B) erzeugen ein induziertes elektrisches Feld, E_ind = (-v x B), das wie eine ohmsche Spannung wirkt, E_ind = J_ind/σ) (wobei σ = normale elektrische Leitfähigkeit ist) und dadurch erfolgt eine Energieverteilung. Der induzierte Widerstand nähert sich dem Normalzustands-Widerstand in demselben Maß, in dem B sich µ_oH_c2 nähert, wobei µ_o die Permeabilität des leeren Raumes darstellt. Die kritische Stromdichte (J_c) ist diejenige Stromdichte, die gerade noch eine Spannung an den Leiter erzeugt, und ist folglich die Stromdichte, bei der die Flußlinien erstmals bewegt werden, wodurch die Supraleitfähigkeit zerstört wird. Wird die Bewegung der Flußlinien gehemmt (verankert), so können sowohl bei den kritischen Stromdichten als auch bei den oberen kritischen Feldstärken H_c2 hohe Werte erreicht werden.

Die Grundgedanken und das Verfahren gemäß der Erfindung sind auf praktisch alle Mitglieder der HTSL-Perowskitgruppe sowie auf andere Typ-II-Supraleiter-Werkstoffe anwendbar, bei denen die Gammabestrahlung eine wesentliche Verankerung der Flußlinien erzielen kann. Gemäß der Erfindung wird der HTSL, dessen Form und Größe sich nur nach dem Behandlungsgerät richten muß, Gammastrahlung bei geeigneter Dosierung und Dosisrate ausgesetzt. In einem ersten Verfahren wurden YBCO- Proben durch eine Kobalt-60-Quelle bei einer Dosierung von 10⁵Gy (D₁₀) und einer Dosisrate R_A gleich 3·10⁴Gy/h bestrahlt. In einem zweiten Verfahren wurden YBCO-Proben durch eine Kobalt-60-Quelle bei einer Dosierung von 10⁶Gy (D₁₀₀) und einer Dosisrate R_A gleich 3·10⁴Gy/h bestrahlt.

Durch diese Behandlung des HTSL werden Verankerungszentren von so starker Dichte gebildet, daß die magnetischen Flußlinien daran gehindert werden, sich quer zum Stromfluß zu bewegen. Folglich wird kein elektrisches Feld induziert und es entsteht keine Energieverteilung durch Joulesche Erwärmung.

Nach Beendigung der D₁₀-Bestrahlung wurde die obere kritische Feldstärke, H_c2, gemessen. Es ergab sich beim ersten Test ein Wert von 6,8 Tesla bei 75 K. Dies war das Dreifache des für die Null-Gammabestrahlung (D₀) gemessenen Werts von 2,3 Tesla. Es wird davon ausgegangen, daß der H_c2 -Wert bei einer vorgegebenen Temperatur mit der kritischen Stromdichte ansteigt.

Der Fachmann wird erkennen können, daß sich dieser Steigerungseffekt wohl durch Variation der Gammastrahlen dosierung und -Dosisrate optimieren läßt.

Fig. 1 zeigt zwei Gruppen von Messungen der oberen kritischen Feldstärke, H_c2, von YBCO vor (D₀) und nach (D₁₀) der Einwirkung von Gammastrahlung. Die bei D₀ gemessenen H_c2-Werte betrugen jeweils 8,9; 6,7 und 2,3 Tesla bei Sprungtemperaturen von 68, 70 und 75 K. Qualitativ kann man sehen, daß die Bestrahlung H_c2 erhöht, und daß H_c2 mit steigender Sprungtemperatur abnimmt. Aus der Erhöhung von H_c2 durch die Behandlung mit Gammastrahlen ergibt sich, daß die J_c-Werte ebenfalls erhöht werden.

Fig. 2 zeigt eine Grafik aus Daten, die in Fig. 4 zusammengefaßt wurden, die dem gut approximierten parabolischen Gesetz H_c2(T)=H_c2(o)[1-(T/T_c)²] überlagert werden. Für die drei Fälle (D₀, D₁₀ sowie D₁₀₀) wird H_c2(0) mittels linearer Regressionsanalyse errechnet (siehe Fig. 5). Die Daten genügen der Geraden-Gleichung von [H_c2(0)-H_c2(T)]/H_c2(0) in Abhängigkeit von (T/T_c2)², wobei T_c = 96 K. Aus dieser Parabel- Gleichung ergibt sich für H_c2(0) ein Wert, der nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate den Daten genügt. Die in Fig. 4 dargestellten Ergebnisse zeigen, daß die H_c2(0)-Werte für D₁₀₀ und D₁₀ größer sind als der H_c2(0)-Wert für D₀.

Aus der Übereinstimmung der Daten mit diesem thermodynamischen Gesetz folgern wir, daß die für D₁₀ und D₁₀₀ gezeigte 11- prozentige Steigerung darauf schließen läßt, daß H_c2(0) sich bei Bestrahlung der YBCO-Proben mit Gammastrahlen erhöht.

Anhand der in Fig. 3 gezeigten Kurven H_c2(0) in Abhängigkeit von log D_i (D_i=Dosierung) sehen wir wiederum eine Steigerung von H_c2(0) als Funktion der Gammastrahlendosierung. Zur Blickführung wurden die Punkte durch eine Linie miteinander verbunden. Es soll nicht angedeutet werden, daß die Daten zwischen den Punkten dieser Linie folgen würden. Es wird erwartet, daß Optimierungswerte innerhalb oder außerhalb des Bereichs existieren.

Die vorliegenden H_c2(0)-Ergebnisse, die auf der Anwendung des Parabel-Gesetzes sowie der (in Fig. 5 dargestellten) Regressionsanalyse basieren, lassen die Behauptung zu, daß für jeden Wert von T zwischen 0 K und T_c eine Steigerung von H_c2(T) erfolgt. Daher verursacht die Bestrahlung eine Erhöhung von H_c2(T), aus der sich eine Erhöhung von J_c ergibt.

Claims

1. Verwendung von Gammastrahlen mit einer Energiedosis von 10⁵ bis 10⁶ Gy zum Bestrahlen von hochtemperatur-supraleitendem keramischen Kupferoxid-Perowskit mit einer Dosisrate von 3·10⁴ Gy/h zwecks Erhöhung der Strombelastbarkeit sowie der oberen kritischen Magnetfeldstärke (H_c2) des Werkstoffs.

2. Verwendung nach Anspruch 1, wonach YBa₂Cu₃O₇ bestrahlt wird.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, wonach die Bestrahlung mit einer Kobalt-60-Quelle durchgeführt wird.