[論文レビュー] Achievement of FCC specification in critical current density for Nb3Sn superconductors with artificial pinning centers

Xingchen Xu, Xuan Peng+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2019

Superconducting Materials and Applications参考文献 18被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、三元系多フィラメントNb3Sn超伝導体における人工ピンニングセンター（APC）が、21 Tで将来の円形衝突型加速器（FCC）の仕様を満たす非銅臨界電流密度（Jc,non-Cu）を達成し、必要基準を29%上回ることを示している。APCはビレオントのピンニングを強化し、4.2 Kにおける上臨界磁場（Bc2 ≈ 28 T）を高い水準に維持するが、最適でないSn/Nb比のため残留Nb含有率が高く、さらなる最適化の余地があることが示唆されている。

ABSTRACT

In this letter we demonstrate achievement of record non-Cu critical current density (Jc,non-Cu) in ternary, multifilamentary Nb3Sn conductors by the introduction of artificial pinning centers (APC). In the past two years, we have made great progress in the development of APC Nb3Sn wires. Recent resistivity vs magnetic field measurements confirmed the high upper critical field (Bc2) of ternary APC wires, which at 4.2 K was ~28 T, about 1-2 T higher than present state-of-the-art conductors. In addition to high Bc2, it was found that APC wires have noticeably higher Sn content in the Nb3Sn layers as compared to standard wires. The Jc,non-Cu values of the most-recent APC wires have met the Jc,non-Cu-B specification required by the Future Circular Collider (FCC), with the best heat treatment leading to a Jc,nonCu 29% higher than the FCC specification at 21 T. Microscopy analysis shows that the APC wires still have overly high residual Nb fractions due to too low of a Sn/Nb ratio, indicating that there is still great potential for further Jc,non-Cu improvement. The development of APC wires is ongoing; this letter details some of the steps forward in the optimization and lays out a roadmap to push the APC wires towards practical, magnet-grade conductors.

研究の動機と目的

• 将来の円形衝突型加速器（FCC）に向けた、極めて厳しいJc,non-Cu要件を満たすNb3Sn超伝導体の開発を目的とする。
• 人工ピンニングセンター（APC）を用いてNb3Sn線材内のビレオントピンニングを強化し、臨界電流密度を向上させることを目的とする。
• Sn/Nb比と熱処理プロセスを最適化し、非超伝導相の低減とJc,non-Cuの最大化を図ることを目的とする。
• 実用的で磁石用に適した導体性能に至るための、APC改質Nb3Sn線材の発展ロードマップを確立することを目的とする。

提案手法

• 三元系多フィラメントNb3Sn線材に人工ピンニングセンター（APC）を組み込み、ビレオントピンニング効率の向上を図った。
• 4.2 KにおけるAPC線材の上臨界磁場（Bc2）を確認するため、抵抗率対磁場測定を実施した。
• 顕微鏡観察を用いた微細構造分析により、Nb3Sn層内のスズ含有量と残留Nb分率を評価した。
• Jc,non-Cuを最大化するとともに非超伝導相の低減を図るため、熱処理プロセスを最適化した。
• FCC仕様の21 TにおけるJc,non-Cu値を基準に、性能ベンチマークを評価した。
• 低Sn/Nb比に起因する残留Nbの高さといった制限要因を特定するため、体系的なアプローチを採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nb3Sn線材に人工ピンニングセンター（APC）を適用することで、21 TにおけるJc,non-CuがFCCの仕様を満たすか、あるいはそれを上回る値を達成できるか？
• RQ2 4.2 KにおけるAPC改質Nb3Sn線材の上臨界磁場（Bc2）はどの程度であり、最新の高出力導体と比較してどうか？
• RQ3 APC線材のNb3Sn層内のスズ含有量は、標準線材と比較してどの程度か？また、性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 残留Nb分率がAPC線材のJc,non-Cuに及ぼす制限はどの程度か？また、Sn/Nb比の調整によってこれを緩和できるか？
• RQ5 現在の微細構造分析に基づいて、APC線材のJc,non-Cuさらなる向上の可能性はどの程度か？

主な発見

• 最新の熱処理を施したAPC線材は、21 TにおけるJc,non-CuがFCCの仕様を29%上回った。
• APC線材の上臨界磁場（Bc2）は4.2 Kで約28 Tに達し、現在の最先端Nb3Sn導体と比較して1–2 T高い。
• APC線材は、標準線材と比較して、Nb3Sn層内のスズ含有量が顕著に高く、超伝導性能の向上に寄与している。
• 顕微鏡観察により、Sn/Nb比が最適でないことが原因で、残留Nb分率が依然として高いことが判明し、今後のJc,non-Cu向上の主な制限要因であることが示された。
• APC技術が、実用的で磁石用に適した応用に向けたNb3Sn導体の発展を実現可能であると確認された。
• Sn/Nb比の制御と熱処理の最適化に焦点を当てた、今後のAPC線材の最適化の明確なロードマップが確立された。