[논문 리뷰] Achievement of FCC specification in critical current density for Nb3Sn superconductors with artificial pinning centers

Xingchen Xu, Xuan Peng외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 19.

Superconducting Materials and Applications참고 문헌 18인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 삼성자 다중섬유성 Nb3Sn 초전도체에서 인공 편재 중심(APCs)이 21 T에서 향후 원형 충돌기(FCC) 사양을 초월하는 비-Cu 임계 전류 밀도(Jc,non-Cu)를 실현함을 보여주며, 요구 사항을 29% 초과하는 성과를 달성하였다. APCs는 비틀림 편재를 향상시켜 고상 임계 자기장(Bc2 ≈ 4.2 K에서 28 T)을 제공하지만, 최적화되지 않은 Sn/Nb 비율로 인해 잔류 Nb 함량이 높아 향후 최적화 잠재력이 남아 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 향후 원형 충돌기(FCC)에 필요한 엄격한 Jc,non-Cu 요구 조건을 충족하는 Nb3Sn 초전도체를 개발하기 위해.
• 인공 편재 중심(APCs)을 사용하여 Nb3Sn 와이어의 비틀림 편재를 향상시켜 임계 전류 밀도를 증가시키기 위해.
• Sn/Nb 비율과 열처리 공정을 최적화하여 잔류 Nb를 최소화하고 Jc,non-Cu를 극대화하기 위해.
• 실용적인 마그넷 급 초전도체 성능으로 향상시키기 위한 APC 수정 Nb3Sn 와이어의 로드맵 수립을 위해.

제안 방법

• 비틀림 편재 효율을 향상시키기 위해 삼성자 다중섬유성 Nb3Sn 와이어에 인공 편재 중심(APCs)을 통합하였다.
• 4.2 K에서 APC 와이어의 상한 임계 자기장(Bc2)을 확인하기 위해 전기저항도 대 자기장 측정을 수행하였다.
• 현미경 분석을 통해 Nb3Sn 층 내 Sn 농도와 잔류 Nb 함량을 평가하였다.
• 비초전도 상의 형성을 최소화하면서 Jc,non-Cu를 극대화하기 위해 열처리 공정을 최적화하였다.
• 21 T에서 FCC 사양과의 비교를 통해 성능 기준을 평가하기 위해 Jc,non-Cu 값을 분석하였다.
• 낮은 Sn/Nb 비율로 인한 높은 잔류 Nb 등 한계 요인을 규명하기 위해 체계적인 접근 방식을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nb3Sn 와이어의 인공 편재 중심(APCs)이 21 T에서 FCC 사양을 충족하거나 초월하는 Jc,non-Cu 값을 달성할 수 있는가?
• RQ2 4.2 K에서 APC 수정 Nb3Sn 와이어의 상한 임계 자기장(Bc2)은 얼마이며, 현재 최첨단 도체와 비교해 어떤가?
• RQ3 APC 와이어의 Nb3Sn 층 내 Sn 농도는 표준 와이어와 비교해 어떻게 다른가? 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 잔류 Nb 함량이 APC 와이어의 Jc,non-Cu에 얼마나 큰 제약을 미치며, Sn/Nb 비율 조절로 이를 완화할 수 있는가?
• RQ5 현재 미세구조 분석 기반으로 APC 와이어의 Jc,non-Cu 향상 잠재력은 어느 정도인가?

주요 결과

• 최근에 열처리된 APC 와이어는 21 T에서 FCC 사양 대비 29% 높은 Jc,non-Cu 값을 기록하였다.
• APC 와이어의 상한 임계 자기장(Bc2)은 4.2 K에서 약 28 T에 도달하였으며, 현재 최첨단 Nb3Sn 도체보다 1–2 T 높았다.
• APC 와이어는 표준 와이어에 비해 Nb3Sn 층 내에서 훨씬 높은 Sn 농도를 나타내어 초전도 성능 향상에 기여하였다.
• 현미경 분석 결과, 낮은 Sn/Nb 비율로 인해 잔류 Nb 함량이 높게 유지되고 있어 향후 Jc,non-Cu 향상의 주요 제약 요소로 확인되었다.
• 결과적으로 APC 기술이 실용적인 마그넷 급 응용을 향한 Nb3Sn 도체 발전 가능성을 확인하였다.
• Sn/Nb 비율 제어 및 열처리 공정 정밀화에 초점을 맞춘 APC 와이어의 향후 최적화를 위한 명확한 로드맵이 수립되었다.