Effects of fast neutron irradiation on critical currents and intrinsic properties of state-of-the-art Nb3Sn [Nb tief 3 Sn] wires

Abstract

Die heutige Technologie supraleitender Magnete basiert hauptsächlich auf zwei Materialien: Nb-Ti und Nb3Sn. Während ersteres sich als wesentlich widerstandsfähiger in Bezug auf Strahlenschäden erweist, ist letzteres überlegen was seine supraleitenden Parameter betrifft. Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN benutzt derzeit supraleitende Nb-Ti-Magnete für das Krümmen und Fokussieren der Teilchenstrahlen, welche in seinen ringförmigen Strahlrohren zirkulieren. Im Rahmen des LHC Upgrade-Projekts, welches auf eine Erhöhung der Luminosität des Colliders abzielt, wird die Möglichkeit untersucht, die so genannten inneren Triplets durch leistungsfähigere Nb3Sn-Magnete zu ersetzen. Die inneren Triplets sind Aufbauten aus Quadrupolmagneten, die zum Fokussieren der Strahlen in der Nähe der Wechselwirkungspunkte des LHC erforderlich sind, wo sie einem komplexen und intensiven Strahlungsfeld ausgesetzt sind. Aufgrund der Strahlenempfindlichkeit von Nb3Sn ist es essenziell zu untersuchen wie die supraleitenden Eigenschaften der in Frage kommenden Drähte von Strahlenschäden beeinflusst werden.<br />In der vorliegenden Arbeit werden die Effekte von schneller Neutronenstrahlung auf fünf moderne Nb3Sn-Drahttypen mit Hilfe von sequenzieller Bestrahlung von kurzen Drahtproben im TRIGA Mark-II-Reaktor am Atominstitut bis zu einer schnellen Neutronenfluenz von 1.4 * 10 22 m -2 untersucht. Zwei dieser Drähte wurden mit dem Restack-Rod-Prozess hergestellt und enthalten Tantal- bzw.<br />Titan-Zusätze, zwei sind Powder-in-Tube-Drähte mit Tantal-Zusätzen, und einer ist ein unlegierter (binärer) Internal-Tin-Prototyp.<br />SQUID-Magnetometrie wurde eingesetzt, um die kritische Stromdichte der Proben vor der Bestrahlung und nach jedem Bestrahlungsschritt im Temperaturbereich von 4.2 bis 15 K in angelegten Feldern von bis zu 7 T zu bestimmen. Um die Gültigkeit des Modells zu verifizieren, durch das sich die kritische Stromdichte aus Magnetometriedaten ermitteln lässt, wurden Transportstrommessungen an längeren Proben bei einer Temperatur von 4.2 K in angelegten Feldern von bis zu 15 T durchgeführt. Änderungen der kritischen Temperatur und des oberen kritischen Feldes wurden mit Hilfe von Wechselfeld-Suszeptibilitätsmessungen im Nullfeld sowie Widerstandsmessungen in angelegten Feldern von bis zu 15 T ebenfalls untersucht.<br />Innerhalb des untersuchten Fluenzbereichs wurde eine geringe lineare Abnahme der kritischen Temperatur in allen Drahttypen gefunden, wie es angesichts des Einbringens von Unordnung zu erwarten war. Der gemessene Anstieg des oberen kritischen Feldes aufgrund der Abnahme der mittleren freien Weglänge der Elektronen durch strahleninduzierte Unordnung war unerwartet klein. Ein signifikanter Anstieg von ungefähr 50% wurde in der kritischen Stromdichte bei einer Temperatur von 4.2 K und einem Magnetfeld von 6 T in allen Drahttypen gefunden.<br />Das Pinning-Kraft-Skalierungsverhalten der Drahtproben wurde basierend auf den mittels SQUID-Magnetometrie erhaltenen Daten unter Verwendung einer zu diesem Zweck entwickelten Software analysiert. Es wurde festgestellt, dass im Fall der vier Drahttypen, die Zusätze enthalten, die Skalierbarkeit innerhalb des per Magnetometrie zugänglichen 7 T-Feldbereichs nur durch die Einführung einer physikalisch nicht sinnvollen Temperaturabhängigkeit des Skalierungsfeldes (es übersteigt das obere kritische Feld bei tiefen Temperaturen) erzwungen werden kann.<br />Diese eingeschränkte Skalierbarkeit ist ein unerwartetes Ergebnis und verlangt nach weiterer Erforschung der Flussverankerung in solchen Drähten. Das wichtigste Resultat dieser Arbeit ist, dass die strahleninduzierten Änderungen des Pinning-Kraft-Skalierungsverhaltens mit einem Zwei-Komponenten-Modell beschrieben werden können, das einen Beitrag von einem zweiten Pinning-Mechanismus zu der Pinning-Funktion hinzufügt, die den unbestrahlten Zustand beschreibt. Dieser zweite Mechanismus wurde als Pinning durch Kernwechselwirkung zwischen den Flusslinien und normalleitenden punktartigen Strukturen identifiziert.<br />Es wurde ermittelt, dass die Abhängigkeit des Punkt-Pinning-Beitrags von der schnellen Neutronenfluenz eine universelle Funktion für alle untersuchten Drahttypen ist.<br />

The present day superconducting magnet technology is mostly based on two materials: Nb-Ti and Nb3Sn. While the former is by far more resilient when it comes to radiation damage, the latter is superior in terms of its superconducting parameters. The Large Hadron Collider (LHC) at CERN currently uses Nb-Ti superconducting magnets for bending and focusing the particle beams circulating in its ring-shaped beam pipes.<br />In the course of the LHC Upgrade project, which aims at increasing the luminosity of the collider, the option of replacing the so-called inner triplets by more powerful Nb3Sn magnets is being investigated. The inner triplets are assemblies of quadrupole magnets required for focusing the beams near the interaction points of the LHC, where they are exposed to a complex and intense radiation field. Due to the radiation sensitivity of Nb3Sn it is essential to examine how the superconducting properties of the candidate wires are affected by radiation damage.<br />In the present work the effects of fast neutron irradiation on five state-of-the-art Nb3Sn wire types are examined by means of sequential irradiation of short wire samples in the TRIGA Mark-II reactor at the Atominstitut up to a fast neutron fluence of 1.4 * 10 22 m -2. Two of these wire types are restack rod processed strands containing tantalum and titanium additions, respectively, two are powder-in-tube wires with tantalum additions, and one is an unalloyed (binary) prototype internal tin strand. SQUID magnetometry was used to assess the critical current density of the samples before irradiation and after each irradiation step in the temperature range from 4.2 to 15 K in applied fields of up to 7 T. To verify the validity of the evaluation model used for obtaining the critical current density from magnetometry data, transport measurements were performed on longer samples at a temperature of 4.2 K in applied fields of up to 15 T. Changes in the critical temperature and in the upper critical field were also investigated by means of AC susceptibility measurements in zero applied field, and resistivity measurements in applied fields of up to 15 T, respectively.<br />Within the examined fluence range a small linear decrease of the critical temperature was found in all wire types, as expected owing to the introduction of disorder. The increase in the upper critical field due to a decrease of the electronic mean free path caused by radiation induced disorder was found to be unexpectedly small. A significant increase of approximately 50% was found in the critical current density at a temperature of 4.2 K and a magnetic field of 6 T in all wire types.<br />The pinning force scaling behavior of the wire samples was analyzed based on the data obtained from SQUID magnetometry using a software code designed for that purpose. It was found that in the four wire types containing additives, a physically unsound temperature dependence of the scaling field (it exceeds the upper critical field at low temperatures) must be introduced to enforce scaling within the 7 T field range accessible by magnetometry. This limited scalability is an unexpected outcome, and calls for further research on flux pinning in such wires.<br />The most important result of this work is that the irradiation induced changes in the pinning force scaling behavior can be described by a two-component model which adds a contribution of a second pinning mechanism to the pinning function describing the unirradiated state.<br />This second mechanism was identified as pinning by core interaction between the vortices and normal conducting point-like structures. The dependence of the point-pinning contribution on fast neutron fluence was found to be a universal function for all examined wire types.<br />