Universal degradation of superconducting properties of REBCO tapes in radiation environments

Abstract

Im Umfang dieser Dissertation wird die geringe Strahlenresistenz der supraleitenden Eigenschaften von REBCO erforscht. Bandleiter auf der Basis von YBCO und GdBCO werden in zahlreichen Hochfeld-Magnetanwendungen eingesetzt, darunter Fusionsmagneten und Teilchenbeschleunigern. Die Erforschung der Mechanismen, die die Lebensdauer dieser Leiter durch Strahlung begrenzen, ist von entscheidender Bedeutung für die Vorhersage ihrer Lebensdauer unter Bestrahlung und für die Entwicklung von Strategien um diese in Zukunft zu erhöhen.Bestrahlungsexperimente mit thermischen sowie, schnellen Neutronen und 1.2 MeV Protonen wurden durchgeführt um deren Auswirkungen auf die supraleitenden Eigenschaften von REBCO-Bändern zu untersuchen. Verschiedene experimentelle Techniken, einschließlich Transportstrom- und Magnetisierungsmessungen, wurden eingesetzt, um die Änderungen der kritischen Stromdichte und der supraleitenden Übergangstemperatur bei verschiedenen Temperaturen, Feldern und Fluenzen zu analysieren. Die Experimente zeigten, dass sowohl Neutronen- (schnell und thermisch) als auch Protonenbestrahlung zur Bildung von Defektstrukturen im Supraleiter führen, die seine Eigenschaften erheblich verändern. Ein zentrales Ergebnis dieser Studie ist die universelle Beziehung zwischen der kritischen Stromdichte und der supraleitenden Übergangstemperatur von GdBCO durch die Bestrahlung mit schnellen oder thermischen Neutronen.Zwei Gadolinium Isotope weisen riesige Absorptionsquerschnitte für thermische Neutronen auf. Die daraus folgende n-γ-Reaktion produziert hohe Dichten an Punktdefekten und kleinen Clustern, was zu einer Erhöhung der paarbrechenden Streuung führt. Das hat in weiterer Folge eine starke Unterdrückung des kritischen Stroms und der Temperatur zur Folge. Werden Proben von thermischen Neutronen abgeschirmt (E<0.55 eV) bestrahlt, so führt das zwar ebenfalls zur Entstehung von kleinen Defekten durch andere (Stoß-) Mechanismen, jedoch in viel geringeren Dichten pro Fluenz. Gleichzeitig entstehen mehr makroskopische Kollisionskaskaden, die sehr gut flussverankernde Defekte darstellen und den kritischen Strom bei niedrigen Fluenzen (Φf < 1e22 /m^2) stark erhöhen. Bei höheren Fluenzen dominiert jedoch zunehmend die Degradation den Verlauf des kritischen Stroms. Dieser beginnt der gleichen Abhängigkeit von der Übergangstemperatur zu folgen wie bei der Bestrahlung mit thermischen Neutronen. Diese universelle Beziehung wurde weiter untersucht indem Proben mit 1.2 MeV Protonen bestrahlt wurden. Auch in diesem Experiment wurde anschließend das gleiche Degradationsverhalten festgestellt.Um zu untersuchen, ob die Lebenszeit durch eine Verringerung der Defektdichte erhöht werden kann, wurden zuvor bestrahlte Proben anschließend in Argon Atmosphäre ausgeheizt. Bei niedrigen Temperaturen, bei denen der Verlust von O2 in der supraleitenden Schicht durch Diffusion kein Problem darstellt, wurde eine Erholung der kritischen Temperatur von 20 bis 30 Prozent festgestellt. Um den Temperaturbereich auf etwa 300 °C oder darüber zu erweitern muss der Verlust von Sauerstoff durch Diffusion verhindert werden. Aus diesem Grund wurden Experimente an unbestrahlten, mit Gold beschichteten und im Labor gewachsenen YBCO-Dünnschichten durchgeführt. Diese Proben zeigten dabei keine starke Reduktion ihrersupraleitenden Eigenschaften bei Temperaturen bis 320 °C.Ergänzend zu den experimentellen Ergebnissen wurde ein Modell entwickelt, um die Lebensdauer von REBCO Bandleitern in verschiedenen Bestrahlungsszenarien abzuschätzen. Dieses Modell basiert auf BCS und GL Theorie sowie der Drude Theorie und reduziert die notwendigen Experimente zur Vorhersage der Lebensdauer auf ein Minimum.Diese Dissertation stellt eine detaillierte Analyse der Auswirkungen von Bestrahlung und Ausheizen von Defekten auf die supraleitenden Eigenschaften von REBCO dar. Die Ergebnisse bieten wertvolle Einblicke in die Mechanismen der Defektbildung und deren Auswirkungen auf die supraleitenden Eigenschaften und ebnen den Weg für anwendungsoptimierte Designs von REBCO-basierten Supraleitern in Strahlungsumgebungen.

In this thesis the low radiation tolerance of the superconducting properties of REBCO is explored. Coated conductors based on YBCO and GdBCO are used in numerous high-field magnet applications including fusion and particle accelerators. Unraveling the mechanisms which limit the lifetime of these conductors in radiation environments is crucial to predict their performance over the years and to develop mitigation strategies for increasing the lifetime of magnets.The effects of thermal neutrons, fast neutrons and 1.2 MeV proton irradiation on the superconducting properties of REBCO tapes was investigated. Various experimental techniques, including transport and magnetization measurements, were employed to analyze the changes in critical current density and critical temperature across different temperatures, fields and fluences. The experiments revealed that both neutron (fast and thermal) and proton irradiation introduce defect structures within the superconductor, which significantly alter its properties.A key finding of this study is the universal relation between the degradation of the critical current density and the superconducting transition temperature in both fast neutron and thermal neutron irradiation experiments. The samples used were commercial coated conductors, based on gadolinium-barium-copper-oxide. Thermal neutrons can be absorbed by Gd, leading to a n-γ reaction introducing point-like defects and small clusters which strongly increase scattering and therefore suppress the critical current and temperature. Irradiating samples shielded from thermal neutrons (E<0.55 eV) also introduces small defects by a different mechanism, but at much lower rates. At the same time more collision cascades are produced, which are very well pinning defects, strongly increasing the critical current at low fluences. However, at high fluences the degradation begins to follow the same trend if the introduced disorder is quantified by the change in transition temperature. To study this universality further, samples were irradiated with 1.2 MeV protons and again the same degradation behavior was found.Annealing experiments were conducted to investigate its applicability to mitigate the degradation by reducing the defect density. At low annealing temperatures (<160 °C), where oxygen diffusion poses no problem, intermediate recovery rates of 20–30 % of the critical temperature were found. To extend the temperature range to 300 °C or above, annealing experiments in Ar on gold plated lab-grown YBCO thin films were conducted, showing little to no reduction of the superconducting properties.To complement the experimental findings, a predictive model was developed to estimate the field and temperature dependent end-of-life fluence of REBCO tapes in various irradiation scenarios. The developed model builds upon established models and theories such as basic BCS and GL theory as well as Drudes’ model. It reduces the number of experiments which are necessary to predict the life-time to a minimum.This dissertation provides a detailed analysis of the effects of irradiation and annealing on the superconducting properties of REBCO tapes. The findings offer valuable insights into the mechanisms of defect formation and their impact on superconducting properties, paving the way for application optimized designs of REBCO-based coated conductors in radiation environments.