Influence of neutron irradiation on the structural and superconducting properties of Nb3Sn

Abstract

Das supraleitende Material Nb3Sn soll das supraleitende Material NbTi in Fokussierungs- und Ablenkmagneten von Beschleunigern ersetzen. Dies wird eine höhere Luminosität und höhere Kollisionsenergien in den neu entwickelten Beschleunigern sicherstellen. Die Magnete sind jedoch an den Kollisionspunkten starker Strahlung ausgesetzt, und die Empfindlichkeit von Nb3Sn gegenüber Strahlung erfordert detaillierte Studien über die Änderungen der supraleitenden Eigenschaften durch die Strahlung und eine mögliche Wiederherstellung der ursprünglichen Eigenschaften durch eine thermische Behandlung um die erforderliche Abschirmung und Wartung der Magnete zu planen. Eine Pulverprobe und eine Massivprobe von Nb3Sn wurden mit schnellen Neutronen auf eine Fluenz von 8.31x10 17 /cm2 und 1.77x10 18 /cm2 bestrahlt. Danach folgten thermische Behandlungen mit Temperaturen bis zu 900C. Der Einfluss dieser Glühungen auf das Gitter, die kritische Temperatur TC, das obere kritische Feld BC2, die Eindringtiefe und die kritische Stromdichte JC wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit untersucht. Nach den Glühungen wird für die Massiv- und die Pulverprobe ein unterschiedliches Verhalten beobachtet, das auf die Probengeometrie und/oder die unterschiedlichen Fluenzen zurückgeführt werden kann. Röntgenbeugung zeigte die Anwesenheit von Defekten schon vor der Bestrahlung. Ihr allfälliges Verschwinden führte nach dem Glühvorgang zu einer supraleitenden Übergangstemperatur oberhalb der Werte für die unbestrahlten Proben. Die strahlungsinduzierten Defekte, die für eine Abnahme der kritischen Temperatur und eine Zunahme der kritischen Stromdichte verantwortlich sind, werden auf der Grundlage der durchgeführten Glühversuche diskutiert.

The superconducting material Nb3Sn is replacing the superconducting material NbTi in the focussing and bending magnets of colliders. This will ensure a higher luminosity and higher collision energies in the newly developed colliders. The magnets are however exposed to radiation at the collision points, and Nb3Sn's high sensitivity to radiation exposure asks for detailed studies on the ongoing changes with radiation and the possible annealing recovery of these changes to plan the necessary shielding and maintenance for the magnets. A powder and a bulk sample of Nb3Sn were neutron irradiated up to a fluence of 8.31x10 17 /cm2 and 1.77x10 18 /cm2 respectively and subsequently isochronally annealed up to 900C. The influence of these processes on the lattice, the transition temperature TC, the upper critical field BC2, the penetration depth and the critical current density JC, is investigated. Different behavior is observed upon annealing for the bulk and powder sample, that was attributed to the sample surface size and/or to the final fluence value. Experiments showed defects present before irradiation. After annealing, their possible disappearance gave rise to superconducting properties with values above the values for the unirradiated samples. The irradiation induced defects responsible for the critical temperature decrease and the critical current density increase are discussed based on the annealing experiments.