Диденко Сверхпроводясчие ускоряюсчие 2008
.pdf
Металлическое покрытие
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электрохимическое |
|
|
Химическое |
|
|
|
Механическое |
|
||||||||
|
покрытие |
|
|
|
|
|
покрытие |
|
|
|
прессование, |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
плакирование |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В водяных и |
|
В |
|
|
|
В водяных |
|
Погружение в |
|
||||||||
органических |
|
расплавленных |
|
|
|
растворах, без |
|
расплавленные |
|
||||||||
электролитах |
|
солях |
|
|
|
электротока |
|
металлы |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.21. Методы нанесения металлических покрытий
Электрохимическое покрытие
Подложка является катодом, и она погружается в электролитическую ванну вместе с анодом. При подключении потенциала ионы материала анода разряжаются на катоде и создают слой покрытия. При этом происходит растворение анода и истощение электролита, из электролита выделяется водород. Схематическое изображение установки для электролитического покрытия приведено на рис. 5.22. Используется источник питания постоянного либо импульсного тока.
Электролит может быть водным, безводным, состоять из расплавленных солей, ионосодержащих жидкостей. К электролиту предъявляется ряд требований. Для повышения проводимости в состав электролита добавляется проводящий компаунд, что позволяет применять источники мощности с невысоким напряжением. В электролит добавляется также стабилизирующий агент – для предотвращения образования нерастворимых гидроокисей и карбонатов, буферный агент – для предотвращения изменения рН электролита, увлажняющий агент – для подавления газообразования, выравнивающий агент – улучшает передачу мощности через электролит, анодный депассивирующий агент – предотвращает пассивацию анода.
301
- +
Cu2+ |
Cu2+ |
Cu2+, SO42- |
|
электролит |
|
катод |
анод |
Рис. 5.22. Схема установки для электролитического покрытия
Перед электрохимическим покрытием медная подложка должна быть подготовлена для получения высокого качества наносимого на нее покрытия. Для этого осуществляется ее механическая полировка, промывка в щелочном и кислотном растворах с промежуточным и окончательным ополаскиванием деионизированной водой.
При покрытии подложки свинцом электролит включает фторборат свинца. Для получения покрытия толщиной 1 мкм плотность тока должна составлять около 1 А/см2. После нанесения покрытия образец ополаскивается в деионизированной воде и этаноле, затем высушивается азотом.
На рис.5.23 показана зависимость коэффициента остаточного сопротивления от толщины нанесенного слоя при различных температурах.
Образцы с нанесенным покрытием подвергаются химической полировке смесью перекиси водорода, уксусной кислоты, азотной кислоты, воды. После этого осуществляются окончательная промывка и сушка. Хранение полученных образцов осуществляется в атмосфере сухого азота или в вакууме.
302
- при 40сравнению с плазменным напылением в вакууме такое нанесение покрытий существенно проще по технологии.
Электрофорез
При погружении твердой дисперсной фазы (например, неорганических частиц или коллоидов) в электролит возникает абсорбция молекул и ионов электролита на дисперсных частицах, которые приобретают заряд. При подаче напряжения на электролит начинается миграция частиц под действием потенциала − электрофорез. Заряд, приобретаемый дисперсной частицей, зависит от ее размера, соответственно, скорость миграции и осаждения материала на подложке может быть существенно выше, чем в обычных электролитах. Это обеспечивает высокую скорость нанесения покрытий и их высокую однородность.
Электроформовка
Электроформовка позволяет создать изделие на подложке, которая затем устраняется. Для этого подложка изготавливается из легкоплавкого материала с малой адгезией к наносимому материалу. При электроформовке сложно получить острые кромки в изделии, внутри изделия возникают термические и механические напряжения, которые могут разрушить формируемое изделие.
Нанесение покрытий без электролиза
Осаждение покрытий при таком способе обеспечивается подбором каталитических металлов на каталитические или активизированные подложки. Покрытие наносится при химическом осаждении металлов из солей, растворенных в ванне, в которую помещается изделие. Покрытие является достаточно однородным и сравнимо по качеству с электролитическим покрытием. К недостаткам относятся малая твердость покрытия и низкая скорость нанесения покрытия.
Однако в ряде случаев данный метод является предпочтительным. Например, при изготовлении резонаторов из Nb3Sn перед диффузионным нанесением Sn осуществляется предварительная активизация Nb раствором SnCl4 для получения первичного слоя Sn.
304
Погружение в расплавленные металлы
Перед созданием покрытий подложка предварительно подготавливается с помощью химического травления. После подготовки подложка погружается в ванну с расплавленным металлом, который становится покрытием. Поверхность изделия состоит из слоя материала покрытия, под которым содержится переходный слой из диффузионно-связанных материалов подложки и покрытия, и затем – материал подложки. Важным является качество очистки поверхности подложки от оксидных слоев. Таким методом при создании резонаторов осуществляется нанесение свинцового покрытия на ниобиевую подложку.
Диффузионное покрытие
Атомы покрытия из области высокой концентрации мигрируют в область меньшей концентрации на материале подложки и создают диффузионный слой на ней. Качество покрытия зависит от атомных радиусов материалов покрытия и подложки, энергии активации атомов покрытия, эффективности легирования подложки атомами покрытия.
Коэффициент диффузии возрастает с температурой, уменьшением радиуса атомов покрытия, увеличением концентрации атомов, при введении в систему дополнительной энергии (электромагнитной, тепловой).
Диффузионное покрытие может выполняться из твердой, жидкой, газообразной фаз материала. Нанесение покрытий может проводиться в открытых и закрытых реакционных объемах.
Термическое напыление
К термическим методам напыления относятся: напыление расплавленных металлов, включающее нанесение покрытия пламенем, плазменным потоком, дуговым разрядом. Кроме того, к термическим методам относятся покрытие большой кинетической энергией, частичное оплавление поверхности для ее упрочнения.
Механическая формовка
При механической формовке покрытий применяются ударные воздействия либо центробежные силы в центрифугах для
305
нанесения покрытия методом галтовки. Галтовкой называется процесс очистки поверхностей объемных изделий с помощью насыпных абразивных материалов. Изделие загружается в барабан вместе с абразивом, барабан приводится во вращение или ему придаются возвратно-поступательные перемещения. В качестве галтовочных объектов используются керамические либо фарфоровые шарики.
Механическая формовка может применяться для нанесения покрытия из Sn на подложку из Nb и получения пленки Nb3Sn.
Соединение прессованием
Методы соединения могут быть следующими: холодная и горячая прокатка, прессование, детонационное соединение. Возможна также комбинация из перечисленных методов. Поверхность подложки должна быть тщательно отполирована, наличие царапин недопустимо, так, при царапинах невозможно качественное соединение материалов. В качестве примера можно назвать закатку ниобия в медную подложку.
5.7. Сверхпроводящие материалы из сплавов
Ниобий имеет наибольшую критическую температуру среди чистых материалов и наибольшее критическое магнитное поле. Достигнутые величины магнитного поля (рис. 5.24) близки к теоретическому пределу, равному 200 мТ [5.21].
1011 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1010 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Квенч-эффект |
|
|
||
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
E, МВ/м |
Рис. 5.24. Зависимость добротности секции от ускоряющего градиента |
|||||||||
306
Для дальнейшего повышения напряженности поля необходимо разрабатывать новые материалы, являющиеся сплавами. Необходимость этого обусловлена тем, что с достижением критической температуры 4,2 К и выше существенно снижаются затраты на криогенную систему. Выбор новых материалов наиболее целесообразно осуществлять по высокой критической температуре и высокой проводимости в нормальном состоянии. Наиболее подходящие материалы приведены в табл. 5.5.
Из табл. 5.5 видно, что материалы, имеющие высокую критическую температуру, обладают повышенным удельным сопротивлением. Это указывает на то, что для сверхпроводящих резонаторов нет идеального сверхпроводящего материала, выбор следует делать на основе компромисса.
|
Характеристики сверхпроводящих материалов |
Таблица 5.5 |
||
|
|
|||
|
|
|
|
|
Материал |
Критическая |
Удельное |
Критическое |
Глубина |
|
температура, К |
сопротивление, |
магнитное |
проникновения |
|
|
мкОм/см |
поле, Т |
магнитного |
|
|
|
|
поля, нм |
Nb |
9,2 |
2 |
0,2 |
40 |
NbN |
16,2 |
70 |
0,23 |
200 |
NbTiN |
17,5 |
35 |
- |
151 |
Nb3Sn |
18,3 |
20 |
0,54 |
85 |
V3Si |
17 |
- |
- |
- |
Mo3Re |
15 |
- |
0,43 |
140 |
MgB2 |
40 |
- |
0,43 |
140 |
Для получения малых потерь на СВЧ материал должен иметь достаточно высокую критическую температуру, малое сопротивление в нормальном состоянии, обладать свойствами металла. Для получения высокого градиента в резонаторе материал должен обладать значительной величиной критического поля.
Рассмотрим в отдельности различные компаунды.
307
Компаунд ниобия типа В1.
Таким термином характеризуют кристаллическую кубическую решетку, состоящую из атомов металла А, занимающих углы и центры квадратов, образующих кубы решетки, а также из атомов неметаллов В, расположенных в серединах сторон квадратов (рис.
5.25).
Для соединений ниобия только несколько нитридов и карбидов металлов IV, V, VI переходных групп металлов имеют такую решетку и критическую температуру выше, чем у ниобия. К таким соединениям относится NbN, свойства которого достаточно подробно исследованы. Получение этого материала осуществляется двумя методами.
•Термическая диффузия: термический отжиг монолитного ниобия (RRR ~ 300) в вакууме при температуре 1550° С в течение 2 ч, затем выдержка заготовки в атмосфере азота при температуре
1400 ° С в течение 4 ч. В результате на поверхности заготовки образуется устойчивая однородная пленка NbN.
Реактивное напыление: распыление чистого ниобия в атмосфере Ar и N2 в триодной магнетронной системе.
Рис. 5.25. Кристаллическая решетка типа В1
Получаемый материал обладает хорошими сверхпроводящими и механическими свойствами, имеет низкий коэффициент вторичной эмиссии. Кристаллическая решетка может находиться в
308
нескольких фазах перехода в сверхпроводящий режим. Наиболее предпочтительной является так называемая δ -фаза, имеющая критическую температуру 17,2 К. При этом соединение имеет аномально высокое сопротивление в нормальном состоянии, превышающее иногда 100 мкОм/см. Это обусловлено тем, что
корректная запись структуры решетки имеет вид Nb0,987N0,987, а не Nb1,0N1,0, и металлические и газовые вакансии распределены
случайным образом в обеих субрешетках.
Компаунд NbTiN
Полностью корректная формула компаунда записывается следующим образом: Nb1-xTixN. Введение Ti в кристаллическую решетку обеспечивает снижение сопротивления материала и облегчение формирования кубической структуры материала. При этом δ -фаза остается термодинамически стабильной даже при критической температуре. Значение критической температуры так же высоко как у компаунда NbN, если (1-x)>0,5. Соединение имеет высокую твердость, хорошую адгезию к различным подложкам, высокие коррозионную и эрозионную устойчивость, высокую температуру сублимации, оно относительно инертно. Более выраженные металлические свойства делают соединение предпочтительным для использования в сверхпроводящих резонаторах по сравнению с NbN.
Получение материала осуществляется магнетронным напылением в атмосфере Ar и N2 при температуре 600 ° С.
Пленки Nb1-xTixN с 1-x<0,5 имеют меньшее расчетное сопротивление, меньшие критические поля, лучшие поверхностные свойства, чем пленки NbN. Преимущества пленки Nb1-xTixN увеличиваются, если напыление проводится при невысоких температурах.
В лабораториях CERN изготовлены шесть медных резонаторов, покрытых пленкой NbTiN. Рабочая частота резонатора 1,5 ГГц. Толщина пленки равна 4,3 мкм, температура, при которой осуществлялось напыление, 265 ° С. Добротность резонатора выше, чем резонатора из чистого ниобия, однако, предельное ускоряющее поле не превышает 1 МВ/м.
309
Компаунды со структурой А15
Структура кристаллической решетки, называемой А15, представлена на рис. 5.26.
Цепочка переходного металла
А атом
В атом
Рис. 5.26. Кристаллическая решетка типа А15
Здесь А – атом элементов из переходной группы IV, V либо VI, В – атом из непереходной группы. Атомы типа В занимают углы и центры кубов, образующих кристаллическую решетку. Атомы типа В образуют ортогональные цепи бисекторных плоскостей в решетке. Такую структуру имеют Nb3Sn, Nb3Al, Nb3Ge, Nb3Ga, V3Si, Mo3Re. Все эти кристаллы являются кандидатами для применения в сверхпроводящих резонаторах.
Критическая температура кристаллов на основе Nb и V достаточно велика – 15...20 К. Кристаллы Nb3Ge, Nb3Ga являются нестабильными кристаллами. Кристаллы Nb3Al существуют только при высоких температурах, что обусловлено высокой неупорядоченностью их структуры. Кристаллы V3Si, Nb3Sn являются стабильными и характеризуются высокой критической температурой. Кристалл Mo3Re имеет критическую температуру 15 К, однако его физические свойства пока недостаточно изучены.
Рассмотрим методы создания кристаллов А15 [5.22]. Основной проблемой создания таких кристаллов заключается в том, что они не могут быть сформированы в качестве объемной структуры. В связи с этим кристаллы формируются в виде тонких пленок на
310