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Untersuchungen zu durch Schwerionen-Bestrahlung induzierten Materialveränderungen in supraleitenden NbTi-Drähten

Newirkowez, Aleksandra :
Untersuchungen zu durch Schwerionen-Bestrahlung induzierten Materialveränderungen in supraleitenden NbTi-Drähten.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchungen zu durch Schwerionen-Bestrahlung induzierten Materialveränderungen in supraleitenden NbTi-Drähten
Language: German
Abstract:

Das geplante Internationale Beschleunigerzentrum FAIR (International Facility for Antiproton and Ion Research) an der GSI wird mit supraleitenden Magneten ausgestattet. Auf Grund hoher Strahlintensitäten und damit verbundener Strahlverluste entstehen möglicherweise kritische Materialschäden in den NbTi supraleitenden Drähten der Magnetspulen. Die strahlinduzierten Veränderungen der supraleitenden Eigenschaften der NbTi-Legierung wurden Anfang der 1970er und bis zum Ende der 1980er Jahre vielfach untersucht. Durch die Bestrahlung mit Protonen, Neutronen, Deuteronen und einigen mittelschweren Ionen (O, B und P) wurde eine Reduzierung des kritischen Stromes, der supraleitenden Sprungtemperatur und des oberen kritischen Magnetfeldes und eine Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstandes festgestellt. Solche Bestrahlungen verursachen kleine elektronische Energieverluste. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Materialveränderungen durch Bestrahlung mit Schwerionen (bis einschließlich 2,6-GeV U), die sehr große elektronische Energieverluste verursachen. Die supraleitenden Eigenschaften sind insbesondere durch die Mikrostruktur und Morphologie der NbTi-Legierung bestimmt. Die Filamente haben eine zweiphasige Mikrostruktur: β-NbTi (bcc) Matrix mit Ausscheidungen der α-Ti (hcp) Phase. Die β-NbTi-Matrix hat eine <110>-Textur. Die Filamente wurden am UNILAC und SIS18 an der GSI mit Ionen unterschiedlicher Masse und Energie bis zu einer Fluenz von 5*10^12 Ionen/cm^2 bei Raumtemperatur und ~8 K bestrahlt. Die strahlinduzierten Veränderungen der Legierung wurden mittels Röntgenbeugunsmethoden, Transmissionselektronenmikroskopie und in-situ Widerstandsmessungen verfolgt. Mit steigendem elektronischen Energieverlust und zunehmender Ionenfluenz wurde der Abbau der α-Ti-Phase und die Abnahme der β-NbTi-Textur festgestellt. Es handelt sich um eine strahlinduzierte Umwandlung der α-Ti- in die w-Ti-Phase. Es wurden weder Veränderungen der Gitterabstände noch Hinweise auf Amorphisierung der β-NbTi-Matrix gefunden. Untersuchungen von Texturveränderungen direkt an Filamenten waren wegen der sehr kleinen Filamentdurchmesser nicht erfolgreich. Weitere Untersuchungen wurden mit Hilfe eines Vierkreisdiffraktometers an 20 µm dicken NbTi-Folien durchgeführt, die eine einphasige Mikrostruktur (β-NbTi) und eine (100)[110]-Textur hatten. Durch die Bestrahlung ist der strahlinduzierte Abbau der Textur und die azimutale Rotation der Intensität von {100}-Ebenen zu sehen. Durch die Bestrahlung nimmt der spezifische Widerstand der Filamente rasch bei kleinen Fluenzen zu und strebt zur Sättigung bei hohen Fluenzen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) to be built at GSI will be equipped with superconducting magnets. Due to the high beam intensities and related beam losses, radiation damage of the NbTi superconducting wires used in the magnet coils has to be considered. Radiation-induced degradation of the superconducting properties of NbTi alloy was studied in the 1970s and ‘80s. The use of light (protons, neutrons, deuterons) and medium-heavy (O, B and P ions) projectiles resulted in increased electrical resistivity and decreased critical current, superconducting transition temperature, and upper critical magnetic field. These irradiations involve small electronic energy losses. Here we studied radiation effects in particular in structural changes produced with swift heavy ions (until 2.6-GeV U) of much higher electronic energy deposition. The microstructure and morphology of the superconducting filaments have a strong influence on the critical current density of the NbTi alloy. The filaments are composed of a β-NbTi (bcc) matrix with a small amount of α-Ti precipitate (hcp). The β-NbTi matrix has a <110> crystallographic texture. The irradiation of NbTi filaments was performed at the UNILAC and SIS18 at the GSI applying fluences until 5*10^12 ions/cm^2 with different ions at room temperature and ~8 K. Radiation-induced effects were examined using x-ray diffraction, transmission electron microscopy and electrical resistivity mesurements. With increasing ion fluence and electronic energy losses the amount of the α-Ti phase decreases. The equilibrium hcp α-Ti transforms into the hexagonal w-Ti phase. Neither track formation nor any other phase transition or amorphization of the β-NbTi phase was detected. Irradiated filaments showed changes of the β-NbTi texture, but quantitative analysis is problematic due to the small diameter of the filaments. We therefore measured 20 µm thick foil samples (pure β-NbTi) with a (100)[110] texture before and after irradiation at a four-circle diffractometer. Comparing their pole figures gives evidence of irradiation-induced degradation and rotation of the azimuthal distribution of the (100) planes. During the irradiation the specific resistivity of the filaments increase, rapidly at low fluences and tend to the saturation at high fluences.English
Uncontrolled Keywords: NbTi-Supraleiter, Schwerionen-Bestrahlung, FAIR
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
NbTi-Supraleiter, Schwerionen-Bestrahlung, FAIRGerman
NbTi superconductor, swift ion irradiation, FAIREnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Feb 2009 11:32
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-12132
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Fueß, Prof. Dr.- Hartmut and Neumann, Prof. Dr. Reinhard and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 11 November 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1213
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