Слойки Бочвара: ученые «Росатома» придумали новый способ изготовления сверхпроводников

В Институте им. Бочвара завершили техническое перевооружение участка изготовления сверхпроводников. Журналисты «СР» побывали в лаборатории, где налаживают оборудование для экспериментов, и разобрались, в чем отличия магнетронного нанесения от лазерной абляции.

Сверхпроводники — ​это материалы, у которых при определенных условиях исчезает электрическое сопротивление, что позволяет им проводить постоянный ток без потерь. Сверхпроводники делятся на низко и высокотемпературные. Первые работают при температуре ниже температуры кипения жидкого гелия (–268 °C), вторые — ​выше температуры кипения жидкого азота (–196 °C).

На сегодня открыты высокотемпературные сверхпроводники двух поколений (ВТСП‑1 и ВТСП‑2). Их химический состав и технологии получения существенно отличаются. ВТСП‑1 из оксидов висмута, стронция, меди и чистого кальция получают через порошковые прекурсоры. ВТСП‑2 из соединений оксидов иттрия или гадолиния, бария, меди изготавливают нанесением на металлическую ленту буферных слоев и сверхпроводящего слоя оксидной керамики.

С ВТСП‑2 мировое научное и инженерное сообщество связывает планы масштабного внедрения сверхпроводниковых устройств электроэнергетики будущего. В последние 20 лет разработаны прототипы кабелей, генераторов, быстродействующих ограничителей тока короткого замыкания, судовых электродвигателей, обмоток магнитных катушек для установок физики высоких энергий (термоядерных реакторов, ускорителей частиц).

Наиболее распространенная технология нанесения сверхпроводящего слоя ВТСП‑2 сейчас — ​лазерная абляция: по керамической мишени, содержащей гадолиний или иттрий, барий и медь, стреляют лазерным лучом. Распыленный материал осаждается на ленту-подложку.

«Это долго и дорого, а значит, препятствует широкой коммерциализации технологии, — ​говорит Дарья Новоселова, начальник лаборатории высокотемпературных сверхпроводников Института им. Бочвара. — ​Мы надеемся, что наш метод магнетронного напыления с последующей кристаллизацией позволит ускорить процесс. Этой технологией мы занимаемся несколько лет. На новом этапе планируется получить сверхпроводящие слои оксидной керамики на ленте-подложке с помощью новой установки».

Для изготовления металлических лент-подложек институт приобрел прокатный стан и сопутствующее оборудование. Теперь у ученых есть возможность получать и ленту, и сверхпроводники.

Для высокотемпературного сверхпроводника нужна особо тонкая лента-­подложка с чистотой поверхности не ниже 10‑го класса. Ее получают на участке прецизионной прокатки опытно-производственного цеха. За пультом — Дмитрий Богданов, прокатчик горячего металла 5‑го разряда.

Инженер-­технолог Владимир Путиков принимает участие в работе лаборатории. Его задача — настройка нового оборудования и сопровождение научных экспериментов.

После магнетронного напыления ленту переносят на линию кристаллизации, где под давлением кислорода при заданной температуре ВТСП-слой расплавляется и подвергается направленной кристаллизации для формирования структуры, которая делает ленту сверхпроводящей.

Младший научный сотрудник Кристина Дихтиевская загружает мишень в ОУНКАС. У установки две линии: магнетронного напыления и направленной кристаллизации. Металлические мишени распыляют шесть магнетронов.

Начальник лаборатории высокотемпературных сверхпроводников Дарья Новоселова и опытная установка нанесения и кристаллизации аморфных слоев (ОУНКАС), изготовленная по техзаданию ученых в Белоруссии.

Начальник опытно-­производственного цеха Ян Краевский настраивает станок продольной резки. Станок режет ленту вдоль без заусенцев, кромка не требует дополнительной обработки.

Исходный материал — металлическая лента толщиной 0,2 мм. Здесь ее утоняют до 0,1 мм. «Стан может давать и меньшую толщину — до 50 микрон»,— говорит прокатчик горячего металла 5‑го разряда Роман Соколов.