Studio dell'effetto delle deformazioni meccaniche sulle proprietà di trasporto di fili superconduttori in Nb3Sn per applicazioni alla fisica delle alte energie

Abstract

Lo sviluppo di magneti ad alto campo per futuri acceleratori di particelle richiede di abbandonare la lega (NbTi) attualmente utilizzata in favore di materiali superconduttori con campo critico più elevato, come ad esempio il composto intermetallico Nb3Sn. La densità di corrente critica di tale materiale risulta però estremamente sensibile agli sforzi ed alle deformazioni meccaniche. Sebbene il trattamento termico che porta ad ottenere la fase superconduttiva e fragile Nb3Sn avvenga dopo l’avvolgimento e il posizionamento dei cavi nei magneti, gli stress residui dovuti alle deformazioni meccaniche, al raffreddamento a temperature criogeniche e alle forze di Lorentz sono comunque inevitabili. La progettazione dei magneti basati sul Nb3Sn non può pertanto prescindere dalla conoscenza dell’effetto degli stress e delle relative deformazioni sulle proprietà di trasporto di questi cavi superconduttori. Scopo della tesi è, quindi, lo studio degli effetti delle deformazioni meccaniche su campioni di fili basati su Nb3Sn mediante analisi metallografiche, microscopia elettronica, calorimetria, XRD e misure di proprietà di trasporto.

R&D activities have started to pave the way toward a new, more powerful accelerator, where higher magnetic fields are needed and therefore better performing superconducting cables are demanded. The basic choice is the intermetallic compound Nb3Sn, already used to wind high field solenoids, but it is brittle and its transport properties are strongly affected by the strain. Even if the superconductive brittle phase is producted at the very end of the winding and the assembling of the magnets, the superconducting material will experience strong stress due to the cooling and Lorentz forces, having an impact on the maximum current that the cable can carry at given temperature and field conditions. Therefore, to design a high field dipole magnet, it is necessary to know the behaviour of the cable under stress. The aim of the thesis is, therefore, mainly metallographic analysis, thermal analysis, direct critical current measurements and magnetization measurements to study the effects of mechanical deformations on the wires.