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

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 -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