Высокочистый ниобий имеет удельное сопротивление (RRR) более 300
Определение RRR: RRR = ρ(300K) / ρ(4,2K, нормальное состояние). То есть, отношение удельного сопротивления при комнатной температуре (приблизительно 300 K) к удельному сопротивлению при температуре жидкого гелия (4,2 K, чуть выше температуры сверхпроводящего перехода ниобия Tc≈9,26 K, нормальное состояние). Большее количество примесей (междоузельные элементы O, N, C, H) и дефектов решетки → более высокое остаточное сопротивление при низких температурах → более низкое RRR. Более высокая чистота и меньшее количество дефектов → остаточное сопротивление при низких температурах приближается к нулю → более высокое RRR.
Чрезвычайно высокая чистота; Чрезвычайно низкое общее содержание междоузельных примесей, типичные требования: O≤10 ppm, C≤10 ppm, N≤10 ppm, H≤2 ppm, Ta≤500 ppm. Мало дефектов кристаллической решетки; низкая плотность дислокаций; достаточная рекристаллизация; устранены деформации, возникающие в процессе обработки/термической обработки. Высокая теплопроводность при низких температурах; приблизительно λ(4,2 К)≈RRR/4 (Вт/м·К), при RRR=300, λ≈75 Вт/м·К, что обеспечивает быстрое рассеивание тепла в локальных горячих точках сверхпроводящего резонатора, предотвращая тепловые потери сверхпроводимости. Хорошие сверхпроводящие характеристики; низкое поверхностное сопротивление в микроволновом диапазоне → высокая добротность Q₀, высокий градиент ускорения и минимальные потери энергии в сверхпроводящем радиочастотном резонаторе (SRF-резонаторе). Классификация: RRR≥300 — это международный порог для высокочистого ниобия (сверхпроводящий ниобий, ASTM B393 R04220), используемого в радиочастотных сверхпроводящих резонаторах; для обычного промышленного чистого ниобия RRR≈30–60, для ниобия реакторного класса RRR≈40–80.
Это наиболее важное и широко используемое применение ниобия с RRR > 300 в сверхпроводящих резонаторах ускорителей частиц: эллипсоидальные/сферические сверхпроводящие резонаторы 1,3 ГГц / 500 МГц / 352 МГц, используемые в Большом адронном коллайдере (LHC/High-Luminosity LHC), источниках синхротронного излучения, лазерных установках на свободных электронах (XFEL, SACLA) и ускорителях тяжелых ионов. Принцип работы этих резонаторов таков: RRR > 300 обеспечивает чрезвычайно высокую и низкую теплопроводность при 2 К (λ ≈ 75 Вт/м·К), быстро рассеивая тепло, генерируемое мельчайшими дефектами в стенках резонатора, предотвращая термическое затухание и одновременно снижая поверхностное сопротивление микроволнового излучения, что приводит к добротности резонатора Q₀ более 10¹⁰. Типичные формы: пластины/листы из высокочистого ниобия, полученные методом глубокой вытяжки (толщиной 3-4 мм, после многократного плавления электронным пучком + отжига крупных зерен), или заготовки для резонаторов сверхпроводящих волокон (SRF).
Подложки/резонаторы для сверхпроводящих кубитов (Qubit): для изготовления резонансных резонаторов, резонаторов считывания и схем маршрутизации сигналов для трансмонных кубитов используются тонкие пленки или объемные материалы из ниобия с высоким RRR. Низкое содержание примесей снижает генерацию квазичастиц и увеличивает время квантовой когерентности. Сверхпроводящие экранирующие/волноводные полости в криогенных системах: сверхнизкопотерные сверхпроводящие полости и немагнитные теплоотводы.
Сверхпроводящие магниты и связанные с ними устройства: криогенные теплоотводы на основе сверхпроводящих магнитов: соединение катушек сверхпроводящих магнитов (NbTi/Nb₃Sn) с ванной из жидкого гелия, используя высокую теплопроводность ниобия с высоким коэффициентом RRR при высоких и низких температурах для быстрого отвода тепловых потерь. Компоненты сверхпроводящих магнитных систем для термоядерных установок (токамак): криогенные опоры/тепловые соединители в таких проектах, как ITER (некоторые используют чистый Nb, высокий коэффициент RRR используется в более требовательных областях). Сверхпроводящие магнитные накопители энергии (SMES), вспомогательные структуры сверхпроводящих магнитов для МРТ/ЯМР (основные катушки обычно изготавливаются из NbTi, но ниобий используется для специальных функциональных компонентов или компонентов системы терморегулирования).