Drut nadprzewodzący - Superconducting wire

Przykład drutu ( stop V 3 Ga ) zastosowanego w magnesie nadprzewodzącym

Drutów nadprzewodzących są przewody elektryczne wykonane z nadprzewodzącym materiału. Po schłodzeniu poniżej ich temperatur przejścia mają zerowy opór elektryczny . Najczęściej stosowane są konwencjonalne nadprzewodniki, takie jak niobowo-tytanowe , ale na rynek wchodzą nadprzewodniki wysokotemperaturowe, takie jak YBCO .

Zalety drutu nadprzewodzącego w porównaniu z miedzią lub aluminium obejmują wyższe maksymalne gęstości prądu i zerowe rozpraszanie mocy . Jego wady obejmują koszt schładzania drutów do temperatur nadprzewodzących (często wymagających kriogenów, takich jak ciekły azot lub ciekły hel ), niebezpieczeństwo hartowania drutu (nagła utrata nadprzewodnictwa), gorsze właściwości mechaniczne niektórych nadprzewodników oraz koszt materiałów i konstrukcji z drutu.

Jego głównym zastosowaniem są magnesy nadprzewodzące , które są wykorzystywane w sprzęcie naukowym i medycznym, gdzie niezbędne są wysokie pola magnetyczne.

Ważne parametry

Konstrukcja i temperatura pracy będą zazwyczaj wybierane tak, aby zmaksymalizować:

  • Temperatura krytyczna T c , temperatura poniżej której drut staje się nadprzewodnikiem
  • Krytyczna gęstość prądu J c , maksymalny prąd, jaki może przenosić drut nadprzewodzący na jednostkę pola przekroju poprzecznego (przykłady z 20 kA / cm 2 na ilustracjach poniżej ).


Nadprzewodzące druty / taśmy / kable mają zwykle dwie kluczowe cechy:

  • Związek nadprzewodzący (zwykle w postaci włókien / powłoki)
  • Stabilizator przewodnictwa, który przenosi prąd w przypadku utraty nadprzewodnictwa (tzw. Wygaszania ) w materiale nadprzewodnikowym.


Bieżąca temperatura współdzielenia T cs to temperatura, w której prąd transportowany przez nadprzewodnik również zaczyna płynąć przez stabilizator. Jednak T cs nie jest tym samym, co temperatura hartowania (lub temperatura krytyczna) T c ; w pierwszym przypadku następuje częściowa utrata nadprzewodnictwa, podczas gdy w drugim przypadku nadprzewodnictwo zostaje całkowicie utracone.

Drut LTS

Druty nadprzewodników niskotemperaturowych (LTS) są wykonane z nadprzewodników o niskiej temperaturze krytycznej , takich jak Nb 3 Sn ( niob-cyna ) i NbTi ( niob-tytan ). Często nadprzewodnik ma postać włókna w matrycy miedzianej lub aluminiowej, która przewodzi prąd, jeśli nadprzewodnik z jakiegokolwiek powodu ostygnie. Włókna nadprzewodnika mogą stanowić jedną trzecią całkowitej objętości drutu.

Przygotowanie

Ciągnienie drutu

W przypadku stopów ciągliwych, takich jak niob-tytan, można zastosować zwykły proces ciągnienia drutu .

Dyfuzja powierzchniowa

Wanad-gal (V 3 Ga) można przygotować poprzez dyfuzję powierzchniową, w której składnik wysokotemperaturowy w postaci ciała stałego jest kąpany w innym elemencie w postaci cieczy lub gazu. Gdy wszystkie składniki pozostają w stanie stałym podczas dyfuzji w wysokiej temperaturze, nazywa się to procesem brązowania.

  • Przekroje poprzeczne różnych kompozytowych kabli i przewodów nadprzewodzących (Nb, Ti) 3 Sn. (440 do 7800 A w 8 do 19 polach Tesli).

  • Taśma nadprzewodząca V 3 Ga (przekrój 10 × 0,14 mm). Rdzeń wanadowy pokryty jest warstwą 15 µm V 3 Ga, następnie 20 µm brązem (warstwa stabilizująca) i 15 µm warstwą izolacyjną. Krytyczny prąd 180 A (19,2 tesli, 4,2 K), krytyczna gęstość prądu 20 kA / cm 2

  • Nb / Cu-7,5at% Sn-0,4at% Ti taśma (przekrój 9,5 × 1,8 mm) pierwotnie opracowana dla magnesu 18,1 T. Rdzeń NB: 361 × 348 paczek po 5 µm średnicy. włókna. Krytyczny prąd 1700 A (16 tesli, 4,2 K), krytyczna gęstość prądu 20 kA / cm 2

Drut HTS

Druty nadprzewodników wysokotemperaturowych (HTS) są wykonane z nadprzewodników o wysokiej temperaturze krytycznej ( nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe ), takich jak YBCO i BSCCO .

Proszek w tubie

Uproszczony schemat procesu PIT

Proces „proszek w rurze” (PIT lub proszek tlenku w rurze , OPIT) jest procesem wytłaczania często używanym do wytwarzania przewodników elektrycznych z kruchych materiałów nadprzewodzących , takich jak niobowo-cynowy lub diborek magnezu , oraz ceramicznych nadprzewodników miedzianowych, takich jak BSCCO . Został użyty do formowania drutów żelaznych pnictides . (PIT nie jest stosowany w przypadku tlenku itru, baru i miedzi, ponieważ nie ma on słabych warstw wymaganych do wygenerowania odpowiedniej `` tekstury '' (wyrównania) w procesie PIT).

Ten proces jest stosowany, ponieważ nadprzewodniki wysokotemperaturowe są zbyt kruche dla normalnych procesów formowania drutu . Rurki są metalowe, często srebrne . Często rury są podgrzewane, aby reagować z mieszaniną proszków. Po przereagowaniu rury są czasami spłaszczane, tworząc przewodnik podobny do taśmy. Powstały drut nie jest tak elastyczny jak konwencjonalny drut metalowy, ale jest wystarczający do wielu zastosowań.

Istnieją warianty tego procesu in situ i ex situ , a także metoda „podwójnego rdzenia”, która łączy oba te elementy.

Powlekana taśma lub drut nadprzewodnikowy

Powlekane taśmy nadprzewodnikowe są znane jako druty nadprzewodnikowe drugiej generacji. Druty te mają postać metalowej taśmy o szerokości około 10 mm i grubości około 100 mikrometrów, pokrytej materiałami nadprzewodnikowymi, takimi jak YBCO . Kilka lat po odkryciu materiałów nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego , takich jak YBCO , wykazano, że cienkie warstwy epitaksjalne YBCO wyhodowane na monokryształach dopasowanych do sieci, takich jak tlenek magnezu MgO , tytanian strontu (SrTiO 3 ) i szafir, mają wysokie gęstości prądu nadkrytycznego 10–40 kA / mm 2 . Jednak do wytworzenia długiej taśmy potrzebny był elastyczny materiał o dopasowanej siatce. Folie YBCO osadzone bezpośrednio na metalowych materiałach podłoża wykazują słabe właściwości nadprzewodzące. Wykazano, że warstwa pośrednia z tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru (YSZ) zorientowana w osi c na metalowym podłożu może dawać folie YBCO o wyższej jakości, które nadal mają o jeden do dwóch rzędów mniejszą krytyczną gęstość prądu niż wytwarzana na podłożach monokrystalicznych.

Przełom nastąpił wraz z wynalezieniem techniki osadzania wspomaganego wiązką jonów (IBAD) do wytwarzania dwuosiowo ustawionych cienkich warstw tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru (YSZ) na taśmach metalowych.

Dwuosiowa folia YSZ działała jako dopasowana do sieci warstwa buforowa do epitaksjalnego wzrostu znajdujących się na niej folii YBCO. Te folie YBCO osiągnąć gęstość prądu krytycznego więcej niż 1 mA / cm 2 . Inne warstwy buforowe, takie jak tlenek ceru (CeO 2 i tlenek magnezu (MgO)) zostały wyprodukowane przy użyciu techniki IBAD dla warstw nadprzewodników.

Gładkie podłoża o chropowatości rzędu 1 nm mają zasadnicze znaczenie dla wysokiej jakości folii nadprzewodnikowych. Początkowo podłoża hastelloy były polerowane elektrycznie, aby uzyskać wygładzoną powierzchnię. Hastelloy to stop na bazie niklu, który jest odporny na temperatury do 800 ° C bez topnienia lub silnego utleniania. Obecnie do wygładzania powierzchni podłoża stosuje się technikę powlekania znaną jako „spin na szkle” lub „planaryzacja osadzania roztworu”.

Niedawno zademonstrowano taśmy nadprzewodnikowe powlekane YBCO zdolne do przenoszenia ponad 500 A / cm szerokości przy 77 K i 1000 A / cm szerokości przy 30 K w silnym polu magnetycznym.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej

CVD jest stosowane do taśm powlekanych YBCO .

Hybrydowe fizyko-chemiczne osadzanie z fazy gazowej

HPCVD można stosować do cienkowarstwowego dwuborku magnezu . (Bulk MgB 2 można wytworzyć metodą PIT lub reaktywnej infiltracji ciekłego Mg).

Współodparowanie reaktywne

Warstwa nadprzewodząca w drutach nadprzewodzących drugiej generacji może być wytwarzana przez reaktywne współodparowanie metali składowych, pierwiastków ziem rzadkich , baru i miedzi .

Normy

Istnieje kilka norm IEC ( International Electrotechnical Commission ) związanych z przewodami nadprzewodzącymi pod TC90.

Zobacz też

Bibliografia