Сверхпроводящий провод - Superconducting wire

Пример провода (V3Ga сплав), используемый в сверхпроводящем магните

Сверхпроводящие провода находятся электрические провода сделано из сверхпроводящий материал. При охлаждении ниже их температуры перехода, у них ноль электрическое сопротивление. Чаще всего используются обычные сверхпроводники, такие как ниобий-титановый используются,[1] но высокотемпературные сверхпроводники, такие как YBCO выходят на рынок.

Преимущества сверхпроводящего провода перед медь или алюминий включает более высокий максимум текущие плотности и нулевая мощность рассеяние. К его недостаткам можно отнести стоимость охлаждение проводов до сверхпроводящих температур (часто требуется криогены такой жидкий азот или же жидкий гелий ) опасность провода закалка (внезапная потеря сверхпроводимости), плохие механические свойства некоторых сверхпроводников и стоимость материалов и конструкции проводов.[2]

Его основное приложение находится в сверхпроводящие магниты, которые используются в научном и медицинском оборудовании, где необходимы сильные магнитные поля.

Важные параметры

Строительство и Рабочая Температура обычно выбирают для максимизации:

  • Критическая температура Tc, температура, ниже которой провод становится сверхпроводником
  • Критический плотность тока Jc, максимум Текущий сверхпроводящий провод может пропускать на единицу площади поперечного сечения (см. изображения ниже для примеров с 20 кА / см2).


Сверхпроводящие провода / ленты / кабели обычно состоят из двух основных характеристик:

  • Сверхпроводящее соединение (обычно в виде нитей / покрытия)
  • Стабилизатор проводимости, который проводит ток в случае потери сверхпроводимости (известный как закалка) в сверхпроводящем материале.[3][4]


Текущая температура разделения Tcs - температура, при которой ток, протекающий через сверхпроводник, также начинает течь через стабилизатор.[5][6] Однако Tcs не то же самое, что температура закалки (или критическая температура) Tc; в первом случае происходит частичная потеря сверхпроводимости, а во втором случае сверхпроводимость полностью теряется.[7]

LTS провод

Провода из низкотемпературных сверхпроводников (НТС) изготавливаются из сверхпроводников с низким критическая температура, например Nb3Sn (ниобий-олово ) и NbTi (ниобий-титановый ). Часто сверхпроводник находится в форме нити в медной или алюминиевой матрице, по которой проходит ток, если сверхпроводник по какой-либо причине погаснет. Сверхпроводящие нити могут составлять треть от общего объема провода.

Подготовка

Волочение проволоки

Нормальный волочение проволоки процесс может быть использован для ковких сплавов, таких как ниобий-титан.

Поверхностная диффузия

Ванадий-галлий (V3Ga) может быть получен путем поверхностной диффузии, когда высокотемпературный компонент в виде твердого вещества погружается в другой элемент в виде жидкости или газа.[8] Когда все компоненты остаются в твердом состоянии во время высокотемпературной диффузии, это называется бронзовым процессом.[9]

  • Сечения различных (Nb, Ti)3Сверхпроводящие кабели и провода из Sn композитных материалов. (От 440 до 7800 А в полях от 8 до 19 тесла).

  • V3Сверхпроводящая лента на основе Ga (сечение 10 × 0,14 мм). Ядро ванадия покрыто 15 мкм V3Слой Ga, затем бронза толщиной 20 мкм (стабилизирующий слой) и изоляционный слой толщиной 15 мкм. Критический ток 180 А (19,2 тесла, 4,2 К), критическая плотность тока 20 кА / см2

  • Лента Nb / Cu-7,5 ат.% Sn-0,4 ат.% Ti (поперечное сечение 9,5 × 1,8 мм), первоначально разработанная для магнита 18,1 Тл. Сердечник из Nb: 361 × 348 упаковок диаметром 5 мкм. нити. Критический ток 1700 А (16 тесла, 4,2 К), критическая плотность тока 20 кА / см2

Провод HTS

Провода для высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) изготавливаются из сверхпроводников с высоким критическая температура (высокотемпературная сверхпроводимость ), Такие как YBCO и BSCCO.

Порошок в тюбике

Упрощенная схема процесса PIT

Порошок в тюбике (PIT, или оксидный порошок в трубке, OPIT) является процесс экструзии часто используется для изготовления электрических проводников из хрупких сверхпроводящий материалы, такие как ниобий-олово[10] или же диборид магния,[11] и керамика купратные сверхпроводники Такие как BSCCO.[12][13] Он использовался для формирования проводов железные пниктиды.[14] (PIT не используется для оксида иттрия-бария-меди, поскольку он не имеет слабых слоев, необходимых для создания адекватныхтекстура (выравнивание) в процессе PIT.)

Этот процесс используется, потому что высокотемпературные сверхпроводники слишком хрупкие для нормальные процессы формовки проволоки. Трубки металлические, часто серебро. Часто пробирки нагревают, чтобы смесь порошков вступила в реакцию. После реакции трубки иногда сплющиваются, образуя ленточный проводник. Полученная проволока не такая гибкая, как обычная металлическая проволока, но ее достаточно для многих применений.

Есть на месте и ex situ варианты процесса, а также метод «двойного ядра», сочетающий оба.[15]

Лента или провод из сверхпроводника с покрытием

Покрытый сверхпроводник ленты известны как сверхпроводящие провода второго поколения. Эти провода имеют форму металлической ленты шириной около 10 мм и толщиной около 100 микрометров, покрытой сверхпроводящими материалами, такими как YBCO. Через несколько лет после открытия Высокотемпературная сверхпроводимость материалы, такие как YBCO, было продемонстрировано, что эпитаксиальный YBCO тонкие пленки выращенный на решетке подобран монокристаллы например оксид магния MgO, титанат стронция (SrTiO3) и сапфир имели высокие плотности сверхкритического тока 10–40 кА / мм2.[16][17] Однако для изготовления длинной ленты требовался гибкий материал с подобранной решеткой. Пленки YBCO, нанесенные непосредственно на материалы металлических подложек, обладают плохими сверхпроводящими свойствами. Было продемонстрировано, что промежуточный слой оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ), ориентированный по оси c, на металлической подложке может давать пленки YBCO более высокого качества, которые имеют плотность критического тока на один-два порядка меньше, чем на монокристаллических подложках.[18][19]

Прорыв произошел с изобретением ионно-лучевое осаждение (IBAD) технология изготовления двухосно ориентированных оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ) тонкие пленки на металлических лентах.[20]

Двухосная пленка YSZ действовала как буферный слой с согласованной решеткой для эпитаксиальный рост пленок YBCO на нем. Эти пленки YBCO достигли критической плотности тока более 1 МА / см.2. Другие буферные слои, такие как оксид церия (Исполнительный директор2 и оксид магния (MgO) были получены с использованием IBAD техника для сверхпроводниковых пленок.[21][22][23]

Гладкие подложки с шероховатостью порядка 1 нм необходимы для получения высококачественных сверхпроводниковых пленок. Первоначально подложки из хастеллоя подвергались электрополировке для создания гладкой поверхности. Хастеллой представляет собой сплав на основе никеля, способный выдерживать температуры до 800 ° C без плавления или сильного окисления. В настоящее время для сглаживания поверхности подложки используется техника нанесения покрытия, известная как «вращение на стекле» или «выравнивание осаждения из раствора».[24][25]

Недавно были продемонстрированы сверхпроводящие ленты с покрытием из YBCO, способные выдерживать более 500 А / см шириной при 77 К и 1000 А / см шириной при 30 К в сильном магнитном поле.[26][27][28][29]

Химическое осаждение из паровой фазы

CVD используется для YBCO ленты с покрытием.

Гибридное физико-химическое осаждение из паровой фазы

HPCVD можно использовать для тонкопленочных диборид магния. (Массовый MgB2 может быть получено путем инфильтрации жидкого магния или реактивного магния.)

Реактивное совместное испарение

Сверхпроводящий слой в сверхпроводящих проводах 2-го поколения может быть выращен путем совместного реактивного испарения составляющих металлов, редкоземельный элемент, барий, и медь.

Стандарты

Есть несколько МЭК (Международная электротехническая комиссия ) стандарты, относящиеся к сверхпроводящим проводам согласно TC90.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Характеристики сверхпроводящих магнитов». Основы сверхпроводимости. American Magnetics Inc., 2008 г.. Получено 11 октября, 2008.
  2. ^ «Сверхпроводящий провод бьет рекорд». Мир физики. Получено 3 сентября, 2009.
  3. ^ Уилсон, Мартин Н. "Сверхпроводящие магниты". (1983).
  4. ^ https://indico.cern.ch/event/440690/contributions/1089752/attachments/1143848/1639300/U4_final.pdf
  5. ^ Боттура, Л. "Магнитная закалка 101". Препринт arXiv arXiv: 1401.3927 (2014).
  6. ^ https://repositorio.unican.es/xmlui/handle/10902/12040
  7. ^ Экин, Джек. Экспериментальные методы низкотемпературных измерений: конструкция криостата, свойства материалов и испытания сверхпроводников на критические токи. Издательство Оксфордского университета, 2006.
  8. ^ Мацусита, Теруо; Кикицу, Акира; Саката, Харухиса; Ямафуджи, Каору; Нагата, Масаюки (1986). "Элементарная пиннинг-сила границ зерен в сверхпроводящем V3Ga Tapes ". Японский журнал прикладной физики. 25 (9): L792. Bibcode:1986JaJAP..25L.792M. Дои:10.1143 / JJAP.25.L792.
  9. ^ Дью-Хьюз, Д. (1978). «Твердотельный (обработка бронзы) V3Ga из сердечника из сплава V-Al ». Журнал прикладной физики. 49 (1): 327. Bibcode:1978JAP .... 49..327D. Дои:10.1063/1.324390.
  10. ^ Lindenhovius, J.L.H .; Хорнсвельд, E.M .; Den Ouden, A .; Wessel, W.A.J .; Тен Кейт, H.H.J. (2000). «Порошковые проводники в трубке (PIT) Nb / sub 3 / Sn для сильнопольных магнитов». IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости. 10 (1): 975–978. Bibcode:2000ITAS ... 10..975L. Дои:10.1109/77.828394.
  11. ^ Glowacki, B.A; Majoros, M; Викерс, M.E; Zeimetz, B (2001). «Сверхпроводящие свойства проводов типа порошок в трубке Cu-Mg-B и Ag-Mg-B». Physica C: сверхпроводимость. 372–376: 1254. arXiv:cond-mat / 0109085. Bibcode:2002PhyC..372.1254G. Дои:10.1016 / S0921-4534 (02) 00986-3.
  12. ^ Ларбалестиер, Дэвид и др. (1997) Гл. 5-дюймовые проводники в оболочке или порошковые трубки в Отчет группы WTEC по энергетическим применениям сверхпроводимости в Японии и Германии
  13. ^ Билз, Тимоти П .; Джутсон, Джо; Ле Лей, Люк; Мёльгг, Мишеле (1997). «Сравнение свойств обработки порошка в трубке двух (Bi2-хPbИкс) Sr2Ca2Cu 3О10 + δ порошки ». Журнал химии материалов. 7 (4): 653. Дои:10.1039 / a606896k.
  14. ^ Май.; и другие. (2009). «Изготовление и определение характеристик проволоки из пниктида железа и сыпучих материалов методом порошка в трубке». Physica C. 469 (9–12): 651–656. arXiv:0906.3114. Bibcode:2009PhyC..469..651M. Дои:10.1016 / j.physc.2009.03.024.
  15. ^ Nakane, T .; Takahashi, K .; Kitaguchi, H .; Кумакура, Х. (2009). "Производство MgB в медной оболочке2 проволока с высокими характеристиками Jc – B с использованием смеси на месте и ex situ Техники ПИТ ". Physica C: сверхпроводимость. 469 (15–20): 1531–1535. Bibcode:2009PhyC..469.1531N. Дои:10.1016 / j.physc.2009.05.227.
  16. ^ Блю К. и Булчанд П. (1991). "На месте подготовка сверхпроводящего Y1Ба2Cu3О7 − δ тонкие пленки методом осевого высокочастотного магнетронного распыления из стехиометрической мишени ». Письма по прикладной физике. 58 (18): 2036. Bibcode:1991АпФЛ..58.2036Б. Дои:10.1063/1.105005.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  17. ^ Саввидес, Н., и Катсарос, А. (1993). "На месте рост эпитаксиального YBa2Cu3О7 тонкие пленки осевым несбалансированным магнетронным распылением на постоянном токе ». Письма по прикладной физике. 62 (5): 528. Bibcode:1993АпФЛ..62..528С. Дои:10.1063/1.108901.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  18. ^ Руссо, Р. Э., Рид, Р. П., Макмиллан, Дж. М., и Олсен, Б. Л. (1990). «Металлические буферные слои и тонкие пленки Y-Ba-Cu-O на Pt и нержавеющей стали с использованием импульсного лазерного осаждения». Журнал прикладной физики. 68 (3): 1354. Bibcode:1990JAP .... 68.1354R. Дои:10.1063/1.346681.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  19. ^ Рид Р. П., Бердал П., Руссо Р. Э. и Гаррисон С. М. Лазер (1992). «Нанесение двухосно-текстурированных буферных слоев из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, на поликристаллические металлические сплавы для получения тонких пленок Y-Ba-Cu-O с высоким критическим током». Письма по прикладной физике. 61 (18): 2231. Bibcode:1992АпФЛ..61.2231Р. Дои:10.1063/1.108277.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  20. ^ Iijima, Y .; Tanabe, N .; Коно, О .; Икено, Ю. (1992). "YBa с выравниванием по плоскости2Cu3О7-х тонкие пленки, нанесенные на поликристаллические металлические подложки ». Письма по прикладной физике. 60 (6): 769. Bibcode:1992АпФЛ..60..769И. Дои:10.1063/1.106514.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  21. ^ Гнанараджан С., Катсарос А. и Саввидес Н. (1997). «Биаксиально ориентированные буферные слои оксида церия, оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, и их бислоев». Письма по прикладной физике. 70 (21): 2816. Bibcode:1997АпФЛ..70.2816Г. Дои:10.1063/1.119017.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  22. ^ Ван, К. П., До, К. Б., Бизли, М. Р., Гебалле, Т. Х., и Хаммонд, Р. Х (1997). «Осаждение плоско-текстурированного MgO на аморфные подложки Si3N4 с помощью ионно-лучевого осаждения и сравнения с ионно-лучевым осаждением оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия». Письма по прикладной физике. 71 (20): 2955. Bibcode:1997АпФЛ..71.2955Вт. Дои:10.1063/1.120227.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  23. ^ Arendt, P.N .; Фолтын, С.Р .; Civale, L .; Depaula, R.F .; Dowden, P.C .; Groves, J.R .; Holesinger, T.G .; Jia, Q.X .; Kreiskott, S .; Stan, L .; Усов, И .; Wang, H .; Колтер, Дж. (2004). «Провода с покрытием YBCO с высоким критическим током на основе IBAD MgO». Physica C. 412: 795. Bibcode:2004PhyC..412..795A. Дои:10.1016 / j.physc.2003.12.074.
  24. ^ Гнанараджан, С., и Ду, Дж. (2005). «Гибкий YBa2Cu3О7 − δсверхпроводящие ленты на неметаллических подложках со спин-на-стеклом и буферными слоями IBAD-YSZ ». Наука и технологии сверхпроводников. 18 (4): 381. Bibcode:2005SuScT..18..381G. Дои:10.1088/0953-2048/18/4/001.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  25. ^ Шихан, Крис; Чон, Ехён; Холзингер, Терри; Фельдманн, Д. Мэтью; Эдни, Синтия; Ihlefeld, Jon F .; Clem, Paul G .; Матиас, Владимир (2011). «Планаризация наплавкой длинномерных гибких подложек». Письма по прикладной физике. 98 (7): 071907. Bibcode:2011АпФЛ..98г1907С. Дои:10.1063/1.3554754.
  26. ^ Фолтын, С.Р .; Arendt, P.N .; Dowden, P.C .; Depaula, R.F .; Groves, J.R .; Coulter, J.Y .; Цюаньси Цзя; Maley, M.P .; Петерсон, Д. (1999). "High-Tc проводники с покрытием - характеристики гибких лент YBCO / IBAD метровой длины ». IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости. 9 (2): 1519. Bibcode:1999ITAS .... 9.1519F. Дои:10.1109/77.784682.
  27. ^ Усоскин А., Фрейхардт Х. С. (2011). "Проводники с YBCO-покрытием, изготовленные методом высокоскоростного импульсного лазерного напыления". Бюллетень MRS. 29 (8): 583–589. Дои:10.1557 / mrs2004.165.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  28. ^ Палке, Патрик; Геринг, Майкл; Зигер, Макс; Лаос, Майралуна; Эйстерер, Майкл; Усоскин, Александр; Стромер, Ян; Хольцапфель, Бернхард; Шульц, Людвиг; Хьюне, Рубен (2015). "Толстый высокий Jc Фильмы YBCO на шаблонах ABAD-YSZ ». IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости. 25 (3): 1. Bibcode:2015ITAS ... 2578533P. Дои:10.1109 / TASC.2014.2378533.
  29. ^ Сельваманикам В., Гарахчешмех М. Х., Сюй А., Чжан Ю. и Галстян Э. (2015). «Плотность критического тока выше 15 МА · см−2 при 30 К, 3 Тл в сильно легированном (Gd, Y) Ba толщиной 2.2 мкм2Cu3ОИкс сверхпроводниковые ленты ». Наука и технологии сверхпроводников. 28 (7): 072002. Bibcode:2015СукТ..28г2002С. Дои:10.1088/0953-2048/28/7/072002.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)