stringtranslate.com

Сверхпроводящий провод

Пример проволоки ( сплав V 3 Ga ), используемой в сверхпроводящем магните.

Сверхпроводящие провода — это электрические провода , изготовленные из сверхпроводящего материала. При охлаждении ниже температуры перехода они имеют нулевое электрическое сопротивление . Чаще всего используются обычные сверхпроводники, такие как ниобий-титан [1] , но на рынок выходят высокотемпературные сверхпроводники, такие как YBCO .

Преимущества сверхпроводящего провода перед медью или алюминием включают более высокую максимальную плотность тока и нулевую рассеиваемую мощность . Его недостатки включают стоимость охлаждения проводов до сверхпроводящих температур (часто требующих криогенов , таких как жидкий азот или жидкий гелий ), опасность закалки проводов (внезапная потеря сверхпроводимости), худшие механические свойства некоторых сверхпроводников и Стоимость проводных материалов и конструкции. [2]

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

Важные параметры

Конструкция и рабочая температура обычно выбираются так, чтобы максимизировать:

Сверхпроводящие провода/ленты/кабели обычно имеют две ключевые особенности:

Температура разделения тока T cs — это температура, при которой ток, проходящий через сверхпроводник, начинает течь и через стабилизатор. [5] [6] Однако T cs не совпадает с температурой закалки (или критической температурой) T c ; в первом случае происходит частичная потеря сверхпроводимости, а во втором случае сверхпроводимость теряется полностью. [7]

LTS провод

Провода низкотемпературного сверхпроводника (НТС) изготавливаются из сверхпроводников с низкой критической температурой , таких как Nb 3 Sn ( ниобий-олово ) и NbTi ( ниобий-титан ). Часто сверхпроводник имеет форму нити в медной или алюминиевой матрице, по которой проходит ток, если сверхпроводник по какой-либо причине загаснет. Сверхпроводниковые нити могут составлять треть общего объема провода.

Подготовка

Чертеж проволоки

Обычный процесс волочения проволоки можно использовать для ковких сплавов, таких как ниобий-титан.

Поверхностная диффузия

Ванадий-галлий (V 3 Ga) можно получить путем поверхностной диффузии, при которой высокотемпературный твердый компонент омывается другим элементом в виде жидкости или газа. [8] Когда все компоненты остаются в твердом состоянии во время высокотемпературной диффузии, это называется бронзовым процессом. [9]

ВТС-провод

Провода высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) изготавливаются из сверхпроводников с высокой критической температурой ( высокотемпературной сверхпроводимостью ), таких как YBCO и BSCCO .

Порошок в тюбике

Упрощенная схема процесса PIT

Процесс «порошок в трубке» (PIT или оксидный порошок в трубке , OPIT) представляет собой процесс экструзии, часто используемый для изготовления электрических проводников из хрупких сверхпроводящих материалов, таких как ниобий-олово [10] или диборид магния [ 11] и керамический купрат . сверхпроводники , такие как BSCCO . [12] [13] Он использовался для формирования проводов из пниктидов железа . [14] (PIT не используется для оксида иттрия, бария, меди, поскольку он не имеет слабых слоев, необходимых для создания адекватной « текстуры » (выравнивания) в процессе PIT.)

Этот процесс используется потому, что высокотемпературные сверхпроводники слишком хрупкие для обычных процессов формирования проволоки . Трубки металлические, часто серебряные . Часто трубки нагревают для реакции смеси порошков. После реакции трубки иногда сплющиваются, образуя ленточный проводник. Полученная проволока не такая гибкая, как обычная металлическая проволока, но достаточна для многих применений.

Существуют варианты этого процесса in situ и ex situ , а также метод «двойного ядра», который сочетает в себе оба варианта. [15]

Сверхпроводящая лента или проволока с покрытием

Сверхпроводящие ленты с покрытием известны как сверхпроводящие провода второго поколения. [16] Эти провода имеют форму металлической ленты шириной около 10 мм и толщиной около 100 микрометров, покрытой сверхпроводниковыми материалами, такими как YBCO . Через несколько лет после открытия материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью , таких как YBCO , было продемонстрировано, что эпитаксиальные тонкие пленки YBCO , выращенные на монокристаллах с согласованной решеткой, таких как оксид магния MgO , титанат стронция (SrTiO 3 ) и сапфир , имеют высокие сверхкритические плотности тока. 10–40 кА/мм 2 . [17] [18] Однако для изготовления длинной ленты требовался гибкий материал с решетчатой ​​структурой. Пленки YBCO, нанесенные непосредственно на металлические подложки, обладают плохими сверхпроводящими свойствами. Было продемонстрировано, что промежуточный слой циркония, стабилизированного иттрием (YSZ), ориентированный по оси c, на металлической подложке может давать пленки YBCO более высокого качества, которые все еще имеют на один-два порядка меньшую критическую плотность тока, чем та, которая получается на монокристаллических подложках. [19] [20]

Прорыв произошел с изобретением метода ионно-лучевого осаждения (IBAD) для производства тонких пленок диоксида циркония , стабилизированного иттрием (YSZ) на металлических лентах, и процесса прокатки двухосно-текстурированных подложек (RABiTS) для производства двухоснотекстурированные металлические подложки посредством термомеханической обработки. [21] [22]

В процессе IBAD пленка YSZ с двухосной текстурой представляла собой монокристаллическую матрицу для эпитаксиального роста пленок YBCO. Эти пленки YBCO достигли критической плотности тока более 1 МА/см 2 . Другие буферные слои, такие как оксид церия (CeO 2 ) и оксид магния (MgO), были изготовлены с использованием технологии IBAD для сверхпроводниковых пленок. [23] [24] Подробности о субстратах и ​​технологии IBAD были рассмотрены Арендт. [25] Процесс IBAD-MgO с использованием LMO был изобретен и разработан в Ок-Риджской национальной лаборатории и получил награду R&D100 в 2007 году. [26] Этот субстратный процесс с использованием LMO в настоящее время используется практически всеми производителями HST. проволока на основе подложки IBAD. В подложках RABiTS сам металлический шаблон имел двухосную текстуру, а затем на металлический шаблон наносились гетероэпитаксиальные буферные слои Y 2 O 3 , YSZ и CeO 2 с последующим гетероэпитаксиальным осаждением сверхпроводникового слоя. Подробности о субстратах и ​​технологии RABiTS были рассмотрены Гоялом. [27]

По состоянию на 2015 год были продемонстрированы сверхпроводниковые ленты с покрытием YBCO, способные выдерживать ток более 500 А/см ширины при 77 К и 1000 А/см ширины при 30 К в сильном магнитном поле. [28] [29] [30] [31] В 2021 году сообщалось о сверхпроводниковых лентах с покрытием YBCO, способных выдерживать ток более 250 А/см ширины при 77 К и 2500 А/см ширины при 20 К для коммерческих проводов. [32] В 2021 году экспериментальная демонстрация сверхлегированной пленки YBCO показала 90 МА/см 2 при 5 К и 6 МА/см 2 при 77 К в магнитном поле 7 Тл. [33]

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы

Химическое осаждение из паровой фазы металлов и органических соединений (MOCVD) — это один из процессов осаждения, используемых для изготовления проводящих лент с покрытием YBCO . Игнатьев представляет обзор процессов MOCVD, используемых для нанесения пленок YBCO посредством MOCVD-осаждения. [34]

Реактивное совместное испарение

Сверхпроводящий слой в сверхпроводящих проводах 2-го поколения также можно выращивать путем термического испарения составляющих его металлов, редкоземельных элементов , бария и меди . Пруссейт представляет обзор процесса термического испарения, используемого для нанесения высококачественных пленок YBCO . [35]

Импульсное лазерное напыление

Сверхпроводящий слой в сверхпроводящих проводах 2-го поколения также можно выращивать методом импульсного лазерного осаждения (PLD). Кристен представляет обзор процесса PLD, используемого для нанесения высококачественных пленок YBCO . [36]

Стандарты

Существует несколько стандартов IEC ( Международной электротехнической комиссии ), касающихся сверхпроводящих проводов под TC90.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Характеристики сверхпроводящих магнитов». Основы сверхпроводимости . Американская компания Magnetics Inc., 2008 г. Проверено 11 октября 2008 г.
  2. ↑ Дюме, Белль (26 июля 2006 г.). «Сверхпроводящий провод бьет рекорд». Мир физики . Архивировано из оригинала 30 октября 2007 года . Проверено 3 сентября 2009 г.
  3. ^ Уилсон, Мартин Н. «Сверхпроводящие магниты». (1983).
  4. ^ «Блок 4: Практические сверхпроводники для ускорительных магнитов» (PDF) .
  5. ^ Боттура, Л. «Магнитная закалка 101». Препринт arXiv arXiv:1401.3927 (2014).
  6. ^ Кутильяс, Труеба; Мануэль, Хосе (20 сентября 2017 г.). «Эффективное поле в сверхпроводящих кабелях большого размера для термоядерного синтеза».
  7. ^ Экин, Джек. Экспериментальные методы низкотемпературных измерений: конструкция криостата, свойства материалов и испытания критических токов сверхпроводников. Издательство Оксфордского университета, 2006.
  8. ^ Мацусита, Теруо; Кикицу, Акира; Саката, Харухиса; Ямафудзи, Каору; Нагата, Масаюки (1986). «Элементарная сила закрепления границ зерен в сверхпроводящих лентах V 3 Ga». Японский журнал прикладной физики . 25 (9): L792. Бибкод : 1986JaJAP..25L.792M. дои :10.1143/JJAP.25.L792. S2CID  98297536.
  9. ^ Дью-Хьюз, Д. (1978). «Твердотельный (бронзовый процесс) V 3 Ga из сердечника из сплава V-Al». Журнал прикладной физики . 49 (1): 327–332. Бибкод : 1978JAP....49..327D. дои : 10.1063/1.324390.
  10. ^ Линденховиус, JLH; Хорнсвельд, ЕМ; Ден Оуден, А.; Вессель, WAJ; Тен Кейт, HHJ (2000). «Порошковые в трубке (PIT) проводники Nb/sub 3/Sn для магнитов сильного поля» (PDF) . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 10 (1): 975–978. Бибкод : 2000ITAS...10..975L. дои : 10.1109/77.828394. S2CID  26260700.
  11. ^ Гловацкий, бакалавр; Майорос, М; Викерс, Мэн; Зеймец, Б. (2001). «Сверхпроводящие свойства порошковых трубчатых проводов Cu-Mg-B и Ag-Mg-B». Физика C: Сверхпроводимость . 372–376: 1254–1257. arXiv : cond-mat/0109085 . Бибкод : 2002PhyC..372.1254G. дои : 10.1016/S0921-4534(02)00986-3. S2CID  119339527.
  12. ^ Ларбалестье, Дэвид и др. (1997) Ч. 5 «Проводники в оболочке или порошковые трубки» в отчете группы WTEC по энергетическому применению сверхпроводимости в Японии и Германии.
  13. ^ Билз, Тимоти П.; Джатсон, Джо; Ле Лэй, Люк; Мёльгг, Мишель (1997). «Сравнение свойств обработки порошка в трубке двух порошков (Bi 2-x Pb x )Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+δ ». Журнал химии материалов . 7 (4): 653. дои : 10.1039/a606896k.
  14. ^ Ма, Ю.; и другие. (2009). «Изготовление и определение характеристик проволок из пниктида железа и сыпучих материалов методом порошка в трубке». Физика С. 469 (9–12): 651–656. arXiv : 0906.3114 . Бибкод : 2009PhyC..469..651M. doi :10.1016/j.physc.2009.03.024. S2CID  118367961.
  15. ^ Накане, Т.; Такахаши, К.; Китагути, Х.; Кумакура, Х. (2009). «Изготовление провода MgB 2 с медной оболочкой с высокими характеристиками Jc – B с использованием сочетания методов PIT in situ и ex situ ». Физика C: Сверхпроводимость . 469 (15–20): 1531–1535. Бибкод : 2009PhyC..469.1531N. doi :10.1016/j.physc.2009.05.227.
  16. ^ Гоял, Амит. ВТСП-проводники второго поколения. Springer New York, Нью-Йорк, 2005 г., https://doi.org/10.1007/b106635, ISBN в твердом переплете 978-1-4020-8117-0.
  17. ^ Блю, К., и Булчанд, П. (1991). « Получение in situ сверхпроводящих тонких пленок Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-δ путем осевого высокочастотного магнетронного распыления из стехиометрической мишени». Письма по прикладной физике . 58 (18): 2036. Бибкод : 1991ApPhL..58.2036B. дои : 10.1063/1.105005.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ Саввидес Н. и Катсарос А. (1993). «Выращивание in situ эпитаксиальных тонких пленок YBa2Cu3O7 методом осевого несбалансированного магнетронного распыления постоянного тока». Письма по прикладной физике . 62 (5): 528. Бибкод : 1993ApPhL..62..528S. дои : 10.1063/1.108901 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  19. ^ 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. Бибкод : 1990JAP....68.1354R. дои : 10.1063/1.346681.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  20. ^ Рид, Р.П., Бердал, П., Руссо, Р.Э., и Гаррисон, SM Laser (1992). «Нанесение двухоснотекстурированных буферных слоев диоксида циркония, стабилизированных иттрием, на поликристаллические металлические сплавы для тонких пленок Y-Ba-Cu-O с высоким критическим током». Письма по прикладной физике . 61 (18): 2231. Бибкод : 1992ApPhL..61.2231R. дои : 10.1063/1.108277.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  21. ^ Иидзима, Ю.; Танабэ, Н.; Кохно, О.; Икено, Ю. (1992). «Плоскоориентированные тонкие пленки YBa 2 Cu 3 O 7-x , осажденные на поликристаллические металлические подложки». Письма по прикладной физике . 60 (6): 769. Бибкод : 1992ApPhL..60..769I. дои : 10.1063/1.106514.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  22. ^ Гоял; и другие. (1996). «Сверхпроводящие ленты с высокой критической плотностью тока методом эпитаксиального осаждения толстых пленок YBa2Cu3Ox на биаксиально текстурированные металлы». Письма по прикладной физике . 69 (12): 1795. Бибкод : 1996ApPhL..69.1795G. дои : 10.1063/1.117489.
  23. ^ Гнанараян С., Кацарос А. и Саввидес Н. (1997). «Биаксиально выровненные буферные слои оксида церия, стабилизированного иттрием диоксида циркония и их бислои». Письма по прикладной физике . 70 (21): 2816. Бибкод : 1997ApPhL..70.2816G. дои : 10.1063/1.119017.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  24. ^ Ван, CP, До, КБ, Бисли, MR, Гебалль, TH, и Хаммонд, RH (1997). «Осаждение плоскотекстурированного MgO на аморфные подложки Si3N4 методом ионно-лучевого осаждения и сравнение с ионно-лучевым осаждением стабилизированного иттрием циркония». Письма по прикладной физике . 71 (20): 2955. Бибкод : 1997ApPhL..71.2955W. дои : 10.1063/1.120227.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  25. ^ Пол Арендт, Глава 1 под названием «Шаблонные пленки IBAD для проводников с покрытием», страницы 3–28 в книге под названием «Проводники HTS второго поколения», под редакцией Гояла, Амита. Springer New York, Нью-Йорк, 2005 г., https://doi.org/10.1007/b106635, ISBN в твердом переплете 978-1-4020-8117-0.
  26. ^ «ORNL выигрывает шесть наград R&D 100 Awards, общее количество которых достигло 134 | ORNL» .
  27. ^ Амит Гоял, Глава 2 под названием «Эпитаксиальные сверхпроводники на двухосно-текстурированных подложках с прокаткой (RABiTS)», страницы 29-46 в книге под названием «ВТСП-проводники второго поколения», под редакцией Гояла, Амита. Springer New York, Нью-Йорк, 2005 г., https://doi.org/10.1007/b106635, ISBN в твердом переплете 978-1-4020-8117-0.
  28. ^ Фолтин, СР; Арендт, ПН; Дауден, ПК; Депаула, РФ; Гроувс, младший; Коултер, Дж. Я.; Цюаньси Цзя; Малей, член парламента; Петерсон, Делавэр (1999). «Проводники с высокотемпературным покрытием - характеристики гибких лент YBCO / IBAD метровой длины». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 9 (2): 1519. Бибкод : 1999ITAS....9.1519F. дои : 10.1109/77.784682. S2CID  8640817.
  29. ^ Усоскин А. и Фрейхардт ХК (2011). «Проводники с YBCO-покрытием, изготовленные методом высокоскоростного импульсного лазерного осаждения». Вестник МРС . 29 (8): 583–589. дои : 10.1557/mrs2004.165. S2CID  137126501.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  30. ^ Пальке, Патрик; Геринг, Майкл; Зигер, Макс; Лао, Майралуна; Эйстерер, Майкл; Усоскин, Александр; Стромер, Ян; Хольцапфель, Бернхард; Шульц, Людвиг; Хюне, Рубен (2015). «Фильмы Thick High J c YBCO на шаблонах ABAD-YSZ». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 25 (3): 1. Бибкод : 2015ITAS...2578533P. дои : 10.1109/TASC.2014.2378533. S2CID  30199901.
  31. ^ Сельваманикам, В., Гарахчешме, М.Х., Сюй, А., Чжан, Ю., и Галстян, Э. (2015). «Критическая плотность тока выше 15 МА см -2 при 30 К, 3 Тл в сильнолегированных (Gd,Y)Ba 2 ​​Cu 3 O x сверхпроводниковых лентах толщиной 2,2 мкм». Сверхпроводниковая наука и технология . 28 (7): 072002. Бибкод : 2015SuScT..28g2002S. дои : 10.1088/0953-2048/28/7/072002. S2CID  123093286.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  32. ^ Молодик, А.; Самойленков С.; Маркелов А.; Дегтяренко П.; Ли, С.; Петрыкин В.; Гайфуллин М.; Манкевич А.; Вавилов А.; Сорбом, Б.; Ченг, Дж. (22 января 2021 г.). «Разработка и крупносерийное производство сверхпроводящих проводов YBa2Cu3O7 с чрезвычайно высокой плотностью тока для сварки». Научные отчеты . 11 (1): 2084. doi : 10.1038/s41598-021-81559-z. ISSN  2045-2322. ПМЦ 7822827 . ПМИД  33483553. 
  33. ^ Штангл, А.; Палау, А.; Дойчер, Г.; Обрадорс, X.; Пуч, Т. (14 апреля 2021 г.). «Сверхвысокие плотности критического тока сверхпроводящих тонких пленок YBa2Cu3O7-δ в передопированном состоянии». Научные отчеты . 11 (1): 8176. arXiv : 2009.03366 . Бибкод : 2021NatSR..11.8176S. дои : 10.1038/s41598-021-87639-4. ISSN  2045-2322. ПМК 8047038 . ПМИД  33854183. 
  34. ^ Прюссейт, В. (2005). Методы осаждения ВТС: термическое испарение. В: Гоял А. (ред.) ВТСП-проводники второго поколения. Спрингер, Бостон, Массачусетс. https://doi.org/10.1007/0-387-25839-6_6.
  35. ^ Прюссейт, В. (2005). Методы осаждения ВТС: термическое испарение. В: Гоял А. (ред.) ВТСП-проводники второго поколения. Спрингер, Бостон, Массачусетс. https://doi.org/10.1007/0-387-25839-6_6.
  36. ^ Кристен, HM (2005). Импульсное лазерное осаждение YBa2Cu2O7-δ для применения в проводниках с покрытием: современное состояние и проблемы стоимости. В: Гоял А. (ред.) ВТСП-проводники второго поколения. Спрингер, Бостон, Массачусетс. https://doi.org/10.1007/0-387-25839-6_5.