stringtranslate.com

Сверхпроводящий провод

Пример проволоки ( сплав V3Ga ) , 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 по сравнению с медью или алюминием включают более высокую максимальную плотность тока и нулевое рассеивание мощности . К его недостаткам относятся стоимость охлаждения провода до сверхпроводящих температур (часто требующая криогенов, таких как жидкий азот или жидкий гелий ), опасность закалки провода (внезапная потеря сверхпроводимости), худшие механические свойства некоторых сверхпроводников и стоимость материалов и конструкции провода. [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 таким образом, чтобы максимально обеспечить:

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

Температура распределения тока T cs — это температура, при которой ток, транспортируемый через сверхпроводник, также начинает протекать через стабилизатор. [5] [6] Однако T cs — это не то же самое, что температура гашения (или критическая температура) T c ; в первом случае происходит частичная потеря сверхпроводимости, тогда как во втором случае сверхпроводимость теряется полностью. [7]

Провод ЛТС

Провода из низкотемпературного сверхпроводника (НТС) изготавливаются из сверхпроводников с низкой критической температурой , таких как Nb3Sn ( ниобий-олово ) и NbTi ( ниобий-титан ). Часто сверхпроводник находится в форме нити в медной или алюминиевой матрице, которая проводит ток, если сверхпроводник по какой-либо причине гаснет. Нити сверхпроводника могут составлять треть общего объема провода.

Подготовка

Волочение проволоки

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

Поверхностная диффузия

Ванадий-галлий ( V3Ga ) может быть получен методом поверхностной диффузии, где 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 известно как процесс бронзирования. [9]

ВТСП провод

Провода из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) изготавливаются из сверхпроводников с высокой критической температурой ( высокотемпературная сверхпроводимость ), таких как YBCO и BSCCO .

Порошок в тюбике

Упрощенная схема процесса НДФЛ

Процесс «порошок в трубке» (PIT, или оксидный порошок в трубке , OPIT) — это процесс экструзии, часто используемый для изготовления электрических проводников из хрупких сверхпроводящих материалов, таких как ниобий-олово [10] или диборид магния [11] , а также керамических купратных сверхпроводников, таких 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, поскольку высокотемпературные сверхпроводники слишком хрупкие для обычных процессов формирования проводов . Трубки металлические, часто серебряные . Часто трубки нагревают для реакции смеси порошков. После реакции трубки иногда сплющивают, чтобы сформировать лентообразный проводник. Полученный провод не такой гибкий, как обычная металлическая проволока, но достаточен для многих применений.

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

Лента или провод со сверхпроводящим покрытием

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 высокотемпературных сверхпроводящих материалов, таких как YBCO , было продемонстрировано, что эпитаксиальные тонкие пленки YBCO, выращенные на согласованных по решетке монокристаллах, таких как оксид магния MgO , титанат стронция (SrTiO 3 ) и сапфир, имеют высокие сверхкритические плотности тока 10–40 кА/мм 2 . [16] [17] Однако для изготовления длинной ленты требовался согласованный по решетке гибкий материал. Пленки YBCO, нанесенные непосредственно на металлические подложки, демонстрируют плохие сверхпроводящие свойства. Было показано, что промежуточный слой оксида циркония, стабилизированного иттрием (YSZ) и ориентированного 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 те, которые получены на монокристаллических подложках. [18] [19]

Прорыв произошел с изобретением метода осаждения с помощью ионного пучка (IBAD) для производства двуосно ориентированных тонких пленок из стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония (YSZ) на металлических лентах и ​​процесса прокатки двуосно-текстурированных подложек (RABiTS) для производства двуосно-текстурированных металлических подложек с помощью термомеханической обработки. [20] [21]

В процессе IBAD двуосно-текстурированная пленка YSZ обеспечивала монокристаллоподобный шаблон 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 получены с использованием техники IBAD для сверхпроводящих пленок. [22] [23] Подробная информация о подложках и технологии IBAD была рассмотрена Арендт. [24] Процесс процесса IBAD-MgO с поддержкой LMO был изобретен и разработан в Национальной лаборатории Ок-Ридж и получил премию R&D100 в 2007 году. [25] Этот процесс подложки с поддержкой LMO в настоящее время используется практически всеми производителями проводов HST на основе подложки IBAD. В подложках RABiTS металлический шаблон сам по себе был биаксиально-текстурированным, а затем на металлический шаблон наносились гетероэпитаксиальные буферные слои Y 2 O 3 , YSZ и CeO 2 , после чего следовало гетероэпитаксиальное осаждение сверхпроводящего слоя. Подробная информация о подложках RABiTS и технологии была рассмотрена Гойалом. [26]

По состоянию на 2015 год были продемонстрированы сверхпроводящие ленты с покрытием YBCO, способные переносить более 500 А/см ширины при 77 К и 1000 А/см ширины при 30 К в сильном магнитном поле. [27] [28] [29] [30] В 2021 году были зарегистрированы сверхпроводящие ленты с покрытием YBCO, способные переносить более 250 А/см ширины при 77 К и 2500 А/см ширины при 20 К для коммерчески производимых проводов. [31] 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. [32]

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) является одним из процессов осаждения, используемых для изготовления проводящих лент с покрытием YBCO . Игнатьев дает обзор процессов MOCVD, используемых для осаждения пленок YBCO посредством осаждения MOCVD. [33]

Реактивное совместное испарение

Сверхпроводящий слой в сверхпроводящих проводах 2-го поколения также может быть выращен путем термического испарения составляющих металлов, редкоземельных элементов , бария и меди . Пруссайт дает обзор процесса термического испарения, используемого для осаждения высококачественных пленок YBCO . [34]

Импульсное лазерное напыление

Сверхпроводящий слой в сверхпроводящих проводах 2-го поколения также может быть выращен методом импульсного лазерного осаждения (PLD). Кристен дает обзор процесса PLD, используемого для осаждения высококачественных пленок YBCO . [35]

Стандарты

Существует несколько стандартов МЭК ( Международной электротехнической комиссии ), относящихся к сверхпроводящим проводам в рамках TC90.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Характеристики сверхпроводящих магнитов". Основы сверхпроводимости . American Magnetics Inc. 2008. Получено 11 октября 2008 г.
  2. ^ Дюме, Белль (26 июля 2006 г.). «Сверхпроводящий провод бьет рекорд». Physics World . Архивировано из оригинала 30 октября 2007 г. Получено 3 сентября 2009 г.
  3. ^ Уилсон, Мартин Н. «Сверхпроводящие магниты». (1983).
  4. ^ "Unit 4: Практические сверхпроводники для ускорительных магнитов" (PDF) .
  5. ^ Боттура, Л. «Магнитное подавление 101». Препринт arXiv arXiv:1401.3927 (2014).
  6. ^ Кутильяс, Труэба; 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 сверхпроводников на критический ток. Oxford university press, 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. ^ Dew-Hughes, D. (1978). "Твердотельный (бронзовый процесс) V 3 Ga из сердечника из сплава V-Al". Журнал прикладной физики . 49 (1): 327–332. Bibcode : 1978JAP....49..327D. doi : 10.1063/1.324390.
  10. ^ Линденховиус, Дж. Л. Х.; Хорнсвельд, Э. М.; Ден Оуден, А.; Вессель, В. А. Дж.; Тен Кейт, Х. Х. Дж. (2000). «Порошковые проводники Nb/sub 3/Sn для магнитов с высоким полем» (PDF) . IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 10 (1): 975–978. Bibcode : 2000ITAS...10..975L. doi : 10.1109/77.828394. S2CID  26260700.
  11. ^ Glowacki, BA; Majoros, M; Vickers, ME; Zeimetz, B (2001). «Сверхпроводящие свойства порошковых проводов Cu-Mg-B и Ag-Mg-B в трубке». Physica C: Сверхпроводимость . 372–376: 1254–1257. arXiv : cond-mat/0109085 . Bibcode : 2002PhyC..372.1254G. doi : 10.1016/S0921-4534(02)00986-3. S2CID  119339527.
  12. ^ Ларбалестье, Дэвид и др. (1997) Гл. 5 «Оболоченные или порошковые проводники в трубках» в отчете группы экспертов WTEC по энергетическим применениям сверхпроводимости в Японии и Германии
  13. ^ Beales, Timothy P.; Jutson, Jo; Le Lay, Luc; Mölgg, Michelé (1997). "Сравнение свойств обработки порошка в трубке двух порошков (Bi 2−x Pb x )Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+δ ". Journal of Materials Chemistry . 7 (4): 653. doi :10.1039/a606896k.
  14. ^ Ma, Y.; et al. (2009). «Изготовление и характеристика железных пниктидных проводов и объемных материалов методом порошка в трубке». Physica C. 469 ( 9–12): 651–656. arXiv : 0906.3114 . Bibcode : 2009PhyC..469..651M. doi : 10.1016/j.physc.2009.03.024. S2CID  118367961.
  15. ^ Накане, Т.; Такахаши, К.; Китагучи, Х.; Кумакура, Х. (2009). «Изготовление проволоки MgB 2 с медной оболочкой и высокими характеристиками Jc–B с использованием смеси методов PIT in situ и ex situ ». Physica C: Сверхпроводимость . 469 (15–20): 1531–1535. Bibcode :2009PhyC..469.1531N. doi :10.1016/j.physc.2009.05.227.
  16. ^ Blue, C., & Boolchand, P. (1991). " In situ приготовление сверхпроводящих тонких пленок Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7−δ методом осевого высокочастотного магнетронного распыления из стехиометрической мишени". Applied Physics Letters . 58 (18): 2036. Bibcode : 1991ApPhL..58.2036B. doi : 10.1063/1.105005.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Savvides, N., & Katsaros, A. (1993). "In situ growth of epitaxial YBa2Cu3O7 thin films by on-axis unbalanced direct current magnetron spraying". Applied Physics Letters . 62 (5): 528. Bibcode :1993ApPhL..62..528S. doi : 10.1063/1.108901 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ Russo, RE, Reade, RP, McMillan, JM, & Olsen, BL (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. doi : 10.1063/1.346681.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  19. ^ Reade, RP, Berdahl, P., Russo, RE, & Garrison, SM Laser (1992). "нанесение биаксиально текстурированных буферных слоев оксида циркония, стабилизированного иттрием, на поликристаллические металлические сплавы для тонких пленок Y-Ba-Cu-O с высоким критическим током". Applied Physics Letters . 61 (18): 2231. Bibcode : 1992ApPhL..61.2231R. doi : 10.1063/1.108277.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  20. ^ Иидзима, Y.; Танабэ, N.; Коно, O.; Икено, Y. (1992). "Выровненные в плоскости тонкие пленки YBa 2 Cu 3 O 7−x, нанесенные на поликристаллические металлические подложки". Applied Physics Letters . 60 (6): 769. Bibcode :1992ApPhL..60..769I. doi :10.1063/1.106514.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  21. ^ Goyal; et al. (1996). "Сверхпроводящие ленты с высокой критической плотностью тока, полученные эпитаксиальным осаждением толстых пленок YBa2Cu3Ox на двухосно текстурированных металлах". Applied Physics Letters . 69 (12): 1795. Bibcode : 1996ApPhL..69.1795G. doi : 10.1063/1.117489.
  22. ^ Gnanarajan, S., Katsaros, A., & Savvides, N. (1997). "Двуосно выровненные буферные слои оксида церия, стабилизированного иттрием циркония и их бислои". Applied Physics Letters . 70 (21): 2816. Bibcode : 1997ApPhL..70.2816G. doi : 10.1063/1.119017.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  23. ^ Wang, CP, Do, KB, Beasley, MR, Geballe, TH, & Hammond, R. H (1997). "Осаждение текстурированного в плоскости MgO на аморфных подложках Si3N4 с помощью ионно-лучевого осаждения и сравнение с осаждением ионно-лучевого осаждения стабилизированного иттрием циркония". Applied Physics Letters . 71 (20): 2955. Bibcode : 1997ApPhL..71.2955W. doi : 10.1063/1.120227.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  24. ^ Пол Арендт, Глава 1 под названием «Плёнки-шаблоны IBAD для проводников с покрытием», страницы 3–28 в книге «Проводники HTS второго поколения», под редакцией Гойала, Эмита. Springer New York, NY, 2005, https://doi.org/10.1007/b106635, Твёрдый переплёт ISBN 978-1-4020-8117-0.
  25. ^ "ORNL выигрывает шесть наград R&D 100, доведя общее количество наград до 134 | ORNL".
  26. ^ Амит Гойал, Глава 2 под названием «Эпитаксиальные сверхпроводники на прокатных биаксиально-текстурированных подложках (RABiTS)», страницы 29–46 в книге под названием «Второе поколение ВТСП-проводников», под редакцией Гойала, Амита. Springer New York, NY, 2005, https://doi.org/10.1007/b106635, Твердый переплет ISBN 978-1-4020-8117-0.
  27. ^ Foltyn, SR; Arendt, PN; Dowden, PC; Depaula, RF; Groves, JR; Coulter, JY; Quanxi Jia; Maley, MP; Peterson, DE (1999). "Высокотемпературные проводники с покрытием — эксплуатационные характеристики метровых гибких лент YBCO/IBAD". IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 9 (2): 1519. Bibcode : 1999ITAS....9.1519F. doi : 10.1109/77.784682. S2CID  8640817.
  28. ^ Usoskin, A., & Freyhardt, HC (2011). "Проводники с покрытием YBCO, изготовленные методом высокоскоростного импульсного лазерного осаждения". MRS Bulletin . 29 (8): 583–589. doi :10.1557/mrs2004.165. S2CID  137126501.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  29. ^ 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.
  30. ^ Selvamanickam, V., Gharahcheshmeh, MH, Xu, A., Zhang, Y., & Galstyan, E. (2015). "Критическая плотность тока выше 15 MA см −2 при 30 K, 3 T в сильнолегированных (Gd,Y)Ba 2 ​​Cu 3 O x сверхпроводящих лентах толщиной 2,2 мкм". Наука и технологии сверхпроводников . 28 (7): 072002. Bibcode :2015SuScT..28g2002S. doi :10.1088/0953-2048/28/7/072002. S2CID  123093286.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  31. ^ Молодык, 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 термоядерного синтеза». Scientific Reports . 11 (1): 2084. doi :10.1038/s41598-021-81559-z. ISSN  2045-2322. PMC 7822827 . PMID  33483553. 
  32. ^ Stangl, A.; Palau, A.; Deutscher, G.; Obradors, X.; Puig, T. (14 апреля 2021 г.). "Сверхвысокие критические плотности тока сверхпроводящих тонких пленок YBa2Cu3O7-δ в передопированном состоянии". Scientific Reports . 11 (1): 8176. arXiv : 2009.03366 . Bibcode :2021NatSR..11.8176S. doi :10.1038/s41598-021-87639-4. ISSN  2045-2322. PMC 8047038 . PMID  33854183. 
  33. ^ Prusseit, W. (2005). Методы осаждения ВТСП: термическое испарение. В: Goyal, A. (ред.) Проводники ВТСП второго поколения. Springer, Бостон, Массачусетс. https://doi.org/10.1007/0-387-25839-6_6.
  34. ^ Prusseit, W. (2005). Методы осаждения ВТСП: термическое испарение. В: Goyal, A. (ред.) Проводники ВТСП второго поколения. Springer, Бостон, Массачусетс. https://doi.org/10.1007/0-387-25839-6_6.
  35. ^ Christen, HM (2005). Импульсное лазерное осаждение YBa2Cu2O7−δ для применения в проводниках с покрытием: текущее состояние и вопросы стоимости. В: Goyal, A. (ред.) Проводники HTS второго поколения. Springer, Бостон, Массачусетс. https://doi.org/10.1007/0-387-25839-6_5.