Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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, обычные сверхпроводники , такие как ниобий-титан используют, [1] , но высокотемпературные сверхпроводники , такие как YBCO выходят на рынок.

Преимущества сверхпроводящего провода перед медью или алюминием включают более высокую максимальную плотность тока и нулевое рассеивание мощности . К его недостаткам относятся стоимость охлаждения проводов до сверхпроводящих температур (часто требующая криогенов, таких как жидкий азот или жидкий гелий ), опасность закалки проводов (внезапная потеря сверхпроводимости), худшие механические свойства некоторых сверхпроводников и стоимость проволочных материалов и конструкций. [2]

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

Важные параметры [ править ]

Конструкция и рабочая температура обычно выбираются таким образом, чтобы максимизировать:

  • Критическая температура T c , температура, ниже которой провод становится сверхпроводником.
  • Критическая плотность тока J c , максимальный ток, который сверхпроводящий провод может переносить на единицу площади поперечного сечения (см. Изображения ниже для примеров с 20 кА / см 2 ).


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 (известной как гашение ) в сверхпроводящем материале. [3] [4]


Температура разделения тока T cs - это температура, при которой ток, протекающий через сверхпроводник, также начинает течь 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 полностью теряется. [7]

LTS Wire [ править ]

Провода для низкотемпературных сверхпроводников (НТС) изготавливаются из сверхпроводников с низкой критической температурой , таких как Nb 3 Sn ( ниобий-олово ) и NbTi ( ниобий-титан ). 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 [ править ]

Чертеж провода [ править ]

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

Поверхностная диффузия [ править ]

Ванадий-галлий (V 3 Ga) может быть получен путем поверхностной диффузии, когда высокотемпературный компонент в виде твердого вещества растворяется в другом элементе в виде жидкости или газа. [8] Когда все компоненты остаются в твердом состоянии во время высокотемпературной диффузии, это называется бронзовым процессом. [9]

  • Поперечные сечения различных композитных сверхпроводящих кабелей и проводов (Nb, Ti) 3 Sn. (От 440 до 7800 А в полях от 8 до 19 тесла).

  • Сверхпроводящая лента V 3 Ga (сечение 10 × 0,14 мм). Сердцевина из ванадия покрыта слоем V 3 Ga толщиной 15 мкм , затем 20 мкм бронзой (стабилизирующий слой) и изолирующим слоем 15 мкм. Критический ток 180 А (19,2 тесла, 4,2 К), критическая плотность тока 20 кА / см 2

  • 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 / см 2

Провод HTS [ править ]

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

Порошок в тюбике [ править ]

Упрощенная схема процесса НДФЛ

Порошок в трубе (PIT, или порошок оксида в трубке , Opit) процесс представляет собой процесс экструзии часто используется для изготовления электрических проводников из хрупких сверхпроводящих материалов , такие как ниобий-олово [10] или магний диборид , [11] и керамический купрат сверхпроводники, такие как BSCCO . [12] [13] Он использовался для формирования проволоки из железных пниктидов . [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 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.

Существуют варианты процесса in situ и ex situ , а также метод «двойного ядра», сочетающий в себе и то и другое. [15]

Лента или провод из сверхпроводника с покрытием [ править ]

Сверхпроводящие ленты с покрытием 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 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 плотности сверхкритического тока 10–40 кА / мм2 . [16] [17] Однако для изготовления длинной ленты требовался гибкий материал, соответствующий параметрам решетки. Пленки YBCO, нанесенные непосредственно на металлические подложки, обладают плохими сверхпроводящими свойствами. Было продемонстрировано, что промежуточный слой оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ), ориентированного по оси c, на металлической подложке может давать пленки YBCO более высокого качества, которые все еще имеют плотность критического тока на один-два порядка меньше, чем на монокристаллических подложках. [18] [19]

Прорыв произошел с изобретением метода ионно-лучевого осаждения (IBAD) для производства двухосно ориентированных тонких пленок из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ), на металлических лентах. [20]

Двухосная пленка YSZ действовала как буферный слой с согласованной решеткой для эпитаксиального роста на ней 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 технологии IBAD 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 - это сплав на основе никеля, способный выдерживать температуры до 800 ° C без плавления или сильного окисления. В настоящее время для сглаживания поверхности подложки используется метод нанесения покрытия, известный 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 [ править ]

CVD используется для лент с покрытием YBCO .

Гибридное физико-химическое осаждение из паровой фазы [ править ]

HPCVD можно использовать для получения тонкопленочного диборида магния . (Объемный MgB 2 может быть получен путем инфильтрации PIT или реактивного жидкого Mg.)

Реактивное совместное испарение [ править ]

Сверхпроводящий слой в сверхпроводящих проводах 2-го поколения может быть выращен путем совместного реактивного испарения составляющих металлов, редкоземельных элементов , бария и меди .

Стандарты [ править ]

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

См. Также [ править ]

  • Ниобий-титан - проще в обращении, дешевле, но требует LHe
  • Ниобий-олово - сложный в обращении, более высокое критическое поле, но требует LHe
  • Купратные сверхпроводники
  • Высокотемпературная сверхпроводимость
  • Коэффициент остаточного сопротивления

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Характеристики сверхпроводящих магнитов» . Основы сверхпроводимости . Американский Magnetics Inc. 2008 . Проверено 11 октября 2008 года .
  2. ^ "Сверхпроводящий провод бьет рекорд" . Мир физики . Проверено 3 сентября 2009 года .
  3. ^ Уилсон, Мартин Н. "Сверхпроводящие магниты". (1983).
  4. ^ https://indico.cern.ch/event/440690/contributions/1089752/attachments/1143848/1639300/U4_final.pdf
  5. ^ Bottura, Л. "Магнит закалка 101." Препринт arXiv arXiv: 1401.3927 (2014).
  6. ^ https://repositorio.unican.es/xmlui/handle/10902/12040
  7. ^ Кин, Джек. Экспериментальные методы низкотемпературных измерений: конструкция криостата, свойства материалов и испытания сверхпроводников на критические токи. Издательство Оксфордского университета, 2006 г.
  8. ^ Мацусита, Теруо; Кикицу, Акира; Саката, Харухиса; Ямафуджи, Каору; Нагата, Масаюки (1986). "Элементарная сила пиннинга границ зерен в сверхпроводящих лентах V 3 Ga". Японский журнал прикладной физики . 25 (9): L792. Bibcode : 1986JaJAP..25L.792M . DOI : 10,1143 / JJAP.25.L792 .
  9. Перейти ↑ Dew-Hughes, D. (1978). «Твердотельный (процесс бронзы) V 3 Ga из сердечника из сплава V-Al». Журнал прикладной физики . 49 (1): 327. Bibcode : 1978JAP .... 49..327D . DOI : 10.1063 / 1.324390 .
  10. ^ Lindenhovius, JLH; Хорнсвельд, EM; Den Ouden, A .; Wessel, WAJ; Тен Кейт, HHJ (2000). «Порошковые проводники в трубке (PIT) Nb / sub 3 / Sn для сильнопольных магнитов». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 10 (1): 975–978. Bibcode : 2000ITAS ... 10..975L . DOI : 10.1109 / 77.828394 .
  11. ^ Glowacki, BA; Majoros, M; Викерс, Мэн; 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 . DOI : 10.1016 / S0921-4534 (02) 00986-3 .
  12. ^ Ларбалестиер, Дэвид и др. (1997) гл. 5 «Проводники в оболочке или порошкообразные трубки» в отчете группы экспертов 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 порошков (Bi 2-x Pb x ) Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 + δ ». Журнал химии материалов . 7 (4): 653. DOI : 10.1039 / a606896k .
  14. ^ Ma, Y ​​.; и другие. (2009). «Изготовление и определение характеристик проволоки из пниктида железа и сыпучих материалов методом порошкового напыления». Physica C . 469 (9–12): 651–656. arXiv : 0906.3114 . Bibcode : 2009PhyC..469..651M . DOI : 10.1016 / j.physc.2009.03.024 .
  15. ^ Накане, Т .; Takahashi, K .; Kitaguchi, H .; Кумакура, Х. (2009). «Изготовление проволоки MgB 2 с медной оболочкой с 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. ^ Синий, С, & Boolchand, P. (1991). « Получение на месте сверхпроводящих тонких пленок Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7 − δ осевым высокочастотным магнетронным распылением из стехиометрической мишени». Письма по прикладной физике . 58 (18): 2036. Bibcode : 1991ApPhL..58.2036B . DOI : 10.1063 / 1.105005 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Саввидис, Н., & Кацарос, А. (1993). « Рост in situ эпитаксиальных тонких пленок YBa 2 Cu 3 O 7 с помощью осевого несбалансированного магнетронного распыления на постоянном токе». Письма по прикладной физике . 62 (5): 528. Bibcode : 1993ApPhL..62..528S . DOI : 10.1063 / 1.108901 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. Перейти ↑ 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 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  19. ^ Reade, RP, Berdahl, П. Руссо, RE, & Garrison, SM Laser (1992). «осаждение двухосно-текстурированных буферных слоев 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 : 1992ApPhL..61.2231R . DOI : 10.1063 / 1.108277 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  20. ^ Iijima, Y .; Tanabe, N .; Коно, О .; Икено, Ю. (1992). «Выровненные в плоскости тонкие пленки YBa 2 Cu 3 O 7 − x, нанесенные на поликристаллические металлические подложки». Письма по прикладной физике . 60 (6): 769. Bibcode : 1992ApPhL..60..769I . DOI : 10.1063 / 1.106514 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  21. ^ Gnanarajan, С., Кацарос, А., и Саввидис, Н. (1997). «Биаксиально ориентированные буферные слои оксида церия, оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, и их бислоев». Письма по прикладной физике . 70 (21): 2816. Bibcode : 1997ApPhL..70.2816G . DOI : 10.1063 / 1.119017 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  22. Перейти ↑ Wang, CP, Do, KB, Beasley, MR, Geballe, TH, & Hammond, R.H (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 : 1997ApPhL..71.2955W . DOI : 10.1063 / 1.120227 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  23. ^ Арендт, ПН; Фолтын, SR; Civale, L .; Депола, РФ; Дауден, ПК; Гровс, младший; Холзингер, Т.Г. Цзя, QX; Kreiskott, S .; Stan, L .; Усов, И .; Wang, H .; Колтер, JY (2004). «Провода с покрытием YBCO с высоким критическим током на основе IBAD MgO» . Physica C . 412 : 795. Bibcode : 2004PhyC..412..795A . DOI : 10.1016 / j.physc.2003.12.074 .
  24. ^ Gnanarajan, С., & Д, J. (2005). «Гибкие сверхпроводящие ленты с покрытием YBa 2 Cu 3 O 7 − δ на неметаллических подложках со спин-на-стекле и буферными слоями IBAD-YSZ». Наука и технологии сверхпроводников . 18 (4): 381. Bibcode : 2005SuScT..18..381G . DOI : 10.1088 / 0953-2048 / 18/4/001 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  25. ^ Шиэн, 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 : 2011ApPhL..98g1907S . DOI : 10.1063 / 1.3554754 .
  26. ^ Foltyn, SR; Арендт, ПН; Дауден, ПК; Депола, РФ; Гровс, младший; Колтер, JY; Цюаньси Цзя; Малей, депутат; Петерсон, Д.Е. (1999). « Проводники с покрытием High-T c - характеристики гибких лент YBCO / IBAD метровой длины» . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 9 (2): 1519. Bibcode : 1999ITAS .... 9.1519F . DOI : 10.1109 / 77.784682 .
  27. ^ Усоскин, A., & Freyhardt, HC (2011). «Проводники с YBCO-покрытием, изготовленные методом высокоскоростного импульсного лазерного напыления». Бюллетень МИССИС . 29 (8): 583–589. DOI : 10.1557 / mrs2004.165 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  28. ^ Палке, Патрик; Геринг, Майкл; Зигер, Макс; Лаос, Майралуна; Эйстерер, Майкл; Усоскин, Александр; Стромер, Ян; Хольцапфель, Бернхард; Шульц, Людвиг; Хьюне, Рубен (2015). «Толстые пленки High J c YBCO на шаблонах ABAD-YSZ». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 25 (3): 1. Bibcode : 2015ITAS ... 2578533P . DOI : 10,1109 / TASC.2014.2378533 .
  29. ^ Selvamanickam, В., Gharahcheshmeh, МН, Сю, А., Чжан Ю., & Галстян, Е. (2015). «Критическая плотность тока выше 15 МА см -2 при 30 К, 3 Тл в сильно легированных (Gd, Y) лентах Ba 2 Cu 3 O x толщиной 2,2 мкм ». Наука и технологии сверхпроводников . 28 (7): 072002. Bibcode : 2015SuScT..28g2002S . DOI : 10.1088 / 0953-2048 / 28/7/072002 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )