Сверхпроводящий провод - Superconducting wire

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 , но на рынок выходят высокотемпературные сверхпроводники, такие как YBCO .

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), плохие механические свойства некоторых сверхпроводников и стоимость проволочных материалов и конструкций.

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 максимизировать:

  • Критическая температура T c , температура, ниже которой провод становится сверхпроводником.
  • Критическая плотность тока J c , максимальный ток, который сверхпроводящий провод может нести 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 переносит ток в случае потери сверхпроводимости (известной как гашение ) в сверхпроводящем материале.


Температура разделения тока T cs - это температура, при которой ток, протекающий через сверхпроводник, также начинает течь через стабилизатор. 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.

LTS провод

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. 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 (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. Когда все компоненты остаются в твердом состоянии во время высокотемпературной диффузии, это называется бронзовым процессом.

Провод HTS

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

Порошок в тюбике

Упрощенная схема процесса PIT

Процесс порошка 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 или диборид магния , и керамических сверхпроводников из купрата, таких как BSCCO . Он использовался для формирования проволоки из железных пниктидов . (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 хрупки 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 оба варианта.

Лента или провод из сверхпроводника с покрытием

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 / мм 2 . 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.

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.

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.

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 технология нанесения покрытия, известная как «вращение на стекле» или «выравнивание осаждения из раствора».

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.

Химическое осаждение из паровой фазы

CVD используется для лент с покрытием YBCO .

Гибридное физико-химическое осаждение из паровой фазы

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

Реактивное совместное испарение

Сверхпроводящий слой в сверхпроводящих проводах 2-го поколения можно выращивать за счет совместного реактивного испарения составляющих металлов, редкоземельных элементов , бария и меди .

Стандарты

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

Смотрите также

Рекомендации