Supraledande tråd

Ett exempel på en tråd ( V 3 Ga -legering) som används i en supraledande magnet

Supraledande ledningar är elektriska ledningar gjorda av supraledande material. När de kyls under deras övergångstemperaturer har de noll elektriskt motstånd . Vanligast är att konventionella supraledare som niob-titan används, men högtemperatursupraledare som YBCO kommer in på marknaden.

Supraledande tråds fördelar jämfört med koppar eller aluminium inkluderar högre maximala strömtätheter och noll effektförlust . Dess nackdelar inkluderar kostnaden för nedkylning av trådarna till supraledande temperaturer (som ofta kräver kryogener som flytande kväve eller flytande helium ), risken för att tråden släcks (en plötslig förlust av supraledning), de sämre mekaniska egenskaperna hos vissa supraledare, och kostnad för trådmaterial och konstruktion.

Dess huvudsakliga tillämpning är i supraledande magneter , som används i vetenskaplig och medicinsk utrustning där höga magnetfält är nödvändiga.

Viktiga parametrar

Konstruktionen och driftstemperaturen väljs vanligtvis för att maximera:

  • Kritisk temperatur T c , den temperatur under vilken tråden blir en supraledare
  • Kritisk strömtäthet Jc , den maximala ström som en supraledande tråd kan bära per enhet tvärsnittsarea (se bilder nedan för exempel med 20 kA/cm 2 ) .

Supraledande ledningar/band/kablar består vanligtvis av två nyckelfunktioner:

  • Den supraledande föreningen (vanligtvis i form av filament/beläggning)
  • En ledningsstabilisator, som bär strömmen i händelse av förlust av supraledning (känd som släckning ) i det supraledande materialet.

Strömdelningstemperaturen T cs är den temperatur vid vilken strömmen som transporteras genom supraledaren också börjar flyta genom stabilisatorn. Emellertid är T cs inte detsamma som kylningstemperaturen (eller kritisk temperatur) Tc ; i det förra fallet är det en partiell förlust av supraledning, medan i det senare fallet är supraledningsförmågan helt förlorad.

LTS tråd

Trådar för lågtemperatursupraledare (LTS) är gjorda av supraledare med låg kritisk temperatur , såsom Nb3Sn ( niob -tenn ) och NbTi ( niob-titan ). Ofta är supraledaren i glödtrådsform i en koppar- eller aluminiummatris som leder strömmen om supraledaren skulle släckas av någon anledning. Supraledartrådarna kan utgöra en tredjedel av trådens totala volym.

Förberedelse

Tråddragning

Den normala tråddragningsprocessen kan användas för formbara legeringar som niob-titan.

Ytdiffusion

Vanadin–gallium (V 3 Ga) kan framställas genom ytdiffusion där högtemperaturkomponenten som ett fast ämne badas i det andra elementet som vätska eller gas. När alla komponenter förblir i fast tillstånd under högtemperaturdiffusion kallas detta bronsprocessen.

  • Cross sections of various (Nb,Ti)3Sn composite superconducting cables and wires. (440 to 7,800 A in 8 to 19 tesla fields).

    Tvärsnitt av olika (Nb,Ti) 3 Sn sammansatta supraledande kablar och ledningar. (440 till 7 800 A i 8 till 19 teslafält).

  • V3Ga superconducting tape (10×0.14 mm cross section). A vanadium core is covered with 15 µm V3Ga layer, then 20 µm bronze (stabilizing layer) and 15 µm insulating layer. Critical current 180 A (19.2 tesla, 4.2 K), critical current density 20 kA/cm2

    V 3 Ga supraledande tejp (10×0,14 mm tvärsnitt). En vanadinkärna är täckt med 15 µm V 3 Ga-skikt, sedan 20 µm brons (stabiliserande skikt) och 15 µm isolerande skikt. Kritisk ström 180 A (19,2 tesla, 4,2 K), kritisk strömtäthet 20 kA/cm 2

  • Nb/Cu-7.5at%Sn-0.4at%Ti tape (9.5×1.8 mm cross section) originally developed for an 18.1 T magnet. Nb core: 361×348 packs of 5 µm dia. filaments. Critical current 1700 A (16 tesla, 4.2 K), critical current density 20 kA/cm2

    Nb/Cu-7,5at%Sn-0,4at%Ti-tejp (9,5×1,8 mm tvärsnitt) utvecklad ursprungligen för en 18,1 T-magnet. Nb kärna: 361×348 förpackningar med 5 µm dia. filament. Kritisk ström 1700 A (16 tesla, 4,2 K), kritisk strömtäthet 20 kA/cm 2

HTS tråd

Trådar för högtemperatursupraledare (HTS) är gjorda av supraledare med hög kritisk temperatur ( högtemperatursupraledning), såsom YBCO och BSCCO .

Pulver-i-rör

Förenklat diagram över PIT-processen

Pulver-i-rör-processen (PIT, eller oxidpulver i rör, OPIT) är en extruderingsprocess som ofta används för att tillverka elektriska ledare av spröda supraledande material som niobtenn eller magnesiumdiborid och keramiska kupratsupraledare som BSCCO . Den har använts för att bilda trådar av järnpnictider . (PIT används inte för yttriumbariumkopparoxid eftersom det inte har de svaga skikten som krävs för att generera adekvat " textur " (inriktning) i PIT-processen.)

Denna process används eftersom högtemperatursupraledarna är för spröda för normala trådformningsprocesser . Rören är av metall, ofta silver . Ofta värms rören upp för att reagera blandningen av pulver. När de har reagerat tillplattas rören ibland till en tejpliknande ledare. Den resulterande tråden är inte lika flexibel som konventionell metalltråd, men är tillräcklig för många applikationer.

Det finns in situ och ex situ varianter av processen, samt en "dubbel kärna"-metod som kombinerar båda.

Belagd supraledaretejp eller tråd

De belagda supraledarbanden är kända som andra generationens supraledartrådar. Dessa ledningar är i form av en metalltejp med cirka 10 mm bredd och cirka 100 mikrometer tjocklek, belagda med supraledande material såsom YBCO . Några år efter upptäckten av högtemperatursupraledningsmaterial såsom YBCO , visades det att epitaxiella YBCO tunna filmer odlade på gitter matchade enkristaller såsom magnesiumoxid MgO , strontiumtitanat (SrTiO 3 ) och safir hade höga superkritiska strömtätheter på 10–40 kA/mm 2 . Ett gittermatchat flexibelt material behövdes dock för att producera en lång tejp. YBCO-filmer avsatta direkt på metallsubstratmaterial uppvisar dåliga supraledande egenskaper. Det visades att ett c-axelorienterat yttria-stabiliserat zirkoniumoxid (YSZ) mellanskikt på ett metallsubstrat kan ge YBCO-filmer av högre kvalitet, som fortfarande hade en till två ordnings mindre kritisk strömtäthet än den som produceras på enkristallsubstraten.

Genombrottet kom med uppfinningen av tekniken för jonstråleassisterad deponering (IBAD) för att producera biaxiellt inriktade yttria-stabiliserade zirkoniumoxid (YSZ) tunna filmer på metallband och processen Rolling-Assisted-Biaxially-Textured-Substrates (RABiTS) för att producera biaxiellt texturerade metalliska substrat via termomekanisk bearbetning.

I IBAD-processen tillhandahöll den biaxiellt texturerade YSZ-filmen en enkristallliknande mall för den epitaxiella tillväxten av YBCO-filmerna. Dessa YBCO-filmer uppnådde en kritisk strömtäthet på mer än 1 MA/cm 2 . Andra buffertskikt som ceriumoxid (CeO 2 och magnesiumoxid (MgO) producerades med IBAD -tekniken för supraledarfilmerna. Detaljer om IBAD-substraten och teknologin granskades av Arendt. Processen med LMO-aktiverad IBAD-MgO-process var uppfanns och utvecklades vid Oak Ridge National Laboratory och vann en R&D100 Award 2007. Denna LMO-aktiverade substratprocess används nu av i stort sett alla tillverkare av HST-tråd baserad på IBAD-substratet. I RABiTS-substraten var själva metallmallen biaxiellt texturerade och heteroepitaxiella buffertskikt av Y 2 O 3 , YSZ och CeO 2 deponerades sedan på den metalliska mallen, följt av heterepitaxiell avsättning av supraledarelagret. Detaljer om RABiTS-substraten och teknologin granskades av Goyal.

Från och med 2015 har YBCO-belagda supraledareband som kan bära mer än 500 A/cm-bredd vid 77 K och 1000 A/cm-bredd vid 30 K under högt magnetfält demonstrerats. År 2021 rapporterades YBCO-belagda supraledareband som kan bära mer än 250 A/cm-bredd vid 77 K och 2500 A/cm-bredd vid 20 K för kommersiellt tillverkade ledningar. År 2021 rapporterade en experimentell demonstration av en överdopad YBCO-film 90 MA/cm 2 vid 5 K och 6 MA/cm 2 vid 77 K i ett 7 T magnetfält.

Metall organisk kemisk ångavsättning

Metall organisk kemisk ångavsättning (MOCVD) är en av de avsättningsprocesser som används för tillverkning av YBCO -belagda ledningstejper. Ignatiev ger en översikt över MOCVD-processer som används för att deponera YBCO- filmer via MOCVD-deponering.

Reaktiv samförångning

Supraledande skikt i 2:a generationens supraledande ledningar kan också odlas genom termisk avdunstning av ingående metaller, sällsynta jordartsmetaller , barium och koppar . Prusseit ger en översikt över den termiska avdunstningsprocessen som används för att deponera YBCO- filmer av hög kvalitet.

Pulserande laseravsättning

Supraledande skikt i 2:a generationens supraledande ledningar kan också odlas genom pulsad laserdeposition (PLD). Christen ger en översikt över PLD-processen som används för att deponera YBCO- filmer av hög kvalitet.

Standarder

Det finns flera IEC-standarder ( International Electrotechnical Commission ) relaterade till supraledande ledningar under TC90.

Se även

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Superconducting_wire&oldid=1127579595 "