Las ventajas del cable superconductor sobre el cobre o el aluminio incluyen densidades de corriente máximas más altas y disipación de energía nula . Sus desventajas incluyen el costo de la refrigeración de los cables a temperaturas superconductoras (que a menudo requieren criógenos como nitrógeno líquido o helio líquido ), el peligro de que el cable se enfríe (una pérdida repentina de superconductividad), las propiedades mecánicas inferiores de algunos superconductores y el Costo de materiales de alambre y construcción. [2]
Su principal aplicación es en imanes superconductores , que se utilizan en equipos científicos y médicos donde son necesarios campos magnéticos elevados.
Parámetros importantes
La temperatura de construcción y funcionamiento normalmente se elegirá para maximizar:
Temperatura crítica T c , la temperatura por debajo de la cual el cable se convierte en superconductor
Densidad de corriente crítica J c , la corriente máxima que un cable superconductor puede transportar por unidad de área de sección transversal (consulte las imágenes a continuación para ver ejemplos con 20 kA/cm 2 ).
Los alambres/cintas/cables superconductores normalmente constan de dos características clave:
El compuesto superconductor (normalmente en forma de filamentos/recubrimiento)
Un estabilizador de conducción, que transporta la corriente en caso de pérdida de superconductividad (conocida como enfriamiento ) en el material superconductor. [3] [4]
La temperatura de reparto de corriente T cs es la temperatura a la que la corriente transportada a través del superconductor comienza a fluir también a través del estabilizador. [5] [6] Sin embargo, Tcs no es lo mismo que la temperatura de enfriamiento (o temperatura crítica) Tc ; en el primer caso, hay una pérdida parcial de la superconductividad, mientras que en el segundo caso, la superconductividad se pierde por completo. [7]
cable LTS
Los cables superconductores de baja temperatura (LTS) están hechos de superconductores con temperatura crítica baja , como Nb 3 Sn ( niobio-estaño ) y NbTi ( niobio-titanio ). A menudo, el superconductor se encuentra en forma de filamento en una matriz de cobre o aluminio que transporta la corriente en caso de que el superconductor se apague por cualquier motivo. Los filamentos superconductores pueden formar un tercio del volumen total del cable.
Preparación
trefilado
El proceso normal de trefilado se puede utilizar para aleaciones maleables como niobio-titanio.
Difusión superficial
El vanadio-galio (V 3 Ga) se puede preparar mediante difusión superficial donde el componente de alta temperatura en forma sólida se baña en el otro elemento en forma líquida o gaseosa. [8] Cuando todos los componentes permanecen en estado sólido durante la difusión a alta temperatura, esto se conoce como proceso de bronce. [9]
Secciones transversales de varios cables y alambres superconductores compuestos (Nb,Ti) 3 Sn. (440 a 7.800 A en campos de 8 a 19 teslas).
Cinta superconductora V 3 Ga (sección transversal de 10×0,14 mm). Un núcleo de vanadio se cubre con una capa de V 3 Ga de 15 µm, luego con bronce de 20 µm (capa estabilizadora) y una capa aislante de 15 µm. Corriente crítica 180 A (19,2 tesla, 4,2 K), densidad de corriente crítica 20 kA/cm 2
Cinta de Nb/Cu-7,5at%Sn-0,4at%Ti (sección transversal de 9,5×1,8 mm) desarrollada originalmente para un imán de 18,1 T. Nb núcleo: 361×348 paquetes de 5 µm de diámetro. filamentos. Corriente crítica 1700 A (16 tesla, 4,2 K), densidad de corriente crítica 20 kA/cm 2
El proceso de polvo en tubo (PIT, u polvo de óxido en tubo , OPIT) es un proceso de extrusión que se utiliza a menudo para fabricar conductores eléctricos a partir de materiales superconductores frágiles como niobio-estaño [10] o diboruro de magnesio , [11] y cuprato cerámico. superconductores como BSCCO . [12] [13] Se ha utilizado para formar alambres de pnictidas de hierro . [14] (El PIT no se utiliza para el óxido de itrio, bario y cobre, ya que no tiene las capas débiles necesarias para generar una ' textura ' (alineación) adecuada en el proceso PIT).
Este proceso se utiliza porque los superconductores de alta temperatura son demasiado frágiles para los procesos normales de formación de cables . Los tubos son de metal, a menudo plateados . A menudo, los tubos se calientan para hacer reaccionar la mezcla de polvos. Una vez reaccionados, los tubos a veces se aplanan para formar un conductor en forma de cinta. El alambre resultante no es tan flexible como el alambre metálico convencional, pero es suficiente para muchas aplicaciones.
Existen variantes del proceso in situ y ex situ , así como un método de "doble núcleo" que combina ambas. [15]
Cinta o alambre superconductor recubierto
Las cintas superconductoras recubiertas se conocen como cables superconductores de segunda generación. [16] Estos cables tienen la forma de una cinta metálica de aproximadamente 10 mm de ancho y aproximadamente 100 micrómetros de espesor, recubierta con materiales superconductores como YBCO . Unos años después del descubrimiento de materiales superconductores de alta temperatura como el YBCO , se demostró que las películas delgadas epitaxiales de YBCO cultivadas en monocristales reticulados como el óxido de magnesio MgO , el titanato de estroncio (SrTiO 3 ) y el zafiro tenían altas densidades de corriente supercrítica. de 10–40 kA/mm 2 . [17] [18] Sin embargo, se necesitaba un material flexible encajado en celosía para producir una cinta larga. Las películas de YBCO depositadas directamente sobre materiales de sustrato metálico exhiben propiedades superconductoras deficientes. Se demostró que una capa intermedia de circonio estabilizado con itrio (YSZ) orientada en el eje C sobre un sustrato metálico puede producir películas de YBCO de mayor calidad, que todavía tenían uno o dos órdenes menos de densidad de corriente crítica que la producida en los sustratos de cristal único. [19] [20]
El gran avance se produjo con la invención de la técnica de deposición asistida por haz de iones (IBAD) para producir películas delgadas de circonio estabilizado con itrio (YSZ) biaxialmente alineadas sobre cintas metálicas y el proceso de sustratos texturizados biaxialmente asistidos por laminación (RABiTS) para producir Sustratos metálicos texturizados biaxialmente mediante procesamiento termomecánico. [21] [22]
En el proceso IBAD, la película YSZ de textura biaxial proporcionó una plantilla similar a un cristal único para el crecimiento epitaxial de las películas YBCO. Estas películas de YBCO alcanzaron una densidad de corriente crítica de más de 1 MA/cm 2 . Otras capas tampón, como óxido de cerio (CeO 2 ) y óxido de magnesio (MgO), se produjeron utilizando la técnica IBAD para las películas superconductoras. [23] [24] Arendt revisó los detalles de los sustratos y la tecnología de IBAD. [25] El proceso de IBAD-MgO habilitado para OVM fue inventado y desarrollado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y ganó un premio R&D100 en 2007. [26] Este proceso de sustrato habilitado para OVM ahora lo utilizan prácticamente todos los fabricantes de HST. alambre basado en el sustrato IBAD. En los sustratos RABiTS, la propia plantilla metálica tenía textura biaxial y luego se depositaron capas amortiguadoras heteroepitaxiales de Y 2 O 3 , YSZ y CeO 2 sobre la plantilla metálica, seguido de la deposición heteroepitaxial de la capa superconductora. Goyal revisó los detalles de los sustratos y la tecnología RABiTS. [27]
A partir de 2015 [actualizar], se han demostrado cintas superconductoras recubiertas de YBCO capaces de transportar más de 500 A/cm de ancho a 77 K y 1000 A/cm de ancho a 30 K bajo un campo magnético elevado. [28] [29] [30] [31] En 2021, se informaron cintas superconductoras recubiertas de YBCO capaces de transportar más de 250 A/cm de ancho a 77 K y 2500 A/cm de ancho a 20 K para cables producidos comercialmente. [32] En 2021, una demostración experimental de una película de YBCO sobredopada informó 90 MA/cm 2 a 5 K y 6 MA/cm 2 a 77 K en un campo magnético de 7 T. [33]
Deposición de vapor químico orgánico metálico
La deposición química de vapor de metales orgánicos (MOCVD) es uno de los procesos de deposición utilizados para la fabricación de cintas conductoras recubiertas de YBCO . Ignatiev proporciona una descripción general de los procesos MOCVD utilizados para depositar películas YBCO mediante deposición MOCVD. [34]
Coevaporación reactiva
La capa superconductora de los cables superconductores de segunda generación también se puede desarrollar mediante evaporación térmica de los metales constituyentes, elementos de tierras raras , bario y cobre . Prusseit proporciona una descripción general del proceso de evaporación térmica utilizado para depositar películas de YBCO de alta calidad . [35]
Deposición con láser pulsado
La capa superconductora de los cables superconductores de segunda generación también se puede desarrollar mediante deposición por láser pulsado (PLD). Christen ofrece una descripción general del proceso PLD utilizado para depositar películas YBCO de alta calidad. [36]
^ "Características de los imanes superconductores". Conceptos básicos de superconductividad . American Magnetics Inc. 2008 . Consultado el 11 de octubre de 2008 .
^ Dumé, Bella (26 de julio de 2006). "El cable superconductor bate récord". Mundo de la Física . Archivado desde el original el 30 de octubre de 2007 . Consultado el 3 de septiembre de 2009 .
^ Wilson, Martin N. "Imanes superconductores". (1983).
^ "Unidad 4: Superconductores prácticos para imanes de aceleradores" (PDF) .
^ Bottura, L. "Apagado magnético 101". Preimpresión de arXiv arXiv:1401.3927 (2014).
^ Cutillas, Trueba; Manuel, José (20 de septiembre de 2017). "Campo efectivo en cables superconductores de gran tamaño para fusión".
^ Ekin, Jack. Técnicas experimentales para mediciones de baja temperatura: diseño de criostatos, propiedades de materiales y pruebas de corriente crítica de superconductores. Prensa de la Universidad de Oxford, 2006.
^ Matsushita, Teruo; Kikitsu, Akira; Sakata, Haruhisa; Yamafuji, Kaoru; Nagata, Masayuki (1986). "Fuerza de fijación elemental de los límites de los granos en cintas superconductoras V 3 Ga". Revista Japonesa de Física Aplicada . 25 (9): L792. Código Bib : 1986JaJAP..25L.792M. doi :10.1143/JJAP.25.L792. S2CID 98297536.
^ Dew-Hughes, D. (1978). "V 3 Ga de estado sólido (proceso de bronce) a partir de un núcleo de aleación V-Al". Revista de Física Aplicada . 49 (1): 327–332. Código bibliográfico : 1978JAP....49..327D. doi : 10.1063/1.324390.
^ Lindenhovius, JLH; Hornsveld, EM; Den Ouden, A.; Wessel, WAJ; Diez Kate, HHJ (2000). "Conductores Nb/sub 3/Sn de polvo en tubo (PIT) para imanes de alto campo" (PDF) . Transacciones IEEE sobre superconductividad aplicada . 10 (1): 975–978. Código Bib : 2000ITAS...10..975L. doi : 10.1109/77.828394. S2CID 26260700.
^ Glowacki, licenciado en Letras; Mayoros, M; Vickers, YO; Zeimetz, B (2001). "Propiedades superconductoras de los alambres de Cu-Mg-B y Ag-Mg-B de polvo en tubo". Física C: Superconductividad . 372–376: 1254–1257. arXiv : cond-mat/0109085 . Código Bib : 2002PhyC..372.1254G. doi :10.1016/S0921-4534(02)00986-3. S2CID 119339527.
^ Larbalestier, David y col. (1997) Cap. 5 "Conductores enfundados o de polvo en tubo" en el informe del panel WTEC sobre aplicaciones eléctricas de la superconductividad en Japón y Alemania
^ Beales, Timothy P.; Jutson, Jo; Le Lay, Luc; Mölgg, Michelé (1997). "Comparación de las propiedades de procesamiento de polvo en tubo de dos polvos (Bi 2−x Pb x ) Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 + δ ". Revista de Química de Materiales . 7 (4): 653. doi : 10.1039/a606896k.
^ Mamá, Y.; et al. (2009). "Fabricación y caracterización de alambres de pnictida de hierro y materiales a granel mediante el método de polvo en tubo". Física C. 469 (9–12): 651–656. arXiv : 0906.3114 . Código Bib : 2009PhyC..469..651M. doi : 10.1016/j.physc.2009.03.024. S2CID 118367961.
^ Nakane, T.; Takahashi, K.; Kitaguchi, H.; Kumakura, H. (2009). "Fabricación de alambre de MgB 2 revestido de Cu con alto rendimiento Jc-B utilizando una combinación de técnicas PIT in situ y ex situ ". Física C: Superconductividad . 469 (15-20): 1531-1535. Código Bib : 2009PhyC..469.1531N. doi : 10.1016/j.physc.2009.05.227.
^ Goyal, Amit. Conductores HTS de Segunda Generación. Springer Nueva York, Nueva York, 2005, https://doi.org/10.1007/b106635, tapa dura ISBN 978-1-4020-8117-0.
^ Azul, C. y Boolchand, P. (1991). " Preparación in situ de películas delgadas superconductoras de Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-δ mediante pulverización catódica con magnetrón de RF en el eje desde un objetivo estequiométrico". Letras de Física Aplicada . 58 (18): 2036. Código bibliográfico : 1991ApPhL..58.2036B. doi :10.1063/1.105005.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ Savvides, N. y Katsaros, A. (1993). "Crecimiento in situ de películas delgadas epitaxiales de YBa2Cu3O7 mediante pulverización catódica con magnetrón de corriente continua desequilibrada en el eje". Letras de Física Aplicada . 62 (5): 528. Código bibliográfico : 1993ApPhL..62..528S. doi : 10.1063/1.108901 .{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ Russo, RE, Reade, RP, McMillan, JM y Olsen, BL (1990). "Capas tampón metálicas y películas finas de Y-Ba-Cu-O sobre Pt y acero inoxidable mediante deposición por láser pulsado". Revista de Física Aplicada . 68 (3): 1354. Código bibliográfico : 1990JAP....68.1354R. doi : 10.1063/1.346681.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ Reade, RP, Berdahl, P., Russo, RE y Garrison, SM Laser (1992). "Deposición de capas tampón de circonio estabilizadas con itria texturizadas biaxialmente sobre aleaciones metálicas policristalinas para películas delgadas de Y-Ba-Cu-O de alta corriente crítica". Letras de Física Aplicada . 61 (18): 2231. Código bibliográfico : 1992ApPhL..61.2231R. doi :10.1063/1.108277.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ Iijima, Y.; Tanabe, N.; Kohno, O.; Ikeno, Y. (1992). " Películas delgadas de YBa 2 Cu 3 O 7-x alineadas en el plano depositadas sobre sustratos metálicos policristalinos". Letras de Física Aplicada . 60 (6): 769. Código bibliográfico : 1992ApPhL..60..769I. doi :10.1063/1.106514.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ Goyal; et al. (1996). "Cintas superconductoras de alta densidad de corriente crítica mediante deposición epitaxial de películas gruesas de YBa2Cu3Ox sobre metales texturizados biaxialmente". Letras de Física Aplicada . 69 (12): 1795. Código bibliográfico : 1996ApPhL..69.1795G. doi : 10.1063/1.117489.
^ Gnanarajan, S., Katsaros, A. y Savvides, N. (1997). "Capas tampón alineadas biaxialmente de óxido de cerio, circonio estabilizado con itria y sus bicapas". Letras de Física Aplicada . 70 (21): 2816. Código bibliográfico : 1997ApPhL..70.2816G. doi :10.1063/1.119017.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ Wang, CP, Do, KB, Beasley, MR, Geballe, TH y Hammond, RH (1997). "Deposición de MgO texturizado en el plano sobre sustratos amorfos de Si3N4 mediante deposición asistida por haz de iones y comparaciones con circonia estabilizada con itria depositada asistida por haz de iones". Letras de Física Aplicada . 71 (20): 2955. Código bibliográfico : 1997ApPhL..71.2955W. doi : 10.1063/1.120227.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ Paul Arendt, Capítulo 1 titulado "Películas de plantilla IBAD para conductores revestidos", páginas 3 a 28 en Libro titulado Conductores HTS de segunda generación, editado por Goyal, Amit. Springer Nueva York, Nueva York, 2005, https://doi.org/10.1007/b106635, tapa dura ISBN 978-1-4020-8117-0.
^ "ORNL gana seis premios R&D 100, lo que eleva el total a 134 | ORNL".
^ Amit Goyal, Capítulo 2 titulado "Superconductores epitaxiales sobre sustratos texturizados biaxialmente asistidos por laminación (RABiTS)", páginas 29-46 en el libro titulado Conductores HTS de segunda generación, editado por Goyal, Amit. Springer Nueva York, Nueva York, 2005, https://doi.org/10.1007/b106635, tapa dura ISBN 978-1-4020-8117-0.
^ Foltyn, SR; Arendt, PN; Dowden, ordenador personal; Depaula, RF; Arboledas, JR; Coulter, JY; Quanxi Jia; Maley, diputado; Peterson, DE (1999). "Conductores recubiertos de alta Tc-rendimiento de cintas flexibles YBCO/IBAD de un metro de longitud". Transacciones IEEE sobre superconductividad aplicada . 9 (2): 1519. Código bibliográfico : 1999ITAS....9.1519F. doi : 10.1109/77.784682. S2CID 8640817.
^ Usoskin, A. y Freyhardt, HC (2011). "Conductores recubiertos de YBCO fabricados mediante deposición de láser pulsado de alta velocidad". Boletín SRA . 29 (8): 583–589. doi :10.1557/mrs2004.165. S2CID 137126501.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ Pahlke, Patricio; Hering, Michael; Sieger, Max; Laos, Mayraluna; Eisterer, Michael; Usoskin, Alejandro; Stromer, enero; Holzapfel, Bernhard; Schultz, Ludwig; Huhne, Rubén (2015). "Películas gruesas de alta J c YBCO en plantillas ABAD-YSZ". Transacciones IEEE sobre superconductividad aplicada . 25 (3): 1. Código Bib :2015ITAS...2578533P. doi :10.1109/TASC.2014.2378533. S2CID 30199901.
^ Selvamanickam, V., Gharahcheshmeh, MH, Xu, A., Zhang, Y. y Galstyan, E. (2015). "Densidad de corriente crítica por encima de 15 MA cm −2 a 30 K, 3 T en cintas superconductoras (Gd, Y) Ba 2 Cu 3 O x fuertemente dopadas de 2,2 μm de espesor ". Ciencia y tecnología de superconductores . 28 (7): 072002. Código bibliográfico : 2015SuScT..28g2002S. doi :10.1088/0953-2048/28/7/072002. S2CID 123093286.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ Molodyk, A.; Samoilenkov, S.; Markélov, A.; Degtyarenko, P.; Lee, S.; Petrykin, V.; Gaifullin, M.; Mankevich, A.; Vavílov, A.; Sorbom, B.; Cheng, J. (22 de enero de 2021). "Desarrollo y producción en gran volumen de cables superconductores YBa2Cu3O7 de densidad de corriente extremadamente alta para fusión". Informes científicos . 11 (1): 2084. doi : 10.1038/s41598-021-81559-z. ISSN 2045-2322. PMC 7822827 . PMID 33483553.
^ Stangl, A.; Palaos, A.; Deutscher, G.; Obradors, X.; Puig, T. (14 de abril de 2021). "Densidades de corriente críticas ultraaltas de películas delgadas superconductoras de YBa2Cu3O7-δ en estado sobredopado". Informes científicos . 11 (1): 8176. arXiv : 2009.03366 . Código Bib : 2021NatSR..11.8176S. doi :10.1038/s41598-021-87639-4. ISSN 2045-2322. PMC 8047038 . PMID 33854183.
^ Prusseit, W. (2005). Métodos de deposición de HTS: evaporación térmica. En: Goyal, A. (eds) Conductores HTS de segunda generación. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/0-387-25839-6_6.
^ Prusseit, W. (2005). Métodos de deposición de HTS: evaporación térmica. En: Goyal, A. (eds) Conductores HTS de segunda generación. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/0-387-25839-6_6.
^ Christen, HM (2005). Deposición por láser pulsado de YBa2Cu2O7−δ para aplicaciones de conductores recubiertos: estado actual y problemas de costos. En: Goyal, A. (eds) Conductores HTS de segunda generación. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/0-387-25839-6_5.
