Su principal aplicación es en los imanes superconductores , que se utilizan en equipos científicos y médicos donde son necesarios campos magnéticos elevados.
Temperatura crítica T c , la temperatura por debajo de la cual el cable se convierte en un 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 cables/cintas/alambres superconductores generalmente constan de dos características clave:
El compuesto superconductor (generalmente en forma de filamentos/recubrimiento)
Un estabilizador de conducción, que transporta la corriente en caso de pérdida de superconductividad (conocida como extinción ) en el material superconductor. [3] [4]
La temperatura de compartición de corriente T cs es la temperatura a la cual la corriente transportada a través del superconductor también comienza a fluir a través del estabilizador. [5] [6] Sin embargo, T cs no es la misma que la temperatura de extinción (o temperatura crítica) T c ; en el primer caso, hay una pérdida parcial de superconductividad, mientras que en el último caso, la superconductividad se pierde por completo. [7]
Cable LTS
Los cables superconductores de baja temperatura (LTS) están hechos de superconductores con baja temperatura crítica , como Nb3Sn ( 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 extinga por cualquier motivo. Los filamentos superconductores pueden formar un tercio del volumen total del cable.
Preparación
Dibujo de alambre
El proceso normal de trefilado se puede utilizar para aleaciones maleables como el niobio-titanio.
Difusión superficial
El vanadio-galio (V 3 Ga) se puede preparar por difusión superficial, donde el componente de alta temperatura en estado sólido se baña en el otro elemento en estado líquido o gas. [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 de (Nb,Ti) 3 Sn. (440 a 7.800 A en campos de 8 a 19 teslas).
Cinta superconductora de V 3 Ga (sección transversal de 10 × 0,14 mm). El núcleo de vanadio está recubierto con una capa de V 3 Ga de 15 μm, luego una capa de 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. Núcleo de Nb: 361 × 348 paquetes de filamentos de 5 μm de diámetro. 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 óxido en polvo en tubo, OPIT) es un proceso de extrusión que se utiliza a menudo para fabricar conductores eléctricos a partir de materiales superconductores frágiles como el niobio - estaño [ 10] o el diboruro de magnesio [11] y superconductores de cuprato cerámico como el BSCCO [12] [13] Se ha utilizado para formar cables 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 de plata . A menudo, los tubos se calientan para hacer reaccionar la mezcla de polvos. Una vez que han reaccionado, los tubos a veces se aplanan para formar un conductor similar a una cinta. El cable resultante no es tan flexible como el cable de metal 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 ambos. [15]
Cinta o alambre superconductor recubierto
Estos cables tienen forma de cinta metálica de unos 10 mm de ancho y unos 100 micrómetros de espesor, recubierta de materiales superconductores como el 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 sobre monocristales con red coincidente, como el óxido de magnesio MgO , el titanato de estroncio (SrTiO 3 ) y el zafiro, tenían densidades de corriente supercrítica elevadas de 10–40 kA/mm 2 . [16] [17] Sin embargo, se necesitaba un material flexible con red coincidente para producir una cinta larga. Las películas de YBCO depositadas directamente sobre materiales de sustrato metálico presentan malas propiedades superconductoras. Se demostró que una capa intermedia de zirconia estabilizada con itrio (YSZ) orientada en el eje c sobre un sustrato metálico puede producir películas de YBCO de mayor calidad, que aún tenían una densidad de corriente crítica de uno a dos órdenes menos que la producida en los sustratos de cristal único. [18] [19]
El gran avance se produjo con la invención de la técnica de deposición asistida por haz de iones (IBAD) para producir películas delgadas de zirconia estabilizada con itrio (YSZ) alineadas biaxialmente sobre cintas metálicas y el proceso de sustratos texturizados biaxialmente asistidos por laminado (RABiTS) para producir sustratos metálicos texturizados biaxialmente mediante procesamiento termomecánico. [20] [21]
En el proceso IBAD, la película de YSZ texturizada biaxialmente proporcionó una plantilla similar a un monocristal para el crecimiento epitaxial de las películas de YBCO. Estas películas de YBCO alcanzaron una densidad de corriente crítica de más de 1 MA/cm2 . Se produjeron otras capas intermedias, como óxido de cerio (CeO2 ) y óxido de magnesio (MgO), utilizando la técnica IBAD para las películas superconductoras. [22] [23] Arendt revisó los detalles de los sustratos y la tecnología IBAD. [24] El proceso de IBAD-MgO habilitado con LMO se inventó y desarrolló en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y ganó un premio R&D100 en 2007. [25] Este proceso de sustrato habilitado con LMO ahora lo utilizan esencialmente todos los fabricantes de cables HST basados en el sustrato IBAD. En los sustratos RABiTS, la plantilla metálica en sí fue texturizada biaxialmente y luego se depositaron capas de amortiguación heteroepitaxiales de Y2O3 , YSZ y CeO2 sobre la plantilla metálica, seguidas de la deposición heteroepitaxial de la capa superconductora. Goyal revisó los detalles de los sustratos y la tecnología RABiTS. [26]
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 alto. [27] [28] [29] [30] 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. [31] 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. [32]
Deposición química en fase de vapor de organometales
La capa superconductora en los cables superconductores de segunda generación también se puede formar mediante evaporación térmica de los metales constituyentes, elementos de tierras raras , bario y cobre . Prusseit ofrece una descripción general del proceso de evaporación térmica utilizado para depositar películas de YBCO de alta calidad . [34]
Deposición por láser pulsado
La capa superconductora en los cables superconductores de segunda generación también se puede formar mediante deposición por láser pulsado (PLD). Christen ofrece una descripción general del proceso PLD utilizado para depositar películas de YBCO de alta calidad . [35]
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