سیم ابررسانا

نمونه ای از یک سیم (آلیاژ V₃Ga) استفاده شده در آهنربای ابررسانا

سیم های ابررسانا سیم های الکتریکی هستند که از مواد ابررسانا ساخته شده اند. وقتی در دمایی پایین‌تر از دمای گذار خنک شوند، مقاومت الکتریکی آن‌ها صفر است. غالباً ابررساناهای معمولی مانند نیوبیم-تیتانیوم مورد استفاده می‌گیرند، ^[۱] البته ابررساناهای دما بالا مانند YBCO در حال ورود به بازار هستند.

از مزایای سیم ابررسانا نسبت به مس یا آلومینیوم می توان به بیشتر بودن حداکثر چگالی جریان الکتریکی و اتلاف توان صفر اشاره کرد. از معایب آن می‌توان هزینه سرد کردن سیم ها تا دمای ابررسانا (اغلب به مواد سرمازا مانند نیتروژن مایع یا هلیوم مایع نیاز است)، خطر خاموش شدن سیم (از دست دادن ناگهانی ابررسانایی)، خواص مکانیکی پایین برخی ابررساناها، و هزینه‌های ماده‌ی استفاده‌شده در سیم و ساخت آن را نام برد. ^[۲]

کاربرد اصلی آن در آهنرباهای ابررسانا است که در تجهیزات علمی و پزشکی در مواردی که میدان مغناطیسی قوی لازم است استفاده می‌شود.

پارامترهای مهم

دمای ساخت اغلب با هدف بیشینه کردن موارد زیر انتخاب می‌شود:

• دمای بحرانی T_c ، که در دمای پایین‌تر از آن سیم به یک ابررسانا تبدیل می‌شود
• چگالی جریان الکتریکی بحرانی J_c ، که بیشترین جریانی است که یک ابررسانا می‌تواند در واحد سطح مقطع داشته باشد(تصاویر زیر را ببینید برای مثال با 20kA/cm²).

سیم‌ها، نوارها،و کابل‌های ابررسانا غالباً دو ویژگی کلیدی دارند:

• ترکیب ابررسانا (معمولا به شکل رشته‌ها/پوشش)
• یک تثبیت کننده رسانش، که جریان را در صورت از دست دادن ابررسانایی (معروف به خاموش شدن) در ماده ابررسانا حمل می‌کند. ^{[۳] [۴]}

دمای به اشتراک گذاری جریان T_CS دمایی است که در آن، جریان حمل‌شده توسط ابررسانا از طریق تثبیت‌کننده نیز شروع به جاری شدن می‌کند. ^{[۵] [۶]} با این حال، T_CS با دمای خاموشی (یا دمای بحرانی) T_C یکسان نیست_؛ در مورد اول، از دست دادن جزئی ابررسانایی وجود دارد، در حالی که در مورد دوم، ابررسانایی به طور کامل از بین می‌رود. ^[۷]

سیم LTS

سیم‌های ابررسانای دما پایین (LTS) از ابررساناهایی با دمای بحرانی پایین مانند نیوبیم-قلع (Nb₃Sn) و نیوبیم-تیتانیوم (NbTi) ساخته شده‌اند. غالباً ابررسانا به صورت یک رشته در زمینه‌ای از جنس مس یا آلومینیوم است که اگر ابررسانا به هر دلیلی دچار خاموشی شود، جریان را حمل می‌کند. رشته‌های ابررسانا می توانند یک سوم حجم کل سیم را تشکیل دهند.

آماده سازی

نقشه کشی سیم

فرآیند سیم‌کشی معمولی می‌‌تواند برای آلیاژهای چکش‌خوار مانند نیوبیم-تیتانیوم استفاده شود.

نفوذ سطحی

وانادیم-گالیم (V₃Ga) را می‌توان با نفوذ سطحی تهیه کرد که در آن جزء دما بالا به عنوان یک جامد در عنصر دیگر که به شکل مایع یا گاز است، شناور می‌شود. ^[۸] هنگامی که همه‌ی اجزاء در طول نفوذ در دمای بالا در حالت جامد باقی می‌مانند به این فرآیند، فرآ برنز گفته می‌شود. ^[۹]

• 
  سطح مقطع های مختلف کابل ها و سیم های ابررسانای کامپوزیتی (Nb,Ti)₃Sn (440 تا 7,800 آمپر در میدان 8 تا 19 تسلا)
• 
  نوار ابررسانای V₃Ga (سطح مقطع 10×0.14 mm ) . یک هسته‌ی وانادیمی با یک لایه‌ی 15 μm از V₃Ga ، سپس با یک لایه‌ی 20 μm برنزی (لایه‌ی پایدارکننده) و لایه‌ی 15 μm عایق پوشش داده شده است. جریان بحرانی 180 A (در میدان 19.2 T و دمای 4.2 K) و چگالی جریان بحرانی 20 kA/cm² است
• 
  نوار Nb/Cu-7.5at%Sn-0.4at%Ti (سطح مقطع 9.5×1.8 mm) که در اصل برای یک آهنربای 1.8 تسلایی توسعه داده شده است. هسته‌ی نئوبیمی: بسته های 361×348 با قطر 5 μm . رشته‌ها. جریان بحرانی 1,700 A (در میدان 16 T و دمای 4.2 K) و چگالی جریان بحرانی 20 kA/cm² است

سیم HTS

سیم‌های ابررسانای دمابالا (HTS) از ابررساناها با دمای بحرانی بالا (ابررسانایی با دمای بالا) مانند YBCO و BSCCO ساخته می‌شوند.

پودر در لوله

شکلی ساده از فرآیند PIT

فرآیند پودر در لوله (PIT، یا پودر اکسید در لوله، OPIT) یک فرآیند برون‌ریزی (اکستروژن) است که اغلب برای ساخت رساناهای الکتریکی از ابررساناهای ترد مانند نیوبیم-قلع ^[۱۰] یا منیزیم دی‌بورید، ^[۱۱] و ابررساناهای کوپرات سرامیکی مانند BSCCO استفاده می‌شود. ^{[۱۲] [۱۳]} از آن برای شکل‌دهی سیم‌های پنکتیدهای آهن استفاده می‌شود. ^[۱۴] (PIT برای اکسید مس ایتریم باریم استفاده نمی‌شود زیرا لایه های ضعیف لازم برای ایجاد بافت (هم‌ترازی) کافی در فرآیند PIT را ندارد)

این فرآیند به این دلیل استفاده می‌شود که ابررساناهای دمابالا برای فرآیندهای سیم‌کشی معمولی بسیار ترد هستند. لوله ها فلزی و اغلب از جنس نقره‌ هستند. اغلب، لوله‌ها برای واکنش با مخلوط پودرها حرارت داده می‌شوند. هنگام رخ دادن واکنش، لوله‌ها گاهی مسطح می‌شوند تا یک رسانای نوارمانند تشکیل شود. سیم به دست آمده به اندازه سیم فلزی معمولی انعطاف‌پذیر نیست، اما برای بسیاری از کاربردها کافی است.

در موقعیت فعلی و سابق انواع این فرآیند وجود دارد، و همچنین یک روش "دو هسته‌ای که ترکیبی از هر دو است نیز موجود است. ^[۱۵]

نوار یا سیم ابررسانا پوشش داده شده

نوارهای ابررسانای پوشش داده شده به عنوان نسل دوم سیم‌های ابررسانا شناخته می‌شوند. این سیم‌ها به شکل یک نوار فلزی با حدود 10 mm عرض و ضخامت μm100 هستند که با مواد ابررسانا مانند YBCO پوشش داده شده اند. چند سال پس از کشف ابررسانایی دمابالای موادی مانند YBCO ، نشان داده شد که همبافته YBCO با لایه‌های های نازک رشد کرده در شبکه همسان تک کریستال مانند منیزیم اکسید (MgO) ، استرانسیم تیتانیت (SrTiO₃) و یاقوت کبود چگالی جریان فوق بحرانی بیش از 10-40 kA/mm² دارند. ^{[۱۶] [۱۷]} با این حال، یک ماده انعطاف‌پذیر منطبق بر شبکه برای تولید یک نوار بلند لازم بود. لایه‌های YBCO که مستقیماً روی مواد زیرلایه فلزی رسوب می‌کنند، خواص ابررسانایی ضعیف از خود نشان می‌دهند. نشان داده شد که یک لایه‌ی میانی جهت‌گرفته در راستای محور c زیرکونیای تثبیت‌شده با ایتریا (YSZ) بر روی یک زیرلایه فلزی می‌تواند لایه‌های YBCO با کیفیت بالاتری تولید کند، که هنوز یک تا دو مرتبه چگالی جریان بحرانی کمتری نسبت به آن‌هایی که روی زیرلایه‌های تک کریستالی تشکیل شده است دارند. ^{[۱۸] [۱۹]}

این موفقیت با اختراع تکنیک رسوب به کمک تابش یون (IBAD) برای تولید لایه‌های نازک هم‌راستای دومحوره‌ی زیرکونیای تثبیت‌شده با ایتریا (YSZ) روی نوارهای فلزی حاصل شد. ^[۲۰]

این لایه‌ی دو محوره‌ی YSZ به عنوان یک لایه‌ی حائل مطابق با شبکه برای رشد همبافته‌ی لایه‌ی YBCO بر روی آن ایفای نقش می‌کند. این لایه‌های YBCO به چگالی جریان بحرانی بیش از 1 MA/cm² رسیده‌اند. لایه‌های حائل دیگر مانند اکسید سریم (CeO₂) و اکسید منیزیم (MgO) با استفاده از تکنیک IBAD برای لایه‌های ابررسانا تولید می‌شوند. ^{[۲۱] [۲۲] [۲۳]}

بسترهای صاف با زبری در مرتبه‌ی 1 nm برای لایه‌های ابررسانا با کیفیت بالا ضروری هستند. در ابتدا بسترهای هاستلوی برای ایجاد یک سطح صیقلی الکتروپولیش می‌شدند. هاستلوی یک آلیاژ بر پایه‌ی نیکل است که قادر به تحمل کردن دماهای تا 800°C بدون ذوب شدن یا اکسیداسیون شدید است. در حال حاضر یک تکنیک پوشش‌دهی معروف به "چرخش روی شیشه" یا "مسطح سازی رسوب محلول" برای صاف کردن سطح بستر استفاده می‌شود. ^{[۲۴] [۲۵]}

اخیراً نوارهای ابررسانای پوشش‌دهی شده‌ی YBCO قابلیت حمل بیش از 500 A/cm-width در 77 K و 500 A/cm-width در 30 K تحت میدان مغناطیسی قوی از خود نشان داده‌اند. ^{[۲۶] [۲۷] [۲۸] [۲۹]}

لایه‌نشانی بخار شیمیایی

CVD برای نوارهای پوشش داده شده‌ی YBCO مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ترکیب فرآیند رسوب‌دهی فیزیکی و شیمیایی بخار

HPCVD می تواند برای لایه‌ی نازک منیزیم دی‌بورید استفاده شود. (MgB₂ انبوه می تواند با PIT یا نفوذ منیزیم مذاب واکنشی ایجاد شود)

تبخیر همزمان واکنشی

لایه‌ی ابررسانا در نسل دوم سیم‌های ابررسانا می‌تواند با تبخیر همزمان واکنشی فلزات تشکیل دهنده، عنصر کمیاب زمین ، باریم و مس رشد کند.

استانداردها

چندین استاندارد IEC (کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک) مربوط به سیم های ابررسانا تحت TC90 وجود دارد.

همچنین ببینید

• نیوبیم-تیتانیم - به‌کارگیری آسان‌تر، ارزان‌تر، اما نیازمند LHe
• نیوبیم – قلع – به‌کارگیری دشوارتر، دارای میدان بحرانی بالاتر، اما نیازمند LHe
• ابررساناهای کوپرات
• ابررسانایی دمابالا
• نسبت مقاومت باقی‌مانده

منابع

1. "Characteristics of Superconducting Magnets". Superconductivity Basics. American Magnetics Inc. 2008. Retrieved 2008-10-11.
2. "Superconducting wire breaks record". Physics World. Archived from the original on 11 May 2009. Retrieved 2009-09-03.
3. Wilson, Martin N. "Superconducting magnets." (1983).
4. https://indico.cern.ch/event/440690/contributions/1089752/attachments/1143848/1639300/U4_final.pdf
5. Bottura, L. "Magnet quench 101." arXiv preprint arXiv:1401.3927 (2014).
6. Cutillas, Trueba; Manuel, Jose (September 20, 2017). "Effective field in large size superconducting cables for fusion".
7. Ekin, Jack. Experimental techniques for low-temperature measurements: cryostat design, material properties and superconductor critical-current testing. Oxford university press, 2006.
8. Matsushita, Teruo; Kikitsu, Akira; Sakata, Haruhisa; Yamafuji, Kaoru; Nagata, Masayuki (1986). "Elementary Pinning Force of Grain Boundaries in Superconducting V₃Ga Tapes". Japanese Journal of Applied Physics. 25 (9): L792. Bibcode:1986JaJAP..25L.792M. doi:10.1143/JJAP.25.L792.
9. Dew-Hughes, D. (1978). "Solid-state (bronze process) V₃Ga from a V-Al alloy core". Journal of Applied Physics. 49 (1): 327–332. Bibcode:1978JAP....49..327D. doi:10.1063/1.324390.
10. Lindenhovius, J.L.H.; Hornsveld, E.M.; Den Ouden, A.; Wessel, W.A.J.; Ten Kate, H.H.J. (2000). "Powder-in-tube (PIT) Nb/sub 3/Sn conductors for high-field magnets". IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 10 (1): 975–978. Bibcode:2000ITAS...10..975L. doi:10.1109/77.828394.
11. Glowacki, B.A; Majoros, M; Vickers, M.E; Zeimetz, B (2001). "Superconducting properties of the powder-in-tube Cu-Mg-B and Ag-Mg-B wires". Physica C: Superconductivity. 372–376: 1254–1257. arXiv:cond-mat/0109085. Bibcode:2002PhyC..372.1254G. doi:10.1016/S0921-4534(02)00986-3.
12. Larbalestier, David et al. (1997) Ch. 5 "Sheathed or Powder-in-Tube Conductors" in WTEC Panel Report on Power Applications of Superconductivity in Japan and Germany
13. Beales, Timothy P.; Jutson, Jo; Le Lay, Luc; Mölgg, Michelé (1997). "Comparison of the powder-in-tube processing properties of two (Bi_2−xPb_x)Sr₂Ca₂Cu ₃O_10+δ powders". Journal of Materials Chemistry. 7 (4): 653. doi:10.1039/a606896k.
14. Ma, Y.; et al. (2009). "Fabrication and characterization of iron pnictide wires and bulk materials through the powder-in-tube method". Physica C. 469 (9–12): 651–656. arXiv:0906.3114. Bibcode:2009PhyC..469..651M. doi:10.1016/j.physc.2009.03.024.
15. Nakane, T.; Takahashi, K.; Kitaguchi, H.; Kumakura, H. (2009). "Fabrication of Cu-sheathed MgB₂ wire with high Jc–B performance using a mixture of in situ and ex situ PIT techniques". Physica C: Superconductivity. 469 (15–20): 1531–1535. Bibcode:2009PhyC..469.1531N. doi:10.1016/j.physc.2009.05.227.
16. Blue, C., & Boolchand, P. (1991). "In situ preparation of superconducting Y₁Ba₂Cu₃O_7−δ thin films by on-axis rf magnetron sputtering from a stoichiometric target". Applied Physics Letters. 58 (18): 2036. Bibcode:1991ApPhL..58.2036B. doi:10.1063/1.105005.
17. Savvides, N., & Katsaros, A. (1993). "In situ growth of epitaxial YBa₂Cu₃O₇ thin films by on-axis unbalanced direct current magnetron sputtering". Applied Physics Letters. 62 (5): 528. Bibcode:1993ApPhL..62..528S. doi:10.1063/1.108901.
18. Russo, R. E., Reade, R. P., McMillan, J. M., & Olsen, B. L. (1990). "Metal buffer layers and Y-Ba-Cu-O thin films on Pt and stainless steel using pulsed laser deposition". Journal of Applied Physics. 68 (3): 1354. Bibcode:1990JAP....68.1354R. doi:10.1063/1.346681.
19. Reade, R. P., Berdahl, P., Russo, R. E., & Garrison, S. M. Laser (1992). "deposition of biaxially textured yttria-stabilized zirconia buffer layers on polycrystalline metallic alloys for high critical current Y-Ba-Cu-O thin films". Applied Physics Letters. 61 (18): 2231. Bibcode:1992ApPhL..61.2231R. doi:10.1063/1.108277.
20. Iijima, Y.; Tanabe, N.; Kohno, O.; Ikeno, Y. (1992). "In-plane aligned YBa₂Cu₃O_7−x thin films deposited on polycrystalline metallic substrates". Applied Physics Letters. 60 (6): 769. Bibcode:1992ApPhL..60..769I. doi:10.1063/1.106514.
21. Gnanarajan, S., Katsaros, A., & Savvides, N. (1997). "Biaxially aligned buffer layers of cerium oxide, yttria stabilized zirconia, and their bilayers". Applied Physics Letters. 70 (21): 2816. Bibcode:1997ApPhL..70.2816G. doi:10.1063/1.119017.
22. Wang, C. P., Do, K. B., Beasley, M. R., Geballe, T. H., & Hammond, R. H (1997). "Deposition of in-plane textured MgO on amorphous Si3N4 substrates by ion-beam-assisted deposition and comparisons with ion-beam-assisted deposited yttria-stabilized-zirconia". Applied Physics Letters. 71 (20): 2955. Bibcode:1997ApPhL..71.2955W. doi:10.1063/1.120227.
23. Arendt, P.N.; Foltyn, S.R.; Civale, L.; Depaula, R.F.; Dowden, P.C.; Groves, J.R.; Holesinger, T.G.; Jia, Q.X.; Kreiskott, S. (2004). "High critical current YBCO coated conductors based on IBAD MgO". Physica C. 412: 795. Bibcode:2004PhyC..412..795A. doi:10.1016/j.physc.2003.12.074.
24. Gnanarajan, S., & Du, J. (2005). "Flexible YBa₂Cu₃O_7−δ-coated superconductor tapes on non-metallic substrates with spin-on-glass and IBAD-YSZ buffer layers". Superconductor Science and Technology. 18 (4): 381. Bibcode:2005SuScT..18..381G. doi:10.1088/0953-2048/18/4/001.
25. Sheehan, Chris; Jung, Yehyun; Holesinger, Terry; Feldmann, D. Matthew; Edney, Cynthia; Ihlefeld, Jon F.; Clem, Paul G.; Matias, Vladimir (2011). "Solution deposition planarization of long-length flexible substrates". Applied Physics Letters. 98 (7): 071907. Bibcode:2011ApPhL..98g1907S. doi:10.1063/1.3554754.
26. Foltyn, S.R.; Arendt, P.N.; Dowden, P.C.; Depaula, R.F.; Groves, J.R.; Coulter, J.Y.; Quanxi Jia; Maley, M.P.; Peterson, D.E. (1999). "High-T_c coated conductors-performance of meter-long YBCO/IBAD flexible tapes". IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 9 (2): 1519. Bibcode:1999ITAS....9.1519F. doi:10.1109/77.784682.
27. Usoskin, A., & Freyhardt, H. C. (2011). "YBCO-Coated Conductors Manufactured by High-Rate Pulsed Laser Deposition". MRS Bulletin. 29 (8): 583–589. doi:10.1557/mrs2004.165.
28. Pahlke, Patrick; Hering, Michael; Sieger, Max; Lao, Mayraluna; Eisterer, Michael; Usoskin, Alexander; Stromer, Jan; Holzapfel, Bernhard; Schultz, Ludwig (2015). "Thick High J_c YBCO Films on ABAD-YSZ Templates". IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 25 (3): 1. Bibcode:2015ITAS...2578533P. doi:10.1109/TASC.2014.2378533.
29. Selvamanickam, V., Gharahcheshmeh, M. H., Xu, A., Zhang, Y., & Galstyan, E. (2015). "Critical current density above 15 MA cm⁻² at 30 K, 3 T in 2.2 μm thick heavily-doped (Gd,Y)Ba₂Cu₃O_x superconductor tapes". Superconductor Science and Technology. 28 (7): 072002. Bibcode:2015SuScT..28g2002S. doi:10.1088/0953-2048/28/7/072002.