초전도선

Superconducting wire
초전도 자석에 사용되는 와이어(VGa3 합금)의 예

초전도선은 초전도 물질로 만들어진 전선이다.전환 온도 이하로 냉각되면 전기 저항이 0이 됩니다.기존 니오브티타늄 등 초전도체가 가장 많이 [1]쓰이지만 YBCO 등 고온 초전도체가 시장에 진출하고 있다.

구리나 알루미늄에 비해 초전도선의 장점은 높은 최대 전류 밀도와 제로 전력 소산입니다.단점으로는 와이어를 초전도 온도로 냉동하는 비용(종종 액체 질소나 액체 헬륨과 같은 극저온 물질을 필요로 함), 와이어 담금질 위험(초전도도의 갑작스런 손실), 일부 초전도체의 기계적 특성 및 와이어 재료 및 [2]건설 비용이 포함됩니다.

그 주된 응용 분야는 높은 자기장이 필요한 과학 및 의료 장비에 사용되는 초전도 자석이다.

중요 파라미터

구조 및 작동 온도는 일반적으로 다음을 극대화하기 위해 선택됩니다.

  • 임계 온도c T, 와이어가 초전도체가 될 때까지의 온도
  • 임계 전류 밀도c J. 초전도 와이어가 단위 단면적당 전달할 수 있는 최대 전류입니다(아래 그림 참조: 20kA/cm2).

초전도 와이어/테이프/케이블은 일반적으로 두 가지 주요 특징으로 구성됩니다.

  • 초전도 화합물(보통 필라멘트/코팅 형태)
  • 초전도 [3][4]재료에서 초전도(담금질)가 손실된 경우 전류를 전달하는 전도 안정화 장치입니다.

전류분산온도cs T는 초전도체를 통해 전송되는 전류도 스태빌라이저를 [5][6]통해 흐르기 시작하는 온도입니다.단, T는cs 담금질 온도(또는 임계 온도)와 동일하지 않습니다.Tc; 전자의 경우 초전도 부분 손실이 있는 반면, 후자의 경우 초전도 부분이 [7]완전히 손실됩니다.

LTS선

저온 초전도체(LTS) 와이어는 NbSn3(니오브 주석) 및 NbTi(니오브 티타늄)와 같이 임계 온도가 낮은 초전도체로 만들어집니다.종종 초전도체는 어떤 이유로든 초전도체가 담금질할 경우 전류를 전달하는 구리 또는 알루미늄 매트릭스의 필라멘트 형태입니다.초전도체 필라멘트는 전선 전체 부피의 3분의 1을 형성할 수 있다.

준비

와이어 드로잉

일반 와이어 그리기 프로세스는 니오브-티타늄과 같은 가단성 합금에 사용할 수 있습니다.

표면 확산

바나듐-갈륨(VGa3)은 고체로서의 고온 성분이 액체 또는 [8]기체로 다른 원소에서 목욕되는 표면 확산에 의해 제조될 수 있다.고온 확산 중에 모든 구성 요소가 고체 상태를 유지하는 것을 브론즈 [9]공정이라고 합니다.

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

    다양한 (Nb,Ti)3의 횡단면Sn 복합 초전도 케이블 및 와이어(8~19테슬라장 440~7,800A).

  • 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

    VGa3 초전도 테이프(단면 10×0.14mm).바나듐 코어를 15μm VGa층3, 20μm 브론즈(안정층) 및 15μm 절연층으로 피복한다.임계전류 180A(19.2테슬라, 4.2K), 임계전류밀도 20kA/cm2

  • 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 테이프(단면 9.5×1.8mm)는 원래 18.1T 자석용으로 개발되었습니다.Nb 코어: 5µm dia 361×348팩.필라멘트임계전류 1700A(16테슬라, 4.2K), 임계전류밀도 20kA/cm2

HTS선

고온 초전도체(HTS) 전선은 YBCO나 BSCCO와 같이 임계 온도가 높은 초전도체(고온 초전도)로 만들어진다.

튜브 내 분말

PIT 프로세스의 간단한 그림

PIT(powder-in-tube, oxide powder[10] in tube, OPIT)[12][13] 공정은 니오브 주석이나 이보라이드 [11]마그네슘과 같은 메짐성 초전도체 및 BSCCO와 같은 세라믹 구리산 초전도체로 전기 도체를 만드는 데 자주 사용되는 압출 공정입니다.철 피닉타이드 와이어 형성에 [14]사용되었습니다.(PIT는 PIT 공정에서 적절한 '텍스처'(얼라인먼트)를 생성하는 데 필요한 약한 층이 없기 때문에 이트륨 구리 산화물에는 사용되지 않습니다.)

이 과정은 고온 초전도체가 정상적인 와이어 형성 과정에는 너무 취약하기 때문에 사용됩니다.그 튜브들은 금속으로 되어있고, 종종 은색이다.종종 튜브는 혼합된 분말을 반응시키기 위해 가열됩니다.반응하면 튜브가 평탄해져 테이프와 같은 도체를 형성할 수 있습니다.결과적으로 발생하는 와이어는 기존의 금속 와이어만큼 유연하지는 않지만 많은 용도에 적합합니다.

프로세스에는 상황에 맞는 변형과 상황에 맞는 변형, [15]두 가지를 결합한 '이중 코어' 방법이 있습니다.

코팅된 초전도체 테이프 또는 와이어

코팅된 초전도체 테이프는 2세대 초전도체 [16]선으로 알려져 있습니다.이 와이어는 YBCO와 같은 초전도체 재료로 코팅된 폭 약 10mm, 두께 약 100마이크로미터의 금속 테이프 형태입니다.YBCO와 같은 고온 초전도 물질이 발견된 지 몇 년 후 격자 위에서 성장한 에피택셜 YBCO 박막은 산화 마그네슘 MgO, 티타늄산 스트론튬(SrTiO3), 사파이어와 같은 단결정과 일치하여 10–40KA/[17][18]mm의2 높은 초임계 전류 밀도를 가진 것으로 입증되었습니다.그러나 긴 테이프를 제작하기 위해서는 격자 매칭의 유연한 재료가 필요했습니다.금속 기판 재료에 직접 퇴적된 YBCO 필름은 초전도 특성이 불량합니다.금속기판상의 c축배향성 이트리아안정지르코니아(YSZ) 중간층은 단결정기판상보다 [19][20]임계전류밀도가 1~2계단 낮은 고품질의 YBCO막을 생성할 수 있는 것으로 나타났다.

금속테이프상에서 이축방향으로 정렬된 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 박막을 제작하는 이온빔 보조 증착(IBAD) 기술 및 텍스트 구조화된 금속기판을 통해 이축방향으로 텍스처링된 서브스트레이트(RABITS) 공정의 발명으로 획기적인 발전을 이루었습니다.

IBAD 공정에서 이축 텍스처 YSZ 필름은 YBCO 필름의 에피택셜 성장을 위한 단결정 형태의 템플릿을 제공한다.이러한 YBCO 필름은 1MA/cm2 이상의 임계 전류 밀도를 달성했습니다.산화세륨(CeO2)과 산화마그네슘(MgO)과 같은 다른 완충층은 초전도체 [23][24]필름에 IBAD 기술을 사용하여 생산되었습니다.IBAD 기판과 기술에 대한 세부 사항은 Arendt에 [25]의해 검토되었다.LMO가 가능한 IBAD-MgO 공정은 Oak Ridge 국립연구소에서 개발되어 2007년에 R&D100상을 수상했습니다.[26] 이 LMO 대응 기판 프로세스는 기본적으로 IBAD 기판을 기반으로 하는 HST 와이어의 모든 제조업체에 의해 사용되고 있습니다.RABiTS기판은 금속템플릿 자체를 2축으로 텍스처링하고 이어서 YO, YSZ 및 CeO의232 헤테로 에피택셜 버퍼층을 금속템플릿 위에 퇴적시킨 후 초전도체층의 헤테레피택셜 퇴적시켰다.RABiTS 기판과 기술에 대한 자세한 내용은 Goyal에 [27]의해 검토되었습니다.

2015년 현재 고자기장 하에서 77K에서 500A/cm 폭, 30K에서 1000A/cm 폭 이상의 초전도체를 반송할 수 있는 YBCO 코팅 초전도 테이프가 입증되었습니다.[28][29][30][31]2021년에는 77K에서 250A/cm 폭, 20K에서 2500A/cm 폭 이상의 초전도체를 운반할 수 있는 YBCO 코팅 초전도체 테이프가 상업적으로 생산된 [32]와이어에 대해 보고되었습니다.2021년에 오버도핑된 YBCO 필름의 실험 시연에서는 7T 자기장에서 [33]5K에서 90 MA2/cm, 77K에서 6 MA2/cm가 보고되었습니다.

금속유기화학증착

MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)는 YBCO 코팅 도체 테이프의 제조에 사용되는 증착 공정 중 하나입니다.Ignatiev는 MOCVD 증착을 통해 YBCO 필름을 증착하는 데 사용되는 MOCVD 프로세스의 개요를 제공합니다.[34]

반응적 공증발

2세대 초전도선의 초전도층은 구성금속, 희토류 원소, 바륨, 구리의 열증발에 의해 성장시킬 수도 있다.Prusseit은 고품질 YBCO 필름을 증착하는 데 사용되는 열 증발 프로세스의 개요를 제공합니다.[35]

펄스 레이저 증착

2세대 초전도선의 초전도층도 펄스 레이저 증착(PLD)에 의해 성장시킬 수 있다.Christen은 고품질 YBCO 필름을 증착하는 데 사용되는 PLD 공정의 개요를 제공합니다.[36]

표준

TC90에 의거한 초전도선과 관련된 몇 가지 IEC(국제전기기술위원회) 표준이 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

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