Juntas superconductoras de niobio-titanio

La conexión entre la tecnología cuántica y la superconductividad
La computación cuántica y la comunicación dependen en gran medida de elementos superconductores como los tubos capilares de niobio y titanio.

Tubo capilar de niobio titanio

Material del tubo capilar Nb-Ti: Ti-45Nb, Nb53 por ciento Ti47 por ciento, Nb-50 por ciento Ti
Especificación del tubo capilar de niobio-titanio:
DE 1 mm X espesor de pared 0, 14 mm X 1000 mm
OD1.4mm X Espesor de pared 0.14mm X 1000mm
OD2.2mm X Espesor de pared 0.18mm X 1500mm

 

Juntas superconductoras de niobio titanio

Debido a la resistencia cero de los materiales superconductores, las uniones superconductoras de niobio-titanio (Nb-Ti) se usan comúnmente como cables superconductores en la industria energética.

 

Para proporcionar un campo magnético ultraestable, la operación en modo persistente en un sistema de imanes superconductores requiere juntas superconductoras. Aquí proporcionamos un informe detallado sobre la evaluación de juntas superconductoras de niobio-titanio que se han construido racionalmente. Se utilizaron dos tipos de soldadura de plomo-bismuto (Pb-Bi), incluido Pb42Bi58 como una composición novedosa, en una técnica de reemplazo de matriz de soldadura para crear uniones superconductoras para aplicaciones prácticas. A 4,2 K, todas las uniones alcanzaron una corriente crítica de más de 200 A. En una prueba de bobina de bucle cerrado, nuestra técnica de unión superconductora mejorada produjo una resistencia total del circuito de 3,25 1014 a 4,2 K en campo propio. Por último, pero no menos importante, se mostró el funcionamiento en modo persistente en una bobina de solenoide de Nb-Ti con un interruptor de corriente persistente. Esta investigación abrirá la puerta a la creación de uniones superconductoras de Nb-Ti de alto rendimiento para uso en el mundo real.

 

No es posible crear un campo magnético potente en un espacio pequeño utilizando imanes de cobre (Cu), pero los imanes superconductores sí pueden. Los imanes superconductores suelen estar hechos de niobio-titanio (Nb-Ti), que tiene una temperatura crítica (Tc) de 9,2 K y se utiliza en una variedad de aplicaciones del mundo real. La capacidad de crear "juntas superconductoras" confiables es una de las características distintivas de Nb-Ti que lo hace adecuado para la mayoría de las aplicaciones comerciales. El imán de Nb-Ti puede funcionar en modo persistente y lograr un campo magnético ultraestable (tasa de deriva a largo plazo del campo magnético del orden de 0.1 ppm/h) gracias a las juntas superconductoras1.

Los dos extremos de un imán superconductor de Nb-Ti deben conectarse a un interruptor de corriente persistente (PCS) que utiliza juntas superconductoras de niobio-titanio para permitir el funcionamiento en modo persistente. Se ha informado sobre la fabricación de conexiones superconductoras de conductores Nb-Ti utilizando una variedad de técnicas, que incluyen reemplazo de matriz de soldadura2,3,4,5,6, soldadura ultrasónica7, soldadura por difusión8, prensado en frío9,10 y soldadura por puntos10,11. Desde el punto de vista de la confiabilidad, la técnica de reemplazo de la matriz de soldadura que utiliza soldadura de plomo-bismuto (Pb-Bi), que es superconductora a 4,2 K, se usa con frecuencia en entornos industriales para crear uniones de Nb-Ti11. Thornton informó el primer Nb-Ti de alto rendimiento. Conexiones de Ti realizadas utilizando la técnica de reemplazo de matriz de soldadura en 19862. En campo propio a 4,2 K, un bucle cerrado con una sola junta que se construyó en el exterior pudo alcanzar una densidad de corriente crítica (Jc) de hasta 143 kA/cm2 . La resistividad de varias uniones Nb-Ti creadas por Swenson et al. usando el enfoque de Thornton se evaluó usando la técnica convencional de cuatro sondas3. Pudieron alcanzar resistencias conjuntas de 1 1011 en 1 T a 4,2 K. Cheng et al también informaron resultados en numerosas uniones Nb-Ti para un imán de resonancia magnética nuclear de 400 MHz. En un experimento de circuito cerrado, una de sus uniones alcanzó una corriente crítica (Ic) de 89,5 A y una resistencia de la unión de 1,8 1013 en 1 T a 4,2 K. Para un imán de resonancia magnética (IRM) animal de 7 T, Liu et al. también creó y examinó juntas Nb-Ti5. Sus empalmes, que estaban realizados con hilo Nb-Ti/Cu de 1.5 1 mm2, tenían una Ic de 1.160 A y 1.5 1014 en 0,6 T a 4,2 K. Más recientemente, en 2015, Motomune et al.6 investigaron las vías actuales en las uniones Nb-Ti creadas al reemplazar la matriz de soldadura. A pesar de que las uniones superconductoras de Nb-Ti se fabrican con frecuencia en el sector de IRM y son una parte esencial de los imanes de IRM, no ha habido mucha investigación sobre las técnicas de unión superconductoras para conductores multifilamentarios de Nb-Ti.

En respuesta, en este trabajo se evaluaron dos variedades de soldadura de Pb-Bi en términos de su Jc y Tc como posibilidades viables para uniones superconductoras de Nb-Ti. Luego se usó SEM para determinar el tiempo de grabado ideal para la matriz de Cu con estaño (Sn) y Sn con Pb-Bi (SEM). Estos resultados llevaron a la fabricación de uniones superconductoras en una atmósfera mayoritariamente inerte para evitar la oxidación y su caracterización a 4,2 K en varios campos magnéticos. Se fabricó y probó una bobina de circuito cerrado de Nb-Ti de una sola vuelta utilizando el método de medición de caída de campo para determinar con precisión la resistencia de la unión. Al mostrar el funcionamiento en modo persistente en un prototipo de imán de Nb-Ti, se confirmó el funcionamiento en modo persistente en las uniones superconductoras de niobio-titanio recién construidas para un imán en modo persistente.

Conclusiones
Hemos descrito un método de reemplazo de matriz de soldadura para unir de forma superconductora un conductor multifilamento Nb-Ti, junto con los resultados de las pruebas para las uniones superconductoras. El primer paso fue confirmar las composiciones de dos soldaduras de Pb-Bi, Pb44.5Bi55.5 y Pb42Bi58, que pueden tener un impacto en sus capacidades superconductoras. Ambas soldaduras tenían un déficit de Pb de hasta 1,6 por ciento. Se encontró que el Jc magnético de Pb44.5Bi55.5 y Pb42Bi58 era 2.9 103 Acm2 y 1.19 103 Acm2, respectivamente, en 1 T a 4.2 K, pero el Tc (inicio) de 8.5 Se midió K para ambas soldaduras. El mejor rendimiento jamás informado fue el Jc de Pb44.5Bi55.5. La Ic de una de las mejores uniones hechas con Pb44.5Bi55.5 fue de 136 A en 1.65 T a 4.2 K. Los resultados de la medición magnética fueron consistentes con el rendimiento mediocre de las uniones creadas con Pb42Bi58 en comparación con Pb44.5Bi55. 5. Además, notamos que el logro de un alto rendimiento de la junta no se vio favorecido por la unión suelta de cables de Cu en la junta. La junta se construyó con una bobina de circuito cerrado de Nb-Ti de una sola vuelta para que la medición de la caída del campo pudiera usarse para calcular exactamente la resistencia de la junta. La resistencia total del circuito medida, que cumple con las especificaciones técnicas para operación en modo persistente, fue de 3.25 1014 en campo propio a 4,2 K. Por último, se utilizó una bobina de solenoide Nb-Ti con dos juntas y un PCS para mostrar el funcionamiento en modo persistente. El desarrollo de empalmes superconductores de Nb-Ti de alto rendimiento será posible gracias a la investigación metódica y los hallazgos sobre el procedimiento de empalmes superconductores de niobio-titanio informados en este documento.

 

 

 

 

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