Niob-Titan-Supraleiterverbindungen

Die Verbindung zwischen Quantentechnologie und Supraleitung
Quantencomputing und -kommunikation sind stark auf supraleitende Elemente wie Niob-Titan-Kapillarröhrchen angewiesen.

Kapillarrohr aus Niob-Titan

Material des Nb-Ti-Kapillarrohrs: Ti-45Nb, Nb53 % Ti47 %, Nb-50 % Ti
Spezifikation des Niob-Titan-Kapillarrohrs:
AD 1 mm x Wandstärke 0 0,14 mm x 1000 mm
AD1,4 mm x Wandstärke 0,14 mm x 1000 mm
AD2,2 mm x Wandstärke 0,18 mm x 1500 mm

 

Niob-Titan-Supraleiterverbindungen

Aufgrund des Nullwiderstands von supraleitenden Materialien werden supraleitende Verbindungen aus Niob-Titan (Nb-Ti) üblicherweise als supraleitende Kabel in der Energiewirtschaft verwendet.

 

Um ein ultrastabiles Magnetfeld bereitzustellen, erfordert der Dauerbetrieb in einem supraleitenden Magnetsystem supraleitende Verbindungen. Hier liefern wir einen detaillierten Bericht über die Bewertung von Niob-Titan-Supraleiterverbindungen, die rational konstruiert wurden. Zwei Arten von Blei-Wismut (Pb-Bi)-Lot, darunter Pb42Bi58 als neuartige Zusammensetzung, wurden in einer Lötmatrix-Ersatztechnik verwendet, um supraleitende Übergänge für praktische Anwendungen zu schaffen. Bei 4,2 K erreichten alle Verbindungen einen kritischen Strom von mehr als 200 A. In einem Spulentest mit geschlossener Schleife erzeugte unsere verbesserte supraleitende Verbindungstechnik einen Gesamtkreiswiderstand von 3,25 1014 bei 4,2 K im Eigenfeld. Nicht zuletzt wurde der Dauerbetrieb in einer Nb-Ti-Solenoidspule mit einem Dauerstromschalter gezeigt. Diese Forschung wird die Tür zur Schaffung von supraleitenden Hochleistungs-Nb-Ti-Verbindungen für den realen Einsatz öffnen.

 

Es ist nicht möglich, mit gewöhnlichen Magneten auf Kupferbasis (Cu) ein starkes Magnetfeld auf kleinem Raum zu erzeugen, aber supraleitende Magnete können dies. Supraleitende Magnete bestehen oft aus Niob-Titan (Nb-Ti), das eine kritische Temperatur (Tc) von 9,2 K hat und in einer Vielzahl von realen Anwendungen verwendet wird. Die Fähigkeit, vertrauenswürdige „supraleitende Verbindungen“ herzustellen, ist eine der charakteristischen Eigenschaften von Nb-Ti, die es für die meisten kommerziellen Anwendungen geeignet macht. Der Nb-Ti-Magnet kann im Dauerbetrieb arbeiten und dank der supraleitenden Verbindungen1 ein ultrastabiles Magnetfeld erreichen (langfristige Driftrate des Magnetfelds in der Größenordnung von 0,1 ppm/h).

Die beiden Enden eines supraleitenden Nb-Ti-Magneten sollten mit einem Dauerstromschalter (PCS) verbunden werden, der supraleitende Niob-Titan-Verbindungen verwendet, um einen Betrieb im Dauerbetrieb zu ermöglichen. Über die Herstellung der supraleitenden Verbindungen von Nb-Ti-Leitern wurde mit einer Vielzahl von Techniken berichtet, darunter Lötmatrixersatz2,3,4,5,6, Ultraschallschweißen7, Diffusionsschweißen8, Kaltpressen9,1{0 und Punktschweißen10,11. Unter dem Gesichtspunkt der Zuverlässigkeit wird die Lötmatrix-Ersatztechnik unter Verwendung von Blei-Wismut (Pb-Bi)-Lötmittel, das bei 4,2 K supraleitend ist, häufig in industriellen Umgebungen verwendet, um Nb-Ti-Verbindungen herzustellen11. Thornton berichtete über die erste Hochleistungs-Nb- Ti-Verbindungen, die 1986 unter Verwendung der Lötmatrix-Ersatztechnik hergestellt wurden2. Im Eigenfeld bei 4,2 K konnte ein geschlossener Regelkreis mit einer einzelnen Verbindung, der außerhalb konstruiert wurde, eine kritische Stromdichte (Jc) von bis zu 143 kA/cm2 erreichen . Der spezifische Widerstand verschiedener Nb-Ti-Übergänge, die von Swenson et al. unter Verwendung des Thornton-Ansatzes wurde mit der herkömmlichen Vier-Sonden-Technik evaluiert3. Sie konnten Verbindungswiderstände von 1 1011 in 1 T bei 4,2 K erreichen. Ergebnisse an zahlreichen Nb-Ti-Verbindungen für einen 400-MHz-Kernresonanzmagneten wurden auch von Cheng et al. In einem Closed-Loop-Experiment berichtet. Eines ihrer Gelenke erreichte einen kritischen Strom (Ic) von 89,5 A und einen Gelenkwiderstand von 1,8 1013 in 1 T bei 4,2 K. Für einen 7-T-Tiermagnetresonanztomographie(MRI)-Magneten haben Liu et al. erstellte und untersuchte auch Nb-Ti-Verbindungen5. Seine Verbindungen, die aus 1,5 1 mm2 Nb-Ti/Cu-Draht hergestellt wurden, hatten einen Ic von 1.160 A und 1,5 1014 in 0,6 T bei 4,2 K. Vor kurzem, im Jahr 2015, Motomune et al.6 untersuchten die Strompfade in Nb-Ti-Übergängen, die durch Ersetzen der Lotmatrix entstanden. Trotz der Tatsache, dass supraleitende Nb-Ti-Verbindungen häufig im MRT-Bereich hergestellt werden und ein wesentlicher Bestandteil von MRI-Magneten sind, gab es keine viel Forschung über die supraleitenden Verbindungstechniken für multifilamentäre Nb-Ti-Leiter.

Als Reaktion darauf wurden in dieser Arbeit zwei Arten von Pb-Bi-Lötmitteln hinsichtlich ihrer Jc und Tc als praktikable Möglichkeiten für supraleitende Nb-Ti-Übergänge bewertet. Anschließend wurde mittels REM die ideale Ätzzeit für die Cu-Matrix mit Zinn (Sn) und Sn mit Pb-Bi (REM) bestimmt. Diese Ergebnisse führten zur Herstellung von supraleitenden Verbindungen in einer weitgehend inerten Atmosphäre, um Oxidation zu verhindern, und ihrer Charakterisierung bei 4,2 K in verschiedenen Magnetfeldern. Eine Nb-Ti-Closed-Loop-Spule mit einer Windung wurde hergestellt und unter Verwendung des Feldabfall-Messverfahrens getestet, um den Übergangswiderstand genau zu bestimmen. Durch die Demonstration des Betriebs im Dauerbetrieb in einem Prototyp eines Nb-Ti-Magneten wurde der Betrieb im Dauerbetrieb in den neu konstruierten supraleitenden Niob-Titan-Verbindungen für einen Magneten im Dauerbetrieb bestätigt.

Schlussfolgerungen
Wir haben ein Lötmatrix-Ersatzverfahren zum supraleitenden Anbringen eines Multifilament-Nb-Ti-Leiters zusammen mit Testergebnissen für die supraleitenden Übergänge beschrieben. Der erste Schritt bestand darin, die Zusammensetzungen von zwei Pb-Bi-Loten, Pb44,5Bi55,5 und Pb42Bi58, zu bestätigen, die einen Einfluss auf ihre supraleitenden Fähigkeiten haben könnten. Beide Lote hatten ein Pb-Defizit von bis zu 1,6 Prozent. Die magnetische Jc von Pb44,5Bi55,5 und Pb42Bi58 wurde mit 2,9 103 Acm2 bzw. 1,19 103 Acm2 in 1 T bei 4,2 K gefunden, aber die Tc (Beginn) von 8,5 K wurde für beide Lote gemessen. Die beste jemals berichtete Leistung war die Jc von Pb44.5Bi55.5. Der Ic einer der besten mit Pb44.5Bi55.5 hergestellten Verbindungen betrug 136 A in 1,65 T bei 4,2 K. Die Ergebnisse der magnetischen Messung stimmten mit der unterdurchschnittlichen Leistung der mit Pb42Bi58 hergestellten Verbindungen im Vergleich zu Pb44.5Bi55 überein. 5. Außerdem stellten wir fest, dass das Erreichen einer hohen Verbindungsleistung durch lose Cu-Drahtbindungen in der Verbindung nicht begünstigt wurde. Die Verbindung wurde mit einer Nb-Ti-Closed-Loop-Spule mit einer Windung konstruiert, damit die Feldabfallmessung verwendet werden konnte, um den Verbindungswiderstand genau zu berechnen. Der gemessene Gesamtkreiswiderstand, der den technischen Spezifikationen für Dauerbetrieb entspricht, betrug 3,25 1014 im Eigenfeld bei 4,2 K. Schließlich wurde eine Nb-Ti-Magnetspule mit zwei Gelenken und einem PCS verwendet um den Betrieb im dauerhaften Modus anzuzeigen. Die Entwicklung hochleistungsfähiger supraleitender Nb-Ti-Verbindungen wird durch die methodische Untersuchung und die Erkenntnisse zum Verfahren der Niob-Titan-Supraleiterverbindungen ermöglicht, über die in diesem Dokument berichtet wird.

 

 

 

 

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