Giunti Superconduttori Niobio-Titanio

La connessione tra tecnologia quantistica e superconduttività
L'informatica quantistica e la comunicazione fanno molto affidamento su oggetti superconduttori come i tubi capillari in niobio e titanio.

Tubo capillare in niobio titanio

Materiale del tubo capillare Nb-Ti: Ti-45Nb, Nb53 percento Ti47 percento, Nb-50 percento Ti
Specifiche del tubo capillare in niobio-titanio:
OD1mm X spessore parete 0.14mm X 1000mm
OD1.4mm X spessore parete 0.14mm X 1000mm
OD2.2mm X spessore parete 0.18mm X 1500mm

 

Giunti superconduttori in Niobio Titanio

A causa della resistenza zero dei materiali superconduttori, i giunti superconduttori in niobio-titanio (Nb-Ti) sono comunemente usati come cavi superconduttori nell'industria energetica.

 

Per fornire un campo magnetico ultra stabile, il funzionamento in modalità persistente in un sistema di magneti superconduttori richiede giunti superconduttori. Qui, forniamo un rapporto dettagliato sulla valutazione dei giunti superconduttori di niobio-titanio che sono stati razionalmente costruiti. Due tipi di saldatura piombo-bismuto (Pb-Bi), tra cui Pb42Bi58 come nuova composizione, sono stati utilizzati in una tecnica di sostituzione della matrice di saldatura per creare giunzioni superconduttrici per applicazioni pratiche. A 4,2 K, tutti i giunti hanno raggiunto una corrente critica superiore a 200 A. In un test della bobina a circuito chiuso, la nostra tecnica di giunzione superconduttiva migliorata ha prodotto una resistenza totale del circuito di 3,25 1014 a 4,2 K in autocampo. Ultimo ma non meno importante, è stato mostrato il funzionamento in modalità persistente in una bobina a solenoide Nb-Ti con un interruttore a corrente persistente. Questa ricerca aprirà la porta alla creazione di giunti superconduttori Nb-Ti ad alte prestazioni per l'uso nel mondo reale.

 

Non è possibile creare un potente campo magnetico in un piccolo spazio utilizzando normali magneti a base di rame (Cu), ma i magneti superconduttori possono farlo. I magneti superconduttori sono spesso realizzati in niobio-titanio (Nb-Ti), che ha una temperatura critica (Tc) di 9,2 K e viene utilizzato in una varietà di applicazioni del mondo reale. La capacità di creare "giunti superconduttori" affidabili è una delle caratteristiche distintive di Nb-Ti che lo rende adatto alla maggior parte delle applicazioni commerciali. Il magnete Nb-Ti può funzionare in modalità persistente e raggiungere un campo magnetico ultra-stabile (tasso di deriva a lungo termine del campo magnetico dell'ordine di 0.1 ppm/h) grazie ai giunti superconduttori1.

Le due estremità di un magnete superconduttore Nb-Ti devono essere collegate a un interruttore a corrente persistente (PCS) che utilizza giunti superconduttori in niobio-titanio per consentire il funzionamento in modalità persistente. La fabbricazione delle connessioni superconduttive dei conduttori Nb-Ti è stata segnalata utilizzando una varietà di tecniche, tra cui la sostituzione della matrice di saldatura2,3,4,5,6, la saldatura a ultrasuoni7, la saldatura per diffusione8, la pressatura a freddo9,10 e saldatura a punti10,11. Dal punto di vista dell'affidabilità, la tecnica di sostituzione della matrice di saldatura che utilizza la saldatura piombo-bismuto (Pb-Bi), che è superconduttore a 4,2 K, viene spesso utilizzata in ambienti industriali per creare giunti Nb-Ti11. Thornton ha segnalato il primo Nb- Connessioni Ti realizzate utilizzando la tecnica di sostituzione della matrice di saldatura nel 19862. In autocampo a 4,2 K, un circuito chiuso con un singolo giunto costruito all'esterno è stato in grado di raggiungere una densità di corrente critica (Jc) fino a 143 kA/cm2 . La resistività di varie giunzioni Nb-Ti create da Swenson et al. utilizzando l'approccio di Thornton è stato valutato utilizzando la tecnica convenzionale a quattro sonde3. Sono stati in grado di raggiungere resistenze articolari di 1 1011 in 1 T a 4,2 K. I risultati su numerosi giunti Nb-Ti per un magnete a risonanza magnetica nucleare da 400 MHz sono stati riportati anche da Cheng et al. In un esperimento a circuito chiuso, una delle loro articolazioni ha raggiunto una corrente critica (Ic) di 89,5 A e una resistenza articolare di 1.8 1013 in 1 T a 4,2 K. Per un magnete per risonanza magnetica animale (MRI) da 7 T, Liu et al. ha anche creato ed esaminato giunti Nb-Ti5. I suoi giunti, realizzati con filo Nb-Ti/Cu da 1,5 1 mm2, avevano un Ic di 1.160 A e 1,5 1014 in 0,6 T a 4,2 K. Più recentemente, nel 2015, Motomune et al.6 hanno studiato i percorsi attuali nelle giunzioni Nb-Ti create sostituendo la matrice di saldatura. Nonostante il fatto che i giunti superconduttori Nb-Ti siano spesso realizzati nel settore MRI e siano una parte essenziale dei magneti MRI, non c'è stato molte ricerche sulle tecniche di giunzione superconduttiva per conduttori multifilamentari Nb-Ti.

In risposta, in questo lavoro sono state valutate due varietà di saldature Pb-Bi in termini di Jc e Tc come possibili possibilità per giunzioni superconduttive Nb-Ti. SEM è stato quindi utilizzato per determinare il tempo di attacco ideale per la matrice Cu con stagno (Sn) e Sn con Pb-Bi (SEM). Questi risultati hanno portato alla fabbricazione di giunti superconduttori in un'atmosfera ampiamente inerte per prevenire l'ossidazione e alla loro caratterizzazione a 4,2 K in vari campi magnetici. Una bobina Nb-Ti ad anello chiuso a spira singola è stata realizzata e testata utilizzando il metodo di misurazione del decadimento di campo per determinare con precisione la resistenza di giunzione. Mostrando il funzionamento in modalità persistente in un prototipo di magnete Nb-Ti, è stato confermato il funzionamento in modalità persistente nei giunti superconduttori al niobio-titanio di nuova costruzione per un magnete in modalità persistente.

Conclusioni
Abbiamo descritto un metodo di sostituzione della matrice di saldatura per collegare in modo superconduttivo un conduttore Nb-Ti multifilamento, insieme ai risultati dei test per le giunzioni superconduttrici. Il primo passo è stato confermare le composizioni di due saldature Pb-Bi, Pb44.5Bi55.5 e Pb42Bi58, che potrebbero avere un impatto sulle loro capacità superconduttive. Entrambe le saldature avevano un deficit di Pb fino all'1,6%. Il Jc magnetico di Pb44.5Bi55.5 e Pb42Bi58 è risultato essere 2.9 103 Acm2 e 1.19 103 Acm2, rispettivamente, in 1 T a 4,2 K, ma il Tc (inizio) di 8,5 K è stato misurato per entrambe le saldature. La migliore prestazione mai riportata è stata la Jc di Pb44.5Bi55.5. L'Ic di uno dei migliori giunti realizzati con Pb44.5Bi55.5 era di 136 A in 1,65 T a 4,2 K. I risultati della misurazione magnetica erano coerenti con le prestazioni scadenti dei giunti creati con Pb42Bi58 rispetto a Pb44.5Bi55. 5. Inoltre, abbiamo notato che il raggiungimento di elevate prestazioni articolari non è stato favorito dalla legatura del filo di rame allentato nell'articolazione. Il giunto è stato costruito con una bobina a circuito chiuso Nb-Ti a giro singolo in modo che la misurazione del decadimento di campo potesse essere utilizzata per calcolare esattamente la resistenza del giunto. La resistenza totale del circuito misurata, conforme alle specifiche tecniche per il funzionamento in modalità persistente, è stata di 3.25 1014 in autocampo a 4,2 K. Infine, è stata utilizzata una bobina del solenoide Nb-Ti con due giunti e un PCS per mostrare il funzionamento in modalità persistente. Lo sviluppo di giunti superconduttori Nb-Ti ad alte prestazioni sarà reso possibile dall'indagine metodica e dai risultati sulla procedura dei giunti superconduttori niobio-titanio riportati in questo documento.

 

 

 

 

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