Joints supraconducteurs niobium-titane

Le lien entre la technologie quantique et la supraconductivité
L'informatique et la communication quantiques dépendent fortement d'éléments supraconducteurs tels que les tubes capillaires en niobium-titane.

Tube capillaire en niobium titane

Matériau du tube capillaire Nb-Ti : Ti-45Nb, Nb53 % Ti47 % , Nb-50 % Ti
Spécification du tube capillaire Niobium-Titane :
OD1mm X Épaisseur de paroi 0.14mm X 1000mm
OD1.4mm X Épaisseur de paroi 0.14mm X 1000mm
OD2.2mm X Épaisseur de paroi 0.18mm X 1500mm

 

Joints supraconducteurs Niobium Titane

En raison de la résistance nulle des matériaux supraconducteurs, les joints supraconducteurs en niobium-titane (Nb-Ti) sont couramment utilisés comme câbles supraconducteurs dans l'industrie de l'énergie.

 

Afin de fournir un champ magnétique ultra-stable, le fonctionnement en mode persistant dans un système d'aimant supraconducteur nécessite des joints supraconducteurs. Ici, nous fournissons un rapport détaillé sur l'évaluation des joints supraconducteurs niobium-titane qui ont été construits de manière rationnelle. Deux types de soudure plomb-bismuth (Pb-Bi), y compris le Pb42Bi58 en tant que nouvelle composition, ont été utilisés dans une technique de remplacement de la matrice de soudure pour créer des jonctions supraconductrices pour des applications pratiques. À 4,2 K, toutes les articulations ont atteint un courant critique supérieur à 200 A. Lors d'un test de bobine en boucle fermée, notre technique d'assemblage supraconductrice améliorée a produit une résistance totale du circuit de 3,25 1014 à 4,2 K en champ propre. Enfin, le fonctionnement en mode persistant dans une bobine de solénoïde Nb-Ti avec un interrupteur à courant persistant a été démontré. Cette recherche ouvrira la porte à la création de joints supraconducteurs Nb-Ti hautes performances pour une utilisation dans le monde réel.

 

Il n'est pas possible de créer un champ magnétique puissant dans un petit espace en utilisant des aimants ordinaires à base de cuivre (Cu), mais les aimants supraconducteurs le peuvent. Les aimants supraconducteurs sont souvent constitués de niobium-titane (Nb-Ti), qui a une température critique (Tc) de 9,2 K et est utilisé dans une variété d'applications réelles. La capacité de créer des "joints supraconducteurs" dignes de confiance est l'une des caractéristiques distinctives du Nb-Ti qui le rend adapté à la majorité des applications commerciales. L'aimant Nb-Ti peut fonctionner en mode persistant et atteindre un champ magnétique ultra-stable (taux de dérive à long terme du champ magnétique de l'ordre de 0.1 ppm/h) grâce aux joints supraconducteurs1.

Les deux extrémités d'un aimant supraconducteur Nb-Ti doivent être connectées à un commutateur à courant persistant (PCS) utilisant des joints supraconducteurs Niobium-titane afin de permettre un fonctionnement en mode persistant. La fabrication des connexions supraconductrices des conducteurs Nb-Ti a été rapportée à l'aide de diverses techniques, notamment le remplacement de la matrice de soudure2,3,4,5,6, le soudage par ultrasons7, le soudage par diffusion8, le pressage à froid9,10 et soudage par points10,11. Du point de vue de la fiabilité, la technique de remplacement de matrice de soudure utilisant une soudure au plomb-bismuth (Pb-Bi), qui est supraconductrice à 4,2 K, est fréquemment utilisée dans les environnements industriels pour créer des joints Nb-Ti11. Thornton a rapporté le premier Nb- Connexions Ti réalisées à l'aide de la technique de remplacement de la matrice de soudure en 19862. En champ propre à 4,2 K, une boucle fermée avec un seul joint qui a été construit à l'extérieur a pu atteindre une densité de courant critique (Jc) allant jusqu'à 143 kA/cm2 . La résistivité de diverses jonctions Nb-Ti créées par Swenson et al. utilisant l'approche de Thornton a été évaluée en utilisant la technique conventionnelle à quatre sondes3. Ils ont pu atteindre des résistances conjointes de 1 1011 dans 1 T à 4,2 K. Les résultats sur de nombreux joints Nb-Ti pour un aimant à résonance magnétique nucléaire de 400 MHz ont également été rapportés par Cheng et al. Dans une expérience en boucle fermée, l'une de leurs articulations a atteint un courant critique (Ic) de 89,5 A et une résistance articulaire de 1,8 1013 dans 1 T à 4,2 K. Pour un aimant d'imagerie par résonance magnétique (IRM) animal de 7 T, Liu et al. a également créé et examiné des joints Nb-Ti5. Ses joints, réalisés à partir de fil Nb-Ti/Cu de 1.5 1 mm2, avaient un Ic de 1 160 A et 1.5 1014 en 0,6 T à 4,2 K. Plus récemment, en 2015, Motomune et al.6 ont étudié les voies de courant dans les jonctions Nb-Ti créées en remplaçant la matrice de soudure.Malgré le fait que les joints supraconducteurs Nb-Ti sont fréquemment fabriqués dans le secteur de l'IRM et constituent une partie essentielle des aimants IRM, il n'y a pas eu de nombreuses recherches sur les techniques d'assemblage supraconducteur des conducteurs multifilamentaires Nb-Ti.

En réponse, deux variétés de soudure Pb-Bi ont été évaluées dans ce travail en termes de leur Jc et Tc comme possibilités viables pour les jonctions supraconductrices Nb-Ti. Le SEM a ensuite été utilisé pour déterminer le temps de gravure idéal pour la matrice Cu avec étain (Sn) et Sn avec Pb-Bi (SEM). Ces résultats ont conduit à la fabrication de joints supraconducteurs dans une atmosphère largement inerte pour éviter l'oxydation et à leur caractérisation à 4,2 K dans différents champs magnétiques. Une bobine en boucle fermée Nb-Ti à un tour a été fabriquée et testée à l'aide de la méthode de mesure de la décroissance du champ afin de déterminer avec précision la résistance de jonction. En montrant le fonctionnement en mode persistant dans un prototype d'aimant Nb-Ti, le fonctionnement en mode persistant dans les joints supraconducteurs en niobium-titane nouvellement construits pour un aimant en mode persistant a été confirmé.

conclusion
Nous avons décrit une méthode de remplacement de la matrice de soudure pour fixer de manière supraconductrice un conducteur multifilament Nb-Ti, ainsi que les résultats des tests pour les jonctions supraconductrices. La première étape consistait à confirmer les compositions de deux soudures Pb-Bi, Pb44.5Bi55.5 et Pb42Bi58, qui pourraient avoir un impact sur leurs capacités supraconductrices. Les deux soudures présentaient un déficit en Pb allant jusqu'à 1,6 %. Le Jc magnétique de Pb44.5Bi55.5 et Pb42Bi58 s'est avéré être de 2.9 103 Acm2 et 1.19 103 Acm2, respectivement, en 1 T à 4,2 K, mais le Tc (début) de 8,5 K a été mesuré pour les deux soudures. La meilleure performance jamais rapportée était le Jc de Pb44.5Bi55.5. L'Ic de l'un des meilleurs joints réalisés avec Pb44.5Bi55.5 était de 136 A dans 1,65 T à 4,2 K. Les résultats de la mesure magnétique étaient cohérents avec les performances inférieures des joints créés avec Pb42Bi58 par rapport à Pb44.5Bi55. 5. De plus, nous avons noté que l'obtention de performances de joint élevées n'était pas favorisée par une liaison lâche du fil de Cu dans le joint. Le joint a été construit avec une bobine en boucle fermée Nb-Ti à un tour afin que la mesure de la décroissance du champ puisse être utilisée pour calculer exactement la résistance du joint. La résistance totale mesurée du circuit, qui est conforme aux spécifications techniques pour le fonctionnement en mode persistant, était de 3,25 1014 en champ propre à 4,2 K. Enfin, une bobine de solénoïde Nb-Ti avec deux joints et un PCS a été utilisé pour afficher le fonctionnement en mode persistant. Le développement de joints supraconducteurs Nb-Ti à haute performance sera rendu possible par l'étude méthodique et les découvertes sur la procédure des joints supraconducteurs niobium-titane rapportées dans cet article.

 

 

 

 

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