Aplikace supravodivosti

Využití supravodivosti

Využití supravodivosti lze rozdělit na silnoproudé a slaboproudé aplikace. V prvním případě se jedná hlavně o vodiče, které se používají k výrobě supravodivých cívek (magnetů) a kabelů pro přenos elektrické energie. Cívky mohou vytvářet magnetická pole až několik jednotek či desítek tesla, která jsou stotisíckrát větší, než je magnetické pole Země bez enormních nákladů na spotřebu elektrické energie. Tyto vodiče by měly mít co nejvyšší kritickou teplotou T_c, kritické magnetické pole a kritickou proudovou hustotu j_c, protože při překročení těchto parametrů supravodivý materiál přejde do normálního odporového stavu a nevede elektrický proud bezztrátově. V druhém případě jde o supravodivou elektroniku: detektory a generátory elektromagnetického záření (pole) a obvody, které jsou základem standardu napětí či počítačů. V tomto případě se využívá toho, že supravodivost je makroskopický kvantových jev, s čímž souvisí malý šum detektorů, vysoká přesnost standardu napětí a mezní kmitočet několik THz (10¹² Hz). Pro srovnání, mezní kmitočet nejrychlejších polovodičových obvodů z SiGe je o řád nižší.

Využití silnoproudé supravodivosti

Již Kamerlingh-Onnes zjistil, že měrný odpor supravodiče je menší než 10^-25 Ωm. Čistá měď má při teplotě 20 K měrný odpor 10^-11 Ωm. Supravodiče II. typu zůstávají supravodivé i ve značně vyšších polích než supravodiče I. typu a jsou tedy vhodnější pro praktické využití. Ale až v pozdních šedesátých letech minulého století byly objeveny první supravodiče vhodné pro komerční aplikace: slitina Nb-Ti s T_c ~ 9 K pro pole do 8 T a sloučenina Nb₃Sn s T_c ~ 18 K pro pole do 14 T. Pro ještě vyšší pole jsou vhodné vysokoteplotní supravodiče. První generace drátů byla z Bi₂Sr₂CaCu₂O (Bi2212) s T_c ~ 92 K nebo Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O (Bi2223) s T_c ~ 110 K. Ty je ale třeba chladit na teplotu nižší než 35 K, protože jinak v nich teče magnetický tok, což vede k elektromagnetickým ztrátám. Lepší vlastnosti má YBa₂Cu₃O_6+x s T_c ~ 94 K. Technologie výroby těchto „drátů“ je ale náročnější a byla zvládnuta až nyní.

Závislost kritické proudové hustoty v nejpoužívanějších supravodivých materiálech na magnetickém poli. Převzato z Applied Superconductivity Center FSU

Nejlepší supravodivé materiály mají kritickou proudovou hustotu větší než 10 kA/mm² při teplotě absolutní nuly a ve vlastním magnetickém poli (vnější pole je nulové). Pro srovnání, běžné domovní rozvody s měděnými dráty jsou dimenzované na 6 A/mm².

	T_c	B_c2 při 4,2 K	j_c při 4,2 K
	(kelvin)	(tesla)	(A/m²)
Nb	9,2	0,2
Nb-Ti	9 až 10,5	12	1x10⁹ až 5x10⁹
Nb₃Sn	18	22	1x10¹⁰ až 5x10¹⁰
BSCCO	92 - 110
YBCO	94

Průřez typickým mnohažilovým vodičem s Nb-Ti vlákny v Cu matrici (světlá část). Vodič o průměru 1 mm tvoří 13255 vláken tlustých 5 μm. Měděná matrice slouží k rozvedení tepla a proudu v případě, že část některého vlákna přejde do normálního stavu.

(převzato z)

Dipólové magnety urychlovače LHC jsou navinuty z plochého "Rutherfordova" kabelu, který tvoří 36 lanek. Plochý kabel orientovaný delší stranou paralelně s polem má v magnetickém poli lepší vlastnosti než kabel kruhového průřezu. Při pracovním poli magnetu 8,33 T je proudová hustota v kabelu 400 A mm^-2. Supravodivé lanko z Cu/Nb-Ti má průměr 1,06 mm a obsahuje 6000 vláken Nb-Ti o průměru 7 μm. (převzato z)

První generaci drátů z vysokoteplotních supravodičů představuje BiSrCaCuO (2212) supravodič v Ag matrici (světlá část). Obrázek představuje průřez páskovým vodičem.

Převzato z J.L. Reeves, et. al., IEEE Trans. on Appl. Supercond. (1999)

Druhou generace drátů z vysokoteplotních supravodičů představuje supravodivá YBaCuO vrstva o tloušťce 1 μm, připravená depozicí z kovo-organických par (MOCVD) na pásku ze slitiny Ni. Šířka pásku je typicky 4 mm. Při teplotě 77 K (teplota varu kapalného dusíku) je kritický proud drátu 100 A. Z materiálů firmy SuperPower, Inc.

Supravodivý klíč, ovládaný topením (heater), které umožňuje tento kousek supravodiče zkratujícího vývody cívky převést do normálního (odporového) stavu, umožňuje změnit proud v cívkách a tak je nabít či vybít. Když je v supravodivém stavu, vytvoří spolu s cívkou uzavřený supravodivý obvod, kterým může proud téct "navěky". Vnější zdroj proudu je pak možné odpojit. Cívka tak je v "persistentním" stavu (jako permanentní magnet) a vytváří časově stálé magnetické pole.

Supravodivé magnety jsou elektromagnety se supravodivými cívkami (solenoidy). Mohou vytvářet mnohem vyšší magnetické pole než elektromagnety s odporovým vinutím. Pro dlouhodobě udržované pole větší než 1 tesla je jejich provoz ekonomičtější než provoz normálních elektromagnetů. Na výrobu magnetů pro pole do 8 T se používá Nb-Ti. Pro pole větší než 9 T se používá Nb₃Sn. Vyrobit vodiče z Nb₃Sn je však mnohem složitější. Protože jsou také podstatně dražší, někdy je vnější cívka z Nb-Ti a vnitřní z Nb₃Sn.

S tímto supravodivým magnetem, navinutým z YBaCuO drátu II. generace, bylo vytvořeno rekordní statické magnetické pole 26,8 tesla. Magnet má uprostřed díru o průměru 9,5 mm a byl umístěn v 19 teslovém odporovém (Bitterově) magnetu s 20 cm dírou a elektrickým příkonem 20 MW.

Z materiálů firmy SuperPower, Inc., Schenectady, NY, USA.

Převzato z

Supravodivé magnety s prostorově homogenním a časově stabilním magnetickým polem umožňují jadernou magnetickou rezonanci (NMR) a zobrazení magnetické rezonance (MRI) s vysokým rozlišením. Nehomogenita a časová nestabilita pole totiž vedou k rozmazání spekter NMR rozostření MRI. Homogenita pole ±0.1% v kouli o průměru 1 cm je dnes rutinou. Homogenita pole ±0.001% ve stejném objemu vyžaduje mnohem větší, pečlivě provedený magnet. Ještě homogennější magnety potřebují odděleně napájené supravodivé nebo vnější cívky.

Kmitočet precese vodíkových atomů v poli 22 T je 1 GHz.

[Lucio Rossi, Superconductivity: its role, its success and its setbacks in the Large Hadron Collider of CERN, Supercond. Sci. Technol. 23 (2010) 034001 (17pp) doi:10.1088/0953-2048/23/3/034001

V současnosti nejvýkonějším urychlovači LHC (Large Hadron Collider) je ve 27 km dlouhém kruhovém tunelu na hranicích Francie a Švýcarska umístěno téměř 10 000 supravodivých magnetů chlazených 130 tunami helia na teplotu 1,9 a 4,2 K. Dipólové magnety, kterých je 1232, vytvoří při proudu každým magnetem 11,85 kA centrální pole 8,3 T. Každý dipólový magnet je 15 m dlouhý, má hmotnost 30 tun a je v něm uložena magnetická energie 7 MJ. Celková energie uložená v magnetickém poli magnetů je 15 GJ (výkon jednoho bloku Temelína je 1 GW). Pro výrobu těchto magnetů bylo potřeba 1200 tun Nb-Ti kabelů.

ITER (International Termonuclear Experimental Reactor) má být prvním termonukleárním reaktorem s energetickým ziskem. Toroidální pole 5,3 T v horizontální rovině pole, které drží a stabilizuje plazmu, má vytvářet 18 cívek z Nb₃Sn. Toto pole slouží k udržení plazmy po dobu několika desítek sekund. 6 poloidálních cívek polohuje a tvaruje plazmu. Centrální cívka indukuje v plazmě proud. Korekční cívky opravují chyby vzniklé nepřesnostmi při výrobě a sestavení a stabilizují plazmu proti odporovým módům ve stěnách.

(převzato z)

K čištění tekutých či kapalných materiálů, obsahujících magnetické příměsi, jako je například železo v kaolinu, které jej zbarvuje a ten ztrácí na ceně, se používají magnetické separátory. Ty jsou založeny na tom, že částice s magnetickým momentem se zachytí v místech, kde je největší gradient magnetického pole (železné piliny).

omezovač proudu, transformátor, motor, levitace, elmag dělo, permanentní magnety.

Aplikace slabé supravodivosti (Josephsonových jevů)

Standard napětí:

Na napěťově-proudové charakteristice Josephsonova přechodu ozářeného elektromagnetickým zářením vzniknou schody s konstantním napětím, které jsou od sebe vzdáleny o napětí V = hv/2e. Josephsonova konstanta K_J-90 = 2e/h je 438,5979 THz/V. Záření o kmitočtu 70 až 80 GHz generuje oscilátor s Gunnovou diodou, který je fázově zavěšený na cesiový standard kmitočtu, který má relativní stabilitu 10^-14. Standard napětí 10 V má přesnost ±4 nV.

Čip se standardem 10 V s x Josephsonovými přechody v sérii. http://www.prema.com/D/JVSe.htm

Magnetometry se skvidy jsou v současnosti nejcitlivějšími čidly magnetického pole, s citlivostí odpovídající miliardtině magnetického pole Země.

Stejnosměrný skvid v podstatě tvoří supravodivý prstýnek přerušný dvěma slabými vazbami (Josephsonovými přechody). Při nadkritickém proudu přechody na nich vznikne elektrické napětí. Toto napětí je periodickou funkcí magnetického toku v prstýnku. Skvid je tedy převodníkem magnetického toku na napětí.

Převzato z J. Vrba, MChSMS Quantum Design

Biomagnetizmus

Citlivost skvidových magnetometrů umožňuje měřit magnetické pole vytvořené proudy tekoucími neurony.

Biomagnetizmus INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING SUPERCONDUCTOR SCIENCE AND TECHNOLOGY Supercond. Sci. Technol. 19 (2006) S160–S171 doi:10.1088/0953-2048/19/3/024 Biomagnetism using SQUIDs: status and perspectives Karsten Sternickel1 and Alex I Braginski2 1 CardioMag Imaging, Inc., 450 Duane Avenue, Schenectady, NY 12304, USA 2 Research Center J¨ulich, ISG-2, D-52425 J¨ulich, Germany

Squids for Biomagnetism.mht

Vlevo: tříosý skvidový magnetometr pro geofyzikální měření. Vpravo: Spektrum Schumannových rezonancí.

Geomagnetizmus, tříosý skvidový magnetometer, měří vektor magnetického pole, s citlivostí 1 pT Hz^-1/2

Řádkovací skvidový mikroskop je přístroj, který měří profil magnetického pole nad vzorkem a převádí jej na obrázky. Magnetický senzor řádkuje povrch magnetického vzorku a zaznamenává intenzitu magnetického pole na pseudobarvy.

symetrie parametru uspořádání v YBCO supravodiči
technika vířivých proudů pro nedestruktivní testování
nízkošumový skvid pro detektor gavitačních vln
nedestruktivní testování vadné izolace integrovaných obvodů
studium magnetických vlastností magnetických materiálů - CMR materiály, Fe₃O₄, atd.

F. C. Wellstood, absimage.aps.org/image/MWS MAR07-2006-001665.pdf

Scanning SQUID Microscope (J_ R_ Kirtley).mht

Detektory terahertzového elektromagnetického záření.

Spektrum elektromagnetického záření v pásmu stovek GHz a jednotek THz je technicky složité generovat i přijímat. Kmitočtu 1 THz odpovídá vlnová délka 0,3 mm, energie 4,14 meV a teplota 48 K. Tomuto záření se v analogii s rentgenovým zářením (x-ray) říká T-ray.

V tomto pásmu jsou rotační spektra molekul, například CO od 345 do 850 GHz.

Detektory využívají nelineární napěťově-proudovou charakteristiku SIS (supravodič-izolátor-supravodič) přechodu zhotoveného z Nb nebo NbN. Na této nelinearitě se směšuje měřené záření s zářením z lokálního oscilátoru aby se získal "mezifrekvenční" signál o kmitočtu jednotek GHz, který už se dá zpracovat polovodičovou elektronikou.

Struktura SIS směšovače pro přijímače pro pásmo 30 až 950 GHz.

převzato z

Hvězdy a planety vznikají z materiálu, který je nahromaděn v mezihvězdných mračnech. Tato mračna prachu jsou ve viditelném spektru záření neprůhledná, ale jsou průhledná pro mm záření. To umožňuje studium „studené“ hmoty s teplotou několik K měřením radiové emise molekul plynů a prachu při vytváření hvězd a galaxií. Tak byly detekovány molekuly vody a dalších 100 molekul, z nichž mnoho je na Zemi neznámých.

Protože mm záření absorbují vodní páry v atmosféře, radioastronomické observatoře se stavějí vysoko v horách. Průhledná jsou jenom atmosférická "okna" na vlnových délkách 3, 2, 1 a 0,8 mm. IRAM provozuje dvě observatoře pro příjem záření o kmitočtu 80 až 370 GHz (3 až 0,8 mm), 30ti metrový teleskop v Pico Valeta a interferometr s řadou šesti 15 m antén v Plateau de Bure ve Francouzských Alpách. Ten rozliší dvě centové mince vedle sebe na vzdálenost 5 km. "Milimeter array" v USA tvoří 40 teleskopických antén o průměru 8 m na 115 GHz. "Large milimeter array" v Japonsku, "Australia telescope" v Austrálii, "Bordeaux Observatory" ve Francii, "South Pole" v USA.

Kvůli absorpci v atmosféře se teleskopy vynášejí do vesmíru, například kosmická laboratoř Herschel. Ty umožňují i chemický výzkum atmosféry, hlavně O₃, ClO, HCl a SO₂, BrO vulkanického původu.

Generovat koherentní terahertzového (THz = 10¹² Hz) záření byl technický problém až do roku 1990. Toto záření na rozdíl od rentgenového není ionizující a je tedy bezpečné. Toto záření špatně proniká kovy nebo vodou ale proniká pokožkou do hloubky přibližně 5 mm a také tkaninami, lepenkou či papírem. Cokoli s teplotou vyšší než 10 K generuje THz záření.

NbTi T_c 9,5 K, H_c2 14 T, H_c2(4,2K)10T, Nb₃Sn T_c 18,4 K, H_c2(4,2K)24T

Rapid Single Flux Quantum Logic (RSFQ) Pflop počítače,

Počítačové obvody 10 A/mm²

RSFQ obvody pro 750 GHz (1999)