अतिचालक तार

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एक तार का एक उदाहरण (वैनेडियम3गैलियम मिश्र धातु) एक अतिचालक चुंबक में प्रयोग किया जाता है

अतिचालक तार अधिचालक पदार्थ से बनी बिजली की तारें हैं। जब उन्हें उनके पारगमन तापमान से नीचे ठंडा किया जाता है, तो उनके पास शून्य विद्युत प्रतिरोध होता है। सामान्यतः, पारंपरिक अतिचालक जैसे नाइओबियम टाइटेनियम का उपयोग किया जाता है,[1] लेकिन YBCO जैसे उच्च तापमान वाले अतिचालक बाजार में प्रवेश कर रहे हैं।

कॉपर निदेशक या एल्यूमीनियम पर अतिचालक तार के लाभ में उच्च अधिकतम वर्तमान घनत्व और शून्य शक्ति अपव्यय सम्मिलित हैं। इसकी हानि में तारों को अतिचालक तापमान (प्रायः तरल नाइट्रोजन या तरल हीलियम जैसे शीतजन की आवश्यकता होती है) के प्रशीतन की लागत सम्मिलित है, तार अतिचालक चुंबक (अतिसंवाहकता का अचानक हानि), कुछ के निम्न यांत्रिक गुण अतिचालक, और तार पदार्थ और निर्माण की लागत सम्मिलित हैं। [2] इसका मुख्य अनुप्रयोग अतिचालक चुम्बकों में है, जिनका उपयोग वैज्ञानिक और चिकित्सा उपकरणों में किया जाता है जहाँ उच्च चुंबकीय क्षेत्र आवश्यक होते हैं।

महत्वपूर्ण मापदण्ड

निर्माण और प्रचालन तापमान को सामान्यतः अधिकतम करने के लिए चुना जाएगा:

  • समीक्षात्म तापमान Tc, वह तापमान जिसके नीचे तार अतिचालक बन जाता है
  • समीक्षात्म वर्तमान घनत्व Jc, एक अतिचालक तार प्रति इकाई अनुप्रस्थ काट क्षेत्र में अधिकतम विद्युत प्रवाह ले सकता है (20 kA/cm2 के साथ उदाहरणों के लिए नीचे चित्र देखें)।

अतिचालक तार/टेप/रज्जु में सामान्यतः दो प्रमुख विशेषताएं होती हैं:

  • अतिचालक यौगिक (सामान्यतः संवाहक तार/आलेप के रूप में)
  • एक प्रवाहकत्त्व स्थिरक, जो अतिचालक पदार्थ में अतिसंवाहकता (शमन के रूप में जाना जाता है) के हानि की स्तिथि में करंट को वहन करता है। [3][4]

वर्तमान साझा तापमान Tcs वह तापमान है जिस पर अतिचालक के माध्यम से ले जाने वाली धारा भी स्थिरक के माध्यम से प्रवाहित होने लगती है। [5][6] हालाँकि, Tcs शमन तापमान (या महत्वपूर्ण तापमान) Tc के समान नहीं है; पूर्व स्तिथि में, अतिसंवाहकता का आंशिक हानि होता है, जबकि बाद की स्तिथि में, अतिसंवाहकता पूरी तरह से खो जाती है। [7]


एलटीएस तार

निम्न-तापमान अतिचालक (LTS) तार निम्न क्रांतिक तापमान वाले अतिचालक से बनाए जाते हैं, जैसे Nb3Sn (नाइओबियम-टिन) और NbTi (नाइओबियम-टाइटेनियम)। प्रायः अतिचालक तांबे या एल्यूमीनियम आव्यूह में तन्तु के रूप में होता है जो किसी भी कारण से अतिचालक के बुझने पर करंट को वहन करता है। अतिचालक तन्तु तार की कुल मात्रा का एक तिहाई हिस्सा बना सकते हैं।

तैयारी

तार कर्षण

सामान्य तार खींचने की प्रक्रिया का उपयोग नाइओबियम-टाइटेनियम जैसे निंदनीय मिश्र धातुओं के लिए किया जा सकता है।

भूतल प्रसार

वैनेडियम-गैलियम (वी3गा) सतह प्रसार द्वारा तैयार किया जा सकता है जहां एक ठोस के रूप में उच्च तापमान घटक को अन्य तत्व में तरल या गैस के रूप में स्नान किया जाता है। [8] जब उच्च तापमान प्रसार के उपरान्त सभी घटक ठोस अवस्था में रहते हैं तो इसे कांस्य प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है।[9]

  • Index.php?title=File:NbTi3SnWire.jpg

    विभिन्न के अनुप्रस्थ काट (एनबी, टीआई)3एसएन समग्र अतिचालक केबल और तार। (8 से 19 टेस्ला क्षेत्रों में 440 से 7,800 ए)।

  • Index.php?title=File:V3GaTape1.jpg

    V3Ga अतिचालक टेप (10×0.14 मिमी अनुप्रस्थ काट)। एक वैनेडियम कोर 15 सूक्ष्ममापी V3Ga परत के साथ आच्छादित किया गया है, फिर 20 µm कांस्य (स्थिरीकरण परत) और 15 µm आवरणयुक्त परत है। समीक्षात्मक करंट 180 ए (19.2 टेस्ला, 4.2 के), समीक्षात्मक करंट संघनता 20  kA/cm2

  • Index.php?title=File:NbTi3SnTape.jpg

    Nb/Cu-7.5at%Sn-0.4at%Ti टेप (9.5×1.8 मिमी अनुप्रस्थ काट) मूल रूप से 18.1 T चुंबक के लिए विकसित किया गया था। Nb कोर: 361×348 5 µm व्यास के समूह तंतु क्रिटिकल करंट 1700 ए (16 टेस्ला, 4.2 के), क्रांतिक धारा संघनता 20 kA/cm2 है


एचटीएस तार

उच्च तापमान अतिचालक (एचटीएस) तार उच्च महत्वपूर्ण तापमान (उच्च तापमान अतिसंवाहकता) वाले अतिचालक से बने होते हैं, जैसे वाईबीसीओ और बीएससीसीओ।

पाउडर-इन-ट्यूब

पीआईटी प्रक्रिया का सरलीकृत आरेख

पाउडर-इन-ट्यूब (पीआईटी, या तन्तु में ऑक्साइड पाउडर, ओपीआईटी) प्रक्रिया एक बहिर्वेधन प्रक्रम है जिसका उपयोग प्रायः भंगुर अतिचालक पदार्थ जैसे नाइओबियम-टिन से विद्युत निदेशक या मैग्नीशियम लीक,[10] और बीएससीसीओ जैसे मृत्तिका कृति कप्रेट अतिचालक बनाने के लिए किया जाता है। [11][12][13] इसका उपयोग लोहे के निक्टाइड्स के तार बनाने के लिए किया गया है।[14] (PIT का उपयोग ईट्रियम बेरियम कॉपर ऑक्साइड के लिए नहीं किया जाता है क्योंकि इसमें PIT प्रक्रिया में पर्याप्त 'बनावट (स्फटिकीय)' (संरेखण) उत्पन्न करने के लिए आवश्यक शक्तिहीन आवरण नहीं होती हैं।)

इस प्रक्रिया का उपयोग इसलिए किया जाता है क्योंकि उच्च तापमान वाले अतिचालक तार कर्षण के लिए बहुत भंगुर होते हैं। तन्तु धातु के होते हैं, प्रायः चांदी के होते हैं। पाउडर के मिश्रण पर प्रतिक्रिया करने के लिए प्रायः तन्तु को गरम किया जाता है। एक बार प्रतिक्रिया करने के बाद तन्तु को कभी-कभी टेप-जैसे निदेशक बनाने के लिए सपाट किया जाता है। परिणामी तार पारंपरिक धातु के तार जितना लचीला नहीं है, लेकिन कई अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त है।

प्रक्रिया के सीटू और पूर्व सीटू परिवर्ती हैं, साथ ही एक 'युग्म अंतर्भाग' विधि है जो दोनों को जोड़ती है।[15]


लेपित अतिचालक टेप या तार

लेपित अतिसंवाहक टेप को दूसरी पीढ़ी के अतिसंवाहक तार के रूप में जाना जाता है। ये तार लगभग 10 मिमी चौड़ाई और लगभग 100 सूक्ष्ममापी मोटाई के धातु टेप के रूप में होते हैं, जो YBCO जैसे अतिसंवाहक पदार्थ के साथ लेपित होते हैं। YBCO जैसे उच्च-तापमान अतिसंवाहकता पदार्थ की खोज के कुछ वर्षों बाद, यह प्रदर्शित किया गया था कि जाली पर उगाई जाने वाली एपीटैक्सियल YBCO पतली आवरण मैग्नीशियम ऑक्साइड MgO, स्ट्रोंटियम टाइटेनेट (SrTiO3) और नीलम जैसे एकल स्फटिक से मेल खाती हैं जिनमें उच्च सुपरक्रिटिकल करंट घनत्व होता है। 10–40 kA/mm2 हालांकि, एक लंबे टेप के निर्माण के लिए एक जाली-मिलान वाली लचीली पदार्थ की आवश्यकता थी। YBCO आवरण सीधे धातु कार्यद्रव पदार्थ पर जमा होती हैं जो खराब अतिचालक गुण प्रदर्शित करती हैं। यह प्रदर्शित किया गया था कि एक धातु कार्यद्रव पर एक सी-अक्ष उन्मुख येट्रिया-स्थिर ज़िकोनिया (वाईएसजेड) मध्यवर्ती परत उच्च गुणवत्ता वाली वाईबीसीओ आवरण का उत्पादन कर सकती है, जिसमें एकल स्फटिक क्रियाधार पर उत्पादित की तुलना में अभी भी एक से दो क्रम कम महत्वपूर्ण वर्तमान घनत्व था।[16][17]

यह सफलता आयन बीम-सहायता प्राप्त जमाव (IBAD) तकनीक के आविष्कार के साथ आई है, जो धातु के टेपों पर द्विअक्षीय रूप से संरेखित येट्रिया-स्थिर जिरकोनिया (YSZ) पतली आवरणों का उत्पादन करती है और आवर्ती-सहायता-द्विअक्षीय-बनावट-क्रियाधार (रैबिट) प्रक्रिया का उत्पादन करती है। ऊष्मायांत्रित प्रसंस्करण के माध्यम से द्विअक्षीय रूप से बनावट वाले धात्विक क्रियाधार है। [18][19]

IBAD प्रक्रिया में, द्विअक्षीय-बनावट वाली YSZ आवरण ने YBCO आवरणों के एपिटैक्सी विकास के लिए एकल-स्फटिक जैसा आधार पट्ट प्रदान किया। इन YBCO आवरणों ने 1 MA/cm से अधिक का महत्वपूर्ण वर्तमान घनत्व प्राप्त किया। अन्य मध्यवर्ती आवरण जैसे सेरियम ऑक्साइड (CeO2 अतिचालक आवरणों के लिए IBAD तकनीक का उपयोग करके मैग्नीशियम ऑक्साइड (MgO) का उत्पादन किया गया। [20][21] अरेंड्ट द्वारा IBAD क्रियाधार और प्रौद्योगिकी के विवरण की समीक्षा की गई। [22] एलएमओ-सक्षम IBAD-MgO प्रक्रिया की प्रक्रिया का आविष्कार और विकास ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाला में किया गया था और इसने 2007 में R&D100 पुरस्कार जीता था। [23] यह एलएमओ-सक्षम कार्यद्रव प्रक्रिया अब अनिवार्य रूप से आईबीएडी कार्यद्रव के आधार पर एचएसटी तार के सभी निर्माताओं द्वारा उपयोग की जा रही है।

रैबिट क्रियाधार में, धात्विक आधार पट्ट स्वयं द्विअक्षीय-बनावट वाला और Y2O3 का हेटेरोपीटैक्सियल मध्यवर्ती स्तर था, YSZ और CEO2 तब धातु के आधार पट्ट पर इसके बाद अतिचालक परत के हेटेरेपिटैक्सियल जमाव किया गया था। गोयल द्वारा रैबिट क्रियाधार और प्रौद्योगिकी के विवरण की समीक्षा की गई। [24]

2015 तक YBCO लेपित अतिचालक टेप 77 K पर 500 A/cm-चौड़ाई और उच्च चुंबकीय क्षेत्र के अंतर्गत 30 K पर 1000 A/cm-चौड़ाई ले जाने में सक्षम हैं। [25][26][27][28] 2021 में YBCO लेपित अतिचालक टेप 77 K पर 250 A/cm-चौड़ाई और 20 K पर 2500 A/cm-चौड़ाई ले जाने में सक्षम व्यावसायिक रूप से उत्पादित तारों के लिए प्रतिवेदन किए गए थे। [29] 2021 में एक अति-अपमिश्रित YBCO2 5 K और 6 MA/cm2 पर 77 K पर 7 T चुंबकीय क्षेत्र में आवरण के एक प्रायोगिक प्रदर्शन ने 90 MA/cm की सूचना दी। [30]

धातु कार्बनिक रासायनिक वाष्प जमाव

धातु कार्बनिक रासायनिक वाष्प जमाव (MOCVD) YBCO लेपित निदेशक टेप के निर्माण के लिए उपयोग की जाने वाली निक्षेपण प्रक्रियाओं में से एक है। इग्नाटिव MOCVD बयान के माध्यम से YBCO आवरणों को जमा करने के लिए उपयोग की जाने वाली MOCVD प्रक्रियाओं का अवलोकन प्रदान करता है। [31]


प्रतिक्रियाशील सह-वाष्पीकरण

दूसरी पीढ़ी के अतिचालक तारों में अतिचालक परत को घटक धातुओं, दुर्लभ-पृथ्वी तत्व, बेरियम और तांबे के तापीय वाष्पीकरण द्वारा भी उगाया जा सकता है। प्रुसेट उच्च गुणवत्ता वाली वाईबीसीओ आवरणों को जमा करने के लिए उपयोग की जाने वाली ऊष्मीय वाष्पीकरण प्रक्रिया का एक समीक्षा प्रदान करता है। [32]


स्पंदित लेजर निक्षेपण

दूसरी पीढ़ी के अतिचालक तारों में अतिचालक परत को स्पंदित लेजर निक्षेपण (पीएलडी) द्वारा भी विकसित किया जा सकता है। क्रिस्टन उच्च गुणवत्ता वाली YBCO आवरणों को जमा करने के लिए उपयोग की जाने वाली PLD प्रक्रिया का अवलोकन प्रदान करता है। [33]


मानक

TC90 के अंतर्गत अतिचालक तारों से संबंधित कई IEC (अंतर्राष्ट्रीय इलेक्ट्रोटेक्निकल आयोग) मानक हैं।

यह भी देखें

  • नाइओबियम-टाइटेनियम - सम्भालने में आसान, सस्ता, लेकिन इसके लिए एलएचई की आवश्यकता होती है
  • नाइओबियम-टिन - सम्भालने में कठिन, उच्च महत्वपूर्ण क्षेत्र, लेकिन इसके लिए एलएचई की आवश्यकता होती है
  • तांबे पहने एल्यूमीनियम तार
  • ग्राफीन के संभावित अनुप्रयोग ग्राफीन-क्लैड तार
  • त्वचा प्रभाव
  • कपरेट अतिचालक
  • उच्च तापमान अतिचालकता
  • अवशिष्ट-प्रतिरोधकता अनुपात

संदर्भ

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