Excimerlaser ermöglicht Serienproduktion supraleitender Drähte

Die Herausforderung

Es gibt eine wachsende Nachfrage nach hochtemperatursupraleitenden (HTS) Drähten, oft auch als Bänder bezeichnet, für den Einsatz im Stromnetz (in Kabeln, Transformatoren und anderen Komponenten) und in der Instrumentierung (NMR-Spektrometer und MRI-Systeme). Sollten Fusionsreaktoren in die Praxis umgesetzt werden, werden sie mit ziemlicher Sicherheit sehr große Mengen (Tausende von km) an HTS-Bändern benötigen, um die sehr hohen Stromdichten zu bewältigen. Die frühen HTS-Produktionsmethoden waren in Bezug auf Volumen und Kosten begrenzt und konnten nur Drähte mit einer begrenzten Stromdichte herstellen. SuperOx Japan hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von HTS in großen Mengen für Hochfeldanwendungen zu entwickeln.

Die Lösung

Sie wählten YBa2Cu3O7 (YBCO) als supraleitendes Material, weil es eine höhere Stromdichte als andere HTS-Materialien vertragen kann. Dann entwarfen sie ein mehrlagiges Band, das ein dünnes, starkes Hastelloy-Substrat mit Schichten aus MgO und YBCO enthält. Eine Dicke von 2,4 μm wurde als optimal für die YBCO-Schicht identifiziert. Das Team von SuperOx Japan entschied sich für die gepulste Laserabscheidung (PLD), die mit einem 308 nm Excimerlaser betrieben wird, um die HTS-Schicht zu erzeugen. Dies ist eine bewährte Methode für die Abscheidung stöchiometrischer Schichten (was bedeutet, dass die Zusammensetzung des ursprünglichen Zielmaterials in der abgeschiedenen Schicht erhalten bleibt). Dies ist wichtig für Hochfeldanwendungen, denn SuperOx Japan hatte beschlossen, das YBCO-Target mit einem Überschuss an Y2O3 zu beladen, um Defekte zu minimieren und die Stromdichte zu maximieren. „Der Coherent LEAP 300C Excimerlaser wurde aus mehreren Gründen als PLD-Quelle ausgewählt“, so Dr. Sergey Lee, Chief Executive Officer von SuperOx Japan. „Der LEAP 300C bietet eine einzigartige Kombination aus hoher Pulsenergie (1 Joule) und 300 Hz Wiederholrate, was uns einen hohen Durchsatz ermöglicht. LEAP Laser haben sich in der Industrie rund um die Uhr als zuverlässig erwiesen. Diese Kombination minimiert die tatsächlichen Kosten pro Laserwatt und ermöglicht eine kosteneffektive, hochvolumige Produktion von HTS-Draht.“

Das Ergebnis

Mit diesem kosteneffizienten Ansatz hat SuperOx Japan kürzlich über 300 km HTS-Draht für den Prototyp des Fusionsreaktors SPARC geliefert. Dies war die bisher größte Lieferung von HTS-Draht von einem Lieferanten. Und unabhängige Tests haben gezeigt, dass der Draht eine überragende Stromdichte unter hohen Feldbedingungen aufweist.

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