准分子激光器助力超导线材批量生产

挑战

高温超导 (HTS) 线材通常也称为带材，在电网（电缆、变压器和其他组件）和仪器仪表（核磁共振光谱仪和 MRI 系统）领域的需求量不断增长。而且，如果聚变反应堆得到实际运用，几乎肯定会需要大量（数千千米）的 HTS 带材来处理较高的电流密度。早期的 HTS 生产方法在批量生产和成本方面受到限制，并且只能生产具有有限电流密度额定值的线材。Faraday Factory Japan 着手开发了一种大批量且经济实惠的方法来生产用于高场应用的 HTS。

解决方案

他们选择 YBa2Cu3O7 (YBCO) 作为超导材料，因为它可以处理比其他 HTS 材料更高的电流密度。然后，他们设计了一种多层（包括 MgO 和 YBCO 层）带材，采用薄而坚固的哈氏合金基材。2.4 μm 是公认的 YBCO 层的优异厚度。Faraday Factory Japan 团队决定使用由 308nm 准分子激光器驱动的脉冲激光沉积 (PLD) 工艺来创建 HTS 层，因为这是一种经过充分验证的化学计量薄膜沉积方法（也意味着原始目标材料的成分会保留在沉积薄膜中）。这对于高场应用来说至关重要，因为Faraday Factory Japan 决定在 YBCO 靶材上加载过量的 Y2O3，以尽量减少缺陷并提高电流密度。Faraday Factory Japan 首席执行官 Sergey Lee 博士称，选择Coherent LEAP 300C 准分子激光器作为 PLD 源有几个原因。“LEAP 300C 具备高（1 焦耳）脉冲能量和 300 Hz 重复频率的独特组合，为我们提供了高产量。此外，LEAP 激光器拥有良好的全天候工业可靠性记录。这种组合显著降低了每瓦激光的实际成本，并能够以低成本大批量生产 HTS 线材。”

成果

通过使用这种具有成本效益的方法，Faraday Factory Japan 最近交付了超过 300 千米的 HTS 线材，用于 SPARC 聚变反应堆原型。这是迄今为止最大的 HTS 线材供应商交付量。而且，独立试验表明，该线材在高场条件下可处理更大的电流密度。

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