Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

HyperTech Research, Inc. “головокружение от успехов” в производстве MgB2

2011, Tом 8, выпуск 1
Тематика: Диборид магния MgB2

В предыдущих выпусках нашего бюллетеня мы не раз обращались к производству проводов и кабелей на основе диборида магния. На сегодняшний день одним из лидеров в этой области является компания HyperTech Research Inc., образованная в 2001 году сразу же после открытия сверхпроводимости MgB2, с атипично высокой для бинарных соединений критической температурой в 39 К. Компания ворвалась на рынок производства сверхпроводников, запатентовав новый потоковый метод изготовления проводов MgB2, основанный на непрерывной прокатке металлических лент через систему валиков специальной формы для придания им формы трубок с одновременным заполнением порошком сверхпроводника (Continuous Tube Forming and Filling – CTFF) и последующей протяжкой до нужного диаметра. По сравнению с традиционной технологией, основанной на вытягивании труб конечной длины, метод HyperTech обладает рядом преимуществ: однородная плотность порошка MgB2 по длине, и, главное - отсутствие ограничений на длину готового провода. Хотя HyperTech параллельно занимается производством Nb3Sn сверхпроводников для нужд физики высоких энергий и высокопольной ЯМР спектрометрии, широкие перспективы перед компанией открылись именно благодаря их деятельности с диборидом магния.

Мгновенно вспыхнувший интерес к соединению MgB2 понятен. Отсутствие электрических потерь делает сверхпроводящие магниты гораздо более экономичными по сравнению с любыми резистивными. Однако использование низкотемпературных сверхпроводников требует дорогих систем охлаждения. ВТСП гораздо более удобны с криогенной точки зрения, однако достаточно дороги. Провода на основе MgB2 являются “золотой серединой” - они гораздо дешевле ВТСП; критическая температура вблизи 39 К позволяет отказаться от жидких хладагентов и перейти к гораздо более удобным для пользователя сухим криостатам на криокуллерах. Благодаря слабой анизотропии критических свойств этого сверхпроводника, проводам на его основе можно придавать различную форму (для оптимизации размеров и плотности тока в обмотках). Самой привлекательной нишей для применения MgB2 являются магнитные системы для магнито-резонансных томографов (МРТ) с полями до 1,5-3,0 Тл. Применение MgB2 в трансформаторах, моторах, генераторах и токоограничителях также весьма перспективно.

На волне вспыхнувшего интереса к новому типу сверхпроводников, практически сразу после своего появления, компания получила мощнейшую государственную поддержку. Суммарные инвестиции Министерства обороны США (DOD), НАСА, Национального института здоровья (NIH), Массачусетского технологического института и Университета штата Огайо к настоящему моменту превысили 10 млн. долларов. Более того, общая стоимость заказов, поступивших НyperTech на 2010 год, уже составляет около 4 млн. долларов. К тому же HyperTech является одной из 20 компаний, получивших поддержку от Национального Института Госстандартов и Технологий США.

Производственная база компании (Рис. 1), расположенная в Коламбусе, штат Огайо, оснащена новейшим оборудованием, в том числе: запатентованным комплексом для непрерывной протяжки металлических лент с одновременным заполнением образовавшейся трубки сверхпроводником, линией волочения и отжиговыми печами и т.д.

Производительность HyperTech растет ударными темпами - от 250 км/год в 2006 году до 10 – 15 тысяч км/год в 2009. В свою очередь доходы за прошедший год составили 2 млн. долларов. Руководство компаний приняло решение до конца 2010 года перевести производственные мощности из Коламбуса в городок Франклин, штат Огайо, и в течение 3х лет наладить там полностью коммерческую линию производства сверхпроводников. В июне 2009 года компания получила 5 млн. долларов от штата Огайо по программе поддержки Передовых Исследований и Коммерческих Программ. Из них на переезд планируется потратить 1,5 млн. долларов. На это расширение мощностей в компании возлагаются большие надежды, и, по оптимистическим оценкам, суммарная прибыль HyperTech к 2012 должна возрасти до 6 млн. долларов/год.

Рис. 1. Производственная база НyperTech в Коламбусе.

1. Здание комплекса.

2. Линия трубчатых печей для термообработки.

3. Установка для протяжки провода.

На Рис. 2 представлены поперечные сечения много жильных проводников MgB2. Параметры изготавливаемых в НyperTech проводов приведены в Таблице. Для увеличения их критических параметров применяется дополнительное легирование проводов карбидом кремния (SiC), а также вводятся Nb барьеры. Эти меры позволяют поднять Jc до 45 кA/cм2 при 10 T и 4,2 K. По словам президента компании, единственным серьезным конкурентом НyperTech в производстве MgB2 является итальянская компания Columbus Superconductors.

Рис. 2 . Поперечное сечение многожильного проводника MgB2

Таблица Характеристики проводников на основе MgB2 производства НyperTech

Чтобы показать возможность использования своей продукции при создании ограничителей токов короткого замыкания, HyperTech оплатила Кембриджу и компании Rolls Royce высокоточные испытания своих проводов (до 700 А в импульсе). Опыты прошли успешно. В свою очередь, в физике высоких энергий амбиции HyperTech не ограничиваются ускорителями. В надежде встроиться в проект ITER HyperTech продемонстрировала характеристики своих проводов в температурных условиях этого реактора.

Успехи в производстве проводов подтолкнули компанию к самостоятельному изготовлению из них различных электрических устройств для коммерческого и военного применений. В 2005 г из длинных Nb/Cu/Monel проводников собственного производства в НyperTech были намотаны несколько соленоидальных катушек с последующим отжигом (700С/20мин) и вакуумным импрегнированием эпоксидной смолой. Характеристики одного из соленоидов, изготовленных по этой технологии, показаны на Рис. 3.

Рис. 3. Свойства одного из первых MgBсоленоидов производства НyperTech

По гранту, полученному от Министерства Энергетики США (DОE), HyperTech продолжает работы по улучшению характеристик своих магнитов для применений в ускорителях. Основными задачами являются увеличение: критических токов в полях 3-5 Тл, числа жил в проводе и коэффициента заполнения по сверхпроводнику, а также стабильности к возмущениям.

В августе 2006 года по заказу Национального Института Здоровья США по технологии «отжиг-намотка» была изготовлена модельная катушка для МРТ на 0,12 Т при 20 K (Рис. 4). В HyperTech надеются постепенно захватить весь рынок (100 млн. долларов) производства магнитов для МРТ, благодаря всем вышеперечисленным плюсам MgB2 и замкнутой системе производства – от сверхпроводника до готового изделия.

Рис. 4. Модельная катушка для МРТ из MgB2 производства  HyperTech.

В 2007 году компания совместно с Instituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN, Италия) попыталась изготовить токонесущий элемент на основе MgB2, оптимизированный для применений в физике высоких энергий. Свойства двухметрового кабеля, полученного путем скрутки 9 проводов MgB2 Ø 0,83 мм с шагом в 5 см (Рис 5) приведены на Рис. 6. Снятые при разных значениях магнитной индукции и температуры ВАХ токонесущего элемента не выявили какой-либо деградации критических свойств по сравнению с отдельными проводами.

Рис. 5. Девятижильный кабель MgB2 совместного производства INFN и НyperTech.

По контракту с NASA в HyperTech по технологии «отжиг- намотка» были изготовлены более 10 однослойных рейстрековых MgB2 катушек (на 400 А каждая при 4 К) для авиационных электромоторов и генераторов. Конечной целью проекта является изготовление 4-х полярного ротора (Рис. 7) из 2 км провода для 2 МВт генератора на 20 тысяч оборотов в минуту, 4 полюса ротора уже подготовлены для отправки заказчику.

Рис. 6. Зависимость критического тока от магнитного поля при температурах 4,2 К, 9,8 К, 15 К, 20 К и 25 К в MgB2 кабеле, оптимизированном для применений в устройствах для физики высоких энергий.

Рис. 7. Полюс ротора для 2 МВт сверхпроводящего генератора.

В заключении можно сказать, что HyperTech является примером компании, появившейся «в нужном месте, в нужное время». Благодаря своему уникальному методу потокового производства, постоянному совершенствованию технологий и тесному сотрудничеству с ведущими потребителями сверхпроводников и устройств на основе диборида магния, у компании, в условиях неослабевающего интереса к MgB2 есть все предпосылки к тому, чтобы и дальше удерживать лидирующие позиции на рынке производства сверхпроводников.

 

1.Сверхпроводники для электроэнергетики 3, выпуск 6 (2006).

2. Сайт компании HyperTech Research, Inc.

3. Сайт компании Columbus Superconductors

4. Superconductor Science Technology 24, 012001 (2011).

 

 

Д.И.Шутова

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.