[논문 리뷰] A transformative superconducting magnet technology for fields well above 30 T using isotropic round wire multifilament Bi2Sr2CaCu2O8-x conductor

D. C. Larbalestier, Jianyi Jiang외 9명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 06.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비정질 원형 다섬유 Bi2Sr2CaCu2O8-x (Bi-2212) 선을 사용하여 24 T의 한계를 가진 Nb3Sn을 뛰어넘어 거의 34 T에 이르는 자기장을 생성할 수 있는 변혁적 초전도 자석 기술을 입증한다. 강한 정렬도 없고 고각도 결정립 경계를 포함하고 있음에도 불구하고, Bi-2212 도체는 20 T 및 4.2 K에서 임계 전류 밀도 2500 A/mm²를 달성하여 실용적인 고자기장 자석 winding 을 가능하게 하며, 초고자기장 NMR 및 기타 응용 분야에 새로운 길을 열어 놓는다.

ABSTRACT

We report here that magnetic fields of almost 34 T, far above the upper 24 T limit of Nb3Sn, can be generated using a multifilament round wire conductor made of the high temperature cuprate superconductor Bi2Sr2CaCu2O8-x (Bi-2212). A remarkable attribute of this Bi-2212 conductor is that it does not exhibit macroscopic texture and contains many high angle grain boundaries but nevertheless attains very high superconducting critical current densities Jc of 2500 A/mm2 at 20 T and 4.2 K. This Bi-2212 conductor does not possess the extreme texture that high Jc coated conductors of REBa2Cu3O7-x (REBCO) require, avoiding also its high aspect ratio, large superconducting anisotropy and the inherent sensitivity to defects of a single filament conductor. Bi-2212 wires can be wound or cabled into almost any type of superconducting magnet and will be especially valuable for very high field NMR magnets beyond the present 1 GHz proton resonance limit of Nb3Sn technology. This demonstration that grain boundary limits to high Jc can be practically overcome suggests the huge value of a renewed focus on grain boundary properties in non-ideal geometries, especially with the goal of translating the lessons of this Bi-2212 conductor into fabrication of multifilament round wire REBCO or Fe-based superconductors.

연구 동기 및 목표

• Nb3Sn 기반 시스템의 현재 24 T 한계를 뛰어넘어 30 T 이상의 자기장을 생성할 수 있는 초전도 자석 기술을 개발하는 것.
• 강한 정렬이 없고 고각도 결정립 경계를 포함한 비정렬 초전도선에서 높은 임계 전류 밀도(Jc)를 달성하는 데 도전하는 것.
• 다섬유 원형 Bi-2212 선이 REBCO 코팅 도체가 요구하는 극도로 높은 정렬도나 이방성 없이도 실용적인 자석으로 winding 될 수 있음을 입증하는 것.
• 1 GHz 수소 공진 주파수 한계를 초월하는 초고자기장 NMR 및 기타 고급 과학 기기의 실현을 가능하게 하는 것.
• 결정립 경계의 제약이 비이상적인 기하학적 형태에서도 극복될 수 있음을 증명함으로써 초전도체 설계의 새로운 범주를 마련하는 것.

제안 방법

• 고온의 구리산염 초전도체인 Bi2Sr2CaCu2O8-x (Bi-2212)로 제작된 다섬유 원형 선을 비정렬, 비이방성 미세구조에서 사용하는 것.
• 기계적 성형성과 winding 적합성을 보장하기 위해 다섬유 원형 선을 제조하기 위해 파우더 인 투브(PIT) 공정을 활용하는 것.
• 고자기장 균일성과 안정성을 확보하기 위해 Bi-2212 선을 중첩된 팬케이크 winding 기하학으로 설계한 자석을 구현하는 것.
• 4.2 K에서 임계 전류 밀도(Jc) 및 고자기장 조건 하에서의 성능을 평가하기 위해 측정을 수행하는 것.
• Bi-2212가 결정립 경계 산란에 대해 내재된 강건성을 지니고 있어 고각도 결정립 경계가 있음에도 불구하고 높은 Jc를 유지할 수 있음을 활용하는 것.
• 달성 가능한 자기장 강도에서 기술적 도약을 검증하기 위해 기존의 Nb3Sn 및 REBCO 기반 시스템과의 성능 비교를 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정렬, 비이방성 Bi-2212 다섬유 원형 선이 30 T 이상의 초전도 자석을 가능하게 하기 위해 충분히 높은 임계 전류 밀도(Jc)를 달성할 수 있는가?
• RQ2 Bi-2212에 존재하는 고각도 결정립 경계가 Jc에 미치는 제약은 어느 정도이며, 이러한 제약은 실제 자석 구현에서 실질적으로 극복될 수 있는가?
• RQ3 Bi-2212 선은 성능 저하 없이 복잡한 자석 기하학으로 winding 될 수 있는가? 이는 실용적인 고자기장 응용을 가능하게 하는가?
• RQ4 4.2 K에서의 자기장 강도 및 운용 안정성 측면에서 Bi-2212의 성능은 Nb3Sn 및 REBCO와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 이 기술이 초고자기장 NMR 및 기타 고자기장 과학 기기의 발전에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• Bi-2212 기반 초전도 자석을 통해 거의 34 T의 자기장을 성공적으로 생성하여 Nb3Sn 기술의 24 T 한계를 초월했다.
• 강한 정렬이 없고 고각도 결정립 경계가 존재함에도 불구하고, Bi-2212 다섬유 원형 선은 20 T 및 4.2 K에서 임계 전류 밀도(Jc) 2500 A/mm²를 달성했다.
• Bi-2212 선의 비이방성 특성 덕분에 REBCO 도체와는 달리 다양한 자석 구조로의 융통성 있는 winding 및 케이블링이 가능하다.
• 고자기장 조건에서도 높은 성능을 유지함으로써, 결정립 경계 산란이 비이상적인 미세구조에서 높은 Jc를 차단하지 않는다는 것이 입증되었다.
• 이 기술은 현재 1 GHz 수소 공진 주파수 한계를 초월하는 NMR 시스템의 실현 가능성을 열어, 재료 및 생물학적 연구 분야에 새로운 국면을 마련한다.
• 향후 다섬유 원형 선의 REBCO 또는 철 기반 초전도체 개발은 Bi-2212에서 입증된 결정립 경계 설계 원칙으로부터 유의미한 혜택을 볼 수 있을 것으로 보인다.