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

D. C. Larbalestier, Jianyi Jiang+9 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 28被引用 3

一句话总结

该论文展示了一种变革性的超导磁体技术，能够利用各向同性圆柱多芯Bi2Sr2CaCu2O8-x（Bi-2212）导线生成高达近34 T的磁场——远超Nb3Sn的24 T极限。尽管缺乏强取向性且存在高角度晶界，Bi-2212导体在20 T和4.2 K条件下仍实现了2500 A/mm²的临界电流密度，使实用化高场磁体绕制成为可能，并为超高场NMR及其他应用开辟了新途径。

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.

研究动机与目标

• 开发一种能够产生显著高于30 T磁场的超导磁体技术，超越当前Nb3Sn系统24 T的上限。
• 解决在具有高角度晶界的非取向、各向同性超导导线中实现高临界电流密度（Jc）的挑战。
• 证明多芯圆柱形Bi-2212导线可在无需稀土铜氧化物（REBCO）涂层导体所要求的极端取向性和各向异性的情况下，绕制成实用磁体。
• 实现超越1 GHz质子共振频率极限的超高压场NMR及其他先进科学仪器。
• 通过证明在非理想几何结构中可克服晶界限制，建立超导体设计的新范式。

提出的方法

• 采用由Bi2Sr2CaCu2O8-x（Bi-2212）构成的多芯圆柱形导线，其具有非取向、各向同性的微观结构。
• 采用粉末装管（PIT）制造工艺生产多芯圆柱形导线，以实现良好的机械成形性和绕制兼容性。
• 采用嵌套式、饼状绕制结构设计磁体，以实现高场均匀性和稳定性。
• 在4.2 K下进行测量，以评估临界电流密度（Jc）及在高磁场下的性能表现。
• 利用Bi-2212对晶界散射的内在抗性，即使存在高角度晶界，也能实现高Jc。
• 与传统Nb3Sn和REBCO基系统进行性能对比，验证其在可实现磁场强度上的技术飞跃。

实验结果

研究问题

• RQ1 各向同性、非取向的Bi-2212多芯圆柱形导线是否能实现足够高的临界电流密度（Jc），以支持30 T以上的超导磁体？
• RQ2 Bi-2212中高角度晶界在多大程度上限制了Jc？这些限制是否可在实际磁体结构中被有效克服？
• RQ3 Bi-2212导线是否可在不降低性能的前提下绕制成复杂磁体结构，从而实现实用化高场应用？
• RQ4 在4.2 K下，Bi-2212的性能与Nb3Sn和REBCO相比，在可实现磁场强度和运行稳定性方面如何？
• RQ5 该技术对推动超高场NMR及其他高场科学仪器的发展具有何种影响？

主要发现

• 成功利用基于Bi-2212的超导磁体生成了接近34 T的磁场，超越了Nb3Sn技术的24 T极限。
• 尽管缺乏强取向性且存在高角度晶界，Bi-2212多芯圆柱形导线在20 T和4.2 K条件下仍实现了2500 A/mm²的临界电流密度（Jc）。
• Bi-2212导线的各向同性特性使其可灵活绕制和绞合为多种磁体结构，优于各向异性且易碎的REBCO导体。
• 该导体在高磁场下仍保持高性能，表明晶界散射并不会阻碍非理想微观结构中的高Jc。
• 该技术使实现超越当前1 GHz质子共振频率极限的NMR系统成为可能，为材料与生物研究开辟新领域。
• 结果表明，未来多芯圆柱形REBCO或铁基超导体的发展可受益于Bi-2212中展示的晶界工程原理。