Achegándonos ao LHC

INICIO CERN LHC FÍSICA NO LHC DETECTORES MODELO ESTÁNDAR EDUCACIÓN LIGAZÓNS NOVAS E MÁIS GLOSARIO

NOVAS: Siga as novas...

 SUPERCONDUTIVIDADE EN BREVE
 

O fenómeno da supercondutividade foi primeiro observada en 1912 en el laboratorio de  Heike Kamerlingh Onnes, na Universidade de Leiden (Paises Baixos). A baixa temperatura certos materiais (arredor de 800 substancias superconductoras teñen sido descubertas ata hoxe) perden de súpeto a súa resistencia ao fluxo da corrente eléctrica.  O fenómeno permaneceu como curiosidade de laboratorio ata que en 1954 G. B. Yntema na Universidade de Illinois, construiu o primeiro imán superconductor.    
O lento progreso pode en parte ser atribuido á dificultade de obter as extremadamente baixas temperaturas requeridas, e o descoñecemento de como crear fíos eléctrica e termalmente estables de esos supercondutores. Pero a primeira limitación foi non só debIda a esas baixas temperaturas, senón que tamén ao restrinxido rango na densidade de corrente e  o campo magnético, sendo especialmente limitado nos primeiros supercondutores.   A seguinte figura amosa a dependencia entre o campo magnético e a temperatura, sendo Hc e Tc característicos de cada material:

Os supercondutores, como o Pb, Al e Hg son clasificados como Tipo I, e nos cales o  fluxo magnético é expulsado do seu interior (efecto Meissner), estando a densidade crítica de corrente limitada a unha capa superficial  de aproximadamente unha décima de micra. O máximo campo no que eses supercondutores poden operar é habitualmente menor que 0.1 T (similar ao fluxo entre polos dun imán permanente de ferradura). Estas limitacións fan que os supercondutores Tipo I non servan para aplicacións en fios ou cables.

 Todos os  supercondutores con posibilidades prácticas son de Tipo II. Neste caso, se Hc1<H<Hc12 o fluxo magnético penetra no interior para formar cuantos de fluxo individual chamados fluxoides. Unha supercorrente cilíndrica en remuiño rodea cada fluxoide. Co aumento da forza do campo magnético, máis e máis fluxoides entran no superconductor e constitúen unha formación periódica. Polo tanto, na zona entre Hc1 e Hc2 o superconductor pode conducir corrente eléctrica dentro do groso do material e desta forma esta rexión do campo magnético pode ser usada para superconductores de alto campo e alta corrente.

Os supercondutores Tipo-II están habitualmente feitos de aliaxes metálicas ou  de óxidos cerámicos complexos. Niobio, Vanadio, Tecnecio, Diamante ou Silicio son elementos desta clase. Aliaxes que exhiben ese comportamento son por exemplo as de niobio-titanio, e niobio-estaño. Na práctica, a dúctil aliaxe Nb-Ti (47wt%) e o composto intermetálico Nb3Sn son os únicos materiais utlizados hoxe en día para imáns supercondutores.
Os  1700 grandes imáns e os 8000 imáns correctores do LHC están feitos de Nb-Ti. 
Outros exemplos de supercondutores Tipo-II son os materias cerámicos cuprato-perovskita que son os que teñen presentado máis alta temperatura de traballo. Inclúense neles os compostos de LaBaCuO e YBaCuO, o cal é famoso como primeiro material en traballar como supercondutor á temperatura de ebulición do nitróxeno líquido. En todo caso a súa natureza cerámica fainos fráxiles, non sendo pois axeitados para seren convertidos en fíos ou cables. O Diboruro de Magnesio, descuberto en 2001, e a familia dos ferro-oxypnictides, descubertos en 2008, son os máis prometedores para futuras aplicacións.

Como xa foi indicado, os máximos valores de temperatura, densidade crítica de corrente e campo magnético son interdependentes e cando son representados nunha gráfica en tres eixes forma a chamada "superficie crítica".

A imaxe mostra a superficie crítica para un supercondutor Tipo II, que é a fronteira entre  as condicións supercondutoras e as de resistividade normal no espazo de tres dimensións. O campo aplicado (B), a temperatura (T) e a densidade de corrente (J) deben quedar baixo a superficie crítica para manter a  supercondutividade.

Para os máis utilizados nos imáns supercondutores, Nb-Ti e Nb3Sn,máximo campo crítico é 13 T e 27 T respectivamente e a densidade de corrente > 105 A/cm² (comparada con  ~ 103 A/cm² para o doméstico fío de Cu).

As temperaturas críticas para Nb-Ti e Nb3Sn  son 10 K e 18 K respectivamente. O He líquido proporciona arrefriamentos a 4.2 K  a presión atmosférica e tan baixo como 1.8 K a presión reducida.

(Tomado de Lyndon Evans (2009). THE LARGE HADRON COLLIDER: A MARVEL OF TECHNOLOGY. CERN AND EPFL PRESS)
 

Os supercondutores deben ser creados en fíos compostos para aplicacións con altas correntes, formando eses fíos finalmente cables.

Presentan un deseño con múltiples filamentos de diámetro < 30 μm, incrustados nunha matriz de alta conductividade. Cando as condicións nunha rexión localizada do supercondutor excede a superficie crítica  aparecerá comportamento resistivo, producindo un quecemento local. Isto resultará nun efecto "dominó" que da lugar a unha rapida transición de todo o supercondutor ao estado normal (quenching).

O deseño máis común para os imáns de Nb-Ti é o  cable Rutherford, que consiste nun cable plano formado por ata 46 fíos formados á súa vez por millares de filamentos. Os fíos son enlazados en forma de cordaxe por razóns electomagnéticas.

(Image taken from  Wilson M. (2006). LECTURE. SUPERCONDUCTING ACCELERATORS. Cockroft Institute (www.cockcroft.ac.uk).


Máis información en:

Rossi L. (2010). SUPERCONDUCTIVITY: ITS ROLE, ITS SUCCESS AND ITS SETBACKS IN THE LARGE HADRON COLLIDER OF CERN. Supercond. Sci. Technol. 23 (2010) 034001 (17pp).

Lee Peter J. (2002).  SUPERCONDUCTOR: WIRES AND CABLES: MATERIALS AND PROCESSES. The Applied Superconductivity Center, The University of Wisconsin-Madison.



12 - 3 ...... Final

© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO | Deseño orixinal de Gabriel Morales Rey