В Южной Корее представили первую в мире технологию, позволяющую обнаружить погрешности сверхпроводящих проволок в сотых долях толщины волоса
- 16 минут назад
- 4 мин. чтения
Корреспондент Гу Бон Хёк
- Корейский исследовательский институт электротехнологии смог провести трехмерный контроль сверхпроводящих проволок длиной в сотни метров в режиме реального времени без их разрезания
- Сверхточные измерения с погрешностью ±1,5 мкм позволяют предотвратить повреждение и снижение характеристик сверхпроводящих магнитов для термоядерного синтеза
Доктора Пак Ин Сон и Ха Хон Су позируют с высокотемпературными сверхпроводящими проволоками рядом с оборудованием для бесконтактно-трехмерного сверхточного контроля [Фото предоставлено Корейским исследовательским институтом электротехнологии]
Впервые в мире разработана сверхточная технология контроля, позволяющая заранее предотвратить фатальные повреждения и снижение производительности сверхпроводящих магнитов, используемых в установках термоядерного синтеза и магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Она позволяет обнаруживать даже мельчайшие изменения толщины, составляющие всего несколько сотых долей толщины волоса, без разрезания или контакта со сверхпроводящим проводом длиной в несколько сотен метров.
6 сентября Корейский исследовательский институт электротехнологии (KERI) сообщил, что исследовательская группа под руководством докторов Ха Хон Су и Пак Ин Сон из Центра исследований криогенного оборудования впервые в мире разработала систему трехмерного (3D) сверхточного контроля, позволяющую бесконтактным способом непрерывно измерять толщину и ширину высокотемпературного сверхпроводящего материала в форме ленты, которая тоньше бумаги и достигает длины в сотни метров.
Высокотемпературный сверхпроводящий провод — это материал, электрическое сопротивление которого падает до нуля при температуре ниже определённого значения, что позволяет пропускать через него сильный ток без потерь. Он является ключевым компонентом мощных сверхпроводящих магнитов, используемых в установках термоядерного синтеза, медицинских аппаратах МРТ и высокоэффективных электрооборудованиях.
Проволока представляет собой длинную ленту толщиной в несколько десятков микрометров (мкм) — тоньше листа бумаги формата А4 — и шириной от 4 до 12 мм. Сверхпроводящие магниты изготавливаются путем плотной намотки этой проволоки более сотни раз.
Проблема заключается в разнице толщины проволоки, составляющей всего несколько мкм. Даже мельчайшая погрешность, накапливаясь в сотнях слоев, приводит к значительным искажениям размеров и формы всего магнита. Концентрация усилия в определённых участках может привести к разрушению магнита или нестабильности магнитного поля, что значительно снижает производительность оборудования.
Существующие контактные методы контроля могли привести к появлению царапин или загрязнений на поверхности проволоки, а при бесконтактных методах точность измерений снижалась, если проволока вибрировала в ходе перемещения. Кроме того, для точной проверки приходилось разрезать дорогостоящую проволоку и осматривать её поперечное сечение под микроскопом.
Доктор Пак Ин Сон проверяет толщину и ширину высокотемпературной сверхпроводящей проволоки с помощью оборудования для бесконтактно-трехмерного сверхточного контроля [Предоставлено Корейским исследовательским институтом электротехнологии]
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа объединила «вертикально-оппозитный хроматическо-кофокальный лазерный датчик» с устройством катушечной транспортировки (Reel-to-Reel), которое перематывает провод с одной катушки на другую.
Два лазерных датчика, установленные сверху и снизу, быстро сканируют поверхность проволоки из стороны в сторону, одновременно измеряя расстояние до обеих поверхностей. Благодаря применению технологии кофокального лазера удалось обеспечить стабильное измерение даже на металлических поверхностях с сильным отражением света, таких как серебро или медь.
Новоразработанная система позволяет сдерживать погрешность измерения на уровне не более ±1,5 мкм даже в условиях, когда проволока движется со скоростью 100 м/ч и подвергается вибрации. При высокоточном контроле скорости движения датчика на уровне не более 4 мм в секунду погрешность повторных измерений снижается до 0,2 мкм и менее.
Это позволяет в режиме реального времени определять трехмерную форму проволоки — например, в каких участках она тоньше или толще, а также выпуклая или вогнута в середине — без необходимости её разрезания, проводя непрерывный контроль на протяжении нескольких сотен метров.
Рис. 1. Схематическое изображение процесса изготовления REBCOCC, на котором обозначены последовательные этапы, включая подготовку двухосно текстурированной металлической подложки, осаждение буферного слоя, формирование сверхпроводящего слоя и нанесение стабилизаторов.
Рис. 2. Поперечные и трехмерные профили толщины образцов шириной 12 мм на этапах изготовления: (a), (e) исходная металлическая подложка; (b), (f) после электропиролиза и осаждения буферного слоя; (c), (g) после нанесения REBCO и покрытия Ag на лицевую сторону; (d), (h) после нанесения покрытия Ag с обеих сторон. (a)–(d) показывают толщину по ширине на отметках 0, 3, 6 и 9 м вдоль длины, а на вставках указаны отклонения от медианы. (e)–(h) изображают трехмерные карты толщины по всей длине ленты 9 м.
Рис. 3. Профили толщины в продольном направлении лент из подложки из необработанного металла шириной 12 мм. (a), (c) показывают изменения толщины по длине ленты в точках ширины 0,2; 3; 6; 9 и 11,8 мм. (b), (d) представляют соответствующие профили медианной толщины (чёрный) с аппроксимирующими кривыми (красный) для отражения общих тенденций в продольном направлении.
Рис. 4. Профили толщины трёх лент REBCO шириной 4 мм с медным гальваническим покрытием, полученных путём распиловки CC шириной 12 мм с серебряным покрытием. (a)–(c) показывают толщину по ширине на отметках 0, 3, 6 и 9 м для левой, центральной и правой лент, а на вставках указаны отклонения от медианы. (d)–(f) представляют трехмерные карты толщины по всей длине 9 м каждой ленты.
Данная технология может применяться не только для контроля качества высокотемпературных сверхпроводящих проволок, но и для проверки качества тонких и длинных высокотехнологичных материалов, производимых непрерывным способом, таких как медная и алюминиевая фольга для аккумуляторных батарей, металлические прокатные изделия, тонкопленочные солнечные элементы и прецизионные пленки для электронных материалов.
В будущем исследовательская группа планирует развить эту технологию в направлении «интеллектуального контроля качества», обеспечивающего автоматическую регулировку параметров в техпроцессах гальваники или прокатки, синхронизируя данных измерений с производственным оборудованием в режиме реального времени.
«Незначительные отклонения в толщине высокотемпературных сверхпроводящих проволок невозможно обнаружить невооруженным глазом, но при наслоении в сотни слоев они могут повлиять на характеристики и надежность огромных сверхпроводящих магнитов» - отметил доктор Ха Хон Су, добавив: «Своевременное выявление микроскопических отклонений на этапе производства станет отправной точкой для развития технологий «умного производства», способных самостоятельно контролировать качество высокотехнологичных материалов».
Комментарии