Title: On the Characterization of Coated Conductors with the M-Scan Device
Other Titles: Charakterisierung von supraleitenden Bandleitern mit dem M-Scanner
Language: English
Authors: Gnilsen, Johannes 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Eisterer, Michael  
Issue Date: 2021
Citation: 
Gnilsen, J. (2021). On the Characterization of Coated Conductors with the M-Scan Device [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2021.71751
Number of Pages: 113
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Die charakteristische Eigenschaft des verlustfreien Stromtransports in supraleitenden Materialien beflügelt, seit seiner Entdeckung im Jahr 1911, Ideen für vielversprechende technologische Anwendungen. Die Anforderungen, diese Materialien auf tiefkalte Temperaturen abzukühlen, um den supraleitenden Zustand zu erreichen, die Notwendigkeit von hohen kritischen Feldern und kritischen Stromdichten sowie wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit beschränken jedoch die Verwendung vieler supraleitender Verbindungen in der Technologie. Trotzdem wurden bisher eine Handvoll dieser diesen Anforderungen genügenden Verbindungen entdeckt und zu technischen Supraleitern weiterentwickelt.Die Ära der Hochtemperatursupraleiter (HTS) begann 1986 mit der Entdeckung von Supraleitung in den Kupferoxiden im Ba-La-Cu-O System mit einer Übergangstemperatur im Bereich von 30 K. Ein Jahr später kam es zum Durchbruch, als Supraleitung im Y-Ba-Cu-O (YBCO) System bei einer kritischen Temperatur von 93 K entdeckt wurde, die oberhalb der Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff liegt. In weiterer Folge wurde viel in Forschung und Entwicklung investiert, um aus diesem Material einen technisch anwendbaren Supraleiter herzustellen. Nach aktuellem Stand der Technik werden YBCO Bänder (coated conductors) mit einer Länge von einigen hundert Metern von einigen wenigen Herstellern kommerziell gefertigt.Die YBCO Bandsupraleiter sind auch als Bandsupraleiter der zweiten Generation (2G) bekannt, die - im Vergleich zu den industriell hergestellten Bandsupraleitern erster Generation (Bi2Sr2Ca2Cu3O - BSCCO) - nicht auf einer Multifilamentstruktur oder in die c-Achse ausgerichteten Kristallkörnern, sondern auf einem biaxial texturierten dünnen Kristallfilm aufgebaut sind. Im Zuge des epitaxialen Beschichtungsprozesses wird die biaxiale Ausrichtung des supraleitenden Films durch Pufferschichten auf einem polierten, nichtmagnetischen Substrat ermöglicht. Der Supraleiter wird nach der Ummantelung mit Silber in einer Sauerstoffatmospäre beladen, das heißt mit Ladungsträgern dotiert. Am Ende wird der Leiter durch eine Kupferschicht stabilisiert. Nach der elektrischen Isolierung ist der Bandsupraleiter ca. 100-200 μm dick und weist eine Breite von 4 mm auf.Die überragenden Eigenschaften von YBCO Bandleitern, besonders bei tiefen Temperaturen von 4.2 K, treiben deren Entwicklung weiter voran. Das obere kritischen Feld von über 100 T der Hochtemperatursupraleiter liegt weit über dem Limit von 23.5 T der "tieftemperatursupraleitenden" Verbindung Nb3Sn. Ein Meilenstein wurde in den Jahren 2017/18 gesetzt, als ein 32 T Hochfeldmagnet mit einer HTS Innenspule im National High-Field Magnet Laboratory (NHFML) in Tallahassee in Betrieb genommen wurde. Außerhalb von Magnetanwendungen werden HTS Leiter in Fehlerstrombegrenzern, supraleitenden Generatoren oder in Stromübertragungsleitungen eingesetzt. Aktuell widmen sich Großprojekte zum Beispiel dem Einsatz von Magnetspulen auf HTS Basis in Kernfusionsreaktoren, wie dem SPARC des Massachusetts Institute of Technology (MIT).Die Qualitätskontrolle der Bänder entlang der gesamten Bandlänge ist eine notwendige Voraussetzung vor deren Verwendung in technischen Anwendungen. Das lokale Absinken des kritischen Stroms durch Defekte in der Funktionsschicht des Supraleiters können den verlustfreien Stromfluss im gesamten Leiter stark limitieren.Die Charakterisierung von langen Bändern wird routinemäßig von einem kontaktfreien Hall-array Scanner bei 77 K im Selbstfeld (SF) durchgeführt. Ein typisches Problem bei der vier-Punkt Methode ist die Kontaktierung von rauschfreien dynamischen Kontakten, die das Band mit den Messgeräten verbinden. Die natürliche Ausbildung von Eis auf der Bandoberfläche während dem Charakterisierungsprozess ist ebenso zu berücksichtigen.Im Zuge dieser Arbeit wurde eine kontinuierliche vier-Punkt Messmethode entwickelt und M-Scan bezeichnet. Das Band wird kontinuierlich von einer Abwickelspule durch ein Bad von Flüssigstickstoff zu einer Aufwickelspule überführt. Innerhalb des Stickstoffbads befindet sich die Messzelle, die sich aus den Kontaktrollen und einem Permanentmagnet mit einer durchgehenden Öffnung, durch die das Band geführt wird, zusammensetzt. Innerhalb des Magneten ist das Band auf einer Strecke von 4 cm einer Flussdichte von 2.61 T ausgesetzt. Die abfallende Spannung entlang des Bandes, welches mit einem zuvor bestimmten Transportstrom belastet wird, wird über die Kontaktrollen kontinuierlich gemessen.Diese Arbeit setzt sich aus drei Hauptteilen zusammen:1) Zunächst wird die Entwicklung und der Aufbau des M-Scanners - mit dem Fokus auf den Permanentmagneten, den entwickelten rauscharmen Kontaktrollen sowie der beheizten Gasstrom Banddurchführung (gas-flow heated feedtrough), welche die Bildung von Eis unterdrückt, beschrieben.2) In weiterer Folge wird die Entwicklung des Modells erörtert welches den kritischen Strom aus dem gemessenen Spannungsabfall bestimmt. Dieser Ansatz wurde experimentell mit einem gepulsten 3 T Elektromagnet überprüft.3) Es folgt die Darstellung der experimentellen Überprüfung der Machbarkeit des M-Scan und weiterführender Analysen der gemessenen Ic-Kurven mit dem entwickelten Modell. Der Einfluss von Defekten auf den kritischen Strom wurde untersucht und mit den Resultaten von Hall-array Scans verglichen.

The characteristic feature of loss-free current transport in superconducting materials is -since its first discovery in 1911- stimulating ideas for fantastic technical applications. However, the requirements of cryogenic temperatures to reach the superconducting state, high critical fields and critical current densities as well as competitive prices impose limits on many superconducting compounds on their technical usage. Still, a handful of compounds have been discovered and enhanced such that they are suitable for implementation in applications as technical (super-)conductors.The era of high-temperature superconductivity (HTS) started with the discovery of superconductivity in copper oxides in 1986 in the Ba-La-Cu-O system with a critical temperature in the range of 30 K. A euphoric breakthrough was made the next year as superconductivity was discovered in the Y-Ba-Cu-O (YBCO) compound system at a critical temperature of 93 K which is above the boiling point of liquid nitrogen. Comprehensive efforts of research and development were necessary to overcome issues to design conductors out of this material which are reliable to be used in superconducting assemblies. At the current state of the art, YBCO coated conductor tapes with a length of several hundred meters are commercially available from a couple of manufacturers.YBCO coated conductors are also known as 2nd generation (2G) coated conductors, which -in comparison to the first generation of industrially manufactured Bi2Sr2Ca2Cu3O (BSCCO) tapes- are not based on a multifilament architecture or c-axis aligned grains but rather rely on a biaxially textured thin-film layer structure. On top of a polished (non-magnetic) metallic substrate, buffer layers enable biaxially alignment of the superconducting film when it epitaxially grows during its deposition. Charge doping is performed after coating the conductor with oxygen permeable silver. Stabilization of the conductor is done with copper plating. In the end, the tapes are electrically insulated and have a thickness of ~100-200 μm and typically a width of 4 mm.The outstanding properties of HTS coated conductors, especially at low temperatures (i.e. 4.2 K), are a driving factor to further push their development. For example, upper critical fields above 100 T allow to exceed the practical limit of 23.5 T of the Nb3Sn low temperature superconductor in magnet applications. A giant step in improving the flux density of superconducting laboratory magnets was performed in 2017/18, when a 32 T magnet with a HTS inlet coil became operational at the National High-Field Magnet Laboratory (NHFML) in Tallahassee. Beside magnet applications research is done to employ HTS coated conductors in fault-current limiters, superconducting generators or power transmission cables. Near-future prospects in large-scale facilities for example are HTS based magnet coils of nuclear fusion reactors such as SPARC from the Massachusetts Institute of Technology (MIT).Quality control of the tape along its entire length is inevitable prior to its implementation in a technical device. Local defects in the functional layer of the conductor might significantly degrade the critical current locally which limits the total dissipation-free current throughput.Routine characterization of long-length tapes is typically performed via contact-free Hall array scans at 77 K in self-field (SF). Direct, 4-probe characterization scan techniques typically struggle at establishing dynamic noise-free contacts between the tape and the measurement device. The natural formation of ice on the tape surface during the characterization process turns out to be an issue as well.In this work, a new continuous four-probe measurement method that scans superconducting tapes from one end to another in a 2.61 T flux zone and at 77 K was developed. In this device, called M-Scan, the tape continuously translates from a take-off reel through a bath of liquid nitrogen to a pick-up reel. Inside the bath, there is the four-probe measurement stage employing contact rollers and a permanent magnet with a channel through which the tape translates. This magnet generates the 4 cm long flux zone of 2.61 T. The voltage response of the tape, which is loaded with a pre-selected constant transport current, is continuously measured during its translation with rollers.This thesis is split into three major parts, namely: 1) Development and implementation of the M-Scan device with focus on the description of the permanent magnet, the developed low-noise rollers and gas-flow heated feedthroughs that prevent the formation of ice on the tape surface during the scan procedure.2) The development of the model to determine the critical current from the measured voltage response of the tape during its translation through the M-Scan device. The approach was experimentally verified with a sample in a 3 T pulsed electromagnet.3) The main result is the experimental confirmation of the feasibility of the developed M-Scan device. The measured Ic-curves obtained from the M-Scan were further analyzed and discussed with the developed model. Finally, the impact of defects on the critcal current was investigated and compared with results from Hall-array scans.
Keywords: Supraleitung; kritische Ströme; magnetische Eigenschaften; kontinuierliche Messung; hochtemperatursupraleitende Drähte; Dünnschichttechnologie
Superconductivity; critical currents; magnetic properties; continuous measurements; high temperature superconducting wires; thin coatings
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2021.71751
http://hdl.handle.net/20.500.12708/19239
DOI: 10.34726/hss.2021.71751
Library ID: AC16411332
Organisation: E141 - Atominstitut 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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