In-situ comparison of direct and magnetization reel-to-reel critical current measurements in REBCO coated conductors

Abstract

REBa2Cu3O7-x) (RE = Seltene Erdelemente) Hochtemperatursupraleiter in Form von sogenannten coated conductors spielen eine immer wichtiger werdende Rolle beim Bau von starken, supraleitenden Magneten und der Entwicklung von Strombegrenzungsanlagen und anderen Anwendungen in der Energietechnik. Für diese Zwecke sind sehr hohe und homogene kritische Stromdichten Jc und gute magnetische Eigenschaften über die gesamte Länge von kilometerlangen Leitern notwendig. Diese Arbeit präsentiert Ergebnisse von in situ Magnetisierungs- und Transportstrommessungen von verschiedenen REBCO coated conductors der Firma SuperPower Inc. mit Längen bis zu 120 m. Der Leiter wird von einer Abwickelspule auf eine Aufwickelspule gewickelt (reel-to-reel). Zwischen den Spulen befinden sich Messkontakte und Sensoren, an denen der Leiter vorbei transportiert wird. Dieser Messaufbau ermöglicht das kontinuierliche Messen des kritischen Stromes Ic(x,B,theta) von kommerziellen supraleitenden Bändern mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung. Die Erweiterung des Messaufbaues mit einem Array von Hallsonden ermöglicht eine kontakt- und zerstörungsfreie und sehr schnelle Analyse von langen Bandleitern. Der Vergleich von Transportstrom- und Magnetisierungsmessungen bestätigt die Gültigkeit der in mehreren Laboratorien weltweit praktizierten Magnetisierungsmethode zur Evaluierung des kritischen Stromes. Die Untersuchung von REBCO Leitern auf mögliche Defekte ist von großer Bedeutung für deren Einsatz in Magneten und anderen Anwendungen, da ein einziger Defekt die gesamte Charakteristik des Magneten stark beeinträchtigt. Bislang werden Bandleiter in voller Länge nur bei 77 K untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Aufbau für reel-to-reel Magnetisierungsmessungen bei 4.2 K entwickelt. Die Möglichkeit kontinuierliche Messungen in flüssigem Helium durchzuführen ist derzeit weltweit einzigartig. Dieser Temperaturbereich ist insofern von Bedeutung, da Systeme die hohe kritische Stromdichten und hohe kritische Felder voraussetzen, bei 4.2 K operieren. Die Analyse von Bandleitern bei 77 K ist a priori nicht hinreichend, da sich durch die starke Abnahme von thermischen Fluktuationen im Supraleiter das Pinningverhalten ändert und schwächere Pinningzentren bei tiefen Temperaturen wichtiger werden.

High temperature superconductors in the form of coated conductors, made from REBa2Cu3O(7-x) (RE = rare earth element) are playing an increasing role in the fabrication of magnets and the development of high current and high field applications. For these purposes high critical current densities Jc and good magnetic properties homogeneous over the full length (hundreds of meters) of the tape are necessary. This thesis presents results of in situ magnetization and Ic reel-to-reel measurements in several tapes of REBCO coated conductors from Superpower Inc. with lengths of more than 100 m. Reel to reel measurements enable continuous critical current Ic(x,B,theta) evaluations of superconducting tapes for commercially available lengths of superconducting tape with very high resolution. Further, an array of Hall probes was installed for magnetization measurements and contact free observation of the current flow, which provide a reliable and very fast, but non-calibration free opportunity for the analysis of long tapes. We made detailed comparisons of those two methods. Our results confirm the validity of the magnetization method to find inhomogeneities. The possibility of identifying defects in tapes is crucial for the construction of magnets, since a single defect degrades the performance of the whole magnet. Up to now these non-destructive measurements were made at liquid nitrogen temperature. We developed a measurement setup for reel-to-reel Hall probe measurements at liquid helium temperature. Such measurements are unique at present. This temperature range is interesting, because the construction of all-superconducting magnets for generating fields above 30 T requires cooling to 4.2 K. While coated conductors are widely characterized at 77 K, the flux pinning mechanisms are poorly known at temperatures below Tc/2. These mechanisms may be very different at high and low temperatures. Because of the strong reduction of thermal fluctuation effects weaker flux pins are becoming more important at low temperatures.