Коаксиални кабели с ниска температура на свръхпроводимост

Коаксиалните кабели с ниска температура и свръхпроводимост (LTS коаксиални кабели) са незаменими „невронни влакна“ в експериментите по физика при изключително ниски температури и в напреднали технологии като квантовите изчисления.

За да разберем по-добре тези кабели, можем да ги разгледаме от три гледни точки: структурата им, принципа им на работа и основните предизвикателства, за чето са предназначени.

1. Основна структура: Защо се наричат „коаксиални“?

Структурно, коаксиалните кабели с ниска температура и свръхпроводимост използват коаксиална конфигурация, подобна на обикновените битови коаксиални телевизионни кабели. Въпреки това, материалите и работните условия са принципно различни.

Вътрешни и външни проводници: Те обикновено се изработват от материали с ниска температура и свръхпроводимост, като NbTi (ниобий-титан).

Изолационен слой (диелектрик): Разположен между вътрешния и външния проводници, диелектрикът обикновено е материал с изключително ниски диелектрични загуби, като PTFE (тефлон).

Работна среда: Кабелът трябва да работи при изключително ниски температури — обикновено под 4,2 K (температурата на течния хелий). При тези условия свръхпроводящият материал навлиза в състояние на нулево съпротивление.

Тази коаксиална структура осигурява стабилна предаване на сигнали с висока честота с минимални загуби при криогенни условия.

2. Защо да се използват свръхпроводящи материали за кабели?

При прецизни експерименти като управлението на квантова верига, микровълновите сигнали трябва да се предават от среда със стайна температура до етап с изключително ниска температура (например 20 mK). Ако се използват обикновени медни кабели, възникват два критични проблема.

Загуба на сигнал (загуба на амплитудата): Обикновените метали имат електрическо съпротивление. По време на предаването на сигнали с висока честота, енергията се преобразува в топлина, което води до намаляване на амплитудата на сигнала и може да причини изкривяване или загуба на сигнала.

Топлопроводимост (предизвикателство от топлинни загуби): Медта не е само добър електрически проводник, но и отличен топлоиздател. Топлината от страната със стайна температура лесно може да се предава по кабела към криогенната зона, което създава значително топлинно натоварване върху охладителната система и може да доведе до нестабилност в системата.

«Магията» на нискотемпературните свръхпроводници се крие в тяхното нулево електрическо съпротивление и ниската топлопроводимост, които позволяват микровълновите сигнали да се предават почти без загуби, като едновременно ефективно се запазва средата с изключително ниска температура.

3. Приложни сценарии

Квантово изчисление: Тези кабели доставят точно микровълнови управляващи и измервателни сигнали до свръхпроводящите кюбита, минимизирайки декохерентността, причинена от топлинния шум.

Физика на високите магнитни полета: В частиците ускорители и МРТ системи, свръхпроводящите коаксиални кабели осигуряват надеждна предавка на сигнали с висока честота при силни магнитни полета.

Изследване на космоса: В сателити и инфрачервени системи за засичане, изискващи криогенно охлаждане, тези кабели помагат да се запази изключително висока чувствителност, като едновременно намалят топлинната натовареност.

4. Нисковолтови свръхпроводници (LTS) срещу високотемпературни свръхпроводници (HTS)

Нисковолтов коаксиален свръхпроводящ кабел (LTS): Материали включват NbTi и Nb3Sn, работещи под 10 K с използване на течен хелий, основно за предаване на сигнали и прецизни измервания.

Високотемпературен свръхпроводящ кабел за електропередача (HTS): Материали включват YBCO и BSCCO, работещи при 65–77 K с използване на течен азот, основно за предаване на ток с висока сила.

Заключение

Коаксиалните кабели с ниска температурна свръхпроводимост могат да се разглеждат като микроскопични информационни магистрали с нулеви загуби. Те осигуряват почти беззагубна предаване на микровълнови сигнали, като едновременно потискат топлинната теч в ултра-нискотемпературни системи.

С дългогодишен опит в областта на високочестотните и прецизни кабелни технологии, Хотен продължава да усъвършенства материали за проводници, диелектрични структури и общата стабилност на кабелите, осигурявайки надеждни решения за предаване на сигнали при ниски температури и високи честоти за напреднали изследвания и висококласни приложения.