Nízkoteplotní supravodivé koaxiální kabely

Koaxiální kabely z nízkoteplotních supravodičů (LTS Koaxiální kabely) jsou nepostradatelnými „neurálními vlákny“ v experimentech z oblasti fyziky ultra-nízkých teplot a v pokročilých technologiích, jako je kvantové počítání.

Pro lepší pochopení těchto kabelů je můžeme prozkoumat ze tří hledisek: jejich struktury, principu fungování a základních problémů, které jsou určeny k řešení.

1. Jádrové uspořádání: Proč se nazývají „koaxiální“?

Strukturálně koaxiální kabely z nízkoteplotních supravodičů využívají koaxiální konfiguraci podobnou běžným domácím koaxiálním televizním kabelům. Materiály a provozní podmínky jsou však zásadně odlišné.

Vnitřní a vnější vodiče: Ty jsou obvykle vyrobeny z nízkoteplotních supravodivých materiálů, jako je NbTi (niob-titan).

Izolační vrstva (dielektrikum): Nachází se mezi vnitřním a vnějším vodičem, dielektrikum je obvykle materiál s extrémně nízkými dielektrickými ztrátami, jako je PTFE (Teflon).

Provozní prostředí: Kabel musí pracovat za extrémně nízkých teplot – obvykle pod 4,2 K (teplota kapalného helia). Za těchto podmínek vstupuje supravodivý materiál do stavu nulového odporu.

Tato koaxiální struktura zajišťuje stabilní přenos vysokofrekvenčních signálů s minimálními ztrátami v kryogenních podmínkách.

2. Proč používat supravodivé materiály pro kabely?

V přesných experimentech, jako je řízení kvantových čipů, musí být mikrovlnné signály přenášeny z prostředí s pokojovou teplotou až do stupně ultra-nízkých teplot (například 20 mK). Pokud jsou použity běžné měděné kabely, vznikají dva kritické problémy.

Útlum signálu (ztráta signálu): Běžné kovy mají elektrický odpor. Při přenosu vysokofrekvenčních signálů se energie přeměňuje na teplo, což způsobuje pokles amplitudy signálu a může vést ke zkreslení nebo ztrátě signálu.

Tepelná vodivost (výzva tepelného úniku): Měď je nejen dobrým elektrickým vodičem, ale také vynikajícím tepelným vodičem. Teplo z prostředí o pokojové teplotě se může snadno šířit kabelem do kryogenní oblasti, čímž zatěžuje chladicí systém a může způsobit nestabilitu systému.

„Kouzlo“ nízkoteplotních supravodivých kabelů spočívá v jejich nulovém elektrickém odporu a nízké tepelné vodivosti, které umožňují téměř bezeztrátový přenos mikrovlnných signálů a současně efektivně chrání prostředí s extrémně nízkou teplotou.

3. Aplikační scénáře

Kvantové počítače: Tyto kabely přenášejí mikrovlnné řídicí a výstupní signály přesně k supravodivým kvantovým bitům a minimalizují tak dekoherenci způsobenou tepelným šumem.

Fyzika silných magnetických polí: V částicových urychlovačích a systémech MRI superconductivní koaxiální kabely zajišťují spolehlivý přenos signálu ve vysokém kmitočtu i za silných magnetických polí.

Výzkum vesmíru: V satelitech a infračervených detekčních systémech, které vyžadují chlazení do kryogenních teplot, tyto kabely pomáhají udržet extrémně vysokou citlivost a zároveň snižují tepelné zatížení.

4. Nízkoteplotní supravodiče (LTS) vs. vysokoteplotní supravodiče (HTS)

Nízkoteplotní supravodivý koaxiální kabel (LTS): Materiály zahrnují NbTi a Nb3Sn, pracují pod 10 K s použitím kapalného helia, primárně určené pro přenos signálu a přesná měření.

Vysokoteplotní supravodivý napájecí kabel (HTS): Materiály zahrnují YBCO a BSCCO, pracují při teplotách 65–77 K s použitím kapalného dusíku, primárně určené pro přenos elektrického proudu vysoké intenzity.

Závěr

Nízkoteplotní supravodivé koaxiální kabely lze považovat za bezeztrátové mikroskopické dálnice pro přenos informací. Zajišťují téměř bezeztrátový přenos mikrovlnných signálů a současně potlačují únik tepla v systémech s ultra nízkou teplotou.

S dlouhodobými zkušenostmi v oblasti vysokofrekvenčních a přesných kabelových technologií Hotten dále zdokonaluje materiály vodičů, dielektrické struktury a celkovou stabilitu kabelů, čímž poskytuje spolehlivá řešení pro přenos signálů při nízkých teplotách a vysokých frekvencích pro pokročilý výzkum i špičkové aplikace.