Niskotemperaturowe nadprzewodzące kable koncentryczne

Niskotemperaturowe nadprzewodzące kable koncentryczne (LTS Coaxial Cables) są niezastąpionymi „włóknami nerwowymi” w eksperymentach fizycznych w ultra niskich temperaturach oraz nowoczesnych technologiach, takich jak komputery kwantowe.

Aby lepiej zrozumieć te kable, możemy przyjrzeć się im z trzech perspektyw: ich struktury, zasad działania oraz podstawowych wyzwań, które zostały zaprojektowane, aby rozwiązać.

1. Struktura rdzenia: Dlaczego nazywa się to „koncentrycznym”?

Pod względem struktury niskotemperaturowe nadprzewodzące kable koncentryczne mają układ koncentryczny podobny do typowych domowych kabli telewizyjnych. Jednak materiały i warunki pracy są fundamentalnie różne.

Przewodniki wewnętrzne i zewnętrzne: Zazwyczaj wykonane są z niskotemperaturowych materiałów nadprzewodzących, takich jak NbTi (niob-tytan).

Warstwa izolacyjna (dielektryk): Znajduje się między wewnętrznym a zewnętrznym przewodnikiem, dielektryk zwykle stanowi materiał o bardzo niskich stratach dielektrycznych, taki jak PTFE (Teflon).

Środowisko pracy: Kabel musi działać w warunkach skrajnie niskich temperatur — zazwyczaj poniżej 4,2 K (temperatura helu ciekłego). W tych warunkach materiał nadprzewodzący przechodzi w stan zerowego oporu.

Ta konstrukcja koncentryczna zapewnia stabilną transmisję sygnałów wysokiej częstotliwości przy minimalnych stratach w warunkach kriogenicznych.

2. Dlaczego stosuje się materiały nadprzewodzące w kablowych?

W precyzyjnych eksperymentach, takich jak sterowanie układami kwantowymi, sygnały mikrofalowe muszą być przesyłane ze środowiska o temperaturze pokojowej do etapu o ekstremalnie niskiej temperaturze (np. 20 mK). Jeśli użyje się zwykłych kabli miedzianych, pojawiają się dwa krytyczne problemy.

Tłumienie sygnału (utrata sygnału): Zwykłe metale mają opór elektryczny. Podczas transmisji sygnałów wysokiej częstotliwości energia jest zamieniana na ciepło, co powoduje zmniejszanie się amplitudy sygnału i może prowadzić do zniekształcenia lub utraty sygnału.

Przewodnictwo cieplne (wyzwanie związane z przenikaniem ciepła): Miedź nie tylko dobrze przewodzi prąd elektryczny, ale również ciepło. Ciepło z otoczenia o temperaturze pokojowej może łatwo przemieszczać się wzdłuż kabla do obszarów kriogenicznych, obciążając system chłodzenia i potencjalnie powodując niestabilność systemu.

«Magia» niskotemperaturowych kabli nadprzewodnikowych polega na ich zerowym oporze elektrycznym i niskim przewodnictwie cieplnym, umożliwiając niemal bezstratną transmisję sygnałów mikrofalowych i skutecznej ochronie środowiska o ultra niskiej temperaturze.

3. Scenariusze zastosowania

Komputery kwantowe: Kable te dostarczają precyzyjne mikrofalowe sygnały sterujące i odczytowe do kubitów nadprzewodnikowych, minimalizując dekoherencję wywołaną szumem termicznym.

Fizyka silnych pól magnetycznych: W akceleratorach cząstek i systemach MRI nadprzewodzące kable koncentryczne zapewniają niezawodną transmisję sygnałów o wysokiej częstotliwości w warunkach silnych pól magnetycznych.

Eksploracja kosmosu: W satelitach oraz systemach wykrywania podczerwieni wymagających chłodzenia kriogenicznego te kable pomagają zachować bardzo wysoką czułość, jednocześnie zmniejszając obciążenie termiczne.

4. Niskotemperaturowe nadprzewodniki (LTS) a wysokotemperaturowe nadprzewodniki (HTS)

Nadprzewodzący kabel koncentryczny niskotemperaturowy (LTS): Materiały obejmują NbTi i Nb3Sn, pracujące poniżej 10 K przy użyciu helu ciekłego, głównie do transmisji sygnału i precyzyjnych pomiarów.

Kabel energetyczny nadprzewodzący wysokotemperaturowy (HTS): Materiały obejmują YBCO i BSCCO, pracujące w zakresie 65–77 K przy użyciu azotu ciekłego, głównie do przesyłu energii elektrycznej przy dużych prądach.

Podsumowanie

Niskotemperaturowe nadprzewodzące kable koncentryczne można uznać za mikroskalowe autostrady informacyjne bez strat. Zapewniają niemal bezstratną transmisję sygnałów mikrofalowych, jednocześnie ograniczając przepływ ciepła w ultra niskotemperaturowych systemach.

Dzięki długoterminowemu doświadczeniu w technologiach wysokoczęstotliwościowych i precyzyjnych kabli, Hotten nadal doskonali materiały przewodzące, struktury dielektryczne oraz ogólną stabilność kabli, oferując niezawodne rozwiązania transmisji sygnałów o niskiej temperaturze i wysokiej częstotliwości dla zaawansowanych badań i zastosowań high-end.