Koaxiálne káble s nízkotepelnou supravodivosťou

Koaxiálne káble s nízkotepelnou nadivivosťou (LTS koaxiálne káble) sú nepostrádateľnými „neurónovými vláknami“ v experimentoch z ultra nízkych teplôt a v najmodernejších technológiách, ako je kvantové počítanie.

Na lepšie pochopenie týchto káblov ich môžeme preskúmať z troch hľadísk: štruktúra, pracovné princípy a základné problémy, ktoré sú určené na vyriešenie.

1. Základná štruktúra: Prečo sa nazývajú „koaxiálne“?

Štrukturálne majú koaxiálne káble s nízkotepelnou nadivivosťou koaxiálnu konfiguráciu podobnú bežným domácim koaxiálnym TV káblom. Materiály a prevádzkové podmienky sa však zásadne líšia.

Vnútorný a vonkajší vodič: Bežne sú vyrobené z materiálov s nízkotepelnou nadivivosťou, ako napríklad NbTi (niób-titán).

Izolačná vrstva (dielektrikum): Nachádza sa medzi vnútorným a vonkajším vodičom, pričom dielektrikum je zvyčajne materiál s extrémne nízkymi dielektrickými stratami, ako napríklad PTFE (Teflon).

Prevádzkové prostredie: Kábel musí pracovať pri extrémne nízkych teplotách – zvyčajne pod 4,2 K (teplota kvapalného hélia). Za týchto podmienok prechádza supravodivý materiál do stavu s nulovým odporom.

Táto koaxiálna štruktúra zabezpečuje stabilný prenos vysokofrekvenčných signálov s minimálnymi stratami v kryogénnych podmienkach.

2. Prečo používať supravodivé materiály pre káble?

Pri presných experimentoch, ako je riadenie kvantových čipov, musia byť mikrovlnné signály prenášané z prostredia s izbovou teplotou až do štádia ultra-nízkej teploty (napríklad 20 mK). Ak sa použijú bežné meďové káble, vzniknú dva kritické problémy.

Útlm signálu (strata signálu): Bežné kovy majú elektrický odpor. Počas prenosu vysokofrekvenčných signálov sa energia mení na teplo, čo spôsobuje pokles amplitúdy signálu a môže viesť k deformácii alebo strate signálu.

Vedenie tepla (výzva tepelného úniku): Meď je nielen dobrým elektrickým vodičom, ale aj vynikajúcim tepelným vodičom. Teplo z miestnosti s izbovou teplotou sa môže ľahko šíriť pozdĺž kábla do kryogénnej oblasti, čím vzniká vysoká tepelná záťaž chladiaceho systému a potenciálne môže spôsobiť nestabilitu systému.

„Kúzlo“ nízkoteplotných supravodivých káblov spočíva v ich nulovom elektrickom odpore a nízkej tepelnej vodivosti, čo umožňuje prenos mikrovlnných signálov takmer bez strát a zároveň efektívne chráni prostredie s extrémne nízkou teplotou.

3. Aplikačné scenáre

Kvantové počítače: Tieto káble presne dodávajú mikrovlnné riadiace a výstupné signály k supravodivým kvantovým bitom a minimalizujú tak dekoherenciu spôsobenú tepelným šumom.

Fyzika vysokého magnetického poľa: V časticových urýchľovačoch a MRI systémoch superpoživné koaxiálne káble zabezpečujú spoľahlivý prenos vysokofrekvenčných signálov v silnom magnetickom poli.

Výskum vesmíru: V satelitoch a infračervených detekčných systémoch, ktoré vyžadujú kryogénne chladenie, tieto káble pomáhajú zachovať mimoriadne vysokú citlivosť a znižujú tepelné zaťaženie.

4. Nízkoteplotné supravodiče (LTS) vs. vysokoteplotné supravodiče (HTS)

Nízkoteplotný supravodivý koaxiálny kábel (LTS): Materiály zahŕňajú NbTi a Nb3Sn, prevádzkované pod 10 K s použitím kvapalného hélia, primárne určené na prenos signálu a presné merania.

Vysokoteplotný supravodivý energetický kábel (HTS): Materiály zahŕňajú YBCO a BSCCO, prevádzkované pri 65–77 K s použitím kvapalného dusíka, primárne určené na prenos elektrickej energie s vysokým prúdom.

Záver

Nízkoteplotné supravodivé koaxiálne káble možno považovať za mikroškálové informačné diaľnice s nulovými stratami. Zabezpečujú takmer bezostratový prenos mikrovlnných signálov a zároveň potláčajú únik tepla v ultra nízkoteplotných systémoch.

S dlhodobými skúsenosťami v oblasti vysokofrekvenčných a presných káblových technológií spoločnosť Hotten ďalej zdokonaľuje materiály vodičov, dielektrické štruktúry a celkovú stabilitu káblov a poskytuje spoľahlivé riešenia pre nízkoteplotný a vysokofrekvenčný prenos signálov pre pokročilý výskum a náročné aplikácie.