Коаксіальні кабелі з низькотемпературною надпровідністю

Коаксіальні кабелі з низькотемпературною надпровідністю (LTS Coaxial Cables) є незамінними «нервовими волокнами» в експериментах з наднизьких температур та передових технологіях, таких як квантові обчислення.

Щоб краще зрозуміти ці кабелі, можна розглянути їх з трьох точок зору: їхня структура, принципи роботи та фундаментальні проблеми, для вирішення яких вони призначені.

1. Основна структура: Чому їх називають «коаксіальними»?

Структурно коаксіальні кабелі з низькотемпературною надпровідністю мають коаксіальну конфігурацію, подібну до звичайних побутових коаксіальних телевізійних кабелів. Проте матеріали та умови експлуатації кардинально відрізняються.

Внутрішній і зовнішній провідники: Зазвичай виготовляються з низькотемпературних надпровідних матеріалів, таких як NbTi (ніобій-титан).

Шар ізоляції (діелектрик): Розташований між внутрішнім та зовнішнім провідниками, діелектрик зазвичай виготовляють із матеріалу з надзвичайно низькими втратами в діелектрику, наприклад, ПТЕФ (тефлон).

Умови експлуатації: Кабель має працювати при надзвичайно низьких температурах — зазвичай нижче 4,2 К (температура рідкого гелію). За таких умов надпровідний матеріал переходить у стан з нульовим опором.

Ця коаксіальна структура забезпечує стабільну передачу високочастотних сигналів із мінімальними втратами в кріогенних умовах.

2. Навіщо використовувати надпровідні матеріали для кабелів?

У прецизійних експериментах, таких як керування квантовими чіпами, мікрохвильові сигнали потрібно передавати з середовища кімнатної температури до етапу наднизьких температур (наприклад, 20 мК). Якщо використовувати звичайні мідні кабелі, виникають дві критичні проблеми.

Згасання сигналу (втрата сигналу): Звичайні метали мають електричний опір. Під час передачі високочастотних сигналів енергія перетворюється на тепло, що призводить до зменшення амплітуди сигналу та може спричинити спотворення або втрату сигналу.

Теплопровідність (проблема теплових витоків): Мідь — це не лише добрий електричний провідник, але й чудовий теплопровідник. Тепло із сторони кімнатної температури може легко проходити вздовж кабелю в кріогенну зону, створюючи значне теплове навантаження на систему охолодження та потенційно спричиняючи нестабільність системи.

«Магія» низькотемпературних надпровідних кабелів полягає в їхньому нульовому електричному опорі та низькій теплопровідності, що дозволяє передавати мікрохвильові сигнали практично без втрат і водночас ефективно захищати ультранизькотемпературне середовище.

3. Сфери застосування

Квантові обчислення: Ці кабелі точно передають мікрохвильові сигнали керування та зчитування до надпровідних кубітів, мінімізуючи декогерентність, спричинену тепловим шумом.

Фізика сильних магнітних полів: у прискорювачах частинок та системах МРТ надпровідні коаксіальні кабелі забезпечують надійну передачу високочастотних сигналів у сильних магнітних полях.

Дослідження космосу: у супутниках та інфрачервоних системах детектування, що вимагають кріогенного охолодження, ці кабелі допомагають зберігати надзвичайно високу чутливість і зменшують теплове навантаження.

4. Низькотемпературні надпровідники (НТН) проти високотемпературних надпровідників (ВТН)

Низькотемпературний надпровідний коаксіальний кабель (НТН): матеріали включають NbTi та Nb3Sn, робоча температура нижче 10 К за використання рідкого гелію, переважно для передачі сигналів та прецизійних вимірювань.

Високотемпературний надпровідний силовий кабель (ВТН): матеріали включають YBCO та BSCCO, робоча температура 65–77 К за використання рідкого азоту, переважно для передачі струму високої потужності.

Висновок

Надпровідні коаксіальні кабелі низькотемпературного типу можна вважати безвтратними мікроскопічними трасами для передачі інформації. Вони забезпечують майже безвтратну передачу мікрохвильових сигналів і при цьому запобігають витоку тепла в умовах наднизьких температур.

Завдяки багаторічному досвіду у галузі високочастотних та прецизійних кабельних технологій, Hotten продовжує вдосконалювати матеріали провідників, діелектричні структури та загальну стабільність кабелів, забезпечуючи надійні рішення для передачі сигналів у низькотемпературних та високочастотних системах для передових досліджень та високотехнологічних застосувань.