Technological solutions and laser processes for the development of superconductor-based applications

Résumé

El trabajo realizado en esta tesis doctoral aborda diferentes retos asociados con la implantación de tecnología superconductora en diversas aplicaciones. En la primera parte, se analiza la estabilidad térmica de cables y bobinas superconductoras. En particular, se ha estudiado la generación y propagación de quench en cables de diboruro de magnesio (MgB2) con geometría Rutherford. Se han empleado dos configuraciones para estudiar la dinámica de quench en estos conductores: la generación de calor localizada, simulando un punto caliente gracias a un calentador externo; y la aplicación de sobrecorrientes (corrientes por encima de la corriente crítica del cable). Además, se ha analizado la estabilidad térmica de una bobina tipo doble pancake fabricada con cinta de material superconductor de alta temperatura de segunda generación (2G-HTS), la cual se bobinó de forma continua y sin aislamiento entre espiras. La bobina se ancló térmicamente al dedo frío de un crio-generador para ser enfriada por conducción. Se ha analizado el comportamiento térmico y electromagnético de esta bobina incluyendo los procesos de carga y de descarga, la medida de la corriente crítica de la bobina, las pérdidas generadas, y sus diferentes contribuciones, durante las rampas de carga y descarga, así como la conductancia térmica que se establece en las diferentes uniones térmicas que se han utilizado para refrigerar la bobina. Para poder realizar estos estudios fue necesario inyectar de forma estable corrientes por encima de los 400 A. Esto supuso un reto por el calor generado en el equipo y en las barras de corriente, con un extremo a temperatura ambiente y otro a temperaturas criogénicas, por lo que son necesarios disipadores térmicos, que deben tener buena conductancia térmica y aislamiento eléctrico. En esta tesis se ha propuesto para esta aplicación emplear piezas de cobre recubiertas por una capa de alúmina proyectada por plasma, que es posteriormente densificada y re-fundida mediante el procesado láser de superficies, consiguiendo así una mejora notable de su conductividad térmica. Otro de los objetivos que se han abordado en este trabajo fue estudiar si las propiedades superconductoras pueden verse modificadas por la interacción con radiación láser. La versatilidad de las tecnologías láser permite facilitar la formación de nanoestructuras en la superficie del material con una disposición casi periódica, lo que abre un nuevo camino a la ingeniería de superficies. En esta tesis se ha estudiado como los tratamientos láser pueden modificar las propiedades superconductoras del material. Para estos estudios se han utilizado muestras de niobio por ser el elemento puro superconductor con una temperatura crítica y campos magnéticos críticos más altos. Dichas estructuras han sido generadas con distintos láseres: un láser ultravioleta con pulsos en el rango de cientos de picosegundos, y dos láseres que emiten pulsos en el infrarrojo cercano en el rango de los femtosegundos. Además, se han estudiado tratamientos en diferentes atmósferas. Esta modificación superficial es de gran interés para una aplicación directa del material, como es la construcción de cavidades resonantes de radio frecuencia.