В Южной Корее разработана система трёхмерного неконтактного контроля высокотемпературных сверхпроводящих лент

Корейский электротехнологический научно-исследовательский институт (KERI) недавно объявил, что исследовательская группа под руководством Ха Хон Су и Пак Ин Сона из Центра исследований криогенных устройств института разработала систему трёхмерного неконтактного сверхточного контроля, способную непрерывно измерять толщину и ширину высокотемпературных сверхпроводящих лент. По заявлению учреждения, это первая в мире подобная система контроля, предназначенная для высокотемпературных сверхпроводящих лент.

Исследователи KERI Ха Хон Су и Пак Ин Сон фотографируются рядом с системой трёхмерного неконтактного сверхточного контроля и высокотемпературной сверхпроводящей лентой. [Корейский электротехнологический научно-исследовательский институт]

При температуре ниже определённого значения электрическое сопротивление высокотемпературных сверхпроводящих лент приближается к нулю, что обеспечивает передачу больших токов с низкими потерями. Такие ленты являются ключевым материалом для сверхпроводящих магнитов в термоядерных установках, медицинских аппаратах магнитно-резонансной томографии и высокоэффективном электрооборудовании. Подобные ленты обычно имеют ленточную форму, их толщина составляет всего несколько десятков микрометров — тоньше листа бумаги формата A4, ширина — около 4–12 миллиметров, а длина может достигать нескольких сотен метров. Сверхпроводящие магниты обычно плотно намотаны из сотен слоёв ленты.

Для таких материалов даже отклонение толщины в несколько микрометров в отдельной ленте может иметь значение. При послойном наматывании лент незначительные отклонения усиливаются, что приводит к изменению общих размеров и формы магнита, вызывает локальную концентрацию напряжений и, как следствие, повышает риск повреждения магнита, нестабильности магнитного поля или снижения рабочих характеристик оборудования.

Существующие контактные методы контроля могут поцарапать или загрязнить поверхность ленты, а неконтактные методы подвержены влиянию вибрации ленты в процессе её перемещения, что приводит к снижению точности измерений. Для проведения высокоточного контроля поперечного сечения обычно требуется разрезать ленту и исследовать её под микроскопом, что делает процесс контроля дорогостоящим и затрудняет проведение непрерывного контроля в режиме онлайн.

В этот раз исследовательская группа объединила механизм перемещения ленты по принципу «рулон-к-рулону» с хроматическими конфокальными лазерными датчиками, расположенными напротив друг друга сверху и снизу, что позволяет сканировать ленту в процессе её перемотки с одного рулона на другой. Лазерные датчики, установленные с обеих сторон ленты, быстро сканируют её поверхность и синхронно измеряют расстояние до верхней и нижней поверхностей. Данный метод конфокальных лазерных измерений обеспечивает достаточно стабильные результаты даже на поверхностях металлов с высокой отражающей способностью, таких как серебро и медь.

По информации KERI, даже при движении ленты со скоростью 100 метров в час и наличии вибрации система способна удерживать погрешность измерений в пределах ±1,5 микрометра; при контроле скорости поперечного перемещения датчика на уровне 4 миллиметров в секунду или менее погрешность повторных измерений может быть снижена до 0,2 микрометра. Такая точность составляет лишь малую долю диаметра человеческого волоса.

Данная система позволяет проводить непрерывный контроль высокотемпературных сверхпроводящих лент длиной в несколько сотен метров без разрезания и контакта с лентой, а также в реальном времени формировать трёхмерное изображение изменений толщины ленты, определяя, находится ли её поперечное сечение в выпуклом или вогнутом состоянии. Исследовательская группа считает, что данная технология способствует выявлению микроскопических дефектов, невидимых невооружённым глазом, на ранних стадиях производства, снижая риски для качества в процессе изготовления сверхпроводящих магнитов.

Помимо высокотемпературных сверхпроводящих лент, данная технология контроля может также применяться для контроля качества других непрерывно производимых передовых материалов, включая медную и алюминиевую фольгу для вторичных батарей, прокатанные металлические изделия, материалы для тонкоплёночных солнечных элементов и прецизионные плёнки для электронных компонентов.

На следующем этапе исследовательская группа планирует развить данную технологию в интеллектуальную систему контроля качества, обеспечивающую синхронизацию измерительных данных с производственным оборудованием в реальном времени для автоматической регулировки таких технологических параметров, как гальваническое покрытие и прокатка. Ха Хон Су отметил, что микроскопические изменения толщины высокотемпературных сверхпроводящих лент невидимы невооружённым глазом, однако после намотки в сотни слоёв они влияют на рабочие характеристики и надёжность всего сверхпроводящего магнита.