Revolutionerende superledende magnetplade design og analyse

Ved produktion af integrerede kredsløb (computerchips), kontinuerlig innovation er afgørende for at forblive konkurrencedygtig. Et stort mål er at øge produktiviteten af ​​fotolitografimaskiner, som delvist bestemmes af deres elektromagnetiske motorer. Ph.D.-kandidat Bart Koolmees, fra TU/e ​​-afdelingen for maskinteknik, fokuseret på at udvikle et superledende alternativ til disse motorer. Hans arbejde viste, at et sådant design kunne øge motorens effekt med mere end 500%, og han udtænkte også løsninger på nogle af de største tekniske udfordringer:varmeisolering og integriteten af ​​de superledende spoler. Han forsvarer sit speciale den 9. december.

I en fotolitografimaskine, et billede på en maske projiceres flere gange på en wafer med et lysfølsomt lag. Billedet projiceres ikke på én gang, men scannes med et lille lysstykke, som i en kopimaskine. Nøjagtige elektromagnetiske motorer bruges til at flytte både masken og skiven synkront under scanning og vending. At øge accelerationen af ​​motorerne for at øge produktiviteten forsøges ofte ved at optimere det nuværende motordesign. Ved hjælp af superledere, som Koolmees foreslår, ændrer designet betydeligt og giver mulighed for et stort skridt fremad.

"Høj" temperatur superledende (HTS) materialer har nul elektrisk modstand ved temperaturer under 90 K (-183 grader Celsius); den maksimale strøm, de kan lede, stiger med faldende temperatur. Strømtætheder på 100.000 A/mm2 til 600.000 A/mm2 er mulige i temperaturområdet 4 K til 20 K (-269 grader Celsius til -253 grader Celsius) sammenlignet med 35 A/mm2 i topmoderne kobber motorspoler ved stuetemperatur. For et første demonstrationsdesign, Koolmees foreslog at udskifte den ene motorhalvdel med det superledende alternativ for at øge magnetfeltstyrken i motoren.

Fem gange forbedring

Fordi effektiviteten ved køling til 4 K (-269 grader Celsius) ligger i området 0,04% til 0,14%, Koolmees designet en yderst effektiv varmeisolering for at minimere køleindsatsen. Denne isolering ville passere mellem de to motorhalvdele; for at opretholde motoreffektivitet, den skal have minimal tykkelse. Koolmees udviklede to isoleringsdesign med en tykkelse på 5 mm, som begge opretholder temperaturforskellen på næsten 300 grader, mens det kræver en kølekapacitet på mindre end 1 W for et område på 1,5 m med 2,5 m. Han analyserede også understøtningerne og fikseringen til den superledende spole for varmetab til en temperatur på 4K, viser en varmeledning under 0,5 W. Disse varmebelastninger er tilstrækkeligt lave til at fås i handlen, lukket cyklus, kølere ville være tilstrækkelige til at fjerne dem.

De superledende spoler designet til motorapplikationen oplever høje mekaniske belastninger, og det er vigtigt at forstå, om mekanisk svigt kan forhindres. Koolmees udførte en dybdegående analyse for at beregne mekaniske belastninger til hovedlasttilfældene. Dette viste, at svigt i de superledende spoler kan forhindres med de rigtige fremstillingsmetoder.

Koolmees 'forskning viste, at en superledende magnetplade kan give en mere end femdoblet forbedring i magnetfeltstyrke i forhold til nuværende topmoderne elektromagnetiske motorer. Derudover hans løsninger på de største tekniske udfordringer gør muligheden for sådan en magnetplade meget sandsynlig.