CN101036241A - 带有条状高临界温度超导通路的电阻限流装置 - Google Patents

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Abstract

一种电阻限流装置包含具有导体结构(7)的条形超导体，该导体结构包括：金属衬底条(3)；绝缘的氧化缓冲层(4)；由AB2Cu3Ox类型的氧化高Tc超导材料制成的超导层(5)；被设置在上述两者之间的绝缘层(4)；以及金属保护层(6)。所述导体结构(7)的两个侧边(9a，10a)中的至少一个被如此进行机械变形，使得所述金属保护层(6)与所述衬底条(3)之间处于电连接。

Description

带有条状高临界温度超导通路的电阻限流装置
技术领域
本发明涉及一种带有由条状超导体构成的导体通路(Leiterbahn)的电阻超导限流装置。该条状超导体的导体结构包含：至少一个由常规导电衬底金属构成的衬底条；由AB2Cu3Ox类型的氧化高Tc(临界温度)超导材料构成的超导层，其中A是至少一种包括钇的稀土金属，B是至少一种碱土金属；被设置在上述两者之间的、由绝缘氧化缓冲材料构成的缓冲层；以及覆盖在上述超导层上的、由常规导电保护层材料构成的保护层。相应的限流装置见于DE 199 09 266A1中。
背景技术
1986年以来，超过77K的高临界温度Tc的超导金属氧化物是公知的，其因此被称为高临界温度超导材料或HTS材料，并且这种材料特别是使得液氮(LN2)冷却技术成为可能。基于诸如AB2Cu3Ox这样的特殊材料体系的铜酸盐就属于这种金属氧化物，其中，A是至少一种包括钇在内的稀土金属，而B是至少一种碱土金属。所谓的1-2-3-HTS类型的该材料体系的主要代表是所谓的YBCO(Y1Ba2Cu3Ox，其中6.5≤x≤7)。
出于不同的应用目的，人们尝试将该已知的HTS材料沉积在不同的衬底上，其中通常追求尽可能无相移的超导材料。因此，提供了用于导体应用的特殊的金属衬底(例如参见EP 0 292 959A1)。
在相应的导体结构中，通常不是将HTS材料直接沉积在作为衬底的支撑带(Trgerband)上，而是首先在这个衬底上覆盖至少一层薄的也被称作缓冲层的中间层。一方面，该厚度在1μm数量级的缓冲层应该防止会使得超导特性恶化的、金属原子从衬底中渗入到HTS材料里。另一方面，该缓冲层应该使得HTS材料有条理的构造(texturierte Ausbildung)成为可能。通常，相应的缓冲层由锆、铈、钇、铝、锶或镁的金属的氧化物或者由多种这些金属的混合晶体的氧化物构成，并由此是电绝缘的。一旦超导材料转换到普通导电状态(所谓的“Quenchen，失超”)，在相应的导电导体通路中就会出现问题。在此，该超导体首先有些部分电阻化并因此取得一个电阻R，例如由于超导体会发热至超越其临界温度Tc(进入所谓的“热区”或部分失超区域)并且多数情况下进一步发热，使得这一层就可能被烧穿。
由于这个问题的原因，公知的是直接在HTS导电层上作为防止烧穿的旁路设置一个附加的金属保护层，该保护层由导电良好的、与HTS材料相容的诸如金或银的材料构成。即，HTS材料与该金属保护层构成导电的面接触(参见DE 44 34 819C)。
由于因旁路而存在的热区和部分失超区域，电压沿着超导层分布不均。相反地，在载有超导层的衬底条上，末端上施加的电压U在整个长度上均匀降落；或者，如果将末端与所施加的电压绝缘，则其将处于一个未定义的中间电位。其后果可能是从导体通路经缓冲层至衬底的电压差。因为此层的极小的厚度这点会不可避免地导致电击穿进而导致缓冲层的逐点破坏，以及可能的情况下也会导致超导层的逐点破坏。典型地，20到100伏特数量级的电压就足够导致1μm厚度的缓冲层的击穿。特别是，如果利用相应的条状导体构造电阻限流装置，就产生了相应的问题。也就是说，在此类装置中，超导状态向普通导电状态的转换被用于在短路情况下对电流的限制。在这里，对于这种通常运行电压为千伏范围的装置来说，使缓冲层具有足够的耐电压并不是很容易就可能实现的。
在从本文开头处所提到的DE-A1文献中得到的限流装置中，使用了一种具有相应结构的条状超导体。在该结构中存在着所述的缓冲层上的电击穿的危险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，在具有本文开头所提到的特征的电阻超导限流装置中，消除限流状态中失超时电击穿的危险。
上述技术问题是利用在权利要求1中给出的措施解决的。据此，在具有本文开头所提到的特征的限流装置中，至少在部分区域中应该将导体结构中至少一个侧边如此进行机械变形，使得保护层与衬底条处于电接触。
该限流装置结构的优点尤其体现在，金属衬底条和正常导电的保护层以及由此与之电流上相联系的超导层，按照电流的流动方向看上去，至少在局部范围内沿着该结构的长度相互电连接，并且因此即使在失超时也能处于唯一的电平上。按照这种方式阻止了在缓冲层上的击穿。在正常情况下，超导层横向边上的超导特性总是由于受到制造条件的限制而变差，在这一点上在导体结构的纵向侧的至少一个上相应的变形是可替换的。
在所建议的限流装置中，尤其还可以既可单独也可组合地另外采取以下措施：
例如，可以通过挤压变形或轧制变形，在至少一个侧边上建立电接触。相应的变形是容易实现的。
基于本发明的限流装置的其他有利的实施方式由上面未论及的从属权利要求给出。
附图说明
为了进一步阐述本发明，下面参考示意图，依据其对限流装置的优选的实施方式进行阐述。在此，分别按照及其示意的形式：
图1所示为限流装置的YBCO条状导体的结构的斜上视图；
图2所示为在边变形之前的条状导体截面图；以及
图3所示为在边变形之后的条状导体截面图。
其中，各图中的对应的部分分别配有相同的参考标记。
具体实施方式
图1中所示的用2一般地表示的条状导体，是从本身公知的所谓YBCO条状导体或“覆有YBCO的导体”的实施方式出发的。该图中：
3表示由厚度为d3的正常导电的衬底金属构成的衬底条，
4表示由厚度为d4的绝缘氧化缓冲材料构成的、设置在衬底条上的至少一个缓冲层，
5表示由厚度为d5的YBCO构成的HTS层，
6表示由厚度为d6的正常导电的保护层金属构成的保护层，该层作为防护层或接触层，以及
7表示由以上4个部分组成的导体结构。
8在此，可按如下方式构建上述各部分：
-金属衬底条3由镍、镍合金或特种钢制成，其厚度d3约为50至250μm，
-至少一个缓冲层或缓冲层系统由氧化物(如CeO2或YSZ)的一个或多个层(Lagen)构成，其厚度d4可约为0.1至1.5μm；也就是说，在此该缓冲层也可以按照本身公知的方式作为一种由不同氧化材料的多层的系统综合而成；
-至少一个HTS层5由厚度d5在约0.3和3μm之间的YBCO构成；以及
-至少一个金属保护层6由厚度d6在约0.1μm和1mm之间的银、金或铜构成。在此，该保护层可由金属材料、必要时不同的金属的多个层综合而成。
相应的条状导体的宽度为几个毫米到几个厘米。其超导的通流能力由YBCO层5、即由它的临界电流密度决定；而热、机械及正常导电的特性由衬底条3因为其较大的厚度d3＝dS而支配。在此，衬底条与缓冲层一起为YBCO准单晶体的生长建立了基础。衬底条材料及缓冲层材料的热膨胀系数、晶格常数不得与YBCO有太大偏差。上述系数越匹配，无裂纹的层厚度就越厚，YBCO的结晶性(Kristallinitt)也越好。除此以外，对于在MA/cm2范围内的、高的临界电流密度来说，希望在相邻晶粒中的晶轴尽可能平行地取向。这要求在至少最上层的缓冲层中同样这样取向，以便YBCO能够异质性外延(heteroepitaktisch)地生长。这类准单晶体灵活的衬底-缓冲系统的制备，优选地采用如下的三种方法：
-在非纤维化金属条上多为YSZ或MgO的所谓的“离子束辅助沉积，Ion Beam Assisted Deposition(IBAD)”；
-在非纤维化金属条上YSZ或MgO的所谓“倾斜衬底沉积，InclinedSubstrate Deposition(ISD)”；
-所谓的“轧制辅助双轴纹理衬底，Rolling Assisted Biaxially TexturedSubstrates(RABiTS)”，也即通过轧制和热处理被制成立方体状态的、带有异质性外延的缓冲系统的衬底。
按照已知的方式、通过真空镀膜工艺(PVD)、化学气相沉积(CVD)或者化学溶液沉积(CSD)建立沉积在衬底条上的功能层4到6。
当然，在结构7的单个层之间可以存在相比较而言更薄的中间层，该中间层是在生产该结构的过程中生成的，或者在沉积单个层时尤其是通过扩散与/或反应的过程中生成的。
与公知为YBCO薄层限流器的陶瓷盘状导体相比较，在上述类型的条状导体中衬底条3具有导电能力，也就是说，其可以承载有限的电流并以旁路的方式起作用。不过，在该图所示的导体结构7中，该HTS层5和衬底条3则是相互绝缘的。一旦限流装置过渡到其限流状态(即其变为正常导电)，并且沿着其导电通路建立起一个电压，则已知的缓冲层材料的数量级为100kV/mm＝10V/0.1μm的击穿场强被迅速超越。也就是说，缓冲层4被未受控制地击穿。因此，按照本发明，在超导层5与金属衬底条3之间的、优选为在整个导体长度上的良好的电接触，对条状导体在限流中的应用是有利的。
从图2和3中的实施例可以看出，一个相应的接触在整个长度上贯穿始终。其中，图2示出了在侧面区域9a与9b中的变形处理之前的该导体结构7。在这些区域中的变形通常没有问题，因为在这些区域中超导层5的超导特性与该导体中间区域相比经常变坏。
例如，根据图3，可以借助于将边辊11和12来进行期望的变形。在此，辊分别对侧边9、9′和/或侧边10、10′产生了如下影响：该结构从该处开始大致沿着对角线的方向被压到一起了。在此，保护层材料被挤压向机械强度更大的衬底条，使得至少在条状导体纵侧面的局部区域中在保护层6的金属材料与衬底条3的金属材料之间实现了一个电连接。
在上述的实施例中，YBCO被作为用于超导层5的HTS材料的基础。当然，也可以采用带有其他的稀土金属和/或其他碱土金属的所谓1-2-3类型的其他HTS材料。该材料的单个成分也可以按照公知的方式部分地通过更多的/其他的成分来取代。

Claims (4)

1.一种带有由条状超导体构成的导体通路(2)的电阻超导限流装置，所述条状超导体的导体结构(7)至少包含：
-衬底条(3)，由正常导电的衬底材料构成；
-超导层(5)，由AB2Cu3Ox类型的氧化高Tc超导材料构成，其中A是至少一种包括钇的稀土金属，B是至少一种碱土金属；
-设置在上述两者之间的缓冲层(4)，由绝缘的氧化缓冲材料构成；以及
-保护层(6)，覆盖在所述超导层(5)上、由正常导电的金属构成，
其特征在于，至少在部分区域中将所述导体结构(7)的两个侧边(9，9′或者10，10′)中的至少一个应如此进行机械变形，使得所述保护层(6)与所述衬底条(3)处于电接触。
2.如权利要求1所述的限流装置，其特征在于，通过挤压变形或轧制变形建立在所述至少一个侧边(9，9′或者10，10′)上的所述电接触。
3.如权利要求1或2所述的限流装置，其特征在于，所述保护层(6)是由多层金属材料组合而成的。
4.如上述权利要求中任意一项所述的限流装置，其特征在于，所述缓冲层(4)是由多层氧化材料组合而成的。
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