Многополосковый проводник и способ его изготовления



Многополосковый проводник и способ его изготовления
Многополосковый проводник и способ его изготовления
Многополосковый проводник и способ его изготовления
Многополосковый проводник и способ его изготовления
Многополосковый проводник и способ его изготовления
Многополосковый проводник и способ его изготовления
Многополосковый проводник и способ его изготовления
Многополосковый проводник и способ его изготовления

 


Владельцы патента RU 2546127:

СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE)

Использование: для сверхпроводящих обмоток магнитно-спиновых томографов, в электродвигателях, в генераторах или в ограничителях тока. Сущность изобретения заключается в том, что многополосковый проводник выполнен с ленточной подложкой и по меньшей мере одним сверхпроводящим слоем, причем этот сверхпроводящий слой разделен на полоски, ленточная подложка имеет параллельное своей продольной протяженности первое направление, а по меньшей мере одна полоска имеет параллельное своей продольной протяженности второе направление. Первое и второе направления образуют угол, который больше нуля, причем угол лежит между 1 и 5 градусами. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения электрических потерь. 2 н. 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Данное изобретение относится к многополосковому проводнику с ленточной подложкой и по меньшей мере одним сверхпроводящим слоем. Этот по меньшей мере один сверхпроводящий слой образован на по меньшей мере одной поверхности ленточной подложки и разделен на полоски. Ленточная подложка имеет параллельно своей продольной протяженности первое направление, а по меньшей мере одна полоска имеет параллельно своей продольной протяженности второе направление. Кроме того, изобретение относится к способу изготовления такого многополоскового проводника.

Многополосковые проводники со сверхпроводящими слоями применяются, среди прочего, в качестве проводников в сверхпроводящих устройствах. Так, например, их можно использовать в сверхпроводящих обмотках магнитно-спиновых томографов, в электродвигателях, в генераторах или в ограничителях тока. В частности, при применении высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов, таких как, например, Y2BaCu3O7 (YBCO), уже при температурах жидкого азота достигаются сверхпроводящие свойства проводников. Таким образом, можно реализовывать надежные и экономичные сверхпроводящие устройства.

Технические ВТСП-проводники второго поколения (2G) имеют в качестве токопроводящего слоя тонкую пленку монокристаллического ВТСП, в частности, из керамического YBCO, который образован на металлическом ленточном носителе. Для нанесения тонкой пленки монокристаллического ВТСП на носитель его покрывают текстурированным многослойным буферным слоем, на который наносят ВТСП-слой с помощью способов осаждения, таких как, например, испарение, лазерное осаждение или химическое разложение.

На ВТСП-слой дополнительно наносят нормально проводящий защитный или стабилизирующий слой, который может электрически перемыкать дефектные места и становящиеся нормально проводящими короткие участки в ВТСП-слое. Нормально проводящий слой состоит, как правило, из серебра и/или меди. Ленточный носитель, на который наносят слоистый пакет из буферного, ВТСП- и стабилизирующего слоев, имеет, как правило, ширину в миллиметровом или сантиметровом диапазоне.

При применениях с переменным током часто возникает изменяющаяся во времени составляющая поля перпендикулярно ленточному носителю. За счет этого в ВТСП-слое и в меньшей мере также в стабилизирующем слое индуцируются циркулирующие экранирующие токи, которые накладываются на передаваемый ток. Эти экранирующие токи приводят к электрическим потерям, которые выделяются в виде тепла и которые необходимо отводить от ВТСП-проводников с помощью охлаждающего устройства. Таким образом, экономические преимущества за счет экономии энергии, которые достигаются за счет использования ВТСП-проводников по сравнению с классическими омическими проводниками, уменьшаются или полностью пропадают.

Потери на единицу длины Ph/L пропорциональны амплитуде ΔB переменного поля, частоте f, критическому току IC и эффективной ширине df проводника перпендикулярно магнитному полю:

Ph/L=f × ΔB × IC × df.

В сверхпроводниках NbTi и Nb3Sn потери уменьшают за счет разделения поперечного сечения на множество тонких полосок с небольшой шириной df, которые заделаны в металлическую матрицу, например, меди. Однако эта мера является эффективной лишь в том случае, когда проводник является витым или скрученным.

Перенос этого принципа на ВТСП-проводники обеспечивается с помощью проводников Ребеля. Из WO 03/100875 А2 известен такой проводник Ребеля, который образован из нескольких параллельных, покрытых ВТСП ленточных носителей. Потери в выполненном с такой конструкцией ВТСП-проводнике определяются шириной отдельной ленты. Для дальнейшей минимизации потерь, например, из US 2007/0191202 А1 известно разделение сверхпроводящего слоя и стабилизирующего слоя из меди продольными пазами параллельно продольному направлению ленточного носителя на полоски. Способы создания проходящих до носителя продольных пазов или канавок содержат механическую обработку, химическое травление, лазерную обработку, фоторезистные технологии и локальное разложение кристаллических систем. За счет этого полоса на носителе разделяется на множество отдельных полосок, которые проходят параллельно продольной оси носителя. В качестве эффективной ширины df проводника получают ширину отдельных полосок на носителе, в противоположность ширине покрытого сверхпроводящим слоем носителя в качестве полосы.

Хотя в коротких образцах проводника можно добиться уменьшения потерь, однако в длинных отрезках проводника, например, в обмотках катушки, магнитная связь между полосками не уничтожается, и внешнее магнитное поле, которое присутствует, например, в катушках, по-прежнему индуцирует большие экранирующие токи. Экранирующие токи могут превышать плотность критического тока сверхпроводящего материала, из-за чего сверхпроводник переходит в резистивный диапазон. Возникают значительные электрические потери, которые необходимо снова отводить в виде тепла.

Поэтому задачей данного изобретения является создание многополоскового проводника, который по сравнению с известными из уровня техники многополосковыми проводниками обеспечивает дальнейшее уменьшение электрических потерь. В частности, задачей многополоскового проводника согласно изобретению является минимизация индукции токов в многополосковом проводнике во внешних переменных полях. Другой задачей данного изобретения является создание способа изготовления многополоскового проводника, который имеет минимальные электрические потери при минимальной индукции токов в многополосковом проводнике во внешних переменных полях.

Указанная задача решена относительно многополоскового проводника с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения, а относительно способа изготовления многополоскового проводника - с помощью признаков пункта 11 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты выполнения многополоскового проводника согласно изобретению и способа изготовления многополоскового проводника следуют из соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения. При этом признаки дополнительных пунктов формулы изобретения можно комбинировать с признаками соответствующего подчиненного им зависимого пункта или предпочтительно также с признаками нескольких соответствующих подчиненных им зависимых пунктов формулы изобретения.

Многополосковый проводник согласно изобретению имеет ленточную подложку и по меньшей мере один сверхпроводящий слой. Этот по меньшей мере один сверхпроводящий слой образован на по меньшей мере одной поверхности ленточной подложки и разделен на полоски. Ленточная подложка имеет параллельно своей продольной протяженности первое направление, а по меньшей мере одна полоска имеет параллельно своей продольной протяженности второе направление. Первое направление ленточной подложки образует со вторым направлением упомянутой по меньшей мере одной полоски угол, который больше нуля.

За счет этого можно эффективно уменьшать потери при применениях в переменном поле и влияние локальных дефектных мест в технических сверхпроводящих проводниках при применении многополосковых проводников, например, в катушках, в которых проводники намотаны друг на друга. В частности, в бифилярно намотанных катушках происходит значительное уменьшение потерь. Потери Ph из-за амплитуды ΔB перпендикулярного многополосковому проводнику переменного поля зависят не от ширины проводника, а от ширины отдельных полосок. Доля потерь на гистерезис уменьшается на коэффициент df/b. При применении в магнитах, например, в томографах ядерного спина, в спектрометрах ядерного резонанса и в ускорителях, при которых требуется высокая точность поля, за счет меньших и локализованных на ширине полосок экранирующих токов значительно уменьшаются погрешности создаваемого в полезном объеме поля.

Особенно предпочтительным является угол между первым направлением ленточной подложки и вторым направлением упомянутой по меньшей мере одной полоски между 30 и 60 градусами, в частности, 45 градусов. Упомянутая по меньшей мере одна полоска может быть образована полностью вдоль второго направления, в частности, без продольной составляющей, параллельной первому направлению. Продольные составляющие вдоль первого направления увеличивают потери в таких применениях, как, например, бифилярно намотанные катушки.

Ленточная подложка может иметь первую поверхность на передней стороне и противоположную вторую поверхность на задней стороне, при этом как на первой, так и на второй поверхности образовано несколько полосок. Полоски первой поверхности могут иметь второе направление, которое не совпадает с третьим направлением, параллельным продольному направлению полосок второй поверхности. За счет этого в проводнике достигается эффект уменьшения потерь, аналогичный уменьшению в бифилярно намотанных катушках.

При этом, в частности, при транспонированном выполнении проводника, обеспечивается пропускание тока с малыми потерями. Для этого упомянутая по меньшей мере одна полоска передней стороны должна быть электропроводящим образом соединена с упомянутой по меньшей мере одной полоской задней стороны, в частности, через по меньшей мере один слой, который образован на по меньшей мере одной третьей поверхности на одной или двух боковых поверхностях ленточной подложки. Длина транспонирования может лежать в диапазоне от 20 см.

Перемыкание дефектных мест в сверхпроводящем слое может происходить особенно эффективно и тем самым дополнительно уменьшать потери, когда между по меньшей мере двумя соседними полосками на одной поверхности образован по меньшей мере один электрический мостик. С помощью этого мостика или мостиков образуется электрическое соединение или образуются электрические соединения упомянутых по меньшей мере двух соседних полосок. Упомянутый по меньшей мере один электрический мостик может быть расположен посредине на этой одной поверхности, в частности, с продольным направлением мостика, параллельным первому направлению ленточной подложки. Дефектная полоска с уменьшенной локальной токонесущей способностью электрически перемыкается через мостик и соседнюю полоску.

Многополосковый проводник может иметь слоистый пакет из ленточного материала-носителя, по меньшей мере одного буферного слоя, по меньшей мере одного сверхпроводящего слоя, в частности, высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) слоя, и/или по меньшей мере одного стабилизирующего слоя. Буферный слой обеспечивает возможность создания эпитаксиально выращенного монокристаллического сверхпроводящего слоя на материале-носителе. ВТСП-слой обеспечивает возможность использования многополоскового проводника со сверхпроводящими свойствами также при температурах в диапазоне жидкого азота. Стабилизирующий слой защищает сверхпроводящий слой от механических повреждений и перемыкает электрически локальные места в сверхпроводящем слое с уменьшенной токонесущей способностью, т.е. он стабилизирует и защищает механически и электрически.

Материал-носитель может состоять из металла, в частности, стали. Упомянутый по меньшей мере один буферный слой может содержать по меньшей мере один материал из группы Al, оксид иттрия, IBAD MgO, Homo-epi MgO, LMO или комбинации или сплавы из этих материалов, или слоистый пакет из этих материалов. Упомянутый по меньшей мере один сверхпроводящий слой может состоять из YBCO. Упомянутый по меньшей мере один мостик может также состоять из YBCO, в частности, из YBCO упомянутого по меньшей мере одного ВТСП-слоя. Это обеспечивает электрическую проводимость без потерь также через мостик. Упомянутый по меньшей мере один стабилизирующий слой может состоять из меди или серебра или содержать слоистый пакет с по меньшей мере одним слоем меди и/или по меньшей мере одним слоем серебра. Упомянутый по меньшей мере один мостик может состоять из материала, который состоит из по меньшей мере одного стабилизирующего слоя или содержит его, что обеспечивает простое изготовление мостика.

Материал-носитель может иметь толщину в диапазоне от 50 до 100 мкм и ширину в диапазоне от 10 мм. Упомянутый по меньшей мере один буферный слой может иметь толщину в диапазоне от 100 нм. Упомянутый по меньшей мере один сверхпроводящий слой может иметь толщину в диапазоне от 1 мкм, а упомянутая по меньшей мере одна полоска может иметь ширину в диапазоне от 0,5 мм. Упомянутый по меньшей мере один стабилизирующий слой может иметь толщину в диапазоне от 3 мкм до 300 мкм. Указаны благоприятные размеры для множества применений многополоскового проводника.

Способ согласно изобретению изготовления описанного выше многополоскового проводника содержит этапы:

- приводят два ленточных материала-носителя в механическое соединение друг с другом их противоположными сторонами, и

- на одну сторону ленточного материала-носителя, которая лежит противоположно механическому соединению, наносят по меньшей мере один сверхпроводящий слой, и

- на сверхпроводящий слой наносят стабилизирующий слой,

- при этом стабилизирующий слой первого ленточного материала-носителя выполняют с перекрытием стабилизирующего слоя второго ленточного материала-носителя на краях двух ленточных материалов-носителей, так что происходит электрическое соединение стабилизирующих слоев по краям, и

- сверхпроводящие слои и стабилизирующие слои разделяют на полоски.

Два ленточных материала-носителя можно соединять друг с другом, совмещая при наложении. С помощью этого способа обеспечивается возможность простого, экономичного изготовления многополоскового проводника с небольшим количеством этапов.

Нанесение слоев можно осуществлять с помощью электролиза, напайки, напыления, распыления или термического разложения соединений металлов в паровой фазе. Разделение сверхпроводящих слоев и разделение стабилизирующих слоев на полоски можно осуществлять механически или с помощью лазеров и/или травления, в частности, сухого или влажного химического травления проходящих через слой канавок. В способах травления можно применять фотолитографию. Альтернативно, нанесение слоев можно осуществлять посредством печати или наклеивания на еще не покрытой ленте подложки в местах канавок. При последующем осаждении сверхпроводящих и стабилизирующих слоев здесь не происходит нанесения материала, так что образуется желаемая полосковая структура.

Канавки могут быть образованы под неравным нулю углом между первым направлением ленточной подложки и вторым направлением упомянутой по меньшей мере одной полоски. Полоски на двух ленточных материалах-носителях могут быть электрически соединены через края так, что возникают спиральные пути тока.

Два ленточных материала-носителя двухслойной подложки могут быть отделены друг от друга термостойкой, изолирующей прослойкой или воздушным зазором. Это можно осуществлять, в частности, посредством сварки двух ленточных материалов-носителей, посредством сгибания одной ленты-носителя в две лежащие друг над другом ленты, или же посредством плоской прокатки трубы, в частности, перед этапом текстурирующей прокатки ленточных материалов-носителей.

Способ согласно изобретению изготовления многополоскового проводника имеет указанные выше применительно к многополосковому проводнику преимущества.

Ниже приводится более подробное пояснение предпочтительных вариантов выполнения изобретения с предпочтительными модификациями согласно признакам зависимых пунктов формулы изобретения, которыми, однако, оно не ограничивается, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - многополосковый проводник в изометрической проекции с параллельными оси подложки полосками согласно уровню техники;

фиг.2 - слоистое строение полоски многополоскового проводника согласно уровню техники;

фиг.3 - многополосковый проводник согласно изобретению с полосками, которые выполнены проходящими наискось на передней и задней стороне подложки, спирально вокруг ее периметра;

фиг.4 - многополосковый проводник, аналогичный показанному на фиг.3, при этом образованы мостики между соседними полосками;

фиг.5 - вид сверху на показанный на фиг.3 многополосковый проводник с полосками на передней (ограничены сплошными линиями) и задней стороне (ограничены штриховыми линиями);

фиг.6а - вид в разрезе показанного на фиг.3 многополоскового проводника с двумя находящимися в непосредственном соединении носителями;

фиг.6b - вид в разрезе показанного на фиг.3 многополоскового проводника с расплющенной трубой в качестве подложки; и

фиг.6с - вид в разрезе показанного на фиг.3 многополоскового проводника, который состоит из сложенной вместе детали в качестве подложки со сварным швом на открытой стороне.

На фиг.1 показан в изометрической проекции спереди разрез перпендикулярно продольной оси многополоскового проводника 1 согласно уровню техники. Многополосковый проводник 1 имеет ленточную подложку 2 с передней стороной 9 и задней стороной 10. Первое направление 21 ленточной подложки 2 задано как продольное направление ленточной подложки 2. Параллельно первому направлению 21 на передней стороне 9 ленточной подложки 2 полосчато нанесены параллельные друг другу полосы буферного слоя 4. Полосы буферного слоя 4 расположены на расстоянии друг от друга и имеют второе направление 22, которое соответствует направлению полос буферного слоя 4. На полосах буферного слоя 4 образован сверхпроводящий слой 3, например, из материала YBCO. На сверхпроводящем слое 3 образован тонкий слой 5а серебра (слой Ag) и слой 5b меди (слой Cu) в качестве защитного и/или стабилизирующего слоя 5. Между этими слоистыми пакетами или полосками 20, состоящими каждая из буферного слоя 4, сверхпроводящего слоя 3 и стабилизирующего слоя 5, образованы непрерывные канавки 6 для разделения полосок 20.

При воздействии изменяющегося во времени внешнего магнитного поля (B) 8 на многополосковый проводник 1 в стабилизирующем слое 5 и/или сверхпроводящем слое 3 индуцируются токи I. Эти индуцированные токи I протекают в одной половине от общего числа полосок 20 с направлением 7 тока, а в другой половине от общего числа полосок - с противоположным направлением 7' тока. На концах проводника пути тока замыкаются. Обычно токи I превышают критический ток полоски 20 и переводят сверхпроводник в резистивное состояние, при этом возникают значительные омические потери. В нескрученном проводнике по фиг.1 они возрастают линейно с общей шириной b ленты, разделение на полоски 20 шириной df не оказывает никакого влияния.

На фиг.2 детально показано слоистое строение полоски 20 согласно уровню техники. На передней стороне 9 подложки 2 нанесен тонкий слой 11 алюминия (Al) в виде полосы, при этом на фиг.2 показан в изометрической проекции разрез вдоль полосы. На слое 11 Al находится слой 12 оксида иттрия. На него осажден слой 13 IBAD оксида магния (MgO) и эпитаксиальный слой 14 Homo-epi MgO. На эпитаксиальном слое 14 Homo-epi MgO образован эпитаксиальный слой 15 LMO. Эти слои 11-15 совместно образуют буферный слой 4 и действуют электрически изолирующим образом относительно подложки 2. Они служат в качестве монокристаллически упорядоченной основы и приводят к монокристаллическому росту сверхпроводящего слоя 3, например, из YBCO, на подложке 2 над буферным слоем 4.

На сверхпроводящем слое 3 образован слой 5а серебра (Ag) и слой 5b меди (Cu). Эти оба слоя образуют стабилизирующий слой 5, который защищает сверхпроводящий слой 3 от механических повреждений и электрически перемыкает дефектные места в монокристаллическом сверхпроводящем материале.

На задней стороне 10 подложки 2 может быть образован другой слой Cu в качестве второго стабилизирующего слоя 5'.

Подложка 2 многополоскового проводника 1 на фигурах 1 и 2 состоит из сплава хастеллой или стали, имеет толщину 50 мкм и ширину 10 мм. Показанная на фиг.2 полоска 20 имеет буферный слой 4 с толщиной 100 нм и шириной 0,5 мм. Сверхпроводящий слой 3 имеет толщину 1 мкм, а стабилизирующий слой 5 на передней стороне 9 подложки 2 выполнен толщиной 23 мкм с имеющим толщину 20 мкм слоем Cu. Стабилизирующий слой 5' на задней стороне подложки 2 из меди имеет толщину 20 мкм.

На фиг.3 показан в изометрической проекции сверху многополосковый проводник 1 согласно изобретению. Подложка 2 многополоскового проводника 1 состоит из сплава хастеллой или стали, имеет толщину 50 мкм и ширину 10 мм. Полоски 20, 20' в этом примере выполнения расположены на подложке 2 со вторым направлением 22, которое представляет собой продольное направление полосок 20, которое образует с первым, продольным направлением подложки 2 угол, не равный нулю. Сверхпроводящие полоски 20, 20' расположены, соответственно, на поверхности первого и второго носителей 16 и 17. Два носителя 16 и 17 на своих задних сторонах, которые лежат противоположно поверхностям с полосками 20, 20', находятся в механическом соединении друг с другом, однако электрически по существу разделены промежуточным слоем 29, при этом соприкасающиеся друг с другом задние стороны называются в последующем стороной 18 механического соединения. Два носителя 16 и 17 и промежуточный слой 29 вместе образуют ленточную подложку 2 многополоскового проводника 1 согласно изобретению.

Между полосками 20, 20' на поверхности подложки 2 образованы непрерывные канавки 6, так что сверхпроводящие слои 3 двух соседних полосок 20, 20' отделены друг от друга электрически. Полоски 20 на первом носителе 16 расположены каждая так, что они у края 19 носителя 16 лежат с перекрытием при наложении друг на друга с полосками 20' второго носителя 17 у края 19 носителя 16, 17. При осаждении или образовании стабилизирующего слоя 5 на носителях 16 и 17 материал стабилизирующего слоя 5 также осаждают на краю 19. За счет этого через этот материал полоски 20 носителя 16 электрически соединяются с полосками 20' носителя 17. При образовании канавок 6 их также выполняют на краю 19 полностью непрерывными с помощью материала стабилизирующего слоя 5, так что лишь на краю 19 лежащие друг над другом полоски 20, 20' электрически соединены друг с другом.

Толщина слоев и подложки 2, а также ширина полосок 20, 20' соответствуют указанным выше для показанного на фиг.1 и 2 многополоскового проводника 1 значениям толщины и ширины.

Угол полосок 20 на передней стороне 9 имеет значение, противоположное углу полосок 20' на задней стороне 10. Значение угла лежит в диапазоне от 1 до 5 градусов или, соответственно, от -1 до -5 градусов. На передней и задней сторонах 9, 10 образованы сверхпроводящие полоски 20, 20' с ограниченной длиной b, которые заканчиваются на краях 19 ленточной подложки 2. На сверхпроводящие полоски 20, 20' нанесен стабилизирующий слой 5, 5' из нормально проводящего материала, например, из меди, который находится в электрическом соединении со сверхпроводящим слоем 3 полосок 20, 20' и может перебрасывать ток с дефектных нормально проводящих мест сверхпроводника. На краях 19 ленточной подложки 2 стабилизирующий слой 5, 5' выполнен так, что полоски 20, 20' передней и задней сторон 9, 10 электрически соединены через нормально проводящий слой.

За счет этого вокруг ленточной подложки 2 образуется один или несколько спиральных, параллельных путей тока, которые являются сверхпроводящими до коротких, нормально проводящих зон на краях 19 ленточной подложки 2. Таким образом, согласно изобретению создается тонкослойный сверхпроводник с известной из классической сверхпроводящей техники «скруткой» в виде параллельных, скрученных полосок сверхпроводника, который имеет небольшие потери в применениях с переменным полем.

На фиг.4 показан альтернативный пример выполнения многополоскового проводника 1 согласно изобретению. Этот многополосковый проводник 1 аналогичен показанному на фиг.3 многополосковому проводнику 1, за исключением дополнительного образования мостиков 23 между соседними полосками 20, 20'. Мостики 23 выполнены по их слоистому строению одинаково с полосками 20, 20' на фиг.1-3 или состоят лишь из стабилизирующего слоя 5 или из стабилизирующего слоя 5 и сверхпроводящего слоя 3. Они выполнены электрическими проводящими и могут перемыкать дефектные места в сверхпроводящем слое 3 полоски 20, 20' через сверхпроводящий слой 3 соседней полоски 20, 20'. На фиг.4 мостики 23 расположены в виде перемычки посредине на поверхности подложки 2 вдоль ее первого направления 21. Однако, альтернативно, мостики 23 могут быть расположены также на краю 19 или вблизи него. Они могут быть также расположены не в виде непрерывной перемычки, а попеременно или нерегулярно на поверхности между соответственно двумя соседними полосками 20, 20'. В показанном на фиг.4 примере выполнения ширина а мостиков 23 лежит в диапазоне 1/20 длины b полоски 20 или 20' на одной стороне подложки 2. В зависимости от материала и требуемой токонесущей способности, ширина мостиков 23 может принимать также другие значения.

В многополосковом проводнике 1 повышается вероятность того, что локальное слабое место в полоске 20 или 20' уменьшит токонесущую способность, при большей длине и меньшей ширине. Таким образом, в обмотках с большой длиной многополоскового проводника 1 токонесущая способность всего многополоскового проводника 1 с изолированными друг от друга полосками 20 или 20' может быть значительно ухудшена. За счет расположения мостиков 23 между полосками 20 или 20' можно осуществлять перераспределение тока из дефектных полосок 20 или 20' в соседние полоски 20 или 20' соответственно. Если вдоль полосок 20 или 20' среднее расстояние между слабыми местами значительно больше, чем длина L транспонирования, то общий ток находит достаточно невредимых путей тока, и критический общий ток уменьшается лишь немного даже в длинных многополосковых проводниках 1.

На фиг.5 показан на виде сверху многополосковый проводник 1 в соответствии с показанным на фиг.3 вариантом выполнения. Можно видеть, что второе направление 22 полосок 20 на первом носителе 16 (сплошные линии в качестве ограничения по ширине полосок 20 на фиг.5) расположено под углом к третьему направлению 26 продольной протяженности полосок 20' на втором носителе 17 (штриховые линии в качестве ограничения по ширине полосок 20' на фиг.5). Таким образом, полоски 20 и 20' на носителях 16, 17 образуют некий угол. Этот угол лежит в диапазоне нескольких градусов. Однако возможны также другие углы, такие как, например, показанный на фиг.5.

С помощью электрического соединения на краю 19 полоски 20, 20' образуют на первом носителе 16 и втором носителе 17 скрученный или, соответственно, транспонированный многополосковый проводник 1. Полоски 20, 20' проходят вокруг проводника в форме спирали. Для потерь Ph из-за амплитуды ΔB перпендикулярного к многополосковому проводнику 1 переменного поля решающее значение имеет больше не ширина проводника b, как это происходит в случае проводника без полосок 20, 20', а ширина df отдельных полосок 20, 20'. Доля потерь на гистерезис уменьшается на коэффициент df/b. За счет транспонирования полосок 20, 20' становятся меньше или равными нулю также потери из-за экранирующих токов, которые индуцируются между полосками 20, 20', если буферный слой 4 достаточно изолирован от носителя 16, 17. Магнитный поток через поверхность между двумя любыми параллельными полосками 20 или 20' суммируется после прохождения по длине L транспонирования до ноля. Таким образом, эффективно уменьшаются индуцированные между ними напряжения и тем самым приводящие к потерям вихревые токи, независимо от общей длины многополоскового проводника 1.

На фиг.5 штрихпунктирной линией показана в качестве примера поверхность А, которая заключена между двумя любыми полосками 20 на передней стороне 9 или полосками 20' на задней стороне 10. Поверхность А пронизывается при наличии перпендикулярной поверхности А составляющей B поля магнитным потоком B×А. Между каждыми двумя точками 27, 28 перекрещивания полосок 20, 20' передней стороны 9 и задней стороны 10 подложки 2 имеется индуцированное напряжение U=½ A dB/dt. Оно максимально в середине проводника и равно нулю у края 19. Электрически изолирующий слой 29 согласно изобретению между первым и вторым носителями 16 и 17 предотвращает индуцированные токи перпендикулярно через тонкую подложку 2 между полосками 20 и 20'. Эти токи накладывались бы на передаваемый ток в полосках 20, 20' и переводили бы полоски 20, 20' в резистивный, связанный с потерями диапазон, а также создавали бы дополнительные омические потери в подложке 2. С помощью электрически изолирующего слоя 29 или промежуточного слоя между первым носителем 16 и вторым носителем 17 предотвращается магнитная связь через подложку 2.

При применениях в магнитах, в которых требуется высокая точность поля, как, например, в томографах ядерного спина, ускорителях и спектрометрах ядерного резонанса, за счет меньших и локализованных на ширине полосок экранирующих токов значительно уменьшаются создаваемые ими погрешности поля в полезном объеме. Таким образом, многополосковый проводник 1 согласно изобретению можно использовать также в применениях с критическим постоянным током.

При нормально проводящих электрических контактах между полосками 20 и 20' через края 19 существует омическое сопротивление Rn, которое приблизительно составляет

Rn = ρn π (dn+ds)/(dnLn),

где ρn - удельное электрическое сопротивление, dn, df - толщины нормального металлического слоя и носителя 16, 17, Ln = dfL/2b - длина мостика 23 в первом направлении 21, и df - ширина полосок. Два мостика 23 на длине L скручивания суммируются в каждой полоске 20, 20' в среднее сопротивление в расчете на длину, равное

<Rn>/l = ρn π (dn+ds)2b/(dndfL2).

При большой длине L транспонирования это сопротивление может быть очень малым. Так, например, для многополоскового проводника 1 с шириной b = 10 мм, общей толщиной 0,3 мм, IC = 300 А, с 15 полосками 20, 20' шириной df = 0,5 мм, эффективной плотности критического тока в многополосковом проводнике 1 je = 100 А/мм2, длиной транспонирования или, соответственно, скручивания L = 20 см, ρn = 2×10-9 Ом·м в меди при 77K и толщиной медного слоя 5 и подложки 2 dn = ds = 0,1 мм, среднее омическое сопротивление одной полоски 20, 20' через медный мостик 23 составляет

<Rn>/l = 12,5 мкОм/м.

При I = IC/15 = 20 А в полоске 20, 20' падение напряжения составляет 250 мкВ/м или, соответственно, 2,5 мкВ/см. Это находится в диапазоне падения напряжения 1 мкВ/см, при котором обычно определяется критический ток в технических сверхпроводниках.

Дополнительные потери возрастают пропорционально квадрату тока. При IC = 300 А они составляют 75 мВт на метр многополоскового проводника 1 или 250 мВт на кА·метр. Таким образом, по сравнению с традиционными решениями многополосковый проводник 1 согласно изобретению с ВТСП-материалом обеспечивает экономию энергии в 90% по сравнению с проводниками из меди. Потери Ph на намагничивание в сверхпроводящем материале можно уменьшать, как указывалось выше, за счет небольшой ширины df полосок. Таким образом, с помощью многополоскового проводника 1 согласно изобретению могут быть эффективно реализованы применения с переменным током частотой 50/60 Гц в сверхпроводящих кабелях, сверхпроводящих трансформаторах, электрических машинах со сверхпроводниками и других применениях. К этому добавляется в качестве преимущества возможность более высоких на два порядка по сравнению с обычными медными проводниками плотностей тока.

На фиг.6а-6с показаны изображения в разрезе показанного на фиг.5 многополоскового проводника 1 с различными вариантами выполнения соединения 18 первого и второго носителей 16 и 17 через по меньшей мере один промежуточный слой 29. Полоски 20, 20' выполнены одинаково с описанными выше полосками 20, 20' из слоистого пакета буферного слоя 4, сверхпроводящего слоя 3 и стабилизирующего слоя 5. Между соседними полосками 20, 20' образованы соответствующие канавки 6. Полоски 20, 20' на передней стороне 9 и задней стороне 10 подложки 2 соединены электрически друг с другом через край 19 с помощью стабилизирующего слоя 5.

На фиг.6а первый носитель 16 и второй носитель 17 соединены друг с другом плоскостно, электрически изолирующим образом своими задними сторонами. Это соединение может быть выполнено, например, посредством склеивания друг с другом задних сторон. Между носителями 16 и 17 может быть дополнительно расположен теплоизолирующий слой.

На фиг.6b носители 16 и 17 выполнены за счет того, что сплющена труба 24 из материала 2 подложки. Внутри трубы может сохраняться тонкий изолирующий воздушный зазор, который можно также использовать для охлаждения. Так, например, можно пропускать жидкий азот через этот зазор и дополнительно охлаждать изнутри многополосковый проводник 1.

На фиг.6с первый и второй носители 16 и 17 выполнены за счет сгибания вместе широкого носителя, причем ширина широкого носителя равна удвоенной ширине носителя 16, 17, при этом линия сгиба проходит в середине широкого носителя вдоль его продольной оси. Линия сгиба образует один край 19 подложки 2, а вдоль противоположного края 19 подложки 2 можно с помощью сварного или клеевого шва 25 соединить друг с другом первый и второй носители 16 и 17 механически стабильно. При осаждении стабилизирующего слоя 5 и образовании канавок 6 полоски 20 первого и второго носителей 16 и 17 соединяются через края 19, причем при образовании канавок 6 также у края 19 соседние полоски 20 одного носителя 16 или 17 отделены друг от друга электрически на краю 19. Комбинация примеров выполнения на фиг.6а-6с с примером выполнения на фиг.4 обеспечивает электрическое соединение полосок 20 на одном носителе 16 или 17 через мостики 23.

1. Многополосковый проводник (1) с ленточной подложкой (2) и по меньшей мере одним сверхпроводящим слоем (3), причем этот по меньшей мере один сверхпроводящий слой (3) образован на по меньшей мере одной поверхности ленточной подложки (2) и разделен на полоски (20, 20′), и при этом ленточная подложка (2) имеет параллельное своей продольной протяженности первое направление (21), а по меньшей мере одна полоска (20, 20′) имеет параллельное своей продольной протяженности второе направление (22), отличающийся тем, что первое направление (21) ленточной подложки (2) образует со вторым направлением (22) упомянутой по меньшей мере одной полоски (20, 20′) угол, который больше нуля, причем угол между первым направлением (21) ленточной подложки (2) и вторым направлением (22) упомянутой по меньшей мере одной полоски (20, 20′) лежит между 1 и 5 градусами.

2. Многополосковый проводник (1) по п.1, отличающийся тем, что упомянутая по меньшей мере одна полоска (20, 20′) образована полностью вдоль второго направления (22), в частности, без продольной составляющей, параллельной первому направлению (21).

3. Многополосковый проводник (1) по п.1, отличающийся тем, что ленточная подложка (2) имеет первую поверхность на передней стороне (9) и противоположную, вторую поверхность на задней стороне (10), при этом как на первой, так и на второй поверхностях образовано множество полосок (20, 20′), при этом, в частности, полоски (20) первой поверхности имеют второе направление (22), которое не совпадает с третьим направлением (23), параллельным продольному направлению полосок (20′) второй поверхности.

4. Многополосковый проводник (1) по п.3, отличающийся тем, что по меньшей мере одна полоска (20) передней стороны (9) электропроводящим образом соединена с по меньшей мере одной полоской (20′) задней стороны (10), в частности, через по меньшей мере один слой (19), который образован на по меньшей мере одной третьей поверхности на одной или двух боковых поверхностях ленточной подложки (2).

5. Многополосковый проводник (1) по п.1, отличающийся тем, что между по меньшей мере двумя соседними полосками (20, 20′) на одной поверхности образован по меньшей мере один электрический мостик (23), с помощью которого образовано электрическое соединение упомянутых по меньшей мере двух соседних полосок (20, 20′).

6. Многополосковый проводник (1) по п.5, отличающийся тем, что упомянутый по меньшей мере один электрический мостик (23) расположен посредине на этой одной поверхности, в частности, с продольным направлением мостика (23), параллельным первому направлению (21) ленточной подложки (2).

7. Многополосковый проводник (1) по п.1, отличающийся тем, что многополосковый проводник (1) имеет слоистый пакет из ленточного материала-носителя (16, 17), по меньшей мере одного буферного слоя (4), по меньшей мере одного сверхпроводящего слоя (3), в частности, высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) слоя, и/или по меньшей мере одного стабилизирующего слоя (5).

8. Многополосковый проводник (1) по п.7, отличающийся тем, что материал-носитель (16, 17) состоит из металла, в частности, стали, и/или упомянутый по меньшей мере один буферный слой (4) содержит по меньшей мере один материал из группы: Al (11), оксид иттрия (12), IBAD MgO (13), Homo-epi MgO (14), LMO (15), или комбинации, и/или слоистые пакеты этих материалов, и/или упомянутый по меньшей мере один сверхпроводящий слой (3) состоит из YBCO, и/или упомянутый по меньшей мере один мостик (23) состоит из YBCO, в частности, из YBCO упомянутого по меньшей мере одного ВТСП-слоя, и/или упомянутый по меньшей мере один стабилизирующий слой (5) состоит из меди или серебра, или содержит слоистый пакет с по меньшей мере одним слоем (5b) меди и/или по меньшей мере одним слоем (5а) серебра, и/или упомянутый по меньшей мере один мостик (23) состоит из материала упомянутого по меньшей мере одного стабилизирующего слоя (5) или содержит его.

9. Многополосковый проводник (1) по п.7 или 8, отличающийся тем, что материал-носитель (16, 17) имеет толщину в диапазоне от 50 до 100 мкм и ширину в области 10 мм, и/или упомянутый по меньшей мере один буферный слой (4) имеет толщину в области 100 нм, и/или упомянутый по меньшей мере один сверхпроводящий слой (3) имеет толщину в области 1 мкм, и/или упомянутая по меньшей мере одна полоска (20, 20′) имеет ширину в области 0,5 мм, и/или упомянутый по меньшей мере один стабилизирующий слой (5) имеет толщину в области 3 мкм.

10. Многополосковый проводник (1) по п.1, отличающийся тем, что полоски (20, 20′) транспонированы, в частности, с длиной транспонирования в области 20 см.

11. Способ изготовления многополоскового проводника (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что приводят два ленточных материала-носителя (16, 17) в механическое соединение друг с другом их противоположными сторонами, в частности, с совмещением при наложении, при этом на одну сторону ленточного материала-носителя (16, 17), которая противоположна стороне механического соединения, наносят по меньшей мере один сверхпроводящий слой (3), а на сверхпроводящий слой (3) наносят стабилизирующий слой (5), при этом стабилизирующий слой (5) первого ленточного материала-носителя (16) выполняют с перекрытием стабилизирующего слоя (5′) второго ленточного материала-носителя (17) на краях (19) двух ленточных материалов-носителей (16, 17), так что происходит электрическое соединение стабилизирующих слоев (5, 5′) по краям (19), и разделяют сверхпроводящие слои (3) и стабилизирующие слои (5, 5′) на полоски (20, 20′).

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что нанесение слоев осуществляют с помощью электролиза, напайки, напыления, распыления и/или термического разложения соединений металлов в паровой фазе, и/или разделение сверхпроводящих слоев (3) и разделение стабилизирующих слоев (5, 5′) на полоски (20, 20′) осуществляют с помощью лазеров и/или травления, в частности, химического травления, проходящих через соответствующий слой канавок (6).

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что канавки (6) образуют под неравным нулю углом между первым направлением (21) ленточной подложки (2) и вторым направлением (22) упомянутой по меньшей мере одной полоски (20, 20′), и полоски (20, 20′) на двух ленточных материалах-носителях (16, 17) электрически соединяют через их края (19) так, что возникают спиральные пути тока.

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что нанесение слоев осуществляют с помощью печати, наклеивания, электролиза, напайки, напыления, распыления и/или термического разложения соединений металлов в паровой фазе, при этом непосредственно образуют структуру полосок (20, 20′).

15. Способ по любому из пп.11-14, отличающийся тем, что два ленточных материала-носителя (16, 17) отделяют друг от друга термостойкой изолирующей прослойкой 29 и/или воздушным зазором, в частности, посредством сварки (25) двух ленточных материалов-носителей (16, 17), посредством сгибания одной ленты-носителя в две лежащие друг над другом ленты (16, 17), или же посредством плоской прокатки трубы (24), в частности, перед этапом текстурирующей прокатки ленточных материалов-носителей (16, 17).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к тепловым приемникам излучения миллиметровых и субмиллиметровых волн. .

Болометр // 1322940
Изобретение относится к области измерения тепловых потоков излучения и может быть использовано в различной оптической аппаратуре, в астрофизических исследованиях Цель изобретения - увеличение чувствительности, упрощение конструкции и технологии изготовления болометра - достигается благодаря тому, что все составные элементы болометра выполнены из одного и того же сверхпроводящего материала, поскольку это приводит к малому активному сопротивлению, большому температурному коэффициенту сопротивления и отсутствию контакта между термочувствительг ой пленкой и антенной.

Изобретение относится к криогенным электрическим машинам, в частности к роторам этих машин, имеющим сверхпроводящую обмотку. .
Наверх