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CN101036244A - 带有条形高临界温度超导体的电阻限流装置 - Google Patents

带有条形高临界温度超导体的电阻限流装置 Download PDF

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Abstract

一种超导电阻限流装置，包括条形超导体(2)，该超导体的导体结构(7)包括：至少一个金属衬底条(3)，由AB2Cu3Ox类型高Tc超导材料构成的超导层(5)，被设置在上述两者之间并且具有适当晶体尺寸的氧化缓冲层(4)，以及覆盖在所述超导层(5)上的、正常导电的保护层(6)。所述缓冲层(4)应该被这样构成，使得至少在超导层(5)和衬底条(3)之间至少在局部区域中构成最高为10－3Ω·cm2的过渡电阻。镧－锰－氧或锶－钌－氧或铟－锡－氧类型的氧化物都是适宜的材料的例子。

Description

带有条形高临界温度超导体的电阻限流装置
技术领域
本发明涉及一种带有由条形超导体组成的导线通路(Leiterbahn)的超导电阻限流装置，该条状超导体的导体结构包括：至少一个由常规导电的衬底金属组成的衬底条；由AB2Cu3Ox类型的氧化物高Tc(临界温度)超导材料构成的超导层，其中A是至少一种包括钇在内的稀土金属，B是至少一种碱土金属；由具有适当晶体尺寸的氧化缓冲材料组成的、被设置在前两者之间的缓冲层；以及覆盖在超导层之上的、由具有正常导电的材料组成的正常导电保护层。相当的限流装置见于DE 199 09 266 A1。
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Tc超导材料或者HTS材料，并且这种材料特别是使得液态氮(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，人们尝试把该已知的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。于是，提供了用于导体应用的特殊的金属衬底(例如参见EP 0 292 959 A1)。
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，而是首先在衬底上先覆盖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阻止会使得超导特性恶化的、金属原子由衬底渗入到HTS材料。另一方面，缓冲层应该使得HTS材料有条理的构造(texturierte Ausbildung)成为可能。通常，相应的缓冲层由诸如锆、铈、钇、铝、锶或镁的金属的氧化物或者多种这些金属的混合晶体的氧化物组成，并由此是电绝缘的。一旦超导材料转换到正常导电状态(所谓的“Quenchen，失超”)，在对应的导电通路上就会出现问题。在此，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 34 819 C)。
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，超导状态向正常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
本发明要解决的技术问题在于，在具有本文开头所提到的特征的电阻超导体限流装置中，消除在限流情况下失超时电击穿的危险。
上述技术问题是通过权利要求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电阻超导体限流装置中，将至少一个缓冲层这样构成的，使得超导层和衬底条之间的至少部分区域中构成最高为10-3Ω·cm2、优选为10-5Ω·cm2的过渡电阻。
在此，本发明的考虑是，利用特定的缓冲层材料来解决上述提到的、特定于限流装置的问题。认识到的是，利用按照本发明的对与面积单位相关的过渡电阻(在大约为77K的超导材料的工作温度下)的计算可以保证所追求的电位平衡。这里使用的物理量“过渡电阻”是按照Ohm·cm2(Ω·cm2)或Ohm·m2给出的。其也多处被称为“接触面电阻”(例如参照“Applied PhysicsLetters”，Vol.52，NO.4，25.01.1988，331-333页或者EP 0 315 460 A2)。在此，该过渡电阻表示与两个特别的导电部分之间的按照cm2或m2表示的过渡接触面积A相关的电阻(以Ω来计量)。R·A的乘积是独立于过渡面积的。它描述的两个连接部分之间的电气面连接的品质，例如诸如两个导体之间的焊接连接或者开关的触头之间的接触。
因此，限流装置的根据本发明的结构的优点在于，金属衬底条与正常导电的保护层以及由此与其电气连接的超导层通过至少一层缓冲层至少在部分区域中建立了电气连接，并且由此在失超状态下也保持共同的电位。按照这种方式，就可以避免在公知的限流装置中可能出现的、通过缓冲层的击穿。
在所提出的限流装置中，还可以尤其附加地单独或组合地采取下述措施：
优选地，选取具有最高5000μΩ·cm、优选为最高500μΩ·cm的平均专门电阻的材料作为缓冲层的材料。
如果选取镧-锰-氧(La-Mn-O)或锶-钌-氧(Sr-Ru-O)或镧-镍-氧(La-Ni-O)或铟-锡-氧(In-Sn-O)类型的氧化物作为缓冲层的材料，就可以很容易地得到对过渡电阻的按照本发明的计算。
自然，超导体的导体结构并不是限制在所提到的四层，因而，对于所述保护层和/或缓冲层，也可以分别采用由多个层组成的层系统。
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
为了进一步说明本发明，下面参考附图，依据其对限流装置的优选的实施方式进行阐述。在此，
图1按照极其简化的形式以斜上视图示出了限流装置的YBCO条状导体的结构。
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的特殊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。
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特殊选择的氧化物的一个或多个层(Lagen)构成，其厚度d4可约为0.1至1.5μm；
-至少一个HTS层5由厚度d5在约0.3和3μm之间的YBCO构成；和
-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的单个层之间的边界面上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，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，它可以承载有限的电流并以旁路的方式起作用。不过，如果选择如二氧化铈(CeO2)或YSZ的对于公知的限流装置通常的缓冲层材料，那么在图中所示出的这种导体结构7中，HTS层5与衬底条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，根据本发明，特别选择的缓冲层材料对于在限流装置中使用YBCO条状导体是非常有好处的。在此，自然也要考虑前面提到的所使用的HTS材料与缓冲层材料的晶体尺寸要足够匹配的问题。
在另外对一方面超导层5以及由此的保护层6与另一方面衬底条3之间的电位平衡的考虑中，要为该至少一个缓冲层4选择一种氧化材料，使得超导层5与衬底条3之间至少在单个的例如孤岛型的位置上、优选为在整个共同的面积延伸上，构成一个最高为10-3Ω·cm2、优选为10-5Ω·cm2的过渡电阻。然后，在保持该值的条件下，就可以实现所期望的电位平衡。
特别地，可以为缓冲层4选取具有最高5000μΩ·cm、优选为最高500μΩ·cm的平均专门电阻的材料。也可以说，符合该条件的氧化材料能够达到前面所说的过渡电阻值并进而使所期望的电位平衡成为可能。
公知的镧-锰-氧或锶-钌-氧或镧-镍-氧或铟-锡-氧(所谓的“ITO”)类型氧化材料，都是符合所有提到条件的材料的例子。
在上述的实施例中，YBCO作为HTS材料是超导层5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 (6)

1.一种带有由条状超导体构成的导体通路(2)的电阻限流装置，该条状超导体的导体结构(7)包括：
-至少一个衬底条(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中，B是至少一种稀有碱土金属；
-设置在上述两者之间的缓冲层(4)，由具有适当晶体尺寸的氧化缓冲材料构成；以及
-保护层(6)，覆盖在所述超导层(5)之上、由正常导电的保护层材料构成，
其特征在于，将至少一个缓冲层(4)这样构成，使得在所述金属衬底条(3)和所述超导层(5)之间的至少局部区域中构成最高为10-3Ω·cm2的过渡电阻。
2.按照权利要求1所述的限流装置，其特征在于，所述超导层(5)和所述衬底条(3)之间至少在部分区域中构成最高10-5Ω/cm2的过渡电阻。
3.按照权利要求1或2所述的限流装置，其特征在于，选取具有最高5000μΩ·cm、优选为最高500μΩ·cm的平均专门电阻的材料，作为所述缓冲层(4)的材料。
4.按照上述权利要求中任意一项所述的限流装置，其特征在于，选取镧-锰-氧或锶-钌-氧或镧-镍-氧或铟-锡-氧类型氧材料，作为所述缓冲层(4)的材料。
5.按照上述权利要求中任意一项所述的限流装置，其特征在于，所述保护层(6)由多层金属材料组合而成。
6.按照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)由多层不同的氧化材料组合而成。
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