DE10231914C1 - Optimierter Schichtverbundleiter mit Supraleitschicht für die Hochstromanwendung - Google Patents

Abstract

Um bei einem Verbundleiter zum Begrenzen eines elektrischen Stromes bei einer vorgegebenen Spannung mit einer Supraleitschicht, die durch Kühlung in einem supraleitenden Zustand haltbar ist und bei Überschreitung einer kritischen Stromdichte i¶c Supra¶ in einem normalleitenden Zustand überführbar ist, wobei die Supraleitschicht längs ihrer Stromführungsrichtung unterschiedliche kritische lokale Stromdichten i¶c Supra lokal¶ aufweist, und mit einer flächig mit dieser verbundenen Kommutierungsschicht, ein möglichst homogenes und vollflächiges Quenchen der Supraschicht herbeizuführen, wird vorgeschlagen, dass ein Ohmscher Widerstand der Kommutierungsschicht R¶Shunt¶ so eingestellt ist, dass der in Abhängigkeit der Spannung U durch den Verbundleiter führbare Strom i¶Ges¶ größer ist als ein maximaler lokaler kritischer Strom des Supraleiters i¶c Supra lokal max¶.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundleiter zum Begrenzen ei­ nes elektrischen Stromes bei einer vorgegebenen Spannung mit einer Supraleitschicht, die durch Kühlung in einem supralei­ tenden Zustand haltbar ist und bei Überschreitung eines kri­ tischen Stromes i_Supra in einen normalleitenden Zustand über­ führbar ist, wobei die Supraleitschicht längs ihrer Stromfüh­ rungsrichtung unterschiedliche kritische lokale Ströme i_CSupralokal aufweist, und mit einer flächig mit dieser verbun­ denen Kommutierungsschicht.

Ein solcher Verbundleiter ist beispielsweise aus der US 5,828,291 bekannt. Der dort offenbarte Verbundleiter er­ streckt sich auf einem plattenförmigen Trägersubstrat, das in einem mit flüssigem Stickstoff gefüllten Kryostaten angeord­ net ist. Der Verbundleiter weist eine Supraleitschicht auf, die aus einem Hochtemperatursupraleitermaterial besteht, das durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff unter eine sogenannte Sprungtemperatur gekühlt wird. Bei Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur befindet sich die Supraleitschicht in einem supraleitenden Zustand, in dem sie einen zu begrenzenden Strom nahezu widerstandslos leitet.

Weiterhin ist bekannt, dass die Supraleitschicht bei Über­ schreiten eines kritischen Stromes nicht homogen oder voll­ flächig, sondern an bestimmten örtlich oder lokal begrenzten Stellen in den normal leitenden Zustand getrieben wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Supraleitschicht längs ihrer Stromführungsrichtung unterschiedliche kritische lokale Ströme i_CSupralokal aufweist.

Befindet sich die Supraleitschicht im supraleitenden Zustand, so fließt ein über die Verbundleiter geführter Strom aufgrund des nahezu unendlich kleinen Widerstandes im Wesentlichen durch die Supraleitschicht. Überschreitet die Stromdichte ei­ nen bestimmten Schwellenwert, beginnt der Supraleiter an der Stelle mit dem kleinsten i_C-Wert zu quenchen also in den normal leitenden Zustand überzugehen. In diesem ersten Quenchbereich des Verbundleiters erfolgt dann eine sofortige Stromumverteilung auf die benachbart angeordnete Kommutie­ rungsschicht. Der von außen messbare Widerstand des Verbund­ leiters steigt an, wodurch sich der Stromfluss etwas verrin­ gert. Die Ausdehnung des Quenchbereichs in der Supraleit­ schicht erfolgt im Wesentlichen durch Wärmeleitung der an dem ersten Quenchbereich deponierten thermischen Energie, unter­ stützt durch einen etwas niedrigeren Stromfluss, allerdings unterhalb des kritischen Bereiches. Dabei wird der Wärme­ transport im Wesentlichen von einem Trägersubstrat oder Trä­ gerelement übernommen, an oder auf dem die Supraleitschicht angeordnet ist. Die Ausdehnung des Quenchbereiches aufgrund einer solchen Wärmeleitung ist jedoch langsam, so dass be­ stimmte Bereiche des Verbundleiters insbesondere bei kurzen Begrenzungsprozessen nicht in den normal leitenden Zustand überführt und ein Quenchen von maximal 60 bis 80 Prozent der Gesamtfläche des Supraleiters beobachtet wurde. Das inhomoge­ ne Quenchen führt jedoch zu lokalen thermischen Energiespit­ zen und somit ggf. zur irreversiblen Zerstörung des Supralei­ ters.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Verbundleiter der vorgenannten Art bereitzustellen, bei dem die gesamte Supra­ leitschicht möglichst homogen und vollständig in den Quench getrieben wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass ein Ohmscher Widerstand der Kommutierungsschicht R_Shunt so eingestellt ist, dass der in Abhängigkeit der Spannung U durch den Verbundlei­ ter führbare Strom i_Ges gleich oder größer ist als ein maxima­ ler lokaler kritischer Strom des Supraleiters i_{CSupralokalmax}.

Erfindungsgemäß erlaubt die Kommutierungsschicht selbst bei vollständigem Quenchen des Supraleiters einen Stromfluss oberhalb des kritischen Wertes des am spätesten quenchenden Bereiches der Supraleitschicht. Auf diese Weise ist bei­ spielsweise bei einem Kurzschlussstrom auch nach dem ersten Quenchen eines lokal beschränkten Bereichs ein Stromfluss oberhalb des kritischen Wertes im nicht quenchenden Bereich des Supraleiters möglich. Der Supraleiter kann daher erfin­ dungsgemäß überall dort, wo er nicht bereits schon in den Quench getrieben wurde, von einem im Bereich der oder ober­ halb der kritischen Werte liegenden Strom durchflossen wer­ den, so dass diese Bereiche nicht durch Wärmetransport, son­ dern aufgrund von Joulscher Wärme also bedingt durch den Stromfluss allein in den Quench getrieben werden. Vorausset­ zung für das erfindungsgemäße Verhalten ist selbstverständ­ lich ein ausreichend guter Flächenkontakt zwischen der Supra­ leitschicht und der Kommutierungsschicht.

Vorteilhafterweise besteht die Supraleitschicht aus einem hochtemperatursupraleitenden Material wie YBaCu₃O₇, Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ oder dergleichen. Ferner kann es zweckmäßig sein, die Supraleitschicht und die Kommutierungsleiterschicht in Form von Dünnschichten auszugestalten, die beispielsweise als Leiterbahnen auf einem Substrat aufgebracht sind.

Der Widerstand der Shunt- oder Kommutierungsschicht R_Snunt ist temperaturabhängig und steigt daher während des Quenchprozes­ ses an, bei dem die Supraleitschicht und damit auch die Kom­ mutierungsschicht über die Sprungtemperatur hinaus erwärmt werden. Erfindungsgemäß ist R_Shunt zumindest bis zum vollstän­ digen und möglichst vollflächigen Quenchen der Supraleit­ schicht so klein, dass der Stromfluss über den Verbundleiter größer als i_{CSupralokalmax} ist. Der dabei überstrichene Tempera­ turbereich ist materialabhängig und liegt beispielsweise bei Verwendung von YBaCu₃O₇ als Supraleitermaterial und flüssigem Stickstoff als Kühlmedium zwischen 77 Kelvin und 100 Kelvin.

Bei der Dimensionierung des Verbundleiters ist selbstver­ ständlich zu berücksichtigen, dass Kommutierungsschichten mit kleineren Widerständen stärkeren thermischen Belastungen ausgesetzt sind und bei Überschreiten eines Maximalwertes zerstört werden können. Der widerstand der Kommutierungss­ chicht sollte daher so eingestellt sein, dass der Stromfluss über den Verbundleiter nur etwas größer ist als der maximale lokale kritische Strom der Supraleiterschicht. Vorteilhafter­ weise ist der über den Verbundleiter fließende Strom auch nach vollständigem Quenchen der Supraleiterschicht etwa 1,5 mal so groß wie i_{CSupralokalmax} .

i_{CSupralokalmax} ist beispielsweise induktiv und kontaktlos ge­ mäß einem unter der Internetadresse http:/ / www.theva.de/redaktionssystem/news_and_press/pdf/cryos cannews.pdf veröffentlichten Messverfahren bestimmbar. Hier­ bei wird eine ein Magnetfeld erzeugende Messsonde in geringem Abstand über die in flüssigen Stickstoff eingetauchte Supra­ leitschicht geführt. Das Messfeld der Messsonde ist örtlich begrenzt, so dass durch ein rasterhaftes Verschieben der Messsonde eine örtlich aufgelöste kritische Stromdichte und somit durch Multiplikation mit der von der jeweiligen Messung erfassten Querschnittsfläche der Supraleitschicht ein maxima­ ler lokaler kritischer Strom der Supraleitschicht bestimmbar ist.

Vorteilhafterweise ist die Kommutierungsschicht als Leiter­ bahn ausgebildet, die sich auf einem plattenförmigen oder bandförmigen Trägersubstrat erstreckt, wobei die Kommutie­ rungsleiterquerschnittsfläche A_Shunt die Bedingung A_Shunt ≧ k j_{CSupralokalmax.}A_Supra.ρ_Shunt.L_Shunt erfüllt und wobei A_Supra der Supraleiterquerschnittsfläche, ρ_Shunt dem spezifischen Wi­ derstand der Kommutierungsleiterschicht, L_Shunt der Länge der ebenfalls als Leiterbahn ausgebildeten Kommutierungsschicht entspricht und k als dimensionsloser Faktor materialbedingt zwischen 1 und 2 variiert. Das bandförmige Trägersubstrat ist formflexibel ausgestaltet. Die vorgenannte Formel lässt sich aufgrund folgender Überlegungen ableiten. Durch Messungen konnte belegt werden, insbesondere aus Gleichstrommessungen, dass der kritische Stromfluss i'_C nicht mit dem experimentell gemessenen kritischen Strom i_C zusammenfällt, ab dem der Sup­ raleiter beginnt hochohmig zu werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass i'_C materialbedingt beispielsweise das 1,5 fache des i_C-Wertes beträgt. Somit gilt z. B., dass i'_{CLeiterbahnlokal max} = 1,5 i_{CLeiterbahnlokalmax}. Weiterhin gilt für den Stromfluss der Kommutierungsschicht i(t) = U(t)/R_Shunt = U(t).A_{S­ hunt/}ρ_Shunt.L_Shunt. Fordert man erfindungsgemäß i(t)_Ges ≧ i'_{CLeiterbahnlokalmax} so folgt daraus in erster Näherung die oben ausgeführte Formel. Bei einer vorgegebenen Spannung kann bei bekanntem spezifischem Widerstand des Supraleitermaterials und einem wie oben beschrieben bestimmbaren maximalen lokalen kritischen Strom i_{CLeiterbahnlokalmax} die Querschnittsfläche, die sich aus der Breite sowie der Dicke der Shunt-Schicht zusam­ mensetzt, bestimmt werden. Auf diese Weise kann eine mög­ lichst homogene Ausdehnung des Quench-Prozesses von auf plat­ tenförmigen oder bandförmigen Trägersubstraten angeordnete Supraleitern bereitgestellt werden.

Es folgt die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels der Erfindung.

Ein Verbundleiter, der auf einem plattenförmigen Trägersub­ strat angeordnet ist, weist eine Supraleitschicht aus YBa₂Ca₂O₇ auf, die sich als Leiterbahn einer konstanten Quer­ schnittsfläche von 0,000210 cm² über das Trägersubstrat er­ streckt. Die Dicke der Supraleitschicht beträgt 0,35 µm. Als maximale Stromdichte des Supraleitermaterials wurde 2,652 MA/cm² bestimmt. Der Kommutierungsleiter erstreckt sich eben­ falls in Leiterbahnen über das Trägersubstrat. Seine konstant bleibende Querschnittsfläche A_Shnunt beträgt 0,0000092 cm². Die Dicke der Kommutierungsleiterschicht betrug 0,153 µm. Die Kommutierungsschicht besteht in dem beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel aus Gold. Bei 90 Kelvin ergab sich ein Wider­ stand der Goldschicht von 8,9 Ohm, der bei 350 Kelvin auf 28,208 Ohm anstieg. Der Verbundleiter hatte somit bei 90 Kel­ vin einen Widerstand von 8,787 Ohm, sowie bei 350 Kelvin ei­ nen Widerstand von 27,637 Ohm.

Claims (2)

1. Verbundleiter zum Begrenzen eines elektrischen Stromes bei einer vorgegebenen Spannung mit einer Supraleit­ schicht, die durch Kühlung in einem supraleitenden Zu­ stand haltbar ist und bei Überschreitung eines kritischen Stromes i_Supra in einen normalleitenden Zustand überführbar ist, wobei die Supraleitschicht längs ihrer Stromfüh­ rungsrichtung unterschiedliche kritische lokale Ströme i_CSupralokal aufweist, und mit einer flächig mit dieser ver­ bundenen Kommutierungsschicht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ohmscher Widerstand der Kommutierungsschicht R_Shunt so eingestellt ist, dass der in Abhängigkeit der Spannung U durch den Verbundleiter führbare Strom i_Ges gleich oder größer ist als ein maximaler lokaler kritischer Strom des Supraleiters i_{CSupralokalmax}.

2. Verbundleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierungsschicht als Leiterbahn ausgebildet ist, die sich auf einem plattenförmigen oder bandförmigen Trä­ gersubstrat erstreckt, wobei die Kommutierungsleiter­ querschnittsfläche A_Shunt die Bedingung
A_Shunt ≧ k.j_{CSupralokalmax}.A_Supra.ρ_Shunt.L_Shunt/U erfüllt
und
wobei A_Supra der Supraleiterquerschnittsfläche, ρ_Shunt dem spezifischen Widerstand der Kommutierungsleiterschicht, L_Shunt der Länge der ebenfalls als Leiterbahn ausgebildeten Kommutierungsschicht entspricht und k materialbedingt zwi­ schen 1 und 2 variiert.