DE10231914C1 - Optimized composite conductor with superconducting layer has commutation layer with Ohmic resistance so current passed is equal to or greater than maximum local critical current - Google Patents
Optimized composite conductor with superconducting layer has commutation layer with Ohmic resistance so current passed is equal to or greater than maximum local critical currentInfo
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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¶.In order for a composite conductor to limit an electric current at a given voltage with a superconducting layer which can be kept in a superconducting state by cooling and can be converted into a normally conducting state when a critical current density i¶c Supra¶ is exceeded, the superconducting layer being along its direction of current conduction different critical local current densities i¶c Supra local¶, and with a commutation layer connected to this to achieve as homogeneous and full-surface quenching of the superlayer as possible, it is proposed that an ohmic resistance of the commutation layer R¶Shunt¶ is set so that the Depending on the voltage U, the current i¶Ges¶ that can be passed through the composite conductor is greater than a maximum local critical current of the superconductor i¶c Supra locally 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 iSupra in einen normalleitenden Zustand über führbar ist, wobei die Supraleitschicht längs ihrer Stromfüh rungsrichtung unterschiedliche kritische lokale Ströme iCSupralokal aufweist, und mit einer flächig mit dieser verbun denen Kommutierungsschicht.The invention relates to a composite conductor for limiting egg nes electrical current at a predetermined voltage with a superconducting layer that is stable by cooling in a superconducting state and when a critical current i Supra is exceeded in a normal conducting state feasible, the superconducting layer lengthways their current carrying direction has different critical local currents i CSupralocal , and with a commutation layer connected to this area.
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.Such a composite conductor is, for example, from US 5,828,291 known. The network leader disclosed there stretches on a plate-shaped carrier substrate, which in a cryostat filled with liquid nitrogen is not. The composite conductor has a superconducting layer, which is made of a high temperature superconductor material which by cooling with liquid nitrogen under a so-called Step temperature is cooled. At temperatures below the The superconducting layer is in one step temperature superconducting state in which they have to be limited Conducts electricity almost without resistance.
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 iCSupralokal aufweist.Furthermore, it is known that when a critical current is exceeded, the superconducting layer is not driven homogeneously or over a large area, but rather is driven into the normally conductive state at certain locally or locally limited locations. This is due to the fact that the superconducting layer has different critical local currents i CSupralocal along its current carrying direction .
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 iC-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.If the superconducting layer is in the superconducting state, a current conducted through the composite conductors essentially flows through the superconducting layer due to the almost infinitely low resistance. If the current density exceeds a certain threshold value, the superconductor begins to quench at the point with the smallest i C value, that is, it changes to the normally conductive state. In this first quench area of the composite conductor, there is then an immediate redistribution of current to the adjacent commutation layer. The resistance of the composite conductor, which can be measured from the outside, increases, which reduces the current flow somewhat. The expansion of the quench area in the superconductor layer takes place essentially by thermal conduction of the thermal energy deposited at the first quench area, supported by a somewhat lower current flow, but below the critical area. The heat transport is essentially taken over by a carrier substrate or carrier element on or on which the superconducting layer is arranged. However, the expansion of the quench area due to such heat conduction is slow, so that certain areas of the composite conductor, particularly in the case of short limitation processes, are not converted to the normal conductive state and a quenching of a maximum of 60 to 80 percent of the total area of the superconductor has been observed. However, the inhomogeneous quenching leads to local thermal energy peaks and thus possibly to the irreversible destruction of the super conductor.
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.The object of the invention is therefore to provide a composite conductor provide the aforementioned type, in which the entire Supra conductive layer as homogeneous and complete as possible in the quench is driven.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass ein Ohmscher Widerstand der Kommutierungsschicht RShunt so eingestellt ist, dass der in Abhängigkeit der Spannung U durch den Verbundlei ter führbare Strom iGes gleich oder größer ist als ein maxima ler lokaler kritischer Strom des Supraleiters iCSupralokalmax.The invention solves this problem in that an ohmic resistance of the commutation layer R shunt is set in such a way that the current i Ges which can be carried by the composite conductor as a function of the voltage U is equal to or greater than a maximum local critical current of the superconductor i CSupralocal max .
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.According to the invention, the commutation layer itself allows complete quenching of the superconductor a current flow above the critical value of the latest quenching Area of the superconducting layer. This way is at for example with a short-circuit current even after the first Quenching a localized area is a current flow above the critical value in the non-quenching area of the superconductor possible. The superconductor can therefore be invented everywhere where it is not already in the Quench was driven by one in the area of or above half of the critical values den, so that these areas are not by heat transport, son because of Joule heat, therefore due to the Current flow can only be driven into the quench. Vorausset The behavior of the invention is a matter of course sufficient surface contact between the Supra conductive layer and the commutation layer.
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. The superconducting layer advantageously consists of a high-temperature superconducting material such as YBaCu 3 O 7 , Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 or the like. Furthermore, it can be expedient to design the superconductor layer and the commutation conductor layer in the form of thin layers, which are applied, for example, as conductor tracks on a substrate.
Der Widerstand der Shunt- oder Kommutierungsschicht RSnunt 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 RShunt zumindest bis zum vollstän digen und möglichst vollflächigen Quenchen der Supraleit schicht so klein, dass der Stromfluss über den Verbundleiter größer als iCSupralokalmax 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.The resistance of the shunt or commutation layer R Snunt is temperature-dependent and therefore increases during the quenching process, in which the superconducting layer and thus also the commutation layer are heated above the transition temperature. According to the invention, R shunt is so small, at least until the quenching of the superconductor layer is as complete as possible, that the current flow over the composite conductor is greater than i CSupralocal max . The temperature range that is covered depends on the material and is between 77 Kelvin and 100 Kelvin, for example when using YBaCu 3 O 7 as superconductor material and liquid nitrogen as cooling medium.
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 iCSupralokalmax .When dimensioning the composite conductor, it must of course be taken into account that commutation layers with smaller resistances are exposed to higher thermal loads and can be destroyed if a maximum value is exceeded. The resistance of the commutation layer should therefore be set so that the current flow through the composite conductor is only slightly greater than the maximum local critical current of the superconductor layer. The current flowing over the composite conductor is advantageously about 1.5 times as large as i CSupralocal max even after the superconductor layer has been completely quenched .
iCSupralokalmax 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.i CSupralokalmax , for example, can be determined inductively and contactlessly according to a measurement method published at the Internet address http: / / www.theva.de/redaktionssystem/news_and_press/pdf/cryos cannews.pdf. In this case, a measuring probe generating a magnetic field is guided a short distance above the superconducting layer immersed in liquid nitrogen. The measuring field of the measuring probe is locally limited, so that a spatially resolved critical current density and thus a maximum local critical current of the superconducting layer can be determined by a grid-like displacement of the measuring probe and thus by multiplication with the cross-sectional area of the superconducting layer recorded by the respective measurement.
Vorteilhafterweise ist die Kommutierungsschicht als Leiter bahn ausgebildet, die sich auf einem plattenförmigen oder bandförmigen Trägersubstrat erstreckt, wobei die Kommutie rungsleiterquerschnittsfläche AShunt die Bedingung AShunt ≧ k jCSupralokalmax.ASupra.ρShunt.LShunt erfüllt und wobei ASupra der Supraleiterquerschnittsfläche, ρShunt dem spezifischen Wi derstand der Kommutierungsleiterschicht, LShunt 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 iC zusammenfällt, ab dem der Sup raleiter beginnt hochohmig zu werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass i'C materialbedingt beispielsweise das 1,5 fache des iC-Wertes beträgt. Somit gilt z. B., dass i'CLeiterbahnlokal max = 1,5 iCLeiterbahnlokalmax. Weiterhin gilt für den Stromfluss der Kommutierungsschicht i(t) = U(t)/RShunt = U(t).AS hunt/ρShunt.LShunt. 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 iCLeiterbahnlokalmax 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.The commutation layer is advantageously designed as a conductor track, which extends on a plate-shaped or strip-shaped carrier substrate, the commutation conductor cross-sectional area A shunt meeting the condition A shunt ≧ kj CSupralocal max. A Supra .ρ Shunt .L Shunt and where A Supra corresponds to the superconductor cross-sectional area, ρ Shunt corresponds to the specific resistance of the commutation conductor layer, L Shunt corresponds to the length of the commutation layer, which is also designed as a conductor track, and k varies as a dimensionless factor between 1 and 2 due to the material. The band-shaped carrier substrate is designed to be flexible in shape. The above formula can be derived from the following considerations. Measurements have shown, in particular from direct current measurements, that the critical current flow i ' C does not coincide with the experimentally measured critical current i C , from which the super conductor begins to become high-resistance. It could be demonstrated that i ' C is 1.5 times the i C value due to the material. Thus, z. B. that i ' CLeiterbahnlokal max = 1.5 i CLeiterbahnlokalmax . The following also applies to the current flow of the commutation layer i (t) = U (t) / R shunt = U (t) .A S hunt / ρ Shunt .L Shunt . If, according to the invention, i (t) Ges 'i' CLeitbahnlokalmax is demanded, the above formula follows in a first approximation. At a given voltage, the cross-sectional area, which is composed of the width and the thickness of the shunt layer, can be determined with a known specific resistance of the superconductor material and a maximum local critical current i C conductor path local max that can be determined as described above. In this way, the most homogeneous possible expansion of the quench process can be provided by superconductors arranged on plat-shaped or band-shaped carrier substrates.
Es folgt die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbei spiels der Erfindung.A preferred embodiment is described below game of the invention.
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 AShnunt 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.A composite conductor, which is arranged on a plate-shaped carrier substrate, has a superconducting layer made of YBa 2 Ca 2 O 7 , which extends as a conductor track with a constant cross-sectional area of 0.000210 cm 2 over the carrier substrate. The thickness of the superconducting layer is 0.35 µm. The maximum current density of the superconductor material was determined to be 2.652 MA / cm 2 . The commutation conductor also extends in conductor tracks over the carrier substrate. Its constant cross-sectional area A Shnunt is 0.0000092 cm 2 . The thickness of the commutation conductor layer was 0.153 µm. In the exemplary embodiment described, the commutation layer consists of gold. At 90 Kelvin there was a resistance of the gold layer of 8.9 ohms, which rose to 28.208 ohms at 350 Kelvin. The composite conductor thus had a resistance of 8.787 ohms at 90 Kelvin and a resistance of 27.637 ohms at 350 Kelvin.
Claims (2)
AShunt ≧ k.jCSupralokalmax.ASupra.ρShunt.LShunt/U erfüllt
und
wobei ASupra der Supraleiterquerschnittsfläche, ρShunt dem spezifischen Widerstand der Kommutierungsleiterschicht, LShunt der Länge der ebenfalls als Leiterbahn ausgebildeten Kommutierungsschicht entspricht und k materialbedingt zwi schen 1 und 2 variiert.2. Composite conductor according to claim 1, characterized in that the commutation layer is designed as a conductor track which extends on a plate-shaped or band-shaped carrier substrate, the commutation conductor cross-sectional area A shunt the condition
A Shunt ≧ kj CSupralokalmax .A Supra .ρ Shunt .L Shunt / U fulfilled
and
where A Supra of the superconductor cross-sectional area, ρ shunt corresponds to the specific resistance of the commutation conductor layer, L shunt corresponds to the length of the commutation layer which is also designed as a conductor track and k varies between 1 and 2 due to the material.
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