СВЕРХПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАБОТЫ ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
SUPERCONDUCTING DEVICE FOR OPERATION IN EXTERNAL MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к сверхпроводниковому устройству для работы во внешнем переменном магнитном поле, имеющему два сверхпроводящих контактных элемента и соединенный с ними в продольном направлении, соответствующем направлению течения тока от одного контактного элемента к другому контактному элементу, токопроводящий участок с нанесенным на подложку сверхпроводящим слоем, причем сверхпроводящий слой, по меньшей мере частично, разделен в продольном направлении посредством выемки для формирования отдельных филаментов, образующих пути тока для передачи тока.
Применение сверхпроводников предлагалось также в магнитных переменных полях (переменных магнитных полях), например, в сверхпроводниковых электрических машинах. При использовании электрических проводников в переменных магнитных полях происходит рассеяние переменного поля, которое по физическим основаниям может быть подразделено на различные компоненты. В случае сверхпроводников, в отличие от нормальных проводников, имеются дополнительные эффекты/компоненты, причем дополнительная проблема состоит в том, что это рассеяние переменного поля в холодных условиях применения может быть особенно мешающим и препятствующим использованию, так как при комнатной температуре потребуется кратное рассеяние переменного поля, что снижает эффективность.
В случае нормальных проводников при приложении переменных магнитных полей обычно монолитный проводник не является предпочтительным, а применяется многожильный проводник. Это сводит к минимуму вредные воздействия скин-эффекта (поверхностного эффекта вытеснения тока) и потерь на вихревые токи.
Также в случае сверхпроводников, которые главным образом изготовлены из цилиндрических слитков или стержней, например, NbTi, Nb3Sn, MgB2 или Bi-2223, известно применение сверхпроводящих филаментов. Филаменты в случае сверхпроводников обеспечивают не только позитивное повышение стабильности сверхпроводника, но и могут также сокращать рассеяние переменного поля.
Важную группу факторов рассеяния переменного поля в случае сверхпроводников составляют так называемые потери на гистерезис, которые возникают вследствие того, что проникающее в проводник магнитное поле изменяет свое направление под действием внешнего переменного магнитного поля, и тем самым должны происходить процессы перемагничивания. Поскольку величину потерь на гистерезис определяет протяженность сверхпроводника перпендикулярно магнитному полю, предпочтительным является формирование тонких филаментов. Но обычно филаменты в сверхпроводниках электрически соединены друг с другом, во-первых, принудительно на концах через контакты, на которых подводится и, соответственно, отводится ток, и, во-вторых, по обстоятельствам через (резистивную) матрицу из нормального проводника. Связанное с этим рассеяние переменного поля называется потерями из-за переходных помех.
При таком разделении на филаменты и соединении через контактные элементы и/или матрицу возникает такая проблема, что это приводит к соединению между отдельными филаментами, в частности, тем самым через внешнее переменное магнитное поле индуцируются напряжения и токи в образованных филаментами вместе с соединениями между ними на контактных элементах петлях проводников, вследствие чего возникают потери из-за переходных помех. Поэтому для нормального проводника и многожильного проводника известно взаимное скручивание их так, что возникающие вследствие переменных магнитных полей электрические поля подавляются в соседних петлях. Эта концепция также известна как «витая пара».
Такая конфигурация невозможна в случае слоистых сверхпроводников, которые нанесены на подложку в виде слоя. Чтобы сократить потери на гистерезис, относительно этого было предложено протяженный первоначально в ширину слой сверхпроводника разделять в продольном направлении на полоски, так называемые «страты». Например, это описано в статье авторов Coleman B. Cobb и др., «Hysteretic loss reduction in striated YBCO» («Сокращение потерь на гистерезис в полосчатых оксидах иттрия-бария-меди (YBCO)»), Physica C, том 382 (2002), страницы 52-56. Там положена в основу такая проблематика, что слои сверхпроводника, которые могут иметь ширину до 1 см, при работе в переменных магнитных полях, перпендикулярных слою, имеют неприемлемые потери на гистерезис. Было исследовано, как эти потери на гистерезис проявляются при разделении слоя сверхпроводника на тонкие линейные филаменты («полоски»). В общем и целом оказалось, что в принципе потери на гистерезис могут быть сокращены, поскольку размер филамента перпендикулярно направлению напряженности поля для этого является определяющим фактором. Однако при фактическом применении, при котором филаменты, по меньшей мере в начале и в конце, в каждом случае замыкаются накоротко электрическими контактами (или через матрицу и шунтовый слой), эти так называемые «полосчатые проводники» имеют между филаментами индуктивные петли, которые опять же являются причиной повышенного рассеяния переменного магнитного поля (потерь из-за переходных помех). Таким образом, филаменты по существу соответствуют «нескрученным» отдельным проводникам с электрическим соединением на контактах.
Поэтому в основу изобретения положена задача найти возможность сокращения потерь из-за переходных помех при разделенных на отдельные филаменты сверхпроводниковых слоях.
Эта задача решается посредством сверхпроводникового устройства согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты исполнения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.
Соответствующее изобретению сверхпроводниковое устройство указанного вначале типа отличается тем, что по меньшей мере два соседних филамента в образованной на подложке области перекрещивания, на которой электропроводно соединены четыре пути тока, электропроводно соединяются прерыванием выемки, причем в противолежащих относительно перекрещивания, смещенных по продольному направлению и по перпендикулярному относительно продольного направления поперечному направлению плоскости слоя, встречающихся на перекрещивании путях тока соседних филаментов предусматривается по меньшей мере один, в частности, в каждом случае один, омический резистивный барьер.
При этом в каждом случае предпочтительно применение одного резистивного барьера. Этим путем достигается то, что по меньшей мере ниже критического тока одного филамента в области перекрещивания филамента возникает непостоянная, использующая не имеющий барьера путь тока токопроводящая дорожка. Таким образом, барьеры в области перекрещивания форсируют боковую непостоянную токопроводящую дорожку, то есть филамент, так, что в разделенных областью перекрещивания, образованных путями тока петлях проводников через токопроводящую дорожку в каждом случае создаются встречные, в отношении абсолютной величины при симметричной конфигурации равные напряжения вследствие электрических полей, создаваемых направленными перпендикулярно плоскости слоя, переменными во времени компонентами внешнего магнитного поля. Другими словами, формирование области перекрещивания и резистивных барьеров имеет результатом создание двух пересекающихся в области перекрещивания токопроводящих дорожек, вдоль которых при симметричной конфигурации, и тем самым четырех геометрически подобных друг другу путей тока, взаимно уничтожаются электрические поля (и, следовательно, также индуцированные напряжения). При этом эффект проявляется по меньшей мере в диапазоне вплоть до критического тока самого филамента, который также возникал бы, когда предусматривался бы изолированный от другого пути тока мостик к другому филаменту.
Иначе говоря, тем самым можно сказать, что настоящее изобретение обеспечивает возможность осуществления двумерного, лежащего в плоскости слоя «скручивания» токопроводящих дорожек. Соответственно этому, согласно настоящему изобретению также достигается, по меньшей мере частично, такой эффект, что, если рассматривать вдоль одной токопроводящей дорожки, электрические поля по меньшей мере преимущественно, при соответствующей симметрии полностью взаимно погашаются. Тем самым соответствующий изобретению сверхпроводниковый слой имеет не просто только прямолинейные, полностью определяемые токопроводящие дорожки филаменты/полоски, а токопроводящие дорожки, пересекающиеся друг с другом в плоскости слоя определенным путем таким образом, что индуцированные электрические поля вдоль токопроводящих дорожек, по меньшей мере частично, взаимно уничтожаются. Резистивные барьеры, которые представляют собой локальные области с определенной величиной сопротивления, тем самым приводят к разъединению токопроводящих дорожек. Хотя посредством подобных резистивных барьеров для некоторых величин тока возникает чисто резистивная доля потерь в фазе с пропускаемым током, которая, однако, согласно изобретению, что впоследствии еще будет подробно обсуждаться, целесообразно поддерживается меньшей, чем потери из-за переходных помех в чистых «полосчатых проводниках», причем последние к тому же также сдвинуты или могут сдвигаться по фазе.
В этом месте следует к тому же отметить, что посредством соответствующей изобретению конфигурации возникает несимметричное распределение тока через обе токопроводящих дорожки так, что, по меньшей мере частично, происходит несимметричное разделение частичных токов общего тока. Таким образом, сначала только используется только не содержащая резистивных барьеров первая токопроводящая дорожка, пока не будет достигнут критический ток отдельного филамента, и здесь полностью исчерпывается не имеющий сопротивления перенос тока. Затем более благоприятной оказывается вторая токопроводящая дорожка, в которой предпочтительно должны быть преодолены оба резистивных барьера, и ток здесь возрастает, в идеальном случае также до критического тока филамента. Вторая токопроводящая дорожка, так сказать, принимает на себя «избыточный ток», причем тем не менее назначение второй токопроводящей дорожки состоит в компенсировании индуцированного электрического поля так, что, по меньшей мере частично, возникает благоприятное соответствующее изобретению сокращение рассеяния переменного поля.
Однако преимуществу сниженного рассеяния переменного поля противостоят два менее значительно противодействующих ему ограничения, а именно, во-первых, возможное снижение плотности тока относительно общего поперечного сечения сверхпроводникового устройства вследствие используемой особенной конфигурации. Во-вторых, как уже было указано, перенос тока в отношении второй токопроводящей дорожки производится через предпочтительно два резистивных барьера, которые могут иметь удельное электрическое сопротивление и тем самым потери омического типа. Однако они благоприятным образом - в отличие от потерь из-за переходных помех вследствие индукции - находятся в фазе с переносимым током.
Следует указать еще и на то, что при использовании по меньшей мере одного резистивного барьера только на одной стороне четкое разделение на различные токопроводящие дорожки имеет место только односторонне, тем не менее достигается по меньшей мере частичное погашение электрических полей. Правда, как сказано, предпочтительно предусматривать резистивные барьеры с обеих сторон области перекрещивания, как уже было упомянуто выше, так что последующее описание главным образом должно относиться к этому варианту исполнения.
В то время как применением области перекрещивания при многочисленных филаментах теоретически представимо создание сложной сети токопроводящих дорожек, однако это в конечном итоге не требуется и явственно представляется слишком расточительным, поскольку в конце концов для достижения сокращения потерь из-за переходных помех (рассеяния переменного поля) достаточно в каждом случае с двумя филаментами в плоскости слоя предлагаемым согласно изобретению путем имитировать «витую пару», то есть, скрученные друг с другом токопроводящие дорожки. Тем самым предусматривается особенно предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения в том, что предусматривается четное число филаментов, причем филаменты подразделяются на не имеющие общих элементов (разобщенные), в каждом случае две смежных содержащих филаменты группы филаментов, и филаменты одной группы филаментов соединяются по меньшей мере через область перекрещивания, в частности, нечетное число областей перекрещивания. Однако при очень большом числе областей перекрещивания по длине проводника четное или нечетное число областей перекрещивания является несущественным. Если токопроводящий участок, например, имеет в нем шесть филаментов, образуются три группы в качестве соседних филаментов, которые в каждом случае имеют по меньшей мере одну область перекрещивания, то есть по меньшей мере в одной области перекрещивания формируются две пересекающихся токопроводящих дорожки. Нечетное число областей перекрещивания означает, что образуется четное число петель проводников так, что индуцированное переменным магнитным полем электрическое поле всегда попеременно встречается с током в противоположных направлениях, так что при симметричной конфигурации в идеальном случае приводит к гашению эффекта. При этом резистивные барьеры при многих областях перекрещивания должны размещаться так, что всегда получается токопроводящая дорожка, которая не проходит через резистивные барьеры. В целом же при этой конфигурации необходимо следить только за тем, чтобы всегда между двумя филаментами одной группы филаментов в области перекрещивания создавалось электрическое соединение, и предпочтительно имелись соответствующие предусмотренные смещенными резистивные барьеры.
7
3
В особенно целесообразном усовершенствовании настоящего изобретения предусматривается, что величина сопротивления по меньшей мере одного резистивного барьера в каждом случае выбирается так, что омическая потеря мощности по абсолютной величине является меньшей, чем сокращение потерь мощности вследствие взаимодействия соседних филаментов. При этом величины сопротивления могут быть на уровне, например, менее 0,5 нОм, в частности, менее 0,1 нОм. При сформированных снаружи контактах на высокотемпературных сверхпроводниках легко достигается уровень в примерно 6 нОм, так что указанные более низкие значения также оказываются легко достижимыми для отдельных резистивных барьеров. Тем самым в конечно счете достигается то преимущество, что потери из-за переходных помех (рассеяние переменного поля) не просто замещаются находящимися в фазе омическими потерями в активном сопротивлении, а фактически происходит сокращение потерь в целом. Величины сопротивления для отдельных резистивных барьеров также могут быть приблизительно оценены, для чего проводится сравнение с обычным «полосчатым проводником». Если, например, исходить из шести филаментов с длиной 0,1 м, ширины подложки 0,012 м, разделения филаментов (ширины выемки) 10 мкм и толщины сверхпроводящего слоя на подложке 3 мкм, то по закону электромагнитной индукции и при предполагаемом общем токе 120 А в итоге получается плотность рассеиваемой мощности 10 Вт/м. Согласно тому, что существуют пять подобных «индуктивных витков» (из пяти соседних пар филаментов), максимум плотности омической рассеиваемой мощности можно оценивать так, что не должно превышаться пятикратное значение только что названных потерь из-за переходных помех, причем в указанном примере получается примерно 0,6 нОм. Поскольку, как изложено, величины сопротивления в этой области могут быть легко достижимыми, показано, что такая конфигурация проводников может быть предпочтительной сравнительно с «полосчатым проводником» или монолитным проводником.
Конкретно может быть предусмотрено, что величина сопротивления рассчитывается путем моделирования и/или в модели, и/или обработкой результатов тестовых измерений, в частности, таким образом, определена экспериментально. Целесообразно могут быть использованы уже существующие программируемые среды моделирования, чтобы рассматривать характеристики сверхпроводникового устройства, потери и токи при различных величинах сопротивления так, чтобы найти оптимальное значение сопротивления.
По меньшей мере один резистивный барьер может быть целесообразно сформирован лазерной обработкой, и/или механической обработкой слоя, и/или локализованным легированием/обеднением слоя, и/или применением локального нанесения покрытия и/или введением ослабляющей сверхпроводимость структуры в подложку. Для этого представимы многие известные в технологии сверхпроводников принципиальные возможности, чтобы целенаправленно и локально создавать резистивные барьеры с незначительным сопротивлением в филаментах. При этом особенно предпочтительно применение лазера, сообразно чему, например, известно создание выемок между отдельными филаментами также с помощью лазера, и барьеры тем самым также могут быть образованы использованием (менее интенсивного) лазера в предназначенной для резистивных барьеров пространственной области сопротивления на остальном филаменте.
При этом является особенно предпочтительным, когда по меньшей мере один резистивный барьер размещается непосредственно по соседству с данной областью перекрещивания, так как тогда обеспечивается возможность особенно четкого определения токопроводящей дорожки.
При этом следует указать на то, что в рамках настоящего изобретения вполне возможно отклонение от прямолинейной сквозной траектории филаментов, однако это не является безусловно необходимым. Фактически изобретение может быть особенно простым путем осуществлено тем, что выемка и, соответственно, бороздка, которая отделяет филаменты друг от друга, формируется через слой сверхпроводника, не везде по всей длине токопроводящего участка, а имеет перерывы на преднамеренно созданных областях перекрещивания, так что соответственно получаются области перекрещивания. В дополнение, разумеется, может быть преднамеренно образовано и предусмотрено также соответствующее боковое сужение области перекрещивания. Если отклонение отдельных филаментов от прямолинейной траектории является по возможности малым, достигается максимально компактное осуществление настоящего изобретения.
Дополнительные преимущества и подробности настоящего изобретения следуют из описываемых далее примеров осуществления, а также на основе чертежа. При этом показано:
Фиг. 1 представляет первый, служащий для разъяснения пример исполнения соответствующего изобретению сверхпроводникового устройства,
Фиг. 2 представляет токовую диаграмму в различных токопроводящих дорожках,
Фиг. 3 представляет второй пример исполнения соответствующего изобретению сверхпроводникового устройства, и
Фиг. 4 представляет многочисленные области перекрещивания в группе филаментов.
Фиг. 1 показывает исключительно простой, пригодный для разъяснения пример исполнения соответствующего изобретению сверхпроводникового устройства 1а, в котором явно предусмотрены два соединяющих два контактных элемента 2 филамента 3, которые разделены выемками 4. При этом плоскость чертежа в Фиг. 1 соответствует плоскости слоя для сверхпроводникового слоя. Между контактными элементами 2, как известно, размещен токопроводящий участок 5.
Правда, здесь филаменты 3 разделены не по всему токопроводящему участку 5, а на участке 6 перекрещивания в центральной части, и в целом электропроводно соединены, образуя симметричную конфигурацию. Правда, эта симметрия нарушается областью 6 перекрещивания соседних, противолежащих относительно области 6 перекрещивания, смещенных поперек и вдоль, локально предусмотренных в областях сопротивления резистивных барьеров 7. Резистивные барьеры 7 имеют исключительно малое значение омического сопротивления, составляющее величину в области менее 0,1 нОм, и были созданы лазерной обработкой, причем, однако, также представимы другие возможности их создания. В качестве сверхпроводящего материала сверхпроводникового слоя, который размещен на подложке 8, применяется имеющийся YBCO.
Внешнее переменное магнитное поле распространяется согласно стрелкам 9 перпендикулярно плоскости слоя, и тем самым, то есть вследствие изменения во времени, может индуцировать обозначенное стрелкой 10 электрическое поле.
Создание резистивных барьеров 7 теперь форсирует прежде всего использование первой, отмеченной протяженной стрелкой 11 токопроводящей дорожки, которая тем самым в области 6 перекрещивания изменяется с левого филамента 3 на правый филамент 3, причем в данном случае представлена ситуация, в которой пропускаемый ток протекает снизу вверх в Фиг. 1.
Если превышается критический ток филамента 3, используется также вторая токопроводящая дорожка, которая проходит через резистивные барьеры 7 и обозначена пунктирной стрелкой 12. Первая и вторая токопроводящая дорожка тем самым пересекаются в области 6 перекрещивания так, что могут создаваться перекрывающиеся через резистивные барьеры 7 и область 6 перекрещивания токопроводящие дорожки в плоскости сверхпроводникового слоя. Решающим преимуществом этого распределения тока является то, электрические поля (стрелка 10) в каждом случае взаимно уничтожаются вдоль первой токопроводящей дорожки и второй токопроводящей дорожки, поскольку, как легко можно понять, в обеих «петлях» и, соответственно, витках проводников электрическое поле (стрелка 10) для данной токопроводящей дорожки индуцируется один раз по направлению частичного тока и один раз навстречу этому направлению. Это значит, что в идеальном случае нейтрализуется влияние внешнего переменного магнитного поля и тем самым потерь из-за переходных помех.
c
Правда, как уже было указано, несимметричное распределение частичных токов токопроводящих дорожек происходит по меньшей мере частично, как следует из токовых диаграмм в Фиг. 2. При этом кривая 13 соответствует общему току, максимум которого по абсолютной величине в идеальном случае по существу соответствует двойному значению критического тока филамента 3. Кривая 14 показывает характеристику частичного тока для первой токопроводящей дорожки (стрелка 11 в Фиг. 1), кривая 15 представляет характеристику для второй токопроводящей дорожки (стрелка 12 в Фиг. 1). Вплоть до достижения критического тока I в первой токопроводящей дорожке ток протекает только в первой токопроводящей дорожке, после чего вторая токопроводящая дорожка принимает на себя избыточный ток; при нисходящей ветви кривой общего тока происходит соответствующий противоположный переход. Тем не менее вторая токопроводящая дорожка выполняет задачу компенсации индуцированного электрического поля так, что по меньшей мере частично происходит благоприятное сокращение потерь из-за переходных помех.
Токопроводящие дорожки и, соответственно, филаменты, не обязательно должны столь сильно отклоняться друг от друга, как это представлено в разъясненном первом примере исполнения согласно Фиг. 1. Должно быть обеспечено только то, что резистивные барьеры 7 форсируют представленное протекание тока.
Соответственно этому, Фиг. 3 показывает второй пример исполнения соответствующего изобретению сверхпроводникового устройства 1b, причем ради простоты были сохранены условные обозначения для соответствующих компонентов, как в Фиг. 1. В отличие от изображения в Фиг. 1, здесь предусматриваются шесть филаментов 4, которые подразделены на три группы 16 филаментов в каждом случае из двух смежных филаментов 3. Между группами 16 филаментов выемка 4 является сквозной, тогда как внутри групп 16 филаментов выемка 4 прерывается для образования области 6 перекрещивания, причем также соответственно намечена возможная траектория резистивных барьеров 7. Здесь также соответственно форсируется течение тока согласно первой токопроводящей дорожке, здесь сравни стрелку 17, и во второй токопроводящей дорожке, здесь сравни стрелку 18, опять же показанное пунктиром. Области 6 перекрещивания в каждом случае находятся в середине токопроводящего участка 5 так, что вдоль токопроводящих дорожек на равных длинах в каждом случае возникают противоположно направленные электрические поля.
При этом не обязательно число областей 6 перекрещивания должно быть ограничено одним, как показывает схематически представленная пара 16 филаментов в Фиг. 4. Там сформированы три области 6 перекрещивания, которые распределены на равных расстояниях друг от друга по длине токопроводящего участка 5. Тем самым получаются составленные из геометрически равных путей тока петли проводников, поэтому оптимальные по своим воздействиям в подавлении индуцированных электрических полей вдоль токопроводящих дорожек с перемежающимися филаментами.
Хотя изобретение было подробно иллюстрировано и описано скорее на предпочтительном примере осуществления, изобретение все же не ограничивается раскрытыми примерами, и специалистом из него могут быть выведены другие вариации, без выхода за пределы области правовой охраны изобретения.