ЛЕНТОЧНЫЙ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ЭЛЕМЕНТ С УЛУЧШЕННОЙ СОБСТВЕННОЙ ЗАЩИТОЙ В СЛУЧАЕ ПЕРЕХОДА ИЗ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО В НОРМАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ
BAND SUPERCONDUCTING ELEMENT WITH IMPROVED OWN PROTECTION IN TRANSITION FROM SUPERCONDUCTING STATE TO NORMAL ONE

Изобретение относится к сверхпроводящему элементу, содержащему металлическую подложку, изоляционный слой, сверхпроводящий слой и металлический защитный слой, причем изоляционный слой расположен между подложкой и сверхпроводящим слоем.
Такой сверхпроводящий элемент известен, например, из опубликованной европейской патентной заявки ЕР 2672537 А1.
Сверхпроводящие материалы могут переносить большие электрические токи без омических потерь. Они используются, например, в магнитных катушках или также в резистивных и индуктивных ограничителях тока утечки.
Сверхпроводящие свойства устанавливаются, в частности, только при относительно низких температурах, которые требуют охлаждения, типично жидким гелием. Высокотемпературные сверхпроводники (HTSL), такие как YBCO, имеют при этом более высокие температуры перехода в сверхпроводящее состояние и допустимые нагрузки по току, чем обычные металлические сверхпроводники, такие как NbTi и Nb3Sn. Однако HTSL, из-за более хрупких свойств материала, трудно обрабатывать; поэтому они часто изготавливаются в ленточной форме, причем тонкий HTSL-слой осаждается на гибкой подложке.
Принципиальной опасностью при применении сверхпроводников является внезапный переход в нормальное проводящее состояние («Quench» «переход из сверхпроводящего в нормальное состояние»). Ток, переносимый до сих пор в сверхпроводящем состоянии в сверхпроводнике, пытается затем продолжать протекать через нормально проводящий материал. При этом в погашенном сверхпроводнике могут создаваться значительные электрические напряжения, и это приводит, ввиду омических потерь, к выделению тепла. При этом сверхпроводник может необратимым образом повреждаться («выгорание»).
В общем случае желательно, чтобы сверхпроводник выдерживал переход из сверхпроводящего в нормальное состояние без повреждений. Для этого известно, что сверхпроводник защищается посредством параллельных, нормально проводящих токовых дорожек с низким сопротивлением («шунт»). Проводимый до этого в сверхпроводящем состоянии ток в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние может протекать через параллельную токовую дорожку, за счет чего электрические напряжения и нагрев уменьшаются. В качестве параллельных, нормально проводящих токовых дорожек, в частности, используются шунтирующие покрытия, например из меди, а также используются металлические подложки, см., например, US 7774035 В2. Кроме того, известны внешние шунтирующие системы, которые связаны посредством элементов мостовой схемы, см., например, ЕР 2 117 056 В1.
В вышеупомянутой европейской патентной заявке ЕР 2 672 537 А1 предлагается, при относительно коротких по отношению к ширине ленточных сверхпроводниках, внутреннее шунтирующее сопротивление выбирать относительно высоким, чтобы снизить опасность выгорания. При этом металлическая подложка отделяется от сверхпроводящей пленки с помощью лежащего между ними электроизолирующего промежуточного слоя. Тонкий защитный слой из благородного металла расположен на сверхпроводящей пленке.
Из ЕР 2 192 629 А1 известен ограничитель тока утечки со сверхпроводящим устройством, в котором сверхпроводящие пленки электрически соединены между собой сверхпроводящими элементами, однако электропроводные подложки сверхпроводящих элементов изолированы друг от друга. Между сверхпроводящими пленками и проводящими подложками сверхпроводящих элементов расположены, соответственно, изолирующие промежуточные слои.
Из US 2012/0040100 А1 известно, что металлическая подложка, посредством планаризации методом осаждения из растворов (Solution Deposition Planarization - SDP), включая нанесение покрытия методом погружения (Dip coating) и тепловую обработку, снабжается Y2O3-слоем, затем наносится буферный слой MgO и на буферный слой осаждается YBCO-пленка. Посредством SDP-обработки подложки может быть снижена ее шероховатость, и качество YBCO-пленки улучшается.
В DE 10 2004 048 439 В4 описан сверхпроводящий провод с электрической изоляцией из ленты, которая спиралеобразно намотана вокруг сверхпроводящего провода. В частности, сверхпроводящий провод может быть выполнен как HTS-тонкослойный провод с YBCO-покрытием, а лента - как полиэфирная пленка с толщиной 2 мкм и покрытием 50%.
Задача изобретения
В основе изобретения лежит задача предоставить сверхпроводящий элемент, в котором снижена опасность повреждения в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние.
Краткое описание изобретения
Эта задача решается сверхпроводящим элементом вышеназванного типа, который характеризуется тем, что
изоляционный слой в поперечном сечении сверхпроводящего элемента выходит с обоих концов за участком подложки, покрытым сверхпроводящим слоем,
изоляционный слой гальванически отделяет сверхпроводящий слой и металлический защитный слой от подложки,
и толщина D изоляционного слоя выбрана таким образом, что сверхпроводящий элемент имеет поперечное напряжение пробоя от металлической подложки к сверхпроводящему слою и к металлическому защитному слою, равное по меньшей мере 25 В.
Соответствующий изобретению сверхпроводящий элемент предусматривает то, что собственная защита сверхпроводящего элемента улучшается за счет подавления в значительной мере отдачи энергии в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние. Посредством изоляции электрически хорошо проводящей металлической подложки от сверхпроводящего слоя шунтирующее сопротивление поддерживается высоким. За счет высокого омического сопротивления в области сверхпроводящего слоя в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние протекание тока через сверхпроводящий элемент ограничивается и тем самым снижается выделение тепла на сверхпроводящем элементе. Сверхпроводящий элемент после перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние может быть быстрее вновь охлажден ниже температуры перехода и соответственно быстрее вновь приведен в нормальный режим работы; к тому же снижается опасность возникновения перегрева, вызывающего повреждение.
В соответствии с изобретением на сверхпроводящем слое используется металлический защитный слой. Металлический защитный слой блокирует или затрудняет диффузионные процессы на верхней стороне сверхпроводящего слоя или соответственно, в общем, исходящие от верхней стороны сверхпроводящего слоя химические изменения в сверхпроводящем слое и обеспечивает таким образом сохранение физических свойств сверхпроводящего слоя и тем самым его функции как сверхпроводника. Металлический защитный слой, который обычно состоит из благородного металла или сплава благородного металла, хотя и представляет собой нормально проводящую токовую дорожку параллельно к сверхпроводящему слою, однако он, ввиду незначительной толщины металлического защитного слоя (типично 0,5 мкм или меньше) является довольно высокоомным, так что соответствующее выделение тепла в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние остается малым или за счет надлежащего выбора толщины металлического защитного слоя может удерживаться малым.
Для того чтобы предотвратить нежелательное и даже наносящее вред сверхпроводящему элементу выделение тепла, изобретение предусматривает, что изоляционный слой в поперечном сечении (перпендикулярно продольному направлению/направлению протекания тока сверхпроводящего элемента) по обе стороны сверхпроводящего слоя выступает за этот сверхпроводящий слой. Металлический защитный слой, который полностью покрывает сверхпроводящий слой, в частности на его, в поперечном сечении, коротких сторонах, может легко заканчиваться на изоляционном слое (в области его выступа за сверхпроводящий слой), не соприкасаясь с металлическим защитным слоем. За счет того, что сверхпроводящий слой имеет меньшую ширину, чем изоляционный слой, может также надежно предотвращаться неумышленное прямое контактирование металлической подложки через сверхпроводящий слой.
Согласно изобретению, используется изоляционный слой с высоким поперечным напряжением пробоя. Поперечный электрический пробой (перпендикулярно продольному направлению сверхпроводящего элемента), обычно перпендикулярно граничной плоскости изоляционного слоя к подложке, соединяет металлическую подложку непосредственно или косвенно через металлический защитный слой со сверхпроводящим слоем и таким образом открывает параллельную, нормально проводящую токовую дорожку низкого сопротивления, и сопровождается заметным нагреванием сверхпроводящего элемента в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние. Следует иметь в виду, что сверхпроводящий слой и металлический защитный слой по существу лежат на одном и том же электрическом потенциале, и электрический пробой происходит в том месте, где (i) изоляционный слой из-за переменной толщины является самым слабым («слабая точка»), и/или (ii) электрическое поле, например, из-за шероховатости поверхности максимально увеличивается, что, в зависимости от геометрии сверхпроводящего элемента, может осуществляться как по отношению к сверхпроводящему слою, так и к металлическому защитному слою.
За счет высокого поперечного напряжения пробоя, которое может устанавливаться за счет соответствующего выбора материала и соответствующего выбора толщины изоляционного слоя и в необходимом случае может быть подвергнуто экспериментальным контрольным испытаниям, такой пробой может эффективно предотвращаться. Толщина изоляционного слоя обычно является однородной в сверхпроводящем элементе. Рекомендуется выбирать применение соответствующего изобретению сверхпроводящего элемента таким образом, чтобы в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние на сверхпроводящем элементе максимально падало напряжение, которое лежит ниже напряжения пробоя.
Соответствующий изобретению сверхпроводящий элемент может использоваться разнообразным способом, в частности в токовых линиях, магнитных катушках и сверхпроводящих ограничителях тока утечки. Они могут противостоять повторным или также продолжительным переходам из сверхпроводящего в нормальное состояние, например, из-за сверхтоков в ограничителе тока утечки, без повреждений.
Для сверхпроводящего слоя может применяться, в частности, YBCO или другой сверхпроводящий материал ReBCO-типа (RE - редкоземельный элемент). Подложка чаще всего выполнена из стали или хастеллоя. Подложка обычно выполняется в виде ленты, чаще всего шириной между 0,5 см и 8 см, предпочтительно между 2,5 см и 5 см, и с толщиной между 0,05 мм и 0,5 мм, предпочтительно между 0,1 мм и 0,2 мм.
Предпочтительные формы выполнения изобретения
В предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению сверхпроводящего элемента металлический защитный слой соприкасается с изоляционным слоем. Изоляционный слой предотвращает в этом случае также непосредственно электрический пробой от подложки к металлическому защитному слою. Осаждение металлического защитного слоя в этом случае упрощается, и сверхпроводящий слой может также на сторонах хорошо герметизироваться посредством металлического слоя. Предпочтительным образом, в этом случае изоляционный слой выступает с обоих концов за областью металлической подложки, покрытой сверхпроводящим слоем и металлическим защитным слоем, чтобы легко предотвращать неумышленное прямое контактирование металлической подложки.
Предпочтителен также вариант выполнения, в котором металлический защитный слой в поперечном сечении окружает сверхпроводящий слой в форме кожуха. За счет этого со всех сторон получается герметизация сверхпроводящего слоя, в частности, на его боковых плоскостях, так что химические изменения в сверхпроводящем слое блокируются или минимизируются.
Особенно предпочтительным является вариант выполнения, в котором изоляционный слой в поперечном сечении также частично или полностью покрывает короткие стороны подложки. Тем самым можно еще лучше предотвращать неумышленное прямое контактирование металлической подложки при осаждении сверхпроводящего слоя или также металлического защитного слоя на верхней стороне подложки и уменьшать вероятность возникновения электрического пробоя.
Также предпочтительным является вариант выполнения, в котором изоляционный слой также покрывает нижнюю сторону подложки, противоположную сверхпроводящему слою. Нижняя сторона, ввиду ее большой площади, также при соединении со сверхпроводящим слоем с плохо проводящим материалом, при известных обстоятельствах, является контактной областью, которой нельзя пренебречь. За счет нанесения изоляционного слоя также на нижнюю сторону подложки могут эффективно блокироваться токовые дорожки, которые ведут через нижнюю сторону подложки. Еще больше уменьшается вероятность возникновения электрического пробоя.
В особенно предпочтительном варианте выполнения изоляционный слой в поперечном сечении окружает подложку со всех сторон. Тем самым очень надежно исключается использование металлической подложки в качестве параллельной токовой дорожки в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние. К тому же в этом случае легко реализуется осаждение изоляционного слоя посредством распределения прекурсора или соответственно осаждения из жидкой фазы с нанесением покрытия методом погружения и последующей термической обработкой. Ввиду требуемых для изобретения толщин изоляционного слоя, при этом может осуществляться повторное нанесение слоя.
Предпочтительным также является вариант выполнения, в котором дополнительно к изоляционному слою, предусмотрен планаризующий слой, который осаждается на подложку. С помощью планаризующего слоя можно уменьшить шероховатость поверхности металлической подложки и, таким образом, улучшить качество сверхпроводящего слоя. Альтернативно, изоляционный слой также может одновременно служить как планаризующий слой. Планаризующий слой предпочтительно имеет толщину от 0,2 до 5 мкм, предпочтительно от 0,5 до 2 мкм. Планаризующий слой предпочтительно выполнен из оксида иттрия или оксида циркония и может окружать подложку со всех сторон.
В предпочтительном варианте выполнения толщина D изоляционного слоя выбирается таким образом, что сверхпроводящий элемент имеет поперечное напряжение пробоя от металлической подложки к сверхпроводящему слою и к металлическому защитному слою по меньшей мере 50 В, предпочтительно по меньшей мере 100 В, особенно предпочтительно по меньшей мере 300 В. За счет этого сверхпроводящий элемент может использоваться при повышенных внешних напряжениях, без возникновения в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние чрезмерного нагревания сверхпроводящего элемента. Поперечное напряжение пробоя лежит в общем случае между 25 и 1500 В, предпочтительно между 50 и 500 В.
Предпочтительным является вариант выполнения, в котором изоляционный слой имеет толщину D, по меньшей мере равную 0,2 мкм, предпочтительно по меньшей мере 2,0 мкм, особенно предпочтительно по меньшей мере 3,5 мкм, еще более предпочтительно по меньшей мере 5,0 мкм. В общем, увеличенные толщины слоя ведут к повышенным напряжениям пробоя. Меньшие толщины слоя, порядка менее 1 мкм, могут, как правило, быть реализованы лишь с высокоизолирующими материалами, в частности с фосфатом алюминия или оксидом алюминия. Типично, толщина изоляционного слоя составляет максимально 10 мкм, при известных обстоятельствах, также предусматривается толщина слоя максимально равная 3 мкм. Следует иметь в виду, что изоляционный слой в общем случае может иметь слоистую структуру; однако предпочтительно изоляционный слой выполнен с однородной структурой.
В предпочтительном варианте выполнения изоляционный слой содержит один или несколько оксидов металла, в частности стабилизированный иттрием оксид циркония, оксид циркония, оксид иттрия, титанат стронция, оксид алюминия, оксид церия, цирконат гадолиния, цирконат бария и/или оксид магния. Оксиды металлов являются легко осаждаемыми, хорошо электрически изолирующими материалами. Изоляционный слой может содержать простые или сложные оксиды, в частности элементов второй или третьей главной группы периодической системы элементов, или их смеси.
Предпочтительным также является вариант выполнения, в котором изоляционный слой содержит фосфат алюминия, в частности при этом изоляционный слой содержит смесь из фосфата алюминия с оксидом кремния, оксидом германия, оксидом циркония, оксидом иттрия, титанатом стронция, оксидом алюминия, оксидом церия, цирконатом гадолиния, цирконатом бария и/или оксидом магния. Фосфат алюминия проявил себя на практике как особенно эффективный электрический изолятор.
2
Предпочтительным также является вариант выполнения, в котором сверхпроводящий элемент содержит буферный слой, причем буферный слой расположен между изоляционным слоем и сверхпроводящим слоем, в частности, при этом буферный слой содержит по меньшей мере один диэлектрический подслой. С помощью буферного слоя - независимо от свойств изоляционного слоя - предоставляется оптимальная для осаждения сверхпроводящего слоя поверхность, и, таким образом, достигается особенно высокое качество сверхпроводящего слоя (сверхпроводящей пленки). Следует иметь в виду, что буферный слой также может содержать по меньшей мере один металлический подслой. Типовыми материалами, которые могут применяться в буферном слое, являются CeO, MgO и InSn. Буферный слой типично осаждается посредством IBAD (ion beam assisted deposition «ионно-лучевое осаждение»). Альтернативно этому варианту выполнения, изоляционный слой или верхняя часть его также может использоваться в качестве буферного слоя.
⊥
Предпочтительным также является вариант выполнения, в котором в продольном сечении сверхпроводящего элемента примерно в середине изоляционного слоя создается электропроводное соединение между металлической подложкой и сверхпроводящим слоем. Тем самым в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние, прикладываемое к изоляционному слою напряжение или напряженность Е электрического поля уменьшается примерно наполовину.
Предпочтительным также является вариант выполнения, в котором предусмотрено, что металлический защитный слой имеет толщину между 0,07 мкм и 3 мкм, и/или что металлический защитный слой содержит Ag, Au, Rt, Pd, Cu, Ni, Cr, Al, Y или их смеси или сплавы. Эти толщины и материалы хорошо зарекомендовали себя на практике. Следует иметь в виду, что толщина металлического защитного слоя предпочтительно выбирается, равной 0,5 мкм или меньше, чтобы удерживать внутреннее шунтирующее сопротивление соответственно малым, а также чтобы сохранять низкими затраты на изготовление, прежде всего, при применении дорогих металлов, таких как золото и серебро, в металлическом защитном слое.
Предпочтительным также является вариант выполнения, в котором металлический защитный слой имеет продольное сопротивление в продольном направлении сверхпроводящего элемента между 5 и 100 Ом на метр длины и на каждый сантиметр ширины сверхпроводящего элемента, предпочтительно между 15 и 40 Ом на метр длины и каждый на сантиметр ширины сверхпроводящего элемента. При этих значениях сопротивления на практике выявлены хорошие характеристики в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние, в частности с лишь незначительным нагревом сверхпроводящего элемента.
ext
||
||
ext
||
elem
elem
krit
В рамках заявленного изобретения также входит применение соответствующего изобретению, вышеописанного сверхпроводящего элемента на внешнем источнике напряжения, посредством которого в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние сверхпроводящего элемента к сверхпроводящему элементу прикладывается внешнее напряжение V, причем длина L сверхпроводящего элемента выбирается таким образом, что устанавливающееся вдоль сверхпроводящего элемента в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние электрическое поле Е, определяемое как Е=V/L, меньше, чем критическое электрическое поле Е, которое сверхпроводящий слой еще может выдержать без повреждения,
и причем толщина D изоляционного слоя сверхпроводящего элемента выбирается таким образом, что справедливо:
i
ISO
i
||
krit
где i - численная переменная диэлектрических слоев сверхпроводящего элемента как между подложкой и сверхпроводящим слоем, так и между подложкой и металлическим защитным слоем без изоляционного слоя, ε- диэлектрическая постоянная i-го диэлектрического слоя, ε- диэлектрическая постоянная изоляционного слоя, d - толщина i-го диэлектрического слоя,  - поперечная напряженность поля пробоя в изоляционном слое; m - геометрический параметр, с m=2 при наличии и m=1 при отсутствии электропроводного соединения, созданного в продольном сечении приблизительно в середине изоляционного слоя, между металлической подложкой и сверхпроводящим слоем, и k - параметр безопасности с k≥1. При таком выборе L и D может обеспечиваться, что сверхпроводящий элемент хорошо выдерживает многократные, а также продолжающиеся переходы из сверхпроводящего в нормальное состояние. Е может легко определяться экспериментально для определенного типа сверхпроводящего слоя, также  может легко определяться экспериментально для материала изоляционного слоя. За счет выбора параметра безопасности k>1 может создаваться резерв для непредусмотренных нагрузок (пиков напряжения), предпочтительно k составляет по меньшей мере 3.
В предпочтительном варианте соответствующего изобретению применения справедливо:
||
krit
0,5 В/см ≤ Е≤10 В/см и/или
3
5
2⋅10 В/см≤≤5⋅10 В/см. С этими диапазонами значений на практике можно хорошо работать.
||
Предпочтительным образом, также имеется вариант, который предусматривает, что L≥50 см, предпочтительно L≥150 см, особенно предпочтительно L≥200 см. Эти длины на практике еще могут быть хорошо изготовлены. Большие длины в принципе сокращают напряженность поля Е, параллельную к продольному направлению сверхпроводящей подложки.
ext
ext
ext
ges
ext
ges
ext
ext
||
elem
elem
ges
ges
ges
elem
krit
Особенно предпочтительным является вариант соответствующего изобретению применения, который предусматривает, что сверхпроводящий элемент включается в последовательное соединение других сверхпроводящих элементов, сверхпроводящие слои которых электрически соединены друг с другом, а их подложки электрически изолированы друг от друга, и что в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние сверхпроводящего элемента приложенное к нему внешнее напряжение V получается согласно соотношению V=V⋅L/L, где V - напряжение, приложенное через последовательное соединение сверхпроводящего элемента и других сверхпроводящих элементов в целом посредством внешнего источника напряжения, и L - сумма длин сверхпроводящего элемента и длин других сверхпроводящих элементов. Посредством последовательного соединения сверхпроводящих элементов общее приложенное внешнее напряжение V может разделяться на (обычно однотипные) сверхпроводящие элементы. В частности, за счет достаточно большого количества или достаточно большой длины других сверхпроводящих элементов, внешнее напряжение V, приложенное к сверхпроводящему элементу, может разделяться в такой степени, что Е (а также ) не превышаются.
ext
ges
В усовершенствованном варианте справедливо: V≥10 кВ. Как раз при высоких внешних напряжениях могут особенно проявляться преимущества высокой пробивной прочности изоляционного слоя в сверхпроводящем элементе.
Кроме того, предпочтительным является вариант, в котором сверхпроводящий элемент встроен в сверхпроводящий ограничитель тока утечки. В ограничителях тока утечки необходимы сверхпроводящие элементы, особенно устойчивые к переходу из сверхпроводящего в нормальное состояние, так как переход из сверхпроводящего в нормальное состояние в данном случае относится к желательной защитной функции ограничителя тока утечки. Ограничитель тока утечки может быть резистивного или емкостного типа.
Другие преимущества изобретения следуют из описания и чертежей. Также вышеупомянутые и еще дополнительно далее изложенные признаки в соответствии с изобретением могут применяться отдельно как таковые или в совокупности в различных комбинациях. Показанные и описанные варианты выполнения следует понимать не как исчерпывающее перечисление, а как имеющие просто иллюстративный характер для характеристики изобретения.
Детальное описание изобретения и чертежей
Изобретение представлено на чертежах и на основе примеров выполнения поясняется более подробно. На чертежах показано следующее:
Фиг. 1 - схематичное представление в поперечном сечении первого варианта выполнения соответствующего изобретению сверхпроводящего элемента;
Фиг. 2 - схематичное представление в поперечном сечении второго варианта выполнения соответствующего изобретению сверхпроводящего элемента;
Фиг. 3а - схематичное представление в поперечном сечении третьего варианта выполнения соответствующего изобретению сверхпроводящего элемента;
Фиг. 3b - схематичное продольное сечение сверхпроводящего элемента согласно фиг. 3а;
Фиг. 3с - схематичный вид в перспективе сверхпроводящего элемента согласно фиг. 3а;
Фиг. 4 - схематичное представление последовательного соединения со сверхпроводящим элементом и другими сверхпроводящими элементами согласно изобретению.
Следует иметь в виду, что на описываемых далее чертежах структуры большей частью представлены преувеличенно, чтобы сделать наглядными признаки изобретения. Поэтому чертежи следует понимать как выполненные не в масштабе.
На Фиг. 1 показан первый вариант выполнения соответствующего изобретению сверхпроводящего элемента 1 в поперечном сечении (перпендикулярно к направлению переноса тока/продольному направлению). Сверхпроводящий элемент 1 сформирован по существу в ленточной форме.
На металлической подложке 2, например, из стали осажден изоляционный слой 3, например, из фосфата алюминия. Изоляционный слой 3 имеет толщину D, и изоляционный слой 3 в данном варианте осажден не только на верхней стороне подложки 2, но и на верхнем участке ОВ на коротких сторонах 16 подложки 2.
2
На изоляционный слой 3 в данном случае осажден буферный слой 4 с двумя подслоями 4а, 4b. Нижний подслой 4а в показанном примере выполнения является электропроводным (например, CrNi-сплав), а верхний подслой 4b является электроизолирующим (например, СеО).
SL
ISO
На буферный слой 4 осажден сверхпроводящий слой 5 (предпочтительно из высокотемпературного сверхпроводящего материала с температурой перехода 40 К или выше, в частности, YBCO). Боковая протяженность (ширина) B сверхпроводящего слоя 5 при этом меньше, чем боковая протяженность (ширина) B изоляционного слоя 3, и изоляционный слой 3 выступает по обе стороны (слева и справа) за сверхпроводящий слой 5 или соответственно покрываемый им участок подложки 2.
На сверхпроводящем слое 5, в свою очередь, осажден металлический защитный слой 6 (например, AuAg-сплав) с толщиной DS. Металлический защитный слой 6 покрывает при этом в виде кожуха сверхпроводящий слой 5 и в данном случае также буферный слой 4. Своими боковыми сторонами FL металлический защитный слой 6 герметизирует также боковые поверхности сверхпроводящего слоя 5, так что последний в поперечном сечении со всех сторон защищен от химических воздействий. Боковые стороны FL металлического защитного слоя 6 касаются нижними концами изоляционного слоя 3, так что изоляционный слой 3 предотвращает электрический контакт между металлическим защитным слоем 6 и металлической подложкой 2. Боковые стороны FL касаются при этом изоляционного слоя 3, в частности, в области, выступающей в боковом направлении по отношению к сверхпроводящему слою 5. При этом боковые стороны FL предпочтительно используют примерно половину или меньше выступающей в боковом направлении области изоляционного слоя 3 в качестве опорной поверхности.
Толщина D изоляционного слоя 3 достаточна, чтобы предотвращать поперечный электрический пробой DSL между металлической подложкой 2 и сверхпроводящим слоем 5, а также поперечный электрический пробой DMS между металлической подложкой 2 и металлическим защитным слоем 6 вплоть до напряжения по меньше мере 25 В, предпочтительно по меньшей мере 50 В. Иными словами, при разности напряжений 25 В, предпочтительно 50 В, между металлической подложкой 2, с одной стороны, и металлическим защитным слоем 6 и сверхпроводящим слоем 5 (которые, как правило, имеют приблизительно одинаковый потенциал), с другой стороны, еще не происходит электрический пробой. Следует иметь в виду, что необходимая толщина D при этом зависит, в частности, от материала изоляционного слоя 3. Напряжение пробоя увеличивается с возрастанием толщины D.
В общем, для осаждения слоев 3, 4, 5, 6 могут использоваться известные сами по себе способы, например, химическое осаждение из газовой фазы (CVD) и физическое осаждение из паровой фазы (PVD), включая импульсное лазерное осаждение, или также осаждение из жидкой фазы (chemical solution deposition - химическое осаждение из жидкой фазы CSD или соответственно metal organic deposition - металлоорганическое осаждение MOD, типично с нанесением покрытия методом погружения, нанесение распылением или печатью с последующей термообработкой, прежде всего для изоляционного слоя, чаще всего в многоэтапном процессе осаждения).
На Фиг. 2 показан другой вариант выполнения соответствующего изобретению сверхпроводящего элемента 1 в поперечном сечении.
Металлическая подложка 2 в данном случае окружена со всех сторон планаризующим слоем 7, который был нанесен, например, путем нанесения покрытия методом погружения и термообработки. Планаризующий слой 7 имеет, однако относительно малую толщину d, например около 0,3 мкм, и поэтому обладает лишь невысокой пробивной прочностью.
Поэтому на верхнюю сторону сверхпроводящего элемента 1 наносится изоляционный слой 3 толщины D, с помощью которого обеспечивается напряжение пробоя по меньшей мере 25 В, предпочтительно 50 В, от металлической подложки 2 к сверхпроводящему слою 5, который размещен на диэлектрическом буферном слое 4, и к металлическому защитному слою 6. Металлический защитный слой 6 охватывает при этом, в свою очередь, в виде кожуха сверхпроводящий слой 5, а также буферный слой 4.
Изоляционный слой 3 вновь заметно выступает в боковом направлении за сверхпроводящий слой 5, однако в этом варианте выполнения не предусмотрен изоляционный слой 3 на коротких сторонах 16 подложки 2.
На Фиг. 3а показан в поперечном сечении третий вариант выполнения соответствующего изобретению сверхпроводящего элемента 1.
Металлическая подложка 2 окружена при этом в поперечном сечении со всех сторон изоляционным слоем 3, так что также нижняя сторона 15 и лежащие слева и справа короткие стороны 16 подложки 2 окружаются изоляционным слоем 3. На изоляционный слой 3 осажден диэлектрический буферный слой 4, и на него, в свою очередь, осажден сверхпроводящий слой 5. Металлический защитный слой 6 охватывает в форме кожуха сверхпроводящий слой 5, а также буферный слой 4. Боковые стороны FL металлического защитного слоя 6 лежат, соответственно, на участках изоляционного слоя 3, которые по сторонам выступают за сверхпроводящий слой 5 или соответственно область подложки 2, покрытой сверхпроводящим слоем 5.
При этом изоляционный слой 3 может легко осаждаться посредством нанесения покрытия методом погружения и термообработки, причем для достижения соответствующего изобретению напряжения пробоя между металлической подложкой 2, с одной стороны, и металлическим защитным слоем 6 и сверхпроводящим слоем 5, с другой стороны, равного по меньшей мере 25 В, предпочтительно по меньшей мере 50 В, могут выполняться несколько итераций осаждения для создания требуемой толщины слоя D.
На Фиг. 3b показан продольный разрез (вдоль направления переноса тока) через сверхпроводящий элемент 1 согласно фиг. 3а. Примерно на половине продольной протяженности сверхпроводящего элемента 1 предусмотрено электропроводное соединение 8, например, из благородного металла или сплава благородного металла, которое соединяет металлическую подложку 2 со сверхпроводящим слоем 5. За счет этого в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние внешнее напряжение, приложенное по длине L сверхпроводящего элемента 1, относительно разности напряжений между подложкой 2 и сверхпроводящим слоем 5, эффективно уменьшается приближенно наполовину и тем самым опасность электрического пробоя через изоляционный слой 3 соответственно уменьшается.
На Фиг. 3с показан схематичный перспективный вид сверхпроводящего элемента 1 согласно фиг. 3а и 3b; плоскость поперечного сечения фиг. 3а обозначена как IIIa, и плоскость продольного сечения фиг. 3b обозначена как IIIb.
Сверхпроводящий элемент 1 предназначен для того, чтобы сверхпроводящим способом переносить ток, протекающий в направлении 10 стрелки (продольном направлении). Сверхпроводящий элемент имеет длину L и ширину В. В случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние, в качестве нормально проводящей токовой дорожки для сверхпроводящего слоя предоставляется в распоряжение только металлический защитный слой 6, однако он выполнен относительно тонким, так что получается продольное сопротивление предпочтительно между 5 и 100 Ом на 1 см ширины (продольное сопротивление определяется из площади поперечного сечения металлического защитного слоя 6 и удельного сопротивления материала защитного слоя). При длине L, например 1,50 м, ширине В 4 см и продольном сопротивлении 20 Ом на 1 м длины и на каждый 1 см ширины получается, например, абсолютное сопротивление металлического защитного слоя 6 между торцевыми сторонами сверхпроводящего элемента 1, равное
R=(20 Ом * см/м)*1,50 м/4 см = 7,5 Ом.
На фиг. 4 представлено последовательное соединение соответствующего изобретению сверхпроводящего элемента 1 и других, в данном варианте одинаковых по структуре сверхпроводящих элементов 11, 12. Хотя показано всего три сверхпроводящих элемента 1, 11, 12, последовательное соединение может также включать в себя еще больше сверхпроводящих элементов, порядка 50 или более. Это последовательное соединение может использоваться в качестве резистивного ограничителя тока утечки для последовательно соединенных детально не показанных потребителей.
ext
ext
ext
ges
ges
ges
ges
elem
ges
Последовательное соединение, с использованием внешнего источника 13 напряжения, подвергается воздействию напряжения V, которое в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние падает распределенным образом на сверхпроводящих элементах 1, 11, 12. Следует иметь в виду, что при этом металлическая подложка 2 гальванически развязана посредством изоляционных слоев 3 от сверхпроводящих слоев 5 и металлических защитных слоев 6. На сверхпроводящем элементе 1 падает составляющая V, равная V * L/L, причем L представляет сумму длин L отдельных сверхпроводящих элементов 1, 11, 12; как правило, промежутки между сверхпроводящими элементами 1, 11, 12, по сравнению с L, пренебрежимо малы, хотя подложки 2 электрически изолированы друг от друга. Следует иметь в виду, что сверхпроводящие слои 5 через мосты 14 соединены между собой сверхпроводящим образом, а в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние - обычно проводящим образом.
ext
||
ext
||
elem
elem
krit
Напряжение V, приложенное к сверхпроводящему элементу 1, падает на сверхпроводящем слое 5 равномерно; в сверхпроводящем слое 5 возникает электрическое поле Е напряжения, равное V/L. Посредством достаточного подразделения (в частности, достаточного числа сверхпроводящих элементов) при этом напряженность поля может удерживаться ниже критической напряженности Е поля, выше которой происходят повреждения сверхпроводящего слоя 5.
ext
ext
⊥
ext
elem
elem
elem
Так как подложка 2 является электропроводной, на всей подложке существует одинаковый электрический потенциал. Так как оба конца сверхпроводящего слоя 5, однако, подвергаются воздействию V, между подложкой 2 и сверхпроводящим слоем 5 может существовать разность напряжений локально величиной до V, которая не может служит предпосылкой для электрического пробоя перпендикулярно через изоляционный слой 3, если необходимо исключить, чтобы подложка 2 проводила ток в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние. Соответственно, поперечная напряженность Е поля в изоляционном слое 3 в данном случае равна V/D, причем D описывает толщину слоя изоляционного слоя 3. Следует иметь в виду, что при использовании среднего электрического соединения (см. фиг. 3b) приложенное напряжение в расчете на  эффективно снижается наполовину.
ext
elem
Поперечная напряженность  поля пробоя является свойством материала, используемого в изоляционном слое 3. Если она известна, а также известно приложенное внешнее напряжение V, то можно тем самым определить требуемую толщину D, предпочтительно с запасом на безопасность. Если дополнительно к изоляционному слою 3 имеются дополнительные диэлектрические слои между подложкой 2 и сверхпроводящим слоем 5 и между подложкой 2 и металлическим защитным слоем 6 (например, планаризующий слой или диэлектрический буферный слой), то они могут уменьшить требуемую толщину D слоя для изоляционного слоя 3. Только такой диэлектрический слой, который как подложку 2 и сверхпроводящий слой 5, так и положку 2 и металлический защитный слой 6 разделяет по всей соответствующей ширине, может при этом способствовать уменьшению требуемой толщины D слоя (в варианте выполнения согласно фиг. 1 диэлектрический буферный слой 4а не может это обеспечить, так как он с боковых сторон не охватывает до низу весь металлический защитный слой 6. На фиг. 2 только планаризующий слой 7 может способствовать этому. На фиг. 3а вновь диэлектрический буферный слой 4 не может способствовать этому, так как он не достаточно выступает в стороны). При этом вклад дополнительных диэлектрических слоев по их толщине d и отношение диэлектрических постоянных изоляционного слоя 3 и соответствующего дополнительного диэлектрического слоя i могут приближаться к тому, что указано в пункте 15 формулы.
В соответствии с изобретением сверхпроводящие элементы 1, 11, 12 имеют напряжения пробоя 25 В или выше, предпочтительно 50 В или выше. Тем самым также внешние напряжения в кВ-диапазоне, которые могут требоваться для сверхпроводящих ограничителей тока утечки, могут использоваться с разумным количеством сверхпроводящих элементов 1, 11, 12, включенных последовательно.
2
Типичный сверхпроводящий элемент согласно изобретению имеет в качестве подложки ленту из нержавеющей стали с толщиной между 50 мкм и 200 мкм, предпочтительно примерно 100 мкм, и ширину от 20 до 80 мм, предпочтительно примерно 40 мм, а также изоляционный слой, например, стабилизированный иттрием циркон с толщиной между 1,5 мкм и 10 мкм (причем толщина, в зависимости от качества материала, достаточна, чтобы обеспечить напряжение пробоя по меньшей мере 25 В), далее опционально буферный слой, например, из СеО, с толщиной между 0,05 мкм и 0,2 мкм, предпочтительно 0,1 мкм, далее сверхпроводящий слой, предпочтительно высокотемпературный сверхпроводящий слой, например, из YBCO, с толщиной между 0,8 мкм и 4 мкм, предпочтительно между 1 мкм и 2 мкм, и далее металлический защитный слой, например, из Ag-Au-сплава (50 вес.%/50 вес.%). Сверхпроводящий элемент может при этом иметь длину 0,5 м или более. При такой структуре выдерживаются без повреждений многократные переходы из сверхпроводящего в нормальное состояние с длительностью, соответственно, 300 секунд.
Следует иметь в виду, что указанные количественно зависимые от свойств материалов величины, в частности продольное сопротивление металлического защитного слоя и поперечное напряжение пробоя, могут определяться при комнатной температуре (20°С).
Таким образом, изобретение описывает сверхпроводящий ленточный проводник, в частности HTSL-ленточный проводник, причем его сверхпроводящий слой (сверхпроводящая пленка) покрыт металлическим защитным слоем, и причем изоляционный слой электрически отделяет его металлическую подложку (ленту подложки) от сверхпроводящего слоя и металлического защитного слоя. При этом изоляционный слой выступает в поперечном сечении перпендикулярно продольному направлению (направлению переноса тока) ленточного проводника с обеих сторон за участок поверхности металлической подложки, покрытый сверхпроводящим слоем и предпочтительно также металлическим защитным слоем (типично с выступающей частью, соответственно, по меньшей мере 1 мм, предпочтительно по меньшей мере 2 мм), или даже полностью окружает металлическую подложку. Изоляционный слой имеет такую толщину, что он предотвращает поперечный электрический пробой или электрический пробой перпендикулярно через изоляционный слой до по меньшей мере 25 В, предпочтительно до по меньшей мере 50 В. Напряжение, прикладываемое в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние между металлической подложкой, с одной стороны, и сверхпроводящим слоем (или соответственно металлическим защитным слоем, который по существу находится на том же электрическом потенциале, что и сверхпроводящий слой), с другой стороны, генерирует электрическое поле, которое проходит по существу перпендикулярно через изоляционный слой (и, в частности, по существу перпендикулярно через граничные плоскости изоляционного слоя 3 с металлической подложкой и со сверхпроводящим слоем или металлическим защитным слоем). Тогда, в случае перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние, экономичная и удобная в обращении металлическая подложка не содействует нормально проводимому потоку тока, за счет чего нагревание ленточного проводника уменьшается и, таким образом, облегчается и ускоряется возврат в сверхпроводящее состояние.