ГИБКИЕ ВТСП ТОКОПРОВОДЫ
FLEXIBLE HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTORS

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к сверхпроводниковым устройствам. В частности, настоящее изобретение относится к токопроводам, содержащим высокотемпературный сверхпроводник.
Предпосылки изобретения
2
Сверхпроводящие материалы обычно подразделяются на «высокотемпературные сверхпроводники» (ВТСП) и «низкотемпературные сверхпроводники» (НТСП). НТСП-материалы, такие как Nb и NbTi, являются металлами или металлическими сплавами, сверхпроводимость которых может быть описана теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Все низкотемпературные сверхпроводники имеют критическую температуру (температуру, выше которой материал не может быть сверхпроводящим даже в нулевом магнитном поле) ниже примерно 30 K. Поведение ВТСП-материала не описывается теорией БКШ, и такие материалы могут иметь критические температуры выше 30K (хотя следует отметить, что именно физические различия в составе и работе в режиме сверхпроводимости, а не критическая температура, определяют ВТСП-материал). Наиболее часто используемые ВТСП являются «купратными сверхпроводниками» - керамикой на основе купратов (соединений, содержащих группу оксида меди), например, BSCCO или ReBCO (где Re является редкоземельным элементом, обычно Y или Gd). Другие ВТСП-материалы включают пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборат магния (MgB).
ReBCO обычно изготавливают в виде лент со структурой, показанной на фигуре 1. Такая лента 100 обычно имеет толщину приблизительно 100 микрометров и включает в себя подложку 101 (обычно - электрополированный хастеллой толщиной приблизительно 50 микрометров), на которую методом ионно-лучевого осаждения (IBAD), магнетронного напыления или другим подходящим методом нанесена последовательность буферных слоев, известная как буферный пакет 102, с приблизительной толщиной 0,2 микрометра. Эпитаксиальный слой 103 ВТСП-ReBCO (нанесенный методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) или другим подходящим методом) покрывает буферный пакет и обычно имеет толщину 1 микрометр. На слой ВТСП методом магнетронного напыления или другим подходящим методом нанесен слой 104 серебра толщиной 1-2 микрометра, и на ленту гальваническим или другим подходящим методом нанесен стабилизирующий слой 105 меди, который часто полностью инкапсулирует ленту.
Подложка 101 обеспечивает механическую основу, которая может подаваться по производственной линии и позволяет выращивать последующие слои. Буферный пакет 102 требуется для обеспечения биаксиально текстурированного кристаллического шаблона, на котором будет расти слой ВТСП, и предотвращает химическую диффузию элементов из подложки в ВТСП, что нарушает его сверхпроводящие свойства. Слой 104 серебра требуется для обеспечения перехода с низким сопротивлением от ReBCO к стабилизирующему слою, а стабилизирующий слой 105 обеспечивает альтернативный путь тока в случае, если какая-нибудь часть ReBCO перестает быть сверхпроводящей (переходит в «нормальное» состояние).
Общая проблема при проектировании сверхпроводящих систем, таких как магниты, состоит в получении больших токов при криогенных температурах с минимальной тепловой нагрузкой на криогенную среду. Обычно большой ток генерируется при комнатной температуре (т.е. вне криогенной среды) и переносится в криостат по токопроводам (токовводам). Токопроводы обычно представляют собой сочетание меди (для температур около 300K), латуни (для температур от 300 K до 77 K) и высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) (для температур ниже 77 K). Токопроводы могут также применяться для переноса тока в областях системы при одной температуре.
Можно применить другие решения, например, с импульсным источником питания, который передает мощность в криостат, но они обычно будут по-прежнему включать в себя ВТСП-токопроводы между источником питания и сверхпроводящей системой.
ВТСП-токопроводы могут быть либо жесткими, либо гибкими. Жесткие токопроводы могут создавать механические проблемы из-за термической усадки при охлаждении криостата. Гибкие токопроводы требуют бережного обращения, так как ВТСП-лента будет трескаться, если сгибать ее со слишком малым радиусом, и будет иметь сниженный критический ток, если она испытывает деформацию вследствие изгиба во время работы.
Сущность изобретения
В соответствии с первым аспектом предлагается ВТСП-токопровод. ВТСП-токопровод содержит ВТСП-кабель, содержащий множество ВТСП-лент; оплетку вокруг ВТСП-кабеля; и материал-стабилизатор, пропитывающий ВТСП-кабель и оплетку. Материал-стабилизатор имеет температуру плавления выше критической температуры ВТСП-лент и ниже температуры термической деградации ВТСП-лент.
В соответствии со вторым аспектом предлагается способ изготовления ВТСП-токопровода. Обеспечивают ВТСП-кабель, содержащий множество ВТСП-лент. Размещают оплетку вокруг кабеля. Размещают герметичную оболочку вокруг оплетки. Наполняют герметичную оболочку материалом-стабилизатором, причем материал-стабилизатор имеет температуру плавления выше критической температуры ВТСП-лент и ниже температуры термической деградации ВТСП-лент. Наполняют герметичную оболочку.
В соответствии с третьим аспектом предлагается способ изменения формы ВТСП-токопровода по первому аспекту и дополнительно содержащего герметичную оболочку вокруг материала-стабилизатора. Нагревают ВТСП-токопровод до температуры выше температуры плавления материала-стабилизатора и ниже температуры деградации ВТСП-ленты. Изгибают ВТСП-токопровод до требуемой формы. Позволяют ВТСП-токопроводу охладиться при поддержании его с требуемой формой.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 - схематическое изображение ВТСП-ленты;
Фигура 2 - схематическое изображение примерной конструкции ВТСП-токопровода;
Фигура 3 - схематическое изображение примерной конструкции ВТСП-токопровода, содержащего наконечники.
Подробное описание
Конструкция ВТСП-токопровода показана на фигуре 2. ВТСП-токопровод содержит множество ВТСП-лент 201, которые удерживаются в оплетке 202. Ленты 201 и оплетка 202 заключены в воске 203, который удерживается на месте оболочкой 204.
ВТСП-ленты могут быть собраны стопкой (т.е. все параллельны) или организованы в кабель в некоторой другой ориентации (например, скрученные стопки или плетеные кабели).
Оплетка делает токопровод более объемным, а это означает, что намного труднее согнуть токопровод с радиусом изгиба, который причинил бы повреждение лентам, по сравнению с изгибанием одного лишь кабеля. Оплетка может содержать металл, чтобы служить также электрическим «стабилизатором» для ВТСП-лент, т.е. в качестве альтернативного пути тока в случае, если ток по ВТСП-лентам превышает критический ток. Подходящие для оплетки металлы включают латунь или медь, и нити из этого металла могут быть покрыты другим металлом, например, свинцово-оловянным (PbSn) припоем (для низкотемпературной пайки).
Оплетка может быть выполнена с возможностью полного предотвращения изгиба с радиусом кривизны меньше некоторого значения.
Воск служит сохранению конструктивной стабильности токопровода во время обращения с системой и во время работы сверхпроводящей системы. Токопровод можно нагреть до расплавления воска, чтобы его можно было изогнуть для придания требуемой формы, а затем позволить охладиться, сохраняя данную форму. Подходящие воски будут иметь температуру плавления выше предполагаемой температуры эксплуатации токопровода (например, 77 K или критической температуры ВТСП-лент) или выше комнатной температуры (290 K, чтобы обеспечить их стабильность при комнатной температуре), но ниже температуры деградации ВТСП (т.е. температуры, при которой происходило бы необратимое повреждение ВТСП, обычно около 200°C). Если температура плавления оплетки, оболочки или любого припоя в ВТСП-токопроводе составляет ниже температуры деградации ВТСП, то температура плавления воска может быть также ниже нее, или же тепло можно подводить таким образом, чтобы предотвратить достижение компонентами с меньшими температурами плавления той же температуры, что и воск (например, исключая паяные зоны).
Хотя воск применяется в данном случае в качестве примера, другие вещества с температурой плавления выше комнатной температуры и ниже температуры деградации ВТСП также будут пригодны для применения в качестве материалов-стабилизаторов для пропитки ВТСП-токопровода.
Свойства воска в ходе криогенного охлаждения также можно учитывать, так как некоторые воски будут разрушаться до порошка при охлаждении до криогенных температур и нагревании обратно до комнатной температуры, и будут непригодны для тех применений, при которых ожидаются циклы охлаждения и нагревания (но будут пригодны для устройств, постоянно поддерживаемых при криогенных температурах). Воски, которые хорошо работают при криогенных температурах, можно определить обычным экспериментальным путем.
Жесткость воска при комнатной температуре и при криогенных температурах также будет учитываться, в зависимости от проектных ограничений системы. Более жесткие воски будут обеспечивать улучшенную защиту конструкции во время эксплуатации (например, от воздействия сил Лоренца), но могут вызывать механические проблемы из-за термической усадки. Более гибкие воски будут обеспечивать меньшую защиту от сил Лоренца, но смогут легче изгибаться для приспосабливания к термической усадке.
Одним воском, который удовлетворяет вышеупомянутым условиям, является пчелиный воск (с температурой плавления 60°C и стабильный на протяжении криогенных циклов). Хотя здесь применяется термин «воск», им может быть также смесь разных восков или других материалов для достижения требуемых свойств.
Оболочка 204 может быть термоусаживающимся материалом, так что при нагреве воска для изменения формы кабеля термоусаживающийся материал будет усаживаться, помогая воску заполнять любые пустоты в конструкции. После того как ВТСП-токопроводу придана форма по месту установки и воск отвердел, оболочку 204 можно снять, при желании, или оставить для дополнительной электрической изоляции.
Многие материалы, которые в ином случае были бы пригодны для обеспечения герметичной оболочки, будут становиться ломкими при криогенных температурах. Следовательно, оболочка 204 может содержать первую оболочку для «комнатной температуры», которая является герметичной при комнатной температуре и при температуре, необходимой для расплавления воска, и вторую «криогенную» оболочку, охватывающую оболочку для «комнатной температуры», которая поддерживает конструктивную целостность при криогенных температурах.
Фигура 3 является схематическим изображением соединения ВТСП-токопровода по фигуре 2 с контактной колодкой. Контактная колодка может применяться для электрического, теплового и конструктивного соединения ВТСП-токопровода с другими компонентами.
ВТСП-токопровод 200 имеет те же компоненты, что и прежде, т.е. ВТСП-ленты 201, оплетку 202, воск 203 и оболочку 204. ВТСП-ленты 201 выходят за пределы оплетки 202 в контактную колодку 300. Дополнительные медные ленты могут быть размещены между ВТСП-лентами таким образом, что они простираются дальше внутрь контактной колодки, и обеспечивают дополнительную медь в случае избыточного тока - контактная колодка, вероятно, будет подвергаться резистивному нагреву, что снизит критический ток лент и приведет к большему риску нарушения сверхпроводимости, и добавочная медь способствует ослаблению данного эффекта.
Контактная колодка может быть образована из верхней 301 и нижней 302 частей, между которыми зажаты ВТСП-ленты. В качестве альтернативы, контактная колодка может быть выполнена в виде единого блока, имеющего выемку или сквозное отверстие для приема ВТСП-лент. Можно также использовать и другие подходящие конструкции. Выемка или сквозное отверстие в контактной колодке (или пространство между двумя частями в примере с зажимом) может охватывать ВТСП-ленты с точностью в пределах 0,1 мм, чтобы позволить им легко припаиваться к контактной колодке.
Оплетка 202 охватывает выступ 303 со стороны контактной колодки, и оболочка 204 также проходит вокруг этого выступа. Оплетка 202, ВТСП-ленты 201 и контактная колодка 300 могут быть соединены низкотемпературной пайкой, например, путем окунания всей колодки и выступов в припой (с обереганием оболочки 204 и воска 203 от контакта с горячим припоем). Припой следует выбирать с температурой плавления ниже температуры деградации ВТСП. На стык между контактной колодкой и оболочкой 204 может быть нанесен герметик.
ВТСП-токопровод, включающий в себя контактные колодки, можно изготавливать с помощью следующих этапов:
1. Разрезают ВТСП-ленты на части заданной длины и собирают в кабель (например, путем укладки в стопку).
2. Насаживают первую контактную колодку на один конец кабеля.
3. Разрезают оплетку на части требуемой длины и надевают на кабель, вплоть до первой контактной колодки и вокруг выступа.
4. Окунают первую контактную колодку в припой, чтобы прикрепить ВТСП-кабель и оплетку друг к другу и к первой контактной колодке.
5. Надевают оболочку на оплетку и герметизируют на конце, смежном с первой контактной колодкой.
6. Заполняют оболочку воском и временно закрепляют на конце, наиболее удаленном от первой контактной колодки, так что данный конец удерживается на некотором расстоянии от места, где будет прикрепляться вторая контактная колодка.
7. Насаживают вторую контактную колодку на свободный конец кабеля и надвигают оплетку на выступ второй контактной колодки.
8. Окунают вторую контактную колодку в припой, чтобы прикрепить ВТСП-кабель и оплетку друг к другу и второй контактной колодке.
9. Сдвигают оболочку на вторую контактную колодку и герметизируют на этом конце.
10. Нагревают сборку, чтобы расплавить воск (и обеспечить усадку термоусаживающегося материала, если таковой применяется для оболочки).
Приведенные этапы можно изменять в зависимости от наконечников, отличающихся от контактных колодок, описанных со ссылкой на фигуру 3. В общем, формирование ВТСП-токопровода потребует выполнения следующих этапов:
1. Обеспечение ВТСП-кабеля, содержащего множество лент.
2. Размещение оплетки вокруг кабеля.
3. Размещение оболочки вокруг оплетки.
4. Наполнение оболочки воском (либо расплавленным, либо в виде гранул).
5. Герметизация оболочки.
6. Расплавление воска, если применялись гранулы.
Данные этапы можно выполнять в ином порядке или разбивать на подэтапы, при необходимости, для соединения ВТСП-кабеля с используемыми наконечниками.
Если используют ВТСП-кабели, содержащие уложенные в стопку ленты (и, потенциально, при других конструкциях кабелей), относительные ориентации контактных колодок будут ограничены близкими к их ориентации тогда, когда кабель изготавливают (например, если контактные колодки параллельны, то они будут оставаться почти параллельными по мере того, как ВТСП-токопровод изгибают). Это обусловлено тем, что значительное изменение относительных ориентаций контактных колодок потребовало бы, чтобы ВТСП-ленты с одной стороны стопки растягивались относительно ВТСП-лент с другой стороны стопки. Это можно смягчить предварительным изгибом ВТСП-кабеля со стопкой лент перед закреплением второй контактной колодки так, чтобы контактные колодки имели требуемую относительную ориентацию.