用於超導裝置的電介質襯底和使用這種襯底的超導產品的製作方法

2023-12-10 13:58:07

本發明處於超導裝置領域，並且涉及用於具有降低ac損失的高溫超導裝置中的電介質襯底和使用這種襯底的超導裝置。

背景技術：

今天超導導線的一個突出問題是不期望的ac損失。這與跨超導材料移動且引入顯著損失的磁渦旋有關[ernsthelmutbrandtandmikhailindenbom,"type-ii-uperconductorstripwithcurrentinaperpendicularmagneticfield",phys.rev.bvol48,17(1993)pp.12893-12906]。

已經開發用於降低ac損失的各種技術。這些技術包括使用非磁性襯底以去除襯底的鐵磁損失；以絲狀設計製造塗布導體且將長絲寬度製成非常窄，以降低超導層中的磁滯損失；增大襯底和絲間路徑的電阻，以分別減小渦流和耦合電流。

美國第8481460號和8227082號專利描述了一種晶體產品，該晶體產品包括單晶陶瓷纖維、沿著長度具有至少一個結晶學刻面的帶，該帶通常至少一米長。在藍寶石的情況下，刻面是r平面、m平面、c平面或a平面刻面。包括超導產品的外延產品可以形成在這種纖維、帶上。

美國第8664163號專利描述了一種產品，該產品包括承載化學式yba2cu3o7-x(ybco)的化合物的超導層的藍寶石襯底，該層具有至少10cm2的表面積和在77k溫度時至少100a/cm寬度的臨界電流。超導層的厚度在10nm至50nm之間，或者可以多於600nm。ysz層和非超導ybco層可以在超導層與襯底之間分離。

技術實現要素：

本領域中需要新方法來構造用於高溫超導裝置中的電介質襯底結構。

本發明的發明人已經發現，在特定種類的已知裝置中，由於跨超導體材料移動的磁渦旋而引起的ac損失關聯於生成電流的所塗布的導體的平面幾何結構(即，厚度<<寬度)，這使得導致變化的高邊緣場(ac場)轉而引起磁渦旋。

在上面指出的美國第8481460號和8227082號專利的裝置構造中，通過沿著纖維、帶的長度相對於彼此加捻或調換多個纖維、帶來實現邊緣場的減小且因此實現ac損失的降低。根據該技術，纖維(帶)具有減小的厚寬比且被刻面，即，沿著纖維長度(例如，至少一米長)構造有一個或更多個晶面，而不是使用為圓形且沒有刻面的傳統光纖。刻面構造的目的在於提供允許沿著產品的長度相對於彼此加捻、編織或調換的柔性，諸如以降低ac損失。然而，將兩個相反的導電股纏繞在一起來取消雜散磁場或使雜散磁場最小化(該技術與傳統銅線一起使用)需要加捻線之間的良好絕緣，而且需要允許期望導線柔性的導線形狀因數。

另一種技術使用雙股直線餅形線圈構造，其中，堆疊兩個相反的導電平面超導帶，以用將消除(或最小化)雜散磁場的方式儘可能靠近地設置兩個相反的電流路徑[doannnguyenetal.,"aclossstudyofantiparallelconnectedybcocoatedconductors",supercond.sci.technol.22(2009)055014；js'oucetal.,"coatedconductorarrangementorreducedaclossesinaresistive-typesuperconductingfaultcurrentlimiter",supercond.sci.technol.25(2012)014005]。然而，生成電流的超導帶被塗布在金屬襯底上，並且為了在沒有短路的情況下將兩個這種導線堆疊在一起，需要良好的絕緣。添加將緊密且均勻包裝在超導帶之間且將能夠維持多個冷卻周期是會導致製造工藝高度複雜化的困難甚至是不可能的任務。

本發明提供了一種襯底結構，該襯底結構具有新穎構造，以適於用於具有低的ac損失的超導裝置中，例如，具有雙股狀構造的超導裝置。襯底結構包括由電介質材料成分(諸如藍寶石或矽)製成的襯底，並且優選地還包括位於襯底的至少一個表面上的緩衝層，超導結構形成在該緩衝層上。

襯底具有帶狀形狀(即，是具有寬度、厚度以及長度的細長元件(具有大致矩形橫截面))。根據本發明，襯底具有所選擇的相對較高的寬度/厚度寬高比(aspectratio)，其支持長、薄的構造以及如果需要，柔性的構造。並且，襯底結構具有高平滑性(例如，小於1nmrms且優選地小於0.3nm的表面粗糙度)的大體平面構造，即大致平行相反表面(在相反表面上或其中至少一個表面上要形成超導結構)。在相反表面上承載類似超導結構的襯底結構的這種構造允許電流沿相反方向通過超導結構，以解決ac損失降低問題。

寬度/厚度寬高比可以大於10且優選地大於50。例如，襯底可以具有大於5mm的寬度和小於0.5mm的厚度(優選地為0.15±0.05mm厚)。兩個平面的/平滑的且平行的相反表面被構造成用於在上面外延生長類似的高質量的超導結構(例如，reba2cu3o7-x(「re」表示稀土金屬))。

如已知的，高質量的reba2cu3o7-x超導體層以至少86k(-185.15℃)的過渡溫度和至少1×106a/cm2的在液氮溫度(77k)時的臨界電流密度來表徵。為此，本發明的襯底結構還被構造成使得襯底結構的最頂層具有儘可能接近於(±10％)要形成在所述層上的超導結構的晶格參數(或原子間距離)的晶格參數(例如，yba2cu3o7-x中的原子間距離為3.83-3.88埃)。這種層是在襯底的平面表面上的緩衝層，其還防止電介質襯底與超導層之間的原子擴散。

由此，本發明的襯底結構可以在其一側或兩側(即，平面平滑表面)上塗布有合適的超導層(例如，reba2cu3o7-x超導層)，並且可以用於具有超導體的雙股繞組的ac超導裝置中。襯底的電介質性質允許在兩側上沿相反的方向驅動電流(反平行構造)，這減小了來自兩面的雜散磁場，由此大幅降低ac損失。

在一些實施方式中，在襯底的一個或兩個平滑平行表面上的緩衝層是連續層(不被構圖)，並且優選地具有小於1nmrms的表面粗糙度。

緩衝層的厚度可以在10-100nm的範圍內或在100-1000nm的範圍內。

緩衝層可以包括釔穩定的氧化鋯(8-10％)(亦稱ysz)或二氧化鈰(ceo2)。緩衝層可以由除了襯底的材料成分之外的兩個或更多個化合物組成。

電介質襯底可以為具有平面/平滑平行表面的r平面方位的單晶藍寶石帶或具有平面平行表面的[100]方位的單晶矽帶。

由此，本發明提供了一種用於超導裝置中的襯底結構，該襯底結構具有兩個相反的平行表面，並且被構造成用於在所述相反平行表面的至少一個表面上承載至少一個超導結構，其中，襯底結構包括由電介質材料成分製成的襯底，所述襯底具有預定幾何結構的帶狀形狀，該幾何結構以至少10的寬度-厚度寬高比和由大致不超過1nmrms的表面粗糙度限定的所述相反平行表面的大致平面性來表徵。

如上面指示的，襯底還可以包括位於襯底的至少一側上的至少一個緩衝層，該至少一個緩衝層被構造成用於承載超導結構。緩衝層被選擇成具有與上面承載的超導結構的晶格參數匹配的晶格參數。緩衝層比襯底薄至少100倍。這種薄的電介質襯底(以及襯底和緩衝結構)提供襯底結構的期望柔性。例如，這種柔性結構的彎曲半徑大致不超過20cm。襯底結構可以如期望的那樣長，例如，長於1m。

襯底優選地由藍寶石或矽材料製成。

將理解的是，這種薄襯底結構(即，具有至少10的高的寬度-厚度寬高比)(例如，小於0.5mm厚度的襯底結構)提供以將兩個超導結構放置為非常靠近彼此。

在一些實施方式中，兩個超導結構可以位於襯底結構的相反表面上，由此僅由它們之間的襯底結構分離。這是超導元件的雙側構造。在一些其他實施方式中，在超導元件是單側元件(即，超導結構位於襯底結構的一側上)的情況下，兩個這種元件可以被彼此平行容納且靠近彼此直到它們之間物理接觸為止(其中，一個元件的襯底結構的表面面向(接觸)另一個元件的超導結構)。在一些實施方式中，這種緊密相鄰超導元件(單側或雙側元件)可以為由長柔性超導元件/帶形成的線圈的繞組的相鄰片段(segment)。

根據本發明的另一個廣泛方面，提供了一種超導裝置，該超導裝置包括至少一個超導元件，超導元件包括上述襯底結構和在相反表面中的一個表面上的超導結構或在襯底結構的兩個相反平面表面上的兩個類似超導結構。該裝置允許電流沿相反方向穿過超導結構，從而以降低的ac損失來表徵。

在這種裝置中，在其平面表面中的至少一個上具有至少一個超導結構的襯底結構可以被構造成形成至少一個雙股超導線圈。當電流流過線圈時，在相鄰線圈繞組的面向彼此的片段中的電流在大小上相同且具有相反的方向，從而減小雜散磁場並提供減小的ac損失。

裝置可以包括至少兩個隔開的超導元件，各超導元件由襯底結構形成，兩個超導結構在襯底結構的兩個相反平面表面上。超導元件可以串聯或並聯連接。如果電流流過超導元件，則在一個超導結構中流動的電流與在另一個超導結構中流動的電流在大小上相同且在方向上相反，從而減小雜散磁場並提供降低的ac損失。

根據本發明的又一個廣泛方面，提供了一種包括至少一個雙股超導線圈的雙股式超導裝置，該超導線圈由薄柔性襯底結構形成，該襯底結構具有在相反表面中的至少一個上承載至少一個超導帶的帶狀形狀，襯底結構包括襯底，該襯底由電介質材料成分製成且具有預定幾何結構，該幾何結構以至少10的寬度-厚度寬高比和由大致上不超過1nmrms的表面粗糙度限定的所述相反表面的大致平面性來表徵，使得當電流流過線圈時，在相鄰線圈繞組面向彼此的片段中的電流在大小上相同且具有相反的方向，從而減小雜散磁場並提供裝置的降低ac損失。

根據本發明的又一個廣泛方面，提供了一種包括至少兩個隔開的超導元件的雙股式超導裝置，各超導元件由薄柔性襯底結構形成，該襯底結構具有帶狀形狀在其相反表面上承載兩個超導帶，襯底結構包括襯底，該襯底由電介質材料成分製成且具有預定幾何結構，該幾何結構以至少10的寬度-厚度寬高比和由大致不超過1nmrms的表面粗糙度限定的相反表面的大致平面性來表徵，使得當電流流過超導元件時，在一個超導結構中的電流與所述元件的另一個超導結構中的電流在大小上相同且在方向上相反，從而減小雜散磁場並提供降低的ac損失。

本發明在其又一個方面中提供了一種用於製造超導裝置的方法。方法包括以下步驟：向由電介質材料成分製成的帶應用邊緣限定生長，從而將帶直接拉成期望的帶狀形狀，該帶狀形狀以至少10的寬度-厚度寬高比和由大致不超過1nmrms的表面粗糙度限定的相反平行表面的大致平面性來表徵；以及在襯底結構的所述相反表面中的至少一個上方形成至少一個超導層(直接形成在襯底上或使用至少一個緩衝層塗布來形成)。

附圖說明

為了更好地理解這裡所公開的主題且例示它實際上可以如何進行，現在將參照附圖僅用非限制性示例的方式描述實施方式，附圖中：

圖1a和圖1b示意性例示了根據本發明的示例的襯底結構；

圖2示意性例示了製造雙側塗布襯底的示例；以及

圖3a和圖3b示意性例示了使用本發明的襯底結構的超導裝置的兩個示例。

具體實施方式

參照示意性示出了本發明的襯底結構10的兩個示例的圖1a和圖1b。如下面將進一步例示的，襯底結構包括具有預定幾何結構的電介質襯底12。同樣，優選地，襯底結構包括在襯底的至少一個表面上的至少一個緩衝層。在圖1a的示例中，襯底結構10包括在襯底12的一個表面12a上的緩衝層14a。在圖1b的示例中，襯底結構10包括分別在襯底12的兩個相反表面12a和12b上的兩個緩衝層14a和14b。

襯底結構的幾何結構被選擇成提供結構的寬度w與厚度t之間的高的寬高比。應理解，例示是示意性的，並且幾何參數不是表示比例。還應注意，緩衝層14a(14b)的厚度t比襯底12的厚度t小至少兩個量級。例如，襯底可以具有大約100μm的厚度t，並且可以用具有大約1μm或更少的厚度t的緩衝層(在至少一個表面上)塗布。因此，襯底結構10的厚度實際上由襯底12的厚度t來限定。

並且，襯底12具有大致平面的幾何結構。幾何結構的平面性由以下來提供：相反表面12a和12b大致平行於彼此，並且在這些表面中，要在在上面承載超導結構的至少一個平面是大致平滑的(即，具有大致不超過1nmrms且優選地不超過0.3nmrms的表面粗糙度)。

襯底結構的厚度優選地在0.05-0.4mm的範圍內。在一些實施方式中，這種高的寬高比襯底結構的長度使得襯底結構由於20cm或更小的彎曲半徑而是柔性的。襯底結構的寬度優選地在4-10mm的範圍內，但在一些實施方式中，寬度可以大於10mm。寬度-厚度比可以在大約10-50的範圍內，並且在一些實施方式中可以大於50。

通常，襯底結構的寬度比其厚度至少高10倍。這種薄襯底結構期望地可以是柔性的，例如，具有小於20cm的彎曲半徑，這允許緊湊地包裝薄襯底結構，以形成具有中等形狀因數的裝置。襯底結構的長度可以在0.1m至10m的範圍內，或大於10m。

上述高的寬高比、高的平面性、電介質襯底可以使用適當技術，諸如邊緣限定生長(efg)，以期望的形狀和表面質量來直接生產。將帶直接拉成其期望形狀而不是常用的體晶生長技術具有如下的若干關鍵優點：該「直接拉伸」技術消除了對後生長拋光和切割的需要。以期望的形狀和幾何結構直接製造襯底。原生襯底的期望小表面粗糙度可以被自動實現(這樣獲得的表面是平坦/平滑的)，例如，粗糙度小於1nmrms。相比之下，當使用體生長方法時，從大晶錠切下電介質材料，然後使電介質材料經受若干複雜拋光步驟。同樣，「直接拉伸」技術由於小質量的薄襯底(短的冷卻時間)而提供較短的生產時間。同樣，該技術提供沒有長度限制的連續襯底的生產。

參照圖2，圖2示意性示出了用於生產雙側塗布襯底結構10(諸如圖1b的襯底結構)的系統100的示例。在該示例中，系統使用磁控濺射技術。如圖所示，在生產上述電介質襯底12(即，具有期望的幾何結構：高的寬高比和高的平面性)之後，用適當的緩衝層在襯底12的兩個表面12a和12b上對襯底12進行塗布。在本示例中，系統100包括被容納在兩個支撐輥r1和r2之間沿滾動方向d軋制的薄襯底帶的相反側的磁控濺鍍機102和加熱器104。通常，緩衝層可以使用任意已知的合適方法來外延生長，諸如磁控濺射、脈衝雷射沉積(pld)、溶膠-凝膠(sol-gel)沉積、離子束輔助沉積(ibad)等。塗布可以同時在兩側上使用輸送機構(例如，如附圖中所示的滾動機構)來連續進行。另選地，緩衝可以分別塗布在一個或兩個表面12a、12b上，可能非原位地塗布。

雖然未具體示出，但應注意的是，然後可以在襯底結構10上形成至少一個超導體層。超導層可以為yba2cu3o7-x。超導結構(單層或多層結構)可以直接形成在緩衝層的頂部上。另選地，可以在緩衝與超導體之間設置另外的自模板層(selftemplatelayer)。

因此，本發明提供了一種新穎的用於超導裝置中的襯底結構，該襯底結構基於高的寬高比雙側襯底的裝置使得能夠具有低的ac損失。本發明的超導裝置包括使用上述襯底結構的超導帶。更具體地，這種裝置可以包括至少一個超導帶(通常為薄超導結構)，該超導帶被塗布在前面提及的高的寬高比、高的平面性的電介質襯底結構的至少一個表面上。

在一些實施方式中，裝置被構造成用於在兩個超導結構中沿相反方向驅動ac電流。這與由金屬塗布的超導帶(塗布導體)製成的類似裝置相比顯著降低電ac損失。

具有上述特性的柔性雙側超導帶結構可以被纏繞成線圈形狀，這形成被稱為的雙股繞組線圈。這種雙股線圈在關於大量超導材料維持小形狀因數的同時具有低的寄生自感。

這種裝置可以被構造成且可作為超導故障電流限制器或sfcl、限制電網中的電流的可再用熔斷器操作。sfcl串聯連接到電網，並且在理想操作期間，不消耗能量(無電壓降)。在故障期間，內部的超導體變成普通材料並以熱量的形式耗散過量的能量。sfcl的總功率容量依賴於具有典型能量密度1000-2000w/cm2的超導材料的總面積。

參照圖3a和圖3b，圖3a和圖3b例示了使用高的寬高比、高的平面性電介質襯底結構的雙股式超導裝置。在圖3a的示例中，超導裝置20含有由上述柔性高的寬高比電介質襯底結構製成的雙股超導線圈(通常為至少一個這種線圈)。在圖3b的示例中，超導裝置30由多片分離的上面提及的非柔性雙側超導帶來構建。超導帶可以串聯連接(這形成裝置元件)，以通過具有有效較大的超導體面積且因此具有較高的正常態電阻而實現較高的功率限制能力。另外，多個裝置元件可以並聯連接，以實現整個超導裝置的較高電流容量。如圖3b所示，為了減小雜散磁場並實現低ac損失，各超導體元件中的電流以所謂的「反平行模式」流動，即，頂層上的電流與底層中流動的電流在大小上相同但在方向上相反。

如上所述，用於這種雙股線圈中的襯底可以由任意已知的合適電介質材料成分製成。由藍寶石或矽製成的電介質襯底結構的使用可以是有利的。例如，這使得與基於塗布導體的fcl相比，能夠獲得較高的能量容量。這是由於襯底較佳的導熱而實現的。高導熱性保證在故障期間熱量沿著超導體快速傳播，從而避免高能量集中和可能的裝置燒壞。已經示出，藍寶石晶片提供提高的功率限制能力，多達3個數量級[ernsthelmutbrandtandmikhailindenbom,"type-ii-superconductorstripwithcurrentinaperpendicularmagneticfield",physicalreviewb,volume48,number17,1november1993,pp.12893-12906]。同樣，藍寶石或矽襯底的使用降低了維護和低溫成本。由電介質薄襯底支持的雙股構造減小雜散磁場，並大幅降低理想工作期間的ac損失。