CN1029888C - 超导设备 - Google Patents
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Abstract
一种超导设备(K1，K2)包括：一待冷却的超导部件(1)；一冷却元件(2)，电能供给其上时呈现珀耳帖效应，使得超导部件(1)与冷却元件(2)的冷却部分(8)热耦合；以及一用以容纳超导部件(1)和冷却部分(8)的容器(3)。
Description
本发明一般涉及超导电性，更详细地涉及一种超导设备，在该设备中装有呈现超导电性的材料或一元件和一冷却元件。
众所周知，当某一种导电材料被冷却至低温，例如，一种铅铌合金被冷却至大体上与液氦的温度相等的低温而电阻变为零时就出现超导电性。因此，如果超导电性被应用于开关元件或高灵敏传感器等，因为这些元件能无功率消耗地工作，故可以获得非常良好的优点。另一方面，在此时，因为必需低温冷却，元件应当容纳在冷却器件中，即所谓使用液氦和液氮的低温恒温器中。由于这冷却器件尺寸大、复杂和昂贵，这些元件不被付诸实际使用，而因此在目前超导电性没有广泛地应用于普通的器件。
最近，发现如陶瓷这种材料显示出超导电性。可以期望，如果使用这些材料，就能获得在较液氦温度高得多的温度下工作的超导设备。但是，即使使用这些材料，也一定需要提供用以冷却材料至很低的温度的装置，以便导致具有高再现性的超导电性，使超导设备做得更可靠，从而使超导设备尺寸大而导致超导设备的生产成本高。
因此，本发明的一个主要目的是提供一种小型和价廉的超导设备，其中起冷却装置作用的电子冷却元件，与超导材料整体地配置作为密封元件，以便被电连接至一外电路，致使超导设备能大体上以与晶体管或电子管相同的方式很容易地加以使用。
本发明的另一个重要的目的是提供一种超导设备，在其中采用了珀耳帖效应元件，用以在低温，例如在100K或以上冷却一呈现超导电性的
超导元件，以致由流经珀耳帖效应元件的电流产生的磁场，并不影响超导元件的工作。
为了实现本发明的这些目的，根据本发明的一个实施例提供了一种超导设备，其中一种待冷却的超导部件，与当电功率供给冷却元件时呈现珀耳帖效应的冷却元件的冷却部分热耦合，以致该超导部件被冷却元件冷却至一温度，在该温度下超导部件呈现超导电性。
而且，在本发明的超导设备中，由流经冷却元件的电流所产生的磁场被消除或被减至最小，而具有大的导热系数和高的磁屏蔽能力的磁屏蔽部件被配置在超导元件和冷却元件之间，从而使超导元件不受磁场磁性的影响。
在本发明的超导设备中，为了提高磁屏蔽部件的磁屏蔽作用，磁屏蔽部件的面积大于冷却元件的冷却部分的面积，以及磁屏蔽部件的一个末端部分被弯向冷却元件。此外，冷却元件的冷却部分和超导部件被容纳在容器内，以致超导部件能易于运用。同时，该容器是由具有高的磁屏蔽能力的材料制成，使得外磁场并不影响超导部件的工作。
本发明的这些目的和特征，将从下列结合其最佳实施例参照附图的说明中变得更明白，其中：
图1是表示根据本发明的第一实施例的超导设备基本结构的示意图;
图2a和2b是表示在图1的超导设备中使用的超导元件特性的曲线;
图3是表示图1的超导设备的冷却装置主要部分的剖面图;
图4a和4b是分别表示图3的冷却装置的改型的顶视图和侧视图;
图5是表示图3的冷却装置另一改型的剖面图;
图6a和6b是分别表示图3的冷却装置再一个改型的示意图和透视图;
图7是表示使用在图1的超导设备中的电子冷却元件的另一实例的剖面图;
图8是一相似于图3的视图，特别是表示使用磁屏蔽片的本发明的
第二实施例;以及
图9是表示图8的磁屏蔽片的一种改型的透视图。
在进行叙述本发明以前，应该指出，在附图的所有视图中相同的部件用相同的标号表示。
现参阅附图，在图1中示出根据本发明第一实施例的一种超导设备K1。该超导设备K1包括一超导元件1、一冷却器2和一容器3，超导元件1和冷却器2容纳在该容器3中。该超导元件1是由铜、氧、稀土元素（诸如镧、钡、钇、锶、铋）和/或等等混合得到，且在比较高的温度下呈现超导电性。该超导元件1被放置在冷却器2上，该冷却器2装有一具有半导体珀耳帖效应的电子冷却元件。该超导元件1甚至在100K或以上的温度下具有超导特性，且被用作一种约瑟夫森元件、一种信号放大元件、一种微波传感器、一种磁传感器等。
在超导设备K1中，该超导元件1可以通过铊、钡、钙、铜和氧的矩形烧结部件获得，电极是用钛淀积和银糊膏附于该超导元件1上。例如，该矩形超导元件1的长度为7毫米、宽为1毫米和高为0.7毫米。如图2a中所示，在这种情况下，超导元件1的电阻在125K的温度下到达零。如图2b中所示，该超导元件1因磁场施加于其上而丧失超导电性，以致超导元件1具有电阻，而因此能用作一种灵敏的磁传感器。除了上述超导设备K1的装置外，该超导设备K1能有各种变更，例如变成半导体器件，在该器材中超导材料作为半导体电路的连接线被设置在与一电子冷却元件或一装置相热耦合的一冷却片上，在该装置中一集成电路被放置在冷却片上。
超导元件1在良好的导热状态下，通过电绝缘体被粘结于冷却器2，且被密封在处于真空或在例如氩、氮、氖、氦等惰性气体气氛中的容器3内。冷却器2被固定于容器3底壁的内表面上，且通过一引线被连接至外电路。同样，引线连接超导元件1和外电路，以便形成一信号输入
输出线路。
藉电能供给冷却器2的冷却元件，冷却器2的温度就下降，而因此与冷却器2热耦合的超导元件1被冷却到它的工作温度。在这种情况下，容器3的内部保持在真空条件，容器3中并不发生凝结，而且在冷却器2的周围也并不发生不必要的热传导或对流，因此超导元件1被冷却器2有效地冷却。
图3表示超导设备K1的超导元件1和冷却器2的具体结构。电子冷却元件的一对散热电极7并排着配置，且分别通过一对电绝缘薄层6a放置在构成容器3底部的散热片5上。用以完成珀耳帖效应的各P型和N型半导体片2a和2b的一末端部分，与各散热片7相耦合。一冷却电极8跨接在P型半导体片2a的另一末端和N型半导体片2b的另一末端上。连接于外电路的一引线端9利用电绝缘层6b在电绝缘状态下被可靠地穿过隔热片5，并进一步贯穿各电绝缘层6a，以便被连接于各散热电极7，使得电能被供应给电子冷却元件。超导元件1通过一电绝缘层6c被固定于冷却电极8。电绝缘层6a、6b和6c最理想的是由具有良好电绝缘性能和高导热率的陶瓷材料制成。
同时，在用电绝缘体复盖超导元件1的情况下，就不需要设置电绝缘层6c。引线10从超导元件1延伸出来，且各引线10被电气连接至电极接线端11，该接线端11固定地穿过容器3的顶壁，使得通过各引线10和电极接线端11在超导元件1和一外电路之间形成一信号输入/输出线路。在散热片5和容器3的周围侧壁之间的接口部分，该容器3是密封的。
容器3的周壁是由涂复玻璃或光滑的金属形成，或是装有隔热材料，以便防止从外面吸收辐射热。电子冷却元件的半导体片2a和2b可以由包含铋、碲、锑等的合金制成。但是，如果半导体片2a和2b是由在低温时具有良好冷却作用的氧化物半导体制成，或是由氧化物半导体的化合物制成，则可获得更显著的冷却作用。
图4a和4b表示一冷却器2′，该冷却器2′是超导设备K1的冷却器2的一种改型。在该冷却器2′中，电子冷却元件是一种六级级联结构，且由六个晶体半导体片111至116以一个在另一个上的方式堆积而形成。各个半导体片111至116是由包含铋、磅、锑和硒的材料制成。通过将电子冷却元件的高温部分维持在0℃，则电子冷却元件的低温部分可以被冷却至125K。而且，当超导元件1被密封在真空中的玻璃容器时，该超导元件1呈现超导电性。
在上述的超导设备K1的装置中，藉通过接线端9供应电能，冷却电极8基于容器3中的珀耳帖效应被冷却至低温，而该低温被传输至超导元件1。另一方面，由散热片7产生的热借助于散热片5有效地向外消散。
图5表示一冷却器2″，该冷却器2″是超导设备K1的冷却器2的另一种改型。在冷却器2″中，电子冷却元件是一种两级级联结构。利用这种两级级联结构，通过电绝缘层6c放置在冷却电极8上的超导元件1，能被冷却至更低的温度。
在电子冷却元件中，P型半导体片2a和N型半导体片2b被成对地配置，通过一对半导体片2a和2b能容易地进行大约50度的冷却。在需要进一步冷却的情况下，该电子冷却元件是以如图4和5的级联结构方式形成的，而按照需要可以通过使用多级级联结构的电子冷却元件，能使冷却能力适当地进一步提高。例如，如果电子冷却元件是以三级或四级级联结构的方式形成时，能容易地实现大约150度的冷却，而因此该超导元件1能容易地维持在一个约125K的绝对温度。同时，在这样一个约125K的低温时，呈现超导电性的各种元件是由一上述元件等的综合体获得的。
图6a和6b表示一冷却器2″′，该冷却器2″′是超导设备K1的冷却器2的再一种改型。如图6a所示，一对电子冷却元件各包括设置的P型半导
体片2a和N型半导体片2b，而一个电子冷却元件的P型半导体片2a和另一个电子冷却元件的N型半导体片2b是互相串联连接的。如图6b所示，该两电子冷却元件是并置的，使得一个电子冷却元件的半导体片2a和2b分别与另一个电子冷却元件的半导体片2b和2a相对。用冷却器2″′的这种装置，由一个电子元件中的P型半导体片2a、冷却电极8和N型半导体片2b所产生的磁场，和另一个电子冷却元件中的P型半导体片2a、冷却电极8和N型半导体片2b所产生的磁场作用，以便互相对消，因此由磁场发生的不良效应能被减少。如果三个或三个以上的电子冷却元件被顺序地并排配置，使得流过一个电子冷却元件的冷却电极8的电流，取相反于流过附近电子冷却元件的冷却电极8的电流方向的方向，就能获得具有良好冷却能力的冷却器。
同时，电子冷却元件不限于一种具有成对的P型和N型半导体片2a和2b的结构，不用说，而可以只用P型和N型半导体片2a和2b中的一个来形成，如图7所示。
图8表示一根据本发明第二实施例的超导设备K2。该超导设备K2具有这样的一特点：超导元件1通过电绝缘层6c和一磁屏蔽片12被固定于冷却电极8。由于超导设备K2的其他结构与超导设备K1的结构相同，为简洁起见，其说明予以省略。磁屏蔽片12是由具有良好磁屏蔽特性和高导热率的材料制成，例如，象Fe、Co、Ni、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Em等之类的铁磁性元素的一种，或含有这些铁磁性元素的合金，或EuO、CrO2等。磁屏蔽片12可以由在冷却器2的冷却温度下呈现超导电性的超导材料制成。由于超导材料具有一种通过所谓迈斯纳效应完全隔绝磁场的功能，所以超导材料能用来磁性屏蔽超导元件1。在超导设备K2中，如果容器3是由铁磁材料制成，可以使超导设备2与外磁隔绝。
图9表示一磁屏蔽片12′，该磁屏蔽片12′是超导设备K2的磁屏蔽片12的一种改型。磁屏蔽片12′的面积大于电子冷却元件的冷却电极8的
面积，以便被放在冷却电极8上。磁屏蔽片12′的相对侧两边缘被直角地向下弯曲成一对弯曲部分12a，使得该磁屏蔽片12′包围电子冷却元件的一上部。因此，由于电子冷却元件的漏磁被磁屏蔽片12′阻挡，超导元件1的磁屏蔽被进一步改善。所以，由于安装在磁屏蔽片12′上的超导元件1被磁屏蔽片12′的弯曲部分12a阻挡了来自电子冷却元件的磁场，超导元件1由于磁场引起的不正常工作被完全排除。
在超导设备K1和K2中，除了前面提到的那些以外，超导元件1可以用作一由约瑟夫结组成的开关元件、一包括SQUID（超导量子干涉器）的高灵敏传感器或一半导体和超导材料的组合。此外，超导元件1还可以用作采用超导材料作为连线的集成电路，此连线用以连接由Si、GaAs等制成的电路元件。
从上述说明可以明白，根据本发明，由于超导材料能由非常简单的装置和控制装置起动工作，超导设备得到实际的应用。
而且，根据本发明，由于超导设备结构简单和容易制造，超导设备能以低成本制造，且能制成小型的尺寸。
虽然本发明已借助于实例参阅附图全面地作了叙述，但在这里应该指出对于本领域的技术人员来说，很明显的可以作出各种改变和更改。因此，除非另有偏离本发明范围的上述改变和更改，它们应解释为被包括在里面。
Claims (21)
1、一种超导设备(K1，K2)，其特征在于，包括：
一待冷却的超导部件(1)；
一冷却元件(2)，对其供给电能时呈现珀耳帖效应；
所述超导部件(1)与所述冷却元件(2)的冷却部分(8)热耦合；
一容器(3)，其中容纳所述超导部件(1)和所述冷却部分(8)。
2、根据权利要求1所述的超导设备（K1，K2），其特征在于，其中所述冷却元件（2）主要包括金属氧化物半导体或一金属氧化物半导体的化合物。
3、根据权利要求1所述的超导设备（K1，K2），其特征在于，其中所述容器（3）是由玻璃组成，一用以防止吸收辐射热的涂复薄膜粘合于其上。
4、根据权利要求1所述的超导设备（K1，K2），其特征在于，其中所述容器（3）备有隔热材料。
5、根据权利要求1所述的超导设备（K1，K2），其特征在于，其中所述容器（3）是由光滑的金属组成。
6、根据权利要求1所述的超导设备（K1，K2），其特征在于，其中所述容器（3）的内部被保持在真空条件下。
7、根据权利要求1所述的超导设备（K1，K2），其特征在于，其中所述容器（3）的内部被惰性气体的气氛充满。
8、一种超导设备（K2），其特征在于，包括：
一待冷却的超导部件（1）;
一冷却元件（2），对其供给电能时呈现珀耳帖效应;
所述超导部件（1）与所述冷却元件（2）的冷却部分（8）热耦合;
一具有高导热率和良好磁屏蔽性能的磁屏蔽部件（12），该磁屏蔽部件（12）被插入所述超导部件（1）和所述冷却元件（2）之间。
9、根据权利要求8所述的超导设备（K2），其特征在于，其中所述磁屏蔽部件（12）是由一面积大于所述冷却部分（8）的面积的片组成，使得所述磁屏蔽部件（12）的部分伸出所述冷却部分（8）之外。
所述磁屏蔽部件（12）的所述部分被部分地向着所述冷却元件（2）弯曲，以便形成一弯曲部分（12a）。
10、根据权利要求8所述的超导设备（K2），其特征在于，其中所述磁屏蔽部件（12）是由超导材料制成。
11、根据权利要求9所述的超导设备（K2），其特征在于，其中所述磁屏蔽部件（12）是由超导材料制成。
12、根据权利要求8所述的超导设备（K2），其特征在于，进一步包括：
一容器（3），其中容纳所述超导部件（1）和所述冷却部分（8）。
13、根据权利要求8所述的超导设备（K2），其特征在于，所述容器（3）是由具有良好磁屏蔽性能的材料制成的片形成。
14、一种超导设备（K1，K2），其特征在于，至少包括：
第一和第二冷却元件（2），电能供给其上时呈现珀耳帖效应;
所述第一和第二冷却元件（2）被这样配置，使得流经所述第一冷却元件（2）的电流所产生的磁场，和流经所述第二冷却元件（2）的电流所产生的磁场互相对消。
15、根据权利要求14所述的超导设备（K1，K2），其特征在于，其中各所述第一和第二冷却元件（2）是由一P型半导体元件（2a）和一N型半导体元件（2b）构成，使得所述第一冷却元件（2）的所述P型半导体元件（2a）和所述N型半导体元件（2b），分别与所述第二冷却元件（2）的所述N型半导体元件（2b）和P型半导体元件（2a）相对。
16、根据权利要求14所述的超导设备（K1，K2），其特征在于，其中各所述第一和第二冷却元件（2）是由一P型半导体元件（2a）和一N型半导体元件（2b）构成，使得所述第一冷却元件（2）的所述P型半导体元件（2a）和所述第二冷却元件（2）的所述N型半导体元件（2b）互相串联连接。
17、根据权利要求14所述的超导设备（K1，K2），其特征在于，其中所述第一和第二冷却元件（2）被并排配置，使得流过所述第一冷却元件（2）的电流，取相反于流过所述第二冷却元件（2）的电流方向的方向。
18、根据权利要求14所述的超导设备（K1，K2），其特征在于，其中三个或三个以上的冷却元件（2）被并排配置，以便被互相顺序地连接。
19、根据权利要求1所述的超导设备（K1，K2），其特征在于，其中所述冷却元件（2）是由P型半导体元件（2a）和N型半导体元件（2b）中的至少一个构成。
20、根据权利要求8所述的超导设备（K2），其特征在于，其中所述冷却元件（2）是由P型半导体元件（2a）和N型半导体元件（2b）中的至少一个构成。
21、根据权利要求14所述的超导设备（K1，K2），其特征在于，其中所述各第一和第二冷却元件（2）是由P型半导体元件（2a）和N型半导体元件（2b）中的至少一个构成。
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