CN107210356A - 用于超导装置的电介质衬底和使用这种衬底的超导产品 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于超导装置中的衬底结构。该衬底结构具有两个相反的平行表面，并且被构造成用于在这些相反表面中的至少一个表面上承载至少一个超导结构。衬底结构包括由电介质材料成分制成的衬底，衬底具有预定几何结构的带状形状，该几何结构以至少10的宽度‑厚度宽高比和由大致不超过1nm rms的表面粗糙度限定的相反平行表面的大致平面性来表征。

Description

用于超导装置的电介质衬底和使用这种衬底的超导产品
技术领域
本发明处于超导装置领域，并且涉及用于具有降低AC损失的高温超导装置中的电介质衬底和使用这种衬底的超导装置。
背景技术
今天超导导线的一个突出问题是不期望的AC损失。这与跨超导材料移动且引入显著损失的磁涡旋有关[Ernst Helmut Brandt and Mikhail Indenbom,"Type-II-uperconductor strip with current in a perpendicular magnetic field",Phys.Rev.B Vol 48,17(1993)pp.12893-12906]。
已经开发用于降低AC损失的各种技术。这些技术包括使用非磁性衬底以去除衬底的铁磁损失；以丝状设计制造涂布导体且将长丝宽度制成非常窄，以降低超导层中的磁滞损失；增大衬底和丝间路径的电阻，以分别减小涡流和耦合电流。
美国第8481460号和8227082号专利描述了一种晶体产品，该晶体产品包括单晶陶瓷纤维、沿着长度具有至少一个结晶学刻面的带，该带通常至少一米长。在蓝宝石的情况下，刻面是R平面、M平面、C平面或A平面刻面。包括超导产品的外延产品可以形成在这种纤维、带上。
美国第8664163号专利描述了一种产品，该产品包括承载化学式YBa2Cu3O7-x(YBCO)的化合物的超导层的蓝宝石衬底，该层具有至少10cm2的表面积和在77K温度时至少100A/cm宽度的临界电流。超导层的厚度在10nm至50nm之间，或者可以多于600nm。YSZ层和非超导YBCO层可以在超导层与衬底之间分离。
发明内容
本领域中需要新方法来构造用于高温超导装置中的电介质衬底结构。
本发明的发明人已经发现，在特定种类的已知装置中，由于跨超导体材料移动的磁涡旋而引起的AC损失关联于生成电流的所涂布的导体的平面几何结构(即，厚度<<宽度)，这使得导致变化的高边缘场(AC场)转而引起磁涡旋。
在上面指出的美国第8481460号和8227082号专利的装置构造中，通过沿着纤维、带的长度相对于彼此加捻或调换多个纤维、带来实现边缘场的减小且因此实现AC损失的降低。根据该技术，纤维(带)具有减小的厚宽比且被刻面，即，沿着纤维长度(例如，至少一米长)构造有一个或更多个晶面，而不是使用为圆形且没有刻面的传统光纤。刻面构造的目的在于提供允许沿着产品的长度相对于彼此加捻、编织或调换的柔性，诸如以降低AC损失。然而，将两个相反的导电股缠绕在一起来取消杂散磁场或使杂散磁场最小化(该技术与传统铜线一起使用)需要加捻线之间的良好绝缘，而且需要允许期望导线柔性的导线形状因数。
另一种技术使用双股直线饼形线圈构造，其中，堆叠两个相反的导电平面超导带，以用将消除(或最小化)杂散磁场的方式尽可能靠近地设置两个相反的电流路径[Doan NNguyen et al.,"AC loss study of antiparallel connected YBCO coatedconductors",Supercond.Sci.Technol.22(2009)055014；J S'ouc et al.,"Coatedconductor arrangement or reduced AC losses in a resistive-typesuperconducting fault current limiter",Supercond.Sci.Technol.25(2012)014005]。然而，生成电流的超导带被涂布在金属衬底上，并且为了在没有短路的情况下将两个这种导线堆叠在一起，需要良好的绝缘。添加将紧密且均匀包装在超导带之间且将能够维持多个冷却周期是会导致制造工艺高度复杂化的困难甚至是不可能的任务。
本发明提供了一种衬底结构，该衬底结构具有新颖构造，以适于用于具有低的AC损失的超导装置中，例如，具有双股状构造的超导装置。衬底结构包括由电介质材料成分(诸如蓝宝石或硅)制成的衬底，并且优选地还包括位于衬底的至少一个表面上的缓冲层，超导结构形成在该缓冲层上。
衬底具有带状形状(即，是具有宽度、厚度以及长度的细长元件(具有大致矩形横截面))。根据本发明，衬底具有所选择的相对较高的宽度/厚度宽高比(aspect ratio)，其支持长、薄的构造以及如果需要，柔性的构造。并且，衬底结构具有高平滑性(例如，小于1nmrms且优选地小于0.3nm的表面粗糙度)的大体平面构造，即大致平行相反表面(在相反表面上或其中至少一个表面上要形成超导结构)。在相反表面上承载类似超导结构的衬底结构的这种构造允许电流沿相反方向通过超导结构，以解决AC损失降低问题。
宽度/厚度宽高比可以大于10且优选地大于50。例如，衬底可以具有大于5mm的宽度和小于0.5mm的厚度(优选地为0.15±0.05mm厚)。两个平面的/平滑的且平行的相反表面被构造成用于在上面外延生长类似的高质量的超导结构(例如，ReBa2Cu3O7-x(“Re”表示稀土金属))。
如已知的，高质量的ReBa2Cu3O7-x超导体层以至少86K(-185.15℃)的过渡温度和至少1×106A/cm2的在液氮温度(77K)时的临界电流密度来表征。为此，本发明的衬底结构还被构造成使得衬底结构的最顶层具有尽可能接近于(±10％)要形成在所述层上的超导结构的晶格参数(或原子间距离)的晶格参数(例如，YBa2Cu3O7-x中的原子间距离为3.83-3.88埃)。这种层是在衬底的平面表面上的缓冲层，其还防止电介质衬底与超导层之间的原子扩散。
由此，本发明的衬底结构可以在其一侧或两侧(即，平面平滑表面)上涂布有合适的超导层(例如，ReBa2Cu3O7-x超导层)，并且可以用于具有超导体的双股绕组的AC超导装置中。衬底的电介质性质允许在两侧上沿相反的方向驱动电流(反平行构造)，这减小了来自两面的杂散磁场，由此大幅降低AC损失。
在一些实施方式中，在衬底的一个或两个平滑平行表面上的缓冲层是连续层(不被构图)，并且优选地具有小于1nm rms的表面粗糙度。
缓冲层的厚度可以在10-100nm的范围内或在100-1000nm的范围内。
缓冲层可以包括钇稳定的氧化锆(8-10％)(亦称YSZ)或二氧化铈(CeO2)。缓冲层可以由除了衬底的材料成分之外的两个或更多个化合物组成。
电介质衬底可以为具有平面/平滑平行表面的r平面方位的单晶蓝宝石带或具有平面平行表面的[100]方位的单晶硅带。
由此，本发明提供了一种用于超导装置中的衬底结构，该衬底结构具有两个相反的平行表面，并且被构造成用于在所述相反平行表面的至少一个表面上承载至少一个超导结构，其中，衬底结构包括由电介质材料成分制成的衬底，所述衬底具有预定几何结构的带状形状，该几何结构以至少10的宽度-厚度宽高比和由大致不超过1nm rms的表面粗糙度限定的所述相反平行表面的大致平面性来表征。
如上面指示的，衬底还可以包括位于衬底的至少一侧上的至少一个缓冲层，该至少一个缓冲层被构造成用于承载超导结构。缓冲层被选择成具有与上面承载的超导结构的晶格参数匹配的晶格参数。缓冲层比衬底薄至少100倍。这种薄的电介质衬底(以及衬底和缓冲结构)提供衬底结构的期望柔性。例如，这种柔性结构的弯曲半径大致不超过20cm。衬底结构可以如期望的那样长，例如，长于1m。
衬底优选地由蓝宝石或硅材料制成。
将理解的是，这种薄衬底结构(即，具有至少10的高的宽度-厚度宽高比)(例如，小于0.5mm厚度的衬底结构)提供以将两个超导结构放置为非常靠近彼此。
在一些实施方式中，两个超导结构可以位于衬底结构的相反表面上，由此仅由它们之间的衬底结构分离。这是超导元件的双侧构造。在一些其他实施方式中，在超导元件是单侧元件(即，超导结构位于衬底结构的一侧上)的情况下，两个这种元件可以被彼此平行容纳且靠近彼此直到它们之间物理接触为止(其中，一个元件的衬底结构的表面面向(接触)另一个元件的超导结构)。在一些实施方式中，这种紧密相邻超导元件(单侧或双侧元件)可以为由长柔性超导元件/带形成的线圈的绕组的相邻片段(segment)。
根据本发明的另一个广泛方面，提供了一种超导装置，该超导装置包括至少一个超导元件，超导元件包括上述衬底结构和在相反表面中的一个表面上的超导结构或在衬底结构的两个相反平面表面上的两个类似超导结构。该装置允许电流沿相反方向穿过超导结构，从而以降低的AC损失来表征。
在这种装置中，在其平面表面中的至少一个上具有至少一个超导结构的衬底结构可以被构造成形成至少一个双股超导线圈。当电流流过线圈时，在相邻线圈绕组的面向彼此的片段中的电流在大小上相同且具有相反的方向，从而减小杂散磁场并提供减小的AC损失。
装置可以包括至少两个隔开的超导元件，各超导元件由衬底结构形成，两个超导结构在衬底结构的两个相反平面表面上。超导元件可以串联或并联连接。如果电流流过超导元件，则在一个超导结构中流动的电流与在另一个超导结构中流动的电流在大小上相同且在方向上相反，从而减小杂散磁场并提供降低的AC损失。
根据本发明的又一个广泛方面，提供了一种包括至少一个双股超导线圈的双股式超导装置，该超导线圈由薄柔性衬底结构形成，该衬底结构具有在相反表面中的至少一个上承载至少一个超导带的带状形状，衬底结构包括衬底，该衬底由电介质材料成分制成且具有预定几何结构，该几何结构以至少10的宽度-厚度宽高比和由大致上不超过1nm rms的表面粗糙度限定的所述相反表面的大致平面性来表征，使得当电流流过线圈时，在相邻线圈绕组面向彼此的片段中的电流在大小上相同且具有相反的方向，从而减小杂散磁场并提供装置的降低AC损失。
根据本发明的又一个广泛方面，提供了一种包括至少两个隔开的超导元件的双股式超导装置，各超导元件由薄柔性衬底结构形成，该衬底结构具有带状形状在其相反表面上承载两个超导带，衬底结构包括衬底，该衬底由电介质材料成分制成且具有预定几何结构，该几何结构以至少10的宽度-厚度宽高比和由大致不超过1nm rms的表面粗糙度限定的相反表面的大致平面性来表征，使得当电流流过超导元件时，在一个超导结构中的电流与所述元件的另一个超导结构中的电流在大小上相同且在方向上相反，从而减小杂散磁场并提供降低的AC损失。
本发明在其又一个方面中提供了一种用于制造超导装置的方法。方法包括以下步骤：向由电介质材料成分制成的带应用边缘限定生长，从而将带直接拉成期望的带状形状，该带状形状以至少10的宽度-厚度宽高比和由大致不超过1nm rms的表面粗糙度限定的相反平行表面的大致平面性来表征；以及在衬底结构的所述相反表面中的至少一个上方形成至少一个超导层(直接形成在衬底上或使用至少一个缓冲层涂布来形成)。
附图说明
为了更好地理解这里所公开的主题且例示它实际上可以如何进行，现在将参照附图仅用非限制性示例的方式描述实施方式，附图中：
图1A和图1B示意性例示了根据本发明的示例的衬底结构；
图2示意性例示了制造双侧涂布衬底的示例；以及
图3A和图3B示意性例示了使用本发明的衬底结构的超导装置的两个示例。
具体实施方式
参照示意性示出了本发明的衬底结构10的两个示例的图1A和图1B。如下面将进一步例示的，衬底结构包括具有预定几何结构的电介质衬底12。同样，优选地，衬底结构包括在衬底的至少一个表面上的至少一个缓冲层。在图1A的示例中，衬底结构10包括在衬底12的一个表面12A上的缓冲层14A。在图1B的示例中，衬底结构10包括分别在衬底12的两个相反表面12A和12B上的两个缓冲层14A和14B。
衬底结构的几何结构被选择成提供结构的宽度W与厚度T之间的高的宽高比。应理解，例示是示意性的，并且几何参数不是表示比例。还应注意，缓冲层14A(14B)的厚度t比衬底12的厚度T小至少两个量级。例如，衬底可以具有大约100μm的厚度T，并且可以用具有大约1μm或更少的厚度t的缓冲层(在至少一个表面上)涂布。因此，衬底结构10的厚度实际上由衬底12的厚度T来限定。
并且，衬底12具有大致平面的几何结构。几何结构的平面性由以下来提供：相反表面12A和12B大致平行于彼此，并且在这些表面中，要在在上面承载超导结构的至少一个平面是大致平滑的(即，具有大致不超过1nm rms且优选地不超过0.3nm rms的表面粗糙度)。
衬底结构的厚度优选地在0.05-0.4mm的范围内。在一些实施方式中，这种高的宽高比衬底结构的长度使得衬底结构由于20cm或更小的弯曲半径而是柔性的。衬底结构的宽度优选地在4-10mm的范围内，但在一些实施方式中，宽度可以大于10mm。宽度-厚度比可以在大约10-50的范围内，并且在一些实施方式中可以大于50。
通常，衬底结构的宽度比其厚度至少高10倍。这种薄衬底结构期望地可以是柔性的，例如，具有小于20cm的弯曲半径，这允许紧凑地包装薄衬底结构，以形成具有中等形状因数的装置。衬底结构的长度可以在0.1m至10m的范围内，或大于10m。
上述高的宽高比、高的平面性、电介质衬底可以使用适当技术，诸如边缘限定生长(EFG)，以期望的形状和表面质量来直接生产。将带直接拉成其期望形状而不是常用的体晶生长技术具有如下的若干关键优点：该“直接拉伸”技术消除了对后生长抛光和切割的需要。以期望的形状和几何结构直接制造衬底。原生衬底的期望小表面粗糙度可以被自动实现(这样获得的表面是平坦/平滑的)，例如，粗糙度小于1nm rms。相比之下，当使用体生长方法时，从大晶锭切下电介质材料，然后使电介质材料经受若干复杂抛光步骤。同样，“直接拉伸”技术由于小质量的薄衬底(短的冷却时间)而提供较短的生产时间。同样，该技术提供没有长度限制的连续衬底的生产。
参照图2，图2示意性示出了用于生产双侧涂布衬底结构10(诸如图1B的衬底结构)的系统100的示例。在该示例中，系统使用磁控溅射技术。如图所示，在生产上述电介质衬底12(即，具有期望的几何结构：高的宽高比和高的平面性)之后，用适当的缓冲层在衬底12的两个表面12A和12B上对衬底12进行涂布。在本示例中，系统100包括被容纳在两个支撑辊R1和R2之间沿滚动方向d轧制的薄衬底带的相反侧的磁控溅镀机102和加热器104。通常，缓冲层可以使用任意已知的合适方法来外延生长，诸如磁控溅射、脉冲激光沉积(PLD)、溶胶-凝胶(Sol-Gel)沉积、离子束辅助沉积(IBAD)等。涂布可以同时在两侧上使用输送机构(例如，如附图中所示的滚动机构)来连续进行。另选地，缓冲可以分别涂布在一个或两个表面12A、12B上，可能非原位地涂布。
虽然未具体示出，但应注意的是，然后可以在衬底结构10上形成至少一个超导体层。超导层可以为YBa2Cu3O7-x。超导结构(单层或多层结构)可以直接形成在缓冲层的顶部上。另选地，可以在缓冲与超导体之间设置另外的自模板层(self template layer)。
因此，本发明提供了一种新颖的用于超导装置中的衬底结构，该衬底结构基于高的宽高比双侧衬底的装置使得能够具有低的AC损失。本发明的超导装置包括使用上述衬底结构的超导带。更具体地，这种装置可以包括至少一个超导带(通常为薄超导结构)，该超导带被涂布在前面提及的高的宽高比、高的平面性的电介质衬底结构的至少一个表面上。
在一些实施方式中，装置被构造成用于在两个超导结构中沿相反方向驱动AC电流。这与由金属涂布的超导带(涂布导体)制成的类似装置相比显著降低电AC损失。
具有上述特性的柔性双侧超导带结构可以被缠绕成线圈形状，这形成被称为的双股绕组线圈。这种双股线圈在关于大量超导材料维持小形状因数的同时具有低的寄生自感。
这种装置可以被构造成且可作为超导故障电流限制器或SFCL、限制电网中的电流的可再用熔断器操作。SFCL串联连接到电网，并且在理想操作期间，不消耗能量(无电压降)。在故障期间，内部的超导体变成普通材料并以热量的形式耗散过量的能量。SFCL的总功率容量依赖于具有典型能量密度1000-2000W/cm2的超导材料的总面积。
参照图3A和图3B，图3A和图3B例示了使用高的宽高比、高的平面性电介质衬底结构的双股式超导装置。在图3A的示例中，超导装置20含有由上述柔性高的宽高比电介质衬底结构制成的双股超导线圈(通常为至少一个这种线圈)。在图3B的示例中，超导装置30由多片分离的上面提及的非柔性双侧超导带来构建。超导带可以串联连接(这形成装置元件)，以通过具有有效较大的超导体面积且因此具有较高的正常态电阻而实现较高的功率限制能力。另外，多个装置元件可以并联连接，以实现整个超导装置的较高电流容量。如图3B所示，为了减小杂散磁场并实现低AC损失，各超导体元件中的电流以所谓的“反平行模式”流动，即，顶层上的电流与底层中流动的电流在大小上相同但在方向上相反。
如上所述，用于这种双股线圈中的衬底可以由任意已知的合适电介质材料成分制成。由蓝宝石或硅制成的电介质衬底结构的使用可以是有利的。例如，这使得与基于涂布导体的FCL相比，能够获得较高的能量容量。这是由于衬底较佳的导热而实现的。高导热性保证在故障期间热量沿着超导体快速传播，从而避免高能量集中和可能的装置烧坏。已经示出，蓝宝石晶片提供提高的功率限制能力，多达3个数量级[Ernst Helmut Brandt andMikhail Indenbom,"Type-II-superconductor strip with current in aperpendicular magnetic field",Physical Review B,Volume 48,Number 17,1November1993,pp.12893-12906]。同样，蓝宝石或硅衬底的使用降低了维护和低温成本。由电介质薄衬底支持的双股构造减小杂散磁场，并大幅降低理想工作期间的AC损失。

Claims (29)

1.一种用于超导装置中的衬底结构，该衬底结构具有两个相反的平行表面，并且被构造成用于在相反表面中的至少一个表面上承载至少一个超导结构，其中，所述衬底结构包括由电介质材料成分制成的衬底，所述衬底具有预定几何结构的带状形状，该几何结构以至少10的宽度-厚度宽高比和由大致不超过1nm rms的表面粗糙度限定的所述相反的平行表面的大致平面性来表征。
2.根据权利要求1所述的衬底结构，所述衬底结构还包括在所述衬底的所述至少一个表面上的至少一个缓冲层，所述至少一个缓冲层被构造成用于承载所述超导结构。
3.根据权利要求2所述的衬底结构，其中，所述缓冲层被选择成具有与上面承载的所述超导结构的晶格参数匹配的晶格参数。
4.根据权利要求2或3所述的衬底结构，其中，所述缓冲层比所述衬底薄至少100倍。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的衬底结构，其中，所述衬底具有大致不超过0.5mm的厚度。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的衬底结构，其中，所述衬底由蓝宝石或硅材料制成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的衬底结构，所述衬底结构长于1m。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的衬底结构，其中，所述衬底为柔性的，具有大致不超过20cm的弯曲半径。
9.一种包括至少一个超导元件的超导装置，所述超导元件包括根据权利要求1至8中任一项所述的衬底结构、以及在所述两个相反平面表面中的所述至少一个平面表面上的至少一个超导结构。
10.根据权利要求9所述的装置，所述装置包括分别在所述衬底结构的所述两个相反平面表面上的两个相似的超导结构。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其中，在所述平面表面中的所述至少一个平面表面上具有所述至少一个超导结构的所述衬底结构被构造成形成至少一个双股超导线圈，使得在相邻线圈绕组的面向彼此的片段中流动的电流在大小上相同且具有相反的方向，从而减小杂散磁场并提供减小的AC损失。
12.根据权利要求9所述的装置，所述装置包括以隔开平行关系设置的至少两个所述超导元件。
13.根据权利要求10所述的装置，所述装置包括以隔开平行关系设置的至少两个所述超导元件。
14.根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述至少两个超导元件串联连接。
15.根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述至少两个超导元件并联连接。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的装置，其中，在各超导体元件中，在所述超导结构中的一个超导结构中流动的电流与在另一个超导结构中流动的电流在大小上相同且在方向上相反，从而减小杂散磁场并提供减小的AC损失。
17.根据权利要求9至16中任一项所述的装置，所述装置被构造成故障电流限制器且能够作为故障电流限制器操作。
18.一种双股式超导装置，该双股式超导装置包括至少一个双股超导线圈，该双股超导线圈由根据权利要求1至8中任一项所述的衬底结构形成，该衬底结构具有在其相反表面中的至少一个表面上承载至少一个超导带的带状形状，使得当电流流过所述线圈时，在相邻线圈绕组的面向彼此的片段中的所述电流在大小上相同且具有相反的方向，从而减小杂散磁场并提供所述装置的减小AC损失。
19.一种包括以隔开大致平行关系设置的至少两个超导元件的双股式超导装置，各超导元件由根据权利要求1至8中任一项所述的衬底结构形成，该衬底结构具有带状形状且在其两个相反表面上承载两个超导带，使得当电流流过所述超导元件时，在所述超导结构中的一个超导结构中所述电流与在所述元件的另一个超导结构中的电流在大小上相同且在方向上相反，从而减小杂散磁场并提供减小的AC损失。
20.一种包括根据权利要求18或19的双股式超导装置的故障电流限制器装置。
21.一种用于制造超导装置的方法，所述方法包括以下步骤：
向由电介质材料成分制成的带应用边缘限定生长，从而将所述带直接拉成期望的带状形状，该带状形状以至少10的宽度-厚度宽高比和由大致不超过1nm rms的表面粗糙度限定的所述带的相反表面的大致平面性来表征；以及
在所述衬底结构的所述相反表面中的至少一个上方形成至少一个超导层。
22.根据权利要求21所述的方法，所述方法包括以下步骤：在所述衬底结构的所述至少一个表面上用缓冲层对所述衬底结构进行涂布，使得所述至少一个超导结构被形成在所述缓冲层上，所述缓冲层被选择成具有与上面承载的所述超导结构的晶格参数匹配的晶格参数。
23.根据权利要求21所述的方法，所述方法包括以下步骤：在衬底结构的所述相反表面上用缓冲层对所述衬底结构进行涂布，以及在所述缓冲层上形成两个超导结构，所述缓冲层被选择成具有与所述超导结构的晶格参数匹配的晶格参数。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，所述缓冲层比所述衬底薄至少100倍。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的方法，其中，所述衬底具有大致不超过0.5mm的厚度。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，其中，所述衬底由蓝宝石或硅材料制成。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的方法，其中，所述衬底为柔性的，具有大致不超过20cm的弯曲半径。
28.根据权利要求22至27中任一项所述的方法，其中，所述缓冲层使用外延生长形成在所述衬底上。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述外延生长包括以下中的至少一个：磁控溅射、脉冲激光沉积PLD、溶胶-凝胶沉积、离子束辅助沉积IBAD。
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