CN1317792C

CN1317792C - 超导体传输线路

Info

Publication number: CN1317792C
Application number: CNB038257106A
Authority: CN
Inventors: 赤濑川章彦; 山中一典; 中西辉
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: AU2003211712A1; US20050272609A1; JPWO2004077600A1; CN1717836A; US7263392B2; DE10393568B4; JP3795904B2; DE10393568T5; WO2004077600A1

Abstract

本发明提供一种使用了氧化物超导体的超导体传输线路，由于其损耗低，所以可用于大电流的传输。该超导体传输线路具有：内部导体；和由氧化物超导体形成的外部导体，其包围该内部导体的周围，具有4个面，所述4个面共同构成这样的构形，该构形的截面为将中空四边形除去各角部后的形状，并且在相邻的面之间形成不到λ/4的狭缝，其中λ是所传输的高频波的波长。

Description

超导体传输线路

技术领域

本发明涉及低损耗的、适用于大电流的、利用了氧化物超导体的传输线路。

背景技术

作为高频传输线路，公知有在中心导体的周围有着接地外部导体的同轴型传输线路。在从中心导体指向外部接地导体的方向产生电场。在垂直于电场的方向产生磁场。电流沿着中心导体、外部接地导体的延伸方向(与截面垂直的方向)流动。作为导体材料，公知有Cu、Ag、Au等电的良导体和超导体。中心导体和外部接地导体之间，由空气或者固相电介质(下面简称为电介质)形成。利用电介质比利用空气更有利于小型化。另外，有时也可以使中心导体为中空结构。

图4A～4(是概略地表示现有技术的传输线路的结构例的示意图。

在图4A中，圆柱形中心导体101和圆筒状外部接地导体102被电介质块104电隔离。选择高频损耗少的材料作为电介质。使用介电率高的材料可使传输线路小型化。外部接地导体102、中心导体101由Cu、Ag、Au等常导体形成。并且，由于流过中心导体101的电流在其表面附近流动，所以也可以把中心导体101作为圆筒状的中空结构。此时，把厚度设成表皮厚度的2倍以上。中心导体101为中空结构的情况下，也可以在其中空部分填充电介质103。

如果用超导体形成导体，那么由于超导体传输线路的电阻在直流时为0，在高频时也非常小，所以能够形成低损耗、适用于大电流的传输线路。氧化物超导体在相对较高的温度下成为超导状态，因此便于应用。

氧化物超导体与金属导体等不同，具有对晶界的结构非常敏感的电特性。很多氧化物超导体具有长方体晶体结构。如果相邻的长方体之间的晶轴方向有几度的偏差，则在该部分产生晶界。

图4A的结构中，即使用单晶体制造电介质块103，在其圆弧状外表面上外延地生长氧化物超导体来制造外部接地导体102，但要外延地生长氧化物超导体层也非常难。

图4B表示传输线路的其他实施例。优选在单晶体的四棱柱状的电介质块104的外表面上形成氧化物超导体的外部接地导体102。在电介质块104形成有截面为圆形的内孔，在内孔内收纳中心导体101。也可以使中心导体101为中空结构，在其中空部分收纳电介质103。也可以用单纯的中空结构来替代电介质填充结构。

图4C是传输线路的其他方式。优选单晶体的电介质块104具有四棱柱状的形状，还具有四棱柱状的内孔。在四棱柱的外表面形成外部接地导体102，在四棱柱状的内孔的内壁，形成有中心导体101。中心导体101为中空结构，也可以在其中空部分收纳电介质103。外部接地导体102、中心导体101由氧化物超导体形成。

图4B中的外部接地导体102、图4C中的中心导体101和外部接地导体102，形成在单晶体电介质块104的平坦的表面上。可是，即使外延生长氧化物超导体层，在四棱柱状的角部，如果相邻面的氧化物超导体接触，并且其结晶方位不同的话，也不能避免产生晶界。于是，产生损耗，难以流过大电流。虽然能够在平面的基底上得到外延层或接近于单晶体的层，但不能避免在四角上产生晶界。

发明内容

本发明的目的是提供一种低损耗的、适用于大电流的、利用了氧化物超导体的传输线路。

基于本发明的观点，提供一种超导体传输线路，其具有：内部导体；和由氧化物超导体形成的外部导体，其包围该内部导体的周围，具有4个面，所述4个面共同构成这样的构形，该构形的截面为将中空四边形除去各角部后的形状，并且在相邻的面之间形成不到λ/4(λ是传输的高频波的波长)的狭缝。

附图说明

图1A-1F是表示本发明的实施例的传输线路的立体图和截面图。

图2A-2D是表示本发明的其他实施例的传输线路的立体图和截面图。

图3是表示图1A-1F和图2A-2D的传输线路的应用例的立体图。

图4A-4C是表示现有技术的传输线路的结构的立体图。

图中、1：中心导体；2：外部导体；3：电介质块；4：电介质块；5：空气层；6：支撑用基底；7：高频输入探针；8：高频输出探针；9：底板；101：中心导体；102：外部接地导体；103：电介质；104：电介质块。

具体实施方式

图1A～1F是概略地表示本发明的实施例的传输线路的立体图和截面图。

图1A表示第1基本结构。配置四个平面状的氧化物超导体层的外部导体2-1～2-4，使其包围圆柱状的内部导体1的周围。在中心导体1和外部导体2-1～2-4之间，形成缝隙10。由于四个超导体层2-1～2-4具有平面形状，所以可以由结晶性能良好的氧化物超导体形成。

图1B表示实现图1A的结构的一个方式。四棱柱状的电介质块4由氧化镁(MgO)、铝酸镧(LaAlO₃)、蓝宝石(Al₂O₃)等低损耗、高介电率的单结晶形成。在蓝宝石的情况下优选在表面上设置CeO₂的缓冲层。例如使用具有截面为方形的外周，各外周面由(100)面构成，在内部具有截面为圆形的内孔的MgO块。在四个平坦的外周面上，互相分离地形成四个氧化物超导体层2-1～2-4。在截面为圆形的内孔，插入有Ag、Au、Cu、Al等电的良导体和超导体的线材1。

图1C表示形成图1B所示的氧化物超导体层2-1～2-4的第一方法。在单晶体电介质块4的外周面上，通过浸渍涂敷或者丝网印刷等的涂敷法形成液相的氧化物超导体材料。作为氧化物超导体，优选稳定且具有良好的特性的Bi(Pb)-Sr-Ca-Cu-O、Y-Ba-Cu-O(YBCO)、RE-Ba-Cu-O(RE：La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Er、Tm、Yb、Lu)中的任意一种。

通过在高温下烧结氧化物超导体层，氧化物超导体层固相结晶化并出现超导性。并且，为了得到良好的高频特性和能够适用于大电流，使形成的超导体层的膜厚大于等于0.5μm。在烧结被浸渍涂敷的液相材料层的状态下，在截面呈中空四边形的各角部容易产生晶界。

通过利用锉刀削去形成有氧化物超导体层的电介质块的角、利用切断机切除等机械方法，除去角部上的氧化物超导体层和基底的电介质块。通过除去结晶性能容易发生紊乱的角部的氧化物超导体层，在电介质块4的4个外周面上残留有结晶性能良好的4层氧化物超导体层。为了使传输的高频波不泄漏，将相邻的氧化物超导体层之间的狭缝宽度设定成不到λ/4。

在这里，λ是要传输的高频波的波长。在存在多个波长的情况下是最短的波长。在内部导体和外部导体之间存在电介质的情况下，是在高频波所存在的空间中的有效波长。

并且，也可以利用真空容器中的溅射、蒸镀(包括激光蒸镀、共蒸渡)等取代浸渍涂敷或印刷，在电介质块的外周面上形成氧化物超导体膜。这些方法，虽然在成膜上耗费时间，并且需要高价的设备，但能够进行原子级的生长，能够形成品质非常高的外延层。除去截面呈中空四边形的氧化物超导体层的各角部的处理与上述相同。

图1D表示形成分离的氧化物超导体层的第2方法。预先对电介质块4的截面四边形的各角部进行倒角。在电介质块4的平坦的外周面上，通过印刷法涂敷氧化物超导体材料层。通过在高温下烧结氧化物超导体材料层，可以形成4个氧化物超导体层2-1～2-4。

图1E表示传输线路的第3方式。4个氧化物超导体层2-1～2-4隔着空气间隙与中心导体1对置配置。也可以使用板材形成4个氧化物超导体层2-1～2-4。另外，如图所示，也可以在板状支撑基板6-1～6-4上，形成氧化物超导体层2-1～2-4。

板状支撑基板6-1～6-4优选从氧化镁、铝酸镧、蓝宝石、氧化锶、氧化铈、氧化钛、银、金、镍、氧化镍、镍合金等能在其上外延地生长氧化物超导体层的材料中选择。在形成膜状的氧化物超导体层的情况下，为了获得高频特性和能够适用于大电流，优选使膜厚大于等于0.5μm。

如图1F所示，也可以使中心导体1为中空结构。在这种情况下，也可以在中空结构的内部配置电介质块3。

图2A～2D是表示传输线路的其他方式。

图2A表示第2基本结构。中心导体由4个平坦的平面状的氧化物超导体层1-1～1-4形成，外部接地导体也由4个平坦的平面状的氧化物超导体层2-1～2-4形成。板状的中心导体1和板状的外部导体2之间形成缝隙10。

图2B是表示实现图2A所示的传输线路的第一方式。电介质块4由氧化镁、铝酸镧、蓝宝石等低损耗、高介电率的电介质形成，具有四棱柱状的形状。电介质块4在中心部还具有截面为四边形的四棱柱状的内孔。在电介质块4的外周面上，形成四个氧化物超导体层2-1～2-4，在截面为四边形的内孔的内壁上，形成4个氧化物超导体层1-1～1-4。

这样的氧化物超导体层，可以通过采用例如浸渍涂敷方法在电介质块4的外周面和内孔的内壁上涂敷氧化物超导体材料层，在高温下烧结后，利用锉刀、切断机等除去角部来实现。优选将相邻的氧化物超导体层之间的间隔设定成不到λ/4，以防止电场泄漏。另外，优选使膜厚大于等于0.5μm。

图2C是实现图2A的形态的其他结构。中心导体由在四棱柱状的内部电介质块3的四个外周面上互相分离地形成的四个氧化物超导体层1-1～1-4构成。这样的氧化物超导体层，可以利用与图1C、1D所说明的方法相同的方法来进行制作。在这样形成的中心导体的周围，配置氧化物超导体的板2-1～2-4。把相邻的氧化物超导体层之间的间隔设定成不到λ/4。

图2D与图1E相同，表示利用在基底基板上形成的氧化物超导体膜形成氧化物超导体的外部接地导体。外部导体2-1～2-4与在图1E的构成中说明的外部导体相同。中心导体1-1～1-4与在图2C的构成中所说明的相同。

图3是表示这样形成的传输线路的利用方法的图。传输线路20按长度为L被切出，根据长度L设定谐振频率。在传输线路20的一端配置有高频输入探针7，另一端配置有高频输出探针8。从高频输入探针7供给传输线路20的高频信号通过长度为L的谐振器耦合到高频输出探针8。这样的结构可用于下述用途。

(1)传输电缆(线材电缆)

包括在半导体装置之间能够低损耗且高速地传输信号的电缆和能够低损耗地供给大容量的电力(从DC到交流)的电缆。由于通过在相邻的面的端部之间形成不到λ/4的狭缝，使导体部分由无晶界的外延的超导体膜构成，所以能够实现低损耗、适用于大电流的电缆。例如，在1GHz的高频波传送中，能够将损失降低到以往的大约1/100。在截面为方形形状的情况下，电磁场和电流、应力等集中在四个角部分。因此，通过在四个角部分设置狭缝，还可以获得缓和这些电磁场和电流、应力的效果。并且，由于在中心导体电流流过外部设置导体一侧的表面(在超导体的情况下，为磁场侵入长度的2倍左右，而且基本上与频率无关)，在外部接地导体电流流过中心导体一侧的表面(在超导体的情况下，为磁场侵入长度的2倍左右，而且基本上与频率无关)，所以也可以在中心导体的内侧和外部接地导体侧的外侧设置用于保护和防止淬火时的热负荷的金属层等。

(2)限流器

随着电力系统规模的扩大和电力需求的增长，网络化和线路容量的增大，由发生短路和雷击等事故时的急剧的电流增大引起的对电气、电子设备的损害也在增加。作为对此的对策，正在开发在平时无损失地传输电力，在发生事故时产生很大的电阻，从而切断事故电流的限流器。作为超导体限流器的原理之一，有在流过过电流时从超导状态转变到常导状态，产生很大的电阻的电阻转移型。为了得到良好的限流特性，必须在整体上具有平均的超导临界温度Tc和超导临界电流Ic。如上所述由于能够在整体上均匀地构成无晶界的外延的超导膜，所以能够增大电流容量和进行高速切断。而且，虽然在限流时有可能被加上很大的热负荷，但对此也可以通过在中心导体的内侧和外部接地导体的外侧设置金属等高热传导层来进行缓和。另外通过串、并联图3的元件，可以获得更大容量的限流器。

(3)电流导线

到目前为止，电流导线在从室温到4K等级之间使用的是铜制的电流导线。可是，由于铜制的电流导线其焦耳热很大，另外来自外部环境的热流入也大，因此在冷冻机冷却磁体中存在液氦使用量增大和大型化等问题。因此，期待出现低损耗且热传导小的超导电流导线。可是，在氧化物超导体的情况下，如果存在晶界则特性劣化。根据上述的结构，由于无晶界的外延生长的超导膜整体能够均匀地构成，所以能够实现低损耗且热流入少的、能够适用于大电流的电流导线。

以上，虽然结合实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于此。例如，也可以使用其他物质作为氧化物超导体、支撑基板、电介质块。并且对于本领域的技术人员来讲，对本发明可以进行其他各种的变更、改良和组合。

下面，附记本发明的特征。

(附记1)(1)超导体传输线路，具有；

内部导体；和

由氧化物超导体形成的外部导体，其包围该内部导体的周围，具有4个面，所述4个面共同构成这样的构形，该构形的截面为将中空四边形除去各角部后的形状，并且在相邻的面之间形成不到λ/4的狭缝。

(附记2)

附记1所述的超导体传输线路，所述氧化物超导体是Bi(Pb)-Sr-Ca-Cu-O、Y-Ba-Cu-O、RE-Ba-Cu-O(RE：La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Er、Tm、Yb、Lu)中的任意一种。

(附记3)

根据附记1或2所述的超导体传输线路，所述外部导体由厚度大于等于0.5μm的氧化物超导体层形成。

(附记4)(2)根据附记1～3中任意一项所述的超导体传输线路，还具有设置在所述内部导体和所述外部导体之间的区域上的电介质块。

(附记5)根据附记4所述的超导体传输线路，所述电介质块由氧化镁、铝酸镧、蓝宝石中的任意一种形成。

(附记6)(3)根据附记4或5所述的超导体传输线路，所述电介质块具有沿着长度方向延伸的4个平坦的外表面，所述外部导体形成在所述4个平坦的外表面上。

(附记7)(4)根据附记4～6中任意一项所述的超导体传输线路，所述电介质块具有包括沿着长度方向延伸的4个平坦的内壁的四棱柱形状的内孔，所述内部导体由氧化物超导体形成，其具有形成在所述4个平坦的内壁上的4个面，并在相邻的面之间形成不到λ/4的狭缝。

(附记8)根据附记4～6中任意一项所述的超导体传输线路，所述电介质块具有沿着长度方向延伸的截面为圆形的内孔，所述内部导体被插入到所述内孔之中。

(附记9)(6)根据附记1～3中任意一项所述的超导体传输线路，在所述外部导体外表面上还具有支撑各个外部导体的支撑部件。

(附记10)根据附记9所述的超导体传输线路，所述支撑部件由氧化镁、铝酸镧、蓝宝石、氧化锶、氧化铈、氧化钛、银、金、镍、氧化镍、镍合金中的任意一种形成。

(附记11)(7)根据附记10所述的超导体传输线路，所述内部导体由氧化物超导体形成，其具有4个面，所述4个面共同构成这样的构形，该构形的截面为将中空四边形除去各角部后的形状，并在相邻的面之间形成不到λ/4的狭缝。

(附记12)(8)根据附记11所述的超导体传输线路，还具有被配置在所述内部导体的内侧的四棱柱形的内部电介质块，内部导体的4个面被支撑在该内部电介质块的外表面上。

(附记13)根据附记1～12中的任意一项所述的超导体传输线路，所述内部导体、外部导体构成一定长度的谐振器。

(附记14)氧化物超导体传输线路的制造方法，包括：

(a)在截面为四边形的四棱柱状的电介质块的外周面上形成氧化物超导体层的工序；

(b)一起除去所述四棱柱状电介质块的各角部和其上的氧化物超导体层，将通过不到λ/4(其中λ是要传输的高频波的波长)的狭缝相分离的4层氧化物超导体层留在所述电介质块的平坦的外表面上的工序。

(附记15)根据附记14所述的氧化物超导体传输线路的制造方法，所述工序(a)包括：将液相的氧化物超导体材料涂敷在所述的电介质块的外周面上的工序，和烧结涂敷的材料层的工序。

(附记16)根据附记14所述的氧化物超导体传输线路的制造方法，所述工序(a)通过溅镀、蒸镀中的任意一种方法将氧化物超导体材料形成在所述的电介质块上。

(附记17)根据附记14～16中任意一项所述的氧化物超导体传输线路的制造方法，所述工序(b)通过机械方法，除去氧化物超导体层和电介质块。

(附记18)氧化物超导体传输线路的制造方法，包括：

(a)准备截面为四边形的各角部被削去不足λ/4(其中λ是要传输的高频波的波长)的宽度的四棱柱状的电介质块的工序；

(b)将氧化物超导体材料层涂敷在所述的四棱柱状的电介质块的平坦的外周面上的工序；

(c)和烧结涂敷了的氧化物超导体材料层的工序。

Claims

1、超导体传输线路，其特征在于，具有：

内部导体；

由氧化物超导体形成的外部导体，其包围该内部导体的周围，包括4个面，所述4个面共同构成这样的构形，该构形的截面为将中空四边形除去各角部后的形状，并且相邻的面的端部之间形成不到λ/4的狭缝，其中，λ是传输的高频波的波长。

2、根据权利要求1所述的超导体传输线路，其特征在于，还具有设置在所述内部导体和所述外部导体之间的区域上的电介质块。

3、根据权利要求2所述的超导体传输线路，其特征在于，所述电介质块具有沿着长度方向延伸的4个平坦的外表面，所述外部导体形成在所述4个平坦的外表面上。

4、根据权利要求2或3所述的超导体传输线路，其特征在于，所述电介质块具有包括沿着长度方向延伸的4个平坦的内壁的四棱柱形状的内孔，所述内部导体由氧化物超导体形成，其具有形成在所述4个平坦的内壁上的4个面，并在相邻的面之间形成不到λ/4的狭缝。

5、根据权利要求2或3所述的超导体传输线路，其特征在于，所述电介质块具有沿着长度方向延伸的截面呈圆形的内孔，所述内部导体被插入到所述内孔。

6、根据权利要求1所述的超导体传输线路，其特征在于，在所述外部导体的外表面上还具有支撑各个外部导体的支撑部件。

7、根据权利要求6所述的超导体传输线路，其特征在于，所述内部导体由氧化物超导体形成，其具有4个面，所述4个面共同构成这样的构形，该构形的截面为将中空四边形除去各角部后的形状，并在相邻的面之间形成不到λ/4的狭缝。

8、根据权利要求7所述的超导体传输线路，其特征在于，还具有被配置在所述内部导体内侧的四棱柱形的内部电介质块，内部导体的4个面被支撑在该内部电介质块的外表面上。