DE10014197A1 - Hochtemperatursupraleiteranordnung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung hat eine Hochtemperatursupraleiteranordnung zum Gegenstand, welche insbesondere zur Verwendung in Strombegrenzern geeignet ist. Über die gesamte Länge des Supraleiters (1) verteilte Schwachstellen (A, B) agieren als potentielle Hot-Spots und ermöglichen im Fehlerfall ein homogenes Quenchen des Supraleiters. Die Schwachstellen sind durch eine reduzierte kritische Stromdichte oder eine Verringerung des Leiterquerschnitts charakterisiert.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochtemperatursupraleiter. Sie betrifft eine Hochtemperatur­ supraleiteranordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Hochtemperatursupraleiter finden beispielsweise Verwendung in supraleitenden Kurzschluss-Strombegrenzern für elektrische Verteil- oder Übertragungsnetze. Bei einem solchen Strombe­ grenzer wird ausgenutzt, dass ein Supraleiter bei entspre­ chend tiefer Temperatur seine Supraleitfähigkeit nur solange beibehält, als die Stromdichte eines ihn durchfliessenden Stromes unterhalb eines gewissen Grenzwertes bleibt. Dieser Grenzwert wird herkömmlich als kritische Stromdichte (j_c) be­ zeichnet und ist grundsätzlich abhängig von der Temperatur des Supraleiters und dem ihn durchsetzenden Magnetfeld.

Allgemein muss für Anwendungen von Hochtemperatursupraleitern bei hohen elektrischen Leistungen die Problematik der soge­ nannten "Hot-Spots" gebührend berücksichtigt werden. Infolge von unvermeidlichen Materialinhomogenitäten im Supraleiter oder wegen lokalen thermischen Fluktuationen ist die kriti­ sche Stromdichte nicht über den ganzen Supraleiter konstant. Folglich wird im Kurzschlussfall bei der anfänglichen Zunahme des Kurzschlussstromes die Stromdichte an der schwächsten Stelle des Supraleiters die lokale kritische Stromdichte zuerst überschreiten. An dieser Stelle des Supraleiters beginnt sich also ein Spannungsabfall aufzubauen. Dabei wird Jou­ le'sche Wärme erzeugt, welche den Supraleiter in einem klei­ nen Bereich aufheizt und die Supraleitung lokal zusammenbre­ chen lässt. Wird die dissipierte Energie nicht rasch genug weggeführt, entsteht ein Hot-Spot welcher letztendlich zu ei­ ner Zerstörung des Supraleiters führt.

Bei elektrischen Verteil- oder Übertragungsnetzen mit supra­ leitenden Bauteilen fällt im Fehlerfall unter Umständen die am entsprechenden Netzabschnitt anliegende Spannung gewollt (falls das Bauteil als Strombegrenzer ausgelegt ist) oder un­ gewollt am Supraleiter ab. Bei einem idealen Hochtemperatur­ supraleiter mit perfekt konstanter kritischer Stromdichte j_c und uniformer Stromverteilung wird letzterer im Kurzschluss­ fall homogen über seine ganze Länge "quenchen", d. h. sich über die kritische Temperatur T_C erwärmen und in den resisti­ ven Zustand übergehen. Dadurch fällt die Spannung über die ganze Länge des Supraleiters ab, was zu kleinen elektrischen Feldern und entsprechend unterkritischen Energiedichten führt.

Bei Tieftemperatursupraleitern ist die Gefahr einer lokalen Beschädigung des Supraleiters durch Ausbildung eines Hot- Spots viel geringer. Dies deshalb, weil bei Tieftemperatursu­ praleitern die supraleitenden Filamente in eine Matrix mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingebaut sind. Dank der entspre­ chend erhöhten Ausbreitungsgeschwindigkeit eines angehenden Hot-Spots (einige hundert m/s) ist eine lokal begrenzte Auf­ heizung des Supraleiters praktisch ausgeschlossen.

Erste Abhilfe bietet zumindest ein elektrischer Bypass, wel­ cher über die ganze Länge eines Hochtemperatursupraleiters mit diesem in elektrischem Kontakt steht und somit parallel zu jedem potentiellen Hot-Spot liegt. Der elektrische Bypass stellt einen alternativen Strompfad dar, durch welchen der Kurzschlussstrom den Hot-Spot umgehen kann, wodurch die Span­ nungsverteilung homogenisiert wird. In der DE 197 46 976 A1 ist ein derartiger elektrischer Bypass offenbart.

Der elektrische Bypass ist typischerweise eine Schicht aus einem auch bei Wärmebehandlungen gegenüber dem Hochtempera­ tursupraleiter inerten Edelmetall wie Silber oder Gold. Um die Begrenzungseigenschaften des betrachteten Strombegrenzers nicht einzuschränken, darf der Bypasswiderstand pro Länge nicht zu klein sein. Die genannte Schicht darf also nicht zu gut leiten, oder muss einen entsprechend geringen Querschnitt aufweisen. Der vom Hot-Spot übernommene Kurzschlussstrom wird auch im Bypass Joule'sche Wärme erzeugen, wodurch sich auch der elektrische Bypass mehr oder weniger schnell aufheizt und letztendlich Schaden nimmt.

Aus dem Artikel von B. Gromoll et al., "Resistive Current Li­ miters with YBCO Films", IEEE Transactions on Applied Super­ conductivity Vol. 7 No. 2, 1997, p 828-831, sind Dünnschicht- Hochtemperatursupraleiteranordnungen bekannt. Ein Substrat dient dabei als Unterlage für eine dünne Schicht (Dicke ≈ 1 µm) aus einem keramischen Hochtemperatursupraleitermate­ rial, insbesondere einer Verbindung mit der chemischen Formel YBa₂Cu₃O_7-x mit einer kritischen Stromdichte von 10⁶ A/cm².

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Hochtem­ peratursupraleiteranordnung die Ausbildung von Hot-Spots zu verhindern und ein homogenes Quenchen des Supraleiters zu er­ reichen. Diese Aufgabe wird durch eine Hochtemperatursupra­ leiteranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge­ löst.

Kern der Erfindung ist es, über eine Länge des Supraleiters verteilt künstlich Schwachstellen mit einer reduzierten kritischen Stromstärke vorzusehen. Diese Schwachstellen fungie­ ren als potentielle Hot-Spots, bei denen im Fehlerfall die kritische Stromstärke im Wesentlichen gleichzeitig über­ schritten wird. Ausgehend von diesen Stellen erwärmt sich darauf der gesamte Supraleiter auf homogene Art und Weise.

In einer ersten Ausführungsform erfolgt die Reduktion der kritischen Stromstärke über eine Verringerung des Supralei­ terquerschnitts bei ansonsten unveränderter kritischer Strom­ dichte respektive Materialbeschaffenheit.

In einer zweiten Ausführungsform erfolgt die Reduktion der kritischen Stromstärke über eine Verringerung der kritischen Stromdichte, indem lokal Defekte oder Materialinhomogenitäten in den Supraleiter eingebracht werden.

Die erfindungsgemässen Schwachstellen eignen sich zum Schutz von Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnungen gegen die Ausbildung von Hot-Spots, insbesondere im Zusammenhang mit supraleitenden Strombegrenzern.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhän­ gigen Patentansprüchen hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie­ len im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Hochtemperatursupraleiteranordnung gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 2 eine Hochtemperatursupraleiteranordnung gemäss einer bevorzugten weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst. Grundsätzlich sind glei­ che Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist ein Abschnitt eines bandförmigen Hochtemperatur­ supraleiters 1 gezeigt, welcher in der angegebenen Richtung von einem Strom der Stromstärke I durchflossen wird. An den mit A und B bezeichneten Schwachstellen ist die kritische Stromstärke I_C, d. h. die über den Leiterquerschnitt senkrecht zur Stromflussrichtung integrierte kritische Stromdichte, verringert. Der Abstand in Stromflussrichtung zwischen den Schwachstellen A, B ist mit d bezeichnet. Jede Schwachstelle A, B umfasst mindestens einen Defekt 3. Gemäss einer ersten Ausführungsform ist bei den Schwachstellen A, B der Quer­ schnitt des Supraleiters 1 reduziert, indem im Innern oder am Rand der Anordnung Supraleitermaterial entfernt wurde. Die Defekte 3 sind in diesem Falle Aussparungen, welche sich mög­ licher- aber nicht notwendigerweise über die ganze Dicke des Supraleiters 1 erstrecken.

Gemäss einer zweiten Ausführungsform ist an den Schwachstel­ len die kritische Stromstärke I_C verringert durch eine Reduk­ tion der kritischen Stromdichte j_C. Dies kann wahlweise über den ganzen Leiterquerschnitt oder nur über Teile davon erfol­ gen. Ein entsprechender Defekt mit reduziertem j_C kann sich also über den ganzen Querschnitt erstrecken. Eine lokale Än­ derung der Stöchiometrie beispielsweise durch den Einbau von Fremdatomen ("Doping") oder Bestrahlung des Supraleitermate­ rials führt i. A. zu einer Änderung von j_V.

Im erstgenannten Falle einer vollständigen Unterdrückung der supraleitenden Eigenschaften kann das ausgesparte Supralei­ termaterial durch einen anderen Leiter oder einen Nichtleiter ersetzt sein. In Fig. 2 ist ein Abschnitt einer Hochtempera­ tursupraleiteranordnung gezeigt, bei welcher der Hochtempera­ tursupraleiter 1 in elektrischem Kontakt mit einem elektri­ schen Bypass 2 steht. An den mit A, B, C, D bezeichneten Schwachstellen ist die kritische Stromstärke I_C, d. h. die über den Querschnitt der Anordnung integrierte kritische Stromdichte, verringert, indem das Supraleitermaterial durch Material des Bypass ersetzt wurde.

Steigt infolge eines Kurzschlusses die Stromstärke I im Su­ praleiter 1 an, wird sie zuerst an den wie dargelegt präpa­ rierten Stellen A, B den dortigen kritischen Wert I_C über­ schreiten. Sofern die Defekte 3 eine vergleichbare Reduktion von I_C bewirken, geschieht dies gleichzeitig oder zumindest innerhalb einer tolerierbaren zeitlichen Verzögerung Δt. An den Schwachstellen beginnt also verteilt über die Länge des ganzen Supraleiters 1 die Energiedissipation. Dabei ist es ohne Bedeutung, ob bei einer Schwachstelle mit reduzierter kritischer Stromdichte j_C die Erwärmung primär vom eigentli­ chen Defekt 3 oder vom restlichen Teil des Querschnitts mit unverändertem j_C ausgeht. Die dabei erzeugte Wärme vermag trotz einer bescheidenen Wärmeleitfähigkeit der Supralei­ teranordnung auch benachbarte Gebiete innert nützlicher Frist zu erreichen und aufzuwärmen. Diese Schwachstellen 3 bilden also potentielle Hot-Spots, wobei gerade die Tatsache, dass in geringem Abstand untereinander eine Vielzahl davon vorhan­ den ist, verhindert, dass sich eine einzelne Schwachstelle zu einem veritablen Hot-Spot entwickelt und den Supraleiter schädigt.

Zur weiteren Unterstützung eines homogenen Quenches ist es vorteilhaft, einen guten thermischen Leiter in Kontakt mit dem Supraleiter 1 vorzusehen. Somit kann die bei den Schwach­ stellen erzeugte Wärme noch schneller propagieren und auf an­ grenzende Gebiete weitergeleitet werden. Für viele Anwendun­ gen liegt der Supraleiter in Form eines Bandes oder Drahtes vor, die Erfindung lässt sich aber auch bei einem geeignet gekrümmten, d. h. nicht planaren Supraleiter einsetzen.

Bei der Ausgestaltung der Defekte 3 ist zu beachten, dass der Nennstrom I_N gleich oder kleiner als die minimale kritische Stromstärke I_C ^min sein soll. Eine zu grosse Absenkung letzte­ rer bedeutet also eine inakzeptable Einschränkung der Strom­ tragfähigkeit im Normalbetrieb. Bevorzugterweise dominieren die absichtlich eingebauten Schwachstellen die inhärenten Schwachstellen des Materials, d. h. die potentiellen Hot-Spots des Supraleiters 1. Die Reduktion der kritischen Stromstärke I_C im Bereich der Schwachstellen sollte also die unvermeidli­ che Variation von I_C im restlichen Bereich des Supraleiters übertreffen. Falls mit einer natürlichen I_C-Variation von 5% gerechnet werden muss, bringt eine Absenkung um weniger als 10% bereits den gewünschten Effekt.

Bevorzugt sind die Schwachstellen unter einem mittleren Ab­ stand d über die ganze Länge der Anordnung verteilt vorgese­ hen. Sie sind untereinander mehr oder weniger einheitlich ausgebildet, so dass sie alle innerhalb einer maximalen Ver­ zögerung Δt quenchen, d. h. in den resistiven Zustand überge­ hen. Die von den Schwachstellen ausgehenden Wärmefronten er­ reichen idealerweise innerhalb der genannten Zeitspanne Δt jeden Punkt des Supraleiters 1. Somit erwärmt sich letzterer innerhalb kurzer Zeit nach Auftreten des Kurzschlussstromes über seine ganze Länge. Bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärmefront von v m/s ist der Abstand der Schwachstellen vereinfacht durch d ≈ 2 . v . Δt festgelegt. Ausbreitungsgesch­ windigkeit v und maximale Verzögerung Δt hängen vom Aufbau und Material der Supraleiteranordnung ab, zudem ist Δt von der gewählten Anwendung abhängig. Bei einer Ausbreitungsge­ schwindigkeit v von 5 m/s, wie sie für die im folgenden Ab­ schnitt dargestellten Anordnungen zutreffend ist, und einer Verzögerung Δt von 1 ms ergibt sich für d eine akzeptable Grössenordnung im cm-Bereich. Demgegenüber sollten die Schwachstellen beziehungsweise die Defekte 3 in Stromfluss­ richtung in etwa eine Ausdehnung im µm-Bereich haben.

Dünnschicht-Hochtemperatursupraleiteranordnungen wie eingangs erwähnt umfassen ein normalerweise polykristallines, untextu­ riertes Substrat, beispielsweise aus Saphir, eine qualitativ hochwertige dünne supraleitende Schicht und dazwischen eine möglicherweise texturierte Pufferschicht. Die Pufferschicht stimmt in ihren thermomechanischen Eigenschaften, insbesonde­ re dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, mit dem Hochtemperatur­ supraleiter gut überein. Zur Aufbringung der Pufferschicht und der supraleitenden Schicht werden beispielsweise PVD (Physical Vapor Deposition) oder CVD (Chemical Vapor Deposi­ tion) Prozesse verwendet. Das Aufwachsen der supraleitenden Schicht erfolgt beispielsweise durch thermische Co- Verdampfung (co-evaporation) oder mittels eines Laserabla­ tions-verfahrens. Die Dicke der dergestalt präparierten su­ praleitenden Schicht beträgt bis 5 µm.

Die genannten Verfahren zur Aufbringung einer dünnen supra­ leitenden Schicht erlauben im Zusammenwirken mit einer geeig­ neten Maskentechnik gleichzeitig die Ausgestaltung der Schwachstellen mit der erforderlichen Genauigkeit beziehungs­ weise Reproduzierbarkeit. Andererseits können auch nach er­ folgter Deposition mittels Ätzverfahren die Aussparungen ge­ mäss der ersten Ausführungsform auf kontrollierte Weise er­ stellt werden. Dabei wird anschliessend an die Deposition des Supraleiters 1 eine Maskenschicht aus einem geeigneten Photo­ resist aufgebracht. Durch Öffnungen in der Maske hindurch wird anschliessend durch ein übliches Materialabtragverfahren wie z. B. Sputterätzen die darunterliegende supraleitende Schicht 1 zumindest teilweise abgetragen. Nach dem Entfernen der Maske wird anschliessend zur Fertigstellung der Dünn­ schicht-Hochtemperatursupraleiteranordnung ganzflächig eine Bypassschicht 2 (z. B. aus Ag oder Au) aufgetragen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Supraleiter

2

Bypass

3

Defekt
A, B, C Schwachstelle

Claims (8)

1. Hochtemperatursupraleiteranordnung mit einem Supraleiter (1) und einer Stromflussrichtung (I), dadurch gekennzeichnet, dass in Stromflussrichtung (I) über den Supraleiter (1) verteilt Schwachstellen (A, B, C, D) mit einer gegenüber dem Rest des Supraleiters (1) redu­ zierten kritischen Stromstärke I_C vorgesehen sind.

2. Hochtemperatursupraleiteranordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schwachstelle (A, B, C, D) eine Verringerung eines stromtragenden Quer­ schnitts des Supraleiters (1) aufweist.

3. Hochtemperatursupraleiteranordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schwachstelle (A, B, C, D) Inhomogenitäten oder Defekte (3) im Supralei­ ter (1) aufweist.

4. Hochtemperatursupraleiteranordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass die Anordnung weiter einen elektrischen Bypass (2) umfasst und dass zumindest eine Schwachstelle (A, B, C, D) einen verringerten Querschnitt des Supraleiters (1) und einen im gleichen Mass vergrö­ sserten Querschnitt des Bypass (2) aufweist.

5. Hochtemperatursupraleiteranordnung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion der kritischen Stromstärke I_C im Bereich der Schwachstel­ len (A, B, C, D) grösser ist als die Variation der kriti­ schen Stromstärke I_C in einem zwischen zwei Schwachstellen (A, B, C, D) liegenden Bereich des Supraleiters (1).

6. Hochtemperatursupraleiteranordnung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatursupraleiter (1) als dünne Schicht auf ein Substrat auf­ gebracht ist.

7. Hochtemperatursupraleiteranordnung nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht (1) aus einem keramischen Hochtemperatursupraleiter, insbeson­ dere aus einer Verbindung gemäss der Formel YBa₂Cu₃O_7-x, be­ steht.

8. Verwendung einer Hochtemperatursupraleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem supraleitenden Strombegrenzer.