DE102013212042A1

DE102013212042A1 - Supraleitender Leiterverbund und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102013212042A1
Application number: DE102013212042.7A
Authority: DE
Inventors: Tabea Arndt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2015-01-08
Also published as: WO2014206751A1

Abstract

Es wird ein supraleitender Leiterverbund, eine Spuleneinrichtung mit einem solchen Leiterverbund und ein Herstellungsverfahren für einen solchen Leiterverbund angegeben. Der supraleitende Leiterverbund umfasst zwei Bandleiter mit jeweils einer flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schicht und einen Verbindungsbereich mit einer hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht, die mit den beiden hochtemperatursupraleitenden Schichten der beiden Bandleiter im Bereich ihrer Endstücke über jeweils eine Kontaktfläche durchgehend supraleitend verbunden ist. Die supraleitende Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine Spulenwicklung mit wenigstens einem solchen supraleitenden Bandleiter. Bei dem Herstellungsverfahren werden zwei Bandleiter mit jeweils einer flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schicht durch eine hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht miteinander verbunden. Das Verfahren umfasst wenigstens die Schritte des räumlich benachbarten Anordnens von zwei Endstücken der beiden Bandleiter und des Aufbringens der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht, so dass zwischen der Verbindungsschicht und den beiden hochtemperatur-supraleitenden Schichten der beiden Bandleiter jeweils eine durchgehend supraleitende Kontaktfläche hergestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen supraleitenden Leiterverbund mit zwei supraleitenden Leitern und einem Verbindungsbereich mit einem durchgehend supraleitenden Kontakt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen solchen Leiterverbund.
Zur Erzeugung starker, homogener Magnetfelder werden vielfach supraleitende Spulen verwendet, die im Dauerkurzschlussstrom-Modus betrieben werden. Homogene Magnetfelder mit magnetischen Flussdichten zwischen 0.5 T und 20 T werden beispielsweise für die magnetische Kernresonanz-Spektroskopie (NMR-Spektroskopie) und für die Magnetresonanzbildgebung benötigt. Diese Magnete werden typischerweise über einen äußeren Stromkreis aufgeladen und dann von der äußeren Stromquelle getrennt, da in dem resultierenden Dauerkurzschlussstrom-Modus ein nahezu verlustfreier Stromfluss über die supraleitende Spule stattfindet. Das resultierende, starke Magnetfeld ist zeitlich besonders stabil, da es nicht von den Rauschbeiträgen eines äußeren Stromkreises beeinflusst wird.
Bei Verwendung bekannter Wicklungstechniken werden ein oder mehrere supraleitende Drähte auf Tragkörper gewickelt, wobei unterschiedliche Drahtabschnitte über Drahtverbindungen mit möglichst kleinem ohmschen Widerstand oder über supraleitende Verbindungen miteinander kontaktiert werden. Für klassische Niedertemperatursupraleiter wie NbTi und Nb₃Sn mit Sprungtemperaturen unterhalb von 23 K existieren Technologien zur Herstellung supraleitender Kontakte zur Verknüpfung von Drahtabschnitten und zur Verbindung der Wicklungen mit einem supraleitenden Dauerstromschalter. Der supraleitende Dauerstromschalter ist dabei Teil des Stromkreises der Spule und wird zur Einspeisung eines äußeren Stromes durch Aufheizen in einen ohmsch leitenden Zustand versetzt. Nach Abschalten der Heizung und Herunterkühlen auf die Betriebstemperatur wird auch dieser Teil der Spule wieder supraleitend. Für den Betrieb einer Magnetspule für Magnetresonanz-Untersuchungen im Dauerkurzschlussstrom-Modus werden supraleitende innere Kontakte mit Kontaktwiderständen von höchstens 1 fOhm benötigt.
Für die Verbindung von supraleitenden Einzelspulen für Anwendungen in elektrischen Maschinen, beispielsweise für supraleitende Rotorwicklungen in Generatoren, sind die Anforderungen wesentlich geringer. Hier werden supraleitende Kontakte mit Kontaktwiderständen im Bereich unterhalb von 1 nOhm benötigt.
Hochtemperatursupraleiter oder auch Hoch-T_c-Supraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Kuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS- Materialien sind besonders attraktiv für die Herstellung von Magnetspulen für die NMR-Spektroskopie und die Magnetresonanzbildgebung, da manche Materialien hohe obere kritische Magnetfelder von über 20 T aufweisen. Durch die höheren kritischen Magnetfelder eignen sich die HTS-Materialien prinzipiell besser als die Niedertemperatursupraleiter zur Erzeugung hoher Magnetfelder von über beispielsweise 10 T. Auch für andere Anwendung ist die Verwendung von HTS-Materialien vorteilhaft, da der Aufwand für die Kühlung der Spulen auf die nötige Betriebstemperatur wesentlich geringer ist.
Ein Problem bei der Herstellung von HTS-Magnetspulen ist das Fehlen von geeigneten Technologien zur Herstellung supraleitender HTS-Verbindungen, insbesondere für Hochtemperatursupraleiter der zweiten Generation, sogenannte 2G-HTS. Ein Beispiel für 2G-HTS-Materialien bilden die Verbindungen des Typs REBa₂Cu₃O_x, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Solche 2G-HTS-Drähte liegen typischerweise in Form von flachen Bandleitern mit flächigen supraleitenden Schichten in einem mehrlagigen Schichtsystem vor. Wenn ohmsche Kontakte zwischen den supraleitenden Bandleitern eingefügt werden, können die Verluste in der Spule nicht mehr vernachlässigt werden, und das erzeugte Magnetfeld fällt in einem Zeitraum von einigen Stunden oder Tagen merklich ab (vgl. „IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 12, No. 1, March 2002, Seiten 476 bis 479 und „IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 18, No. 2, June 2008, Seiten 953 bis 956).
Bisher sind für 2G-HTS-Bandleiter nur Verbindungstechnologien bekannt, bei denen die supraleitenden Schichten verschiedener Leiterabschnitte über normalleitende Lote und typischerweise auch über wenigstens eine normalleitende Deck- oder Laminatschicht verbunden werden. Ein derartiger Leiterverbund ist beispielsweise in der US 2010/0022396 A1 offenbart, wobei mit den dort gezeigten Leiterverbunden Kontaktwiderstände im Bereich von bis zu etwa 3 µOhm erreicht werden. Es existieren keine Lotmaterialien aus Hochtemperatur-Supraleitern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen supraleitenden Leiterverbund anzugeben, bei dem zwei supraleitende Bandleiter durchgehend supraleitend miteinander verbunden sind. Weitere Aufgabe der Erfindung sind, eine Spuleneinrichtung mit einem solchen Leiterverbund und ein Herstellungsverfahren für einen solchen Leiterverbund anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 angegebenen Leiterverbund, die in Anspruch 10 angegebene Spuleneinrichtung mit einem solchen Leiterverbund und das in Anspruch 11 angegebene Herstellungsverfahren für einen solchen Leiterverbund gelöst.
Der erfindungsgemäße supraleitende Leiterverbund umfasst zwei Bandleiter mit jeweils einer flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schicht und einen Verbindungsbereich mit einer hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht, die mit den beiden hochtemperatur-supraleitenden Schichten der beiden Bandleiter im Bereich ihrer Endstücke über jeweils eine Kontaktfläche durchgehend supraleitend verbunden ist.
Es wird also eine supraleitende Verbindungsschicht auf einem Teil der hochtemperatur-supraleitenden Schichten der beiden zu verbindenden Bandleiter aufgebracht, so dass diese beiden flächigen Schichten über ihrerseits flächige Kontakte supraleitend verbunden werden. Vorteilhaft ist die supraleitende Verbindungsschicht wenigstens in einem Teilbereich eine epitaktische Schicht, die an die kristallographische Struktur von zumindest einer der hochtemperatur-supraleitenden Schichten der beiden Bandleiter angepasst ist. Besonders vorteilhaft ist sie in jeweils einem Teilbereich an die kristallographische Struktur von beiden HTS-Schichten der beiden Bandleiter angepasst. Durch das flächige Aufbringen der Verbindungsschicht auf die HTS-Schichten der einzelnen Bandleiter und die Anpassung der Wachstumsstruktur an wenigstens eine dieser HTS-Schichten wird erreicht, dass ein durchgehend supraleitender Kontakt mit einem niedrigen Kontaktwiderstand geschaffen wird. Ein solcher Kontakt ermöglicht beispielsweise die Verbindung von mehreren Teilspulen zu einer Gesamtspule, wobei diese Verbindung entweder nach dem Wickeln der Teilspulen oder als Teilschritt zwischen den verschiedenen Wicklungsprozessen durchgeführt werden kann. Alternativ kann aber auch die Verbindung der Bandleiter vor dem Wickeln hergestellt werden, beispielsweise zu Herstellung eines langen, zusammengesetzten Bandleiters auf einer Vorratsspule.
Die erfindungsgemäße supraleitende Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine Spulenwicklung mit wenigstens einem erfindungsgemäßen supraleitenden Bandleiter. Der Vorteil einer solchen supraleitenden Spuleneinrichtung ist, dass sie aus mehreren Teilspulen und/oder aus mehreren Bandleiterabschnitten innerhalb einer Wicklung zusammengesetzt werden kann, ohne dass zusätzliche ohmsche Kontaktwiderstände eingeführt werden. Beispielsweise kann eine solche supraleitende Spuleneinrichtung eine Magnetspule für eine Magnetresonanz-Anwendung umfassen, oder die Spuleneinrichtung kann eine Spuleneinrichtung für eine elektrische Maschine, beispielsweise eine Rotorspule in einer Synchronmaschine sein.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen supraleitenden Leiterverbundes werden zwei Bandleiter mit jeweils einer flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schicht durch eine hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht miteinander verbunden. Das Verfahren umfasst wenigstens die Schritte des räumlich benachbarten Anordnens von zwei Endstücken der beiden Bandleiter und des Aufbringens der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht, so dass zwischen der Verbindungsschicht und den beiden hochtemperatur-supraleitenden Schichten der beiden Bandleiter jeweils eine durchgehend supraleitende Kontaktfläche geschaffen wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ergeben sich analog zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Leiterverbundes. Insbesondere ist das Verfahren geeignet, supraleitende Teilspulen oder Teilabschnitte von Wicklungen miteinander zu verbinden, ohne dass zusätzliche ohmsche Kontakte in eine solche Wicklung eingeführt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Leiterverbundes gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann der supraleitende Leiterverbund zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Die hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht kann eine aus einer Lösung abgeschiedene Schicht sein. Insbesondere kann die Verbindungsschicht mit der sogenannten chemischen Lösungsabscheidung (CSD) hergestellt sein, wie beispielsweise in „K. Knoth et al., Current Opinion in Solid State and Materials Science 10 (2006) 205–216“ beschrieben. Bei einer solchen Abscheidung aus einer Lösung können epitaktische hochtemperatur-supraleitende Schichten hergestellt werden, die in ihrer Kristallstruktur beispielsweise an eine darunterliegende hochtemperatur-supraleitende Schicht wenigstens eines der zu verbindenden Bandleiter angepasst sind. Beim CSD-Verfahren wird ein Ausgangsstoff für die zu bildende Schicht in einem Lösungsmittel gelöst auf den zu beschichtenden Bereich aufgebracht. Nach dieser eigentlichen Beschichtung wird in einem oder mehreren Temperschritten das Lösungsmittel entfernt, und der Ausgangsstoff wird durch Kristallisation und/oder chemische Reaktion in die hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht umgewandelt. Eine solche aus Lösung hergestellte Schicht unterscheidet sich in ihrer Wachstumsstruktur und in dem eventuellen Vorliegen von Lösungsmittelresten von einer mit physikalischen Beschichtungsmethoden und/oder unter Vakuum hergestellten supraleitenden Schicht. Die kristallographische Struktur ist typischerweise weniger einheitlich und etwas weniger genau an die kristallographische Struktur der darunterliegenden Schicht angepasst. Entsprechend weisen aus Lösung abgeschiedene hochtemperatur-supraleitende Schichten auch oft etwas niedrige Stromtragfähigkeiten auf als durch Beschichtung im Vakuum hergestellte Schichten. Für die Herstellung von supraleitenden Kontakten zu Verbindung von Bandleitersegmenten und/oder Teilspulen ist die Stromtragfähigkeit und die Qualität der Verbindungsschicht jedoch trotzdem ausreichend. Ein Vorteil einer Abscheidung der supraleitenden Verbindungsschicht aus Lösung ist die Tatsache, dass bei einer solchen Abscheidung die Qualität der entstehenden epitaktischen Schicht weniger empfindlich von vorliegenden Störstellen abhängt. So kann der Übergang von einem Bandleiter zum benachbarten Bandleiter auch als eine makroskopische Störstelle angesehen werden, deren Auswirkung durch die Abscheidung der Verbindungsschicht aus der Lösung reduziert wird. Eine leichte Fehlanpassung der Kristallstruktur von benachbart angeordneten, zu verbindenden supraleitenden Schichten wird durch eine aus Lösung abgeschiedene Verbindungsschicht besonders gut ausgeglichen und überbrückt.
Alternativ kann die hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht jedoch auch unter Vakuum durch ein physikalisches Beschichtungsverfahren, durch Laserabscheidung oder durch chemische Dampfphasenabscheidung hergestellt werden.
Die beiden Bandleiter können durch die supraleitende Verbindungsschicht über einen Kontaktwiderstand von höchstens 1 nOhm, besonders vorteilhaft höchstens 1 pOhm elektrisch miteinander verbunden sein. Ein derartiger Kontaktwiderstand ist ausreichend für die Verbindung von supraleitenden Teilspulen für Anwendungen im Energietechnik-Bereich, beispielsweise für eine zusammengesetzte supraleitende Rotorspule in einem Generator. Besonders vorteilhaft liegt der Kontaktwiderstand sogar bei höchstens 1 fOhm. Ein derartiger Kontaktwiderstand ist Voraussetzung dafür, um aus Teilspulen zusammengesetzte supraleitende Spulen als Magnetspulen im Dauerkurzschlussstrom-Modus für Magnetresonanz-Anwendungen einzusetzen. Der Wert des sich insgesamt ergebenden Kontaktwiderstands hängt entscheidend von der Qualität der Verbindungsschicht, insbesondere der Qualität eines epitaktischen Wachstums auf einer darunterliegenden supraleitenden Schicht und von der Reinheit der Verbindungsschicht ab.
Die flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schichten der beiden Bandleiter und/oder die hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht können von einer normalleitenden, insbesondere einer metallischen normalleitenden Schicht bedeckt sein. So können die Bandleiter auf ihrer supraleitenden Schicht eine oder mehrere metallische Deckschichten aus beispielsweise Silber und/oder Kupfer umfassen. Es kann sich hierbei um aufgedampfte, gesputterte und/oder auflaminierte Schichten handeln. Vorteilhaft werden diese Deckschichten im Verbindungsbereich von den supraleitenden Schichten entfernt, so dass die Verbindungsschicht direkt auf die jeweilige supraleitende Schicht aufgebracht werden kann. Auch die supraleitende Verbindungsschicht kann nach ihrer Aufbringung wieder mit einer neuen normalleitenden Deckschicht versehen werden, die beispielsweise die normalleitenden Deckschichten der einzelnen Bandleiter normalleitend verbindet. Eine solche durchgehend normalleitende Schicht kann beispielsweise bei einem Zusammenbruch der Supraleitung durch Überschreitung der kritischen Stromdichte oder der Sprungtemperatur den Strom der Spule tragen.
Die beiden Bandleiter können im Verbindungsbereich mit einer Halterung, insbesondere einer Klammer oder Muffe, mechanisch miteinander fixiert sein. Eine solche Fixierung ist zweckmäßig, wenn die mechanische Festigkeit der Verbindungsschicht und eventuell darüber liegender normalleitender Deckschichten nicht ausreicht, den mechanischen Anforderungen, beispielsweise beim Einsatz in einer rotierenden Spule oder bei Einwirkung hoher Lorentzkräfte gerecht zu werden. Die beiden Bandleiter können in diesem Bereich auch vergossen oder miteinander verklebt werden.
Es ist auch möglich, die beiden Bandleiter nur während der Herstellung der Verbindungsstruktur mit einer Halterung mechanisch zu fixieren und diese Halterung vor Fertigstellung einer Spulenwicklung wieder zu entfernen, damit kein zu hoher Platzbedarf durch die Verbindung entsteht.
Der Leiterverbund kann im Verbindungsbereich eine Dicke von höchstens dem Vierfachen der mittleren Dicke der einzelnen Bandleiter aufweisen. Besonders vorteilhaft weist der Leiterverbund im Verbindungsbereich eine Dicke von höchstens dem Doppelten der einzelnen Leiterdicke auf. Dies ist deswegen vorteilhaft, weil dann der Platzbedarf durch die Verbindung nicht übermäßig erhöht wird und die Symmetrie einer Spulenwicklung durch die Verbindungsstelle nicht zu stark gestört wird. Gerade im Bereich der Magnetspulen für Magnetresonanzanwendungen ist es wichtig, dass einzelne Leitersegmente nicht zu viel Platz beanspruchen, da insgesamt sehr hohe lokale Stromdichten benötigt werden.
Die beiden Bandleiter können im Verbindungsbereich mit ihren Stirnseiten direkt benachbart angeordnet sein. Insbesondere können sie in einer Ebene angeordnet sein und sich im Bereich ihrer Stirnflächen möglichst weitgehend berühren. Ihre beiden Oberseiten bilden dann im Wesentlichen eine durchgehende Fläche, auf der die Verbindungsschicht als eine planare Schicht aufgebracht werden kann. Die Stirnseiten können von Flächen begrenzt sein, die senkrecht zu der Längsrichtung der einzelnen Bandleiter liegen, was zu einer relativ kleinen Berührungsfläche führt. Alternativ können die Stirnseiten auch im Vergleich zur Längsrichtung der Bandleiter angeschrägt sein, so dass die Verbindungsfläche der beiden Kanten erhöht ist.
In einer alternativen Ausgestaltung können die beiden Bandleiter in wenigstens einem Teil des Verbindungsbereichs flächig überlappend angeordnet sein. Vorteilhaft liegen dabei die supraleitenden Schichten der beiden Bandleiter vor Aufbringen der Verbindungsschicht offen, und die beiden Bandleiter weisen bezüglich der Seite der supraleitenden Schicht auf dem Substrat die gleiche Orientierung auf. Somit entsteht durch die übereinanderliegenden Bandleiter eine Stufe, die von der Verbindungsschicht überbrückt werden kann. Vorteilhaft kann wenigstens eines der Substrate im Verbindungsbereich durch Nachbearbeitung gedünnt sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gehen aus den von Anspruch 11 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann das Verfahren zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Das Aufbringen der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungschicht kann durch eine Abscheidung aus Lösung erfolgen. Die Vorteile ergeben sich analog zu der entsprechenden Ausführungsform für den oben beschriebenen Leiterverbund. Die Lösung kann dabei eine wässrige Lösung sein, sie kann ein organisches Lösungsmittel umfassen und/oder es kann ein Gemisch mehrerer Lösungsmittel vorliegen. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Alkohole wie Methanol oder Gemische aus Wasser und Alkoholen.
Die Herstellung der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht kann bei einem Druck oberhalb von 0.5 bar erfolgen. Diese Ausführungsform ist vor allem in Verbindung mit einer Abscheidung der Verbindungsschicht aus Lösung zweckmäßig. Es ist ein Vorteil des Abscheidungsverfahrens aus Lösung, dass nicht im Vakuum gearbeitet werden muss, sondern dass ein Umgebungsdruck in der Nähe des Atmosphärendrucks vorliegen kann. Dadurch, dass keine Vakuum- oder Hochvakuumumgebung für den Abscheidungsprozess benötigt wird, ist das Herstellungsverfahren aus Lösung apparativ wesentlich weniger aufwendig als andere Verfahren. Es werden keine Schleusen- und Pumpvorgänge benötigt, so dass das Herstellungsverfahren besonders geeignet ist, um Verbindungen von Bandleitersegmenten während des Wickelns einer Spule herzustellen und/oder um große fertige Teilspulen zu einer Gesamtspule zu verbinden.
Bei der Aufbringung der Verbindungsschicht kann die umgebende Atmosphäre Sauerstoff, Stickstoff und/oder Wasserdampf enthalten.
Das Aufbringen der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht kann die Abscheidung eines Ausgangsstoffs aus einer Lösung und die anschließende Bildung der hochtemperatursupraleitenden Schicht aus diesem Ausgangsstoff umfassen. Ein solcher Ausgangsstoff kann beispielsweise eine Matrix eines gemischten Yttrium-Barium-Oxifluorids mit eingelagerten CuO-Nanokristalliten sein. Eine Lösung zur Abscheidung einer solchen Matrix kann beispielsweise nach einem der in „K. Knoth et al., Current Opinion in Solid State and Materials Science 10 (2006) 205–216“ beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Dies sind insbesondere das Sol-Gel-Verfahren, der Nitratprozess, der Pechini-Prozess, der Zitrat-Prozess oder der besonders vorteilhafte Trifluoroacetat-Prozess.
Die anschließende Bildung der hochtemperatur-supraleitenden Schicht aus diesem Ausgangsstoff kann einen oder mehrere Temperaturschritte umfassen. Beispielsweise kann zunächst in einem ersten Temperschritt mit einer Temperatur zwischen 300°C und 600°C ein großer Teil des Lösungsmittels und eventuell weiterer vorliegender organischer Verbindungen entfernt werden. Dann kann beispielsweise in einem zweiten Temperaturschritt zwischen 600°C und 1200°C die Kristallisation der eigentlichen supraleitenden Verbindungsschicht erfolgen, wodurch eine epitaktische Schicht auf einer darunterliegenden supraleitenden Schicht eines Bandleiters entstehen kann.
Der in Lösung vorliegende Ausgangsstoff kann vorteilhaft durch ein Tintenstrahlverfahren, ein Aufsprühverfahren, ein Rakelverfahren, ein Siebdruckverfahren, ein Eintauchverfahren und/oder ein Kippverfahren hergestellt werden. Insbesondere das kontinuierliche Tintenstrahlverfahren stellt hier eine einfache Methode zur Abscheidung wohldefinierter Schichten mit vorgegebener, gleichmäßiger Schichtdicke und unter guter Materialausnutzung dar. Vorteilhafte Schichtdicken der Verbindungsschicht liegen zwischen 200 nm und 20 µm. Dabei können Schichtdicken im oberen Teil dieses Bereichs auch durch mehrmaliges Abscheiden aus der Lösung hergestellt werden. Besonders vorteilhaft kann die Schichtdicke der Verbindungsschicht auch bis zu zehnmal höher sein als die Schichtdicken der supraleitenden Schichten der zu verbindenden Bandleiter. Dies kann bewirken, dass beispielsweise eine niedrigere Stromtragfähigkeit einer aus einer Lösung abgeschiedenen Verbindungsschicht durch die höhere Schichtdicke ausgeglichen wird.
Sind die zu verbindenden Bandleiter mit einer Deckschicht auf der jeweiligen supraleitenden Schicht versehen, so kann das Herstellungsverfahren auch die Entfernung dieser Deckschicht im Bereich der Endstücke, also im zukünftigen Verbindungsbereich, umfassen. Diese Entfernung kann beispielsweise mittels chemischem Ätzen und/oder Ionenstrahlätzen erfolgen. Das Herstellungsverfahren kann auch ein Aufbringen einer weiteren Deckschicht über der Verbindungsschicht umfassen. Deckschichten können beispielsweise normalleitende Schichten aus Silber und/oder Kupfer sein. Es kann sich dabei vorteilhaft um Laminatschichten handeln.
Die zu verbindenden Bandleiter können unterhalb ihrer supraleitenden Schichten sogenannte Pufferschichten umfassen, deren kristallographische Struktur eine Wachstumsstruktur für die folgende supraleitende Schicht vorgibt. Entsprechend kann auch wenigstens in einem Teil des Verbindungsbereichs unterhalb der supraleitenden Verbindungsschicht eine Pufferschicht aufgebracht werden. Auch diese Pufferschicht kann vorteilhaft aus einer Lösung abgeschieden werden. Es ist jedoch ein prinzipieller Vorteil der Aufbringung der supraleitenden Verbindungsschicht aus Lösung direkt auf den anderen supraleitenden Schichten, dass die Aufbringung einer neuen Pufferschicht nicht nötig ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, von denen
1 einen schematischen Querschnitt eines supraleitenden Leiterverbundes nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt und
2 einen schematischen Querschnitt eines supraleitenden Leiterverbundes nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Leiterverbundes 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt sind zwei Bandleiter 3a und 3b, die jeweils eine flächige hochtemperatur-supraleitende Schicht 9a, 9b umfassen. Der Schichtaufbau ist für beide Bandleiter 3a, 3b schematisch dargestellt: So umfasst jeder der Bandleiter 3a, 3b weiterhin ein Substrat 5a, 5b, eine zwischen Substrat 5a, 5b und Supraleitungsschicht 9a, 9b angeordnete Pufferschicht 7a, 7b und eine über der Supraleitungsschicht 9a, 9b angeordnete Deckschicht 11a, 11b. Das Substrat 5a, 5b ist hier jeweils ein 50 µm dickes Trägerband aus einer Nickel-Wolfram-Legierung. Alternativ sind auch Stahlbänder oder Bänder aus einer Legierung wie z.B. Hastelloy verwendbar. Über dem Substrat 5a, 5b ist jeweils eine 0.5 µm dicke Pufferschicht 7a, 7b angeordnet, die die oxidischen Materialien CeO₂ und Y₂O₃ enthält. Darüber folgt die eigentliche supraleitende Schicht 9a, 9b, hier jeweils eine 1 µm dicke Schicht aus YBa₂Cu₃O_x, die wiederum mit einer 20 µm dicken Deckschicht 11a, 11b aus Kupfer abgedeckt ist. Alternativ zu dem Material YBa₂Cu₃O_x können auch die entsprechenden Verbindungen REBa₂Cu₃O_x anderer seltener Erden RE verwendet werden. Die Pufferschichten 7a und 7b dienen als strukturvermittelnde Wachstumsgrundlage für die darauf abgeschiedenen supraleitenden Schichten 9a und 9b. Die Deckschichten 11a und 11b aus Kupfer dienen als normalleitende Stromtransportschichten, die bei einem eventuellen Zusammenbruch der supraleitenden Eigenschaften den Stromtransport durch ihre ohmsche Leitfähigkeit übernehmen können.
Im Leiterverbund 1 sind die beiden Bandleiter 3a und 3b gleich dick und im Bereich ihrer Endstücke in einer Ebene angeordnet. Sie sind so angeordnet, dass sich ihre Stirnflächen 23a und 23b möglichst großflächig berühren. Die Oberflächen ihrer supraleitenden Schichten 9a und 9b bilden dann im Rahmen der Positionierungsgenauigkeit eine durchgehende ebene Oberfläche.
Der Leiterverbund 1 weist einen Verbindungsbereich 13 auf, in dem die Deckschichten 11a und 11b beispielsweise durch reaktives Ionenätzen von den supraleitenden Schichten 9a und 9b entfernt sind. Anschließend wird auf den freiliegenden Bereichen der supraleitenden Schichten 9a und 9b eine etwa 1 µm dicke supraleitende Verbindungsschicht 15 aus einer Lösung abgeschieden. In diesem Beispiel ist die Verbindungsschicht 15 eine Schicht aus YBa₂Cu₃O_x, die durch thermische Behandlung einer aus Lösung abgeschiedenen Matrix von CuO-Nanokristalliten in einem gemischten Yttrium-Barium-Oxifluorids erzeugt wird. Diese Matrix wird hier aus einer wässrig-methanolischen Lösung mit Hilfe eines Tintenstrahlprozesses abgeschieden. Die Lösung wird dabei nach dem Trifluoroacetat-Prozess hergestellt. Nach Aufbringen der Schicht wird durch thermische Behandlung bei bis zu etwa 850°C das Lösungsmittel weitgehend entfernt, und es wird eine Schicht von epitaktischem YBa₂Cu₃O_xaus der flüssigen Phase auskristallisiert. Dabei werden vor allem Wasser, Methanol und HF abgedampft. Durch einen weiteren Temperschritt unter einer Sauerstoffatmospäre wird ein geeigneter Dotiergrad der supraleitenden Verbindungsschicht erreicht.
Die supraleitende Verbindungsschicht 15 weist zu jeder der beiden supraleitenden Schichten 9a, 9b der beiden Bandleiter 3a, 3b einen flächigen, supraleitenden Kontakt auf. Sie ist durch ihr epitaktisches Wachstum an die Kristallstruktur beider Schichten 9a, 9b angepasst und gleicht eventuell vorliegende Abweichungen in deren Kristallstrukturen aus. Auch wenn die Verbindungsschicht 15 eine geringere Stromtragfähigkeit aufweist als die beiden zu verbindenden Supraleitungsschichten 9a und 9b, so ist die Stromtragfähigkeit trotzdem ausreichend, um eine durchgehend supraleitende Verbindung unterhalb von 1 nOhm zu schaffen. Bei einer optimierten Anpassung der Kristallstrukturen der beiden zu verbindenden Supraleitungsschichten und bei der Wahl ausreichend großer Schichtdicken und Kontaktflächen können auch Kontaktwiderstände unterhalb von 1 fOhm erreicht werden, die einen Einsatz solcher Strukturen in Magnetspulen für Magnetresonanzanwendungen ermöglichen. Hierzu kann beispielsweise die Länge des Verbindungsbereichs 13 das Ein- bis Fünffache der mittleren Breite der jeweiligen Bandleiter 3a, 3b betragen. Im gezeigten Beispiel liegt die Breite der Bandleiter 3a, 3b bei jeweils 5 mm, und die Länge der Verbindungsschicht liegt bei 10 mm.
Im gezeigten Beispiel sind die beiden Bandleiter 3a und 3b durch eine Halterung 17 gegeneinander fixiert, deren unterer Teil in Fig. schematisch dargestellt ist. Diese Halterung kann die Form einer Muffe aufweisen und die beiden Bandleiter auch seitlich miteinander fixieren. Sie erleichtert die Justage der Stirnseiten 23a und 23b, so dass eine möglichst große Berührungsfläche und eine möglichst einheitliche Oberfläche der Oberseiten der supraleitenden Schichten erreicht werden kann. Oberhalb der supraleitenden Verbindungsschicht 15 ist schließlich eine weitere metallische Deckschicht 11c aufgebracht, die die Deckschichten 11a und 11b der einzelnen Bandleiter normalleitend miteinander verbindet. Diese dritte Deckschicht 11c kann eine laminierte Schicht aus einem Kupferband sein.
Die Dicke des Leiterverbundes 21 ist im gezeigten Beispiel auch im Verbindungsbereich 13 nicht größer als das Doppelte der Dicke der einzelnen Bandleiter 3a, 3b. Dies wird durch die platzsparende Ausgestaltung der Halterung 17, der Verbindungsschicht 15 und der dritten Deckschicht 11c sichergestellt.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Leiterverbundes 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier sind zwei Bandleiter 3a und 3b durch eine supraleitende Verbindungsschicht 15 in einem Verbindungsbereich 13 durchgehend supraleitend miteinander verbunden. Die Bandleiter 3a und 3b sind dabei jeweils ähnlich aufgebaut wie im ersten Ausführungsbeispiel. In einem Teil des Verbindungsbereichs 13 überlappen die beiden Bandleiter 3a und 3b flächig, so dass die Verbindungsschicht 15 eine Stufe von der Höhe des Bandleiters 3a in diesem Bereich überwinden muss. Zur Verringerung der zu überwindenden Stufenhöhe ist das Substrat 5a des Bandleiters 3a von einer ursprünglichen Dicke von 50 µm im Bereich des Endstücks auf eine Dicke von nur 20 µm durch Abschleifen gedünnt worden. Die Verbindungsschicht 15 muss also nur eine Stufenhöhe von etwas mehr als 20 µm überwinden, da sich die Stufenhöhe aus Dicke des Substrats 5a, der Pufferschicht 7a und der supraleitenden Schicht 9a zusammensetzt. In diesem Beispiel wird die supraleitende Verbindungsschicht 15 daher mit einer mittleren Schichtdicke von etwa 20 µm durch mehrere nacheinander erfolgende Abscheidungen aus Lösung aufgebracht. Das Abscheidungsverfahren aus Lösung trägt dazu bei, dass die scharfe Kontur der Stufe ausgeglichen wird und eine etwas abgerundete Oberfläche der Verbindungsschicht 15 bei einer etwas variablen Schichtdicke entsteht. Durch den Ausgleich der Stufe ist es möglich, dass die Qualität der Verbindungsschicht 15 nicht überall gleich gut ist. Insbesondere kann die Stromtragfähigkeit im inneren Winkel der Stufe etwas niedriger sein, da die Morphologie der Verbindungsschicht 15 hier möglicherweise weniger gut ist. Allerdings muss die Verbindungsschicht 15 auch keine über die ganze Schichtdicke gleich gute Qualität aufweisen, es kommt nur darauf an, dass ein durchgehend supraleitender Pfad gebildet wird, der die Anforderungen an den Kontaktwiderstand für die jeweilige Anwendung erfüllt. Der Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels mit teilweise überlappenden Bandleitern 3a und 3b ist, dass die Positionierung der beiden Bandleiter im Verbindungsbereich 13 einfacher ist, und die entstehende Verbindung mechanisch etwas belastbarer ist. Zusätzlich kann jedoch auch bei dieser Ausführungsform eine hier nicht gezeigte Halterung eingesetzt werden, um die beiden miteinander zu verbindenden oder verbundenen Bandleiter leichter zu Positionieren und mechanisch zu fixieren. Auch in diesem Beispiel ist auf der supraleitenden Verbindungsschicht wieder eine normalleitende Schicht 11c aufgebracht. Insgesamt ist auch im zweiten Ausführungsbeispiel die Gesamtdicke 21 des Leiterverbundes 1 im Verbindungsbereich 13 nicht höher als das Doppelte der Dicke 19 eines einzelnen Bandleiters 3a, 3b. Dies wird vorteilhaft durch das Dünnen von wenigstens einem der Bandleiter 3a im Bereich der Verbindung erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0022396 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„IEEE Transactions on Applied Superconductivity“, Vol. 12, No. 1, March 2002, Seiten 476 bis 479 [0006]
„IEEE Transactions on Applied Superconductivity”, Vol. 18, No. 2, June 2008, Seiten 953 bis 956 [0006]
K. Knoth et al., Current Opinion in Solid State and Materials Science 10 (2006) 205–216 [0015]
K. Knoth et al., Current Opinion in Solid State and Materials Science 10 (2006) 205–216 [0027]

Claims

Supraleitender Leiterverbund (1), umfassend – zwei Bandleiter (3a, 3b) mit jeweils einer flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schicht (9a, 9b) und – einen Verbindungsbereich (13) mit einer hochtemperatursupraleitenden Verbindungsschicht (15), die mit den beiden hochtemperatur-supraleitenden Schichten (9a, 9b) der beiden Bandleiter (3a, 3b) im Bereich ihrer Endstücke über jeweils eine Kontaktfläche durchgehend supraleitend verbunden ist.
Supraleitender Leiterverbund (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht (15) eine aus einer Lösung abgeschiedene Schicht ist.
Supraleitender Leiterverbund (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die beiden Bandleiter (3a, 3b) durch die Verbindungsschicht (15) über einen Kontaktwiderstand von insgesamt höchstens 1 nOhm elektrisch miteinander verbunden sind.
Supraleitender Leiterverbund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schichten (9a, 9b) der beiden Bandleiter (3a, 3b) und/oder die hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht (15) ein supraleitendes Material der zweiten Generation, insbesondere REBa₂Cu₃O_xumfassen.
Supraleitender Leiterverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schichten (9a, 9b) der beiden Bandleiter (3a, 3b) und/oder die hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht (15) von einer normalleitenden, insbesondere einer metallischen normalleitenden Schicht (11a, 11b, 11c) bedeckt sind.
Supraleitender Leiterverbund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die beiden Bandleiter (3a, 3b) im Verbindungsbereich (13) mit einer Halterung (17), insbesondere einer Muffe oder Klammer, mechanisch miteinander fixiert sind.
Supraleitender Leiterverbund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der im Verbindungsbereich eine Dicke (21) von höchstens dem Vierfachen der mittleren Dicke (19) der einzelnen Bandleiter (3a, 3b) aufweist.
Supraleitender Leiterverbund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bandleiter (3a, 3b) im Verbindungsbereich (13) mit ihren Stirnseiten (23a, 23b) direkt benachbart angeordnet sind.
Supraleitender Leiterverbund (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bandleiter (3a, 3b) in wenigstens einem Teil des Verbindungsbereichs (13) flächig überlappend angeordnet sind.
Supraleitende Spuleneinrichtung, umfassend wenigstens eine Spulenwicklung mit wenigstens einem supraleitenden Leiterverbund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Leiterverbundes (1) durch Verbinden zweier Bandleiter (3a, 3b) mit jeweils einer flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schicht (9a, 9b) durch eine hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht (15), umfassend wenigstens die Schritte: – räumlich benachbartes Anordnen von zwei Endstücken der beiden Bandleiter (3a, 3b), – Aufbringen der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht (15), so dass zwischen der Verbindungsschicht (15) und den beiden hochtemperatur-supraleitenden Schichten (9a, 9b) der beiden Bandleiter (3a, 3b) jeweils eine durchgehend supraleitende Kontaktfläche hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Aufbringen der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht (15) durch eine Abscheidung aus einer Lösung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei dem die Herstellung der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht (15) bei einem Druck oberhalb von 0.5 bar erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Aufbringen der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht (15) die Abscheidung eines Ausgangsstoffs aus einer Lösung und die anschließende Bildung der hochtemperatursupraleitenden Schicht (15) aus diesem Ausgangsstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der in Lösung vorliegende Ausgangsstoff durch ein Tintenstrahlverfahren, ein Aufsprühverfahren, ein Rakelverfahren, ein Siebdruckverfahren, ein Eintauchverfahren und/oder ein Kippverfahren abgeschieden wird.