DE4128224A1

DE4128224A1 - Appts. for connecting normal conducting part to superconducting part - has superconducting part bevelled at one end to give surface at angle giving good electrical contact

Info

Publication number: DE4128224A1
Application number: DE4128224A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Ries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-08-26
Filing date: 1991-08-26
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2011-08-27
Also published as: DE4128224C2

Abstract

Appts. is for connecting a normal-conducting part to a superconducting part made of metal oxide high Tc material with defined anisotropy of current performance. The superconducting part (3) is bevelled at its end (3a) to be contacted with the normal-conducting part (4) so that a surface (9) is formed at an angle (alpha) that the normal conducting part (4) can be in good electrical contact. USE/ADVANTAGE - Used in energy, microwave and cryotechnology to produce magnetic field strength. A high current density can be achieved in the transition region between the superconducting part and the normal conducitng part.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum elektri schen Verbinden eines normalleitenden Leiterstückes mit einem supraleitenden Leiterstück aus einem metalloxidischen Hoch-T_c- Supraleitermaterial mit ausgeprägter Anisotropie der Strom tragfähigkeit.The invention relates to a device for electrical rule's connecting a normally conductive conductor piece with a superconducting conductor piece made of a metal oxide high-T _c - superconductor material with pronounced anisotropy of current carrying capacity.

Eine derartige Verbindungseinrichtung geht z. B. aus der EP-A-04 06 120 hervor.Such a connection device is such. B. from EP-A-04 06 120.

Supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtempera turen T_c von vorzugsweise über 77 K, die deshalb mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können, sind seit einigen Jahren be kannt. Bei entsprechenden, technisch interessanten Hoch-T_c- bzw. Hochtemperatursupraleiter-Materialien - nachfolgend allge mein als "HTSL-Materialien" bezeichnet - handelt es sich ins besondere um Cuprate auf Basis beispielsweise eines mindestens vierkomponentigen Stoffsystems Mel-Me2-Cu-O, wobei die Kompo nenten Me1 ein Seltenes Erdmetall einschließlich Yttrium und Me2 ein Erdalkalimetall zumindest enthalten. Hauptvertreter dieser Gruppe ist das Stoffsystem Y-Ba-Cu-0. Daneben weisen auch Phasen von mindestens fünfkomponentigen Cupraten wie z. B. des Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-0 oder Tl-Ba-Ca-Cu-O Sprungtempe raturen T_c von über 77 K auf.Superconducting metal oxide compounds with high transition temperatures T _c of preferably above 77 K, which can therefore be cooled with liquid nitrogen, have been known for some years. Corresponding, technically interesting high-T _c - or high-temperature superconductor materials - hereinafter generally referred to as "HTSL materials" - are in particular cuprates based on, for example, an at least four-component material system Mel-Me2-Cu-O, where the components Me1 at least contain a rare earth metal including yttrium and Me2 an alkaline earth metal. The main representative of this group is the Y-Ba-Cu-0 material system. In addition, phases of at least five-component cuprates such as. B. the material system Bi-Sr-Ca-Cu-0 or Tl-Ba-Ca-Cu-O jump temperatures T _c of over 77 K.

Supraleiter mit diesen HTSL-Materialien sollen für Einrich tungen der Energie-, Mikrowellen- und Kryotechnik vorgesehen werden, wobei insbesondere Vorteile bei den erzielbaren magne tischen Feldstärken, Wirkungsgraden, Baugrößen und Gewichten zu erwarten sind. Unvermeidlich in entsprechenden Einrichtun gen sind dabei Übergänge (Verbindungen, Kontakte) zwischen Su praleiter und Normalleiter, welche den Transportstrom entweder zwischen supraleitenden Teilwicklungen oder zwischen einem kalten Supraleiter und der warmen Außenwelt übertreten lassen. Der Spannungsabfall und die Joule′sche Verlustleistung in die sen Stromkontakten soll dabei möglichst klein sein. Insbeson dere soll die maximale Stromtragfähigkeit (kritische Strom dichte) der gesamten Einrichtung vom Supraleiter und nicht von diesen Kontakten begrenzt sein.Superconductors with these HTSL materials are said for Einrich power, microwave and cryogenics be, with particular advantages in the achievable magne table field strengths, efficiencies, sizes and weights are to be expected. Inevitable in appropriate facilities gen are transitions (connections, contacts) between Su praleiter and normal conductor, which either the transport stream between superconducting partial windings or between one cold superconductor and the warm outside world. The voltage drop and the Joule power loss in the The current contacts should be as small as possible. In particular The maximum current carrying capacity (critical current density) of the entire device from the superconductor and not from these contacts may be limited.

Bisher werden herkömmliche ("klassische") Multifilamentleiter z. B. aus NbTi oder Nb₃Sn mit ihren Kupfermänteln großflächig parallel oder auf massiven normalleitenden Kontaktstücken z. B. aus Kupfer verlötet. Bei Leitern aus einem HTSL-Material, die als Dünn- oder Dickfilm vorliegen, kann die Filmoberfläche mit einer dünnen Schicht aus einem normalleitenden Metall, insbe sondere aus Silber (Ag), bedampft oder besputtert werden. Auch ein Einbrennen einer Ag-Paste auf dieser Oberfläche ist mög lich. Die Oberfläche läßt sich dann mit normalleitenden Strom zuführungen beispielsweise durch Löten oder Punktschweißen oder mit Leitsilber verbinden. In Ausführungsformen, bei denen der Supraleiter sich auf einem Band oder in einer Hülle aus Normalmetall wie z. B. Ag befindet, geschieht die Kontaktierung durch Verlöten mit dem Normalmetall.So far, conventional ("classic") multifilament conductor z. B. from NbTi or Nb ₃ Sn with their copper jackets over a large area in parallel or on solid normally conductive contacts z. B. soldered from copper. In the case of conductors made of a HTSL material, which are in the form of thin or thick film, the film surface can be vapor-coated or sputtered with a thin layer of a normally conductive metal, in particular silver (Ag). It is also possible to bake an Ag paste on this surface. The surface can then be connected to normal conductive power supplies, for example by soldering or spot welding or with conductive silver. In embodiments in which the superconductor is on a tape or in a sleeve made of normal metal such. B. Ag is located, the contact is made by soldering to the normal metal.

Bei einer Verwendung von Leitern aus einem HTSL-Material ist ferner zu berücksichtigen, daß diese eine besondere kristalli ne Schichtstruktur aufweisen und elektrisch stark anisotrop sind (vgl. z. B. "J. of Mod. Phys.", Vol. B3, 1989, Seiten 367 bis 388). Nach vorherrschender Meinung findet der Stromtrans port in solchen Leitern besonders gut entlang von Kupfer(Cu)- Sauerstoff(O)-Ebenen statt, während bei Stromübertritt senk recht zu diesen Ebenen, insbesondere bei höheren Magnetfel dern, Temperaturen und Stromdichten eine elektrische Spannung und damit ohmsche Verluste auftreten (vgl. z. B. "Physica B", Vol. 165 und 166, 1990, Seiten 1159 bis 1160). Bei der Her stellung von Leitern aus HTSL-Material wird demnach versucht, die Schichtstruktur möglichst perfekt parallel zum Leiter in Richtung des fließenden Suprastromes auszurichten. Dies ge schieht durch epitaktisches Aufwachsen auf einem geeigneten, insbesondere einkristallinen Substratmaterial oder durch spe zielle Texturierungsverfahren.When using conductors made of a HTSL material also to consider that this is a special crystalline ne ne layer structure and electrically strongly anisotropic (see, for example, "J. of Mod. Phys.", Vol. B3, 1989, pages 367 to 388). According to the prevailing opinion, the Stromtrans port in such conductors particularly well along copper (Cu) - Oxygen (O) levels take place while lowering when current is exceeded right to these levels, especially with higher magnetic fields changes, temperatures and current densities an electrical voltage and thus ohmic losses occur (cf. for example "Physica B", Vol. 165 and 166, 1990, pages 1159 to 1160). At the Her provision of conductors made of HTSL material is therefore attempted the layer structure as perfectly as possible parallel to the conductor in To align the direction of the flowing super current. This ge happens through epitaxial growth on a suitable, in particular single-crystalline substrate material or by spe Target texturing processes.

Bei einer Kontaktierung eines entsprechend strukturierten Lei terstückes aus HTSL-Material mit einem normalleitenden Leiter stück entstehen jedoch wegen der Anisotropie des Materials Schwierigkeiten an der Einspeisestelle des Stromes etwa am Leiterende. Wird nämlich die Verbindung in der üblichen Weise an der Schichtoberfläche ausgeführt, so ergibt sich beim Über tritt in den supraleitenden Querschnitt unvermeidlich eine Stromkomponente in der ungünstigen Richtung, d. h. senkrecht zur Schichtstruktur, mit dem Nachteil eines Spannungsabfalls. Außerdem haben Rechnungen zur Strom- und Spannungsverteilung in einem stark anisotropen Supraleiter ergeben, daß der Strom transport sich gegebenenfalls gar nicht auf den ganzen Quer schnitt ausbreitet, sondern auf eine verhältnismäßig geringe Schichtdicke beschränkt bleibt, und zwar nahe derjenigen Ober fläche, an der der Strom eingespeist wird.When contacting a correspondingly structured Lei HTSL material with a normal conductor However, pieces arise due to the anisotropy of the material Difficulties at the feed point of the electricity around Head end. Namely, the connection is made in the usual way executed on the surface of the layer, this results in the over inevitably occurs in the superconducting cross section Current component in the unfavorable direction, i.e. H. perpendicular to the layer structure, with the disadvantage of a voltage drop. They also have bills for current and voltage distribution in a highly anisotropic superconductor reveal that the current may not be transported on the whole cross cut spreads, but to a relatively small Layer thickness remains limited, and that close to that upper area where the electricity is fed.

Die vorstehend erwähnten Kontaktierungsschwierigkeiten sollen bei der aus der eingangs genannten EP-A zu entnehmenden Ver bindungseinrichtung dadurch vermieden werden, daß man in einen Dünnfilm aus HTSL-Material ein Loch einarbeitet, in dem eine niederohmige Verbindung mit einem normalleitenden Leiterstück erfolgt. Hierzu wird die Innenwand des Loches mit einem elek trisch gut leitenden Material beschichtet und dann das normal leitende Leiterstück mittels einer leitfähigen Paste mit die ser Beschichtung kontaktiert. Der entsprechende Aufwand zum Verbinden des supraleitenden Dünnfilmes mit dem normalleiten den Leiterstück ist jedoch verhältnismäßig groß.The above mentioned difficulties in contacting should in the case of Ver Binding device can be avoided in that one Thin film made of HTSL material worked into a hole in which one low-resistance connection with a normally conductive conductor piece he follows. For this, the inner wall of the hole is covered with an elec tric highly conductive material and then that normal conductive conductor piece using a conductive paste with the this coating contacted. The corresponding effort for Connect the superconducting thin film with the normal however, the ladder section is relatively large.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Verbindungsein richtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend aus zugestalten, daß eine verhältnismäßig einfache und niederohmi ge Verbindung zwischen supraleitendem und normalleitendem Ma terial erhalten wird.The object of the present invention is the connection direction with the above-mentioned characteristics design that a relatively simple and Niederohmi connection between superconducting and normal conducting dimensions material is obtained.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das su praleitende Leiterstück an seinem mit dem normalleitenden Lei terstück zu verbindenden Ende so keilartig abgeschrägt ist, daß eine gegenüber einer Stromführungsebene des supraleitenden Leiterstückes um einen vorbestimmten Winkel geneigte Fläche ausgebildet ist, und daß an diese geneigte Fläche das normal leitende Leiterstück in elektrisch gut leitender Verbindung angefügt ist.This object is achieved in that the su praleiting conductor piece on his with the normal conducting Lei end to be connected is bevelled like a wedge, that one opposite a current carrying level of the superconducting Conductor section inclined by a predetermined angle is formed, and that normal to this inclined surface conductive conductor piece in a good electrical connection is attached.

Die mit dieser Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung sich ergebenden Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß eine hohe Stromdichte im Übergangsbereich zwischen dem supraleiten den Leiterstück und dem normalleitenden Leiterstück zu errei chen ist. Dies ist dadurch gewährleistet, daß die für die Stromtragfähigkeit verantwortlichen Cu-0-Ebenen des HTSL-Ma terials in Richtung der Stromführung liegen und auf die Ebene der geneigten Fläche zulaufen, wo sie in niederohmigem Kontakt mit dem Metall des normalleitenden Leiterstückes stehen.With this configuration of the connecting device itself resulting advantages can be seen in particular in that a high current density in the transition area between the superconductors to reach the conductor piece and the normal conductive conductor piece Chen is. This is ensured by the fact that for the Current carrying capacity responsible Cu-0 levels of the HTSL-Ma terials lie in the direction of the current supply and to the level the inclined surface, where they are in low-resistance contact stand with the metal of the normally conductive conductor piece.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbin dungseinrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Advantageous embodiments of the connector according to the invention dungseinrichtung appear from the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur der Zeichnung noch weiter erläutert. Diese Figur zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung.The invention is described below with reference to the figure of the drawing explained further. This figure schematically shows one Section through a connecting device according to the invention.

Die allgemein mit 2 bezeichnete Einrichtung dient zu einem niederohmigen Verbinden eines supraleitenden Leiterstückes 3 mit einem normalleitenden Leiterstück 4 und stellt beispiels weise ein Teilstück einer Stromzuführung für einen Supralei tungsmagneten dar. Das supraleitende Leiterstück befindet sich als Film mit einer vorbestimmten Dicke d von beispielsweise zwischen 0,1 µm und 100 µm aus einem der bekannten HTSL-Ma terialien auf einem hierfür geeigneten Substrat 6. Beispiele für HTSL-Materialien sind insbesondere das YBa₂Cu₃0_7-x (mit 0,5 <x < 1) oder das Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀. Auf dem Substrat ist das HTSL-Material nach bekannten Verfahren epitaktisch aufge wachsen oder texturiert. Dabei sollen die für eine Stromfüh rung mit hoher kritischer Stromdichte von insbesondere über 10⁵ A/cm² verantwortlichen Cu-O-Kristallebenen zumindest weit gehend parallel zur Substratoberfläche und damit zur Strom führungsrichtung liegen. Einige dieser Cu-O-Kristallebenen sind in der Figur durch gestrichelte Linien 7 angedeutet. Ent sprechende Kristallorientierungen sind mit Substratmaterialien möglich, deren jeweilige kristalline Einheitszelle vorteilhaft an die entsprechenden Abmessungen der Einheitszelle des ver wendeten HTSL-Materials angepaßte Maße hat. Beispiele hierfür sind SrTiO₃, BaTiO₃, LaAlO₃, NbAlO₃, NdGaO₃, MgO, MgAl₂O₄ oder Y-stabilisiertes ZrO₂. Auch ist als Substrat Si, das zudem noch dotiert oder als Si-Verbindung vorliegen kann, dann zu verwenden, wenn es im allgemeinen mit einer diffusionshemmen den Zwischenschicht, einer sogenannten "Bufferlayer", abge deckt ist (vgl. z. B. "J. Appl. Phys.", Vol. 64, No. 11, Dez. 1988, Seiten 6502 bis 6504). The device generally designated 2 is used for low-resistance connection of a superconducting conductor piece 3 to a normally conducting conductor piece 4 and represents, for example, a section of a power supply for a superconducting magnet. The superconducting conductor piece is in the form of a film with a predetermined thickness d of, for example, between 0 , 1 µm and 100 µm from one of the known HTSL materials on a suitable substrate 6 . Examples of HTSL materials are in particular the YBa ₂ Cu ₃ 0 _7-x (with 0.5 <x <1) or the Bi ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O ₁₀ . The HTSL material is epitaxially grown or textured on the substrate by known methods. The Cu-O crystal planes responsible for current carrying with a high critical current density of in particular over 10 ⁵ A / cm ^{2 should be} at least largely parallel to the substrate surface and thus to the direction of current carrying. Some of these Cu-O crystal planes are indicated in the figure by dashed lines 7. Corresponding crystal orientations are possible with substrate materials whose respective crystalline unit cell advantageously has dimensions adapted to the corresponding dimensions of the unit cell of the HTSL material used. Examples include SrTiO ₃ , BaTiO ₃ , LaAlO ₃ , NbAlO ₃ , NdGaO ₃ , MgO, MgAl ₂ O ₄ or Y-stabilized ZrO ₂ . Si should also be used as the substrate, which may also be doped or as a Si compound, if it is generally covered with a diffusion-inhibiting intermediate layer, a so-called “buffer layer” (cf., for example, “J Appl. Phys. ", Vol. 64, No. 11, Dec. 1988, pages 6502 to 6504).

Erfindungsgemäß soll das supraleitende Leiterstück 3 an seinem mit dem normalleitenden Leiterstück 4 zu verbindenden Ende 3a keilartig abgeschrägt werden, so daß sich eine gegenüber den Kristallebenen 7 um einen vorbestimmten Winkel α geneigte (Kontakt-)Fläche 9 ergibt. Die Abschrägung des supraleitenden Leiterstückes erfolgt dabei vorteilhaft unter einem kleinen Winkel α zwischen etwa 0,5° und 20°, vorzugsweise zwischen etwa 1° und 10°. Es läßt sich so gewährleisten, daß alle Cu- O-Kristallebenen 7 auf die Ebene der Fläche 9 zulaufen, wo sie mit dem Metall des normalleitenden Leiterstückes kontak tiert werden. Hierzu kann auf die Fläche 9 als eine dünne Zwi schenschicht 10 mit einer Dicke δ von z. B. 1 bis 10 µm eine Metallschicht z. B. aus Cu, Ag oder Au aufgesputtert, aufge dampft oder mit einer Metallpulverpaste eingebrannt werden. Auf diese Zwischenschicht 10 läßt sich dann das normalleitende Leiterstück 4 großflächig auflöten oder auch schweißen. Gemäß der Darstellung der Figur wurde eine Verlötung angenommen, wo bei das Lot mit 11 bezeichnet ist. Gegebenenfalls kann auch die Verlötung des normalleitenden Leiterstückes direkt auf der geneigten Fläche 9 unter Wegfall der Zwischenschicht 10 erfol gen.According to the invention, the superconducting conductor piece 3 should be beveled in a wedge-like manner at its end 3 a to be connected to the normal conducting conductor piece 4 , so that there is a (contact) surface 9 inclined by a predetermined angle α with respect to the crystal planes 7 . The superconducting conductor section is advantageously bevelled at a small angle α between approximately 0.5 ° and 20 °, preferably between approximately 1 ° and 10 °. It can thus be ensured that all Cu-O crystal planes 7 run to the level of the surface 9 , where they are contacted with the metal of the normally conductive conductor piece. For this purpose, on the surface 9 as a thin inter mediate layer 10 with a thickness δ of z. B. 1 to 10 microns a metal layer z. B. sputtered from Cu, Ag or Au, steamed up or baked with a metal powder paste. In this intermediate layer 10 then the normal conducting line section 4 can solder on a large area or welding. According to the representation of the figure, soldering was assumed, where the solder is designated 11 . If necessary, the soldering of the normally conductive conductor piece can be carried out directly on the inclined surface 9 with the omission of the intermediate layer 10 .

Die Abschrägung der Fläche 9 kann durch Sägen, Schleifen oder Ätzen gebildet werden oder auch bereits während der Herstel lung des HTSL-Leiterstückes 3 erfolgen. So ist bei der Schichtdeposition auf dem Substrat 6 beispielsweise mittels CVD, Verdampfens oder Sputterns eine sukzessive Verringerung der Abscheiderade in Richtung auf das Leiterende hin möglich, indem z. B. eine Blende zwischen einer Verdampfungsquelle und dem Substrat auf letzteres einen diffusen Schatten wirft. Die unscharfe Schattenkante bildet dann die keilförmige Kontaktzo ne.The beveling of the surface 9 can be formed by sawing, grinding or etching or can already take place during the manufacture of the HTSL conductor piece 3 . Thus, with the layer deposition on the substrate 6, for example by means of CVD, evaporation or sputtering, a gradual reduction of the separating wheel in the direction of the conductor end is possible, for example by B. an aperture between an evaporation source and the substrate casts a diffuse shadow on the latter. The blurred shadow edge then forms the wedge-shaped contact zone.

Claims

1. A device for electrically connecting a normal conductor the conductor piece with a superconducting conductor piece from egg nem metal oxide high-T _c superconductor material with pronounced anisotropy of current carrying capacity, characterized in that the superconducting conductor piece ( 3 ) on its with the normal conducting conductor piece ( 4 ) to be contacted end ( 3 a) is bevelled so that a surface ( 9 ) inclined by a predetermined angle (α) relative to a current-carrying plane ( 7 ) of the superconducting conductor piece ( 3 ) is formed, and that surface ( 9 ) the normal conductive conductor piece ( 4 ) is attached in an electrically good conductive connection.

2. Connecting device according to claim 1, characterized in that the superconducting conductor piece ( 3 ) is deposited as a single crystal or textured film on a predetermined substrate ( 6 ).

3. Connecting device according to claim 1 or 2, characterized in that the inclination angle (α) of the inclined surface ( 9 ) of the end ( 3 a) of the superconducting conductor piece ( 3 ) relative to the current-carrying plane ( 7 ) between 0.5 ° and 20 °, preferably between 1 ° and 10 °.

4. Connecting device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the inclined surface ( 9 ) is provided with a thin intermediate layer ( 10 ).

5. Connecting device according to claim 4, characterized in that the material of the intermediate layer ( 10 ) is Cu or Ag or Au.

6. Connecting device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the normally conductive conductor piece ( 4 ) is soldered or welded.