DE4244973C2 - Layer arrangement of a high-temperature superconductor, process for its production and use of the arrangement - Google Patents
Layer arrangement of a high-temperature superconductor, process for its production and use of the arrangementInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schichtanordnung aus einem Hochtemperatur- Supraleiter, Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung der Anordnung.The invention relates to a layer arrangement of a high-temperature Superconductors, process for their manufacture and use of the arrangement.
Supraleitende Anordnungen auf der Basis von keramischen Hochtemperatur-Supraleitern sind unter anderem als induktive Strombegrenzer für Wechselströme bekannt (EP 0 353 449 A1, DE 38 29 207 A1). Derartige bistabile Reaktanzen enthalten Induktionsspulen, die je weils stromdurchflossen sind und einen konzentrisch zur Induktionsspule angeordneten Formkörper aus dem keramischen Hochtemperatur-Supraleiter aufweisen. Der Kern kann hohlzylindrisch sein und im Innern einen Weicheisenkern enthalten. Im Betrieb mit Nenn strom ist der Kern supraleitend und hält durch seine Abschirmströme die resultierende Re aktanz niedrig. Bei Überschreitung eines Grenzwerts des Stroms wird durch das entspre chend hohe Magnetfeld der Spule in einem gewissen Übergangsbereich der Kern in den normalleitenden Zustand versetzt, wodurch die resultierende Reaktanz größer wird. Der Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand folgt einem S-förmigen Ver lauf der Reaktanz, aufgetragen über der magnetischen Feldstärke. Die Reaktanz ist daher bistabil und besitzt zwischen den beiden stabilen Werten einen mehr oder weniger ausge prägten Übergangsbereich bzw. eine Hysterese.Superconducting arrangements based on ceramic high-temperature superconductors are known, inter alia, as inductive current limiters for alternating currents (EP 0 353 449 A1, DE 38 29 207 A1). Such bistable reactances contain induction coils, each Weil are current-carrying and arranged concentrically to the induction coil Have moldings made of the ceramic high-temperature superconductor. The core can be hollow cylindrical and contain a soft iron core inside. In operation with nominal The core is superconducting and holds the resulting Re through its shielding currents current low. If a limit value of the current is exceeded, the corresponding accordingly high magnetic field of the coil in a certain transition area of the core in the normal conducting state, which increases the resulting reactance. Of the The transition from superconducting to normal conducting follows an S-shaped Ver course of the reactance, plotted against the magnetic field strength. The reactance is therefore bistable and has a more or less balanced between the two stable values characterized transition area or a hysteresis.
Nachteilig beim Sintern für die Gewinnung von supraleitender Keramik ist die Entstehung vieler kleiner Korngrenzen (Korn-Korn-Grenzen, sog. "weak links") in der Keramik, was sich ungünstig auf die erzielbare Stromstärke auswirkt.A disadvantage of sintering for the production of superconducting ceramics is their formation many small grain boundaries (grain-grain boundaries, so-called "weak links") in ceramics what has an unfavorable effect on the achievable current.
Aus dem Aufsatz "Observation of Superconductivity in Nb2O5 Doped YBa2Cu3O7-δ Com pound by Rapid Quenching" von K. V. Paulouse, J. Koshy und A. D. Damodaran in der Druckschrift "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 30, No. 3B, März 1991, Seiten L 458 bis L 460 ist eine hochtemperatursupraleitende Keramik bekannt. Aus einem Material auf Y-Ba-Cu-O-Basis wird durch Zusatz von kleinen Mengen an Nb2O5 und anschließendem Sintern eine supraleitende Keramik hergestellt. Der Zusatz beschleunigt die Anlagerung von Sauerstoffatomen an das Y-Ba-Cu-O-Ausgangsmaterial; die Anzahl der Sauerstoffatome ist von herausragender Bedeutung für die Supraleitfähigkeit.From the article "Observation of Superconductivity in Nb 2 O 5 Doped YBa 2 Cu 3 O 7-δ Compound by Rapid Quenching" by KV Paulouse, J. Koshy and AD Damodaran in the publication "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 30, No. 3B, March 1991, pages L 458 to L 460, a high-temperature superconducting ceramic is known. A superconducting ceramic is made from a material based on Y-Ba-Cu-O by adding small amounts of Nb 2 O 5 and then sintering. The addition accelerates the attachment of oxygen atoms to the Y-Ba-Cu-O starting material; the number of oxygen atoms is of paramount importance for superconductivity.
Aus dem Aufsatz "A New Process with the Promise of High Jc in Oxide Superconductors" von Murakami, Morita und Doi in der Zeitschrift "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 28, No. 7, Juli 1989, Seiten 1189 bis 1194, ist es bekannt, mit Hilfe eines Schmelzver fahrens supraleitendes Y-Ba-Cu-O-Material zu gewinnen.From the article "A New Process with the Promise of High J c in Oxide Superconductors" by Murakami, Morita and Doi in the journal "Japanese Journal of Applied Physics", vol. 28, no. 7, July 1989, pages 1189 to 1194, it is known to obtain superconducting Y-Ba-Cu-O material with the aid of a melting method.
Auch aus dem Beitrag "Magnetic Flux Pinning Properties of Oxide Superconductors Produ ced by Melt Processes" von M. Matsumoto, H. Kikuchi, N. Uno und Y. Tanaka in der Druckschrift "Cryogenics", Januar 1990, Vol. 30, Seiten 5 bis 10, es bekannt, supralei tendes Material zu gewinnen; es wird dort eine Sprungtemperatur von 86 K genannt.Also from the article "Magnetic Flux Pinning Properties of Oxide Superconductors Produ ced by Melt Processes "by M. Matsumoto, H. Kikuchi, N. Uno and Y. Tanaka in the Publication "Cryogenics", January 1990, vol. 30, pages 5 to 10, it is known, supralei winning material; a jump temperature of 86 K is mentioned there.
In einem Beitrag "Thermal Conductivity of High Tc YBaCuO Bulk Prepared be Melt Growth Technique" von Y. Yamamoto, M. Sano, S. Ozawa und M. Tanaka aus der Druck schrift "Supercond. Science and Technology, Vol. 4, 1991, Seiten S 355 bis S 357, ist eine Sprungtemperatur von 80 K genannt, bei welcher höhere kritische Feldstärken und damit eine höhere Stromdichte zu erwarten sind.In a contribution "Thermal Conductivity of High T c YBaCuO Bulk Prepared be Melt Growth Technique" by Y. Yamamoto, M. Sano, S. Ozawa and M. Tanaka from the publication "Supercond. Science and Technology, Vol. 4, 1991 , Pages S 355 to S 357, a step temperature of 80 K is mentioned, at which higher critical field strengths and thus a higher current density can be expected.
Aus der Druckschrift "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 30, No. 2, 1991, Seiten 246 bis 250, ist weiterhin bekannt, daß eine ZrO2 Dotierung in einer Y-Ba-Cu-O-Keramik durch partielles Aufschmelzen zu sogenannten Pinning-Zentren, d. h. zu feinen Ausschei dungen von Y2BaCuO5 und Zirkonat, bei SiC-Zusatz zu feinen Ba2SiO4 Ausscheidungen, und zu einem grobkernigen Gefüge, d. h. zu weniger weak links, führt. Dadurch verbessert sich die kritische Transportstromdichte, Jc ist beispielsweise um einen Faktor 3 höher als ohne Ausscheidungen. From the publication "Japanese Journal of Applied Physics", vol. 30, no. 2, 1991, pages 246 to 250, it is also known that ZrO 2 doping in a Y-Ba-Cu-O ceramic by partial melting to so-called pinning centers, ie to fine precipitates of Y 2 BaCuO 5 and zirconate , with SiC addition to fine Ba 2 SiO 4 precipitates, and to a coarse-grained structure, ie to less weak links. This improves the critical transport current density, J c is, for example, a factor 3 higher than without excretions.
Auch "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 30, No. 7B, 1991, Seiten L 1264 bis L 1267, befaßt sich mit der ZrO2 Dotierung einer Y-Ba-Cu-O-Keramik. Die Dotierung führt zu einer Änderung in der Kornmorphologie und zu einer Erhöhung von Jc. Analoge Ergebnisse werden auch mit Nb2O5-Dotierung in Y-Ba-Cu-O-Keramiken erhalten. Ähnliche Ergebnisse sind auch aus "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 27, No. 8, 1988, Seiten L 1504 bis L 1506 bekannt. Die kritische Transportstromdichte J~ wird durch die Nb2O5-Dotierung verbessert."Japanese Journal of Applied Physics", vol. 30, no. 7B, 1991, pages L 1264 to L 1267, deals with the ZrO 2 doping of a Y-Ba-Cu-O ceramic. The doping leads to a change in the grain morphology and an increase in Jc. Analogous results are also obtained with Nb 2 O 5 doping in Y-Ba-Cu-O ceramics. Similar results are also from "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 27, No. 8, 1988, pages L 1504 to L 1506. The critical transport current density J ~ is improved by the Nb 2 O 5 doping.
In "Applied Physics Letters", Vol. 59, No. 1, Juli 1991, Seiten 120 bis 122, ist offenbart, Y-Ba-Cu-O mit BaSnO3 zu dotieren. Die Dotierung bewirkt eine Vergrößerung der Y-Ba- Cu-O-Partikel und eine Verkleinerung der Y2Ba1Cu1O5-Ausscheidungspartikel, die dann nur noch einen mittleren Duchmesser von 1-5 µm aufweisen. Gleichzeitig wird eine Erhöhung der Transportstromdichte beobachtet.In "Applied Physics Letters", Vol. 59, No. 1, July 1991, pages 120 to 122, it is disclosed to dope Y-Ba-Cu-O with BaSnO 3 . The doping causes an enlargement of the Y-Ba-Cu-O particles and a reduction of the Y 2 Ba 1 Cu 1 O 5 separation particles, which then only have an average diameter of 1-5 µm. At the same time, an increase in the transport current density is observed.
Vorteilhaft bei der hochtemperatursupraleitenden Keramik ist die hohe kritische Transport stromdichte bei 77 K, der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs.The high critical transport is advantageous for high-temperature superconducting ceramics current density at 77 K, the boiling point of liquid nitrogen.
Sie wird dadurch erzielt, daß zum einen ein Schmelzverfahren angewandt wird und daß zum anderen während der Herstellung ein Anteil beigemengt wird, der die Bildung einer hochtemperatursupraleitenden Phase begünstigt.It is achieved in that a melting process is used on the one hand and in that a proportion is added to others during manufacture, which contributes to the formation of a high-temperature superconducting phase favors.
Wenn die Keramik durch ein Schmelzverfahren entstanden ist, dann weist sie - im Vergleich zum Sinterverfahren - ein grobkörniges Gefüge mit geringerer Gesamtkorngrenzfläche und damit bessere Eigenschaften für den Stromfluß auf. Vorteilhaft wirkt sich aus, daß aufgrund des Schmelzverfahrens sich feine Ausscheidungen von Y2BaCuO5 bilden, die eine hohe kritische Stromstärke im Magnetfeld begünstigen.If the ceramic was created by a melting process, then it has - compared to the sintering process - a coarse-grained structure with a smaller total grain interface and thus better properties for the current flow. It has an advantageous effect that, due to the melting process, fine precipitates of Y 2 BaCuO 5 are formed, which favor a high critical current in the magnetic field.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schichtanordnung mit einem Hochtempe ratur-Supraleiter anzugeben, die eine verbesserte Transportstromdichte und einen definierte ren Übergang zur Supraleitung aufweist, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung und die Verwendung der Schichtanordnung. The invention has for its object a layer arrangement with a high temperature rature superconductors, which have an improved transport current density and a defined ren transition to superconductivity, as well as a process for their preparation and Use of the layer arrangement.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen. Bei der im Anspruch 1 beschriebenen Anordnung ändert sich der magnetische Fluß wesentlich definierter mit einer außen anliegenden Feldstärke als bei den bisher be kannten keramischen Hochtemperatur-Supraleitern. Der Übergangsbereich zwischen den beiden stabilen Zuständen ist relativ schmal und kann bezüglich der Auslösefeldstärke oder Sprungfeldstärke HS variiert werden.The object is solved by the features of the independent claims. Further and advantageous refinements can be found in the further claims and the description. In the arrangement described in claim 1, the magnetic flux changes significantly more defined with an external field strength than in the previously known ceramic high-temperature superconductors. The transition range between the two stable states is relatively narrow and can be varied with regard to the tripping field strength or jump field strength H S.
Die erfindungsgemäße supraleitende Schichtanordnung weist eine oberste Schicht aus einem Hochtemperatursupraleiter auf der Basis von MBa2Cu3O7-x auf, wobei gilt M = Y, Ln (Ln = Sel tenerdmetalle) und 0 < x < 0,5, oder von (Bi,Pb)2 Sr2Can-1CunO4+2n+x, wobei gilt n = 2, 3, wobei die Supraleiterschicht mit einer Dicke von 10 bis 1000 µm auf den Substratzylinder aufge bracht und zumindest teilweise schmelztexturiert ist, so daß die schmelztexturierte Schicht Ausscheidungspartikel mit einem Durchmesser von weniger als 10 µm aufweist.The superconducting layer arrangement according to the invention has an uppermost layer made of a high-temperature superconductor based on MBa 2 Cu 3 O 7-x , where M = Y, Ln (Ln = rare earth metals) and 0 <x <0.5, or of ( Bi, Pb) 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 4 + 2n + x , where n = 2, 3, the superconductor layer having a thickness of 10 to 1000 μm being applied to the substrate cylinder and being at least partially melt-textured, so that the melt-textured layer has precipitation particles with a diameter of less than 10 µm.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die schmelztexturierte Oberflächenschicht etwa 0,01 mm dick.In a further advantageous embodiment of the invention, the textured is melt Surface layer about 0.01 mm thick.
Wichtig ist, daß durch eine große Zahl von Ausscheidungen die kritische Stromdichte in der schmelztexturierten Oberflächenschicht mindestens um den Faktor zwei höher ist als ohne Ausscheidungen. Dies trifft auf Supraleiter auf der Basis von MBa2Cu3O7-x zu (M = Y und Seltenerdmetalle) und (Bi,Pb)2Sr2Can-1CunO4+2n+x und ähnliche Hochtemperatursupraleiter zu.It is important that, due to a large number of precipitations, the critical current density in the melt-textured surface layer is at least a factor of two higher than without no precipitates. This applies to superconductors based on MBa 2 Cu 3 O 7-x (M = Y and rare earth metals) and (Bi, Pb) 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 4 + 2n + x and similar high-temperature superconductors.
Die schmelztexturierte Oberflächenschicht kann besonders dünn gemacht werden, wenn durch eine große Zahl von Ausscheidungen mit mittleren Durchmessern unterhalb von 2 µm die kritische Stromdichte mindestens um den Faktor fünf höher ist als ohne Ausscheidun gen.The melt textured surface layer can be made particularly thin if due to a large number of precipitations with average diameters below 2 µm the critical current density is at least five times higher than without excretion gene.
Sobald die magnetische Feldstärke so groß ist, daß das Magnetfeld in die unter der supralei tenden schmelztexturierten Oberflächenschicht liegenden Bereiche hoher magnetischer Sus zeptibilität eindringen kann, ist die Änderung der Suszeptibilität sehr groß, was zu verschie denen technischen Anwendungen genutzt werden kann. Es ergeben sich als Folge der hohen Stromdichte im Supraleiter hohe kritische Feldstärken und damit hohe Sprunggeschwindig keiten, sowie eine relativ kleine Hysterese beim Zurücksetzen.As soon as the magnetic field strength is so great that the magnetic field in the under the supralei areas of high magnetic sus susceptibility can penetrate, the change in susceptibility is very large, which has to be different where technical applications can be used. It results as a result of the high Current density in the superconductor high critical field strengths and thus high jump speed and a relatively small hysteresis when resetting.
Eine supraleitende Anordnung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Ver hältnis der Sprungfeldstärke HS zur Feldstärke-Differenz HN-HS größer als 4 ist: HS/(HN- HS) < 4; wobei HS die Feldstärke für das Einsetzen der Normalleitung und HN diejenige Feld stärke ist, bei der die Vergrößerung der Reaktanz 75% ihres Höchstwertes erreicht hat. Der Supraleiter ermöglicht es, daß bei 77 K beim Überschreiten einer definierten magneti schen Flußdichte BS der magnetische Fluß durch die Oberflächenschicht des Hochtempera tur-Supraleiters hindurchdringt.A superconducting arrangement according to the invention is characterized in that the ratio of the jump field strength H S to the field strength difference H N -H S is greater than 4: H S / (H N - H S ) <4; where H S is the field strength for the insertion of the normal line and HN is the field strength at which the increase in the reactance has reached 75% of its maximum value. The superconductor enables the magnetic flux to penetrate through the surface layer of the high-temperature superconductor at 77 K when a defined magnetic flux density B S is exceeded.
Zum einen bringen hohe Sprunggeschwindigkeiten bei bistabilen Reaktanzen für viele An wendungen große Vorteile mit sich. Zum anderen ist wichtig, daß das Verhältnis von Sprungfeldstärke HS zur Feldstärkedifferenz HN-HS möglichst wesentlich größer als 4 ist, um einen definierten Übergang zu bekommen. Diese Vorteile ergeben sich sowohl bei Anwen dungen in für die Datenverarbeitung bestimmten Schaltungen als auch bei starkstromtechni schen Anwendungen.On the one hand, high jump speeds with bistable reactances bring great advantages for many applications. On the other hand, it is important that the ratio of the jump field strength H S to the field strength difference H N -H S is as much as possible greater than 4 in order to obtain a defined transition. These advantages result both in applications in circuits intended for data processing and in high-current technical applications.
Bei der Benutzung der erfindungsgemäßen Reaktanzen in datenverarbeitenden bzw. logische Signale verarbeitenden Schaltungen lassen sich höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten erreichen. Wesentlich für die gute Funktion der schmelztexturierten supraleitenden Schicht ist ihre Stromtragfähigkeit, welche für die Flußverdrängung nach außen sorgt. Diese Schicht kann bei ausreichender Dicke, falls sie das darunterliegende Magnetmaterial vollständig bedeckt, letzteres bis zu einer Feldstärke HS wirksam abschirmen.When using the reactances according to the invention in data processing or logic signal processing circuits, higher processing speeds can be achieved. Essential for the good functioning of the melt-textured superconducting layer is its current carrying capacity, which ensures the flow displacement to the outside. If the layer is of sufficient thickness and if it completely covers the magnetic material underneath, this layer can effectively shield the latter up to a field strength H S.
Bei starkstromtechnischen Anwendungen, z. B. als Strombegrenzer in Kurzschlußfällen, setzt die strombegrenzende Wirkung definiert und schnell ein, so daß unerwünscht hohe Strom spitzen bereits während der Einschwingphase vermieden werden. Dazu wird als Kern einer Drossel ein ferromagnetisches Material hoher Suszeptibilität verwendet. In heavy current applications, e.g. B. as a current limiter in short-circuit cases the current limiting effect is defined and quickly, so that undesirably high current peaks can be avoided during the settling phase. The core of this is one Choke uses a ferromagnetic material of high susceptibility.
Die Verluste beim Schalten sind für die schmelztexturierte supraleitende Schicht zu ver nachlässigen, da nur der Kern die normalen Erscheinungen der Hysterese zeigt. Das trägt wesentlich zur Energieeinsparung bei. Bisher führt die entstehende Wärme zum Verdampfen von Kühlflüssigkeit. Durch die größere Ausschaltgeschwindigkeit zwischen den beiden bi stabilen Reaktanzzuständen ergeben sich ebenfalls geringere Wärmeverluste. Die schmelz texturierte supraleitende Schicht geht bei Überschreiten einer Schwellen-Feldstärke HS vom supraleitenden in den nichtsupraleitenden Zustand über.The losses during switching are negligible for the melt-textured superconducting layer, since only the core shows the normal appearance of the hysteresis. This contributes significantly to energy savings. So far, the heat generated has led to the evaporation of coolant. The greater switch-off speed between the two bi-stable reactance states also results in lower heat losses. The melt-textured superconducting layer changes from the superconducting to the non-superconducting state when a threshold field strength H S is exceeded.
Bei dem beschriebenen Hochtemperatur-Supraleiter kann die Höhe der für den jeweiligen Flußsprung maßgebenden magnetischen Feldstärke in vorteilhafter Weise durch die Anzahl und Größe der Ausscheidungen (beispielsweise Y2Ba1Cu1O5) vorgegeben werden. Das Ein setzen von Flußsprüngen ist so bei einer magnetischen Flußdichte im Bereich von 0,1-100 T wählbar. Damit ist eine relativ große Freizügigkeit bei der Auswahl der Parameter elektri scher bzw. elektronischer Schaltungen möglich.In the case of the high-temperature superconductor described, the magnitude of the magnetic field strength which is decisive for the respective flux jump can advantageously be predetermined by the number and size of the precipitations (for example Y 2 Ba 1 Cu 1 O 5 ). The setting of flux jumps can be selected with a magnetic flux density in the range of 0.1-100 T. This allows a relatively large freedom of movement in the selection of the parameters of electrical or electronic circuits.
Die Grenze der magnetischen Feldstärke, bei welcher die Abschirmung für das Magnetfeld durchlässig wird, läßt sich auch durch die Abkühlgeschwindigkeit der oxidkeramischen schmelztexturierten Beschichtung während der Ausscheidung von "Pinning-Zentren" und durch die Wärmebehandlung von Y-Ba-Cu-O-Material bei der Beladung mit Sauerstoff vor geben.The limit of the magnetic field strength at which the shielding for the magnetic field becomes permeable, can also by the cooling rate of the oxide ceramic melt textured coating during the excretion of "pinning centers" and through the heat treatment of Y-Ba-Cu-O material when loading with oxygen give.
Besonders günstig ist die Ausbildung einer strombegrenzenden Drosselspule mit einer ge mäß der Erfindung konstruierten Reaktanz, bei der bis zu vorgebbaren Flußdichten keine Magnetisierung im Kern auftritt, d. h. unterhalb der jeweiligen Flußdichtegrenzen wird die Drosselspule im Nennstrombereich betrieben. Wird die Grenze des Nennstrombereichs über schritten, dann stellt sich die höhere Reaktanz in sehr kurzer Zeit ein, wodurch im Falle ei nes Kurzschlusses der Strom in dieser Zeit auf diejenige Höhe begrenzt wird, die dem zwei ten stabilen Wert der Reaktanz entspricht.The formation of a current-limiting inductor with a ge is particularly favorable reactance constructed according to the invention, in which up to predeterminable flux densities none Magnetization occurs in the core, i. H. below the respective flux density limits the Choke coil operated in the nominal current range. If the limit of the nominal current range is over steps, then the higher reactance occurs in a very short time, which in the case of ei nes short circuit the current is limited to the level that the two corresponds to the stable value of the reactance.
Strombegrenzende Drosselspulen lassen sich nach dem vorstehend erwähnten Prinzip mit kleinen Abmessungen für hohe Stromstärken auslegen. Das bedeutet ebenfalls Einsparungen bei der Cryotechnik. Aufgrund ihrer geringen Abmessungen können sie auch nachträglich noch relativ einfach in vorhandene Energieversorgungsnetze insbesondere dann eingefügt werden, wenn die Kurzschlußleistungen erhöht werden, ohne daß die Einrichtungen für grö ßere Kurzschlußströme ausgelegt werden sollen. Bei datenverarbeitenden Schaltungen wird mit den erfindungsgemäßen Reaktanzen eine Präzisierung der Umschaltschwelle zwischen den beiden binären Zuständen erreicht.Current-limiting choke coils can be used according to the principle mentioned above design small dimensions for high currents. That also means savings in cryotechnology. Due to their small dimensions, they can also be retrofitted then still relatively easily inserted into existing energy supply networks in particular are, if the short-circuit powers are increased, without the facilities for large larger short-circuit currents are to be designed. With data processing circuits with the reactances according to the invention a clarification of the switching threshold between reached the two binary states.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispielen näher beschrieben.The invention is in the following with reference to Ausfüh shown in a drawing Example described in more detail.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine Drossel im Querschnitt; Figure 1 shows a throttle in cross section.
Fig. 2 ein bistabiles Logikelement und Fig. 2 is a bistable logic element and
Fig. 3 ein weiteres vorteilhaftes Logikelement. Fig. 3 shows another advantageous logic element.
Wegen der geringen Hysterese treten Wärmeverluste weniger stark in Erscheinung, und da her können relativ einfach aufgebaute logische Schaltungen, z. B. UND-, ODER-, NAND-, NOR-Glieder oder Flipflops, für hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten aufgebaut werden. Die bistabilen Reaktanzen haben vorzugsweise Formkörper 15, die als Vollzylinder, Hohlzylinder oder Ton ausgebildet und mit einem schmelztexturierten keramischen Supra leiter beschichtet sind. Beim Schalten wird beispielsweise durch Vergrößern des Stroms in der Wicklung 13 (s. Fig. 2 und 3) die kritische Stromdichte in der supraleitenden Schicht 10 (s. Fig. 1) des Formkörpers 15 überschritten. Die Impedanzänderung wird durch eine Spule 14 detektiert.Because of the low hysteresis, heat losses are less apparent, and because of this, relatively simple logic circuits, e.g. B. AND, OR, NAND, NOR gates or flip-flops can be built for high processing speeds. The bistable reactances preferably have shaped bodies 15 which are designed as solid cylinders, hollow cylinders or clay and are coated with a melt-textured ceramic super conductor. During switching, for example, by increasing the current in the winding 13 (see FIGS. 2 and 3), the critical current density in the superconducting layer 10 (see FIG. 1) of the molded body 15 is exceeded. The change in impedance is detected by a coil 14 .
In der Verallgemeinerung der obengenannten Verbindung ist vorgesehen, daß als Supraleiter in analoger Weise die Verbindung MBa2Cu3O7-x mit M = Y, Ln verwendet ist, wobei Ln Seltenerdmetalle sind und 0 < x < 0,5 ist.The generalization of the abovementioned compound provides that the compound MBa 2 Cu 3 O 7-x with M = Y, Ln is used as superconductor in an analogous manner, Ln being rare earth metals and 0 <x <0.5.
Die supraleitende Schichtanordnung wird vorzugsweise so hergestellt, daß ein Substratzy linder 11 aus Keramik oder Metall mit einem Hochtemperatur-Supraleitermaterial (HTSL) beschichtet wird, daß das Formteil dann mit 30-50 K/h auf 300-700°C aufgeheizt und zur Erzielung feiner Ausscheidungen langsam abgekühlt wird. Dabei ist es ratsam, daß auf dem Substratzylinder zuerst eine Zwischenschicht aufgebracht wird, die die Reaktion der HTSL- Materialien mit dem Substratmaterial verhindert. Die HTSL-Materialien können zum leich teren Aufschmelzen vor der thermischen Behandlung mit einem Flußmittel beschichtet wer den, wobei diese Flußmittel bei der thermischen Behandlucng die Schmelztemperatur um 10 bis 50°C an der Oberfläche herabsetzen.The superconducting layer arrangement is preferably produced in such a way that a substrate cylinder 11 made of ceramic or metal is coated with a high-temperature superconductor material (HTSL), so that the molded part is then heated to 30-50 K / h at 300-700 ° C. and to achieve finer results Excretions is slowly cooled. It is advisable that an intermediate layer is first applied to the substrate cylinder, which prevents the reaction of the HTSL materials with the substrate material. The HTSL materials can be coated with a flux for easier melting before the thermal treatment, the fluxes during the thermal treatment lowering the melting temperature by 10 to 50 ° C on the surface.
Eine mit dem obengenannten Verfahren hergestellte Keramik ist verwendbar für Kerne in hochstromtragfähigen Spulen. Solche Spulen werden für Starkstromzwecke eingesetzt, z. B. für strombegrenzende Drosselspulen in Anlagen der Energieerzeugung und Energievertei lung. Eine solche Keramik ist auch verwendbar als magnetfeldabsorbierendes Bauteil und als passives Magnetlager.A ceramic made by the above method can be used for cores in high current carrying coils. Such coils are used for heavy current purposes, e.g. B. for current-limiting choke coils in power generation and energy distribution systems lung. Such a ceramic can also be used as a magnetic field-absorbing component and as a passive magnetic bearing.
Das Wesen einer erfindungsgemäßen Drosselspule (Fig. 1) besteht darin, daß der supraleit fähige Teil des Kerns eine Schicht 10 aus einem metalloxidkeramischen Supraleiter ist, wel che den normalleitenden Teil möglichst vollständig umschließt, daß der Kern eine Wicklung aufweist, in welcher Wechselstrom mit Netzfrequenz fließt und daß der Übergang in den normalleitenden Zustand von einem Schwellenstrom in der Wicklung erzeugt wird.The essence of a choke coil ( Fig. 1) is that the superconductive part of the core is a layer 10 of a metal oxide ceramic superconductor, which che encloses the normally conductive part as completely as possible, that the core has a winding in which alternating current at the mains frequency flows and that the transition to the normal conducting state is generated by a threshold current in the winding.
Mit dieser Vorrichtung läßt sich eine wesentliche Reduzierung des kältetechnischen Auf wands und der Materialkosten erreichen. Die strombegrenzende Drossel wird insgesamt, zumindest aber der Formkörper 11 mit der supraleitenden Schicht mit Flüssig-Stickstoff, gekühlt. Eine Kühlung mit Flüssig-Stickstoff reicht aus, um den Formkörper auf der für die Supraleitung notwendigen Temperatur zu halten. Besonders günstig ist es, einen supralei tenden Hohlkörper aus supraleitfähigen und ferromagnetischen Elementen zusammenzuset zen. Die Verwendung von ferromagnetischem Material in Verbindung mit dem supraleiten den Formkörper 11 erhöht den magnetischen Fluß wesentlich, so daß die strombegrenzende Wirkung der Drossel im Kurzschlußfall verbessert wird. Andererseits können die Abmes sungen der Drosselspule bei einer für einen bestimmten Einzelfall festgelegten Induktivität entsprechend reduziert werden.With this device, a significant reduction in refrigeration costs and material costs can be achieved. The current-limiting choke is cooled overall, but at least the molded body 11 with the superconducting layer with liquid nitrogen. Cooling with liquid nitrogen is sufficient to keep the molded body at the temperature necessary for superconductivity. It is particularly favorable to compose a superconducting hollow body composed of superconducting and ferromagnetic elements. The use of ferromagnetic material in connection with the superconducting the molded body 11 increases the magnetic flux significantly, so that the current-limiting effect of the choke is improved in the event of a short circuit. On the other hand, the dimensions of the inductor can be reduced accordingly for an inductance that is determined for a specific individual case.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist das ferromagnetische Material gegen die su praleitenden Elemente thermisch isoliert und wird auf einer Temperatur gehalten, bei der die Suszeptibilität einen für ferromagnetische Stoffe typischen hohen Wert hat. Bei dieser Aus führungsform ist es nicht notwendig, ferromagnetisches Material zu verwenden, das bei tie fen Temperaturen eine große Suszeptibilität behält.In an expedient embodiment, the ferromagnetic material is against the su thermally insulated elements and is kept at a temperature at which the Susceptibility has a typical high value for ferromagnetic substances. With this out it is not necessary to use ferromagnetic material that is used in tie temperature remains extremely susceptible.
Insbesondere kann die Temperatur auf einen Wert geregelt werden, der tiefer als die Raum temperatur liegt und bei dem noch eine ausreichend hohe Suszeptibilität vorhanden ist.In particular, the temperature can be regulated to a value lower than the room temperature and at which there is still a sufficiently high susceptibility.
Bei einer vorteilhaften Ausführung ist ein ferromagnetischer Körper mit einer Schicht aus einem metalloxidkeramischen Supraleiter versehen. Eine derartige Ausbildung des Kerns ist sehr einfach. Der ferromagnetische Körper muß bei tiefen Temperaturen seine Suszeptibilität behalten. Wird ein ferromagnetisches Material verwendet, das bei tiefen Temperaturen keine hohe Suszeptibilität hat, dann wird vorzugsweise auf einem ferromagnetischen Körper eine thermisch isolierende Schicht vorgesehen, auf der eine Schicht aus einem metalloxidkerami schen Supraleiter angeordnet ist.In an advantageous embodiment, a ferromagnetic body is made of one layer a metal oxide ceramic superconductor. Such a formation of the core is very easy. The ferromagnetic body must be susceptible at low temperatures to keep. If a ferromagnetic material is used that does not exist at low temperatures has high susceptibility, then a is preferably on a ferromagnetic body thermally insulating layer is provided on which a layer of a metal oxide kerami rule superconductor is arranged.
Das ferromagnetische Material muß bei tiefen Temperaturen seine Suszeptibilität behalten. Es wird ein ferromagnetisches Material eingesetzt; das bei höheren Temperaturen, z. B. Raumtemperatur, eine hohe Suszeptibilität hat, die im Bereich von 90 K annähernd erhalten bleibt.The ferromagnetic material must maintain its susceptibility at low temperatures. A ferromagnetic material is used; that at higher temperatures, e.g. B. Room temperature, has a high susceptibility, which is approximately in the range of 90 K. remains.
Der supraleitende Kern kann auch nachträglich als Schicht auf einen ferromagnetischen, z. B. zylindrischen oder torusförmigen, Körper aufgebracht werden. Wenn der Körper seine hohe Suszeptibilität auch bei tiefen Temperaturen behält, können Kern und Körper miteinander verbunden sein. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß der Kern und der Körper ge meinsam gekühlt werden können.The superconducting core can also be retrofitted as a layer on a ferromagnetic, e.g. B. cylindrical or toroidal, body can be applied. When the body is high Retains susceptibility even at low temperatures, core and body can work together be connected. Such an arrangement has the advantage that the core and the body can be cooled together.
Vielfach vereinfacht sich dadurch der konstruktive Aufwand für die Kühlung. Dies trifft für Vorrichtungen zu, bei denen das ferromagnetische Material seine Suszeptibilität im Bereich der Übergangstemperatur des Kerns beibehält. Fällt die Suszeptibilität im Bereich der Über gangstemperatur auf unerwünscht tiefe Werte ab, dann ist zwischen dem ferromagnetischen Körper und dem Kern eine thermisch isolierende Schicht vorzusehen, auf die insbesondere der Kern als Schicht aufgebracht werden kann. This often simplifies the design effort for cooling. This is true for Devices where the ferromagnetic material has its susceptibility in the range maintains the transition temperature of the core. The susceptibility falls in the area of over temperature drops to undesirably low values, then there is between the ferromagnetic Body and the core to provide a thermally insulating layer on which in particular the core can be applied as a layer.
Die oben beschriebene Drosselspule kann bei Netzfrequenzen eine kleine Impedanz gegen über der Verbraucherimpedanz aufweisen.The choke coil described above can have a small impedance at mains frequencies over the consumer impedance.
Claims (12)
von MBa2Cu3O7-x, wobei gilt M = Y, Ln (Ln = Seltenerdmetalle)und 0 < x < 0,5, oder von (Bi,Pb)2Sr2Can-1CunO4+2n+x, wobei gilt n = 2, 3,
wobei die Supraleiterschicht mit einer Dicke von 10 bis 1000 µm auf dem Substratzy linder aufgebracht und zumindest teilweise schmelztexturiert ist, so daß die schmelz texturierte Schicht Ausscheidungspartikel mit einem Durchmesser von weniger als 10 µm aufweist.1. Superconducting layer arrangement with a substrate cylinder made of ceramic or metal and with a high-temperature superconductor applied to the substrate cylinder as the top layer on the base
of MBa 2 Cu 3 O 7-x , where M = Y, Ln (Ln = rare earth metals) and 0 <x <0.5, or of (Bi, Pb) 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 4+ 2n + x , where n = 2, 3,
wherein the superconductor layer with a thickness of 10 to 1000 microns is applied to the substrate cylinder and is at least partially melt-textured, so that the melt-textured layer has precipitation particles with a diameter of less than 10 microns.
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