ES2791987T3 - Fabricación de cables superconductores de alta temperatura y larga longitud con microestructuras de fijación implantadas uniformes de iones - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de producción de un cable superconductor de alta temperatura y larga longitud, que comprende: proporcionar un sustrato que tiene una superficie con una longitud de al menos 50 metros y un ancho, soportando la superficie una capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial, teniendo la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial una longitud y un ancho correspondiente a la longitud y ancho de la superficie del sustrato e irradiar la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial con un haz de iones que incide uniformemente a lo largo y ancho de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial para producir una distribución uniforme de microestructuras de fijación en la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial; donde la etapa de irradiación incluye mover la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial de manera continua bajo el haz de iones y donde el haz de iones tiene forma de patrón rectangular
Description
DESCRIPCIÓN
Fabricación de cables superconductores de alta temperatura y larga longitud con microestructuras de fijación implantadas uniformes de iones
Declaración sobre investigación y desarrollo con patrocinio federal
[0001] La presente invención se realizó con el apoyo del gobierno de los Estados Unidos bajo el contrato n.° DE-AR0000190 otorgado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (Advanced Research Projects Agency-Energy) y bajo el número de contrato DE-SC0012704 otorgado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. El gobierno de los Estados Unidos puede tener determinados derechos en esta invención. Campo de la invención
[0002] La presente invención generalmente se refiere a cables superconductores de alta temperatura y larga longitud ("HTS") y más particularmente a tales cables HTS que tienen una distribución uniforme de microestructuras de fijación de tamaño nanométrico a lo largo de sus longitudes y anchos.
Antecedentes
[0003] Desde el descubrimiento de los materiales HTS (es decir, el material que puede conservar sus propiedades superconductoras por encima de la temperatura del nitrógeno líquido de 77K), se han realizado esfuerzos para desarrollar diversas aplicaciones de ingeniería utilizando dichos materiales HTS. En los dispositivos y cables superconductores de película delgada, la mayoría de los avances se han realizado con la fabricación de dispositivos que utilizan un superconductor de óxido que incluye itrio, bario, cobre y oxígeno en la conocida composición básica de YBa2CuÜ7-y (denominada en lo sucesivo Y123 o YBCO) que sigue siendo el material preferido para muchas aplicaciones, incluidos cables, motores, generadores, condensadores síncronos, transformadores, limitadores de corriente y sistemas de imanes para uso militar, física de alta energía, procesamiento de materiales, transporte y médico. El cable HTS basado en estos materiales YBCO, comúnmente denominado cable conductor recubierto o de segunda generación (2G), se fabrica en longitudes continuas de cientos de metros o más con densidades de corriente críticas, Jc, de 3 MA/cm2 o más a 77 K y campo propio utilizando líneas de producción de rollo a rollo.
[0004] Aunque Y123 es el material de elección para aplicaciones HTS, estos materiales presentan una supresión de Jc en campos magnéticos, especialmente en campos aplicados a lo largo del eje c cristalográfico del superconductor. Esta característica limita la aplicación de estos materiales en aplicaciones que requieren operación en campos magnéticos tales como motores, transformadores, generadores, solenoides, imanes de acelerador, imanes de almacenamiento de energía y sistemas IRM. Por lo tanto, ha sido importante continuar mejorando el rendimiento de los superconductores Y123, especialmente en los campos aplicados en la dirección del eje c. Más importante aún, es importante lograr estas mejoras en un procedimiento de rollo a rollo que sea compatible con las operaciones actuales de fabricación de cables y produzca una mejora altamente uniforme y reproducible a lo largo y ancho de los cables HTS de longitud de producción.
[0005] Un procedimiento para lograr tal mejora incluye la "fijación" de vórtices superconductores, que se cree que es el mecanismo subyacente para la alta densidad de corriente crítica, Jc, en materiales HTS. Para lograr la fijación en materiales/cables HTS, se ha intentado hacer coincidir las diferencias de energía potencial local lo más cerca posible con el tamaño del núcleo normal de la línea de flujo superconductor o vórtice. En general, se cree que el núcleo de la sección transversal tiene un tamaño del orden de la longitud de coherencia (que es de varios nanómetros en cupratos HTS y crece con la temperatura). Además, se cree que las corrientes críticas en los materiales/cables policristalinos HTS se reducen aún más por los enlaces débiles en los límites de los granos, que empeoran por la porosidad, la desalineación del eje cristalino de los granos adyacentes, y por la formación y acumulación de fases no superconductoras (compuestos) en los límites entre granos superconductores.
[0006] Se han realizado esfuerzos para mejorar la fijación del flujo de los materiales superconductores RE123. Por ejemplo, se descubrió que las propiedades superconductoras de los compuestos YBa2Cu307-s con sustituciones parciales con europio (Eu), gadolinio (Gd) y samario (Sm) muestran una mejora en el Jc intragranular (fijación de flujo). También se presentó el dopaje de YBa2Cu307-s con un amplio intervalo de dopantes en los sitios Y, Ba y Cu. También se presentó que el aumento de la densidad de los límites gemelos proporciona solo una mejora moderada en la fijación del flujo.
[0007] La formación de nanopartículas no superconductoras mediante la introducción de dopantes, tales como tierras raras (RE), Zr, Ce, Au, etc., también ha sido ampliamente evaluada. Estos materiales pueden formar partículas por sí mismos o pueden combinarse para formar partículas con otros elementos.
[0008] Los centros de fijación también se forman por la formación de estructuras de defectos en columnas, por ejemplo, por el autoensamblaje de BaZrÜ3 en estructuras alineadas o continuas. La más eficaz de estas estrategias
basadas en productos químicos ha sido la formación de nano-columnas autoensambladas formadas a partir de materiales tales como BaZrO3 o una combinación de estas nanocolumnas y nanopartículas. Aunque estas microestructuras de fijación son generalmente fáciles de preparar en pequeñas muestras de I+D de los superconductores RE123, es mucho más difícil incorporarlas en longitudes continuas de cable. La razón es que la formación de estas estructuras complejas de fijación depende de tener un procedimiento de crecimiento altamente reproducible. Por lo tanto, cualquier falta de homogeneidad en la composición química, los parámetros de crecimiento o la textura de la capa superconductora a lo largo o ancho del cable de longitud de producción puede afectar la estructura precisa o la densidad de los defectos de fijación. Este cambio en la estructura de fijación conduce a grandes variaciones en la corriente que la capa superconductora puede transportar en presencia de campos magnéticos. Por lo tanto, el rendimiento del cable HTS varía con su longitud y/o ancho y por lo tanto es inadecuado para aplicaciones que requieren una corriente crítica muy consistente y previsible.
[0009] Además, el procedimiento de crecimiento necesario para la formación de las microestructuras de columnas autoensambladas solo es aplicable a los procedimientos de deposición en fase de vapor. Por lo tanto, las microestructuras de fijación de columnas autoensambladas no se pueden incorporar en películas superconductoras derivadas de MOD.
[0010] La introducción de defectos en el cable HTS utilizando irradiación de partículas de alta energía se ha probado utilizando energías en los 100 de MeV a los 10 del intervalo de GeV. A estos niveles de energía, la irradiación generalmente produjo estructuras de defectos correlacionadas o en columna que resultan en una fijación anisotrópica a lo largo de su eje.
[0011] Aunque estas estructuras defectuosas fueron efectivas para mejorar la fijación de vórtices en los materiales REBCO en muestras cortas de investigación, lograr los niveles de energía de partículas necesarios requiere que los aceleradores de investigación costosos no sean susceptibles con la fabricación de alto volumen de longitudes continuas de cable superconductor. Además, las corrientes de partículas disponibles para la irradiación de partículas de alta energía eran limitadas, lo que requería largos tiempos de irradiación para producir un número significativo de defectos en la capa superconductora para proporcionar una fijación efectiva.
[0012] Como se describe en la publicación de patente de los EE.UU. n.° 2015/0263259, también se ha descrito la irradiación con partículas de baja energía. Esta estrategia da como resultado defectos puntuales que producen una estructura de fijación más isotrópica, sin embargo, se ha centrado en producir muestras cortas utilizando un haz de irradiación estática.
[0013] Una publicación científica de Jia, Y. y col. informa sobre la duplicación de la densidad de corriente crítica de los conductores recubiertos superconductores de alta temperatura mediante irradiación de protones (APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 103, no. 12, 122601, 2013).
[0014] Una publicación científica de Strickland, NM y col. informa sobre la fijación de flujo por defectos columnares discontinuos en conductores recubiertos con YBa2Cu3O7 irradiados con 74 MeV Ag (PHYSICA C, vol.
469, no. 23-24, páginas 2060-2067, 2009).
[0015] Una publicación científica de Strickland, NM y col. informa sobre la fijación efectiva del flujo a baja temperatura por irradiación de iones Au en conductores recubiertos con HTS (IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 25, no. 3, 6600905, 2015).
[0016] Por lo tanto, los esfuerzos de investigación para desarrollar microestructuras de fijación de vórtices que se pueden incorporar en la fabricación de cables HTS de larga longitud se han centrado en las técnicas químicas, descritas anteriormente, que intentan replicar la combinación de defectos correlacionados y puntuales producidos por la irradiación de partículas de alta energía.
Resumen
[0017] La invención se define por las reivindicaciones adjuntas. También se describe un procedimiento para producir un cable superconductor de alta temperatura y larga longitud. El procedimiento incluye proporcionar un sustrato, que tiene una superficie con una longitud de al menos 50 metros y un ancho. La superficie soporta una capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial y la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial tiene una longitud y un ancho correspondiente a la longitud y ancho de la superficie del sustrato. El procedimiento también incluye irradiar la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial con un haz de iones que incide de manera uniforme a lo largo y a través del ancho de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial para producir una distribución uniforme de las microestructuras de fijación en la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial al mover la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial de manera continua bajo el haz de iones que tiene forma de patrón rectangular.
[0018] En otros aspectos de la invención, se pueden incluir una o más de las siguientes características. La
etapa de proporcionar puede comprender disponer al menos una capa tampón sobre el sustrato, formar la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial en la al menos una capa tampón y depositar un recubrimiento protector metálico sobre la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial. La etapa de proporcionar también puede incluir realizar un tratamiento térmico de oxigenación para recocer el recubrimiento protector metálico y oxigenar la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial. La etapa de irradiación puede incluir incidir el haz de iones de manera uniforme sobre la superficie del recubrimiento protector metálico. La etapa de irradiación incluye mover la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial de manera continua bajo el haz de iones. El haz de iones tiene forma de patrón rectangular y el patrón rectangular del haz de iones puede tener una relación de aspecto de entre 1,1:1 a 20:1 o entre 2:1 a 10:1. Un borde largo del haz de iones de patrón rectangular puede orientarse perpendicularmente a la longitud de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial, y el haz puede ser más ancho que la cinta en movimiento en un factor de al menos dos. Alternativamente, el borde largo del haz de iones de patrón rectangular puede orientarse paralelo a la longitud de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial.
[0019] En otros aspectos más de la invención, se pueden incluir una o más de las siguientes características. El haz de iones puede rasterizarse a una velocidad de 0-100 kHz y atraviesa una distancia de 1,0-10 cm mayor que el ancho del movimiento de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial. El haz de iones puede comprender un ion cargado positivamente con energía en el intervalo de 1-25 MeV. El haz de iones puede comprender iones Au con una carga de 1+ a 8+. Los iones de Au pueden tener una carga de 5+. El haz de iones puede comprender iones Ar con una carga de 1+ a 10+. El haz de iones puede comprender iones Xe con una carga de 1+ a 10+. La etapa de movimiento puede incluir mover el cable superconductor de alta temperatura con textura biaxial de manera continua bajo el haz de iones, a una velocidad de entre 6 m/h y 1000 m/h. La etapa de mover la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial de manera continua bajo el haz de iones puede incluir mover la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial bajo el haz de iones una pluralidad de veces. Mover la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial bajo el haz de iones una pluralidad de veces puede incluir el uso de un procedimiento de carrete a carrete con el cable superconductor de alta temperatura enrollado helicoidalmente alrededor de los carretes. Cuando el superconductor de alta temperatura con textura biaxial se mueve bajo el haz de iones una pluralidad de veces, cada vez el haz de iones puede utilizar diferentes partículas de iones y/o diferentes energías.
[0020] En otros aspectos más de la invención, se pueden incluir una o más de las siguientes características. La etapa de irradiación puede incluir incidir sobre el recubrimiento protector metálico el haz de iones con una energía iónica de 1 a 25 MeV. La energía del haz de iones puede seleccionarse para lograr una penetración sustancialmente completa de los iones incidentes en el recubrimiento protector metálico y la capa superconductora del superconductor de alta temperatura con textura biaxial. El haz puede tener una corriente de haz iónico seleccionada para evitar el calentamiento de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial a temperaturas superiores a aproximadamente 300 °C durante la etapa de irradiación. La capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial puede enfriarse activamente para mantener la temperatura por debajo de 300 °C. La capa protectora metálica puede comprender Ag con un espesor de entre 0,25 a 1,5 mm. El área de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial irradiada por minuto puede ser mayor de 0,25 m2. El haz de iones puede tener una corriente de partículas iónicas de > 0,5 pA. El haz de iones puede tener una corriente de partículas iónicas de > 1 pA. El haz de iones puede tener una corriente de partículas iónicas de > 2 pA. El haz de iones puede tener una corriente de partículas iónicas de > 4 pA. El ancho de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial puede estar entre 4 mm y 200 mm. El cable superconductor puede configurarse como una sola tira o como múltiples tiras a lo largo de la longitud.
[0021] En otros aspectos adicionales de la invención, se pueden incluir una o más de las siguientes características. El haz de iones puede incidir en la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial en un ángulo perpendicular a la superficie de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial. El haz de iones puede incidir en la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial en un ángulo de entre 0 y 75° desde un eje perpendicular a la superficie de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial. El haz de iones puede incidir en la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial en un intervalo continuo de ángulos de 0 a ± 45° desde un eje perpendicular a la superficie de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial. Las microestructuras de fijación pueden tener un tamaño sustancialmente uniforme. El tamaño sustancialmente uniforme de las microestructuras de fijación puede definirse como al menos el 90 % de las microestructuras de fijación en un volumen de la capa superconductora con textura biaxial que tiene un tamaño de < 20 nm. La capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial puede tener un espesor mayor de 1 pm. La capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial puede comprender una capa superconductora de óxido de metal de transición de metal alcalinotérreo de metal de tierras raras que tiene un material con la fórmula general: (RE)Ba2Cu3Ü7 donde RE es al menos un metal de tierras raras. RE puede comprender itrio.
[0022] Las características, ventajas y realizaciones adicionales de la presente invención pueden establecerse a partir de la consideración de la siguiente descripción detallada, dibujos y reivindicaciones. Además, debe entenderse que tanto el resumen anterior de la presente descripción como la siguiente descripción detallada son ejemplares y pretenden proporcionar una explicación adicional sin limitar aún más el alcance de la presente descripción reivindicada.
Descripción de los dibujos
[0023]
La figura 1A es una ilustración que muestra la irradiación de rollo a rollo de una cinta HTS con un haz de partículas. La figura 1B es una ilustración que muestra la irradiación de rollo a rollo enrollado helicoidalmente de una cinta HTS con un haz de partículas.
La figura 1C es una ilustración que muestra la irradiación de rollo a rollo de una cinta HTS ancha con un haz de partículas.
La figura 2 muestra la arquitectura básica de un cable HTS típico que puede usarse con el procedimiento de irradiación según esta invención.
La figura 3 ilustra un procedimiento de rollo a rollo para fabricar el cable 2G HTS de la figura 2 mediante el procedimiento RABiTS/MOD con inserción de irradiación de haz de partículas de rollo a rollo.
Las figuras 4A-4C son cálculos SRIM que muestran el número de defectos formados a través de la profundidad de la capa superconductora para haces de partículas de 15, 10 y 5 MeV Au.
La figura 5 ilustra la penetración reducida del haz de partículas de 10 MeV Au en la capa HTS con una capa protectora Ag de 3 micrómetros en la superficie del cable HTS.
La figura 6A ilustra un haz de iones que incide en una cinta HTS paralela al eje c cristalográfico de la cinta HTS. La figura 6B es un cálculo SRIM que muestra la profundidad de iones a través del espesor de la película HTS del haz de iones de la figura 6A.
La figura 7A ilustra un haz de iones que incide en una cinta HTS en un ángulo de 10° desplazado del eje c cristalográfico de la cinta HTS
La figura 7B es un cálculo SRIM que muestra la profundidad de iones a través del espesor de la película HTS del haz de iones de la figura 7A.
La figura 8 es una ilustración de un rodillo nasal que permite que el haz de partículas incida en la cinta HTS en un intervalo de ángulos.
La figura 9 ilustra un procedimiento de rollo a rollo para fabricar un cable HTS 2G mediante el procedimiento RABiTS/MOD.
La figura10 muestra la corriente crítica de un cable HTS estándar hecho de una tira de inserción de 46 mm de ancho, como se describe en el ejemplo 1, en función de la temperatura en un campo magnético aplicado orientado perpendicular al eje c cristalográfico del YBCO.
La figura 11 muestra la corriente crítica de un cable HTS estándar hecho de una tira de inserción de 46 mm de ancho, como se describe en el ejemplo 1, en función de la temperatura y la orientación del campo magnético aplicado.
Las figuras 12A y 12B representan la mejora en la corriente crítica a aproximadamente 30K en función del campo magnético para muestras HTS para la irradiación estática (figura 12A) y en movimiento (figura 12B) en las mismas condiciones en relación con la muestra no irradiada.
La figura 13 muestra el flujo de iones en función de la longitud de la cinta durante la irradiación de rollo a rollo y la Ic de campo propio de l lK a lo largo de la longitud.
La figura 14 muestra una mejora (en relación con la muestra no irradiada) de corriente crítica a 27K en función del campo magnético aplicado orientado perpendicular al eje c cristalográfico de la capa YBCO para diferentes dosis de iones Au5+
La figura 15 muestra la corriente crítica de un cable irradiado con iones Au y un cable no irradiado a aproximadamente 30 K en función del campo magnético aplicado orientado perpendicularmente a la superficie del cable HTS.
La figura 16 muestra la corriente crítica, medida a 77K, campo propio, de una hendidura de cable de 4 mm desde un inserto de 80 metros de largo y 46 mm de ancho después de la irradiación con iones de 18 MeV Au5+ a una dosis de 6x1011 iones/cm2 en un procedimiento de rollo a rollo en comparación con la corriente crítica medida a 77K, campo propio en una sección de la tira de 80 metros antes de la irradiación.
La figura 17 muestra la corriente crítica de un cable en función de la temperatura y el campo magnético aplicado (perpendicular a la superficie de la cinta) hecho de una tira de inserción de 46 mm de ancho irradiada con iones de 18 MeV Au5+ a una dosis de 6x1011 iones/cm2 en un procedimiento de rollo a rollo y la corriente crítica de un cable no irradiado.
Las figuras 18A y 18B muestran la corriente de transporte del cable producido como se describe en el ejemplo 6 en función de la orientación del campo magnético aplicado a múltiples temperaturas. En la figura 18A el campo magnético aplicado está orientado en la dirección del plano H//ab y en la figura 18B el campo magnético aplicado está orientado en la dirección del eje H//c
Descripción detallada
[0024] Los defectos distribuidos uniformemente de un tamaño sustancialmente uniforme pueden formarse continuamente a lo largo y ancho de una cinta superconductora pasando la cinta a través de un haz enfocado de iones de energía media, es decir, de 1 a 25 MeV para mejorar el rendimiento eléctrico de la cinta superconductora. En una realización preferida de la invención, el sistema 10, figura 1A, se muestra la cinta HTS 12 que tiene una longitud de al
menos 50 m y más típicamente de 100 a 2000 m y un ancho de 2 mm a 1 m. La cinta HTS se pasa a través del haz ráster 14 de partículas iónicas transportando la cinta desde un primer rollo 16a a un segundo rollo 16b. En una realización preferida de la invención, la cinta superconductora irradiada se puede seccionar a lo largo de su longitud y convertirse en múltiples cables superconductores. El haz ráster 14 es producido por la fuente de iones 18 que emite un haz iónico 20 al dispositivo ráster 22, que enfoca el haz iónico 20 y el haz ráster 14 a través de la cinta HTS 20 en el área de irradiación 24.
[0025] En la figura 1B se representa una configuración alternativa de fabricación de cable HTS que usa una cinta HTS 12b enrollada helicoidalmente en un sistema de rollo a rollo que se irradia con un haz de partículas desde la fuente de iones 18b. En la figura1C se representa la irradiación de rollo a rollo de una cinta HTS ancha 12c con una cinta HTS ancha que se irradia con un haz de partículas desde la fuente de iones 18c. Ancho, en este contexto es un término relativo, donde el ancho de la cinta puede estar típicamente entre 4 mm y 200 mm. En este caso, la cinta 12c se representa como una cinta o banda mucho más ancha que la cinta HTS 12 que se muestra en la figura 1A. El procedimiento de irradiación según esta invención es igualmente aplicable a los procedimientos de fabricación de las cintas 12a-c.
[0026] El procedimiento de irradiación según esta invención puede introducirse o insertarse en un procedimiento de fabricación de cables HTS. Los detalles del haz de iones y el procedimiento de irradiación se proporcionan a continuación. El procedimiento representado en la figura 1 es solo una etapa que puede implementarse en un procedimiento general de fabricación de cable.
[0027] Una arquitectura ejemplar de un cable HTS 30 que puede utilizar el procedimiento de irradiación iónica según esta invención se representa en la figura 2. En esta arquitectura, el cable HTS 30 incluye una capa superconductora policristalina 32 dispuesta y soportada por un sustrato 36, entre el cual hay una o más capas tampón 34. El sustrato 36 comprende una lámina metálica flexible que puede estar formada de cualquier material que contenga metal adecuado. Según una realización, el sustrato metálico flexible es una aleación que contiene níquel.
[0028] El sustrato 36 puede incluir textura que se transfiere a la capa superconductora 32. Como se describe en esta invención, la textura se refiere a una microestructura que incluye la alineación del plano cristalino. Un alto grado de alineación del plano cristalino en la capa superconductora permite que la capa superconductora policristalina 32 presente un rendimiento similar al de un cristal. El sustrato con textura puede ser la película metálica flexible o una de las otras capas descritas anteriormente. Alternativamente, el sustrato con textura 36 puede ser una capa separada dentro del conductor recubierto.
[0029] El sustrato con textura 36 puede producirse mediante cualquier procedimiento apropiado. Según una realización, el sustrato con textura 36 puede producirse mediante un procedimiento de sustrato con textura biaxial asistido por laminación (RABiTS). El procedimiento RABiTS incluye la producción de una lámina metálica con textura biaxial mediante un procedimiento asistido por laminación. A continuación, se proporciona al menos una capa tampón de óxido 34 sobre el sustrato metálico con textura 36, presentando la capa tampón de óxido la misma microestructura con textura biaxial que la película de metal. A continuación, se deposita una capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial 32 sobre la capa o capas tampón de óxido 34. La capa tampón de óxido 34 impide la difusión del metal desde la película a la capa superconductora.
[0030] Como se sabe en el campo, el cable HTS 30 también puede incluir una capa protectora metálica 38a, tal como una capa Ag, dispuesta en la capa superconductora 32 y una capa estabilizadora 40a dispuesta en la capa metálica 38a. Se puede disponer otra capa metálica 38b y una capa estabilizadora 40b en el lado opuesto del cable HTS 30, unido al sustrato 36.
[0031] Según otra realización, el sustrato con textura puede producirse mediante un procedimiento que utiliza deposición asistida por haz de iones (IBAD). El procedimiento IBAD incluye la deposición asistida por haz de iones de una capa tampón de cerámica con textura en la superficie de una lámina de metal sin textura. A continuación, se deposita una capa superconductora sobre la capa tampón de cerámica con textura. Se pueden proporcionar capas tampón adicionales entre la capa tampón de cerámica con textura y la capa superconductora y/o entre la película metálica y la capa tampón de cerámica con textura. El conductor recubierto con IBAD incluye un sustrato de película metálica, una capa tampón de óxido de cerámica con textura, capas tampón de óxido, una capa superconductora, una capa protectora metálica y una capa estabilizadora.
[0032] Se entiende que se pueden usar otros procedimientos o materiales para construir cintas similares y que también se pueden usar conforme a esta invención.
[0033] La capa superconductora puede depositarse sobre el sustrato de la estructura conductora recubierta mediante cualquier procedimiento adecuado. Según una realización, la capa superconductora puede depositarse mediante un procedimiento de deposición organometálica. Según otra realización, la capa superconductora puede depositarse mediante una deposición láser pulsada (PLD), una coevaporación reactiva (RCE), una deposición química organometálica de vapor (MOCVD), una deposición de haz de electrones, una deposición química de vapor (CVD), o
un procedimiento de pulverización catódica. La capa superconductora puede tener cualquier espesor apropiado. Según una realización, la capa superconductora tiene un espesor mayor de 1 pm. En otra realización, la capa superconductora tiene un espesor en el intervalo de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 2 pm. Según algunas realizaciones, el superconductor puede tener un espesor de menos de aproximadamente 5 pm.
[0034] Se puede depositar una capa metálica protectora sobre la capa superconductora de la cinta superconductora con el fin de proteger la capa superconductora. La capa metálica protectora puede ser cualquier material que contenga metal adecuado. Según una realización, la capa metálica protectora es una capa plateada. La capa protectora puede tener cualquier espesor apropiado. Según una realización, la capa protectora tiene un espesor de 3 pm. Según otra realización, la capa protectora tiene un grosor de aproximadamente 1 pm.
[0035] Se puede depositar una capa estabilizadora sobre la capa metálica protectora. Según una realización, la capa estabilizadora puede incluir cobre. La capa estabilizadora puede tener un espesor mayor de 10 pm. En otra realización, la capa estabilizadora puede tener un espesor de 1 a 2 pm. En una realización, la capa estabilizadora se puede añadir después de que se irradia la capa superconductora.
[0036] La capa superconductora puede estar formada por cualquier superconductor apropiado. Según una realización, la capa superconductora puede ser un superconductor de óxido de metal de transición de metal alcalinotérreo de metal de tierras raras. Según una realización, la capa superconductora puede contener un superconductor con la fórmula general:
(RE)Ba2Cu3Ü7-B
donde RE incluye al menos un metal de tierras raras y 0 < 5 < 0,65. Según otra realización, la capa superconductora puede contener un superconductor con la fórmula general:
(RE)Ba2Cu3Ü7
donde RE incluye al menos un metal de tierras raras. En una realización, RE puede incluir itrio, produciendo una capa superconductora de fórmula general YBa2Cu3Ü7 (YBCÜ). Si bien la capa superconductora se denominará en esta invención capa superconductora YBCÜ para fines de conveniencia, los procedimientos analizados en esta solicitud se aplican igualmente a otros materiales superconductores apropiados. En algunos casos, RE puede ser una mezcla de dos o más metales de tierras raras.
[0037] La capa superconductora también puede incluir un dopante además del metal primario de tierras raras. El dopante puede ser un metal de tierras raras. Según una realización, una capa superconductora de YBCÜ puede incluir un dopante de disprosio. El dopante puede estar presente en una cantidad de hasta el 75 % en relación con el metal primario de tierras raras. Según una realización, el dopante está presente en una cantidad de al menos aproximadamente el 1 % y como máximo aproximadamente el 50 % del metal primario de tierras raras.
[0038] Según otra realización, el dopante puede ser un metal de transición tal como Zr, Nb, Ta, Hf o Au. El dopante puede combinarse con otros elementos en el superconductor para formar un óxido metálico simple o mixto.
[0039] En una realización, la cinta superconductora se puede seccionar a lo largo de su longitud en múltiples tiras. El seccionamiento se puede realizar por cualquier medio apropiado, incluido el corte por láser, el corte con rodillo o el punzonado. Se puede laminar una capa estabilizadora metálica adicional en ambas superficies de la cinta seccionada para formar un cable superconductor. La capa estabilizadora puede ser cualquier material que contenga metal adecuado. En una realización, la capa estabilizadora es cobre. En otras realizaciones, la capa estabilizadora es de acero inoxidable, latón o cualquier otro material adecuado que contenga metal. En una realización, el ancho del estabilizador es el mismo que el de la cinta seccionada. En otra realización, el ancho de la capa estabilizadora es mayor que el de la cinta seccionada. En otra realización, la capa estabilizadora puede envolverse alrededor de todos los lados de la cinta seccionada. En otra realización, dos o más cintas seccionadas pueden unirse entre las capas estabilizadoras. En una realización preferida de la invención, las capas estabilizadoras están unidas a la tira de inserción seccionada con soldadura.
[0040] La figura 3 ilustra el procedimiento básico de fabricación de rollo a rollo 50 para producir un cable superconductor, utilizando el procedimiento RABiTS para la plantilla y el procedimiento MÜD para la capa YBCÜ, con una dispersión uniforme de defectos de fijación inducidos por irradiación de partículas a lo largo y ancho. El procedimiento incluye laminado de sustrato y recocido de textura en la etapa 52 del proceso, la deposición de la capa tampón y la deposición de tampón por pulverización catódica de capas tampón son las etapas 54 y 56, respectivamente. En las etapas 50, 60 y 62, la capa de HTS se deposita recubriendo el sustrato tamponado con un precursor de BCÜ basado en solución (RE), el precursor se descompone y se crece la capa de (RE)BCÜ. A continuación, en la etapa 64 se deposita una capa protectora de Ag sobre la capa HTS y en la etapa 66 se realiza un tratamiento térmico de oxigenación. En el procedimiento estándar, la siguiente etapa en el procedimiento sería la deposición de una capa estabilizadora, tal como un estabilizador de cobre, una etapa 68, seguida de corte y
laminaciones en las etapas 70 y 72, respectivamente. Sin embargo, con la presente invención, una etapa de irradiación iónica, tal como 10, figura 1, se inserta entre la etapa de tratamiento térmico de oxigenación 66 y la etapa 68 de deposición del estabilizador.
[0041] Se entiende que las etapas individuales del procedimiento representadas en la figura 3 se pueden reemplazar cuando se utilizan otros procedimientos para la plantilla, la deposición de YBCO o la estabilización. Además, el procedimiento de irradiación puede llevarse a cabo directamente sobre una superficie de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial si no se dispone una capa protectora metálica sobre la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial.
[0042] Para que los iones produzcan los defectos deseados en la capa superconductora, deben tener suficiente energía para pasar a través de cualquier capa (por ejemplo, una capa metálica protectora) en la superficie de la capa superconductora y uniformemente dentro de la capa superconductora. Las energías iónicas aceptables se pueden calcular utilizando programas tales como SRIM (detención y rango de iones en la materia). Según una realización, los iones pueden ser iones Au con energía de aproximadamente 1 a 25 MeV (energía media) o más preferentemente con energía de aproximadamente 14 a 20 MeV para una capa de YBCO con un espesor de aproximadamente 1,2 pm y un espesor de capa protectora de Ag de aproximadamente 1 pm. En otra realización donde no hay una capa metálica protectora, los iones pueden ser iones Au con energía de aproximadamente 1 a 14 MeV o más preferentemente con energía de aproximadamente 7 a 14 MeV para una capa YBCO con un espesor de aproximadamente 1,2 pm.
[0043] Para una capa YBCO con un espesor de aproximadamente 1,2 pm y un espesor de la capa protectora de Ag de aproximadamente 1 pm, en el caso de que la energía de los iones sea demasiado baja, por ejemplo, aproximadamente 5 MeV, los iones pueden no viajar lo suficientemente adentro de la capa superconductora para producir defectos dispersos aleatoriamente distribuidos uniformemente como se muestra en la figura 4C. Como se muestra en la figura 4B, a una energía iónica de 10MeV, la distribución a través de la capa HTS no es uniforme ya que la concentración disminuye significativamente hacia el fondo de la capa HTS. Como se muestra en la figura 4A, con la energía iónica a 15MeV, hay una distribución iónica uniforme a través de la capa HTS. En cada caso, el espesor de la capa protectora de Ag fue de aproximadamente 1 pm.
[0044] Según una realización alternativa, los iones de energía media de otros elementos tales como los iones Ar, W, Ni, Cu, O, Ag, Xe, Pb, H pueden usarse para formar los defectos dispersos aleatoriamente de manera continua a lo largo y ancho de una cinta superconductora.
[0045] La irradiación puede llevarse a cabo a través de una capa protectora metálica del cable HTS que está dispuesta sobre la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial o directamente sobre la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial si no se proporciona una capa protectora. En una realización, la capa metálica protectora es Ag. Según una realización, el espesor de la capa de Ag es de aproximadamente 0,25 pm a 3 pm o más preferentemente de 0,5 pm a 1 pm.
[0046] Dado que la capa metálica protectora interactuará con las partículas incidentes, su profundidad de penetración se reduce a medida que aumenta el espesor de la capa para una energía de partícula dada. Como se ilustra en la figura 5, para una capa de Ag de 3 pm de espesor con un haz de partículas de 10 MeV Au, la concentración de partículas disminuye rápidamente a aproximadamente la mitad de la profundidad de la capa de HTS y disminuye rápidamente a cero.
[0047] Para minimizar la energía necesaria para asegurar una penetración uniforme del haz de partículas a través de la capa de HTS subyacente, la capa de Ag tiene preferentemente un espesor de 0,5 a 1 pm. Este espesor permite el uso de haces de partículas de menor energía y aún proporciona protección de la capa HTS de la atmósfera y etapas posteriores de procesamiento.
[0048] En una realización, la irradiación 80 de la capa HTS sobre la cinta HTS en movimiento 82 puede tener lugar a lo largo del eje c cristalográfico 84 de la capa superconductora como se ilustra en las figuras 6A y B. En esta realización, cuando la energía del ion se selecciona adecuadamente, es decir, 15 MeV, la formación de defectos es uniforme en todo el espesor de la capa HTS como se muestra en 86.
[0049] En una realización alternativa, la irradiación 90 que incide sobre la cinta HTS en movimiento 92 puede tener lugar a lo largo de un ángulo desplazado desde el eje c 94 del superconductor. En esta realización, como se ilustra en las figuras 7A y B, la trayectoria del ion a través de la capa HTS aumenta, en proporción al ángulo. Por lo tanto, para la misma energía, la densidad del defecto disminuirá a lo largo del eje c 94 de la capa HTS.
[0050] Según otra realización preferida de la invención, la irradiación de la capa HTS sobre la cinta en movimiento 102 se puede aplicar en un intervalo continuo de ángulos alrededor del eje c 104 de la capa HTS doblando la cinta alrededor de un rodillo nasal 106 ubicado en el haz de iones como se ilustra en la figura 8. En esta realización alternativa, al seleccionar el diámetro de la curva, la profundidad de penetración del haz de iones a través de la capa HTS se puede ajustar en cada ángulo permitiendo que la densidad del defecto se sintonice selectivamente a lo largo
de la profundidad del eje c cristalográfico 104 de la capa superconductora.
[0051] La dosificación de partículas iónicas debe seleccionarse de manera que la densidad de los defectos resultantes produzca un aumento de la corriente crítica a la temperatura y el campo deseados para la aplicación prevista. Por ejemplo, en el caso del uso previsto del cable HTS en bobinas HTS para aplicaciones de motor o generador, es deseable tener la corriente optimizada en alrededor de 30K-50K en un campo magnético de 2 a 4 Tesla. En el caso de los iones Au, la fluencia de irradiación puede ser de al menos 1 x 1011 partículas/cm2. Según una realización, la fluencia de irradiación puede estar en el intervalo de 1 x 1011 partículas/cm2 a 1 x 1012 partículas/cm2.
[0052] Cuando se usan otros iones, el intervalo preferido de fluencia de irradiación puede seleccionarse en función de la efectividad, el tamaño y la microestructura de los defectos para mejorar la corriente crítica en las condiciones de funcionamiento deseadas. En general, el número de defectos efectivos depende de la masa atómica de los iones. Por lo tanto, los iones con mayor masa atómica generalmente requieren menos dosis total para lograr la misma mejora de fijación que los iones con menor masa atómica.
[0053] Con el procedimiento descrito en esta invención, los defectos formados por los iones con energías en el intervalo de 1-25 MeV son generalmente defectos puntuales que se distribuyen uniformemente a lo ancho y largo y a través de la profundidad de la capa superconductora y que tienen dimensiones uniformes de < 20 nm y preferentemente <10 nm. Más específicamente, lo que se entiende por dimensiones uniformes es que sobre cualquier volumen dado de la capa superconductora producida según esta invención, al menos el noventa por ciento (90 %) de los defectos puntuales tendrán dimensiones de < 20 nm y preferentemente <10 nm.
[0054] Las técnicas químicas existentes para producir microestructuras de fijación de vórtices en la capa superconductora no producen defectos de tamaño uniforme. Los defectos producidos son variados y pueden tener un tamaño de 10 nm a 200 nm. La uniformidad en el tamaño del defecto logrado a través de la estrategia de radiación iónica descrita en esta invención da como resultado un rendimiento mejorado de transporte de corriente en la capa superconductora.
[0055] En determinadas aplicaciones, pueden desearse defectos puntuales más grandes (por ejemplo, 2 a 3 veces el tamaño) y esto se puede lograr calentando la capa superconductora en la que se han formado o se están formando pequeños defectos puntuales según esta invención a temperaturas de aproximadamente 100 a 300 °C durante o después de la irradiación. Esto hace que los defectos puntuales se combinen para formar defectos de agrupación más grandes. Si la capa superconductora se calienta sustancialmente por encima de 300 °C, los defectos se pueden recocer y reducir su capacidad de aumentar la corriente crítica a medida que se seleccionan las temperaturas y los campos.
[0056] En una realización, la mejora de fijación óptima se puede lograr con una fluencia de irradiación del intervalo de 1x1013 a 10x1013 partículas/cm2 cuando se usan iones O. En una realización alternativa, el intervalo preferido de fluencia de irradiación puede estar en el intervalo de 2x1016 a 10x1016 partículas/cm2 cuando se usan iones H.
[0057] Las corrientes de haz de partículas empleadas en el procedimiento de irradiación pueden ser cualquier cantidad apropiada que genere un número suficiente de defectos sin calentar la cinta a temperaturas superiores a aproximadamente 300 °C durante el procedimiento de irradiación. En una realización, es deseable que la corriente del haz de partículas sea lo más alta posible. En general, cuanto mayor es la corriente de partículas, más defectos se forman en un volumen dado del superconductor durante un tiempo establecido. Así, en el caso de una cinta en movimiento, las corrientes de partículas más altas permiten velocidades de transporte de cinta más altas. En una realización preferida de la invención, la corriente del haz de partículas se selecciona para mantener la cinta a una temperatura inferior a 200 °C. En una realización, si la corriente de partículas hace que la capa HTS supere los 200 °C, la cinta en movimiento se puede enfriar activamente para mantener la temperatura por debajo de 200 °C.
[0058] En una realización, el haz de partículas se genera usando un procedimiento de pulverización catódica para generar los átomos que a continuación se aceleran al voltaje deseado mediante el uso de un acelerador. En otra realización, los iones se generan a partir de una fuente gaseosa. En una realización preferida de la invención, los iones se generan usando una fuente de ECR (fuente de iones de resonancia de ciclotrón de electrones). Las ventajas de las fuentes de ECR son la fiabilidad y la capacidad de producir alta corriente de múltiples especies químicas ionizadas. Las fuentes de ECR pueden producir haces de iones con estados de carga alta (más de 5+) de elementos con alta masa atómica, tales como Au, W, Kr, Ar, etc. La aceleración de los iones se puede lograr mediante el uso de un generador Van de Graff o un generador en tándem Van de Graff que puede generar voltajes en el intervalo de decenas de MV. Los imanes en el sistema acelerador pueden usarse para aislar iones con diferentes estados de carga. La energía del ion está determinada por la relación, E(ion) = (1+g1) eV, donde g es el estado de carga del ion. En general, el estado de carga del ion se selecciona en función del voltaje terminal disponible del acelerador y la energía de partículas necesaria para irradiar completamente la capa superconductora y la corriente de partículas deseada.
[0059] En una realización preferida de la invención, los iones se aceleran usando una cadena de carga
Pellerton a un voltaje de 1-25 MeV. La ventaja de este sistema es que es más estable y compacto que el Van de Graff o los aceleradores en tándem.
[0060] En una realización preferida de la invención, los iones con un estado de carga de 5+ se usan con un voltaje de aceleración de 3MeV, proporcionando una energía de partículas de 15 MeV. En otra realización, se puede aplicar un voltaje de aceleración de 5 MeV a iones con un estado de carga 3+, generando una energía de partículas de 15 MeV. Se pueden usar otras combinaciones de energías aceleradoras y cargas de partículas para lograr las energías y corrientes de partículas deseadas.
[0061] Dado que la densidad del defecto afecta la fijación del flujo y, por lo tanto, la densidad de corriente crítica a una temperatura dada y campo aplicado, es importante que la cinta en movimiento esté expuesta uniformemente al haz de partículas. En una realización, el haz de partículas se forma en un patrón rectangular con una relación de aspecto de entre 1,1:1 a 10:1 o 20:1. El borde más largo puede orientarse perpendicularmente al movimiento de la cinta si el haz es más ancho que la cinta en movimiento en un factor de 2 o más. En una realización preferida de la invención, la dirección larga del haz rectangular está orientada paralela a la dirección del movimiento de la cinta y se rasteriza a lo ancho de la cinta en movimiento. El ancho de la cinta puede ser de 1 cm o más preferentemente entre 40 y 200 mm. El haz de partículas se puede rasterizar a una velocidad de 0 a 100 kHz y recorrer una distancia de 1 10 cm mayor que el ancho de la cinta. En una realización preferida de la invención, las dimensiones del haz de partículas, la velocidad ráster del haz de partículas, el movimiento del haz de partículas, el ancho de la cinta superconductora y la velocidad de la cinta a través del haz de partículas se seleccionan para asegurar que el flujo de partículas es uniforme a lo largo y ancho de la cinta.
[0062] En una realización, la cinta se puede pasar a través de un haz de partículas varias veces para lograr la dosis deseada. En una realización preferida de la invención, la dosis deseada se logra con una pasada a través del haz de partículas. En una realización alternativa, la cinta se pasa a través de haces de partículas con diferentes iones o el mismo ion con diferentes energías para producir diferentes estructuras de fijación o para optimizar la fijación a diferentes temperaturas y campos magnéticos. En una realización, la cinta se puede pasar a través de un haz de partículas con iones de 15 MeV Au y a través de un segundo haz de iones de 250 MeV Au para producir una combinación de defectos puntuales del haz de partículas de energía más baja y defectos correlacionados del haz de energía más alta.
[0063] En una realización, la cinta se puede seccionar a lo largo de su longitud después del procedimiento de irradiación y las tiras individuales se laminan entre dos tiras metálicas para formar un cable superconductor compuesto.
[0064] En otra realización, una capa de cobre se galvaniza en la superficie del Ag después de que se completa la irradiación. El cobre puede depositarse directamente sobre la capa de Ag mediante un procedimiento de galvanoplastia estándar utilizando una solución de recubrimiento de cobre a base de ácido sulfúrico. En una realización, el cobre se deposita en el lado HTS de la cinta. En una realización preferida de la invención, el cobre se deposita tanto en la superficie del HTS como en el lado posterior del sustrato. En una realización, el espesor de la capa de cobre está en el intervalo de 0,5 a 20 pm. En una realización preferida de la invención, el espesor del cobre está en el intervalo de 0,5 a 2 pm. En una realización, la cinta chapada en cobre se puede seccionar a lo largo de su longitud y las tiras individuales se laminan entre dos tiras de metal para formar un cable superconductor compuesto.
[0065] El procedimiento de irradiación de rollo a rollo permite la adición uniforme de defectos dispersos aleatoriamente a un superconductor con una estructura de defectos preexistente. Esta combinación de estructuras defectuosas en la capa superconductora puede permitir una mejora sinérgica en la fijación de la mejora en la capa superconductora. El procedimiento de irradiación puede emplearse para tratar los conductores recubiertos con YBCO de la línea de producción en un procedimiento continuo. Según una realización, el procedimiento de irradiación puede ser un procedimiento continuo que utiliza un sistema de rollo a rollo o de carrete a carrete.
[0066] El aumento de las corrientes críticas de los cables HTS producidos como resultado del procedimiento de irradiación los hace especialmente adecuados para su uso en aplicaciones sujetas a un campo magnético aplicado. Los conductores recubiertos irradiados pueden emplearse en motores, transformadores, generadores, campos magnéticos altos y solenoides.
EJEMPLOS
[0067] Se describe un cable superconductor de alta temperatura (HTS) que contiene una dispersión uniforme de defectos puntuales aleatorios a lo largo y ancho y un procedimiento para introducir estos defectos mediante un procedimiento de rollo a rollo. Los defectos puntuales pueden introducirse en la capa HTS completamente formada exponiendo la capa HTS a un haz de iones de una composición específica, energía y corriente de partículas a medida que el cable se mueve desde un primer carrete a un segundo carrete. El cable HTS fabricado conforme a determinadas realizaciones puede transportar una corriente crítica significativamente mayor, en toda su longitud y ancho, en presencia de campos magnéticos de aproximadamente 1 T y mayores que están orientados principalmente a lo largo del eje c del superconductor.
[0068] En la siguiente descripción detallada, se hace referencia a los dibujos adjuntos, que forman parte de los mismos. Las realizaciones ilustrativas descritas en la descripción detallada, los dibujos y las reivindicaciones no pretenden ser limitantes. Se pueden utilizar otras realizaciones, y se pueden hacer otros cambios, sin apartarse del espíritu o alcance de la materia objeto presentada aquí. Se entenderá fácilmente que los aspectos de la presente invención, como se describe generalmente en esta invención y se ilustra en las figuras, se pueden organizar, sustituir, combinar y diseñar en una amplia diversidad de configuraciones diferentes, todas las cuales se contemplan y hacen explícitamente parte de esta descripción.
Ejemplo 1
[0069] Se produjeron longitudes continuas de la tira de inserto HTS, con un ancho de 46 mm, con una película Y(Dy)BCO depositada por deposición organometálica sobre sustratos con textura biaxial asistida por laminación como se ilustra en la figura 9. La capa superconductora YBa2Cu3O7-s fue dopada con Dy y tenía un espesor nominal de 1,2 pm, calculado sobre la base de un recubrimiento YBCO de 7200 mg/cm2 y excluyendo la porosidad y Dy2O3. El sustrato con textura biaxial consistía en una aleación de Ni (5 en %) W de 75 pm de espesor con capas epitaxiales de 75 nm de espesor de Y2O3 , YSZ, y CeO2 en su superficie. Se depositó una capa de plata de aproximadamente 1-2 pm de espesor sobre la superficie HTS y la parte posterior del sustrato. La muestra se oxigenó a continuación a una temperatura > 400 °C y se depositó una capa de cobre de - 1 pm de espesor en ambas superficies. Todas las etapas del procedimiento se llevaron a cabo utilizando procedimientos de fabricación de rollo a rollo.
[0070] La tira de inserción HTS de 46 mm de ancho se cortó rollo-rollo a lo largo de su longitud en múltiples tiras con anchos de 4 mm o 10 mm. Se cortaron muestras cortas de estas tiras para medir la corriente crítica. Las tiras de 4 mm de 10 mm se laminaron entre dos tiras de cobre para formar el cable HTS compuesto estándar.
Ejemplo 2
[0071] La corriente crítica de transporte de un cable preparado como se describe en el ejemplo 1 se midió en función de la temperatura y el campo magnético aplicado. La figura 10 muestra la corriente crítica en función de la temperatura cuando el campo magnético aplicado está orientado perpendicularmente a la superficie del cable con forma de cinta. La figura 11 muestra la corriente de transporte en función de la orientación del campo magnético aplicado a múltiples temperaturas.
Ejemplo 3
[0072] Se preparó un cable HTS como se describe en el ejemplo 1, excepto que después del procedimiento de corte a una tira de 10 mm de ancho, se expuso una muestra corta (~1 x 2 cm) a un haz de iones de 18 MeV Au5+. La muestra se mantuvo en el haz de Au5+ durante el tiempo suficiente para lograr una dosis de 6x1011 iones/cm2. Se pasó una sección separada de un metro de longitud de la misma tira de 10 mm a través del mismo haz estático Au5+ transportándolo desde un primer rollo a un segundo rollo. La velocidad de transporte de la cinta desde el primer rollo al segundo rollo se ajustó de manera que la dosis de la cinta en movimiento fuera equivalente a 6x1011 iones/cm2.
[0073] Después de la irradiación de las muestras estáticas y en movimiento, la corriente crítica de las muestras se midió mediante una técnica de magnetización y se comparó con la corriente crítica de la muestra que no estuvo expuesta a la irradiación de 18 MeV Au5+. Las figuras 12A y B muestran que la corriente crítica de la muestra estática y en movimiento a aproximadamente 30 K en función del campo magnético orientado perpendicular al eje c cristalográfico del YBCO, en relación con la muestra no irradiada, era esencialmente idéntica.
Ejemplo 4
[0074] Se preparó un cable HTS como se describe en el ejemplo 1, excepto que después del procedimiento de oxigenación, se pasó la tira de 46 mm, usando un procedimiento de rollo a rollo a través de un haz de iones Au5+ con una energía que tenía una energía de 18 MeV como se muestra en la figura 3. La corriente de partículas del haz fue de 148 nA. El haz de Au tenía unas dimensiones de aproximadamente 1 x 3,4 cm y se rasterizó continuamente a una velocidad de 1 kHz en todo el ancho de la tira de 46 mm. Para asegurar que todo el ancho de la tira de 46 mm estuviera expuesto uniformemente al haz de Au5+, el rasterizado cubrió un ancho de 65 mm.
[0075] La velocidad de la cinta, moviéndose de un rollo a otro, cambió de 28,8 m/h a 6 m/h. Entre cada uno de los cambios de velocidad, el haz de Au5+ se bloqueó de modo que ningún ion Au5+ llegara a la cinta.
Ejemplo 5
[0076] La corriente crítica de 77K, en campo propio, se midió usando un instrumento TapeStar a lo largo de una cinta preparada como se describe en el ejemplo 4. La figura 13 muestra la corriente crítica medida a lo largo de la longitud junto con el flujo de iones correspondiente durante el procedimiento de irradiación de rollo a rollo. La
corriente crítica muestra una disminución en el valor cada vez que aumenta la dosis total de iones Au5+ en relación con las secciones no irradiadas.
[0077] La corriente crítica de transporte del cable se midió a aproximadamente 30K en función del campo magnético aplicado perpendicularmente a la superficie de la cinta. La figura14 muestra la corriente crítica de las secciones irradiadas del cable en relación con las secciones no irradiadas. Se midió una mejora máxima en la corriente crítica para la sección expuesta a una dosis total de ~6 x 1011 Au iones/cm2.
[0078] Una comparación de la mejora en la corriente crítica medida a aproximadamente 30 K en un campo magnético orientado perpendicular al eje c cristalográfico de la capa YBCO en función de la dosis de irradiación en la figura 14 y la corriente crítica de campo propio de 77K en función de la dosis de irradiación en la figura 13 muestra una correlación entre la mejora de Ic y la Ic de campo propio de 77K.
Ejemplo 6
[0079] Se irradió una tira de inserto de aproximadamente 80 metros de longitud de 46 mm, preparada como se describe en el ejemplo 4, con un haz de iones Au5+ que tenía una energía de 18 MeV a una dosis de 6 x 1011 Au/cm2. Durante la ejecución, la corriente de partículas del haz fue de 128 nA y la velocidad de transporte de la cinta fue de 7,2 m/h. Después de la irradiación de rollo a rollo, la tira de inserción de 46 mm se cortó en rollo a múltiples cortes de 4 mm de ancho. La corriente crítica medida, a 77K en campo propio, en una sección de la tira de inserción de 80 metros de largo antes de la irradiación fue de aproximadamente 375 A/cm-w. La corriente crítica de 77K, en campo propio, se midió a lo largo de una de las tiras de 4 mm después de la irradiación usando un instrumento TapeStar como se describe en el ejemplo 4. La figura 16 muestra que la corriente crítica era de aproximadamente 250 A a lo largo de toda la longitud de la tira de 4 mm. La disminución uniforme de la corriente crítica a 77K, el campo propio muestra que la dosis de irradiación y, por lo tanto, la estructura del defecto fueron consistentes a lo largo de la tira de 80 metros.
Ejemplo 7
[0080] La corriente crítica de transporte de un cable, preparada con la exposición óptima de iones Au como se describe en el ejemplo 4, se midió en función de la temperatura, la fuerza del campo magnético y la orientación del campo magnético. La figura 17 muestra la corriente crítica del cable a 27K en función del campo magnético aplicado para el campo orientado perpendicular a la superficie del cable. También muestra la corriente crítica del cable, medida en las mismas condiciones, realizada como se describe en el ejemplo 1. Además, muestra que la irradiación de rollo a rollo del cable produce una mejora mayor que un factor de dos en los campos magnéticos aplicados de más de aproximadamente 1,5 T en comparación con un cable no irradiado.
[0081] La figura 18A y la figura 18B muestran la corriente de transporte del cable realizado como se describe en el ejemplo 6 en función de la orientación del campo magnético aplicado a múltiples temperaturas. La película YBCO incluía precipitados de óxidos de tierras raras que tenían la fórmula general RE2O3 donde RE es una mezcla de Y y Dy y diámetros de varias decenas de nanómetros.
Claims (15)
1. Procedimiento de producción de un cable superconductor de alta temperatura y larga longitud, que comprende:
proporcionar un sustrato que tiene una superficie con una longitud de al menos 50 metros y un ancho, soportando la superficie una capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial, teniendo la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial una longitud y un ancho correspondiente a la longitud y ancho de la superficie del sustrato e
irradiar la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial con un haz de iones que incide uniformemente a lo largo y ancho de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial para producir una distribución uniforme de microestructuras de fijación en la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial;
donde la etapa de irradiación incluye mover la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial de manera continua bajo el haz de iones y donde el haz de iones tiene forma de patrón rectangular
2. El procedimiento de la reivindicación 1, donde la etapa de proporcionar comprende:
disponer al menos una capa tampón sobre el sustrato;
formar la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial en al menos una capa tampón; depositar un recubrimiento protector metálico sobre la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial y
realizar un tratamiento térmico de oxigenación para recocer el recubrimiento protector metálico y oxigenar la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial y
donde la etapa de irradiación incluye incidir el haz de iones uniformemente sobre la superficie del recubrimiento protector metálico, o
donde el patrón rectangular del haz de iones tiene una relación de aspecto de entre 1,1:1 a 20:1 o
donde el patrón rectangular del haz de iones tiene una relación de aspecto de entre 2:1 a 10:1.
3. El procedimiento de la reivindicación 1, donde un borde largo del patrón rectangular está orientado perpendicular a la longitud de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial y donde el haz es más ancho que la cinta en movimiento en un factor de al menos dos.
4. El procedimiento de la reivindicación 1, donde un borde largo del patrón rectangular está orientado paralelo a la longitud de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial.
5. El procedimiento de la reivindicación 1, donde el haz de iones se rasteriza a una velocidad de 0-100 kHz y atraviesa una distancia de 1,0-10 cm mayor que el ancho de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial en movimiento.
6. El procedimiento de la reivindicación 1, donde el haz de iones comprende un ion cargado positivamente con energía en el intervalo de 1-25 MeV, o
donde el haz de iones comprende uno de los iones Au con una carga de 1+ a 8+, iones A o Xe con una carga de 1 a 10+ o
donde la etapa de movimiento incluye mover el cable superconductor de alta temperatura con textura biaxial de manera continua bajo el haz de iones, a una velocidad de entre 6 m/h y 1000 m/h.
7. El procedimiento de la reivindicación 1, donde la etapa de mover la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial de manera continua bajo el haz de iones incluye mover la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial bajo el haz de iones una pluralidad de veces.
8. El procedimiento de la reivindicación 7, donde mover la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial bajo el haz de iones una pluralidad de veces incluye el uso de un procedimiento de carrete a carrete con el cable superconductor de alta temperatura enrollado helicoidalmente alrededor de los carretes.
9. El procedimiento de la reivindicación 7, donde, cuando la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial se mueve bajo el haz de iones una pluralidad de veces, cada vez el haz de iones utiliza diferentes partículas de iones y/o diferentes energías.
10. El procedimiento de la reivindicación 2, donde la etapa de irradiación incluye incidir sobre el recubrimiento protector metálico el haz de iones con una energía iónica de 1 a 25 MeV,
donde opcionalmente la energía del haz de iones se selecciona para lograr una penetración sustancialmente completa de los iones incidentes en el recubrimiento protector metálico y la capa superconductora del superconductor de alta
temperatura con textura biaxial.
11. El procedimiento de la reivindicación 1, donde el haz tiene una corriente de haz de iones seleccionada para evitar el calentamiento de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial a temperaturas superiores a aproximadamente 300 °C durante la etapa de irradiación.
12. El procedimiento de la reivindicación 11, donde la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial en movimiento se enfría activamente para mantener la temperatura por debajo de 300 °C.
13. El procedimiento de la reivindicación 2, donde la capa protectora metálica comprende Ag con un espesor de entre 0,25 a 1,5 pm.
14. El procedimiento de la reivindicación 1, donde el área de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial irradiada por minuto es mayor que 0,25 m2, o donde el haz de iones tiene una corriente de partículas iónicas de > 0,5 pA, o donde el ancho de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial está entre 4 mm y 200 mm, o donde el cable superconductor está configurado como una sola tira o como múltiples tiras a lo largo de la longitud, o
donde el haz de iones incide en la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial en un ángulo perpendicular a la superficie de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial, o
donde el haz de iones incide en la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial en un ángulo de entre 0 y 75° desde un eje perpendicular a la superficie de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial, o
donde el haz de iones incide en la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial simultáneamente en un intervalo continuo de ángulos de 0 a ± 45° desde un eje perpendicular a la superficie de la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial, o
donde las microestructuras de fijación tienen un tamaño sustancialmente uniforme, definiéndose dicho
tamaño sustancialmente uniforme opcionalmente como al menos el 90 % de las microestructuras de fijación en un volumen de la capa superconductora con textura biaxial que tiene un tamaño de < 20 nm, o
donde la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial tiene un espesor mayor de 1 pm o donde la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial comprende una capa superconductora de óxido de metal de transición de metal alcalinotérreo de metal de tierras raras que tiene un material con la fórmula general: (RE)Ba2Cu3Ü7 donde RE es al menos un metal de tierras raras.
15. El procedimiento de la reivindicación 14, donde, cuando la capa superconductora de alta temperatura con textura biaxial comprende una capa superconductora de óxido de metal de transición de metal alcalinotérreo de metal de tierras raras que tiene un material con la fórmula general: (RE)Ba2Cu3Ü7 donde RE es al menos un metal de tierras raras, RE comprende itrio.
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