WO2011023670A1 - Multifilamentleiter und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2011023670A1
WO2011023670A1 PCT/EP2010/062285 EP2010062285W WO2011023670A1 WO 2011023670 A1 WO2011023670 A1 WO 2011023670A1 EP 2010062285 W EP2010062285 W EP 2010062285W WO 2011023670 A1 WO2011023670 A1 WO 2011023670A1
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WO
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layer
band
filaments
filament
multifilament conductor
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PCT/EP2010/062285
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Günter RIES
Heinz-Werner NEUMÜLLER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49117—Conductor or circuit manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a multifilament conductor having a band-shaped substrate and having at least one superconducting layer.
  • the at least one superconducting layer is formed on at least one surface of the belt-shaped substrate and divided into filaments.
  • the strip-shaped substrate has a first direction parallel to its longitudinal extent, and the at least one filament has a second direction parallel to its longitudinal extent.
  • the invention relates to a method for producing such a multifilament conductor.
  • Multifilament conductors with superconducting layers are used inter alia as conductors in superconducting devices.
  • they can be used in superconducting windings of magnet spin tomographs, in motors, in generators or in current limiters.
  • HTS high-temperature superconducting
  • YBCO Y 2 BaCu 3 ⁇ 7
  • Second-generation technical HTS conductors have, as the current-carrying layer, a monocrystalline HTS thin film, in particular of ceramic YBCO, which is formed on a metallic band-shaped carrier.
  • a monocrystalline HTS thin film in particular of ceramic YBCO, which is formed on a metallic band-shaped carrier.
  • the monocrystalline HTS thin film is coated with a textured multilayer buffer layer onto which the HTS layer is deposited by deposition methods such as deposition. Evaporation, laser deposition or chemical decomposition is applied.
  • Protective or stabilizing layer applied which faulty and electrically bridge short sections in the HTS layer and protect the HTS layer from mechanical damage.
  • the normal conducting layer is usually made of silver and / or copper.
  • the band-shaped carrier, on which the layer stack of buffer, HTS and stabilization layer is applied generally has a width in the range of millimeters or centimeters. In alternating current applications, a time-varying field component often occurs perpendicular to the band-shaped carrier. As a result, circulating shield currents are induced in the HTS layer, and to a lesser extent also in the stabilization layer, which superimpose on a transport stream.
  • WO 03/100875 A2 discloses such a Roebel conductor, which is constructed from a plurality of parallel HTS-coated band-shaped carriers. Verlus- te are determined in a corresponding structure of an HTS conductor by the width of the single band.
  • Methods of forming the longitudinal grooves or trenches extending to the wearer include mechanical treatment, chemical etching, laser processing, photoresist techniques, and local destruction of crystalline orders.
  • a filament on a carrier is divided into many individual filaments, which run parallel to the longitudinal axis of the carrier.
  • the effective conductor width df is the width of the individual filaments on the support, in contrast to the width of the superconductively coated support as filament.
  • Another object of the present invention is to provide a process for the preparation of a
  • the multifilament conductor according to the invention has a band-shaped substrate and at least one superconducting layer.
  • the at least one superconducting layer is formed on at least one surface of the belt-shaped substrate and divided into filaments.
  • the strip-shaped substrate has a first direction parallel to its longitudinal extent, and the at least one filament has a second direction parallel to its longitudinal extent.
  • the first direction of the belt-shaped substrate includes an angle greater than zero with the second direction of the at least one filament.
  • the losses in AC field applications and the effects of local damage in technical superconducting conductors, when using the multifilament conductors in, for example, coils in which the conductors are wound over one another, can be effectively reduced.
  • a significant reduction of losses occurs.
  • the losses P h due to an alternating field amplitude ⁇ B perpendicular to the multifilament conductor are not dependent on the conductor width but on the width of the individual filaments.
  • an angle between the first direction of the band-shaped substrate and the second direction of the at least one filament between 30 and 60 degrees, in particular 45 degrees.
  • the at least one filament can be formed completely along the second direction, in particular without a longitudinal component parallel to the first direction. Longitudinal components along the first direction increase in applications such as e.g. bifilar wound coils, the losses.
  • the belt-shaped substrate may have a first surface on a front side and an opposite second surface on a back side, wherein a plurality of filaments are formed on both the first and the second surface.
  • the filaments of the first surface may have a second direction that is different from a third direction parallel to the longitudinal direction of the filaments of the second surface.
  • the at least one filament of the front side can be electrically conductively connected to the at least one filament of the rear side, in particular via at least one layer which is formed on at least one third surface on one or two side surfaces of the band-shaped substrate.
  • Transposition length can be in the range of 20cm.
  • Layer can be particularly effective, and losses can be further reduced if between at least two adjacent filaments on a surface at least one electrical bridge is formed.
  • An electrical connection or electrical connections of the at least two adjacent filaments are formed by the bridge or bridges.
  • the at least one electrical bridge may be arranged centrally on the one surface, in particular with a longitudinal direction of the bridge parallel to the first direction of the band-shaped substrate. A defective filament with reduced local current carrying capacity is electrically bridged across the bridge and adjacent filament.
  • the multifilament conductor may comprise a layer stack of band-shaped carrier material, at least one buffer layer, at least one superconducting layer, in particular a high-temperature superconducting (HTS) layer, and / or at least one stabilization layer.
  • the buffer layer enables an epitaxially grown monocrystalline superconducting layer on the carrier material.
  • An HTS layer allows the use of the multifilament conductor with superconducting properties even at temperatures in the range of liquid nitrogen.
  • the stabilization layer protects the superconductive layer from mechanical damage and electrically shunts localized sites in the superconductive layer with reduced current carrying capacity, i. it stabilizes and protects mechanically and electrically.
  • the carrier material may consist of a metal, in particular steel.
  • the at least one buffer layer may comprise at least one of Al, yttria, IBAD MgO, homo-epi MgO, LMO, or combinations of these materials or layer stacks of these materials.
  • the at least one superconducting layer may consist of YBCO.
  • the at least one bridge may likewise consist of YBCO, in particular YBCO of the at least one HTS layer. This allows a lossless electrical line also over the bridge.
  • the at least one stabilizing layer may consist of copper or silver or a Layer stack comprising at least one copper and / or at least one silver layer.
  • the at least one bridge can also consist of or comprise the material of the at least one stabilization layer, which allows a simple production of the bridge.
  • the support material may have a thickness in the range of 50 to 100 ⁇ m and a width in the range of 10 mm.
  • the at least one buffer layer may have a thickness in the range of 100 nm.
  • the at least one superconducting layer may have a thickness in the range of 1 ⁇ m, and the at least one filament may have a width in the range of 0.5 mm.
  • the at least one stabilization layer may have a thickness in the range of 3 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • a method according to the invention for producing the above-described multifilament conductor comprises the steps of
  • a stabilization layer is applied to the superconductive layer
  • the stabilizing layer of a first band-shaped carrier material with the stabilizing layer of a second band-shaped carrier material are formed overlapping at the edges of the two band-shaped carrier materials, so that an electrical connection of the stabilizing layers takes place over the edges, and
  • the superconducting layers and the stabilizing layers are divided into filaments.
  • the two band-shaped carrier materials can be brought into congruence with each other.
  • the application of layers can be carried out by electrolysis, brazing, vapor deposition, sputtering, and / or thermal decomposition of metal compounds in the vapor phase.
  • the subdivision of the superconducting layers and the subdivision of the stabilizing layers into filaments can be carried out mechanically or by lasering and / or etching, in particular dry or wet-chemical etching, of trenches continuous through a layer. Photolithography can be used in particular in etching processes.
  • the application of layers can alternatively be done by printing or pasting the still uncoated substrate strip at the position of the trenches. In the following deposition of superconductor and stabilization layers no material is applied here, so that the desired filament structure is formed.
  • Trenches may be formed at an angle between the first direction of the belt-shaped substrate and the second direction of the at least one non-zero filament.
  • the filaments can be electrically connected on the two band-shaped carrier materials over their edges in such a way that spiral-shaped current paths are formed.
  • the two band-shaped carrier materials of the double-layered substrate can be separated from one another by a heat-resistant, insulating intermediate layer or an air gap.
  • FIG. 1 shows a multifilament conductor in an oblique view with filaments parallel to the substrate axis according to the prior art
  • FIG. 2 shows the layer construction of a filament of a multifilament conductor according to the prior art
  • FIG. 3 shows a multifilament conductor according to the invention with filaments which are obliquely formed on a front and back side of a substrate, running spirally around its circumference
  • FIG. 5 shows a plan view of the multifilament conductor shown in FIG. 3 with filaments on the front (bounded by continuous lines) and backside (dashed lines), and
  • FIG. 5 shows a plan view of the multifilament conductor shown in FIG. 3 with filaments on the front (bounded by continuous lines) and backside (dashed lines), and
  • FIG. 6a shows a sectional view of the multifilament conductor shown in FIG. 3 with two directly connected carriers
  • FIG 6b shows a sectional view of the multifilament conductor shown in FIG. 3 with a compressed tube as the substrate
  • FIG. 6c shows a sectional view of the multifilament conductor shown in FIG. 3, which consists of a folded-together part as a substrate with a weld at the open position Page exists.
  • Fig. 1 shows a section perpendicular to the longitudinal axis of a multifilament conductor 1, in an oblique view from the front of the multifilament conductor 1, according to the prior art.
  • the multi-filament conductor 1 has a band-shaped substrate 2, with a front side 9 and a back side 10.
  • the band-shaped substrate 2 is defined as the longitudinal direction of the band-shaped substrate 2.
  • strips of a buffer layer 4 are applied in strips on the front side 21 of the band-shaped substrate 2 in a strip-like manner.
  • the strips of the buffer layer 4 are spaced apart and have a second direction
  • a superconductive layer 3 e.g. made of YBCO material.
  • a thin silver layer (Ag layer) 5a and a copper layer (Cu layer) 5b are formed as a supporting and stabilizing layer 5, respectively.
  • continuous trenches 6 for spacing the filaments 20 are formed between the layer stacks or filaments 20, each consisting of the buffer layer 4, the superconducting layer 3, and the stabilization layer 5, continuous trenches 6 for spacing the filaments 20 are formed.
  • Al layer 11 On top of the Al layer 11 is a layer of Yttria 12. On top of this, a layer of IBAD magnesium oxide (MgO) 13 and an epitaxial homo-epi MgO layer 14 are deposited. On the epitaxial homo-epi Mgo layer 14 is an epitaxial LMO
  • Layer 15 is formed. These layers 11 to 15 together form the buffer layer 4 and act in an electrically insulating manner with respect to the substrate 2. They serve as a monocrystalline substrate and lead to monocrystalline growth of the superconducting layer 3, e.g. from YBCO, on the substrate 2 above the buffer layer 3.
  • a silver (Ag) layer 5a and a copper (Cu) layer 5b are formed on the superconductive layer 3. These two layers form the stabilization layer 5, which protects the superconducting layer 3 from mechanical damage and electrically bridges defects in the monocrystalline superconducting material.
  • a further Cu layer may be formed as a second stabilization layer 5 '.
  • the substrate 2 of the multifilament conductor 1 in Figures 1 and 2 is Hastelloy or steel, is 50 microns thick and has a width of 10mm.
  • the filament 20 shown in Fig. 2 has a buffer layer 3 with a thickness of 100 nm, and has a width of 0.5 mm.
  • the superconducting layer 3 is 1 ⁇ m thick and the stabilization layer 5 on the front side 9 of the substrate 2 is 23 ⁇ m thick, with a 20 ⁇ m thick Cu layer.
  • the stabilization layer 5 'on the back 10 of the copper substrate 2 is 20 ⁇ m thick.
  • an inventive multifilament conductor 1 is shown in an oblique view from above.
  • the substrate 2 of the multi-filament conductor 1 is made of Hastelloy or steel, is 50 microns thick and has a width of 10mm.
  • the two beams 16 and 17 are on their backs facing the surfaces with filaments 20, 20 ', both in mechanical connection with each other, but substantially electrically separated by an intermediate layer 29, wherein the contacting backsides are further referred to as mechanical Compound 18 will be referred to.
  • the two carriers 16 and 17 and the intermediate layer 29 together form the band-shaped substrate 2 of the multifilament conductor 1 according to the invention.
  • Trenches 6 are formed continuously between the filaments 20, 20 'on a surface of the substrate 2, so that the superconducting layer 3 of two adjacent filaments 20, 20 'are each electrically separated from each other.
  • the filaments 20 on the first carrier 16 are each arranged so that they lie congruently one above the other at the edge 19 of the carrier 16 with the filaments 20 'of the second carrier 17 at the edge 19 of the carrier 16, 17.
  • the material of the stabilizing layer 5 is also deposited on the edge 19.
  • the filaments 20 of the carrier 16 are electrically connected to the filaments 20 'of the carrier 17 via this material.
  • they are also formed by the material of the stabilizing layer 5 at the edge 19 completely continuous, so that only at the edge 19 superimposed filaments 20 and 20 'are electrically connected together.
  • the layer thicknesses and substrate 2 and filament 20, 20 ' are also formed by the material of the stabilizing layer 5 at the edge 19 completely continuous, so that only at the edge 19 superimposed filaments 20 and 20 'are electrically connected together.
  • Widths are equal to the thicknesses and widths previously described for the multifilament conductor 1 of Figures 1 and 2.
  • the angle of the filaments 20 on the front side 9 has the opposite value of the angle of the filaments 20 'on the back 10.
  • the value of the angle is in the range of 1 to 5 degrees or -1 to -5 degrees.
  • superconducting filaments 20, 20 'of limited length b which end at the edges 19 of the band-shaped substrate 2.
  • a stabilizing layer 5, 5' of normally conducting material e.g. made of copper, which is in electrical connection with the superconducting layer 3 of the filaments 20, 20 'and can bridge the current at a defective normal conducting point of the superconductor.
  • the stabilization layer 5, 5 ' is formed so that the filaments 20, 20' of the front and back 9, 10 are electrically connected via a normal conductive layer.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of the multifilament conductor 1 according to the invention.
  • This multifilament conductor 1 is analogous to the multifilament conductor 1 shown in FIG. 3, with the exception of the additional formation of bridges 23 between adjacent filaments 20, 20 '.
  • the bridges 23 are constructed from the layer structure forth equal to the filaments 20, 20 'of Fig. 1 to 3, or consist only of the stabilizing layer 5 or of the stabilizing layer 5 and the superconducting layer 3. They are electrically conductive and can be defects in the Superconducting layer 3 of a filament 20, 20 'over the superconducting layer 3 of the adjacent filament 20, 20' bridge.
  • the bridges 23 are arranged as a web centrally on the surface of the substrate 2 along its first direction 21. Alternatively, however, the bridges 23 may also be arranged at or near the edge 19. They can not be arranged as a continuous web, but alternately or irregularly on the surface between each two adjacent filaments 20, 20 '.
  • the width a of the bridges 23 is in the region of 1/20 of the length b of a filament 20 or 20 'on one side of the substrate 2. Depending on the material and required current carrying capacity, the width of the Bridges 23 also assume other values.
  • FIG. 5 shows a plan view of a multifilament conductor 1 corresponding to the embodiment shown in FIG. It can be seen that the second direction 22 of the filaments 20 on the first carrier 16 (solid lines as a limit in the width of the filaments 20 in Fig. 5) at an angle to a third direction 26 of the longitudinal extent of the filaments 20 'on the second carrier 17 (dashed lines as a limit in the width of the filaments 20 'in Fig. 5) is arranged.
  • the filaments 20 and 20 'on the carrier 16 and 17 thus enclose an angle. The angle is in the range of less degrees. But there are also other angles, such as shown in Fig. 5, conceivable.
  • the filaments 20, 20 'on the first 16 and second carrier 17 form a twisted or transposed multifilament conductor 1.
  • the filaments 20, 20' circulate spirally around the conductor.
  • alternating field amplitude .DELTA.B is no longer the conductor width b, as is the case with a conductor without filaments 20, 20 ', but the width df of the individual filaments 20, 20' prevail.
  • the proportion of hysteresis losses is reduced by the factor df / b.
  • an area A is shown by way of example as a dot-and-dash line, which area is enclosed by any two filaments 20 on the front side 9 or 20 'on the rear side 10.
  • the surface A is traversed by a magnetic flux BxA at a field component B perpendicular to the surface A.
  • An electrically insulating layer 29 according to the invention between the first and second carriers 16 and 17 prevents induced currents perpendicularly through the thin substrate 2 between filaments 20 and 20 '. These currents would be superimposed on the transport stream in the filaments 20, 20 'and drive the filaments 20, 20' into the resistive, lossy region and additionally produce ohmic losses in the substrate 2. With the electrically insulating layer 29 or intermediate layer between the first carrier 16 and the second carrier 17, a magnetic coupling via the substrate 2 is prevented.
  • the multifilament conductor 1 of the present invention can also be used in critical DC applications.
  • R n ohmic resistance
  • this resistance can be very small.
  • the voltage drop is 250 ⁇ V / m or 2.5 ⁇ V / cm. This is in the range of the voltage drop l ⁇ V / cm, in which usually the critical current is defined in technical superconductors.
  • FIGS. 6 a to 6 c show sectional views of the multifilament conductor 1 shown in FIG. 5 with different embodiments of the connection 18 via at least one intermediate layer 29 of the first and second carriers 16 and 17.
  • the filaments 20, 20 ' are constructed of the same as the previously described filaments 20, 20' from a layer stack of buffer layer 4, superconducting layer 3 and stabilization layer 5. Trenches 6 are formed between adjacent filaments 20, 20 '. Filaments 20, 20 'on the front 9 and back 10 of the substrate 2 are electrically connected to each other via the edge 19 by the stabilizing layer 5.
  • the first carrier 16 and the second carrier 17 are each connected to each other flat, electrically insulating over their back.
  • the compound can e.g. by gluing the backs together.
  • Between the carriers 16 and 17 may additionally be arranged a heat-insulating layer.
  • the carriers 16 and 17 are formed by pressing a tube 24 of substrate material 2 together.
  • a thin insulating air gap can remain inside the tube, which can also be used for cooling.
  • liquid nitrogen are passed through this gap and additionally cool the multifilament conductor 1 from the inside.
  • the first and second beams 16 and 17 are formed by folding together a wide beam having a width of the wide beam equal to twice the width of a beam 16, 17, the fold line being in the middle of the wide beam along its longitudinal axis ,
  • the fold line forms an edge 19 of the substrate 2, and along the opposite edge 19 of the substrate 2 may be a
  • Welding or gluing seam 25 connect the first and second carrier 16 and 17 mechanically stable.
  • the filaments 20 of the first and second carrier 16 and 17 are connected via the edges 19, wherein at the formation of the trenches 6 adjacent to the edge 19 adjacent filaments 20 of a carrier 16 or 17 each electrically are separated at the edge 19.
  • a combination of the exemplary embodiments in FIGS. 6 a to 6 c with the exemplary embodiment from FIG. 4 results in an electrical connection of filaments 20 on a carrier 16 or 17 via the bridges 23.

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Abstract

Ein Multifilamentleiter (1) ist mit einem bandförmigen Substrat (2) und mit wenigstens einer supraleitenden Schicht (3) ausgebildet, wobei die supraleitende Schicht (3) in Filamente (20, 20') unterteilt ist. Das bandförmige Substrat (2) weist parallel zu seiner Längsausdehnung eine erste Richtung auf und das wenigstens ein Filament (20, 20') weist parallel zu seiner Längsausdehnung eine zweite Richtung auf. Die erste und die zweite Richtung schließen eine Winkel ungleich Null ein. Insbesondere kann der Multifilamentleiter (1) so ausgebildet sein, dass auf seiner Vorder- (9) und Rückseite (10) Filamente (20, 20') ausgebildet und miteinander so elektrisch verbunden sind, dass ein transponierter Leiter entsteht. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Multifilamentleiters (1).

Description

Beschreibung
Multifilamentleiter und Verfahren zu dessen Herstellung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Multifila- mentleiter mit einem bandförmigen Substrat und mit wenigstens einer supraleitenden Schicht. Die wenigstens eine supraleitende Schicht ist auf wenigstens einer Oberfläche des bandförmigen Substrats ausgebildet und in Filamente unterteilt. Das bandförmige Substrat weist parallel zu seiner Längsausdehnung eine erste Richtung auf und das wenigstens ein Filament weist parallel zu seiner Längsausdehnung eine zweite Richtung auf. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Multifilamentleiters .
Multifilamentleiter mit supraleitenden Schichten werden unter anderem als Leiter in supraleitenden Einrichtungen verwendet. So können sie z.B. in supraleitenden Wicklungen von Magnetspin-Tomographen, in Motoren, in Generatoren oder in Strom- begrenzern eingesetzt werden. Insbesondere bei der Verwendung von Hochtemperatur-Supraleitenden (HTS) -Materialien, wie z.B. Y2BaCu3θ7 (YBCO) , werden schon bei Temperaturen des flüssigen Stickstoffs supraleitende Eigenschaften der Leiter erreicht. Zuverlässige und kostengünstige supraleitende Einrichtungen lassen sich so realisieren.
Technische HTS-Leiter der zweiten Generation (2G) weisen als stromtragende Schicht einen einkristallinen HTS-Dünnfilm, insbesondere aus keramischen YBCO auf, der auf einem metalli- sehen bandförmigen Träger ausgebildet ist. Zum Aufbringen des einkristallinen HTS-Dünnfilms auf den Träger ist dieser mit einer texturierten mehrschichtigen Pufferschicht beschichtet, auf welche die HTS-Schicht durch Abscheidungsverfahren wie z.B. Verdampfen, Laserdeposition oder chemische Zersetzung aufgebracht wird.
Auf die HTS-Schicht wird zusätzlich eine normalleitende
Schutz- bzw. Stabilisierungsschicht aufgebracht, welche Fehl- stellen und normalleitend gewordene kurze Abschnitte in der HTS-Schicht elektrisch überbrücken kann und die HTS-Schicht vor mechanischer Beschädigung schützt. Die normalleitende Schicht besteht in der Regel aus Silber und/oder Kupfer. Der bandförmige Träger, auf welchem der Schichtstapel aus Puffer- , HTS- und Stabilisierungsschicht aufgebracht ist, weist in der Regel eine Breite im Bereich von Millimetern oder Zentimetern auf. In Wechselstromanwendungen tritt häufig eine zeitlich veränderliche Feldkomponente senkrecht zum bandförmigen Träger auf. Dadurch werden in der HTS-Schicht, und in geringerem Maße auch in der Stabilisierungsschicht, zirkulierende Ab- schirm-Ströme induziert, welche sich einem Transportstrom überlagern. Diese Abschirm-Ströme führen zu elektrischen Verlusten, welche in Form von Wärme freigesetzt werden, und von einer Kühleinrichtung von den HTS-Leitern abgeführt werden müssen. Wirtschaftliche Vorteile durch Energieeinsparung, welche durch den Einsatz von HTS-Leitern gegenüber klassi- sehen ohmschen Leitern erzielt werden, werden dadurch verringert oder vollständig aufgehoben.
Verluste pro Länge Ph/L sind proportional zur Wechselfeldamplitude ΔB, Frequenz f, kritischem Strom Ic und effektiver Leiterbreite df senkrecht zum Magnetfeld:
Figure imgf000004_0001
In NbTi- und NbsSn-Supraleitern werden die Verluste verrin- gert, indem der Querschnitt auf viele dünne Filamente mit kleinem df aufgeteilt wird, die in einer Metallmatrix, z.B. Kupfer, eingebettet sind. Wirksam ist diese Maßnahme aber nur, wenn der Leiter verdrillt bzw. verseilt wird. Eine Übertragung dieses Prinzips auf HTS-Leiter ist durch
Roebel-Leiter gegeben. Aus der WO 03/100875 A2 ist ein solcher Roebel-Leiter bekannt, welcher aus mehreren parallelen HTS-beschichteten bandförmigen Trägern aufgebaut ist. Verlus- te werden in einem entsprechenden Aufbau eines HTS-Leiters durch die Breite des Einzelbandes bestimmt. Um Verluste weiter zu minimieren ist z.B. aus der US 2007/0191202 Al bekannt, die supraleitende Schicht und die Stabilisierungs- schicht aus Kupfer durch Längsrillen parallel der Längsrichtung des bandförmigen Trägers in Filamente zu unterteilen. Methoden zur Ausbildung der bis auf den Träger reichenden Längsrillen bzw. Gräben umfassen mechanische Behandlung, chemisches Ätzen, Laserbearbeitung, Photoresisttechniken und lo- kales zerstören kristalliner Ordnungen. Dadurch wird ein Filament auf einem Träger in viele einzelne Filamente unterteilt, welche parallel der Längsachse des Trägers verlaufen. Als effektive Leiterbreite df wird die Breite der Einzelfila- mente auf dem Träger erhalten, im Gegensatz zur Breite des supraleitend beschichteten Trägers als Filament.
In kurzen Leiterproben kann zwar eine Reduzierung der Verluste nachgewiesen werden, in langen Leiterstücken, z.B. in Spulenwicklungen, ist aber die magnetische Kopplung zwischen Fi- lamenten nicht aufgehoben und ein externes Wechselfeld, wie es z.B. in Spulen besteht, induziert weiterhin große Abschirmströme. Die Abschirmströme können die kritische Stromdichte des supraleitenden Materials übersteigen, wodurch der Supraleiter in den resistiven Bereich übergeht. Es entstehen erhebliche elektrische Verluste, welche wiederum in Form von Wärme abgeführt werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen MuI- tifilamentleiter anzugeben, welcher im Vergleich zu bekannten Multifilamentleitern aus dem Stand der Technik, eine weitere Verringerung der elektrischen Verluste aufweist. Insbesondere ist es Aufgabe eines erfindungsgemäßen Multifilamentleiters, die Induktion von Strömen im Multifilamentleiter in äußeren Wechselfeldern zu minimieren. Weitere Aufgabe der vorliegen- den Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines
Multifilamentleiters anzugeben, welcher minimale elektrische Verluste bei minimierter Induktion von Strömen im Multifila- mentleiter in äußeren Wechselfeldern aufweist. Die angegebene Aufgabe wird bezüglich des Multifilamentlei- ters mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens zur Herstellung des Multifilamentleiters mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Multifila- mentleiters und des Verfahrens zur Herstellung des Multifila- mentleiters gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Un- teransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche mit Merkmalen eines jeweils zugeordneten Unteranspruchs oder vorzugsweise auch mit Merkmalen mehrerer zugeordneter Unteransprüche kombiniert werden. Der erfindungsgemäße Multifilamentleiter weist ein bandförmiges Substrat und wenigstens eine supraleitende Schicht auf. Die wenigstens eine supraleitende Schicht ist auf wenigstens einer Oberfläche des bandförmigen Substrats ausgebildet und in Filamente unterteilt. Das bandförmige Substrat weist pa- rallel zu seiner Längsausdehnung eine erste Richtung auf und das wenigstens eine Filament weist parallel zu seiner Längsausdehnung eine zweite Richtung auf. Die erste Richtung des bandförmigen Substrats schließt mit der zweiten Richtung des wenigstens einen Filaments einen Winkel ein, welcher größer Null ist.
Dadurch können die Verluste in Wechselfeldanwendungen und die Einflüsse von lokalen Schadstellen in technischen supraleitenden Leitern, bei Verwendung der Multifilamentleiter in z.B. Spulen, bei welchen die Leiter übereinander gewickelt sind, wirksam reduziert werden. Insbesondere in bifilar gewickelten Spulen erfolgt eine erhebliche Verringerung von Verlusten. Die Verluste Ph durch eine zum Multifilamentleiter senkrechte Wechselfeldamplitude ΔB sind nicht von der Leiter- breite sondern von der Breite der Einzelfilamente abhängig.
Der Anteil von Hystereseverlusten verringert sich um den Faktor df/b. In Magnetanwendungen, z.B. in der Kernspintomographie, in Kernresonanzspektrometern und in Beschleunigern, bei denen eine hohe Feldgenauigkeit gefordert wird, werden durch die kleineren und auf die Filamentbreite lokalisierten Abschirmungsströme erzeugten Feldfehler im Nutzvolumen erheblich reduziert.
Besonders vorteilhaft ist ein Winkel zwischen der ersten Richtung des bandförmigen Substrats und der zweiten Richtung des wenigstens einen Filaments zwischen 30 und 60 Grad, insbesondere 45 Grad. Das wenigstens eine Filament kann voll- ständig entlang der zweiten Richtung ausgebildet sein, insbesondere ohne eine Längskomponente parallel der ersten Richtung. Längskomponenten entlang der ersten Richtung erhöhen in Anwendungen, wie z.B. bifilar gewickelten Spulen, die Verluste.
Das bandförmige Substrat kann eine erste Oberfläche auf einer Vorderseite und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche auf einer Rückseite aufweisen, wobei sowohl auf der ersten als auch auf der zweiten Oberfläche mehrere Filamente ausgebildet sind. Die Filamente der ersten Oberfläche können eine zweite Richtung aufweisen, welche ungleich einer dritten Richtung parallel der Längsrichtung der Filamente der zweiten Oberfläche ist. Ein Effekt der Verlustreduzierung analog der Reduzierung in bifilar gewickelten Spulen wird dadurch in dem Leiter erreicht.
Dabei ergibt sich insbesondere bei transponierter Ausführung des Leiters eine verlustarme Stromleitung. Dazu kann das wenigstens eine Filament der Vorderseite mit dem wenigstens ei- nem Filament der Rückseite elektrisch leitend verbunden sein, insbesondere über wenigstens eine Schicht, welche auf wenigstens einer dritten Oberfläche auf einer oder zwei Seitenflächen des bandförmigen Substrats ausgebildet ist. Eine
Transpositionslänge kann im Bereich von 20cm liegen.
Eine Überbrückung von Fehlstellen in der supraleitenden
Schicht kann besonders effektiv erfolgen, und Verluste damit weiter reduziert werden, wenn zwischen wenigstens zwei be- nachbarten Filamenten auf einer Oberfläche wenigstens eine elektrische Brücke ausgebildet ist. Durch die Brücke bzw. durch die Brücken ist eine elektrische Verbindung bzw. sind elektrische Verbindungen der wenigstens zwei benachbarten Fi- lamente gebildet. Die wenigstens eine elektrische Brücke kann mittig auf der einen Oberfläche angeordnet sein, insbesondere mit einer Längsrichtung der Brücke parallel der einen ersten Richtung des bandförmigen Substrats. Ein fehlerhaftes Filament mit verringerter lokaler Stromtragfähigkeit wird über die Brücke und das benachbarte Filament elektrisch überbrückt .
Der Multifilamentleiter kann einen Schichtstapel aus bandförmigen Trägermaterial, wenigstens einer Pufferschicht, wenigs- tens einer supraleitenden Schicht, insbesondere einer Hochtemperatur-Supraleitenden (HTS) -Schicht, und/oder wenigstens einer Stabilisierungsschicht aufweisen. Die Pufferschicht ermöglicht eine epitaktisch aufgewachsene einkristalline supraleitende Schicht auf dem Trägermaterial. Eine HTS-Schicht er- möglicht den Einsatz des Multifilamentleiters mit supraleitenden Eigenschaften auch bei Temperaturen im Bereich des flüssigen Stickstoffs. Die Stabilisierungsschicht schützt die supraleitende Schicht vor mechanischen Beschädigungen und überbrückt elektrisch lokale Stellen in der supraleitenden Schicht mit verringerter Stromtragfähigkeit, d.h. sie stabilisiert und schützt mechanisch und elektrisch.
Das Trägermaterial kann aus einem Metall, insbesondere Stahl bestehen. Die wenigstens eine Pufferschicht kann wenigstens ein Material aus der Gruppe Al, Yttria, IBAD MgO, Homo-epi MgO, LMO umfassen oder Kombinationen bzw. Legierungen aus diesen Materialien oder Schichtstapel aus diesen Materialien. Die wenigstens eine supraleitende Schicht kann aus YBCO bestehen. Die wenigstens eine Brücke kann ebenfalls aus YBCO bestehen, insbesondere aus YBCO der wenigstens einen HTS- Schicht. Dies ermöglicht eine verlustfreie elektrische Leitung auch über die Brücke. Die wenigstens eine Stabilisierungsschicht kann aus Kupfer oder Silber bestehen oder einen Schichtstapel mit wenigstens einer Kupfer- und/oder wenigstens einer Silbeschicht umfassen. Die wenigstens eine Brücke kann auch aus dem Material der wenigstens einen Stabilisierungsschicht bestehen oder dieses umfassen, was eine einfache Herstellung der Brücke erlaubt.
Das Trägermaterial kann eine Dicke im Bereich von 50 bis lOOμm und eine Breite im Bereich von 10mm aufweisen. Die wenigstens eine Pufferschicht kann eine Dicke im Bereich von lOOnm aufweisen. Die wenigstens eine supraleitende Schicht kann eine Dicke im Bereich von lμm aufweisen und das wenigstens eine Filament kann eine Breite im Bereich von 0.5mm aufweisen. Die wenigstens eine Stabilisierungsschicht kann eine Dicke im Bereich von 3μm bis 300μm aufweisen. Dies sind güns- tige Maße für eine Vielzahl von Anwendungen eines Multifila- mentleiters .
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des zuvor beschriebenen Multifilamentleiters umfasst die Schritte,
- dass zwei bandförmige Trägermaterialien mit sich gegenüberliegenden Seiten in mechanischer Verbindung miteinander gebracht werden, und
- jeweils auf einer Seite eines bandförmigen Trägermaterials, welche der Seite der mechanischen Verbindung gegenüber liegt, wird wenigstens eine supraleitende Schicht aufgebracht, und
- auf die supraleitende Schicht wird eine Stabilisierungsschicht aufgebracht,
- wobei die Stabilisierungsschicht eines ersten bandförmigen Trägermaterials mit der Stabilisierungsschicht eines zweiten bandförmigen Trägermaterials an den Rändern der zwei bandförmigen Trägermaterialien überlappend ausgebildet werden, so dass eine elektrische Verbindung der Stabilisierungsschichten über die Ränder erfolgt, und
- die supraleitenden Schichten und die Stabilisierungsschichten werden in Filamente unterteilt. Die zwei bandförmigen Trägermaterialien können deckungsgleich in Verbindung miteinander gebracht werden. Durch dieses Verfahren wird eine einfache, kostengünstige Herstellung des Multifilamentleiters mit wenigen Schritten ermöglicht.
Das Aufbringen von Schichten kann durch Elektrolyse, Auflöten, Aufdampfen, Sputtern, und/oder thermische Zersetzung von Metallverbindungen in der Dampfphase erfolgen. Die Unterteilung der supraleitenden Schichten und die Unterteilung der Stabilisierungsschichten in Filamente können mechanisch oder durch Lasern und/oder Ätzen, insbesondere trocken oder nasschemisches Ätzen, von durch eine Schicht jeweils durchgehenden Gräben erfolgen. Photolithographie kann insbesondere bei Ätzverfahren verwendet werden. Das Aufbringen von Schichten kann alternativ durch Bedrucken oder Bekleben des noch unbeschichteten Substratbands an den Position der Gräben erfolgen. Bei der folgenden Abscheidung von Supraleiter- und Stabilisierungsschichten erfolgt hier kein Materialauftrag, so dass die gewünschte Filamentstruktur ausgebildet wird.
Gräben können in einem Winkel zwischen der ersten Richtung des bandförmigen Substrats und der zweiten Richtung des wenigstens einen Filaments ungleich Null ausgebildet werden. Die Filamente können auf den zwei bandförmigen Trägermateria- lien über deren Ränder elektrisch derart verbunden werden, dass spiralförmige Strompfade entstehen.
Die zwei bandförmigen Trägermaterialien des doppelschichtigen Substrats können durch eine hitzebeständige, isolierende Zwi- schenlage oder einen Luftspalt voneinander getrennt werden.
Dies kann insbesondere durch verschweißen von zwei bandförmigen Trägermaterialien, durch Biegen eines bandförmigen Trägerbandes in zwei übereinanderliegende Bänder, oder durch Flachwalzen eines Rohres, insbesondere vor einem Schritt des texturierenden Walzens der bandförmigen Trägermaterialien, erfolgen . Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Multi- filamentleiters ergeben sich die vorstehend erwähnten, mit dem erfindungsgemäßen Multifilamentleiter verbundenen Vorteile.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der folgenden Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Multifilamentleiter in Schrägansicht mit Filamenten parallel der Substratachse nach dem Stand der Technik, und
Fig. 2 den Schichtaufbau eines Filaments eines Multifila- mentleiters nach dem Stand der Technik, und Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Multifilamentleiter mit Filamenten, welche schräg auf einer Vorder- und Rückseite eines Substrats, spiralförmig um dessen Umfang verlaufend ausgebildet sind, und Fig. 4 einen Multifilamentleiter analog dem in Fig. 3 gezeigten, wobei Brücken zwischen benachbarten Filamenten ausgebildet sind, und
Fig. 5 eine Aufsicht auf den in Fig. 3 gezeigten Multifila- mentleiter mit Filamenten auf der Vorder- (begrenzt von durchgehenden Linien) und Rückseite (gestrichelte Linien) , und
Fig. 6a eine Schnittansicht des in Fig. 3 gezeigten Multifi- lamentleiters mit zwei in direkter Verbindung stehenden Trägern, und Fig. 6b eine Schnittansicht des in Fig. 3 gezeigten Multifi- lamentleiters mit einem zusammengedrückten Rohr als Substrat, und Fig. 6c eine Schnittansicht des in Fig. 3 gezeigten Multifi- lamentleiters, welcher aus einem zusammengeklappten Teil als Substrat mit einer Schweißnaht an der offenen Seite besteht.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt senkrecht der Längsachse eines Multifilamentleiters 1, in Schrägansicht von Vorne auf den Multifilamentleiter 1, nach dem Stand der Technik. Der Multi- filamentleiter 1 weist ein bandförmiges Substrat 2, mit einer Vorderseite 9 und einer Rückseite 10 auf. Eine erste Richtung
21 des bandförmigen Substrats 2 ist definiert als die Längsrichtung des bandförmigen Substrats 2. Parallel zu der ersten Richtung 21 sind auf der Vorderseite 21 des bandförmigen Substrats 2 streifenförmig, parallel zu einander Streifen einer Pufferschicht 4 aufgebracht. Die Streifen der Pufferschicht 4 sind voneinander beabstandet und weisen eine zweite Richtung
22 auf, welche der Längsrichtung der Streifen der Pufferschicht 4 entspricht. Auf den Streifen der Pufferschicht 4 ist eine supraleitende Schicht 3, z.B. aus YBCO-Material aus- gebildet. Auf der supraleitenden Schicht 3 ist eine dünne Silberschicht (Ag-Schicht) 5a und eine Kupferschicht (Cu- Schicht) 5b als Stütz- bzw. Stabilisierungsschicht 5 ausgebildet. Zwischen den Schichtstapeln bzw. Filamenten 20, jeweils bestehend aus der Pufferschicht 4, der supraleitenden Schicht 3, und der Stabilisierungsschicht 5, sind durchgehende Gräben 6 zur Beabstandung der Filamente 20 ausgebildet.
Bei einem Einwirken eines äußeren zeitveränderlichen Magnetfelds (B) 8 auf den Multifilamentleiter 1 werden Ströme I in der Stabilisierungsschicht 5 und/oder der supraleitenden
Schicht 3 induziert. Diese induzierten Ströme I fließen in einer Hälfte der Anzahl an Filamenten 20 mit einer Stromrichtung 7 und in der anderen Hälfte der Anzahl an Filamenten 20 mit einer entgegengesetzt gerichteten Stromrichtung 7'. An den Leiterenden schließen sich die Strompfade. Die Ströme I übersteigen im Allgemeinen den kritischen Strom der Filamente 20 und treiben den Supraleiter in den resistiven Zustand, wo- bei erhebliche ohmsche Verluste entstehen. Diese steigen in einem unverdrillten Leiter nach Fig. 1 linear mit der ganzen Bandbreite b, die Unterteilung in Filamente 20 der Breite df entfaltet keine Wirkung. In Fig. 2 ist der Schichtaufbau eines Filaments 20 nach dem Stand der Technik im Detail dargestellt. Auf der Vorderseite 9 des Substrates 2 ist eine dünne Aluminium (Al) -Schicht 11 als Streifen aufgebracht, wobei in Fig. 2 eine Schrägansicht einer Schnittdarstellung längs des Streifens zu sehen ist. Auf der AI-Schicht 11 ist eine Schicht Yttria 12. Darauf ist eine Schicht IBAD Magnesium-Oxid (MgO) 13 und eine epitaktische Homo-epi MgO Schicht 14 abgeschieden. Auf der epitaktischen Homo-epi Mgo Schicht 14 ist eine epitaktische LMO
Schicht 15 ausgebildet. Diese Schichten 11 bis 15 bilden zu- sammen die Pufferschicht 4 und wirken elektrisch isolierend gegenüber dem Substrat 2. Sie dienen als einkristallin geordnete Unterlage und führen zu einem einkristallinen Aufwachsen der supraleitenden Schicht 3, z.B. aus YBCO, auf dem Substrat 2 über der Pufferschicht 3.
Auf der supraleitenden Schicht 3 ist eine Silber (Ag) -Schicht 5a und eine Kupfer (Cu) -Schicht 5b ausgebildet. Diese beiden Schichten bilden die Stabilisierungsschicht 5, welche die supraleitenden Schicht 3 vor mechanischen Beschädigungen Schützt und Fehlstellen im einkristallinen supraleitenden Material elektrisch überbrückt.
Auf der Rückseite 10 des Substrats 2 kann eine weitere Cu- Schicht als zweite Stabilisierungsschicht 5' ausgebildet sein.
Das Substrat 2 des Multifilamentleiters 1 in den Figuren 1 und 2 besteht aus Hastelloy oder Stahl, ist 50μm Dick und weist eine Breite von 10mm auf. Das in Fig. 2 dargestellte Filament 20 weist eine Pufferschicht 3 mit einer Dicke von lOOnm auf, und hat eine Breite von 0,5mm. Die supraleitende Schicht 3 ist lμm dick und die Stabilisierungsschicht 5 auf der Vorderseite 9 des Substrats 2 ist 23μm dick ausgebildet, mit einer 20μm dicken Cu-Schicht. Die Stabilisierungsschicht 5' auf der Rückseite 10 des Substrats 2 aus Kupfer ist 20μm dick. In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßer Multifilamentleiter 1 in Schrägansicht von oben dargestellt. Das Substrat 2 des Multi- filamentleiters 1 besteht aus Hastelloy oder Stahl, ist 50 μm Dick und weist eine Breite von 10mm auf. Die Filamente 20, 20' sind in diesem Ausführungsbeispiel mit einer zweiten Richtung 22, welche die Längsrichtung der Filamente 20 darstellt, auf dem Substrat 2 angeordnet, welche mit der ersten, der Längsrichtung 21 des Substrats 2, einen Winkel von ungleich Null einschließt. Die supraleitenden Filamente 20, 20' sind jeweils auf einer Oberfläche eines ersten und zweiten Trägers 16 und 17 angeordnet. Die zwei Träger 16 und 17 sind auf ihren Rückseiten, welche den Oberflächen mit Filamenten 20, 20' gegenüber liegen, beide miteinander in mechanischer Verbindung, aber elektrisch durch eine Zwischenschicht 29 im Wesentlichen getrennt, wobei die sich berührenden Rückseiten im Weiteren als Seite der mechanischen Verbindung 18 bezeichnet werden. Die zwei Träger 16 und 17 und die Zwischenschicht 29 bilden zusammen das bandförmige Substrat 2 des erfindungsgemäßen Multifilamentleiters 1. Zwischen den Filamenten 20, 20' auf einer Oberfläche des Substrats 2 sind jeweils Gräben 6 durchgehend ausgebildet, so dass die supraleitende Schicht 3 zweier benachbarter Filamente 20, 20' jeweils elektrisch voneinander getrennt ist. Die Filamente 20 auf dem ersten Träger 16 sind jeweils so ange- ordnet, dass sie am Rand 19 des Trägers 16 mit den Filamenten 20' des zweiten Trägers 17 am Rand 19 des Trägers 16, 17 deckungsgleich übereinander liegen. Bei der Abscheidung oder Ausbildung der Stabilisierungsschicht 5 auf den Trägern 16 und 17 wird am Rand 19 das Material der Stabilisierungsschicht 5 mit abgeschieden. Dadurch werden über dieses Material die Filamente 20 des Trägers 16 mit den Filamenten 20' des Trägers 17 elektrisch verbunden. Bei der Ausbildung der Gräben 6, werden diese ebenfalls durch das Material der Stabilisierungsschicht 5 am Rand 19 vollständig durchgehend ausgebildet, so dass nur am Rand 19 übereinander liegende Filamente 20 und 20' elektrisch miteinander verbunden sind. Die Schichtdicken und Substrat- 2 sowie Filament- 20, 20'
Breiten sind gleich der zuvor für den Multifilamentleiter 1 der Figuren 1 und 2 beschriebenen Dicken und Breiten.
Der Winkel der Filamente 20 auf der Vorderseite 9 weist den entgegen gesetzten Wert des Winkels der Filamente 20' auf der Rückseite 10 auf. Der Wert des Winkels liegt im Bereich von 1 bis 5 Grad bzw. von - 1 bis - 5 Grad. Es sind auf der Vorder- und Rückseite 9, 10 supraleitende Filamente 20, 20' mit begrenzter Länge b gebildet, welche an den Rändern 19 des band- förmigen Substrats 2 enden. Auf die supraleitenden Filamente 20, 20' ist eine Stabilisierungsschicht 5, 5' aus normalleitendem Material aufgebracht, z.B. aus Kupfer, welche mit der supraleitenden Schicht 3 der Filamente 20, 20' in elektrischer Verbindung steht und den Strom an einer defekten nor- malleitenden Stelle des Supraleiters überbrücken kann. An den Rändern 19 des bandförmigen Substrats 2 ist die Stabilisierungsschicht 5, 5 'so ausgebildet, dass die Filamente 20, 20' der Vorder- und Rückseite 9, 10 über eine normalleitende Schicht elektrisch verbunden sind.
Dadurch bilden sich um das bandförmige Substrat 2 ein oder mehrere spiralförmige, parallele Strompfade, welche supraleitend sind bis auf kurze, normalleitende Bereiche an den Rändern 19 des bandförmigen Substrats 2. Damit ist erfindungsge- maß ein Dünnschichtsupraleiter mit einem aus der klassischen Supraleitertechnik bekannten „Twist" in Form paralleler, verdrillter Supraleiter-Filamente erzeugt, der in Wechselfeldanwendungen geringe Verluste aufweist. In Fig. 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Multifilamentleiters 1 dargestellt. Dieser MuI- tifilamentleiter 1 ist anlog dem in Fig. 3 dargestellten MuI- tifilamentleiter 1, mit Ausnahme der zusätzlichen Ausbildung von Brücken 23 zwischen benachbarten Filamenten 20, 20'. Die Brücken 23 sind vom Schichtaufbau her gleich den Filamenten 20, 20' der Fig. 1 bis 3 aufgebaut, oder bestehen nur aus der Stabilisierungsschicht 5 oder aus der Stabilisierungsschicht 5 und der supraleitenden Schicht 3. Sie sind elektrisch leitend ausgebildet und können Fehlstellen in der supraleitenden Schicht 3 eines Filaments 20, 20' über die supraleitende Schicht 3 des benachbarten Filaments 20, 20' überbrücken. In Fig. 4 sind die Brücken 23 als ein Steg mittig auf der Ober- fläche des Substrats 2 längs seiner ersten Richtung 21 angeordnet. Alternativ können die Brücken 23 aber auch am oder nahe dem Rand 19 angeordnet sein. Sie können auch nicht als durchgehender Steg, sondern abwechselnd oder unregelmäßig auf der Oberfläche zwischen jeweils zwei benachbarten Filamenten 20, 20' angeordnet sein. Im Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 4 dargestellt ist, beträgt die Breite a der Brücken 23 im Bereich von 1/20 der Länge b eines Filaments 20 oder 20' auf einer Seite des Substrates 2. Je nach Material und geforderter Stromtragfähigkeit kann die Breite der Brücken 23 auch andere Werte annehmen.
In Multifilamentleitern 1 steigt die Wahrscheinlichkeit, dass eine lokale Schwachstelle in einem Filament 20 bzw. 20' die Stromtragfähigkeit reduziert, mit größerer Länge und kleine- rer Breite. In Wicklungen mit großer Länge des Multifilamentleiters 1 kann so die Stromtragfähigkeit des ganzen Multifi- lamentleiters 1 mit voneinander isolierten Filamenten 20 bzw. 20' erheblich beeinträchtigt sein. Durch die Anordnung von Brücken 23 zwischen Filamenten 20 bzw. 20' kann eine Umver- teilung des Stroms aus einem schadhaften Filamente 20 bzw.
20' in Nachbarfilamente 20 bzw. 20' erfolgen. Sofern entlang der Filamente 20 bzw. 20' der mittlere Abstand zwischen
Schwachstellen erheblich größer ist als die Transpositions- länge L, findet der Gesamtstrom genügend intakte Strompfade und der kritische Gesamtstrom ist auch in langen Multifila- mentleitern 1 nur wenig reduziert. In Fig. 5 ist eine Aufsicht eines Multifilamentleiters 1 entsprechend der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die zweite Richtung 22 der Filamente 20 auf dem ersten Träger 16 (durchgezogene Linien als Begrenzung in der Breite der Filamente 20 in der Fig. 5) in einem Winkel zu einer dritten Richtung 26 der Längsausdehnung der Filamente 20' auf dem zweiten Träger 17 (gestrichelte Linien als Begrenzung in der Breite der Filamente 20 'in der Fig. 5) angeordnet ist. Die Filamente 20 und 20' auf dem Träger 16 und 17 schließen somit einen Winkel ein. Der Winkel liegt im Bereich weniger Grad. Es sind aber auch andere Winkel, wie z.B. in Fig. 5 dargestellt, denkbar.
Über die elektrische Verbindung am Rand 19 bilden die Filamente 20, 20' auf dem ersten 16 und zweiten Träger 17 einen verdrillten bzw. transponierten Multifilamentleiter 1. Die Filamente 20, 20' umlaufen den Leiter spiralförmig. Für die Verluste Ph durch eine zum Multifilamentleiter 1 senkrechte Wechselfeldamplitude ΔB ist nicht mehr die Leiterbreite b, wie es bei einem Leiter ohne Filamente 20, 20 'der Fall ist, sondern die Breite df der Einzelfilamente 20, 20' maßgebend. Der Anteil der Hystereseverluste verringert sich um den Faktor df/b. Durch die Transponierung der Filamente 20, 20' sind auch Verluste durch Abschirmströme, welche zwischen den Filamenten 20, 20' induziert werden, kleiner oder gleich Null, falls die Pufferschicht 4 zum Träger 16, 17 hin hinreichend isoliert ist. Der Magnetfluss durch die Fläche zwischen zwei beliebigen parallelen Filamenten 20 oder 20' summiert sich nach einem Umlauf nach einer Transpositionslänge L jeweils zu Null. Die dazwischen induzierten Spannungen, und damit die verlusterzeugenden Wirbelströme, werden so unabhängig von der gesamten Länge des Multifilamentleiters 1 wirksam verringert. In Fig. 5 ist als Strich-Punkt-Linie beispielhaft eine Fläche A eingezeichnet, welche von zwei beliebigen Filamenten 20 an der Vorderseite9 oder 20 'an der Rückseite 10 eingeschlossen wird. Die Fläche A wird bei einer zur Fläche A senkrechten Feldkomponente B von einem Magnetfluss BxA durchsetzt. Über jeden der zwei Kreuzungspunkte 27, 28 der Filamente 20, 20 'der Vorder- 9 und Rückseite 10 des Substrats 2 steht eine induzierte Spannung U = ^ A dB/dt an. Sie ist in der Leitermitte am höchsten und am Rand 19 Null. Eine erfindungsgemäße elektrisch isolierende Schicht 29 zwischen dem ersten und zweiten Träger 16 und 17 verhindert induzierte Ströme senkrecht durch das dünne Substrat 2 zwischen Filamenten 20 und 20'. Diese Ströme würden sich dem Transportstrom in den Filamenten 20, 20 'überlagern und die Filamente 20, 20 'in den re- sistiven, verlustbehafteten Bereich treiben sowie zusätzlich ohmsche Verluste in dem Substrat 2 erzeugen. Mit der elektrisch isolierende Schicht 29 bzw. Zwischenschicht zwischen dem ersten Träger 16 und dem zweiten Träger 17, wird eine magnetische Kopplung über das Substrat 2 verhindert.
In Magnetanwendungen, in welchen eine hohe Feldgenauigkeit gefordert wird, wie dies z.B. in Kernspintomographen, Beschleunigern und Kernresonanzspektrometern der Fall ist, werden durch die kleineren und auf die Filamentbreite lokali- sierten Abschirmströme die dadurch erzeugten Feldfehler im
Nutzvolumen erheblich reduziert. Somit kann der erfindungsgemäße Multifilamentleiter 1 auch in kritischen Gleichstromanwendungen verwendet werden. Bei normalleitenden elektrischen Kontakten zwischen den Filamenten 20 und 20' über die Ränder 19 besteht ein ohmscher Widerstand Rn, welcher näherungsweise
Rn = Pn π (dn + ds) / (dn Ln) beträgt, wobei pn der spezifische elektrische Widerstand ist, dn, ds die Dicken der Normalmetallschicht und des Trägers 16, 17 sind, Ln = df L / 2 b die Länge einer Brücke 23 in erster Richtung 21 ist, und df die Filamentbreite ist. Zwei Brücken 23 pro Verseillänge L summieren sich in jedem Filament 20, 20' zu einen mittleren Widerstand pro Länge von <Rn> / 1 = Pn π (dn + ds) 2 b / (dn df L2) .
Mit großer Transpositionslänge L kann dieser Widerstand sehr klein werden. So ist z.B. für einen Multifilamentleiter 1 mit b = 10mm Breite, 0,3mm Gesamtdicke, Ic = 300A, 15 Filamenten 20, 20' der Breite df = 0,5mm, einer effektiven kritischen
Stromdichte im Multifilamentleiter 1 von je = 100A/mm2, einer Transpositions- bzw. Versaillänge von L = 20cm, pn = 2xlO~ 9 Ωm in Kupfer bei 77K, und einer Dicke von Kupferschicht 5 und Substrat 2 von dn = ds = 0,1mm der gemittelte ohmsche Wi- derstand eines Filaments 20, 20' durch eine Kupferbrücke 23 durch
<Rn> / 1 = 12,5 μOhm/m gegeben.
Bei I = Ic/15 = 20A im Filament 20, 20' ist der Spannungsabfall 250μV/m bzw. 2,5 μV/cm. Dies ist im Bereich des Spannungsabfalls lμV/cm, bei dem üblicherweise der kritische Strom in technischen Supraleitern definiert wird.
Zusatzverluste wachsen quadratisch mit dem Strom. Bei Ic = 300A sind dies 75mW pro Meter Multifilamentleiter 1 oder 250 mW pro Kilo-Amperemeter. Verglichen mit konventionellen Lo- sungen ergibt ein Multifilamentleiter 1 gemäß der Erfindung mit HTS-Material somit eine Energieeinsparung von 90% verglichen mit ohmschen Leitern aus Kupfer. Magnetisierungsverluste Ph im supraleitenden Material lassen sich, wie schon beschrieben, durch kleine Filamentbreiten df reduzieren. Somit sind Wechselstromanwendungen bei 50/60 Hertz in supraleitenden Kabeln, supraleitenden Trafos, elektrischen Maschinen mit Supraleitern und anderen Anwendungen mit den erfindungsgemäßen Multifilamentleitern 1 wirtschaftlich zu realisieren. Hinzu kommen als Vorteil gegenüber herkömmlichen Kupferleitern die um ein bis zwei Größenordnungen höheren Stromdichten, welche möglich sind. In den Fig. 6a bis 6c sind Schnittdarstellungen des in Fig. 5 dargestellten Multifilamentleiters 1 mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Verbindung 18 über wenigstens eine Zwischenschicht 29 des ersten und zweiten Trägers 16 und 17 gezeigt. Die Filamente 20, 20' sind gleich den zuvor beschrie- benen Filamenten 20, 20' aus einem Schichtstapel Pufferschicht 4, supraleitende Schicht 3 und Stabilisierungsschicht 5 aufgebaut. Zwischen benachbarten Filamenten 20, 20' sind jeweils Gräben 6 ausgebildet. Filamente 20, 20' auf der Vorder- 9 und Rückseite 10 des Substrats 2 sind über den Rand 19 durch die Stabilisierungsschicht 5 miteinander elektrisch verbunden .
In Fig. 6a sind der erste Träger 16 und der zweite Träger 17 jeweils miteinander flächig, elektrisch isolierend über ihre Rückseite verbunden. Die Verbindung kann z.B. durch Kleben der Rückseiten aufeinander erfolgen. Zwischen der Trägern 16 und 17 kann zusätzlich eine wärmeisolierende Schicht angeordnet sein. In Fig. 6b sind die Träger 16 und 17 dadurch ausgebildet, dass ein Rohr 24 aus Substratmaterial 2 zusammengepresst wird. Ein dünner isolierender Luftspalt kann im Inneren des Rohres bestehen bleiben, welcher auch zur Kühlung genutzt werden kann. So kann z.B. flüssiger Stickstoff durch diesen Spalt geleitet werden und den Multifilamentleiter 1 von innen her zusätzlich kühlen.
In Fig. 6c sind der erste und der zweite Träger 16 und 17 durch Zusammenfalten eines breiten Trägers ausgebildet, mit einer Breite des breiten Trägers gleich der doppelten Breite eines Trägers 16, 17, wobei die Faltlinie in der Mitte des breiten Trägers entlang seiner Längsachse verläuft. Die Faltlinie bildet einen Rand 19 des Substrats 2, und entlang des gegenüberliegenden Rands 19 des Substrats 2 kann eine
Schweiß- oder Klebenaht 25 den ersten und zweiten Träger 16 und 17 mechanisch stabil miteinander verbinden. Bei Abscheidung der Stabilisierungsschicht 5 und Ausbildung der Gräben 6 werden über die Ränder 19 jeweils die Filamente 20 des ersten und zweiten Trägers 16 und 17 verbunden, wobei bei Ausbildung der Gräben 6 auch am Rand 19 benachbarte Filamente 20 eines Trägers 16 oder 17 jeweils elektrisch voneinander am Rand 19 getrennt sind. Eine Kombination der Ausführungsbeispiele in den Fig. 6a bis 6c mit dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 4 ergibt über die Brücken 23 eine elektrische Verbindung von Filamenten 20 auf einem Träger 16 oder 17.

Claims

Patentansprüche
1. Multifilamentleiter (1) mit einem bandförmigen Substrat (2) und mit wenigstens einer supraleitenden Schicht (3), wo- bei die wenigstens eine supraleitende Schicht (3) auf wenigstens einer Oberfläche des bandförmigen Substrats (2) ausgebildet ist und in Filamente (20, 20') unterteilt ist, und wobei das bandförmige Substrat (2) parallel zu seiner Längsausdehnung eine erste Richtung (21) aufweist und wenigstens ein Filament (20, 20') parallel zu seiner Längsausdehnung eine zweite Richtung (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung (21) des bandförmigen Substrats (2) mit der zweiten Richtung (22) des wenigstens einen Filaments (20, 20') einen Winkel einschließt, welcher größer Null ist.
2. Multifilamentleiter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der ersten Richtung (21) des bandförmigen Substrats (2) und der zweiten Richtung (22) des wenigstens einen Filaments (20, 20') zwischen 1 und 5 Grad liegt und/oder das wenigstens eine Filament (20, 20') vollständig entlang der zweiten Richtung (22) ausgebildet ist, insbesondere ohne eine Längskomponente parallel der ersten Richtung (21) .
3. Multifilamentleiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bandförmige Substrat (2) eine erste Oberfläche auf einer Vorderseite (9) und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche auf einer Rückseite (10) aufweist, und sowohl auf der ersten als auch auf der zweiten Oberfläche mehrere Filamente (20, 20') ausgebildet sind, wobei insbesondere die Filamente (20) der ersten Oberfläche eine zweite Richtung (22) aufweisen, welche ungleich einer dritten Richtung (23) parallel der Längsrichtung der Filamente (20') der zweiten Oberfläche ist.
4. Multifilamentleiter (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Filament (20) der Vorderseite (9) mit wenigstens einem Filament (20') der Rückseite (10) elektrisch leitend verbunden ist, insbesondere über wenigstens eine Schicht (19), welche auf wenigstens einer dritten Oberfläche auf einer oder zwei Seitenflächen des bandförmigen Substrats (2) ausgebildet ist.
5. Multifilamentleiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens zwei benachbarten Filamenten (20, 20') auf einer Oberfläche wenigstens eine elektrische Brücke (23) ausgebildet ist, durch welche eine elektrische Verbindung der wenigstens zwei benachbarten Filamente (20, 20') gebildet ist.
6. Multifilamentleiter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine elektrische Brücke (23) mittig auf der einen Oberfläche angeordnet ist, insbesondere mit einer Längsrichtung der Brücke (23) parallel der einen ersten Richtung (21) des bandförmigen Substrats (2).
7. Multifilamentleiter (1) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Multifilamentleiter
(1) einen Schichtstapel aus bandförmigen Trägermaterial (16, 17), wenigstens eine Pufferschicht (4), wenigstens eine supraleitende Schicht (3) , insbesondere eine Hochtemperatur- Supraleitende (HTS) -Schicht, und/oder wenigstens eine Stabi- lisierungsschicht (5) aufweist.
8. Multifilamentleiter (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (16, 17) aus einem Metall, insbesondere Stahl besteht, und/oder die wenigstens eine Puf- ferschicht (4) wenigstens ein Material aus der Gruppe Al (11), Yttria (12), IBAD MgO (13), Homo-epi MgO (14), LMO (15) , umfasst oder Kombinationen und/oder Schichtstapel aus diesen Materialien, und/oder die wenigstens eine supraleitende Schicht (3) aus YBCO besteht, und/oder die wenigstens eine Brücke (23) aus YBCO besteht, insbesondere aus YBCO der wenigstens einen HTS-Schicht, und/oder die wenigstens eine Stabilisierungsschicht (5) aus Kupfer oder Silber besteht oder einen Schichtstapel mit wenigstens einer Kupfer- (5b) und/oder wenigstens einer Silbeschicht (5a) umfasst, und/oder die wenigstens eine Brücke (23) aus dem Material der wenigstens eine Stabilisierungsschicht (5) besteht oder dieses umfasst .
9. Multifilamentleiter (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (16, 17) eine Dicke im Bereich von 50 bis lOOμm und eine Breite im Bereich von 10mm aufweist, und/oder die wenigstens eine Pufferschicht (4) eine Dicke im Bereich von lOOnm aufweist, und/oder die wenigstens eine supraleitende Schicht (3) eine Dicke im Bereich von lμm aufweist, und/oder das wenigstens eine Filament (20, 20') eine Breite im Bereich von 0.5mm aufweist, und/oder die wenigstens eine Stabilisierungsschicht (5) eine Dicke im Be- reich von 3μm aufweist.
10. Multifilamentleiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente (20, 20') transponiert sind, insbesondere mit einer Transpositionslänge im Bereich von 20cm.
11. Verfahren zur Herstellung eines Multifilamentleiters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei bandförmige Trägermaterialien (16, 17) mit sich gegenüberliegenden Seiten in mechanischer Verbindung miteinander gebracht werden, insbesondere deckungsgleich, wobei jeweils auf einer Seite eines bandförmigen Trägermaterials (16, 17), welche der Seite der mechanischen Verbindung (18) gegenüber liegt, wenigstens eine supraleitende Schicht (3) aufgebracht wird und auf die supraleitende Schicht (3) eine Stabilisierungsschicht (5) aufgebracht wird, wobei die Stabilisierungsschicht (5) eines ersten bandförmigen Trägermaterials (16) mit der Stabilisierungsschicht (5') eines zweiten bandförmigen Trägermaterials (17) an den Rändern (19) der zwei bandförmigen Trägermaterialien (16, 17) überlappend ausgebildet werden, so dass eine elektrische Verbindung der Stabilisierungsschichten (5, 5') über die Ränder (19) erfolgt, und die supraleitenden Schichten (3) und die Stabili- sierungsschichten (5, 5') in Filamente (20, 20') unterteilt werden .
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen von Schichten durch Elektrolyse, Auflöten,
Aufdampfen, Sputtern, und/oder thermische Zersetzung von Metallverbindungen in der Dampfphase erfolgt, und/oder die Unterteilung der supraleitenden Schichten (3) und die Unterteilung der Stabilisierungsschichten (5, 5') in Filamente (20, 20') durch Lasern und/oder Ätzen, insbesondere chemisches Ät¬ zen, von durch eine Schicht jeweils durchgehenden Gräben (6) erfolgt .
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben (6) in einem Winkel zwischen der ersten Richtung
(21) des bandförmigen Substrats (2) und der zweiten Richtung
(22) des wenigstens einen Filaments (20, 20') ungleich Null ausgebildet werden und die Filamente (20, 20') auf den zwei bandförmigen Trägermaterialien (16, 17) über deren Ränder (19) elektrisch derart verbunden werden, dass spiralförmige Strompfade entstehen.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen von Schichten durch Bedrucken, Bekleben, Elektrolyse, Auflöten, Aufdampfen, Sputtern und/oder thermische Zersetzung von Metallverbindungen in der Dampfphase erfolgt, wobei eine Filamentstruktur (20, 20') direkt ausgebil¬ det wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei bandförmigen Trägermaterialien (16, 17) durch eine hitzebeständige, isolierende Zwischenlage 29 und/oder einen Luftspalt voneinander getrennt werden, insbesondere durch verschweißen (25) der zwei bandförmigen Trä- germaterialien (16, 17), durch Biegen eines bandförmigen Trägerbandes in zwei übereinanderliegende Bänder (16, 17), oder durch Flachwalzen eines Rohres (24), insbesondere vor einem Schritt des texturierenden Walzens der bandförmigen Trägermaterialien (16, 17).
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