WO2014206751A1 - Supraleitender leiterverbund und herstellungsverfahren - Google Patents

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WO2014206751A1
WO2014206751A1 PCT/EP2014/062225 EP2014062225W WO2014206751A1 WO 2014206751 A1 WO2014206751 A1 WO 2014206751A1 EP 2014062225 W EP2014062225 W EP 2014062225W WO 2014206751 A1 WO2014206751 A1 WO 2014206751A1
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superconducting
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temperature
temperature superconducting
conductors
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PCT/EP2014/062225
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Tabea Arndt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/68—Connections to or between superconductive connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/01—Manufacture or treatment
    • H10N60/0268—Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
    • H10N60/0296—Processes for depositing or forming superconductor layers
    • H10N60/0324—Processes for depositing or forming superconductor layers from a solution
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/80—Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting conductor composite having two superconducting conductors and a connecting portion having a continuous superconducting contact. Furthermore, the invention relates to a manufacturing method for such a conductor composite.
  • High-temperature superconductors or even high-T c superconductors are superconducting materials with a transition temperature above 25 K and in some classes of materials, such as the cuprate superconductors, above 77 K, where the operating temperature by cooling with other cryogenic materials than liquid Helium can be achieved.
  • HTS materials are particularly attractive for the production of magnetic coils for NMR spectroscopy and magnetic resonance imaging, as some materials have high upper critical magnetic fields of over 20T. Due to the higher critical magnetic fields, the HTS materials are in principle better than the low-temperature superconductor for generating high magnetic fields of about 10 T. Also for other applications, the use of HTS materials is advantageous because the cost of cooling the coils to the necessary Operating temperature is much lower.
  • a problem in the production of HTS solenoids is the lack of suitable technologies for the production of superconducting HTS compounds, especially for high-temperature sup ⁇ second of the second generation, so-called 2G HTS.
  • 2G HTS materials are the REBa 2 Cu 3 O x type compounds, where RE stands for a rare earth element or a mixture of such elements.
  • RE stands for a rare earth element or a mixture of such elements.
  • Such 2G HTS wires are typically in the form of flat strip conductors with laminar superconducting layers in a multilayer Layer system before. If ohmic contacts between the superconducting strip conductors are inserted, the losses in the coil can no longer be ignored, and he ⁇ begat magnetic field falls in a period of a few hours or days markedly (see.
  • the object of the present invention is therefore to specify a superconducting conductor composite in which two superconducting band conductors are continuously connected to one another in a superconducting manner.
  • Another object of the invention is to provide a Spuleneinrich ⁇ tion with such a composite conductor and a manufacturing process for such a composite conductor.
  • the superconducting conductor composite according to the invention comprises two strip conductors, each having a flat, high-temperature superconducting layer, and a connection region with a high-temperature superconducting bonding layer which is connected to the two high-temperature superconducting layers of the two Band conductor in the region of their end pieces is connected via a contact surface continuously superconducting.
  • a superconducting compound layer is thus deposited on a part of the high temperature superconducting layers of the two to be connected to strip conductors, so that these two planar layers are joined supra ⁇ conductively turn-scale contacts.
  • the superconducting connecting layer is at least in a partial region an epitaxial layer, which is adapted to the crystallographic structure of at least one of the high-temperature superconducting layers of the two band conductors. It is adapted in each case a partial area to the kristallog ⁇ raphische structure of two layers of the two HTS ribbon conductor ⁇ particularly advantageous way.
  • the superconducting coil device comprises at least one coil winding having at least one OF INVENTION ⁇ to the invention the superconducting stripline.
  • the advantage of such a superconductive coil device is that it can be composed of a plurality of partial coils and / or of a plurality of strip conductor sections within a winding, without introducing additional ohmic contact resistances.
  • a superconductive coil device may include a magnetic coil for a magnetic resonance application, such a superconducting coil ⁇ means, or the coil means may comprise a coil device for an electrical machine, for example, be a rotor coil in a synchronous machine.
  • two strip conductors are each connected to a planar high temperature superconducting layer by a high-temperature superconducting Ver ⁇ bonding layer together.
  • the method comprises at least the steps of spatially adjacent placement of two end pieces of the two strip conductors and the application of the high-temperature superconducting bonding layer, so that between the bonding layer and the two high-temperature ⁇ superconducting layers of the two band conductors in each case a continuous superconducting contact surface is created.
  • the advantages of the inventive production method he ⁇ be analogous to the advantages of the conductor assembly according to the invention.
  • the method is suitable, supra ⁇ conductive coil sections or portions of windings mitei- Nander to connect without any additional ohmic contacts are inserted into such a coil.
  • the superconducting conductor composite can additionally have the following features:
  • the high-temperature superconducting compound layer may be a solution-deposited layer.
  • the bonding layer with the so-called chemical
  • Solution deposition such as in “K. Knoth et al. Described, Current Opinion in Solid State and mate ⁇ rials Science 10 (2006) 205-216 ".
  • CSD Solution deposition
  • epitaxial high temperature superconducting layers can be produced, which in their crystal structure, for example, to an underlying high-temperature -superconducting layer of at least one of the band conductors to be connected are adapted in the CSD method is a starting material for the layer to be formed in a solvent dissolved on the area to be coated ⁇ introduced .
  • the solvent is removed in one or more Temper suitsen, and the starting material is converted by crystallization and / or chemical reaction in the high-temperature superconducting compound ⁇ tion layer.
  • a layer made from solution differs in its growth structure and in the possible existence of solvent residues from a superconducting layer produced by physical coating methods and / or under vacuum.
  • the crystallographic structure is typically less uniform and less accurate et ⁇ what adjusted to the crystallographic structure of the underlying layer as ⁇ down. Accordingly, high temperature superconducting layers deposited from solution also often have somewhat lower current carrying capacities than layers produced by coating in vacuum.
  • the current carrying capacity and the quality of the connecting layer is nevertheless sufficient.
  • An advantage of depositing the superconducting compound layer from solution is the fact that in such deposition, the quality of the resulting epitaxial layer is less sensitive to impurities present.
  • the transition from one ribbon conductor to the adjacent ribbon conductor can also be regarded as a macroscopic impurity whose effect is reduced by the deposition of the compound layer from the solution.
  • a slight mismatch of the crystal structure of particular nachbart arranged to be connected superconducting layers is particularly well balanced and bridged by a connecting layer deposited from solution ⁇ .
  • the high-temperature superconducting compound layer may be made under vacuum by a physical coating method, laser deposition or chemical vapor deposition.
  • the two strip conductors can particularly advantageously at most 1 Pohm be electrically connected to each other ⁇ through the superconducting compound layer on a contact resistance of at most 1 nOhm.
  • Such contact resistance is sufficient for the connection of the superconducting coil sections for applications in power engineering field, for example for a composite superconducting rotor coil in a Gene ⁇ rator.
  • the contact resistance is so ⁇ even at most 1 fOhm.
  • Such contact resistance is a prerequisite to insert composed of partial coils superconducting coils and solenoids in continuous short-circuit current ⁇ mode for magnetic resonance applications.
  • the value of the overall resulting contact resistance depends crucially on the quality of the bonding layer, in particular the quality of an epitaxial growth on an underlying superconducting layer and on the purity of the bonding layer.
  • the flat high-temperature superconducting layers of the two band conductors and / or the high-temperature superconducting compound layer may be covered by a normal-conducting, in particular a metallic, normal-conducting layer. So can the band conductors on their superconducting
  • the supra ⁇ conductive compound layer can be provided after its application as ⁇ with a new normal conductive cover layer, which connects, for example, the normal conductive outer layers of each band conductor normal conducting.
  • Such a continuous normal-conducting layer for example, in a collapse of the superconductivity by exceeding the critical current density or the transition temperature carry the current of the coil.
  • the two band conductors can be mechanically fixed to one another in the connection region with a holder, in particular a clamp or sleeve. Such a fixation is expedient if the mechanical strength of the connecting layer and possibly overlying normal-conducting cover layers is insufficient to meet the mechanical requirements, for example when used in a rotating coil or when exposed to high Lorentz forces.
  • the two strip conductors can also be cast in this area or glued together.
  • connection structure with a holder and to remove this holder again before the completion of a coil winding so that there is no need for too much space through the connection.
  • the conductor composite can have a thickness in the connection region of at most four times the average thickness of the individual
  • the conductor composite in the connection region has a thickness of at most twice the individual conductor thickness. This is advantageous because then the space required by the connection is not excessively increased and the symmetry of a coil ⁇ winding is not disturbed by the junction too strong. Particularly in the field of magnetic coils for magnetic resonance applications, it is important that individual conductor segments do not take up too much space, since altogether very high local current densities are required.
  • the two band conductors can be arranged directly adjacent to each other in the connection area with their end faces. In particular, they can be arranged in a plane and touch as much as possible in the region of their end faces. Their two upper sides then essentially form a continuous surface on which the bonding layer can be applied as a planar layer.
  • the faces can be of areas be limited, which are perpendicular to the longitudinal direction of the individual ⁇ nen band conductor, resulting in a relatively small contact area.
  • the end faces can also be beveled in comparison to the longitudinal direction of the strip conductors, so that the connection surface of the two edges is increased.
  • the two strip conductors may be arranged in at least part of the connecting portion sur fa ⁇ chig overlapping.
  • the superconducting layers of the two strip conductors prior to application of the bonding layer lie open, and the two Bandlei ⁇ ter have the same orientation relative to the side of the superconducting layer on the substrate.
  • a step can be bridged by the connecting layer.
  • ⁇ advantageous way may be ⁇ rich thinned at least one of the substrates in Vietnamesesbe by post-processing.
  • the method may additionally have the following features:
  • the application of the high-temperature superconducting compound layer can be carried out by a solution solution.
  • the advantages are analogous to the corresponding embodiment for the conductor composite described above.
  • the solution may be an aqueous solution, it may comprise an organic solvent and / or there may be a mixture of several solvents. Suitable solvents are, for example, alcohols such as methanol or mixtures of water and alcohols.
  • the preparation of high temperature superconducting compound layer may be at a pressure above 0.5 bar ⁇ SUC gene.
  • This embodiment is expedient ⁇ SSIG especially in connection with deposition of the compound layer of solution. It is an advantage of the deposition process from that it is not necessary to work in a vacuum, but that an ambient pressure in the vicinity of the atmospheric pressure can be present. The fact that no vacuum or high vacuum environment is required for the deposition process, the apparatus manufacturing process from solution is much less expensive than other methods. No lock and pump operations are needed so that the manufacturing process is particularly suitable for making connections of strip conductor segments during winding of a coil and / or for joining large finished partial coils into a total coil.
  • oxygen, nitrogen and / or steam can hold ⁇ ent.
  • the application of the high-temperature superconducting compound layer may include the deposition of a raw material from a solution and the subsequent formation of the high-temperature superconducting layer of this raw material.
  • a starting material may be, for example, a matrix of a mixed yttrium-barium-oxifluoride with incorporated CuO nanocrystallites.
  • a solution for depositing such a matrix may be, for example, one of the methods described in "K. Knoth et al. Manufactured, Current Opinion in Solid State and Materials Science 10 (2006) “described method 205-216 ⁇ to. These are in particular the sol-gel process, the
  • Nitrate process the Pechini process, the citrate process or the particularly advantageous trifluoroacetate process.
  • Layer of the source material may comprise one or more Tem ⁇ peratur Kunststoffe.
  • Tem ⁇ peratur Kunststoffe For example, first in ei ⁇ nem first annealing step with a temperature between 300 ° C and 600 ° C, a large part of the solvent and possibly other present organic compounds are removed. Then, for example, in a second temperature step between 600 ° C. and 1200 ° C., the crystallization of the actual superconducting compound layer takes place, whereby may be formed by an epitaxial layer on an underlying superconductive layer of a ribbon conductor.
  • the starting material in solution may advantageously be prepared by an ink jet method, a sputtering method, a doctor blade method, a screen printing method, a dipping method and / or a tilting method.
  • the continuous ink jet method here represents a simple method for depositing well-defined layers with a predetermined, uniform layer thickness and with good material utilization.
  • Advantageous layer thicknesses of the bonding layer are between 200 nm and 20 ⁇ m.
  • Kgs ⁇ NEN layer thicknesses also be produced by repeatedly depositing from solution in the upper part of this range.
  • Loading Sonders advantageously, the layer thickness of the compound layer can ⁇ also be up to ten times higher than the layer thicknesses of the superconducting layers to be joined strip conductors. This can cause, for example, a lower
  • the manufacturing method may also include the removal of this outer layer in the region of the end pieces, thus in the futureffensbe ⁇ rich. This removal can be done, for example, by means of chemical etching and / or ion beam etching.
  • the manufacturing method may also include applying a further topcoat over the tie layer. Deckschich ⁇ th can be, for example, normal conducting layers of silver and / or copper. It may be advantageous to laminate layers.
  • the band conductors to be connected may comprise below their superconducting layers so-called buffer layers whose crystallographic structure defines a growth structure for the following superconducting layer.
  • a buffer layer be applied in at least part of the connecting portion under ⁇ half of the superconductive compound layer.
  • This buffer layer can also advantageously be deposited from a solution.
  • Fig. 1 is a schematic cross section of a superconducting
  • Fig. 2 is a schematic cross section of a superconducting
  • Ladder composite according to a second embodiment of the invention shows.
  • Fig. 1 shows a schematic cross section of a conductor composite 1 according to the first embodiment of the invention. Shown are two band conductors 3a and 3b, each comprising a flat high-temperature superconducting layer 9a, 9b.
  • the layer structure for both strip conductors 3a, 3b schematically
  • each of the strip conductors 3a, 3b further includes a substrate 5a, 5b, disposed between the substrate 5a, 5b and Supra ⁇ conductor layer 9a, 9b buffer layer 7a, 7b and on the superconducting layer 9a, 9b arranged cover ⁇ layer IIa, IIb.
  • the substrate 5a, 5b here is in each case a 50 ym thick carrier tape made of a nickel-tungsten alloy. Alternatively, steel bands or bands of an alloy such as Hastelloy can be used.
  • the buffer layers 7a and 7b serve as a structure-promoting growth basis for the superconducting layers 9a and 9b deposited thereon.
  • the cover layers IIa and IIb made of copper serve as normal ⁇ conductive current transport layers, which can take over the current transport through their ohmic conductivity in a possible collapse of the superconducting properties.
  • the two strip conductors 3a and 3b are the same thickness and arranged in the region of their end pieces in a plane. They are arranged so that their end faces 23a and 23b touch as large as possible. The surfaces of their superconducting layers 9a and 9b then form a continuous planar surface within the scope of the positioning accuracy.
  • the composite conductor 1 comprises a connecting portion 13 in which the outer layers IIa and IIb are removed for example by reac tive ion etching ⁇ of the superconducting layers 9a and 9b. Then, on the exposed surfaces of the preparation ⁇ superconducting layers 9a and 9b about 1 ym thick superconducting compound layer 15 is deposited from a solution.
  • the bonding layer 15 is a layer of YBa 2 Cu 30 x , which is produced by thermal treatment of a solution-deposited matrix of CuO nanocrystals in a mixed yttrium barium oxifluoride.
  • This matrix is sauce ⁇ separated here from an aqueous-methanolic intermetallic solution with the aid of an ink jet process.
  • the solution is prepared by the trifluoroacetate process.
  • the solvent is largely removed by thermal treatment at up to about 850 ° C, and it is a layer of epitak ⁇ tical YBa 2 Cu30 x crystallized from the liquid phase.
  • water, methanol and HF are evaporated off.
  • a suitable doping level of the superconducting compound layer is achieved.
  • the superconducting connecting layer 15 has a surface, superconductive contact with each of the two superconducting layers 9a, 9b of the two band conductors 3a, 3b. It is adapted by its epitaxial growth on the crystal structure of both layers 9a, 9b and possibly similar vorlie ⁇ restrictive differences in the crystal structures. Even if the connection layer 15 has to be joined as the two superconducting layers 9a and 9b a lower current-carrying capacity, the current capacity is still suffi ⁇ accordingly, to provide a continuous superconducting compound below 1 nOhm.
  • the length of the kausbe ⁇ rich 13 the one to five times the average width of the ⁇ respective band conductor 3a, 3b amount.
  • the width of the strip conductors 3a, 3b is in each case 5 mm, and the length of the connecting layer is 10 mm.
  • the two strip conductors 3a and 3b are fixed by a holder 17 against each other, whose lower part is shown schematically in Fig ..
  • This holder may have the form of a sleeve and fix the two band conductors laterally with each other. She relieves the
  • a further metallic cover layer 11c is applied, which connects the cover layers IIa and IIb of the individual strip conductors in a normally conducting manner.
  • This third 11c may cover layer, a laminated layer of a Kup ⁇ ferband be.
  • the thickness of the conductor assembly 21 is no greater than twice the thickness of the individual strip conductors 3a, 3b in the connection region 13. This is achieved by the space-saving design of the bracket 17, the connection layer 15 and the third cover layer 11c provides facilege ⁇ .
  • Fig. 2 shows a schematic cross section of a conductor assembly 1 according to a second embodiment of the inven ⁇ tion.
  • two strip conductors 3a and 3b are connected to each other in a superconducting manner by a superconducting connection layer 15 in a connection region 13.
  • the strip conductors 3a and 3b are each of similar construction as in the first embodiment.
  • the two band conductors 3a and 3b overlap area, so that the connecting layer 15 must overcome a level of the height of the ribbon conductor 3a in this area.
  • the substrate 5a of the strip conductor 3a has been thinned by abrasion from an original thickness of 50 ⁇ m in the region of the end piece to a thickness of only 20 ⁇ m.
  • the connecting layer 15 thus only has to overcome a step height of slightly more than 20 ⁇ m, since the step height is composed of the thickness of the substrate 5a, the buffer layer 7a and the superconducting layer 9a.
  • the superconducting compound layer 15 is therefore applied with a mean layer thickness of about 20 ⁇ m by a plurality of successive depositions from solution.
  • the deposition process from solution helps that the sharp contour of the step out is adjusted ⁇ and a slightly rounded surface of the Ver ⁇ bonding layer 15 at a somewhat variable layer thickness.
  • the quality of the tie layer 15 is not equally good everywhere.
  • the current carrying capacity in the inner angle of the stage may be slightly lower, since the morphology of the Bonding layer 15 may be less good here.
  • the connecting layer 15 does not have to have the same good quality over the entire layer thickness, it is only important that a continuous superconducting path is formed which meets the requirements for the contact resistance for the respective application.
  • the advantage of the second embodiment with partially overlapping strip conductors 3a and 3b is that the positioning of the two strip conductors in the connection region 13 is simpler, and the resulting connection is mechanically somewhat more resilient.
  • a holder not shown here, can also be used in this embodiment in order to position the mechanical and mechanically fix the two band conductors to be connected or connected to one another.
  • a normal conducting layer 11c is again applied to the superconducting bonding layer.
  • the total thickness 21 of the Porterver ⁇ nationwide 1 in the connection area 13 is not higher than the double of the thickness th ⁇ 19 of a single strip conductor 3a, 3b in the second embodiment. This is advantageously achieved by the thinning of at least one of the band ⁇ conductors 3a in the region of the connection.

Abstract

Supraleitender Leiterverbund und Herstellungsverfahren Es wird ein supraleitender Leiterverbund (1), eine Spuleneinrichtung mit einem solchen Leiterverbund und ein Herstellungsverfahren für einen solchen Leiterverbund angegeben. Der supraleitende Leiterverbund (1) umfasst zwei Bandleiter (3a, 3b) mit jeweils einer flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schicht (9a, 9b) und einen Verbindungsbereich (13) mit einer hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht (15), die mit den beiden hochtemperatur- supraleitenden Schichten (9a, 9b) der beiden Bandleiter (3a, 3b) im Bereich ihrer Endstücke über jeweils eine Kontaktfläche durchgehend supraleitend verbunden ist. Die supraleitende Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine Spulenwicklung mit wenigstens einem solchen supraleitenden Bandleiter. Bei dem Herstellungsverfahren werden zwei Bandleiter (3a, 3b) mit jeweils einer flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schicht (9a, 9b) durch eine hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht (15) miteinander verbunden. Das Verfahren umfasst wenigstens die Schritte des räumlich benachbarten Anordnens von zwei Endstücken der beiden Bandleiter (3a, 3b) und des Aufbringens der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht(15), so dass zwischen der Verbindungsschicht (15) und den beiden hochtemperatur-supraleitenden Schichten (9a, 9b) der beiden Bandleiter jeweils eine durchgehend supraleitende Kontaktfläche hergestellt wird.

Description

Beschreibung
Supraleitender Leiterverbund und Herstellungsverfahren Die vorliegende Erfindung betrifft einen supraleitenden Leiterverbund mit zwei supraleitenden Leitern und einem Verbindungsbereich mit einem durchgehend supraleitenden Kontakt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen solchen Leiterverbund.
Zur Erzeugung starker, homogener Magnetfelder werden vielfach supraleitende Spulen verwendet, die im Dauerkurzschlussstrom- Modus betrieben werden. Homogene Magnetfelder mit magnetischen Flussdichten zwischen 0.5 T und 20 T werden beispiels- weise für die magnetische Kernresonanz-Spektroskopie (NMR-
Spektroskopie) und für die Magnetresonanzbildgebung benötigt. Diese Magnete werden typischerweise über einen äußeren Stromkreis aufgeladen und dann von der äußeren Stromquelle getrennt, da in dem resultierenden Dauerkurzschlussstrom-Modus ein nahezu verlustfreier Stromfluss über die supraleitende Spule stattfindet. Das resultierende, starke Magnetfeld ist zeitlich besonders stabil, da es nicht von den Rauschbeiträ¬ gen eines äußeren Stromkreises beeinflusst wird. Bei Verwendung bekannter Wicklungstechniken werden ein oder mehrere supraleitende Drähte auf Tragkörper gewickelt, wobei unterschiedliche Drahtabschnitte über Drahtverbindungen mit möglichst kleinem ohmschen Widerstand oder über supraleitende Verbindungen miteinander kontaktiert werden. Für klassische Niedertemperatursupraleiter wie NbTi und NbsSn mit Sprungtemperaturen unterhalb von 23 K existieren Technologien zur Herstellung supraleitender Kontakte zur Verknüpfung von Drahtabschnitten und zur Verbindung der Wicklungen mit einem supraleitenden Dauerstromschalter. Der supraleitende Dauerstrom- Schalter ist dabei Teil des Stromkreises der Spule und wird zur Einspeisung eines äußeren Stromes durch Aufheizen in einen ohmsch leitenden Zustand versetzt. Nach Abschalten der Heizung und Herunterkühlen auf die Betriebstemperatur wird auch dieser Teil der Spule wieder supraleitend. Für den Be¬ trieb einer Magnetspule für Magnetresonanz-Untersuchungen im Dauerkurzschlussstrom-Modus werden supraleitende innere Kon¬ takte mit Kontaktwiderständen von höchstens 1 fOhm benötigt.
Für die Verbindung von supraleitenden Einzelspulen für Anwendungen in elektrischen Maschinen, beispielsweise für supraleitende Rotorwicklungen in Generatoren, sind die Anforderungen wesentlich geringer. Hier werden supraleitende Kontakte mit Kontaktwiderständen im Bereich unterhalb von 1 nOhm benötigt .
Hochtemperatursupraleiter oder auch Hoch-Tc-Supraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Kuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS- Materialien sind besonders attraktiv für die Herstellung von Magnetspulen für die NMR-Spektroskopie und die Magnetreso- nanzbildgebung, da manche Materialien hohe obere kritische Magnetfelder von über 20 T aufweisen. Durch die höheren kritischen Magnetfelder eignen sich die HTS-Materialien prinzipiell besser als die Niedertemperatursupraleiter zur Erzeugung hoher Magnetfelder von über beispielsweise 10 T. Auch für andere Anwendung ist die Verwendung von HTS-Materialien vorteilhaft, da der Aufwand für die Kühlung der Spulen auf die nötige Betriebstemperatur wesentlich geringer ist. Ein Problem bei der Herstellung von HTS-Magnetspulen ist das Fehlen von geeigneten Technologien zur Herstellung supraleitender HTS-Verbindungen, insbesondere für Hochtemperatursup¬ raleiter der zweiten Generation, sogenannte 2G-HTS. Ein Beispiel für 2G-HTS-Materialien bilden die Verbindungen des Typs REBa2Cu30x, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Solche 2G-HTS-Drähte liegen typischerweise in Form von flachen Bandleitern mit flächigen supraleitenden Schichten in einem mehrlagigen Schichtsystem vor. Wenn ohmsche Kontakte zwischen den supraleitenden Bandleitern eingefügt werden, können die Verluste in der Spule nicht mehr vernachlässigt werden, und das er¬ zeugte Magnetfeld fällt in einem Zeitraum von einigen Stunden oder Tagen merklich ab (vgl. „IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 12, No . 1, March 2002, Seiten 476 bis 479 und „IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 18, No. 2, June 2008, Seiten 953 bis 956). Bisher sind für 2G-HTS-Bandleiter nur Verbindungstechnologien bekannt, bei denen die supraleitenden Schichten verschiedener Leiterabschnitte über normalleitende Lote und typischerweise auch über wenigstens eine normalleitende Deck- oder Laminat¬ schicht verbunden werden. Ein derartiger Leiterverbund ist beispielsweise in der US 2010/0022396 AI offenbart, wobei mit den dort gezeigten Leiterverbunden Kontaktwiderstände im Bereich von bis zu etwa 3 yOhm erreicht werden. Es existieren keine Lotmaterialien aus Hochtemperatur-Supraleitern. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen supraleitenden Leiterverbund anzugeben, bei dem zwei supraleitende Bandleiter durchgehend supraleitend miteinander verbunden sind. Weitere Aufgabe der Erfindung sind, eine Spuleneinrich¬ tung mit einem solchen Leiterverbund und ein Herstellungsver- fahren für einen solchen Leiterverbund anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 angegebenen Leiterverbund, die in Anspruch 10 angegebene Spuleneinrichtung mit einem solchen Leiterverbund und das in Anspruch 11 ange- gebene Herstellungsverfahren für einen solchen Leiterverbund gelöst .
Der erfindungsgemäße supraleitende Leiterverbund umfasst zwei Bandleiter mit jeweils einer flächigen hochtemperatur-supra- leitenden Schicht und einen Verbindungsbereich mit einer hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht, die mit den beiden hochtemperatur-supraleitenden Schichten der beiden Bandleiter im Bereich ihrer Endstücke über jeweils eine Kontaktfläche durchgehend supraleitend verbunden ist.
Es wird also eine supraleitende Verbindungsschicht auf einem Teil der hochtemperatur-supraleitenden Schichten der beiden zu verbindenden Bandleiter aufgebracht, so dass diese beiden flächigen Schichten über ihrerseits flächige Kontakte supra¬ leitend verbunden werden. Vorteilhaft ist die supraleitende Verbindungsschicht wenigstens in einem Teilbereich eine epitaktische Schicht, die an die kristallographische Struktur von zumindest einer der hochtemperatur-supraleitenden Schichten der beiden Bandleiter angepasst ist. Besonders vorteil¬ haft ist sie in jeweils einem Teilbereich an die kristallog¬ raphische Struktur von beiden HTS-Schichten der beiden Band- leiter angepasst. Durch das flächige Aufbringen der Verbindungsschicht auf die HTS-Schichten der einzelnen Bandleiter und die Anpassung der Wachstumsstruktur an wenigstens eine dieser HTS-Schichten wird erreicht, dass ein durchgehend sup¬ raleitender Kontakt mit einem niedrigen Kontaktwiderstand ge- schaffen wird. Ein solcher Kontakt ermöglicht beispielsweise die Verbindung von mehreren Teilspulen zu einer Gesamtspule, wobei diese Verbindung entweder nach dem Wickeln der Teilspulen oder als Teilschritt zwischen den verschiedenen Wicklungsprozessen durchgeführt werden kann. Alternativ kann aber auch die Verbindung der Bandleiter vor dem Wickeln hergestellt werden, beispielsweise zu Herstellung eines langen, zusammengesetzten Bandleiters auf einer Vorratsspule.
Die erfindungsgemäße supraleitende Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine Spulenwicklung mit wenigstens einem erfin¬ dungsgemäßen supraleitenden Bandleiter. Der Vorteil einer solchen supraleitenden Spuleneinrichtung ist, dass sie aus mehreren Teilspulen und/oder aus mehreren Bandleiterabschnitten innerhalb einer Wicklung zusammengesetzt werden kann, oh- ne dass zusätzliche ohmsche Kontaktwiderstände eingeführt werden. Beispielsweise kann eine solche supraleitende Spulen¬ einrichtung eine Magnetspule für eine Magnetresonanz-Anwendung umfassen, oder die Spuleneinrichtung kann eine Spulen- einrichtung für eine elektrische Maschine, beispielsweise eine Rotorspule in einer Synchronmaschine sein.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines erfin- dungsgemäßen supraleitenden Leiterverbundes werden zwei Bandleiter mit jeweils einer flächigen hochtemperatur-supralei- tenden Schicht durch eine hochtemperatur-supraleitende Ver¬ bindungsschicht miteinander verbunden. Das Verfahren umfasst wenigstens die Schritte des räumlich benachbarten Anordnens von zwei Endstücken der beiden Bandleiter und des Aufbringens der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht, so dass zwischen der Verbindungsschicht und den beiden hochtempera¬ tur-supraleitenden Schichten der beiden Bandleiter jeweils eine durchgehend supraleitende Kontaktfläche geschaffen wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens er¬ geben sich analog zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Leiterverbundes. Insbesondere ist das Verfahren geeignet, supra¬ leitende Teilspulen oder Teilabschnitte von Wicklungen mitei- nander zu verbinden, ohne dass zusätzliche ohmsche Kontakte in eine solche Wicklung eingeführt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Leiterverbundes gehen aus den von Anspruch 1 ab- hängigen Ansprüchen hervor. So kann der supraleitende Leiterverbund zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Die hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht kann eine aus einer Lösung abgeschiedene Schicht sein. Insbesondere kann die Verbindungsschicht mit der sogenannten chemischen
Lösungsabscheidung (CSD) hergestellt sein, wie beispielsweise in „K. Knoth et al . , Current Opinion in Solid State and Mate¬ rials Science 10 (2006) 205-216" beschrieben. Bei einer sol¬ chen Abscheidung aus einer Lösung können epitaktische hoch- temperatur-supraleitende Schichten hergestellt werden, die in ihrer Kristallstruktur beispielsweise an eine darunterliegende hochtemperatur-supraleitende Schicht wenigstens eines der zu verbindenden Bandleiter angepasst sind. Beim CSD-Verfahren wird ein Ausgangsstoff für die zu bildende Schicht in einem Lösungsmittel gelöst auf den zu beschichtenden Bereich aufge¬ bracht. Nach dieser eigentlichen Beschichtung wird in einem oder mehreren Temperschritten das Lösungsmittel entfernt, und der Ausgangsstoff wird durch Kristallisation und/oder chemische Reaktion in die hochtemperatur-supraleitende Verbin¬ dungsschicht umgewandelt. Eine solche aus Lösung hergestellte Schicht unterscheidet sich in ihrer Wachstumsstruktur und in dem eventuellen Vorliegen von Lösungsmittelresten von einer mit physikalischen Beschichtungsmethoden und/oder unter Vakuum hergestellten supraleitenden Schicht. Die kristallographi- sche Struktur ist typischerweise weniger einheitlich und et¬ was weniger genau an die kristallographische Struktur der da¬ runterliegenden Schicht angepasst. Entsprechend weisen aus Lösung abgeschiedene hochtemperatur-supraleitende Schichten auch oft etwas niedrige Stromtragfähigkeiten auf als durch Beschichtung im Vakuum hergestellte Schichten. Für die Herstellung von supraleitenden Kontakten zu Verbindung von Bandleitersegmenten und/oder Teilspulen ist die Stromtragfähig- keit und die Qualität der Verbindungsschicht jedoch trotzdem ausreichend. Ein Vorteil einer Abscheidung der supraleitenden Verbindungsschicht aus Lösung ist die Tatsache, dass bei einer solchen Abscheidung die Qualität der entstehenden epitaktischen Schicht weniger empfindlich von vorliegenden Störstellen abhängt. So kann der Übergang von einem Bandleiter zum benachbarten Bandleiter auch als eine makroskopische Störstelle angesehen werden, deren Auswirkung durch die Abscheidung der Verbindungsschicht aus der Lösung reduziert wird. Eine leichte Fehlanpassung der Kristallstruktur von be- nachbart angeordneten, zu verbindenden supraleitenden Schichten wird durch eine aus Lösung abgeschiedene Verbindungs¬ schicht besonders gut ausgeglichen und überbrückt.
Alternativ kann die hochtemperatur-supraleitende Verbindungs- schicht jedoch auch unter Vakuum durch ein physikalisches Be- schichtungsverfahren, durch Laserabscheidung oder durch chemische Dampfphasenabscheidung hergestellt werden. Die beiden Bandleiter können durch die supraleitende Verbindungsschicht über einen Kontaktwiderstand von höchstens 1 nOhm, besonders vorteilhaft höchstens 1 pOhm elektrisch mit¬ einander verbunden sein. Ein derartiger Kontaktwiderstand ist ausreichend für die Verbindung von supraleitenden Teilspulen für Anwendungen im Energietechnik-Bereich, beispielsweise für eine zusammengesetzte supraleitende Rotorspule in einem Gene¬ rator. Besonders vorteilhaft liegt der Kontaktwiderstand so¬ gar bei höchstens 1 fOhm. Ein derartiger Kontaktwiderstand ist Voraussetzung dafür, um aus Teilspulen zusammengesetzte supraleitende Spulen als Magnetspulen im Dauerkurzschluss¬ strom-Modus für Magnetresonanz-Anwendungen einzusetzen. Der Wert des sich insgesamt ergebenden Kontaktwiderstands hängt entscheidend von der Qualität der Verbindungsschicht, insbe- sondere der Qualität eines epitaktischen Wachstums auf einer darunterliegenden supraleitenden Schicht und von der Reinheit der Verbindungsschicht ab.
Die flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schichten der beiden Bandleiter und/oder die hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht können von einer normalleitenden, insbesondere einer metallischen normalleitenden Schicht bedeckt sein. So können die Bandleiter auf ihrer supraleitenden
Schicht eine oder mehrere metallische Deckschichten aus bei- spielsweise Silber und/oder Kupfer umfassen. Es kann sich hierbei um aufgedampfte, gesputterte und/oder auflaminierte Schichten handeln. Vorteilhaft werden diese Deckschichten im Verbindungsbereich von den supraleitenden Schichten entfernt, so dass die Verbindungsschicht direkt auf die jeweilige sup- raleitende Schicht aufgebracht werden kann. Auch die supra¬ leitende Verbindungsschicht kann nach ihrer Aufbringung wie¬ der mit einer neuen normalleitenden Deckschicht versehen werden, die beispielsweise die normalleitenden Deckschichten der einzelnen Bandleiter normalleitend verbindet. Eine solche durchgehend normalleitende Schicht kann beispielsweise bei einem Zusammenbruch der Supraleitung durch Überschreitung der kritischen Stromdichte oder der Sprungtemperatur den Strom der Spule tragen. Die beiden Bandleiter können im Verbindungsbereich mit einer Halterung, insbesondere einer Klammer oder Muffe, mechanisch miteinander fixiert sein. Eine solche Fixierung ist zweckmä- ßig, wenn die mechanische Festigkeit der Verbindungsschicht und eventuell darüber liegender normalleitender Deckschichten nicht ausreicht, den mechanischen Anforderungen, beispielsweise beim Einsatz in einer rotierenden Spule oder bei Einwirkung hoher Lorentzkräfte gerecht zu werden. Die beiden Bandleiter können in diesem Bereich auch vergossen oder miteinander verklebt werden.
Es ist auch möglich, die beiden Bandleiter nur während der Herstellung der Verbindungsstruktur mit einer Halterung me- chanisch zu fixieren und diese Halterung vor Fertigstellung einer Spulenwicklung wieder zu entfernen, damit kein zu hoher Platzbedarf durch die Verbindung entsteht.
Der Leiterverbund kann im Verbindungsbereich eine Dicke von höchstens dem Vierfachen der mittleren Dicke der einzelnen
Bandleiter aufweisen. Besonders vorteilhaft weist der Leiterverbund im Verbindungsbereich eine Dicke von höchstens dem Doppelten der einzelnen Leiterdicke auf. Dies ist deswegen vorteilhaft, weil dann der Platzbedarf durch die Verbindung nicht übermäßig erhöht wird und die Symmetrie einer Spulen¬ wicklung durch die Verbindungsstelle nicht zu stark gestört wird. Gerade im Bereich der Magnetspulen für Magnetresonanzanwendungen ist es wichtig, dass einzelne Leitersegmente nicht zu viel Platz beanspruchen, da insgesamt sehr hohe lo- kale Stromdichten benötigt werden.
Die beiden Bandleiter können im Verbindungsbereich mit ihren Stirnseiten direkt benachbart angeordnet sein. Insbesondere können sie in einer Ebene angeordnet sein und sich im Bereich ihrer Stirnflächen möglichst weitgehend berühren. Ihre beiden Oberseiten bilden dann im Wesentlichen eine durchgehende Fläche, auf der die Verbindungsschicht als eine planare Schicht aufgebracht werden kann. Die Stirnseiten können von Flächen begrenzt sein, die senkrecht zu der Längsrichtung der einzel¬ nen Bandleiter liegen, was zu einer relativ kleinen Berührungsfläche führt. Alternativ können die Stirnseiten auch im Vergleich zur Längsrichtung der Bandleiter angeschrägt sein, so dass die Verbindungsfläche der beiden Kanten erhöht ist.
In einer alternativen Ausgestaltung können die beiden Bandleiter in wenigstens einem Teil des Verbindungsbereichs flä¬ chig überlappend angeordnet sein. Vorteilhaft liegen dabei die supraleitenden Schichten der beiden Bandleiter vor Aufbringen der Verbindungsschicht offen, und die beiden Bandlei¬ ter weisen bezüglich der Seite der supraleitenden Schicht auf dem Substrat die gleiche Orientierung auf. Somit entsteht durch die übereinanderliegenden Bandleiter eine Stufe, die von der Verbindungsschicht überbrückt werden kann. Vorteil¬ haft kann wenigstens eines der Substrate im Verbindungsbe¬ reich durch Nachbearbeitung gedünnt sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfin- dungsgemäßen Herstellungsverfahrens gehen aus den von An¬ spruch 11 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann das Verfahren zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Das Aufbringen der hochtemperatur-supraleitenden Verbindung- schicht kann durch eine Abscheidung aus Lösung erfolgen. Die Vorteile ergeben sich analog zu der entsprechenden Ausführungsform für den oben beschriebenen Leiterverbund. Die Lösung kann dabei eine wässrige Lösung sein, sie kann ein organisches Lösungsmittel umfassen und/oder es kann ein Gemisch mehrerer Lösungsmittel vorliegen. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Alkohole wie Methanol oder Gemische aus Wasser und Alkoholen.
Die Herstellung der hochtemperatur-supraleitenden Verbin- dungsschicht kann bei einem Druck oberhalb von 0.5 bar erfol¬ gen. Diese Ausführungsform ist vor allem in Verbindung mit einer Abscheidung der Verbindungsschicht aus Lösung zweckmä¬ ßig. Es ist ein Vorteil des Abscheidungsverfahrens aus Lö- sung, dass nicht im Vakuum gearbeitet werden muss, sondern dass ein Umgebungsdruck in der Nähe des Atmosphärendrucks vorliegen kann. Dadurch, dass keine Vakuum- oder Hochvakuumumgebung für den Abscheidungsprozess benötigt wird, ist das Herstellungsverfahren aus Lösung apparativ wesentlich weniger aufwendig als andere Verfahren. Es werden keine Schleusen- und Pumpvorgänge benötigt, so dass das Herstellungsverfahren besonders geeignet ist, um Verbindungen von Bandleitersegmenten während des Wickeins einer Spule herzustellen und/oder um große fertige Teilspulen zu einer Gesamtspule zu verbinden.
Bei der Aufbringung der Verbindungsschicht kann die umgebende Atmosphäre Sauerstoff, Stickstoff und/oder Wasserdampf ent¬ halten .
Das Aufbringen der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht kann die Abscheidung eines Ausgangsstoffs aus einer Lösung und die anschließende Bildung der hochtemperatur- supraleitenden Schicht aus diesem Ausgangsstoff umfassen. Ein solcher Ausgangsstoff kann beispielsweise eine Matrix eines gemischten Yttrium-Barium-Oxifluorids mit eingelagerten CuO- Nanokristalliten sein. Eine Lösung zur Abscheidung einer solchen Matrix kann beispielsweise nach einem der in „K. Knoth et al . , Current Opinion in Solid State and Materials Science 10 (2006) 205-216" beschriebenen Verfahren hergestellt wer¬ den. Dies sind insbesondere das Sol-Gel-Verfahren, der
Nitratprozess , der Pechini-Prozess , der Zitrat-Prozess oder der besonders vorteilhafte Trifluoroacetat-Prozess . Die anschließende Bildung der hochtemperatur-supraleitenden
Schicht aus diesem Ausgangsstoff kann einen oder mehrere Tem¬ peraturschritte umfassen. Beispielsweise kann zunächst in ei¬ nem ersten Temperschritt mit einer Temperatur zwischen 300°C und 600°C ein großer Teil des Lösungsmittels und eventuell weiterer vorliegender organischer Verbindungen entfernt werden. Dann kann beispielsweise in einem zweiten Temperaturschritt zwischen 600°C und 1200°C die Kristallisation der eigentlichen supraleitenden Verbindungsschicht erfolgen, wo- durch eine epitaktische Schicht auf einer darunterliegenden supraleitenden Schicht eines Bandleiters entstehen kann.
Der in Lösung vorliegende Ausgangsstoff kann vorteilhaft durch ein Tintenstrahlverfahren, ein Aufsprühverfahren, ein Rakelverfahren, ein Siebdruckverfahren, ein Eintauchverfahren und/oder ein Kippverfahren hergestellt werden. Insbesondere das kontinuierliche Tintenstrahlverfahren stellt hier eine einfache Methode zur Abscheidung wohldefinierter Schichten mit vorgegebener, gleichmäßiger Schichtdicke und unter guter Materialausnutzung dar. Vorteilhafte Schichtdicken der Verbindungsschicht liegen zwischen 200 nm und 20 ym. Dabei kön¬ nen Schichtdicken im oberen Teil dieses Bereichs auch durch mehrmaliges Abscheiden aus der Lösung hergestellt werden. Be- sonders vorteilhaft kann die Schichtdicke der Verbindungs¬ schicht auch bis zu zehnmal höher sein als die Schichtdicken der supraleitenden Schichten der zu verbindenden Bandleiter. Dies kann bewirken, dass beispielsweise eine niedrigere
Stromtragfähigkeit einer aus einer Lösung abgeschiedenen Ver- bindungsschicht durch die höhere Schichtdicke ausgeglichen wird .
Sind die zu verbindenden Bandleiter mit einer Deckschicht auf der jeweiligen supraleitenden Schicht versehen, so kann das Herstellungsverfahren auch die Entfernung dieser Deckschicht im Bereich der Endstücke, also im zukünftigen Verbindungsbe¬ reich, umfassen. Diese Entfernung kann beispielsweise mittels chemischem Ätzen und/oder Ionenstrahlätzen erfolgen. Das Herstellungsverfahren kann auch ein Aufbringen einer weiteren Deckschicht über der Verbindungsschicht umfassen. Deckschich¬ ten können beispielsweise normalleitende Schichten aus Silber und/oder Kupfer sein. Es kann sich dabei vorteilhaft um Laminatschichten handeln. Die zu verbindenden Bandleiter können unterhalb ihrer supraleitenden Schichten sogenannte Pufferschichten umfassen, deren kristallographische Struktur eine Wachstumsstruktur für die folgende supraleitende Schicht vorgibt. Entsprechend kann auch wenigstens in einem Teil des Verbindungsbereichs unter¬ halb der supraleitenden Verbindungsschicht eine Pufferschicht aufgebracht werden. Auch diese Pufferschicht kann vorteilhaft aus einer Lösung abgeschieden werden. Es ist jedoch ein prinzipieller Vorteil der Aufbringung der supraleitenden Verbindungsschicht aus Lösung direkt auf den anderen supraleitenden Schichten, dass die Aufbringung einer neuen Pufferschicht nicht nötig ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, von denen
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines supraleitenden
Leiterverbundes nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt und
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt eines supraleitenden
Leiterverbundes nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Leiterverbundes 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt sind zwei Bandleiter 3a und 3b, die jeweils eine flä- chige hochtemperatur-supraleitende Schicht 9a, 9b umfassen.
Der Schichtaufbau ist für beide Bandleiter 3a, 3b schematisch dargestellt: So umfasst jeder der Bandleiter 3a, 3b weiterhin ein Substrat 5a, 5b, eine zwischen Substrat 5a, 5b und Supra¬ leitungsschicht 9a, 9b angeordnete Pufferschicht 7a, 7b und eine über der Supraleitungsschicht 9a, 9b angeordnete Deck¬ schicht IIa, IIb. Das Substrat 5a, 5b ist hier jeweils ein 50 ym dickes Trägerband aus einer Nickel-Wolfram-Legierung. Alternativ sind auch Stahlbänder oder Bänder aus einer Legierung wie z.B. Hastelloy verwendbar. Über dem Substrat 5a, 5b ist jeweils eine 0.5 ym dicke Pufferschicht 7a, 7b angeord¬ net, die die oxidischen Materialien Ce02 und Y2O3 enthält. Da¬ rüber folgt die eigentliche supraleitende Schicht 9a, 9b, hier jeweils eine 1 ym dicke Schicht aus YBa2Cu30x, die wiede- rum mit einer 20 ym dicken Deckschicht IIa, IIb aus Kupfer abgedeckt ist. Alternativ zu dem Material YBa2Cu30x können auch die entsprechenden Verbindungen REBa2Cu30x anderer seltener Erden RE verwendet werden. Die Pufferschichten 7a und 7b dienen als strukturvermittelnde Wachstumsgrundlage für die darauf abgeschiedenen supraleitenden Schichten 9a und 9b. Die Deckschichten IIa und IIb aus Kupfer dienen als normal¬ leitende Stromtransportschichten, die bei einem eventuellen Zusammenbruch der supraleitenden Eigenschaften den Strom- transport durch ihre ohmsche Leitfähigkeit übernehmen können.
Im Leiterverbund 1 sind die beiden Bandleiter 3a und 3b gleich dick und im Bereich ihrer Endstücke in einer Ebene angeordnet. Sie sind so angeordnet, dass sich ihre Stirnflächen 23a und 23b möglichst großflächig berühren. Die Oberflächen ihrer supraleitenden Schichten 9a und 9b bilden dann im Rahmen der Positionierungsgenauigkeit eine durchgehende ebene Oberfläche . Der Leiterverbund 1 weist einen Verbindungsbereich 13 auf, in dem die Deckschichten IIa und IIb beispielsweise durch reak¬ tives Ionenätzen von den supraleitenden Schichten 9a und 9b entfernt sind. Anschließend wird auf den freiliegenden Berei¬ chen der supraleitenden Schichten 9a und 9b eine etwa 1 ym dicke supraleitende Verbindungsschicht 15 aus einer Lösung abgeschieden. In diesem Beispiel ist die Verbindungsschicht 15 eine Schicht aus YBa2Cu30x, die durch thermische Behandlung einer aus Lösung abgeschiedenen Matrix von CuO-Nanokri- stalliten in einem gemischten Yttrium-Barium-Oxifluorids er- zeugt wird. Diese Matrix wird hier aus einer wässrig-methano- lischen Lösung mit Hilfe eines Tintenstrahlprozesses abge¬ schieden. Die Lösung wird dabei nach dem Trifluoroacetat- Prozess hergestellt. Nach Aufbringen der Schicht wird durch thermische Behandlung bei bis zu etwa 850°C das Lösungsmittel weitgehend entfernt, und es wird eine Schicht von epitak¬ tischem YBa2Cu30x aus der flüssigen Phase auskristallisiert. Dabei werden vor allem Wasser, Methanol und HF abgedampft. Durch einen weiteren Temperschritt unter einer Sauerstoff- atmospäre wird ein geeigneter Dotiergrad der supraleitenden Verbindungsschicht erreicht.
Die supraleitende Verbindungsschicht 15 weist zu jeder der beiden supraleitenden Schichten 9a, 9b der beiden Bandleiter 3a, 3b einen flächigen, supraleitenden Kontakt auf. Sie ist durch ihr epitaktisches Wachstum an die Kristallstruktur beider Schichten 9a, 9b angepasst und gleicht eventuell vorlie¬ gende Abweichungen in deren Kristallstrukturen aus. Auch wenn die Verbindungsschicht 15 eine geringere Stromtragfähigkeit aufweist als die beiden zu verbindenden Supraleitungsschichten 9a und 9b, so ist die Stromtragfähigkeit trotzdem ausrei¬ chend, um eine durchgehend supraleitende Verbindung unterhalb von 1 nOhm zu schaffen. Bei einer optimierten Anpassung der Kristallstrukturen der beiden zu verbindenden Supraleitungsschichten und bei der Wahl ausreichend großer Schichtdicken und Kontaktflächen können auch Kontaktwiderstände unterhalb von 1 fOhm erreicht werden, die einen Einsatz solcher Strukturen in Magnetspulen für Magnetresonanzanwendungen ermögli- chen. Hierzu kann beispielsweise die Länge des Verbindungsbe¬ reichs 13 das Ein- bis Fünffache der mittleren Breite der je¬ weiligen Bandleiter 3a, 3b betragen. Im gezeigten Beispiel liegt die Breite der Bandleiter 3a, 3b bei jeweils 5 mm, und die Länge der Verbindungsschicht liegt bei 10 mm.
Im gezeigten Beispiel sind die beiden Bandleiter 3a und 3b durch eine Halterung 17 gegeneinander fixiert, deren unterer Teil in Fig. schematisch dargestellt ist. Diese Halterung kann die Form einer Muffe aufweisen und die beiden Bandleiter auch seitlich miteinander fixieren. Sie erleichtert die
Justage der Stirnseiten 23a und 23b, so dass eine möglichst große Berührungsfläche und eine möglichst einheitliche Ober¬ fläche der Oberseiten der supraleitenden Schichten erreicht werden kann. Oberhalb der supraleitenden Verbindungsschicht 15 ist schließlich eine weitere metallische Deckschicht 11c aufgebracht, die die Deckschichten IIa und IIb der einzelnen Bandleiter normalleitend miteinander verbindet. Diese dritte Deckschicht 11c kann eine laminierte Schicht aus einem Kup¬ ferband sein.
Die Dicke des Leiterverbundes 21 ist im gezeigten Beispiel auch im Verbindungsbereich 13 nicht größer als das Doppelte der Dicke der einzelnen Bandleiter 3a, 3b. Dies wird durch die platzsparende Ausgestaltung der Halterung 17, der Verbindungsschicht 15 und der dritten Deckschicht 11c sicherge¬ stellt .
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Leiterverbundes 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfin¬ dung. Auch hier sind zwei Bandleiter 3a und 3b durch eine supraleitende Verbindungsschicht 15 in einem Verbindungsbe- reich 13 durchgehend supraleitend miteinander verbunden. Die Bandleiter 3a und 3b sind dabei jeweils ähnlich aufgebaut wie im ersten Ausführungsbeispiel. In einem Teil des Verbindungs¬ bereichs 13 überlappen die beiden Bandleiter 3a und 3b flächig, so dass die Verbindungsschicht 15 eine Stufe von der Höhe des Bandleiters 3a in diesem Bereich überwinden muss.
Zur Verringerung der zu überwindenden Stufenhöhe ist das Substrat 5a des Bandleiters 3a von einer ursprünglichen Dicke von 50 ym im Bereich des Endstücks auf eine Dicke von nur 20 ym durch Abschleifen gedünnt worden. Die Verbindungsschicht 15 muss also nur eine Stufenhöhe von etwas mehr als 20 ym überwinden, da sich die Stufenhöhe aus Dicke des Substrats 5a, der Pufferschicht 7a und der supraleitenden Schicht 9a zusammensetzt. In diesem Beispiel wird die supraleitende Ver¬ bindungsschicht 15 daher mit einer mittleren Schichtdicke von etwa 20 ym durch mehrere nacheinander erfolgende Abscheidun- gen aus Lösung aufgebracht. Das Abscheidungsverfahren aus Lösung trägt dazu bei, dass die scharfe Kontur der Stufe ausge¬ glichen wird und eine etwas abgerundete Oberfläche der Ver¬ bindungsschicht 15 bei einer etwas variablen Schichtdicke entsteht. Durch den Ausgleich der Stufe ist es möglich, dass die Qualität der Verbindungsschicht 15 nicht überall gleich gut ist. Insbesondere kann die Stromtragfähigkeit im inneren Winkel der Stufe etwas niedriger sein, da die Morphologie der Verbindungsschicht 15 hier möglicherweise weniger gut ist. Allerdings muss die Verbindungsschicht 15 auch keine über die ganze Schichtdicke gleich gute Qualität aufweisen, es kommt nur darauf an, dass ein durchgehend supraleitender Pfad ge- bildet wird, der die Anforderungen an den Kontaktwiderstand für die jeweilige Anwendung erfüllt. Der Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels mit teilweise überlappenden Bandleitern 3a und 3b ist, dass die Positionierung der beiden Bandleiter im Verbindungsbereich 13 einfacher ist, und die entstehende Verbindung mechanisch etwas belastbarer ist. Zusätzlich kann jedoch auch bei dieser Ausführungsform eine hier nicht gezeigte Halterung eingesetzt werden, um die beiden miteinander zu verbindenden oder verbundenen Bandleiter leichter zu Positionieren und mechanisch zu fixieren. Auch in diesem Beispiel ist auf der supraleitenden Verbindungsschicht wieder eine normalleitende Schicht 11c aufgebracht. Insgesamt ist auch im zweiten Ausführungsbeispiel die Gesamtdicke 21 des Leiterver¬ bundes 1 im Verbindungsbereich 13 nicht höher als das Doppel¬ te der Dicke 19 eines einzelnen Bandleiters 3a, 3b. Dies wird vorteilhaft durch das Dünnen von wenigstens einem der Band¬ leiter 3a im Bereich der Verbindung erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Supraleitender Leiterverbund (1), umfassend
- zwei Bandleiter (3a, 3b) mit jeweils einer flächigen hoch- temperatur-supraleitenden Schicht (9a, 9b) und
- einen Verbindungsbereich (13) mit einer hochtemperatur- supraleitenden Verbindungsschicht (15), die mit den beiden hochtemperatur-supraleitenden Schichten (9a, 9b) der beiden Bandleiter (3a, 3b) im Bereich ihrer Endstücke über jeweils eine Kontaktfläche durchgehend supraleitend verbunden ist.
2. Supraleitender Leiterverbund (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperatur-supraleitende Verbin¬ dungsschicht (15) eine aus einer Lösung abgeschiedene Schicht ist.
3. Supraleitender Leiterverbund (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die beiden Bandleiter (3a, 3b) durch die Verbindungsschicht (15) über einen Kontaktwiderstand von ins- gesamt höchstens 1 nOhm elektrisch miteinander verbunden sind .
4. Supraleitender Leiterverbund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schichten (9a, 9b) der beiden
Bandleiter (3a, 3b) und/oder die hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht (15) ein supraleitendes Material der zwei¬ ten Generation, insbesondere REBa2Cu30x umfassen .
5. Supraleitender Leiterverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen hoch¬ temperatur-supraleitenden Schichten (9a, 9b) der beiden Bandleiter (3a, 3b) und/oder die hochtemperatur-supraleitende Verbindungsschicht (15) von einer normalleitenden, insbeson- dere einer metallischen normalleitenden Schicht (IIa, IIb, 11c) bedeckt sind.
6. Supraleitender Leiterverbund (1) nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, bei dem die beiden Bandleiter (3a, 3b) im Verbindungsbereich (13) mit einer Halterung (17), insbesondere einer Muffe oder Klammer, mechanisch miteinander fixiert sind.
7. Supraleitender Leiterverbund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der im Verbindungsbereich eine Dicke (21) von höchstens dem Vierfachen der mittleren Dicke (19) der einzelnen Bandleiter (3a, 3b) aufweist.
8. Supraleitender Leiterverbund (1) nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bandleiter (3a, 3b) im Verbindungsbereich (13) mit ihren Stirnseiten (23a, 23b) direkt benachbart angeordnet sind.
9. Supraleitender Leiterverbund (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bandleiter (3a, 3b) in wenigstens einem Teil des Verbindungsbereichs (13) flächig überlappend angeordnet sind.
10. Supraleitende Spuleneinrichtung, umfassend wenigstens eine Spulenwicklung mit wenigstens einem supraleitenden Leiterverbund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Leiterverbundes (1) durch Verbinden zweier Bandleiter (3a, 3b) mit jeweils einer flächigen hochtemperatur-supraleitenden Schicht (9a, 9b) durch eine hochtemperatur-supraleitende Verbindungs- schicht (15), umfassend wenigstens die Schritte:
- räumlich benachbartes Anordnen von zwei Endstücken der beiden Bandleiter (3a, 3b) ,
- Aufbringen der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht (15), so dass zwischen der Verbindungsschicht (15) und den beiden hochtemperatur-supraleitenden Schichten (9a, 9b) der beiden Bandleiter (3a, 3b) jeweils eine durchgehend supraleitende Kontaktfläche hergestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Aufbringen der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht (15) durch eine Abscheidung aus einer Lösung erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei dem die Herstellung der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht (15) bei einem Druck oberhalb von 0.5 bar er¬ folgt .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Aufbringen der hochtemperatur-supraleitenden Verbindungsschicht (15) die Abscheidung eines Ausgangsstoffs aus einer Lösung und die anschließende Bildung der hochtemperatur- supraleitenden Schicht (15) aus diesem Ausgangsstoff umfasst.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der in Lösung vorliegende Ausgangsstoff durch ein Tintenstrahlverfahren, ein Aufsprühverfahren, ein Rakelverfahren, ein Siebdruckverfahren, ein Eintauchverfahren und/oder ein Kippverfahren abge- schieden wird.
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