WO2016062566A1 - Supraleitendes leiterelement und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2016062566A1
WO2016062566A1 PCT/EP2015/073530 EP2015073530W WO2016062566A1 WO 2016062566 A1 WO2016062566 A1 WO 2016062566A1 EP 2015073530 W EP2015073530 W EP 2015073530W WO 2016062566 A1 WO2016062566 A1 WO 2016062566A1
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superconducting
layer
conductor element
groove
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PCT/EP2015/073530
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Tabea Arndt
Stefan Denneler
Marijn Pieter Oomen
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/20—Permanent superconducting devices
    • H10N60/202—Permanent superconducting devices comprising metal borides, e.g. MgB2
    • 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
    • H10N60/0856—Manufacture or treatment of devices comprising metal borides, e.g. MgB2

Definitions

  • the invention relates to a superconducting conductor element with a substrate and with at least one superconducting
  • the invention relates to a method for producing such a conductor element.
  • superconducting stripline be ⁇ known, which are typically formed by depositing a Schichtsta ⁇ pels of non-conductive, conductive, metal and superconducting layers on a usually metallic substrate tape.
  • oxide ceramic superconductors are used, for example, ⁇ materials of the type REBa 2 Cu30 x , where RE is an Ele ⁇ ment of rare earth or a mixture of such elements.
  • the superconducting layer of the stripline can also contain other materials, such as
  • DE 10 2010 031 741 B4 discloses a method for producing superconducting layers on strip-shaped substrates, in which a layer of magnesium diboride is deposited in a continuous process by means of aerosol deposition. With this method, the deposition of superconductive layers is made possible with a relatively simple and inexpensive process, and long superconducting conductor elements can be produced.
  • Magnesium diboride also on non-band-shaped substrates.
  • a disadvantage of the known strip conductors with such superconducting layers made of magnesium diboride is that these layers are relatively brittle and have a low mechanical strength ⁇ cal. Upon contact or following Consequently, the superconductive layer can be damaged relatively easily.
  • the Magnesiumdiborid- layer can be suction ⁇ covered by a subsequent protective layer, but nevertheless the layer forms a mechanical see weakness in the resulting composite conductor.
  • the full-surface superconducting layer can be easily damaged ⁇ and, for example, over a large area of the substrate and / or the directly adjacent layers.
  • the object of the invention is therefore to provide a superconducting Lei ⁇ terelement which the disadvantages mentioned vermei ⁇ det.
  • a superconducting conductor element should be specified with a higher mechanical strength.
  • Another object of the invention is to provide a method for producing such a conductor element.
  • the superconductive conductor element according to the invention comprises a substrate and at least one superconducting layer.
  • the sub strate ⁇ has at least one groove having a directional components along a longitudinal direction of the conductor member, wherein the superconducting layer is on ⁇ embeds in the at least one groove.
  • the superconducting layer in a groove mechanically significantly more stable and resilient.
  • the superconducting layer is expediently not formed on the surface of the substrate over the entire surface.
  • the superconducting layer is significantly less susceptible to a large area due to this design
  • the superconductive layer is less susceptible to delamination from further adjacent layers, such as one optional existing the superconducting layer covering the protective layer or optionally arranged between the substrate and a superconducting layer ⁇ intermediate layer.
  • ⁇ A embedding the superconducting layer in a groove of the substrate can be achieved in particular in that the superconductive layer is mechanically protected at their lateral boundary surfaces.
  • the superconducting layer is laterally less expanded than the width of the substrate by the arrangement in a groove. As a result, the substrate can absorb a portion of the shear forces and / or tensile stresses, whereby the superconducting layer is better protected.
  • the grooves have a directional component in the longitudinal direction of the conductor element, so that the sup ⁇ ra decisionsde layer formed in the grooves can expediently conduct the current in said longitudinal Rich ⁇ processing of the strip conductor.
  • the grooves need not extend exactly parallel to the longitudinal direction of the Bandlei ⁇ ters, but it is sufficient a directional component in the longitudinal direction to enable a higher-level current flow in this direction.
  • the inventive method serves for the production of a superconducting conductor element having a substrate andarguess- least a superconducting layer, wherein the substrate has a groove little ⁇ least with a directional component along a longitudinal direction of the conductor element.
  • a superconducting material in the at least one groove is deposited into the Bil ⁇ dung of the superconducting layer.
  • the advantages of the method according to the invention result analogously to the advantages of the erfindungsge ⁇ MAESSEN conductor element described above.
  • the deposition of a material mixture is intended to be understood in the groove, wherein the superconducting material is then only after the actual deposition step of this material mixture can form, for example by a post-treatment, in particular a thermal aftertreatment.
  • the described embodiments of the conductor element and the manufacturing process can general ⁇ my be advantageously combined.
  • the substrate may be a belt-shaped substrate.
  • geometrically well-defined planar superconducting layers can be brought on ⁇ in a particularly simple manner.
  • flat coils can be produced from multilayer windings of such band-shaped conductor elements.
  • the cross-sectional form of a sol ⁇ chen tape-shaped substrate may for example be a flat rectangle or a flat rectangle with rounded corners.
  • the substrate of the conductor member can however prin ⁇ zipiell also have other cross-sectional shapes than a flat rectangle.
  • the cross-sectional shape of the substrate may be, for example, square or round, in which case, in particular, grooves may be located on all sides of the outer surface.
  • a superconducting layer can then be applied, in particular in all of these grooves.
  • Particularly advantageous is a square or round tubular substrate, which has on the outside grooves for the superconducting layer and on the inside has a cavity for the transport of a coolant.
  • the superconductive layer may comprise magnesium diboride.
  • Be ⁇ Sonders advantageously, the superconducting layer can have as a main ingredient magnesium diboride ⁇ or even in the materiality consist of magnesium diboride.
  • Magnesium diboride has a transition temperature of about 39 K and thus applies as a high-temperature superconductor.
  • the conductor element can therefore be operated at a comparatively high operating temperature for superconductors.
  • advantageously comparatively ⁇ as high critical current densities and / or high critical magnetic fields can be achieved with such a material.
  • Superconducting layers of or with magnesium diboride can continue to be produced comparatively inexpensively.
  • the superconducting layer may be a layer deposited by means of aerosol deposition.
  • an aerosol deposition is to be understood as meaning the deposition of a layer from an aerosol, that is to say from a dispersion of solid particles in a gas.
  • a starting material of the superconductive layer may be present as a powder dispersed in a gas.
  • Such a layer deposited from a powder aerosol can easily be distinguished from the layer structure of the underlying powder by layers from other previously known coating processes, such as, for example, physical or chemical vapor deposition.
  • Such an aerosol-deposited layer can advantageously be deposited particularly easily in relatively high layer thicknesses.
  • the layer thickness of the superconducting layer is advantageously at least 1 ⁇ m, particularly advantageously at least 10 ⁇ m.
  • the deposition of a layer containing magnesium diboride is particularly well possible from a powder aerosol.
  • the powder dispersed in the aerosol and serving as the starting material can either be used as a
  • Magnesium diboride or as a powder mixture of elemental magnesium and boron or as a mixture of all three components magnesium diboride, magnesium and boron.
  • Magnesium diboride in defined layers of, for example 1 ym up to 1000 ym. Such layers un ⁇ differ geometrically from the grundsumblelich by the conventional so-called "Powder in Tube” (PIT) method conductors produced.
  • PIT Powder in Tube
  • Magnesiumdiborid- conductor is a planar layer that bringsschie ⁇ can be a pre-patterned by the Wenig ⁇ least a groove carrier substrate so that the groove is filled with the superconducting layer.
  • the completeness be filled ⁇ dig at least one groove advantageously with the superconducting layer.
  • the superconducting layer may also be embedded in the at least one groove such that the groove is filled with the superconducting layer only in a partial area of its depth.
  • the groove may, for example, be filled to at least 70% of its depth, particularly advantageously to at least 90% of its depth, with the superconducting layer.
  • the regions of the substrate extending adjacent to the at least one groove may be free of the superconducting layer. To achieve this, these areas can also be subsequently freed from the superconducting material when using a planar coating method (such as the aerosol deposition).
  • an exposure of the adjacent to the grooves extending portions of the substrate is particularly advantageous ⁇ , since then only locates in the at least one groove a geometrically defined extending conductor remains.
  • the superconducting layer can also be protected particularly effectively by a protective layer covering it. After exposing the areas adjacent to the grooves, these areas can advantageously be Together with the surface of the superconducting layer together form a substantially planar surface.
  • the superconducting layer may be covered by a protective layer on a side facing away from the substrate.
  • this protective layer can be a flat
  • the conductor element covered over its entire width.
  • the protection layer may be advantageous ⁇ adhesive adhere to the substrate or to a substrate covering the intermediate layer.
  • the supralei ⁇ tend layer may be protected on all sides of their cross section against äuße ⁇ re environmental influences then, since it is embedded in the groove of the substrate and is completely covered by the protective layer at the top.
  • a protective layer may advantageously be an electrically normallei ⁇ tendes material used, for example, stainless steel, copper or a copper-containing material.
  • Such Ma ⁇ TERIAL can advantageously contribute to the electrical stabilization of the superconductor and its contact to the conductor ends.
  • the conductive element can be configured as a multi-filament, wherein the superconducting layer is divided into at least meh ⁇ eral filaments which are embedded in a plurality of grooves ⁇ inserted.
  • a filament can be embedded in each case a groove.
  • the individual filaments can be clearly defined and geometrically separated.
  • the conductor element can be made mechanically particularly stable, since each individual filament is mechanically protected from several sides by the embedding in a separate groove. Large-area delamination of the superconducting layer from the substrate or from adjacent layers can thus be effectively avoided. Furthermore, as a multifilament conductor, electrical losses can also be reduced.
  • the conductive element can include a plurality of superconducting layers on ⁇ , which are each embedded in at least one groove. Relative to the height of the layer stack of the conductor element, the superconducting material can therefore exist in at least two different layers ⁇ ver. In this case, in particular, each of these layers may each have a plurality of filaments.
  • a filament of a first superconducting layer having at least one filament of a second supralei ⁇ Tenden layer can be electrically conductively connected at least.
  • these filaments can be connected to one another in such a way that at least one spiral-shaped superordinate current path is present.
  • a plurality of filaments of the first superconducting layer may each be so attached to them applied arrange ⁇ ten filaments of the second superconducting layer such that a plurality of mutually parallel spiral--shaped current paths are present.
  • all filaments of the superconducting layers can then be part of this plurality of spiral current paths.
  • the electrical connections of the filaments of the first superconductive layer and of the filaments of the second superconducting layer can also be particularly advantageous supralei ⁇ tend.
  • the filaments of the first superconducting layer may be connected to filaments of the second superconducting layer via superconducting connecting conductors extending at least partially in a direction perpendicular to the plane normal of the substrate, in particular a band-shaped substrate.
  • normal conductive connections are possible.
  • the described embodiments of the conductor element as a multifilament conductor can generally be designed so that the filaments are transposed. Such Transpose ned conductor element is particularly advantageous for a ver ⁇ low-loss power line, since AC losses are reduced.
  • Such an arrangement can counteract superconducting shielding currents which would impair the uniformity of a magnetic field generated by the superconductor.
  • conventional magnesium diboride based wires such transposed conductors can only be produced by high twisting and high mechanical stress of the wires by twisting them.
  • this angle can advantageously be between 5 and 45 degrees.
  • the transposition length of such a transposed band ⁇ conductor may advantageously be above 0.2 cm, for example between 1 cm and 10 cm.
  • the induced voltages between them, and thus the loss-generating eddy currents, are effectively reduced independently of the total length of the multifilament conductor.
  • the optimal transposition length generally varies depending on the application, in particular depending on the selected field amplitude and frequency, and depending on the Parameters of the strip conductor, such as its width and its resistance.
  • the sheet resistance of the protective layer may then be advantageous when at least 0.001 ohms, the individual superconducting filaments to entkop ⁇ PelN electrically sufficiently so that the AC loss can still be effectively mini ⁇ mized.
  • a multifilament with two superconducting layers may for example comprise a band-shaped substrate having two main ⁇ surfaces, each of the two main surfaces has a plurality of grooves and wherein a superconductive layer in the form of several individual filaments embedded in these grooves on each of these two sides.
  • the elec- trical connection of the individual filaments of differing ⁇ chen superconducting layers can then advantageously be effected via a superconducting coating of the side surfaces of the substrate, wherein these side surfaces may be structured by grooves so that only the mutually overall hearing filaments electrically connected together are connected.
  • these lateral edges of the substrate may have a radius of curvature of at least twice that of the substrate
  • a multifilament conductor having two or more superconducting layers can also have a plurality of substrate layers, the substrate layers each being provided with grooves on one side, and the substrate layers and the superconducting layers being alternately applied to one another.
  • the substrate layers and the superconducting layers which are embedded in the grooves, be arranged further intermediate layers.
  • the substrate or the plurality of substrate layers may generally advantageously comprise a metallic material.
  • the substrate layers of stainless steel and / or copper may have.
  • the superconducting material may include magnesium diboride.
  • the deposition of the superconducting material can be carried out by aerosol deposition.
  • the aerosol deposition can advantageously be carried out with a noble gas or nitrogen as the carrier gas.
  • the aerosol deposition can be carried out under vacuum.
  • the entire substrate can either be coated in a continuous process with continuous substrate advance, or individual sections of the superconducting layer can be produced in discrete steps.
  • the coating process can be carried out at relatively low temperatures, for example near room temperature, and thus also allows the use of temperature-sensitive substrates, for example substrates having temperature-sensitive polymer structures.
  • a subsequent thermal treatment following the actual coating for example at temperatures around 600 ° C., can take place.
  • the regions of the substrate which run alongside the at least one groove can be freed of superconducting material after the deposition of the superconducting layer.
  • the deposited there superconducting material can be advantageously removed by mechanical processing, for example by sanding or scraping.
  • the superconducting layer may be covered with a protective layer after its deposition, and in particular after the removal of superconducting material from the regions adjacent to the at least one groove.
  • the filaments of the different layers can be joined via a superconducting coating on the lateral edges of the particular strip-shaped substrate.
  • This coating can advantageously be achieved by means of aerosol deposition with a plurality of nozzles from different directions.
  • the opposing major surfaces of the substrate may be coated by a plurality of, especially opposing, aerosol nozzles.
  • the different sides of the substrate can also be coated by turning the substrate with the superconducting material.
  • the at least one groove of the substrate can be formed by roll forming or extrusion or by a removing process such as milling or etching.
  • the at least one groove may be formed by patterning one deposited on a planar base substrate
  • the base substrate may be a metallic substrate at ⁇ play, on which a polymer layer is deposited, wherein the polymer layer together with the base substrate, the actual substrate bil ⁇ det.
  • the polymer layer can now be structured in a simpler manner than the base substrate, for example via photolithographic processes or embossing processes.
  • a patterned layer, and in particular ⁇ sondere a structured polymer layer also deposited simultaneously on a base substrate in a structured form advertising the, for example, by stereolithographic methods and / or 3D printing.
  • the webs of this layer remaining next to the groove or next to the grooves can also be removed again generally after the deposition of the superconducting layer, so that only the original superconducting filaments embedded in the grooves on the base substrate remain.
  • Fig. 1 is a schematic cross section of a band-shaped
  • Fig. 2 shows a cross section of the same substrate 3 after a
  • FIG. 5 shows a schematic cross section of a conductor element 1 according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic cross section of a conductor element 1 according to a third exemplary embodiment
  • 7 shows a schematic perspective illustration of a substrate 3 according to a fourth exemplary embodiment
  • Fig. 8 is a schematic perspective view of a
  • FIG 3 shows a schematic plan view of a conductor element 1 according to a sixth embodiment.
  • Fig. 1 shows a schematic cross section of a band-shaped substrate 3 for a conductor element according to a first embodiment of the invention.
  • the substrate is in this
  • Example a strip-shaped substrate made of stainless steel, in which a plurality of grooves 7 has been introduced on a first surface. These grooves 7 extend in the example shown along a longitudinal direction of the substrate, which is perpendicular to the cutting plane. Shown eight paral ⁇ lel to each other extending grooves are exemplary 7. However, it may also be any other number of grooves. In extreme cases, there may also be only one groove through which a conductor element with only one filament can be formed in the course of the following process steps.
  • Fig. 1 grooves are shown with a rectangular cross-sectional profile. However, other groove shapes are also conceivable, including with rounded cross-sectional profiles, through which other cross-sectional shapes of the superconducting filaments formed in the following can then result.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section of the same substrate 3 after a first coating step.
  • a superconducting step In this first coating step, a superconducting
  • Layer 5 of magnesium diboride so applied to the substrate surface lying in the figures above that the grooves 7 were completely filled. Furthermore, the next to the Grooves 7 extending portions 8 of the substrate, so here the webs between the grooves and the edge regions, also coated with the superconducting layer 5. The coating was carried out by the method of aerosol deposition, whereby a total layer thickness of 10 ⁇ m was obtained. The grooves are 5 ym deep in the example shown.
  • FIG. 3 shows a cross section of the same substrate 3 after a mechanical after-treatment following the first coating step.
  • the superconducting layer 5 was removed in the next to the grooves 7 ver ⁇ current regions 8 of the substrate. 3
  • the removal can be done for example by flat grinding.
  • a plurality of mutually parallel filaments 9 are produced in the grooves 7 of the substrate 3, which elements are no longer connected to one another via superconducting material. They may be electrically connected to each other via the electrically conductive substrate normal, or they may be electrically separated from each other by an alternatively disposed between the substrate and the superconducting layer optional isolati ⁇ ons Mrs.
  • FIG. 4 shows a cross section of the same substrate 3 after a further coating step.
  • a planar protective layer 11 was applied to the surface of the substrate 3 carrying the superconducting layer.
  • This protective layer 11 may be playing a metallic strip of copper or stainless steel at ⁇ which examples with the underlying layer stack example by lamination, adhesive bonding or soldering was connected.
  • the protective layer 11 covers the individual filaments 9 in each case on the side not already enclosed by the substrate 3 and is likewise firmly connected to the regions 8 of the substrate which run alongside the grooves 7.
  • the protective layer 11 may effectively so ⁇ probably protect the superconductive filaments 8 to chemical as well as against mechanical ambient influences.
  • Fig. 4 is thus a ready-prepared superconducting wire shows element 1 according to a first embodiment of the OF INVENTION ⁇ dung.
  • Fig. 5 shows a superconducting conductor element 1 according to a second embodiment of the invention in a schematic cross section. Also shown is a first substrate 3a with a plurality of grooves, which was coated with a first superconducting layer 5a in analogy to the process steps elapsed until FIG. 3 and mechanically aftertreated in such a way that the superconducting layer 5a only in the grooves 7, but not on the remains between them and adjacent substrate areas. On the substrate 3 a coated in this way, a further metallic substrate strip 3b was attached
  • the second substrate 3b is provided, analogously to the first substrate, with a plurality of grooves extending in the longitudinal direction. These grooves of the second substrate 3b were filled analogously with a second superconducting layer 5b, wherein in turn the areas of the substrate extending next to the grooves were freed from the superconducting material by a mechanical aftertreatment. Subsequently, a protective layer 11 was again on the now overhead
  • a conductor element 1 Part of the conductor element 1 applied. In this way, a conductor element 1 was produced, which has two superconducting layers 5a and 5b in two different levels of the conductor element 1. Each of the two superconducting layers 5a and 5b is subdivided into a plurality of filaments so that the result is a multilayer multifilament conductor as a whole.
  • the individual filaments can either run exactly parallel to the longitudinal direction of the conductor element, or they can be arranged at an angle to the longitudinal direction. In an elec- step connection of the individual filaments of the two different levels in the peripheral areas as a transposed conductor element can be obtained, as described below ⁇ lichenmaschine. Fig.
  • FIG. 6 shows a superconducting conductor element 1 according to a third embodiment of the invention in a schematic cross section. Shown again is a substrate 3, which is provided in this example on its two major surfaces, top and bottom, with a plurality of grooves. The substrate was coated both on its top side and on its underside each having a superconducting layer 5a relationship ⁇ example 5b. The superconducting layer 5a and 5b, respectively removed from the surfaces adjacent to the grooves preparation ⁇ was, by mechanical post-treatment, and the remaining filaments were each provided together with the adjacent substrate regions with a planar protective layer. 11 Also, this conductor element of the third embodiment is thus a multifilament conductor each having a plurality of filaments 9 in two different superconducting layer layers 5a and 5b.
  • a transposed multifilament conductor can also be produced, in which filaments of the first superconducting layer 5a with filaments of the second superconducting layer 5b are electrically connected to each other such that a total of spiral-shaped current paths surround the substrate 3 erge ⁇ ben.
  • a multiplicity of helical current paths running parallel to each other can be obtained by the plurality of mutually parallel filaments.
  • the electrical connections can be effected either via normally conducting electrical contacts or more preferably via superconducting connections.
  • a substrate 3 for such a transposed multifilament conductor according to a fourth embodiment of the invention is shown in a schematic perspective view. Shown again is a metallic substrate 3, which is provided with grooves 7 which extend helically around the substrate 3. The webs between the grooves 7 here also consist of the same metallic material as the remaining part of the substrate.
  • the grooves 7 can be filled with superconducting material.
  • Example ⁇ as magnesium diboride may be deposited by an aerosol deposition with multiple nozzles from a plurality of directions on the different sides of the ribbon-shaped substrate. 3 In other words, the coating can thus take place circumferentially around the entire cross section of the substrate 3.
  • Wei ⁇ se as previously described followed by a mechanical Nachbe ⁇ treatment can be carried out so that the present in addition to the grooves 7 regions of the substrate 3 again superconducting over the entire periphery of the cross section of the strip conductor of the
  • Multifilament conductor will be shown in more detail with reference to a further embodiment.
  • FIG. 8 shows a further substrate 3 for a further transposed multifilament conductor according to a fifth embodiment of the invention.
  • the helical structure of the grooves 7 is analogous to the structure of the substrate shown in FIG.
  • the substrate 3 comprises here a metallic Grundsub ⁇ strat 13, 15 in the grooves 7 were formed by applying a polymer structure.
  • the grooves 7 are thus given by lying between the polymer webs areas of the substrate 3.
  • the application of the superconductive layer in the regions of the grooves 7 may be similar to the fourth Embodiment take place.
  • the mechanical Nachbe ⁇ treatment wherein the superconducting layer is subdivided by removal of the supernatant via the grooves 7 of play into single filaments can be carried out in a similar manner.
  • it is also optional mög ⁇ Lich, then to remove the extending between the individual filaments polymer structure in a downstream process step again.
  • the filament structure formed in this way can then, for example, again be enveloped with a protective layer.
  • FIG. 9 shows a schematic plan view of a further transposed conductor element 1 according to a sixth exemplary embodiment of the invention.
  • This transposed multifilament conductor can be made, for example, in a similar manner as in the fourth and fifth embodiments by applying a superconducting layer in a band-shaped substrate spirally encircling grooves. Through this three dimensional structure extending on an upper surface of the substrate filaments 9 'supralei ⁇ tend connected to running on a back side of the substrate filament. 9 The filaments 9 on top of the sub ⁇ strats 3 parallel to each other and along a first direction 19a that is disposed at an angle 23 to the longitudinal direction 17 of the substrate.
  • the filaments 9 'on the back ⁇ side of the substrate extend parallel to each other and along a second direction 19b, which in this example forms an opposite angle with the longitudinal direction 17 of the substrate.
  • the angle between the first direction and the second direction is here therefore twice the angle 23.
  • the filaments 9 running on the upper side of the substrate 3 are shown with solid boundary lines, wherein the individual filaments 9 have a uniform width 27.
  • the running on the back of the substrate filaments 9 ' are shown by dashed lines. They show the- same width 27 on.
  • the filaments 9, 3 ' on the substrate form a twisted or transposed multifilament conductor.
  • the filaments 9, 3 ' rotate spirally around the conductor as a whole.
  • an area A is shown by way of example as a dot-and-dash line, which area is enclosed by any two filaments 9 on the front side or 9 ' on the rear side.
  • the surface A is traversed by a magnetic flux BxA when the field component B is perpendicular to the surface A.

Abstract

Es wird ein supraleitendes Leiterelement (1) mit einem Substrat (3) und wenigstens einer supraleitenden Schicht (5) angegeben. Das Substrat (3) weist wenigstens eine Nut (7) auf mit einer Richtungskomponente entlang einer Längsrichtung (17) des Leiterelements (1), wobei die supraleitende Schicht (5) in die wenigstens eine Nut (7) eingebettet ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiterelements (1) angegeben.

Description

Beschreibung
Supraleitendes Leiterelement und Verfahren zu dessen Herstel¬ lung
Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Leiterelement mit einem Substrat und mit wenigstens einer supraleitenden
Schicht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiterelementes.
Aus dem Stand der Technik sind supraleitende Bandleiter be¬ kannt, die typischerweise durch Abscheidung eines Schichtsta¬ pels aus nichtleitenden, metallisch leitenden und supraleitenden Schichten auf einem meist metallischen Substratband gebildet werden. Bei solchen supraleitenden Bandleitern kommen meist oxidkeramische Supraleiter zum Einsatz, beispiels¬ weise Materialien des Typs REBa2Cu30x, wobei RE für ein Ele¬ ment der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Alternativ kann die supraleitende Schicht des Bandlei- ters auch andere Materialien wie beispielsweise
Magnesiumdiborid umfassen.
In der DE 10 2010 031 741 B4 wird ein Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Schichten auf bandförmigen Substraten offenbart, bei dem eine Schicht aus Magnesiumdiborid in einem kontinuierlichen Prozess mittels Aerosol-Deposition abgeschieden wird. Mit diesem Verfahren wird die Abscheidung supraleitender Schichten mit einem relativ einfachen und kostengünstigen Verfahren ermöglicht, und es können lange supralei- tende Leiterelemente hergestellt werden. Die nicht vorveröf¬ fentliche deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
10 2014 211 569.8 beschreibt Aerosol-Deposition von
Magnesiumdiborid auch auf nicht-bandförmigen Substraten. Nachteilig bei den bekannten Bandleitern mit derartigen supraleitenden Schichten aus Magnesiumdiborid ist jedoch, dass diese Schichten relativ spröde sind und eine geringe mechani¬ sche Festigkeit aufweisen. Bei einer Berührung oder nachfol- genden Verarbeitungsschritten kann die supraleitende Schicht somit relativ leicht beschädigt werden. Die Magnesiumdiborid- Schicht kann zwar durch eine nachfolgende Schutzschicht abge¬ deckt werden, doch die Schicht bildet trotzdem eine mechani- sehe Schwachstelle im resultierenden Leiterverbund. Durch
Scherkräfte oder durch Zugspannungen senkrecht zur Leiterebe¬ ne kann die vollflächige supraleitende Schicht leicht beschä¬ digt werden und sich beispielsweise großflächig vom Substrat und/oder den direkt benachbarten Schichten ablösen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein supraleitendes Lei¬ terelement anzugeben, welches die genannten Nachteile vermei¬ det. Insbesondere soll ein supraleitendes Leiterelement mit einer höheren mechanischen Festigkeit angegeben werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiterelements anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene Leiterelement und das in Anspruch 9 beschriebene Herstel- lungsverfahren gelöst.
Das erfindungsgemäße supraleitende Leiterelement umfasst ein Substrat und wenigstens eine supraleitende Schicht. Das Sub¬ strat weist wenigstens eine Nut auf mit einer Richtungskompo- nente entlang einer Längsrichtung des Leiterelements, wobei die supraleitende Schicht in die wenigstens eine Nut einge¬ bettet ist.
Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Leiterelementes liegt darin, dass es durch die Einbettung der supraleitenden
Schicht in eine Nut mechanisch deutlich stabiler und belastbarer wird. Die supraleitende Schicht ist zweckmäßig nicht vollflächig auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet. Insbesondere ist die supraleitende Schicht durch diese Ausge- staltung deutlich weniger anfällig für eine großflächige
Delamination vom Substrat. Weiterhin ist die supraleitende Schicht weniger anfällig für eine Delamination von weiteren benachbarten Schichten wie beispielsweise von einer optional vorhandenen die Supraleitungsschicht abdeckenden Schutzschicht oder von einer zwischen Substrat und Supraleitungs¬ schicht optional angeordneten Zwischenschicht. Durch die Ein¬ bettung der supraleitenden Schicht in eine Nut des Substrats kann insbesondere erreicht werden, dass die supraleitende Schicht auch an ihren seitlichen Begrenzungsflächen mechanisch geschützt ist. Die supraleitende Schicht ist durch die Anordnung in einer Nut seitlich weniger weit ausgedehnt als die Breite des Substrats. Hierdurch kann das Substrat einen Teil der auftretenden Scherkräfte und/oder Zugspannungen aufnehmen, wodurch die supraleitende Schicht besser geschützt ist .
Die Nuten weisen eine Richtungskomponente in Längsrichtung des Leiterelements auf, damit die in den Nuten gebildete sup¬ raleitende Schicht zweckmäßig den Strom in dieser Längsrich¬ tung des Bandleiters leiten kann. Die Nuten müssen sich allerdings nicht exakt parallel zur Längsrichtung des Bandlei¬ ters erstrecken, sondern es genügt eine Richtungskomponente in Längsrichtung, um einen übergeordneten Stromfluss in dieser Richtung zu ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines supraleitenden Leiterelements mit einem Substrat und wenigs- tens einer supraleitenden Schicht, wobei das Substrat wenig¬ stens eine Nut aufweist mit einer Richtungskomponente entlang einer Längsrichtung des Leiterelements. Dabei wird zur Bil¬ dung der supraleitenden Schicht ein supraleitendes Material in die wenigstens eine Nut hinein abgeschieden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den vorab beschriebenen Vorteilen des erfindungsge¬ mäßen Leiterelements. Unter der Abscheidung eines supralei¬ tenden Materials in die Nut soll dabei auch die Abscheidung eines Materialgemischs in die Nut verstanden werden, wobei sich das supraleitende Material dann auch erst nach dem eigentlichen Abscheidungsschritt aus diesem Materialgemisch bilden kann, beispielsweise durch eine Nachbehandlung, insbesondere eine thermische Nachbehandlung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- dung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 10 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Leiterelements und des Herstellungsverfahrens allge¬ mein vorteilhaft untereinander kombiniert werden. Das Substrat kann ein bandförmiges Substrat sein. Auf solchen bandförmigen Substraten können auf besonders einfache Weise geometrisch gut definierte ebene supraleitende Schichten auf¬ gebracht werden. Außerdem lassen sich aus den resultierenden bandförmigen Leiterelementen besonders einfach elektrische Spulenwicklungen herstellen. Beispielsweise können Flachspulen aus mehrlagigen Wicklungen solcher bandförmiger Leiterelemente hergestellt werden. Die Querschnittsform eines sol¬ chen bandförmigen Substrats kann beispielsweise ein flaches Rechteck oder ein flaches Rechteck mit abgerundeten Ecken sein.
Alternativ kann das Substrat des Leiterelements jedoch prin¬ zipiell auch andere Querschnittsformen als die eines flachen Rechtecks aufweisen. Die Querschnittsform des Substrats kann beispielsweise quadratisch oder rund sein, wobei sich dann insbesondere auf allen Seiten der Außenfläche Nuten befinden können. Durch Aufbringung einer supraleitenden Schicht aus mehreren Richtungen und/oder durch Rotation des Substrats kann dann insbesondere in all diesen Nuten eine supraleitende Schicht aufgebracht werden. Besonders vorteilhaft ist ein quadratisches oder rundes rohrförmiges Substrat, welches auf der Außenseite Nuten für die supraleitende Schicht aufweist und auf der Innenseite einen Hohlraum für den Transport eines Kühlmittels aufweist.
Die supraleitende Schicht kann Magnesiumdiborid umfassen. Be¬ sonders vorteilhaft kann die supraleitende Schicht als Haupt¬ bestandteil Magnesiumdiborid aufweisen oder sogar im Wesent- liehen aus Magnesiumdiborid bestehen. Magnesiumdiborid weist eine Sprungtemperatur von etwa 39 K auf und gilt somit als Hochtemperatursupraleiter. Vorteilhaft kann das Leiterelement daher bei einer für Supraleiter vergleichsweise hohen Be- triebstemperatur betrieben werden. Alternativ oder zusätzlich können mit einem derartigen Material vorteilhaft vergleichs¬ weise hohe kritische Stromdichten und/oder hohe kritische Magnetfelder erreicht werden. Supraleitende Schichten aus oder mit Magnesiumdiborid lassen sich weiterhin vergleichs- weise kostengünstig herstellen.
Die supraleitende Schicht kann eine mittels Aerosol-Depo- sition abgeschiedene Schicht sein. Unter einer Aerosol-Depo- sition soll im vorliegenden Zusammenhang die Abscheidung einer Schicht aus einem Aerosol, also aus einer Dispersion von Festkörperteilchen in einem Gas, verstanden werden. Insbesondere kann dazu ein Ausgangsstoff der supraleitenden Schicht als in einem Gas dispergiertes Pulver vorliegen. Eine solche aus einem Pulver-Aerosol abgeschiedene Schicht ist an der Teilchenstruktur des zugrundeliegenden Pulvers leicht von Schichten aus anderen bisher bekannten Beschichtungsverfah- ren, wie beispielsweise physikalischer oder chemischer Gas- phasenabscheidung, zu unterscheiden. Eine solche aerosoldeponierte Schicht kann vorteilhaft besonders einfach in re- lativ hohen Schichtdicken abgeschieden werden. Vorteilhaft liegt dabei die Schichtdicke der supraleitenden Schicht bei wenigstens 1 ym, besonders vorteilhaft bei wenigstens 10 ym.
Beispielsweise ist die Abscheidung einer Magnesiumdiborid enthaltenden Schicht besonders gut aus einem Pulver-Aerosol möglich. Das im Aerosol dispergierte und als Ausgangsstoff dienende Pulver kann dabei entweder bereits als
Magnesiumdiborid, oder als ein Pulvergemisch aus elementarem Magnesium und Bor oder als ein Gemisch aus allen drei Kompo- nenten Magnesiumdiborid, Magnesium und Bor vorliegen.
Durch die Aerosol-Deposition kann supraleitendes
Magnesiumdiborid in definierten Schichten von beispielsweise 1 ym bis zu 1000 ym hergestellt werden. Solche Schichten un¬ terscheiden sich geometrisch grundsächlich von den nach dem herkömmlichen sogenannten „Powder in Tube" (PIT) Verfahren hergestellten Leitern. Bei diesem PIT-Verfahren wird ein fes- tes Pulvergemisch des Ausgangsmaterials (wiederum
Magnesiumdiborid oder eine Mischung aus elementarem Magnesium und Bor) in einer typischerweise metallischen Reaktionsröhre unter Einwirkung von erhöhtem Druck und/oder Temperatur zu einem zusammenhängenden Draht reagiert. Im Unterschied ist ein durch Aerosol-Deposition abgeschiedener Magnesiumdiborid- Leiter eine flächige Schicht, die auf ein durch die wenigs¬ tens eine Nut vorstrukturiertes Trägersubstrat so abgeschie¬ den werden kann, dass die Nut mit der supraleitenden Schicht gefüllt wird.
Allgemein kann die wenigstens eine Nut vorteilhaft vollstän¬ dig mit der supraleitenden Schicht gefüllt sein. Alternativ kann die supraleitende Schicht aber auch so in die wenigstens eine Nut eingebettet sein, dass die Nut nur in einem Teilbe- reich ihrer Tiefe mit der supraleitenden Schicht gefüllt ist. Vorteilhaft kann die Nut beispielsweise zu wenigstens 70 % ihrer Tiefe, besonders vorteilhaft zu wenigstens 90 % ihrer Tiefe mit der supraleitenden Schicht aufgefüllt sein. Die neben der wenigstens einen Nut verlaufenden Bereiche des Substrats können frei von der supraleitenden Schicht sein. Um dies zu erreichen, können diese Bereiche bei Einsatz eines flächigen Beschichtungsverfahrens (wie beispielsweise der Aerosol-Deposition) auch nachträglich von dem supraleitenden Material befreit werden. Eine Freilegung der neben den Nuten verlaufenden Bereiche des Substrats ist besonders vorteil¬ haft, da dann nur lokalisiert in der wenigstens einen Nut ein geometrisch definiert verlaufender Leiter verbleibt. Bei dieser Ausführungsform kann die supraleitende Schicht auch be- sonders effektiv durch eine sie überdeckende Schutzschicht geschützt werden. Nach der Freilegung der neben den Nuten verlaufenden Bereiche können diese Bereiche vorteilhaft zu- sammen mit der Oberfläche der supraleitenden Schicht zusammen eine im Wesentlichen ebene Oberfläche bilden.
Die supraleitende Schicht kann auf einer von dem Substrat ab- gewandten Seite von einer Schutzschicht bedeckt sein. Besonders vorteilhaft kann diese Schutzschicht eine flächige
Schicht sein, die beispielsweise das Leiterelement auf seiner ganzen Breite bedeckt. Wenn die neben der Nut oder neben den Nuten verlaufenden Bereiche des Substrats frei von der supra- leitenden Schicht sind, kann dabei die Schutzschicht vorteil¬ haft an dem Substrat oder an einer das Substrat bedeckenden Zwischenschicht haften. Vorteilhaft kann dann die supralei¬ tende Schicht auf allen Seiten ihres Querschnitts gegen äuße¬ re Umgebungseinflüsse geschützt sein, da sie in die Nut des Substrats eingebettet ist und nach oben hin vollständig durch die Schutzschicht bedeckt wird.
Als Schutzschicht kann vorteilhaft ein elektrisch normallei¬ tendes Material zum Einsatz kommen, beispielsweise Edelstahl, Kupfer oder ein Kupfer enthaltendes Material. Ein solches Ma¬ terial kann vorteilhaft zur elektrischen Stabilisierung des Supraleiters und zu dessen Kontaktierung an den Leiterenden beitragen . Das Leiterelement kann als Multifilamentleiter ausgebildet sein, wobei die wenigstens eine supraleitende Schicht in meh¬ rere Filamente unterteilt ist, die in mehreren Nuten einge¬ bettet sind. Insbesondere kann dabei jeweils ein Filament in jeweils eine Nut eingebettet sein. Bei dieser Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn wie vorab beschrieben die neben den Nuten verlaufenden Bereiche des Substrats, also die Stege zwischen den Nuten, frei von der supraleitenden Schicht sind. In diesem Fall können die einzelnen Filamente klar definiert und geometrisch voneinander getrennt verlaufen. Bei einer derartigen Ausgestaltung mit mehreren Filamenten kann das Leiterelement mechanisch besonders stabil ausgebildet werden, da jedes einzelne Filament durch die Einbettung in eine eigene Nut mechanisch von mehreren Seiten geschützt ist. Eine großflächige Delamination der supraleitenden Schicht vom Substrat oder von benachbarten Schichten kann so wirksam vermieden werden. Weiterhin können durch die Ausgestaltung als Multifilamentleiter auch elektrische Verluste verringert wer- den .
Das Leiterelement kann mehrere supraleitende Schichten auf¬ weisen, die jeweils in wenigstens eine Nut eingebettet sind. Bezogen auf die Höhe des Schichtstapels des Leiterelements kann das supraleitende Material also in wenigstens zwei ver¬ schiedenen Lagen vorliegen. Hierbei kann insbesondere auch jede dieser Lagen jeweils mehrere Filamente aufweisen.
Bei einer Ausführungsform mit wenigstens zwei supraleitenden Schichtlagen und jeweils mehreren Filamenten pro Schichtlage kann wenigstens ein Filament einer ersten supraleitenden Schicht mit wenigstens einem Filament einer zweiten supralei¬ tenden Schicht elektrisch leitend verbunden sein. Insbesondere können diese Filamente so miteinander verbunden sein, dass wenigstens ein spiralförmiger übergeordneter Strompfad vorliegt. Besonders vorteilhaft können mehrere Filamente der ersten supraleitenden Schicht jeweils so mit ihnen zugeordne¬ ten Filamenten der zweiten supraleitenden Schicht verbunden sein, dass mehrere zueinander parallel verlaufende spiralför- mige Strompfade vorliegen. Zweckmäßig können dann alle Fila¬ mente der supraleitenden Schichten Teil dieser Mehrzahl von spiralförmigen Strompfaden sein.
Die elektrischen Verbindungen der Filamente der ersten supra- leitenden Schicht und der Filamente der zweiten supraleitenden Schicht können besonders vorteilhaft ebenfalls supralei¬ tend sein. Beispielsweise können die Filamente der ersten supraleitenden Schicht mit Filamenten der zweiten supraleitenden Schicht über supraleitende Verbindungsleiter verbunden sein, die sich zumindest teilweise in einer Richtung senkrecht zur Ebenennormalen des Substrats, insbesondere eines bandförmigen Substrats erstrecken. Alternativ sind aber auch normalleitende Verbindungen möglich. Die beschriebenen Ausführungsformen des Leiterelements als Multifilamentleiter können allgemein so ausgestaltet sein, dass die Filamente transponiert sind. Ein solches transpo- niertes Leiterelement ist besonders vorteilhaft für eine ver¬ lustarme Stromleitung, da Wechselstromverluste verringert werden. Weiterhin kann durch eine solche Anordnung supraleitenden Abschirmströmen entgegengewirkt werden, die die Uni- formität eines vom Supraleiter erzeugten Magnetfeldes beein- trächtigen würden. Mit herkömmlichen auf Magnesiumdiborid basierenden Drähten sind solche transponierten Leiter nur mit hohem Zusatz-Aufwand und hoher mechanischer Belastung der Drähte durch deren Verdrillung herstellbar. Um den Multifilamentleiter als transponierten Leiter auszugestalten, ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Filamente in den einzelnen Nuten in einem von Null verschiedenen Winkel zur Längsrichtung des insbesondere bandförmigen Substrats verlaufen. Beispielsweise kann dieser Winkel vorteilhaft zwi- sehen 5 und 45 Grad liegen. Bei der Ausbildung von spiralförmigen Strompfaden durch Verbindung von Filamenten einer ersten supraleitenden Schicht mit jeweils zugeordneten Filamenten einer zweiten supraleitenden Schicht ist es vorteilhaft, wenn die Winkel der Filamente der beiden unterschiedlichen Schichten mit der Längsrichtung des Bandleiters unterschied¬ liche Vorzeichen aufweisen.
Die Transpositionslänge eines derartigen transponierten Band¬ leiters kann vorteilhaft oberhalb von 0.2 cm, beispielsweise zwischen 1 cm und 10 cm liegen. Der Magnetfluss durch die Fläche zwischen zwei beliebigen parallelen Filamenten summiert sich dabei nach einem Umlauf nach einer Transpositions¬ länge jeweils zu Null. Die dazwischen induzierten Spannungen, und damit die verlusterzeugenden Wirbelströme, werden so un- abhängig von der gesamten Länge des Multifilamentleiters wirksam verringert. Die optimale Transpositionslänge variiert allgemein je nach Anwendung, insbesondere abhängig von gewählter Feldamplitude und Frequenz, sowie abhängig von den Parametern des Bandleiters, beispielsweise dessen Breite und dessen Widerstand.
Bei einer Ausführungsform eines Multifilamentleiters mit einer elektrisch leitfähigen Schutzschicht führt diese
Schutzschicht zu einer normalleitenden elektrischen Verbindung der einzelnen parallel verlaufenden supraleitenden
Strompfade. Der Flächenwiderstand der Schutzschicht kann dann vorteilhaft bei mindestens 0.001 Ohm liegen, um die einzelnen supraleitenden Filamente elektrisch ausreichend zu entkop¬ peln, so dass die Wechselstromverluste trotzdem wirksam mini¬ miert werden können.
Ein Multifilamentleiter mit zwei supraleitenden Schichten kann beispielsweise ein bandförmiges Substrat mit zwei Haupt¬ flächen aufweisen, wobei jede der beiden Hauptflächen eine Mehrzahl von Nuten aufweist und wobei auf jeder dieser beiden Seiten eine supraleitende Schicht in Form von mehreren einzelnen Filamenten in diese Nuten eingebettet ist. Die elek- trische Verbindung der einzelnen Filamente der unterschiedli¬ chen supraleitenden Schichten kann dann vorteilhaft über eine supraleitende Beschichtung der Seitenflächen des Substrats bewirkt werden, wobei auch diese Seitenflächen durch Nuten so strukturiert sein können, dass jeweils nur die zueinander ge- hörigen Filamente elektrisch miteinander verbunden sind.
Um eine leichtere Verbindung der gegenüberliegenden supraleitenden Schichten über die seitlichen Ränder des Substrats zu ermöglichen, können diese seitlichen Ränder des Substrats einen Krümmungsradius von mindestens dem Doppelten der
Schichtdicke der dünnsten supraleitenden Schicht aufweisen
Alternativ kann ein Multifilamentleiter mit zwei oder mehr supraleitenden Schichten auch mehrere Substratschichten auf- weisen, wobei die Substratschichten jeweils auf einer Seite mit Nuten versehen sind und wobei die Substratschichten und die supraleitenden Schichten jeweils im Wechsel aufeinander aufgebracht werden. Optional können zwischen den Substrat- schichten und den supraleitenden Schichten, die in die Nuten eingebettet werden, noch weitere Zwischenschichten angeordnet sein . Das Substrat oder die mehreren Substratschichten können allgemein vorteilhaft ein metallisches Material aufweisen. Bei¬ spielsweise kann das Substrat oder können die Substratschichten Edelstahl und/oder Kupfer aufweisen. Bei dem Verfahren zur Herstellung des Leiterelements kann das supraleitende Material Magnesiumdiborid aufweisen.
Die Abscheidung des supraleitenden Materials kann mittels Ae- rosol-Deposition erfolgen. Die Aerosol-Deposition kann vor- teilhaft mit einem Edelgas oder Stickstoff als Trägergas durchgeführt werden. Alternativ kann die Aerosol-Deposition unter Vakuum durchgeführt werden. Dabei kann allgemein das gesamte Substrat entweder in einem kontinuierlichen Prozess mit kontinuierlichem Substratvorlauf beschichtet werden, oder es können einzelne Abschnitte der supraleitenden Schicht in diskreten Schritten hergestellt werden. Das Beschichtungsver- fahren kann bei relativ niedrigen Temperaturen beispielsweise in der Nähe der Raumtemperatur durchgeführt werden und ermöglicht damit auch die Verwendung von temperaturempfindlichen Substraten, beispielsweise von Substraten, die temperaturempfindliche Polymerstrukturen aufweisen. Zusätzlich kann bei ausreichender thermischer Stabilität des Substrats zur gezielten Einstellung der Eigenschaften der supraleitenden Schicht eine auf die eigentliche Beschichtung folgende ther- mische Nachbehandlung, beispielsweise bei Temperaturen um 600°C stattfinden.
Die neben der wenigstens einen Nut verlaufenden Bereiche des Substrats können nach der Abscheidung der supraleitenden Schicht von supraleitendem Material befreit werden. Das dort abgeschiedene supraleitende Material kann vorteilhaft durch mechanische Bearbeitung entfernt werden, beispielsweise durch Abschmirgeln oder Abschaben. Die supraleitende Schicht kann nach ihrer Abscheidung und insbesondere auch nach der Entfernung von supraleitendem Material von den Bereichen neben der wenigstens einen Nut mit einer Schutzschicht bedeckt werden.
Bei einer Ausführungsform des Leiterelements als transponierter Multifilamentleiter mit mehr als einer supraleitenden Schicht in unterschiedlichen Lagen können die Filamente der unterschiedlichen Lagen über eine supraleitende Beschichtung auf den seitlichen Kanten des insbesondere bandförmigen Substrats verbunden werden. Diese Beschichtung kann vorteilhaft mittels Aerosol-Deposition mit mehreren Düsen aus unterschiedlichen Richtungen erreicht werden. In ähnlicher Weise können auch die gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats durch mehrere, insbesondere gegenüber angeordnete, Aerosol- Düsen beschichtet werden. Alternativ oder zusätzlich können die unterschiedlichen Seiten des Substrats auch durch ein Wenden des Substrats mit dem supraleitenden Material be- schichtet werden.
Die wenigstens eine Nut des Substrats kann durch Profilwalzen oder Strangpressen oder auch durch ein abtragendes Verfahren wie beispielsweise Fräsen oder Ätzen gebildet werden.
Alternativ kann die wenigstens eine Nut durch Strukturierung einer auf einem planaren Grundsubstrat abgeschiedenen
Polymerschicht gebildet werden. Das Grundsubstrat kann bei¬ spielsweise ein metallisches Substrat sein, auf dem eine Polymerschicht abgeschieden wird, wobei die Polymerschicht zusammen mit dem Grundsubstrat das eigentliche Substrat bil¬ det. Die Polymerschicht kann nun auf einfachere Weise als das Grundsubstrat strukturiert werden, beispielsweise über photo¬ lithographische Verfahren oder Prägeverfahren. Alternativ zu dieser Vorgehensweise kann eine strukturierte Schicht, insbe¬ sondere eine strukturierte Polymerschicht, auch gleich auf einem Grundsubstrat in strukturierter Form aufgebracht wer- den, beispielsweise durch stereolithographische Verfahren und/oder 3D-Druck.
Bei den genannten Ausführungsformen mit einer strukturierten Polymerschicht auf einem Grundsubstrat können die neben der Nut oder neben den Nuten verbleibenden Stege dieser Schicht auch allgemein nach dem Abscheiden der supraleitenden Schicht wieder entfernt werden, so dass nur die ursprünglichen in den Nuten eingebetteten supraleitenden Filamente auf dem Grundsubstrat verbleiben.
Bei allen anderen Ausführungsformen, bei denen die neben den Nuten vorliegenden Stege aus demselben Material gebildet sind wie das übrige Substrat, verbleiben diese Stege vorteilhaft im fertig hergestellten Leiterelement.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines bandförmigen
Substrats 3 nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, Fig. 2 einen Querschnitt desselben Substrats 3 nach einem
ersten Beschichtungsschritt zeigt,
Fig. 3 einen Querschnitt desselben Substrats 3 nach einer mechanischen Nachbehandlung zeigt,
Fig. 4 einen Querschnitt desselben Substrats 3 nach einem
weiteren Beschichtungsschritt zeigt,
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt eines Leiterelements 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt eines Leiterelements 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt, Fig. 7 eine schematische perspektivische Darstellung eines Substrats 3 nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 8 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Substrats 3 nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt und Fig. 9 eine schematische Aufsicht eines Leiterelements 1 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines bandförmigen Substrats 3 für ein Leiterelement nach einem ersten Aus- führungsbeispiel der Erfindung. Das Substrat ist in diesem
Beispiel ein bandförmiges Substrat aus Edelstahl, in das auf einer ersten Oberfläche eine Mehrzahl von Nuten 7 eingebracht wurde. Diese Nuten 7 erstrecken sich im gezeigten Beispiel entlang einer Längsrichtung des Substrats, die senkrecht zur Schnittebene verläuft. Gezeigt sind beispielhaft acht paral¬ lel zueinander verlaufende Nuten 7. Es können jedoch auch beliebige andere Anzahlen von Nuten vorliegen. Im Extremfall kann auch nur eine Nut vorliegen, durch die im Laufe der folgenden Prozessschritte ein Leiterelement mit nur einem Fila- ment gebildet werden kann.
In Fig. 1 sind Nuten mit einem rechteckförmigen Querschnittsprofil gezeigt. Es sind jedoch auch andere Nutformen denkbar, auch mit abgerundeten Querschnittsprofilen, durch die sich dann andere Querschnittsformen der im Folgenden gebildeten supraleitenden Filamente ergeben können.
In Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt desselben Substrates 3 nach einem ersten Beschichtungsschritt gezeigt. In diesem ersten Beschichtungsschritt wurde eine supraleitende
Schicht 5 aus Magnesiumdiborid so auf die in den Figuren oben liegende Substratoberfläche aufgebracht, dass die Nuten 7 vollständig aufgefüllt wurden. Weiterhin wurden die neben den Nuten 7 verlaufenden Bereiche 8 des Substrats, also hier die Stege zwischen den Nuten und die Randbereiche, ebenfalls mit der supraleitenden Schicht 5 beschichtet. Die Beschichtung wurde mit dem Verfahren der Aerosol-Deposition durchgeführt, wodurch eine Schichtdicke von insgesamt 10 ym erhalten wurde. Die Nuten sind im gezeigten Beispiel 5 ym tief.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt desselben Substrats 3 nach einer auf den ersten Beschichtungsschritt folgenden mechani- sehen Nachbehandlung gezeigt. Durch diese Nachbehandlung wurde die supraleitende Schicht 5 in den neben den Nuten 7 ver¬ laufenden Bereichen 8 des Substrats 3 wieder entfernt. Die Entfernung kann beispielsweise durch flächiges Abschleifen erfolgen. Durch diese Nachbehandlung werden in den Nuten 7 des Substrats 3 mehrere parallel zueinander verlaufende Fila¬ mente 9 erzeugt, die miteinander nicht mehr über supraleitendes Material verbunden sind. Sie können miteinander über das elektrisch normalleitende Substrat elektrisch verbunden sein, oder sie können alternativ durch eine zwischen dem Substrat und der supraleitenden Schicht angeordnete optionale Isolati¬ onsschicht elektrisch voneinander getrennt sein.
In Fig. 4 ist ein Querschnitt desselben Substrats 3 nach einem weiteren Beschichtungsschritt gezeigt. Bei diesem wei- teren Beschichtungsschritt wurde eine flächige Schutzschicht 11 auf der die supraleitende Schicht tragenden Oberfläche des Substrats 3 aufgebracht. Diese Schutzschicht 11 kann bei¬ spielsweise ein metallisches Band aus Kupfer oder Edelstahl sein, welches mit dem darunterliegenden Schichtstapel bei- spielsweise durch Laminieren, Kleben oder Löten verbunden wurde. Die Schutzschicht 11 bedeckt die einzelnen Filamente 9 jeweils auf der nicht vom Substrat 3 bereits umschlossenen Seite und ist ebenfalls mit den neben den Nuten 7 verlaufenden Bereichen 8 des Substrats fest verbunden. Somit kann die Schutzschicht 11 die supraleitenden Filamente 8 wirksam so¬ wohl gegen chemische als auch gegen mechanische Umgebungseinflüsse schützen. Durch die feste Verbindung der Schutzschicht 11 mit Teilen des Substrats 3 können insbesondere auch Scher- kräfte und Zugspannungen wirksam aufgenommen werden, so dass eine Delamination der supraleitenden Schicht bei einer mechanischen Belastung vorteilhaft vermieden werden kann. Fig. 4 zeigt somit ein fertig hergestelltes supraleitendes Leiter- element 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin¬ dung .
Fig. 5 zeigt ein supraleitendes Leiterelement 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Querschnitt. Gezeigt ist ebenfalls ein erstes Substrat 3a mit mehreren Nuten, das analog zu den bis zur Fig. 3 abgelaufenen Prozessschritten mit einer ersten supraleitenden Schicht 5a beschichtet und mechanisch so nachbehandelt wurde, dass die supraleitende Schicht 5a nur in den Nuten 7, aber nicht auf den dazwischen und daneben verlaufenden Substratbereichen verbleibt. Auf dem so beschichteten Substrat 3a wurde an¬ schließend ein weiteres metallisches Substratband 3b
auflaminiert . Das zweite Substrat 3b ist analog zum ersten Substrat mit einer Mehrzahl von sich in Längsrichtung erstre- ckenden Nuten versehen. Diese Nuten des zweiten Substrats 3b wurden analog mit einer zweiten supraleitenden Schicht 5b gefüllt, wobei durch eine mechanische Nachbehandlung wiederum die neben den Nuten verlaufenden Bereiche des Substrats vom supraleitenden Material befreit wurden. Anschließend wurde wiederum eine Schutzschicht 11 auf den nun oben liegenden
Teil des Leiterelements 1 aufgebracht. Auf diese Weise wurde ein Leiterelement 1 hergestellt, welches zwei supraleitende Schichten 5a und 5b in zwei verschiedenen Ebenen des Leiterelements 1 aufweist. Jede der beiden supraleitenden Schichten 5a und 5b ist in mehrere Filamente unterteilt, so dass sich insgesamt ein mehrlagiger Multifilamentleiter ergibt. Die einzelnen Filamente können dabei entweder genau parallel zur Längsrichtung des Leiterelements verlaufen, oder sie können gewinkelt zur Längsrichtung angeordnet sein. Bei einer elekt- rischen Verbindung der einzelnen Filamente der beiden unterschiedlichen Ebenen in den Randbereichen kann so ein transponiertes Leiterelement erhalten werden, wie weiter unten aus¬ führlicher beschrieben. Fig. 6 zeigt ein supraleitendes Leiterelement 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Querschnitt. Gezeigt ist wiederum ein Substrat 3, welches in diesem Beispiel auf seinen beiden Hauptflächen, oben und unten, mit einer Mehrzahl von Nuten versehen ist. Das Substrat wurde sowohl auf seiner Oberseite als auch auf seiner Unterseite jeweils mit einer supraleitenden Schicht 5a beziehungs¬ weise 5b beschichtet. Durch mechanische Nachbehandlung wurde die supraleitende Schicht 5a bzw. 5b jeweils von den Berei¬ chen neben den Nuten entfernt, und die verbleibenden Filamente wurden jeweils zusammen mit den benachbarten Substratbereichen mit einer flächigen Schutzschicht 11 versehen. Auch dieses Leiterelement des dritten Ausführungsbeispiels ist al- so ein Multifilamentleiter mit jeweils mehreren Filamenten 9 in zwei verschiedenen supraleitenden Schichtlagen 5a und 5b.
Analog zu dem in Fig. 6 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel kann auch ein transponierter Multifilamentleiter hergestellt werden, bei dem jeweils Filamente der ersten supraleitenden Schicht 5a mit Filamenten der zweiten supraleitenden Schicht 5b so elektrisch miteinander verbunden sind, dass sich insgesamt spiralförmige Strompfade um das Substrat 3 herum erge¬ ben. Insbesondere können durch die Mehrzahl an parallel zueinander verlaufenden Filamenten eine Mehrzahl von parallel zueinander verlaufenden spiralförmigen Strompfaden erhalten werden. Die elektrischen Verbindungen können wahlweise über normalleitende elektrische Kontakte oder besonders bevorzugt über supraleitende Verbindungen bewirkt werden.
In Fig. 7 ist ein Substrat 3 für einen solchen transponierten Multifilamentleiter nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer perspektivischer Darstellung gezeigt. Gezeigt ist wiederum ein metallisches Substrat 3, welches mit sich spiralig um das Substrat 3 erstreckenden Nu¬ ten 7 versehen ist. Die Stege zwischen den Nuten 7 bestehen hier ebenfalls aus demselben metallischen Material wie der übrige Teil des Substrats. Durch eine Aerosol-Deposition einer supraleitenden Schicht in diese Struktur können die Nuten 7 mit supraleitendem Material gefüllt werden. Beispiels¬ weise kann Magnesiumdiborid durch eine Aerosoldeposition mit mehreren Düsen aus mehreren Richtungen auf die verschiedenen Seiten des bandförmigen Substrats 3 aufgebracht werden. Mit anderen Worten kann die Beschichtung also um den ganzen Querschnitt des Substrats 3 umlaufend erfolgen. In ähnlicher Wei¬ se wie vorab beschrieben kann danach eine mechanische Nachbe¬ handlung so erfolgen, dass auf dem ganzen Umfang des Quer- Schnitts des Bandleiters die neben den Nuten 7 vorliegenden Bereiche des Substrats 3 wieder von der supraleitenden
Schicht 5 befreit werden. Anschließend kann optional eine das so gebildete Leiterelement 1 auf seinem ganzen Umfang umhül¬ lende Schutzschicht 11 aufgebracht werden. Für das resultie- rende fertige Leiterelement 1 ergibt sich dann ein ähnlicher Querschnitt wie der in der Fig. 6 gezeigte, mit dem Unter¬ schied, dass auch in den seitlichen Randbereichen 21 mit supraleitendem Material gefüllte Nuten 7 vorliegen, und dass sich die Schutzschicht 11 ebenfalls über diese Randbereiche 21 erstreckt. Das resultierende Leiterelement 1 des vierten Ausführungsbeispiels ist dann ein transponierter
Multifilamentleiter mit mehreren parallel verlaufenden und das bandförmige Substrat 3 jeweils spiralförmig umlaufenden Filamenten 9. Die Vorteile eines solchen transponierten
Multifilamentleiters werden nachfolgend anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels ausführlicher dargestellt.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Substrat 3 für einen weiteren transponierten Multifilamentleiter nach einem fünften Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung. Die spiralförmige Struktur der Nuten 7 ist analog zu der Struktur des in Fig. 7 gezeigten Substrats. Im Unterschied zu dem dortigen Ausführungsbeispiel umfasst das Substrat 3 hier jedoch ein metallisches Grundsub¬ strat 13, auf dem durch Aufbringung einer Polymerstruktur 15 Nuten 7 gebildet wurden. Die Nuten 7 sind also durch die zwischen den Polymerstegen liegenden Bereiche des Substrats 3 gegeben. Die Aufbringung der supraleitenden Schicht in die Bereiche der Nuten 7 kann in ähnlicher Weise wie beim vierten Ausführungsbeispiel erfolgen. Auch die mechanische Nachbe¬ handlung, bei der die supraleitende Schicht durch Entfernung der über die Nuten 7 überstehenden Anteile in einzelne Filamente unterteilt wird, kann in ähnlicher Weise erfolgen. Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel ist es optional auch mög¬ lich, die dann zwischen den einzelnen Filamenten verlaufende Polymerstruktur in einem nachgelagerten Prozessschritt wieder zu entfernen. Die so gebildete Filamentstruktur kann dann beispielsweise wiederum mit einer Schutzschicht umhüllt wer- den.
In Fig. 9 ist eine schematische Aufsicht eines weiteren transponierten Leiterelements 1 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dieser transponierte Multifilamentleiter kann beispielsweise auf ähnliche Weise wie beim vierten und fünften Ausführungsbeispiel durch Auf¬ bringen einer supraleitenden Schicht in ein bandförmiges Substrat spiralartig umlaufende Nuten hergestellt sein. Durch diese dreidimensionale Struktur sind die auf einer Oberseite des Substrats verlaufenden Filamente 9 jeweils mit auf einer Rückseite des Substrats verlaufenden Filamenten 9' supralei¬ tend verbunden. Die Filamente 9 auf der Oberseite des Sub¬ strats 3 verlaufen zueinander parallel und entlang einer ersten Richtung 19a, die in einem Winkel 23 zur Längsrichtung 17 des Substrats angeordnet ist. Die Filamente 9' auf der Rück¬ seite des Substrats verlaufen zueinander parallel und entlang einer zweiten Richtung 19b, die in diesem Beispiel einen entgegengesetzten Winkel mit der Längsrichtung 17 des Substrats einschließt. Der Winkel zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung beträgt hier also dem Zweifachen des Winkels 23.
In der AufSichtsdarstellung der Fig. 9 sind die auf der Oberseite des Substrats 3 verlaufenden Filamente 9 mit durchgezo- genen Begrenzungslinien dargestellt, wobei die einzelnen Filamente 9 eine einheitliche Breite 27 aufweisen. Die auf der Rückseite des Substrats verlaufenden Filamente 9' sind durch gestrichelte Begrenzungslinien dargestellt. Sie weisen die- selbe Breite 27 auf. Über ihre elektrische Verbindung an den Rändern 21 bilden die Filamente 9, 3 ' auf dem Substrat einen verdrillten bzw. transponierten Multifilamentleiter . Die Filamente 9, 3 ' umlaufen den Leiter insgesamt spiralförmig. Für die Verluste Ph durch eine zum Leiterelement 1 senkrechte Wechselfeldamplitude ΔΒ ist nicht mehr die gesamte Leiter¬ breite 25, wie es bei einem Leiter ohne Filamente 9, 9'der Fall ist, sondern die Breite 27 der Einzelfilamente maßge¬ bend. Der Anteil der Hystereseverluste verringert sich um einen Faktor, der etwa dem Verhältnis dieser Breiten entspricht. Durch die Transponierung der Filamente 9,9' sind auch Verluste durch Abschirmströme, welche zwischen den Fila¬ menten 9, 3 ' induziert werden, kleiner oder gleich Null, falls die Filamente zum Substrat bzw. zu einer eventuell vor- liegenden leitfähigen Schutzschicht hinreichend isoliert sind. Der Magnetfluss durch die Fläche zwischen zwei beliebi¬ gen parallelen Filamenten 9 oder 3 ' summiert sich nach einem Umlauf nach einer Transpositionslänge L jeweils zu Null. Die dazwischen induzierten Spannungen, und damit die verluster- zeugenden Wirbelströme, werden so unabhängig von der gesamten Länge des Multifilamentleiters wirksam verringert. Eine ähn¬ liche Supraleiteranordnung ist in US 7756557 Bl gezeigt, wird dort jedoch mit einem grundsätzlich anderen Prozess hergestellt .
In Fig. 9 ist als Strich-Punkt-Linie beispielhaft eine Fläche A eingezeichnet, welche von zwei beliebigen Filamenten 9 an der Vorderseite oder 9 ' an der Rückseite eingeschlossen wird. Die Fläche A wird bei einer zur Fläche A senkrechten Feldkom- ponente B von einem Magnetfluss BxA durchsetzt. Über jeden der zwei Kreuzungspunkte 27, 28 der Filamente 9, 3 ' der Vor¬ der- und Rückseite des Substrats steht eine induzierte Span¬ nung U = ^ A dB/dt an. Sie ist in der Leitermitte am höchsten und am Rand 21 Null. Durch eine elektrisch isolierende Zwi- schenschicht zwischen Substrat 3 und den jeweiligen Filamenten 9, 9 ' können induzierte Ströme senkrecht durch das Sub¬ strat 3 zwischen Filamenten 9 und 3 ' verhindert werden. Diese Ströme würden sich dem Transportstrom in den Filamenten 9, 9'überlagern und die Filamente 20, 20 'in den resistiven, verlustbehafteten Bereich treiben sowie zusätzlich ohmsche Verluste in dem Substrat 3 erzeugen. Mit einer solchen hier nicht näher gezeigten elektrischen Isolation zwischen dem Substrat 3 und den jeweiligen Filamenten 9, 9' kann eine magnetische Kopplung über das Substrat 3 verhindert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Supraleitendes Leiterelement (1) mit einem Substrat (3) und mit wenigstens einer supraleitenden Schicht (5) ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) wenigstens eine Nut (7) aufweist mit einer Richtungskomponente entlang einer Längsrichtung (17) des Leiterelements (1), wobei die supra¬ leitende Schicht (5) in die wenigstens eine Nut (7) eingebet¬ tet ist.
2. Leiterelement (1) nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (3) ein bandförmiges Substrat ist.
3. Leiterelement (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die supraleitende Schicht (5) Magnesiumdiborid umfasst.
4. Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die supraleitende Schicht (5) durch Aerosol- Deposition abgeschieden ist.
5. Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die neben der wenigstens einen Nut (7) verlaufenden Bereiche (8) des Substrats (3) frei von der supraleitenden Schicht (5) sind.
6. Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die supraleitende Schicht auf einer von dem Substrat (3) abgewandten Seite von einer Schutzschicht (11) bedeckt ist .
7. Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Multifilamentleiter ausgestaltet ist, wobei die we¬ nigstens eine supraleitende Schicht (5) in mehrere Filamente (9) unterteilt ist, die in mehrere Nuten (7) eingebettet sind.
8. Leiterelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mehrere supraleitende Schichten (5a, 5b) aufweist, die jeweils in wenigstens eine Nut (7) eingebettet sind.
9. Leiterelement (1) nach Anspruch 8, soweit dieser von 6 ab¬ hängt, wobei wenigstens ein Filament (9) einer ersten supra¬ leitenden Schicht (5a) mit wenigstens einem Filament (9) ei¬ ner zweiten supraleitenden Schicht (5b) elektrisch leitend verbunden ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Leiterelements (1) mit einem bandförmigen Substrat (3) und wenigstens einer supraleitenden Schicht (5) ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) wenigstens eine Nut (7) aufweist mit einer Richtungskomponente entlang einer Längsrichtung (17) des Leiterelements (1), wobei zur Bildung der supraleitenden Schicht (5) ein supraleitendes Material in die wenigstens eine Nut (7) hinein abgeschieden wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das supraleitende Ma¬ terial Magnesiumdiborid aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem die Abscheidung des supraleitenden Materials mittels Aerosol- Deposition erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die neben der wenigstens einen Nut (7) verlaufenden Bereiche des Substrats (3) nach der Abscheidung der supraleitenden Schicht (5) von supraleitendem Material befreit werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei die supraleitende Schicht (5) nach ihrer Abscheidung mit einer Schutzschicht (11) bedeckt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem die wenigstens eine Nut durch eine auf dem planaren Grundsubstrat aufgebrachte Polymerstruktur gebildet wird.
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