WO2017162714A1 - Supraleitereinrichtung zum betrieb in einem externen magnetfeld - Google Patents

Supraleitereinrichtung zum betrieb in einem externen magnetfeld Download PDF

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WO2017162714A1
WO2017162714A1 PCT/EP2017/056770 EP2017056770W WO2017162714A1 WO 2017162714 A1 WO2017162714 A1 WO 2017162714A1 EP 2017056770 W EP2017056770 W EP 2017056770W WO 2017162714 A1 WO2017162714 A1 WO 2017162714A1
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current paths
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Tabea Arndt
Marijn Pieter Oomen
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H10N60/857—Ceramic superconductors comprising copper oxide

Definitions

  • superconductors which are usually made of billets or bolts, for example NbTi, Nb3Sn, MgB2 or Bi 2223, the use of superconducting filaments is known. Filaments in superconductors not only have a posi ⁇ tive increase the stability of superconductivity result, but also the alternating field losses can be reduced.
  • the invention is therefore based on the object to provide a possible ⁇ ness to reduce the coupling losses at in individual filaments to be divided superconductor layers.
  • a superconductor device of the type ge ⁇ called is characterized in that two adjacent ones of the filaments are conductively connected in a fabric ⁇ th on the substrate the crossing area, are conductively connected to the four current paths by omitting the recess at least, with respect to itself the crossing opposite, offset in the longitudinal direction and a direction perpendicular to the longitudinal direction transverse direction of the layer plane, at the intersection meeting current paths of the adjacent filaments at least one, in particular in each case one ohmic resistance barrier is provided. In this case, the use of a respective resistance barrier is preferred.
  • the provision of the crossing regions and the resistance barriers results in the generation of two current paths crossing in the crossing region, along which the electric fields (and thus also the induced voltages) cancel each other out in a symmetrical configuration, ie four geometrically at least similar current paths.
  • the effect is in this case at least in the range up to the critical current of a filament is the same, which also would result if an isolated by the at ⁇ whose current path bridge to the other filament would see pre ⁇ .
  • the present invention allows a two-dimensional realization, lying in the layer plane, of a "rotation" of current paths against one another. Accordingly, the effect also arises in the present invention, at least in part, of viewing along a current path at least for the most part, with corresponding symmetry, cancel out the electric fields.
  • a layered superconductor according to the invention does not simply have straight-line filaments / striations which completely define the current paths, but rather countries, the current paths intersect each other in the layer plane in a defined way such that the induced electrical ⁇ rule fields along the current paths cancel each other at least partially.
  • the resistance barriers which are local regions of defined resistance, thus lead to the decoupling of the current paths.
  • junction in particular an odd number of crossing areas are connected. With a very high number of crossing regions over the length of the conductor, however, the even or odd number of crossing regions is negligible.
  • Has a current-carrying section therefore, in ⁇ way of example six filaments, to form three groups of adjacent filaments, each having at least an intersection area, and consequently two in the eins- form at least one junction intersecting current paths.
  • An odd number of crossing areas means that an even number of conductor loops is formed, so that alternately the by Kir- netfeld induced electric field encounters the current in opposite ⁇ translated directions, so that it in a symmetrical configuration, ideally, to a lifting of the effects comes.
  • the resistance barriers at several intersection areas are to be arranged in such a way that there is always a current path which does not lead across any of the resistance barriers. Overall, in this embodiment, only care must be taken that always between the two filaments of a
  • the electrical connection is made and preferably the corresponding offset resistance barriers are provided.
  • the resistance values of the at least one resistance barrier are respectively selected so that an ohmic power loss is smaller in absolute value than a Redu ⁇ cation of the power loss due to coupling be ⁇ nachbarter filaments.
  • the resistance values may, for example, be in a range of less than 0.5 ⁇ , in particular less than 0.1 ⁇ sondere ⁇ . With externally produced contacts on high-temperature superconductors easy to get into the range of about 6 ⁇ , so that the said low ⁇ ren values for the individual resistance barrier appear slightly he ⁇ reichbar.
  • Resistance values for the individual resistance barriers can also be roughly estimated by making a comparison with a conventional striated conductor with non-intersecting filaments, for example, assuming six filaments of 0.1 m in length, a substrate width of 0.012 m , ei ⁇ ner filament separation (width of the recess) of 10 ym and a thickness of the superconducting layer on the substrate of 3 ym, it follows from the law of induction and, assuming a total current of 120 A, finally a power dissipation density of 10 7 W / m 3 .
  • the at least one lovedsbarrie ⁇ re by laser treatment and / or mechanical treatment of the layer and / or a localized Dotie ⁇ tion / depletion of the layer and / or by using a local coating and / or weakening the superconducting structure in Substrate be realized.
  • the Supraleittechnologie basically be ⁇ knew ways to generate targeted and locally resistance barriers low resistance in filaments.
  • a use of a laser once it is known for example to produce the Aussparun ⁇ gen between the individual filaments as well by a laser and the barrier as well as a (less intensive) use of the laser in the resistance for the barrier provided spatial resistance range on the remaining filament can be made.
  • the at least one resistance barrier is arranged directly adjacent to the respective crossing region, since then a particularly clear definition of the current paths is made possible.
  • the invention can be realized in a particularly simple manner by virtue of the fact that a recess or furrow is not continuously formed over the entire length of the current-carrying section by the superconductor layer which separates the filaments, but has interruptions at the intended crossing regions, so that the crossing areas entspre ⁇ accordingly arise.
  • a corresponding lateral constriction of the intersection region the ⁇ still will be intended and contemplated. ⁇ is deviated as little as possible Draw from the straight course of the individual filaments, this results in the most compact realization of the present invention.
  • Fig. 1 shows an extremely simple, for illustration geeigne ⁇ tes embodiment of a superconducting device according to the invention la, in which two filaments 3 connecting two contact elements 2 are provided, which are separated by Ausspa ⁇ ments 4.
  • the plane of the drawing of FIG. 1 is the layer plane of the superconductor layer.
  • the Strom Resultssab ⁇ section 5 is as known between the contact elements. 2
  • the filaments are not separated 3 over the entire current-carrying section 5, but centrally in a Kreu ⁇ -cutting section 6 and a total of a symmetrical design ⁇ from forming an electrically conductive manner.
  • This sym- metry is broken, however, immediacy ⁇ adjacent bar through the crossing portion 6 at opposite with respect to the intersection region 6, transversely and longitudinally offset, locally provided in resistance areas resistance barriers. 7
  • the resistance barriers 7 have an extremely low ohmic resistance value, in this case in the range of less than 0.1 ⁇ , and were produced by laser treatment, although other possibilities for generation are also conceivable.
  • YBCO is used herein.
  • An external alternating magnetic field runs perpendicular to the layer plane according to the arrows 9 and can thus induce an electric field indicated by the arrows 10, that is to say due to the change over time.
  • the provision of the resistance barriers 7 now accelerated initially the use of a first, ge ⁇ marked by solid arrows 11 the current path, which consequently changes in the crossing area 6 from the left filament 3 to the right filament 3, wherein in the present case illustrates a situation in which the transport stream from bottom to top in Fig. 1 runs.
  • the second current path which leads across the resistance barriers 7 and is identified by dashed arrows 12, is also used.
  • the first and the second current paths thus intersect in the crossing region 6, so that overlapping current paths in the layer plane of the superconductor layer can be created by the resistance barriers 7 and the crossing region 6.
  • the curve 13 corresponds to the total current, whose maximum in magnitude ideally corresponds to substantially twice the critical current of a filament 3.
  • the curve ⁇ ve 14 shows the course of the partial flow for the first current path (arrows 11 in Fig. 1), the curve 15 the course for the second current path (arrows 12 in Fig. 1). Until the critical current I c in the first current path is reached, only current flows in the first current path, after which the second current path takes over the excess current; in the case of the falling total current edge, the opposite occurs accordingly.
  • the second current path fulfills the task of compensating for the induced electric field, so that at least partially the vorteilhaf ⁇ te reduction of coupling losses occurring.
  • the current paths or filaments need not necessarily diverge as pronounced pronounced, as shown in the illustrative first embodiment of FIG. Si It only needs to be ensured that the resistance barriers 7 force the illustrated current flow.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a superconducting device 1b according to the invention, wherein for the sake of simplicity the reference symbols of FIG. 1 have been retained for corresponding components.
  • six filaments 4 are vorgese ⁇ hen here, which are divided into three groups of filaments 16 of each two neighboring filaments 3.
  • Filament groups 16, the recess 4 is continuous, while within the filament groups 16, the recess 4 is interrupted to form the crossing regions 6, wherein a possible course of the resistance barriers 7 is interpreted accordingly. Accordingly, the current flow is also ge ⁇ according to the first current path, see. here the arrow 17, and in the second current path, cf. here the arrow 18, again dashed, forced.
  • the crossing regions 6 are each located in the middle of the current-carrying section 5, so that in each case opposite electric fields occur along the current paths at equal lengths.
  • the number of crossing regions 6 does not necessarily have to be limited to one, as shown schematically by the filament pair 16 of FIG. 4. There, three crossing regions 6 are realized, which are equidistant over the length of the

Landscapes

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Abstract

Supraleitereinrichtung (1a, 1b) zum Betrieb in einem externen Wechselmagnetfeld, aufweisend zwei supraleitende Kontaktelemente (2) und einen diese in einer der Stromflussrichtung von einem Kontaktelement (2) zu dem anderen Kontaktelement (2) entsprechenden Längsrichtung verbindenden Stromführungsabschnitt (5) mit einer auf ein Substrat (8) aufgebrachten Supraleiterschicht, wobei die Supraleiterschicht wenigstens teilweise in Längsrichtung zur Bildung einzelner, Stromwege für den Transportstrom bildender Filamente (3) mittels einer Aussparung (4) durchtrennt ist, wobei wenigstens zwei benachbarte der Filamente (3) in einem auf dem Substrat (8) gebildeten Kreuzungsbereich (6), an dem vier Stromwege leitend verbunden sind, durch Weglassen der Aussparung (4) leitend verbunden sind, wobei in sich bezüglich der Kreuzung gegenüberliegenden, in Längsrichtung und einer zur Längsrichtung senkrechten Querrichtung der Schichtebene versetzten Stromwegen der benachbarten Filamente (3) wenigstens eine, insbesondere jeweils eine, ohmsche Widerstandsbarriere (7) vorgesehen ist.

Description

Beschreibung
Supraleitereinrichtung zum Betrieb in einem externen Magnetfeld
Die Erfindung betrifft eine Supraleitereinrichtung zum Betrieb in einem externen Wechselmagnetfeld, aufweisend zwei supraleitende Kontaktelemente und einen diese in einer der Stromflussrichtung von einem Kontaktelement zu dem anderen Kontaktelement entsprechenden Längsrichtung verbindenden
Stromführungsabschnitt mit einer auf ein Substrat aufgebrach¬ ten Supraleiterschicht, wobei die Supraleiterschicht wenigs¬ tens teilweise in Längsrichtung zur Bildung einzelner, Stromwege für den Transportstrom bildender Filamente mittels einer Aussparung durchtrennt ist.
Der Einsatz von Supraleitern wurde auch in magnetischen Wechselfeldern (Wechselmagnetfeldern) vorgeschlagen, beispielsweise in supraleitenden elektrischen Maschinen. Beim Einsatz von elektrischen Leitern in Wechselmagnetfeldern treten Wechselfeldverluste auf, die in verschiedenen Komponenten ent¬ sprechend den physikalischen Ursachen gegliedert werden können. Bei Supraleitern gibt es gegenüber Normalleitern zusätzliche Effekte/Komponenten, wobei ein weiteres Problem darin liegt, dass diese Wechselfeldverluste unter Einsatzbedingun¬ gen im Kalten besonders störend und prohibitiv für die Anwendung sein können, da ein Vielfaches der Wechselfeldverluste dann bei Raumtemperatur benötigt wird, was den Wirkungsgrad reduziert .
Bei Normalleitern wird bei Wechselmagnetfeldeinsätzen üblicherweise vorteilhaft kein monolithischer Leiter, sondern ein Litzenleiter verwendet. Dies minimiert die nachteiligen Wirkungen von Skin-Effekt (Stromverdrängung) und Wirbelstromver- lusten.
Auch bei Supraleitern, die meist aus Billets oder Bolzen hergestellt werden, beispielsweise NbTi, Nb3Sn, MgB2 oder Bi- 2223, ist die Verwendung von supraleitenden Filamenten bekannt. Filamente bei Supraleitern haben nicht nur eine posi¬ tive Erhöhung der Stabilität der Supraleitung zur Folge, sondern können auch die Wechselfeldverluste reduzieren.
Eine wichtige Gruppe von Wechselfeldverlusten bei Supralei¬ tern sind die sogenannten Hystereseverluste, die dadurch zu¬ stande kommen, dass in den Leiter eindringende Magnetfelder sich mit dem äußeren Wechselmagnetfeld in ihrer Richtung än- dern und somit Ummagnetisierungsvorgänge stattfinden müssen. Da die Ausdehnung des Supraleiters senkrecht zum Magnetfeld die Größe der Hystereseverluste bestimmt, ist eine Ausbildung von dünnen Filamenten vorteilhaft. Die Filamente in Supralei¬ tern sind aber üblicherweise elektrisch miteinander verbun- den, zum einen zwangsweise an den Enden über die Kontakte, an denen der Strom eingespeist bzw. ausgeleitet wird, und ggf. zum anderen über die (resistive) normalleitende Matrix. Die damit verbundenen Wechselfeldverluste nennt man Kopplungsver¬ luste .
Bei einer solchen Filamentisierung und Kopplung über die Kontakteelemente und/oder die Matrix tritt das Problem auf, dass es zu einer Kopplung zwischen den einzelnen Filamenten kommt, insbesondere also durch das äußere Wechselmagnetfeld Spannun- gen und Ströme in durch die Filamente gemeinsam mit Verbin¬ dungen zwischen diesen an Kontaktelementen gebildeten Leiterschleifen induziert werden, wodurch die Kopplungsverluste entstehen. Für Normalleiter und Multifilament-Supraleiter ist es daher bekannt, diese gegeneinander zu verdrehen, so dass die aufgrund des Wechselmagnetfeldes entstehenden elektri¬ schen Felder sich in benachbarten Schleifen aufheben. Dieses Konzept ist auch als „twisted pair" bekannt.
Eine solche Ausgestaltung ist nicht möglich bei Schichtsupra- leitern, die als Schicht auf ein Substrat aufgebracht werden. Um die Hystereseverluste zu verringern, wurde diesbezüglich vorgeschlagen, die ursprünglich in der Breite durchgängige Supraleiterschicht in Längsrichtung in Streifen, sogenannte „striations" , zu unterteilen. Dies wird beispielsweise in ei¬ nem Artikel von Coleman B. Cobb et al . , „Hysteretic loss reduction in striated YBCO", Physica C 382 (2002), Seiten 52 - 56, beschrieben. Dort wird von der Problematik ausgegangen, dass die Schichtsupraleiter, welche Breiten bis zu 1 cm aufweisen können, beim Betrieb in Wechselmagnetfeldern senkrecht zu der Schicht nicht akzeptable Hystereseverluste aufweisen. Es wird untersucht, wie sich diese Hystereseverluste bei Un¬ terteilung der Supraleiterschicht in dünne, lineare Filamente („striations" ) verhalten. Es ergibt sich im Allgemeinen, dass sich zwar die Hystereseverluste reduzieren lassen, da die Dimension der Filamente senkrecht zur Feldrichtung hierfür der bestimmende Faktor ist. In einer realen Anwendung jedoch, bei der die Filamente mindestens am Anfang und Ende jeweils durch elektrische Kontaktelemente (oder durch Matrix und Shunt- Layer) kurzgeschlossen sind, weisen diese sogenannten
„striated conductors" zwischen den Filamenten große Indukti¬ onsschleifen auf, die wiederum für erhöhte Wechselmagnetfeld¬ verluste (Kopplungsverluste) ursächlich sind. Die Filamente entsprechen also im Wesentlichen „ungetwisteten" Teilleitern mit elektrischer Verbindung an den Kontakten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglich¬ keit zur Reduzierung der Kopplungsverluste bei in einzelne Filamente zu unterteilenden Supraleiterschichten anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Supraleitereinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine erfindungsgemäße Supraleitereinrichtung der eingangs ge¬ nannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens zwei benachbarte der Filamente in einem auf dem Substrat gebilde¬ ten Kreuzungsbereich, an dem vier Stromwege leitend verbunden sind, durch Weglassen der Aussparung leitend verbunden sind, wobei in sich bezüglich der Kreuzung gegenüberliegenden, in Längsrichtung und einer zur Längsrichtung senkrechten Querrichtung der Schichtebene versetzten, sich an der Kreuzung treffenden Stromwegen der benachbarten Filamente mindestens eine, insbesondere jeweils eine, ohmsche Widerstandsbarriere vorgesehen ist. Dabei ist die Verwendung jeweils einer Widerstandsbarriere bevorzugt. Auf diese Weise wird erreicht, dass zumindest un¬ terhalb des kritischen Stroms eines Filaments ein am Kreu¬ zungsbereich das Filament wechselnder, die barrierefreien Stromwege nutzender Strompfad entsteht. Die Barrieren erzwin- gen also in dem Kreuzungsbereich die Seite, also das Fila¬ ment, wechselnde Strompfade, so dass in durch einen Kreu¬ zungsbereich getrennten, durch die Stromwege gebildeten Leiterschleifen durch einen Strompfad jeweils entgegengesetzte, vom Betrag her bei symmetrischer Ausgestaltung gleiche Span- nungen aufgrund der von der senkrecht zur Schichtebene ste¬ henden, zeitlich variierenden äußeren Magnetfeldkomponente erzeugten elektrischen Felder erzeugt werden. Mit anderen Worten resultiert das Vorsehen der Kreuzungsbereiche und der Widerstandsbarrieren in der Erzeugung von zwei sich in dem Kreuzungsbereich kreuzenden Strompfaden, entlang denen sich bei symmetrischer Ausgestaltung, also vier geometrisch zumindest ähnlichen Stromwegen, die elektrischen Felder (und mithin auch die induzierten Spannungen) aufheben. Der Effekt ist hierbei wenigstens im Bereich bis zum kritischen Strom eines Filaments derselbe, der auch entstünde, wenn eine von dem an¬ deren Strompfad isolierte Brücke zum anderen Filament vorge¬ sehen würde .
Mit anderen Worten kann also gesagt werden, dass die vorlie- gende Erfindung eine zweidimensionale, in der Schichtebene liegende Realisierung einer „Verdrehung" von Strompfaden gegeneinander erlaubt. Entsprechend ergibt sich auch bei der vorliegenden Erfindung wenigstens teilweise der Effekt, dass entlang eines Strompfades betrachtet sich die elektrischen Felder wenigstens größtenteils, bei entsprechender Symmetrie vollständig, aufheben. Somit weist ein erfindungsgemäßer Schichtsupraleiter nicht einfach nur geradlinige, die Strompfade vollständig definierende Filamente/Striations auf, son- dern die Strompfade kreuzen einander in der Schichtebene auf definierte Weise derart, dass sich die induzierten elektri¬ schen Felder entlang der Strompfade gegenseitig zumindest teilweise aufheben. Die Widerstandsbarrieren, welche lokale Regionen von definiertem Widerstandswert sind, führen mithin zur Entkopplung der Strompfade. Zwar tritt durch derartige Widerstandsbarrieren für einige Stromwerte ein rein
resistiver Verlustanteil in Phase mit dem Transportstrom auf, welcher jedoch erfindungsgemäß, worauf im Folgenden noch nä- her eingegangen werden wird, zweckmäßigerweise geringer als die Kopplungsverluste in reinen „striated conductors" gehal¬ ten wird, wobei letztere zudem auch phasenmäßig verschoben sind oder sein können.
Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass durch die erfin¬ dungsgemäße Ausgestaltung eine unsymmetrische Stromverteilung über die beiden Strompfade entsteht, so dass zumindest zeit¬ weise eine unsymmetrische Aufteilung der Teilströme des Ge¬ samtstromes auftritt. So wird zunächst nur der von Wider¬ standsbarrieren freie erste Strompfad genutzt werden, bis der kritische Strom eines einzigen Filaments erreicht ist und der widerstandsfreie Stromtransport hier ausgeschöpft ist. Dann erweist sich der zweite Strompfad, bei dem die bevorzugt bei¬ den Widerstandsbarrieren überwunden werden müssen, als günstiger und der Strom hier steigt an, idealerweise bis hin zu ebenso dem kritischen Strom eines Filaments. Der zweite
Strompfad übernimmt sozusagen den „Überschussstrom", wobei dennoch der zweite Strompfad die Aufgabe hat, das induzierte elektrische Feld zu kompensieren, so dass wenigstens teilwei¬ se eine vorteilhafte erfindungsgemäße Reduktion der Wechsel¬ feldverluste auftritt.
Dem Vorteil geringerer Wechselfeldverluste stehen zwei diesem gegenüber jedoch geringer zu gewichtende Einschränkungen ge- genüber, nämlich zum einen eine mögliche Reduzierung der
Stromdichte bezogen auf den Gesamtquerschnitt der Supralei¬ tereinrichtung durch die verwendete besondere Konfiguration. Zum anderen, wie bereits angedeutet wurde, erfolgt der Strom- transport bezüglich des zweiten Strompfades über die bevor¬ zugt zwei Widerstandsbarrieren, die eine Resistivität und da¬ mit Verluste ohmscher Art aufweisen können. Diese sind jedoch vorteilhaft - im Gegensatz zu den Kopplungsverlusten aufgrund von Induktion - in Phase mit dem Transportstrom.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass bei der Verwendung von wenigstens einer Widerstandsbarriere nur auf einer Seite die klare Aufteilung in die unterschiedlichen Strompfade nur ein- seitig vorliegt, dennoch eine zumindest teilweise Aufhebung von elektrischen Feldern erreicht wird. Bevorzugt ist es, wie gesagt, allerdings, beidseitig des Kreuzungsbereichs Wider¬ standsbarrieren vorzusehen, wie oben bereits erwähnt, so dass sich die folgende Beschreibung hauptsächlich auf diese Aus- führung beziehen soll.
Während es in der Theorie denkbar ist, durch die Verwendung von Kreuzungsbereichen bei einer Vielzahl von Filamenten komplexe Netze von Strompfaden aufzubauen, ist dies jedoch im Endeffekt unnötig und deutlich zu aufwändig, da es letztlich zum Erreichen der Reduktion der Kopplungsverluste (Wechselfeldverluste) ausreichend ist, mit jeweils zwei Filamenten in der Schichtebene auf die erfindungsgemäß vorgeschlagene Weise ein „twisted pair", also gegeneinander verdrehte Strompfade, nachzubilden. Mithin sieht eine besonders vorteilhafte Ausge¬ staltung der vorliegenden Erfindung vor, dass eine
geradzahlige Anzahl von Filamenten vorgesehen ist, wobei die Filamente in elementfremde (disjunkte) , jeweils zwei benach¬ barte Filamente enthaltende Filamentgruppen aufgeteilt sind und Filamente einer Filamentgruppe über wenigstens einen
Kreuzungsbereich, insbesondere eine ungeradzahlige Anzahl von Kreuzungsbereichen, verbunden sind. Bei einer sehr hohen Anzahl von Kreuzungsbereichen über die Länge des Leiters ist aber die gerade oder ungerade Anzahl von Kreuzungsbereichen unwesentlich. Weist ein Stromführungsabschnitt mithin bei¬ spielhaft sechs Filamente auf, bilden sich drei Gruppen von jeweils benachbarten Filamenten, die jeweils wenigstens einen Kreuzungsbereich aufweisen, mithin zwei sich in dem wenigs- tens einen Kreuzungsbereich überkreuzende Strompfade bilden. Eine ungeradzahlige Anzahl von Kreuzungsbereichen bedeutet, dass sich eine geradzahlige Anzahl von Leiterschleifen ausbildet, so dass immer abwechselnd das durch das Wechselmag- netfeld induzierte elektrische Feld dem Strom in entgegenge¬ setzten Richtungen begegnet, so dass es bei symmetrischer Ausgestaltung idealerweise zu einer Aufhebung der Effekte kommt. Dabei sind die Widerstandsbarrieren bei mehreren Kreuzungsbereichen so anzuordnen, dass sich immer ein Strompfad ergibt, der über keine der Widerstandsbarrieren führt. Insgesamt muss bei dieser Ausgestaltung lediglich dafür gesorgt werden, dass immer zwischen den zwei Filamenten einer
Filamentgruppe im Kreuzungsbereich die elektrische Verbindung hergestellt wird und bevorzugt die entsprechenden versetzt vorgesehenen Widerstandsbarrieren vorhanden sind.
Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Widerstandswerte der wenigstens einen Widerstandsbarriere jeweils so gewählt sind, dass ein ohmscher Leistungsverlust betragsmäßig kleiner als eine Redu¬ zierung des Leistungsverlustes aufgrund einer Kopplung be¬ nachbarter Filamente ist. Dabei können die Widerstandswerte beispielsweise in einem Bereich kleiner als 0,5 ηΩ, insbe¬ sondere kleiner als 0,1 ηΩ, liegen. Mit extern produzierten Kontakten auf Hochtemperatursupraleitern kommt man leicht in Bereiche von etwa 6 ηΩ, so dass auch die genannten niedrige¬ ren Werte für die einzelne Widerstandsbarriere leicht er¬ reichbar erscheinen. Damit ergibt sich letztlich der Vorteil, dass die Kopplungsverluste (Wechselfeldverluste) nicht ein- fach durch in Phase liegende ohmsche Widerstandsverluste er¬ setzt werden, sondern tatsächlich eine insgesamte Reduzierung der Verluste stattfindet. Widerstandswerte für die einzelnen Widerstandsbarrieren können auch grob abgeschätzt werden, indem ein Vergleich mit einem üblichen „striated conductor" mit nicht in Kreuzungsbereichen verbundenen Filamenten durchgeführt wird. Geht man beispielsweise von sechs Filamenten mit einer Länge von 0,1 m, einer Substratbreite von 0,012 m, ei¬ ner Filamentseparation (Breite der Aussparung) von 10 ym und einer Dicke der supraleitenden Schicht auf dem Substrat von 3 ym aus, ergibt sich aus dem Induktionsgesetz und bei einem angenommenen Gesamtstrom von 120 A schließlich eine Verlustleistungsdichte von 107 W/m3. Nachdem fünf derartige „Induk- tionsschleifen" (durch fünf benachbarte Paare von Filamenten) existieren, kann man ein Maximum der ohmschen Verlustleistungsdichte derart abschätzen, dass das Fünffache der soeben genannten Kopplungsverluste nicht überschritten werden soll, wobei sich im genannten Beispiel etwa 0,6 ηΩ ergeben. Nach- dem, wie dargelegt, Widerstandswerte in diesem Bereich leicht erreichbar sind, ist nachgewiesen, dass ein solcher Leiteraufbau vorteilhaft gegenüber einem „striated conductor" oder einem monolithischen Leiter sein kann. Konkret kann vorgesehen sein, dass die Widerstandswerte durch eine Simulation und/oder in einem Modell berechnet und/oder durch Auswertung von Testmessungen, insbesondere also empirisch, bestimmt werden. Zweckmäßigerweise können bereits be¬ stehende programmierte Simulationsumgebungen genutzt werden, um das Verhalten der Supraleitereinrichtung, die Verluste und Ströme bei unterschiedlichen Widerstandswerten derart zu betrachten, dass ein optimaler Widerstandswert aufgefunden wird . Zweckmäßigerweise kann die wenigstens eine Widerstandsbarrie¬ re durch eine Laserbehandlung und/oder eine mechanische Behandlung der Schicht und/oder eine lokalisierte Dotie¬ rung/Verarmung der Schicht und/oder durch Verwendung einer lokalen Beschichtung und/oder einer die Supraleitung schwä- chenden Struktur im Substrat realisiert sein. Es sind mithin viele, im Bereich der Supraleittechnologie grundsätzlich be¬ kannte Möglichkeiten denkbar, um gezielt und lokal Widerstandsbarrieren geringen Widerstands in Filamenten zu erzeugen. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Verwendung eines Lasers, nachdem es beispielsweise bekannt ist, die Aussparun¬ gen zwischen den Einzelfilamenten ebenso durch einen Laser zu erzeugen und die Barrieren so auch durch eine (weniger intensive) Nutzung des Lasers in dem für die Widerstandsbarriere vorgesehenen räumlichen Widerstandsbereich auf dem verbleibenden Filament vorgenommen werden kann.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die wenigstens eine Widerstandsbarriere unmittelbar benachbart zu dem jeweiligen Kreuzungsbereich angeordnet ist, da dann eine besonders klare Definition der Strompfade ermöglicht wird.
Dabei sei darauf hingewiesen, dass es im Rahmen der vorlie- genden Erfindung durchaus möglich ist, von einem geradlinigen, durchgängigen Verlauf der Filamente abzuweichen, dies jedoch nicht zwangsläufig notwendig ist. Tatsächlich lässt sich die Erfindung besonders einfach dadurch realisieren, dass eine Aussparung bzw. Furche durch die Supraleiter- Schicht, die Filamente voneinander trennt, nicht durchgängig über die gesamte Länge des Stromführungsabschnitts gebildet wird, sondern an den gewollten Kreuzungsbereichen Unterbrechungen aufweist, so dass sich die Kreuzungsbereiche entspre¬ chend ergeben. Zusätzlich kann selbstverständlich auch eine entsprechende seitliche Verengung des Kreuzungsbereichs den¬ noch gewollt sein und vorgesehen werden. Wird von dem geradlinigen Verlauf der einzelnen Filamente möglichst wenig abge¬ wichen, ergibt sich die platzsparendste Realisierung der vorliegenden Erfindung.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein erstes, der Erläuterung dienendes Ausführungs¬ beispiel einer erfindungsgemäßen Supraleitereinrichtung,
Fig. 2 der Stromverlauf in unterschiedlichen Strompfaden,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Supraleitereinrichtung, und Fig. 4 mehrere Kreuzungsbereiche in einer Filamentgruppe .
Fig. 1 zeigt ein äußerst einfaches, zur Erläuterung geeigne¬ tes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Supraleiter- einrichtung la, bei der ersichtlich zwei zwei Kontaktelemente 2 verbindende Filamente 3 vorgesehen sind, die durch Ausspa¬ rungen 4 getrennt sind. Die Zeichenebene der Fig. 1 ist dabei die Schichtebene der Supraleiterschicht. Der Stromführungsab¬ schnitt 5 liegt wie bekannt zwischen den Kontaktelementen 2.
Allerdings sind hier die Filamente 3 nicht über den gesamten Stromführungsabschnitt 5 getrennt, sondern in einem Kreu¬ zungsabschnitt 6 mittig und insgesamt eine symmetrische Aus¬ gestaltung bildend elektrisch leitend verbunden. Diese Sym- metrie wird allerdings durch den Kreuzungsbereich 6 unmittel¬ bar benachbarten, an bezüglich des Kreuzungsbereichs 6 gegenüberliegenden, quer und längs versetzten, lokal in Widerstandsbereichen vorgesehene Widerstandsbarrieren 7 gebrochen. Die Widerstandsbarrieren 7 haben einen äußerst geringen ohm- sehen Widerstandswert, vorliegend im Bereich kleiner 0,1 ηΩ, und wurden durch Laserbehandlung erzeugt, wobei jedoch auch andere Möglichkeiten zur Erzeugung denkbar sind. Als Supraleitermaterial der Supraleiterschicht, die auf dem Substrat 8 angeordnet ist, wird vorliegend YBCO verwendet.
Ein äußeres Wechselmagnetfeld verläuft gemäß den Pfeilen 9 senkrecht zur Schichtebene und kann dadurch, also aufgrund der zeitlichen Veränderung, ein durch Pfeile 10 angedeutetes elektrisches Feld induzieren.
Das Vorsehen der Widerstandsbarrieren 7 forciert nun zunächst die Nutzung eines ersten, durch durchgezogene Pfeile 11 ge¬ kennzeichneten Strompfads, der mithin im Kreuzungsbereich 6 von dem linken Filament 3 auf das rechte Filament 3 wechselt, wobei vorliegend eine Situation dargestellt ist, in der der Transportstrom von unten nach oben in Fig. 1 läuft. Ist der kritische Strom eines Filaments 3 überschritten, wird auch der zweite Strompfad, der über die Widerstandsbarrieren 7 führt und durch gestrichelte Pfeile 12 gekennzeichnet ist, genutzt. Der erste und der zweite Strompfad kreuzen sich also im Kreuzungsbereich 6, so dass durch die Widerstandsbarrieren 7 und den Kreuzungsbereich 6 also überlappende Strompfade in der Schichtebene der Supraleiterschicht geschaffen werden können. Der entscheidende Vorteil dieser Stromführung ist, dass sich die elektrischen Felder (Pfeile 10) jeweils entlang des ersten Strompfades und des zweiten Strompfades aufheben, da, wie leicht ersichtlich ist, in den beiden „Maschen" bzw. Leiterschleifen das elektrische Feld (Pfeil 10) für den je¬ weiligen Strompfad einmal in Richtung des Teilstromes und einmal entgegen dieser Richtung induziert wird. Das bedeutet, dass im idealen Fall der Effekt des äußeren Wechselmagnetfel¬ des und damit die Kopplungsverluste neutralisiert werden.
Allerdings liegt, wie bereits angedeutet wurde, eine unsym¬ metrische Aufteilung der Teilströme der Strompfade zumindest zeitweise vor, wie sich aus den Stromverläufen der Fig. 2 ergibt. Die Kurve 13 entspricht dabei dem Gesamtstrom, dessen Maximum im Betrag idealerweise im Wesentlichen dem Zweifachen des kritischen Stromes eines Filaments 3 entspricht. Die Kur¬ ve 14 zeigt den Verlauf des Teilstromes für den ersten Strom- pfad (Pfeile 11 in Fig. 1), die Kurve 15 den Verlauf für den zweiten Strompfad (Pfeile 12 in Fig. 1) . Bis zum Erreichen des kritischen Stromes Ic im ersten Strompfad fließt nur Strom im ersten Strompfad, danach übernimmt der zweite Strompfad den Überschussstrom; bei der fallenden Gesamtstromflanke erfolgt entsprechend Gegensätzliches. Dennoch erfüllt der zweite Strompfad die Aufgabe, das induzierte elektrische Feld zu kompensieren, so dass wenigstens teilweise die vorteilhaf¬ te Reduktion der Kopplungsverluste auftritt. Die Strompfade bzw. Filamente müssen nicht zwangsweise so stark ausgeprägt auseinanderlaufen, wie dies im erläuternden ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 dargestellt ist. Si- chergestellt werden muss nur, dass die Widerstandsbarrieren 7 den dargestellten Stromfluss forcieren.
Entsprechend zeigt Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel ei- ner erfindungsgemäßen Supraleitereinrichtung lb, wobei der Einfachheit halber die Bezugszeichen der Fig. 1 für entsprechende Komponenten beibehalten wurden. Im Unterschied zur Darstellung der Fig. 1 sind hier sechs Filamente 4 vorgese¬ hen, die in drei Filamentgruppen 16 von jeweils zwei benach- barten Filamenten 3 aufgeteilt sind. Zwischen den
Filamentgruppen 16 ist die Aussparung 4 durchgängig, während innerhalb der Filamentgruppen 16 die Aussparung 4 zur Bildung der Kreuzungsbereiche 6 unterbrochen wird, wobei auch ein möglicher Verlauf der Widerstandsbarrieren 7 entsprechend an- gedeutet ist. Entsprechend wird auch hier der Stromfluss ge¬ mäß dem ersten Strompfad, vgl. hier den Pfeil 17, und im zweiten Strompfad, vgl. hier den Pfeil 18, wiederum gestrichelt, forciert. Die Kreuzungsbereiche 6 finden sich jeweils in der Mitte des Stromführungsabschnitts 5, so dass entlang der Strompfade auf gleichen Längen jeweils entgegengesetzte elektrische Felder auftreten.
Dabei muss nicht zwangsläufig die Zahl der Kreuzungsbereiche 6 auf einen beschränkt sein, wie das schematisch dargestellte Filamentpaar 16 der Fig. 4 zeigt. Dort sind drei Kreuzungsbe¬ reiche 6 realisiert, die äquidistant über die Länge des
Stromführungsabschnitts 5 verteilt sind. Somit ergeben sich aus geometrisch gleichen Stromwegen zusammengesetzte Leiterschleifen, mithin sich optimal in ihren Wirkungen aufhebende induzierte elektrische Felder entlang der die Filamente wech¬ selnden Strompfade.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Supraleitereinrichtung (la, lb) zum Betrieb in einem externen Wechselmagnetfeld, aufweisend zwei supraleitende Kon- taktelemente (2) und einen diese in einer der Stromflussrichtung von einem Kontaktelement (2) zu dem anderen Kontaktele¬ ment (2) entsprechenden Längsrichtung verbindenden Stromführungsabschnitt (5) mit einer auf ein Substrat (8) aufgebrach¬ ten Supraleiterschicht, wobei die Supraleiterschicht wenigs- tens teilweise in Längsrichtung zur Bildung einzelner, Stromwege für den Transportstrom bildender Filamente (3) mittels einer Aussparung (4) durchtrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei benachbarte der Filamente (3) in einem auf dem Substrat (8) gebildeten Kreuzungsbereich (6), an dem vier Stromwege leitend verbunden sind, durch Weglassen der Aussparung (4) leitend verbunden sind, wobei in sich bezüglich der Kreuzung gegenüberliegenden, in Längsrichtung und einer zur Längsrichtung senkrechten Querrichtung der Schichtebene versetzten Stromwegen der benachbarten Filamente (3) wenigstens eine, insbesondere jeweils eine, ohmsche Wider¬ standsbarriere (7) vorgesehen ist.
2. Supraleitereinrichtung (la, lb) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine geradzahlige Anzahl von Fila- menten (3) vorgesehen ist, wobei die Filamente (3) in ele¬ mentfremde, jeweils zwei benachbarte Filamente (3) enthalten¬ de Filamentgruppen (16) aufgeteilt sind und Filamente (3) ei¬ ner Filamentgruppe (16) über wenigstens einen Kreuzungsbe¬ reich (6), insbesondere eine ungeradzahlige Anzahl von Kreu- zungsbereichen (6), verbunden sind.
3. Supraleitereinrichtung (la, lb) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswerte der wenigs¬ tens einen Widerstandsbarriere (7) jeweils so gewählt sind, dass ein ohmscher Leistungsverlust betragsmäßig kleiner als eine Reduzierung des Leistungsverlustes aufgrund einer Kopp¬ lung benachbarter Filamente (3) ist.
4. Supraleitereinrichtung (la, lb) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswerte durch eine Simula¬ tion und/oder in einem Modell berechnet und/oder durch Auswertung von Testmessungen bestimmt werden.
5. Supraleitereinrichtung (la, lb) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Widerstandsbarriere (7) durch eine Laserbehandlung und/oder eine mechanische Behandlung der Schicht und/oder eine lokalisierte Dotierung oder Verarmung der Schicht und/oder durch Verwendung einer lokalen Beschichtung und/oder einer die Supraleitung schwächenden Struktur im Substrat (8) realisiert ist.
6. Supraleitereinrichtung (la, lb) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ei¬ ne Widerstandsbarriere (7) unmittelbar benachbart zu dem je¬ weiligen Kreuzungsbereich (6) angeordnet ist.
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