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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Supraleiter, insbesondere die Stromführungsfähigkeit
von Supraleitern. Es ist eine erwiesene Tatsache, dass die kritischen
Ströme
vieler Supraleiter, hier polykristalliner Supraleiter, durch in
diesen ausgebildete Korngrenzen begrenzt werden. Die Erfindung überwindet
diese Begrenzung gegenwärtiger
Supraleiter durch Nutzung von Veränderungen zum Verbessern der Stromtransporteigenschaften
der Korngrenzen des Supraleiters. Dies erfolgt im Prinzip durch
Optimieren der Mikrostruktur des Substrats oder eines Pufferschichtsystems,
auf dem der Supraleiter abgeschieden ist, so dass der polykristalline
Supraleiter große Korngrenzenbereiche
umfasst.
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Hintergrund der Erfindung
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Auf
der Basis der neuen Klasse von Supraleitern, die nachstehend Hoch-Tc-Supraleiter genannt werden und die von
Bednorz und Müller
entdeckt und in deren Artikel "Mögliche Hoch-Tc-Supraleitung
im Ba-La-Cu-O-System",
Zeitschrift für
Physik B, Condensed Matter, Bd. B64, 1986, S. 189–193, offenbart wurde,
wurde eine Vielfalt von supraleitenden Drähten, Kabeln und Bändern für den Transport
von elektrischem Strom entwickelt. Ein Schlüsselparameter, der die Leistung
und damit den ökonomischen
Nutzen dieser Leiter definiert, ist durch deren so genannte kritische
Stromdichte gegeben, die durch den Maximalstrom, den diese Leiter
im supraleitenden Zustand als so genannte Supraströme leiten
können, geteilt
durch die Querschnittsfläche
A des Supraleiters definiert ist. Die kritische Stromdichte ist
ein spezifisches Merkmal eines gegebenen Supraleiters, und zum praktischen
Gebrauch eines Supraleiters ist man bestrebt, die kritische Stromdichte
zu maximieren.
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Chaudhari
et al. haben in ihrem Artikel "Direct
Measurement of the Superconducting Properties of Single Grain Boundaries
in YBa2Cu3O7-8",
Physical Review Letters, Bd. 60, 1988, S. 1653–1655, gelehrt, dass der einschränkende Faktor
für die
kritische Stromdichte polykristalliner Hoch-Tc-Supraleiter
das elektronische Verhalten der Grenzen ist, die von den Kristallkörnern dieser
Werkstoffe ausgebildet werden. Es wurde gezeigt, dass die kritischen
Stromdichten dieser Korngrenzen um ein bis zwei Größenordnungen
kleiner als die kritischen Stromdichten der aneinander stoßenden Korngrenzen
sind.
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Weiterhin
haben Dimos et al. in ihrer Veröffentlichung "Superconducting Transport
Properties of Grain Boundaries in YBa2Cu3O7-δ Bicrystals", Physical Review
B, Bd. 41, 1990, S. 4038–4049,
gelehrt, dass sich supraleitende Körner geringer Fehlausrichtung
(normalerweise unter 8° bis
10°) wie
fest verbundene Supraleiter verhalten, während größere Fehlausrichtungen (auch
Großwinkelkorngrenzen genannt)
schwach verbunden sind und Eigenschaften ähnlich denen des Josephson-Übergangs
aufweisen. Die Lehre von Dimos et al. besteht in der Erkenntnis,
dass sich die abträgliche
Wirkung der Korngrenzen durch Ausrichten der supraleitenden Körner bezogen
auf ihre Kristallhauptachsen reduzieren lässt.
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Diesem
Vorschlag folgend, sind Drähte
und Bänder
aus Hoch-Tc-Supraleitern hergestellt worden, deren
kritische Ströme
durch Ausrichten der supraleitenden Körner mit vielfältigen Mitteln,
wie Rollprozesse oder ionenstrahlgestützte Verfahren, verbessert werden.
Obwohl diese Verfahren zur Herstellung von Hoch-Tc-Supraleitern
mit Stromdichten der Größenordnung
von 100 000 A/cm2 bei Temperaturen von 4,2
K geführt
haben, bleibt wünschenswert, Hoch-Tc-Supraleiter mit noch höheren kritischen Stromdichten
oder mittels Verfahren zu fertigen, die weniger kostspielig und
schneller als die bekannten sind.
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Mannhart
und Tsuei haben in ihrer Veröffentlichung "Limits of the Critical
Current Density of Polycristalline High-Temperature Superconductors
Based an the Current Transport Properties of Single Grain Boundaries", Zeitschrift für Physik
B, Bd. 77, 1989, S. 53–59,
offenbart, dass die kritische Stromdichte eines dreidimensionalen
Leiters die gegebene kritische Stromdichte der Korngrenzen um eine
Größenordnung überschreiten
kann. Dieser in 1 veranschaulichte Ansatz basiert
auf der Tatsache, dass der kritische Strom des Leiters eine Funktion
der kritischen Stromdichte der Korngrenze sowie des effektiven Korngrenzenbereichs
A' ist, der viel
größer als die
Querschnittsfläche
A des Leiters sein kann. Der effektive Korngrenzenbereich A' lässt sich
z. B. durch Anpassen der Mikrostruktur des Supraleiters vergrößern, so
dass die Körner
ein großes
Aspektverhältnis haben,
wobei die langen Seiten der Körner überwiegend
parallel zum Sup rastromfluss ausgerichtet sind. In ihrer Veröffentlichung
haben Mannhart und Tsuei auch ein Verfahren zur Berechnung des kritischen Stroms
als Funktion des Kornaspektverhältnisses
offenbart. Diese Berechnungen zeigen, dass der kritische Strom stark
mit dem Aspektverhältnis
der Körner
zunimmt und letztlich nur durch die kritischen Stromdichten zwischen
den Körnern
limitiert ist.
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Mannhart
und Tsuei haben darauf hingewiesen, dass hohe kritische Stromdichten
durch Verwenden supraleitender Filme mit ausgerichteten nadelförmigen Körnern erreichbar
sind. Obwohl dieser Vorschlag den richtigen Weg zur Fertigung von
Bändern
mit hohem kritischem Strom aufzeigt, wurde trotz mehr als 10 Jahren
intensiver Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zu diesem Problem kein Weg
gefunden, um solche Leiter zu fertigen. Die resultierende problematische
Situation auf dem Gebiet von Hoch-Tc-Supraleiterkabeln
ist in "R. F. Service, YBCO
confronts life in the slow lane" Science,
Bd. 295, S. 787 (1. Februar 2002) dargestellt.
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Jedoch
wurden entsprechend dem Vorschlag von Mannhart und Tsuei auf der
Basis von Hoch-Tc-Supraleitern wie Bi2Sr2Ca1Cu2O8+δ,
oder Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ (BSCCO)
so genannte Kabel der ersten Generation gefertigt, die Supraleiter
verwenden, welche plättchenförmige Körner in
einer Anordnung enthalten, durch die sehr große effektive Korngrenzenbereiche
erreicht werden (siehe 2 zur Veranschaulichung). Dies
wird von Mannhart in "Critical
Currents in High-Tc Superconductors "in" Physics of High
Temperature Superconductors",
Proceedings of the Toshiba International School of Superconductivity,
Kyoto, Japan, Juli 15–20,
1991, Springer Series in Solid State Sciences, Bd. 106, 1992, 367–393 (1991),
beschrieben. Dieses auch Pulver-im-Rohr genannte Verfahren nutzt
erfolgreich große
Korngrenzenbereiche in losem BSCCO. Bei diesem Verfahren werden
Ag-Rohre mechanisch mit BSCCO-Pulver gefüllt. Die Rohre werden dann
in eine endgültige
Rohr- oder Bandform gezogen, gerollt und dann zum Reagieren und
Tempern gebrannt. Die großen
Korngrenzenbereiche in der losen BSCCO Füllung der Rohre stammen von
der plättchenförmigen Mikrostruktur
der sehr anisotropen BSCCO-Verbindungen. Leider sind die mit dem
Pulver-im-Rohr-Verfahren verbundenen Materialkosten so hoch, dass
dieses Verfahren kommerziell nicht wettbewerbsfähig sein kann. Weiterhin ist
die kritische Stromdichte solcher Drähte in angelegten Magnetfeldern
aufgrund der schlechten Flux-Pinning-Eigenschaften der BSCCO-Verbindungen
bei der bevorzugten Betriebstemperatur von 77 K niedrig.
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Ein
anderes Verfahren zum Fertigen von Leitern aus Hoch-Tc-Supraleitern
vermeidet die (wie im Pulver-im-Rohr-Verfahren erfolgte) Verwendung
von losen Werkstoffen und Silber und erhöht stattdessen die kritischen
Stromdichten der Korngrenzen durch Ausrichten der Körner mittels
epitaktischem Abscheiden supraleitender Filme. Die Erfindung ist
in erster Linie mit dieser Leiterbeschichtungstechnologie genannten
Technologie befasst. Mittels Leiterbeschichtungstechnologie gefertigte
Bänder
werden auch Leiter der zweiten Generation genannt, da dieses Verfahren
das Potential hat, das Kostenproblem der Leiter der ersten Generation
zu lösen.
Die zurzeit erforderliche Körnerausrichtung
(Texturierung) wird zum Beispiel durch Abscheidung des Supraleiters
auf einer Schablone, die eine texturierte Oberfläche hat, erreicht (ein Überblick über beschichtete
Leiter wird von D. Larbalestier et al. geliefert: "Hoch-Tc Superconducting
Materials for Electric Power Applications", Nature, Bd. 414, 2001, S. 368–377 und
Bezugnahmen darin). Das Abscheiden erfolgt normalerweise mit Hilfe üblicher
Dampfphasen-Abscheidungsverfahren, wie Sputtern, Laserabscheidung
oder thermisches Bedampfen. Vor kurzem wurden auch Verfahren ohne
Vakuum, wie Sol-Gel-Verfahren oder Tauchbeschichtung für diesen
Zweck eingesetzt.
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Zurzeit
werden beschichtete Leiter überwiegend
mit Hilfe von drei verschiedenen Verfahren gefertigt. Bei allen
besteht der Leiter normalerweise aus einem Substrat, zum Beispiel
einem metallischen Band, einem Pufferschichtensystem, das normalerweise
auf mehreren Oxidschichten, einer Schicht eines Hoch-Tc-Supraleiters
wie YBa2Cu3O7-δ und
möglicherweise
einzelnen Dotierungs- und Verkappungsschichten basiert. Im Gegensatz
zum polykristallinen Supraleiter des Pulver-im-Rohr-Leiters bilden
die Körner
in der Supraleiterschicht der beschichteten Leiter generell ein
zweidimensionales Netzwerk aus, weil der Hoch-Tc-Supraleiter
in den meisten Fällen als
polykristalliner Film epitaktisch abgelagert ist.
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Das
erste hier zu beschreibende Verfahren zum Erzeugen beschichteter
Leiter ist als RABiTS (Rolling Assisted Biaxially Textured Technique)
bekannt. Wenn Bänder
aus Werkstoffen auf Nickellegierungsbasis oder ähnlichen Werkstoffen gerollt
und auf geeignete Weise wärmebehandelt
werden, werden die Ni-Körner
entlang zweier ihrer Hauptkristallachsen texturiert, so dass die
Körner
nach allen Richtungen ausgerichtet sind. Dadurch wird das Metallband
ein zur Fertigung eines beschichteten Leiters nutzbares Substrat.
Auf der Oberfläche
des Bands wird eine normalerweise aus CeO2 und
Y-stabilisiertem ZrO2 zusammengesetzte Pufferschicht gezüchtet. Auf
diese Pufferschicht wird ein Hoch-Tc-Werkstoff,
normalerweise YBa2Cu3O7-δ,
als Film abgeschieden. Diese epitaktischen Filme reproduzieren die
Mikrostruktur der Pufferschicht, die wiederum die Mikrostruktur
des Nickellegierungssubstrats repliziert hat. Die Dicke der supraleitenden
Filme ist im Bereich von einigen Mikron; die ganzen Bänder sind
25–50
Mikrometer dick. Durch dieses als RABiTS (Rolling Assisted Biaxially
Textured Technique) bekannte Verfahren lassen sich Kleinwinkelgrenzen (z.
B. 5°–8°) erzeugen;
folglich ist die kritische Stromdichte relativ hoch und erreicht
in einem Feld von einem Tesla Werte von mehr als 105 A/cm2 bei 77 K.
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Texturieren
kann auch durch ionenstrahlgestütztes
Abscheiden (IBAD) oder durch Abscheidung unter einem Glanzwinkel,
dem so genannten ISD-Verfahren (Verfahren der schrägwinkligen
Substratabscheidung), bewirkt werden. Bei diesen Verfahren wird
die Pufferschicht während
des Züchtens strukturiert.
Dies geschieht im ISD-Verfahren durch Einstellen eines flachen Winkels
zwischen dem eingehenden Strahl adsorbierter Atome und der Substratsoberfläche und
im IBAD-Verfahren
durch Bestrahlen des wachsenden Films mit zusätzlichen Ionen. Die kritischen
Stromdichten der supraleitenden Filme, die ebenfalls eine typische
Dicke von einigen Mikrometern haben, übersteigen 106 A/cm2 bei 77 K und einem externem Magnetfeld
von Null. Ein einschränkender
Faktor für
Anwendungen dieser Verfahren ist ihre durch die umständlichen
Ausrichtungsvorgänge
verursachte niedrige Geschwindigkeit.
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Immense
Anstrengungen werden in Asien, in den USA und in Europa unternommen,
um die Leiterbeschichtungsverfahren zu verbessern. Trotz dieser Anstrengungen
wird es bestenfalls noch mehrere Jahre bis zu möglichen Marktanwendungen dauern (siehe
z. B. "R. F. Service,
YBCO confronts life in the slow lane", Science, Bd. 295. S. 787.1 Februar
2002). Der Grund dafür
ist, dass das Texturieren der Bänder ein
zeitraubender, kostspieliger Prozess ist. Aufgrund dessen beträgt die Maximallänge der
heute hergestellten beschichteten Leiter nur etwa zehn Meter, und
es ist noch kein praktisches Verfahren gefunden worden, größere Längen zu
wettbewerbsfähigen Kosten
zu erzeugen. Es ist klar, dass der kommerzielle Durchbruch bei Leitern
erreicht werden könnte, wenn
sich die Stromdichte des Kabels bei einer gegebenen Körnerausrichtung
bedeutend erhöhen
ließe.
Deshalb wird seit vielen Jahren mit großer Intensität nach solchen
Verfahren gesucht, wie von P Grant in "Currents without Borders" Nature, Bd. 407, 2000,
S. 139–141,
be schrieben. Falls ein derartiges Verfahren gefunden würde, könnte man
bei gegebenen Produktionskosten von einem stärkeren kritischen Strom, oder,
bei entspannter Körnerausrichtung, üblichen
kritischen Strömen
bei weit niedrigeren Kosten profitieren.
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Eine
Arbeit von T. Murago, J. Sato, et al. unter dem Titel "Enhancement of critical
current density for Bi-2212/Ag tage conductors through microstructure
control", veröffentlicht
in Physica C 309 (1998), S. 236–244,
erörtert
Bandleiter verschiedener Querschnitte, spricht aber weder eine Lösung mit
einer Mehrzahl von Substraten noch die Eigenschaften der für die Umsetzung
der vorliegenden Erfindung gewählten
Werkstoffe an.
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Dasselbe
trifft, mutatis mutandis, auf die
WO 01/08169 A2 zu, die beschichtete Leiter
zur Verwendung für
Energieübertragungskabel,
Rotorwicklungen von Motoren und Generatoren, Transformatoren und
dergleichen offenbart. Das in dieser Patentanmeldung offenbarte
spezifische Ziel ist die Minimierung von Wechselstromverlusten durch
Verwenden einer Mehrschicht-Bandstruktur.
Obwohl die vorliegende Erfindung auch eine "lange" Mehrschichtstruktur betrifft, konzentriert
sich die WO-Anwendung auf verschiedene Beschichtungsverfahren zur
Verbesserung der Leitung zwischen den verschiedenen Schichten, wobei
die diesbezüglich
offenbarten Details sich bedeutend von denen der vorliegenden Erfindung,
wie beansprucht, unterscheiden.
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Murakami
et al. (
USP 6 121 205 )
beschreiben einen Volumensupraleiter, der aus einer Mehrzahl von "Einheiten" hergestellt ist,
die durch Aufbringen einer supraleitenden Paste auf ein Substrat
ausgebildet sind. Das Substrat jeder Einheit wird beschrieben, eine
Länge von
50 mm, eine Breite von 10 mm und eine Dicke von 1 mm zu haben. Die
Einheiten sind in einer Reihe oder in einer Matrix angeordnet, so
dass die supraleitenden Schichten der jeweiligen Einheiten supraleitend
miteinander verknüpft werden,
um einen gestreckten Supraleiter zu liefern.
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Die
europäische Patentanmeldung 634 379 A1 offenbart
eine ähnliche
supraleitende Struktur, die aus relativ kurzen supraleitenden Segmenten
oder aus überlappend
zusammengelöteten
Elementen besteht. Für
die dort gezeigten Elemente ist keine Größe angegeben, aber aus der
Beschreibung ist zu schließen,
dass die offenbarten Segmente eine Länge von nicht mehr als ungefähr 10 mm
haben und daher irgendwie zusammengeschaltet werden müssen, um
einen wirklich langen Supraleiter auszubilden.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart eine supraleitende Struktur, die
nicht kurze supraleitende Segmente zusammensetzt, sondern stattdessen
einen "von Anfang
an" langen Supraleiter
liefert, dessen Eigenschaften über
den Stand der Technik hinaus durch einen zwischen den Oberflächen von
zwei supraleitenden Schichten hergestellten ausgedehnten supraleitenden
Kontakt bedeutend verbessert sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Lösung
für eine
verstärkte Nutzung
von Hoch-Tc- und anderen supraleitenden Werkstoffen
durch Verbessern der aktuellen Transportmechanismen innerhalb solcher
Werkstoffe zu schaffen, insbesondere, um die Obergrenze der erreichbaren
Suprastromdichte innerhalb solcher Werkstoffe heraufzusetzen.
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Ein
spezielles Ziel besteht, wie oben erwähnt, darin, einen Ansatz zu
liefern, durch den sich die Stromführungseigenschaften von Supraleitern,
z. B. von supraleitenden Drähten
oder Bändern,
in einem breiten Temperaturbereich bedeutend verbessern lassen.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren für einen
einfacheren Fertigungsprozess zu liefern, das zu einer billigeren
Massenproduktion polykristalliner Supraleiter mit im Vergleich zu den
derzeit eingesetzten Verfahren hohen kritischen Stromdichten führt. Zurzeit
erfordert die Herstellung solcher Supraleiter zeitraubende, kostspielige
Verfahren zum Optimieren der Korngrenzenausrichtung.
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Die
durch die Erfindung gelehrte neuartige Lösung basiert auf dem Verständnis, dass
die kritische Stromdichte beschichteter Leiter eine gleichförmig wachsende
Funktion der kritischen Korngrenzenstromdichte und der effektiven
Korngrenzenbereiche ist. Deshalb wird durch Verbessern des effektiven
Korngrenzenbereichs der kritische Strom eines derartigen Leiters
be trächtlich
größer als
das Produkt der kritischen Korngrenzenstromdichte und des geometrischen
Querschnitts des Leiters sein.
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Das
Wesen der Erfindung, besteht darin, dass sich bei polykristallinen
Supraleitern aus Körnern,
die wesentlich dünner
als lang oder breit sind und die überwiegend mit ihrer flachen
Seite parallel zur Oberfläche
des Supraleiters ausgerichtet sind, der effektive Korngrenzenbereich
leicht vergrößern lässt. Faszinierenderweise
sind solche Supraleiter die typischen mittels Leiterbeschichtungsverfahren gefertigten
Supraleiter. Eine bedeutende Vergrößerung des Korngrenzenbereichs
wird durch das Anpassen von zwei solchen Supraleitern mit ihren
einander gegenüberstehenden
supraleitenden Seiten erreicht, so dass ein guter supraleitender
Kontakt zwischen den beiden supraleitenden Schichten hergestellt
wird, wie in 3 und 4 skizziert.
In diesem Fall kann der Suprastrom entlang der Bänder mäandrieren und dabei teilweise
die Korngrenzen innerhalb einer Schicht durch Überwechseln in Körner der
anderen Schicht umgehen, wie in 3 veranschaulicht.
Hierdurch kann der Suprastrom leicht die mit dem Übergang
von einer Schicht zu den anderen Schichten verbundenen Korngrenzen
passieren, da diese Korngrenzen eine sehr große Fläche haben.
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Im
Ergebnis erhält
man einen neuartigen Supraleiter, dessen kritischer Strom größer als
die Summe der kritischen Ströme
seiner Komponenten ist.
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Der
zentrale Punkt der Erfindung ist, dass diese Vergrößerung der
kritischen Stromdichte besonders leicht erreicht wird, da verschiedene
problemlose, preisgünstige
Verfahren verwendet werden können,
um die erforderlichen supraleitenden Kontakte zwischen den Schichten
herzustellen.
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Eine
bevorzugte Weise, Supraleiter mit flachen Körnern großer Aspektverhältnisse
zu fertigen, besteht in der Nutzung des RABiTS-Verfahrens. Das Züchten beginnt
mit dem Verwenden eines polykristallinen texturierten Substrats.
Solch eine Schablonenschicht wird routinemäßig mittels herkömmlicher metallurgischer
Verfahren produziert. Falls gewünscht
wird, allerdings in vielen Fällen
gar nicht notwendig ist, können
diese Körner
auch ausgerichtet werden, so dass Kleinwinkelkorngrenzen ausgebildet werden,
wie dies im standardmäßigen RABiTS-Verfahren
erfolgt. Auf diese Schicht werden eine Pufferschicht und der Hoch-Tc-Supraleiter als Filmschichten auf gebracht,
so dass Form und Ausrichtung der Körner der Schablonenschicht
durch die Körner
der Oxidschicht und durch die Körner
des Supraleiters repliziert werden.
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Beschichtete
Leiter mit flachen, supraleitenden Körnern großer Aspektverhältnisse
können
auch mit Hilfe der IBAD- oder ISD-Verfahren erhalten werden.
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Eine
durch eines dieser Verfahren gefertigte supraleitende Schicht besteht
aus einer Folie flacher supraleitender Körner. Die kritische Stromdichte
eines derartigen Körnernetzwerks
ist durch die kritische Stromdichte des so genannten eingrenzenden Pfads
gegeben. Der eingrenzende Pfad ist ein Bereich quer über die
Folie, die sich aus den Körnergrenzen
zusammensetzt, deren Summe den kleinsten kritischen Stroms aller
derartigen Bereiche hat. Der effektive Bereich der Korngrenzen im
eingrenzenden Pfad ist ungefähr
durch das Produkt der Breite und der Dicke des Supraleiters gegeben.
Diese Fläche
ist klein, da die Supraleiter normalerweise dünn sind (etwa 0,5 μm bis 1,5 μm).
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Wenn
jedoch zwei derartige Folien in engen supraleitenden Kontakt gebracht
werden, kann der Suprastrom die Korngrenzen in einer gegebenen Folie
durch Mäandrieren
in die andere Folie umgehen, wie in 3 dargestellt.
Dadurch wird die kritische Stromdichte sehr vergrößert. Der
Grund dafür
ist, dass die Körner
in Breite und Länge
betrachtlich größer als
die Filmdicke sind. Der für
das Mäandrieren verfügbare effektive
Korngrenzenbereich ist deshalb viel größer als der Korngrenzenbereich,
der den Stromfluss innerhalb einer isolierten Folie eingrenzt. Dies
ist offensichtlich, weil für
ein gegebenes Korn der für
den Stromübergang
in die andere Folie verfügbare
Bereich zum Produkt der Breite und der Länge des Korns proportional
ist, während
der Korngrenzenbereich für
den Stromfluss innerhalb einer Folie ungefähr das Produkt der Breite und
die Dicke der Körner
ist. Bei üblichen
RABiTS-Bändern
haben die Körner
z. B. eine Größe in der
Größenordnung
von 100 μm × 100 μm × 1 μm (Länge × Breite × Dicke),
so dass beide Bereiche um zwei Größenordnungen differieren.
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Aufgrund
des großen
Korngrenzenbereichs kann der Strom folglich leicht von einer Folie
auf die nächste übergehen,
selbst wenn die kritische Stromdichte einer Korngrenze zwischen
den Folien klein sein sollte. Ebenso hat aufgrund der großen Bereiche die
relativ geringe kritische Strom dichte von Hoch-Tc-Supraleitern
für die
C-Achsenleitung keine einschränkende
Wirkung. Nachdem der Suprastrom in die zweite Folie übergegangen
ist, kann er aufgrund der großen
kritischen Stromdichte leicht innerhalb eines Korns fließen. Für einen
großen
Teil der Körner
in der zweiten Folie kann der Strom eine Korngrenze in der ersten
Folie umgehen und dann wieder in die erste Folie wechseln, in vielen
Fällen ohne
die Notwendigkeit, eine Korngrenze mit niedriger kritischer Stromdichte
in der zweiten Schicht zu überqueren
(siehe 3). Dieselben Argumente gelten umgekehrt für den in
der zweiten Folie fließenden Strom.
Deshalb hat ein derartiges doppeltes Band eine kritische Stromdichte,
die wesentlich größer als die
Summe der kritischen Stromdichten der einzelnen Folien ist, wobei
die endgültige
Grenze durch die kritische Stromdichte innerhalb der Körner gegeben ist.
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Bei
einem Beispiel betrachten wir zwei Folien, die jeweils aus Körnern einer
Größe von ungefähr 100 μm × 100 μm × 0.5 μm (Länge × Breite × Dicke) bestehen
und eine kritische Stromdichte innerhalb der Körner von 5 × 106 A/cm2 haben. Es wird angenommen, dass jede Folie
eine kritische Stromdichte von 105 A/cm2 hat, und von beiden Folien wird angenommen,
dass sie durch einen supraleitenden Kontakt einer kritischen Stromdichte
von 1 × 104 A/cm verbunden sind. Damit schätzen wir,
dass im Durchschnitt für
jedes Korn ein Bereich von mehr als 2500 μm2 für den Stromübergang
zur nächsten
Schicht verfügbar
ist. Dieser Bereich kann einen Suprastrom von 250 mA leiten, der
im Prinzip die Korngrenze innerhalb der ersten Folie umgehen kann,
da er einer Stromdichte von 5 × 105 A/cm2 innerhalb
des Korns entspricht. Die Grenze in der ersten Folie führt selbst nur
einen Suprastrom von 50 mA. Obwohl diese Einschätzung in keinem Detail verkomplizierende
Filtrationswirkungen in Betracht zieht, ist es offensichtlich, dass
sich durch das Verbinden von derartigen zwei Folien der kritische
Strom (im Beispiel von 50 mA auf 250 mA) in starker Maße erhöhen lässt.
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Der
Anstieg des kritischen Stroms des Leiters findet auch in anliegenden
Magnetfeldern und für alle
Temperaturen unterhalb der supraleitenden Sprungtemperatur statt,
was signifikante Vorteile für Anwendungen
darstellt.
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Ein
anderer Vorteil der Erfindung ist, dass sie das Fertigungsverfahren
von Supraleitern für
technische Anwendungen vereinfacht, indem sie billigere Massenproduktion
von polykristallinen Hoch-Tc- und anderen
Supraleitern großer
kritischer Stromdichten ermöglicht.
Dies ist der Fall, weil die durch die Erfindung erreichten großen Stromdichten
die Anforderungen an kostspieliger und zeitraubender Faserausrichtung
lockern.
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der
Erfindung beschrieben und durch die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Skizze zur Erläuterung, dass
in einem Polykristall Korngrenzen von Körnern großer Aspektverhältnisse
(rechts) einen effektiven Bereich A' haben können, der beträchtlich über die Querschnittsfläche A des
Polykristalls hinausgehen kann. Die Figur wurde Mannhart und Tsuei "Limits of the Critical
Current Density of Polycrystalline High Temperature Supraconductors
Based an the Current Transport Properties of Single Grain Boundaries", Zeitschrift für Physik
B, Bd. 77, 1989, S. 53–59,
entnommen.
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2 zeigt
eine mittels Scanningelektronenmikroskop erhaltene Abbildung eines
in Ag eingehüllten
Pulvers auf Bi-Basis im Rohrleiter. Miteinander verbundene folienartige
BSCCO-Plättchen sind
deutlich sichtbar. Die Abbildung wurde Y. Yamada et al. "Properties of Ag-Sheated Bi-Pb-Sr
Ca-Cu-O Superconducting tapes Prepared by the Intermediate Pressing
Process", Jpn. J.
Appl. Phys. Bd. 29, 1990, L 456–458,
entnommen. Die mikroskopischen Aufnahmen (a), (b), (c) stellen Seitenansichten
dar, wie in der Skizze oben links gezeigt.
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3 veranschaulicht,
wie ein Strom zwischen zwei Folien polykristalliner Supraleiter
mäandrieren
und dabei die den kritischen Strom einschränkenden Körnergrenzen in den Folien umgehen
kann.
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4 veranschaulicht
als Beispiel, wie ein Supraleiter großer kritischer Stromdichte
durch das Aneinanderfügen
von zwei beschichteten Leitern ausgebildet werden kann.
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5 veranschaulicht
einen Querschnitt eines Supraleiters, der zwei supraleitende Folien
auf zwei Substraten umfasst. Die Substrate werden durch eine mechanische
Verbindung festgeklemmt, so dass die resultierende Kraft einen supraleitenden Anschluss
zwischen den beiden supraleitenden Folien herstellt.
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6 ist
eine Skizze eines Supraleiters mit sechs supraleitenden Schichten
oder Folien auf vier mittels eines Leiterbeschichtungsverfahrens
gefertigten Substraten. Die supraleitenden Folien werden durch Schmelzen
der Zwischenschicht, die eine niedrigere Schmelzetemperatur als
die beiden supraleitenden Folien hat, zusammengeschweißt.
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7 veranschaulicht
einen Supraleiter mit zwei doppelseitig auf ein flexibles Substrat
abgeschiedenen supraleitenden Folien. Durch das Rollen der Probe
werden die supraleitenden Folien über eine Zwischenschicht in
Kontakt gebracht. Die supraleitenden Folien werden durch Schmelzen
von Zwischenschichten, die eine niedrigere Schmelzetemperatur als
die beiden supraleitenden Folien haben, zusammengeschweißt.
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Beschreibung von Beispielen
und Ausführungsformen
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Wir
liefern nachfolgend Beispiele für
die erfindungsgemäße Fertigung
der Supraleiter. Als Basis für
die Beispiele verwenden wir übliche,
zurzeit verfügbare
beschichtete Leiter.
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Beispiel 1:
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Bei
der ersten Ausführungsform
werden zwei mittels eines üblichen
RABiTS-Verfahrens gefertigte YBa2Cu3O7-δ-Bänder verwendet. Als Substrat
dient ein Band aus einer Ni-Legierung, z. B. Ni-W, einer Dicke im
Bereich von 20 μm
bis 100 μm.
Entsprechend den üblichen
veröffentlichten
Verfahren wird das Band gerollt und erhitzt, so dass eine Oberflächentextur
mit ausgerichteten Körnern
erzeugt wird, obwohl die Ausrichtung der Körner keine kritische Voraussetzung
für die
Erfindung ist. Die Oberflächenausrichtung
des Bands (für
Ni, z. B. (111)) ist so auszuwählen,
dass sie für
das spätere
Züchten
eines Supraleiters geeignet ist. Auf solche Bänder wird ein Pufferschichtsystem
abgeschieden. Eine derartige Pufferschicht, die selbst aus verschiedenen
Teil schichten wie CeO2/YsZ/CeO2 bestehen
kann, wird auf das Trägerband
abgeschieden, um chemische Reaktionen zwischen dem Hoch-Tc-Film und dem Trägerbandmaterial oder z. B.
die Oxidation des Trägerbands
während
des Wachsens des Supraleiters zu verhindern.
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Eine
Vielfalt von Werkstoffen wurde für
nutzbar befunden, um als Pufferschichten zu dienen. Neben den bereits
erwähnten
YSZ- und CeO2-Verbindungen sind NiO, LaTiO3, MgO oder SrTiO3 erfolgreich
verwendet worden, um einige Beispiele zu nennen. Diese Pufferschichten
werden normalerweise mittels Standardverfahren, wie Sputtern, Laserabscheidung
oder thermisches Bedampfen, gepulste Laserabscheidung oder metallorganische
chemische Dampfabscheidung (MOCVD), gezüchtet. Es lassen sich aber
auch andere Verfahren ohne Vakuum, wie Tauchbeschichtung, Spraybeschichtung
oder Anstrichverfahren verwenden.
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Wie
bei den Pufferschichten lassen sich für die Hoch-Tc-Supraleiter
eine Vielfalt von Werkstoffen oder Mehrschichten nutzen, die ebenfalls
durch eine Vielzahl von Verfahren abgeschieden werden. Standardwerkstoffe
gehören
zum Beispiel zur so genannten 123-Familie, welche die ReBa2Cu3Ox-Familie
umfasst, wobei Re Y oder eine seltene Erde und x eine Zahl 7. Ordnung
ist. In die Supraleiter können
zusätzliche
Schichten, z. B. Dotierungsschichten, eingebettet werden, wie von
P. Grant in "Currents
without Borders",
Nature Bd. 407, 2000, S. 139–141,
beschrieben. Hier betrachten wir als Beispiel YBa2Cu3O7-δ. Fachleute werden leicht
noch viel mehr Abwandlungen dieses Schemas erkennen. Diese Schichten können durch
Verwenden einer Vielfalt von Filmzüchtungsverfahren, wie Sputtering,
Elektronenstrahl- oder thermischem Bedampfen, gepulster Laserabscheidung
oder metallorganischer chemischer Dampfabscheidung (MOCVD) gezüchtet werden. Auch
hier lassen sich andere Verfahren ohne Vakuum, wie z. B. Tauchbeschichtung,
Spraybeschichtung oder Anstrichverfahren, verwenden.
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Die
beiden auf diese Weise gefertigten Bänder werden dann zusammen mit
ihren supraleitenden Schichten einander gegenüber montiert. Während der
Zeit zwischen dem Wachstum des Supraleiters und dem Zusammenfügen der
Bänder
sollten die Supraleiter keiner Atmosphäre einschließlich Feuchtigkeit,
die eine Verschlechterung der Oberflächen des Films verursacht,
ausgesetzt sein. Deshalb sind diese Verfahrensschritte am besten
in einer Stickstoff- oder Sauerstoffatmosphäre auszuführen. Ein fester Kontakt zwischen
den supraleitenden Schichten wird durch mechanisches Fixieren der
Bänder,
zum Beispiel durch Falten und Pressen der beiden Substratbänder hergestellt,
wie in 5 dargestellt.
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Beispiel 2:
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Das
zweite Beispiel basiert ebenfalls auf beschichteten Leiterbändern, die
wie in Beispiel 1 beschrieben gefertigt sind, mit dem Unterschied,
dass Pufferschichten und Supraleiter auf beiden Seiten der Bänder aufgebracht
sind. Nach dem Abscheiden des Hoch-T
c-Supraleiters,
z. B. YBa
2Cu
3O
7-δ,
wird eine andere Schicht, die Zwischenschicht, die ebenfalls supraleitend
ist, aber eine niedrigere Schmelzetemperatur als YBa
2Cu
3O
7-δ hat, gezüchtet. Wie
von T. Puig et al. in "Self-seeded
YBCO welding induced by Ag additives", Physica C, Bd. 363, Seiten 75–79, offenbart,
kann eine derartige Schicht zum Beispiel aus einem Gemisch von 15
Gew.-% Ag + 0,7 YBa
2Cu
3O
7-δ +
O + 0,3Y
2BaCuO
5 bestehen,
das eine Schmelzetemperatur von etwa 40°C tiefer als die von YBa
2Cu
3O
7-δ hat.
Die Supraleiter werden ebenfalls aufeinander gesetzt und unter schwachem
Druck in einer entsprechenden Atmosphäre (z. B. 0,5 bar O
2) auf eine Temperatur von etwa 990°C aufgeheizt,
wie von T. Puig et al. offenbart. Ein auf diese Weise gefertigter
Supraleiter ist als Abbildung in
6 skizziert.
Es ist klar, dass sich mehrere derartiger Bänder zusammenschweißen lassen.
Ein ähnliches
Verfahren zum Herstellen eines geeigneten Kontakts zwischen zwei
Supraleitern ist in der
europäischen Patentanmeldung
93102579.5 , Veröffentlichungsnummer
0 556 837 A1 ,
offenbart.
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Beispiel 3:
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Der
als drittes Beispiel vorgestellte Supraleiter basiert auf einem
doppelseitigen supraleitenden Band, das eine Schicht mit einer niedrigeren
Schmelzetemperatur als in Beispiel 2 beschrieben umfasst. Dieses
Band wird dann wie in 7 skizziert aufgerollt und wie
der Supraleiter in Beispiel 2 zusammengeschweißt.
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Bei
einer Modifikation dieser Ausführungsform
wird ein möglicherweise
sogar nur auf einer Seite mit einer supraleitenden Schicht bedecktes
Band so gefaltet, dass die supraleitende Schicht in sich aufeinandergefaltet
und ein supraleitender Kontakt zwischen verschiedenen Bereichen
einer einzelnen supraleitenden Schicht hergestellt wird. Dieser
Faltungsschritt lässt
sich mehrmals wiederholen, um einen Stapel supraleitender Doppelschichten
zu erhalten.
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Für Fachleute
auf dem Gebiet der Supraleitfähigkeit
ist offensichtlich, dass sich durch Verwenden der Erfindung nicht
nur Bänder
für die
Stromleitung fertigen lassen, sondern dass sich die Erfindung auch
für die
Produktion von Supraleitern für
andere Zwecke anbietet. Durch Verwenden der Erfindung ist es leicht
möglich,
zum Beispiel supraleitende Folien oder Platten zu fertigen, die
nicht nur von beträchtlicher
Länge sind,
sondern auch eine große
Breite haben. Solche Folien oder Platten sind zum Beispiel für Zwecke
magnetischer Abschirmung äußerst geeignet.
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Fachleute
können
diese Erfindung für
billigere Massenproduktion supraleitender Bänder oder Drähte anwenden,
die bevorzugt bei 77 K oder einer für Starkstromanwendungen oder
den Bau starker Magneten geeigneten anderen Temperatur eingesetzt
werden.
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Die
von der Erfindung gebotenen Hauptvorteile, nämlich die verbesserten Stromleitungseigenschaften
und die reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern reduziert
die kostspieligen und zeitraubenden Erfordernisse des Ausrichtens
supraleitender Körner
für Drähte, wie
dies derzeit für
beschichtete Leiter erfolgt. Diese Eigenschaften machen einen erfindungsgemäßen Supraleiter
für viele Anwendungen,
z. B. supraleitende Kabel, Drähte oder
Bänder,
die bisher nicht wettbewerbsfähig
und somit kaum marktfähig
gewesen sind, perfekt geeignet. Mit der Erfindung werden Supraleiter
weniger kostspielig und somit für
viele Anwendungen in breitem Maße
markt- und wettbewerbsfähig.
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Auf
Grundlage der vorstehenden Beschreibung und der gegebenen Beispiele
und Anwendungen kann ein Fachmann leicht die beschriebene Erfindung,
deren oben angegebenen Werte und Werkstoffe variieren und die Erfindung
an andere Ausführungsformen
anpassen, ohne vom Wesentlichen der Erfindung, wie es in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist, abzuweichen.