Пластинчатый сверхпроводящий провод, способ его изготовления и сверхпроводниковый узел провода

Пластинчатый сверхпроводящий провод, способ его изготовления и сверхпроводниковый узел провода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Родственные заявки

Настоящая заявка является родственной следующим заявкам, полное содержание которых включено сюда по ссылке:

заявка на патент США №60/703815, поданная 29 июля 2005 г. и озаглавленная "Высокотемпературные сверхпроводящие провода и катушки";

предварительная заявка США №60/703836, поданная 29 июля 2005 г. и озаглавленная "Толстые пленки сверхпроводников с улучшенными характеристиками"; и

предварительная заявка США №60/615289, поданная 1 октября 2004 г. и озаглавленная "Толстые пленки сверхпроводников с улучшенными характеристиками".

Область техники

Изобретение относится к области высокотемпературных сверхпроводников. В частности, изобретение относится к пленочным проводникам, называемым также проводниками второго поколения, высокотемпературным сверхпроводящим проводам и лентам.

Уровень техники

Высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) материалы обеспечивают средство для переноса огромных токов при сверхнизких потерях. При охлаждении ниже критической температуры ВТСП-материалы полностью теряют сопротивление протеканию постоянного электрического тока и почти полностью - сопротивление протеканию переменного тока. Создание ВТСП-проводов (выражение «провода» используется здесь для различных проводников, включая ленточные проводники), в которых используются эти материалы, дает надежды получить новое поколение высокоэффективного, компактного и экологически чистого электрического оборудования, которое способно произвести переворот в электроэнергетических сетях, при транспортировке, обработке материалов и в других отраслях промышленности. Однако коммерчески выгодный (рентабельный) продукт должен удовлетворять строгим техническим требованиям, что затрудняет внедрение этой технологии в промышленное производство.

В технологии ВТСП-проводов второго поколения, находящейся в стадии разработки, ВТСП-материал обычно является поликристаллическим смешанным оксидом редкоземельного металла, щелочноземельного металла и меди, например оксидом иттрия-бария-меди (YBCO). Токонесущая способность ВТСП-материала сильно связана с его кристаллической упорядоченностью или текстурой. Известно, что межзеренные границы, образованные из-за смещения соседних кристаллических зерен ВТСП, создают препятствие протеканию тока сверхпроводимости, но эти препятствия уменьшаются при увеличении степени упорядоченности или текстурированности. Следовательно, чтобы превратить материал в коммерчески выгодный продукт, например, ВТСП-провод, ВТСП-материал должен сохранять высокую степень упорядочения кристаллов или текстуру на относительно больших расстояниях. Иначе способность нести ток сверхпроводимости (плотность критического тока) будет ограничена.

ВТСП-материалы можно изготавливать с высокой степенью кристаллографической упорядоченности или текстуры на больших площадях, выращивая тонкий слой материала эпитаксиально поверх гибкой лентовидной подложки, выполненной так, чтобы она имела высокую степень кристаллографической текстурированности на своей поверхности. Когда кристаллический ВТСП-материал растет эпитаксиально на этой поверхности, упорядоченность кристаллов ВТСП-материала также растет, чтобы соответствовать текстуре подложки. Другими словами, текстура подложки обеспечивает образец-шаблон для эпитаксиального роста кристаллического ВТСП-материала. Кроме того, подложка обеспечивает структурную целостность слоя ВТСП.

Подложка может быть текстурирована с обеспечением такого шаблона, который дает эпитаксиальный слой ВТСП с отличными сверхпроводящими свойствами, такими как высокая плотность критического тока. Наряду с другими могут использоваться такие материалы, как никель, медь, серебро, железо, серебряные сплавы, никелевые сплавы, железные сплавы, нержавеющие стали и медные сплавы. Подложка может быть текстурирована с применением деформационных процессов, таких как деформация с использованием прокатки и перекристаллизационного отжига подложки. Примером такого процесса является процесс биаксиального текстурирования подложки с помощью прокатки (RABiTS-процесс, от англ. «rolling-assisted biaxially textured substrate»). В этом случае большие количества металла могут быть экономично обработаны путем деформационной обработки и отжига и могут получить высокую степень текстурированности. Этим способом до сих пор производили металлические полосы шириной, например, вплоть до 4 см, каждую из которых потом можно было продольно нарезать на множество меньших проводов (например, 10 полос с проводами шириной 0,4 см).

На поверхности подложки с подходящим кристаллографическим шаблоном, на которой будет выращиваться ВТСП-материал, можно осадить или вырастить один или более буферных слоев. Буферные слои могут также обеспечить дополнительную выгоду, предотвращая диффузию со временем атомов из материала подложки в кристаллическую решетку ВТСП-материала или кислорода в материал подложки. Эта диффузия, или «отравление», может нарушить кристаллическую упорядоченность и тем самым ухудшить электрические свойства ВТСП-материала. Буферные слои могут также обеспечить улучшенную адгезию между подложкой и слоем ВТСП. Кроме того, буферный(е) слой(и) может/могут иметь коэффициент теплового расширения, который хорошо согласуется с коэффициентом теплового расширения материала-сверхпроводника. Такое свойство желательно для внедрения этой технологии в промышленное производство, где провод может подвергаться механическим напряжениям, так как оно может помочь предотвратить отслаивание слоя ВТСП от подложки.

Альтернативно, могут использоваться нетекстурированные подложки, такие как подложки из хастеллоя, и текстурированные буферные слои, осажденные такими способами, как осаждение с помощью ионных пучков (IBAD, от англ. ion-beam-assisted deposition) или осаждение на наклонную подложку (ISD, от англ. inclined substrate deposition). При необходимости на IBAD- или ISD-слой могут эпитаксиально осаждаться дополнительные буферные слои, чтобы обеспечить окончательный шаблон для эпитаксиального осаждения слоя ВТСП.

Используя в качестве шаблона подходящую комбинацию подложки и одного или более буферных слоев, можно эпитаксиально вырастить слой ВТСП с отличной упорядоченностью кристаллов или текстурой, имеющий также хорошую адгезию с поверхностью шаблона и обладающий достаточным барьером против отравления атомами из подложки. Слой ВТСП может быть осажден любым из множества различных способов, в том числе способом осаждения металлорганических соединений (MOD), химическим осаждением металлорганических соединений из паровой фазы (MOCVD), импульсным лазерным осаждением (PLD), термовакуумным или электронно-лучевым напылением, или другими подходящими способами. Наконец, на этот многослойный узел может быть добавлен верхний слой, который помогает предотвратить загрязнение слоя ВТСП сверху. Верхний слой может быть, например, из серебра, и может быть нанесен, например, ионным распылением на слой ВТСП. Примерный многослойный ВТСП-узел включает в себя: биаксиально текстурированную подложку из сплава никеля с 5% вольфрама; последовательно осажденные эпитаксиальные слои Y₂O₃, YSZ и CeO₂; эпитаксиальный слой YBCO; и верхний слой Ag. Примерные толщины этих слоев следующие: подложка - примерно 25-75 микрон, буферные слои - примерно 75 нм каждый, YBCO-слой - примерно 1 микрон, и верхний слой - примерно 1-3 микрона. Применяя такие методы, как описанные выше, до настоящего времени изготавливались ВТСП-провода длиной до 100 м. В таком узле низ подложки может рассматриваться как «задняя сторона» узла, а верх верхнего слоя может рассматриваться как «передняя сторона».

При применении желательно, чтобы ВТСП-провод был способен выдерживать изгибающие напряжения. Изгиб вызывает деформацию растяжения на выпуклой наружной поверхности изгиба и деформацию сжатия на вогнутой внутренней поверхности изгиба, тем самым подвергая слой ВТСП деформации растяжения или сжатия в зависимости от направления, в котором гнется провод. Хотя, как это ни удивительно, умеренная величина сжимающего напряжения может повысить токонесущую способность слоя ВТСП, обычно воздействие на весь узел механических напряжений (особенно повторяющихся напряжений) создает опасность механического повреждения провода. Например, могут возникнуть трещины и распространиться в слой ВТСП, что ухудшает его механические и электрические свойства, или же разные слои могут отслоиться друг от друга или от подложки.

Способы уменьшения напряжений в слое ВТСП описаны, например, в патенте США 6745059 и патенте США 6828507. Например, медная полоса, выбранная имеющей близкую с подложкой толщину и механические свойства, может быть прикреплена к верхней поверхности вставки. В таком случае слой ВТСП оказывается примерно в середине всей структуры, так что если этот узел сгибается, то слой ВТСП не находится ни на внешней, ни на внутренней поверхности изгиба. Два таких узла могут также быть соединены вместе своими соответствующими медными полосами с образованием одного ВТСП-узла провода. В этом случае две подложки обращены наружу, а медные ленты находятся в середине узла. В этом случае включение в состав второго узла дает дополнительную токонесущую способность; однако электрический контакт со слоями ВТСП требует сращивания провода в открытом состоянии или при частичном удалении одной из вставок в контактном сечении.

Следующей проблемой для ВТСП-проводов с пленочными проводниками является загрязнение из окружающей среды в то время, когда провод находится в эксплуатации. Воздействие окружающей среды может медленно ухудшать электрические характеристики слоев ВТСП. Также, в присутствии криогенных жидкостей, таких как жидкий азот, в контакте с проводом жидкость может диффундировать в поры внутри провода и при нагревании может образовать «пузыри», которые могут повредить провод. Желательна изоляция провода, с тем чтобы предотвратить либо воздействие окружающей среды на слои ВТСП, либо проникновение криогенных жидкостей в провод. Изоляции для узлов ВТСП описаны, например, в патенте США 6444917.

Сущность изобретения

Описаны многослойные высокотемпературные сверхпроводниковые (ВТСП) провода, имеющие улучшенное перераспределение тока, хорошие механические свойства, отличную изоляцию ВТСП-узла от окружающей среды, более эффективный электрический контакт с внешними электрическими соединениями или сростками (муфтами) и/или улучшенную электрическую стабилизацию. Описаны также ВТСП-провода, имеющие электрическую стабилизацию, которая защищает слои ВТСП в случае перегрузки по току, т.е. когда ток превышает критический ток слоев ВТСП. Перегрузка по току может быть причиной того, что слои ВТСП станут резистивными и будут выделять тепло. Электрическая стабилизация обеспечивает альтернативный путь тока, если ток в какой-либо локальной области слоя ВТСП заблокирован трещиной или другим дефектом.

Согласно одному аспекту изобретения, пластинчатый сверхпроводящий провод включает в себя сверхпроводниковый узел провода, имеющий некоторые длину и ширину. Этот узел включает в себя первую сверхпроводниковую вставку, имеющую первый слой высокотемпературного сверхпроводника, покрывающий первую подложку, и вторую сверхпроводниковую вставку, имеющую второй слой высокотемпературного сверхпроводника, покрывающий вторую подложку. Первая и вторая сверхпроводниковые вставки соединены своими соответствующими подложками. Имеется также электропроводящая структура, по существу окружающая сверхпроводниковый узел провода.

В одном аспекте изобретения электропроводящая структура включает в себя первую проводящую полосу и вторую проводящую полосу, и сверхпроводниковый узел провода проложен между первой и второй проводящими полосами и находится в электрическом контакте с ними. Эта структура также включает в себя по существу непористый электропроводящий наполнитель. Наполнитель простирается между первой и второй проводящими полосами по длине сверхпроводникового узла провода. В одном или более вариантах реализации первая и вторая проводящие полосы имеют ширину, которая больше, чем ширина сверхпроводникового узла провода.

В другом аспекте изобретения электропроводящая структура включает в себя электропроводящий слой, который частично окружает сверхпроводниковый узел провода вдоль по меньшей мере трех сторон и находится в электрическом контакте с ним. Эта структура также включает в себя по существу непористый электропроводящий наполнитель, причем наполнитель по существу окружает сверхпроводниковый узел провода и соединяет (связывает) его с проводящим слоем. В одном или более вариантах реализации по существу непористый электропроводящий наполнитель по существу наполняет пустоты в сверхпроводниковом узле провода и между сверхпроводниковым узлом провода и проводящим слоем.

В другом аспекте изобретения электропроводящая структура включает в себя электропроводящий материал, по существу окружающий сверхпроводниковый узел провода и находящийся в электрическом контакте с ним. В одном или более вариантах реализации электропроводящий материал включает в себя материал, выбранный из группы электропроводящих полимеров, полимеров, наполненных тонким металлическим порошком, и проводящего клея.

В одном или более вариантах реализации электропроводящий материал включает в себя проводящую фольгу, обернутую вокруг сверхпроводникового узла провода. В одном или более вариантах реализации по меньшей мере один слой по существу непористого материала по существу окружает проводящую фольгу.

В одном или более вариантах реализации первую подложку и вторую подложку соединяет вместе связующий материал. Связующий материал может быть материалом, выбранным из группы электропроводящих материалов и неэлектропроводящих материалов. Связующий материал может содержать тот же материал, что и по существу непористый электропроводящий наполнитель. Связующий материал может содержать по меньшей мере один слой проводящего материала и по меньшей мере один слой непроводящего материала. В одном или более вариантах реализации первая подложка и вторая подложка имеют поверхности, которые обработаны для обеспечения электрического контакта между подложками.

В одном или более вариантах реализации первая и вторая подложки имеют соответствующий первый и второй смачивающий слой, нанесенный на ту поверхность подложки, которая противоположна поверхности, которую покрывает слоем ВТСП.

В одном или более вариантах реализации слой проводящего материала по существу окружает сверхпроводниковый узел провода.

В другом аспекте изобретения пластинчатый сверхпроводящий провод включает в себя сверхпроводниковую вставку провода, имеющую некоторые длину и ширину. Вставка включает в себя слой высокотемпературного сверхпроводника, покрывающий поверхность подложки, и смачивающий слой, нанесенный на поверхность подложки, противоположную слою высокотемпературного сверхпроводника. Провод включает в себя также электропроводящую структуру, которая по существу окружает сверхпроводниковую вставку провода. Электропроводящая структура включает в себя первую проводящую полосу и вторую проводящую полосу, причем сверхпроводниковая вставка провода проложена между первой и второй проводящими полосами и находится в электрическом контакте с ними. Электропроводящая структура также включает в себя по существу непористый электропроводящий наполнитель, который простирается между первой и второй проводящими полосами по длине сверхпроводниковой вставки провода.

В одном или более вариантах реализации первая и вторая проводящие полосы имеют ширину, которая больше, чем ширина сверхпроводникового узла провода.

В одном или более вариантах реализации эту сверхпроводниковую вставку провода по существу окружает слой проводящего материала.

Согласно одному аспекту изобретения, способ изготовления пластинчатого сверхпроводящего провода включает в себя обеспечение сверхпроводникового узла провода, имеющего некоторые длину и ширину. Этот узел содержит первую сверхпроводниковую вставку, имеющую первый слой высокотемпературного сверхпроводника, покрывающий первую подложку, и вторую сверхпроводниковую вставку, имеющую второй слой высокотемпературного сверхпроводника, покрывающий вторую подложку. Первая и вторая сверхпроводниковые вставки соединены своими соответствующими подложками. Способ включает в себя наслаивание (ламинирование) первого и второго слоев высокотемпературного сверхпроводника на соответствующие первую и вторую проводящие полосы с по существу непористым электропроводящим наполнителем. Способ включает в себя нанесение дополнительного наполнителя между первой и второй проводящими полосами вдоль длины сверхпроводникового узла провода, так что первая и вторая проводящие полосы и наполнитель вместе по существу окружают сверхпроводниковый узел провода.

В одном или более вариантах реализации способ включает в себя обеспечение связующего материала между первой и второй подложками. В одном или более вариантах реализации способ включает в себя обеспечение первого и второго смачивающих слоев на поверхности соответствующих первой и второй подложек, противоположной слою высокотемпературного сверхпроводника.

В одном или более вариантах реализации изобретения первый и/или второй слои сверхпроводника могут быть выполнены из оксида редкоземельного металла, щелочноземельного металла и меди. Также, между первым и/или вторым слоями сверхпроводника и одной или более соответствующими подложками может быть проложен буферный слой. Также, между электропроводящей структурой и соответствующим слоем сверхпроводника и в электрическом контакте с ними может быть проложен электропроводящий верхний слой.

В другом аспекте изобретения сверхпроводниковый узел провода включает в себя: первую сверхпроводниковую вставку, которая содержит первую подложку, первый буферный слой, покрывающий первую подложку, первый слой высокотемпературного сверхпроводника, покрывающий первый буферный слой, и верхний слой, покрывающий первый слой высокотемпературного сверхпроводника; и вторую сверхпроводниковую вставку, которая содержит вторую подложку, второй буферный слой, покрывающий вторую подложку, второй слой высокотемпературного сверхпроводника, покрывающий второй буферный слой, и верхний слой, покрывающий второй слой высокотемпературного сверхпроводника. Первая и вторая сверхпроводниковые вставки соединены своими соответствующими подложками.

Пластинчатые сверхпроводящие провода согласно одному или более вариантам реализации изобретения имеют высокую токонесущую способность и одновременно могут иметь улучшенное перераспределение тока, отличную изоляцию ВТСП-узла от окружающей среды и легкость применения по сравнению с известными до сих пор архитектурами проводов.

Выражение «ВТСП-вставка» предназначено обозначать многослойную структуру, включающую в себя подложку, один или более буферных слоев, слой ВТСП и верхний слой. Обычно в этой ВТСП-вставке слой ВТСП электрически изолирован от металлической подложки буферным(и) слоем(ями). Однако, если используются электропроводящие буферные слои, слой ВТСП может быть электрически связан с металлической подложкой. Альтернативно, электропроводящий верхний слой может находиться в контакте и со слоем ВТСП, и с подложкой, и обеспечивать электрический контакт между ними обоими.

Выражение «ВТСП-узел» предназначено обозначать структуру, которая включает в себя по меньшей мере одну ВТСП-вставку, но которая может необязательно включать в себя одну или более ВТСП-вставок и/или другие дополнительные слои.

Выражение «ВТСП-провод» или «ВТСП-лента» предназначено обозначать ВТСП-вставку или ВТСП-узел, которая(ый) включает в себя наружные структуру или покрытие, которые в общем придают структурную, термическую и/или электрическую стабилизацию ВТСП-вставке или ВТСП-узлу.

Выражение «герметизированный» предназначено означать по существу окруженный и по существу физически изолированный от окружающей среды. Выражение «герметизированный» может охватывать, но необязательно включать в себя, по существу полную непроницаемость для проникновения газа или жидкости при обычных условиях.

Краткое описание чертежей

Изобретение описывается со ссылкой на следующие чертежи, которые представлены исключительно в целях иллюстрации и которые не предназначены ограничивать изобретение.

Фиг.1 является видом в разрезе узла с двумя ВТСП-вставками, соединенными своими подложками.

Фиг.2A показывает провод с ВТСП-вставками, которые связаны друг с другом и наслоены и герметизированы между двумя проводящими полосами стабилизатора.

Фиг.2B показывает способ изготовления провода с ВТСП-вставками, которые связывают друг с другом и наслаивают и герметизируют между двумя проводящими полосами стабилизатора.

Фиг.3A показывает провод с двумя связанными ВТСП-вставками, которые герметизированы внутри трехстороннего проводящего желоба.

Фиг.3B показывает провод с альтернативным расположением двух связанных ВТСП-вставок, которые герметизированы внутри трехстороннего проводящего желоба.

Фиг.4A показывает провод с двумя связанными ВТСП-вставками, которые герметизированы внутри четырехсторонней проводящей структуры.

Фиг.4B показывает провод с альтернативным расположением двух связанных ВТСП-вставок, которые герметизированы внутри четырехсторонней проводящей структуры.

Фиг.5A показывает вид в разрезе провода с двумя связанными ВТСП-вставками, которые обернуты проводящей фольгой и затем покрыты припоем.

Фиг.5B показывает продольный вид провода с двумя связанными ВТСП-вставками, которые обернуты проводящей фольгой и затем покрыты припоем.

Фиг.6 показывает провод с двумя связанными ВТСП-вставками, на которые нанесено гальванопокрытие металлом и которые затем наслоены и герметизированы между двумя проводящими полосами стабилизатора.

Фиг.7 является видом в разрезе другого варианта реализации настоящего изобретения, показывающим провод с двумя ВТСП-вставками, которые связаны своими подложками и герметизированы внутри электропроводящей структуры.

Фиг.8 является видом в разрезе другого варианта реализации настоящего изобретения, показывающим провод с одной ВТСП-вставкой и смачивающим слоем, герметизированными внутри электропроводящей структуры.

Фиг.9 иллюстрирует схему последовательности технологических операций в примерном процессе, применяющемся для изготовления ВТСП-вставки.

Подробное описание

Описаны высокотемпературные сверхпроводящие провода с электропроводящей наружной структурой. Эта проводящая наружная структура обладает признаками, помимо прочего, по существу герметизации провода и обеспечения электрического контакта от внешней части провода к ВТСП-вставке. Проводящая наружная структура может, кроме того, обладать признаком обеспечения электрического контакта между двумя ВТСП-вставками.

Многослойный ВТСП-узел по одному или более вариантам реализации изобретения показан в разрезе на Фиг.1. Следует отметить, что на этой и всех дальнейших чертежах размеры показаны не в масштабе. Узел 100 выполнен из двух ВТСП-вставок 110 и 120. Каждая из этих вставок изготовлена с использованием методов, известных в данной области техники, которые подробнее описываются ниже. Вставка 110 включает в себя металлическую подложку 160. По меньшей мере одна поверхность подложки 160 является биаксиально текстурированной, обеспечивая кристаллический шаблон для буферного слоя 150 и слоя 140 ВТСП. Один или более буферный слой(и) 150 находится над подложкой 160 и может содержать один или более слоев. В одном или более вариантах реализации буферный слой выполнен из электроизолирующего материала, хотя могут использоваться и электропроводящие материалы. Буферный слой выполнен, например, из инертного металла, оксида, цирконата, титаната, ниобата, нитрида, танталата, алюмината, купрата, манганата или рутената металла или редкоземельного элемента (например, Al₂O₃, CeO₂, Y₂O₃, MgO, Gd₂O₃, титанат стронция, цирконат гадолиния, стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония, AlN, Si₃N₄, LaMnO₄, La₂Zr₂O₇ или La_2-xCe_xZr₂O₇). Может использоваться любой материал или комбинация материалов, который(ая) обеспечивает подходящую текстуру для выращивания на ней кристалла ВТСП. Слой 140 ВТСП, находящийся над буферным слоем 150, может быть любым ВТСП-материалом. В одном или более вариантах реализации слой ВТСП включает в себя оксид редкоземельного металла, щелочноземельного металла и меди, такой как YBCO. Верхний слой 130 расположен над слоем 140 ВТСП и обеспечивает защиту слоя ВТСП от химического и механического повреждения. Верхний слой может быть напыленным Ag или другим инертным металлом. Вставка 120 может иметь идентичную или сходную структуру, включая подложку 160', один или более буферных слоев 150', слой 140' ВТСП и верхний слой 130'. Дальнейшие детали можно найти в принадлежащей тому же заявителю заявке на патент США № (будет добавлен), озаглавленной "Высокотемпературные сверхпроводящие провода и катушки", поданной в тот же день, что и данная заявка, и включенной сюда по ссылке во всей своей полноте.

Чтобы облегчить связывание ВТСП-вставок 110 и 120, предусматривается несколько разных подходов. Эти подходы могут быть легко осуществлены при изготовлении пластинчатых сверхпроводящих проводов и могут быть выгодными при изготовлении ВТСП-проводов большой длины. При одном подходе соответствующие подложки 160 и 160' могут быть необязательно покрыты соответствующими смачивающими слоями 170 и 170'. Эти смачивающие слои облегчают связывание каждой вставки с адгезивным слоем 180 и, следовательно, облегчают связывание одной вставки с другой. В одном или более вариантах реализации адгезивный слой 180 выполнен из припоя. Примерным припоем является Pb-Sn-Ag. При обработке на задних поверхностях металлических подложек (т.е. поверхностях, которые не обращены к буферному слою) может вырасти естественный оксидный слой, который является электрическим изолятором. Этот оксидный слой обычно не смачивает припой, т.е. не связывается с припоем. Неожиданно было обнаружено, что введение смачивающих слоев 170 и 170' серебра (Ag) на подложки 160 и 160' соответственно делает задние поверхности смачиваемыми, т.е. связывающимися с адгезивным слоем 180 припоя. Таким образом, связывание может быть выполнено припаиванием смачивающих слоев, которые связаны с поверхностями естественных оксидных слоев на подложках.

Стандартной операцией осаждения Ag является ионное распыление на постоянном токе. Поступательное перемещение ленты с пленочными проводниками через плазму в непрерывном режиме без ухудшения свойств сверхпроводников требует охлаждения ленты по мере того, как она проходит через плазму. Лента протягивается через охлаждающий блок, который размещен напротив мишени, чтобы как можно сильнее снизить максимальную температуру ленты при осаждении до уровня ниже ~200°C. Для адгезии слоя Ag на поверхности оксида может потребоваться приближение к мишени. Энергия, переданная от плазмы, вероятно, очищает поверхность осаждения in situ и осаждает ионы Ag с достаточной энергией удара для того, чтобы получить хороший физический контакт.

При другом подходе, подходящем для тех применений, где желателен особенно хороший электрический контакт между подложками, сначала могут быть удалены электроизолирующие естественные оксидные слои на подложках 160 и 160'. Это удаление может быть выполнено, например, травлением, электрополированием, ионным распылением или дробеструйной очисткой. Затем на соответствующие задние поверхности подложек 160 и 160' наносятся металлические смачивающие слои 170 и 170', например, Ag, Cu, Ni, Ti или TiN, чтобы предотвратить повторный рост естественного оксида на поверхностях подложек. Кроме того, эти смачивающие слои 170, 170' способствуют адгезии связующего слоя с поверхностью подложки. Затем адгезивный слой 180 припоя связывает вместе два эти узла. Однако для того чтобы получить электрический контакт между вставками, тщательного удаления естественного оксидного слоя не требуется. Как более подробно описывается ниже, электропроводящий материал, который необязательно окружает многослойный ВТСП-узел, может обеспечивать дополнительное перераспределение тока.

Хотя вариант реализации на Фиг.1 показывает использование припоя и смачивающих слоев Ag для связывания двух подложек, могут применяться и другие адгезивные схемы и материалы, в зависимости от желаемых рабочих характеристик провода. При другом подходе, подходящем для тех применений, где желательна электрическая изоляция подложек друг от друга, адгезивный слой 180 является, например, смолой, эпоксидной смолой или другим непроводящим материалом, а смачивающие слои 170 и 170' выбраны так, чтобы облегчать связывание между подложками 160, 160' и непроводящим адгезивным слоем. В этом случае может случиться, что некоторые из слоев являются проводящими, а другие слои - непроводящими. В тех применениях, где желательный адгезив смачивает задние поверхности подложек, смачивающие слои 170 и 170' могут быть полностью исключены. В этом случае адгезивный слой 180 напрямую контактирует с подложками 160 и 160'. При другом подходе, подходящем для тех применений, где не требуется ни электрического соединения, ни адгезии между подложками 160 и 160', например, в тех применениях, где по существу герметизация электропроводящим материалом обеспечивает достаточную структурную целостность проводу, смачивающие слои 170 и 170', а также адгезивный слой 180 могут быть исключены; в этом случае задние поверхности подложек 160 и 160' приводятся непосредственно в контакт друг с другом.

В варианте реализации, показанном на Фиг.1, адгезив 180 связывает вставку 110 со вставкой 120 по их соответствующим подложкам, образуя ВТСП-узел 100. В узле 100 верхние слои 130 и 130' обращены наружу, а подложки 160 и 160' являются центральными в узле 100. Эта конфигурация обеспечивает, например, эффективный электрический контакт с внешним источником тока и эффективное соединение длинных отрезков сверхпроводящего провода. Наружными поверхностями этого узла являются электропроводящие верхние слои 130 и 130'. Эти слои обеспечивают удобные электропроводящие пути тока к соответствующим слоям 140 и 140' ВТСП. Чтобы ввести ток в слои ВТСП, в любом месте на наружной поверхности узла может быть выполнено соединение между источником тока и узлом.

Фиг.2A показывает вариант реализации настоящего изобретения с проводом 200, который включает в себя две связанные ВТСП-вставки 210, 220, которые могут быть теми же самыми, как и описанные ранее, и проводящую наружную структуру. Проводящая наружная структура по существу окружает и герметизирует провод от окружающей среды и обеспечивает электрический контакт между двумя ВТСП-вставками, а также с наружным электрическим контактом. Проводящая наружная структура обеспечивает, кроме того, механическую, термическую и электрическую стабилизацию провода 200. Проводящая наружная структура включает в себя верхнюю и нижнюю проводящие полосы 250, 270 стабилизатора и электропроводящий непористый материал-наполнитель 290, например припой или другой легкоплавкий сплав или амальгаму, проводящий полимер или чистый металл, такой как In. Наполнитель 290 по существу окружает ВТСП-вставки 210, 220 и может также служить связующим слоем 180, показанным в ВТСП-узле 100 на Фиг.1. Как обсуждалось ранее, подложки 260, 260' могут быть покрыты соответствующими смачивающими слоями 230, 230', чтобы улучшить их связывание с наполнителем 290 (и друг с другом). Наполнитель 290 также связывает вставки 210, 220 с проводящими полосами 250, 270 стабилизатора у наружных поверхностей ВТСП-вставок. Наполнитель 290 соединяет мостиком толстых слоев полосы 250, 270 по бокам провода, чтобы тем самым завершить изоляцию ВТСП-узла от окружающей среды и по существу полностью заключить ВТСП-узел в проводящую структуру.

Иногда в слое ВТСП могут присутствовать дефекты, которые вызывают соответствующее повышение сопротивления (и нагревание) этого слоя во время применения провода. В этом случае может быть полезным направить в обход, или шунтировать, часть тока или весь ток в другой слой ВТСП. Это приведет к более однородному проводнику с проводимостью, которая не сильно меняется по длине провода. Это особенно полезно, когда рабочий ток значительно ниже критического тока, что является обычной практикой при работе сверхпроводящих устройств. В качестве способа реализации нескольких слоев ВТСП в одном проводе для обеспечения резервных сверхпроводящих путей тока рассматривалась двухслойная структура ВТСП, использующая одну подложку с двумя слоями ВТСП, которые нанесены на противоположные стороны этой подложки. Однако недостатком структуры такого рода является слишком сложный процесс изготовления с ограниченной гибкостью, в том что касается состава двух слоев ВТСП и электрических взаимосвязей между ними. Напротив, варианты реализации настоящего изобретения, в которых имеются две ВТСП-вставки, наслоенные друг на друга своими подложками, предполагают преимущества легкости изготовления, а также легкости подстройки структур к конкретному желаемому применению.

В проводе 200 наполнитель 290 обеспечивает электрическое соединение между ВТСП-вставками 210, 220. В сущности, наполнитель 290 ведет себя как электропроводка или мост. Хотя наполнитель 290 является проводящим, когда через провод 200 течет ток, этот ток обычно будет течь по пути наименьшего сопротивления, который проходит через одну или обе ВТСП-вставки 210, 220. Однако, если одна из ВТСП-вставок 210, 220 имеет дефект, который повышает ее сопротивление в некоторой области, ток сможет потечь через наполнитель 290 в другую ВТСП-вставку. Наполнитель 290 имеет более высокое сопротивление, чем ВТСП-вставки 210, 220, так что ток передается между вставками на протяжении некоторой вычисляемой длины (например, в несколько сантиметров) провода. Конечным результатом передачи является то, что ток может продолжать течь по пути низкого сопротивления, т.е. через другую ВТСП-вставку. Если возникает дефект в другой области этой вставки, то ток снова может перейти обратно в другую вставку, для которой наличие дефекта в том же самом месте уже маловероятно. Наличие резервных путей электрического тока улучшает электрическую стабильность провода. Токонесущая способность провода 200 намного менее чувствительна к локальным дефектам в любой из ВТСП-вставок 210, 220, чем было бы в случае единственной вставки, когда ток вынужден был бы течь через участок высокого сопротивления провода.

Обеспечение электрического соединения между ВТСП-вставками 210, 220 с помощью наполнителя 290 также повышает токонесущую способность провода 200 по сравнению со случаем единственной вставки или двух изолированных вставок. Повышаются и критический ток, Ic, и техническая (полная) плотность критического тока, Je. Наполнитель 290 обеспечивает средство введения электрического тока в одну или обе ВТСП-вставки 210, 220. Благодаря простому контакту источника тока с наполнителем 290 ток течет через наполнитель в ВТСП-вставки. Так как наполнитель 290 находится в контакте с проводящими полосами 250, 270 стабилизатора, установление контакта источника тока с одной или обеими полосами 250, 270 также вводит ток в одну или обе ВТСП-вставки 210, 220.

Материал 290 выбирается так, чтобы он был непористым; в одном или более вариантах реализации он обладает достаточной прочностью и нанесен с достаточной толщиной для того, чтобы по существу окружить и герметизировать провод 200. Это делает ВТСП-вставки 210 и 220 по существу непроницаемыми для загрязнений факторами окружающей среды, которые могут ухудшить электрические характеристики вставок. Наполнитель 290 может также в существенной степени предотвращать проникновение в узлы окружающих криогенных жидкостей, которые могут образовать пузыри, потенциально способные механически повредить ВТСП-вставки. Толстое покрытие из наполнителя 290 по бокам провода 200 также повышает механическую прочность провода и может