Сверхпроводящий провод

Сверхпроводящий провод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Родственные заявки

Эта заявка притязает в соответствии с разделом 35 Кодекса законов США §119(e) на приоритет по предварительной заявке на патент США №60/703815, зарегистрированной 29 июля 2005 г., под названием «High Temperature Superconducting Wires and Coils», которая включена здесь посредством ссылки на нее во всей полноте.

Эта заявка связана с одновременно рассматриваемой заявкой на патент США №11/193262, зарегистрированной 29 июля 2005 г., под названием «Architecture For High Temperature Superconductor Wire», полное содержание которой включено посредством данной ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится главным образом к высокотемпературным сверхпроводящим проводам. В частности, данное изобретение относится к проводникам с покрытием, также называемым вторым поколением, высокотемпературным сверхпроводящим проводам или лентам. Данное изобретение также относится к сверхпроводящим структурам, которые могут поддерживать постоянный ток при изменении направления магнитного поля.

Уровень техники, предшествующий данному изобретению

После открытия высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов (сверхпроводящих выше температуры кипения жидкого азота в 77 K) были приложены усилия по разработке различных видов применения таких ВТСП материалов в технике. В тонкопленочных сверхпроводящих устройствах и проводах наибольший прогресс был достигнут в изготовлении устройств при использовании оксидного сверхпроводника, включающего в себя иттрий, барий, медь и кислород, в виде хорошо известной базовой композиции YBa₂Cu₃O_7-x (обозначаемой здесь далее как Y123). Прогресс был также достигнут в области композиций, содержащих редкоземельные элементы («RE»), частично замещающих Y. Двухоснотекстурированные сверхпроводящие оксиды металлов, такие как Y123, достигли высоких плотностей критического тока в структуре проводника с покрытием. Эти провода, часто называемые ВТСП проводами второго поколения, являются предпочтительными для многих видов применения, включая кабели, двигатели, генераторы, синхронные компенсаторы, трансформаторы, ограничители тока и магнитные системы для военных целей, для физики высоких энергий, обработки материалов, транспортировки и медицинских целей.

Способность ВТСП материала к пропусканию тока в сильной степени зависит от ориентации в нем кристаллов или текстуры. Кристаллические зерна оксидного сверхпроводника обычно ориентированы таким образом, что их ось «с» перпендикулярна поверхности провода, а плоскость «ab» параллельна поверхности провода. Межзеренные границы, образованные неточным совмещением соседних кристаллических ВТСП частиц, как известно, образуют препятствие для протекания электрического тока в сверхпроводящем состоянии, однако это препятствие уменьшается с увеличением степени совмещения или упорядоченности текстуры. Поэтому, чтобы сделать такой материал коммерчески реализуемым продуктом, например ВТСП проводом, в данном ВТСП материале должна поддерживаться высокая степень ориентации кристаллов или упорядоченности текстуры на протяжении сравнительно больших расстояний. С другой стороны, способность к пропусканию тока в сверхпроводящем состоянии (плотность критического тока) будет ограничиваться.

ВТСП материалы могут быть изготовлены с высокой степенью кристаллографической ориентации или упорядоченности текстуры участка большой площади эпитаксиальным выращиванием тонкого слоя такого материала поверх гибкой основы в виде ленты, изготовленной таким образом, что она имеет высокую степень упорядоченности кристаллографической текстуры на своей поверхности. При эпитаксиальном выращивании кристаллического ВТСП материала на этой поверхности ориентация кристаллов выращиваемого ВТСП материала соответствует текстуре основы. Другими словами, текстура основы предоставляет шаблон для эпитаксиального выращивания кристаллического ВТСП материала. Кроме того, основа обеспечивает структурную целостность ВТСП слоя.

Основа может быть текстурированной, чтобы предоставить шаблон, который обеспечивает формирование эпитаксиального ВТСП слоя. Наряду с другими материалами могут быть использованы такие материалы как, например, никель, медь, серебро, железо, сплавы серебра, сплавы никеля, сплавы железа, нержавеющая сталь и медные сплавы. Основа может быть текстурирована при использовании процесса деформации, такого как процесс, включающий прокатку и рекристаллизационный отжиг основы. Примером такого процесса является процесс формирования двухоснотекстурированной основы с использованием прокатки (RABiTS). В этом случае большое количество металла может быть обработано экономичным образом посредством процесса деформации и отжига, и может быть достигнута высокая степень упорядоченности текстуры.

На поверхности основы с подходящим кристаллографическим шаблоном могут быть сформированы осаждением или выращиванием один или несколько буферных слоев, на которых выращивают ВТСП материал. Буферные слои также могут предоставлять дополнительное преимущество, заключающееся в предотвращении диффузии атомов из материала основы в кристаллическую решетку ВТСП материала или кислорода в материал основы. Эта диффузия, или «загрязнение», может привести к нарушению ориентации кристаллов и, тем самым, к деградации электрических свойств ВТСП материала. Буферные слои также могут обеспечивать увеличенную адгезию между основой и ВТСП слоем. Кроме того, буферный(ые) слой(и) могут иметь коэффициент термического расширения, который хорошо согласуется с его величиной для сверхпроводящего материала. Для реализации данной технологии в промышленных видах применения, в которых провода могут подвергаться механическим напряжениям, эта особенность может оказаться желательной, поскольку может предотвратить отслаивание ВТСП слоя от основы.

В качестве альтернативы может быть использована нетекстурированная основа, например из сплава «Hastalloy», на которую осаждают текстурированные буферные слои посредством, например, осаждения в сопровождении ионного пучка (IBAD) или осаждением на наклонную основу (ISD). При необходимости дополнительные буферные слои могут быть осаждены эпитаксией поверх слоя, сформированного IBAD или ISD, чтобы получить конечный шаблон для эпитаксиального осаждения ВТСП слоя.

Посредством использования подходящей комбинации основы и одного или нескольких буферных слоев в качестве шаблона, эпитаксией может быть выращен ВТСП слой с очень высокой степенью ориентации кристаллов или упорядоченности текстуры, обладающий, кроме того, высокой адгезией по отношению к поверхности шаблона и достаточно высокой устойчивостью к загрязнению атомами из основы. ВТСП слой может быть осажден любым из различных способов, включая осаждение разложением металлоорганического соединения (MOD), химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD), импульсное лазерное осаждение (PLD), осаждение при термическом испарении или испарении электронным пучком или же другие подходящие способы. В заключение, к образованной многослойной структуре может быть добавлен верхний защитный слой, который способствует предотвращению загрязнения и повреждения ВТСП слоя с верхней стороны. Такой верхний защитный слой может быть, например, из серебра, и может быть, например, напылен на ВТСП слой.

В области ВТСП проводов продолжаются разработки, направленные на повышение величин плотности критического тока, в частности плотности критического тока в сильных магнитных полях и при высоких температурах (J_c(H,T)). Это повышение может быть достигнуто посредством улучшения («закрепления») сверхпроводящих вихревых нитей, которое лежит в основе механизма обеспечения высокой плотности критического тока J_c в ВТСП материалах. Чтобы обеспечить закрепление в сверхпроводниках локальные разности потенциальной энергии должны быть согласованы по размеру как можно ближе к размеру обычного ствола сверхпроводящей вихревой нити или вихря. Поперечное сечение ствола имеет размер порядка длины когерентности, которая составляет несколько нанометров в высокотемпературных сверхпроводящих купратах и увеличивается с температурой. Соответственно, в кристаллические зерна оксидного сверхпроводника вводят наноразмерные дефекты, чтобы закрепить вихревые нити и улучшить способность к пропусканию тока в магнитном поле.

Способность к пропусканию тока кристаллографически ориентированными слоями оксидного сверхпроводника зависит от направления магнитного поля. На Фиг.1 представлена типичная зависимость от величины магнитного поля для пленки Y123, осажденной разложением металлоорганического соединения (MOD) на металлической основе с буферным оксидным слоем, при ориентации магнитного поля, параллельной и перпендикулярной плоскости поверхности пленки. Как при 27 K, так и при 75 K, в случае, когда магнитное поле ориентировано перпендикулярно плоскости поверхности пленки, имеет место значительное уменьшение Ic по сравнению с его величиной при параллельной ориентации, что ограничивает возможности использования проводов из Y123 во многих видах применения в катушках. Многие виды применения предполагают температуры в области от 55 до 65 K и в магнитных полях 1-3 тесла при их ориентации перпендикулярно плоскости поверхности пленки, что является условиями, при которых существенно ухудшаются эксплуатационные качества. В дополнение к характеристикам пленок из Y123 при параллельной и перпендикулярной ориентации магнитного поля важной является также проверка эксплуатационных характеристик при промежуточных углах ориентации поля, как это представлено на Фиг.2. Как видно из Фиг.2, пленки Y123 обычно показывают небольшой пик в направлении оси «c» (0° и 180° или перпендикулярно плоскости поверхности пленки Y123), который может быть увеличен посредством присутствия протяженных плоских или линейных дефектов (например, границ двойникования, межзеренных границ, зерен с осью «a»).

Во многих видах применения, например в двигателях и катушках электромагнитов, ВТСП провода будут подвергаться локальным вариациям в ориентации магнитного поля, так что магнитное поле, воздействующее на одну область провода, может совершенно отличаться от магнитного поля, воздействующего на другую область провода. В таких видах применения эксплуатационные качества провода из Y123 определяются минимальными параметрами при любой ориентации магнитного поля, а не исключительно лишь характеристиками при перпендикулярной ориентации. Соответственно, ВТСП провода проявляет снижение плотности тока в областях, в которых ориентация магнитного поля отклоняется от оптимального направления.

Сущность изобретения

Описаны высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) провода, которые могут быть использованы в тех видах применения и устройствах, в которых разные области провода или устройства подвергаются воздействию магнитного поля разной ориентации. Такие ВТСП провода содержат, по меньшей мере, два сверхпроводящих слоя, каждый из которых выбран с точки зрения его эффективного функционирования при специфической ориентации магнитного поля. Посредством выбора комбинации сверхпроводящих слоев такой ВТСП провод проявляет оптимальные эксплуатационные качества в магнитных полях, ориентированных параллельно поверхности провода (H//ab) или перпендикулярно поверхности провода (H//c), или же при промежуточной ориентации.

В соответствии с одним аспектом данного изобретения сверхпроводящий провод включает, по меньшей мере, первый и второй сверхпроводящие слои, расположенные на одной или нескольких основах в виде многослойной структуры. Первый сверхпроводящий слой включает первый высокотемпературный сверхпроводящий оксид, выбранный таким образом, чтобы обеспечить первое заданное соотношение критического тока, параллельного поверхности сверхпроводящего слоя, и критического тока, перпендикулярного поверхности сверхпроводящего слоя, (Ic(ab)/Ic(c)), а второй сверхпроводящий слой включает второй высокотемпературный сверхпроводящий слой, выбранный, чтобы обеспечить второе заданное соотношение критического тока, параллельного поверхности сверхпроводящего слоя, и критического тока, перпендикулярного поверхности сверхпроводящего слоя, (Ic(ab)/Ic(c)). Первый и второй сверхпроводящие слои в комбинации обеспечивают заданную общую величину критического тока Ic при выбранной ориентации магнитного поля.

В одном или нескольких вариантах осуществления первый или второй высокотемпературный сверхпроводник выбирают так, чтобы обеспечить повышенную величину критического тока (Ic(c)) при наличии магнитных полей, ориентированных перпендикулярно поверхности сверхпроводящего слоя (H//c). Первое заданное соотношение для Ic(ab)/Ic(c) составляет менее или равно 2,6, менее 2,0 или менее 1,5 при приложенном магнитном поле величиной 1 тесла или более, например, в интервале от примерно 1 тесла до примерно 6 тесла.

В одном или нескольких вариантах осуществления высокотемпературный сверхпроводник включает оксид редкоземельного металла-щелочноземельного металла-меди, включающий два или более редкоземельных элемента, например эрбий и/или гольмий. Гольмий и/или эрбий присутствуют в количестве в интервале от 25% до 150% от стехиометрического количества редкоземельного элемента в оксиде редкоземельного металла-щелочноземельного металла-меди.

В одном или нескольких вариантах осуществления высокотемпературный сверхпроводник включает оксид редкоземельного металла-щелочноземельного металла-меди и, по меньшей мере, одну вторую фазу из наночастиц, содержащих металлосодержащее соединение, расположенную внутри кристаллических зерен оксидного сверхпроводника.

В одном или нескольких вариантах осуществления состав первого или второго высокотемпературного сверхпроводника выбирают так, чтобы обеспечить повышенную величину критического тока (Ic) при наличии магнитных полей, ориентированных параллельно поверхности сверхпроводящего слоя (H//ab). Второе заданное соотношение для Ic(ab)/Ic(c) составляет более 2,5 или более 3,5 или же более 5,5 при приложенном магнитном поле величиной 1 тесла или более, например, в интервале от примерно 1 тесла до примерно 6 тесла.

В одном или нескольких вариантах осуществления высокотемпературный сверхпроводник включает оксид редкоземельного щелочноземельного металла, металла-меди, в котором соотношение меди и щелочноземельного металла составляет более 1,5.

В одном или нескольких вариантах осуществления толщины первого и второго сверхпроводящих слоев различны, и толщину первого и второго сверхпроводящего слоя выбирают так, чтобы обеспечить заданную общую величину критического тока при выбранной ориентации магнитного поля. Могут быть включены дополнительные слои, которые повышают плотность критического тока в магнитных полях, параллельных или перпендикулярных поверхности сверхпроводящего слоя.

В одном или нескольких вариантах осуществления выбранная ориентация магнитного поля находится между 0° (H//c) и 90° (H//ab).

В одном или нескольких вариантах осуществления сверхпроводящий провод включает в себя первый элемент с покрытием. Первый элемент с покрытием включает в себя первую основу, по меньшей мере, один первый буферный слой, расположенный на первой основе и поддерживающий первый сверхпроводящий слой, и первый металлический защитный слой, расположенный на первом сверхпроводящем слое. Второй элемент с покрытием включает в себя вторую основу, по меньшей мере, один второй буферный слой, расположенный на второй основе и поддерживающий второй сверхпроводящий слой, и второй металлический защитный слой, расположенный на втором сверхпроводящем слое.

В одном или нескольких вариантах осуществления сверхпроводящий провод также включает промежуточный связующий слой, расположенный между первым и вторым элементами с покрытием таким образом, что первый и второй элементы с покрытием соединены первой и второй основами или промежуточный связующий слой расположен между первым и вторым элементами с покрытием таким образом, что первый и второй элементы с покрытием соединены первым и вторым металлическими защитными слоями.

Другой аспект данного изобретения относится к способу изготовления высокотемпературного сверхпроводящего устройства. Данный способ включает предоставление отрезка сверхпроводящей провода, который содержит первую область, содержащую высокотемпературную сверхпроводящую композицию с высокой величиной Ic(c), вторую область, содержащую высокотемпературную сверхпроводящую композицию с высокой величиной Ic(ab), и третью область, содержащую смесь высокотемпературной сверхпроводящей композиции с высокой величиной Ic(c) и высокотемпературной сверхпроводящей композиции с высокой величиной Ic(ab), и размещение отрезка сверхпроводника в устройстве таким образом, что первая область занимает в устройстве место, на которое воздействует магнитное поле c ориентацией, перпендикулярной (0°) высокотемпературной сверхпроводящей проволоке, вторая область занимает в устройстве место, на которое воздействует магнитное поле c ориентацией, параллельной (90°) высокотемпературной сверхпроводящей проволоке, и третья область занимает в устройстве место, на которое воздействует магнитное поле c ориентацией между 0° и 90°.

В одном или нескольких вариантах осуществления данное устройство является катушкой; первая область высокотемпературной сверхпроводящей провода расположена на концах катушки; вторая область высокотемпературной сверхпроводящей провода расположена внутри катушки; и третья область высокотемпературной сверхпроводящей провода расположена между первой и второй областями.

В другом аспекте данного изобретения изделие включает сверхпроводящий провод, содержащий высокотемпературный сверхпроводящий слой, при этом данное изделие подвергается воздействию магнитного поля разной ориентации в разных местах изделия и состав высокотемпературного сверхпроводящего слоя изменяется вдоль его длины, чтобы соответствовать ориентации магнитного поля в данных местах.

В одном или нескольких вариантах осуществления изделие является катушкой и при эксплуатации данная катушка подвергается воздействию индуцированных магнитных полей с ориентацией в интервале от ориентации, по существу параллельной плоскости сверхпроводящего слоя, до ориентации, по существу перпендикулярной плоскости сверхпроводящего слоя.

В одном или нескольких вариантах осуществления композиция сверхпроводящего провода является в основном высокотемпературной сверхпроводящей композицией с высокой величиной Ic(c) в первой области катушки, на которую во время эксплуатации воздействуют магнитные поля c ориентацией, перпендикулярной поверхности сверхпроводящего слоя; данная композиция сверхпроводящего провода содержит в основном высокотемпературную сверхпроводящую композицию с высокой величиной Ic(ab) во второй области катушки, на которую во время эксплуатации воздействуют магнитные поля c ориентацией, параллельной поверхности сверхпроводящего слоя; данная композиция сверхпроводящего провода содержит смесь высокотемпературной сверхпроводящей композиции с высокой величиной Ic(c) и высокотемпературной сверхпроводящей композиции с высокой величиной Ic(ab) в области катушки, на которую во время эксплуатации воздействуют магнитные поля c ориентацией под углом между 0 и 90 градусов к поверхности сверхпроводящего слоя.

Подбор сверхпроводящих слоев с разной способностью к пропусканию тока в разных магнитных полях изменяет анизотропию Ic для ориентаций H//ab и H//c. В частности, Ic и, соответственно, Jc, увеличиваются для ориентации H//c без уменьшения величины Ic для ориентации H//ab.

Термин «расположение в виде многослойной структуры» означает, что элементы расположены в виде стопы, например, наложением одного на другой; при этом слои могут располагаться при соприкосновении одного с другим или же между ними может иметься один или несколько промежуточных слоев. При этом не предлагается и не подразумевается порядок расположения.

Краткое описание чертежей

Данное изобретение описывается со ссылками на приведенные ниже чертежи, на которых одинаковые обозначения относятся к одним и тем же элементам, и которые представлены лишь в иллюстративных целях и не предназначены для ограничения данного изобретения.

Фиг.1 иллюстрирует критический ток (Ic) для ВТСП провода из Y-123 в магнитных полях (H) с увеличивающейся напряженностью при их ориентации параллельно (H//ab, Θ=90°) и перпендикулярно (H//c, Θ=0°) плоскости поверхности пленки, при 26 K и 75 K.

Фиг.2 иллюстрирует эксплуатационные характеристики (Ic) в магнитном поле при промежуточной ориентации магнитных полей (0°<Θ<90°) для ВТСП провода на Фиг.1 и при величине приложенных магнитных полей 1-7 Тл.

Фиг.3 иллюстрирует распределение магнитного поля вокруг сжатых витков соленоида электромагнита.

Фиг.4 представляет собой вид поперечного сечения двухслойного ВТСП провода, имеющего два сверхпроводящих слоя с (A) высокой величиной Ic(ab); (B) высокой величиной Ic(c) и (C) один слой с высокой величиной Ic(ab) и с высокой величиной Ic(c); Фиг.4D представляет собой вид поперечного сечения двухслойного ВТСП провода, имеющего промежуточный слой из меди.

Фиг.5 представляет собой вид поперечного сечения двустороннего ВТСП провода, имеющего два сверхпроводящих слоя с (A) высокой величиной Ic(ab), (B) высокой величиной Ic(c) и (C) один слой с высокой величиной Ic(ab) и с высокой величиной Ic(c).

Фиг.6 представляет собой график зависимости критического тока (Ic) от ориентации магнитного поля (Θ) при 75 K для сверхпроводящих оксидов разного состава при проведении измерений при 1 Тл и 3 Тл.

Фиг.7 представляет собой вид поперечного сечения двух ВТСП сборок, соединенных их соответствующими основами, в которых первая сборка имеет сверхпроводящий слой с высокой величиной Ic(ab), а вторая сборка имеет второй сверхпроводящий слой с высокой величиной Ic(c).

Фиг.8 представляет собой вид поперечного сечения двух ВТСП-узлов, соединенных их соответствующими защитными слоями, в которых первый узел имеет сверхпроводящий слой с высокой величиной Ic(//ab), а второй узел имеет второй сверхпроводящий слой с высокой величиной Ic(//c).

Фиг.9 представляет собой вид поперечного сечения двух ВТСП-узлов, соединенных их соответствующими основами и окруженных электропроводной структурой.

Фиг.10 представляет собой графическую иллюстрацию процесса ламинирования, используемого для изготовления ламинированного ВТСП провода в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления данного изобретения.

Фиг.11 иллюстрирует блок-схему типичного процесса, используемого для изготовления ВТСП провода в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления данного изобретения.

Фиг.12 представляет собой график зависимости критического тока (Ic) от ориентации (Θ) магнитного поля при 77 К и 1 тесла для ВТСП провода, описанной в Примере 3.

Подробное описание

На Фиг.3 представлен двумерный график распределения магнитного поля вокруг сжатых витков 300 соленоида электромагнита 310, который показывает, что как напряженность поля (H) (обозначенная стрелками разного цвета, при этом цвета соответствуют величинам напряженности поля, показанным на боковой полоске на Фиг.3), так и ориентация поля (Θ) (обозначенная ориентацией стрелок) изменяется значительным образом в разных местах катушки. ВТСП провода, который оптимизирован в отношении способности к пропусканию электрического тока в конкретном магнитном поле, будет обладать разными величинами тока (Ic) и, соответственно, разными величинами плотности тока (Jc) в разных областях катушки, поскольку каждая область катушки подвергается воздействию магнитного поля разной ориентации. Эксплуатационные качества катушки ограничиваются минимальной величиной соответствующего параметра для провода. Таким образом, общий предельный ток через провод уменьшается по всей его длине и провод функционирует при использовании лишь части его способности к пропусканию тока на протяжении значительной длины. Если способность к пропусканию тока может быть увеличена для указанных областей с пониженными эксплуатационными качествами, то ток через весь провод в целом может быть увеличен.

Кристаллические зерна сверхпроводящего оксида RE123 обычно проявляют сильную анизотропию в магнитном поле, при этом ток в магнитном поле, ориентированном в плоскости (ab) кристаллических зерен оксида (вдоль поверхности эпитаксиального ВТСП слоя), много выше тока в магнитном поле, ориентированном перпендикулярно ВТСП слою. Ic(ab) может быть в два раза, три раза и даже более чем в десять раз больше Ic(c); и такая анизотропия возрастает при более высокой напряженности магнитного поля. Несмотря на то, что для некоторых ВТСП материалов наблюдалось снижение анизотропии в магнитном поле, улучшения в величине Ic(c) обычно достигались за счет Ic(ab).

В одном аспекте данного изобретения ВТСП провод функционирует при большей доле общей способности к пропусканию тока по сравнению с обычным ВТСП проводом. В одном или нескольких вариантах осуществления такой ВТСП провод функционирует при практически полной токовой нагрузке. Характеристики пропускания тока улучшаются посредством использования ВТСП материалов с разными эксплуатационными характеристиками в разных областях ВТСП провода или устройства. ВТСП материал выбирают для оптимального функционирования при ожидаемой локальной ориентации магнитного поля. В соответствии с этим, например, ВТСП провод включает два сверхпроводящих слоя, которые выбирают для обеспечения оптимальных эксплуатационных качеств в локальном приложенном магнитном поле. Данные два слоя могут быть расположены один на другом в любом порядке. В областях, в которых на такой ВТСП провод воздействует приложенное магнитное поле, ориентированное параллельно плоскости сверхпроводящего слоя (H//ab или Θ=90°), оба слоя могут включать сверхпроводящий слой, состав и структура которого обеспечивают оптимальный ток при H//ab, т.е., Ic(ab)>>Ic(c). В областях, в которых на такой ВТСП провод воздействует приложенное магнитное поле, ориентированное перпендикулярно плоскости сверхпроводящего слоя (H//c или Θ=0°), оба слоя могут включать сверхпроводящий слой, состав и структура которого обеспечивают оптимальный ток при H//c, т.е., анизотропия Ic снижается до желательного уровня. В областях, в которых на такой ВТСП провод воздействует приложенное магнитное поле, ориентация которого является промежуточной между H//ab и H//c, первый слой может содержать сверхпроводящий слой, состав и структура которого обеспечивают оптимальные токовые характеристики при H//ab, а второй слой может содержать сверхпроводящий слой, состав и структура которого обеспечивают оптимальные токовые характеристики при H//c. Относительную толщину обоих слоев выбирают, чтобы предоставить желательный баланс между величинами Ic(c) и Ic(ab). Такие ВТСП провода обеспечивают общий критический ток желательной величины, то есть желательную токовую нагрузку.

В одном или нескольких вариантах осуществления такой ВТСП провод выдерживает общий ток Ic(c), по меньшей мере, на части ее длины, составляющий 80 А/см ширины; и Ic(ab)/Ic(c) составляет более 2,0 или примерно 2-3; или Ic(c) составляет примерно 120-150 А/см ширины и Ic(ab)/Ic(c) составляет более 2,0 или примерно 2-3; или Ic(c) составляет примерно 150-180 А/см ширины и Ic(ab)/Ic(c) составляет более 2,0 или примерно 2-3. Общий ток Ic(c) достигается аддитивными токовыми характеристиками двух сверхпроводящих слоев. Обеспечение высокой величины Ic(c) обусловливает то, что, по меньшей мере, один из слоев хорошо функционирует в перпендикулярном магнитном поле. Обеспечение того, что Ic(ab) в 2 раза или более превышает Ic(c), обусловливает еще более высокую величину в параллельном магнитном поле. Такие общие токовые характеристики могут быть достигнуты использованием различных комбинаций, таких как комбинирование двух проводов с умеренной величиной Ic(c) и умеренной величиной Ic(ab). В качестве альтернативы провод с очень высоким Ic(c) может быть объединен с проводом со сравнительно низким Ic(c), однако высоким Ic(ab).

В дополнение к предоставлению желательной комбинации сверхпроводящих слоев с высокой величиной Ic(ab) и сверхпроводящих слоев с высокой величиной Ic(c) двухслойные ВТСП провода увеличивают плотность критического тока по сравнению с сопоставимыми однослойными сверхпроводящими проводами посредством практически удваивания объема сверхпроводящего материала в таком ВТСП проводе.

В одном или нескольких вариантах осуществления сверхпроводящие слои могут быть сформированы на одной и той же стороне основы. Фиг.4A иллюстрирует пример двухслойного ВТСП провода 400, в котором предусмотрен один сверхпроводящий слой 440, имеющий оптимальный ток Ic(ab), и один сверхпроводящий слой 470, имеющий оптимальный ток Ic(c), сформированные на одной и той же стороне основы 460. Следует заметить, что на этой и всех других фигурах размеры представлены не в масштабе. Основа может быть текстурированной металлической основой или металлической основой, которая включает текстурированную основу, и обычно имеет толщину в интервале примерно 0,05-0,2 мм. Металлическая основа, например из Ni, Ag или никелевого сплава (например, NiW или другого сплава типа «Hastalloy»), обеспечивает гибкость провода и может быть изготовлена таким образом, что имеет значительную длину и большую поверхность. Сверхпроводящий слой содержит материал, который выбран с учетом его хороших эксплуатационных характеристик при ориентации H//ab или H//c. Кроме того, сверхпроводящий слой кристаллографически ориентирован таким образом, чтобы плоскость ab оксидного сверхпроводника была параллельна поверхности провода. Каждый сверхпроводящий слой имеет обычно толщину в интервале от примерно 0,5 мкм до примерно 2,0 мкм и может быть даже толще. ВТСП провода, представленный на Фиг.4A, обычно применим в проводе или области провода, на которую воздействует магнитное поле промежуточной ориентации, т.е., 0°<Θ<90°.

В областях провода, в которых Θ составляет примерно 0°, может быть использован двухслойный ВТСП провод 410, в котором два сверхпроводящих слоя 470 с оптимальной величиной Ic(c) сформированы на одной и той же стороне основы 460, как показано на Фиг.4B. Фиг.4C иллюстрирует пример двухслойного ВТСП провода 420, в котором два сверхпроводящих слоя 420 с оптимальной величиной Ic(ab) сформированы на одной и той же стороне основы 460. ВТСП слои проявляют оптимальные характеристики при H//ab. Чтобы предоставить провод, обладающий оптимальными эксплуатационными характеристиками в устройстве, подвергаемом воздействию магнитного поля разных ориентаций, провод может включать любую из этих структур в разных местах устройства в соответствии с ориентацией магнитного поля.

В одном или нескольких вариантах осуществления между первым и вторым сверхпроводящими слоями может быть размещен проводящий или изолирующий слой 490, как представлено для ВТСП провода 430 на Фиг.4D. Проводящие слои обеспечивают электрическое соединение между двумя указанными слоями и могут быть, например, из меди или серебра. Примеры изолирующих слоев включают оксиды металлов, такие как Y₂O₃, CuO и CeO₂. Любой промежуточный слой должен быть структурно и химически совместимым с ВТСП материалом и иметь, например, упорядоченную кристаллическую структуру, которая делает возможным осаждение эпитаксиального ВТСП слоя. Толщина промежуточного слоя обычно находится в интервале от 20 нм до 200 нм, и такой слой осаждают, например, распылением, осаждением из паровой фазы или импульсным осаждением из паровой фазы, или другим подходящим способом.

В одном или нескольких вариантах осуществления сверхпроводящие слои сформированы на противоположных сторонах основы. Фиг.5A иллюстрирует пример двухслойного ВТСП провода 520, в котором один сверхпроводящий слой 440, имеющий оптимальный ток Ic(//ab), и один сверхпроводящий слой 470, имеющий оптимальный ток Ic(//c), сформированы на противоположных сторонах основы 460. Фиг.5B иллюстрирует двухслойный ВТСП провод 510, в котором два сверхпроводящих слоя 470 с оптимальной величиной Ic(//c) сформированы на противоположных сторонах основы 460. Фиг.5C иллюстрирует двухслойную ВТСП проволоку 500, в которой два сверхпроводящих слоя 440 с оптимальной величиной Ic(//ab) сформированы на противоположных сторонах основы. Дополнительные сверхпроводящие слои могут быть размещены на обеих сторонах основы, и они могут увеличивать Ic(c) или Ic(ab).

ВТСП провода, представленные на Фиг.4A-4D и Фиг.5A-5C и в других местах данного описания, включают один или несколько буферных слоев (не показаны), расположенных между основой и сверхпроводящим слоем и одним или несколькими защитными слоями (не показаны), покрывающими сверхпроводник. В одном или нескольких вариантах осуществления буферный слой изготавливают из электроизолирующего материала, хотя могут быть также использованы электропроводные материалы. Буферный слой изготавливают, 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, титаната стронция, цирконата гадолиния, диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, AlN, Si₃N₄, LaMnO₄, La₂Zr₂O₇ или La_2-xCe_xZr₂O₇). Буферные слои могут быть осаждены любым известным способом, включая способы физического и химического осаждения. Верхний защитный слой покрывает сверхпроводящий слой и обеспечивает защиту сверхпроводящего слоя от ухудшения химических и механических свойств. Верхний защитный слой может быть электропроводным. Верхний защитный слой может быть сформирован напылением Ag или другого инертного металла.

В одном или нескольких слоях сверхпроводящие материалы, обладающие высокой величиной Ic(ab) или high Ic(c), получают избирательной обработкой слоев. В примерах, представленных выше, в которых два сверхпроводящих слоя осаждены на одну и ту же основу, это может достигаться изменением условий обработки, использованных для формирования сверхпроводника, во время проведения процесса. Обычно реакцию для формирования сверхпроводника инициируют на поверхности раздела с нижележащим буферным слоем, и сверхпроводник наращивается от этой границы раздела в наружном направлении. Соответственно, изменение условий во время процесса от тех, которые благоприятны для образования материала с высокой величиной Ic(c), к тем условиям, которые благоприятны для образования материала с высокой величиной Ic(ab), приводит к формированию слоистой структуры с разной способностью к пропусканию тока. В качестве альтернативы, два сверхпроводящих слоя могут быть обработаны по отдельности, чтобы оптимизировать их эксплуатационные характеристики, и затем соединены после образования ВТСП материала.

Примеры сверхпроводящих материалов, обладающих хорошими эксплуатационными характеристиками при H//ab, включают оксиды редкоземельного элемента (RE)-щелочноземельного металла-меди, содержащие металлы в стехиометрических пропорциях. Соответственно, в качестве примера, для RE-123, в котором редкоземельный элемент, барий и медь находятся в основном в пропорции 1:2:3, обнаружено, что он проявляет оптимальный ток в магнитных полях, ориентированных параллельно плоскости ab. Примером оксидного сверхпроводника является YBa₂Cu₃O_7-δ.

Сверхпроводящие материалы, имеющие избыток меди или дефицит щелочноземельного металла, также проявляют высокую величину Ic(ab). В одном или нескольких вариантах осуществления сверхпроводящий оксид является оксидом редкоземельного элемента, бария и меди, в котором соотношение меди и бария составляет более 1,5. Соотношение Cu:Ba достигается уменьшением количества бария в оксидном сверхпроводнике, то есть доля бария в пропорции состава RE-123 составляет менее 2,0, или увеличением содержания меди, то есть доля меди составляет более 3,0. В некоторых вариантах осуществления оксидный сверхпроводник содержит медь в избытке, например в избытке до 5% или менее или в избытке до 10% или менее, или же в избытке до 20% или мене