Устройство и способ для нанесения сверхпроводящих слоев

Устройство и способ для нанесения сверхпроводящих слоев

Реферат

Группа изобретений относится к области высокотемпературной сверхпроводимости, а именно к устройству и способу нанесения высокотемпературных сверхпроводящих слоев методом импульсной лазерной абляции на протяженную подложку/ленту, и может использоваться для изготовления ленточных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) второго поколения.

Уровень техники

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) имеют критическую температуру более 11 градусов по Кельвину. Открытие нового класса сверхпроводников, представляющих собой металлическую оксидную керамику, в частности, Y-Ba-Cu-О с критической температурой Т_с=90-92 К, которая выше температуры 77 К жидкого азота, стало прорывом в развитии ВТСП. Рекордная температура перехода в сверхпроводящее состояние на настоящий момент составляет 135 К для ртутных (Hg-Ba-Ca-Cu-O) сверхпроводников. В качестве хладагента для этих материалов можно использовать жидкий азот (77 К). Стоимость криооборудования и его энергопотребление для охлаждения ВТСП во много раз меньше, чем для низкотемпературных сверхпроводников. Наряду с высокой плотностью критического тока, достигающей единиц МА/см² при 77 К, эти материалы демонстрируют рекордную среди всех прочих сверхпроводников устойчивость критического тока в магнитных полях. В этом состоит их принципиальное преимущество по сравнению с проводами первого поколения на основе висмутовых ВТСП. Если в лентах 1-го поколения ВТСП проводники заключены в матрицу из серебра или сплава на его основе, то для создания лент 2-го поколения обычно применяют ленты-подложки, на которых ВТСП проводник - один и представляет из себя тонкое покрытие на поверхности ленты. В последнее десятилетие происходило накопление мирового опыта в технологии ВТСП-лент 2-го поколения, приведшее к появлению лент длиной в сотни метров с токонесущей способностью, достигающей 500 А при 77 К.

В результате отбора ВТСП покрытие промышленно изготавливаемых лент обычно включает в себя такие компоненты, как иттрий, барий, медь и кислород: YBa₂Cu₃O₇-δ (YBCO).

Одним из наиболее высокоэффективных способов получения ВТСП материалов является импульсная лазерная абляции, например, при воздействии в камере осаждения сканирующего лазерного луча эксимерного лазера на плоский торец вращающейся мишени из YBCO [Сверхпроводящие высокотемпературные пленки Y-Ba-Cu-O, полученные импульсным лазерным распылением. В.Ю. Баранов, Е.В. Богданов, В.М. Борисов и др. Сборник научных трудов Института атомной энергии им. И.В. Курчатова, 1988]. Однако данные устройство и способ, применявшиеся для нанесения сверхпроводящих слоев на неподвижную нагреваемую подложку, не предназначены для получения длинных лент с ВТСП покрытием, требуемых для изготовления ВТСП кабелей и других видов электроэнергетического оборудования.

Из ЕР 0469603 А2 известны другие способ и устройство для нанесения сверхпроводящих слоев. В одном из вариантов устройство содержит первое и второе зеркала для двумерного сканирования мишени. Двумя зеркалами можно управлять с помощью электромагнитных приводов таким образом, чтобы лазерный луч сканировал всю площадь мишени. Однако координация двух зеркал сложна и может не обеспечивать равномерное нанесение ВТСП покрытия с одной стороны и равномерную выработку мишени - с другой стороны. Производительность метода также может быть недостаточна высокой.

Частично этих недостатков лишены известные из US Patent 7501145 В2 устройство и метод получения протяженных ВТСП лент методом лазерной абляции нескольких расположенных на одной линии мишеней, облучаемых таким же количеством лазерных лучей, фиксированных в пространстве. Мишени снабжены приводом вращения и механизмом возвратно-поступательного движения для равномерной выработки покрытия мишени и равномерного нанесения покрытия на протяженную подложку, движущуюся через зону нагрева, в которой происходит осаждение сверхпроводящего материала на подложку. Метод нанесения сверхпроводящих слоев предполагает перекрытие потоков испаряемого с мишеней материала, формирующего сверхпроводящие слои на поверхности протяженной подложки. Данные устройство и метод обладают высокой производительностью за счет мультиплицирования количества мишеней и лазерных лучей. Однако фиксация лазерного луча в пространстве может ограничивать частоту следования лазерных импульсов из-за того, что в области фокусировки луча на мишени может происходить накопления паров и продуктов абляции материала мишени, рассеивающих лазерный луч. Это является фактором, ограничивающим производительность метода, не позволяющим использовать лазеры с высокой частотой повторения импульсов. Кроме этого, механизмы и контроль перемещения мишеней достаточно сложны.

Частично этих недостатков лишены известные из US Patent 7501125 устройство и способ для нанесения сверхпроводящих слоев. Устройство для нанесения сверхпроводящих слоев содержит: камеру осаждения с зоной нагрева, через которую перемещается протяженная подложка, импульсно-периодический лазер, сфокусированный на мишень, характеризующуюся длиной L_las и имеющую покрытие, формирующее сверхпроводящий материал на подложке; механизм для перемещения импульсного лазерного луча в направлении сканирования по поверхности мишени, от которой оделяется материал и ударяет в протяженную подложку, нагреваемую в зоне нагрева; механизм перемещения мишени, и блок управления для контроля последовательных движений лазерного луча и перемещения мишени.

Способ нанесения сверхпроводящих слоев, включает: перемещение протяженной подложки через зону нагрева, воздействие импульсного сфокусированного лазерного луча на мишень с покрытием, формирующим сверхпроводящий материал, от которой отделяется материал и вместе с потоком плазмы ударяет в нагретую протяженную подложку в зоне нагрева, обеспечивая равномерное покрытие подложки сверхпроводящим материалом за счет линейного сканирования лучом лазера поверхности мишени по длине мишени и перемещения поверхности мишени поперек направления линейного сканирования лазерного луча.

В указанных устройстве и способе используется плоская мишень, которую перемещают в плоскости мишени и периодически поворачивают на 180° в плоскости мишени. Механизм для перемещения импульсного лазерного луча в направлении сканирования по поверхности мишени может включать поворотное зеркало с поворотным механизмом и механизм возвратно-поступательного движения зеркала. Способ нанесения сверхпроводящих слоев предусматривает прерывание лазерного луча на время, за которое осуществляют поворот мишени на 180°. Указанные устройство и способ обеспечивают равномерную выработку поверхности мишени и равномерное покрытие подложки сверхпроводящим материалом. Одновременное передвижение как луча, так и мишени позволяет повысить скорость нанесения сверхпроводящих слоев, однако существенные ограничения присутствуют и в этом способе. Дело в том, что для равномерного нанесения сверхпроводящих слоев расстояние между местами фокусировки лазерного луча на поверхности мишени при очередных лазерных импульсах должны отстоять друг от друга на расстоянии около 1 мм. Однако в указанных устройстве и способе достаточно сложно обеспечить высокую постоянную величину скорости перемещения поверхности мишени относительно лазерного луча, которая, в основном, определяется величиной скорости перемещения сканирующего лазерного луча. Это ограничивает возможности повышения производительности нанесения сверхпроводящих слоев. Кроме этого, механизм поступательного движения мишени с ее периодическими поворотами в плоскости мишени достаточно сложен.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на упрощение механизма перемещения мишени, значительное увеличение скорости перемещения мишени и обеспечение за счет этого возможности повышения производительности нанесения сверхпроводящих слоев, в частности, увеличением частоты следования лазерных импульсов.

Техническим результатом изобретения является упрощение устройства при обеспечении возможности повышения скорости нанесения сверхпроводящих слоев.

Для решения указанных задач предлагается устройство для нанесения сверхпроводящих слоев, содержащее: камеру осаждения с зоной нагрева, через которую перемещается протяженная подложка, импульсно-периодический лазер, сфокусированный на мишень, характеризующуюся длиной L_tag и имеющую покрытие, формирующее сверхпроводящий материал на подложке; механизм для перемещения импульсного лазерного луча в направлении линейного сканирования поверхности мишени, от которой отделяется материал и ударяет в протяженную подложку, нагреваемую в зоне нагрева; механизм перемещения мишени, и блок управления для контроля последовательных движений лазерного луча и перемещения мишени.

Усовершенствование устройства состоит в том, что механизм перемещения мишени содержит постоянно вращающийся вал с приводом вращения, мишень закреплена на валу вращения, мишень имеет осевую симметрию относительно оси вращения, и ось вращения мишени параллельна направлению перемещения подложки через зону нагрева.

Предпочтительно, что мишень имеет наружную поверхность в форме прямого круглого цилиндра.

В другом аспекте изобретение относится к способу нанесения сверхпроводящих слоев, включающему: перемещение протяженной подложки через зону нагрева, воздействие импульсного сфокусированного лазерного луча на мишень с покрытием, формирующим сверхпроводящий материал, от которой отделяется материал и вместе с потоком плазмы ударяет в нагретую протяженную подложку в зоне нагрева, обеспечивая равномерное покрытие подложки сверхпроводящим материалом за счет линейного сканирования лучом лазера поверхности мишени по длине мишени и перемещения поверхности мишени поперек направления линейного сканирования лазерного луча.

Усовершенствование способа состоит в том, что перемещение поверхности мишени поперек направления линейного сканирования лазерного луча осуществляют непрерывным вращением мишени, которая имеет осевую симметрию относительно оси вращения, причем ось вращения мишени параллельна направлению перемещения подложки через зону нагрева.

Выполнение устройства и способа нанесения сверхпроводящих слоев в предложенном виде обеспечивает простоту перемещения поверхности мишени в направлении поперек направления линейного сканирования мишени по ее длине. При этом обеспечивается повышение скорости поверхности мишени до значений, многократно превышающих скорость перемещения лазерного луча по поверхности мишени. Это позволяет по сравнению с аналогами и прототипом в несколько раз повысить частоту следования лазерных импульсов и, соответственно, увеличить скорость нанесения сверхпроводящих слоев.

Краткое описание чертежей

Существо изобретения поясняется прилагаемым чертежом, на котором схематично показано устройство для нанесения сверхпроводящих слоев.

Данный чертеж не охватывает и, тем более, не ограничивает весь объем вариантов реализации данного технического решения, а является иллюстрацией частного случая его выполнения.

Детальное описание изобретения

Устройство для нанесения сверхпроводящих слоев, показанное на фиг.1, содержит предварительно вакуумированную и затем предпочтительно заполненную кислородом камеру осаждения 1 с зоной нагрева 2, через которую перемещается протяженная подложка 3. В состав устройства входит импульсно-периодический лазер 4 с лучом 5, сфокусированным посредством линзы 6 на мишень 7, характеризующуюся длиной L_tag и имеющую покрытие, формирующее сверхпроводящий материал на подложке 3. Мишень предпочтительно имеет наружную поверхность 8 в форме прямого круглого цилиндра. Механизм перемещения мишени 7 содержит постоянно вращающийся вал 9 с приводом вращения 10. Мишень 7 закреплена на валу вращения 8 и имеет осевую симметрию относительно оси вращения 11. Ось вращения 11 мишени 7 параллельна направлению 12 поступательного перемещения подложки 3 через зону нагрева 2. Устройство также содержит механизм 13, для перемещения импульсного лазерного луча в направлении 14 сканирования по поверхности мишени 7, от которой отделяется материал в виде плазмы 15 лазерного факела и ударяет в протяженную подложку 3, нагреваемую в зоне нагрева 2. Блок управления 16 служит для контроля скорости перемещения мишени 7 и последовательных перемещений лазерного луча 5 в направлении 14 линейного сканирования мишени. Лазерный луч 5 проходит в камеру осаждения 1 через ее окно 17. Зона нагрева 2 образована камерой нагрева 18 с протяженным отверстием 19, напротив которого размещена мишень 7. Подложка 3 может быть спирально намотана на трубу 20, которая может вращаться вокруг своей оси 21 и перемещаться в линейном направлении 12.

Способ нанесения сверхпроводящих слоев посредством описанного устройства осуществляют следующим образом. Через вакуумированную и затем предпочтительно заполненную кислородом камеру осаждения 1 с зоной нагрева 2 перемещают протяженную подложку 3. Лучом 5 импульсно-периодического лазера 4, сфокусированным, например, посредством линзы 6 и вводимым в камеру осаждения 1 через окно 17 воздействуют на мишень 7, имеющую наружную поверхность 8 в форме прямого круглого цилиндра. Лазерным лучом 5 производят абляцию мишени с покрытием, формирующим сверхпроводящий материал на подложке 3. Посредством абляции материал отделяют от мишени 7 и вместе с потоком плазмы 15 лазерного факела переносят через отверстие 19 камеры нагрева 18 на нагретую протяженную подложку 3. В процессе нанесения сверхпроводящих слоев с помощью механизма 13 производят линейное сканирование (осциллирующее или однонаправленное) лучом 5 лазера 4 поверхности мишени 7 в направлении 14 по длине мишени L_tag. Одновременно с этим перемещают поверхность мишени 3 поперек направления 14 линейного сканирования лазерного луча 5 за счет непрерывного вращения закрепленной на валу 9 мишени у. Приводом 10 осуществляют вращение мишени 3 относительно оси 11 симметрии мишени, параллельной направлению 12 перемещения подложки 3 через зону нагрева 2. При этом с помощью блока управления 16 осуществляют оптимальный режим последовательных движений лазерного луча 5, перемещения мишени 7 и циклов работы лазера 4. В результате осуществляют равномерное покрытие подложки 3 сверхпроводящим материалом. Подложка 3 может быть спирально намотана на трубу 20, которую вращают вокруг оси трубы 21 и перемещают в линейном направлении 12, что позволяет покрывать сверхпроводящим материалом большую поверхность подложки 3.

Выполнение механизма перемещения мишени в виде постоянно вращающегося вала с приводом вращения упрощает механизм перемещения мишени и позволяет перемещать поверхность мишени с высокой скоростью. Обеспечивается высокая постоянная величина скорости перемещения поверхности мишени относительно лазерного луча, которая в отличие от прототипа теперь, в основном, определяется величиной скорости перемещения поверхности мишени, а не скоростью перемещения лазерного луча. При непрерывном вращении мишени легко обеспечивается необходимое для равномерного нанесения сверхпроводящих слоев расстояние A (A≈1 мм) между местами фокусировки лазерного луча на поверхности мишени при очередных лазерных импульсах. В сочетании с линейным перемещением луча по поверхности мишени также обеспечивается линейное перемещение в пространстве потока плазмы с поверхности мишени. Все это позволяет повысить частоту следования лазерных импульсов и увеличить скорость нанесения сверхпроводящих слоев на протяженную подложку.

Выполнение мишени симметричной относительно оси вращения, предпочтительно с цилиндрической поверхностью, и ориентация оси вращения мишени параллельно направлению перемещения подложки через зону нагрева обеспечивает как равномерное нанесения сверхпроводящих слоев на протяженную подложку, так и равномерное по поверхности мишени воздействие лазерного луча.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить устройство для нанесения сверхпроводящих слоев и повысить скорость нанесения сверхпроводящих слоев при равномерном покрытии протяженной подложки сверхпроводящим материалом.

1. Устройство для нанесения сверхпроводящих слоев, содержащее: камеру осаждения с зоной нагрева, через которую перемещается протяженная подложка, импульсно-периодический лазер, сфокусированный на мишень, характеризующуюся длиной и имеющую покрытие, формирующее сверхпроводящий материал на подложке; механизм для перемещения импульсного лазерного луча в направлении линейного сканирования поверхности мишени, от которой оделяется материал и ударяет в протяженную подложку, нагреваемую в зоне нагрева; механизм перемещения мишени, и блок управления для контроля последовательных движений лазерного луча и перемещения мишени, отличающееся тем, чтомеханизм перемещения мишени содержит постоянно вращающийся вал с приводом вращения, мишень закреплена на валу вращения, мишень имеет осевую симметрию относительно оси вращения, и ось вращения мишени параллельна направлению перемещения подложки через зону нагрева.

2. Устройство для нанесения сверхпроводящих слоев по п.1, отличающееся тем, что мишень имеет наружную поверхность в форме прямого круглого цилиндра.

3. Способ нанесения сверхпроводящих слоев, включающий: перемещение протяженной подложки через зону нагрева, воздействие импульсного сфокусированного лазерного луча на мишень с покрытием, формирующим сверхпроводящий материал, от которой отделяется материал и вместе с потоком плазмы ударяет в нагретую протяженную подложку в зоне нагрева, обеспечивая равномерное покрытие подложки сверхпроводящим материалом за счет линейного сканирования лучом лазера поверхности мишени по длине мишени и перемещения поверхности мишени поперек направления линейного сканирования лазерного луча, отличающийся тем, что перемещение поверхности мишени поперек направления линейного сканирования лазерного луча осуществляют непрерывным вращением мишени, которая имеет осевую симметрию относительно оси вращения, причем ось вращения мишени параллельна направлению перемещения подложки через зону нагрева.