用于超导装置的电介质衬底和使用这种衬底的超导产品制造方法及图纸

提供了一种用于超导装置中的衬底结构。该衬底结构具有两个相反的平行表面，并且被构造成用于在这些相反表面中的至少一个表面上承载至少一个超导结构。衬底结构包括由电介质材料成分制成的衬底，衬底具有预定几何结构的带状形状，该几何结构以至少10的宽度‑厚度宽高比和由大致不超过1nm rms的表面粗糙度限定的相反平行表面的大致平面性来表征。

Dielectric substrate for superconducting devices and superconducting products using such a substrate

A substrate structure for use in a superconducting device is provided. The substrate structure has two opposing parallel surfaces and is configured to carry at least one superconducting structure on at least one surface of these opposite surfaces. The substrate structure comprises a substrate made of dielectric material composition, a substrate having a predetermined shape with the geometrical structure of the surface of the geometric structure of at least 10 width thickness and the ratio of width to height is substantially less than 1nm RMS roughness defined opposite parallel surfaces generally planar to represent.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于超导装置的电介质衬底和使用这种衬底的超导产品
本专利技术处于超导装置领域，并且涉及用于具有降低AC损失的高温超导装置中的电介质衬底和使用这种衬底的超导装置。
技术介绍
今天超导导线的一个突出问题是不期望的AC损失。这与跨超导材料移动且引入显著损失的磁涡旋有关[ErnstHelmutBrandtandMikhailIndenbom,"Type-II-uperconductorstripwithcurrentinaperpendicularmagneticfield",Phys.Rev.BVol48,17(1993)pp.12893-12906]。已经开发用于降低AC损失的各种技术。这些技术包括使用非磁性衬底以去除衬底的铁磁损失；以丝状设计制造涂布导体且将长丝宽度制成非常窄，以降低超导层中的磁滞损失；增大衬底和丝间路径的电阻，以分别减小涡流和耦合电流。美国第8481460号和8227082号专利描述了一种晶体产品，该晶体产品包括单晶陶瓷纤维、沿着长度具有至少一个结晶学刻面的带，该带通常至少一米长。在蓝宝石的情况下，刻面是R平面、M平面、C平面或A平面刻面。包括超导产品的外延产品可以形成在这种纤维、带上。美国第8664163号专利描述了一种产品，该产品包括承载化学式YBa2Cu3O7-x(YBCO)的化合物的超导层的蓝宝石衬底，该层具有至少10cm2的表面积和在77K温度时至少100A/cm宽度的临界电流。超导层的厚度在10nm至50nm之间，或者可以多于600nm。YSZ层和非超导YBCO层可以在超导层与衬底之间分离。
技术实现思路
本领域中需要新方法来构造用于高温超导装置中的电介质衬底结构。本专利技术的专利技术人已经发现，在特定种类的已知装置中，由于跨超导体材料移动的磁涡旋而引起的AC损失关联于生成电流的所涂布的导体的平面几何结构(即，厚度<<宽度)，这使得导致变化的高边缘场(AC场)转而引起磁涡旋。在上面指出的美国第8481460号和8227082号专利的装置构造中，通过沿着纤维、带的长度相对于彼此加捻或调换多个纤维、带来实现边缘场的减小且因此实现AC损失的降低。根据该技术，纤维(带)具有减小的厚宽比且被刻面，即，沿着纤维长度(例如，至少一米长)构造有一个或更多个晶面，而不是使用为圆形且没有刻面的传统光纤。刻面构造的目的在于提供允许沿着产品的长度相对于彼此加捻、编织或调换的柔性，诸如以降低AC损失。然而，将两个相反的导电股缠绕在一起来取消杂散磁场或使杂散磁场最小化(该技术与传统铜线一起使用)需要加捻线之间的良好绝缘，而且需要允许期望导线柔性的导线形状因数。另一种技术使用双股直线饼形线圈构造，其中，堆叠两个相反的导电平面超导带，以用将消除(或最小化)杂散磁场的方式尽可能靠近地设置两个相反的电流路径[DoanNNguyenetal.,"AClossstudyofantiparallelconnectedYBCOcoatedconductors",Supercond.Sci.Technol.22(2009)055014；JS'oucetal.,"CoatedconductorarrangementorreducedAClossesinaresistive-typesuperconductingfaultcurrentlimiter",Supercond.Sci.Technol.25(2012)014005]。然而，生成电流的超导带被涂布在金属衬底上，并且为了在没有短路的情况下将两个这种导线堆叠在一起，需要良好的绝缘。添加将紧密且均匀包装在超导带之间且将能够维持多个冷却周期是会导致制造工艺高度复杂化的困难甚至是不可能的任务。本专利技术提供了一种衬底结构，该衬底结构具有新颖构造，以适于用于具有低的AC损失的超导装置中，例如，具有双股状构造的超导装置。衬底结构包括由电介质材料成分(诸如蓝宝石或硅)制成的衬底，并且优选地还包括位于衬底的至少一个表面上的缓冲层，超导结构形成在该缓冲层上。衬底具有带状形状(即，是具有宽度、厚度以及长度的细长元件(具有大致矩形横截面))。根据本专利技术，衬底具有所选择的相对较高的宽度/厚度宽高比(aspectratio)，其支持长、薄的构造以及如果需要，柔性的构造。并且，衬底结构具有高平滑性(例如，小于1nmrms且优选地小于0.3nm的表面粗糙度)的大体平面构造，即大致平行相反表面(在相反表面上或其中至少一个表面上要形成超导结构)。在相反表面上承载类似超导结构的衬底结构的这种构造允许电流沿相反方向通过超导结构，以解决AC损失降低问题。宽度/厚度宽高比可以大于10且优选地大于50。例如，衬底可以具有大于5mm的宽度和小于0.5mm的厚度(优选地为0.15±0.05mm厚)。两个平面的/平滑的且平行的相反表面被构造成用于在上面外延生长类似的高质量的超导结构(例如，ReBa2Cu3O7-x(“Re”表示稀土金属))。如已知的，高质量的ReBa2Cu3O7-x超导体层以至少86K(-185.15℃)的过渡温度和至少1×106A/cm2的在液氮温度(77K)时的临界电流密度来表征。为此，本专利技术的衬底结构还被构造成使得衬底结构的最顶层具有尽可能接近于(±10％)要形成在所述层上的超导结构的晶格参数(或原子间距离)的晶格参数(例如，YBa2Cu3O7-x中的原子间距离为3.83-3.88埃)。这种层是在衬底的平面表面上的缓冲层，其还防止电介质衬底与超导层之间的原子扩散。由此，本专利技术的衬底结构可以在其一侧或两侧(即，平面平滑表面)上涂布有合适的超导层(例如，ReBa2Cu3O7-x超导层)，并且可以用于具有超导体的双股绕组的AC超导装置中。衬底的电介质性质允许在两侧上沿相反的方向驱动电流(反平行构造)，这减小了来自两面的杂散磁场，由此大幅降低AC损失。在一些实施方式中，在衬底的一个或两个平滑平行表面上的缓冲层是连续层(不被构图)，并且优选地具有小于1nmrms的表面粗糙度。缓冲层的厚度可以在10-100nm的范围内或在100-1000nm的范围内。缓冲层可以包括钇稳定的氧化锆(8-10％)(亦称YSZ)或二氧化铈(CeO2)。缓冲层可以由除了衬底的材料成分之外的两个或更多个化合物组成。电介质衬底可以为具有平面/平滑平行表面的r平面方位的单晶蓝宝石带或具有平面平行表面的[100]方位的单晶硅带。由此，本专利技术提供了一种用于超导装置中的衬底结构，该衬底结构具有两个相反的平行表面，并且被构造成用于在所述相反平行表面的至少一个表面上承载至少一个超导结构，其中，衬底结构包括由电介质材料成分制成的衬底，所述衬底具有预定几何结构的带状形状，该几何结构以至少10的宽度-厚度宽高比和由大致不超过1nmrms的表面粗糙度限定的所述相反平行表面的大致平面性来表征。如上面指示的，衬底还可以包括位于衬底的至少一侧上的至少一个缓冲层，该至少一个缓冲层被构造成用于承载超导结构。缓冲层被选择成具有与上面承载的超导结构的晶格参数匹配的晶格参数。缓冲层比衬底薄至少100倍。这种薄的电介质衬底(以及衬底和缓冲结构)提供衬底结构的期望柔性。例如，这种柔性结构的弯曲半径大致不超过20cm。衬底结构可以如期望的那样长，例如，长于1m。衬底优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于超导装置中的衬底结构，该衬底结构具有两个相反的平行表面，并且被构造成用于在相反表面中的至少一个表面上承载至少一个超导结构，其中，所述衬底结构包括由电介质材料成分制成的衬底，所述衬底具有预定几何结构的带状形状，该几何结构以至少10的宽度‑厚度宽高比和由大致不超过1nm rms的表面粗糙度限定的所述相反的平行表面的大致平面性来表征。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.22 US 62/095,2061.一种用于超导装置中的衬底结构，该衬底结构具有两个相反的平行表面，并且被构造成用于在相反表面中的至少一个表面上承载至少一个超导结构，其中，所述衬底结构包括由电介质材料成分制成的衬底，所述衬底具有预定几何结构的带状形状，该几何结构以至少10的宽度-厚度宽高比和由大致不超过1nmrms的表面粗糙度限定的所述相反的平行表面的大致平面性来表征。2.根据权利要求1所述的衬底结构，所述衬底结构还包括在所述衬底的所述至少一个表面上的至少一个缓冲层，所述至少一个缓冲层被构造成用于承载所述超导结构。3.根据权利要求2所述的衬底结构，其中，所述缓冲层被选择成具有与上面承载的所述超导结构的晶格参数匹配的晶格参数。4.根据权利要求2或3所述的衬底结构，其中，所述缓冲层比所述衬底薄至少100倍。5.根据权利要求1至4中任一项所述的衬底结构，其中，所述衬底具有大致不超过0.5mm的厚度。6.根据权利要求1至4中任一项所述的衬底结构，其中，所述衬底由蓝宝石或硅材料制成。7.根据权利要求1至6中任一项所述的衬底结构，所述衬底结构长于1m。8.根据权利要求1至6中任一项所述的衬底结构，其中，所述衬底为柔性的，具有大致不超过20cm的弯曲半径。9.一种包括至少一个超导元件的超导装置，所述超导元件包括根据权利要求1至8中任一项所述的衬底结构、以及在所述两个相反平面表面中的所述至少一个平面表面上的至少一个超导结构。10.根据权利要求9所述的装置，所述装置包括分别在所述衬底结构的所述两个相反平面表面上的两个相似的超导结构。11.根据权利要求9或10所述的装置，其中，在所述平面表面中的所述至少一个平面表面上具有所述至少一个超导结构的所述衬底结构被构造成形成至少一个双股超导线圈，使得在相邻线圈绕组的面向彼此的片段中流动的电流在大小上相同且具有相反的方向，从而减小杂散磁场并提供减小的AC损失。12.根据权利要求9所述的装置，所述装置包括以隔开平行关系设置的至少两个所述超导元件。13.根据权利要求10所述的装置，所述装置包括以隔开平行关系设置的至少两个所述超导元件。14.根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述至少两个超导元件串联连接。15.根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述至少两个超导元件并联连接。16.根据权利要求13至15中任一项所述的装置，其中，在各超导体元件中，在所述超导结构中的一个超导结构中流动的电流与在另一个超导结构中流动的电流在大小上相同且在方向上相反，从而减小杂散磁场并提供减小的AC损失。17.根据权利要求9至16中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·多伊彻，M·阿祖莱，B·阿尔莫格，A·撒拉弗，
申请(专利权)人：科技创新动量基金以色列参股有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列,IL