[发明专利]高温超导体带的对齐

说明书

一种用于在磁体的线圈中承载电流的线缆。线缆包括由多个带组件构成的堆叠体。每个带组件都具有长度和宽度，使得长度远大于宽度，并且每个带组件都包括各向异性高温超导体(HTS)材料的HTS层，其中，HTS层的c轴与垂直于HTS层的平面的矢量成非零角度。带组件被堆叠成一系列对，每一对都包括第一和第二HTS带组件以及它们之间的铜层。每一对中的带组件被布置成使得每一对中的第一HTS带组件的HTS层的c轴和每一对中的第二HTS带组件的HTS层的c轴关于一平面具有反射对称性，该平面平行于每个HTS层并与每个HTS层等距。

技术领域

本发明涉及高温超导体(HTS)。特别地，本发明涉及包括HTS带的线缆。

背景技术

超导材料通常分为“高温超导体(HTS)”和“低温超导体”(LTS)。LTS材料(诸如铌和NbTi)是金属或金属合金，其超导性可以用BCS理论来描述。全部低温超导体具有低于约30K的临界温度(在其上即使在零磁场中材料也不具有超导性的温度)。HTS材料的行为不通过BCS理论进行描述，并且这种材料可能具有高于约30K的临界温度(尽管应该注意的是，定义HTS材料的是超导操作和成分方面的物理差异，而不是临界温度)。最常用的HTS是“铜酸盐超导体”——基于铜酸盐(含有氧化铜基团的化合物)的陶瓷，诸如BSCCO或ReBCO(其中Re是稀土元素，通常为Y或Gd)。其他HTS材料包括铁的磷属元素化物(例如，FeAs和FeSe)和二硼化镁(MgB₂)。

ReBCO通常被制造成带，其结构如图1所示。这种带500通常大约为100微米厚，并且包括基底501(通常为约50微米厚的电抛光的哈氏合金)，在该基底上通过IBAD、磁控溅射或另一合适的技术沉积厚度大约为0.2微米的一系列缓冲层(称为缓冲物堆叠502)。外延ReBCO-HTS层503(通过MOCVD积或其他合适的技术沉积)覆盖15缓冲物堆叠，并且通常为1微米厚。1至2微米的银层504通过溅射或另一合适的技术沉积在HTS层上，并且铜稳定剂层505通过电镀或另一合适的技术沉积在带上，其通常完全封装带。

基底501提供了可以通过制造线进送并允许后续层的生长的机械骨架。缓冲物堆叠502需要提供在其上生长HTS层的双轴纹理晶体模板，并防止元素从基底到HTS的化学扩散，这损害其超导特性。银层504需要提供从ReBCO到稳定剂层的低电阻界面，并且稳定剂层505在ReBCO的任何部分停止超导(进入“正常”状态)的情况下提供替代性的电流路径。

图2示出了ReBCO带200，示出了将在本文件中使用的x、y、z坐标系。y轴是沿带的长度(即带在使用时的电流的方向上)，x轴是沿带的宽度(即，在带的平面内、垂直于y轴)，z轴垂直于x轴和y轴(即，垂直于带的平面)。

图3示出了在x/z平面中的示例性ReBCO带的横截面。ReBCO层本身是晶体，并且ReBCO晶体的主轴针对带中的一个点示出。ReBCO带以简化形式示出、具有HTS层301、铜覆层302和基底303。ReBCO的晶体结构具有三个相互垂直的主轴，在本领域中称为a、b和c。出于本公开的目的，我们忽略临界电流对ab平面中的磁场分量的取向的任何依赖性，使得a轴和b轴可以被认为是可互换的，因此它们将仅被认为是a/b平面(即，由a轴和b轴定义的平面)。在图3中，ReBCO层301的a/b平面被示出为垂直于c轴320的单个线310。

带的临界电流取决于ReBCO晶体的厚度和质量。它还具有与环境温度和还有所施加的磁场的幅值的近似反比的依耐性。最后，ReBCO HTS层显示出各向异性的临界电流行为，即：临界电流取决于所施加的磁场相对于c轴的取向。当所施加的磁场矢量位于a/b平面310中时，临界电流比所施加的磁场矢量沿c轴320对齐时高得多。临界电流在“a/b平面外”的磁场取向的这两个极值之间平滑变化，如图6a中的蓝色曲线所示。(实际上，可能存在临界电流在其处示出峰值的多于一个的角度。另外，峰值的幅值和宽度随外所施加的电场和温度而变化，但出于解释的目的，我们可以考虑具有单个主峰的带，该主峰定义了所施加的B场的给出最大临界电流的最佳取向)。