Vorrichtung zur resistiven Strombegrenzung mit bandförmiger Hoch-T _c -Supraleiterbahn

Die Erfindung bezieht sich auf eine resistive supraleitende Strombegrenzervorrichtung mit einer Leiterbahn aus einem bandförmigen Supraleiter, dessen Leiteraufbau zumindest ein Substratband aus einem normalleitenden Substratmetall, eine supraleitende Schicht aus einem oxidischen Hoch-T _c -Supralei- termaterial vom AB ₂ Cu ₃ O _x -TyP mit A zumindest einem Seltenen Erdmetall einschließlich Yttrium und B mindestens einem Erd¬ alkalimetall, eine dazwischen angeordnete Pufferschicht aus einem isolierenden, oxidischen Puffermaterial sowie eine auf der supraleitenden Schicht aufgebrachte Deckschicht aus einem normalleitenden Deckschichtmaterial enthält. Eine entspre ^¬ chende Strombegrenzervorrichtung geht aus der DE 199 09 266 Al hervor.

Seit 1986 sind supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtemperaturen T _c von über 77 K bekannt, die deshalb auch als Hoch-T _c -Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien be¬ zeichnet werden und insbesondere eine Flüssig-Stickstoff (LN ₂ ) -Kühltechnik erlauben. Unter solche Metalloxidverbindun- gen fallen insbesondere Cuprate auf Basis spezieller Stoff ^¬ systeme wie z.B. vom Typ AB ₂ Cu ₃ O _x , wobei A zumindest ein Sel ^¬ tenes Erdmetall einschließlich Yttrium und B mindestens ein Erdalkalimetall sind. Hauptvertreter dieses Stoffsystems vom sogenannten 1-2-3-HTS-Typ ist das sogenannte YBCO (Y ₁ Ba ₂ Cu ₃ O _x mit 6,5 < x < 7) .

Dieses bekannte HTS-Material versucht man, auf verschiedenen Substraten für unterschiedliche Anwendungszwecke abzuschei ^¬ den, wobei im Allgemeinen nach möglichst phasenreinem Supra- leitermaterial getrachtet wird. So werden insbesondere metal ^¬ lische Substrate für Leiteranwendungen vorgesehen (vgl. z.B. EP 0 292 959 Al) .

Bei einem entsprechenden Leiteraufbau wird das HTS-Material im Allgemeinen nicht unmittelbar auf einem als Substrat die¬ nenden Trägerband abgeschieden; sondern dieses Substratband wird zunächst mit wenigstens einer dünnen Zwischenschicht, die auch als Pufferschicht (bzw. „Buffer"-Schicht) bezeichnet wird, abgedeckt. Diese Pufferschicht mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 μm soll einerseits das Eindiffundieren von Metallatomen aus dem Substrat in das HTS-Material verhin¬ dern, welche die supraleitenden Eigenschaften verschlechtern könnten. Zum anderen soll die Pufferschicht eine texturierte Ausbildung des HTS-Materials ermöglichen. Entsprechende Puf ^¬ ferschichten bestehen im Allgemeinen aus Oxiden von Metallen wie Zirkon, Cer, Yttrium, Aluminium, Strontium oder Magnesium oder Mischkristallen mit mehreren dieser Metalle und sind so- mit elektrisch isolierend. In einer entsprechenden stromlei¬ tenden Leiterbahn ergibt sich dadurch eine Problematik, so¬ bald das supraleitende Material in den normalleitenden Zu ^¬ stand übergeht (sogenanntes „Quenchen") . Dabei wird der Sup ^¬ raleiter zunächst streckenweise resistiv und nimmt so einen Widerstand R an, z.B. indem er sich über die Sprungtemperatur T _c seines Supraleitermaterial erwärmt (in sogenannten „Hot Spots" oder Teilquenchbereichen) und sich meist weiter er¬ hitzt, so dass die Schicht durchbrennen kann.

Auf Grund dieser Problematik ist es bekannt, direkt auf der HTS-Leitungsschicht eine zusätzliche metallische Deckschicht aus einem elektrisch gut leitenden, mit dem HTS-Material ver¬ träglichen Material wie Au oder Ag als Shunt gegen ein Durch¬ brennen aufzubringen. Das HTS-Material steht also in einem elektrisch leitenden, flächenhaften Kontakt mit der metalli¬ schen Deckschicht (vgl. DE 44 34 819 C) .

Wegen der auch mit Shunts vorhandenen Hot-Spots oder Teil- quenchbereiche verteilt sich die Spannung ungleichmäßig längs der Supraleiterschicht. In dem die supraleitende Schicht tra ^¬ genden Substratband fällt hingegen die an den Enden angelegte Spannung U gleichmäßig über die gesamte Länge ab bzw. es be-

findet sich auf einem Undefinierten Zwischenpotential, falls die Enden von der angelegten Spannung isoliert sind. Die Fol¬ ge davon können unter Umständen Spannungsdifferenzen von der Leiterbahn über die Pufferschicht zum Substrat sein. Dies führt wegen der geringen Dicke dieser Schicht unvermeidlich zu elektrischen Durchschlägen und so zu punktueller Zerstö¬ rung der Pufferschicht und gegebenenfalls der Supraleitungs ^¬ schicht. Für einen Durchschlag reichen typischerweise Span ^¬ nungen in der Größenordnung von 20 bis 100 Volt für Puffer- schichtdicken von 1 μm aus. Eine entsprechende Problematik ergibt sich insbesondere dann, wenn mit entsprechenden Lei¬ terbändern resistive Strombegrenzereinrichtungen erstellt werden sollen. Bei einer solchen Einrichtung wird nämlich der Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand zur Strombegrenzung im Kurzschlussfall ausgenutzt. Es ist hier nicht ohne weiteres möglich, die Pufferschicht ausrei ^¬ chend spannungsfest für die für solche Einrichtungen üblichen Betriebsspannungen im kV-Bereich zu machen.

Bei der aus der eingangs genannten DE-Al-Schrift zu entneh ^¬ menden Strombegrenzervorrichtung wird ein bandförmiger Supra¬ leiter mit einem entsprechenden Aufbau verwendet. Bei diesem Aufbau besteht die angesprochene Gefahr von elektrischen Durchschlägen über die Pufferschicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer resisti- ven supraleitenden Strombegrenzervorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen diese Gefahr eines elektrischen Durch¬ schlags bei einem Quenchen im Strombegrenzungsfall auszu- schließen.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnah¬ men gelöst. Demgemäß soll bei der Strombegrenzervorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen zumindest in Teilberei- chen wenigstens eine der Seitenkanten des Leiteraufbaus so mechanisch deformiert sein, dass sich die Deckschicht und das Substratband in elektrischem Kontakt befinden.

Die mit dieser Ausbildung der Strombegrenzervorrichtung ver¬ bundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass das metallische Substratband und die normalleitende Deckschicht und damit auch die mit ihr galvanisch verbundene supraleiten¬ de Schicht in Stromführungsrichtung gesehen zumindest in den Teilbereichen entlang der Länge des Aufbaus im gegenseitigen elektrischen Kontakt gebracht sind und somit auf einem einzi ^¬ gen elektrischen Potential auch im Falle eines Quenches lie- gen. Auf diese Weise wird ein Durchschlag über die Puffer ^¬ schicht unterbunden. Eine entsprechende Deformation an we ^¬ nigstens einer der Längsseiten des Leiteraufbaus ist insofern vertretbar, als im Normalfall die supraleitenden Eigenschaf ^¬ ten der supraleitenden Schicht an den seitlichen Rändern so- wieso herstellungsbedingt verschlechtert sind.

Bei der vorgeschlagenen Strombegrenzervorrichtung können ins¬ besondere noch folgende Maßnahmen im Einzelnen oder auch in Kombination zusätzlich vorgesehen werden:

So kann der elektrische Kontakt an der wenigstens einen Sei ^¬ tenkante durch eine Quetsch- oder Walzverformung gebildet sein. Entsprechende Verformungen sind leicht auszuführen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Strombegrenzerein¬ richtung nach der Erfindung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, an Hand derer bevorzugte Aus ^¬ führungsbeispiele von Strombegrenzereinrichtungen erläutert sind. Dabei zeigen jeweils in stark schematisierter Form deren Figur 1 den Aufbau eines YBCO-Bandleiters der Strombe ^¬ grenzereinrichtung in Schrägaufsicht, deren Figur 2 diesen Bandleiter in Querschnittsansicht vor einer Kantenverformung sowie

deren Figur 3 diesen Bandleiter in Querschnittsansicht nach einer solchen Verformung.

Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bei dem in Figur 1 angedeuteten, allgemein mit 2 bezeichneten Bandleiter wird von an sich bekannten Ausführungsformen von sogenannten YBCO-Bandleitern oder „YBCO Coated Conductors" ausgegangen. In der Figur sind bezeichnet mit 3 ein Substratband aus einem normalleitenden Substratmetall der Dicke d3,

4 wenigstens eine darauf aufgebrachte Pufferschicht aus einem isolierenden, oxidischen Puffermaterial der Dicke d4,

5 eine HTS-Schicht aus YBCO der Dicke d5, 6 eine Deckschicht aus einem normalleitenden Deckmetall der

Dicke d6 als eine Schutz- und/oder Kontaktschicht sowie 7 der Leiteraufbau aus diesen vier Teilen.

Dabei kann man diese Teile wie folgt ausbilden:

- Ein metallisches Substratband 3 aus Ni, Ni-Legierungen oder Edelstahl mit einer Dicke d3 von etwa 50 bis

250 μm,

- wenigstens eine Pufferschicht oder ein Pufferschichten- System aus einer oder mehreren Lagen von Oxiden wie CeO ₂ oder YSZ mit einer Dicke d4 von etwa 0,1 bis 1,5 μm; d.h.; die Pufferschicht kann dabei in an sich bekannter Weise auch als ein System aus mehreren Lagen aus ver¬ schiedenem oxidischen Material zusammengesetzt sein, - wenigstens eine HTS-Schicht 5 aus YBCO mit einer Dicke d5 zwischen etwa 0,3 und 3 μm, und

- wenigstens eine metallische Deckschicht 6 aus Ag, Au oder Cu mit einer Dicke d6 zwischen etwa 0,1 μm und 1 mm. Die Deckschicht kann dabei auch aus mehreren Lagen aus metallischem Material, gegebenenfalls verschiedenen Metallen zusammengesetzt sein.

Ein entsprechender Bandleiter ist einige Millimeter bis weni¬ ge Zentimeter breit. Seine supraleitende Stromfähigkeit wird von der YBCO-Schicht 5, d.h. von deren kritischer Stromdichte bestimmt, während die thermischen, mechanischen und normal ^¬ leitenden Eigenschaften wegen der größeren Dicke d3=d _s von dem Substratband 3 dominiert werden. Dabei bildet das Sub ^¬ stratband zusammen mit der Pufferschicht eine Unterlage für ein quasi einkristallines Wachstum des YBCO. Substratbandma- terial und Pufferschichtmaterial dürfen im thermischen Aus ^¬ dehnungskoeffizienten und in ihren kristallographischen Git¬ terkonstanten nicht zu weit vom YBCO abweichen. Je besser die Anpassung desto höher ist die rissfreie Schichtdicke und des ^¬ to besser die Kristallinität des YBCO. Darüber hinaus ist für hohe kritische Stromdichten im MA/cm ² -Bereich eine möglichst parallele Ausrichtung der Kristallachsen in benachbarten Kristalliten gewünscht. Dies erfordert eine eben solche Aus ^¬ richtung zumindest in der obersten Pufferschicht, damit das YBCO heteroepitaktisch aufwachsen kann. Die Präparation sol- eher quasi einkristalliner flexibler Substrat-Puffersysteme gelingt bevorzugt mit drei Verfahren:

- Sogenanntes „Ion Beam Assisted Deposition (IBAD)" von meist YSZ oder MgO auf untexturierten Metallbändern,

- sogenannte „Inclined Substrate Deposition (ISD)" von YSZ oder MgO auf untexturierten Metallbändern,

- sogenannte „Rolling Assisted Biaxially Textured Substra ^¬ tes (RABiTS)", d.h. durch Walz- und Glühbehandlung in Würfellage gebrachte Substrate mit heteroepitaktischem PufferSystem.

Die auf dem Substratband abzuscheidenden Funktionsschichten 4 bis 6 werden in an sich bekannter Weise mit Vakummbeschich- tungsverfahren (PVD) , chemischer Abscheidung aus der Gasphase (CVD) oder aus chemischen Lösungen (CSD) hergestellt.

Selbstverständlich können zwischen den einzelnen Schichten des Aufbaus 7 noch vergleichsweise dünnere, sich bei der Her-

Stellung des Aufbaus bzw. der Abscheidung der einzelnen Schichten insbesondere durch Diffusions- und/oder Reaktions ^¬ vorgänge ausbildende Zwischenschichten vorhanden sein.

Im Vergleich zu den für YBCO-Dünnschicht-Strombegrenzer be¬ kannten keramischen Plattenleitern ist bei Bandleitern des vorstehend geschilderten Typs das Substratband 3 elektrisch leitfähig, d.h. es kann den begrenzten Strom tragen und als Shunt wirken. Mit dem in der Figur gezeigten Leiteraufbau 7 wären jedoch die HTS-Schicht 5 und das Substratband 3 vonein ^¬ ander isoliert. Sobald die Strombegrenzungseinrichtung in ih¬ ren begrenzenden Zustand übergeht, d.h. normalleitend wird und sich eine Spannung längs der Leiterbahn aufbaut, wird die Durchschlagsfeldstärke der bekannten Pufferschichtmateria- lien, die in der Größenordnung von 100 kV/mm = 10 V/0,1 μm liegen, schnell überschritten. D.h., die Pufferschicht 4 wür¬ de dann unkontrolliert durchschlagen. Daher ist erfindungsge ^¬ mäß ein guter elektrischer Kontakt zwischen der Supralei¬ tungsschicht 5 und dem metallischen Substratband 3 bevorzugt auf der ganzen Leiterlänge für den Einsatz von Bandleitern in Strombegrenzern vorteilhaft.

Eine entsprechende durchgängige Kontaktierung über die ganze Länge lässt sich aus der Ausführungsform nach den Figuren 2 und 3 ersehen. Dabei zeigt Figur 2 den Leiteraufbau 7 vor einer Verformungsbehandlung in Seitenbereichen 9a und 9b. Eine Verformung in diesen Bereichen ist im Allgemeinen un¬ problematisch, weil dort die supraleitenden Eigenschaften der Supraleitungsschicht 5 gegenüber einem mittleren Bereich des Leiters häufig verschlechtert sind.

Gemäß Figur 3 kann man beispielsweise mit Hilfe von Kanten ^¬ rollen 11 und 12 die gewünschte Verformung vornehmen. Die Rollen wirken dabei auf die jeweiligen Seitenkanten 9, 9' und/oder 10, 10' derart ein, dass der Aufbau von dort aus in etwa diagonaler Richtung zusammengedrückt wird. Dabei wird das Deckschichtmaterial an das mechanisch robustere Substrat-

band herangedrückt, so dass zumindest in Teilbereichen der Längsseite des Leiterbandes eine galvanische Verbindung zwi ^¬ schen dem metallischen Material der Deckschicht 6 und dem me ^¬ tallischen Material des Substratbandes 3 geschaffen wird.

Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde YBCO als HTS-Material für die supraleitende Schicht 5 zugrunde gelegt. Selbstverständlich sind auch andere HTS-Materialien vom soge¬ nannten 1-2-3-Typ mit anderen Seltenen Erdmetallen und/oder anderen Erdalkalimetallen einsetzbar. Die einzelnen Komponen¬ ten dieser Materialien können auch in an sich bekannter Weise teilweise durch weitere/andere Komponenten substituiert sein.