Resistive Strombegrenzereinrichtung mit bandförmiger Hoch-T _c - Supraleiterbahn

Die Erfindung bezieht sich auf eine resistive supraleitende Strombegrenzereinrichtung, deren Leiterbahn mit einem band¬ förmigen Supraleiter gebildet ist, dessen oxidisches Hoch-T _c - Supraleitermaterial vom Typ AB ₂ Cu ₃ O _x ist, wobei A zumindest ein Seltenes Erdmetall einschließlich Yttrium und B mindes ^¬ tens ein Erdalkalimetall sind. Eine entsprechende Strombe ^¬ grenzereinrichtung geht aus der EP 0 523 374 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 Supraleiter zunächst streckenweise resistiv und nimmt so einen Widerstand R an, z.B. indem er sich über die Sprungtem¬ peratur T _c seines Supraleitermaterial erwärmt (in sogenannten „Hot Spots" oder Teilquenchbereichen) und sich meist weiter erhitzt, 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) .

Bei der aus der eingangs genannten EP-Al-Schrift zu entneh ^¬ menden Strombegrenzereinrichtung wird ein anderer Typ eines bandförmigen Supraleiters verwendet. Hier ist die Leiterbahn aus einer supraleitenden Platte mit definierten Abmessungen gefertigt, indem seitliche Schlitze so eingearbeitet werden, dass eine Mäanderform entsteht. Da bei diesem Aufbau keine normalleitende Deckschicht vorgesehen ist, ist dort nach wie vor die Gefahr eines Durchbrennens im Bereich von Hot Spots gegeben.

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.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer resisti- ven supraleitenden Strombegrenzereinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen sowohl die Gefahr eines Durchbrennens im Bereich von Hot Spots zu verhindern als auch bei Verwendung von Pufferschichten einen elektrischen Durchschlag bei einem Quenchen im Strombegrenzungsfall auszuschließen.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnah¬ men gelöst. Demgemäß soll die Strombegrenzereinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen einen Aufbau des bandförmi¬ gen Supraleiters aufweisen, der zumindest ein Substratband aus einem normalleitenden Substratmetall, eine supraleitende

Schicht aus dem Hoch-T _c -Supraleitermaterial, wenigstens eine dazwischen angeordnete Pufferschicht aus einem isolierenden oxidischen Puffermaterial sowie eine auf der supraleitenden Schicht aufgebrachte Deckschicht aus einem normalleitenden Deckmetall enthält. Außerdem soll der Leiteraufbau mit we ^¬ nigstens einem Kontaktierungselement aus einem normalleiten ^¬ den Kontaktmetall zumindest an einer Längsseite des Aufbaus zwischen der Deckschicht und dem Substratband versehen sein, wobei für den normalleitenden Begrenzungszustand der Strombe- grenzereinrichtung die Beziehung gelten soll: R _K > 3 • R _L mit R _L als dem elektrischen Widerstand des Leiteraufbaus ohne Kontaktierungselement über die Gesamtlänge der Leiterbahn und mit R _κ als dem Widerstand des wenigstens einem Kontaktie- rungselementes über die Gesamtlänge der Leiterbahn.

Dabei ist als Gesamtlänge die für den Schaltvorgang zwischen Supraleitung und Normalleitung der Strombegrenzereinrichtung zur Verfügung stehende Länge des bandförmigen Supraleiters zu verstehen. Der Widerstand R _L setzt sich dabei aus einer Pa ^¬ rallelschaltung des Widerstandes des Substratbandes, der Deckschicht sowie des maximal möglichen normalleitenden Wi¬ derstandes der supraleitenden Schicht zusammen. Werden mehre¬ re Kontaktierungselemente vorgesehen, so bilden diese eben- falls eine Parallelschaltung mit einem Gesamtwiderstand vom Wert R _κ . Dieser Wert lässt sich in bekannter Weise durch die Materialwahl für das wenigstens eine Kontaktierungselement bzw. des elektrischen spezifischen Widerstandes p seines Ma¬ terials sowie durch die Dicke bzw. den zur Verfügung gestell- ten leitenden Querschnitts einstellen.

Die mit dieser Ausbildung der Strombegrenzereinrichtung 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.

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

- So kann für das Kontaktierungselement zumindest an einer Längsseite zwischen der Deckschicht und dem Substratband die Beziehung gelten: p _κ /d _κ > 3 • (d _s /p _s + de/pe) ^"1 mit p _κ , p ₅ und p _s dem spezifischen Widerstand des Materials des Kontaktierungselementes bzw. der Deckschicht bzw. des Substratbandes und d _κ , d ₅ und d _s der Dicke des Materials des Kontaktierungselementes bzw. der Deckschicht bzw. des Substratbandes. Dabei wird von der Vorstellung ausgegan¬ gen, dass das Substratband den wesentlichen Beitrag zu dem Widerstand R _L des Leiteraufbaus (ohne Kontaktierungs- element) leistet. Dieser Widerstand muss im Allgemeinen hinreichend sein, um eine wirksame Strombegrenzung zu er ^¬ möglichen.

- Im Allgemeinen liegt die durchschnittliche Dicke des we ^¬ nigstens einen Kontaktierungselementes unter 1 μm, vor- zugsweise unter 0,5 μm. Vorteilhaft reichen nämlich für eine hinreichende galvanische Verbindung entsprechend dünne Schichten aus, da mit ihnen nur eine galvanische Verbindung, jedoch keine Führung größerer Ströme erfolgt.

- Als Material für das wenigstens eine Kontaktierungsele- ment kann insbesondere Au oder Ag oder eine Legierung mit dem jeweiligen Element oder wenigstens einem weiteren Le¬ gierungspartner vorgesehen sein.

Entsprechende Kontaktierungselemente können beispielswei ^¬ se durch Lötverfahren an den Längsseiten des Leiterauf- baus angebracht oder mittels des Lotmaterials erzeugt sein. Da nur an den Seiten gelötet zu werden braucht, ist

die Gefahr einer Schädigung des HTS-Materials entspre ^¬ chend gering.

- Besonders vorteilhaft kann das Kontaktierungselement als ein den Leiteraufbau allseitig umschließendes Umhüllungs- element ausgebildet sein.

- Ein solches Umhüllungselement kann als ein Geflecht oder eine Umwicklung oder eine Umspinnung oder ein Vlies aus¬ geführt sein.

- Stattdessen kann es auch als eine galvanische Beschich- tung ausgebildet sein. Solche Beschichtungen sind, da nur eine geringe Dicke erforderlich ist, auf besonders einfa ^¬ che und für das HTS-Material schonende Weise zu erstel ^¬ len.

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 mit einer ersten Ausführungs¬ form von Kontaktierungselementen in Quer¬ schnittsansieht sowie deren Figur 3 diesen Bandleiter mit einer anderen Ausfüh- rungsform eines Kontaktierungselementes in

Querschnittsansicht .

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 oder d _s , 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, die auch aus mehreren Lagen bestehen kann, welche miteinander in in¬ nigem Kontakt stehen, sowie

7 der Leiteraufbau aus diesen vier Teilen. Selbstverständlich kann der Leiteraufbau auch noch weitere, an sich bekannte Schichten umfassen.

Dabei kann man die Teile des vorerwähnten Leiteraufbaus wie folgt ausbilden:

- Ein metallisches Substratband 3 aus Ni, Ni-Legierungen oder Edelstahl mit einer Dicke d3 von etwa 20 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, - 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. Gegebenenfalls kann die Deckschicht auch aus meh ^¬ reren metallischen Lagen, insbesondere unter Stabilisie- rungs- und/oder Armierungsgesichtspunkten zusammenge¬ setzt 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 und der Deckschicht 6 dominiert werden. Dabei bildet das Substratband zusammen mit der Pufferschicht eine Unterlage für ein quasi einkristallines Wachstum des YBCO. Substratbandmaterial und Pufferschichtmaterial dürfen im thermischen Ausdehnungskoeffizienten und in ihren kristal- lographischen Gitterkonstanten nicht zu weit vom YBCO abwei¬ chen. Je besser die Anpassung desto höher ist die rissfreie Schichtdicke und desto besser die Kristallinität des YBCO.

Darüber hinaus ist für hohe kritische Stromdichten im MA/cm ² - Bereich eine möglichst parallele Ausrichtung der Kristallach¬ sen in benachbarten Kristalliten gewünscht. Dies erfordert eine eben solche Ausrichtung zumindest in der obersten Puf- ferschicht, damit das YBCO heteroepitaktisch aufwachsen kann. Die Präparation solcher quasi einkristalliner flexibler Sub¬ strat-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 Figur 2 erse¬ hen. Dort ist der in Figur 1 gezeigte Leiteraufbau 7 an we ^¬ nigstens einer Längsseite mit einem Kontaktierungselement 9 und/oder 10 versehen. Dieses Kontaktierungselement besteht aus einem elektrisch gut leitenden Material wie aus Au, Ag oder Cu oder einer Legierung mit dem jeweiligen Element. Es hat die Aufgabe, eine galvanische Verbindung zwischen der supraleitenden Schicht 5 und der elektrisch mit ihr verbunde¬ nen normalleitenden Deckschicht 6 einerseits und dem unteren normalleitenden Substratband 3 andererseits an der jeweiligen Längsseite bzw. -kante zu gewährleisten. Auf diese Weise lie ^¬ gen diese Teile bei jedem Betriebszustand der Strombegrenzer ^¬ einrichtung wegen der gegenseitigen galvanischen Verbindung auf demselben elektrischen Potential.

Vorteilhaft wird der Materialquerschnitt der Kontaktierungs- elemente so bemessen, dass sie praktisch nicht als elektri¬ scher Shunt für den begrenzten Strom wirken. Dies ist durch

die Materialwahl und/oder die mittlere Dicke der Kontaktie- rungselemente zu gewährleisten. Für die Bemessungsregel gilt: R _κ > 3 • R _L , vorzugsweise R _κ > 10 • R _L .

Dabei ist R _L der elektrische Widerstand des gesamten Lei- teraufbaus 7 ohne Kontaktierungselement 9, 10, gemessen über die gesamte Länge der Leiterbahn. Der Widerstand R _L setzt sich dabei aus einer Parallelschaltung des Widerstandes des Substratbandes 3, der Deckschicht 6 sowie des maximal mögli ^¬ chen Widerstandes der supraleitenden Schicht 5 im Falle deren Normalleitung zusammen. R _κ ist Widerstand aller parallel ge¬ schalteten Kontaktierungselemente 9, 10 über die diese Ge ^¬ samtlänge.

Der Wert R _κ lässt sich in bekannter Weise durch die Material- wähl für das wenigstens eine Kontaktierungselement bzw. des elektrischen spezifischen Widerstandes p _κ seines Materials sowie durch die Dicke d _κ bzw. den zur Verfügung gestellten elektrisch leitenden Querschnitts einstellen. Allgemein soll¬ te dabei gelten: p _κ /d _κ > 3 • (d _s /p _s + dg/pgT ¹ .

Dabei sind p _κ , Pε und p _s der spezifische Widerstand des Mate ^¬ rials des Kontaktierungselementes 9 und 10 bzw. der Deck ^¬ schicht 6 bzw. des Substratbandes 3 und d _κ , d ₅ und d _s die ge ^¬ samte mittlere Dicke des Materials aller Kontaktierungsele- mente bzw. der Deckschicht 6 bzw. des Substratbandes. Vor ^¬ teilhaft werden noch höhere Werte für p _κ /d _κ gewählt, so dass diese Größe mindestens fünfmal, vorzugsweise mindestens zehn ^¬ mal so groß wie p _s /d _s und p ₆ /d ₅ ist.

Unter Berücksichtigung der vorerwähnten Beziehungen liegt dann die Dicke d _κ im Allgemeinen unter 1 μm, vorzugsweise un ^¬ ter 0, 5 μm.

Bevorzugt sind entsprechende Kontaktierungselemente 9 und 10 mittels Lötverfahren an den Seiten des Leiteraufbaus 7 anzu ^¬ bringen. Dabei kann selbstverständlich das jeweilige Kontak¬ tierungselement 9 oder 10 auch ein Stück weit die obere

Flachseite der Deckschicht 6 und/oder die untere Flachseite des Substratbandes 3 mit abdecken, wie in Figur 2 angedeutet ist .

Gemäß Figur 3 ist es auch möglich und besonders vorteilhaft, wenn die Kontaktierungselemente als den Leiteraufbau 7 all ^¬ seitig umschließendes Umhüllungselement 11 ausgebildet sind. Ein entsprechendes Umhüllungselement kann beispielsweise aus einem normalleitenden Drahtgeflecht oder einer Drahtumwick- lung oder aus einer Drahtumspinnung oder als ein Drahtvlies erstellt sein. Statt Drähten können selbstverständlich für diesen Zweck auch Bänder vorgesehen werden. Besonders vor¬ teilhaft lässt sich ein umhüllendes Kontaktierungselement 11 auch mittels eines galvanischen Beschichtungsvorgangs erstel- len. Entsprechende Schichten mit der geringen Dicke d _κ in der vorerwähnten Größenordnung sind auf einfache Weise und insbe ^¬ sondere ohne Beeinträchtigung der supraleitenden Eigenschaf¬ ten der supraleitenden Schicht 5 auszubilden.

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.