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Dokumentenidentifikation DE19912080C1 26.10.2000
Titel Übergang von einem Hochtemperatursupraleiter zu einem Normalleiter
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
Erfinder Koch, Ralf, 76707 Hambrücken, DE;
Reichert, Joachim, 76228 Karlsruhe, DE;
Ochs, Rolf, 76275 Ettlingen, DE;
Sander, Michael, Dr., 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, DE
DE-Anmeldedatum 18.03.1999
DE-Aktenzeichen 19912080
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse H01R 4/68
IPC-Nebenklasse H01B 12/00   H01L 39/22   
Zusammenfassung Zwischen einem Supraleiter und einem Normalleiter befindet sich ein Übergang mit zum Normalleiter hin größer werdenden Kontaktflächen. Der Übergang ist selbst ein Supraleiter, der einerseits über eine supraleitende Zwischenschicht niedrigerer Schmelztemperatur als die der beiden anderen Supraleiter mit dem herangeführten Supraleiter verbunden ist, und andrerseits eine Metallauflage hat, an der der herangeführte Normalleiter über ein metallisches Lot angekoppelt wird. Durch einen solchen Aufbau kann die Erzeugung Joule'scher Wärme im Übergang auf ein tolerables Maß beschränkt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Übergang von einem Hochtemperatursupraleiter (HTS) zu einem Normalleiter (ME = Metall).

Für verschiedene Anwendungen sind die elektrischen Kontaktwiderstände am Übergang Hochtemperatursupraleiter - Normalleiter, letzterer ist meist Kupfer, zu hoch. Damit wird in diesem Bereich durch den Strom zuviel an Joule'scher Wärme, RI2, erzeugt, die in irgend einer mit Aufwand verbundenen Art und Weise abgeführt werden muß. Diese Wärme kann im Supraleiter einen nicht erwünschten Übergang und eine nicht erwünschte Ausbreitung vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand (Quench) bewirken, der unter Umständen zur Zerstörung der Kontakte und damit des ganzen Bauteils führen kann.

Die Möglichkeiten, den Widerstand an solchen Übergängen zu reduzieren, sind begrenzt. Darüber hinaus sind bei Hochtemperatursupraleitern die Möglichkeiten der großen Formgebung begrenzt, da auch in absehbarer Zukunft die maximal herstellbaren Abmessungen für eindomänige HTS-Formteile beschränkt bleiben werden.

Aus der US 5,786,304 ist eine Verbindungstechnik bekannt, die die Enden zweier supraleitender Bauteile oder mehrerer solcher Bauteile oxidischen Materials verbindet. Das Verbindungsmaterial zwischen den Bauteilen hat eine identische Kristallorientierung jedoch eine niedrigere peritektische Temperatur als die zu verbindenden Materialien. Es hat eine supraleitende Phase wie die der Bauteile selber, nämlich SEBa2Cu3Ox (SE stellvertretend für die in Frage kommenden Seltenerdmetalle). Ein mögliches Verbindungsverfahren dabei ist, zunächst zwischen den HTS-Enden eine Art Lotmaterial einzubringen, das ein Ausgangsmaterial oder ein oxidisches HTS_Pulver für einen oxidischen HTS ist, und über bekannten Wärmebehandlungszyklus: Aufwärmung - Temperaturhalten - gesteuerte Abkühlung in den HTS-Zustand überführt wird. Dieses Lotmaterial muß eine niedrigere Schmelztempertur als die beiden zu verbindenden HTS-Materialien haben, die nicht schmelzen dürfen, da die Kristallorientierung in dem Lot von diesen für eine optimale Leitung des Transportstromes ausgehen soll. Diese Technik ist auf reine HTS-Bereiche beschränkt und löst damit die Problematik an der Schnittstelle HTS-ME nicht.

In Patent Abstracts of Japan JP 09097637 A wird eine Verbindung zwischen einem oxidischen Supraleiter und einem Normalleiter beschrieben. Ein oxidischer Supraleiter endet im Stirnbereich eines Normalleiters. Der Supraleiter ist dort mit einer Schicht aus Silber oder einer Silberlegierung überzogen. Die Verbindung im Übergangsbereich erfolgt dann vollends mit einem Lot aus Pb- Sn-Sb-Ag. Dadurch, daß die Pb-Sn-Sb-Ag-Legierung im Lot Bestandteil ist, wird die Auflösung von Silber in das Lot verzögert, und es wird eine Verbindung mit niedrigem elektrischen Widerstand erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Übergang von HTS auf normal leitendes Metall bereitzustellen, bei dem RI2-Verluste vermieden werden bzw. auf ein tolerables Maß beschränkt bleiben.

Die Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 gekennzeichneten Aufbau des Übergangs vom HTS bis zu dem Normalleiter ME gelöst. Hierzu stößt ein HTS-Körper der Struktur X-123 auf das Ende des HTS- Bauteils HTSII oder dringt in dieses ein. Beide sind dort über eine Schicht der ähnlichen Struktur supraleitend miteinander verbunden. Diese Zwischenschicht wird als oxidisches Ausgangsmaterial oder als HTS-Pulver eingebracht und über den bekannten Wärmbehandlungszyklus: Aufwärmen - Temperaturhalten - gesteuertes Abkühlen in die supraleitende Phase gewandelt. Sie hat eine niedrigere Schmelztemperatur, um die Kritallorientierung darin, von den zu verbindenden HTS-Körpern ausgehend, in der Art keimen und wachsen zu lassen, daß die a,b-Ebene in den drei Bereichen HTS, HTSI, HTSII gleich oder allenfalls um 15° voneinander abweichen (Anspruch 3). Es ist ein erheblicher elektrotechnischer Vorteil, von der Stromstärke her gesehen, wenn der Transportstrom parallel oder allenfalls unterhalb der 15° fließen kann.

Mindestens die zum Normalleiter weiterführenden Kontaktflächen am HTSII sind mit einem elektrisch gut leitenden Metall MEII, beispielsweise Silber oder Gold, beschichtet. Darauf befindet sich dann unmittelbar eine elektrisch gut leitende Lotschicht niedriger Schmelztemperatur, an der der Normalleiter der weiterführenden Anordnung ankoppelt.

Die HTS-Folge ist in der Art: HTS-HTSI-HTSII. Es sind alle oxidische Substanzen der Form SE-123 oder Y-123 oder Mischungen davon. Fremdphasenbeimengungen bis zu 60% sind zulässig. Das können auch Beimengungen der Form Nd1+yBa2-yCu3Ox oder Fremdphasenanteile der Form 211 sein (Anspruch 2).

Als erste normalleitende Schicht MEII auf dem Körper HTSII bewährt sich Silber oder Gold (Anspruch 4). Als das die Schicht MEII mit der weiterführende Normalleiteranordnung verbindendes Lot MEI eignet sich eine Silber- und/oder Gold-Legierung (Anspruch 5).

Der Übergang von dem Lot MEI auf den Normalleiter ME kann folgendermaßen Beschaffen sein: einerseits koppelt der Normalleiter ME direkt an MEI an (Anspruch 6)oder mindestens die Kontaktfläche von ME ist ebenfalls mit MEII beschichtet, so daß ein normalleitender Bereich MEII-MEI-MEII-ME besteht (Anspruch 7).

Der unvermeidliche Übergang in einem System von Hochtemperatursupraleitenden Materialien auf normalleitende, metallische Materialien ist durch diesen Aufbau des Übergangs (Schnittstelle) technisch zuverlässig und mit wirtschaftlichem Aufwand gelöst. Der Bedarf solcher einfach aufgebauten und technisch wirksamen Übergänge ist gerade in der kommerziellen Anwendung der HTS groß.

Die Erfindung wird in folgendem anhand der Zeichnung mit den Fig. 1 und 2 näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die fluchtende Kopplung und

Fig. 2 die abgewinkelte Kopplung.

Der Aufbau des Übergangs ist in beiden Figuren prinzipiell gleich und nur schematisch dargestellt. Viele Geometrien können unter Einhaltung dieser Leiterabfolge verwirklicht werden. Deshalb werden hier nur die beiden einfachsten Form - auch von der Herstellung her - eines quaderförmigen Übergangs vorgestellt, der die Kontaktflächenvergrößerung zum Normalleiter ME hin aufweist und die Leiterabfolge einhält. Denkbar sind neben dem kubischen Aufbau auch konische Übergänge. Die Konkretisierung wird sich am technisch am besten geeigneten Aufbau orientieren.

Der am Übergang endende HTS als auch der dort ansetzende HTSII sind im Durchführungsbeispiel ein oxidischer Leiter der Form Y- 123. Der Querschnitt des HTS stößt an den HTSII (Fig. 1) oder dringt in ihn eine supraleitungstechnisch notwendige Tiefe ein. Im gemeinsamen Kontaktflächenbereich beider Supraleiter HTS und HTSII ist der Supraleiter Yb-123 mit niedrigerer peritektischer Temperatur als die von Y-123. Das Ausgangspulver wird mit Alkohol dort aufgeschwemmt oder Plättchen davon werden dazwischen geschoben.

Anschließend wird die Übergangszone dem oben qualitativ beschriebenen, bekannten Wärmeprozeß ausgesetzt, um einerseits dort die Verbindung und die für den Transportstrom vorteilhafte Kristallorientierung, die gleich oder allenfalls um höchstens 15° abweichend, von der der endenden Y-123 Bereiche ist.

Die Stöchiometrie bei HTSI kann sein:

Yb-123 + 20 At-% Yb211 + 0,5 Gew-% PtO oder

Yb-123 + 40 At-% Yb211 + 0,5 Gew-% PtO.

Die Kontaktfläche, an der der Normalleiter ME stößt, es ist hier Kupfer, hat eine Fläche hoher Güte, ist also unter Umständen poliert. Dort wird Silber galvanisch abgeschieden.

Der Übergang wird dann einer Sauerstoffbeladung mit ebenfalls dem bekannten Temperaturzyklus: Aufwärmung - Temperaturhaltung - natürliche Abkühlunggemäß ausgesetzt.

Auf der silbrigen Kontaktfläche MEII ist schließlich der Normalleiter ME mit dem Lot MEI angelötet. Von der Kontaktqulität hat sich der zusätzliche Aufwand ebenfalls bewährt, den Übergangsbereich am ME ebenfalls zu versilbern.

Die gleiche Orientierung der Kristallachsen a, b, c, zumindest der a,b-Ebene ist entlang der Supraleiter HTS, HTSI HTSII so eingehalten. Die C-Achse steht stets senkrecht zur Leiterführungsachse, so daß der Transportstrom in den beiden Kontaktbereichen, wie vorgesehen, parallel zur a,b-Ebene fließt.


Anspruch[de]
  1. 1. Übergang von einem Hochtemperatursupraleiter (HTS) zu einem Normalleiter (ME), mit dem folgenden Aufbau:

    ein hochtemperatursupraleitender Körper (HTSII) ist mit dem Ende einer hochtemperatursupraleitenden Baukomponente (HTS) verbunden und weist zur Kontaktierung eines weiterführenden Normalleiters (ME) eine vergrößerte Kontaktfläche auf,

    mindestens in Teilbereichen in dem von dem Körper (HTSII) und dem von dem Endbereich des Hochtemperatursupraleiters (HTS) gebildeten Zwischenbereich befindet sich eine hochtemperatursupraleitende Zwischenschicht (HTSI), die eine niedrigere Schmelztemperatur als die beiden angrenzenden Hochtemperatursupraleiter (HTS, HTSII) hat, wobei diese Zwischenschicht (HTSI) zunächst zwischen beide eingebracht und nach einer anschließenden Wärmebehandlung eine kristallographische Orientierung aufweist, die gleich wie die angrenzenden Hochtemperatursupraleiter HTS und HTSII ist oder allenfalls um 15° davon abweicht,

    mindestens die als weiterführende Kontaktflächen vorgesehenen Flächen des Körpers HTSII sind mit einem elektrisch normal- und gut leitenden Metall MEII beschichtet,

    zwischen der Metallschicht MEII und der weiterführenden normal leitenden Leiteranordnung befindet sich ein elektrisch gut leitendes Lot MEI, mit niedriger Schmelztemperatur.
  2. 2. Übergang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatursupraleiter HTS, HTSI, HTSII von der Form X1Ba2Cu3Ox (X-123) - X repräsentativ für ein Seltenerdmetall oder Yttrium - oder aus Mischungen solcher besteht, wobei bis zu 60 Gew.-% weitere Beimischungen eingebaut sein können, die in die Gitterstruktur eingebaut werden oder als Fremdphasenanteile vorliegen.
  3. 3. Übergang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kristallographische Ausrichtung der a,b-Ebene in den Supraleitern HTS, HTSI, HTSII und die räumliche Anordnung der Metallschicht MEII so ist, daß der Transportstrom in den beiden Kontaktbereichen HTS/HTSI/HTSII und HTSII/MEII zu dieser parallel oder höchstens um bis zu 15° dazu abweichend fließt.
  4. 4. Übergang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall MEII Ag oder Au ist.
  5. 5. Übergang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot MEI eine Legierung mit MEII-Anteilen ist.
  6. 6. Übergang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot MEI die MEII-Schicht mit dem weiterführenden Mormalleiter ME verbindet.
  7. 7. Übergang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der weiterführende Normalleiter ME mindestens in seinem Kontaktbereich mit einer MEII-Schicht beschichtet ist und dann über das Lot MEI die Kontaktflächen MEII auf dem Supraleiter HTSII kontaktiert.
  8. 8. Übergang nach einem der beiden Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe den Hochtemperatursupraleiter (HTS) mit dem Normalleiter ME fluchtend oder abgewinkelt verbindet.






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