專利名稱：超導(dǎo)體電纜和線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超導(dǎo)體電纜和磁裝置。
背景技術(shù)：
已經(jīng)開發(fā)了具有多種結(jié)構(gòu)的多層超導(dǎo)體物品，比如磁帶。這種物品通常包括襯底和超導(dǎo)體層。通常，在襯底和超導(dǎo)體層之間放置一個(gè)或多個(gè)緩沖層。

發(fā)明內(nèi)容
通常，本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)體電纜和磁裝置。
在一個(gè)方面，本方面的特征在于物品包括由第一超導(dǎo)體材料形成的第一層和由第一導(dǎo)電材料形成的第二層。該物品還包括由第二超導(dǎo)體材料形成的第三層和由第二導(dǎo)電材料形成的第四層。第二層和第一層機(jī)械的連接(例如，在除了它們的末端的其它點(diǎn)機(jī)械的連接)，并且第四層和第三層機(jī)械的連接(例如，在除了它們的末端的其它點(diǎn)機(jī)械的連接)。第二和第四層處于電連接。當(dāng)彎曲時(shí)，第一和第二層具有的中性機(jī)械軸和當(dāng)彎曲時(shí)第三和第四層的中性機(jī)械軸不同。
作為在這里使用的，術(shù)語“機(jī)械的連接”指的是在兩層之間(例如，在界面處)其確實(shí)降低了(例如，消除了)一層獨(dú)立于另一層移動(dòng)的能力的力量。機(jī)械的連接的層的一個(gè)實(shí)例是化學(xué)的接合在一起的兩層。機(jī)械的連接的層的另一實(shí)例是冶金的接合在一起的兩層。機(jī)械的連接的層的另外的實(shí)例是每一都粘合到它們之間的粘合層的兩層。應(yīng)該注意當(dāng)通過從兩層外部(比如相對(duì)表面)施加的力量保持層(或物品)彼此壓縮時(shí)，兩層(或其它物品，比如帶)通常不是機(jī)械的連接的。例如，如果將兩個(gè)帶纏繞在絕緣體內(nèi)，提供壓力將帶保持彼此靠近，這個(gè)力本身不使得帶機(jī)械的連接，盡管帶可能另外也是機(jī)械的連接的(例如，如果帶化學(xué)的或冶金的彼此接合)。
設(shè)置物品使得第二和第四層可以彼此獨(dú)立移動(dòng)。
第一和第二超導(dǎo)材料可以相同或不同。例如，一個(gè)或兩個(gè)超導(dǎo)體材料可以是稀土超導(dǎo)體材料，比如YBCO。
第一和第二導(dǎo)電材料可以相同或不同。例如，第一和第二導(dǎo)電材料可以是金屬(例如，銅)或合金(例如，銅合金)。
第一和第二層可以是帶的形式。第二和第三層可以是帶的形式。
該物品可以進(jìn)一步包括第一和第二襯底。第一層可以在第一襯底和第二層之間，并且第三層可以在第二襯底和第四層之間。
物品可以進(jìn)一步包括第一和第二緩沖層。第一緩沖層可以在第一襯底和第一層之間，并且第二緩沖層可以在第二襯底和第三層之間。
在一些實(shí)施例中，第一襯底層具有大約等于第一層、第一緩沖層和第二層的總厚度的厚度。
在特定實(shí)施例中，第四層具有大約等于第三層、第二緩沖層和第二襯底層的總厚度的厚度。
該物品可以進(jìn)一步包括第一和第二帽層(cap layer)。第一帽層可以在第一和第二層之間，而第二帽層可以在第三和第四層之間。
物品可以進(jìn)一步包括在第二和第四層之間的界面層。該界面層通常由導(dǎo)電材料形成并且可以(例如)能夠減少第二和第四層的氧化，和/或減少在第二和第四層之間的摩擦。在一些實(shí)施例中，該界面層至少部分形成或是石墨。
在另一方面，本發(fā)明的特征在于物品(例如，電纜)包括第一和第二螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶。第一帶包括超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層，并且第二帶包括超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層。第一和第二帶的導(dǎo)電層處于電連接(例如，在多于一個(gè)位置，比如，通過在多于一個(gè)位置的彼此接觸電交流)。第一螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶具有中性的機(jī)械軸，并且第二螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶具有不同的中性的機(jī)械軸。
可以設(shè)置第一和第二螺旋纏繞的帶使得它們可以彼此獨(dú)立的移動(dòng)。
物品可以進(jìn)一步包括第一和第二帶螺旋纏繞在其周圍的形成元件。
在一些實(shí)施例中，機(jī)械的壓縮第一和/或第二超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層。
第一和第二螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶可以具有共同的螺旋軸。
在一些實(shí)施例中，物品進(jìn)一步包括第三和第四螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶。第三螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶包括超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層，并且第四螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶包括超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層。第三和第四超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層具有多于一個(gè)電連接的點(diǎn)(例如，通過在多于一個(gè)位置的彼此接觸)。第三和第四螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶可以具有相同的螺旋軸。
在特定實(shí)施例中，第一和第二超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層至少部分重疊。在一些實(shí)施例中，第一和第二超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層基本上整個(gè)重疊。
在另一方面，本發(fā)明的特征在于物品包括第一和第二組螺旋纏繞的帶。在第一組螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶中，每一帶包括超導(dǎo)體材料的層和導(dǎo)電材料的層，并且每一帶在第一方向平行纏繞。在第二組螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶中，每一帶包括超導(dǎo)體材料的層和導(dǎo)電材料的層，并且每一帶在和第一方向相反的第二方向平行纏繞。在第一組帶的每一帶中的導(dǎo)電材料層和在第二組帶的每一帶中的導(dǎo)電材料層具有多于一個(gè)的電連接位置(例如，通過在多于一個(gè)位置的彼此接觸)。
在一些實(shí)施例中，第一和第二組螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶具有相同的螺旋軸。
在特定實(shí)施例中，在第一組超導(dǎo)體帶中的每一帶的導(dǎo)電層和在第二組超導(dǎo)體帶中的每一帶的導(dǎo)電層至少部分地重疊。
當(dāng)彎曲時(shí)，在物品中的每一帶具有和任意其它磁帶當(dāng)彎曲時(shí)的中性機(jī)械軸不同的中性機(jī)械軸。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征在于超導(dǎo)體磁線圈包括第一和第二盤繞的超導(dǎo)體帶。將每一盤繞的超導(dǎo)體帶盤繞在各自的線圈軸周圍。第一盤繞的超導(dǎo)體帶包括超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層。第一盤繞的超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層具有形成第一盤繞的超導(dǎo)體帶的內(nèi)表面的表面。第一盤繞的超導(dǎo)體帶的內(nèi)表面面對(duì)第一盤繞的超導(dǎo)體帶的線圈軸。第二盤繞的超導(dǎo)體包括超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層。第二盤繞的超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層具有形成第二盤繞的超導(dǎo)體帶的外表面的表面。第二盤繞的超導(dǎo)體帶的外表面背對(duì)第二盤繞的超導(dǎo)體帶的線圈軸。設(shè)置第一和第二盤繞的超導(dǎo)體帶使得第一超導(dǎo)體帶的內(nèi)表面和第二超導(dǎo)體帶的外表面相鄰。
在磁線圈中的第一和第二超導(dǎo)體帶可以具有彼此不同的中性機(jī)械軸。
在一些實(shí)施例中，第一和第二盤繞的超導(dǎo)體帶彼此接觸。
在特定的實(shí)施例中，第一和第二盤繞的超導(dǎo)體帶纏繞在一起。
在一些實(shí)施例中，第一超導(dǎo)體帶的線圈軸和第二超導(dǎo)體帶的線圈軸相同。
在特定的實(shí)施例中，第一和第二超導(dǎo)體帶盤繞在彼此周圍。
在一些實(shí)施例中，第一超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層機(jī)械的連接(例如，在除了它們的末端以外的其它點(diǎn)機(jī)械的連接)，并且第二超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層機(jī)械的連接(例如，在除了它們的末端以外的其它點(diǎn)機(jī)械的連接)。
在特定的實(shí)施例中，機(jī)械的壓縮第一和/或第二超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層。
該超導(dǎo)磁線圈可以進(jìn)一步包括在相鄰的第一和第二超導(dǎo)體帶之間放置的界面層。
該超導(dǎo)磁線圈可以進(jìn)一步包括第三和第四盤繞的超導(dǎo)體帶。將第三和第四盤繞的超導(dǎo)體帶每一盤繞在各自的線圈軸周圍。第三盤繞的超導(dǎo)體帶包括超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層。第三盤繞的超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層具有形成第三盤繞的超導(dǎo)體帶的內(nèi)表面的表面。第三盤繞的超導(dǎo)體帶的內(nèi)表面面對(duì)第三盤繞的超導(dǎo)體帶的線圈軸。第四盤繞的超導(dǎo)體包括超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層。第四盤繞的超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層具有形成第四盤繞的超導(dǎo)體帶的外表面的表面。第四盤繞的超導(dǎo)體帶的外表面背對(duì)第四盤繞的超導(dǎo)體帶的線圈軸。設(shè)置第三和第四盤繞的超導(dǎo)體帶使得第三超導(dǎo)體帶的內(nèi)表面和第四超導(dǎo)體帶的外表面相鄰。
超導(dǎo)體物品(例如，帶，電纜和/或磁線圈)的結(jié)構(gòu)可以允許當(dāng)彎曲物品時(shí)同時(shí)壓縮多個(gè)超導(dǎo)體層(例如，通過在中性機(jī)械軸處或以下)。
超導(dǎo)體物品(例如，帶，電纜和/或磁線圈)的結(jié)構(gòu)可以減少因?yàn)?，例如，在一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)體層中缺陷的存在(例如，本身的缺陷，比如裂縫，晶界，或類似的)產(chǎn)生的電流密度降低的危險(xiǎn)。
超導(dǎo)體物品(例如，帶，電纜和/或磁線圈)的結(jié)構(gòu)可以通過(例如)冗余的傳導(dǎo)路徑產(chǎn)生電流的共享，在交流電流的情況下降低磁滯損失，增強(qiáng)電氣穩(wěn)定性和/或增強(qiáng)熱穩(wěn)定性。
超導(dǎo)體物品(例如，帶，電纜和/或磁線圈)的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生良好的應(yīng)力剖面和/或改進(jìn)的機(jī)械特性。
超導(dǎo)體物品(例如，帶，電纜和/或磁線圈)的結(jié)構(gòu)可以提供改進(jìn)的機(jī)械穩(wěn)定性，改進(jìn)的電氣穩(wěn)定性，增強(qiáng)的載流容量，和/或良好的制造成本節(jié)省。
超導(dǎo)體物品(例如，帶，電纜和/或磁線圈)的結(jié)構(gòu)可以減少操作的超導(dǎo)體層在彎曲過程中的機(jī)械惡化。
超導(dǎo)體物品(例如，帶，電纜和/或磁線圈)的結(jié)構(gòu)可以使得其相對(duì)容易地接合物品。
超導(dǎo)體物品(例如，帶，電纜和/或磁線圈)的結(jié)構(gòu)可以使得其相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)堆疊起來的帶和/或?qū)w元件的端接。
超導(dǎo)體物品(例如，帶，電纜和/或磁線圈)的結(jié)構(gòu)可以減少因?yàn)?，例如，在超?dǎo)體材料中的本身缺陷產(chǎn)生的熱量。
超導(dǎo)體物品(例如，帶，電纜和/或磁線圈)的結(jié)構(gòu)可以用在多種應(yīng)用中，包括，例如，電氣的、磁的、光電的、電介質(zhì)的、熱的、機(jī)械的和/或環(huán)境的(例如，保護(hù)的)應(yīng)用中。
通過下面的描述和附圖，以及從權(quán)利要求中可以更清楚的了解本發(fā)明的其它特征，目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是一截面圖，示出了包括兩個(gè)超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體物品的實(shí)施例；圖2是一截面圖，示出了圖1的超導(dǎo)體帶當(dāng)彎曲時(shí)的實(shí)施例；圖3是一平面視圖，示出了超導(dǎo)體帶的實(shí)施例；圖4是一截面圖，示出了圖3的超導(dǎo)體帶。
圖5A是一平面視圖，示出了超導(dǎo)體帶的實(shí)施例；圖5B是一平面視圖，示出了超導(dǎo)體帶的實(shí)施例；圖6是一截面圖，示出了超導(dǎo)體帶的實(shí)施例；并且圖7A和7B分別是透視圖和平面視圖，示出了超導(dǎo)體磁線圈的實(shí)施例。
在各個(gè)圖中的相似的參考符號(hào)指示相似的元件。
具體實(shí)施例方式
圖1是一截面圖，示出了包括多層超導(dǎo)體帶1100和1200的超導(dǎo)體物品1000的實(shí)施例。帶1100包括襯底1110，緩沖層1120，超導(dǎo)體層1130，和導(dǎo)電穩(wěn)定層1140。類似的，帶1200包括襯底1210，緩沖層1220，超導(dǎo)體層1230，以及導(dǎo)電穩(wěn)定層1240。在帶1100和1200內(nèi)的層和它們的對(duì)應(yīng)的相鄰的層(例如，在除了它們的末端以外的其它點(diǎn)機(jī)械的連接)機(jī)械的連接(例如，化學(xué)的接合或冶金的接合)，但是設(shè)置帶1100和帶1200使得它們可以彼此獨(dú)立移動(dòng)，這是因?yàn)?，?dāng)穩(wěn)定層1140和1240彼此接觸并處于電連接時(shí)，穩(wěn)定層1140的表面440沒有和穩(wěn)定層1240的表面470機(jī)械的連接(例如，沒有化學(xué)的接合或冶金的接合)。
通過物品1000的結(jié)構(gòu)，電流可以很容易的沿著并在帶1100和1200之間傳播，即使在超導(dǎo)體層1130和/或1230中存在局部缺陷。例如，在超導(dǎo)體層1130中存在局部缺陷(例如，裂縫，晶界，或類似的)的情況中，可以將在缺陷附近的電流分流(shunt)通過穩(wěn)定層1140和1240，并使其進(jìn)入超導(dǎo)體層1230。同樣的，如果在超導(dǎo)體層1230中存在局部缺陷，可以將缺陷附近的電流分流通過穩(wěn)定層1240和1140，并使其進(jìn)入超導(dǎo)體層1130。相比其中相鄰帶的超導(dǎo)體層彼此沒有電連接的其它特定的超導(dǎo)體物品，這可以加強(qiáng)物品1000的電穩(wěn)定性和/或電流攜帶容量。
另外，即使在超導(dǎo)體層1130和/或1230的一個(gè)中因?yàn)檫@些層彼此通過穩(wěn)定層1140和1240電連接而沒有局部缺陷的情況下，物品1000的結(jié)構(gòu)可以提供增強(qiáng)的電穩(wěn)定性和/或電流攜帶容量，由此相對(duì)于其中相鄰帶的超導(dǎo)體層沒有彼此電連接的其它系統(tǒng)，增加了在物品1000中電連接中的導(dǎo)電(包括超導(dǎo))材料的容量。
而且，通過允許帶1100和1200彼此獨(dú)立移動(dòng)，可以設(shè)計(jì)帶1100和1200使得當(dāng)暴露在特定的壓力情況下時(shí)(例如，當(dāng)彎曲時(shí)，比如，當(dāng)在電纜或磁線圈中形成時(shí))，它們每一都具有它們自己的中性機(jī)械軸(也就是，最低的張力區(qū)域)。這在(例如)圖2中示出，其中帶1100和1200是彎曲的。帶1100具有中性機(jī)械軸1150，并且?guī)?200具有中性機(jī)械軸1250。不希望被理論所限制，相信超導(dǎo)體層1130和1230當(dāng)壓縮時(shí)具有比當(dāng)伸展時(shí)更高的臨界電流密度。因?yàn)閹?100和1200具有獨(dú)立的中性機(jī)械軸，可以設(shè)計(jì)帶1100和1200使得，當(dāng)彎曲時(shí)超導(dǎo)體層1130和1200分別位于中性機(jī)械軸1150和1250處或以下。這允許當(dāng)帶1100和1200彎曲時(shí)，超導(dǎo)體層1130和1230同時(shí)在壓縮狀態(tài)中。
在一些實(shí)施例中，超導(dǎo)體層到中性機(jī)械軸的距離小于帶厚度的大約10％，(例如，小于大約9％，小于大約8％，小于大約7％，小于大約6％，小于大約5％，小于大約4％，小于大約3％，小于大約2％，小于大約1％)。
在特定實(shí)施例中，可以選擇帶1100和/或1200中的層的厚度，使得當(dāng)帶1100和/或1200彎曲時(shí)，超導(dǎo)體層1130和/或1230分別在中性機(jī)械軸1150和/或1250處或以下。作為實(shí)例，在一些實(shí)施例中，襯底1110的厚度大約等于或大于穩(wěn)定層1140、超導(dǎo)體層1130和緩沖層1120的總厚度。例如，襯底1110的厚度可以比層1140、1130和1120的總厚度至少大1％(例如，至少大2％，至少大3％，至少大4％，至少大5％，至少大8％，至少大10％)。作為另一實(shí)例，在特定的實(shí)施例中，穩(wěn)定層1240的厚度大約等于或大于襯底1210、緩沖層1220和超導(dǎo)體層1230的總厚度。例如，層1240的厚度比層1210、1220和1230的總厚度至少大1％(例如，至少大2％，至少大3％，至少大4％，至少大5％，至少大8％，至少大10％)。
在一些實(shí)施例中，層1110是從大約20微米到大約80微米厚(例如，從大約30微米到大約70微米厚，從大約40微米到大約60微米厚，大約50微米厚)。
在特定實(shí)施例中，層1120是從大約0.1微米到大約0.5微米厚(例如，從大約0.2微米到大約0.4微米厚，大約0.3微米厚)。
在一些實(shí)施例中，層1130是從大約0.7微米到大約1.3微米厚(例如，從大約0.8微米到大約1.2微米厚，從大約0.9微米到大約1.1微米厚，大約1微米厚)。
在特定實(shí)施例中，層1140是從大約45微米到大約51微米厚(例如，從大約46微米到大約50微米厚，從大約47微米到大約49微米厚，大約48.7微米厚)。
在一些實(shí)施例中，層1210是從大約20微米到大約80微米厚(例如，從大約30微米到大約70微米厚，從大約40微米到大約60微米厚，大約50微米厚)。
在特定實(shí)施例中，層1220是從大約0.1微米到大約0.5微米厚(例如，從大約0.2微米到大約0.4微米厚，大約0.3微米厚)。
在一些實(shí)施例中，層1230是從大約0.7微米到大約1.3微米厚(例如，從大約0.8微米到大約1.2微米厚，從大約0.9微米到大約1.1微米厚，大約1微米厚)。
在特定實(shí)施例中，層1240是從大約48微米到大約53微米厚(例如，從大約49微米到大約52微米厚，從大約50微米到大約52微米厚，大約51.3微米厚)。
襯底1110和1120通常由現(xiàn)有的襯底材料形成。這種材料包括，例如，金屬和合金，比如鎳，銀，銅，鋅，鋁，鐵，鉻，釩，鈀，鉬或它們的合金。
緩沖層1120和1220通常由現(xiàn)有的緩沖層材料形成，這種材料的實(shí)例包括金屬、金屬氧化物和/或金屬氧化物，比如，銀，鎳，CeO2，Y2O3，TbOx，GaOx，氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)，LaAlO3，SrTiO3，Gd2O3，LaNiO3，LaCuO3，SrTuO3，NdGaO3，NdAlO3，MgO，AlN，NbN，TiN，VN和ZrN。
通常，超導(dǎo)體層1130和1240由稀土氧化物超導(dǎo)體材料形成。這種材料的實(shí)例包括稀土銅氧化物超導(dǎo)體，比如稀土鋇銅氧化物(例如，YBCO，GdBCO和ErBCO)。
通常，通過外延生長(zhǎng)形成在帶1100和1200中的襯底/緩沖層/超導(dǎo)體層布置。因此，通常分別織構(gòu)(例如，雙軸織構(gòu)或立方織構(gòu))襯底1110、緩沖層1120和超導(dǎo)體層1130的表面432、434和436。類似的，通常分別織構(gòu)(例如，雙軸織構(gòu)或立方織構(gòu))襯底1210、緩沖層1220和超導(dǎo)體層1230的表面484、482和470。
穩(wěn)定層1140和1240通常由導(dǎo)電材料形成，比如金屬和/或合金。形成層1140和1240的材料的實(shí)例包括銅、鎳、銀和它們的合金。
通常，帶具有基本上大于它的寬度或幅寬的長(zhǎng)度尺寸。示例性的尺寸是高度從幾微米到幾百微米(例如，至少一微米，至少二微米，至少五微米，至少10微米，至少20微米，至少50微米，至少100微米，至少200微米，至少1000微米)，寬度從幾微米到幾厘米(例如，至少一微米，至少二微米，至少五微米，至少10微米，至少20微米)，長(zhǎng)度從米的分?jǐn)?shù)到幾千米(例如，至少0.01米，至少0.2米，至少0.1米，至少1米，至少10米，至少100米)。
在一些實(shí)施例中，可以將超導(dǎo)體帶1100和1200包括在超導(dǎo)體電纜中。圖3和4分別示出了超導(dǎo)體電纜400的實(shí)施例的部分的平面視圖和截面圖，在超導(dǎo)體電纜400中，電纜400的層404由帶1100形成，并且電纜400的層406由超導(dǎo)體帶1200形成。設(shè)置帶1100和1200彼此相對(duì)獨(dú)立地移動(dòng)(例如，它們沒有彼此機(jī)械的連接)。將帶1100螺旋纏繞在螺旋軸420周圍，使得帶1100的表面430面向螺旋軸420，而帶1100的表面440背對(duì)螺旋軸420。由帶1100形成的螺旋狀物具有螺旋間距450，其對(duì)應(yīng)于帶1100沿著螺旋軸420纏繞整整360度的距離。通常，間距450可按要求來改變。作為實(shí)例，間距450可以大約等于帶1100的寬度，使得帶1100的交替的繞組彼此相鄰。作為另一實(shí)例，間距450可以比帶1100的寬度長(zhǎng)很多或短很多。
將帶1200螺旋的纏繞在帶1100上，并且以和帶1100相反的方向繞在螺旋軸420周圍。纏繞帶1200使得表面470面向螺旋軸420，并且表面480背對(duì)螺旋軸420。帶1200具有可按要求來改變的螺旋間距490。作為實(shí)例，螺旋間距490可以大致等于帶1200的寬度，使得帶1200的交替的繞組彼此相鄰。螺旋間490可以和螺旋間距450大約相等、更短或更長(zhǎng)。
帶1200的表面470沿著電纜在點(diǎn)499周期性的接觸帶1100的表面440。點(diǎn)499通常是在帶1100和1200之間電連接的點(diǎn)，其允許電流經(jīng)過穩(wěn)定層1140和1240通過帶1100和1200之間。
參考圖4，可以通過將帶1100和1200纏繞在形成元件401周圍形成電纜400。選擇性的，在纏繞之后可以移去形成元件401，或者它可以留下來以作為電纜400的結(jié)構(gòu)組成部件。選擇性的或另外的，為了冷卻帶1100和/或1200(例如，到大約等于或小于超導(dǎo)體層1130和/或1230的臨界溫度的溫度)，形成元件401可以用來提供低溫流體到電纜400。
當(dāng)描述其中通過在給定方向上將單一的帶螺旋纏繞在螺旋軸周圍來形成超導(dǎo)體帶的每一層的實(shí)施例時(shí)，本發(fā)明并不限定于此。
作為一個(gè)實(shí)例，可以將多于一個(gè)(例如，兩個(gè)，三個(gè)，四個(gè)，五個(gè)，六個(gè)，七個(gè)，八個(gè)等)超導(dǎo)體帶在相同方向上彼此相鄰的螺旋纏繞在螺旋軸周圍來形成超導(dǎo)體帶的層。圖5A是電纜500的層的實(shí)施例的平面視圖，其包括兩個(gè)在相同方向上彼此相鄰的螺旋纏繞在螺旋軸520周圍的超導(dǎo)體帶1100a和1100b。圖5B是超導(dǎo)體電纜800的實(shí)施例的平面視圖，其包括四個(gè)帶810、820、830和840。兩個(gè)帶810和820以第一螺旋方向纏繞在形成元件801周圍。帶810和帶820平行纏繞。兩個(gè)另外的帶830和840在帶810和820的頂部，在和第一螺旋方向相反的第二螺旋方向上繞在形成元件801的周圍。帶830和840平行的纏繞。在超導(dǎo)體電纜的每一層中彼此相鄰的螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶的數(shù)量可以和在超導(dǎo)電電纜的其它層中彼此相鄰的螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶的數(shù)量相同或不同。在一些實(shí)施例中，超導(dǎo)體電纜的一層可能由單一的帶形成，而且超導(dǎo)體電纜的一個(gè)或多個(gè)其它層可能由多個(gè)彼此相鄰的纏繞的帶形成。
作為另一實(shí)例，可以在彼此的頂部堆疊多于一個(gè)的(例如，兩個(gè)，三個(gè)，四個(gè)，五個(gè)，六個(gè)，七個(gè)，八個(gè)等)超導(dǎo)體帶，并且之后在相同方向上將其螺旋纏繞在螺旋軸周圍來形成超導(dǎo)體帶的層。在這種實(shí)施例中，堆疊超導(dǎo)體帶，使得該帶形成其中穩(wěn)定層彼此接觸的對(duì)。圖6示出了電纜600的層的實(shí)施例，其由兩個(gè)超導(dǎo)體帶1100和1200形成，它們彼此堆疊并在相同方向上螺旋纏繞在螺旋軸620的周圍。在超導(dǎo)體電纜600的每一層中彼此堆疊的超導(dǎo)體帶的數(shù)量可以和在電纜600的其它層中彼此堆疊的超導(dǎo)體帶的數(shù)量相同或不同。選擇性的，可以將電絕緣材料的層纏繞定位在帶1100和1200之間。
在一些實(shí)施例中，具有足夠電流轉(zhuǎn)移端口的電纜相對(duì)易于制造，并且電纜的整個(gè)電流密度可以相對(duì)高。作為實(shí)例，該電流密度可以大于大約6000安培。
在特定實(shí)施例中，在超導(dǎo)體電纜中的一個(gè)或多個(gè)帶可以具有包括自由表面的導(dǎo)電穩(wěn)定層，并且該帶層可以在電纜末端分開，以暴露自由表面。在一些實(shí)施例中，穩(wěn)定層的一個(gè)或多個(gè)暴露的自由表面可以用作電流流入和/或流出超導(dǎo)體帶的端口。
當(dāng)關(guān)于它們?cè)诔瑢?dǎo)體電纜中的使用來討論在這里描述的超導(dǎo)體帶時(shí)，該超導(dǎo)體帶還可以用在其它應(yīng)用中，例如，超導(dǎo)體線圈(例如，磁線圈)。圖7A和7B分別示出了超導(dǎo)體線圈600的透視圖和平面視圖，該線圈600包括多個(gè)纏繞在線圈軸630周圍的匝(710，715，720，725，等)，其中每一匝由超導(dǎo)體帶1100和1200形成。帶1100和1200通常不機(jī)械的連接，但是可能在它們各自的末端機(jī)械的連接。在線圈600的每一匝中，帶1100的表面440和帶1200的表面470接觸，使得帶1100和1200電連接。另外，在線圈600的相鄰匝中，帶1100的表面430和帶1200的表面480在相鄰匝接觸。在一些實(shí)施例中，可以將一個(gè)或多個(gè)材料(例如，電絕緣材料，比如電絕緣織物)盤繞在相鄰匝之間(例如，在相鄰匝的表面430和480之間)。
雖然描述了每一匝由一個(gè)超導(dǎo)體帶對(duì)形成的超導(dǎo)體線圈的實(shí)施例，本發(fā)明并不限定于此。通常，超導(dǎo)體線圈具有可以由任意所需數(shù)量的超導(dǎo)體帶對(duì)(例如，兩個(gè)帶對(duì)，四個(gè)帶對(duì)，六個(gè)帶對(duì)，八個(gè)帶對(duì)，等)形成的每一匝。通常，設(shè)置在匝內(nèi)的每一帶對(duì)使得穩(wěn)定層彼此接觸，使得在每一帶對(duì)中的帶處于電連接，并且使得相鄰帶對(duì)的襯底彼此接觸。
雖然前述描述是關(guān)于包括特定層(襯底、緩沖層、超導(dǎo)體層和穩(wěn)定層)的超導(dǎo)體帶，本發(fā)明并不限定于此。超導(dǎo)體帶可以包括另外的層。在這些實(shí)施例中，優(yōu)選的布置該層使得(這些)超導(dǎo)體層在帶的中性機(jī)械軸以下。在一些實(shí)施例中，這可以通過使用具有大約等于或大于帶中其它層總厚度的厚度的穩(wěn)定層來實(shí)現(xiàn)。在特定實(shí)施例中，這可以通過使用具有大約等于或大于帶中其它層總厚度的厚度的襯底來實(shí)現(xiàn)。
在一些實(shí)施例中，超導(dǎo)體帶可以包括多于一個(gè)緩沖層(例如，兩個(gè)緩沖層，三個(gè)緩沖層，四個(gè)緩沖層等)?？梢栽诒舜说捻敳慷询B多個(gè)緩沖層。在特定的實(shí)施例中，超導(dǎo)體帶可以包括多于一個(gè)超導(dǎo)體層。可以在彼此的頂部堆疊多個(gè)超導(dǎo)體層。超導(dǎo)體帶可以包括相互插入的緩沖層和超導(dǎo)體層。
在一些實(shí)施例中，超導(dǎo)體帶可以包括在超導(dǎo)體層和穩(wěn)定層之間的帽層。該帽層可以(例如)由導(dǎo)電材料形成，并且該材料相比形成穩(wěn)定層的材料較為不易于和超導(dǎo)體材料反應(yīng)。形成焊料的材料的實(shí)例包括銀、金、鈀和鉑。
在特定實(shí)施例中，超導(dǎo)體帶可以包括在帽層和穩(wěn)定層之間的焊料層。該焊料層可以(例如)幫助在帽和穩(wěn)定層之間的粘合。形成焊料層的材料的實(shí)例包括特定的基于鉛-錫的焊料(例如，包括大約62％鉛，大約36％錫和大約2％銀的焊料，或者包括大約95％鉛和大約5％錫的焊料)。其它合適的焊料是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的。
另外，雖然描述了其中相鄰帶的穩(wěn)定層處于接觸的超導(dǎo)體物品，其它實(shí)施例也是可能的。更為一般的說，穩(wěn)定層不需要接觸，而是優(yōu)選的電連接，并且設(shè)置其使得每一帶具有它自己的中性機(jī)械軸。例如，材料的層(比如導(dǎo)電材料的層)可以位于相鄰的穩(wěn)定層之間，以減少在相鄰的穩(wěn)定層和/或?qū)щ姴牧蠈又g的摩擦，其中導(dǎo)電材料可以減少相鄰的穩(wěn)定層中一個(gè)或兩個(gè)的氧化。在一些實(shí)施例中，可以在相鄰的穩(wěn)定層之間放置石墨的層。在特定實(shí)施例中，可以在相鄰的穩(wěn)定層之間放置二硫化鉬。在一些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)定層可以包括(例如，注入)合適的潤(rùn)滑材料，比如一個(gè)或多個(gè)油脂(例如，一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電油脂)。在特定實(shí)施例中，可以在相鄰穩(wěn)定層之間放置(例如，形成為在一個(gè)或兩個(gè)穩(wěn)定層頂部的附加層)材料(例如，導(dǎo)電材料，比如鉻、鎳和/或特定的氮化材料)的硬層(例如，薄的硬層)。
在特定實(shí)施例中(例如，當(dāng)設(shè)置帶使得穩(wěn)定層面對(duì)螺旋軸時(shí))，該穩(wěn)定層的厚度大約等于或大于襯底、緩沖層和超導(dǎo)體層的總厚度。在一些實(shí)施例中(例如，當(dāng)設(shè)置帶使得穩(wěn)定層背對(duì)螺旋軸時(shí))，穩(wěn)定層的厚度大約等于或小于襯底的厚度減去緩沖層的厚度減去超導(dǎo)體層的厚度。
通常，當(dāng)兩個(gè)層機(jī)械的連接時(shí)，可以在除了它們的末端的其它點(diǎn)機(jī)械的連接。作為實(shí)例，它們可以沿著整個(gè)接觸表面機(jī)械的連接。作為另一實(shí)例，它們可以在沿著它們表面的點(diǎn)斷斷續(xù)續(xù)的機(jī)械的連接。
權(quán)利要求
1.一種物品，包括第一層，它包括第一超導(dǎo)體材料；第二層，它包括第一導(dǎo)電材料，該第二層和第一層機(jī)械的連接，使得當(dāng)彎曲時(shí)，該第一和第二層具有第一中性機(jī)械軸；第三層，它包括第二超導(dǎo)體材料；以及第四層，它包括機(jī)械的連接到第三層第二導(dǎo)電材料，使得當(dāng)彎曲時(shí)，該第三和第四層具有和第一中性機(jī)械軸不同的第二中性機(jī)械軸，其中該第二和第四層處于電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的物品，其中該第一超導(dǎo)體材料包括第一稀土金屬氧化物超導(dǎo)體，并且第二超導(dǎo)體材料包括第二稀土金屬氧化物超導(dǎo)體。
3.如權(quán)利要求2所述的物品，其中該第一和第二稀土金屬氧化物超導(dǎo)體相同。
4.如權(quán)利要求3所述的物品，其中該第一和第二稀土金屬氧化物超導(dǎo)體包括YBCO。
5.如權(quán)利要求1所述的物品，其中該第一導(dǎo)電材料包括第一金屬，而第二導(dǎo)電材料包括第二金屬。
6.如權(quán)利要求5所述的物品，其中該第一和第二金屬相同。
7.如權(quán)利要求6所述的物品，其中該第一和第二金屬包括銅。
8.如權(quán)利要求1所述的物品，其中該第一和第二層是以第一帶的形式，并且該第三和第四層是以第二帶的形式。
9.如權(quán)利要求1所述的物品，進(jìn)一步包括第一和第二襯底，其中該第一層在第一襯底和第二層之間，并且該第三層在第二襯底和第四層之間。
10.如權(quán)利要求9所述的物品，進(jìn)一步包括第一和第二緩沖層，其中該第一緩沖層在第一襯底和第一層之間，并且該第二緩沖層在第二襯底和第三層之間。
11.如權(quán)利要求10所述的物品，其中該第一襯底層具有大約等于第一層、第一緩沖部分以及第二層的總厚度的厚度。
12.如權(quán)利要求11所述的物品，其中該第四層具有大約等于第三層、第二緩沖部分以及第二襯底層的總厚度的厚度。
13.如權(quán)利要求1所述的物品，進(jìn)一步包括第一和第二帽層，其中該第一帽層在第一和第二層之間，并且該第二帽層在第三和第四層之間。
14.如權(quán)利要求1所述的物品，進(jìn)一步包括在第二和第四層之間的界面層，其中該界面層包括減少第二和第四層的氧化的第三導(dǎo)電材料。
15.如權(quán)利要求1所述的物品，進(jìn)一步包括在第二和第四層之間的界面層，其中該界面層包括減少在第二和第四層之間的摩擦的第三導(dǎo)電材料。
16.如權(quán)利要求1所述的物品，進(jìn)一步包括在第二和第四層之間的石墨層。
17.如權(quán)利要求1所述的物品，其中設(shè)置該物品使得該第二和第四層可以彼此獨(dú)立移動(dòng)。
18.一種物品，包括第一螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶，它包括超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層，當(dāng)彎曲時(shí)，該第一螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶具有第一中性機(jī)械軸；以及第二螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶，它包括超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層，當(dāng)彎曲時(shí)，該第二螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶具有第二中性機(jī)械軸，該第二中性機(jī)械軸不同于第一中性機(jī)械軸，其中，該第一和第二超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層處于電連接。
19.如權(quán)利要求18所述的物品，其中該第一和第二超導(dǎo)體層包括稀土金屬氧化物超導(dǎo)體。
20.如權(quán)利要求19所述的物品，其中該稀土金屬氧化物超導(dǎo)體包括YBCO。
21.如權(quán)利要求18所述的物品，其中該第一和第二導(dǎo)電層包括金屬
22.如權(quán)利要求21所述的物品，其中該金屬包括銅。
23.如權(quán)利要求18所述的物品，進(jìn)一步包括形成元件，其中該第一和第二超導(dǎo)體帶螺旋的纏繞在形成元件周圍。
24.如權(quán)利要求18所述的物品，其中該第一和第二超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層被機(jī)械的壓縮。
25.如權(quán)利要求23所述的物品，其中該第一超導(dǎo)體帶進(jìn)一步包括襯底，并且第二超導(dǎo)體帶進(jìn)一步包括襯底，第一超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層在第一超導(dǎo)體帶的襯底和第一超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層之間，并且第二超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層在第二超導(dǎo)體帶的襯底和第二超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層之間。
26.如權(quán)利要求25所述的物品，其中該第一超導(dǎo)體帶進(jìn)一步包括緩沖層，以及第二超導(dǎo)體帶進(jìn)一步包括緩沖層，該第一超導(dǎo)體帶的緩沖層在第一超導(dǎo)體帶的襯底和第一超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層之間，以及第二超導(dǎo)體帶的緩沖層在第二超導(dǎo)體帶的襯底和第二超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層之間。
27.如權(quán)利要求18所述的物品，其中該第一超導(dǎo)體帶進(jìn)一步包括帽層，以及該第二超導(dǎo)體帶進(jìn)一步包括帽層，該第一超導(dǎo)體帶的帽層在第一超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層和第一超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層之間，并且第二超導(dǎo)體帶的帽層在第二超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層和第二超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層之間。
28.如權(quán)利要求18所述的物品，進(jìn)一步包括在第二和第四層之間的界面層，其中該界面層包括減少第二和第四層的氧化的第三導(dǎo)電材料。
29.如權(quán)利要求18所述的物品，進(jìn)一步包括在第二和第四層之間的界面層，其中該界面層包括減少在第二和第四層之間的摩擦的第三導(dǎo)電材料。
30.如權(quán)利要求18所述的物品，進(jìn)一步包括在第二和第四層之間的石墨層。
31.如權(quán)利要求18所述的物品，其中設(shè)置該物品使得第一和第二螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶可以彼此獨(dú)立移動(dòng)。
32.如權(quán)利要求18所述的物品，其中該第一和第二螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶具有共同的螺旋軸。
33.如權(quán)利要求18所述的物品，進(jìn)一步包括第三螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶，它包括超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層；以及第四螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶，它包括超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層，其中該第三和第四超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層具有多于一個(gè)電連接的點(diǎn)。
34.如權(quán)利要求33所述的物品，其中該第三和第四螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶具有共同的螺旋軸。
35.如權(quán)利要求18所述的物品，其中該物品是電纜的形式。
36.如權(quán)利要求18所述的物品，其中該第一和第二超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層至少部分重疊。
37.如權(quán)利要求18所述的物品，其中該第一和第二超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層基本上整個(gè)重疊。
38.一種物品，包括第一組螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶，在第一組螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶中的每一帶包括超導(dǎo)體材料的層和導(dǎo)電材料的層，在第一組螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶中的每一帶在第一方向上平行纏繞；以及第二組螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶，在第二組螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶中的每一帶包括超導(dǎo)體材料的層和導(dǎo)電材料的層，在第二組螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶中的每一帶在和第一方向相反的第二方向上平行纏繞；，其中在第一組帶的每一帶中的導(dǎo)電材料的層具有多于一個(gè)和在第二組帶的每一帶中的導(dǎo)電材料的層電連接的位置。
39.如權(quán)利要求37所述的物品，其中該第一和第二組螺旋纏繞的超導(dǎo)體帶具有共同的螺旋軸。
40.如權(quán)利要求37所述的物品，其中在第一組超導(dǎo)體帶中的每一帶的導(dǎo)電層和在第二組超導(dǎo)體帶中的每一帶的導(dǎo)電層至少部分重疊。
41.如權(quán)利要求37所述的物品，其中在物品中的每一帶當(dāng)彎曲時(shí)具有和任意其它帶在彎曲時(shí)的中性機(jī)械軸不同的中性機(jī)械軸。
42.一種超導(dǎo)磁線圈，包括第一盤繞的超導(dǎo)體帶，其盤繞在線圈軸周圍，該第一盤繞的超導(dǎo)體帶包括超導(dǎo)體層；以及導(dǎo)電層，它具有形成第一盤繞的超導(dǎo)體帶的內(nèi)表面的表面，該第一盤繞的超導(dǎo)體帶的內(nèi)表面面對(duì)第一盤繞的超導(dǎo)體帶的線圈軸；以及第二盤繞的超導(dǎo)體帶，其盤繞在線圈軸周圍，該第二盤繞的超導(dǎo)體帶包括超導(dǎo)體層；以及導(dǎo)電層，它具有形成第二盤繞的超導(dǎo)體帶的外表面的表面，該第二盤繞的超導(dǎo)體帶的外表面背對(duì)第二盤繞的超導(dǎo)體帶的線圈軸，其中設(shè)置第一和第二盤繞的超導(dǎo)體帶，使得第一超導(dǎo)體帶的內(nèi)表面和第二超導(dǎo)體帶的外表面相鄰。
43.如權(quán)利要求42所述的超導(dǎo)磁線圈，其中該第一和第二盤繞的超導(dǎo)體帶的導(dǎo)電層彼此接觸。
44.如權(quán)利要求42所述的超導(dǎo)磁線圈，其中該第一和第二盤繞的超導(dǎo)體帶纏繞在一起。
45.如權(quán)利要求42所述的超導(dǎo)磁線圈，其中該超導(dǎo)體層包括稀土金屬氧化物超導(dǎo)體。
46.如權(quán)利要求45所述的超導(dǎo)磁線圈，其中該稀土金屬氧化物超導(dǎo)體包括YBCO。
47.如權(quán)利要求42所述的超導(dǎo)磁線圈，其中該導(dǎo)電層包括金屬
48.如權(quán)利要求47所述的超導(dǎo)磁線圈，其中該金屬包括銅。
49.如權(quán)利要求42所述的超導(dǎo)磁線圈，其中該第一超導(dǎo)體帶的線圈軸和第二超導(dǎo)體帶的線圈軸相同。
50.如權(quán)利要求42所述的超導(dǎo)磁線圈，其中該第一和第二超導(dǎo)體帶盤繞在彼此周圍。
51.如權(quán)利要求42所述的超導(dǎo)磁線圈，其中該第一超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層機(jī)械的連接，并且該第二超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層和導(dǎo)電層機(jī)械的連接。
52.如權(quán)利要求42所述的超導(dǎo)磁線圈，其中該第一和第二超導(dǎo)體帶的超導(dǎo)體層被機(jī)械的壓縮。
53.如權(quán)利要求42所述的超導(dǎo)磁線圈，進(jìn)一步包括放置在相鄰的第一和第二超導(dǎo)體帶之間的界面層，其中該界面層包括導(dǎo)電層。
54.如權(quán)利要求42所述的超導(dǎo)磁線圈，其中該第一和第二盤繞的超導(dǎo)體帶具有不同的中性機(jī)械軸。
55.如權(quán)利要求41所述的超導(dǎo)磁線圈，進(jìn)一步包括第三盤繞的超導(dǎo)體帶，其盤繞在線圈軸周圍，該第三盤繞的超導(dǎo)體帶包括超導(dǎo)體層；以及導(dǎo)電層，其具有形成第三盤繞的超導(dǎo)體帶的內(nèi)表面的表面，該第三盤繞的超導(dǎo)體帶的內(nèi)表面面對(duì)第三盤繞的超導(dǎo)體帶的線圈軸；以及第四盤繞的超導(dǎo)體帶，其盤繞在線圈軸周圍，該第四盤繞的超導(dǎo)體帶包括超導(dǎo)體層；以及導(dǎo)電層，其具有形成第四盤繞的超導(dǎo)體帶的外表面的表面，該第四盤繞的超導(dǎo)體帶的外表面背對(duì)第四盤繞的超導(dǎo)體帶的線圈軸，其中，設(shè)置第三和第四盤繞的超導(dǎo)體帶，使得該第三超導(dǎo)體帶的內(nèi)表面和第四超導(dǎo)體帶的外表面相鄰。
56.如權(quán)利要求55所述的超導(dǎo)磁線圈，其中該第三超導(dǎo)體帶的線圈軸和第四超導(dǎo)體帶的線圈軸相同。
57.如權(quán)利要求55所述的超導(dǎo)磁線圈，其中該第三和第四超導(dǎo)體帶盤繞在彼此周圍。
全文摘要
公開了包括多層超導(dǎo)體帶(1100，1200)的超導(dǎo)體物品，其是重疊的并且當(dāng)彎曲時(shí)具有分開的中性軸(1150，1250)。它們對(duì)于電纜和線圈是特別有用的。
文檔編號(hào)H01F6/06GK1596479SQ02823558
公開日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2002年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月28日
發(fā)明者大衛(wèi)·M·布切克, 約翰·D·斯庫(kù)迪耶里, 萊斯利·G·弗里策邁爾 申請(qǐng)人:美國(guó)超導(dǎo)體公司