СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1997 года по МПК H01L39/16 

Изобретение относится к средствам управления и может быть использовано в составе систем управления техническими объектами различного назначения, например химическим реакторами, энергоблоками атомных электростанций.

Известен переключательный элемент на базе сильноанизотропного высокотемпературного сверхпроводника [1] Предлагается реализовать переключательный элемент, представляющий собой монокристалл высокотемпературного сверхпроводника, оснащенный каналами для пропускания рабочего и управляющего токов. Рабочий ток пропускается в направлении оси с монокристалла высокотемпературного сверхпроводника, а управляющий ток в плоскости ab. При температуре ниже критической температуры T_c высокотемпературного сверхпроводника должно наблюдаться уменьшение значения рабочего тока при превышении управляющим током определенного значения.

В "открытом" состоянии (сопротивление монокристалла высокотемпературного сверхпроводника R= 0) вдоль оси с течет ток, равный значению рабочего тока, причем рабочий ток меньше критического тока в направлении оси с, разрушающего сверхпроводимость. При пропускании в плоскости ab управляющего тока, меньшего критического тока, создаваемое которым магнитное поле больше верхнего критического поля для направления оси с, монокристалл высокотемпературного сверхпроводника в направлении оси с должен перейти в нормальное (несверхпроводящее или резистивное состояние), и рабочий ток должен уменьшиться.

Недостатками известного переключательного элемента является его высокая стоимость вследствие использования дорогостоящих монокристаллов высокотемпературных сверхпроводников, трудность манипулирования с монокристаллами с характерными размерами порядка 1 мм, необходимость работать при высоких значениях управляющего тока порядка 1000 А при температуре 77 К (температура кипения Т_кип жидкого азота, являющегося основной криогенной жидкостью для высокотемпературных сверхпроводников), что в свою очередь влечет за собой сильное тепловыделение на контактах высокотемпературного сверхпроводника с подводящими проводниками, выполненными из несверхпроводящих металлов (медь, серебро и др.).

Известен другой сверхпроводящий переключательный элемент (криотрон) [2] Проволочный сверхпроводящий переключательный элемент состоит из короткого отрезка сверхпроводящей проволоки (вентиля), изготовленной, например, из тантала, и источника создания магнитного поля окружающей вентиль катушки-соленоида, изготовленной из сверхпроводящего материала (например, из ниобия), критическое поле которого выше, чем критическое поле материала вентиля. Переключательный элемент функционирует при температуре ниже критических температур (Т_c) материалов вентиля и устройства для создания магнитного поля (соленоида). Это достигается путем погружения переключательного элемента в криогенную жидкость с температурой кипения ниже критических температур материалов вентиля и соленоида. Из-за низких значений критических температур сверхпроводников, известных до открытия явления высокотемпературной сверхпроводимости в 1986 г. (из низкотемпературных сверхпроводников максимальное значение критической температуры Т_c=23,2 К обнаружено у соединения Nb₃Ge), в качестве криогенной жидкости применяли исключительно жидкий гелий (Т_кип=4,2 К).

При пропускании через соленоид управляющего тока I_упр генерируется магнитное поле, напряженность (Н) которого на оси соленоида равна
H=nI_упр,
где n=N/L число витков обмоточного провода (N) на единицу длины (L) соленоида.

При пропускании через сверхпроводящую проволоку (вентиль) кругового сечения с радиусом r_o вентильного тока I_g на поверхности проволоки генерируется магнитное поле напряженностью
H = I_q/(2πr_o)
При появлении на поверхности сверхпроводящей проволоки (вентиля) магнитного поля напряженностью более Н_c вентиль переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние.

Основными характеристиками сверхпроводящего переключательного элемента служат:
1. управляющий критический ток Icупр

при отсутствии тока через вентиль, т.е. ток через соленоид, генерирующий на его оси поле Н, равное критическому полю Н_c;
2. вентильный критический ток Icд, генерирующий на поверхности сверхпроводящей проволоки (вентиля) при отсутствии управляющего тока (I_упр= 0) поле Н, равное критическому полю Н_c.

Зависимость I_g(I_упр), снятая путем регистрации появления сопротивления вентиля на вольт-амперной характеристике, носит название фазовой характеристики (фазовой диаграммы) переключательного элемента. Линия, соединяющая критические значения I_упр и I_g на соответствующих осях координат и являющаяся обычно четвертью эллипса, разделяет области сверхпроводящего и нормального состояний сверхпроводящего переключательного элемента.

Недостатками описанного переключательного элемента являются:
1. необходимость использования в качестве криогенной жидкости жидкого гелия, работа с которым возможна лишь в специализированных помещениях, оборудованных системой сбора газообразного гелия. Кроме того, жидкий гелий очень дорог и обладает низкой теплоемкостью (любые тепловыделения, связанные с работой переключательного элемента, приводят к активному испарению жидкого гелия);
2. необходимость использования сверхпроводников в качестве материала соленоида во избежание разогрева вследствие выделения джоулева тепла и связанного с разогревом испарения жидкого гелия;
3. наличие только одного канала управления по управляющему току I_упр, что приводит к снижению надежности устройства.

Прототипом предложенного сверхпроводящего переключательного элемента по количеству совпадающих признаков является устройство, описанное в работе V. Marsocci "The application of controlled superconduct in linear amplifier circuits", Critical Journal in Solid State Matherial Sciences, 1989, v.15, N 5.

Целью изобретения является повышение надежности сверхпроводящего переключательного элемента, упрощение условий его использования и его удешевление.

Поставленная цель достигается тем, что в известный сверхпроводящий переключательный элемент, содержащий проводник, находящийся в криогенной жидкости, устройство для создания магнитного поля, входной и выходной каналы согласно изобретению введен дополнительный входной канал, подключенный к проводнику (вентилю), причем в качестве проводника используют высокотемпературный сверхпроводник с критической температурой выше температуры кипения жидкого азота, а в качестве криогенной жидкости используют хладагент с температурой кипения ниже критической температуры высокотемпературного сверхпроводника.

Целесообразно высокотемпературный сверхпроводник использовать в виде проволоки, ленты, пленки, массивной керамической заготовки.

Введение в сверхпроводящий переключательный элемент дополнительного входного канала в цепи вентильного тока и его подключение, а также использование высокотемпературного сверхпроводника с заданной критической температурой и хладагента криогенной жидкости с заданной критической температурой и хладагента криогенной жидкости с заданной температурой кипения позволяют повысить надежность переключательного элемента за счет использования двух взаиморезервируемых входных сигналов, упростить конструкцию элемента путем исключения необходимости использования сверхпроводника в качестве материала источника создания магнитного поля (соленоида) и значительно снизить затраты, поскольку исключается необходимость использования дорогостоящего хладагента жидкого гелия, а также систем сбора, хранения и ожижения газообразного гелия.

Ни один известный авторам сверхпроводящий переключательный элемент такими полезными свойствами не обладает и заявленной совокупности отличительных признаков не содержит.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг. 1 приведена схема сверхпроводящего переключательного элемента, а на фиг. 2 его фазовая характеристика.

Элемент содержит: проводник 1 в виде, например, ленты из стабилизированной серебром ленты на базе высокотемпературного сверхпроводника Pb_O,34Bi_1,84Sr_1,91Ca_2,03Cu_3,06O_y с критической температурой (Т_c), равной 107 К, имеющий два токовых и два потенциальных контакта; устройство для создания магнитного поля 2 в виде соленоида, например, из медной проволоки; входной канал 3, подключенный к токовым контактам проводника 1 и служащий для поступления сигналов от внешнего устройства (объекта управления); входной канал 4, подключенный к токовым контактам проводника 1 и постоянному источнику питания 5 (например, в виде аккумулятора); входной канал 6, подключенный к устройству для создания магнитного поля 2 и служащий для поступления сигналов от внешнего устройства (объекта управления); входного канала 7, подключенного к устройству для создания магнитного поля 2 и постоянному источнику питания 8 (например, в виде аккумулятора); выходного канала 9, предназначенного для связи потенциальных контактов проводника 1 с внешним устройством. Элемент помещен в сосуд Дьюара, заполненный криогенной жидкостью (жидким азотом).

Описание работы элемента приводится в соответствии с его общепринятой фазовой характеристикой (фазовой диаграммой) (см. например, Б.Н. Формозов "Экспериментальная техника в физике низких температур", К. "Вища школа", 1978, 200 с.) фиг. 2. На фиг. 2 приняты обозначения:
S область сверхпроводящего состояния проводника;
N область нормального (несверхпроводящего) состояния проводника;
I₁ опорный ток к проводнику по каналу 4 (фиг. 1);
I_вх1 входной сигнал к проводнику по каналу 3 (фиг. 1);
I₂ опорный ток к устройству для создания магнитного поля по каналу 6 (фиг. 1);
I_вх2 входной сигнал к этому устройству по каналу 5 (фиг. 1);
I^c критический ток, разрушающий сверхпроводимость, зависящий от токов I₁+I_вх1 и I₂+I_вх2;
Выбор значений величин I₁ и I₂ определяется условиями
I₁<I^c при I₂=0; I₂<I^c при I₁=0.

Возможны четыре режима работы сверхпроводящего переключательного элемента, которым соответствуют четыре точки на фазовой диаграмме (фиг. 2):
Режим 1. При значениях I_вх1 и I_вх2, соответствующих выполнению условий
I_вх1<(I^c-I₁); I_вх2<(I^c-I₂), проводник находится в сверхпроводящем состоянии (точка 1 на фиг. 2), электросопротивление равно нулю, и по выходному каналу 9 (фиг. 1) сигнал не поступает сверхпроводящий переключательный элемент "открыт".

Режим 2. При значениях I_вх1 и I_вх2, соответствующих выполнению условий
I_вх1<(1^c-I₁); I_вх2>(I^c-I₂),
проводник находится в нормальном (несверхпроводящем) состоянии (точка 2 на фиг. 2), электросопротивление его не равно нулю, и по выходному каналу 9 (фиг. 1) поступает сигнал сверхпроводящий переключательный элемент "закрыт". Частным случаем режима 2 является режим 2а
I_вх1=0; I_вх2>(I^c-I₂),
при котором управление элемента полностью осуществляется по каналу 6 (фиг. 1).

Режим 3. При значениях I_вх1 и I_вх2, соответствующих выполнению условий
I_вх1>(I^c-I₁); I_вх2<(I^c-I₂),
проводник находится в нормальном (несверхпроводящем) состоянии (точка 3 на фиг. 2), электросопротивление его не равно нулю, и по выходному каналу 9 (фиг. 1) поступает сигнал сверхпроводящий переключательный элемент "закрыт". Частным случаем режима 3 является режим За
I_вх1>(I^c-I₁); I_вх2=0,
при котором управление элемента полностью осуществляется по каналу 3 (фиг. 1).

Режим 4. При значениях I_вх1 и I_вх2, соответствующих выполнению условий
I_вх1>(I^c-I₁); I_вх2>(I^c-I₂),
проводник находится в нормальном (несверхпроводящем) состоянии (точка 4 на фиг. 2), электросопротивление его не равно нулю, и по выходному каналу 9 (фиг. 1) поступает сигнал сверхпроводящий переключательный элемент "закрыт". В режиме 4 управление осуществляется по каналам 3 и 6, и в этом случае имеет место полное взаимное резервирование управления.

Использование: изобретение относится к средствам управления и может быть использовано в составе систем управления техническими объектами различного назначения, например химическим реакторами, энергоблоками атомных электростанций. Сущность: в сверхпроводящем переключательном элементе в качестве материала проводника использован высокотемпературный сверхпроводник с критической температурой выше температуры кипения жидкого азота в виде ленты, проволоки, пленки, массивной керамической заготовки. В качестве криогенной жидкости используют хладагенты с температурой кипения ниже критической температуры высокотемпературного сверхпроводника. Источником магнитного поля служит соленоид из сверхпроводящей или несверхпроводящей проволоки или ленты. В цепь проводника введен дополнительный входной канал для поступления управляющего токового сигнала. В цепь устройства для создания магнитного поля введен дополнительный входной канал для поступления постоянного опорного питания. 1 з.п. ф-лы. 2 ил.

1 1. Сверхпроводящий переключательный элемент, содержащий проводник, находящийся в криогенной жидкости, устройство для создания магнитного поля, входной и выходной каналы, отличающийся тем, что он содержит дополнительный входной канал, подключенный к проводнику, причем в качестве проводника используют высокотемпературный сверхпроводник.2 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что высокотемпературный сверхпроводник выполнен в виде проволоки, ленты, пленки, массивной керамической заготовки.