СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ТОКА Советский патент 1994 года по МПК H01L39/16 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к сверхпроводящим ключам постоянного тока многократного действия, и может быть использовано для коммутации токов из одной цепи в другую.

Известен сверхпроводящий ключ, состоящий из соленоида, создающего управляющее магнитное поле, и сверхпроводящего токонесущего элемента, расположенного в соленоиде, в котором, с целью снижения затрат на управление за счет уменьшения величины управляющего магнитного поля, токонесущий элемент состоит из одной или нескольких параллельно соединенных фольговых лент, выполненных в виде последовательно соединенных колец, уложенных через изоляционные прокладки гармошкой одно под другим и расположенных в соленоиде так, что магнитное поле соленоида перпендикулярно плоскости колец.

Однако этот ключ, выполненный из традиционных гелиевых сверхпроводников, не может работать при более высоких, азотных (77 К) температурах, доступных для высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

Известен сверхпроводящий размыкатель, содержащий токонесущий элемент, выполненный из сверхпроводящего материала, уложенный гармошкой в пакет с изоляционными прокладками между слоями, и катушку управления, расположенную таким образом, что направление силовых линий магнитного поля перпендикулярно слоям токонесущего элемента.

Однако наличие изолирующих прокладок между слоями увеличивает объем, в котором необходимо создавать и поддерживать критическое магнитное поле. Кроме того, в случае выполнения известного размыкателя из керамического высокотемпературного сверхпроводника его характеристики резко ухудшаются из-за влияния разориентированных кристаллитов, т.е. мелких монокристаллов, составляющих этот материал.

Наиболее близким к заявляемому является сверхпроводящий переключатель тока, содержащий ключевой элемент (КЭ), выполненный из высокотемпературной сверхпроводящей металлокерамики с размещенной на нем парой токовых контактов, электрически соединенных с источником тока и с расположенными между ними потенциальными контактами, к которым подключена нагрузка, а также источник переключающего магнитного поля, действующего на материал ключевого элемента в области между потенциальным контактами.

Однако в этом устройстве КЭ выполнен из полностью изотропной ВТСП керамики, в которой составляющие ее кристаллиты расположены хаотично. Этот материал в магнитном поле имеет растянутый резистивный переход, так как часть анизотропных кристаллов имеет ориентацию, требующую более сильных полей для перехода в нормальное состояние (НС). Следовательно, для работы прототипа на больших частотах переключения необходимо специальное формирование крутого импульса магнитного поля, амплитуда которого должна быть достаточной для достижения критической напряженности магнитного поля большинства кристаллитов.

Целью изобретения является снижение энергии управления ключевым элементом.

Для достижения указанной цели предлагается в сверхпроводящем переключателе тока, содержащем ключевой элемент, выполненный из высокотемпературной сверхпроводящей металлокерамики, с размещенной на нем парой токовых контактов, электрически соединенных с источником тока и расположенных между ними потенциальными контактами, к которым подключена нагрузка, а также источник переключающего магнитного поля, действующего на материал ключевого элемента в области между потенциальными контактами, использовать ключевой элемент, выполненный из поликристалла, образованного анизотропными монокристаллами с параллельной действующему магнитному полю преимущественной ориентацией их кристаллографических направлений, вдоль которых напряженность критического магнитного поля имеет минимальное значение.

Для достижения поставленной цели используется тот факт, что кристаллическая решетка ВТСП характеризуется сильной анизотропией напряженности критических полей Н_с1 и Н_с2. Наиболее высокие значения эти параметры имеют в плоскости (а, b) элементарной базисной ячейки монокристалла, например YBa₂Cu₃O_7-x или Bi₂CaSr₂Cu₂O_8+δ а наименьшие - вдоль оси ⊥ (а, b). Это выражается в том, что кристаллиты, т.е. мелкие монокристаллы, составляющие поликристалл, гораздо легче и более слабым полем можно перевести в НС, если воздействовать полем с вектором Н || с. В изотропных, как в устройстве по прототипу, образцах оси анизотропии отдельных кристаллитов распределены случайно и равномерно в телесном угле 4 π , и поэтому такие образцы ВТСП являются макроскопически однородными. Приложенное к такому образцу магнитное поле Н сдвигает температуру перехода каждого кристаллита, причем величина сдвига зависит от ориентации оси с по отношению к Н. Это и приводит к уширению резистивного перехода при Н ≠ 0 в прототипе. Следовательно, создавая преимущественную ориентацию кристаллических зерен в поликристалле, т.е. текстурируя КЖ заданным образом, мы улучшаем его свойства в нужном направлении.

Положительный эффект заключается в том, что если магнитное поле действует на материал ВТСП с высокой степенью текстурированности, причем ось с | | Н, то переход всего объема в НС произойдет при меньших напряженностях поля и почти одновременно при меньшей, чем в прототипе, крутизне управляющего импульса. Таким образом, поставленная цель достигается.

На чертеже изображен переключатель тока со схемой его включения.

Переключатель содержит ключевой элемент 1, выполненный из ВТСП состава YBa₂Cu₃O_7-х, центральная область 2 которого между потенциальными контактами 3 текстурирована так, что кристаллографическое направление составляющих ее монокристаллов (кристаллитов) 4, имеющее минимальную напряженность критического поля (ось с), ориентировано параллельно действующему полю (как показано на чертеже). На краях КЭ расположены токовые контакты 5, к которым подключен источник тока 6. Нагрузка 7 подключена к потенциальным контактам 3 и может быть низкоомной или сверхпроводящей.

Устройство работает следующим образом. Подаваемый от источника 6 ток I_o < I_c (I_c - критический ток для КЭ данного сечения) через токовые контакты 5 течет по находящемуся в сверхпроводящем состоянии ключевому элементу 1. Разность потенциалов между потенциальными контактами 3 в это время отсутствует, так как отсутствует сопротивление КЭ, и, следовательно, ток в линии нагрузки 7 не течет. При включении магнитного поля с напряженностью Н ≥ Н_c1 , где Н_с1 - первое критическое поле для кристаллитов 4 по оси с, начинается переход области 2 в нормальное состояние. Поскольку эта область текстурирована, т.е. имеет "слабополевую" преимущественную ориентацию монокристаллов 4, составляющих ее структуру, резистивный переход осуществляется при более слабом (по сравнению с прототипом) управляющем магнитном поле. Для металлокерамики YBa₂Cu₃O_7-x анизотропия нижних критических полей приблизительно равна 2-3. Появление сопротивления у КЭ приводит к перебросу части тока через потенциальные контакты 3 в линию нагрузки 7. Ток перераспределяется обратно пропорционально соотношению сопротивлений КЭ и нагрузки, поэтому в случае сверхпроводящей нагрузки ток в нее будет переброшен полностью, после выключения магнитного поля опять устанавливается сверхпроводящее состояние в КЭ 1, напряжение на потенциальных контактах 3 исчезает, и ток в нагрузке 7 обрывается.

Использование: сверхпроводящие ключи многократного действия, а также для коммутации токов из одной цепи в другую. Сущность изобретения: в сверхпроводящем переключателе тока, содержащем ключевой элемент с размещенной на нем парой токовых контактов, электрически соединенных с источником тока и с расположенными между ними потенциальными контактами, к которым подключена нагрузка, а также источник переключающего магнитного поля, действующего на материал ключевого элемента в области между потенциальными контактами, предлагается использовать ключевой элемент, выполненный из поликристаллической сверхпроводящей керамики, образованной анизотропными монокристаллами с параллельной действующему магнитному полю преимущественной ориентацией их кристаллографических направлений, вдоль которых напряженность критического магнитного поля имеет минимальное значение. 1 ил.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ТОКА, содержащий ключевой элемент с размещенной на нем парой токовых контактов, электрически соединенных с источником тока и с расположенными между ними потенциальными контактами, а также источник переключающего магнитного поля, действующего на материал ключевого элемента в области между потенциальными контактами, отличающийся тем, что, с целью снижения энергии управления ключевым элементом, он выполнен из поликристаллической сверхпроводящей керамики, образованной анизотропными монокристаллами с параллельной действующему магнитному полю преимущественной ориентацией их кристаллографических направлений, вдоль которых напряженность критического магнитного поля имеет минимальное значение.