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

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

Известен сверхпроводящий размыкатель, токонесущий элемент которого выполнен из сверхпроводника, уложенного гармошкой, а импульс управляющего магнитного поля направлен вдоль токонесущего элемента.

Недостатком этого устройства является неуправляемость переходного процесса, связанная со случайностью мест зарождения нормальной фазы, вызванной неоднородностью свойств сверхпроводящего материала.

Известен сверхпроводящий выключатель, в котором решается задача повышения надежности выключателя путем использования специальной схемы компенсации рабочего тока в ключевом элементе (КЭ), что защищает этот КЭ от перегорания в месте появления нормальной фазы.

Однако этот выключатель, выполненный из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) для возможной работы при азотных температурах, имеет наиболее слабое место в зоне контактов, технология которых пока не позволяет сделать их сверхпроводящими. Следовательно, переход ключевого элемента в нормальное состояние начинается именно на токовых контактах. А так как потенциальные контакты располагаются между токовыми, они не чувствительны к этому переходу, и схема защиты не срабатывает. Таким образом, в случае применения ВТСП достижение цели в известном устройстве затруднено.

Наиболее близким к изобретению является сверхпроводящий переключатель тока, содержащий ключевой элемент, 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 магниевого поля, действующего на материал ключевого элемента в области между потенциальными контактами.

Однако в таком устройстве весь КЭ выполнен из изотропной ВТСП-керамики, в которой составляющие ее кристаллиты расположены хаотично. Изготовление всего КЭ из материала с одинаковыми электромагнитными свойствами не позволяет без принятия специальных мер защитить область расположения контактов от воздействия магнитного поля, особенно в случае короткого КЭ. Переход же этой области в нормальное состояние при протекании в ней тока приведет к выделению значительного количества джоулева тепла (из-за высокого собственного сопротивления керамики) и разрушению контактов.

Целью изобретения является повышение надежности переключателя путем использования в приконтактных областях сверхпроводящего материала с более высокими критическими параметрами.

Для достижения указанной цели предлагается в сверхпроводящем переключателе тока, содержащем ключевой элемент, выполненный из высокотемпературной сверхпроводящей металлокерамики, с размещенной на нем парой тактовых 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, использовать ключевой элемент, в котором приконтактные области выполнены из поликристалла, образованного анизотропными монокристаллами с параллельной действующему магнитному полю преимущественной ориентацией их кристаллографических направлений, вдоль которых напряженность критического магнитного поля имеет максимальное значение. Надежность контактов в случае перехода в нормальное состояние повышается, если плоскости максимальной проводимости анизотропных монокристаллов сориентированы параллельно протекающему току.

Для достижения поставленной цели используется тот факт, что кристаллическая решетка ВТСП характеризуется сильной анизотропией напряженности критического магнитного поля Н_с, удельной электропроводности σ и критической плотности тока I_c. В плоскости (а, b) элементарной базисной ячейки монокристалла YBa₂Cu₃O_7-x или Bi₂CaSr₂Cu₂O_8+x величины I_c и σ в десятки раз выше, чем в направлении оси с, перпендикулярной плоскости (а, b). В то же время критическая напряженность магнитного поля по оси с меньше, чем в плоскости (а, b). Это выражается в том, что кристаллит гораздо легче перевести в нормальное состояние если на него действует вектор . В изотропных, как в устройстве-прототипе, образцах оси анизотропий отдельных кристаллитов распределены случайно и равномерно в телесном угле 4π , и поэтому такие образцы ВТСП являются макроскопически однородными. Приложенное к такому образцу магнитное поле сдвигает температуру перехода каждого кристаллита, причем величина сдвига зависит от ориентации оси анизотропии по отношению к . Это и приводит к уширению резистивного перехода при Н ≠ 0 в прототипе. Следовательно, создавая требуемую преимущественную ориентацию кристаллических зерен в поликристалле, т.е. текстурируя КЭ заданным образом, улучшают его свойства в нужном направлении.

Положительный эффект заключается в том, что, если магнитное поле действует на КЭ, в котором приконтактные области имеют преимущественную ориентацию оси ⊥ , а центральная часть КЭ // (или просто изотропное распределение оси ), то в нормальное состояние переходит сначала центральная часть КЭ. При использовании высококачественной текстуры и оптимальной напряженности управляющего магнитного поля приконтактная область остается сверхпроводящей даже при переходе центральной части в нормальное состояние.

Степень защищенности контактов можно еще больше повысить, если в приконтактных областях плоскости (а, b) кристаллитов сориентировать параллельно току, текущему в этой области. Ориентация плоскостей (а, b) параллельно току в области расположения контактов образует структуру с много меньшим R_н,с, в которой выделяется соответственно меньше тепла в случае перехода этой области в нормальное состояние. Переход СП-НС может произойти, если волна тепловыделения под действием рабочего тока дойдет из центральной части в область контактов. В этом случае тепловыделение будет меньше, чем в прототипе. Таким образом, достигается поставленная цель.

На чертеже показан переключатель тока со схемой его включения.

Переключатель содержит ключевой элемент 1, который в приконтактных областях 2 имеет ориентацию кристаллитов 3, показанную схематично на чертеже. Ось этих кристаллитов перпендикулярна вектору магнитного поля. Центральная область 4 в оптимальном случае имеет ориентацию кристаллитов 5 (//). По краям КЭ 1 расположены токовые контакты 6, к которым подключен источник 7 тока. Между токовыми контактами расположены потенциальные контакты 8, соединенные с нагрузкой 9. Потенциальные 8 и токовые 6 контакты располагаются в приконтактных областях 2. Приконтактные текстурированные области 2 ключевого элемента имеют удельное сопротивление 20 мкОм ˙ см (при 100 К) в отличие от 600 мкОм ˙ см в прототипе при изотропном распределении кристаллитов. Таким образом при переходе приконтактных областей в нормальное состояние тепловыделение в них снижается (по сравнению с прототипом).

Площадь контактов превышает поперечное сечение КЭ, чтобы не ограничивать собственный критический ток КЭ критическим током контактов. Магнитное поле создается электромагнитом и действует на весь ключевой элемент 1. По крайней мере ключевой элемент расположен в криостате с температурой меньше Т_с.

Переключатель работает следующим образом. В исходном состоянии ключевой элемент 1 находится в сверхпроводящем состоянии и по нему через токовые контакты 6 течет ток I_о, создаваемый источником тока 7 (I_o < I_c, где I_c - критический ток для КЭ данного сечения). Разность потенциалов между потенциальными контактами 8 равна нулю, и ток в цепи нагрузки 9 отсутствует. При включении магнитного поля и достижении им величины Н , т.е. первого критического для ориентации кристаллитов 5, в нормальное состояние начинают переходить кристаллиты с этой ориентацией в области 4. Сопротивление нормального состояния области 4 нарастает при увеличении напряженности поля вплоть до Н . Соответственно между потенциальными контактами 8 появляется напряжение и часть тока I_о перебрасывается в цепь нагрузки. Ток нагрузки тем больше, чем больше сопротивление области 4 в нормальном состоянии. Из-за анизотропии Н < H_c⊥1

(где Н_с⊥1 - первое критическое поле для кристаллов, ось которых перпендикулярна вектору приложенного поля, ориентация 3), до определенной величины H > H $, в нормальном состоянии находится только область 4, определяющая разность потенциалов. В областях 2, имеющих более высокие критические параметры, сохраняется сверхпроводимость. При выключении внешнего поля КЭ возвращается в исходное (сверхпроводящее) состояние, и ток в цепи нагрузки обрывается.

Технико-экономические преимущества предлагаемого переключателя полностью обусловлены применением текстурированного материала. Создание в приконтактной области структуры, имеющей более высокие критические параметры, позволяет работать даже с короткими ключевыми элементами, когда затруднена строгая локализация переключающего магнитного поля в середине КЭ. В случае возможного попадания контактов в зону действия переключающего поля с критической напряженностью, сопротивление нормального состояния приконтактных областей и, следовательно, джоулево тепловыделение, уменьшены по сравнению с прототипом за счет использования структуры с плоскостями повышенной проводимости, параллельными току. Изобретение создает улучшенные условия работы контактов, гарантирует переключение более высоких чем в прототипе рабочих токов без опасения разрушения контактов.

Использование: сверхпроводящие ключи постоянного тока многократного действия, а также для коммутации токов из одной цепи в другую. Сущность изобретения: в предлагаемом 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 подключены нагрузка, а также источник переключающего магнитного поля, действующего на материал ключевого элемента в области между потенциальными контактами, приконтактные области ключевого элемента выполнены из поликристаллической сверхпроводящей керамики, образованной анизотропными монокристаллами с параллельной действующему магнитному полю преимущественной ориентацией их кристаллографических направлений, вдоль которых напряженность критического магнитного поля имеет максимальное значение. 1 ил.

1. 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 увеличения надежности контактов, по крайней мере приконтактные области ключевого элемента выполнены из поликристаллической сверхпроводящей керамики, образованной анизотропными монокристаллами с параллельной действующему магнитному полю преимущественной ориентацией их кристаллографических направлений, вдоль которых напряженность критического магнитного поля имеет максимальное значение. 2. Переключатель тока по п.1, отличающийся тем, что, с целью снижения тепловыделения в приконтактных областях, плоскости максимальной проводимости анизотропных монокристаллов ориентируют параллельно протекающему току.