[发明专利]双面YBCO薄膜结构的超导开关

说明书

技术领域

本发明属于超导能量变换技术领域，是应用超导材料的非线性电阻以实现超导磁体的励磁、闭环运行以及快速去磁的超导开关器件。

背景技术

高温超导电感磁储能是一种高效的储能技术，与电容储能相比具有储能密度高、稳定性好、系统体积小等优点，已经在交通、航天、电力、医学等领域中得到广泛的应用。超导开关是超导磁储能系统中的关键器件，利用超导-常导相变出现的电阻变化来实现电路的断开与闭合。超导开关和超导磁体组成的系统具有脉冲输出、稳定储能、磁体自保护等功能。

高性能的超导开关除了要具有超低损耗的载流性能，还要有快速有效的关断特性包括关断时间和关断电阻两个标准；达到稳态和瞬态下的优良性能是设计与制备高温超导开关的难点。

目前制备超导开关的材料有低温NbTi线、高温超导带材(Bi系、Yi系)、超导薄膜、超导块材，不同材料组成的超导开关其结构和性能大相径庭。低温超导材料(工作在4.2K液氦温区，主要以NbTi合金为代表)制备的超导开关已经得到较多研究，其接头电阻很低，性能良好，技术比较成熟。低温超导材料的使用性能已难以显著提高，特别是苛刻的低温环境要求，极大地限制了其应用的普及。高温超导带材是制备高温超导开关通常选用的一种，用超导带材绕制而成，其断路电阻的增加依赖于超导带材长度的增加，这将大大增加开关的体积，从而增加了绕线工艺的难度；加之在超导开关触发的过程中，线圈式结构是一种封闭的热学模型，极易出现导热的不均匀，开关的操作时间会达到几秒甚至几十秒，严重影响开关的关断性能，需要复杂的触发装置才能获得理想的开断速度。薄膜开关由YBCO薄膜制备得到，YBCO薄膜一般沉积在介质基片上，厚度为100nm-500nm，由于制备的工艺的原因，临界电流密度很难达到均匀分布，液氮温区内的载流能力逊于线材，加上平面式的热学结构薄膜超导开关容易发生淬灭的不均匀，特别是多模块组成器件中，模块间的同步性是一个重要的问题；YBCO陶瓷材料在90K时的电阻率达到130Ω·m，可以实现很高的断路电阻，前提是有有效的结构设计和控制手段。

超导材料的三种临界态是控制开关的主要手段包括电、磁、热，目前任何一种单一的触发方式都有其缺点，很难同时实现开关的关断时间和关断电阻两个电气标准。高性能的高温超导开关在实际运行的研究报道还较少，在高电压、大电流的条件下性能还有待提高。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是，从结构设计方向予以改善来提高高温超导开关的稳态和暂态性能，获得一种适合电、磁优化组合控制的双面YBCO薄膜开关。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

双面YBCO薄膜结构的超导开关，工作于在液氮温区具有电、磁以及其优化组合的控制方式，开关主体由双面结构的YBCO薄膜材料构成。平面电路采用蛇形走线结构，即超导层被刻蚀空隙分割成曲折路径；平面电路具有层内通孔，即超导层上具有若干散布的刻蚀空孔，且正反两面的刻蚀空孔呈交错排布。

采用如上的结构，双面结构薄膜构造超导开关，上下导电层并接能改善载流能力，串接可以增加线路电阻，提高了空间结构设计的灵活性和开关的集成度。根据失超热学原理，两超导层间MgO基底良好的传热效果，能起到平衡热场和临界电流密度分布的作用，这样可大大提高开关模块开断的同步性；高温超导开关工作在液氮温区(77K)，根据液氮的沸腾工况，双面结构的YBCO薄膜具有比单面的薄膜更强的热力学惰性，开关断开后会较长时间地保持正常态，提高了超导磁体能的能量转换。

开关的平面电路设计的蛇形的走线是增加了走线有效长度，从而增大断路电阻；YBCO超导层内微小通孔设计一方面不会明显影响稳态的载流能力，相当于人为地设计YBCO薄膜的缺陷分布，促进电流触发控制时热点在整个平面上的分布和热传导，另一方面正反面的通孔交错排布，是考虑到磁场触发控制时开关平面上磁场的穿透能力不同，这样的通孔设计可以使超导薄膜在磁场下受面一致均匀，这样的整体设计可以使电磁触发变得简单有效。

附图说明：

图1是双面薄膜开关的结构示意图。

a.平面电路效果图(左为正面图，右为反面图)，b.前视效果图，c，三维效果图。图中1.镀金层，2.超导层，3.层内通孔，4.MgO基底层

图2是双面薄膜开关沿x轴的剖视效果图。

表示开关的两种载流方式，a.并联载流图，b.串联载流图。图中“→”表示电流流向。

图3为采用本发明双面薄膜开关的电、磁组合的触发应用方案图。