Снижения потерь на переменном токе в ВТСП проводниках 2-го поколения
2013, Tом 10, выпуск 5
Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения
С момента создания высокотемпературных сверхпроводников второго поколения (ВТСП-2) на основе системы ReBa2Cu3O7-δ вопрос снижения потерь на переменном токе является одним из наиболее актуальных как для фундаментальных, так и прикладных исследований. В том числе, этот вопрос имеет огромное значение при проектировании и производстве электротехнического оборудования для нужд конкретных применений.
Хорошо известно, что основная часть потерь на переменном токе в ВТСП-2 связана с гистерезисными потерями и кооперативными потерями. Наиболее эффективным способом снижения потерь является создание многожильной структуры, как показано на рисунке 1.
Рис. 1. Схематическое изображение скрайбирования ВТСП-2 ленты
Для ВТСП-2 этот процесс проводится методом лазерного скрайбирования стабилизирующего серебряного и сверхпроводящего слоев. При этом одним из наиболее важных условий является сохранение механической прочности подложки после проведения процесса. В этом направлении работает большое количество научных групп. Для примера Selvamanickam et al. сообщали о создании ВТСП-2 проводника с 12 жилами [1], используя процесс сухого травления, а группа Terzieva et al. [2] сообщила о создании Roebel кабелей из ВТСП лент, прошедших процесс лазерного скрайбирования. В частности, в одной из последних статей [3] сообщается о создании нового метода изготовления длинномерных ВТСП-2 с многожильной структурой. Предложенный авторами работы метод является комбинацией процессов лазерного скрайбирования и химического травления для получения длинномерных ВТСП-2 с многожильной структурой. Основной сложностью этого процесса является то, что при его проведении происходит выброс вещества подложки, который повреждает сверхпроводящий и стабилизирующий слои и образует окалину, которую достаточно сложно удалить методом химического травления. Для решения этих технологических проблем авторы статьи ввели две небольшие модификации процесса. Первая модификация – строгий контроль интенсивности мощности лазерного пучка для подавления формирования выброса. Вторая модификация – использование двухступенчатого процесса травления, различного для серебряного и сверхпроводящего покрытий для сокращения общего времени травления.
В таблице представлены параметры двух видов лазера, при помощи которых проводилось скрайбирование.
Таблица. Характеристики двух видов ультрафиолетового лазера, используемого для получения ВТСП-2 с жилами
Номер
|
Длина волны, нм
|
Мощность, макс.
|
Частота, кГц
|
Длительность импульса
|
Форма пучка
|
Лазер 1
|
355
|
5 Вт при 10 кГц
|
1-50
|
50 нс при 10 кГц
|
цилиндрический пучок
|
Лазер 2
|
355
|
10 Вт при 10 кГц
|
10-30
|
35 нс при 10 кГц
|
эллиптический пучок, используя цилиндрическую линзу
|
На рисунке 2 представлен схематический вид установки для производства длинномерных ВТСП-2 с жилами, используя метод лазерного скрайбирования. Установка с первым типом лазера и вторым типом лазера имеет похожие конфигурации. Плотность энергии пучка составляет порядка 2 Дж/см2 для мощности лазера 10 Вт и рабочей частоты
10 кГц (лазер 2). Диаметр пучка составляет 250 мкм. Скорость протяжки ленты - порядка 600 м/ч.
Рис. 2. Схематический вид установки для лазерного скрайбирования длинномерных ВТСП-2
На рисунке 3 представлен схематический вид установки для процесса травления с использованием соединения (NH4)2[Ce(NO3)6].
Отличие от методики, представленной в работе [4], заключается в том, что для травления только серебряного защитного слоя, была добавлена смесь из нитрида водорода (NH3-28%) и перекиси водорода (H2O2 -35%).
После обеих процедур проводилась очистка ленты в ультразвуковой ванне с дистиллированной водой.
На начальном этапе лента шириной 10 мм разрезается на две 5 мм ленты. Затем наносится маска. Используя лазерное облучение, контролируя мощность лазера, проводится скрайбирование маски и защитного серебряного слоя при помощи лазера.
Рис. 3. Схематический вид установки для травления длинномерных ВТСП-2 после проведения лазерного скрайбирования
Затем проводится травление серебра раствором аммиака и перекиси водорода. Заключительной процедурой является травление сверхпроводящего слоя Re123, с использованием (NH4)2[Ce(NO3)6].
Для процесса изготовления многожильных ВТСП-2 проводов использовались образцы с двумя различными структурами буферных слоев:
1 Ag(распыление)/Re123(PLD или MOD)/CeO2(PLD)/GZO(IBAD)/C276
2 Ag(распыление)/Re123(PLD или MOD)/CeO2(PLD)/LMO(распыление)/MgO(IBAD)/GZO or Y2O3(распыление)/C276
Авторы работы провели измерения: критического тока после проведения процесса лазерного скрайбирования для каждой жилы; сопротивления между жилами, которое составило 0,1 МОм*см; сопротивления между серебряным слоем и подложкой для коротких образцов ВТСП-2 с различными размерностями, в которых серебряный и сверхпроводящий слои удалялись химическим травлением. Измерения потерь на переменном токе проводилось при температуре жидкого азота с пространственным разрешением 1 мм при частоте 54 Гц. Относительное изменение гистерезисных потерь вдоль ленты и относительное изменение потерь до и после процесса лазерного скрайбирования проводилось на лентах шириной 5 и 10 мм при скорости 100 м/ч. Также измерялось распределение тока, используя датчик Холла (установка Theva Tapestar), и проводились магнито-оптические исследования. Измерение зазоров между жилами проводилось на оптическом и электронно-лучевом микроскопах.
Один из основных результатов настоящей работы, заключается в том, что авторам удалось получить, используя развитый метод скрайбирования, длинномерные многожильные ВТСП-2, снизить потери на переменном токе при падении критического тока менее чем на 20%. На рисунке 4 представлены вольт-амперные характеристики ВТСП-2 длиной 282.6 м до и после процесса лазерного скрайбирования на три жилы. На рисунке 5 представлены результаты измерения гистерезисных потерь до и после процесса скрайбирования длинномерной ВТСП-2 ленты на 3 жилы в выходных вольтах селективного нановольтметра, который измеряет мнимую часть восприимчивости, пропорциональной гистерезисным потерям. Согласно этим результатам, потери в ленте снижаются на одну треть, и составляют 57x10-6 В, по сравнению с потерями в ВТСП-2 без скрайбирования, равными 180x10-6 В. Аналогичные измерения ВАХ и гистерезисных потерь проведены для длинномерной ВТСП-2 ленты, скрайбированной на 5 жил длиной 70 м. В этом случае потери снижаются на одну пятую часть и составляют 14x10-6 В. Экспериментальные результаты измерений ВАХ и гистерезисных потерь для случая скрайбирования на 5 жил, представлены на рисунке 6 и 7 соответственно.
Рис. 4. ВАХ длинномерных ВТСП-2 до и после процесса лазерного скрайбирования на 3 жилы длиной 282,6 м, полученной методом PLD/IBAD
Рис. 5. Изменение гистерезисных потерь до и после проведения процесса скрайбирования ВТСП-2 ленты шириной 5 мм на 3 жилы длиной 282,6 м, полученной методом PLD/IBAD
Рис. 6. ВАХ длинномерных ВТСП-2 лент, полученных методом TFA-MOD, до и после процесса лазерного скрайбирования на 5 жил длиной 70 м
Рис. 7. Изменение гистерезисных потерь до и после проведения процесса скрайбирования ВТСП-2 ленты, полученной методом TFA-MOD, шириной 5 мм на 5 жил длиной 70 м
Фотография полученной ВТСП-2 ленты после проведения процесса скрайбирования представлена на рисунке 8.
Рис. 8. Фотография ВТСП-2 ленты полученной после процесса скрайбирования на 3 (а) и 5 (б) жил, соответственно
Таким образом, развитый метод лазерного скрайбирования является приемлемым и воспроизводимым, что позволяет с его помощью получать длинномерные ВТСП-2 ленты с низкими потерями на переменном токе. Это является необходимым при проектировании и создании сверхпроводникового электротехнического оборудования, такого как сверхпроводящие кабели, трансформаторы и др. Более подробно о методике можно прочитать в работе [3].
1. Marcheysky M, Zhang Ed, Xie Y, Selvamanickam V and Ganesan P G, IEEE Trans. Appl. Supercond. 19, 3094 (2009).
2. Terzieva S, Vojencciak M, Grilli M, Nast R, Souc J, Goldacker W, Jung A, Kudymov A and Kling A, Supercond. Sci. Technol. 24, 045001 (2011).
3. Machi T, Nakao K, Kato T, Hirayama T and Tanabe K, Supercond. Sci. Technol. 26, 105016 (2013).