專利名稱：一種在非織構(gòu)基底上制備取向高溫超導(dǎo)膜層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫超導(dǎo)強電領(lǐng)域，特別是涉及高溫超導(dǎo)大電流傳輸技術(shù)范疇。
自從高溫超導(dǎo)在1986-1987年取得突破性進展以后，高溫超導(dǎo)在強電領(lǐng)域里的應(yīng)用，如超導(dǎo)強磁場，超導(dǎo)變壓器，超導(dǎo)無阻輸電，超導(dǎo)電機等，一直是高溫超導(dǎo)研究的重要課題和奮斗目標(biāo)。目前已經(jīng)研究出銀包套管法制備Bi系高溫超導(dǎo)電纜，但是其電流密度較低，一般都低于1×105A/cm2，而且因為Bi系高溫超導(dǎo)帶材的不可逆線較低，不適于在高場條件下使用，對于強電要求很不理想，于是人們又開始大力尋找Y系即第二代高溫超導(dǎo)帶材。1995年美國洛斯阿·拉莫斯實驗室用離子輔助淀積法在非織構(gòu)Ni基底上淀積織構(gòu)緩沖層最后再在緩沖層上淀積釔鋇銅氧膜層，使臨界電流密度達到1×106A/cm2，此方法制膜速度很慢，難于實用化。1996年美國橡樹嶺實驗室用軋制方法獲得織構(gòu)Ni基底，最后淀積出臨界電流密度達7×105A/cm2的釔鋇銅氧超導(dǎo)帶材。此后，1998年他們又制備出3×105A/cm2的帶材樣品。橡樹嶺實驗室的方法雖然速度明顯提高，但是仍要加緩沖層，而且增加了軋制過程，整體過程生長速度慢，工序復(fù)雜，成本高。參見參考文獻1.R.E.Russo，et al.J.Appl.Phys.68(3)，2074(1990)，2.E.Narumi.et al.Appl.Phys.Lett.59(6)，(1991)，3.R.P.Reade，et al，Appl.Phys.Lett.61(18)，(1992)，4.X.D.Wu，et al.，Appl.Phys.Lett.67(16)，(1995)，5.A.Goyal，et al.，Journal of Superconductivity.Vol.14，No.5(1998)481-487.
本發(fā)明的目的就是為了解決已有技術(shù)的缺點和不足，提供一種在非織構(gòu)或織構(gòu)很差的基帶上直接淀積出織構(gòu)高溫超導(dǎo)膜層的方法，所得的高溫超導(dǎo)柔性帶材的臨界電流密度高，制備過程簡單，制備速度快。
本發(fā)明是按以下步驟進行的(1)淀積高溫超導(dǎo)膜之前，先打開真空機組11，把本底真空度抽到1Pa或更低；
(2)打開控溫儀8，把基底加熱到600-800℃；(3)動態(tài)通氧，并維持一個合適氣壓，此氣壓在5-100Pa之間；(4)使氣壓和溫度都穩(wěn)定在所需數(shù)值；(5)順序打開釔鋇銅氧陶瓷旋轉(zhuǎn)靶9、反射式激光束掃描器2、可調(diào)方波電源15和脈沖激光器1開始淀積膜層，淀積時間為20-120分鐘；(6)釔鋇銅氧膜層淀積完成后，將基底加熱器6的溫度降低到400-500℃，同時將氧壓升高到1大氣壓，進行膜層退火，退火5-30分鐘后，將加熱器溫度在5-60分鐘內(nèi)降低至室溫；(7)打開淀積生長室4，取出帶材樣品，即可進行測量。
所用的脈沖激光器1的波長為200-600nm，脈沖寬度為20-40ns，激光輸出為50-400mJ/pulse。
反射式激光束掃描器2，由二個可逆電機推動一塊45°全反射鏡做二維角掃描，進而實現(xiàn)激光束在釔鋇銅氧陶瓷靶靶面做二維掃描。反射式激光束掃描器可以使靶被均勻利用，從而延長靶的使用壽命，也可以使膜層質(zhì)量更高。
光束匯聚透鏡3的作用是使激光束在靶面上的能量密度達到1-8J/cm2。
淀積生長室4是用不銹鋼制成的筒型容器，釔鋇銅氧陶瓷靶9、基底加熱器6、水平場電極13、垂直網(wǎng)狀電極14和測溫?zé)犭娕?就安置其中，高溫超導(dǎo)帶材也是在其中制備。
大電流變壓器5通過安裝在淀積生長室4壁上的密封電極引線與淀積生長室4內(nèi)的基底加熱器6相連接。
基底加熱器6的作用是將金屬基帶加熱到600-800℃，以便獲得高溫超導(dǎo)性能的釔鋇銅氧膜層。
測溫?zé)犭娕?與基底加熱器6緊密接觸，以便測量基底加熱器6的表面溫度。
控溫儀8與測溫?zé)犭娕?以及大電流變壓器5相連接，其作用是控制加熱器表面溫度起伏小于±2℃。
充氣裝置10通過密封管道和法蘭接到淀積生長室4的壁上。
真空機組11由機械泵和渦輪分子泵以及閘板閥組成，并通過管道和法蘭接到淀積生長室4的壁上。
光學(xué)測溫儀12是非接觸式測溫設(shè)備，用它可以方便地測量基帶溫度分布。
水平場電極13是用銀片制成的，其兩個電極板間的距離為3-10cm，在羽輝區(qū)形成的場強為2-300v/cm，它通過密封電極與淀積生長室4外的可調(diào)方波電源15的一組輸出相連接。
垂直網(wǎng)狀電極14用銀絲網(wǎng)制成，其到基底的距離為1-5cm，在羽輝區(qū)形成的場強為2-300v/cm，它通過密封電極與淀積生長室4外的可調(diào)方波電源15的另一組輸出相連接。
可調(diào)方波電源15的輸出幅度為0-1000v，其二組輸出幅度及相角獨立可調(diào)，二組輸出之間的時間相對延遲也可以調(diào)節(jié)。
因為垂直網(wǎng)狀電極14設(shè)置在基底與釔鋇銅氧陶瓷靶9之間，水平場電極13設(shè)置在基底的兩側(cè)，所以在淀積膜層的過程中，激光在釔鋇銅氧陶瓷靶的靶面打出的羽輝要通過電場區(qū)，最后達到基底并淀積成膜，而且基底也是置于電場之中。因為釔鋇銅氧晶胞生長過程受到電場的作用，結(jié)果使淀積在非織構(gòu)金屬基底上的膜層形成織構(gòu)。
本發(fā)明提供的方法避免了費時費力的軋制過程，也不需要制備另外的緩沖層，大大簡化了制備高溫超導(dǎo)帶材的手續(xù)。具有方便、成本低、速度快和便于產(chǎn)品化等優(yōu)點。
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明

圖1是實現(xiàn)本發(fā)明的裝置的示意圖其中1.脈沖激光器 2.反射式激光束掃描器3.光束匯聚透鏡4.淀積生長室 5.大電流變壓器6.基底加熱器7.測溫?zé)犭娕? 8.控溫儀9.釔鋇銅氧陶瓷旋轉(zhuǎn)靶 10.充氣裝置 11.真空機組12.光學(xué)測溫儀 13.水平場電極 14.垂直網(wǎng)狀電極15.可調(diào)方波電源實施例1用圖1所示的實驗裝置，其中激光器為XeCl準(zhǔn)分子脈沖激光器，其輸出激光波長為308nm，脈沖寬度為20-40ns，每脈沖輸出能量為100-400mJ，脈沖重復(fù)頻率為6Hz。高溫超導(dǎo)靶為直徑60mm，厚度為5mm的釔鋇銅氧陶瓷靶。在淀積薄膜開始前先打開真空機組把淀積生長室的本底壓強抽到10-2Pa，再動態(tài)通氧，并維持氧氣壓強為70Pa，然后打開控溫儀，把0.2mm厚，5mm寬，15mm長的無取向織構(gòu)銀基底加熱到攝氏660-760℃。再順序打開釔鋇銅氧陶瓷旋轉(zhuǎn)靶、激光束掃描器、可調(diào)方波電源和脈沖激光器開始淀積膜層，其中靶的自轉(zhuǎn)速度為1-5轉(zhuǎn)/秒，激光束掃描速度為0.01-0.5禎/秒，3-20行/禎，可調(diào)方波電源的輸出幅度為700v，所加垂直場為場強150V/cm的直流場，它到基底的距離為5cm，所加平行場場強為2v/cm，其兩極間的距離為5cm，淀積30分鐘后，關(guān)閉激光器，充氧到1個大氣壓，并降溫到400-500℃，進行退火，退火10-20分鐘后，再于20分鐘內(nèi)將溫度降至室溫。
樣品制備完成后，用四點法測試表明樣品的臨界電流密度達到6.8×105A/cm2，x射線測試表明，樣品為很好的C取向織構(gòu)膜。
實施例2用圖1所示的實驗裝置，其中激光器為YAG倍頻脈沖激光器，其輸出激光波長為530nm，脈沖寬度為20-30ns，每脈沖輸出能量為50-150mJ。脈沖重復(fù)頻率為5Hz，高溫超導(dǎo)靶為直徑50mm，厚度為5mm的釔鋇銅氧陶瓷靶.在淀積薄膜開始前，打開真空機組，把淀積生長室的本底壓強抽到10-3Pa，然后打開加熱器電源，把0.2mm厚，5mm寬，20mm長的金屬鎳上鍍銀的基底加熱到攝氏600-760℃。動態(tài)通氧，并維持氧壓為100帕。再順序打開釔鋇銅氧陶瓷旋轉(zhuǎn)靶、激光束掃描器、可調(diào)方波電源及脈沖激光器開始淀積膜層，其中靶的自轉(zhuǎn)速度為1-5轉(zhuǎn)/秒，激光束掃描速度為0.01-0.5禎/秒，3-20行/禎，方波電源的輸出幅度為10v，所加垂直場為場強2v/cm，占空比為2∶1的方波場，平行場為場強300v/cm，占空比為1∶2的方波場，垂直網(wǎng)狀電極至基底的距離為1cm，水平場的兩極間的距離為10cm，垂直場和水平場位相相反，淀積20分鐘后，關(guān)閉平行場，繼續(xù)淀積，淀積40分鐘后，關(guān)閉激光器，充氧到1個大氣壓，并降溫到400-500℃，進行退火，退火10-20分鐘后，再于20分鐘內(nèi)將溫度降至室溫。
樣品制備完成后用四點法測試表明樣品的臨界電流密度達到8.1×105A/cm2，X射線衍射測試表明樣品為很好的C取向織構(gòu)膜。
實施例3用有部分織構(gòu)(110)的Ag基底，重復(fù)實施例1.選用波長為248nm的FK準(zhǔn)分子脈沖激光器，動態(tài)通氧的氧壓維持在5帕，方波輸出幅度為1000v，所加垂直場的場強為300v/cm，至基底的距離為3cm，所加水平場的場強為150v/cm，其兩極間的距離為3cm。測試表明樣品為很好的C取向織構(gòu)膜，其臨界電流密度達8.6×105A/cm2。
權(quán)利要求
1.一種在非織構(gòu)基底上制備取向高溫超導(dǎo)膜層的方法，其特征在于包括以下步驟(1)淀積高溫超導(dǎo)膜之前，先打開真空機組(11)，把本底真空度抽到1Pa或更低；(2)打開控溫儀(8)，把基底加熱到600-800℃；(3)動態(tài)通氧，并維持一個合適氣壓，此氣壓在5-100Pa之間；(4)使氣壓和溫度都穩(wěn)定在所需數(shù)值；(5)順序打開釔鋇銅氧陶瓷旋轉(zhuǎn)靶(9)、反射式激光束掃描器(2)、可調(diào)方波電源(15)和脈沖激光器(1)，開始淀積膜層，淀積時間為20-120分鐘；(6)釔鋇銅氧膜層淀積完成后，將基底加熱器(6)的溫度降低到400-500℃，同時將氧壓升高到1大氣壓，進行膜層退火，退火5-30分鐘后，將加熱器溫度在5-60分鐘內(nèi)降低至室溫；(7)打開淀積生長室(4)，取出帶材樣品，即可進行測量；所用的脈沖激光器的波長為200-600nm，脈沖寬度為20-40ns，激光輸出為50-400mJ/pulse；反射式激光束掃描器由二個可逆電機推動一塊45°全反射鏡做二維角掃描；淀積生長室是用不銹鋼制成的筒型容器，釔鋇銅氧陶瓷靶、基底加熱器、水平場電極、垂直網(wǎng)狀電極和測溫?zé)犭娕季桶仓闷渲?，高溫超?dǎo)帶材也是在其中制備；大電流變壓器通過安裝在淀積生長室壁上的密封電極引線與淀積生長室內(nèi)的基底加熱器相連接；測溫?zé)犭娕寂c基底加熱器緊密接觸；控溫儀與測溫?zé)犭娕家约按箅娏髯儔浩飨噙B接；充氣裝置通過密封管道和法蘭接到淀積生長室的壁上；真空機組由機械泵和渦輪分子泵以及閘板閥組成，并通過管道和法蘭接到淀積生長室的壁上；光學(xué)測溫儀是非接觸式測溫設(shè)備；水平場電極是用銀片制成的，其兩個電極板間的距離為3-10cm，在羽輝區(qū)形成的場強為2-300v/cm，它通過密封電極與淀積生長室外的可調(diào)方波電源的一組輸出相連接；垂直網(wǎng)狀電極用銀絲網(wǎng)制成，其到基底的距離為1-5cm，在羽輝區(qū)形成的場強為2-300v/cm，它通過密封電極與淀積生長室外的可調(diào)方波電源的另一組輸出相連接；可調(diào)方波電源的輸出幅度為0-1000v，其二組輸出幅度及相角獨立可調(diào)，二組輸出之間的時間相對延遲也可以調(diào)節(jié)；垂直網(wǎng)狀電極設(shè)置在基底與釔鋇銅氧陶瓷靶之間，水平場電極設(shè)置在基底的兩側(cè)，基底置于電場之中。
全文摘要
本發(fā)明屬于高溫超導(dǎo)大電流傳輸技術(shù)范疇。本發(fā)明采用在電場中淀積的方法,在織構(gòu)或非織構(gòu)金屬基底上制備釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)膜層,使高溫超導(dǎo)膜層的取向獲得明顯改善,超導(dǎo)膜層質(zhì)量明顯提高,從而獲得了高臨界電流密度。本發(fā)明既避免了軋制基帶的特殊軋制過程,又避免對緩沖層的制備環(huán)節(jié),具有質(zhì)量高、簡單、方便、適于產(chǎn)品化等優(yōu)點。
文檔編號H01B12/06GK1275777SQ99107799
公開日2000年12月6日 申請日期1999年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月28日
發(fā)明者周岳亮, 王榮平, 王煥華, 潘少華, 呂惠賓, 陳正豪, 崔大復(fù), 楊國楨 申請人:中國科學(xué)院物理研究所