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DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE

Einführungsbeitrag

Mehr als zwanzig Jahre nach ihrer Entdeckung im Jahr 1986 finden die Hochtemperatur-Supraleiter (HTS - en: high temperature superconductor) jetzt ihren Weg in Produkte und Technologien, die die Übertragung von Informationen und den Transport von Energie revolutionieren werden. Unter diesen Produkten sind zu nennen die Hochtemperatur-supraleitenden Mikrowellenfilter, die den extrem niedrigen Oberflächenwiderstand von Supraleitern nutzen und bereits kommerzialisiert wurden. Sie haben zwei wesentliche Vorteile gegenüber konventionellen, nicht-supraleitenden Filtern; zum ersten eine niedrige Einfügedämpfung (rauscharme Charakteristiken) und zum zweiten Hochfrequenz-Selektivität (hohe Flankensteilheit). Diese Vorteile ermöglichen eine reduzierte Anzahl von Basisstationen, verbesserte Sprachqualität, effizientere Nutzung von Frequenzbandbreiten und vermindern das unerwünschte Hochfrequenz-Rauschen. Großflächige supraleitende Dünnschichten wurden für den Einsatz in Mikrowellengeräten entwickelt. Sie werden auch für neuartige supraleitende Leistungsgeräte verwendet, wie resistive supraleitende Strombegrenzer (SFCL - en: (resistive-type) superconducting fault-current limiter), supraleitende Fehler-Detektoren, die für Supraleiter-ausgelöste Fehlerstrombegrenzer eingesetzt werden, und für persistente Stromschalter, die für Dauerstrom HTS-Magneten verwendet werden. Die kritische Stromdichte Jc ist einer der Schlüsselparameter, der die Qualität von großflächigen HTS-Schichten beschreibt. Zerstörungsfreie, induktive AC-Verfahren werden häufig angewendet, um Jc und dessen Verteilung für großflächige HTS-Schichten zu messen, zusammen mit dem gängigsten Verfahren unter Verwendung der dritten harmonischen Spannungen. Allerdings sind diese herkömmlichen Verfahren nicht genau, weil sie nicht das elektrische Feld Kriterium der Jc-Messung berücksichtigen und manchmal ein ungeeignetes Kriterium verwenden, um den Schwellstrom zu bestimmen, aus dem Jc berechnet wird. Ein konventionelles Verfahren liefert Jc-Werte, die sich von den genauen Werten um 10 % bis 20 % unterscheiden können. Daher ist es notwendig, Standard Prüfverfahren festzulegen, um die lokale kritische Stromdichte und ihre Verteilung präzise zu messen, auf die alle Beteiligten in der HTS-Filter-Industrie zur Qualitätskontrolle der HTS-Schichten verweisen können. Hintergrundwissen zu induktiven Jc-Messungen an HTS-Dünnschichten ist in Anhang A der Norm zusammengefasst. Bei diesen induktiven Verfahren werden AC-Magnetfelder mit AC-Strömen in einer kleinen Spule erzeugt, die knapp über der Schicht montiert wird, und Jc wird aus dem Schwellen-Spulenstrom berechnet, bei dem ein vollständiges Eindringen des Magnetfeldes in die Schicht erreicht wird. Beim induktiven Verfahren wird unter Verwendung der dritten harmonischen Spannungen der Spulenstrom bestimmt. Die induzierten elektrischen Felder in der supraleitenden Schicht, die proportional zur Frequenz f des Wechselstromes sind, können durch ein einfaches Bean-Modell geschätzt werden. Es wurde ein Standard-Verfahren vorgeschlagen, Jc präzise mit einem elektrischen Feld-Kriterium bei verschiedenen Frequenzen zu messen. Dieses Verfahren erhält nicht nur präzise Jc-Werte, sondern erleichtert auch die Erkennung von degradierten Bereichen in inhomogenen Proben. Es ist anzumerken, dass dieses Standard-Verfahren hervorragend für die Beurteilung der Homogenität in großflächigen HTS-Schichten geeignet ist, obwohl der entsprechende Parameter für den Entwurf von Mikrowellengeräten nicht Jc sondern der Oberflächenwiderstand ist. Für den Einsatz von großflächigen supraleitenden Dünnschichten in supraleitenden Strombegrenzern (SFCLs) ist die Kenntnis über die Jc-Verteilung von entscheidender Bedeutung. Dieser Teil der IEC 61788 beschreibt die Messung der lokalen kritischen Stromdichte (Jc) und ihre Verteilung in großflächigen Hochtemperatursupraleiter-Schichten (HTS) durch ein induktives Verfahren unter Verwendung der dritten harmonischen Spannungen. Der Schlüssel für präzise Messungen ist, Jc bei Temperaturen des flüssigen Stickstoffs durch ein elektrisches Feld-Kriterium zu bestimmen, und Strom-Spannungs-Charakteristiken aus ihrer Frequenzabhängigkeit zu erhalten. Obwohl es möglich ist, Jc in angelegten DC-Magnetfeldern zu messen, ist der Anwendungsbereich dieser Norm auf die Messung ohne DC-Magnetfelder beschränkt. Diese Technik misst intrinsisch den kritischen Flächenstrom, der durch das Produkt aus Jc und der Schichtdicke gegeben ist. Die kritische Stromdichte Jc ist einer der grundlegendsten Parameter, der die Qualität von großflächigen HTS-Schichten beschreibt. In dieser Norm werden Jc und deren Verteilung zerstörungsfrei über ein induktives Verfahren durch den Nachweis der dritten harmonischen Spannungen gemessen. Eine kleine Spule, die verwendet wird, um sowohl magnetische Wechselfelder zu erzeugen als auch die dritten harmonischen Spannungen zu detektieren, ist knapp über der HTS-Schicht montiert, um die Messfläche abzutasten. Um Jc genau mit einem Elektrisches-Feld-Kriterium zu messen, werden die Schwellen-Spulenströme wiederholt bei verschiedenen Frequenzen gemessen und die E-J-Charakteristiken aus ihren Frequenzabhängigkeiten bestimmt. Der Zielwert für die relative Standardmessunsicherheit des Verfahrens, das verwendet wird, um den absoluten Wert von Jc zu bestimmen, beträgt dabei weniger als 10 %. Allerdings liegt der Zielwert für die Messunsicherheit bei weniger als 5 % zum Zwecke der Beurteilung der Homogenität der Verteilung von Jc in großflächigen supraleitenden Dünnschichten. Zuständig ist das DKE/K 184 "Supraleiter" der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE.

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Zuständiges nationales Arbeitsgremium

DKE/K 184 - Supraleiter