专利名称：超导线圈测试的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于超导线圈制作的测试步骤，并涉及这样制作的超导线圈。
用来制作超导线圈的现有方法在欧洲专利申请02755238.9中有描述，该专利申请于2003年3月6日作为PCT专利被首次公布，申请号为PCT/GB02/03898，题目为“Superconducting CoilFabrication(超导线圈制作)”。该申请公开了一种制作超导线圈的方法。该方法包括第一步骤在具有大体曲表面的模架上的各个沉积层中，利用膜沉积和构图技术通过就地沉积、整形和织构超导材料制作各个线圈轨道。该方法还包括就织构或超导性能就地测试每个线圈轨道的步骤和制作各线圈轨道的步骤，从而在层沉积之前或之后通过掩模或划线操作构图每个沉积层。其中描述的测试步骤在制作过程的规定步骤中使用。然而，它只用来测试线圈是否超导、或者对具有超导特性而言线圈是否具有合适的织构。因此，每个线圈要么通过该测试步骤，要么通不过该测试步骤。即使制作通不过该测试的线圈轨道的可能性低，但超导线圈中具有一个或多个失效线圈轨道的机会随着线圈的层数增加而增加，因此降低了所制作线圈的功效且增加了制作过程中产生的浪费。
如果线圈轨道包括一个严重缺陷，则该超导线圈轨道可能通不过该测试步骤。该缺陷可以是若干类型的缺陷可修复缺陷；不可修复缺陷；以及可修复或不可修复形式的、依靠复制过程通过连续层传播的缺陷。因此，如果一个层具有传播缺陷，则通过现有方法制作的线圈不能用，因为所有其它层会具有这一相同的缺陷并通不过测试步骤。
由所制作的超导线圈产生的场还由线圈的布置限定，因此也由构成线圈的线圈轨道以及通过线圈的电流限定。为使电流通过线圈，每个线圈轨道的所有部分必须提供该电流的通路；也就是说，构成每个线圈轨道的轨道组成部分是串联的。可以通过线圈的最终电流由线圈中的最弱连线(link)限制。线圈中的弱连线是由层中的缺陷连同其它原因(诸如线圈轨道之间的弱连接之类)一起造成的。
此外，具有特定几何形状和缺陷的线圈轨道所产生的场的几何形状与具有完全相同特性、但没有缺陷的线圈轨道所产生的场不同。场之所以不同，不仅因为通过线圈轨道的电流不同，还因为在缺陷所在位置处两个线圈轨道的可比较部分的物理几何形状不同，并且该缺陷可能包括化学杂质或者缺陷所在位置处的材料可能具有与线圈轨道中其它材料不同的晶体结构或晶格结构。在超导状态下，该缺陷可能导致线圈轨道呈现出与没有缺陷的线圈轨道不同的物理特性。因此，当在模架上形成连续线圈轨道时，在每个线圈轨道具有它自己独特的缺陷的情况下，该线圈所产生的场的形状与从不具有任何缺陷的线圈轨道形成的线圈所产生的场的形状不同。
如果改变线圈轨道的路径以避开其层中的不可修复缺陷，则由该线圈在超导状态下产生的场的形状也改变。然而，因为可以将一个给定的线圈轨道限定到其层上以避开缺陷，所以可以调整该线圈轨道的路径以矫正由该线圈轨道在超导状态下产生的场的形状以及产生于该线圈轨道之下的其它线圈轨道的场的形状。
尽管已知方法提到了在继续制作线圈之前针对每个线圈轨道的测试步骤，但该测试仅用来确定线圈轨道是否工作，而不用来定位线圈轨道中的缺陷供修复或避开。不对层中的缺陷进行识别或修复。另外，不改变限定到层上或层中的线圈轨道的路径以避开弱连线、不可修复缺陷和矫正所产生的超导场，而是提供线圈布置的特定几何形状。
通过以下制作过程，可以改进该已知的制作过程以增加所制作的工作线圈轨道的比例，即，通过识别层中存在的每个缺陷是否是可修复的；修复可修复缺陷；选择避开不可修复缺陷的线圈轨道的路径；计算对该线圈轨道所产生的超导场的几何形状的影响，以矫正与下面的线圈轨道相对应的超导场的形状；修补所选择的线圈轨道的路径，以计及对所产生的超导场的这些影响；以及，将该路径限定到层上或层中以形成线圈轨道。此外，在该制作工序继续沉积另一层之前，只要该层是超导层就可以测试该线圈轨道以确保其超导。
本发明的目的是借助测试步骤提供这样一种改进的制作超导线圈的方法。
在本说明书中，以下术语旨在具有如这里定义的特定含义。
线圈轨道的布置指线圈轨道的三维几何形状，其具体指线圈的路径，并且在线圈轨道的互连方案中其可以在不止一层上。
复制指复制下面的层的织构，即复制模板。复制过程指应用这一复制的过程。
限定指确定层中一个特征的边界或范围、或刻划层的特征的形态。因此限定包括写、复制、印刷和印刷。
外场指起源于除了目前正在制作的线圈的另一个源的场。一般来说，这些外场的源是电气设备或电机的线圈，而该正在制作的线圈旨在构成该电气设备或电机的部分。这些其它线圈与该正在制作的线圈相邻并靠近它，或者将与该正在制作的线圈相邻并靠近它。
层指单次沉积膜，优选地为薄膜，其在模架表面上(对于初始层的沉积)或在模架上最顶层的表面上(对于后续层的沉积)。
路径或线圈路径指以其为基础进行计算、以限定超导线圈的最优轨道的路线。因此，它是虚拟轨道。
构图指在特定的几何形状中去除或增加材料，包括在层中限定路径。
印刷指并行写入。
织构指关于粗糙度的物理外观及表面特征的形状；在显微镜检查下它与微结构特征有关，如晶粒形状、相分布、晶界特性和晶体取向之类。更准确地说，在该应用中它指晶体结构或优选的晶体取向。关于超导材料，超导材料样本的织构表明该样本的超导特性。材料的织构，如薄膜超导体的织构之类，一般通过x射线或中子衍射、电子背散射衍射以及如电子显微镜之类的利用电子束的其它技术来检测。另一技术是RHEED(反射高能电子衍射)。
织构指将一下面的层的织构复制到层中，或者在初始层的情况下，它指织构膜的生长。轨道指限定到超导层中的线圈路径。
一圈指围绕具有大体曲表面的模架的单环。
弱区，也被称作坏区，指下降到所要求特性的阈值以下的区域。
绕组指单个线圈轨道，在本说明书这里，它不是通过物理绕线过程形成的。
写指通过放下或去除材料用几何学局部地限定路径或轨道。写可以包括蚀刻法、划线法和平版印刷(lithographic)法。
根据本发明的第一方面，提供了一种测试在用于超导线圈的薄膜材料层中形成的路径的方法，所述层在具有大体曲表面的模架上形成，该方法包括扫描所述层以检测所述层中的缺陷的步骤。
有利地，通过扫描所述层以检测所述层中存在的缺陷的步骤可以检测所述层中的每个缺陷，这样在将路径限定到所述层中或所述层上之前以及在继续沉积多层线圈中的下一层之前可以使路径最优化。
所述模架可以限定大体直圆柱表面，线圈路径绕所述模架限定大体准螺旋形(spiral)轨道。有利地，模架的对称旋转轴促进多层线圈中连续绕组的制造，因此促进制作这样一个线圈的容易程度。
优选地，扫描的步骤包括至少一个探测步骤，用于探测构成所述层的材料的物理特性，执行所述探测步骤或每个探测步骤而不在所述层中限定线圈路径。有利地，可以确定每个缺陷的位置和物理特性。
扫描的步骤可以包括多个探测步骤，在进行每个探测步骤的过程中探测所述材料的不同物理特性。
所述探测步骤或每个探测步骤可以提供所述层的物理特性的数据集，每个数据集可处理以形成相应布局图，所述相应布局图具有表明整个所述层上物理特性的变化的特征。有利地，每个数据集可以与类似的数据集进行比较。类似的数据集可以是先前沉积在所述模架上的层的数据集或从类似线圈的早期制造中获得的数据集。因为同一装置被用来制造许多线圈，所以通过比较这些数据集，利用处理器计及线圈制造中的错误，可以克服这些错误。
优选地，将每个布局图与一个或多个其它布局图组合以提供合成布局图。
当组合每个布局图以提供合成布局图时，可以相对于每个其它布局图将所述每个布局图加权。
优选地，分析每个布局图(包括合成布局图)的特征以识别和定位所述层中的缺陷。
更优选地，该方法还包括步骤a)识别每个缺陷是否是可修复缺陷；和b)修复每个可修复缺陷。
该方法还可以包括步骤a)识别每个缺陷是否是不可修复的；和b)计算避开不可修复缺陷的线圈路径；和c)在所述层中写入或构图所述路径，以限定线圈轨道的路径。
优选地，计算线圈路径的步骤包括调整线圈轨道的路径使得线圈轨道产生预定磁场的步骤。
调整线圈路径、以矫正线圈轨道所产生的场的形状的步骤还可以计及由构成线圈的每个其它已有线圈轨道产生的场。有利地，线圈是多层线圈。
调整线圈路径、以矫正线圈轨道所产生的场的形状的步骤还可以计及线圈外部的场。有利地，调整包括所述线圈路径的线圈所产生的场的形状，以计及可起源于该线圈旨在用于其中的设备或电磁机器(electric-magnetic machine)中的其它线圈的场。在这种情况下，矫正场的形状意味着修改轨道的线圈路径以避开所述层中某些部分并沿层中一条不同路线，从而改变场的形状。
在所述层的部分包括太多将可修复或可避开的缺陷、或者丢弃比修复或避开更容易的情况下，该方法还可以包括丢弃所述层中每个所述部分的步骤。有利地，所述层中那些未被丢弃的部分可以经由互连连接，以便可以在所述层的那些部分限定路径从而限定一个连续轨道。
所述层可以是超导层，并且扫描的步骤可以包括测试在所述层中形成的、限定了一个线圈轨道的线圈路径是否超导的步骤。有利地，在将其它层沉积到线圈上之前，可以针对线圈轨道的超导特性检查该线圈轨道。
可以通过二分查找法(binary search method)测试线圈轨道，以定位线圈轨道中不具有预定超导特性的部分。
优选地，二分查找法利用在迭代过程中移动的触点电刷定位该有缺陷的区域或每个有缺陷的区域。有利地，这是一种简单电测试。
更优选地，二分查找法利用探头局部地扰动超导特性。有利地，探头是激光束。
可以利用激光点方法(laser spot method)测试线圈轨道，以定位线圈轨道中不具有预定超导特性的部分。有利地，探头是激光束。
可替代地，可以借助动态测试技术测试线圈轨道，以定位线圈轨道中非超导的部分，所述动态测试技术依赖至少一个动态变量。
优选地，所述至少一个动态变量是所述模架的旋转速度除以探头重复频率。有利地，该探头可以是激光束。
测试线圈轨道是否超导的步骤可以产生可描绘为线圈轨道的布局图的结果，所述布局图指示线圈轨道中每个具有弱超导特性的部分和所述部分或每个部分在线圈轨道上的位置。
优选地，丢弃线圈轨道中具有弱超导特性的部分。或者，修复轨道中具有弱超导特性的部分。有利地，在修复轨道中该部分的情况下，还改变轨道的路径以避开轨道中的缺陷。
优选地，经由至少一个互连连接线圈轨道中那些未被丢弃的部分。有利地，经由该互连，所述层中的线圈轨道是连续的。因此，即使所述层的部分已被丢弃，轨道中已被修复的部分或者不包含缺陷的部分也连接在一起以提供轨道。
可替代地，所述层是缓冲层或金属化层。优选地，线圈轨道在后续层中形成。
根据本发明的第二方面，提供了用于测试在用于超导线圈的薄膜材料中形成的路径的装置，该装置被设置执行如本发明的综述中第一方面所提供的方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种制作路径的方法，所述路径在薄膜材料层中形成，所述层在具有大体曲表面的模架上形成，该方法包括以下步骤a)沉积、整形和织构构成所述层的材料，以在所述模架的表面上或表面中就地形成线圈路径；和b)如本发明的综述中第一方面的方法所提供的，测试所述线圈路径。
在本发明的另一第四方面中，提供了用于测试路径的装置，所述路径在用于超导线圈的薄膜材料层中形成，所述层在具有大体曲表面的模架上形成，因而所述路径限定线圈轨道，该装置包括a)用于扫描所述层的扫描器；b)用于存储信息的存储器；和c)连接到所述存储器和所述扫描器的处理器，所述处理器被设置从所述扫描器接收信号、处理所述信号以从所述信号提取信息、和将所述信息导引至所述存储器。
有利地，提供该装置以扫描所述层进而检测所述路径中存在的物理缺陷，还用于确定每个缺陷的位置和性质，以便可以修复或避开每个缺陷以在所述层中形成工作的超导线圈轨道。
优选地，扫描器包括用于探测材料的物理特性的至少一个探头，所述探头或每个探头可由所述处理器控制发送信号给所述处理器，所述处理器识别和定位所述层中的每个缺陷以提供所述层中存在的缺陷的布局图，并且所述处理器将所述布局图存储在所述存储器中。
该装置还可以包括修复器，所述修复器可由所述处理器控制，所述处理器识别那些可修复的缺陷，并且所述修复器被设置修复可修复缺陷。
该装置还可以包括线圈写入器，所述线圈写入器可由所述处理器控制，所述处理器识别那些不可修复的缺陷，所述处理器计算避开不可修复缺陷的线圈路径，并且所述线圈写入器被设置在所述层中写入、构图或限定线圈路径，限定超导的线圈路径。
所述层可以是超导材料薄膜，所述扫描器可以包括线圈测试器，所述线圈测试器可由所述处理器控制，并且所述线圈测试器被设置通过利用探头点测试或电测试或两者的组合定位线圈轨道的弱超导区域。有利地，探头测试可以与电测试组合用来检测局部弱区。这些测试包括二分查找测试、动态技术和激光点测试。
可替代地，所述层是缓冲层或金属化层。优选地，线圈轨道在后续层中形成。
在本发明的另一第五方面中，提供了用于制作路径的装置，其中路径在用于超导线圈的薄膜材料层中形成，所述层在具有大体曲表面的模架上形成，该装置包括a)沉积设备，其被设置在所述模架的表面上就地沉积、整形和织构所述层；和b)被设置用于测试所述层的装置，其如本发明的综述中第四方面所提供。
在本发明的第六方面中，经由如本发明的综述中第一方面所提供的方法制作一种设备。有利地，该设备可以是磁体或诸如电动机、发生器或变压器之类的电机。
现在将参照附
图1-9，通过例子更详细地描述本发明，其中图1是用于制作包括至少一个线圈轨道的线圈并用于在制作线圈的过程中测试每个线圈轨道的路径的装置的示意性表示；图2是在制作线圈的过程中用来支撑线圈的框架的示意性表示；图3是利用如图1和2所示的装置构造的线圈的外形的示意性表示，该线圈适合于在如图1和2所示的装置上使用；图3A是图3所示的线圈的外形的另一示意性表示；图4是供图3所示的线圈使用的圆柱形模架的示意性表示；图4A是沉积室的示意图5为显示应用于每个线圈轨道的测试步骤的过程的流程图；图6是装置的部分的示意性表示，显示该装置与图5所示的过程的一些阶段之间的相互关系；图7是另一利用掩模形成线圈轨道的方式的示意性表示；图8是沿非螺旋形路径的超导线圈的示意性表示；和图9是具有两个线圈的模架的示意性表示，每个线圈具有不同的几何形状。
参照附图，图1图解了室2，其被设置用于沉积、形成和测试一条超导线圈路径。螺纹轴4沿室2的长度方向，圆柱形模架6位于螺纹轴4上面。室2包括多个成线状(linearly)邻近的处理室。每个处理室被配置以应用不同的处理。室2具有第一侧8和第二侧10。每一侧位于仅与一个相邻室毗邻的处理室中。每一侧置于距该室的与所述相邻室毗邻的表面最远的该室表面上。计算机12连接到室2。该计算机包括处理器14、存储器16、屏18和一组用户控制20(如键盘和鼠标之类)以及输入22和输出24。
如图2所示，螺纹轴4构成框架26的一部分。框架26还包括具有轴承(未示出)的支柱28和螺纹支柱30。支柱28具有第一圆孔32，第一圆孔32接受螺纹轴4的第一端34。一组轴承36放在第一孔32的内表面中。在第一孔32内，构成轴承组36的每个轴承表面的一部分与轴4的表面接触。该轴表面的、与每个轴承接触的那部分是光滑的。因而，当轴4被插入第一孔32中时，能围绕它的旋转轴自由转动。轴4的第二端38带有螺纹。螺纹支柱30具有第二圆孔40，第二圆孔40的表面带有螺纹以接受轴4的第二端38。圆柱形模架6位于轴4的、介于两个支柱28与30之间的部分上。在最接近第二端38且处于螺纹支柱距模架6最远的那侧的位置，电动机4连接到螺纹轴4。电动机42由处理器控制。
当框架26位于室2中时，螺纹支柱30固定在该室的第一侧8，支柱28位于第二侧10。当电动机42被开动转动轴4时，该轴围绕它的旋转轴转动。螺纹支柱30相对于室2固定。当轴4转动时，根据轴4的转动方向，第二孔40表面上的螺纹与轴4表面上的螺纹之间的相互作用将轴4拉到室2中或拉出室2外。当轴4位移到室2中或室2外时，模架6和支柱28同时相对于室2位移相同的距离。这样，借助处理器14通过控制电动机42，可以将模架6移入或移出室2以及任何特定处理室。因此，模架6可以在处理室之间穿梭往返。模架6的旋转和平移同时发生。
存储器16包含软件程序，该软件程序包括各种算法，处理器14被设置从存储器16中提取软件。当运行程序时，处理器14被设置发出信号给屏18；接受来自一组控制20的指令；和通过输出24传输信号以控制包含在室2中的各个元件。处理器14还被设置通过输入22接收来自包含在室2内的探头(下面将对其进行描述)的信号。处理器14处理那些信号，以提取所述信号携带的信息供在存储器中存储为电子文件。
图3图解了在模架6上构造超导线圈的早期阶段。如图4所示，模架6是一个大体直圆柱体。优选地，该模架是陶瓷的，从而将热膨胀问题减至最小并减少金属中会发生的交流涡流损耗。该线圈包括一系列交替的不超导的缓冲层和超导的YBCO层。还为将金属层(金属化层)应用于每个超导膜作好准备，此外这样的金属化层必须传递下面的层的织构。在使用金属化层的情况下，多层线圈可以包括重复的一系列缓冲层、超导层和金属化层。金属化层可以在超导层之前、或之后、或之前和之后添加。
初始层可以是缓冲层。织构该初始缓冲层，使得在沉积第一超导层时该初始缓冲层的织构被复制到该新沉积的层上。该织构通过连续的缓冲层、超导层和(在使用金属化层的情况下)金属化层传播。每个超导层在经织构的情况下其超导特性将大大增强。
在沉积层的过程中，织构的传输和传播通过外延生长容易地发生。如果结晶膜的生长使得晶格结构与下面的衬底或膜的晶格结构匹配良好，膜的外延生长就发生。这里使用的薄膜是多晶的，因为下面的衬底或膜是多晶的。
其它膜被描述为厚膜。典型应用包括在印刷电路板中的使用。在这些厚膜中，一般没有外延生长。
在图3中，有明显的凸起区域。这些凸起区域完全是示意性的，为更好地图解被限定到层中或层上作为轨道的线圈路径，对其进行了明显夸张的显示。图3A显示了同样的线圈，其中所示出的相同区域是平坦的，如它们在线圈中实际看起来一样。
室2中存在的处理室为沉积室44、氧化室45、探测室46、修复室48、线圈写入室50和超导测试室52。
在每个室中，除了模架6和轴4以外，位于其中的设备相对于室是固定的。模架6平移通过室并同时围绕它自己的轴旋转。一种合适的方法是螺旋进给法，这是一种从模架的旋转精确地获得线性平移的简单方法。该方法与正在测试的同轴线圈兼容。
如图4A所示，沉积室44包括合适的沉积装置54，以沉积一种层构造，该层构造包括，例如，超导材料层或金属化层在前一缓冲层上面、超导层或缓冲层在前一金属化层上面、以及缓冲层或金属化层在前一线圈轨道上面。沉积装置54由处理器14控制。该沉积过程在欧洲专利申请02 755 238.9中有更详细的描述。
在氧化室45中，改变超导层中的氧含量以改进层的超导特性。详尽的氧化过程在欧洲专利申请02 755 238.9中有描述。层在一种气氛中经受热处理，其氧含量被调整以实现层的预定氧化。监视氧化过程的时间-温度关系，以保证对预定的最终氧含量来说，例如，温度斜坡率、达到的最高温度以及该处理的持续时间是最佳的。氧化可以就地或者迁地完成，以便不同的层被制作并如此接着被氧化；或者在完成许多层(即按n层的不同部分)之后或者完成整个线圈之后分别同时氧化那部分的超导层或所有超导层。对于后一种情况，很可能会使用银敷金属法(silver metallisation)因为它使氧能渗透到层之中。
探测室46包括各个探头56，以探测层表面上的每个点。每个探头56由处理器14控制。这些探头中的一些由处理器14控制发出探测束。每个探头56相对室46固定。层位于其上的模架6相对室46和每个探头56旋转并沿其轴平移，提供层与固定探头之间的相对运动。因而，层表面上的每个点由探头56探测。每个探头56扫描层，询问层的不同物理特性。该探测方法评估层的空间区域的特性。
层的布局图显示了代表在该层中检测到的物理特性的变化的特征，对于每种不同特性，其分辨率取决于相应探头的分辨率，即探测束的分辨率。理想地，布局图的细节应该足以限定路径。关键的是，为了使布局图对计算最优化路径有很大帮助，布局图的分辨率必须足以体现轨道中的特征。因此，由于布局图的分辨率取决于探测束的分辨率，所以探测束的宽度必须显著窄于轨道的宽度。
模架6相对于扫描探头的运动的步距(pitch)由螺杆的每个完整转动的线性平移量限定，如果将其嵌入模架中或者用其驱动一个定位物品(article)的定位器，则它对应于螺杆螺纹的螺距(pitch)。因此，如果探测束的直径与平移机构的螺杆的螺距相同，则可以得到层的非重叠部分的完整布局图。如果探头的路径有一些重叠，则可以应用软件进行修正。如果探头所扫描的路径小于螺距，则圆柱体表面仅被部分采样，这会较快但不是那么全面，提供层的、该探头所扫描的物理特性的不完整布局图。
在动态探测模式下，可以评估物理参数的响应时间。动态模式考虑到针对一些探头应用扰动技术，对探头所询问的层上的每个点利用“小信号”或“稳态”条件。小信号条件通常处于线性范围内，如在音频放大器中；而大信号条件是非线性的，如在开关中。在低的旋转速度和平移速度下，可以将一些探头所发出的探测束“斩波”或者使其脉冲地产生，以便可以利用相敏技术提高信噪比。在动态模式下，探头与被探测的层之间也有相对运动。动态模式还计及任何响应时间，响应时间是用于动态模式的每种探测技术的一个隐含部分。
被探测的层的一些特性包括层织构、表面粗糙度、电特性、热特性、光特性和磁特性。可以使用的探头包括电磁辐射-如x射线或包括IR和UV在内的光-和各种粒子束，如电子束和离子束。对于每种探头，探测室还包括至少一个检测器58或至少一个检测器列59。每个检测器通过输入22连接到处理器14并在检测到一个事件(event)时传输信号给处理器，处理器将信号所携带的信息存储在存储器16中。处理器14还处理和引导(direct)信号供显示在屏上，因而提供信号的实时显示作为层的布局图。在同时启动不同的探头的情况下，每个探头的信号可以同时显示在屏上。
探测技术测量层的一个或多个特性例如织构、成分以及其它物理特性。一些适于探测层的织构的技术利用x射线、离子束或电子束。对这些技术中的每一种来说，理想的是，具有以“合适的角度”撞击表面的固定束同处于合适的角度或位置的、用于反射或衍射束的固定检测器。优选地，这些技术是衍射技术。
一些适于探测成分的技术利用x射线束或电子束激励同处于合适位置的检测器。这些不同技术应用波长和能量色散分析，它们通常是众所周知的。此外，利用撞击离子束的卢瑟福背散射可以用来确定层的氧含量。
每个物理特性具有用来探测该特性的不同装置。例如，就早先提到的那些物理特性中的几个而言导电率需要两个连接到层的小区域的电触点，测量两个电触点之间层的导电率；热导率可以利用激光拉曼光谱法(laser Raman spectroscopy)进行分析；层的织构可以，例如，通过x射线或中子衍射、或电子反向散射衍射来分析；以及，特定位置的磁场强度可以借助接近层的表面放置的霍尔探头进行估计，或者通过“法拉第旋转”以更高的分辨率进行估计，通过法拉第旋转可以研究在磁场影响下极化光平面的旋转。这些技术通常是众所周知的。这些方法都可以并行使用。
修复室48用来消除层中存在的一些缺陷。室48包括聚焦离子束(FIB)设备60或可以应用一种方法来消除层中存在的缺陷的任何其它设备，以及局部层沉积设备62。FIB设备相对室48固定。室48中的所有运动相对于室48被限定。当模架6旋转并平移通过FIB设备60所发出的束时，每个缺陷和层中围绕该缺陷的部分轮流处于该束的直接路径中。该束在缺陷所在位置处蚀刻掉层，消除缺陷。然后，层被放在局部层沉积设备62所发出的沉积束的路径中，以便重建该层。在FIB设备60蚀刻不止一个层的部分的情况下，沉积束沉积这些层的必要部分。在某种意义上，包括FIB设备60的室48是“修补工具”。可以想象，FIB设备可以是别的东西。一般来说，FIB设备60的替代物包括以区域特定方式消除缺陷的腐蚀、蚀刻和平版印刷设备。
线圈写入室50可以包括离子束辅助沉积(IBAD)设备64或其它可以用于限定轨道的设备。IBAD设备64位于提供线性平移66的电动平移器66上。电动平移器由处理器控制。电动平移器66和IBAD设备64由处理器14控制。IBAD设备64相对于室50固定。室50中的所有运动相对于室50被限定。当模架6旋转并平移通过IBAD设备64时，IBAD设备将螺旋形路径，例如，写入到层中以提供线圈轨道的路径。在这种情况下，螺旋形路径已被写入(或构图或限定)，因为该路径不是正被写入或构图到层中的线圈轨道，而是正被写入或构图到下面的缓冲层或金属化层中的计算路径。在通过连续的超导层传播时，该路径在那些连续的后续层中形成线圈轨道。实际上，缓冲层中的路径是线圈轨道的计算路径的直接输出。
“IBAD设备”是一种写入或限定织构缓冲层的路径的工具，而织构YBCO层生长在织构缓冲层上。因而，它可以用来限定后来沉积的超导层中的超导路径，并且具有限定路径以避开缺陷等好处。IBAD设备64的替代物包括任何其它写入、限定或构图设备，这样一个ISD(倾斜衬底沉积)过程根据路径选择通过在规定角度通过一个限定孔蒸发材料来限定线圈轨道，从而避开缺陷。IBAD设备64和它的替代物在局部区域中放下衬底。因而它们各自应用的方法是区域特定的。
限定在层中或层上的线圈轨道是大体螺旋形的，这里层具有圆柱形形状且旋转和平移速度之比为恒定。线圈绕组的线圈轨道还可以通过利用如机械刀具、激光束或照相平版印刷过程这样的切削工具在层中，例如，分别“划出”、“腐蚀出”或“蚀刻出”路径形成。处理器14可以改变模架6的旋转与平移之间的相对运动，以改变螺旋线节距(pitch)。因而，改变模架6的角速度和线速度可以改变轨道的路径。通过相对于模架6的旋转速度减小其平移速度切削出更精细的螺旋形轨道。然而，在改变转动与平移之间的相对运动而同时切削轨道的情况下，如通过操作电动平移器66，轨道将不再是螺旋形的，而是准螺旋形的。在腐蚀操作、或照相平版印刷操作、或平版印刷操作中，或者更一般地，在掩模操作中，轨道的宽度由切削工具的尺寸或激光点的大小限定。
限定超导路径的最终轨道的螺旋线节距一般比上面提到的探头扫描布局图粗糙得多。例如，该螺旋线节距可以是几毫米宽，而不是对探测光束来说可能的50微米宽。此外，在轨道之间的绝缘部分可以为1毫米级。因此，使用了较粗糙的螺杆螺纹(少的转动圈数对应大的平移)或者没有这样的高精度要求的另一机械运动机构。例如，可以利用某种本身也由线性运动(很可能又由另一转动螺杆驱动)驱动的杠杆使旋转的圆柱体前进。替代机构可以是“齿条-齿轮”或者可以利用绕某个轴缠绕的线来拉圆柱体。应该注意为通过探头绘制布局图之目的的非构图层的螺旋形路径与为最终的超导路径限定的线圈轨道之间的区别。关键的区别在于，探头路径和写入束直径分别相对于每个线圈轨道的分辨率(在绘制布局图的情况下)和螺旋线节距(在限定图案的情况下)的相对尺寸。
超导测试室52用来确保线圈轨道超导和检测线圈轨道中的缺陷。在超导测试室52中，将激光点测试应用于线圈轨道。室52配备有激光80、一对电触点82，以及第二电动平移器86以提供线性平移。在超导测试室52的一种变型中，利用类似的点测试，可以使用不同的探头，如由电子显微镜提供的电子束。
该室还可以包括一个转接器(未示出)，转接器是一个旋转轴(shaft)，其被分成与各个电触点82(通常为电刷)接触的两段或多段。转接器使电触点能与一个如电动机的定子线圈这样的旋转体接通。如果正测试的线圈旨在用于电动机或发生器中，则该转接器理应是永久的。如果打算将该线圈用作磁体，则该转接器后来将很可能省掉，至于它可以充当连接一层和另一层的路线除外。
激光80和电动平移器86互相连接，并各由处理器14控制。电触点82连接到线圈轨道82，线圈轨道的每一端有一个触点。可以将模架6上的层的温度冷却到刚好低于构成线圈轨道的材料的临界温度。如欧洲专利申请02 755 238.9中所描述的，模架6通过在模架6内循环的冷却剂进行冷却。
激光80相对于超导测试室52固定。室52中的所有运动相对于室52被限定。激光80由处理器14控制发出激光束。将模架6上的线圈轨道旋转和平移通过激光80，穿过激光束的路径。该束射向线圈轨道表面上的一个点。激光束沿轨道表面线性射向一系列位置。在每个位置，激光束照亮轨道表面上的一个点。每个点具有相同的面积。当模架6旋转和平移通过激光束时，激光束落在轨道表面的每个部分上，并且因而落在每个点上。在轨道不同于大体螺旋形路径的情况下，电动平移器由处理器86控制使该束与线圈轨道对准。
激光用于扰动激光点过程中，扰动局部区域中的电流以检测超导轨道中的弱点。选择激光束光的波长使得光入射到其上的材料的一个点被扰动，以探测该材料并确定，在该点所在位置处，临界温度是否低于构成线圈轨道的材料的最低温度。在临界温度，该点所在位置处的材料将从超导状态跳到常规非超导状态。
不同探头的各个参数可以用来确定材料的一个点的临界超导温度的阈值，也称作超导体的临界温度。一个探头的一个参数为激光束的强度。激光束的强度是固定的，并且激光束被轮流射向轨道表面上的每个点。在超导状态下，一个大电流通过线圈轨道。在一个点中的材料是“弱的”或“坏的”的情况下，在具有一定强度的激光束入射到该点后该点立即跳到非超导状态，线圈轨道将停止超导，导致通过线圈轨道传导的电流下降。也就是说，该强度超过了该点的超导特性的临界温度的阈值强度。
激光束的分辨率也重要。为了使激光点过程起作用，激光的宽度必须是一个足够的轨道宽度，使得当束入射到轨道上时测试电流显著改变以表明轨道中存在缺陷。也就是说，电流下降到选择的电流阈值以下，就说明轨道中正被测试的点是有缺陷的。
点的特性通过与线圈轨道串联连接的安培计88来确定，以在点停止超导时检测通过线圈轨道的电流的可感知下降。由于安培计88连接到处理器，所以处理器14可以针对每个点来确定是否超过了阈值强度，并可以定位线圈中那些弱超导的部分。
因此，轨道的较弱超导部分将在低的激光强度跳变。轨道的那些部分回复到非超导状态需要的能量比轨道中那些在较高强度下回复的部分需要的能量小。因此，与轨道中由于更大强度的入射激光束而不超导的部分相比，轨道的较弱部分具有较低的临界温度。
激光的强度可以通过一组用户控制20来改变，以确定每个点的临界温度、线圈轨道中不同部分超导以及线圈轨道整体上超导的质量。
因为激光束相对于轨道宽度的尺寸是一个重要的需要考虑的事项，所以该关系由处理器14严密监视和控制以满足具体参数，使得点至少覆盖轨道宽度。点是否超出轨道宽度少许没有关系，因为轨道的一圈与下一圈之间有间距。点的尺寸通过处理器14并借助电动平移器86来控制。
扰动激光点过程是第一工作模式，目的在于评估每个点的空间物理特性。可以改变激光点过程的参数，以提供不同的测试条件和不同的测试模式。对激光束来说，这样的参数包括激光强度、临界电流、激光重复率、模架6的旋转速度、探头的点直径以及模架6的平移速度。或者，可以改变不同探头的参数，以提供不同的测试条件和不同的测试方法。
另一种工作模式是动态工作模式。针对动态激光激励模式和超导测试对这一点进行描述。然而，它适用于通过探测方法确定的许多其它物理参数的测量。
在动态激光激励模式下，激光工作在动态工作模式下。动态模式是与针对探测室46中的探头56描述的动态工作模式完全相同的工作模式。在动态激光激励模式下，改变诸如线圈旋转速度和激光重复频率之类的动态参数。每个点的过渡过程的动态特性与层的质量有关，如指出的，例如通过层的热导率。因此，改变测试的、包括动态参数在内的参数的值来确定层的质量和识别线圈轨道中的弱区。
工作在动态模式下的探测技术的另一个例子针对的是通过激光拉曼法确定的局部热导率变化。在这些方法中，观察反射束的光谱移动，其取决于探测束所引起的局部温升。此外，以不同的重复率脉冲地产生探测束将导致不同的局部温升(在下一个脉冲之前，由一个脉冲产生的热需要时间来散逸)等等。动态响应常常比“稳态”响应提供更多信息。此外，可以使用双束技术，在该技术中一个束建立稳态而另一个束建立小信号扰动。双束技术是非常强大的研究工具。
同探头一样，激光80具有动态测试模式。在动态测试模式下，评估物理参数的响应时间，在这里即超导状态的稳定性。动态模式考虑到了扰动技术的应用，扰动技术利用“小信号”或“稳态”条件评估激光束所询问的点的物理特性。在低的旋转速度和平移速度下，可以将激光束“斩波”或使其脉冲地产生，以便可以利用相敏检测技术提高信噪比。
装置中采用的过程具有许多步骤，在该过程中制作和测试由YBCO构成的线圈中的连续线圈轨道。在图5的流程图中显示了该过程。
基本测试是让电流通过线圈轨道，这称作电测试。失效或线圈的导电能力减弱都表明存在缺陷。一种应用电测试的方法是利用可移动电刷触点的二分查找法，该方法在定位有缺陷的区域方面可能是快的，其在线圈轨道根本不能超导的情况下用来检测灾难性缺陷。该方法可以要求与轨道的所有部分物理接触。电刷触点最初被放在线圈轨道的两端，电流通过线圈轨道和电刷触点。如果线圈轨道不超导，则该二分查找法用来识别轨道中那些不超导的部分。即，让一个电刷与轨道的一端保持接触，并移动另一个电刷使其与轨道的中点接触。如果两个电刷的接触点之间的一半轨道不超导，则通过重复地将电刷移至介于轨道上电刷的前两个接触点之间的轨道的中点来逐渐减小电刷之间的轨道长度。很明显，如果电刷之间的轨道长度超导，则该轨道长度必定不包含任何缺陷。
用来确定轨道是否超导的另一种方法是激光拉曼法。将激光射向每个点，扰动每个点中的材料以探测该点的热导率。该方法在室温下进行，却是对如YBCO这样的材料在低温下的超导特性的精确估计。它还不必将线圈轨道降至线圈超导所处的温度。
用来测试超导特性的另一方法是椭圆偏光法，该方法测量线圈轨道折射率的局部变化。此外，通过测量相对于线圈轨道的特定位置处的磁场强度，可以使用霍尔探头来检测磁场，从而提供布局图。在第一步骤90，将模架6放在沉积室44中，在前一缓冲层上沉积超导层。缓冲层的织构通过YBCO层传播。然后将模架6移入氧化室以改变层的氧含量，进而改进在层中形成的线圈轨道的超导特性。
在第二步骤92，将模架6一直移入探测室46，在探测室46中探头56扫描沉积层的整个表面。借助一系列光轴编码器传感器94(其指示模架6的角位置)和一系列位置传感器96(其指示模架6相对于每个探头56的横向位置)，将模架6相对于室2、探头56和检测器58放置。每个光轴编码器传感器94和每个位置传感器96发送信号给处理器14。这样，处理器14能处理由光轴编码器94、位置传感器96和检测器58发出的信号，以识别层中存在的缺陷和它们的确切位置。每个探头和检测器对56/58的经这样处理后的信息作为电子文件存储在存储器16中。
通常，探头56和检测器58将相对于室56固定。需要通过线性定位传感器和轴编码器分别确定的是模架的横向位置和角位置。而且，如果圆柱体通过导螺杆设备定位，则圆柱体的横向位置由导螺杆的圈数(包括几分之一圈)确定。这假定在计算圈数之前应用了“清零”操作。如果将导螺杆与轴编码器结合使用，则能精确地确定该横向位置。对于提供线性平移的其它机械运动，则将使用线性位置传感器。有许多不同类型。
在第三步骤98，可以将每个探头56的电子文件作为布局图显示在屏18上。布局图提供了如相应探头56所检测到的层表面的特征的图像，每个特征代表该探头56所检测到的物理特性的变化。用户可以改变每个布局图的阈值，该阈值指示表明缺陷的不同特性。因此，布局图可以揭示不同类型的缺陷，指示不同缺陷的严重程度。可以将对应于不同探头的布局图加色编码，供操作者作更精细的研究。因此，操作者可以通过作用于呈现在屏18上的布局图来影响扫描。
在第四步骤100，借助包含在软件中的算法将层的布局图组合起来以提供合成布局图。通过将每一布局图的值相对于每个其它布局图加权，把各个布局图组合起来。每个布局图的权重是预定的，但可以由用户改变。不同的条件下，如层中的材料不同、线圈路径的形态不同和几何形状、线圈中的位置不同以及和最终应用不同，采用特定的加权值。在预定用于电动机的线圈中，通过线圈轨道的电流大小比所产生的磁场的精确几何形状更关键；而在磁体的情况下，线圈轨道所产生的精确磁场形状比电流的精确值更重要。因此，形成合成布局图的权重可以计及这些差别。布局图使缺陷能被定位和识别。合成布局图以优于单独使用各个布局图时的精度识别和定位层中存在的每个缺陷。
以其最简单的形式，合成布局图通过按权重因数将各个布局图简单相加形成。以一种更复杂的形式，将会使用组合形式(version)，例如，一项可以是乘积而不是加或减。
在一个通过将各个布局图相加形成的简单合成布局图中，任一点p的值可以写成V(p)＝A(p).w1+B(p).w2+C(p).w3+......，其中A、B、C等是根据不同探测技术的值，w1、w2、w3等是不同的权重因数，权重因数为正或负。
利用组合方法形成的合成布局图将包括交叉乘积项，具体如下V(p)＝A(p).w1+B(p).w2+C(p).w3+...+A(p)B(p)z1+A(p)C(p)z2+B(p)C(p)z3...，其中z1、z2、z3等是交叉乘积项另外的权重值。其本质是，人们可能会容许在某些参数的布局图中的缺陷，但是当它与其它参数的布局图中的缺陷组合起来时，情形则可能变得更难避开或修复，以致该缺陷甚至成为灾难性的。不同布局图中不同位置处的缺陷也导致独特的结果。例如，将第n层YBCO层中位于点(x，y)处的弱超导区域与相邻区域中第n+1层缓冲层的表面粗糙度问题组合起来可能导致的结果是，在将来的构图YBCO层中避开这一区域。
层中存在的缺陷可以是两种类型的缺陷不会通过连续层传播的那些；以及，会通过连续层传播的那些。而且，每种类型的缺陷要么是可修复的，要么是不可修复的。传播缺陷是依靠大小或结晶学(crystallography)通过不同层传播的“记忆效应”缺陷。例如，一些大的a轴取向的晶粒(grain)不能长得太大，将导致后续层在线圈该区域中的缺陷。非传播缺陷包括小的内含物，如某种在将来的层中将长得太大的沉淀物或污染物。缺陷的另一个来源是层的晶格内就高温超导材料起作用而言不需要的点缺陷，空位或填隙原子。线缺陷(如断层)和面缺陷(如晶界)是可能导致问题的越来越大的结构。非传播缺陷在后续层中很可能长得过大，因此连续层中的对应区域是没有缺陷的。因此，不是所有的不可修复缺陷都是传播缺陷。术语“不可修复”指那些不必修复、或不能修复、或避开可能更容易的缺陷，如该过程的第六步骤104中描述的。
在第五步骤102，由处理器14将缺陷识别为可修复或不可修复类型的缺陷，并且，那些不可修复的，不管它们是传播缺陷还是非传播缺陷。涉及合成布局图的每个缺陷的性质的记录存储在存储器16中。
在第六步骤104，由处理器14记录层中每个可修复缺陷(层中那些容易修复的缺陷或将通过连续层传播且可修复的缺陷)的位置。处理器14控制电动机42将模架6移入修复室48。然后处理器14控制电动机42、FIB设备或其它修复设备60以及局部层沉积设备62以修复层中的可修复缺陷。
在第七步骤106，由处理器14记录层中每个不可修复缺陷(那些在修复室48中没有修复的缺陷)的位置。然后，处理器14通过“最优路径分析”计算避开或绕过YBCO层中具有不可修复缺陷的“弱”区的轨道的路径；并将YBCO区域中的其它区域串联连接。该分析计算超导线圈轨道的最优路径。处理器识别许多不同路径，以使线圈轨道的性能最优化，因此使超导电流最优化。
计算许多不同路径之后，计算几何形状和磁场分布的形状。公知的有限元方法可以用于该计算。将这样的方法嵌入特定的、已可获得的软件中，如产品“向量场”。如果在计算中逐步显示出非期望的不均匀性(inhomogeneity)，则可以为后续层选择另一合适的最优路径以消去这种趋势。最优路径的计算适合于测试针对如高场NMR之类的应用的线圈。
在最优路径分析中，考虑与所计算的最优路径相关联的电场和磁场的确切形状。线圈轨道的这些场形状可以根据a)流过线圈轨道的电流和b)该线圈轨道的路径的几何形状来计算。线圈轨道的不同应用对该线圈轨道所产生的场的形状或形态有不同的容差要求。例如，对于特高场NMR线圈，理想的是，该场是均匀的和精确已知的；而对于超导储能磁体(SMES)或电动机，所产生的场的均匀性及其形状的确切尺寸不是关键的。因此，与针对不需要均匀场的应用的线圈轨道相比，针对需要均匀场的应用的线圈轨道将需要更多矫正来调整该线圈轨道所产生的场。这假定两个线圈轨道具有相同数量和类型的缺陷。
因此，在线圈轨道是具有多个线圈轨道的线圈中的一个轨道之处，需要将由那些线圈轨道中的每个线圈轨道产生的场的形状并入对轨道最优路径的计算中。当通过形成连续的线圈轨道来形成线圈时，对计算进行的这一变化使线圈所产生的场的形状能被调整到该线圈的预定用途所要求的形状。
对于像电动机绕组这样的应用，很可能会有一个来自外部线圈或来自永久磁体的外场。将该外场的形状也并入最优路径的计算中。此外，对于某些应用，有可能利用“场整形”线圈修正场的形状，其可以是外部的并可以包含在计算中。
一种将外部要素合并到计算中的计算方法是迭代过程，在该过程中，在不计及外场形状的情况下计算由线圈轨道和构成线圈的下面的线圈轨道形成的场的形状。然后，将外场的形状引入到计算中并重复该计算。
在第八步骤108，处理器14借助电动机42将模架6移入线圈写入室50。然后，处理器14控制IBAD设备64、电动机42和电动平移器66。IBAD设备64将最优路径写入YBCO层中以提供每个线圈轨道。该路径避开在第七步骤106中识别出的所有不可修复缺陷。在该步骤，除IBAD设备64以外，任何其它应用一种方法来限定线圈轨道的设备都可以使用。
在第九步骤110，处理器14控制电动机42将模架6移入超导测试室52。然后，处理器14控制电触点82将其连接到线圈轨道的两端并让电流流过该线圈轨道。超导测试室52的温度由处理器14通过控制模架6中冷却剂的循环来进行调节。处理器14控制电动平移器86和激光80，使激光束射向轨道表面上的每个点。处理器14处理从安培计88和激光80接收到的信号。安培计88指示超导电流。激光80指示射向点的束的强度。这两个信号一起指示对于每个点，是否超过了阈值强度，在阈值强度下构成每个点的材料变得不超导。可替代地，可利用另一种阈值测试，例如探测相对于线圈轨道的各个位置处的磁场强度，确定超导线圈轨道的超导特性的品质。
在第十步骤112，处理器14处理从第九步骤110接收到的信息，为所使用的每种方法编辑布局图，其中布局图指示轨道中弱超导的“弱”区的品质和位置。处理器还将这些布局图组合起来，以提供线圈轨道的路径的合成布局图。根据各个布局图的相对重要性将它们加权。然后，处理器通过迭代过程，优选地通过有限元分析，计算路径，选择一条更优的线圈路径。当由于外场的缘故而调整场的形状时，这一迭代过程尤其重要。
处理器14可以根据路径的那些布局图(包括合成布局图)识别线圈轨道中需要进一步改变的弱部分，以通过修复或避开缺陷来改进该线圈轨道，或者可以决定应该丢弃线圈轨道的那部分。各个布局图还被显示在屏18上。还有，用户可以改变每个布局图的阈值，而阈值指示表明线圈的弱超导部分的不同特性。因此，布局图可以揭示线圈轨道中超导率的不同等级，以及指示轨道中那些弱区的弱超导率的严重程度。
在第十一步骤114，处理器14根据需要控制电动机42将模架6移入线圈写入室50和修复室48，以改变线圈轨道。重复测试和修复步骤(第九步骤110至第十一步骤114)直至线圈轨道没有缺陷、足够均匀或能超导。也就是说，当放弃制作时或者当线圈满足其预定用途所要求的规格时，停止测试和修补。在线圈轨道的至少一部分被丢弃的情况下，修复步骤还包括通过至少一种互连连接线圈轨道中未被丢弃的部分，形成连续绕组，这里如果不连接未被丢弃的部分线圈轨道就会不完整和不连续。
一旦停止测试和修补，通过蒸发沉积技术在线圈轨道上放置金属覆盖层，使得覆盖层与线圈轨道接触。金属覆盖层，也称作金属化，在超导弱化(quench)或者下面的线圈轨道过载的情况下充当分流器。使用覆盖层的一种典型情形是由于线圈轨道局部变得过热而使超导线圈轨道停止超导。覆盖层在至少一段短时间内从线圈轨道中取走电流并控制电流，充当电流安全阀。此外，当线圈轨道超导时，金属化覆盖层协助边缘弱区传导电流。金属化覆盖层还具有其它功能，如散热片，消散来自线圈轨道上局部热点的热量。如果在多层结构中更多的层将“复制”织构，则金属化覆盖层还必须是织构的。因而，一般来说，金属化层应该将来自该金属化层在其上沉积的层的织构一直传播和传输给沉积在该金属化层上面的层。
一般来说，覆盖层由金或银或它们的合金构成。对这些材料的选择取决于是否应该将氧密封在下面的线圈轨道之中，或者是否应该允许氧通过上面的层扩散。金充当密封而银允许氧通过它扩散。元素的选择还取决于线圈轨道在层中的位置，在建立线圈结构时线圈的内层可以比外层接受更多热处理。
在与第七步骤104至第十一步骤114并列的步骤118，处理器14识别层是否包括太多待修复的缺陷，并识别是否应该避开层的至少一部分。将层的那些具有太多缺陷的部分从该层的线圈轨道中略去。当然，从线圈轨道中略去层的部分的影响在线圈轨道的最优路径的计算中计及，其包括由该线圈轨道和包括该轨道的线圈产生的磁场的形状。如果层具有太多缺陷，将丢弃整个层，过程进行到第十二步骤116。
在第十二步骤116，使模架6返回沉积室44供沉积缓冲层，并重复过程的第一至第八步骤。如果缓冲层不要求将线圈路径限定到层中或层上，该过程省略其第七和第八步骤。同缓冲层一样，如果层包括太多缺陷，将接着进行并列步骤118。尽管线圈轨道将把来自前一层的线圈轨道(的织构)一直传播给缓冲层，但是沉积缓冲层使得它不采纳前一层的织构。沉积和修复缓冲层之后，沉积下一个YBCO层。
图6示出了框架26上模架6的示意性表示，显示了如先前所描述的过程的步骤。
上述装置和过程仅是根据一个优选实施例的装置和过程，其被应用于一种形式的超导线圈轨道中。
在该优选实施例的一种变型中，IBAD束在模架6上沉积织构材料，然后在整个表面上均匀地沉积诸如YBCO之类的另一层。该织构从下面的层自由传播给一个新层。因此，在YBCO被织构的情况下-即当它位于织构层之上时-YBCO将超导。在该线圈轨道的各圈之间，YBCO将相对不超导-少大约两个量级-因为该YBCO是非织构的。位于高超导圈之间的YBCO将携带比较少的电流—几乎充当隔离相邻“圈”的绝缘。因此，最初的下面的线圈轨道的路径还被一直传播给后续层。制作这类线圈的制作过程在欧洲专利申请02 755 238.9中有更详细的描述。
如果线圈轨道的路径不是那么规则以致线圈不能提供有用磁场或者不能传导足够的电流，则沉积下一个缓冲层。如果新缓冲层中的路径不是对前一层中线圈轨道的路径的改进，并且新层可能在后一超导层中提供一个可能不提供有用磁场的轨道，则沉积一个新的初始织构缓冲层。该新的初始织构层允许将新路径限定到该层中或该层上。通过该过程制作的线圈适合于线圈所产生的磁场的形状不必是均匀的且该场的强度不必已知的应用。
在该优选实施例的一种变型中，可以调整该过程和装置以使测试步骤能用于不同线圈类型的制作过程中。
作为例子，在第二优选实施例中，通过沉积缓冲层和后续的YBCO层及缓冲层形成线圈，如图7所示以及欧洲专利申请02 755 238.9中充分描述的。适用于这类线圈的测试过程是一个与该优选实施例的第八至第十一步骤类似的过程，利用扰动激光点定图(map)每个线圈轨道的轨道中的弱连线。
在上述实施例的一种变型中，可以改变扫描配置以便用小探头(因而分辨率更高)比标准探头更快速地扫描模架表面。在这一变型中，在模架6旋转和平移的过程中每个探头具有横向振荡。
该实施例应用了两种独立的线性运动，这在某些环境下被优选。该改变有助于保持高分辨率扫描而不需要极其单调地让圆柱体缓慢地平移通过室。要用非常小的探头获得高的空间分辨率，必须使模架6非常非常缓慢地通过探头(例如，利用具有极精密螺纹的进给螺杆)，或者引入探头的横向振荡，该横向振荡提供高分辨率的定图(mapping)而允许模架6高速线性平移。横向振荡和伴随的测量必须快速实行，否则模架6可能已经旋转到另一位置，旋转方向上的分辨率会下降。
作为应用于线圈轨道的二分查找测试的另一实施例，将电触点固定在线圈的两端，并用泛光束照亮或激励轨道。在查找开始时，整个轨道都被泛光束照亮。利用二分查找原理，随着查找的进行，轨道中被照明或被激励的部分将逐渐减少。
将该方法应用于线圈轨道时，利用精确温度控制或外部磁场使线圈保持在临界条件附近。临界条件指这样一种条件，即，在该条件下a)温度、b)电流或c)磁场的小扰动能使超导体“跳变(flip)”到其“常态”，即非超导状态。也就是说，超导体的临界条件是温度、电流和磁场的函数。该概念适用于在这里描述的轨道超导特性的其它测试法。
在利用比方说激光束的搜索过程中，在轨道中局部引起温升，这将对轨道中的电流具有相当大的影响，因为测试开始时它接近自己的临界条件。在“泛光照亮”测试的情况下，轨道的相当多部分被同时激励，具有可以利用二分查找技术定位有缺陷的区域的优点并具有二分查找技术的速度。此外，该测试具有不必为了采取快速二分查找而移动触点的优点。类似地，磁场可以用来笼罩线圈或线圈的部分。当然，在执行这些测试的同时线圈旋转。
可以进一步改进在超导测试室的优选实施例中描述的激光扰动点过程。第一种进一步改进是利用双束技术，由此，稳态激光束和脉冲激光束叠加在该稳态激光束上产生一个信号。
第二种进一步改进指优选过程的“反面”，根据这一点，光照亮除扫描表面的黑点以外的整个线圈轨道。黑点是由照亮“泛光束”前面的掩模产生的，所以黑点是掩模的阴影。黑点也可能是由线的阴影产生的“线”。
为了理解这一改进，有时候考虑一下照相底片意义上的“颠倒的”或“负的”东西是有用的。例如，“门限电平”可以从上面或下面到达。撞击束或真正的“泛光照亮”很可能减小超导率，但是可能有它用相反方式作用的特定情形，而扫描黑点是一种较好的技术。
一般地，上面提到的线圈制作技术会利用大体圆柱形模架6。作为该测试技术的一种变型，这里描述的测试步骤可以应用于在任何曲表面上制造的线圈，任何曲表面包括鞍状物、锥面、具有凹处的表面而不是凸面、具有负曲率的表面而不是具有正曲率的表面，以及不具有转动轴的表面。因此，改变每个线圈轨道的路径，不仅提供所要求的场形状还避开相应层中的缺陷。因此，尽管优选实施例是大体直圆柱形模架6上的螺旋形轨道，但线圈轨道的路径并不局限于螺旋形或准螺旋形路径。在这种布置中，同轴对称使处理和测试步骤非常容易进行。准螺旋形轨道被提供作为变形的实施例，在准螺旋形轨道中轨道的螺旋线节距和宽度沿模架6的长度发生变化。具有递减半径的准螺旋形绕组是线圈轨道的另一种变形的路径。
另一种变形的线圈路径常用于电动机和发生器的线圈中。限定到层中或层上的路径由从头到尾地沿模架6的长度方向、平行于圆柱形模架6的轴的一系列平行细轨道构成，布满层表面。线状轨道全部互连。该变型的一个这样的实施例是球状模架6或扁球状模架6，使得线圈轨道是连续的，线状轨道之间的连接沿着模架6的曲表面但平行于轴，并在圆柱体的端面上。因而，电动机或发生器线圈的线圈轨道的路径更复杂。该复杂性还被改写，以计及定子线圈和场线圈，它们中的每个需要不同的线圈轨道的路径。因为这两种线圈类型之一工作时会转动，所以同轴对称有助于该转动部分的生产。
因而线圈轨道不必沿螺旋形路径。图8示出了另一线圈布置的示意性表示，在该布置中旋转轴不同于模架的旋转轴。在图8中，线圈轨道平行于圆柱体的轴。通常，这样的转子包括若干个线圈绕组，它们绕圆柱形表面分布并串联或并联连接。为清楚起见，该图只显示了一个绕组。
利用扫描系统和在该申请的其它地方描述的螺旋形线圈的制作中使用的基本方法学，将容易产生这样的轨道。曲表面与端面之间的轨道的不连续可以利用连接或连接器处理。
在该轨道布置的一种变型中，圆柱体是球状或obloid球形模架，没有明显的中断要经由连接器跨接。需要附加扫描方向来处理端部，不过这可以借助某种束扫描设备来实现，如“摆动镜(flapping mirror)”。可替代地，利用光源、投影掩模和投影透镜系统可以将要求的图案“投影”到端面上。
典型地，图8所示的线圈布置，一个定子线圈，可以用于电动机或发生器中。常规电动机/发生器极经常地具有使触点能接入到转动部分的“转接器”。这通常利用“电刷”来实现。
改变优选实施例的过程，从而可以改变不同探头布局图的权重，以检测构成超导层的不同材料中不同类型的缺陷，并针对线圈的预定应用，如电机和磁体，制作线圈。
尽管提到了将特定材料，即YBCO，用作超导层，但是，任何作为膜时呈现出优良的高温超导特性的材料-尤其是MgB2或ReBCO(YBCO是ReBCO的常用例子，因为Re代表稀土元素)-都可以在制造过程中和这里描述的物品中使用。一般来说，这样的膜是，并且通称为，薄膜。
类似地，任何呈现出缓冲层的物理特性的材料都可以用来在制造过程中和这里描述的最终物品中形成缓冲层。在超导层之下具有不止一个缓冲层也是普遍的。
在该过程的一种变型中，金属化覆盖层的沉积在测试步骤的另一个阶段沉积，如在将线圈轨道写到层上之前。金属化层还应该是织构的，以确保在多层结构中能继续“复制”过程。因而，一般来说，金属化层应该将来自该金属化层沉积在其上的层的织构图案传播和传输给沉积在该金属化层上的层。为了传播织构，还需要对金属化层进行测试以确保它也不包括将妨碍其后沉积在该金属化层上的超导层超导的缺陷。优选地，该金属化层是膜。
可以调整装置，因此也可以调整方法，以包括任意数量的所需室，每个室具有一个在该室中发生的过程。完成该过程的每个步骤之后，让模架6在室2的组成室之间移动。模架在任一方向上移入一个室；在测试过程的下一步骤，模架所移入的室不必与模架正离开的室相邻。还有，可以调整室的布置以适合所使用的模架6的尺寸和形状。此外，可以设置装置，以便能在并行生产线上同时测试各在不同模架上的许多线圈轨道。
在装置的另一变型中，对于每种类型的探头56，装置包括一个探测室46。在一个替代实施例中，有不止一个探测室，并且每个探测室具有至少一种类型的探头56。
在另一变型中，一个室可以用来执行过程的不止一个步骤，如缓冲层的沉积和x射线组合定图(composition mapping)。还有，可以在一个被改变以执行优选过程中任意数量的步骤的室中执行这些步骤。
在超导测试室52和探测室46中使用的各种探测技术的另一变型中，更改探头56和检测器58以提供一系列探头和检测器来探测层或线圈轨道的特定特性。例如，对于光学特性，可以使用若干个光束和若干个检测器对层的表面定图或成像。
装置不局限于在优选实施例中描述的形式。任何在其中模架6和位于一个室中的固定设备之间同时具有旋转和平移相对运动的装置都可以用于这里描述的过程。
处理器不局限于这里描述的实施例，而可以是任何处理器，包括，例如包含模糊逻辑的专家系统和/或神经网络。本发明不局限于这里描述的实施例，而可以是所描述的特征和变型同非本质变化的各种组合。
这里描述的方法可以用来制作和测试绕同一模架的多个线圈。图9显示了绕一个模架的两个线圈的简单布置。在该模架上可以形成不止一个线圈，其中至少一个线圈具有与其它线圈不同的几何形状。线圈可以并排、彼此上下叠置以及彼此整合。典型应用包括升压及降压变压器和电阻型或感应型FCL(故障限流器)设备，包括FCL变压器。
通过这里描述的方法和技术制作的线圈的一种应用是“线性电动机”，“线性电动机”可以包括许多具有原始“螺旋形”设计的中空线圈，中空线圈排成一排并被顺序激励以作用在内部物体上从而沿直线将该内部物体移动通过系统。利用这一原理可以构造发射装置，或者它可以作为运输装置-例如磁悬浮列车的基础。
中空线圈的概念对例如磁体以及电动机和发生器的场绕组来说是重要的。因而，有可能在其内部有旋转体的外部模架上制作绕组-如电动机和发生器的定子线圈。从而，反过来，外部圆柱体就是旋转体。
电机可以利用这里描述的多个线圈来构造。例如，SMES(超导储能磁体)可以包括许多大体圆柱形磁体线圈。类似地，电动机实际上可以包括许多这样的电动机线圈-将这一点与现代内燃机作个比较，内燃机具有许多相同的汽缸和活塞，而不仅仅是一个汽缸及活塞组合。
对于包含该就地测试方法学的制作过程，该测试方法具有许多重要结论1)每个线圈轨道不仅仅通过或者通不过测试步骤，还能被修复和改变以避开缺陷和增强它构成的线圈；2)现在可以修正场轮廓或形状，通过对轨道的最优路径的适当计算消去非均匀性；3)消除了长的衬底带长度和长的废弃金属带长度，尤其对轴向旋转(圆柱形)几何形状而言，消除与衬底有关的能量损耗(作为变化的电场和磁场在材料中应用的结果，通常导致热散逸)；以及4)通过针对诸如层经受氧化的过程之类的不同处理步骤和条件、改变不同的旋转速度，可以容易地改变膜沉积过程的动态特性，更准确地说，改变薄膜沉积过程的动态特性。
权利要求
1.一种测试在用于超导线圈的薄膜材料层中形成的路径的方法，所述层在具有大体曲表面的模架上形成，该方法包括扫描所述层以检测所述层中的缺陷的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模架限定大体直圆柱表面，所述线圈路径绕所述模架限定大体准螺旋形轨道。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述扫描步骤包括至少一个探测步骤，用于探测构成所述层的材料的物理特性，执行所述探测步骤或每个探测步骤而不在所述层中限定线圈路径。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述扫描步骤包括多个探测步骤，在进行每个探测步骤的过程中探测所述材料的不同物理特性。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述探测步骤或每个探测步骤提供所述层的物理特性的数据集，每个数据集可处理以形成相应布局图，所述相应布局图具有表明整个所述层上相应物理特性的变化的特征。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将每个布局图与一个或多个其它布局图组合以提供合成布局图。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当组合每个布局图以提供合成布局图时，相对于每个其它布局图将所述每个布局图加权。
8.如权利要求5-7中任一项所述的方法，其特征在于，分析每个布局图(包括合成布局图)的特征以识别和定位所述层中的缺陷。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法还包括步骤a)识别每个缺陷是否是可修复缺陷；和b)修复每个可修复缺陷。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，该方法还包括步骤a)识别每个缺陷是否是不可修复的；和b)计算避开不可修复缺陷的线圈路径；和c)在所述层中写入或构图所述路径以限定线圈轨道的路径。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，计算所述线圈路径的步骤包括调整线圈轨道的路径使得线圈轨道产生预定磁场的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，调整线圈路径以矫正由线圈轨道产生的场的形状的步骤还计及由构成线圈的每个其它已有线圈轨道产生的每个场。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，调整线圈路径以矫正由线圈轨道产生的场的形状的步骤还计及线圈外部的每个场。
14.如权利要求8-13中任一项所述的方法，其特征在于，所述层是超导材料薄膜，并且该方法还包括在线圈的部分包括太多将可修复或可避开的缺陷、或者丢弃比修复或避开更容易的情况下丢弃所述层的每个所述部分的步骤。
15.如权利要求1-14中任一项所述的方法，其特征在于，所述层是超导材料薄膜，并且扫描的步骤包括测试在所述层中形成的线圈路径是否限定了超导的线圈轨道的步骤。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，通过二分查找法测试线圈轨道以定位线圈轨道中不具有预定超导特性的部分。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，二分查找法利用在迭代过程中移动的触点电刷定位所述有缺陷的区域或每个有缺陷的区域。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，二分查找法利用探头局部地扰动超导特性。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，通过探头点方法测试线圈轨道以定位线圈轨道中不具有预定超导特性的部分。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，利用动态测试技术测试线圈轨道以定位线圈轨道中非超导的部分，所述动态测试技术依赖至少一个动态变量。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述至少一个动态变量是模架的旋转速度除以探头重复频率。
22.如权利要求15-21中任一项所述的方法，其特征在于，测试线圈轨道是否超导的步骤产生可描绘为线圈轨道的布局图的结果，所述布局图指示线圈轨道中每个具有弱超导特性的部分和所述部分或每个部分在线圈轨道中的位置。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，丢弃线圈轨道中具有弱超导特性的部分。
24.如权利要求22或23所述的方法，其特征在于，修复轨道中具有弱超导特性的部分。
25.如权利要求23或24所述的方法，其特征在于，通过至少一种互连连接线圈轨道中那些未被丢弃的部分。
26.如权利要求1-14中任一项所述的方法，其特征在于，所述层是缓冲层或金属化层。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，线圈轨道在后续层中形成。
28.用于测试在用于超导线圈的薄膜材料中形成的路径的装置，该装置被设置执行如权利要求1-27中任一项所述的方法。
29.一种制作路径的方法，所述路径在用于超导线圈的薄膜材料层中形成，所述层在具有大体曲表面的模架上形成，该方法包括以下步骤a)沉积、整形和织构构成所述层的材料，以在所述模架的表面上或表面中就地形成路径；和b)如权利要求1-27所述测试线圈轨道。
30.用于测试路径的装置，所述路径在用于超导线圈的薄膜材料层中形成，所述层在具有大体曲表面的模架上形成，从而所述路径限定线圈轨道，该装置包括a)用于扫描所述层的扫描器；b)用于存储信息的存储器；和c)连接到所述存储器和所述扫描器的处理器，所述处理器被设置从所述扫描器接收信号，处理所述信号以从所述信号提取信息，并将所述信息导引至所述存储器。
31.如权利要求30所述的装置，其特征在于，所述扫描器包括用于探测材料的物理特性的至少一个探头，所述探头或每个探头可由所述处理器控制发送信号给所述处理器，所述处理器识别和定位所述层中的每个缺陷以提供所述层中存在的缺陷的布局图，并且所述处理器将所述布局图存储在所述存储器中。
32.如权利要求31所述的装置，其特征在于，还包括修复器，所述修复器可由所述处理器控制，所述处理器识别那些可修复的缺陷，并且所述修复器被设置修复所述可修复缺陷。
33.如权利要求31或32所述的装置，其特征在于，还包括线圈写入器，所述线圈写入器可由所述处理器控制，所述处理器识别那些不可修复的缺陷，所述处理器计算避开不可修复缺陷的线圈路径，并且所述线圈写入器被设置将所述线圈路径写入、构图或用其它方法限定到所述层中，限定超导的线圈轨道。
34.如权利要求30-33中任一项所述的装置，其特征在于，所述层是超导材料薄膜，所述扫描器包括线圈测试器，所述线圈测试器可由所述处理器控制，并且所述线圈测试器被设置通过利用探头测试或电测试或这两者的组合定位线圈轨道的弱超导区域。
35.如权利要求30-33中任一项所述的装置，其特征在于，所述层是缓冲层或金属化层。
36.用于制作路径的装置，所述路径在用于超导线圈的薄膜材料层中形成，所述层在具有大体曲表面的模架上形成，该装置包括a)沉积设备，其被设置在所述模架的表面上就地沉积、整形和织构所述层；和b)被设置用于测试所述层的装置，其如权利要求30-35中任一项所述。
37.通过一种方法制作的设备，所述方法如权利要求1-27中任一项所述。
全文摘要
一种测试在超导材料层中形成的超导线圈路径的方法。在具有大体曲表面的模架(6)上提供所述材料。该方法包括扫描所述层以检测所述层中的缺陷的步骤。
文档编号H01F6/06GK1777964SQ200480006145
公开日2006年5月24日 申请日期2004年3月5日 优先权日2003年3月6日
发明者E·马厄 申请人:涂层导体咨询有限公司