超导系统的制作方法

专利名称：超导系统的制作方法
超导系统
本发明主要阐明磁化超导体之设备及方法，特别对于超导磁通泵
(superconducting flux pump)和新型的己磁化超导体。
超导磁通泵的概念相对来说较为直观重复施加一弱磁场在超导体内 部产生一较大俘获磁场(trapped magnetic field)，其大小取决于超导体的体 积以及通过的临界电流，而与施加的励磁磁场无关。只要此超导体一直保 持低温状态，产生的俘获场即可在无外加电流之下仍维持恒定。
此专利报告提出一新技术的实现方法，能使得产生1特斯拉以上的强 磁场更为容易。不仅如此，实施例中除了部份磁化磁场需相当程度与平面 磁体达成垂直外，其磁场均可以范围内任意随时间或空间变化的自订磁场 分布磁化之，例如在空间中产生一均匀的磁化磁场或是一行波磁场 (traveling wave field)。
广泛来说，此专利技术的实现采用能「储存」磁场的媒介，此媒介通 常为一超导体。驱动此媒介以达成其磁化乃藉由一可变磁态的材料一例如 可由顺磁态转变为铁磁或逆磁态；当可变磁态材料产生磁相变时，其磁场 的改变会在超导媒介中产生感应电流以磁化(或去磁化)此超导媒介。此 报告所阐述的技术之实现一如文中讨论之几何和(或)方法的实现一在广 泛的应用中可见远瞻的前景。
本发明的第一层面为改变超导体磁化之方法自动化控制一磁场以生
成一通过超导体表面的行波时变磁通。
此一改良方法藉由重复施加一行波磁通于超导体上，由此一来，每次 磁场的通过均会产生持续电流并在超导体内储存更多的增量磁通。在具体
化上，此一通过的行波磁通所施加的磁场值超过超导体之临界磁场；例如 第一类超导体中的第一 (且唯一)临界场。若是使用第一类超导体，此一 行波磁场必须足以驱动整个超导体内的磁力线；这样的磁力线便可被驱导 至超导体内部区域，例如到达超导体材料中心。
具体化此方法较优化的选择为使用第二类超导体以及施加大于超导体之第一级临界磁场(HC1)的行波磁通。典型的第一级临界磁场很小，约20毫特斯拉左右，而原则上本方法可允许超导体材料的磁化程度到达第二 级临界磁场(HC2)，大小可超过l、 5、或10特斯拉，甚至达到40、 50特 斯拉。在实践上，二平行电流造成的强磁场所产生的互斥力会在材料上导 致强应力，尤其在高温超导材料上，当到达此应力范围上限时，可能需要 采用某些机械限制。本发明藉由施加的时变行波磁通(亦即行波磁场)累加或递减超导体 材料内的磁化程度达成超导材料的磁化、去磁化，或动态改变超导的磁化 程度。当对超导材料充磁时，磁场被控制成能够在每次行波磁通扫过超导 体表面后增加材料内之俘获磁场，如此一来，数次弱磁场扫描便可以在超 导体内迭加出相当强的磁场。原则上行波磁场可以由一绕组生成，但本发明中使用较优越的固态方 法(solid-state approach)。由此可以更好的实现自动控制充磁磁场，具体来 说便是控制超导体表面的可磁化材料层中之有序磁脉波。从专业角度看来， 本方法的优点为可磁化材料毋需直接接触超导体表面，可将两者分离的优 势会在之后详述；然而，可磁化材料与超导体表面最好能够保持一定程度 的接近以避免产生过多漏磁并增加充磁效率。与超导体具有相似尺寸的可 磁化材料层是较好的选择，其厚度由数微米到数毫米不等。在较好的实施 例中，可磁化材料层的制程采用厚膜或薄膜技术。本方法中的磁通顺序涵括任何广为人知的磁序种类，例如铁磁性、亚 铁磁性、逆磁性等以及其变态如倾角(canted)磁性、螺旋(helical)磁性、 低维(reduced dimensionality)磁性和其它各种磁通顺序。然而广泛来说， 有序磁脉波是由一组特定类型的磁排列组成；例如行波磁波可由一行进之 磁序脉波组成，或在一其余有磁序材料中通过一无磁序的脉冲一其效果等 同于磁通变化。可磁化材料本身不需具有很大的自发性磁场，在此情况下的充磁磁场 的替代方案可以藉由改变(降低或等量增加)可磁化材料的区域磁阻来集 中一独立外加于超导体的磁场。此种磁序便是由分配不同磁阻的磁通路增 加区域性外部磁场所造成的。在某些特别实施例中，在导体中施加一脉冲电流所产生的行波热流可用来加热(或冷却)电流导体。需选择不同的导体特性，如阻值、尺寸， 以及(或)改变通过脉冲电流的大小来达成特定的加热(冷却)结构，此 生成的行波热流可控制磁通顺序。例如， 一脉冲电流可以产生一通过导体的脉冲热流，将超导体材料区域性加热超过居里点(Curie point),藉此在有序的超导体材料中产生一区域性磁序扰动脉冲。在众多良好的磁性材料 中，普鲁士蓝(及其类似物)被认为是适宜本方法的磁性材料之一例。磁 性材料的选择取决于生成的行波热流大小以及(或)超导临界温度等等。 然而，在实施例中，磁化排序发生于一有序温度，而此热波在材料内产生 一温度的变化将按照其有序温度从材料的一侧转移至另一侧。本发明另一层面为磁化超导体的方法藉由在目标超导体上重复施加一大于其临界磁场的外部充磁磁场。此方法在某些优质的磁化实施例上，超导体的磁矩最少可达到充磁磁场的1.5倍。然在重复施加磁场的应用上，超导体内磁矩可达到外部重复充 磁磁场的2、 5、 10甚至100倍以上。此处提出一用来磁化超导体的系统以为本发明互补，磁化系统由一套 产生通过超导体表面的行波磁场的时变磁通生成装置所组成。磁通生成装置自带有一套控制系统，可控制超导材料中的磁通顺序以 产生充磁行波。精确的说，此控制系统可被设置为可生成行波热流，并由 此改变超导材料内的磁通顺序。意即此控制系统包含例如由可调控电流源 驱动的导体以输出目标驱动电流波形，例如一脉冲型驱动电流。上述方法说明，控制如普鲁士蓝及其类似物类等可磁化材料层片内的 磁通顺序可以生成一重复施加的充磁磁场。虽然在预设的实施例上，我们 采用热流波达成磁化的实现，但某些可磁化材料，包括稍后列出的数种普 鲁士蓝的类似物，能够使用如激光之类的光磁化之。此类以光学设备及方 法磁化的实施例，其施加于超导体上的充磁磁场乃由改变光通过可磁化材 料的路径所产生，例如以激光扫描过整片可磁化材料。此外，本发明亦提出一超导磁通泵；此一超导磁通泵组成元素包括-一层超导体材料、 一层覆于前述超导体材料上的磁性材料，此磁性材料能 在两种磁态间行热转换，其中至少任一磁态可磁性连结超导材料层；除了 超导磁料层和磁性材料层外，构成此泵的另一元素为一和前述磁性材料层热接触的导体，此导体的配置使其能够藉由内部通过的电流控制磁性材料 层的热转换。一层置放于超导材料层和磁性材料层之间的间隔材料可提供更好的热 绝缘(例如在使用动态热脉冲生成充磁行波磁场的实现方法)以及(或) 电绝缘(例如使用导体产生取决于磁性材料的热导系数和导体的位置的动 态温变)。除此之外或另一选择，磁性及超导材料实际上可以被分隔开来， 例如位于超导磁通泵装置中的不同部位或是分别位在不同的封装中。或如 同在磁通泵实施例中，超导体可以被安装在一形如令牌的支架上，由此一 来，借着置放超导体与磁性材料，使两者的距离够近并足以运作磁通泵的 情况下，超导体可被充电及/或放电。换句话说，超导磁通泵的支架可插入 由磁性材料如普鲁士蓝制成的充/放电装置，配有理想的电子电路和提供充 磁磁场的磁体或线圈。本发明又进一步提出一两段式超导磁通泵，此装置的第一部份由超导 体材料构成，第二部分为改变超导体材料磁化量的充/放电装置。此一充/ 放电装置至少包含一组可变态磁性材料以及一组用来切换其磁态的转换系统；将超导体材料定位于此装置毗邻磁性材料的位置上。藉由控制磁性材料的磁态切换即可改变超导体的磁化。对于充/放电装置中的磁态切换系统， 热切换系统是为较优的选择，亦可将磁体或线圈纳入系统内以生成充磁磁 场。超导体材料的选择上偏好使用所谓的铜氧化物超导体(cuprate superconductor),尤其是,乙钡铜氧4七物(YBCO-yttrium barium copper oxide)之类的高温超导体。本发明亦提供一具有一群单元点之超导装置，其中每一单元点均包括 一上述之磁通泵。(专业人员应当了解本文提到的超导装置以及超导磁通泵 等并不仅限狭义处于其超导状态下的装置或超导磁通泵。)一旦实施例中的第一个单元点被磁化后，其周围单元点的外磁场会增 加，因此整块普鲁士蓝的外磁场均会增加；是以在第二个单元点被磁化时， 通过磁通泵过程产生的磁化程度会大于第一个单元点。因此首先被磁化的 超导体单元可用来协助第二个超导体单元的磁化；较先被磁化的超导体单 元，由此类推，有助于稍后超导体单元之磁化。可见本发明提出磁化一系列相邻超导体的技术，此技术藉由磁化序列 中的第一个超导体单元，并以其中生成的磁通连接序列中第二个超导体单 元并磁化之，由此类推。本发明亦提供达成上述磁化系列超导体的系统，此系统包括磁化超导 体单元的技术以及利用其连接磁通序列磁化其邻近的超导体单元的方法。上述超导磁通泵装置可用来生成点阵化(pixellated)的磁场，值得注 意的是，其方向垂直于装置平面，且其大小和形状可由每个单元点的磁化 程度定义之。因此容许特殊形状磁场的生成，例如在平面上生成一块区域 平板磁场。本发明更进一步提出定义区域磁场的方法，包括一组超导磁性单元群; 和控制前述超导磁单元群以定义前述的区域磁场。专业人员会理解所谓超导磁单元群可以为同一块超导体的一部分，亦 即前述可磁化材料层和(或)超导体材料可以为一层连续材料，例如以单 元点图形化(参照后述的图lb和lc)。更进一步的实现中，磁开关材料层 可以包括一连续材料层(如后述图lb)。通常实施例会提供一间隔材料或热 绝缘层介于可磁化或磁开关材料层与超导体或超导性材料层之间，但在某 些实施例中可以不使用此一绝缘层，例如工作于超导体临界温度之下的磁 开关材料层，尤以工作温度远低于临界温度者为佳(例如使用普鲁士蓝或 其类似物以及钇钡铜化合物的状况下)。本发明亦包括相关的超导磁性装置，此装置涉及一超导磁性单元，此 超导磁性单元带有一超导体区块以及一施加行波磁波于前述超导体区块的 系统。这项超导磁性装置包含一组用来将指定的超导磁性材料寻址之电极， 并施加一行波磁波以磁化(或去磁化)寻址后之单元。如同前述，本装置 可更好的由一组磁性单元点组成。每一个单元点都可以构成一超导磁通泵， 精确的说，是配以一用单元点图形化的可磁化材料层以及和其对应的一群 超导磁性单元。实施例中的可磁化或磁开关材料和(或)超导体材料可以 为一连续材料层并选择性(非必要性)的以一绝缘材料层隔离之。用来施 加磁波之系统偏好由一用来磁化(或去磁化)超导体的可磁化材料区块构 成；更好的系统进一步包括至少一导体，用来施加热行波于可磁化材料之上，并藉由改变磁性材料的磁序产生可磁化材料之行波磁波(变动磁场)。 本发行进一步提出一可磁化超导体，其包括一超导表面，位于此表面
上之可磁化材料层以及一介于两者之间的热绝缘区域。
此一热绝缘区域在实现上涉及一气隙，亦即能区隔可磁化材料层与目
标磁化(或去磁化)超导材料层。在此所谓表面并不局限于平面。
可磁化材料层偏好使用在温度低于100 K且高于所述超导体在无磁场
情况失去其超导特性之温度的条件下，所述材料磁序会自动排列。如铁磁
或亚铁磁材料的居里温度相对接近超导材料之临界温度，例如在不超过10
K， 50K或100K以上。然而在某些状况下，实施例仍然可操作于较大温 差条件下，例如500 K甚至1000 K，其温差耐受度取决于热绝缘程度。值 得一提的是，在某些配列下，热绝缘区域只需提供部份热隔离甚至可以被 省略之。
另一方面，本发明提供一具有一表面之己磁化超导体，以及一以上述 表面法向量定义之轴；在没有外加磁场的情况下，此己磁化超导体具有至 少一个区域，大体上区域中的磁场强度随与前述轴的距离增加保持定值。
在传统平面形磁体的去磁化中不能制造表面分布有近似常数之磁矩的 磁体。传统上，这种形状的磁体其磁矩会向磁体中心下降。相反地，本发 明实现的技术则使磁体之磁矩向其中心方向增加，例如一盘形超导体的磁 矩向盘中心近线性增加的实现。循环电流的建立在概念上可以视为一群同 心的扁平线圈。在这些虚拟扁平线圈中带有几为相同的电流，其合成磁场 向超导体的对称轴增加。借着变化变动磁场产生不同大小的感应电流，可 以产生任意合成磁场，其大小趋势介于向对称轴中心增加与向中心轴减少 之间，特别是一与中心轴距离无关之恒定值磁场(意指跨越中心轴垂直于 平面之磁矩至少在平面的中心区域保持几乎定值)。有许多用来建立循环电 流的方法可以采用。其中之一使用向超导体之对称轴递减之锥形导体；另 一方法是使用前述之点阵化的可磁化超导体在平面之目标区域上产生一定 值常数磁场。
本发明更进一步提出一已磁化超导体，此一已磁化超导体带有一群近 似同心之循环电流，其循环方向相同但相对量值不同。
在前述的磁化技术实现上， 一中央环流以相反于同心循环电流群之方向流动。此处描述的技术可以产生强大磁场，例如磁矩峰值达到1特斯拉、2.2特斯拉、2.3特斯拉以上的强磁场(专业人员会理解超导体的磁矩与其磁化程度互为同义)。由此产生的磁场大于由现今电性材料中获得的磁场。 本发明亦提出一近似平面之己磁化超导体，其磁矩至少为l特斯拉。举例来说，使用一典型之高温超导体，其带有101Q安培每平方米(A/m2) 之临界电流密度(Je)，要产生1.4特斯拉的磁场在实现上需采用直径1毫 米、厚度90微米的平板超导；若要采用直径5毫米的平板超导体产生相同 大小的磁场，经计算有效厚度约为45微米。此类型的超导体，仅需20毫 特斯拉至30毫特斯拉重复施加之励磁磁场，即可将其磁化至1.4特斯拉。本发明所使用的基本原理乃是使用热流感应一动态磁场，由此造成一 产生电流之电场。前述的具体实现即为在超导体内感应一持续电流，藉以 生成一持续磁场。事实上，此处阐述之技术可以使用于任何电导体(并不 仅限于超导体)。在实现本发明的各方面所使用之超导体可以取代以任何能 够在装置中扮演产生电力之热发动机的传统导体。于是此一发明亦提出一由热源或光源产生电力之热或光发动机，此发 动机涉及将光度或温度变化转换为磁场变化之方法；以及将前述之磁场 变化转换为电力之方法。发明人认为相似之概念可被采用为高效率太阳能电池的基础。由此可见，本发明的延伸层面提出一太阳能电池，包括第一层材料 构成一可磁性交变光透射的窗口；位于第一层窗口之下的第二层磁开关材 料，其具有光响应磁化性；以及位于前述磁性材料生成之磁场中的导体。 当光透射进第二层磁开关材料中，其内分子震荡产生了前述磁化程度之改 变，并在导体中感应生成电流。第一层材料偏好由液晶材料组成。在太阳能电池的实现中包括磁化磁 开关材料的方法，例如使用永久磁体产生一磁化磁开关材料的磁场。由此开始，要进一步举例说明本发明的各个层面，随例参照图说明如下

图1表示一超导磁通泵之立面图；图2表示由多个上述磁通泵单元组成的超导磁通泵，其中每一泵单元可为图l所表示的类型之一；图3表示图一所示之的装置俯视图，采用图2装置所表示的泵单元寻 址范例；图4为一模型之范例几何结构；图5至7演示了当磁场扫过超导体中心时，其中发生的系列步骤(由 于左右对称，本图仅绘出超导体的右半部以为代表)；图8描述超导环中心的俘获磁通(平均磁场对于超导磁通泵之数量关系)；图9演示和图7磁化过程相近之去磁化程序以为辅助； 图10描述去磁化过程中，超导环中心的俘获磁通(平均磁场对于超导 磁通泵之数量关系)；图ll表示一磁超导体范例；以及 图12描绘其磁通加乘效应； 图13表示一太阳能电池范例；图14描述一具体实施本发明说明之各项技术的实验装置；图15绘出一范例钕铁硼的磁化曲线；图16为一范例圆柱型普鲁士蓝对切后之俯视及截面图；图17为一普鲁士蓝之同构型元素在不同温度下的磁滞回线；图18a及b分别绘出图14所述设备的中心探测点和边缘探测点所测加热及冷却过程磁通密度(毫特斯拉)对于温度(K)的关系；图19描述中心及边缘探测点加热(右侧刻度)及冷却(左侧刻度)过程于临界温度的迈斯纳(Meissner)转换；图20描述中心及边缘探测点之数个泵浦周期中，磁通密度(毫特斯拉)对于温度(K)的关系。图21表示一个及多个泵循环周期， 一中心探测点量测之磁通密度(毫特斯拉)对于温度(K)之图。 一不连续现象发生于超导体失去其超导特性之过程曲线；图22a及b表示无超导体下的控制曲线； 图1绘出超导磁通泵之立面图，而图2表示此磁通泵之一群泵单元，其中每一泵单元均可为图1中之一类型。在一些预设的实施例中，组成此一系统的元素包括1) 超导层2) 绝缘层3) 磁开关层4) 热源/电导层其几何结构图标于图1及2中。图1表示其中一元素的立面图；图2 为一群元素之俯视图。图1图2两者均仅用来阐述本发明之原理，并非作 为最终装置的表述。有不同形式之热源，可用其驱动超导体之法向量以发 生急速去磁化，或是依发明之简洁起见，以图lb所示一连续超导体层及(或)图lc所示之连续隔离层。简述图l之更多细节，在所有图la到lc中，超导层1均与冷却槽5(直 接)热接触。 一热绝缘层2覆盖于超导层1上在图la中，全面覆盖超导层并与冷却槽接触；图lb中，覆盖超导层之上表面；而在图lc中，此绝 缘层仅部份覆盖超导层之上表面。绘于三图之任一实施例中，绝缘层2将 大部分或全部的磁开关材料层与其下之超导体层隔开(在图lc中，磁开关 材料层3之部份与超导层接触，特别是在边缘部份)。第四层可由热源及(或) 电源或热导体组成，偏好与磁开关层3直接接触，并可选择性的与隔离层2 直接接触(图lc)，且可和冷却槽接触(图la)。图la到lc所示之结构单 元可复制于一整个区域，如此一来一或多个超导层、磁开关材料层以及隔 离层可以构成一连续材料层。除所绘范例外，层4 (或由导体构成)可以覆 于磁开关材料上而非图lb所示介于磁开关材料之间。更进一步的实施例中， 隔离层可被省略，例如在磁开关材料(例如普鲁士蓝及其类似物)工作温 度低于，最好相当程度低于，超导体(如钇钡铜氧化物)之临界温度。图2所示为均匀的网格状导体/热源。在实际运用以及特殊情况上，若 是需要一固定的场图形则不在此例。例如将不同磁单元以不同次数开关之 可产生一均匀的磁场分布，或使每一单元具有不同的尺寸。虽然图2之单 元点分布将所有的单元点绘成近似等尺寸之单元，但专业人员会理解(在 一个装置之内的)单元点可以具有不同的大小。接着叙述超导磁通泵较好的嵌入方式，超导层由下方保冷并由上方热 绝缘层隔离之。冷却头与磁开关材料热耦合。典型的层4由一电流通过之导体(或一组导体)来调节顶层(磁性材料层)之温度。此分配使得我们 可能沿磁开关材料送出热脉冲以切换其磁态，由磁性切换至非磁性或反之， 并由此生成通过超导体之磁波。当此一磁波通过超导体时，磁通会被俘获 于超导体中，而总俘获磁通的大小取决于送出脉冲的次数。由此可以产生 正确的磁场分布。此一磁通可充升至较大值或减降之。磁场分布一旦建立， 在超导体温度恒定下，此磁场分布亦保持稳定。图3表示图1所示装置之俯视图，并为图2之装置示范一磁通泵单元之寻址，图3绘出三个单位单元。图中的电流被导向中心单元以在磁材料的边缘产生一加热区域。开关， 一般为晶体管，使电源导轨上的电流可 以被导向或导离导体(图中接邻磁性材料层之斜线部份)。磁性材料目前用以测试的磁开关层材料为普鲁士蓝类似物。 一般来说，此类材 料进行由铁磁至亚铁磁磁序转变的温度接近钇钡铜氧化物之临界温度。下表歹lj出一部分此类型材料(由Molecular Magnetism from Molecular Assemblies to the Devices, Ed. Eugenio Coronado et al)。已被4吏用至今的材茅斗 例如Ni，/[Crm(CN)6]以及C8H20NNi"[Crm(CN)6];更多的实验细节会在稍 后详述。然而技术人员应理解任何磁性材料均可能作为磁开关层；本技术 亦可被应用于可变逆磁性材料上。唯一的要求是在接邻超导体处感应生成 一变动磁场。CsNiU[Cr^CN)6]. 2H20为一有用之化合物因钇钡铜氧化物之临界温度 (Tc)为93K; 0A[Crm(CN)6]2. 15H20为一有用之化合物因其临界温度 (66K)近似于氮气之冷冻温度(64K)。普鲁士蓝类似物；F和F1分别表示铁磁及亚铁磁序化合物<formula>formula see original document page 17</formula>超导体材料
铜氧化物，例如钇钡铜氧化物，制造于薄膜、厚膜以及块体材料，由
于其具有相当高的临界温度并可产生高俘获磁场是为较好的超导体材料； 但理论上可以使用任何第二类超导体材料。别于钇钡铜氧化物的选择乃将 其中的钇由其它稀土元素如钆(gadolinium)或铷(rubidium)取代(此种 超导体通常称为稀土钡铜氧，REBCO)。其它的替代方案有2212型态或 2223型态之铋系超导体(BSCCO)、 二硼化镁(MgB2)，其优点为成本低 廉但其临界温度亦较低(为30多度K)。其它还有相当多可使用的材料， 例如镧系元素(lanthanides)、铊化合物或汞化合物。
另有许多材料可说为有机超导体(organic superconductors),包括 Bechgaard盐、法布尔盐(Fabre salts)等准一维(quasi one-dimensional)超 导体；准二维超导体如Kappa-BEDT-TTF2X、 lambda-BETS2X和石墨层间化 合物(graphite intercalation compounds); 以及三维材料如Alkali-doped富勒 烯(fullerenes )。
铜氧化物的选择可以参照「 Superconducting materials - a topical overview」，Hott, Roland; Kleiner, Reinhold; Wolf, Thomas et al.(2004-08-01)oai:arXiv.org:cond-mat/0408212。 包含 高温超导系 Bi-HTS(Bi-m2(n-1 )n，BSCCO); Tl -HTS(T 1 -m2(n-1 )n,TBCCO);
Hg-HTS(Hg-mV 1 )n,HBCCO); Au-HTS(Au-m2(n-1 )n);
123-HTS(RE-123，RBCO); Cu-HTS(Cu-m2(n-l)n); Ru-HTS(Ru画1212); B-HTS(B-m2(n-l)n); 214-HTS(LSCO，，0202，，)； (E'e"腦-Do— HTS PCCO NCCO); ("02(n-l)n，，)； /咖"e-La戸HTS (￡/e"ra"-Z)o—/丄).
发明人建立一模型以为发明原理之左证，此模型中的磁场依照前述机 制由一超导环外扫入超导体内。此模型中的几何形状乃为简化计算而采用， 本装置在上述之方形几何形状(或任何几何形状)均可良好地工作。
本模型使用之参数超导体厚度为3.5厘米、临界电流密度为1010安培 每平方公尺；磁体厚度为2厘米、提供强度20-30毫特斯拉垂直于超导表 面之磁场。
图4表示范例模型之几何形状。图5描述当磁场扫入超导体中心，其 中发生的系列步骤(由于左右对称，本图仅绘出超导体的右半部以为代表)。 在本例中假设磁场乃由一从左向右移动之小磁体所生成；每一步骤中，小 磁体位于紧接记号500下。(在步骤2中，502号位置上，来自于步骤l之
磁场和新磁体位置生成之磁场并不会完全抵销，因为步骤1中，并非所有 的感应磁通都能被超导体所俘获。)两个泵的系列步骤也逐步的图解于图6 中，图7接着描绘了10、 50、 150、 250以及300个泵的状态。在这些图中， 蓝色区域(B)是流入页面的电流而红色区域(R)是流出页面的电流。随 着循环次数增加，蓝色区域亦越来越大，当超导体内部布满电流时，即己 达到俘获磁场的物理限制。此一物理限制取决于超导体的临界电流密度以 及其体积。
图8之曲线描述磁场如何随着泵数目而增长之关系。因此图8所绘为 超导环中心之俘获磁通(平均磁场对于泵数目之关系)。
此系统无论在磁体切换为开或关时均工作良好，只不过其具有相反的 功用。图9即表示此一去磁化过程作为图7之补充。图10则绘出去磁化过 程中，超导环中心的俘获磁通(平均磁场对于泵数目之关系)。
图11描绘一圆柱形超导体之磁力线。其空间分布疏密代表局部磁通密 度，平均分布的磁力线则表示一常数磁通密度。图12则表示磁通加乘效应。图12a中， 一弱外加环境磁场将单元点1
磁化(箭头表示磁场方向；其空间分布疏密表示磁通密度)。图12b邻近的
单元点除外加磁场还有单元点l磁化后带有的磁场，于是单元点2之泵浦
现可产生比单元点l上的磁泵更大的合成磁场。
更仔细说，假设单元点1被一重复施加的30毫特斯拉之磁场磁化至 300毫特斯拉，单元点2和3各分到150毫特斯拉，于是在这些单元点上 的有效磁场为180毫特斯拉(150+30毫特斯拉)；由此下去，接续被磁化的 单元点或超导体所产生的磁场将随着愈大的磁化磁场加乘之(在此例中， 若下一步磁化磁场成为1800毫特斯拉，再下一步即会成为18特斯拉)。虽 然到达某程度，可磁化材料(普鲁士蓝)将会饱和，但本技术可贵之处在 于利用此型技术可以快速获得非常强的磁场。
以上所言己叙述了超导磁通泵的基本操作以及提出了一模型以展示其 原理。图中所描绘的实施例均为最简化之装置示意图，而且值得一提的是， 理论上可有多个磁性材料层，其中磁体的切换可以按顺序开关以提升泵浦 的速度；或是为了相同的目的，不同磁性材料层具有不同的临界温度，如 此一来当某层增加超导体中的俘获磁场时，另一层减少之。
事实上，本发明由两个概念结合而成。第一，乃使用可在非磁性及磁 性态(磁性态可为铁磁性、亚铁磁性或逆磁性)之间转变的材料，生成磁 场扫过所谓的「磁场容器」(典型来说为一超导体)。此一过程可进行任意 次数(包括一次)并可用来提升或降低最终的合成磁场。第二个概念即为 「点阵化」磁场以建立磁场图形的原理。此处「点阵化」磁场的目的在于 能够区域性改变磁场之密度以及强度；其重要性的众多原因之一首先可以 理解为，假设需要一均匀分布之磁场， 一群磁化程度相同或是均匀分布于 一平面上的单元点是不能达成此目标的。
这个概念之所以意义重大，原因包括
1) 其独特之几何形状(一般状况下是不可能产生一与短 距离轴，亦即平面之法向量，平行之强磁场)。
2) 目前并没有实际可行的方法，能够不需借着施加至少 等强的磁场即在超导体中俘获大量的磁场；本方法所使用为重 复施加之低磁通密度的磁场。3)量化空间中的磁场及其量值代表可以生成许多包括静
态和动态的场图形；而无线圈的实现代表此处不需存有电感造 成的限制。
上述之概念亦可用于热机的制造，如前所言，亦可应用于高效太阳能 电池。图13即表示此装置之一例，具有三层。第一层由液晶材料组成，在 磁场的存在下切换于第一态，偏好为几乎透明的状态，及第二态，偏好为 几乎不透明的状态，之间。适当液晶材料之 一 例为 4-n-pentyl-4，cyanobiphenyl，又称为5CB。此装置的第二层位于第一层之下 (在太阳能电池的应用中，沿光入射方向视之)，由光响应之磁性材料层构 成，例如1,3，5-trithia-2,4,6-triazapentalenyl (TTTA)或其它由光子感应磁化 效应的化合物或L正SST。此装置亦包括了由导体组成的第三层。装置工作 时，光通过透明态的液晶，切换磁性材料(普鲁士蓝)之磁态以导致磁场 的变化。如此一来便在导体内产生感应电动势以及电流；磁场的变化亦使 液晶转为不透明态，使得磁开关层再次处于黑暗状态，另一次的磁场改变 及其感应电流便由此而生。当液晶再次成为透明态时，另一个循环即重新 开始。
更仔细的讨论图13，其表示一处于永久磁体产生的磁场中的范例太阳 能电池，并包括，当磁开关层(绝大多数)工作在相当低温状态下时，一 或多个位于磁开关层下之线圈/导体。
上述例子中，有许多可选用的液晶材料，举4-n-pentyl-4，cyanobiphenyl (5CB)为例，其态转换发生于400高斯(或0.04特斯拉)。态转换即为在 偏振光照射下由不透明态转为透明态或反之。(参见"Magnetic-field-induced Freedericksz transition and the dynamic response of nematic liquid-crystal films with a free surface" Shyu-Mou Chen and Ting-Chiang Hsieh， Phys. Rev A43， 2848-2857(1991) [Issue 6-15 March 1991])。
有些磁性材料之光态转变(photoshift)发生于室温附近。 l,3,5-trithia-2,4，6-triazapentalenyl (TTTA)即为一例，其临界温度为296 K 且在在顺磁态与逆磁态间转换。(H. Matsuzaki, W. Fujita, K. Awaga and H. Okamoto， "Photoinduced phase transition in an organic radical crystal with room-temperature optical and magnetic bistability"， PHSICAL REVIEWLETTERS 91(1): Art.No 017403 JUL 4 2003)。
亦有许多普鲁士蓝之类似物会在低温温度时对光响应，因此可根据本 发明中用于超导磁通泵之实现。第一个由Hashimoto之团队所发现的类似物 乃钴、铁为基调的化合物如K0.2Col.4[Fe(CN).6] . 6.9H20和 K0.4Col.3[Fe(CN).6]. 5H20 (参见Sata ) ， Iyoda T. Fujishima A, " a/. "Photoinduced magnetization of a cobalt-iron cyanide" SCIENCE 272 (5262): 704-705 MAY 3 1996; and Sato O, Einaga Y, Iyoda T, a a/. "Reversible photoinduced magnetization" JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY 144(1): 111-113 JAN 1997 )。 或以钼元素为基调如 Cu"2[MoIV(CN)8]. 8H20 (S. Ohkoshi ^ a/" C7ze附丄e".， 4, 312 (2001); 爿肌 C7zem. Soc., 128， 270 (2006); T. Hozumi ef a/.， J」m. C/2ew. 5bc.， 127， 3684 (2005))--然而此化合物在某些应用中可能无法提供足够的磁场。或如 Rbo.wMn,.o5[Fe(Cn)6] . 0.6H2O ( "Temperature- and photo-induced phase transition in rubidium manganese hexacyanoferrate", Shin-ichi Ohkoshi， Hiroko Tokoro and Kazuhito Hashimoto JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY 15 (32): 3291-3295 2005)。又或者如Epstein报告于论文"New Bases for Flexible, light-weight, Low-cost, and Scalable Electronics: Organic-based Magnetism and Doped Conducting Polymers for Field Effect Devices" / ￡;w^>7中之锰化合物。
许多(非光态转变)非普鲁士蓝及其类似物之化合物，由于其具备磁 序化或无序化之态转变，亦可用于本发明之实现。这些化合物包括草酸盐(Oxalate),例如tris画dithiooxalato salts, A[MIICr(C2S-202)3];其中A+ 为PPH4 + 、 N(n-CnH2n+l)4+， n的范围为三到五之间，Mil为锰、铁、钴、 镍等。(参见Inorg. Chem., 42 (4), 986-996, 2003. 10.1021/ic02302x S0020-1669(02)00302-6 ) 以及金属草酸盐系磁体如 (R4N)[MnlICrlII(C204)3]; 双氰胺化合物如 MII[N(CN)2]2 和 MII[N(CN)2]2Lx (此处L为 pyridine 、 pymzine， 2,2'-bipyridine 、 4，4'-bipyridine)。 (参见Manson， J. L.; Incarvito， C. D.; Rheingold， A. L.; Miller, J. S. J. Chem. Soc.， Dalton Trans. 1998, 3705); trithiatriazapentalenyl radical如C2S3N3 (McManus GD， Rawson JM， Feeder N， et al. "Synthesis,crystal structures, electronic structure and magnetic behaviour of the trithiatriazapentalenyl radical", C2S3N3 JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY 11 (8): 1992-2003 2001 );禾B V(TCNE)2.0.5CH2C12 (MA丽QUEZ JM, YEE GT， MCLEAN RS， et al. A ROOM-TEMPERATURE MOLECULAR ORGANIC BASED MAGNET SCIENCE 252 (5011): 1415-1417 JUN 7 1991)。
仍然有许多磁性材料具有居里点且很有可能藉由掺杂将其降至适当的 温度。
实验结果
继续说明图14，其表示实验装备的中线纵切面，此装备设计为可测试 每一组件之绝缘态和共存态。此一组合已被模块化，无论普鲁士蓝的存在 与否，均可以进行测量；在具有超导体的情况下，霍尔组件紧邻超导体， 而在无超导体的测量中，霍尔组件紧邻磁体。请注意图14并非按比例绘制。
在图中，箭头所标之A、 B分别表示磁体的导热路径和普鲁士蓝。另一 介于超导体和普鲁士蓝之间额外的导热路径由一纤维垫圈提供。此实验装 备位于一真空腔内，普鲁士蓝和磁体的上下均有间隙。此实验仪器设备有 两个版本，第一个置于黄铜中以提供良好的热传导系数，第二个置于铁中 以提供磁通路。图14中所示为置于铁的版本；绘于图18， 19之量测结果 即由此版本取得。本实验工作中采用的普鲁士蓝类似物为 Nii/[C,(CN)6]，其具有相当低的相对磁导率(约为3),因此本材料需要
使用铁的版本以取得图示的实验结果。本报告亦提出第二种普鲁士蓝类似 物，C8H20NNiH[C,(CN)6]，的实验结果，此材料的SQUID量测支持稍后
叙述的，作为演示范例系统中实际操作之测量结果。
如前所言，可磁化材料(此处为普鲁士蓝)并不需具有大量的自带磁 场，仅需具有集中分别施加磁场之能力。因此，如图1之实施例所示，一 磁体或其它磁性材料层可以置于磁开关层3之上。图14之实验装备中，磁 场由铷铁硼磁体提供，普鲁士蓝增强了此配置之磁场。
图15表示不同等级之铷铁硼磁体的范例磁化特征曲线。由这些曲线可 知，磁场的改变完全是可逆的；使用图14之装备量测磁化程度随温度的变化时发现，当磁体回复室温时，磁化程度并没有净縮减。是以铷铁硼磁体 之热循环可以达到期望的磁场变化，用来磁化超导体。可在图15看到铷铁 硼磁体本身进行磁态转变的温度近似于钇钡铜氧化物之临界温度，因此成 为磁开关材料极好的选择。
普鲁士蓝类似物在溶液中会以粉末状沈淀析出且倾向于具有较差的热
导系数。 一可行之道为使用金属胶着剂，如silver Dag ,将其塑形成块体 结构并在不负面影响堆积因子(packing factor)以至于整体磁矩的情况下增 加材料的电及热传导系数。图16即绘出由此法制成之一范例普鲁士蓝块材。 图17表示一普鲁士蓝类似物，Ag[C,(CA06;|，在不同温度下之M-H 回线。当外加磁场(X轴)保持恒定，温度的减少会增加整体磁场。此类 似物之有效相对磁导率仅有3左右且在40 K时，其饱和磁化强度为60毫 特斯拉。在一强度为2.5 * 105安培每米(0.3特斯拉)，温度改变范围为45 K 到70K，所生成之磁化强度约为3 * 104安培每米(38毫特斯拉)，仿真结 果显示其磁化强度已足以产生20到30毫特斯拉的行波磁波，所以在我们 的测试设备中即采用此一类似物；然而技术人员当认知反复的实验可以鉴 别更好的化合物。图18a和18b中之回线描述磁场随热循环之变化。此处 使用两个霍尔组件， 一位于接近实验仪器中心线处(图18a)，另一组件则 位于中心线外。两者量测之图形，上部曲线表示冷却过程、下部曲线则表 示加热过程。
图18和19绘出单个泵，图20绘出两个泵，而图21在一张图面上绘 出图18和19的数据。
可由图18中看出，当设备被加热时，磁通量的减少代表此时超导体己 被磁化。注意在图中，达成加热的过程乃由关闭压縮机冷却源以使导热路 径较易由图14中之纤维垫圈通过。
解读图18需留意；既然仅测量系统中一个位置的温度，且此位置谨慎 地只微弱地和超导体热耦合，领懂温度和超导体实际温度必然存在温度差。 明显的左证为发生于超导体达其临界温度的迈斯纳转换在冷却过程中， 其发生于实测温度为122 K时，而在加热过程中，却发生于实测温度98 K 时。
尽管如此，以上过程有两个特征给予系统的操作相当有利的实验证据。第一个特征为，随着加热过程进行，整体磁场随着温度升高而降低。(超 导体的磁化会对抗励磁磁场因而造成整体磁场的降低)
第二个特征为加热中心探测点图形显示之大的不连续性，其发生于超 导体渐失去其超导特性时，亦因此失去其磁化强度。部份的不连续性导因 于迈斯纳磁通排斥，但图19 (下)显示并非全部如此。
图19特写超导态转换的冷却及加热之部份过程，其中一需注意之重要 现象，磁通密度的改变发生于超导温度经过其临界温度，迈斯纳磁通排斥 发生时，在冷却过程中产生之磁通密度改变，无论中心探测点或边缘探测 点测量之结果，均少于再加热过程中磁通密度变化。这一现象意指超导体 的净磁化量超过仅以迈斯纳效应可解释的范围。
详述之，当一超导体通过其临界温度时，磁通产生排斥现象；此过程 即为迈斯纳效应。此效应可见于图19中当装置被冷却过程中磁通的瞬降。 在没有预先磁化的情况下，经过临界温度的加热过程也会在测量磁通密度 造成类似的升高。图19中，在加热时磁通提升较大表示超导的磁化是成功 的。此结果之所以意义重大在于演示了一系统，其无须借助移动组件和导 线中流动电流，即可磁化其它材料。
图20绘出两个循环，演示使用多个泵的可能。图21绘出重迭的单循 环和双循环。图22a和b表示在没有超导体的情况下实验装备的结果演示 了此处并无磁场积累之现象，并且当实验装备加热回之前温度时，仅存在 微小或不存在有磁滞现象(图22b分别绘出温度和磁通密度在温度循环下 之演化过程)。
本范例的限制在于普鲁士蓝本身，当越来越多的泵完成磁化，由普鲁 士蓝角度所见的总磁场也越来越低。因此在图17左(朝y轴方向)所表示 的磁场随着温度变化而减少；换句话说，行波磁场的大小降低且有效泵亦 随之减少。
然而在多单元情况下这并不构成问题，因为一旦一个单元被磁化后， 此一磁化之单元将会补强其邻近单元之磁场。此外，本系统显示其第一个 热波乃由冷却态触发；若是此系统相反地将加热态设置为触发态，超导体 会以相反方向磁化并且增强，于是其趋势会向y轴方向离开。(此波可以包 括单个扰动或是一梯级变化，但若使用周期波，其可以具有任意周期且其后缘(在具有后缘的状况下)可以距离前缘数毫秒、数秒甚是数小时)
虽然某些上述的实施例仅提及超导体环的使用，普遍也相信圆形或近 圆形的几何结构或许是最好的配置；但是本系统的配置并不受限于波的几 何形状，其亦可工作于平面波之状况(平面波意指以近似直线行进的波) 而非仅有圆形波(圆形波意指由中心向外或由外向内传播的波)。
前述的众多概念中我们已描述一方法/系统能够在没有移动组件和导线 中流动电流的条件下磁化其它材料。更精确地说，所述此技术能实现高能 磁场的产生。目前此技术有相当多潜在的尖端应用，例如在需要高度稳定 均匀的磁场应用上，如核磁共振；以及在需要动态行波以及纯磁场变化的 领域，如电机、发动机和光电上利用磁开关的液晶。此技术也可应用于磁 性挥发性内存，甚至应用于磁性CMOS之计算器。
毫无疑问的，技术人员可以想出许多有效的替代方案，但可以理解本 发明并不仅限于此处所公开之实施例，本发明涵盖在所附权利要求内任何 基于本发明精神实质所修改之实施例。
权利要求
1、一改变超导体磁化之方法，此方法包括自动化控制一磁场产生磁通变化波，此行波通过所述超导体表面。
2、 按照权利要求1叙述之方法，其中之变化包括磁化所述之超导体，此方法更进一步涉及重复施加所述行波磁通于所述超导体上。
3、 按照权利要求1或2叙述之方法，其中所述之行波磁通施给所述超 导体的磁场大于超导体之临界磁场。
4、 按照权利要求l、 2或3叙述之方法，其中所谓自动化控制涉及控 制分布于所述超导体表面之可磁化材料层中的磁通顺序。
5、 按照权利要求4叙述之方法，其中所述材料为铁磁性或亚铁磁性材料。
6、 按照权利要求4或5叙述之方法，其中导体和所述之材料层热接触， 导体内之电流在所述导体中产生一行波热波以控制所述磁序。
7、 按照权利要求6之方法，其中所述磁通顺序改变发生于一有序温度， 前述之热波在所述材料中造成的温度变化会按照此有序温度从材料的一侧 转换至另一侧。
8、 一磁化超导体之方法，此方法包括重复施加一大于所述超导体之临 界磁场之外部磁场于所述超导体上。
9、 按照权利要求8叙述之方法，其中超导体所谓被磁化，表示所述超 导体其磁矩至少大于所述之外加磁场的50%以上。
10、 一用来磁化超导体之系统，此系统包括一套设备，其用以产生通 过所述超导体表面之磁通变化波。
11、 按照权利要求IO叙述之系统，其中所述的设备包括一可磁化材料 和一控制系统，用以控制所述材料中之磁序，由此生成行进行波磁通。
12、 按照权利要求11叙述之系统，其中所述之磁性材料具有一有序温 度，所述之控制系统被配置为可以产生行波热波并由此在所述材料中产生 行波磁序。
13、 一用来磁化超导体之系统，此系统包括重复施加大于所述超导体 临界磁场之外加磁场的方法。
14、 一超导磁通泵，此泵包括 一超导材料层；一磁性材料层，覆于所述超导材料层上，此磁性材料可以热切换于 两种磁态之间，其中至少一磁态可与所述之超导材料层磁性连结；以及一导体，其与所述之磁性材料层热接触，所述导体被设置为藉由控 制通过所述导体中的电流，即可控制所述磁性材料之热开关。
15、 按照权利要求14叙述之超导磁通泵，其进一步包括一介于所述磁 性材料和超导体材料之间的隔离材料。
16、 按照权利要求14或15叙述之超导磁通泵，所述之超导体为一高 温超导体。
17、 一包含一群单位点(pixel)之超导装置，每一单元点包括一按照 权利要求14、 15或16中所述之磁通泵。
18、 一超导磁性装置，此装置包括一超导磁性单元，具有一超导体区域以及一系统，此系统施加一行波 磁波于所述超导体区域上。
19、 按照权利要求18叙述之装置，具有一群超导磁性单元 (superconducting magnetic elements)禾卩一群为选定的前述超导磁性单元寻址之电极，用来驱动所述系统并施加所述行波磁场以磁化所述寻址后之单 元。
20、 按照权利要求18或19叙述之装置，其中所述施加行波磁波于所 述超导体区域之系统包含一可磁化材料区，用以磁化所述超导体；至少有 一导体在所述可磁化材料上生成行波热波，并在所述材料中造成一行进磁 波顺序。
21、 一定义一面积中区域磁场之方法，此方法包括 提供一群超导磁性单元；并控制所述超导磁性单元之磁化以定义所述区域中之磁场。
22、 一可磁化超导体，包括一具有表面之超导体， 一层覆于前述表面 上之可磁化材料，以及介于所述超导体表面以及可磁化材料层之间的热绝 缘区域。
23、 按照权利要求22叙述之可磁化超导体，其中所述可磁化材料层包 括一材料，其在温度低于100K且高于所述超导体在无磁场情况下失去其超 导特性之温度的条件下，所述材料磁序会自动排列。
24、 一已磁化超导体，其具有一表面、以及依此表面之法向量定义之 轴，在无外加磁场的情况下，所述之已磁化超导体具有一磁场，此磁场随 与前述轴距离增加进行非单向变化。
25、 一已磁化超导体，其具有一表面、以及依此表面之法向量定义之轴，在无外加磁场的情况下，所述己磁化超导体具有一磁场，此磁场至少 有一区域中的磁场强度随着与所述轴距离增加维持近似恒定。
26、 按照权利要求25叙述之可磁化超导体，其中所述表面之一部份为 近似平面且所述磁场恒定区域延伸过几乎整个所述平面部份。
27、 按照权利要求24、 25或26叙述之可磁化超导体，其中所述磁场 之最大磁矩至少为2.3特斯拉。
28、 一己磁化超导体，所述之已磁化超导体具有一群近似同心之环电 流，所述电流具有相同之循环方向以及不同的相对大小。
29、 按照权利要求28叙述之可磁化超导体，进一步涵盖一中央环流， 以相反于所述同心循环电流群之方向流动。
30、 一已磁化超导体，具有近似平面之形状，且其磁矩至少为1特斯拉。
31、 按照权利要求1到11之任一要求叙述之方法，涉及使用所述已磁 化超导体将第二个超导体磁化。
32、 按照权利要求11到13之任一要求叙述之系统，其被设置为可使 用所述之已磁化超导体将第二个超导体磁化。
33、 一磁化实质相邻的一序列超导体之方法，此方法涉及磁化所述序 列之第一个超导体使所述第一个超导体的磁通连接所述系列之第二个超导 体，并以所述之连接磁通将所述第二个超导体磁化之。
34、 一磁化实质相邻的一序列超导体之系统，此系统包括磁化所述序 列中第一个超导体并将其磁通与所述序列中第二个超导体连接之方法；以及使用所述之连接磁通以磁化第二个超导体之方法。
35、 一个可将光能或热能转化为电能之发动机，此发动机包括: 将光阶或热阶变化转换为磁场变化之方法；以及 将所述磁场变化转换为电能之方法。
36、 一太阳能电池，此太阳能电池包括 第一层材料藉由可磁性交变光透射提供一窗口 ；第二层磁开关材料，位于所述第一层之窗口下，具有光响应磁化性；以及位于前述磁性材料生成之磁场中的导体； 当光透射进所述第二层磁开关材料中，其内分子震荡产生了前述磁化程度 之改变，并在所述导体中感应生成电流。
37、按照权利要求36叙述之太阳能电池，其中所述之第一层材料由一 层液晶材料组成。
38、按照权利要求36或37叙述之太阳能电池，进一步涉及为所述磁 开关材料生成一磁场之方法。
全文摘要
本发明涉及用来磁化超导体的方法及设备，特别针对磁化超导磁通泵，以及新型的磁化超导体。本发明涉及改变超导体磁化之方法，此方法涉及自动化控制一磁场以产生通过所述超导体表面之变动行波磁通。
文档编号H01L39/02GK101292305SQ200680038693
公开日2008年10月22日 申请日期2006年10月20日 优先权日2005年10月21日
发明者蒂莫西·阿瑟·库姆斯 申请人:麦格尼法恩有限公司