一种可自触发自保护的超导薄膜开关的制作方法

本发明涉及超导开关技术领域，具体涉及一种可自触发自保护的超导薄膜开关。

背景技术：

超导磁体不仅能够产生强稳定磁场，而且可以作为储能元件，因而被广泛的应用到医疗、电力系统以及工业生产等领域。而超导开关作为超导磁体闭环运行的关键部件，利用超导体的零电阻特性实现超导磁体的闭环无损运行，同时利用超导体失超产生电阻来断开电路；超导开关不仅可以与超导磁体构成接近零欧姆热损耗的闭合储能回路，还可以在需要时实现能量的快速释放。

目前常见的电路开关器件有等离子断路开关，断路电流大、开关动作时间短，开关不可控；炸药爆炸断路开关，速度快、效率高、只能单次动作；电爆炸导体开关，断路电流大、只能单次运动；机械开关，接触电阻低、开关热容量大、控制不灵活、动作慢；半导体断路开关，可控性高、效率高、可重复使用、断路电压、电流较低；超导开关，断路时间短、响应速度快。

常见的超导开关有基于超导块材的机械式超导开关；基于迈斯纳效应的光控式超导开关；超导线式超导开关，利用其零电阻特性，分为热控式超导开关、流控式超导开关以及磁控式超导开关。目前，应用最广泛的热控式超导开关，但是需要外加的热触发电路。而且，当超导磁体闭环运行时，超导开关失超而超导磁体未失超时超导磁体的能量全部消耗在超导开关的常态电阻上，导致超导开关损坏。

传统的超导开关的触发单元、保护单元都是通过外加电路实现的，因而整个电路的复杂程度较高而且稳定性较低，不利于实现小型化、模块化的应用要求。而且超导薄膜型超导开关的可行性已经得到验证（taizotosaka,kenjitasaki,kotaromarukawa,torukuriyama,hiroyukinakao,mutsuhikoyamaji,katsuyukikuwano,motohiroigarashi,kaorunemoto,andmotoakiterai.persistentcurrenthtsmagnetcooledbycryocooler(4)—persistentcurrentswitchcharacteristics.ieeetransactionsonappliedsuperconductivity,15(2),june2005）。

技术实现要素：

本发明提供一种能够提供不同运行电流于一体的，集开关、触发和保护功能的超导薄膜开关。

一种可自触发自保护的超导薄膜开关，包括超导薄膜单元，超导薄膜单元包括基底层；还包括设置在基底层一侧的超导薄膜开关层，设置在基底层另一侧与超导薄膜开关层对称的触发层和与超导薄膜开关层串联的保护层；超导薄膜单元与超导磁体sm并联后连接到主回路；触发层连接到触发回路；还包括与超导薄膜单元并联的负载电阻rl。

进一步的，所述超导薄膜开关层包括临界电流不同的左超导薄膜层和右超导薄膜层。

进一步的，所述超导薄膜开关层表面设置有金属保护层。

进一步的，所述触发层和保护层表面均设置有金属保护层。

进一步的，所述超导薄膜开关层、触发层、保护层均为钇钡铜氧制备，厚度为300～500nm。

进一步的，所述基底层为铝酸镧制备，厚度为0.5cm。

进一步的，所述金属保护层为金层，厚度为100～300nm。

进一步的，所述主回路还包括用于放置电流反冲的二极管vd。

本发明的有益效果是：

（1）本发明集超导开关自触发自保护功能于一体，对开关进行有效的保护；

（2）本发明不需要外加的触发器件，以及外加的超导开关保护电路，结构简单、系统可靠程度高；

（3）本发明提供不同电流的开关选择，节约了成本，超导开关体积大大减小。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明中超导薄膜单元结构示意图。

图中：1-超导薄膜单元，11-基底层，12、15、16、19-金属保护层，13-左超导薄膜层，14-第一下超导薄膜层，17-右超导薄膜层，18-第二下超导薄膜层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，一种可自触发自保护的超导薄膜开关，包括超导薄膜单元1，超导薄膜单元1包括基底层11；还包括设置在基底层11一侧的超导薄膜开关层，设置在基底层11另一侧与超导薄膜开关层对称的触发层和与超导薄膜开关层串联的保护层；超导薄膜单元1与超导磁体sm并联后连接到主回路；触发层连接到触发回路；还包括与超导薄膜单元1并联的负载电阻rl。超导薄膜开关层包括临界电流不同的左超导薄膜层13和右超导薄膜层17。超导薄膜开关层表面设置有金属保护层。触发层和保护层表面均设置有金属保护层。超导薄膜开关层、触发层、保护层均为钇钡铜氧制备，厚度为300～500nm。基底层11为铝酸镧制备，厚度为0.5cm。金属保护层为金层，厚度为100～300nm。主回路还包括用于放置电流反冲的二极管vd。

使用时，超导薄膜单元1设置在低温容器内，利用液氮（77k）进行冷却；超导薄膜开关层包括左超导薄膜层13和右超导薄膜层17，具体可根据不同的临界电流要求进行选择。基底层11另一侧设置有第一下超导薄膜层14和第二下超导薄膜层18，第一下超导薄膜层14和第二下超导薄膜层18均可作为触发层或者保护层使用。如果选择左超导薄膜层13作为超导开关，则第一下超导薄膜层14作为触发层，第二下超导薄膜层18作为保护层；如果选择右超导薄膜层17作为超导开关，则第二下超导薄膜层18作为触发层，第一下超导薄膜层14作为保护层。

使用时，首先闭合开关s2，由电容c对第一下超导薄膜层14或第二下超导薄膜层18放电，使其产生失超产生常态电阻，同时产生热量通过基底层11传播到其另一侧的超导开关：左超导薄膜层13或右超导薄膜层17（根据具体情况进行选择，按照需要将对应的超导薄膜开关层接入电路）；由于温度升高使其脱离超导状态，进而超导薄膜开关层处于断开状态，闭合s1给超导磁体sm充电。断开开关s2使超导开关回复超导状态，同时断开开关s1，超导磁体sm与超导薄膜开关层（左超导薄膜层13或右超导薄膜层17）进入闭环运行；在闭环运行时，当电路中存在外部扰动时，由于保护层的临界电流小于超导薄膜开关层的临界电流，因而产生常态电阻对超导薄膜开关层进行保护。闭环运行后，闭合开关s3，闭合开关s2，使超导薄膜开关层进入断开状态，此时超导磁体sm对负载电阻rl放电，直至超导磁体sm能量放电完成。

本发明集超导开关自触发、自保护功能于一体，对开关进行有效的保护；并且不需要外加额外的触发器件，以及外加的超导开关保护电路，结构简单、系统可靠性程度高。超导薄膜开关层包括左超导薄膜层13和右超导薄膜层17，可提供不同运行电流的开关选择，节约了成本，超导开关体积大大减小。

技术特征：

技术总结
本发明提供了一种可自触发自保护的超导薄膜开关，包括超导薄膜单元，超导薄膜单元包括基底层；还包括设置在基底层一侧的超导薄膜开关层，设置在基底层另一侧与超导薄膜开关层对称的触发层和与超导薄膜开关层串联的保护层；超导薄膜单元与超导磁体SM并联后连接到主回路；触发层连接到触发回路；还包括与超导薄膜单元并联的负载电阻RL；本发明集超导开关自触发自保护功能于一体，对开关进行有效的保护。

技术研发人员：梁乐;王豫;严仲明;何应达
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2019.06.05
技术公布日：2019.08.09