DIN EN IEC 61788-17:2019-10 - Entwurf

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 J_c ist einer der Schlüsselparameter, der die Qualität von großflächigen HTS-Schichten beschreibt. Zerstörungsfreie, induktive AC-Verfahren werden häufig angewendet, um J_c 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 J_c-Messung berücksichtigen und manchmal ein ungeeignetes Kriterium verwenden, um den Schwellstrom zu bestimmen, aus dem J_c berechnet wird. Ein konventionelles Verfahren liefert J_c-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 J_c-Messungen an HTS-Dünnschichten ist in Anhang A des Norm-Entwurfs zusammengefasst. Bei diesen induktiven Verfahren werden AC-Magnetfelder mit AC-Strömen in einer kleinen Spule erzeugt, die knapp über der Schicht montiert wird, und J_c 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, J_c präzise mit einem elektrischen Feld-Kriterium bei verschiedenen Frequenzen zu messen. Dieses Verfahren erhält nicht nur präzise J_c-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 J_c, sondern der Oberflächenwiderstand ist. Für den Einsatz von großflächigen supraleitenden Dünnschichten in supra-leitenden Strombegrenzern (SFCLs) ist die Kenntnis über die J_c-Verteilung von entscheidender Bedeutung, da die J_c-Verteilung erheblich die Quench-Verteilung in SFCLs bei Störungen beeinflusst. Dieser Teil der IEC 61788 beschreibt die Messung der lokalen kritischen Stromdichte (J_c) und ihre Verteilung in großflächigen Hochtemperatursupraleiter-Schichten (HTS) durch ein induktives Verfahren unter Verwendung der dritten harmonischen Spannungen. Der Schlüssel für präzise Messungen ist, J_c 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, J_c in angelegten DC-Magnetfeldern zu messen, ist der Anwendungsbereich dieses Norm-Entwurfs auf die Messung ohne DC-Magnetfelder beschränkt. Diese Technik misst intrinsisch den kritischen Flächenstrom, der durch das Produkt aus J_c und der Schichtdicke gegeben ist. Die kritische Stromdichte J_c ist einer der grundlegendsten Parameter, der die Qualität von großflächigen HTS-Schichten beschreibt. In diesem Norm-Entwurf werden J_c 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 J_c 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 J_c 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 J_c in großflächigen supraleitenden Dünnschichten. Zuständig ist das DKE/K 184 "Supraleiter" der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE.