DE1765620B2 - Streifenfoermiger supraleiter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen streifenförmigen Supraleiter gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.
Von den vielen bekannten Materialien, die Supraleitfähigkeit bei sehr niedrigen Temperaturen, d. h. im
allgemeinen Temperaturen unter 20°K, zeigen, sind jene, die die brauchbarsten Stromführungskapazitäten
und die höchsten kritischen Feldwerte besitzen, z. B. Nb2Zr oder Nb3Sn, recht spröde, wodurch sich
Probleme bei der Herstellung und Handhabung daraus gewonnener Leiter, speziell beim Wickeln von Spulen,
ergeben.
Aus Bull.SEV58 (1967), S. 174, Figur 6, und Nucleonics, Januar 1966, S. 50, Figur 3c, sind bereits
flexible streifenförmige Supraleiter aus miteinander verbundenen Schichten aus supraleitfähigen! und aus
nicht supraleitfähigen! Material, das aus einem ersten Material mit hohem Elastizitätsmodul und hoher
Streckgrenze und einem zweiten Material mit einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul und einem relativ
niedrigen elektrischen Widerstand bei Temperaturen 6U
unterhalb etwa 200K besteht, bekanntgeworden. Vor diesem bekannten Supraleiter geht die Erfindung aus.
Im bekannten Fall ist ein Band aus nicht rostendem Stahl mit einer dünnen Schicht von NbjSn und einer
Silberplattierung in gleicher Schichtdicke vorgesehen. b5
Diese bekannten Supraleiter-Bänder können praktisch nur in einer Richtung auf Biegung beansprucht
werden. Werden sie in der anderen Richtung gebogen, so wird die supraleilfähige Schicht mit abnehmendem
Biegeradius zunehmend zerstört.
In der älteren DT-PS 16 40 184 sind supraleitende
Bänder vorgeschlagen worden, die ein supraleitendes inneres Laminat (mit NbjSn) und ein äußeres Laminat
aus nicht supraleitendem Metall (Kupfer, Stahl) aufweisen, die flexibel sind und zu Wicklungen
aufgewickelt werden können, ohne daß das spröde supraleitende Material bricht. Auf diese Weise hergestellte
Bänder oder Streifen besitzen an sich eine Reihe von Vorteilen. Sie sind recht flexibel und können leicht
zu Wicklungen verformt werden. Wegen des Unterschiedes der Wärmedehnungskoeffizienten von Kupfer
und des Niob-Niobzinnmaterials wird die spröde iniermctallische Verbindung gerade bei Raumtemperatur
in Kompression gebracht, wodurch die Gefahr mechanischer Brüche beim Aufwinden auf ein Minimum
herabgesetzt wird. Die äußeren Schichten von nicht rostendem StahJ liefern mechanische Festigkeit und
Korrosionsbeständigkeit.
Es ist jedoch ein laminiertes, supraleitfähiges Band anzustreben, bei dem die Zahl der Schichten vermindert
wird, ohne irgendeine der oben angegebenen vorteilhaften Eigenschaften zu verlieren, und bei dem eine
Kupferoberfläche freiliegt, um e;ne Verbindung einer Längsfliche des Streifens mit einer anderen mit Hilfe
einer Kupfer-auf-Kupfer-Lötverbindung zu erleichtern. Eg liegt auf der Hand, daß die elektrischen Eigenschaften
einer solchen Verbindung wesentlich besser als die einer Verbindung von nicht rostendem Stahl auf nicht
rostendem Stahl oder von Kupfer auf nicht rostendem Stahl sind. Auch würde eine solche laminierte Struktur
in gleicher Weise in jeder Richtung hinsichtlich der Ebene der supraleitenden Schicht aufwickelbar sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen streifenförmigen Supraleiter so aufzubauen, daß seine
mechanischen Eigenschaften hinsichtlich der Beanspruchung auf Biegung verbessert werden, insbesondere daß
er sich in jede Richtung abbiegen läßt, ohne daß die supraleitfähige Schicht zerstört wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Das Verfahren zur Herstellung des Leiters nach der Erfindung besteht darin, daß Niob oder eines der
Grundmetalle mit einem Zusatz-Metall, wie Zinn im Falle von Niob, in Berührung gebracht und dann
ausreichend lange zur Bildung der erwünschten supraleitenden Zusammensetzung in einer einen Sauerstoffpartialdruck
tragenden Atmosphäre in Hitze behandelt wird. Dieser Streifen wird dann mit zwei
Metallstreifen, die einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das supraleitende Material besitzen, zu
einem Schicht-Leiter verbunden, der in der Lage ist, den Spannungen zu widerstehen, die beim Aufwickeln zu
einer Spule oder anderen Form entstehen. Die Verbindung zwischen den äußeren Schichten und dem
inneren supraleitendem Laminat kann durch geeignete Mittel, wie Löten, erfolgen.
Dadurch, daß das supraleitfähige Material zwischen zwei Schichten von nicht magnetischem und nicht
supraleitfähigen! Material angeordnet ist und die Schichtdicke jeweils umgekehrt proportional zu dem
Elastizitätsmodul des jeweiligen Materials ist, befindet sich die supraleitfähige Schicht in einer Lage, daß sie für
einen gegebenen Krümmungsradius des Schicht-Supraleiters einer minimalen mechanischen Dehnung bzw.
Streckung ausgesetzt ist. Dieser Umstand ist im speziellen besonders wichtig in Verbindung mit einer
upraleitfühigen Schicht, die aus den intermetallischen
/erbindungen NbjSn und V1Ga besteht, da diese
Vla'erialien, bedingt durch ihre geringe mechanische Jelastbarkeit auf Dehnung bzw. Streckung, nur einer
Biegung mit einem begrenzten minimalen Krümmungs- s
radius ausgesetzt werden können. Durch die Erfindung wird dieser minimale Krümmungsradius, um den der
Leiter gebogen werden kann, wesentlich reduziert, und zwar unabhängig von der Biegerichtung, wodurch eir«
größere Flexibilität bei der Konstruktion von Einrichtungen, in denen der Leiter verformt werden muß,
erzielt und die Gefahr der Schädigung, die beim Umgang mit brüchigen Materialien gegeben ist,
vermieden wird.
Es ist an sich aus der US-PS 33 09 179 bekannt, einen Schicht-Supraleiter so aufzubauen, daß die supraleitfähige
Schicht von Schichten unterschiedlicher Dicke umgeben ist. Bei der einen Schicht handelt es sich um
Kupfer, bei der anderen Schicht um das Grundmetall, z. B. Niob selbst, d. h. als Trägerschicht, auf der Zusätze,
wie z. B. Zinn, aufgebracht werden, damit diese mit dem Grundmetall reagieren und einen supraleitfähigen
Bereich erzeugen. Diese Grundmetall-Trägerschicht mit dem supraleitfähigen Bereich stellt im Grunde genommen
als Einheit die supraleitfähige Schicht dar. Diese Schichtstruktur weicht daher offensichtlich erheblich
von dem Schicht-Supraleiter nach der Erfindung, was Eigenschaften der Schichten und ihre Dimensionierung
betrifft, ab.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Schicht-Supraleiter nach der Erfindung,
Fig.2 einen schematischen Querschnitt eines unterschiedlichen
Schicht-Supraleiters zu Vergleichszwekken,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Testverfahrens,
F i g. 4 eine grafische Darstellung bestimmter elektrischer Eigenschaften der Struktur gemäß F i g. 2 und
F i g. 5 eine grafische Darstellung bestimmter elektrischer Eigenschaften der Struktur gemäß F i g. 1.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 erläutert. Der streifenförmige Supraleiter 10
besteht aus einer Schicht 11 eines nicht supraleitfähigen
Metalles oder einer solchen Legierung, welche dadurch gekennzeichnet sind, daß sie einen relativ hohen
Elastizitätsmodul sowie eine relativ hohe Streckgrenze besitzen und nicht magnetisch sind. Solche Materialien
können austenitischer rostfreier Stahl oder hnndelsübliche Nickel- oder Kobalt-Legierungen sein. Die innere
Schicht 12 besteht aus einer relativ spröden Schicht eines supraleitfähigen Materials. Die Schicht 13 besteht
wiederum aus einem nicht supraleitfähigen Metall hoher Reinheit, welches bei den Betriebstemperaturen, die in
der Größenordnung von 4,2° K liegen, einen endlichen, aber relativ niedrigen elektrischen Widerstand besitzt
und welches einen wesentlich niedrigeren Elastizitätsmodul sowie Streckgrenze als die Schicht 11 aufweist. t>o
Solche Materialien können Kupfer, Aluminium, Silber, Gold oder die Metalle der Platingruppe sein. Die
Schichten werden durch irgendwelche geeigneten Maßnahmen, wie beispielsweise durch Löten, Hartlöten
od. dgl., miteinander verbunden, je nach den ausgewähl- br>
ten Materialien. Eine spezielle vorteilhafte Materiaikombination ist rostfreier Stahl AIS 1 vom Typ 304 für
Hin Schicht 11. Nb)Sn für die Schicht 12 und Kupfer für
die Schicht 13. Diese Materialien können nach herkömmlichen Blei-Zinn-Lötmetlioden miteinander
verbunden werden. Es ist ersichtlich, daß die Schicht 13 etwas dicker als die Schicht 11 ist, was ein wichtiges
Merkmal ist, wie später ausführlich diskutiert wird.
In F i g. 2 ist ein Schicht-Supraleiter 15 dargestellt, der aus Schichten 16, 17 und 18 besteht, wobei diese
Schichten den Schichten 11, 12 und 13 in F i g. 1 mit der
Ausnahme entsprechen, daß die Schichten 16 und 18 von in. wesentlichen gleicher Dicke sind. Die in Fig. 2
erläuterte Struktur bildet keinen Teil der Erfindung und ist lediglich zum Zwecke des Vergleiches dargestellt.
Bei einem nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1
hergestellten Supraleiter wurde die Schicht 11 von einem rostfreien Stahlband des Typs 304 mit einer Dicke
von etwa 0,025 mm in dem harten Zustand und mit einer Streckgrenze oberhalb 7030 kg/cm2 gebildet. Die
Schicht 12 bestand aus NbjSn-Supraleiter, der durch die
Diffusionsreaktion einer Zinnbeschichtung aus einem Niobstreifen in bekannter Weise gebildet worden war.
Diese Schicht besaß eine Dicke von etwa 0,02 mm und einen minimalen kritischen Strom von 300 Ampere in
einem Querfeld von lOOKilogauß. Die Schicht 13 bestand aus einem Kupferband in weichem Zustand mit
einer Dicke von etwa 0,05 mm. Die verschiedenen Schichten wurden mit einer eutektischen Blei-Zinn-Verlötung
miteinander verbunden, und die Gesamtdicke der laminierten Struktur betrug etwa 0,118 mm. Dieser
Leiter wurde dann in einer Breite von etwa 12,5 mm aufgeteilt.
Es wurde weiterhin ein Schicht-Supraleiter aus den gleichen Materialien mit den gleichen Abmessungen wie
in dem vorausgehenden Beispiel, mit der Ausnahme hergestellt, daß die weiche Kupferschicht 18 entsprechend
der Struktur nach Fig. 2 nur eine Dicke von 0,025 mm besaß. Um die Wickeleigenschaft der
Strukturen nach den F i g. 1 und 2 zu vergleichen, wurde das folgende Testverfahren angewendet.
Eine Reihe von Leiterproben beider Strukturen wurde in der Weise hergestellt, wie sie in Verbindung
mit den F i g. 1 und 2 oben beschrieben ist, wobei Sorge getragen wurde, daß die Proben nicht gebogen oder
gestoßen wurden. Es wurde zunächst der kritische Strom dieser Proben, d. h. der Strom, bei dem die
Supraleitfähigkeit beginnt, gegen den normalen Widerstand hin abzufallen, während sich der Leiter bei 4,23K
in einem Querfeld von 50 Kilogauß befindet, bestimmt, und zwar bevor die Proben gebogen wurden: dieser
Wert wurde auf 100% normiert. Jede Probe wurde dann einer zirkulären Biegung unterzogen, wie dies in F i g.?
schematisch dargestellt ist, als eine lineare Probe 20 wird an den Umfang eines zylindrischen Dorns 21 gelegt
und in die durch gestrichelte Linien gezeigte Lage um 180° um den Dorn gebogen. Die Proben wurden dann
wieder gerade gebogen und der kritische Strom erneut bestimmt. Es wurden weiterhin Dorne unterschiedlicher
Durchmesser als Parameter verwendet, wobei jede Veränderung des kritischen Stromes als Prozentänderung
gegen den Dorndurchmesser in Zentimeter aufgetragen wurde, wie dies in den F i g. 4 und 5 gezeigt
ist.
Die in Fig. 4 aufgetragenen Werte stammen dabei
aus einem Kreisbiegungstest einer Vielzahl von Proben gemäß Fi g. 2, von denen einige um Dorne unterschiedlicher
Durchmesser gebogen wurden, wobei die schwarzen "unkte die Ergebnisse zeigten, wenn die
Kupferschicht 18 an der Dornoberfläche anlag, während die Kreise Ergebnisse zeigen, bei denen die rostfreie
Stahlschicht 16 dem Dorn am nächsten war. Es ist ersichtlich, daß bei einer Biegung der Struktur nach
Fig.2, in der die rostfreie Stahlschicht den größten
Biegeradius aufweist, also außen liegt, was die ausgezogene Linie in der Figur zeigt, diese Proben um
einen Durchmesser von 2,54 bis 5,08 mm ohne merkliche Zerstörung gebogen werden konnten; wenn jedoch
ähnliche Proben in umgekehrter Richtung gebogen wurden, d. h. mit dem Kupfer im äußeren Biegekreis,
dann begann eine Zerstörung des Supraleiters bei Durchmessern von 20,32 mm aufzutreten, so wie es
durch die gestrichelte Linie gezeigt ist.
Wenn Leiterproben mit der Gestalt gemäß F i g. I.bei
der die Kupferschicht 13 zweimal so dick wie die rostfreie Stahlschicht 11 war, dem gleichen Testverfahren
unterzogen wurden, zeigen die in F i g. 5 gezeigten Meßwerte praktisch keinen Unterschied hinsichtlich der
Richtung, in der die Proben gebogen wurden. Diese Struktur nach F i g. 1 liefert daher einen Leiter der um
einen Dorn mit etwa 10,16 mm Durchmesser ohne wesentlichen Nachteil gebogen werden konnte. (Es
wurde dabei in Fig.5 nicht versucht, Kurven für die
beiden Biegungsrichtungen auszuziehen, da die Werte streuten, aber es ist ersichtlich, daß kein wesentlicher
Unterschied zwischen den Werten der ausgefüllten Punkte und der Kreise besteht.)
Es ist daher aus F i g. 5 ersichtlich, daß ein Schichtsupraleiter in der Gestalt, wie sie in Fig. 1
erläutert ist, viel weniger leicht bei der Handhabung durch versehentliches Biegen in falscher Richtung
geschädigt werden kann, als dies bei einem Supraleiter mit der Gestalt gemäß F i g. 2 der Fall ist. Wie oben
bereits dargelegt wurde, können außerdem supraleitende Streifen, die zu Wicklungen verformt werden sollen,
mit ihren Enden durch Kupfer-auf-Kupfer-Verbindungen miteinander verbunden werden, selbst wenn der
Radius der Wicklung ziemlich klein ist.
Obwohl die spezielle Ausführungsform der F i g. 1 zum Zwecke einer vollständigen Erläuterung ein
Dickeverhältnis zwischen der Kupferschicht und der rostfreien Stahlschicht von 2:1 besitzt, ist das
Dickeverhältnis dieser Schichten exakt umgekehrt proportional dem Elastizitätsmodul der betreffenden
Materialien.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Streifenförmiger Supraleiter aus miteinander verbundenen Schichten aus supraleitfiib' 7"m und
aus nicht supraleitfähigen! Material, das einem
ersten Material mit hohem Elastizitätsmodul unü hoher Streckgrenze und einem zweiten Material mit
einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul und einem relativ niedrigen elektrischen Widerstand bei Temperaturen
unterhalb etwa 20°K besteht, dadurch
gekennzeichnet, daß das supraleitfähige Material
zwischen zwei Schichten der beiden nicht magnetischen, nicht supraleitfähigen Materialien
angeordnet ist und daß die Dicke der beiden nicht supraleitfähigen Schichten umgekehrt proportional
zu deren Elastizitätsmodulen ist.
2. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste nicht supraJeilfähige Schicht
aus austenitischem rostfreiem Stahl, Nickellegierungen oder Kobaltlegierungen und die zweite nich;
supraleitfähige Schicht aus Kupfer, Aluminium, Gold, Silber oder einem Metall der Platingruppe
besteht.
3. Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitfähige Material die
intermetallische Verbindung Nb3Sn umfaßt.
4. Supraleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitfähige Material die
intermetallische Verbindung Nb3Sn als einen Überzug auf der Oberfläche eines Niobsubstrates
aufweist.
5. Supraleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste nicht supraleitfähige Schicht
aus austenitischem rostfreiem Stahl und die zweite nicht supraleitfähige Schicht aus Kupfer besteht.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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BHN | Withdrawal |