DE1917084A1 - Electrical conductor - Google Patents
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Description
Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. Dipi.-Chem.Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. Dipi.-Chem.
8000 MÖNCHEN 28000 MONKS 2
TAL 33VAL 33
TELEFON 0011/2268 94TELEPHONE 0011/2268 94
München 2. April 1969 oase Z/M. 2O952* / T 3079 Munich April 2, 1969 oase Z / M. 2O95 2 * / T 3079
Science Research Council,Londom(6n^ntnMnIa Science Research Council, Londom (6n ^ ntnMnIa
andother
Imperial Metal Industries (Kynoch) Limited Birmingham / GroßbritannienImperial Metal Industries (Kynoch) Limited Birmingham / Great Britain
Elektrischer LeiterElectrical conductor
Die Erfindung betrifft elektrische Leiter, die bei kryogenen Temperaturen, d.h. bei Temperaturen von ungefähr 4,2°K, supraleitende Eigenschaften aufweisen. Die Erfindung befaßt sich außerdem mit Verfahren zur Herstellung derartiger Leiter. The invention relates to electrical conductors which operate at cryogenic temperatures, i.e. at temperatures of approximately 4.2 ° K, have superconducting properties. The invention is also concerned with methods of making such conductors.
Es sind bereits elektrische Leiter vorgeschlagen worden, die bei kryogenen Temperaturen oder Tiefsttemperaturen supraleitende Eigenschaften aufweisen und bei denen mehrere Drähte aus supraleitendem Material in einerElectrical conductors have already been proposed which operate at cryogenic temperatures or cryogenic temperatures Have superconducting properties and in which several wires made of superconducting material in one
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Si/Si /
stabilisierenden Matrix bzw. Grundmasse aus Kupfer oder einem sonstigen formänderungsfähigen Material eingebettet sind, das bei derartigen Temperaturen nicht supraleitend ist und bei kryogenen Temperaturen hohe elektrische und thermische Leitfähigkeitskoeffizienten besitzt, wie dies beispielsweise bei sehr reinem, hochleitfähigem Kupfer/ oder Aluminium der Fall ist. Dabei hat hochleitfähiges Kupfer bei 4,20K einen spezifischen elektrischen Widerstand von nur 0,01 bis 0,002 Mikroohm .cm, und auch der spezifische elektrische Widerstand von Aluminium ist diesem Wert sehr ähnlich.stabilizing matrix or matrix of copper or some other deformable material are embedded that is not superconductive at such temperatures and has high electrical and thermal conductivity coefficients at cryogenic temperatures, as is the case, for example, with very pure, highly conductive copper / or aluminum. In this highly conductive copper has at 4.2 K 0 .cm an electrical resistivity of only 0.01 to 0.002 micro-ohms, and also the electrical resistivity of aluminum is very similar to this value.
Die stabilisierende Matrix hafc den Zweck, sowohl ' diejenige Wärme zu absorbieren und abzuleiten, die sich bei sprungartigen Veränderungen der Eindringung des Flusses in das supraleitende Material infolge von Züstandsänderungen des magnetischen Feldes und des elektrischen Stromes entwickelt, als auch diejenige Wärme, die aus der mechanischen Bewegung des Leiters resultiert. Die v Matrix dient ferner zur Bildung eines"^elektrischen STeben-Schlusses mit geringem Widerstand, über den der Ström zeitweise, solche Zonen des supraleitenden Materials umgehen kann, die infolge eines Temperaturanstiegs, wie er sich insbesondere aus einer derartigen sprungartigen Fluß-The purpose of the stabilizing matrix is to absorb and dissipate the heat that develops in the event of sudden changes in the penetration of the flux into the superconducting material as a result of changes in the state of the magnetic field and the electric current, as well as the heat that develops from the mechanical Movement of the conductor results. The v matrix further serves to form a "^ electrical STEBEN-circuit of low resistance, through which the Ström temporarily, such zones can handle of the superconducting material, which due to a temperature increase as in particular from such abrupt flux
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veränderung ergibt, nicht-supraleitend werden. Nachdem eine ausreichende Wärmemenge aus einer solchen Zone abgeleitet worden ist, nimmt diese wieder ihre supraleitenden Eigenschaften an, so daß der Strom erneut ausschließlich durch das supraleitende Material fließt.change results, become non-superconducting. After this If a sufficient amount of heat has been dissipated from such a zone, it takes its superconducting again Properties so that the current again flows exclusively through the superconducting material.
Werden größere Stücke dieser Leiter zu Spulen gewickelt, so erreichen sie gewöhnlich viel geringere Feldstärken als sie aus Versuchen mit kurzen Leiterstükken berechnet wurden. Die Leistungsabnahme, die auftritt, wenn aus den elektrischen Leitern Spulen gewickelt werden, ist als "Spulenverschlechterung" (coil degradation) bekannt.If larger pieces of these conductors are wound into coils, they usually achieve much smaller ones Field strengths when calculated from experiments with short ladder sections. The decrease in performance that occurs when coils are wound from the electrical conductors is called "coil degradation" known.
Die Spulenverschlechterung läßt sich durch die Verwendung noch größerer Mengen von stabilisierendem Material und durch ausgeklügelte Kühlmaßnahmen vermeiden; dennoch ist das Endergebnis eine Spule, die zwar keine Verschlechterung aufweist, aber in ihrer Herstellung teuer und wegen ihrer geringen Gesamtsteomdichte größer als nötig ist. Außerdem schränkt die geringe Gesamtstromdichte den Anwendungsbereich derartiger Spulen ein. The coil deterioration can be avoided by using even larger amounts of stabilizing material and avoid it through sophisticated cooling measures; nevertheless, the end result is a coil that does not have a Has deterioration, but is expensive to manufacture and greater than because of its low overall stenum density is necessary. In addition, the low total current density limits the application range of such coils.
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Die Spulenverschlechterung beruht hauptsächlich auf Instabilitäten in dem Supraleiter, die als "Flußsprünge" (flux Jumps) bekannt.sind. Sie treten dann auf, wenn die von dem Magnetfeld in dem supraleitenden Material induzierten geschlossenen Stromschleifen mit der Wärmeentwicklung instabil werden und zusammenbrechen. Benötigt wird daher ein Supraleiter, in dem Flußsprünge ausgeschaltet oder soweit herabgedrückt sind, daß nicht Abschnitte des Supraleiters vom supraleitenden in den nicht-supraleitenden Zustand übergehen, wobei das stabilisierende Matrixmaterial theoretisch weggelassen werden könnte.The coil degradation is mainly due to instabilities in the superconductor known as "flux jumps" (flux jumps) are known. They occur when the magnetic field in the superconducting material induced closed current loops become unstable with the generation of heat and collapse. Needed therefore becomes a superconductor in which flux jumps are eliminated or depressed so far that not sections of the superconductor change from the superconducting to the non-superconducting state, with the stabilizing Matrix material could theoretically be omitted.
In Kenntnis dieser Notwendigkeit ist in einem Culham Laboratory Report mit der Bezeichnung CLM-P 121 (1966) gesagt worden, ein einzelner Draht aus supraleitendem Material, dessen Drahtstärke senkrecht zu dem Feld, dem der Draht ausgesetzt werden öoll, unter einem kritischen Wert liegt - bei einem typischen Beispiel etwa bei 0,005 cm für typische Stromdichten von 2 bis 5 χ 1O^ A/cm2 sei frei von Flußsprüngen; es würden sich zwar noch geschlossene Stromschleifen in dem Material bilden, diese seien Jedoch stabil und würden gewöhnlich nicht mit plötzlichen örtlichen Wärmeentwicklungen zusammenbrechen. Ausserdem werde die mit diesen Schleifen zusammenhängendeKnowing this necessity, a Culham Laboratory Report called CLM-P 121 (1966) said a single wire of superconducting material, the wire thickness of which, perpendicular to the field to which the wire is to be exposed, is below a critical value - in a typical example around 0.005 cm for typical current densities of 2 to 5 χ 1O ^ A / cm 2 be free of flux jumps; Although closed current loops are still formed in the material, these are stable and usually do not collapse with sudden local heat developments. In addition, there will be the one associated with these loops
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magnetische Energie so stark vermindert, daß selbst die beim Auftreten eines Zusammenbruchs freiwerdende Wärme nicht ausreiche, um das Material in einen nicht-supraleitenden Zustand zu versetzen. Der tatsächliche Maximalwert für die Drahtstärke muß experimentell bestimmt werden; er wird insbesondere von der Stromdichte, der Änderung der Stromdichte mit der Temperatur sowie der Wärmekapazität pro Volumeneinheit des supraleitenden Materials abhängen. Vergleiche dazu Hancox, "Physics Letters" Band ΐβ, Seite 208 (I965)i Swartz und Bean, "Bulletin American Physical Society" Band 10, Seite 559 (1965), Neuringer und Shapira, "Physical Review" Band 148, Seite 2j5l (1966), Wipf und Lubell, "Physics Letters" Band l6, Seite 103 (1965), Y.B. Kim, "Proceedings of Cryogenic Engineering Conference (Tokyo)", Seite 168 (April 1967)j und "Stability of Flux Motion in Superconducting Coils" von Hancox in "Proceedings of Tenth ,Conference on Low Temperature Physics" (Moskau 1966).)magnetic energy diminishes so much that even the heat released when a breakdown occurs not enough to put the material in a non-superconducting state. The actual maximum value for the wire size must be determined experimentally; it is determined in particular by the current density, the change the current density with the temperature and the heat capacity per unit volume of the superconducting material depend. See Hancox, "Physics Letters" Volume ΐβ, page 208 (1965) i Swartz and Bean, "Bulletin American Physical Society "Volume 10, page 559 (1965), Neuringer and Shapira, "Physical Review" Volume 148, page 2151 (1966), Wipf and Lubell, "Physics Letters" Volume 16, page 103 (1965), Y.B. Kim, "Proceedings of Cryogenic Engineering Conference (Tokyo) ", p. 168 (April 1967) j and "Stability of Flux Motion in Superconducting Coils" by Hancox in "Proceedings of Tenth, Conference on Low Temperature Physics "(Moscow 1966).)
In der Praxis seien Drähte derartiger Stärke, die normalerweise ihr Durchmesser sei,-einzeln sehr schwierig zu handhaben, so daß eine Anordnung von mehreren in einer Matrix gehaltenen supraleitenden Drähten, die einen Leiter von vernünftiger Stärke ergebe, zum Wickeln von Magnet·*In practice, wires of such strength, which is normally their diameter, are very difficult individually to handle, so that an arrangement of several superconducting wires held in a matrix that form a conductor of reasonable strength, for winding magnet *
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; ORIGINAL INSPECTED; ORIGINAL INSPECTED
spulen erforderlich-sei. Es ist damit ein zusammengesetzter Supraleiter vorgeschlagen worden, bei dem die' Drähte in einer Matrix aus Kupfer oder (zur Verminderung der Spuleninduktanz) einem Isolator eingebettet sind; die Drähte stehen jedoch normalerweise miteinander in elektri-bobbin-is necessary. It is therefore a compound one Superconductors have been proposed in which the 'wires in a matrix of copper or (to reduce the coil inductance) are embedded in an insulator; the However, wires are usually electrically connected to one another
" schem Kontakt, selbst wenn dies hur an den Enden des zusammengesetzten Leiters der Fall ist. Diese gegenseitige Verbindung führt dazu, daß benachbarte Drahtstücke elektrisch miteinander verbünden sind und somit einen geschlossenen Strompfad bilden, der den Veränderungen des ihn durchsetzenden Magnetflusses ausgesetzt ist; die in solchen Drahtstücken auftretenden MagnetisierungsstroV me führen dazu, daß sich die Anordnung gewöhnlich etwa ähnlich verhält wie ein massiver supraleitender Draht"Schematic contact, even if this is only the case at the ends of the assembled conductor. This mutual Connection leads to the fact that adjacent pieces of wire are electrically connected to one another and thus one Form closed current path that changes exposed to the magnetic flux passing through it; the Magnetization current occurring in such pieces of wire me lead to the fact that the arrangement is usually around behaves similarly to a solid superconducting wire
) mit dem gleichen Gesaratdurchmesser wie der zusammengesetzte Leiter. Man wird sich deshalb an den oben als Beispiel angegebenen Grenzwert von 0,005 cm für den Drahtdurchmesser nicht mehr halten. ) with the same overall diameter as the assembled conductor. The limit value of 0.005 cm for the wire diameter given above as an example will therefore no longer be adhered to.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen elektrischen Leiter zu schaffen, der mehrere Drähte aus supraleitendem Materi al umfaßt, von denen jeder eine maximale Stärke von etwa 0,005 cm aufweist, wobei die Drähte effektiv nicht in elektrischem Kontakt miteinander stehen.The object of the invention is now to provide an electrical conductor which comprises a plurality of wires made of superconducting materi al, each of which has a maximum About 0.005 cm thick with the wires effectively not in electrical contact with one another.
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so daß Flußsprünge wenigstens so gering wie möglich gemacht werden.so that river jumps are made at least as small as possible.
Erfindungsgemäß umfaßt ein elektrischer Leiter mehrere Drähte aus supraleitendem Material, die in einer Matrix aus mindestens einem nicht-supraleitenden Material gehalten und voneinander getrennt sind und von denen jeder eine maximale Stärke von 0,005 cm hat sowie um die übrigen Drähte mit einer zwischen zwei aufeinanderfolgenden gleichen Winkellagen bezüglich der Matrix in Längsrichtung des Leiters gemessenen Länge L der BeziehungAccording to the invention, an electrical conductor comprises a plurality of wires made of superconducting material in a Matrix of at least one non-superconducting material held and separated from each other and each of which Has a maximum thickness of 0.005 cm and around the remaining wires with one between two consecutive ones equal angular positions with respect to the matrix in the longitudinal direction of the conductor measured length L of the relationship
τ - 4CkJdp)l/2 v 1O4 -τ - 4CkJdp) l / 2 v 1O 4 -
herumgewickelt oder mit diesen verdrillt ist, wobei k ein Raumfaktor ist und gleich dem Verhältnis zwischen den Ii- · nearen Abmessungen des Supraleiters und denen des Supraleiters plus des Matrixmaterials parallel zu dem Magnetfeld, dem der Leiter ausgesetzt werden soll; J die kritische Stromdichte des supraleitenden Materials (bei fehlendem oder sehr schwachen Magnetfeld), gemessen in A^cm ; d die mittlere Stärke des einzelnen Drahtes senkrecht zu dem Magnetfeld, gemessen in Zentimeter; ρ der spezifische elektrische Widerstand des die Drähte voneinander tren-is wound around or twisted with these, where k is a space factor and is equal to the ratio between the linear dimensions of the superconductor and those of the superconductor plus the matrix material parallel to the magnetic field to which the conductor is to be exposed; J is the critical current density of the superconducting material (with no or very weak magnetic field), measured in A ^ cm; d is the mean thickness of the individual wire perpendicular to the magnetic field, measured in centimeters; ρ is the specific electrical resistance of the wires separating
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nenden nicht-supraleitenden Materials, das den höchsten elektrischen Widerstand hat, gemessen in Ohm.cm; B die Änderung des Feldes, dem der elektrische Leiter ausgesetzt werden soll, gemessen in Gauss/ Sek.; und a eine Zahl, die größer als 3 und hinreichend groß ist, so daß die Schwankung der Plußänderung B über der Länge L, geteilt durch die mittlere Plußänderung ß über der Länge L, kleiner ist als die Stärke d, geteilt durch die Leiterstärke senkrecht zum Feld.end non-superconducting material that has the highest electrical resistance, measured in Ohm.cm; B the Change in the field to which the electrical conductor is to be exposed, measured in Gauss / sec .; and a is a number, which is greater than 3 and sufficiently large that the fluctuation in the plus change B over the length L is divided by the mean plus change ß over the length L, smaller is called the strength d divided by the conductor strength perpendicular to the field.
Erfindungsgemäß besteht ferner ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters darin, daß mehrere Drähte aus supraleitendem Material mit einer die einzelnen Drähte voneinander trennenden Matrix aus mindestens einem nicht-supraleitendem Material versehen werden und jeder Draht um die übrigen Drähte mit einer zwischen zwei aufeinanderfolgenden gleichen Winkellagen bezüglich der Matrix in Längsrichtung des Leiters gemessenen Länge L der Beziehung .According to the invention there is also a method for producing an electrical conductor in that several Wires made of superconducting material with a matrix of at least a non-superconducting material and each wire around the remaining wires with one between two successive equal angular positions with respect to the matrix in the longitudinal direction of the conductor measured length L the relationship.
(ß)1/2 (ß) 1/2
herumgewickelt oder mit diesen verdrillt ist, wobei k ein Raumfaktor ist und gleich dem Verhältnis zwischen den Iinearen Abmessungen des Supraleiters und denen des Supraleiters plus des Matrixmaterials parallel zu dem Magnet-is wound around or twisted with these, where k is a space factor and equal to the ratio between the linear Dimensions of the superconductor and those of the superconductor plus the matrix material parallel to the magnet
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feld, dem der Leiter ausgesetzt werden sollj J die kritische Stromdichte des supraleitenden Materials (bei fehlendem oder sehr schwachem Magnetfeld), gemessen in Ampere/cm : d die mittlere Stärke des einzelnen Drahtes senkrecht zu dem Magnetfeld, gemessen in cmj ρ der spezifische elektrische Widerstand des die Drähte voneinander trennenden nicht-supraleitenden Materials, das den höchsten elektrischen Widerstand hat, gemessen in Ohm.cm; B die Änderung des Feldes, dem der elektrische Leiter ausgesetzt werden soll, gemessen in Gauss/Sek.; und a eine Zahl, die größer als 3 und hinreichend groß ist, so daß die Schwankung derfield to which the conductor is to be exposed j J the critical one Current density of the superconducting material (with no or very weak magnetic field), measured in amperes / cm: d is the mean strength of the individual wire perpendicular to the magnetic field, measured in cmj ρ the specific electrical Resistance of the non-superconducting material separating the wires, which has the highest electrical Has resistance, measured in Ohm.cm; B the change the field to which the electrical conductor is to be exposed, measured in Gauss / sec .; and a is a number that is greater than 3 and is sufficiently large that the fluctuation of the
ο
Flußänderung B über der Länge L, geteilt durch die mittle-ο
Flux change B over the length L, divided by the mean
o
re Flußänderung B Über der Länge L, kleiner ist als die Stärke d, geteilt durch die Leiterstärke senkrecht zum
Feld.O
Right change in flux B Over the length L, is smaller than the strength d, divided by the conductor strength perpendicular to the field.
Vorzugsweise ist die Zahl a größer als 10.The number a is preferably greater than 10.
Die oben angegebene Beziehung leitet sich aus einer Berechnung des Magnetisierungsstromes her, der in einer Länge L eines Paares von parallelen supraleitenden Drähten Und über die dazwischen liegende Matrix von einerThe above relationship is derived from a Calculation of the magnetizing current, which in a Length L of a pair of parallel superconducting wires And across the intervening matrix of one
Flußänderung B induziert wird, wobei dieser Strom der kritische Strom ist, wenn a gleich 1 ist. Bei einer Wickel-Flux change B is induced, this current being the critical current when a is equal to 1. With a wrap
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länge L, wie sie durch die Beziehung mit a gleich oder kleiner 1 gegeben ist, würde sich also der Leiter etwa so wie ein massiver supraleitender Draht verhalten und damit instabil sein. Eine Erhöhung der Zahl a auf 3 vermindert die Spannung, die den durch die Matrix fließenden Magneti-. sierungsstrom induziert, um den Faktor 3, verdreifacht etwa den elektrischen Widerstand zwischen den supraleitenden Drähten und vermindert die Magnetisierungsströme durch die Matrix etwa um den Faktor 10* Dadurch wird die Stabi« lität erheblich gesteigert, wobei eine weitere Verbesserung dadurch bewirkt wird, daß der Wert der Zahl a noch weiter erhöht wird.length L, as it is given by the relationship with a equal to or less than 1, the ladder would be something like this behave like a massive superconducting wire and with it be unstable. Increasing the number a to 3 decreases the voltage that causes the magnetism flowing through the matrix. Induction current induced by a factor of 3, roughly tripled the electrical resistance between the superconducting Wires and reduces the magnetization currents through the matrix by a factor of about 10 * lity increased significantly, with a further improvement thereby causing the value of the number a to go further is increased.
Ein Wert für a von größer als 3 reicht nicht immer aus, insbesondere nicht für unregelmäßige Anordnungen von ' supraleitenden Drähten und auch nicht für dicke Leiter. Der kleinstmögliche Wert von a ändert.sich mit der Quadratwurzel aus dem Quotienten von Leiterstärke senkrecht zum Feld zu Drahtstärke d.A value for a greater than 3 is not always sufficient especially not for irregular arrangements of 'Superconducting wires and not even for thick conductors. The smallest possible value of a changes with the square root from the quotient of the conductor thickness perpendicular to the field to the wire thickness d.
Ist der Abstand S (in cm) zwischen den Drähten klein im Vergleich zu der Drahtstärke d (in cm)* so muß der nach der obigen Formel berechnete . Wert von L mit dem angenäherten KorrekturfaktorIf the distance S (in cm) between the wires is small compared to the wire thickness d (in cm) * then must the one calculated according to the above formula. Value of L with the approximate correction factor
S
909843/12 16 S.
909843/12 16
ATAT
multipliziert werden. Besteht die die Drähte voneinander trennende Matrix aus mehr als einem Material, so sind die in der obigen Formel verwendeten Werte von ρ und S diejenigen, die dem Material mit dem höchsten Wert von ρ entsprechen.be multiplied. If the matrix separating the wires from one another consists of more than one material, then the values of ρ and S used in the above formula are those associated with the material with the highest value of correspond to ρ.
Ist ρ groß, was einer guten Isolierung zwischen den Drähten entspricht, so ergibt die obige Beziehung einen großen Wert für L. Die Ungleichförmigkeit des Feldes über die Spule kann jedoch zur Bildung von Magnetisierung^- strömen in der Matrix führen, wenn nicht eine bestimmte Maximallänge L verwendet wird, die durch denjenigen Wert von a gegeben ist, der ausreicht, daß die Schwankung derIf ρ is large, which corresponds to good insulation between the wires, then the above relation gives one large value for L. The irregularity of the field across the coil can, however, lead to the formation of magnetization ^ - stream in the matrix lead, if not a particular one Maximum length L is used, which is given by that value of a, which is sufficient that the fluctuation of the
ο
Flußänderung B über der Länge L, geteilt durch die mittle-ο
Flux change B over the length L, divided by the mean
o 'o '
re Flußänderung B über der Länge L, kleiner wird als die Stärke d, geteilt durch die Leiterstärke senkrecht zum Feld. .. ·right flux change B over the length L, becomes smaller than that Thickness d divided by the conductor thickness perpendicular to the Field. .. ·
Vorzugsweise besteht die Matrix aus einem formänderungsfähigen Material, so.daß die supreleitenden und nicht-supraleitenden Materialien zusammen verarbeitet und auf die gewünschten räumlichen Abmessungen gebracht werden, können. Da außerdem die Länge L mit dem spezifischen Widerstand ρ des nicht-supraleitenden Materials zunimmt,The matrix preferably consists of a deformable material, so that the superconducting and non-superconducting materials are processed together and brought to the desired spatial dimensions, can. In addition, since the length L increases with the resistivity ρ of the non-superconducting material,
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muß ρ aus praktischen Erwägungen einen erheblichen Wert haben.For practical reasons, ρ must have a considerable value to have.
Vorzugsweise besteht die Matrix aus einer formänderungsfähigen Legierung auf Kupferbasis, die nicht weniger als 50 Gew.-% Kupfer enthält und einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 6 Mi&roohm.cm bei Λ 200C aufweist.Preferably, the matrix made of a shape-changeable alloy based on copper, containing not less than 50 wt -% of copper and contains an electrical resistivity of at least 6 Mi & roohm.cm wherein Λ comprises 20 0 C..
überwiegende Bedeutung kommt zwar dem spezifischen Widerstand des elektrischen Leiters bei der Betriebstemperatur zu, d.h. gewöhnlich bei 4,20Kj im allgemeinen liegt jedoch dieser Wert nur um 1 bis 2 Mikroohm.cm unter dem spezifischen Widerstand bei 200K, so daß zur Vereinfachung des experimentellen Nachweises der minimale spezifische Widerstand bei 200C angegeben wurde.Although vast importance is the resistivity of the electrical conductor at the operating temperature to, that is usually at 4.2 0 Kj but in general, this value is only about 1 to 2 Mikroohm.cm under the specific resistance at 20 K 0, so that the simplification of the experimental evidence, the minimum specific resistance at 20 0 C was specified.
An Legierungszusätzen kann die Kupferbasis-Legierung bis zu 50 Gew.-% Nickel, bis zu 30 Gew.*% Mangan, bis zu ΊΟ Gew.-£ Zink, bis zu 8 Gew.-J? Zinn, bis zu 10 Gew.-Jt-Aluminium, bis zu 4 Gew.-5? Silicium, bis zu 2 Gew.-$ Eisen, bis zu 2 Gew.-i Chrom und bis zu 1 Gew.-JS Phosphor enthalten. Of alloying additions, the copper base alloy may contain up to 50 wt -.% Nickel, up to 30 wt% * manganese, up to £ ΊΟ by weight zinc, up to 8 parts by weight J.? Tin, up to 10 wt. Aluminum, up to 4 wt. 5? Silicon, up to 2 wt -. $ Iron, up to 2 parts by weight i chromium and up to 1 part by weight JS phosphorus.
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rf*rf *
Vorzugsweise enthält die förmänderungsfähige Kupferbas is-legierung 5 bis SO Üew»-£ Nickel« ο bis 2 Qew.-f Mangan und den Rest Kupfer, was für diesen Legierungsbereieh einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 7 Mikroohm.tim bei 4,20K ergibt; dabei wird zwi- . sehen den supraleitenden Drähten eine hohe elektrische Isolierung erreicht* so daß die Länge L einen erheblichen Wert annehmen kann, wobei trotzdem die iOrmänderungsfähigkeit der Legierung eine gemeinsame Verarbeitung der Matrix mod der Drähte gestattet» Auf diese Weise IMt sieh der elektrische Leiter unter Verwendung eines gemeinsamen Verarbeitungsweges verstellen* Außerdem haben diese Legie* rungen eine Jiärte^ die sehr Innlifch sein kann wie bei den ausgewählten si^raleitendfen Materialien» ätimmen die Ma-%rix& \ind die Supräleitermäteriälien in der Härte überein» so .erleichtert dies die gemeinsame Verarbeitung und ermöglicht, daß die Bfemeinsäme Verarbeitung so weit getrieben wird, daß sehr feine DrShte erzeugt werden und daß das Verdrillen ohne Bruch der Drähte ausgeführt werden kann. Auf diese Weise lassen sich beträchtliche Längen eines homogenen elektrischen Leiters erzielen, wobei die supraleitenden Drähte kontinuierlich durch die gesamte Länge des Leiters hindurchlauffen.Preferably, the förmänderungsfähige Kupferbas is-alloy 5 to SO Üew "- £ nickel" ο Qew. to 2-f manganese and the rest copper, which for this Legierungsbereieh an electrical resistivity of at least 7 Mikroohm.tim 4.2 0 K results; it is between. see the superconducting wires achieve a high level of electrical insulation * so that the length L can assume a considerable value, although the dimensional changeability of the alloy allows a common processing of the matrix mod of the wires. In this way IMt see the electrical conductor using a common processing path can adjust * in addition, these Legie * stanchions a Jiärte ^ very Innlifch be like at the selected si ^ raleitendfen materials »ätimmen the% by mass rix & \ ind the Supräleitermäteriälien in hardness match" so this .erleichtert the common processing and allows that the common processing is carried out so far that very fine wires are produced and that the twisting can be carried out without breaking the wires. In this way, considerable lengths of a homogeneous electrical conductor can be achieved, the superconducting wires running continuously through the entire length of the conductor.
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Wie oben erwähnt, wächst die Länge L mit dem spezifischen Widerstand ρ des nicht-supraleitenden Matrixmaterials. Der spezifische Widerstand ρ ist deshalb vorzugsweise so hoch wie möglich; so wird auch bei der vorliegenden Erfindung eine hochohmige Matrix ins Auge gefaßt, w wodurch ein großes L erzeugt wird. Der Wert von L hat jedoch eine Grenze, die durch denjenigen.Wert von a bestimmtAs mentioned above, the length L increases with the specific resistance ρ of the non-superconducting matrix material. The specific resistance ρ is therefore preferably as high as possible; so also in the present invention, a high-impedance matrix is envisaged, whereby a large L w is generated. However, the value of L has a limit which is determined by the value of a
ο ist, der ausreicht, daß die Schwankung der Flußänderung B über der Länge L, geteilt durch die mittlere Flußänderungο which is sufficient that the fluctuation in the flux change B over the length L divided by the mean flux change
B über der Länge L, kleiner wird, als die Stärke d, geteilt durch die Leiterstärke senkrecht zum Feld. Um jedoch eine gemeinsame. Bearbeitung der supraleitenden und nichtsupraleitenden Materialien zu ermöglichen, wird eine formänderungsfähige Matrix bevorzugt, wobei ein nicht-supraleitendes Material mit hohem spezifischen Widerstand, bei-. spielsweise die oben erwähnte Kupfer-Nickel-Legierung, gewähltB over the length L, becomes smaller than the thickness d, divided by the conductor thickness perpendicular to the field. However, to a common. Processing of the superconducting and non-superconducting To enable materials, a deformable matrix is preferred, with a non-superconducting one Material with high resistivity, both. for example the above-mentioned copper-nickel alloy, chosen
Ein weiterer auftretender Faktor ist die kritische Stromdichte J in dem supraleitendem Material; diese wird durch die Wahl des Supraleiters bestimmt» Ferner · tritt der Raumfaktor k auf, der gleich ist dem Verhältnis zwischen den linearen Dimensionen des Supraleiters und de nen des Supraleiters plus des Matrixmaterials parallel zuAnother factor that occurs is the critical one Current density J in the superconducting material; this is determined by the choice of the superconductor »Furthermore · the space factor k occurs, which is equal to the ratio between the linear dimensions of the superconductor and de nen of the superconductor plus the matrix material parallel to
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dem Feld, dem der Leiter ausgesetzt werden soll. Ein weiterer Faktor ist die Stärke d der supraleitenden Drähte; dieser Faktor hat den oben beschriebenen begrenzten Höchstwert, der durch die Anforderung bestimmt wird, daß ein Flußsprung in dem einzelnen supraleitenden Draht die Temperatur des Drahtes nicht über denjenigen Wert erhöht, bei der der Leiter noch den erforderlichen Leitungsstrom führt. In der Praxis beträgt der größte Drahtdurchmesserthe field to which the conductor is to be exposed. A Another factor is the thickness d of the superconducting wires; this factor has the above-described limited maximum value determined by the requirement that a flux jump in the individual superconducting wire does not increase the temperature of the wire above the value where the conductor still has the required line current leads. In practice, the largest wire diameter is
ο etwa 0,005 cm. Der vierte Faktor ist B, der im Einklang mit einer vernünftigen Flußänderung und mit möglichen Schwankungen in der Energieversorgung des Leiters so kleinο about 0.005 cm. The fourth factor is B, which is consistent so small with a reasonable change in flux and with possible fluctuations in the power supply to the conductor
ο wie möglich gemaöht wird. Ein typischer Wert für B ist 1000 Gauss/Sek.ο mowing as possible. A typical value for B is 1000 gauss / sec.
Vorzugsweise ist das Supraleitermaterial eine supraleitende Niob-Titan-Legierung, beispielsweise Niob-41J-Gew.-Si-Titan, wobei jedoch auch binäre oder höhere Supraleiter-Legierungen der Elemente Niob, Titan, Zirkon, Hafnium und Tantal verwendet werden können. Bei Bedarf kann auch im wesentlichen reines Niob verwendet werden.The superconductor material is preferably a superconducting niobium-titanium alloy, for example niobium-4 1 J-weight-Si-titanium, although binary or higher superconductor alloys of the elements niobium, titanium, zirconium, hafnium and tantalum can also be used. Substantially pure niobium can also be used if necessary.
Andere mögliche Supraleiter-Materialien bedingen die Anwendung einer abschließenden Wärmebehandlung, um die supraleitenden Eigenschaften zu erzeugen; dabei könnenOther possible superconductor materials require the application of a final heat treatment in order to to produce the superconducting properties; can
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• zwischenmetallische Verbindungen mit supraleitenden Eigen·*■'■-'■ schäften erzielt werden. Beispielsweise kann das Supraleiter-Material eine Mischung oder eine zinnreiche Legierung • von Niob mit: Zinn sein, die in der Matrix zu der'gewünschten räumlichen Endgestaltung verarbeitet wird. Dabei kann die Matrix einen Überschuß an Zinn oder an Niob enthalten. Zur Erzeugung der zwisehenmetaiiisehen Verbindung Nb,Sn mit einer Stärke von höchstens Q,O05 cm senkrecht zum Feld kann dann eine geeignete Wärmebehandlung, beispielsweise ■ be achieved transactions - • intermetallic compounds with superconducting own · * ■ '■'. For example, the superconductor material can be a mixture or a tin-rich alloy of niobium with tin, which is processed in the matrix to give the desired spatial end configuration. The matrix can contain an excess of tin or niobium. A suitable heat treatment, for example
5 bis 120 Min. lang im Bereich von 700 bis 950 C, angewandt werden. Die obere Grenze von 95O0C muß notfalls herabgesetzt werden, damit nicht der Schmelzpunkt der Matrix überschritten wird. Nb,Sn hat merklich bessere supraleitende Eigenschaften als Niob, leidet jedoch an Brüchigkeit. Auf diese Weise lassen sich beträchtliche Längen des brüchigen Materials herstellen, wobei die Querschnittsabmessungen des brüchigen Materials so klein gemacht werden können, daß die Wirkung der Brüchigkeit weitgehend ausgeschaltet werden, wodurch sich eine angemessene Verformbarkeit des Leiters ohne Bruch der supraleitenden Drähte erzielen läßt.5 to 120 minutes in the range of 700 to 950 ° C. The upper limit of 95O 0 C must be lowered if necessary so that the melting point of the matrix is not exceeded. Nb, Sn has noticeably better superconducting properties than niobium, but suffers from brittleness. In this way, considerable lengths of the brittle material can be made, and the cross-sectional dimensions of the brittle material can be made so small that the effect of the brittleness can be largely eliminated, whereby an adequate ductility of the conductor can be obtained without breaking the superconducting wires.
Typische Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnungen genauerbeschrieben;Typical embodiments of the invention are described in more detail below with reference to the drawings;
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dabei zeigen;thereby show;
t 1 eine graphische Darstellung, in der der spezifische elektrische Widerstand bei 2OQC in MikroQhnwcm für verschiedene binäre Kupferbasia-Iiegierungen über dem prozentualen Gehalt dea angegebenen Legierungsmetalls aufgetragen istj Fig« S eine graphitehe Darstellung» in der der spezifisch© elektrische Widerstand bei H ,20K in tgUcrootnu cm für Kupfer-Nickel-Le- |ierungem über dem prozentualen Kupfergehälfe aufgetragen istιt 1 a graphical representation in which the specific electrical resistance at 2O Q C in microQhnwcm for various binary copper-based alloys is plotted against the percentage content of the specified alloy metal. 2 0 K in tgUcrootnu cm for copper-nickel-alloys is applied over the percentage copper halves
« $ eine grap&isQh© ßaratellung der Härtekurven C&arfp§te!lii duraii die Viokers-Hlrtetf&fcrend der Reduzierung der Querfür die Matrixlegierungen Kupfer«3^ aew.-Si-Niekel und Kupfer*ao im ¥ersltiatt mit den Kurven für«$ A graph of the hardness curves C & arfp§te! Lii duraii the Viokers hardnessf & fcrend the reduction of the cross for the matrix alloys copper «3 ^ aew.-Si-Niekel and copper * ao im ¥ ersltiatt with the curves for
und
?ig> ^ eine ^ueraahnit%sdariteilung einerand
? ig> ^ a ^ ueraahnit% sdaritteilung a
nung VQH supraieiteRien Iiemeateii und ei nem KfNiklisttttion VQH supraieiteRien Iiemeateii and ei nem KfNiklisttt
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einesFig. 5 is a perspective view of a
Leiters, wobei ein Teil der Kupfer-Uickel-Matrix entfernt ist; undConductor, being part of the copper-uickel matrix is removed; and
Figuren 6 und 7 Strom(A)-Feldstärke(Kilogauss)-Kurven für verschiedene gedrillte Supraleiter, . . die Wechselfeldern ausgesetzt sind.Figures 6 and 7 current (A) field strength (kilogauss) curves for various twisted superconductors, . . that are exposed to alternating fields.
In Fig. 1 sind die spezifischen Widerstände verschiedener-binärer Legierungen bei 2O0C über dein Gehalt an Legierungsmetall aufgetragen, wobei in jedem Fall der Rest Kupfer mit zufälligen Verunreinigungen ist. Die Widerstandskurve für·Manganzusätze geht über den in der Figur sichtbaren Widerstand-Höchstwert hinaus und erreicht für die Legierung.-Kupfer-30 Gew. -Jf-Mangan IQQ Mikroohm.Sek, Die am meisten bevorzugten Legierungen sind Kupfer mit '5 bis 50 Gew.-Si Nickel und ο bis 2 Gew,-Jf Hangan, wobei der mögliche Manganzusatz auf den spezifischen elektrischen Widerstand nur geringen Einfluß hat, jedoch die Korrosionsfestigkeit verbessert. In Fig. 1, the resistivities of different Binary alloys at 2O 0 C are plotted over your content of alloying metal, wherein in each case the balance being copper and incidental impurities. The resistance curve for manganese additives goes beyond the maximum resistance value visible in the figure and reaches IQQ micro-ohms seconds for the alloy-copper-30 wt .-Si nickel and ο up to 2 wt.
In der nachstehenden Tabelle I sind verschiedene spezielle fomuinderungsfähige Legierungen aufgeführt; diese Tabelle enthält Einzelheiten über die Zusammensetzung .(wobei jeweils der Rest Kupfer ist)* den spezifischen Wider*In Table I below, various specific deformable alloys are listed; this table gives details of the composition (with the remainder being copper) * the specific cons *
/S/ S
stand bei 20°C und bei ii,2?K sowie die Härte und die Greixzzugfesfcigkeit im geglühten und im 60 2-kaltverform ten Zustand. . ·" \--"■"■ stood at 20 ° C and at ii, 2? K as well as the hardness and the Greixzzugfesfcigkeit in the annealed and in the 60 2-cold-deformed state. . · "\ -" ■ "■
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191708A191708A
bis 0,02P: 0.01
up to 0.02
(Kutherm 10)Phosphor bronze
(Kutherm 10)
(Kutherm 26)Everdure A
(Kutherm 26)
o 0
O
Messing (70/30) Il
Brass (70/30)
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Vergleichsweise beträgt, der spezifische --Widerstand für sautIn comparison, the specific resistance is for saut
für säuerstoffreies hochleitfähiges Kupfer bei 2O°C 1,7 Mikroohm.cm, während die Vickers-Härtezahlen im geglühten und 60 #-kaltverformten Zustand bei 45 bzw. 117 mit den jeweiligen Grenz-Zugfestigkeiten von 14 bzw. 24 liegen.·for oxygen-free, highly conductive copper at 2O ° C 1.7 microohm.cm, while the Vickers hardness numbers in the annealed and 60 # cold deformed condition at 45 and 117, respectively respective limit tensile strengths of 14 and 24 respectively.
Die am meisten bevorzugten Legierungen sind die Kupfer-Nickel-Legierungen, wobei Zusätze in Kleinen Mengen von Silicium, Zink und Aluminium sowie Mangan die Korrosionsfestigkeit verbessern und den spezifischen elektri- Most preferred alloys are Copper-nickel alloys, with additives in small amounts of silicon, zinc and aluminum as well as manganese improve the corrosion resistance and the specific electrical
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sehen Widerstand leicht erhöhen. -Weitere bevorzugte Legierungen sind die Phosphorbronze, die eine stark formänderungsfähige Legierung ist, ferner Everdure A, das ebenso formänderungsfähig jedoch billiger ist als Kupfer Nickel, sowie die Kupfer-Mangan-Legierungen Kutherm 41, das weniger formänderungsfähig jedoch billiger als Kupfer-Nickel ist, und Kutherm 100, das noch weniger formänderungsfähig ist jedoch einen sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist»see resistance increase slightly. -Other preferred alloys are phosphor bronze, which is a highly deformable alloy, and Everdure A, the just as malleable but cheaper than copper Nickel, as well as the copper-manganese alloy Kutherm 41, which is less malleable but cheaper than copper-nickel is, and Kutherm 100, which is even less ductile, but a very high specific has electrical resistance »
Als Matrixmaterialien kommen ferner Stähle, beispielsweise kohlenstoffarmer Stahl, Nickel-Chrom-Legierungen und Titan infrage.Also used as matrix materials are steels, for example low-carbon steel, nickel-chromium alloys and titanium in question.
Aus Fig. 2 läßt sich entnehmen, daß der elektrische Widerstand von Verbindungen aus dem Kupfer-Nickel-Bereich bei einem Temperaturwechsel von 20°C bis 4,20K nur um etwa 2 Mikroohm,cm abnimmt. Relevant ist der spe zifische Widerstand bei 4,2°K; tatsächliche Werte dafür sind in der nachstehenden Tabelle II für die darin aufgeführten Legierungen angegeben.Of FIG. 2 can be seen that the electrical resistance of compounds from the copper-nickel-area decreases cm with a temperature change from 20 ° C to 4.2 K 0 only by approximately 2 micro ohms. The specific resistance at 4.2 ° K is relevant; actual values for this are given in Table II below for the alloys listed therein.
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(Rest Nickel)Copper in wt.
(Remainder nickel)
in Mikroohm.cmspec. resistance
in microohm. cm
Fig. 3 zeigt, wie sich die Härte der beiden als Beispiel angegebenen Kupferlegierungen bei der Bearbeitung verändert. Die Abszisse der graphischen Darstellung in Pig· 3 gibt die prozentuale Verminderung der Querschnittsfläche bei der Bearbeitung wieder, während auf den Ördinaten die Härte in Vickers-Härtezahlen aufgetragen ist. In diese graphische Darstellung ist auch die entsprechende Kurve für die Supraleiter-Legierung Niob-M Gew.-#-Titan sowie für sauerstoffreies hochleitfähiges Kupfer eingezeichnet. Daraus läßt sich ersehen, daß die Ähnlichkeit der Härtecharakteristika, insbesondere bei starker Querschnittsverminderung, zwischen den Legierungen des Kupfer-Nickel-Bereichs und der betreffenden speziellen Supraleiter^·Fig. 3 shows how the hardness of the two as Example specified copper alloys changed during machining. The abscissa of the graph in Pig · 3 shows the percentage reduction in the cross-sectional area during machining while on the ordinates the hardness is plotted in Vickers hardness numbers. This graph also shows the corresponding curve for the superconductor alloy niobium-M wt. # Titanium as well as for oxygen-free, highly conductive copper. From this it can be seen that the similarity the hardening characteristics, especially in the case of a large reduction in cross-section, between the alloys of the copper-nickel range and the relevant special superconductors ^ ·
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ISTIS
Legierung so groß ist, daß für jede Supraleiter^-Legierung die entsprechend verwendbare Kupfer-Nickel-Legierung gewählt werden kann.Alloy is so large that for any superconductor ^ alloy the copper-nickel alloy that can be used accordingly can be selected.
Aus dem obigen geht hervor, daß sich die gewünschte formänderungsfähige Kupferbasis-Legierung entsprechend den physikalischen Eigenschaften des zu verwendenden Supraleitermaterials auswählen läßt, wobei Fig. 1 und/oder Tabelle I dann den bei einer solchen Legierung zu erwartenden spezifischen Widerstand bei 200C wiedergibt, der dem Widerstand bei 4,2°K sehr nahe kommt. Man wird feststellen, daß selbst dann, wenn die Legierung mit 95 Gew.-35 Kupfer und dem Rest Nickel gewählt werden muß, auch diese immer noch einen spezifischen Widerstand bei 4,20K aufweist, der etwa 700 mal höher ist als der Widerstand von 100 i-igem Kupfer bei fehlendem Feld. Daher" tritt in jedem geschlossenen Strompfad zwischen benachbartem Supraleiterdrähten in einer aus einer derartigen Legierung bestehenden Matrix, verglichen mit der Situation, in der die Matrix aus hochleitfähigem Kupfer besteht, ein beträchtlicher Widerstand auf. Trotzdem läßt sich auch hochleitfähiges Kupfer verwenden; allerdings muß dann die Länge L entsprechend der angegebenen Beziehung klein sein.From the above it can be seen that the desired deformable copper-based alloy can be selected according to the physical properties of the superconductor material to be used, FIG. 1 and / or Table I then reproducing the specific resistance at 20 ° C. to be expected for such an alloy, which comes very close to the resistance at 4.2 ° K. It will be found that even if the alloy with 95% by weight copper and the remainder nickel has to be selected, this also still has a specific resistance at 4.2 ° K, which is about 700 times higher than the resistance of 100 i-copper in the absence of a field. Therefore, "there is considerable resistance in any closed current path between adjacent superconducting wires in a matrix composed of such an alloy, compared to the situation in which the matrix is composed of highly conductive copper. Nevertheless, highly conductive copper can also be used; however, the Length L must be small according to the specified relationship.
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Im folgenden soll ein erstes typisches Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben werden. Bei diesem Beispiel wird ein Blättchen aus der Supraleiter-Legierung Niob-Jj^J Gew.-j5-Titan gegossen und dann bei 600° bis .7000C geschmiedet. Sodann wird das Blättchen in ei-, ner Mischung aus Salpeter- und Flußsäare gebeizt und dann rasch in eine vorbereitete Hülse aus der Legierung Kupfer-25 Gew.-^-Nickel eingeführt. Die Hülse wird aus einem gegossenen und geschmiedeten Blättchen hergestellt und in einer 50 #-igen Salpetersäure gebeizt. In diesem typischen Beispiel mag die Hülse einen Außendurchmesser von etwa 5,6 cm haben, obwohl man sich vorstellt» daß 22,5 oder 30 cm geeignet sein dürften. Die Mengen an Supraleiter-Legierung und Kupfer-Nickel sind so eingestellt, daß etwa 6 Teile Kupfer-Nickel auf 10 Teile der Supraleiter-Legierung treffen.A first typical embodiment of the invention will now be described. In this example, a leaflet of the superconductor alloy niobium Jj ^ J weight j5-titanium is cast and then forged at 600 ° C to .700 0. The leaflet is then pickled in a mixture of nitric and hydrofluoric acids and then quickly inserted into a prepared sleeve made of the alloy copper-25% by weight nickel. The case is made from a cast and forged sheet and pickled in 50 # nitric acid. In this typical example, the sleeve may have an outside diameter of about three inches, although it is envisioned that "22.5 or 30 cm might be appropriate." The amounts of superconductor alloy and copper-nickel are set so that about 6 parts of copper-nickel meet 10 parts of the superconductor alloy.
Die Hülse wird dann evakuiert und dicht verschlossen, um die Oxydation an den einander zugewandten Flächen des Supraleiters und des Kupfer-Nickels so klein wie möglich ,. zu halten, und dann bei etwa 350° bis 65O0C mit einem Reduktionsverhältnis von etwa 6:1 stranggepreßt. Nach der Extrusion findet ein Ziehen bei Zimmertemperatur mit einer Gesamtreduktion von etwa 95 % statta wobei man eineThe sleeve is then evacuated and tightly closed in order to minimize the oxidation on the facing surfaces of the superconductor and the copper-nickel. to hold, and then extruded at about 350 ° to 65O 0 C with a reduction ratio of about 6: 1. After extrusion, pulling takes place at room temperature with a total reduction of about 95% instead of a obtain a
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längliche hexagonale Stange als Endprodukt erhält.elongated hexagonal bar as the end product.
Im vorliegenden Beispiel wird diese Stange in 6l Stücke geschnitten, die in eine weitere Hülse aus der Kupfer-Nickel-Legierung gepackt werden, wobei alle grösseren Hohlräume mit weiteren hexagonalen Stangen der Kupfer-Nickel-Legierung gefüllt werden. Diese Anordnung ist in Fig. k gezeigt. Die Verwendung einer solchen Hülse sowie der zusätzlichen Küpfer-Nickel-Stangen sorgt dafür, daß die Mengen an Kupfer-Nickel und Supraleiter-Legierung etwa gleich werden.In the present example, this rod is cut into 61 pieces, which are packed into a further sleeve made of the copper-nickel alloy, with all larger cavities being filled with further hexagonal rods of the copper-nickel alloy. This arrangement is shown in Fig. K. The use of such a sleeve and the additional Küpfer nickel rods ensure that the quantities of copper-nickel and superconductor alloy are approximately the same.
Die Anordnung wird dann evakuiert und dicht verschlossen und.wiederum bei etwa 350° bis Ö5O°C mit einem Reduktionsverhältnis von etwa 6:1 stranggepreßt. Daran schließt sich eine Reihe von Ziehprozessen bei Zimmertemperatur an, um eine Reduktion der Querschnittsfläche von mindestens 99,5 % zu erzielen. Dies ergibt einen Leiter von etwa 0,25 mm Gesamtdurchmesser mit 61 Drähten, von denen jeder einen Durchmesser von etwa 0,025 mm aufweist. (Bei Bedarf kann das Ziehen bei Zimmertemperatur fortgesetzt werden, um Einzeldrähte mit einem Durchmesser von etwa 0,0125 mm oder weniger zu erreichen).The arrangement is then evacuated and tightly closed and again extruded at about 350 ° to 50 ° C with a reduction ratio of about 6: 1. This is followed by a series of drawing processes at room temperature in order to achieve a reduction in cross-sectional area of at least 99.5 % . This results in a conductor about 0.25 mm total diameter with 61 wires, each about 0.025 mm in diameter. (If necessary, drawing can be continued at room temperature to achieve strands of about 0.0125 mm or less in diameter).
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Bei dem abschließenden Ziehprozeß wird der Draht in einem Verhältnis von einer Windung auf 2,5 cm verdrillt, was eine Länge L = 2,5 cm ergibt. Das Ergebnis ist in Fig. '5 dargestellt, bei der ein Teil der Kupfer-Nickel-Matrix entfernt worden ist, um die Drähte und ihr Wicklungsverhältnis zu zeigen. Der Gesamtdurchmesser des Leiters beträgt 0,25 mm, während die einzelnen Drähte einen Durchmesser von 0,025 nun aufweisen.In the final drawing process, the wire is twisted in a ratio of one turn to 2.5 cm, which results in a length L = 2.5 cm. The result is shown in FIG. 5, in which part of the copper-nickel matrix has been removed to show the wires and their turns ratio to show. The total diameter of the conductor is 0.25 mm, while the individual wires have a Now have a diameter of 0.025.
Der Leiter wird dann etwa eine Stunde lang einer Wärmebehandlung bei 350° bis 45O°C unterworfen, um die Versetzungs-Struktur in der Supraleiter-Legierung zu verfeinern, wodurch die supraleitenden Eigenschaften dieser Legierung so gut wie möglich ausgeprägt werden; gleichzeitig dient dieser Schritt dazu, die Kupfer-Nickel-Legierung teilweise zu glühen. Bei Bedarf kann diese Wärmebehandlung auch während des Ziehprozesses bei Zimmertemperatur vorgenommen werden, was typischerweise dann geschieht, wenn der Leiter einen Gesamtdurchmesser von - etwa 0,625 mm erreicht hat. Wird dieses Verfahren angewandt, so erleichtert das teilweise Glühen des Kupfer-Nickels die weitere gemeinsame Verarbeitung.The conductor is then subjected to a heat treatment at 350 ° to 450 ° C. for about an hour in order to obtain the Dislocation structure in the superconductor alloy to refine, increasing the superconducting properties of this Alloy to be embossed as much as possible; At the same time, this step serves to create the copper-nickel alloy partially to glow. If necessary, this heat treatment can be used can also be done during the drawing process at room temperature, which is typically then happens when the conductor has a total diameter of - approximately 0.625 mm. If this procedure is used, The partial annealing of the copper-nickel facilitates further joint processing.
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Der wärmebehandelte Leiter wird schließlich je nach Bedarf mit einem Isolationsüberzug versehen, der typischerweise aus Polyvinylacetat besteht.The heat-treated conductor is finally provided with an insulating coating as required, which is typically consists of polyvinyl acetate.
Bei diesem Beispiel kann die oben angegebene Formel benutzt werden, wobei die verschiedenen Parameter folgende Werte haben: der Raumfaktor k s 0,8; die Stromdichte J bei geringem Feld = 3 χ 10* für Niob-44 Gew.-55-Titan; der Durchmesser d eines Drahtes = 2,5 x 10~^em; der spezifische Widerstand ρ = 3 χ 10~^ Ohm. cm für Kupfer-25 Gew.-56-Nickel bei 4,20K; und die Feldänderung B s lOOO (1 KiIogauss/Sek.). Bei einer Länge L = 2,54 cm beträgt a etwa 66, was weit über dem bevorzugten Wert von a = 10 liegt.In this example, the formula given above can be used, the various parameters having the following values: the space factor ks 0.8; the current density J at low field = 3 χ 10 * for niobium-44 wt. 55-titanium; the diameter d of a wire = 2.5 x 10 ~ ^ em; the specific resistance ρ = 3 χ 10 ~ ^ ohms. cm Copper-25 56 parts by weight of nickel at 4.2 K 0; and the field change B s 100 (1 KiIogauss / sec.). With a length L = 2.54 cm, a is about 66, which is well above the preferred value of a = 10.
Wird a in der Formel durch 10 ersetzt, so ergibt sich die entsprechende Länge L mit etwa 17 cm. Ein Wicklungsschritt von 17 cm sollte demnach vollständig ausreichen. If a in the formula is replaced by 10, the corresponding length L is approximately 17 cm. One winding step 17 cm should therefore be completely sufficient.
Wird in der Formel für a 3 eingesetzt, so ergibt sich die entsprechende Länge L mit ca. $6 cm, was ein ausreichender Grenzwert sein dürfte.If 3 is substituted for a in the formula, the result is the corresponding length L with approx. $ 6 cm, which should be a sufficient limit value.
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Wird Kupfer anstelle des Kupfer-Nickel verwendet,,■■-...;-.If copper is used instead of copper-nickel ,, ■■ -... ; -.
—fi nimmt man dessen spezifischen Widerstand mit 2 χ 10 0hm..,,cm,—Fi one takes its specific resistance with 2 χ 10 0hm .. ,, cm,
an und verwendet man den ausreichenden Grenzwert für a von 3, so beträgt der Wicklungsschritt L 1,45 em. Wird der Vorzugswert für a von 10 gewählt, so beträgt der Wicklungsschritt L nur 4,4 mm. Dieses Wicklungsverhältnis dürfte ™ allerdings für eine befriedigende und wirtschaftliche Herstellung zu hoch sein.and one uses the sufficient limit value for a of 3, the winding pitch L is 1.45 em. Will the If a preferred value for a of 10 is selected, the winding pitch L is only 4.4 mm. This turns ratio should be ™, however, for a satisfactory and economical production be too high.
Es sei bemerkt, daß die Kompatibilität zwischen den Legierungen Kupfer-25 "Gew.-SS-Nickel und Miob-44Gew.-#- Titan Querschnittsverringerungen dieser Größenordnung ohne allzu große Schwierigkeit gestattet, wobei sich herausgestellt hat, daß die Einzeldrähte einen sehr gleichmäßigen kreisförmigen Querschnitt haben und auch über ihre Länge gleichmäßig sind. Bei Drähten dieser Abmessungen würden über die Länge auftretende Unregelmäßigkeiten rasch zu einem Bruch führen.It should be noted that the compatibility between the alloys copper-25 "wt. SS-nickel and Miob-44 wt .- # - Titanium cross-section reductions of this magnitude without too great difficulty allowed, it has been found that the individual wires have a very uniform have a circular cross-section and are also uniform over their length. With wires of these dimensions Any irregularities occurring along its length quickly lead to breakage.
Anstelle des Verdrillens kann bei Bedarf auch, ein Umwickeln erfolgen, um zu errelchens daß Jeder Draht dem gleichen Einfluß des Magnetflusses ausgesetzt wird. Ein Leiter mit einer großen Anzahl von Drähten dürfte also ein Umwickeln erfordern} dabei bestehen die ngherujsgs-Instead of twisting, a wrapping can take place if necessary to errelchen s that each wire is exposed to the same influence of the magnetic flux. A conductor with a large number of wires should therefore require wrapping} and the ngherujsgs-
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weisen Kriterien darin, daß ein Umwickeln dann nötig ist,have criteria that wrapping is necessary
ο
delta B quer zum Leiter. größer ist als df ο
delta B across the conductor. is greater than d f
Mittelwert von Betrag B quer zum dMean value of amount B across the d
Leiterladder
ο .ο.
und delta B längs eines Wick-and delta B along a Wick
lungsschrittesstep
Mittelwert von Betrag B längs
des WicklungsschrittesMean value of amount B along
of the winding step
OO
und wobei B wiederum die Feldänderung bedeutet und delta B die Schwankung der Feldänderung,, d^ der Draht durchmesser und d der Leiterdurchmesser ist.and where B again means the field change and delta B the fluctuation of the field change ,, d ^ the wire diameter and d is the conductor diameter.
Bei einem zweiten Alisführungsbeispiel der Erfindung wird eine längliche se©hseckige Stange auf die bei dem ersten Beispiel beschriebene Art und Weise hergestellt und in 18 Stücke zerschnitten, die in eine weitere Hülse aus Kupfer-25 Gew.-? -Nickel gepackt werden, wobei größere Hohlräume mit weiteren hexagonalen Stangen der Kupfer-Nickel-Legierung aufgefüllt werden. Dies ergibt ein Verhältnis von Matrix zu Supraleiter von etwa 2,26 : 1.In a second example of Alisführung the invention, an elongated, hexagonal rod is attached to the the manner described in the first example and cut into 18 pieces, which in a further sleeve made of copper-25 wt. -Nickel packed, with larger cavities with wider hexagonal bars of copper-nickel alloy be replenished. This gives a matrix to superconductor ratio of about 2.26: 1.
Die so hergestellte Anordnung wird auf die bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Art und Weise zuThe arrangement produced in this way becomes in the manner described in the first embodiment
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19170^419170 ^ 4
einem Leiter mit einem Gesamtdurchmesser von etwa 0,025 cm und einem Draht durchmesser d von 3*26 χ 10°*^ cm verarbeitet. Ein solcher Leiter wurde mit einer Wicklungslänge L von etwa 105cm verdrillt, die sich aus der Formel mit a = 3, einem Raumfaktor k = 0,75 und einer Feldände-a conductor with an overall diameter of about 0.025 cm and a wire diameter d of 3 * 26 χ 10 ° * ^ cm processed. Such a conductor was twisted with a winding length L of about 105 cm, which is derived from the formula with a = 3, a space factor k = 0.75 and a field boundary
o
rung B = 36Ο Gauss/Sek. ergab.O
tion B = 36Ο Gauss / sec. revealed.
' .' . ' ' ■■'■ ■■'.' . '' ■■ '■ ■■
Dieser Leiter wurde experimentell untersucht, indem er verschiedenen Strömen ausgesetzt und bei jedem Strom einem magnetischen Querfeld ausgesetzt wurde, das bis auf eine Änderungsgeschwindigkeit von 56Ο Gauss/Sek. anstieg. Bei jedem Strom wurde dann die Feldstärke, bei der der Leiter nicht-supraleitende Eigenschaften aufwies, notiert und das Ergebnis als ausgezogene Kurvef in Fig. 6 eingetragen. Diese ausgezogene Kurve gibt eine ausreichende Leistung des Leiters wieder. This conductor was investigated experimentally by exposing it to various currents and subjecting each current to a transverse magnetic field which, up to a rate of change of 56Ο Gauss / sec. rise. For each current, the field strength at which the conductor exhibited non-superconducting properties was then noted and the result entered as a solid curve f in FIG. This solid curve shows a sufficient performance of the conductor.
Wurde der Leiter jedoch einer Feldänderung von 710 Gauss/Sek. unterworfen, was einem Wert für a von 2,64 entspricht, so fielen die Eigenschaften auf die gestrichelte Kurve der Fig. 6 ab. Wurde der Leiter einer Feldänderung von 1400 Gauss/ Sek. unterworfen, was einen Wert für a Von 1,88 entspricht, so fielen; die Eigenschaften . noch stärker auf die höchst unbrauchbare strichpunktierteHowever, if the conductor was subjected to a field change of 710 Gauss / sec. subjected to a value for a of 2.64 corresponds, the properties fell to the dashed curve in FIG. 6. Became the leader of a field change subject to what a value of 1400 gauss / sec for a of 1.88 equals, then fell; the properties . even more strongly to the highly useless dash-dotted line
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Kurvä der Fig. 6 ab.Curve of FIG. 6.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein Leiter auf die in dem zweiten Beispiel beschriebene Art und Weise hergestellt mit der Ausnahme, daß sein Wicklungsschritt L 6 cm betrug. Wurde dieser Leiter einerIn a third embodiment of the invention, a conductor was made in the manner described in the second example, with the exception that its Winding pitch L was 6 cm. This leader became one
Feldänderung B von I1JOO Gauss/Sek. unterworfen, was einen Wert für a von 27 entspricht, so ergab sich die strichpunktierte Kurve in Fig. 7. Diese Kurve gibt eine Völlig ausreichende Leistung wieder, die besser ist als bei der aus-Field change B of I 1 JOO Gauss / sec. subjected, which corresponds to a value for a of 27, the result is the dash-dotted curve in Fig. 7. This curve shows a completely sufficient performance, which is better than the original.
o gezonen Kurve der Fig. 6. Eine Feldänderung B von 36O' Gauss/Sek., die einem Wert für a von 53 entspricht, ergab die Grenzverbesserung , die in Fig. 7 durch die ausgezogene Kurve dargestellt ist.o gezone curve of Fig. 6. A field change B of 36O ' Gauss / sec., Which corresponds to a value for a of 53, resulted in the limit improvement indicated in FIG. 7 by the solid line Curve is shown.
Bei Bedarf kann der Leiter mit einem oder mehreren Strängen von sauerstoffreiem, hochleitfähigen Kupfer versehen werden, die bei einem Totalzusammenbruch der Supraleitfähigkeit oder bei Bruch der supraleitenden Drähte als elektrischer Nebenschluß wirken. Diese Stränge können in die Matrix eingebaut oder mit dem Leiter verseilt werden. Enthält die Matrix mehr als ein nicht-supraleitendes Material, so muß in der oben angegebenen Beziehung für ρ der spezifische elektrische Widerstand desjenigen Matrix-If necessary, the conductor can be equipped with one or more strands of oxygen-free, highly conductive copper are provided in the event of a total breakdown of superconductivity or breakage of the superconducting wires act as an electrical shunt. These strands can be built into the matrix or stranded with the conductor. If the matrix contains more than one non-superconducting material, then in the relationship given above for ρ the specific electrical resistance of that matrix
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materials benutzt werden, das den höchsten Widerstandswert aufweist und zwischen den Drähten angeordnet ist, da bei der Verringerung der Magnetisierungsströme der größte spezifische Widerstand wirksam ist.materials that have the highest resistance value has and is arranged between the wires, since when reducing the magnetization currents of the greatest resistivity is effective.
Dies ist von praktischer Bedeutung, da bei vielen - Anwendungen dieser Materialien, bei denen keine raschen Änderungen des Magnetfeldes erforderlich sind, das vorgeschriebene Wicklungsverhältnis auch dann nicht unpraktisch hoch ist, wenn eine niederohmige Matrix (beispielsweise Kupfer) verwendet wird. Bei einer Reihe wichtiger Anwendungsfälle (beispielsweise bei Protonen-Synchrotrons und Gleichstromgeneratoren) ist jedoch eine typische Magnetfeldänderung im Bereich von 1 bis 100 Kilogauss/Sek. erforderlich; in diesen Fällen muß zur Erzielung eines ver-) nünftigen Wieklungsverhältnisses eine Matrix verwendet werden, deren spezifischer Widerstand typischerweise in der Gegend von 1 χ IG~"^ Ohm. cm (wie bei den oben beschriebenen geeigneten Legierungen) liegt. Besteht jedoch die Matrix vollständig aus einem derartigen Material, so dürfte es sehr schwierig sein, eine Spule von entsprechender Größe im Falle eines.; zufälligen Übergangs in den nicht-supraleitenden Zustand gegen Durchbrennen zu schützen. Außerdem kann die geringe thermische Leitfähigkeit der Matrix inThis is of practical importance, since in many - applications of these materials, in which none are rapid Changes in the magnetic field are required, even then the prescribed turns ratio is not impractically high is when a low-resistance matrix (e.g. copper) is used. In a number of important use cases (e.g. in proton synchrotrons and DC generators) is a typical change in the magnetic field in the range from 1 to 100 kilogauss / sec. necessary; in these cases, to achieve a ver) A matrix can be used with a reasonable weight ratio, the specific resistance of which is typically in the Area of 1 χ IG ~ "^ ohm. Cm (as with those described above suitable alloys). However, if the matrix consists entirely of such a material, it should very difficult to find a coil of the appropriate size in case of a.; to protect accidental transition into the non-superconducting state against burning through. aside from that the low thermal conductivity of the matrix in
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Verbindung mit der Wechselstrom-Wärmestreuung in dem Supraleiter zu einem unerwünscht. starken Temperaturanstieg in dem Supraleiter führen.Relation to the AC heat dissipation in the superconductor to an undesirable. lead to a sharp rise in temperature in the superconductor.
Diese Schwierigkeiten lassen sich durch die Verwendung einer. Matrix herabsetzen, die zwei Materialien enthält, nämlich ein hochohmiges Material, das ein vernünftiges Wicklungsverhältnis ermöglicht, und ein hiederohmiges (und hochleitfähiges) Material, das den Anforderungen hinsichtlich des elektrischen Schutzes und der Wärmestreuung genügt. Geometrisch müssen die beiden Komponenten so angeordnet sein, daß jeder zwei Drähte miteinander verbindende Strompfad eine Schicht des hochohmigen Materials durchsetzen muß; eine Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, besteht beispielsweise darin, jeden supraleitenden Draht zuerst mit einer Schicht der hochohmigen Legierung zu umgeben und die sich ergebenden beschichteten Drähte in eine Kupfermatrix einzubauen. Eine andere brauchbare Möglichkeit ergibt sich durch Austauschen der beiden Materialien.These difficulties can be overcome by using a. Degrade matrix that contains two materials, namely a high-resistance material that enables a reasonable winding ratio, and a low-resistance material (and highly conductive) material that meets the requirements for electrical protection and heat dissipation enough. Geometrically, the two components must be arranged so that each connects two wires together The current path must penetrate a layer of the high-resistance material; one way to achieve this goal, consists, for example, in first surrounding each superconducting wire with a layer of the high-resistance alloy and building the resulting coated wires into a copper matrix. Another viable option results from exchanging the two materials.
Eine einfachere Möglichkeit besteht in der Verwendung einer einfachen, mit einem konzentrischen Mantel aus niederohmigem Material (beispielsweise Kupfer) umgebener Verbindung aus supraleitenden Drähten und hochohmiger Le-A simpler option is to use a simple one, made with a concentric jacket low-resistance material (for example copper) surrounded Connection of superconducting wires and high-resistance wire
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gierung; dies würde zwar elektrischen Schutz bieten, nicht aber eine ebenso hohe effektive thermische Leitfähigkeit erzielen. In den meisten Fällen wird daher die oben beschriebene engere Kombination der beiden Matrixkomponenten vorzuziehen sein.yaw; while this would provide electrical protection, it would not but achieve an equally high effective thermal conductivity. In most cases, therefore, it will be the one described above A closer combination of the two matrix components should be preferred.
Die vorstehend beschriebenen zusammengesetzten Leiter sind, wie gesagt, frei von Spulenverschlechterung, die sich aus . Flußsprüngen ergibt. Dennoch kann eine gewisse Leistungsabnahme noch auf einem anderen Grund beruhen, und zwar auf der Reibungswärme, die entsteht, wenn sich der Leiter innerhalb der Spule unter der Wirkung elektromagnetischer Kräfte bewegt. Um eine ausreichende Leistung dieser Leiter sicherzustellen, wird es deshalb gewöhnlich nötig sein, derartige Leiterbewegungen zu verhindern oder so klein wie möglich zu halten; dabei besteht eine Möglichkeit darin, die Wicklung beispielsweise mit einem Epoxyharz zu imprägnieren. In vielen Fällen, beispielsweise bei kleinen Spulen, dürfte die Verwendung eines einfacheren Imrägniermaterials, beispielsweise Paraffinwachs', ausreichen. 'The composite conductors described above are, as said, free from coil deterioration, which are made up of. River jumps results. However, a certain decrease in performance can be due to another reason, namely on the frictional heat that arises when the conductor is inside the coil under the action electromagnetic forces. Therefore, in order to ensure adequate performance of these conductors, it will it is usually necessary to prevent such ladder movement or to keep it as small as possible; there is one possibility is to impregnate the winding with an epoxy resin, for example. In many cases, for example in the case of small coils, the use of a simpler impregnation material, for example paraffin wax, should sufficient. '
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Claims (21)
Plußänderung B über der Länge L, geteilt durch die mittlereο
Plus change B over the length L, divided by the middle
kung der Flußänderung B'über der Länge L, geteilt durch die mittlere Flußänderung B über der Länge L, kleiner ist als die Stärke d, geteilt durch die Leiterstärke senkrecht zum Feld.O
The change in flux B 'over the length L, divided by the mean change in flux B over the length L, is smaller than the strength d, divided by the conductor strength perpendicular to the field.
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