DE1947266B2

DE1947266B2 - Verfahren zur herstellung eines verstaerkten supraleiters

Info

Publication number: DE1947266B2
Application number: DE19691947266
Authority: DE
Inventors: Alan Barber Anthony Clif ford Lichfield Stafford Woolcock (Großbritannien) HOIv 11 00
Original assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Current assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Priority date: 1969-09-18
Filing date: 1969-09-18
Publication date: 1972-01-20
Also published as: DE1947266A1

Description

Die F'rlindimg bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Supraleiters, bei dem man ein duktiles Supraleitermaterial zu Draht sireckt und diesem langgestrecktes Verstärkungsmaterial zuordnet.

Bei der Hersteilung von starken Magneten unter Verwendung von Supraleitern hat sich herausgestellt, daß durch auf die Supraleiter zurückwirkende Reaktionskräfte in den Supraleitern derart hohe Spannungen erzeugt werden, daß die Supraleiter verformt werden. Diese Verformung kann auch bei Supraleitern auftreten, die mit einem nicht supraleitenden Stabilisationsmaferiul aus Cu umgeben sind, da dieses ebenfalls keine ausreichende mechanische Festigkeit besitzt, um den auftretenden Verformungskräften ausreichend zu widerstehen. Um die aus einem Supraleiter gebildete Spulenwicklung mechanisch wider-

Mandsl'ähig zu machen, wurde es daher bereits voryescliUigen, Verstäikungsdrühte zu verwenden. Zur Herstellung eines derartigen verstärkten Supraleiters wurden die Versiärkungsdrähte zusammen mit dem Supraleitermaterial und oder dem stabilisierenden Material verarjeitet. Dabei wurde der durch das Supraleitermaterial, das stabilisierende Material und die Verstarkungsdrähte gebildete Verbunddraht insgesamt derart gestreckt, daß die Querschnittsabmcssungen des Supraleitermaterials auf bis zu 99¹Vn oder mehr verringert wurden. Dabei war es erforderlich, daß der Verstärkungsdraht für diese Streckung geeignet ist, was eine bedeutende Einschränkung in der Wahlfreiheit für geeignetes Verstärkungsdrahtmaterial bedeutet. Weiterhin ergab sich noch der Nachteil, daß durch die maximale Kapazität der Herstellungsanlage die Länge für den so hergestellten Supraleiter beschränkt war und so mir Supraleiter mit diskreten Längen hergestellt werden konnten.

Es ist ein Supraleiter bekannt, der ein Band aus rostfreiem Stahl mit einer dünnen Schicht NIt₁Sh und in gleicher Schichtdicke Silberplattierung aufweist und damit ein Element zum Schutz des Supraleiters vor Bruch besitzt. Da jedoch Nb.,Sn ein sprödes Material ist. kann ein daraus gebildeter Supraleiter nur durch Plattierung und nur in einer vorbestimmten Form und Läniie gebildet werden. Dabei ist es nicht möglich, erst einen Draht aus dem supraleitenden Material zu bilden und diesen dann mit anderen Komponenten zu verbinden.

Weiterhin ist es bekannt, supraleitende Drähte mit nicht supraleitenden Drähten zu verseilen, wobei durch Mitverseilung von Stahldrähten der Supraleiter mechanisch widerstandsfähig gemacht werden kann. Durch die Verseilung ergibt sich jedoch für eine Magnetspule ein höherer Raumbedarf bei gegebener Windungszahl. Außerdem können, da der Kontakt zwischen den Verstärkungsdrähten und den linderen Komponenten des Supraleiters auf Bcrührungslinien beschränkt ist und daher entsprechend klein ist. Verformungen des Supralcitdrahtes durch magnetische Reaktionskräfte auftreten, da ein Ablieben eines Supraleitdrahtes von einem Verstärkungsdniht nicht ausgeschlossen ist. Ein verseilter Supraleiter ist demgemäß gegenüber quer zu seiher Längsachse auftretenden Verformungskräften weniger widerstandsfähig.

Der Erfindung liq't die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines mit Verstärkimgsdrähten verstärkten Supraleiters zu schaffen, bei dem bei nicht eingeschränkter maximaler Länge des herzustellenden Supraleiters eine freie Wahl des Materials für die Verstarkungsdrähte möglich ist.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß man das gestreckte Supraleitermaterial in an sich bekannter Weise in ein bei 4.2 K nicht supraleitendes Stabili- -ationsmaterial guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit in gutem thermischem und elektrischem Kontakt fest einbettet und daß man dieses Stabilisationsmaterial fest mit langgestrecktem Verstärkungsmaterial verbindet.

Erfindungsgemäß wird somit das Verstärkungsmaterial dem Supraleitermaterial erst dann zugeführt, wenn es wirklich nötig ist, so daß das Verstärkungsmaterial nicht mit d*!tn Supraleitermalerial gestreckt 2U werden braucht; es kann jedoch das Verstärkungsmaterial von dem Srnraleiterdraht vor der endgültigen Verlängerung befestigt werden. Ferner bestimmt sich die maximale Länge des endgültigen Leiters für eine beliebige gegebene maximale Anlagenkapazität lediglich aus den minimal beurbeiibareuQuersehüittsabmessungen des Supraleitermaterials. Führt man das Verstärkungsmaterial — und das stabilisierende Material, falls dieses von dem Verstärkungsmaterial verschieden ist — nach dem Strecken des Supr-uleitermaterials zu, kann der elektrische Leiter dann dieselben Quersehnittsabmessungen wie ein zusam-IQ menbearbeiteter Leiter haben, obwohl es eine wesentlich größere Länge hat.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischcr Zeichnungen näher erläutert.

Fig. f ist eine Schnittansicht eines Rohlings aus Supraleitermaterial in einer Strangpreßhülle aus stabilisierendem Material;

Fig. 2 ist eine schaubildliclie Darstellung eines zusammengesetzten stabilisierten Supraleiterdrahts; F i g. 3 ist eine schaubildliche Ansicht eines genuteten Kupferstreifens;

F i g. 4 ist eine Schnittansicht Liner Vorrichtung für die Herstellung eines ersten erfindungsgemäßen Beispiels:

F i g. 5 ist eine schaubildliche Darstellung, die eine Zwischenstufe hei der Flerstellung des ersten erfindungsgemäßen Beispiels verdeutlicht:

Fig. 6 ist eine schaubildliche Darstellung des ersten Beispiels der Erfindung;

F i g. 7 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung für die Herstellung einer Abwandlung des ersten erfindungsgemäßen Beispiels:

F i g. 8 bis 1 3 sind schaubildliche Darstellungen eines zweiten bis siebenten Beispiels der Erfindung.

Es sei zunächst auf die F i g. 1 bis (1 verwiesen-. bei einem ersten erfindungsgemäßen Beispiel wird ein Rohling 20 aus einer Supraleiterlegierung aus Niobium mit 44 Gewichtsprozent Titan in eine Kupferhülle 21 aus hochreinem Kupfer gebracht, das bei kryogenen Temperaturen eine hohe Leitfähigkeit bcsitzt; die Hülle 21 wird evakuiert und durch eine Kupferscheibe 22 hermetisch abgeschlossen, um ein Strangpreßwerkstück gemäß F i g. I za erhalten. Dieses Werkstück wird bei Temperaturen von 350 bis 550 C und vorzugsweise bei 450 C extrudiert oder stranggepreßl und dann in einer Reihe von Schritten oder Stufen bei Umgebungstemperatur gezogen, um den in F i g. 2 gezeigten zusammengesetzten Draht oder Verbunddraht 23 zu erzeugen. Die Kupfermenge wird auf die gcringstmögliche Menge beschränkt, um zu gewährleisten, daß für die erwünschten Quersehnittsabmessungen des Supraleitermaterials die größtmögliche Supraleitermateriallänge erzeugt werden kann. Während der Herstellung kann die Supraleitermateriallänge nach Bedarf in Zwischenstufen wärmcbchandelt werden, um die erwünschten supraleitenden Eigenschaften zu erzielen, z. B. 1 Stunde bei 400 C. Der Verbunddraht 23 besitzt eine Kupferhaut 24 und einen Supraleiterkern 25.

Hat der Verbunddraht 23 seine gewünschte Querschnittsabmessung erreicht, wird et zunächst mit einer Länge aus stabilisierendem Material versehen. Das stabilisierende Material wird in der Weise her-₁ gestellt, daß man einen Streifen aus Kupfer mit hoher Leitfähigkeit bei kryogenen Temperaturen nimmt, der die gleiche Länge wie die Supraleiterlänge besitzt und die erwünschten Quersehnittsabmessungen hat. Der Streifen aus Kupfer kann durch Aneinanderschweißen von Einzehtreifen nach Bedarf oder nach

Diktat der Zufuhr oder des Vorrats hergestellt werden. Der Kupferstreifen wird auf seiner Oberseite und/oder Unterseite durch Ziehen durch eine geeignete Form oder durch Walzen genutet, so daß der in Fig. 1 dargestellte Streifen 26 erhalten wird, der lediglich auf einer flachen Oberseite 28 Nuten 27 zeigt.

Gemäß Fig. 4 wird der Streifen in eine Schlitz matrize oder Schlitzform 29 geführt, die genauso viele Kanüle 30 wie Nuten 27 besitzt, welche die Nuten 27 in dem Streifen 26 erzeugen. Durch jeden Kanal 30 wird ein Verbunddraht 23 zugeführt, damit sich dieser in eine der Nuten 27 einlegt: der Streifen 26 wundert dann zu einer dritten Matrize, in der die Nuten 27 verschlossen werden. z. B. ein Paar von einander gegenüberliegenden Walzen 31. Auf diese Weise werden die Supraleiterliingen in dem Kupferstreifen eingebettet und bilden eine Zusammen-e:- /mit: aus dem stabilisierenden Kupferstreifen 26 und den Verbimddrähten 23. die die gewünschte Form haben und in der die erforderliche Beziehung /wischen den OuerschnittsHiichen mim Supraleiter und Kupfer vorliegt. Zusätzlich befinden sieh die Supraleiterkerne in siutem thermischem und elektrischem Kontakt mit dem Kupferstreifen 26. und /war über die dünne Kupferlniut 24. die sieh auf jeder Supraleiterlänye hauptsächlich für diesen Zweck befindet. Alternativ können an Stelle von Verbimddrähten 23 blanke Supraleiterdriihte verwendet werden.

Der Streifen 26 wird dann in derselben Weise, wie ihm Supraleiterliingen zugeführt wurden, mit Yerstäi kumismaterial versehen, el h. durch die Herstellung \on Nuten, das [-'insetzen \on Yerstärkuugsilriihten und das nachfolgende Schließen der Nuten. Die Nuten werden geschlossen, um zu gewährleisten. 3." dal.'i /wischen ilen Yerstärkuiigsdrähten und dem Kupfer eine i'e-te Verbindung hergestellt wird. Die F i g. 5 zeigt den Streifen 26 nach dem Anbringen von Nuten 32 für Verstärkiingsdrähte 33. während die F i «. (·> den Streifen 26 nach dem Schließen der ■»" Nuten 32 verdeutlicht.

Nach Bedarf können die Vcrslärkungsdrähte 33 ■i'id die Yerhunddrähte 23 dem Kupferstreifen 26 /in gleichen Zeit durch dieselbe Matrize 29 zugeführt werden.

DL- Anzahl der Nuten 27 und 32 hängt von der Anzahl der Drähte 23 und 33 ab. die von diesen aufzunehmen sind.

Im Bedarfsfall kann die mechanische Verbindung zwischen den Yerstärkuncsdrähtcn 33 und dem Kupferstreifen 26 dadurch verbessert werden, daß die Oberflächen der Verstärkiingsdrähte 33 aufgerauht werden, um eine Verkeilung oder Yerhakung mit dem Kupfersireifen zu erzielen.

Bei einer Abwandlung des typischen Beispiels kann die vorbeschriebene Arbeitsweise zur Herstellung der Nuten, zur Aufnahme von Yerbunddrahtlängen und zum Schließen der Nuten dadurch \ereinfacht werden, daß man einfach die Supraleiterdrähte in eine oder in beide flachen, einander gegenüberliegenden Oberflächen des Kupferstreifens 26 einwalzt oder in anderer Weise einpreßt.

Alternativ können gemäß Fic.⁷ die Yerbunddrähte dadurch in die Nuten 27 eingelötet werden, daß man sie während des Durchlaufs des Streifens 26 unter der Oberfläche eines geschmolzenen Lötmittelbads 35 auf einer Walze in die Nuten 27 einführt.

Die F i c. 8 zeigt ein weiteres errindun2saem;:ßes Beispiel, bei dem die Verstärkungsdrähte 40 in der Mitte eines Supraleiterverbundkörpers angeordnet werden, indem man zwei Kupferstreifen 41, die Halbkreiscjuerschnitt haben können, mit Längen aus Verbunddraht 42 aus Siipraleitermaterial und Kupfer versorgt, die in die die äußere Oberfläche abgebenden Oberflächen eingebettet sind, wonach z. B. drei Verstärkungsdrähte 40 zwischen den beiden Streifen 41 eingeschlossen werden.

Die Fig. ⁽) zeigt ein drittes Beispiel der Fi findung, bei dem in der Mitte des endgültigen Verbundleiters 45 Verstärkiingsdrähte 44 angeordnet werden, indem man einen Kupferstreifen 46 mit nur in eine Oberfläche 4K eingebetteten Längen aus Verbunddraht 47 aus Siipraleitermaterial und Kupfer herstellt und den Streifen um seine Längsniittellinie faltet, wobei die andere Oberfläche 49 um einen oder mehrere aulgerauhte Verstärkungsdrähte 44 herumgelegt wird.

Die Fig. if) zeigt ein viertes Beispiel der Frlindung. hei dem zwei Streifen 50 aus hochleitfähigem Kupfer clinch Finwal/en oder Verbinden eine Reihe von Verbimddrähten 51 aus Siipraleitermalerial und Kupfer zusammen mit dazwischenliegenden Veistärkimgsdrähten 52 zwischen sich sandwichartig aufnehmen. .Alternativ (nicht gezeigt) können die Drähte 52 an den äußeren Oberflächen 53 der Streifen vor geseiien werden.

Die F i g. Il zeigt ein fünftes Beispiel der !'Hindun», bei dem Längen 55 aus Verhuiiddraht aus Supraleiterniateriai \\m.\ Kupfer in die Außenfläche 5fi eines Kupi'crrohrs 57 eingebettet sind, das anschlic I.kmiiI mit einer einzigen Drahuerstärkung 58 versehen wird, ".eiche durch das Innere 5') des Rohrs 5~/ zugeführt wird.

Die Fig. 12 zeigt ein sechstes Beispiel tier FiTm dünn, bei dem eine Nebeneinanderanordnunn vor vier i äneen 60 aus Kupferstr.-ifen vorgesehen i'-t von denen jeder mit einem Yerstärkiingsdraht 61 un; vier Yerbunddrähten 62 aus Supraleitermaterial um Kupfer versehen ist. Die Längen 60 können durcl· Löten. Hartlöten. Schweißen oder Kleben miteinander verbunden werden. Für das Verkleben kann eil elektrisch isolierendes Material wie z.B. F.poxvhar, verwendet werden. Diese Anordnung wird auf weniuslens einer ''iherflächc eine- Vcrstärkungsstreifens 6.¹ ausgeführt.

Die Fig. 13 zeigt ein siebentes Beispiel der FiTmdung. das eine ,Abwandlung des sechsten Beispielnach Fi«. 12 ist. wobei die Abwandlung darin besteht, dal.', die Yerstärkiingsdrähte 61 weggela>set

sind und

Yerstärkungsstreifen 63 in die Seilen

wände 64 verlängert ist und C-Quersehnitt besitzt um teilweise die Längen 60 zu umschließen.

Gei einem weiteren, nicht gezeigten Beispiel sim. in dem Versiärkungsmaierial Läneen aus blanken Supraleitermaterial angeordnet, wobei das Verstärkungsmaterial gleichzeitig als ein stabilisierendes Ma !erial wirkt. An Stelle der bei den vorgeschriebener Beispielen verwendeten Kupferstreifen wird in die <em Beispiel eine Kupferlegierung wie Kupfer-Zirkonium. Kupfer-Beryllium oder Kupfer-Aluminiun verwendet, während man keine Yerstärkungsdrähti benutzt.

Die in der Beschreibung erläuterten und in dei Zeichnungen dargestellten Verstärkiingsdrähte kön nen aus den drei zuvor erwähnten Kupferleaierunsiei hergestellt werden: sie können auch aus stark nicht ferromasnetischen Stählen mit einiger Dehnfähiekei

bei kryogenen Temperaturen, aus Glas. Wolfram, Titanium oder einer Titaniumlegieriing hergestellt werden.

Bei einer weiteren Abwandlung der Erfindung wird an Stelle von Kupfer Aluminium als das stabilisierende Material verwendet.

Bei v'er praktischen Verwirklichung der Erfindung kann jegliche delinbare Supraleiterlegierung verwendet werden.

Gemäß einer weiteren Abwandlung wird der endgültige Leiter mit einem Überzug aus isolierendem Material, z. U. aus Polyäthylen oder aus einem herkömmlichen organischen Isoliermaterial versehen 5 oder es wird die Isolierung durch einen Streifen aus Isoliermaterial auf jeder Oberfläche hergestellt, die von einer benachbarten Oberfläche einer benachbarten Wicklung einer Supraleiterspule isoliert werden muß.

Hierzu 2 RIatt Zeichnungen

109 584/29.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Supraleiters, bei dem man ein duktiles Supraleitermaterial zu Draht streckt und diesem langgestrecktes Verstärkungsmaterial zuordnet, dadurch gekennzeichnet, daß man das gestreckte Supraleitermaterial (23) in an sich bekannter Weise in ein bei 4,2- K nicht supraleitendes Siabilisationsmaterial (26) guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit in gutem thermischem und elektrischem Kontakt fest einbettet und daß man dieses Stabilisationsmaterial fest mit langgestrecktem Verstärkungsmaterial (33) verbindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gektiin/eichnet. daß das langgestreckte Verstärkungsmaterial aus mehreren miteinander verbundenen kurzen Einzellängen besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß das langgestreckte stabilisierende Material (26) aus mehreren miteinander \erbundeiien kürzeren Einzellängen besteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die fortlaufenden langgestreckten Drähte aus dehnbarem Supraleitermaterial (25) jeweils in den Boden einer entsprechende!: in dem langgestreckten stabilisierenden Mati-rial (26) ausgebildeten Nut (27) eingelegt werden.

5. Verfahren nach Anspruch J. d durch gekennzeichnet, daß jede Nut (7) anschließend verschlossen wird, um die langgestreckten Drähte aus dehnbarem Supraleitermaterial (25) in das stabilisierende Material einzubetten.

(1. Verfahren nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß jeder fortlaufende langgestreckte Draht aus dehnbarem Supraleitermaterial (25) in die entsprechende Nut (27) eingelötet ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die fortlaufenden langgestreckten Drähte aus dehnbarem Supraleitermaterial (25) in das stabilisierende Matcrial eingepreßt werden.

X. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder langgestreckte Draht aus dehnbarem Supraleitermaterial (25) mit einer I laut (24) aus stabilisie- -,n rendem Material auf einem Kern (25) aus Supraleitermaterial unter Herstellung eines Verhunddr.ihts (23) hergestellt wird.

¹I. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 l>is 3. dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ;,.-, eine Länge aus Verstärktingsmaterial (33) in <\cn boden einer entsprechenden Nut (32) des stabilisierenden Materials (26) eingelegt wird, daß diese Nut anschließend geschlossen wird, um das Verstärkungsmaterial mit dem stabilisierenden Mate- rial zu verbinden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierende Material (45) die Form eines Streifens hat, der um seine sich in Längsrichtung erstrekkende Mittellinie gefaltet ist. um mehrere Längen aus Verstärktingsmaterial (44) einzuschließen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1

bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Längen aus stabilisierendem Material (41) vorgesehen werden, die jeweils mit mehreren fortlaufenden langgestreckten Drähten aus Supraleitermaterial (42) versehen sind, wobei zwischen die einander gegenüberliegenden Flächen mehrere Längen aus Verstärkungsmaterial (40) eingebettet si.;d.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierende Material die Form eines Rohrs (57) besitzt, das mat mehreren fortlaufenden langgestreckten Drähten aus dehnbarem Supraleiterma'erial (55) in seiner Wand versehen ist und in seinem hohlen Inneren mit wenigstens einer Länge aus Verstärkungsmaterial (58) versehen ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens einer Oberfläche eines Streifens aus Verstärkungsmaterial (63) nebeneinander mehrere Längen aus stabilisierendem Material (60) angeordnet sind.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verstärkte elektrische Leiter mit einem isolierenden Überzug auf wenigstens einer Oberfläche wrsehen ist.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierende Material aus hochleitfähigem Kupfer besteht.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierende Material Aluminium ist.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial aus den Werkstoffen Kupfer-Zirkonium. Kupfer-Beryllium, Kupfer-Aluminium, rostfreier Stahl. Messing. Wolfram. Titanium oder einer Titaniiimlcgierung gewählt wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dehnbare Supraleitermaterial eine Supraleiterk'uierung aus Niobium mit 44 Gewichtsprozent Titanium ist.