DE2254778B2

DE2254778B2 - Stabilisierter Supraleiter und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2254778B2
Application number: DE2254778A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Phys. Dr. Glattbrugg Kwasnitza (Schweiz)
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1972-10-27
Filing date: 1972-11-09
Publication date: 1980-04-24
Also published as: CH577744A5; DE2254778A1

Description

IO

20

25

jo

40

45

Die Erfindung betrifft einen stabilisierten Supraleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die heute verwendeten Supraleiter für technische Anwendung, wie sie z.B. in der DE-AS 14 39 812 beschrieben sind, werden bevorzugt als Filamentleiter ausgebildet. Hierbei sind eine größere Zahl feiner supraleitender Fäden aus einem supraleitenden Material wie zum Beispiel NbTi mit einem Fadendurchmesser von ungefähr 50 μηι oder weniger in einer Matrix aus nicht supraleitendem jedoch elektrisch gut leitendem Material wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium eingebettet. Befindet sieh ein solcher Leiter in einem zeitlich schnell ändernden Magnetfeld, so wird in ihm eine besondere Art von Wirbelströmen induziert. Ks entstehen Stromschleifen, bei denen der Strom auf einen Teil seines Weges die supraleitenden Filamente entlang, teils von Filament zu Filament quer durch die Matrix fließt.

OiifTströmp verursachen hohe Ma^netisie-

r> 2 · 10⁸ j_c

dH/dt

w + d

Dabei ist_/_cdie kritische Stromdichte im Supraleiter in A/cm², d der Filamentdurchmesser in cm, λ das Verhältnis Supraleitervolumen/Gesamtleitervolumen, ρ der elektrische spezifische Widerstand der Matrix in Ohm · cm, άΗ/dt die Erregungsgeschwindigkeit des äußeren Magnetfeldes in (250/π) · A/ms, w der Filamentabstand in cm.

Ein Filamentsupraleiter der sehr hohen Erregungsgeschwindigkeiten des Magnetfeldes ausgesetzt wird, darf keine reine Kupfer- oder Aluminiummatrix aufweisen, da sonst wie aus vorstehender Gleichung ersichtlich, die nötige Steigung beim Verdrillen so klein wird, daß sie sich technisch nicht mehr verwirklichen läßt.

Einen technisch vernünftigen Wert für die Verdrillungssteigerung liefe-t eine Matrix aus einem Material, das bei einer Temperatur des flüssigen Heliums einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der mindestens 100 bis 1000 mal größer ist als derjenige von Kupfer bei 4,2 K, was zum Beispiel bei einer CuNi-Legierung der Fall ist.

Indessen verbieten wichtige Gründe die Matrix vollständig aus einem elektrisch schlecht leitendem Material zu machen. Ein gewisser Anteil von elektrisch gutleitendem Material, z. B. Kupfer, ist in der Matrix zur Stabilisierung notwendig, da dieses als Parallelwiderstand zum Supraleiter wirkt und bei einem lokalen Übergang der supraleitenden Eigenschaften einzelner oder aller supraleitenden Filamente in elektrisch normalleitende Eigenschaften den Stromtransport übernimmt. Außerdem dient das gutleitende Material der Wärmeabfuhr. Es ist somit vorteilhaft, den Anteil des elektrisch schlechtleitenden Materials auf ein Minimum zu beschränken.

In den Druckschriften DE-OS 21 23 645 und DE-AS 19 17 084 sind stabilisierte Supraleiter beschrieben mit einer Vielzahl miteinander verdrillter oder verlitzter Supraleiterfilamentt, die über ihre gesamte Länge und Umfang von einem elektrisch gut leitendem Material umgeben sind, diese normalleitende Umhüllung ihrerseits von einem gegenüber dieser elektrisch schlechterleitendem Material umgeben ist.

Alle diese bekannten Ausführungsformen weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie einzelne Filamente aus supraleitendem Material aufweisen, zwischen denen der elektrische spezifische Widerstand zu gering ist, um eine befriedigende Unterdrückung der Matrixquerströme zu garantieren. Es sind dies vor allem Verbindungswege die an der Grenze zwischen dem supraleitende Filamente aufweisenden Bereich und der keine Filamente aufweisenden Randschicht an der Leiteroberfläche verlaufen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen stabilisierten Supraleiter zu schaffen, bei dem mit einer technisch noch durchführbaren Verdrillsteigerung bei Verwendung in zeitlich schnell ändernden Magnetfeldern praktisch keine Querströme und damit verbundene Verluste nnftreten und gleichzeitip ein möglichst hoher

22 54 77S

Anteil an elektrisch gutleitendem Material verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

In Anspruch 2 sind Verbindungen angegeben, die sich zur Herstellung der supraleitenden Filamente besonders eigenen, in Anspruch 3 Metalle und Metallverbindungen, die als elektrisch gut leitendes bzw. schlechtleiten- iu des Material verwendet werden können. Durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 kann der Anteil an elektrisch gutleitendem Material zusätzlich erhöht werden. Bei Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung des stabilisierten Supraleiters wie es in Anspruch 5 angegeben ist, insbesondere durch das Entfernen des Rohres wird der Anteil an elektrisch schlechtäeitendem Material verringert Bei Verwendung eines Rohres aus elektrisch gut leitendem Material, das gemäß Anspruch 6 nach dem ersten Verformungsschritt j>o wieder entfernt wird, kann vermieden werden, daß über dieses Rohr zwischen zwei beliebigen Supr-.leiterfiiamenten ein zu geringer mittlerer elektrischer Widerstand auftreten könnte.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen Preßling zur Herstellung einer ersten beispielsweisen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Supraleiters,

F i g. 2 einen Querschnitt durch einen Preßling zur jo Herstellung einer zweiten beispielsweisen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Supraleiters.

Der in Fig. 1 dargestellte Preßling weist ein aus elektrisch schlechtleitendem Material, wie zum Beispiel CuNi, bestehendes Rohr 1 auf, welches in seinem Innern r> mit mindestens annähernd gleichlangen Stäben 2 aus mit elektrisch schlechtleitendem Material 3 umgebenen und über elektrisch gutleitendes Material 4 mit diesem metallurgisch verbundenen Supraleiterstäben 5 angefüllt ISt. 41)

Um den Anteil an elektrisch gutleitendem Material zu erhöhen, ist der äußere Teil des Rohrinnern mit Stäben 6 ausgefüllt, deren Inneres aus elektrisch gutleitendem Material 7 wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium besteht, das von elektrisch schlechtleitendem Material 8 4-. umgeben -st, derari, daß für jede Transversale im Querschnitt eines solchen Elementes 6 die Bedingung

■ S₁ +
S₁

S₂- ^>

dH/di
~ IÖ^{8 7}X⁷/.¹

Stäben 2 und 6 wird das Rohr 1 an seinen beiden Enden vakuumdicht verschlossen, um bei der anschließenden Verformung bei einer Temperatur von über 500^cC eine allfällige Oxydation zwischen den einzelnen Teilen zu vermeiden. Das gefüllte Rohr 1 wird zum Beispiel durch Walzen bis zu einem Draht verformt, so daß zwischen dem Rohr 1 und den Stäben bzw. Drähten 2 und 6 eine metall!urgische Verbindung entsteht, und das Endproduktverdrillt.

Um den Anteil an schlechtleitendem Material zu verringern, kann man das Rohr 1 nach einer ersten, die metallurgische Bindung zwischen den einzelnen Elementen herstellenden Verformung in seiner Dicke reduzieren oder vollständig entfernen.

Verwendet man ein Rohr 1 aus elektrisch gutleitendem Material, dann ist dieses Rohr 1 nach einer ersten, die metallurgische Bindung zwischen den einzelnen Elementen herstellenden Verformung wieder vollständig zu entfernen, um zu vermeiden, daß über dieses Rohr 1 zwischen zwei beliebigen Supraleitprfilamenten 5 ein zu geringer mittlerer elektrischer spezifischer Widerstand existieren könnte.

Die Dicke der elektrisch schlechtleitenden Schicht 3 und die Steigungslänge des Supraleiters sind derart aufeinander abzustimmen, daß

' S₁

d/ί,ι
2⁷W⁷J^

r² ■ j

erfüllt ist.

Nach dem Füllen des Innern des Rohres 1 mit den gilt, v^obei / eine technisch vernünftig realisierbare Steigung sein muß.

Bei einem wie vorangehend beschrieben hergestellten Supraleiter ist diese Bedingung zwischen zwei beliebigen Supraleiterfilamenten erfüllt.

In F i g. 2 ist ein Querschnitt durch einen Preßling zur Herstellung einer zweiten beispieisweisen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Supraleiters dargestellt, bei welchem ein Rohr 11 in seinem Innern mit Stäben 12 versehen ist, die durch Vorverformung von in F i g. 1 dargestellten Preßlingen hergestellt wurden, um einen Supraleiter mit mehreren tausend Filamenten 5 aus supraleitendem Material zu erhalten.

Um den Anteil an elektrisch gutleitendem Material zu erhöhen, ist der Außenbereich des R<"hrinne^rn wie anhand F i g. 1 näher beschrieben mit zusammengesetzten Stäben 6 von genau definiertem mittlerem elektrischem spezifischen Widerstand und das Rohr 11 mit eingesetzten Stäben 13 aus elektrisch gutleitendem Material versehen.

Die Verformung ees in Fig. 1 dargestellten Preßlings erfolgt auf die gleiche Weise wie beim vorangehend angeführten Beispiel.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stabilisierter Supraleiter mit einer Vielzahl miteinander verdrillter oder verlitzier Supraleiterfilamente, die über ihre gesamte Länge und Umfang von einem elektrisch gutleitendem Material umgeben sind, diese normalleitende Umhüllung ihrerseits von einem gegenüber dieser elektrisch schlechterleitendem Material umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß neben den zweischichtig umhüllten Supraleiter-Filamenten (5) normalleitende, aus einem elektrisch gutfeitendem Kern (7) mit gegenüber dem Kern schlechterleitenden Umhüllung (8) bestehende Filamente vorgesehen sind, wobei die Leitfähigkeit des elektrisch gutleitenden Materials etwa derjenigen des Kupfers, die Leitfähigkeit des schlechterleitenden Materials um den Faktor ΙΟ-² kleiner ist als diejenige des Kupfers bei Betriebstetn jeratur des Supraleiters.

2. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Filamente (5) aus NbTi, NbSn₃ oder V₃ Ga bestehen.

3. Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch gutleitende Material aus Cu oder Al, das elektrisch schlechterleitende Material aus CuNi oder CUGa besteht.

4. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die normalleitenden Filamente (7,8) in der Randzone des Supraleiters angeordnet sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr (11) aus normalle.tendem Material sowohl mit zweischichtig umhüllten Supraleiterfilamenten (5) als auch mit normalleitenden /ilamenten (7, 8) gefüllt wird, dieses gefüllte Rohr nach einer ersten, die metallurgische Bindung zwischen den einzelnen Filamenten herstellenden Verformung in seiner Dicke reduziert oder vollständig entfernt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, daß bei Verwendung eines Rohres (1) aus gutleitendem Material dieses nach dem ersten Verformungsschritt vollständig entfernt wird, im Falle der Verwendung eines Rohres aus einem elektrisch schlechterleitendem Material dieses in seiner Dicke reduziert wird.

rungsverluste im Leiter und können sehr lange Abklingzeiten haben. Diese Verluste können durch Verdrillen oder Verlitzten des Filamentleiters beseitigt werden.

Zur Berechnung der kritischen Länge /_cder Steigung beim Verdrillen des Supraleiters gilt folgende Gleichung: