DE2515904C2

DE2515904C2 - Verfahren zur Herstellung eines stabilisierten Supraleiters

Info

Publication number: DE2515904C2
Application number: DE2515904A
Authority: DE
Inventors: Gundolf Dipl.-Phys. Dr. Birmenstorf Meyer
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1975-03-12
Filing date: 1975-04-11
Publication date: 1983-03-24
Also published as: US4084989A; DE2515904A1; GB1521202A; DE7511447U; CH584449A5

Description

a) der Bolzen (1, 8) weist im Mittelbereich seines Querschnittes eine Vielzahl von aus der zweiten Materialkomponente bestehende Stäbe oder Drähte (2, 9) auf, die von einem Material (3, 8) umgeben sind, durch das die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundieren kann,

b) der Bolzen (1, 8) weist in seinem radial gesehenen äußeren Bereich mehrere, aus elektrisch gut leitendem Material bestehende Drähte oder Stäbe (6, 10) auf, die mit einer Diffusionssperrschicht (7, 11) gegenüber der von außen einzudiffundierenden Materialkomponente umgeben sind,

c) mindestens zwischen einem Teil der von der Diffusionssperrschicht (7, 11) umgebenden Drähte oder Stäbe (6.10) ist ein Material (5,8) angeordnet, durch das die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundieren kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bildung der aus der zweiten Materialkomponente bestehenden Filamente Nb oder V und als diffusionsfähige Materialkomponente Sn, Ga oder Si verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundierenlassendes Material Cu verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundierenlassendes Material ein solches verwendet, das bereits einen Teil der zur Bildung der Supraleiterfilamente notwendigen Menge an diffusionsfähiger Materialkomponente enthält

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als diffusionssperrendes Material Ta, Nb, V oder eine Legierung aus diesen Materialien verwendet.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es sind bereits zahlreiche Filamentsupraleiter auf der Basis intermetallischer Verbindungen wie NbßSn, VßGa, V3S1 und andere bekannt, deren gemeinsames Kennzeichen sehr hohe kritische Felder (> 15 T), hohe kritische Temperaturen (>15 K) und hohe kritische Stromdichien im Supraleitermaterial (>WA/mm² bei 5T und 4,2 K) ist Die dabei verwendeten Supraleitermaterialien sind jedoch alle sehr spröde und lassen sich nicht durch die bekannten Verfahren zu den erforderlichen dünnen Filamenten ziehen.. Daher ist es bei der Herstellung dieser Supraleiter notwendig, zuerst die duktilen Materialkomponenten zu verformen, eventuell gewisse Materialkomponenten erst bei der Bildung des Endproduktes hinzuzufügen, und die intermetallische Verbindung unter Anwendung eines Glühprozesses durch Diffusion herzustellen.

Es sind bereits mehrere Verfahren bekanntgeworden, um diese Prozesse auszuführen. In den DE-OS 22 30 252 und 22 30 254 werden Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters beschrieben, wobei zwischen den die supraleitenden Filamente bildenden Schichten in Streifenform eine Fremdsubstanz angeordnet ist, welche nach Eindiffusion in eine der Schichten eine supraleitende Verbindung verhindert Durch das Eindiffundieren der Fremdsubstanz in die zwischen den einzelnen supraleitenden Filamenten vorhandenen Bereiche wird das Material in diesen Bereichen so hochohmig, daß das Übertreten von Wirbelströmen von einem Filament in das benachbarte erheblich erschwert wird.

In der DE-OS 23 39 525 werden Lösungswege zur Stabilisierung eines Supraleiters aufgezeigt, um plötzlichen unvorhergesehenen Bewegungen des magnetischen Fiusses, sogenannten Flußsprüngen zu begegnen, inde.n ein Trennmaterial angebracht ist, um das stabilisierende Material vor dem Eindiffundieren eines der die supraleitenden Filamente bildenden Bestandteiles bei der Wärmebehandlung zu schützen.

Aus der DE-OS 24 03 665 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters bekannt, wobei auf ein metallisches Stützelement schichtweise die einzelnen Bestandteile des Supraleiters aufgebracht und gemeinsam einer Wärmebehandlung unterzogen werden.

Die DE-OS 24 03 666 bezieht sich schließlich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters, wobei eine selektive Diffusionsschranke zwischen der zumindest einen Komponente und dem nicht supraleitenden Materill vorgesehen ist, durch welche die restliche Komponente der supraleitenden Verbindung diffundieren kann, die jedoch den Durchtritt von nicht supraleitendem Material in die zumindest eine Komponente praktisch blockiert.

Alle die soeben angeführten Verfahren weisen den Nachteil auf, daß die Restmatrix, außer der Supraleiterschicht und dem Rest-Kern der Supraleiterfilamente, aus der elektrisch sehr schlecht leitenden CuGa, CuSn- oder CuSi-Bronze besteht. Zum stabilen und gefahrlosen Betrieb einer Supraleiterspule ist es aber notwendig, den Leiter mit einem Kupfer-, Aluminium- oder Silber-Parallelleiter zu verbinden, welcher dann eine elektrisch gutleitende Brücke für den Fall darstellt, daß die Supraleitfähigkeit des Supraleiters aus irgend einem Grund verloren geht Es hat Vorteile, wenn elektrisch gut leitendes Kupfer, Aluminium oder Silber in die Matrix des Supraleiters integriert wird. Gemäß ebenfalls bereits bekannten Beispielen umgibt man die aus supraleitendem Material bestehenden Filamente oder Filamentgruppen, die auch die Bronzematrix enthalten, mit für die diffundierenden Komponenten wie zum Beispiel Sn, Ga oder Si, undurchlässigen Diffusionssperren. Solche Leiter weisen somit in ihrem Innern die von der Bronzematrix umgebenen Supraleiterschichten auf, wobei die Bronzematrix ihrerseits von einer

Diffusionssperre und die letztere außen von elektrisch gut leitendem Kupfer oder Aluminium umgeben ist Bisweilen wird innerhalb der Diffusionssperre auch rein.es Material der diffundierenden Komponenten vorgesehen, um die Verformbarkeit des Leiters zu verbessern. Enthält der Leiter auf seiner Außenseite die elektrisch gutleitende Substanz, dann entfällt die Möglichkeit der externen Diffusion der zur Bildung des supraleitenden Materials zu diffundierenden Materialkomponente. Ό

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einss stabilisierten Supraleiters, bei welchem durch eine spezielle Anordnung der Leiterkomponenten der Vorteil der externen Diffusion beibehalten, also die einfache Verformung der Matrix erhalten werden kann, obwohl die elektrisch gut leitenden Bereiche im Außenbereich des Leiters angeordnet werden und die supraleitenden Filamente somit über den Querschnitt des Leiters betrachtet in radialer Richtung gesehen alle innethalb dieser elektrisch gutleitenden Bereiche verlaufen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erreicht, daß Diffusionsbrücken von der Außenseite des Leiters in dessen Zentrum gebildet werden, über welche die diffusionsfähigen Materialkomponenten von außen zu den mit ihnen das Supraleiter- Jo material bildenden anderen Materialkomponenten gelangen können und gleichzeitig der Hauptteil der aus elektrisch gut leitendem Material bestehenden Matrix durch die Diffusionssperren von einer Verunreinigung durch die diffusionsfähige Materialkomponente, welche die elektrische Leitfähigkeit des elektrisch gut leitenden Materials bei tiefen Temperaturen sehr stark herabsetzt, geschützt wird.

Bei einigen Materialkombinationen ist es zur Erzielung einei einwandfreien metallisch innigen *o Verbindung nach der mechanischen Verformung des Leiters vorteilhaft, wenn man als diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundierenlassendes Material ein solches verwendet, daß bereits einen Teil der zur Bildung der Supraleiterfilamente notwendigen ⁴^ Menge an diffusionsfähiger Materialkomponente enthält.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ferner noch folgende Vorteile:

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a) Es ist nicht auszuschließen, daß die möglichst dünn auszulegenden Diffusionssperren um das elektrisch gut leitende Material herum bei einer Endlänge des Leiters von vielen Kilometern Öffnungen aufweisen können, sei es infolge von Rissen, Poren oder ähnlichem. An diesen Stellen würde bei den bisherigen Ausführungsformen zum Beispiel Zinn aus dem die Bronze enthaltenden Teil des Leiters in das Kupfer diffundieren und die hohe elektrische Leitfähigkeit des Kupfers zerstören. Dies hätte aber zur Folge, daß bei einer Schnellentregung einer aus diesem bekannten Supraleiter hergestellten Spule oder einem plötzlichen Verlust der Supraleitfähigkeit im Leiter, dem er gewachsen sein muß, der Leiter durchbrennen kann. Bei ⁶^ Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Aufteilung des Querschnittes des elektrisch gut leitenden Materials, zum Beispiel des Kupfers, in mehrere voneinander getrennte, mit Diffusionssperren geschützte Bereiche praktisch ausgeschlossen, daß der Gesamtquerschnitt oder ein Großteil des elektrisch gut leitenden Materials elektrisch schlecht leitend werden kann, b) Durch die bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens resultierende Aufteilung des Querschnittes des elektrisch gut leitenden Materials in mehrere voneinander distanzierte Bereiche ergibt sich bei Verwendung des Leiters in zeitlich variablen Feldern eine Reduktion der Wirbelstromverluste. Insbesondere reduzieren auch die elektrisch schlecht leitenden Brücken, die sich zwischen den elektrisch gut leitenden Bereichen befinden, die bekannten Kopplungsverluste zwischen den am weitesten auseinanderliegenden Supraleiterfilamenten und Kupferbereichen.

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

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste beispielsweise Ausführungsform eines Ausgangsbolzens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine zweite beispielsweise Ausführungsform eines Ausgangsbolzens.

Gemäß F i g. 1 werden in einem Kupferbehälter 1 Formteile eingesetzt, welche aus Nb-Stäben 2, die letzteren umgebenden Kupferrohren 3, Kupferstäben 4, 5 und 6 und die Kupferstäbe 6 umgebenden Hülsen aus Ta bestehen. Der Behälter 1 wird an den Enden verschlossen und anschließend warm und kalt verformt, bis sich ein dünner Draht mit einem Durchmesser von beispielsweise 0,5 mm ergibt. Dieser Leiter wird anschließend verzinnt und das Zinn bei einer Temperatur von etwa 400° C in das Kupfer 5,4 und 3, welches mit dem Hüllrohr 1 in direkter Verbindung steht, eindiffundieren gelassen. Anschließend wird bei Temperaturen um 700⁰C die supraleitende Verbindung Nb₃Sn durch Eindiffusion des Zinns in die Nb-Stäbe 2 hergestellt.

Im zweiten, in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel, werden in einem massiven Kupferblock 8 eine Anzahl von Bohrungen gemacht und in die inneren Bohrungen V-Stäbe 9 und in die äußeren Bohrungen Kupferstäbe 10, welche von einem aus Ta bestehenden Hüllrohr 11 umgeben sind, eingesteckt. Die weitere Verarbeitung erfolgt wie im vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Sowohl nach Beispiel 1 wie nach Beispiel 2 können z. B. Supraleiter auf der Basis Nb₃Sn, V₃Ga, V₃Si und andere ähnliche Verbindungen gefertigt werden.

Sowohl die Nb-Stäbe wie auch die Cu-Stäbe können bereits in einem vorausgehenden Arbeitsschritt mit Kupfer beziehungsweise Ta fest umkleidet weiden.

Die Formteile 1,3,4,5 und 8 können bereits aus einer Bronze-Legierung bestehen, jedoch mit reduziertem Gehalt der diffusionsfähigen Komponente, welches noch eine gute Verarbeitung gestattet. Durch die externe Diffusion am Endleiter wird die diffusionsfähige Komponente dann nur noch auf den nötigen Endwert gebracht.

Die Verzinnungs- und Glühschritte können in Stufen erfolgen, indem auf eine oder mehrere Verzinnungsund Eindiffusionsglühungen eine oder mehrere Diffusionsglühungen zur Bildung der Supraleiterfilamente folgt-η können. Dadurch ist es vor allem möglich, daß der Querschnitt der Legierungsmatrix im Verhältnis zur Nb- oder V-Komponente wesentlich reduziert werden kann, weil dadurch eine Verarmung der Bronzematrix

an der diffusionsfähigen Komponente weitgehend verhindert werden kann.

Das elektrisch hochleitfähige Kupfer kann z. B. durch Silber oder durch das bei tiefen Temperaturen und hohen magnetischen Feldstärken noch besser elektrisch > leitende Aluminium ersetzt werden.

Die Wirkung der diffusionssperrenden Schichten beruht auf der nur langsam ablaufenden Reaktion dieser Materialien mit der diffusionsfähigen Komponente. Ihre Wandstärken müssen daher groß gegenüber der ι ο während der Glühzeit sich bildenden Reaktionsschichtdicken sein. Bei Verwendung des Leiters in zeitlich sich schwach ändernden Feldern kann das diffusionssperrende Material aus dem gleichen Material wie eingesetzten Fiiamenistäbe 2 beziehungsweise 9 bestehen. Bei i> Verwendung des Leiters in zeitlich sich rasch ändernden Magnetfeldern wählt man allerdings zweckmäßig ein solches Material, welches bei den Betriebsbedingungen des aus dem Leiter gefertigten Magneten nur schlechte supraleitende Eigenschaften besitzt.

Die in den Ausgangsbolzen eingesetzten Stäbe 2 bzw. 9 können bereits aus in einem vorangegangenen Herstellungsschritt gefertigten Cu- oder schwach legierten Bronzestäben bestehen, welche im Innern eine größere Anzahl von Nb- bzw. Va-Stäbe enthalten.

Selbstverständlich ist es auch möglich, daß mit Diffusionssperren umkleidete Cu-Stäbe auch im Zentrum des Leiterquerschnittes angeordnet sind, wenn dies zum Beispiel für die Verformung des Leiters günstig ist.

Für die Reinheit und Qualität der diffusionssperrenden Materialien ist es unbedingt erforderlich, daß sich diese bei den Kaltverformungsschritten ohne Versprödung, welche Zwischenglühungen mit zu hohen und daher nicht zulässigen Temperaturen erforderlich machen würde, gleichförmig verarbeiten lassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines stabilisierten Supraleiters mit einer Vielzahl von dünnen Filamenten aus supraleitendem Material, bei welchem nach einer mechanischen Verformung eines Ausgangsbolzens zur Erzielung einer metallisch innigen Verbindung zwischen den einzelnen Bolzenbestandteilen mit Hilfe einer Wärmebehandlung die supraleitenden Filamente durch Hineindiffundieren von mindestens einer von der Außenseite des Leiters zugeführten diffusionsfähigen Materialkomponente in eine zweite, im Innern des Leiters filamentförmig angeordnete Materialkomponente gebildet werden, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Ausgangsbolzens mit folgenden Merkmalen: