DE3112372C2

DE3112372C2 -

Info

Publication number: DE3112372C2
Application number: DE3112372A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. Dr. 7514 Eggenstein-Leopoldshafen De Turowski
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1981-03-28
Filing date: 1981-03-28
Publication date: 1989-06-29
Also published as: GB2097173A; FR2502832A1; GB2097173B; US4454380A; DE3112372A1; FR2502832B1

Description

Die Erfindung betrifft in ihren elektrischen Leistungen bei Supraleitungsbedingungen stabilisierte Multifilament-Supraleiter aus spröden, vorreagierten Nb₃Sn-Filamenten in Bronze- Matrix ohne integrierte Kühlkanäle und ein Verfahren zur Herstellung solcher stabilisierter Multifilament-Supraleiter.

Die Anwendung von vorreagierten Nb₃Sn/Bronze-Multifilament- Supraleitern im Bau von Hochfeldmagneten ist mit Unsicherheiten belastet, da wegen der bekannten Sprödigkeit der Nb₃Sn/Bronze-Leiter schon bei der Leiterherstellung, aber auch beim Magnetbau selbst unbeabsichtigt Defekte im Leiter entstehen können. Diese ziehen dann eine verminderte Stromtragfähigkeit des Leiters und damit eine verminderte Leistung der gebauten Magneten nach sich. Ohne das spezielle Problem der möglichen Defektstellen im Leiter anzusprechen, wird heute Kupfer mit Supraleiter-Querschnitts-Flächenanteilen bis zu 60% zu Stabilisierungszwecken im Leiter integriert. Bei speziellen Leiterausführungen werden auch durch Anlöten von Kupferprofilen größere Flächenanteile von Kupfer erzeugt (H. Kuckuck, E. Springer and G. Ziegler, CRYOGENICS June 1976, Seiten 350 bis 354).

Wegen des großen Magnetowiderstandes von Kupfer ist der notwendige Flächenanteil an Kupfer groß. Das hat eine Reduktion in der Stromdichte zur Folge. Dadurch wird es jedoch fast unmöglich, eine Stahlarmierung im Leiter mit unterzubringen, so daß das Kupfer als kräftetragendes Element im halbharten Zustand sein muß.

Aus der DE-OS 26 02 729 ist ein stabilisierter Supraleiter bekannt, welcher zur Herstellung von Magnetspulen bestimmt ist. Die Kühlung erfolgt über Kühlkanäle. Durch die Konstruktionsmerkmale zur elektrischen Stabilisierung und zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten wird der Supraleiter unnötig kompliziert.

Aus der DE-AS 27 33 511 ist ein mit Aluminium stabilisierter, vieldrähtiger Supraleiter und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Dieser Supraleiter kann jedoch mit spröden, vorreagierten Nb₃Sn-Multifilamenten nicht realisiert werden.

Aus der DE-OS 19 32 086 ist ein Hohlleiter bekannt, der aus Supraleitermaterial und bei Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch normalleitenden Material zusammengesetzt ist. Dieser Hohlleiter umschließt einen Kühlkanal. Nb₃Sn-Multifilamente können jedoch wegen ihrer Sprödigkeit bei diesem Hohlleiter nicht als Supraleitermaterial verwendet werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Verbund- Supraleiter mit vorreagierten Nb₃Sn-Multifilamenten ohne integrierte Kühlkanäle bereit zu stellen, der trotz gewisser, bekannter Mängel der Bronzetyp-Leiter, insbesondere durch Entstehung von Defektstellen in den Nb₃Sn-Multifilamenten, einen sicheren Betrieb von Hochfeldmagneten im vorgesehenen Feldbereich erlaubt. Ein solcher Supraleiter soll eine elektrische Stabilisierung aufweisen, so daß im Leiter keine Degradation auftritt, die zu einem vorzeitigen Normalübergang und somit zu einer verminderten Leistung im Magneten führt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen stabilisierten Multifilament-Supraleiter aus spröden, vorreagierten Nb₃Sn-Filamenten in Bronze-Matrix ohne integrierte Kühlrohre, der gekennzeichnet ist durch zumindest ein parallel an den Supraleiter weich angelötetes Reinstaluminium-Band, wobei zumindest ein Teil der nach dem Löten verbleibenden Restoberfläche des Reinstaluminium-Bands für den Zutritt eines Kühlmittels freibleibt.

Eine Weiterbildung eines solchen Supraleiters ist dadurch gekennzeichnet, daß er eine metallische, ebenfalls an den Supraleiter angelötete Armierung z. B. aus Edelstahl enthält.

Eine ebenfalls vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der stabilisierte Multifilament- Supraleiter zwischen Nb₃-Sn-Leiter und Reinstaluminium- Band eine wenige Zehntel Millimeter dicke Schicht aus hochresistivem Metall, vorzugsweise aus Messing, Cu-Zr, Cu-Be oder Edelstahl enthält.

Das Verfahren zur Herstellung von solchen stabilisierten Multifilament-Supraleitern ist dadurch gekennzeichnet, daß auf den Nb₃Sn-Leiter zumindest an einer Seite ein Reinstaluminium-Band weich aufgelötet wird. In einer anderen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf den Nb₃Sn-Leiter sowohl ein Reinstaluminium-Band als auch eine metallische Armierung weich aufgelötet. In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird als metallische Armierung Edelstahl verwendet und wird die Armierung zumindest einen Teil der nach dem Löten verbleibenden Restoberfläche des Reinstaluminiumbandes für den Zutritt eines Kühlmittels freilassend mit dem Nb₃Sn-Leiter verlötet. Zur Unterdrückung von Wirbelströmen wird in einer ebenfalls vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens zwischen Nb₃Sn-Leiter und Reinstaluminium als Widerstandsbarriere eine wenige Zehntel Millimeter dicke Schicht aus hochresistivem Metall gelötet. Als hochresistives Metall wird vorzugsweise zumindest eine Species aus der Gruppe Messing, Cu-Zr, Cu-Be, Edelstahl verwendet. Als Weichlot wird eine Metall-Legierung mit einem Schmelzpunkt zwischen ca. 200°C und 250°C eingesetzt, beispielsweise ein Zinn-Blei-Lot.

Durch das parallele Anlöten von hochreinem Aluminium an die Multifilamente werden die entstandenen Defektstellen im Leiter so gut normalleitend überbrückt, daß eine zu befürchtende Degradation im Supraleiter nicht mehr auftritt. Die elektrische Leistung im Magneten bei Supraleitungsbedingungen wird somit stabilisiert. Eine 80%ige Beschädigung des Supraleiters an einer Stelle konnte mit einem Aluminium der Qualität RRR 1800 und einem Querschnitts-Flächenanteil Al/Nb₃Sn-Bronze = 1,33 ohne Beeinträchtigung der Stromtragfähigkeit überbrückt werden. Ein anderer Verbund mit einer einige 0,1 mm dicken Widerstandsbarriere aus Messing zwischen dem Nb₃Sn-Bronze und dem Al ergab ähnlich gute Resultate. Die Widerstandsbarriere ist von Bedeutung, wenn Wirbelströme zwischen dem Supraleiter und dem Aluminium reduziert werden sollen. In diesem Zusammenhang ist eine Einbettung des Aluminiums in ein Profil aus hochresistivem Material mit geeigneten Abmessungen eine mögliche Lösung.

Für das Anlöten des Aluminium-Bandes, der Armierung oder der oben genannten Zwischenschichten wird ein brauchbares, bekanntes kommerziell erhältliches Flußmittel verwendet. Mit dem oben genannten Ausdruck "80%ige Beschädigung des Supraleiters" ist eine Beschädigung gemeint, die im Verlauf der Kurve der Stromwerte in Abhängigkeit von der Spannung bereits bei 20% des kritischen Stromwertes I _C (des unbeschädigten Leiters) keine Supraleitung mehr anzeigt. Die Bezeichnung Aluminium der Qualität RRR 1800 steht für ein Reinstaluminium mit einem Widerstandswert von .

Durch das Anlöten des Aluminiums kann (bei entsprechender Kühlung) der volle Betriebsstrom, selbst bei einem auftretenden Defekt am Supraleiter, erreicht werden, was ohne Aluminium nicht der Fall ist.

Bei der Herstellung von bereits bekannten Supraleitern des Nb₃Sn-Bronze-Typs werden häufig Kupfer-Drähte in den Supraleiter eingebaut. Die erfindungsgemäße Wirkung tritt auch bei Anlöten von Reinstaluminium an einen auf diese Weise hergestellten Supraleiter ein.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Supraleiter 1, bestehend aus Nb₃Sn- Bronze-Drähten 4 und Kupferdrähten 5, an welchen ein Reinstaluminium-Band 2 mit Hilfe eines SnPb-Lotes 3 angelötet ist. Eine andere Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist in Fig. 2 dargestellt. Dieser Supraleiter ist ähnlich aufgebaut wie der in Fig. 1, besitzt jedoch auf der dem Aluminium-Band gegenüberliegenden Seite ein ebenfalls angelötetes Edelstahlband 6.

Eine weitere Ausführung gemäß der Erfindung wird in Fig. 3 offenbart. Hierin besteht der Kern des Supraleiters 1 ausschließlich aus Nb₃Sn-Bronze-Drähten 4; auf die mittels eines Zinn-Blei-Lotes 3 ein Reinstaluminium- Band 2 aufgelötet ist. Der Kern des Supraleiters 1 ist mit dem Aluminium-Band 2 in diesem Falle in ein Edelstahlprofil 6 a so eingelötet, daß ein Teil der Oberfläche des Reinstaluminium-Bandes unbedeckt bleibt und so einer Kühlung zugänglich ist. Die Ausführungsform in Fig. 4 unterscheidet sich von der Fig. 3 lediglich dadurch, daß zwischen dem Kern des Supraleiters 1 und dem Aluminium-Band 2 eine Schicht eines hochresistiven Metalls 7, in diesem Falle Messing, dazwischen gelötet ist. In Fig. 5 wird ein Supraleiter gezeigt, bei welchem nicht nur der Edelstahlteil 6 c, sondern auch das resistive Metall 7 a eine Profilform aufweist. Hierdurch ist es erforderlich, daß das Aluminium-Band 2 a in das Profil des resistiven Metalles 7 a eingelötet ist.

Claims

1. In ihren elektrischen Leistungen bei Supraleitungsbedingungen stabilisierte Multifilament-Supraleiter aus spröden, vorreagierten Nb₃Sn-Filamenten in Bronze-Matrix ohne integrierte Kühlkanäle gekennzeichnet durch mindestens ein parallel an den Supraleiter weich angelötetes Reinstaluminium-Band, wobei zumindest ein Teil der nach dem Löten verbleibenden Restoberfläche des Reinstaluminium-Bands für den Zutritt eines Kühlmittels freibleibt.

2. Stabilisierter Multifilament-Supraleiter gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine metallische, ebenfalls an den Supraleiter angelötete Armierung.

3. Stabilisierter Multifilament-Supraleiter gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung aus Edelstahl besteht.

4. Stabilisierter Multifilament-Supraleiter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwischen Nb₃Sn-Leiter und Reinstaluminium-Band eine wenige Millimeter dicke Schicht aus hochresistivem Metall enthält.

5. Stabilisierter Multifilament-Supraleiter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das hochresistive Metall Messing, Cu-Zr, Cu-Be oder Edelstahl ist.

6. Verfahren zur Herstellung von in ihren elektrischen Leistungen bei Supraleitungsbedingungen stabilisierten Multifilament- Supraleitern aus spröden, vorreagierten Nb₃Sn-Filamenten in Bronze-Matrix ohne integrierte Kühlkanäle, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Nb₃Sn-Leiter sowohl ein Reinstaluminium-Band als auch eine metallische Armierung weich aufgelötet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als metallische Armierung Edelstahl verwendet wird und die Armierung zumindest einen Teil der nach dem Löten verbleibenden Restoberfläche des Reinstaluminiumbandes für den Zutritt eines Kühlmittels freilassend mit dem Nb₃Sn-Leiter verlötet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von Wirbelströmen zwischen Nb₃Sn-Leiter und Reinstaluminium als Widerstandsbarriere eine wenige Zehntel Millimeter dicke Schicht aus hochresistivem Metall gelötet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als hochresistive Metall zumindest eine Species aus der Gruppe Messing, Cu-Zr, Cu-Be, Edelstahl verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Weichlot eine Metall-Legierung mit einem Schmelzpunkt zwischen ca. 200°C und 250°C eingesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Weichlot Zinn-Blei-Lot eingesetzt wird.