DE4324845A1

DE4324845A1 - Supraleitende Verbindungsstelle mit Niob-Zinn und ein Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE4324845A1
Application number: DE4324845A
Authority: DE
Inventors: John E C Williams; Alexander Zhukovsky; Ronald Derocher
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1992-07-24
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 1994-01-27
Also published as: US5398398A; GB9315432D0; US5290638A; GB2269491A; GB2269491B

Description

Die Erfindung betrifft supraleitende Verbindungsstellen und ein Verfahren zu deren Herstellung. Insbesondere be trifft die Erfindung widerstandslose Verbindungsstellen für die Verbindung von Supraleiterdrahtpaaren.

Hochfeldsupraleitermagnete werden zur Verbesserung der Auflösung und des Nutz-Stör-Verhältnisses bei der Hoch auflösungs-Kernmagnetresonanz (NMR)-Spektroskopie benö tigt. Solche Hochfeldmagnete verwenden typisch supralei tendes Niob-Zinn-Material. Ein Niob-Zinn-Draht wird zu einer Spule gewickelt, in der die Niob- und Zinnbestand teile im unreagierten Zustand vorliegen. Der Niob-Zinn- Draht hat vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt, da er einen höheren Füllfaktor für die Wicklung eines Supraleitermagnets ergibt. Die Spule wird auf angenähert 700°C erhitzt, wodurch sich die supraleitende interme tallische Niob-Zinn-Verbindung, Nb₃Sn bildet.

Diese Magnetspulen haben zwei wichtige Eigenschaften: Das in der Bohrung des Magnets erzeugte Magnetfeld hat eine hohe Homogenität und ist im Zeitverlauf hochgradig stabil. Eine hohe Feldstabilität wird erreicht, indem der Kreis der Magnetspule geschlossen wird, so daß der Strom in einer geschlossenen Schleife ohne Widerstand fließt, d. h. ein Supraleiter ist. Damit die geschlosse ne Schleife der Magnetspule keinen Widerstand hat, ist es erforderlich, daß die die Schleife schließenden Ver bindungsstellen selbst keinen Widerstand haben. Gewöhn lich angewandte Verfahren zur Herstellung supraleiten der Verbindungsstellen bei metallischen Supraleitern sind zur Verwendung mit intermetallischen Supraleitern ungeeignet, da dadurch der Supraleiterdraht verschlech tert und Widerstand in die Schleife eingeführt werden.

John E. C. Williams et al. haben in "600 MHz Spectrometer Magnet" (IEEE Trans. Mag. 25(2), 1767 (1989)) eine supra leitende Verbindungsstelle offenbart, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, bei der ein rundes Ende eines Niob-Zinn- Drahtes 10 im Inneren eines Niob-Zinn-Verbundbauteils 12 diffusionsverbunden ist. Die Verbindungsstelle wird durch Punktverschweißen 13 eines Niob-Titan-Bandes 14 mit der Außenoberfläche des Niob-Zinn-Verbundbauteils vervollständigt. Jedoch ist der Kontakt zwischen dem Niob- Zinn-Draht 10 und dem Niob-Zinn-Verbundbauteil 12 nicht optimal, da die Kontaktfläche zwischen dem Draht und dem Verbundbauteil auf lediglich den senkrechten Querschnitt des Drahtes begrenzt ist. Außerdem kann ein Draht mit einem rechteckigen Querschnitt unter Verwendung dieser bekannten supraleitenden Verbindungsstelle nicht ohne weiteres verbunden werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine supraleitende Verbin dungsstelle mit verbessertem elektrischem Kontakt zwi schen Supraleiterdrahtpaaren zu entwickeln, wobei wenig stens einer der Drähte den Niob-Zinn-Supraleiter enthält.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Hybrid- Niob-Zinn/Niob-Titan-Supraleiterverbindungsstelle zu ent wickeln, die die Verarbeitungsflexibilität der Niob-Titan- Legierung mit den gewünschten magnetischen Eigenschaften der intermetallischen Niob-Zinn-Verbindung liefert.

Gegenstand der Erfindung, womit die erstgenannte Aufgabe gelöst wird, ist eine supraleitende Verbindungsstelle zum Verbinden eines Paares von Supraleiterdrähten, die: ein supraleitendes Niob-Zinn-Verbundbauteil, einen mit dem Verbundbauteil diffusionsverbundenen supraleitenden Niob-Zinn-Draht, einen mit dem supraleitenden Draht dif fusionsverbundenen Abstandshalter, eine am Abstandshal ter befestigte Trägerplatte und ein supraleitendes Bau teil in elektrischem Kontakt mit dem Niob-Zinn-Verbund bauteil aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 18 und 40 bis 42 gekennzeichnet.

Nach einer Ausführungsart der Erfindung enthält eine supraleitende Verbindungstelle ein Niob-Zinn-Supraleiter verbundbauteil mit wenigstens einer flachen Oberfläche. Ein abgeschrägter Niob-Zinn-Supraleiterdraht mit einer ersten gegenüberliegenden Oberfläche und einer das Innere des Supraleiterdrahtes freilegenden abgeschrägten Ober fläche ist mit der flachen Oberfläche des Verbundbauteils über die freigelegte abgeschrägte Oberfläche diffusions verbunden. Die freigelegte abgeschrägte Oberfläche des Supraleiterdrahtes ist wichtig zum Erhalten einer über legenen Supraleiterverbindungsstelle, weil die Abschrä gung das Innere des Drahtes freilegt und einen Oberflä chenkontakt des Inneren des Drahtes mit dem Verbundbau teil ermöglicht. Ein zum Supraleiterdraht komplementärer abgeschrägter Abstandshalter wird vorgesehen, dessen Ab schrägung der des Supraleiterdrahtes im wesentlichen gleichartig ist. Der Abstandshalter wird über eine zweite abgeschrägte Oberfläche des Abstandshalters mit der er sten gegenüberliegenden Oberfläche des Supraleiterdrahtes diffusionsverbunden. Eine Trägerplatte wird mit einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche des Abstandshal ters diffusionsverbunden, und ein supraleitendes Bauteil ist in elektrischem Kontakt mit dem Niob-Zinn-Supraleiter verbundbauteil. In einigen im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen kann auch das Verbundbauteil mit dem Trägerpfosten diffusionsverbunden sein.

Unter "komplementär", wie dieser Begriff hier verwendet wird, versteht man, daß die Abschrägung des Drahtes und des Abstandshalters im wesentlichen gleich sind und daß der Abstandshalter den vom Draht nach Bildung der Abschrä gung entfernten Bereich einnimmt. Die Positionierung des Abstandshalters und des Supraleiterdrahtes, wie oben an gegeben, ergibt eine Anordnung mit im wesentlichen der gleichen Gestalt wie der ursprüngliche ganze Draht.

Unter "Diffusionsverbindung", wie dieser Begriff hier verwendet wird, versteht man eine starke Haftverbindung, die zwischen zwei unterschiedlichen Materialien als Er gebnis einer gegenseitigen Atomdiffusion über eine Grenz fläche der beiden Materialien hin gebildet wird. Diffu sion wird typisch durch hohe Temperaturen und durch Kom pression gefördert, die einen innigen Kontakt im Grenz flächenbereich ergibt.

Der Niob-Zinn-Supraleiterdraht ist typisch ein leitendes Endstück von einer Supraleitermagnetspule. In bevorzug ten Ausführungsbeispielen enthält der Niob-Zinn-Supra leiterdraht Niob-Zinn-Supraleiterfasern in einer metalli schen Matrix. Die Matrix kann eine Zinnlegierung sein und ist vorzugsweise Bronze. Das Supraleiterbauteil ist vorzugsweise aus Niob-Titan-Legierung. Das Niob-Zinn- Supraleiterverbundbauteil kann ein gepreßter Pulverver bund mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt sein. Die Abschrägung des Abstandshalters und des Supra leiterdrahtes ist im wesentlichen gleich und hat einen Abschrägungswinkel im Bereich von 1 bis 50 und vorzugs weise 2 bis 30 Der kleine Abschrägungswinkel wird be vorzugt, da er eine große Querschnittskontaktfläche er gibt. Außerdem könnte ein großer Abschrägungswinkel den Reibungskoeffizient überschreiten, wobei ein Auseinander gleiten des Drahtes und des Abstandshalters während des Zusammensetzens ermöglicht wird. Der Supraleiterdraht und der Abstandshalter werden derart positioniert, daß die freigelegte abgeschrägte Oberfläche des Supraleiter drahtes und eine zweite gegenüberliegende Oberfläche des Abstandshalters im wesentlichen parallel sind.

Zum verbesserten Schutz der supraleitenden Verbindungs stelle vor mechanischem Stoß kann die Trägerplatte einen Kanal zur Aufnahme des Abstandshalters und des Supra leiterdrahtes enthalten. Die Trägerplatte kann aus nicht magnetischen feuerfesten Materialien bestehen. Zum zu sätzlichen Schutz vor Schäden kann die Verbindungsstelle mit einem aushärtbaren Epoxyharz imprägniert werden.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Verbindungsstelle zur Verbindung eines Paares von Supraleiterdrähten. Nach die sem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Niob und Zinn aufweisender Draht bearbeitet, um ein abgeschrägtes Ende mit einer ersten gegenüberliegenden Oberfläche und einer das Drahtinnere freilegenden abgeschrägten Oberfläche zu bilden. Die freigelegte abgeschrägte Oberfläche kann mit der erstreckten Länge des Drahtes fluchtend vor der weiteren Zusammensetzung ausgerichtet werden. Ein komple mentärer Abstandshalter mit einer zweiten abgeschrägten Oberfläche und einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche wird vorgesehen, der eine der des Drahtes im wesentlichen gleiche Abschrägung hat. Ein Verbundbauteil mit Niob und Zinn und eine Trägerplatte werden ebenfalls vorgesehen. Der Abstandshalter und der Draht werden komplementär so zusammengesetzt, daß die erste gegenüberliegende Ober fläche des Drahtes und die zweite abgeschrägte Oberfläche des Abstandshalters in Oberflächenkontakt miteinander sind. Die Draht/Abstandshalter-Anordnung wird zwischen der Trägerplatte und dem Verbundbauteil so angeordnet, daß die zweite gegenüberliegende Oberfläche des Abstands halters in Oberflächenkontakt mit der Trägerplatte ist und die freigelegte abgeschrägte Oberfläche des Drahtes in Oberflächenkontakt mit dem Verbundbauteil ist. Der Draht und der Abstandshalter werden so positioniert, daß die freigelegte abgeschrägte Oberfläche und die zweite gegenüberliegende Oberfläche im wesentlichen parallel sind. Die Reihenfolge des Zusammensetzens der Elemente, d. h. des abgeschrägten Abstandshalters, des Trägerpfo stens, des abgeschrägten Drahtes und des Verbundbauteils, ist nicht auf die hier beschriebene beschränkt. Die Zu sammensetzung der Elemente kann in irgendeiner Reihenfol ge durchgeführt werden, die zu den oben erwähnten Relativ stellungen für die Elemente führt.

Querdruck wird auf die zusammengesetzten Elemente ausge übt, die dann zur Bildung der supraleitenden Verbindung Nb₃Sn und zur Diffusionsbindung der Bestandteilselemente miteinander erhitzt werden. Querdruck kann auf die zusam mengesetzten Elemente unter Anwendung irgendeines her kömmlichen Verfahrens ausgeübt werden. Schließlich wird ein supraleitendes Bauteil in elektrischen Kontakt mit dem supraleitenden Verbundbauteil gebracht, wodurch eine supraleitende Verbindungsstelle gebildet wird.

In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird das Zusammen setzen der zugehörigen Elemente einschließlich der Ein wirkung des Querdrucks durch die Verwendung einer Klemme erleichtert. Die Klemme enthält einen Klemmkörper und eine Gegenhaltplatte, die untereinander durch Befestigungs mittel befestigt sind. Die Elemente werden im Klemmkör per, wie oben beschrieben, zusammengesetzt, und die Gegen haltplatte wird daran unser Verwendung von Haltern be festigt, die durch ausgerichtete Öffnungen im Klemmkörper und in der Gegenhaltplatte durchgehen. Querdruck kann auf die zusammengesetzten Elemente durch Schrauben oder Niederdrücken der Halter ausgeübt werden.

Nach solcher Anbringung in der Klemme können die Elemen te erhitzt werden, um die supraleitende Phase zu bilden. Hierzu besteht die Klemme vorzugsweise aus einem feuer festen Material, das sich zum Aushalten hoher Tempera turen eignet, und wird mit einer feuerfesten Isolation, wie z. B. Glimmer, bekleidet, um ein Haften der zusam mengesetzten Elemente an der Klemme zu vermeiden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die Halter aus einem Material, wie z. B. Hastalloy, das einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizient als der nichtrosten de Stahl der Klemme hat, so daß während der Wärmebehand lung die Klemme einen erhöhten Druck auf die zusammenge setzten Elemente ausübt.

In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird das supraleitende Bauteil auf das Verbundbauteil punktge schweißt. Je größer die Zahl der Punktschweißungen, umso größer ist die Stromdichte der Verbindungsstelle. Typisch werden 40-50 Punktschweißungen je 3,8 cm Länge des supra leitenden Bauteils hergestellt. Eine erhöhte Stromdichte kann durch elektrisches Kontaktieren einer Mehrzahl von supraleitenden Bauteilen mit dem Verbundbauteil erreicht werden.

Die supraleitende Verbindungsstelle der Erfindung ermög licht eine größere Flächenausdehnung, auf der das Niob- Zinn-Verbundbauteil in elektrischem Kontakt mit der frei gelegten Oberfläche des Niob-Zinn-Drahtes ist, wodurch die Stromdurchlaßkapazität der Verbindungsstelle verbes sert wird. Die supraleitende Verbindungsstelle wurde bis zu 450 A in Feldern von 3 Tesla geprüft. Die vorliegende Erfindung stellt eine vorzügliche Verbindungsstelle durch Einwirken von Druck durch die Niob-Zinn-Verbundbauteil/ Draht-Grenzfläche während der Wärmebehandlung zur Ver fügung.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert, worin

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten supraleitenden Verbindungsstelle ist;

Fig. 2 eine Darstellung einer Form ist, die bei der Herstellung eines Niob-Zinn-Verbundbauteils verwendet wird;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer supralei tenden Verbindungsstelle der Erfindung ist;

Fig. 4 eine Darstellung eines abgeschrägten supralei tenden Drahtes, der bei der Anordnung einer supraleitenden Verbindungsstelle verwendet wird, in (a) unausgerichteter und (b) ausgerichteter Stellung ist; und

Fig. 5 eine Darstellung der Anordnung einer supraleiten den Verbindungsstelle gemäß dem Verfahren der Erfindung ist.

Eine supraleitende Verbindungsstelle, die sich zum Ver binden eines Paares von supraleitenden Drähten ohne Wider stand eignet, wird beschrieben. Bei der Herstellung von Hochfeld-NMR-Magneten ist wenigstens einer der zu ver bindenden supraleitenden Drähte ein Niob-Zinn-Supraleiter. Der zweite Draht ist typisch aus Niob-Titan-Legierung. Die Verwendung beider supraleitenden Materialien in der supraleitenden Verbindungsstelle ist als Hybridverbin dungsstelle bekannt.

Eine typische supraleitende Magnetspule besteht aus einem Primärdraht, aus einer Metallmatrix, die eine große Zahl feiner Niobfasern oder alternativ einen Niob/Metallmatrix- Verbund enthält. Das Matrixmetall muß Zinn zur Ermög lichung der Bildung der supraleitenden Phase enthalten. Die Querschnittsgeometrie des Primärdrahtes kann rund oder rechteckig sein. Der Primärdraht wird in einer Tantalschicht eingehüllt, und um diese wird eine Kupfer schicht gewickelt. Die gesamte Anordnung wird durch Schmie den und Ziehen verarbeitet. Der gezogene Draht wird dann durch ein Glasfasergespinst isoliert. Eine Spule wird aus einer Drahtlänge gewickelt, wobei man zwei aus der Spule vorragende Enden beläßt. Die supraleitende Niob- Zinn-Verbindung Nb₃Sn wird durch Erhitzen der Spule für einige hundert Stunden auf eine Temperatur im Bereich von 700°C gebildet.

Die supraleitende Verbindungsstelle der Erfindung wird aus einem Primärdraht mit einem rechteckigen oder qua dratischen Querschnitt hergestellt. Daher muß das Ende eines Primärdrahtes mit einem runden Querschnitt erfin dungsgemäß vor der Verwendung in eine rechteckige Form umgeformt oder so umgeben werden, daß er angenähert eine rechteckige Form erhält. Unter Bezugnahme auf die Figuren in der Zeichnung wird der Aufbau der supraleitenden Ver bindungsstelle im einzelnen beschrieben. Durch die Be schreibung hindurch stellen die gleich numerierten Ele mente die gleichen Elemente dar.

Ein Verbundbauteil wird durch Pulverkompaktierung von Niob- und Zinnpulvern hergestellt. Jede herkömmliche Pulverkompaktierungstechnik liegt im Rahmen der Erfin dung, vorausgesetzt, daß sie die Niob- und Zinnpulver nicht vorzeitig in die supraleitende Verbindung umwan delt. Kaltes isostatisches Pressen ist ein bevorzugtes Verfahren. Niob- und Zinnpulver werden im Verhältnis von 10 Gewichtsteilen Niob zu 1 Gewichtsteil Zinn gemischt. Eine solche Form, wie die in Fig. 2 gezeigte, die aus zwei durch Bolzen verbundenen rostfreien Stahlschalen 20 besteht, kann verwendet werden. Die Form bildet einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt mit einem offenen Ende 22. Zwei Kolben 24 aus Werkzeugstahl des gleichen Querschnitts passen bündig in die Form. Vor Verwendung werden die Innenoberflächen der Form mit einem Trennmittel besprüht. Eine Menge des gemischten Pulvers wird in die Form geschüttet, und die Kolben werden in diese unter hohem Druck eingepreßt. Die Pulvermenge und die Preßparameter werden gewählt, um einen gepreßten Pul verblock einer vorbestimmten Länge zu erzeugen. Ein typi scher Block hat die Abmessungen von 9 mm×9 mm×3,8 cm, jedoch liegt jede vernünftige Abmessung im Rahmen der Erfindung.

Gemäß Fig. 3 ist ein Pfosten 30 vorgesehen, der eine ein stückige Trägerplatte 31 enthält. Der Pfosten 30 erstreckt sich vom Ende einer Spulenform 32 weg in einen Niedrigfeld bereich. Typisch wird ein Niedrigfeldbereich von weniger als 3 Tesla für die Positionierung der supraleitenden Verbindungsstelle gewählt, um den kritischen Strom der Verbindungsstelle zu verbessern. Der Pfosten besteht aus einem nichtmagnetischen feuerfesten Material, wie z. B. Titan-Vanadin-Aluminium-Legierung. Das Ende des Pfostens wird so bearbeitet, daß eine supraleitende Verbindungs stelle 34 am Pfosten in jeder zweckmäßigen Weise befestigt werden kann.

Der Niob-Zinn-Draht wird hergestellt, indem man diagonal eine abgeschrägte Fläche am Ende des Drahtes bearbeitet, die durch alle Niobfasern oder durch die Niob-Zinn-Ver bundoberfläche durchgeht. Der in Fig. 4a gezeigte bear beitete Draht 40 zeigt klar eine abgeschrägte Oberfläche 41 mit freigelegten Niobfasern 42 in einer Metallmatrix 44 und eine erste gegenüberliegende Oberfläche 45. Ein Abschrägungswinkel 46 (R) ist im Bereich von 10 bis 50° und vorzugsweise 20 bis 30° Der niedrige Winkel der Ab schrägung ermöglicht die Freilegung einer großen Quer schnittsfläche. Weiter ermöglicht der diagonale Schnitt, daß die Niobfasern in direkten Kontakt mit dem Niob-Zinn- Verbundbauteil gebracht werden. Die freigelegte Oberfläche kann leicht mit Salpetersäure geätzt werden, um Niob 5-10 µm über der Matrixoberfläche freizulegen. Der Draht kann nach der Bearbeitung, wie in Fig. 4b gezeigt ist, gebogen werden, so daß die abgeschrägte freigelegte Ober fläche 41 mit der erstreckten Länge 47 des Drahtes fluchtet.

Ein Abstandshalter wird ebenfalls mit einer zu der des abgeschrägten Endes des Drahtes komplementären Form be arbeitet. Der Abstandshalter kann aus irgendeinem mit dem Niob-Zinn-Draht kompatiblen Material, wie z. B. Kupfer, Bronze oder nichtrostender Stahl, sein. In den meist be vorzugten Ausführungsbeispielen wird der Abstandshalter aus dem gleichen Niob-Zinn-Draht hergestellt, wie er bei der Wicklung der Magnetspule verwendet wird.

In Fig. 5 werden der Draht 40 und der Abstandshalter 52 angrenzend an die Trägerplatte positioniert, jedoch wird eine verbesserte Halterung mit Beständigkeit gegenüber einem Schaden durch mechanischen Stoß erhalten, wenn der Draht und der Abstandshalter in einem in der Trägerplatte 31 vorgesehenen Kanal 50 angebracht werden. Der Abstands halter 52 mit einer zweiten abgeschrägten Oberfläche 53 und einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche 54 wird zwischen dem Draht 40 und der Trägerplatte 31 so posi tioniert, daß die abgeschrägte Fläche 41 des Drahtes vom Trägerpfosten weg gerichtet wird. Die erste gegenüberlie gende Oberfläche 45 des Drahtes und die zweite abgeschräg te Oberfläche 53 des Abstandshalters sind miteinander in Oberflächenkontakt. Der Abstandshalter 52 nimmt den Spalt ein, der durch die Abschrägung des Drahtes geschaf fen wird, und wird als Rückhalt des Drahtes 40 zum Schaf fen einer zu einer Stirnfläche eines Verbundbauteils 55 parallelen Oberfläche verwendet. Der Draht und der Ab standshalter sollten nach dem Zusammensetzen nicht im Kanal unter einer Oberfläche 56 der Trägerplatte liegen, da sonst ein Oberflächenkontakt des Draht es mit dem Ver bundbauteil 55 dann nicht möglich ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen erheben sich der Draht und der Ab standshalter nach dem Zusammensetzen 75-125 µm (0,003′′- 0,005′′) über die Oberfläche 56 der Trägerplatte. Das Ver bundbauteil 55 wird in Oberflächenkontakt mit der freige legten abgeschrägten Oberfläche 41 des Drahtes 40 posi tioniert. Obwohl das Verbundbauteil während des Zusammen baus nicht gegen den Abstandshalter ruhen kann, wurde bestimmt, daß sich während der Wärmebehandlung das Ver bundbauteil ausdehnt und bis gegen die Oberfläche 56 der Trägerplatte vordringt. Der Zusammenbau der Elemente muß nicht in der oben beschriebenen genauen Reihenfolge statt finden, doch ist die Relativlage der Elemente wie oben beschrieben.

Bis dahin sind die zusammengesetzten Elemente nicht supra leitend. Eine Hochtemperaturwärmebehandlung ist erforder lich, um das Niob und das Zinn des Drahtes 40 und des Verbundbauteils 55 in die supraleitende Verbindung Nb₃Sn umzuwandeln. Die Behandlung der zusammengesetzten Ele mente erfolgt vorteilhaft gleichzeitig mit der Behandlung der Magnetspule selbst. Die Einzelheiten der Wärmebehand lung sind im Stand der Technik gut bekannt, siehe z. B. J. E. C. Williams et al. in IEEE Trans. Mag. 25(2), 1767 (1989).

Die einzelnen Elemente müssen in engem Oberflächenkontakt sein, so daß die Diffusionsverbindung während der Wärme behandlung optimiert wird. Hierzu wird Querdruck auf die zusammengesetzten Elemente in Richtung längs der Pfeile 57 ausgeübt. Jede herkömmliche Einrichtung zur Einwirkung von Querdruck auf die Verbindungsstelle liegt im Rahmen der Erfindung. In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird eine Klemme verwendet, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Ein Klemmkörper 58 und eine Gegenhaltplatte 59 bestehen aus einem feuerfesten Material. Halter 60, ebenfalls aus einem feuerfesten Material, werden zum Zusammenhalten der Klemmenteile verwendet. Halter 60 können Bolzen, Schrau ben oder Stifte oder irgendwelche anderen Befestigungs mittel sein. Querdruck wird durch Schrauben oder Ein drücken der Halter 60 erzeugt. Zusätzlicher Druck er gibt sich, wenn die Halter 60 aus Hastalloy, Molybdän, Wolfram oder irgendeinem anderen Material mit hoher Fe stigkeit bei hoher Temperatur und niedrigem Ausdehnungs koeffizient bestehen und die Klemmenteile 58 und 59 aus nichtrostendem Stahl bestehen. Beim Erhitzen dehnen sich die Klemmenteile aus und werden durch die Halter an Ort und Stelle gehalten, wodurch Kraft auf die zusammenge setzten Elemente ausgeübt wird. Die Eignung zum Ausüben von Querdruck auf die zusammengesetzten Elemente während der Erhitzung ist ein wichtiger Schritt zum Erhalten einer überlegenen supraleitenden Verbindungsstelle.

Wo die Klemmenteile direkt auf das Verbundbauteil 55 oder die Trägerplatte 31 drücken, wird ein feuerfester Iso lierstoff, wie z. B. Glimmer, als Zwischenschicht zum Vermeiden einer Verbindungsbildung verwendet. Weiter können (nicht dargestellte) nichtrostende Stahlscheiben verwendet werden, um eine bündige Passung für das Ver bundbauteil 55 im Klemmkörper 58 zu schaffen. Sowohl der Klemmkörper 58 als auch die Gegenhaltplatte 59 sind mit Gewindelöchern 61 ausgerüstet, so daß (nicht dargestellte) Spreizschrauben eingeführt werden können, um die Klemmen teile von der Verbindungsstelle nach der Wärmebehandlung zu entfernen.

Nach der Wärmebehandlung liegen das unreagierte Niob und das unreagierte Zinn des Verbunds und des Drahtes im in die supraleitende Phase umgewandelten Zustand vor. Gemäß Fig. 3 wird das supraleitende Niob-Zinn-Verbundbauteil 55 mit dem (nicht gezeigten) Niob-Zinn-Draht 40 diffu sionsverbunden, welche beiden nun die supraleitende Ver bindung Nb₃Sn enthalten. Der supraleitende Draht 40 wird weiter durch den (nicht gezeigten) Abstandshalter 52 mit der Trägerplatte 31 diffusionsverbunden. Der Trägerpfosten sollte eine Legierung oder ein Metall, wie z. B. Titan, enthalten, die bzw. das zur Diffusionsverbindung mit dem Abstandshalter und dem Verbundbauteil geeignet ist. In diesem Stadium kann die Verbindungsstelle mit der Träger platte mittels eines Epoxyharzes zur weiteren Verfesti gung der Verbindungsstelle verbunden werden.

Irgendeine oder sämtliche der drei zugänglichen Oberflä chen des supraleitenden Verbundbauteils 55 werden nun in Vorbereitung für die elektrische Kontaktierung eines supraleitenden Bauteils 37 mit dem supraleitenden Ver bundbauteil 55 gereinigt und leicht poliert. In bevorzug ten Ausführungsbeispielen ist das supraleitende Bauteil 37 ein Niob-Titan-Supraleiterdraht.

Einfaser-Niob-Titan-Drähte, die sich zur Verwendung bei der supraleitenden Verbindungsstelle der Erfindung eignen, werden folgendermaßen hergestellt. Ein mit Kupfer be schichteter Draht mit einem Kupfer/Supraleiter-Verhältnis von etwa 1,5 : 1 und einem Gesamtdurchmesser von etwa 1,2 mm wird in geeignete Längen (angenähert 30 cm) geschnitten.

Der Draht wird durch Walzen auf eine Dicke von 0,25 mm über eine Länge von 3,8 cm an einem Ende abgeflacht. Die Kupferbeschichtung wird dann vom abgeflachten Ende zur Freilegung flacher Teile aus Niob-Titan abgeätzt.

Fig. 3 zeigt die Anordnung der vervollständigten supra leitenden Verbindungsstelle 34. Das abgeflachte supra leitende Bauteil 37 wird auf eine polierte Oberfläche des supraleitenden Verbundbauteils 55 gelegt. Fakulta tiv wird ein dünnes Blech 38 aus leitendem Metall, wie z. B. nichtrostendem Stahl, über das supraleitende Bau teil 37 gelegt. Ein dünnes Blech 38 aus Niob-Zinn, das auf Hastalloy abgeschieden wurde, wurde auch erfolgreich zwischen dem supraleitenden Verbundbauteil 55 und dem supraleitenden Draht 37 eingefügt. Jedoch wird bevorzugt, daß kein metallisches Blech verwendet wird, um die Punkt schweißungen zu erzeugen. Eine Punktschweißung 39 wird durch das supraleitende Bauteil 37 in das supraleitende Verbundbauteil 55 hergestellt. Die Schweißenergie wird so justiert, daß eine starke Schweißung ohne Brennen er halten wird, und ist von den verwendeten Materialien und der Abmessung der Verbindungsstelle abhängig. Bei der oben beschriebenen Verbindungsstelle wurde eine Schweiß energie von angenähert 10-13 J verwendet. Das Punktschweiß verfahren wird viele Male über die Länge des abgeflach ten supraleitenden Bauteils 37 wiederholt, wobei jeder Punkt von seinem Nachbarpunkt um einen dem Durchmesser der Verfärbung des Punktes gleichen Betrag beabstandet ist. Typisch können 40-60 Punktschweißungen über eine Länge von 3,8 cm des supraleitenden Bauteils 37 gemacht werden. Allgemein ist die kritische Stromkapazität jeder Punktschweißung 39 1 A. Daher ist, da so viel wie drei supraleitende Bauteile an drei freigelegten Flächen des supraleitenden Verbundbauteils punktgeschweißt werden können, ein kritischer Strom bis zu 450 A in einem 3 Tesla- Feld theoretisch möglich.

Schließlich kann ein Epoxyharz auf die fertige Verbin dungsstelle für erhöhte Festigkeit und mechanische Hal terung aufgebracht werden. Für diesen Zweck wird die Ver bindungsstelle vorteilhaft unter einer Lampe erhitzt, so daß das Harz leicht in die Zwischenräume der Verbin dungsstelle einfließt.

Der elektrische Kontakt des supraleitenden Bauteils mit dem supraleitenden Verbundbauteil kann abgestreift und erneuert werden. Nach dem Abstreifen muß die Oberfläche des supraleitenden Verbundbauteils 55 wieder poliert und gereinigt werden. Das Punktschweißverfahren kann dann wiederholt werden.

Die Hybridverbindungsstelle der Erfindung ermöglicht, daß die Verbindungsstelle mit einem supraleitenden Niob- Titan-Draht beendet wird. Niob-Titan ist ein weiches, duktiles Metall und kann nach Standard-Metallbearbeitungs techniken verarbeitet werden. Daher ist es möglich, eine Magnetspule ohne Zerstörung der supraleitenden Verbin dungsstelle zu entfernen und zu ersetzen.

Eine wie oben beschriebene supraleitende Verbindungsstelle wurde erfolgreich in den supraleitenden Magnet eines 750 MHz-NMR-Magnets eingesetzt. Es ist für Fachleute klar, daß die Erfindung auf supraleitende Verbindungsstellen für andere Anwendungsfälle angewandt werden kann.

Claims

1. Supraleitende Verbindungsstelle zum Verbinden eines Paares von Supraleiterdrähten, die:
ein supraleitendes Niob-Zinn-Verbundbauteil (55), einen mit dem Verbundbauteil (55) diffusionsverbundenen supra leitenden Niob-Zinn-Draht (40),
einen mit dem supraleitenden Draht (40) diffusionsver bundenen Abstandshalter (52),
eine am Abstandshalter (52) befestigte Trägerplatte (31) und
ein supraleitendes Bauteil (37) in elektrischem Kontakt mit dem Niob-Zinn-Verbundbauteil (55) aufweist.

2. Supraleitende Verbindungsstelle zum Verbinden eines Paares von Supraleiterdrähten, die:
ein supraleitendes Niob-Zinn-Verbundbauteil (55) mit wenigstens einer flachen Oberfläche,
einen supraleitenden Niob-Zinn-Draht (40) mit einer abgeschrägten, das Innere des supraleitenden Drahtes (40) freilegenden Oberfläche und einer ersten gegen überliegenden Oberfläche, wobei die freigelegte abge schrägte Oberfläche mit der flachen Oberfläche des supraleitenden Verbundbauteils (55) diffusionsverbunden ist,
einen komplementären Abstandshalter (52) mit einer zweiten abgeschrägten Oberfläche und einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche und mit einer der des abgeschrägten supraleitenden Drahtes (40) gleicharti gen Abschrägung, wobei die zweite abgeschrägte Ober fläche des Abstandshalters (52) mit der ersten gegen überliegenden Oberfläche des supraleitenden Drahtes (40) diffusionsverbunden ist,
eine mit der zweiten gegenüberliegenden Oberfläche des Abstandshalters (52) diffusionsverbundene Träger platte (31) und
ein supraleitendes Bauteil (37) in elektrischem Kontakt mit dem supraleitenden Verbundbauteil (55) aufweist.

3. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Niob-Zinn-Draht (40) Fäden aus Niob-Zinn-Supraleiter ins einer metallischen Matrix aufweist.

4. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix eine Zinnlegierung ist.

5. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix Bronze ist.

6. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freigelegte abgeschrägte Oberfläche des supra leitenden Drahtes (40) mit der erstreckten Länge des supraleitenden Drahtes fluchtet.

7. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Draht (40) und der Abstandshalter (52) so positioniert sind, daß die freigelegte abge schrägte Oberfläche und die zweite gegenüberliegende Fläche im wesentlichen parallel sind.

8. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Niob-Zinn-Verbundbauteil (55) einen rechteckigen Querschnitt hat.

9. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Niob-Zinn-Verbundbauteil (55) einen quadratischen Querschnitt hat.

10. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Niob-Zinn-Draht (40) ein Endstück von einer supraleitenden Magnetspule ist.

11. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschrägung einen Winkel im Bereich von 1 bis 5 Grad hat.

12. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschrägung einen Winkel im Bereich von 2 bis 3 Grad hat.

13. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (31) einen Kanal (50) zur Aufnahme des Abstandshalters (52) und des supraleitenden Drahtes (40) hat.

14. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Kontakt des supraleitenden Bauteils (37) mit dem Verbundbauteil (55) eine Mehrzahl von Punktschweißstellen (39) aufweist.

15. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (52) ein aus der aus Kupfer, Bronze und nichtrostendem Stahl bestehenden Gruppe gewähltes Metall aufweist.

16. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (52) aus Niob-Zinn-Draht besteht.

17. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Bauteil (37) eine Niob-Titan- Legierung aufweist.

18. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2, die weiter ein auf die zusammengebaute supraleitende Verbindungsstelle (34) aufgebrachtes Epoxyharz aufweist.

19. Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Verbin dungsstelle zur Verbindung eines Paares von Supraleiter drähten, das die folgenden Schritte aufweist:

a) Bearbeiten eines Niob und Zinn aufweisenden Drahtes derart, daß der Draht ein abgeschrägtes Ende mit einer ersten abgeschrägten Oberfläche, die das Drahtinnere freilegt, und einer ersten gegenüber liegenden Oberfläche hat;
b) Vorsehen eines komplementären Abstandshalters mit einer der des abgeschrägten Drahtes im wesentlichen gleichartigen Abschrägung, welcher Abstandshalter eine zweite abgeschrägte Oberfläche und eine zweite gegenüberliegende Oberfläche hat;
c) Vorsehen eines Niob und Zinn aufweisenden Verbund bauteils mit einer flachen Oberfläche und einer Trägerplatte;
d) Zusammensetzen des Drahtes, des Abstandshalters, des Verbunds und der Trägerplatte in irgendeiner Reihenfolge derart, daß die erste gegenüberliegende Oberfläche des Drahtes in Oberflächenkontakt mit der ersten abgeschrägten Oberfläche des Abstands halters ist, die zweite gegenüberliegende Oberfläche des Abstandshalters in Oberflächenkontakt mit der Trägerplatte ist und die freigelegte abgeschrägte Oberfläche des Drahtes in Oberflächenkontakt mit dem Verbundbauteil ist;
e) Einwirken eines Querdrucks auf die zusammengesetzten Elemente des Schrittes (d);
f) Erhitzen der zusammengesetzten Elemente unter Quer druck zur Erzeugung einer supraleitenden Niob-Zinn- Phase im Verbundbauteil und im Draht und zur Dif fusionsverbindung der zusammengesetzten Elemente untereinander, wo die Elemente in Oberflächenkontakt sind; und
g) elektrisches Kontaktieren eines supraleitenden Bauteils mit dem Verbundbauteil.

20. Verfahren nach Anspruch 19, das weiter den Schritt des:
Ausrichtens der freigelegten abgeschrägten Oberfläche des Drahtes vor dem Zusammensetzen im Schritt (d) der art aufweist, daß sie mit der erstreckten Länge des Drahtes fluchtet.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht und der Abstandshalter während des Zu sammensetzens im Schritt (d) derart positioniert werden, daß die freigelegte abgeschrägte Oberfläche des Drahtes und die zweite gegenüberliegende Oberfläche des Abstands halters im wesentlichen parallel sind.

22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundbauteil ein Pulververbund ist.

23. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht feine Niobfäden in einer Zinn enthalten den Matrix aufweist.

24. Verfahren nach Anspruch 19, das weiter den Schritt des:
Ätzens der freigelegten abgeschrägten Oberfläche des Drahtes nach dem Bearbeiten im Schritt (a) zum Freile gen von Niob über einer Zinn enthaltenden Oberfläche aufweist.

25. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Bauteil Niob-Titan aufweist.

26. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht und der Abstandshalter in einem Kanal des Trägerpfostens zur zusätzlichen Halterung posi tioniert werden.

27. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des Schritts (d) zusammengesetzt werden und der Querdruck des Schritts (e) unter Verwendung einer Klemme einwirkt, die einen Klemmkörper zur Auf nahme der zusammengesetzten Verbindungsstelle und eine Gegenhaltplatte zum Abstützen der zusammengesetzten Verbindungsstelle in der Klemme aufweist, wobei der Klemmkörper und die Gegenhaltplatte durch Befestigungs mittel miteinander befestigt werden.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel Halter aufweisen, die durch ausgerichtete Öffnungen im Klemmkörper und in der Gegen haltplatte durchgehen.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Halter ein aus der aus Hastalloy, Molybdän und Wolfram bestehenden Gruppe gewähltes Material auf weisen.

30. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Klemmkörper und die Gegenhaltplatte nichtrosten den Stahl aufweisen.

31. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Klemmkörper und die Gegenhaltplatte mit Iso lierstoff zum Verhindern einer Verbindung der zusammen gesetzten Teile mit der Klemme beschichtet sind.

32. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzten Teile aus der Klemme durch Spindelschrauben in Gewindeöffnungen im Klemmenkörper und in der Gegenhaltplatte freigesetzt werden.

33. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kontaktierung des supraleitenden Bauteils mit dem Verbundbauteil Punktschweißen vorsieht.

34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß 40-60 Punktschweißstellen über eine Länge von 3,8 cm hergestellt werden.

35. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht und der Abstandshalter, die im Kanal vereint sind, bis jenseits der Trägerplattenoberfläche reichen.

36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht und der Abstandshalter 75-125 µm (0,003′′ bis 0,005′′) bis jenseits der Oberfläche der Trägerplatte reichen.

37. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Bauteil eine Dicke im Bereich von 0,13-0,51 mm (0,005 bis 0,02 inch) hat.

38. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl supraleitender Bauteile elektrisch mit dem Verbundbauteil kontaktiert werden.

39. Verfahren nach Anspruch 19, das weiter den Schritt des:
Aufbringens eines Epoxyharzes auf die zusammengesetzte Verbindungsstelle nach der Wärmebehandlung aufweist.

40. Supraleitende Verbindungsstelle zum Verbinden eines Paares von Supraleiterdrähten, die:
ein supraleitendes Verbundbauteil,
einen mit dem Verbundbauteil diffusionsverbundenen supraleitenden Draht,
einen mit dem supraleitenden Draht diffusionsverbundenen Abstandshalter und
ein supraleitendes Bauteil in elektrischem Kontakt mit dem Niob-Zinn-Verbundbauteil aufweist.

41. Supraleitende Verbindungsstelle nach Anspruch 40, gekennzeichnet durch eine Trägerplatte, an der die supraleitende Verbin dungsstelle befestigt ist.

42. Supraleitende Verbindungsstelle zum Verbinden eines Paares von Supraleiterdrähten, die:
ein supraleitendes Verbundbauteil,
einen mit dem Verbundbauteil diffusionsverbundenen supraleitenden Draht,
einen mit dem supraleitenden Draht diffusionsverbundenen Abstandshalter,
eine am Abstandshalter befestigte Trägerplatte und
ein supraleitendes Bauteil in elektrischem Kontakt mit dem Niob-Zinn-Verbundbauteil aufweist.

43. Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Verbin dungsstelle zur Verbindung eines Paares von Supraleiter drähten, das die folgenden Schritte aufweist:

a) Vorsehen eines einen Supraleiter oder Supraleiter vorläufer aufweisenden Drahtes, der ein abgeschräg tes Ende mit einer das Drahtinnere freilegenden Oberfläche hat;
b) Vorsehen eines komplementären Abstandshalters;
c) Vorsehen einer Trägerplatte und eines einen Supra leiter oder einen Supraleitervorläufer aufweisenden Verbundbauteils;
d) Zusammensetzen des Drahtes, des Abstandshalters und der Trägerplatte in irgendeiner Reihenfolge derart, daß der Draht in Oberflächenkontakt mit dem Abstandshalter ist, eine gegenüberliegende Oberfläche des Abstandshalters in Oberflächenkon takt mit der Trägerplatte ist und die freigelegte Oberfläche des Drahtes in Oberflächenkontakt mit dem Verbundbauteil ist;
e) Einwirken eines Querdrucks auf die zusammengesetzten Elemente des Schrittes (d);
f) Erhitzen der zusammengesetzten Elemente unter Quer druck zur Erzeugung einer supraleitenden Phase im Verbundbauteil und im Draht und zur Verbindung der zusammengesetzten Elemente untereinander; und
g) elektrisches Kontaktieren eines supraleitenden Bauteils mit dem Verbundbauteil.