DE68922457T2 - Ein Supraleiter zur Magnetfeldabschirmung. - Google Patents

Ein Supraleiter zur Magnetfeldabschirmung.

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfeldabschirmung, welche Magnetfelder unter Verwendung von supraleitenden Materialien abschirmt.
  • 2. Stand der Technik
  • Als Magnetfeldabschirmung mittels Supraleitung wurden in Abhängigkeit von der Intensität des Magnetfelds Supraleiter erster Art oder Supraleiter zweiter Art verwendet. Die Magnetfeldabschirmung mittels Supraleiter erster Art nutzt den perfekten Diamagnetismus (Meissner- Effekt), eine charakteristische Eigenschaft der Supraleitung, aus. Diese Magnetfeldabschirmung kann keine starken Magnetfelder abschirmen, da ihre kritische magnetische Flußdichte gering ist. Die Magnetfeldabschirmung mittels Supraleiter zweiter Art nutzt den oben erwähnten perfekten Diamagnetismus und den Diamagnetismus aus, der aus einer Mischung des supraleitenden Zustands und des normalleitenden Zustands resultiert. Bei dem kritischen Magnetfeld unterscheidet man ein oberes und ein unteres kritisches Magnetfeld. Da die Intensität des oberen kritischen Magnetfeldes extrem hoch ist, kann die Magnetfeldabschirmung mittels Supraleiter zweiter Art zur Abschirmung starker magnetischer Felder verwendet werden.
  • Zur Abschirmung von Magnetfeldern mittels Supraleitern werden eine supraleitende Abschirmung und eine elektromagnetische Abschirmung verwendet. Die supraleitende Abschirmung nutzt den perfekten Diamagnetismus (ein Charakteristikum der Supraleitung) und den Diamagnetismus aus, der aus dem oben erwähnten Mischzustand resultiert. Im Falle der elektromagnetischen Abschirmung wird das sogenannte Erhaltungsprinzip verketteter Magnetflüsse verwendet, um Magnetflüsse zu erzeugen, deren Richtung entgegengesetzt zur Richtung der Magnetflußverkettung in einem geschlossenen Kreis ist, den man erhält, indem Leiter nacheinander verbunden werden.
  • Beispielsweise wird bei den oben erwähnten Supraleitern zweiter Art eine supraleitende Lage oder ein Band verwendet, das um ein zylindrisches Kernmaterial gewunden ist. Ein Beispiel dieser Art ist in JP-A-56-40289 offenbart. Diese Magnetfeldabschirmung ist in einem starken magnetischen Feld angeordnet, um den Innenraum des Kernmaterials gegen externe Magnetfelder abzuschirmen, oder sie wird verwendet, um ein Austreten des Magnetfelds eines in dem Kernmaterial angeordneten Magneten zu verhindern. US-A-3 281 738 offenbart ein supraleitendes Solenoid. Bei diesem supraleitenden Solenoid sind Scheiben, auf welchen supraleitende Ringe koaxial ausgebildet sind, und Scheiben aus einem Material mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit alternierend geschichtet, um einen Zylinder zu bilden. Dieser Zylinder soll als Magnet verwendet werden, indem er magnetische Flüsse im Inneren aufnimmt. Er kann ebenso als Magnetfeldabschirmung verwendet werden, da er zwischen dem Innenraum und dem Außenraum Supraleiter enthält.
  • Diese Abschirmung aus einem zylindrischen Kernmaterial, auf welchem die oben erwähnte supraleitende Lage oder das supraleitende Band gewunden ist, wird verwendet, um die Innen- und Außenseiten des Kernmaterials mittels der Verbindung an den Enden der supraleitenden Lage oder den Verbindungen an den Rändern des supraleitenden Bandes elektromagnetisch abzuschirmen. Folglich beeinflußt die Verbindungsbedingung den Magnetfeldabschirmungseffekt stark. Die oben erwähnte JP-A-56-40289 offenbart ein Verfahren, bei dem eine supraleitende Lage um ein Kernmaterial gewunden wird und in ein geschmolzenes Metall (mit niedrigem Schmelzpunkt) getaucht wird, um die Ränder des supraleitenden Bandes zu verbinden. In diesem Fall wird jedoch das geschmolzene Metall nicht vollständig verteilt und die Dicke der Metallschicht ist nicht gleichförmig. Folglich entwickelt die Abschirmung nur einen geringen Abschirmungseffekt gegenüber einem Magnetfeld parallel zu der Achse des Kernmaterials, und der Effekt verringert sich mit der Zeit. Wenn der Abschirmungseffekt gegenüber einem Magnetfeld auf der Oberfläche der Abschirmung untersucht wird, wird kein elektrischer Verkettungszustand durch das supraleitende Band ausgebildet, da das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt in einigen Abschnitten unterbrochen ist. Das Erhaltungsprinzip verketteter Magnetflüsse kann nicht hinreichend wirksam werden. Ferner führen Dickenunterschiede des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt zu Unterschieden des elektrischen Widerstandes. In einem dicken Abschnitt wird Joule'sche Wärme erzeugt und der elektrische Verkettungszustand kann mit der Zeit verlorengehen.
  • Als weiteres Beispiel wird ein netzartiges Band, welches supraleitendes Drahtmaterial aufweist, um ein zylindrisches Kernmaterial gewunden und mittels Woodschem Metall oder Lot verbunden. Diese Abschirmung weist zahlreiche Verbindungen auf und ihr Magnetfeldabschirmungseffekt verringert sich wegen des an den Verbindungen erzeugten elektrischen Widerstandes mit der Zeit.
  • Wenn das supraleitende Solenoid der oben erwähnten US-A-3 281 738 als Magnetfeldabschirmung verwendet wird, wird angenommen, daß sie gegenüber der oben erwähnten Abschirmung in Bezug auf die Abschirmstabilität und die Sekulärabschirmungseigenschaften überlegen ist. Die supraleitende Scheibe des Solenoids wird dadurch hergestellt, daß zahlreiche koaxiale Ringe (Radialabmessung: 0,02 bis 0,16 cm) aus einem supraleitenden Material (z.B. NbTi) auf mindestens eine Seite eines Metallsubstrats beschichtet werden. Die Radialabmessung, d.h. der Unterschied zwischen dem Außendurchmesser und dem Innendurchmesser des Rings, wird kleiner oder gleich 0,16 cm gewählt. Wenn er 0,16 cm überschreitet, entstehen Wirbelströme und die Intensität des einzufangenden Magnetfeldes wird reduziert. Die vielfachen, auf der Scheibe ausgebildeten koaxialen Ringe sichern die Stärke des totalen Magnetfeldeinschlusses für eine einzelne supraleitende Scheibe. Wenn die Scheibe im Hinblick auf die Magnetfeldabschirmung untersucht wird, reduziert die schmale Breite des supraleitenden Materials den Magnetfeldabschirmungseffekt. Deshalb wird eine große Struktur benötigt, um auch nur einen kleinen Abschirmungsbereich zu erhalten. Folglich ist das oben erwähnte supraleitende Solenoid kaum für die Magnetfeldabschirmung anwendbar. Die supraleitenden Scheiben und die oben erwähnten Metallscheiben sind alternierend geschichtet. Da zwischen den supraleitenden Ringen Vertiefüngen vorhanden sind, treten magnetische Flußlinien über die Metallscheiben und die Vertiefüngen ein, wenn die Dicke der Metallscheiben erhöht wird. Um dieses Problem zu vermeiden, sollte die Dicke der Metallscheiben so gering wie möglich sein. Wenn jedoch dünne Scheiben in einer Magnetfeldabschirmung verwendet werden, kann der geeignete Abschirmungsraum einer Abschirmungsstruktur nicht leicht eingestellt werden, um eine Anpassung an die Größe des abzuschirmenden Objekts zu erzielen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Nach sorgfältiger Untersuchung der zeitlichen Verringerung des Magnetfeldabschirmungseffekts aufgrund des Vorhandenseins von Verbindungen, der effektiven Abschirmung und der Bildung von effektiven Räumen und der Bearbeitbarkeit von effektiven Abschirmungsräumen bei der oben erwähnten Magnetfeldabschirmung haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung einen Supraleiter zur Magnetfeldabschirmung geschaffen, der einen extrem guten und stabilen Magnetfeldabschirmungseffekt bewirkt, ohne daß er irgendeine zeitliche Reduktion des Effekts bewirkt und welcher fähig ist, einen großen Abschirmungsraum unter der Verwendung einer minimalen Menge von Material zu bilden, und die Erfinder offenbaren die Erfindung im folgenden. Die Anmelder der vorliegenden Erfindung haben bereits Supraleiter zur Magnetfeldabschirmung in den japanischen Patentanmeldungen mit den Nummern 60-024254, 62-68499 und 63-200795 offenbart, welche sehr gute Magnetfeldabschirmungsfünktionen aufweisen. Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen extrem effektiven Abschirmungsraum unter Verwendung dieser Supraleiter zur Magnetfeldabschirmung zu bilden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die einen erfindungsgemäßen Supraleiter zur Magnetfeldabschirmung veranschaulicht;
  • Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1;
  • Fign. 3 bis 6 sind Ansichten von anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ähnlich zu Fig. 2;
  • Fign. 7 und 8 sind perspektivische Ansichten einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • Fign. 9 und 10 sind Graphen der charakteristischen Kurve der Magnetfeldabschirmung der Ausführungsformen der Magnetfeldabschirmung der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Struktur der vorliegenden Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Die Magnetfeldabschirmung der vorliegenden Erfindung weist als geschlossener Ring ausgebildete, scheibenförmige, supraleitende Magnetfeldabschirmteile 1 und scheibenförmige Distanzstücke 2 auf, welche die gleiche Form wie die Magnetfeldabschirmteile 1 haben und alternierend mit den Abschirmteilen 1 geschichtet sind, wobei der Supraleiter zur Magnetfeldabschirmung dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes Abschirmteil 1 mindestens eine Supraleiterlage 3 mit einer Dicke von 500 um oder weniger aufweist, die eng und alternierend mit Metallagen 4 von hoher Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit geschichtet ist, und daß die Radialabmessung der Supraleiterlage 3 mindestens 2 mm beträgt.
  • Der Supraleiter des Abschirmteils 1 beinhaltet eine bis mehrere -zig Supraleiterlagen. Wenn nur eine Supraleiterlage 3 verwendet wird, ist sie mit zwei Metallagen 4 zu beiden Seiten der Supraleiterlage 3 (wie in Fig. 2 gezeigt) dicht geschichtet. Wenn zwei oder mehr Supraleiterlagen 3 verwendet werden, ist es nötig, daß die Metallagen 4 zwischen mindestens zwei der Supraleiterlagen 3 (wie in Fig. 3 gezeigt) dicht eingefügt werden. Die dichte wechselseitige Schichtung der Supraleiterlagen 3 und der Metallagen 4 wird gewöhnlich mittels Sputtern oder Elektroabscheidung von Metall auf einer supraleitenden Lage hergestellt. Wenn eine Mehrzahl von mittels Elektroabscheidung aufgebrachten Verbünden geschichtet wird, werden sie in ein Metallbad mit niedrigem Schmelzpunkt getaucht und zusammengepreßt.
  • Die Supraleiterlage 3 wird aus Niob, Niobverbindungen, Nioblegierung, Vanadiumverbindungen oder Vanadiumlegierung hergestellt. Insbesondere werden Nb, Nb-Ti-Legierung, Nb-Zr- Legierung, NbN, NbC, NbN TiN (Mischkristalle, die in der japanischen Patentanmeldung 63- 200795 vorgeschlagen sind), Nb&sub3;Sn, Nb&sub3;Al, Nb&sub3;Ga, Nb&sub3;Ge, Nb&sub3;(AlGe) der V&sub3;Ga verwendet. Ferner können auf Keramik basierende supraleitende Materialien (z.B. auf Ba-Y-Cu-O basierende Zusammensetzungen, auf La-Sr-Cu-O basierende Zusammensetzungen, auf Bi-Sr-Ca- Cu-O basierende Zusammensetzungen und auf Tl-Ba-Ca-Cu-O basierende Zusammensetzungen) oder supraleitende Chevrel-Materialien (z.B. PbMo&sub6;S&sub6;) ebenso verwendet werden.
  • Die Dicke der Supraleiterlage 3 wird auf 500 um oder weniger festgesetzt, so daß der Kühlungs- und Stabilisierungseffekt durch die Metallage 4 in effektiver Weise erhalten wird. Gemäß der Beziehung zwischen der Dicke des Supraleiterlage und des Magnetfeldabschirmungseffekts, wie es in der japanischen Patentanmeldung 60-024254 (JP-A-61-183979) offenbart ist, steigt der Magnetfeldabschirmungseffekt in der Nähe des Ursprungs des Graphs, der die Beziehung darstellt, abrupt an und steigt dann allmählich an, wenn die Dicke der Supraleiterlage zunimmt. Falls die Dicke der Supraleiterlage unter der Dicke liegt, die dem Wendepunkt entspricht, wo sich der oben erwähnte abrupte Anstieg des Abschirmungseffekts in den allmählichen Anstieg umwandelt (d.h. er wird allmählicher), steigt der Magnetfeldabschirmungseffekt der mehrfachen Lagen der supraleitenden Lagen synergetisch an. Dies ist sehr wünschenswert, um den Abschirmungseffekt zu erhöhen.
  • Die Radialabmessung der Supraleiterlage 3 wird auf 2 mm oder mehr festgesetzt, um einen Wirbelstrom auf dem Ring der Supraleiterlage 3 zu erzeugen, so daß der perfekte Diamagnetismus und der Diamagnetismus von dem Wirbelstrom erzeugt werden. Mit anderen Worten, wird der oben erwähnte Wirbelstrom nicht hinreichend erzeugt, wenn die Radialabmessung der Lage 3 unterhalb von 2 mm liegt, und der auf dem perfekten Diamagnetismus und dem Diamagnetismus beruhende magnetische Abschirmungseffekt kann einer Verringerung unterworfen sein. Es ist auch schwierig, solche supraleitenden Lagen zu erzeugen. Es gibt keine obere Grenze für die Breite des Rings. Je größer die Breite ist, desto größer ist der Abschirmstrom, der in der Supraleiterlage 3 fließen kann, und desto größer ist der Abschirmungseffekt.
  • Wenn die Supraleiterlage 3 hauptsächlich aus einem Mischkristallkörper aus Niobnitrid und Titannitrid besteht, [NbNx TiN1-x (0,1 ≤ x ≤ 1)] sollte eine Niob-Titan-Legierungslage 5 zwischen die Metallage 4 und die Supraleiterlage 3 eingefügt sein (wie in Fig. 4 gezeigt), da NbN TiN keine Bindung zu der Metallage 4 aufweist. Die Niob-Titan-Legierungslage 5, welche eine gute Verbindung mit den Lagen 3 und 4 aufweist, ist zwischen die Lagen eingefügt, um eine feste Fixierung der Lagen zu bewirken. Da die Metallage 4 als Kühlung der Supraleiterlage 3 wirkt, muß sie dicht mit der Supraleiterlage 3 geschichtet sein und sollte aus einem Metall mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit bestehen, wie z.B. Kupfer, Aluminium, Nickel, rostfreiem Stahl, Titan, Niob oder einer Niob-Titan-Legierung.
  • In dem supraleitenden Magnetfeldabschirmteil 1 muß die Supraleiterlage 3 dicht mit der Metallage 4 geschichtet sein. Wenn zwei oder mehr Supraleiterlagen 3 verwendet werden, ist es möglich, eine dielektrische Lage 6, die eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist und die aus Keramik hergestellt ist, wie z.B. Aluminiumnitrid, kubischem Bornitrid, Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid oder Diamant, in die Schichten einzufügen (wie in Fig. 5 gezeigt). Durch das Einfügen der dielektrischen Lage 6 wird die Supraleiterlage 3 elektrisch isoliert und der Stabilisierungseffekt wird weiter vergrößert. Folglich wird der Magnetfeldabschirmungseffekt durch die Schichtung weiter vergrößert. Die dielektrische Lage 6 wird somit wünschenswerterweise verwendet.
  • Das Magnetfeldabschirmteil 1, eine als geschlossener Ring ausgebildete Scheibe, kann eine Mehrzahl von kleinen Löchern 7 aufweisen, die in Richtung der Dicke die Scheibe durchdringen (wie in Fig. 6 gezeigt). Diese kleinen Löcher 7 bewirken eine elektromagnetische Abschirmung, wie in den japanischen Patentanmeldungen 62-068499 und 63-200795 offenbart ist. Die Fläche der kleinen Löcher 7 sollte 3 cm² oder weniger betragen und der Flächenanteil der Löcher in Bezug auf die Gesamtfläche sollte 90 % oder weniger betragen. Wenn die Fläche 3 cm² und der Flächenanteil 90 % übersteigt, ist die Stärke der geschichteten Lagen unzureichend, wenn sie während der Handhabung in einem starken Magnetfeld einer Spannung ausgesetzt werden, und die effektive Fläche der Supraleiterlage 3 verringert sich. Dies verringert den Abschirmstrom (welcher fließt, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das zur Aufhebung des Umgebungsmagnetfelds verwendet wird), der zur Abschirmung eines starken Magnetfeldes benötigt wird. Wenn die Fläche der kleinen Löcher 3 cm² übersteigt, weist außerdem das Abschirmmagnetfeld innerhalb eines jeden kleinen Loches eine Neigung auf, was eine vollständige Abschirmung an jedem kleinen Loch verhindert. Wenn andererseits die Fläche der kleinen Löcher zu klein ist, kann eine Verstopfüng während des Sputterns auftreten.
  • Das Distanzstück 2 wird verwendet, um für einen definierten Abstand bei der Schichtung des supraleitenden Magnetfeldabschirmteils 1 zu sorgen, und es ist aus Aluminium, Kupfer oder Kunstharz, wie z.B. Epoxidharz, zusammengesetzt. Die Abschirmteile 1 sind mit den Distanzstücken 2 beispielsweise unter Verwendung eines äußeren Rahmens aus nichtmagnetischem Material geschichtet. Wenn eine Mehrzahl von Lagen geschichtet ist, sind die Abschirmteile 1 alternierend mit den Distanzstücken 2 geschichtet, oder eine Mehrzahl von Einheiten mit einer Mehrzahl von Abschirmteilen 1 ist alternierend mit den Distanzstücken 2 geschichtet.
  • Als zusätzliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, einen metallischen Zylinder 8, dessen Äußeres mit einer supraleitenden Lage oder einem supraleitenden Film 81 beschichtet ist, in den offenen Mittelraum der geschichteten supraleitenden Abschirmteile 1 und Distanzstücke 2 einzufügen (wie in Fig. 7 gezeigt). Es ist ebenso möglich, die geschichteten supraleitenden Abschirmteile 1 und die Distanzstücke 2 in den Metallzylinder 8 einzufügen (wie in Fig. 8 gezeigt). Wenn nur die oben erwähnte geschichtete Struktur verwendet wird, weist sie nur einen relativ geringen Abschirmeffekt gegenüber Magnetfeldern senkrecht zu der Achse der Struktur auf, obwohl sie einen starken Abschirmeffekt gegenüber Magnetfeldern parallel zu der Achse aufweist. Die zusätzliche Ausführungsform wird verwendet, um diesen Nachteil auszugleichen. Die oben erwähnten supraleitenden Materialien können für die supraleitende Lage oder den supraleitenden Film 81 verwendet werden. Wenn die supraleitenden Materialien mit dem Metallzylinder 8 verbunden werden, und wenn die supraleitenden Materialien untereinander verbunden werden, kann ein kommerziell erhältlicher Klebstoff ebenso verwendet werden wie ein Preßverbindungsverfahren unter Verwendung eines Metalles mit niedrigem Schmelzpunkt. Wenn eine breite supraleitende Lage oder ein Band gewunden wird, ist es nicht absolut notwendig, das vordere Ende mit dem hinteren Ende der Lage oder des Bandes zu verbinden, da die geschichtete Struktur parallel zu der Achse erzeugte Magnetfelder vollständig abschirmen kann. Aus dem gleichen Grund können beide Enden des Zylinders 8 geöffnet sein.
  • Die Funktionen der Magnetfeldabschirmung der vorliegenden Erfindung sind im folgenden detailliert beschrieben. Wenn die Magnetfeldabschirmungsstruktur in einem Magnetfeld parallel zu den Achsen der Struktur angeordnet wird, wird von dem Magnetfeld ein Abschirmstrom parallel zu den Achsen erzeugt. Dieser Abschirmstrom fließt in dem Abschirmteil 1 und hindert das Magnetfeld daran, hindurchzutreten. Zu diesem Zeitpunkt ist die Supraleiterlage 3 in dem Abschirmteil 1 eine vollständig geschlossene Schleife und weist keine Verbindung auf. Deshalb kann der Abschirmeffekt lange Zeit aufrechterhalten werden.
  • Die Supraleiterlage 3 des Abschirmteils 1 weist den Meissner-Effekt (perfekter Diamagnetismus) und den Diamagnetismus in dem Mischzustand von Supraleitung und Normalleitung auf. Mit anderen Worten, das Magnetfeld wird von diesen inhärenten Eigenschaften des supraleitenden Teils abgestoßen und wird am Hindurchtreten gehindert. Wenn eine Mehrzahl von Abschirmteilen 1 geschichtet ist, werden die oben erwähnten beiden Abschirmeffekte kombiniert und das Magnetfeld wird von den Abschirmteilen 1 nacheinander abgeschirmt. Folglich wird das Magnetfeld vollständig am Eindringen in den Raum innerhalb des abzuschirmenden Objekts gehindert.
  • Wie oben beschrieben, verwendet die Abschirmung der vorliegenden Erfindung eine Kombination von supraleitender Abschirmung und elektromagnetischer Abschirmung. Die Supraleiterlage 3, ein Hauptelement der Magnetfeldabschirmung, ist dicht mit der Metallage 4 geschichtet, die eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweist, und der Abschirmeffekt wird durch den Kühleffekt der Metallage 4 stabilisiert. Deshalb wird der Magnetfeldabschirmeffekt vergrößert, wenn die Anzahl der Abschirmteile 1 und/oder der Supraleiterlagen 3 erhöht wird und wenn die Ringbreite der supraleitenden Lage 3 erhöht wird. Da die Abschirmteile 1 mit den Distanzstücken 2 geschichtet sind, kann der Magnetfeldabschirmungseffekt durch die Wahl der Dicke und der Anzahl der Distanzstücke 2 wie gewünscht angepaßt werden. Ferner kann die Größe des inneren Raumes in der Abschirmung in Abhängigkeit von der Größe des abzuschirmenden Objekts oder Magnets ebenso angepaßt werden.
  • Wenn die das Magnetfeldabschirmteil 1 und die Distanzstücke 2 durchdringenden kleinen Löcher 7 in Richtung der Dicke vorgesehen sind, wird eine elektromagnetische Abschirmung im Bereich der kleinen Löcher erzeugt, und eine supraleitende Abschirmung wird an den anderen Abschnitten mittels des perfekten Diamagnetismus und des oben erwähnten Mischzustands-Diamagnetismus erzeugt. Mit anderen Worten, der elektromagnetische Abschirmungseffekt durch die kleinen Löcher 7 kommt zu dem oben erwähnten supraleitenden Abschirmungseffekt hinzu, wodurch der Magnetfeldabschirmungseffekt weiter erhöht wird.
  • Wenn die Abschirmung mit dem metallischen Zylinder 8, der außen mit der supraleitenden Schicht oder dem supraleitenden Film 81 beschichtet ist und in den Mittelraum der geschichteten Struktur eingefügt ist, oder die Abschirmung mit der geschichteten Struktur, die in den metallischen Zylinder 8 eingefügt ist, an die Stelle gebracht wird, wo sie einem Magnetfeld senkrecht zu der Achse der Struktur unterworfen ist, schirmt die supraleitende Lage oder der supraleitende Film 81, die den metallischen Zylinder 8 bedeckt, das senkrechte Magnetfeld ab. Dieser Effekt wird mit dem oben erwähnten Magnetfeldabschirmungseffekt kombiniert, um eine dreidimensionale Magnetfeldabschirmung zu erzeugen.
  • (AUSFÜHRUNGSFORMEN)
  • [I] Unter Verwendung einer Sputtereinheit mit einem Aufnahmemechanismus wurden supraleitende Lagen aus NbTi alternierend mit Metallagen aus Kupfer auf einem 15 um dicken und mehrere Meter langen Aluminiumsubstrat geschichtet. Als solchermaßen geschichtete Strukturen wurden die folgenden Typen präpariert: ein einlagiger Typ mit einer 2 um dicken NbTi- Lage und ein weiterer einlagiger Typ mit einer 4 um dicken NbTi-Lage (die NbTi-Lage wurde zwischen das Aluminiumsubstrat und die Kupferlage eingefügt), zweilagige Typen mit zwei 2um dicken Lagen (die NbTi-Lage, die Kupferlage und die NbTi-Lage wurden auf dem Aluminiumsubstrat in dieser Reihenfolge geschichtet) und ein dreilagiger Typ mit drei Lagen (die NbTi-Lage, Kupferlage, NbTi-Lage, Kupferlage und NbTi-Lage wurden auf dem Aluminiumsubstrat in dieser Reihenfolge geschichtet). Diese Schichtungen wurden in Scheiben mit 35 mm Durchmesser geschnitten und in der Mitte mit einem Loch mit 10 mm Durchmesser versehen. Diese Teile wurden als die supraleitenden Abschirmteile (Ausführungsformen 1 bis 7) der vorliegenden Erfindung verwendet. Ein Aluminiumsubstrat wurde für die Metallagen der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • [II] Die Niob-Titan- und Kupferlagen wurden innerhalb einer Sputtereinheit ähnlich zu der oben beschriebenen Sputtereinheit auf dem Aluminiumsubstrat geschichtet. Bei der Schichtung wurde eine Nitridaluminiumoxidkeramik mittels des Reaktivsputterverfahrens in einer Atmosphäre von Argon- und Stickstoffgasen unter der Verwendung von Aluminium als Target gebildet. Auf der Aluminiumnitridlage wurden die Kupfer- und Niob-Titan-Lagen in ähnlicher Weise wie oben beschrieben gebildet. Diese Anordnung wurde als weiteres supraleitendes Abschirmteil verwendet (Ausführungsform 8).
  • [III] Mittels eines Sputterverfahrens ähnlich zu dem oben beschriebenen Verfahren wurden kleine Löcher mit 50 um Durchmesser in einem Kupfersubstrat geschaffen, wobei der Anteil an offener Fläche 20 % betrug. Auf dem Kupfersubstrat wurden Niob-Titan-Supraleiterlagen und Kupfermetallagen alternierend geschichtet. In diesem Fall wurden fünf 4 um Niob-Titanlagen verwendet. Jede Kupferlage wurde von zwei Niob-Titanlagen umgeben. Eine Kupferlage wurde oben angeordnet. Diese Schichtung wurde in eine als geschlossener Ring ausgebildete Scheibe wie oben beschrieben geschnitten, um ein weiteres supraleitendes Abschirmteil zu bilden (Ausführungsform 9). Das Kupfersubstrat wurde als Metallage der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • [IV] Die Niob-Titan-Supraleiterlage wurde auf eine festgesetzte Dicke gewalzt. Kupfer wurde mittels Elektroabscheidung über die gesamte Oberfläche der Niob-Titanlage als Metallage geschichtet. In diesem Fall wurden 50 um und 300 um dicke Niob-Titanlagen verwendet. Diese mit der Kupferlage mittels Elektroabscheidung beschichteten Verbundteile wurden geschichtet (drei Lagen im Fall der 50 um dicken Niob-Titanlagen und zwei Lagen im Fall der 300 um dicken Niob-Titanlagen), in ein Metallbad mit niedrigem Schmelzpunkt getaucht und durch Zusammendrücken zusammengefügt. Diese Strukturen wurden in gleicher Weise wie oben beschrieben in Scheiben geschnitten und als supraleitende Abschirmteile verwendet (Ausführungsformen 10 und 11).
  • [V] Aluminiumplatten mit einer Dicke von 0,16, 0,5, 1 und 3 mm wurden in als geschlossener Ring ausgebildete Scheiben mit einem Außendurchmesser von 35 mm und einem Mittelinnendurchmesser von 10 mm geschnitten. Diese wurden als Distanzstücke der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • [VI] Die wie oben beschrieben präparierten supraleitenden Abschirmteile und Distanzstücke wurden geschichtet und mittels eines äußeren Rahmens aus nichtmagnetischer Substanz befestigt. Diese Strukturen wurden als Magnetfeldabschirmungen verwendet.
  • Die für die Ausführungsformen 3, 4, 5 oder 7 verwendeten Abschirmteile wurden in Scheiben mit einem Außendurchmesser von 35 mm geschnitten. In der Mitte dieser Scheiben wurden Löcher mit einem Innendurchmesser von 10, 15, 20, 25 und 30 mm geschaffen (ein Loch in jeder Scheibe). Diese Strukturen wurden als Experimentierproben 1 bis 5 verwendet.
  • Die wie oben beschrieben präparierten zylindrischen Abschirmungen (Ausführungsformen 1 bis 11) wurden in ein zu den Achsen der Abschirmungen paralleles Magnetfeld gebracht. Die magnetische Kraft in jedem Hohlzylinder wurde gemessen und der Magnetfeldabschirmungsbetrag (die Intensität des angelegten Magnetfeldes minus der Intensität des gemessenen Magnetfeldes) wurde berechnet. Die Ergebnisse sind in Abhängigkeit von der Schichtstruktur in Tabelle 1 angegeben.
  • Die Experimentierproben 1 bis 5 wurden einem zu der Probenoberfläche senkrechten Magnetfeld ausgesetzt. Der maximale Magnetfeldabschirmungsbetrag wurde in der Mitte jeder Probe gemessen und in der gleichen Weise wie oben beschrieben berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 1 Ausführungsform Nr. Abschirmteil Distanzstück Abschirmungshöhe (mm) Abschirmungs-betrag T (Gauss) Schichtdicke, Lagen Anzahl Dicke (mm)
  • Die in Tabelle 1 angegebenen Magnetfeldabschirmungsbeträge stellen die maximalen Magnetfeldabschirmungsbeträge dar, wie sie in den jeweiligen Mitten der Abschirmungen erhalten wurden. Im Falle der Ausführungsformen 1 bis 9 wird die Dicke der Abschirmung als nahezu gleich der Gesamtdicke der Distanzstücke betrachtet, da die Dicke der Abschirmteile vernachlässigbar ist. Tabelle 2 Experiment Nr. Innendurchmesser des Abschirmteils (mm) Ringbreite der supraleitenden Lage (mm) Maximaler Abschirmungsbetrag T (Gauss)
  • Wie in Tabelle 1 angegeben, versteht es sich, daß alle Ausführungsformen einen extrem hohen Magnetfeldabschirmungseffekt erzeugen. Je dicker die Supraleiterlage, desto größer der Magnetfeldabschirmungsbetrag (gemäß dem Vergleich der Ausführungsformen 1, 2, 9 und 10). Je größer die Zahl der Abschirmteile und/oder der Supraleiterlagen, desto größer der Magnetfeldabschirmungsbetrag (gemäß dem Vergleich der Ausführungsformen 3, 4, 5, 6 und 7). Der Magnetfeldabschirmungsbetrag wird weiter bedeutend erhöht, wenn kleine Löcher vorgesehen sind (Ausführungsform 9).
  • Im Falle der in Tabelle 2 angegebenen unabhängigen Abschirmteile ist der Magnetfeldabschirmungsbetrag um so größer, je größer die Radialabmessung der Supraleiterlage ist. Dies wird wie folgt interpretiert. Je größer die Radialabmessung ist, desto größer ist der erzeugbare Wirbelstrom. Dies verursacht den perfekten Diamagnetismus und den Diamagnetismus. Es wird deshalb angenommen, daß ein größerer Magnetfeldabschirmungseffekt erhalten wird, wenn mehr Abschirmteile mit größerer Radialabmessung geschichtet werden.
  • Die Ausführungsformen 3 und 4 werden wie folgt verglichen. Das Verhältnis der Zahl der Abschirmteile in Ausführungsform 3 zu der Zahl der Abschirmteile in Ausführungsform 4 ist 2 : 1 (60 Teile : 30 Teile). Das Verhältnis der Höhe der Abschirmung von Ausführungsform 3 zu derjenigen der Ausführungsform 4 beträgt 1 : 3 (30 mm zu 90 mm). Fign. 9 und 10 zeigen die Magnetfeldabschirmungseigenschaften der Abschirmungen von Ausführungsform 3 und 4. Die Abszisse gibt die Intensität eines Umgebungsmagnetfeldes und die Ordinate gibt den Magnetfeldabschirmungsbetrag an. Unter Bezugnahme auf Fig. 9 geben die Kurven a', b', c' und d' die Magnetfeldabschirmungseigenschaften an, wie sie an Stellen 0, 5, 10 und 15 mm entfernt in beiden Richtungen von der Mitte der Abschirmung entlang deren Achse erhalten wurden. Die Enden der Abschirmungen entsprechen den Stellen in 15 mm Entfernung. Unter Bezugnahme auf Fig. 10 repräsentieren die Kurven a, b, c und d die Magnetfeldabschirmungseigenschaften, wie sie an Stellen 0, 5, 30 und 45 mm entfernt von der Mitte der Abschirmung entlang deren Achse erhalten wurden. Die Enden der Abschirmung entsprechen den Stellen in 45 mm Entfernung. An den Punkten auf den Geraden α' und α ist das angelegte Magnetfeld vollständig abgeschirmt. Beispielsweise beträgt an den Punkten X' und X auf den Geraden α' und α die Intensität des Umgebungsmagnetfelds 0,1 T (1000 Gauss) und der Magnetfeldabschirmungsbetrag beträgt ebenso 0,1 T (1000 Gauss). Folglich findet kein Eindringen des Magnetfelds an den Stellen auf der Abschirmung statt, die den Punkten A', B', C' und D' in Fig. 9 und den Punkten A, B, C und D in Fig. 10 entsprechen. Mit anderen Worten, die Intensitäten der Magnetfelder an diesen Punkten stellen die maximal abzuschirmenden Werte dar. Wenn man die an den jeweiligen Mitten der Abschirmungen gemessenen Magnetfeldabschirmungsbeträge unter Bezugnahme auf die Fign. 9 und 10 vergleicht, beträgt der Magnetfeldabschirmungsbetrag von Ausführungsform 3 etwa 0,45 T (4500 Gauss) und derjenige der Ausführungsform 4 ungefähr 0,17 T (1700 Gauss). Ausführungsform 3 weist einen größeren Magnetfeldabschirmungsbetrag auf. Wenn jedoch ein Abschirmungsraum berücksichtigt wird, ist im Falle von Ausführungsform 3 eine vollständige Abschirmung bis zu einer Stelle in 10 mm Entfernung von der Mitte der Abschirmung entlang deren Achse in einem Umgebungsmagnetfeld mit einer Stärke von 0,16 T (1600 Gauss) möglich. Dies entspricht etwa 67 % des Innenraumes des Zylinders. Im Falle der Ausführungsform 4 ist eine vollständige Abschirmung bis zu einer Stelle in einer Entfernung von 30 mm von der Mitte der Abschirmung entlang deren Achse in einem Umgebungsmagnetfeld mit einer Stärke von 0,16 T (1600 Gauss) möglich. Diese Entfernung ist etwa dreimal so groß wie diejenige von Ausführungsform 3. Gemäß diesem Vergleich ist eine effektive Magnetfeldabschirmung dadurch möglich, daß man in geeigneter Weise die Anzahl der Abschirmteile, die Größe und die Anzahl der Distanzstücke in Abhängigkeit von der Intensität des Umgebungsmagnetfelds und der Größe des benötigten Abschirmraumes wählt.
  • [VII] Das supraleitende Magnetfeldabschirmteil ähnlich zu demjenigen, welches in Ausführungsform 7 verwendet wurde (zwei 2 um dicke Supraleiterlagen), wurde in einer Lage mit 30 mm Breite hergestellt. Diese supraleitende Lage wurde außen 15 mal um zwei verschiedene Kupferröhren (die eine hatte einen Außendurchmesser von 8 mm und war 30 mm lang und die andere hatte einen Innendurchmesser von 35 mm und war 30 mm lang) herumgewunden, welche an beiden Enden offen waren. Die kleinere Röhre wurde in den Hohlzylinder der Abschirmung von Ausführungsform 7 eingefügt. Die andere Abschirmung von Ausführungsform 7 wurde in die größere Röhre eingefügt. Diese Abschirmungen wurden in Umgebungsmagnetfelder gebracht, deren Richtungen parallel, senkrecht und unter verschiedenen Winkeln zu den Achsen der Abschirmungen verliefen. Ihre maximalen Magnetfeldabschirmungsbeträge lagen in allen Fällen über 1 T (10000 Gauss). Obwohl die Abschirmungen der Ausführungsformen 1 bis 10 einen extrem hohen Magnetfeldabschirmungseffekt in einem Magnetfeld parallel zu der Achse aufweisen, ist der Effekt bezüglich eines Magnetfeldes senkrecht zu der Achse leicht verringert. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen 1 bis 10 weisen die in [VII] beschriebenen Ausführungsformen hohe Magnetfeldabschirmungseffekte bezüglich in allen Richtungen erzeugten Magnetfeldern auf und können als ideale Abschirmungen bezeichnet werden. Supraleitende Lagen, welche aus den oben erwähnten Materialien hergestellt wurden, die nicht in den Ausführungsformen verwendet wurden, wurden ebenso untersucht und es wurden fast die gleichen Ergebnisse erhalten.
  • Wie oben beschrieben, weist bei der Magnetfeldabschirmung der vorliegenden Erfindung die Supraleiterlage des surpaleitenden Magnetfeldabschirmteils die Form eines vollständig geschlossenen Rings auf und weist keine Verbindungsstelle auf Deshalb verringert sich der in der Supraleiterlage fließende Abschirmstrom nicht mit der Zeit, wodurch eine stabile elektromagnetische Abschirmung aufrechterhalten wird.
  • Wie oben beschrieben, wird die supraleitende Abschirmung mittels des Meissner-Effekts an der supraleitenden Lage und mittels des Diamagnetismus in dem Mischzustand von Supraleitung und Normalleitung erzielt. Da die Supraleiterlage dicht mit der Metallage mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit geschichtet ist, stabilisiert der Kühlungseffekt der Metallage weiter den supraleitenden Magnetfeldabschirmungseffekt. Folglich ist der Effekt extrem stabil. Da die Abschirmteile, welche Supraleiterlagen aufweisen, mit Distanzstücken geschichtet sind und da der Abschirmeffekt wie oben beschrieben stabil ist, ist es möglich, durch zweckmäßige Auswahl der Dicke und der Anzahl der Distanzstücke, gewünschte effektive Abschirmräume in Abhängigkeit von der Größe des abzuschirmenden Objekts und Magnets zu bilden.
  • Der elektromagnetische Abschirmeffekt aufgrund der kleinen Löcher kommt zu dem oben erwähnten Effekt hinzu. Der bevorzugte, mit supraleitendem Material beschichtete metallische Zylinder kann in allen Richtungen erzeugte Magnetfelder abschirmen.
  • Auf diese Weise ist die Magnetfeldabschirmung der vorliegenden Erfindung bei der Magnetfeldabschirmung sehr effektiv und ihr Wert ist enorm.

Claims (9)

1. Magnetfeldabschirmung mit als geschlossener Ring ausgebildeten, scheibenförmigen, supraleitenden Magnetfeld-Abschirmteilen (1) und Distanzstücken (2), welche die gleiche Form wie die Magnetfeld-Abschirmteile haben und alternierend mit den Abschirmteilen geschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Abschirmteil (1) mindestens eine Supraleiterlage (3) aufweist, die eng und alternierend mit Metallagen (4) von hoher Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit geschichtet ist, wobei die oder jede Supraleiterlage (3) eine Dicke von nicht mehr als 500 um und eine Radialabmessung von mindestens 2 mm hat.
2. Magnetfeldabschirmung nach Anspruch 1, bei der jedes Abschirmteil (1) zwei oder mehr der Supraleiterlagen (3) aufweist, die eng und alternierend mit den Metallagen (4) geschichtet sind.
3. Magnetfeldabschirmung nach Anspruch 1, bei der die Dicke der oder jeder Supraleiterlage kleiner als die Dicke ist, die einem Wendepunkt in einer Kurve für eine Beziehung zwischen der Dicke und dem Magnetfeld-Abschirmeffekt der Supraleiterlage (3) entspricht, wobei in dieser Beziehung der Magnetfeld-Abschirmeffekt von der Nachbarschaft des Ursprungs der Kurve zu dem Wendepunkt abrupt zunimmt und dann mit steigender Dicke der Supraleiterlage allmählicher ansteigt.
4. Magnetfeldabschirmung nach Anspruch 1, bei der die eine Supraleiterlage (3) hauptsächlich aus einem Mischkristallkörper aus Niobnitrid und Titannitrid besteht.
5. Magnetfeldabschirmung nach Anspruch 4, bei der eine Niob-Titan-Legierungslage zwischen die eine Supraleiterlage (3) und eine benachbarte Metallage (4) geschichtet ist.
6. Magnetfeldabschirmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Abschirmteil (1) eine dielektrische Lage aufweist, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat und einen keramischen Werkstoff, wie Aluminiumnitrid, kubisches Bornitrid, Siliziumkarbid und Siliziumnitrid, sowie Diamant aufweist.
7. Magnetfeldabschirmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Abschirmteil (1) und Distanzstücke (2) mit einer Mehrzahl von kleinen Löchern versehen sind, die in der Dickenrichtung der Teile hindurchgehen.
8. Magnetfeldabschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der ein metallischer Zylinder, dessen Außenseite mit einer supraleitenden Lage oder einem supraleitenden Film beschichtet ist, in den Mittelraum der Schichtung aus den Abschirmteilen (1) und Distanzstücken (2) koaxial eingesetzt ist.
9. Magnetfeldabschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Schichtung der Abschirmteile (1) und Distanzstücke (2) in einen metallischen Zylinder, dessen Außenseite mit einer supraleitenden Lage oder einem supraleitenden Film beschichtet ist, koaxial eingesetzt ist.
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