HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfeldabschirmung, welche Magnetfelder
unter Verwendung von supraleitenden Materialien abschirmt.
2. Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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Fig. 1 ist eine teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die einen
erfindungsgemäßen Supraleiter zur Magnetfeldabschirmung
veranschaulicht;
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Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1;
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Fign. 3 bis 6 sind Ansichten von anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
ähnlich zu Fig. 2;
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Fign. 7 und 8 sind perspektivische Ansichten einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung; und
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Fign. 9 und 10 sind Graphen der charakteristischen Kurve der Magnetfeldabschirmung der
Ausführungsformen der Magnetfeldabschirmung der vorliegenden
Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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)
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[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.
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[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).
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[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.
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[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).
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[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.
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[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.
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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.
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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.
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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)
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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)
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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).
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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.
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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.
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[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.
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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.
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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.
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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.
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Auf diese Weise ist die Magnetfeldabschirmung der vorliegenden Erfindung bei der
Magnetfeldabschirmung sehr effektiv und ihr Wert ist enorm.