DE69019608T2 - Mehrfaseriger, supraleitender Draht für industrielle Frequenzen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine für industrielle Frequenzen bestimmte supraleitende mehrdrähtige Ader.
• Der Zusammenbau einer großen Anzahl solcher Adern erlaubt die Herstellung eines Leiters. Eine Ader besteht selbst aus einer sehr großen Anzahl von supraleitenden Fäden, die voneinander durch ein nicht supraleitendes Trennmaterial getrennt sind. Der Artikel "Cryogenics", vol. 25 Nº 10, Oktober 1985, Guildford, Surrey GB, Seiten 558 bis 565 beschreibt eine solche Ader.
• Es ist bekannt, daß supraleitende Fäden, insbesondere aus Niobium-Titan, sehr hohe Stromdichten der Größenordnung von 10.000 A/mm² transportieren können und daß auf der Basis solcher Fäden hergestellte Leiter unter den folgenden Bedingungen geringe Verluste im Wechselstrombetrieb aufweisen können:
• 1) die Fäden müssen sehr dünn sein: weniger als 0,2 um Durchmesser, durchgehend, d.h. nicht geschnitten und von regelmäßigem Querschnitt,
• 2) die Fäden müssen durch ein Material getrennt werden, das die Naheffekte ausreichend reduziert, die als Übergang von Kryoströmen zwischen den Fäden äußern,
• 3) dieses die Fäden trennende Material muß einen großen spezifischen Widerstand besitzen, um die Verluste durch induzierte Ströme zu begrenzen,
• 4) die Fäden müssen fein transponiert sein.
• Es ist derzeit bekannt, eine vielfädige supraleitende Ader ausgehend von einem Ausgangsbarren herzustellen, der aus einer Seele aus einer Legierung von Niobium und Titan besteht, die im Inneren einer Matrix aus einer Legierung von Kupfer und Nickel angeordnet ist, wobei eine Niobiumfolie zwischen der Seele und der Matrix angeordnet ist und als Barriere gegen die Diffusion des Materials der Matrix zur supraleitenden Seele dient.
• Die Ader wird in aufeinanderfolgenden Extrusions-, Drahtzieh- und Zusammenbaustufen einer Vielzahl von abgeschnittenen Abschnitten des nach jedem Drahtziehvorgang erhaltenen Elements erhalten.
• Mit den verwendeten Materialien stellt man fest, daß der Abstand zwischen zwei supraleitenden Fäden in einer fertiggestellten Ader über etwa 1,3 um liegen muß, um die oben aufgeführten Bedingungen 2 und 3 zu erfüllen. Dieser benötigte Abstand reduziert den Supraleiteranteil und damit die effektive Stromdichte, und zwar umso mehr, je feiner die supraleitenden Fäden sind.
• In der Praxis ist es sehr schlecht, den Durchmesser der Fäden unter 0,15 um zu senken, trotz des großen Nutzens, den dies in Bezug auf Verluste und Stromdichte des Supraleiters alleine bringen würde.
• Die Erfindung hat zum Ziel, eine supraleitende Ader für industrielle Frequenzen herzustellen, indem Materialien verwendet werden, die sowohl für die Herstellung von ultrafeinen Fäden geeignete metallurgische Eigenschaften als auch elektrische Eigenschaften haben, die es ermöglichen, den notwendigen Abstand zwischen den supraleitenden Fäden beträchtlich zu reduzieren, wodurch eine Ader erhalten werden kann, die eine höhere Anzahl von Fäden mit einem reduzierten Abstand aufweist, woraus stark erhöhte effektive Stromdichten, etwa mit zwei multipliziert, und durch etwa zwei dividierte Verluste resultieren.
• Die Erfindung hat somit eine vielfädige supraleitende Ader für industrielle Frequenzen zum Gegenstand, die in n aufeinanderfolgenden Stufen der Extrusion, des Drahtziehens und des Zusammenbaus ausgehend von einem Ausgangsbarren aus Niobium-Titan umgeben von einer Diffusions-Barriereschicht aus Niobium und dann einer Matrix aus einer Kupfer-Nickellegierung hergestellt wird,
• dadurch gekennzeichnet, daß sie 5 10&sup5; bis 5 10&sup6; Fäden enthält, die je aufweisen:
• - eine leitende Seele aus Niobium-Titan mit einem Durchmesser von zwischen fünfzig und einhundertfünfzig Nanometern,
• - die Diffusions-Barriereschicht aus Niobium,
• und daß die Matrix aus einer Kupfer-Nickellegierung mit mehr als 8% Mangan besteht, wobei der die Fäden voneinander trennende Abstand zwischen dreißig und einhundert Nanometern beträgt.
• Gemäß einer besonderen Ausführungsform enthält die Kupferlegierung etwa 12% Mangan und 2% Nickel.
• Eine derartige Legierung ist im Handel unter dem Namen "Manganin" bekannt.
• Die Erfindung hat weiter eine vielfädige supraleitende Ader für industrielle Frequenzen zum Gegenstand, die in n aufeinanderfolgenden Stufen der Extrusion, des Drahtziehens und des Zusammenbaus ausgehend von einem Ausgangsbarren aus Niobium-Titan umgeben von einer Diffusions-Barriereschicht und dann einer Matrix aus einer Kupfer-Nickellegierung hergestellt wird,
• dadurch gekennzeichnet, daß sie 5 10&sup5; bis 5 10&sup6; Fäden enthält, die je aufweisen:
• - eine leitende Seele aus Niobium-Titan mit einem Durchmesser von zwischen fünfzig und einhundertfünfzig Nanometern,
• - eine Diffusions-Barriereschicht aus Austenitstahl der Art Fe - 30% Ni - 20% Cr-C-N,
• wobei der die Fäden voneinander trennende Abstand zwischen dreißig und einhundert Nanometern beträgt.
• Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben.
• Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausgangsbarren in einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die auf Wechselstrombetrieb anwendbar ist.
• Figur 2 zeigt einen sehr partiellen Querschnitt durch eine fertiggestellte supraleitende Ader, die ausgehend vom in Figur 1 gezeigten Barren hergestellt wurde.
• Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausgangsbarren in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
• Figur 4 zeigt einen sehr partiellen Querschnitt durch eine fertiggestellte supraleitende Ader, die ausgehend vom in Figur 3 gezeigten Barren hergestellt wurde.
• In Figur 1 sieht man einen Ausgangsbarren 1, der eine supraleitende Seele 2 aufweist, die aus Niobium oder Niobiumlegierung, zum Beispiel einer Niobium-Titan-Legierung sein kann.
• Diese Seele wird von zwei Schichten eines Trennmaterials umgeben: die erste Schicht 3 aus Niobium bildet eine Diffusions-Barriere geringer Dicke, die zweite Schicht 4 ist eine relativ dicke Schicht aus einer Kupferlegierung mit mindestens 8% Mangan. Die mit dem unter dem Namen "Manganin" im Handel erhältlichen Produkt, das eine Kupferlegierung mit 12% Mangan und 2% Nickel ist, durchgeführten Versuche haben gute Ergebnisse gezeitigt. Das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des Barrens φe und dem Durchmesser i der Seele 2 beträgt etwa 1,5, wobei die Dicke der Schicht 3 in Bezug auf die Seele 2 und die Schicht 4 vernachlässigbar ist.
• Ausgehend von diesem Barren wird die Ader, von der ein partieller Querschnitt in Figur 2 gezeigt ist, gemäß der bekannten Methode durch Extrusion und dann Drahtziehen hergestellt. Der erhaltene Faden wird dann in Abschnitte geschnitten, die in großer Anzahl in einer Kupfer-Nickel-Hülle zusammengesetzt und dann ein weiteres Mal dem Vorgang des Extrudierens und dann Drahtziehens unterworfen werden. Die endgültige Ader wird so zum Beispiel in drei aufeinanderfolgende Stufen der Extrusion und des Drahtziehens erhalten. Die fertiggestellte Ader hat einen Durchmesser zwischen 0,1 und 0,4 mm und besitzt zwischen 5 10&sup5; und 5 10&sup6; supraleitende Fäden 5, die von der supraleitenden Seele 2 gebildet werden, welche auf einen Durchmesser f zwischen fünfzig und einhundertfünfzig Nanometer reduziert ist, und zur Nachbarzelle einen Abstand e von zwischen dreißig und einhundert Nanometern aufweist, wobei das Trennmaterial 6 im wesentlichen aus dem "Manganin" der Schicht 4 besteht und jeder Faden 5 von einer feinen Barriereschicht 7 aus Niobium umgeben ist.
• Eine solche Ader ergibt gute Ergebnisse im Wechselstrombetrieb. Die gesuchte Qualität, um die Naheffekte zu reduzieren, ergibt sich aus dem Vorhandensein von Materialien, deren Bohrsches magnetisches Moment hoch ist (höher als vier), und deren Magnetspins ungeordnet sind, um die Verluste durch Hysterese zu vermeiden, die der Ferromagnetismus im Fall von geordneten Spins erzeugen würde. Diese Magnetspins reduzieren die Kohärenzlänge des supraleitenden Zustands in der Schicht 4 durch magnetische Diffusion.
• Es war bereits vorgeschlagen worden (siehe den Aufsatz IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 24, Nº 2, März 1988), im Fall einer Verwendung im langsam veränderbaren Betrieb dem Kupfer der äußeren Schicht 4 zwischen 0,1 und 4% Mangan zuzufügen, um die Naheffekte auf die aus Fäden von einigen Mikrometer bestehenden Adern zu reduzieren, deren Abstand etwa ein Mikrometer betrug. In diesem Fall muß der Gehalt an Mangan in Grenzen bleiben, da dies den spezifischen Widerstand erhöht, was der Stabilität abträglich ist.
• Bei Adern, die für industrielle Frequenzen bestimmt sind, wird die Stabilität erhalten durch die stark verkleinerte Größe der supraleitenden Fäden und der Ader; es wird eine hoher spezifischer Widerstand der äußeren Trennschicht 4 gesucht. Sehr viel höhere Gehalte an Mangan oder einem Material mit vergleichbaren Eigenschaften sind dann günstig, sowohl zur Erhöhung des Widerstands als auch zur Reduzierung der Naheffekte.
• Die Figuren 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem von einem Ausgangsbarren 1 ausgegangen wird, der eine supraleitende Seele 2 aus Niobium-Titan umgeben von einer ersten Schicht 3 aus stabilem Austenitstahl enthält, der keiner martensitischen Transformation beim Nachwalzen während der Ziehens unterworfen ist. Man verwendet zum Beispiel die folgende Legierung: Fe - 30% Ni - 20% Cr - C-N.
• Man erhält so eine gute Duktibilität und die Abwesenheit von ferromagnetischen Verlusten. Der spezifische Widerstand ist hoch. Versuche haben außerdem gezeigt, daß ein solches Material eine ausgezeichnete Diffusionsbarriere bildete. Das Ganze wird mit einer zweiten Schicht 4 aus Kupfer-Nickel umgeben.
• Das Verhältnis zwischen Außendurchmesser e des Barrens 1 und dem Durchmesser i der Seele 2 beträgt etwa 1,5 und das Verhältnis zwischen der Dicke ep der Schicht 3 und dem Durchmesser i beträgt etwa 0,05.
• Figur 4 zeigt einen partiellen Querschnitt durch die fertiggestellte Ader mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 0,4 mm, bei der die Fäden 5 einen Durchmesser f zwischen 50 und 150 Nanometern aufweisen. Der Abstand e zwischen den Fäden 5 liegt zwischen 30 und 100 Nanometern und verteilt sich auf die Schicht aus Kupfer-Nickel 8 und den Austenitstahl 9 einer Dicke ep in der Größenordnung von 5 Nanometern.
• Natürlich ist die Erfindung nicht auf die soeben beschriebenen Beispiele beschränkt.

Claims (3)

1. Vielfädige supraleitende Ader für industrielle Frequenzen, die in n aufeinanderfolgenden Stufen der Extrusion, des Drahtziehens und des Zusammenbaus ausgehend von einem Ausgangsbarren aus Niobium-Titan umgeben von einer Diffusions-Barriereschicht aus Niobium und dann einer Matrix aus einer Kupfer- Nickellegierung hergestellt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß sie 5 10&sup5; bis 5 10&sup6; Fäden enthält, die je aufweisen:

- eine leitende Seele aus Niobium-Titan mit einem Durchmesser von zwischen fünfzig und einhundertfünfzig Nanometern,

- die Diffusions-Barriereschicht aus Niobium,

und daß die Matrix aus einer Kupfer-Nickellegierung ist, die mehr als 8% Mangan enthält, wobei der die Fäden voneinander trennende Abstand zwischen dreißig und einhundert Nanometern beträgt.

2. Supraleitende Ader nach Anspruch 1, bei der die Kupferlegierung etwa 12% Mangan und 2% Nickel enthält.

3. Vielfädige supraleitende Ader für industrielle Frequenzen, die in n aufeinanderfolgenden Stufen der Extrusion, des Drahtziehens und des Zusammenbaus ausgehend von einem Ausgangsbarren aus Niobium-Titan umgeben von einer Diffusions-Barriereschicht und dann einer Matrix aus einer Kupfer-Nickellegierung hergestellt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß sie 5 10&sup5; bis 5 10&sup6; Fäden enthält, die je aufweisen:

- eine leitende Seele aus Niobium-Titan mit einem Durchmesser von zwischen fünfzig und einhundertfünfzig Nanometern,

- eine Diffusions-Barriereschicht aus Austenitstahl der Art Fe - 30% Ni - 20% Cr-C-N,

wobei der die Fäden voneinander trennende Abstand zwischen dreißig und einhundert Nanometern beträgt.