<Desc/Clms Page number 1>
Supraleitende Legierung
Die Erfindung betrifft eine supraleitende Legierung, die sich insbesondere für supraleitende Magnetwicklungen eignet.
Die Erscheinung der Supraleitfähigkeit ist zwar schon vor etwa 50 Jahren entdeckt worden, doch sind seither hinsichtlich der praktischen Auswertung dieser Erscheinung nur geringe Fortschritte erzielt worden, obwohl sofort erkannt worden ist, dass die Supraleitfähigkeit beispielsweise für die Entwicklung von verlustfreien Leitungssystemen und verlustfreien Magnetbauteilen von grösster Bedeutung ist. Die praktische Auswertung der Supraleitfähigkeit hat sich zuerst mindestens zum Teil infolge der Schwierigkeiten verzögert, die es bereitet, das supraleitende Material auf einer Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur (die im allgemeinen nicht über 10 oder 11 Kelvin liegt) zu halten, doch sind diese Schwierigkeiten nunmehr durch die neuere Entwicklung der Kältetechnik weitgehend behoben worden.
Die vermutlich grösste Schwierigkeit hinsichtlich der praktischen Anwendung supraleitender Bauteile liegt in den besonderen Eigenschaften der verwendbaren supraleitenden Materialien. Es ist schon frühzeitig erkannt worden, dass der supraleitende Zustand bei einem kritischen Maximalwert der wirksamen magnetischen Feldstärke verlorengeht, unabhängig davon, ob das magnetische Feld von dem den Supraleiter durchsetzenden Strom selbst erzeugt wird oder aber von aussen her angelegt wird. Dieser Feldstärkewert, der gewöhnlich mit Hc (kritische Feldstärke) bezeichnet wird, nimmt bei wachsendem Strom im Supraleiter ab und steigt bei abnehmender Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur.
Sie liegt für die meisten bisher bekannten und untersuchten supraleitenden Materialien, ob sie in elementarer Form vorliegen oder in Form einer Legierung, im Bereich von 2 bis 4 Kilogauss oder darunter. Der Maximalwert von He hat natürlich ein absolutes Maximum der magnetischen Feldstärke zur Folge, die mit einem vorgegebenen supraleitenden Material, unabhängig von seiner jeweiligen Gestalt, erzielt werden kann.
Vor kurzem wurde nun entdeckt, dass Ho four das Legierungssystem Molybdän-Rhenium Werte bis zu 15 Kilogauss und mehr annimmt, und diese Entdeckung hat eine Wiederbelebung des Interesses an der praktischen Auswertung der Supraleitfähigkeit mit sich gebracht. Insbesondere ist im vergangenen Jahr ein supraleitendes Solenoid mit mehreren Windungen aus einer Molybdän-Rhenium-Legierung in einem magnetischen Feld von mehr als 15 Kilogauss betrieben worden (vgl. "Journal of Applied Physics", Band 32, Seiten 325/326).
Vom fertigungstechnischen Standpunkt ist die Legierung Molybdän-Rhenium ein ideales Material.
Es bildet eine fast vollkommene feste Lösung, ist im gegossenen Zustand weitgehend spannungsfrei und ferner so duktil, dass es durch übliche metallurgische Kaltbearbeitung leicht in die Form von Drähten oder in eine andere Form gebracht werden kann. Es hat sich gezeigt, dass diese Kaltbearbeitung überdies insofern vorteilhaft ist, als sie die Strombelastbarkeit des Materials verbessert. So bedeutsam aber auch der erwähnte Solenoidversuch vom theoretischen Standpunkt aus war, steht nichtsdestoweniger fest, dass Feldstärken mit dem angegebenen Wert schon in normalleitenden Solenoiden ohne übermässige Wärmeverluste erzeugt werden können.
Das Bedürfnis nach supraleitenden Magnetbauteilen, die befähigt sind, Feldstärken in der Grössenordnung von 50 Kilogauss und mehr zu liefern, wo die Vermeidung der Wärmeverlustleistung bei normaler Solenoidausführung schwierig wird, ist aber unbefriedigt geblieben.
In neuester Zeit ist entdeckt worden, dass die supraleitende Verbindung Nb3Sn befähigt ist, Feldstärken in der Grössenordnung von 88 Kilogauss und mehr standzuhalten. Da dieses Material äusserst spröde ist und nicht ohne weiteres den üblichen metallurgischen Verfahren zur Querschnittsverminderung unterworfen werden kann, musste erst ein besonderes Verfahren zur befriedigenden Herstellung drahtförmiger Körper aus diesem Material entwickelt werden.
Nach diesem Verfahren wird ein Rohrstück mit elementaren Pulvern aus Niobium und Zinn gefüllt und sodann samt seinem Inhalt zwecks Querschnittsverminderung einer Kaltbearbeitung unterworfen und in die gewünschte Gestalt gebracht, worauf schliesslich eine Wärmebehandlung erfolgt, die zu einer Reaktion der angegebenen Elemente und zur Herstellung der Verbindung NbaSn führt (vgl. "Physical Review Letters" Band 6, Seiten 89-91). Diese Verfahrensentwicklung ist allgemein als wichtiger Beitrag auf dem Gebiet der Technik der Supraleiter anerkannt worden und danach hergestellte Supraleiter werden zweifelslos schon in nächster Zukunft weitgehend angewandt werden.
<Desc/Clms Page number 2>
So wertvoll auch die erläuterte Technik hinsichtlich der Verbindung Nb3Sn ist, bleibt doch die Tat- sache bestehen, dass das erforderliche, relativ komplizierte Herstellungsverfahren zumindest in bestimmten
Anwendungsfällen, nur solange gerechtfertigt ist, als ein duktiles Material ähnlicher Brauchbarkeit nicht vorliegt.
Es wurde nun gefunden, dass die Legierungen auf der Basis Molybdän-Technetium nicht nur viele der ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften der Legierungen auf der Basis Molybdän-Rhenium, sondern darüber hinaus auch noch wesentlich höhere Werte von He aufweisen, die zuweilen den Hc-Wert des spröden Materials Nb3Sn erreichen. Die Sprungtemperatur einiger Legierungen des angegebenen Systems liegt dabei über dem Maximalwert der für das System Molybdän-Rhenium beobachtet worden ist.
Die weitere Erläuterung der Erfindung wird durch eine Bezugnahme auf die Zeichnung erleichtert, in der Fig. 1 eine zum Teil geschnittene Ansicht eines Magnetbauteiles darstellt, der die Form eines ring- förmigen Kryostaten hat und gemäss der Erfindung eine Vielzahl von Windungen einer Legierung auf der
Basis Molybdän-Technetium aufweist, während Fig. 2 in Diagrammform die Abhängigkeit der in K auf der Ordinatenachse aufgetragenen Sprungtemperatur von der auf der Abszissenachse in Atomprozenten angegebenen Zusammensetzung der Legierung Molybdän-Technetium darstellt.
Der für die Erfindung wesentliche Komponentenbereich der Legierung Molybdän-Technetium wird durch die Zusammensetzungen 5% Mo-95% Tc und 75% Mo-25% Tc begrenzt, wobei sich die Zahlenwerte auf Atomprozente beziehen. Soweit im folgenden auf ein Material des Mo-Tc-Systems oder noch kürzer auf ein Mo-Tc-Material Bezug genommen wird, ist darunter eine Legierungszusammensetzung gemeint, die innerhalb des vorstehend angegebenen Bereiches liegt. In Übereinstimmung mit der in der Praxis angewendeten Bezeichnungsweise soll Tc, sofern nicht ausdrücklich anderes angegeben wird, die
Sprungtemperatur bedeuten, die bei der Feldstärke Null und bei der Stromstärke Null gemessen wird.
Analog sollen sich die Werte He auf Messungen bei der Stromstärke Null beziehen. Die Verfahren zur Ermittlung der Kenngrössen des supraleitenden Materials werden nur kurz geschildert, weil sie dem Fachmann an sich bekannt sind. Eine genauere Behandlung dieser Verfahren findet sich in dem Buch "Superconductivity" von D. Shoenberg, Cambridge, 1950.
In Fig. 1 ist ein ringförmiger Kryostat 1 mit einem Aussendurchmesser von 45, 72 cm, einem Innendurchmesser von 15, 24 cm und einer Länge von 76, 2 cm dargestellt, der mit flüssigem Helium gefüllt ist und je cm Länge 2000 Windungen aus Mo-Tc-Draht 2 aufweist. Aus der Wicklung sind die Anschlussleitungen 5 und 6 herausgeführt. Der Kryostat kann an eine (nicht dargestellte) Pumpe angeschlossen werden, so dass eine Temperaturänderung entsprechend dem Siedepunkt (z. B. von Helium) bei den verschiedenen Drücken möglich ist.
Der dargestellte Magnetbauteil kann unter Anwendung von Mo-Tc-Material in bekannter Weise verschiedenartig abgewandelt werden. Beispielsweise können aufeinanderfolgende Wicklungslagen parallel geschaltet werden, so dass einzelne Windungen bei Feldstärkewerten arbeiten, die näher dem charakteristischen Wert He des Materials liegen. Wie bei andern supraleitenden Bauteilen kann es auch hier empfehlenswert sein, die aufeinanderfolgenden Windungen durch dünne Überzüge aus einem duktilen Material, wie Gold, Silber oder Kupfer, voneinander zu trennen ; diese Überzüge können gemeinsam mit dem eigentlichen Mo-Tc-Körper durch Ziehen hergestellt werden (vgl. "Journal of Applied Physics", Band 32, Seiten 325/6).
Das Diagramm nach Fig. 2 wurde unter Anwendung normaler Flussanschlussmethoden mit Hilfe eines ballistischen Galvanometers gewonnen, das an zwei Sekundärspulen angeschlossen war, die elektrisch gegensinnig in Serie geschaltet waren und beide innerhalb von Primärspulen lagen.
Nach diesem Messverfahren wird der Probekörper in eine der Sekundärspulen eingebracht und die Primärspulen werden mit Hilfe eines Schliess- und Trennkontakte enthaltenden Kreises mit Impulsen von beispielsweise 6 Volt und 10 Milliamperes beaufschlagt. Eine der Primärspulen, die einen Luftkern oder einen nicht supraleitenden Kern aufweist, induziert infolge der veränderlichen Flussdurchsetzung sekundär eine zeitlich veränderliche Spannung.
Die das supraleitende Material enthaltende Primärspule induziert keine drartige Spannung, weil der Fluss durch den Supraleiter ausgeschlossen wird. Wenn die Probe, die in eine der Sekundärwicklungen eingeführt wird, supraleitend ist, wird daher ein in bestimmter Richtung von Null abweichender Zeigerausschlag am Galvanometer erhalten.
Es wurde ein Galvanometer verwendet, welches innerhalb einer Zeitspanne von ungefähr einer Sekunde, also innerhalb eines Zeitintervalls, das angemessen ist, um eine vollständige Durchdringung des nicht supraleitenden Materials in der einen Sekundärwicklung sicherzustellen, integrierend wirkte. Es wurden Messungen an 12 Proben bei steigender Temperatur durchgeführt, bis sich schliesslich der Zeigerausschlag Null ergab, der eine vollständige Flussdurchsetzung des untersuchten Materials und damit den Zusammenbruch des supraleitenden Zustandes anzeigten.
Aus Fig. 2 ist erkennbar, dass Legierungen auf der Basis Mo-Tc Sprungtemperaturen aufweisen, die oberhalb jener der Elemente Tc (etwa 9, 30 K) und Mo (hypothetisch etwa-13 K für kubisches Material, welche Temperatur in der Natur nicht existiert) liegt. Der weite Bereich von 5% Mo-95% Tc bis 75% Mo-25% Tc, also zwischen den Grenzwerten der erfindungsgemässen Zusammensetzung des Systems Mo-Tc, ist im Hinblick auf die Sprungtemperaturen innerhalb dieses Bereiches gerechtfertigt.
Der bevorzugte Bereich der Zusammensetzung liegt zwischen 7% Mo-93% Tc und 67, 5% Mo-32, 5% Tc, entsprechend oberen und unteren Grenzzusammensetzungen, die gemäss Fig. 2 eine Sprungtemperatur
<Desc/Clms Page number 3>
von 12 K ergeben. Ein noch günstigerer Bereich liegt zwischen 40% Mo--60% Tc und 67, 5% Mo bis 32, 5% Tc, alles ausgedrückt in Atomprozenten. Der Grenzwert von 40% Mo geht auf die Beobachtung
EMI3.1
Rhenium beobachtet worden ist. Obwohl an sich auch Materialien der Sigma-Phase brauchbar sind, sind die Eigenschaften dieser Materialien doch so, dass sie nicht ohne weiteres dem gewöhnlichen metallurgischen Verfahren unterworfen werden können.
Von grösserer Bedeutung ist jedoch die Tatsache, dass diese Materialien befähigt sind, Feldstärken von wenigstens 84 Kilogauss, gemessen am gesamten Probekörper, standzuhalten. Die tatsächlichen Werte von He, die in dem relativ kleinen Bruchteil des Materials auftreten, das letztlich supraleitend ist, sind natürlich noch höher. Der Wert Hc wird durch die mechanische Kaltbearbeitung, die zur Querschnittsreduktion um etwa 90% und mehr erforderlich ist, zweifach erhöht ; diese Reduktion ist gegeben durch die Beziehung :
EMI3.2
EMI3.3
Materialien angegebenen Werte der Sprungtemperatur Tc unter bestimmten Voraussetzungen, ähnlich wie bei andern supraleitenden Systemen, wie beispielsweise dem System Mo-Re, noch weiterhin erhöht werden können.
Die Werte He für das Probematerial sind in üblicher Weise auf Grund von Messungen der Wärmekapazität errechnet worden. Die Beziehung zwischen der Wärmekapazität und Hc lautet wie folgt :
EMI3.4
worin AC die Änderung der spezifischen Wärme, Cs die spezifische Wärme im supraleitenden Zustand, Cn die spezifische Wärme im Normalzustand, V das Volumen, T die absolute Temperatur und He die kritische Feldstärke bedeuten (alle Grössen im CGS-System).
EMI3.5
Temperatur und Tc die Sprungtemperatur bedeuten (alle Grössen, im CGS-System).
Selbstverständlich weichen die Eigenschaften des Materials nach erfolgter Kaltbearbeitung von jenen eines "weichen" Supraleiters (bei dem der Strom ausschliesslich in einer dünnen Schale fliesst, deren Dicke gleich der Eindringtiefe ist) ab und nähern sich jenen eines "harten" Supraleiters (bei dem der Strom weitgehend fadenförmig verläuft). Die Anzahl der Stromfäden je Einheit der Querschnittsfläche ist bei gegebenem mechanischen Bearbeitungsgrad unabhängig vom jeweiligen Querschnitt reproduzierbar.
Die mechanische Bearbeitung hat natürlich zur Folge, dass ein grösserer Anteil des Gesamtmaterials supraleitend wird, so dass Messungen, die an solchen Proben gemacht werden, höhere Werte von Hc ergeben als vorstehend angeführt worden ist.
Die Verfahren zur Messung der Wärmekapazität bzw. der Änderung der Wärmekapazität sind zwar an sich bekannt, sollen jedoch kurz erläutert werden.
Der Probekörper wird thermisch isoliert, worauf ihm eine bekannte Wärmemenge zugeführt wird, wobei der Temperaturanstieg beobachtet wird. Hieraus kann direkt die spezifische Wärme ermittelt werden, die bei der Sprungtemperatur eine deutliche Anomalie zeigt, woran der Übergang der Hauptmasse in den supraleitenden Zustand erkennbar ist.
Da Legierungen des Mo-Tc-Systems derzeit nicht ohne weiteres verfügbar sind, soll hier noch kurz das für die Herstellung der Probekörper angewendete Verfahren geschildert werden. Dieses Verfahren eignet sich zwar vor allem für die Herstellung relativ kleiner Probekörper, doch ergeben sich dem Fachmann ohne weiteres jene Variationen, die zweckmässig sind, um grössere Materialmengen zu gewinnen.
Die gewünschten Mengen der elementaren Stoffe werden abgewogen und sodann in einem Lichtbogenschmelzofen geschmolzen. Die verwendete Apparatur umfasst einen wassergekühlten Kupfertiegel mit einem halbkugeligen Hohlraum von 1, 9 cm Durchmesser. Der Hohlraum wirkt samt seinem Inhalt als die eine Elektrode. Eine zweite Elektrode, die ebenfalls wassergekühlt ist und beispielsweise aus Wolfram besteht, wird in geeignetem Abstand (z. B. 0, 64 cm) von der Oberfläche des Hohlrauminhaltes angeordnet, und sodann wird mit Hilfe eines Hochfrequenzstromes (z. B. 0, 5 MHz oder mehr) ein Bogen gezündet und zugleich eine hinreichend hohe Gleichspannung angelegt, um das Schmelzen zu bewirken.
Bei einer Gesamtcharge von 10 g ergab sich mit einer Spannung von 40 V und einem Elektrodenabstand von 0, 46 cm ein Strom von 300 A, der ausreichte, um die Charge in 10-15 Sekunden zu schmelzen. Da ein Schmelzen
<Desc/Clms Page number 4>
an der Zwischenfläche zwischen dem Tiegelinhalt und dem wassergekühlten Tiegel verhindert wird, kann eine homogene Masse nur durch Rühren des Tiegelinhaltes und mehrfache Wiederholung des geschilderten Vorganges erreicht werden. Bei den hier berichteten Versuchen sind 5-6 solcher Wiederholungen angewendet und als ausreichend befunden worden.
Die Erfindung ist vorstehend notwendigerweise an einer begrenzten Anzahl von Ausführungsbeispielen erläutert worden. Diese Ausführungsbeispiele lassen, wie der Fachmann ohne weiteres erkennt, verschiedene Abwandlungen zu. Obwohl beispielsweise in der Beschreibung hauptsächlich auf drahtförmige Bauteile für Magnete verwiesen worden ist, können natürlich auch verschiedene andere Magnetbauteile sowie auch andere Einrichtungen angefertigt werden, bei denen die ausgezeichnete Strombelastbarkeit des erfindunggemässen Materials und bzw. oder seine ausgezeichneten He-Werte ausgenützt werden. Ferner hat sich die Beschreibung auf reine Systeme von Mo-Tc bezogen, doch können mit Vorteil noch kleinere Mengen anderer Legierungsmaterialien zugesetzt werden, um gewünschte Änderungen der Materialeigenschaften zu erreichen, wie beispielsweise Materialien des Mo-Re-Systems.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Supraleitende Legierung, insbesondere für supraleitende Magnetwicklungen, dadurch gekennzeichnet, dass sie im wesentlichen aus 5-75 Atom% Molybdän und 95-25 Atom% Technetium besteht.