Bandförmiger Leiter aus elektrisch normalleitendem Metall und darin eingelagerten Supraleitern Die Erfindung betrifft einen bandförmigen Leiter aus elektrisch normalleitendem Metall und darin einge lagerten Supraleitern. Für den Bau von Supraleitungs- spulen, insbesondere von supraleitenden Grossmagne- ten, haben sich sogenannte stabilisierte Leiter, die aus supraleitenden und bei der Betriebstemperatur der Spule gut elektrisch leitenden normalleitenden Metallen zu sammengesetzt sind, als vorteilhaft erwiesen. Um eine gute elektrische Stabilität der Spule zu erreichen, d. h.
insbesondere um einen Übergang des gesamten Supra- leitermaterials in der Spulenwicklung vom supraleiten- den in den elektrisch normalleitenden Zustand bei kurz zeitiger Stromüberlastung zu vermeiden, sollen dabei Querschnitt und Tieftemperaturleitfähigkeit des normal leitenden Metalls so bemessen werden,
dass der zusam mengesetzte Leiter bei guter Kühlung in der Spule keine wesentliche Stromdegradation aufweist und dass beim Übergang des Supraleiters in den kritischen Zustand durch Überschreiten des kritischen Stromes der den Supraleiter durchfliessende Strom ganz oder teilweise von dem normalleitenden Metall übernommen wer den kann, so dass der Übergang des Supraleiters vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand konti nuierlich und reversibel erfolgt und durch eine gering fügige Verkleinerung des Stromes der supraleitende Zu stand wieder hergestellt werden kann.
Es ist bereits ein aus supraleitendem und normal leitendem Metall zusammengesetzter Leiter bekannt, bei dem mehrere parallel zueinander verlaufende Niob- Zirkon-Drähte in ein Kupferband eingelagert sind. Bei der Einlagerung der supraleitenden Drähte in das Kup ferband, die durch Einwalzen erfolgen kann, ist es je doch schwierig, zwischen den Supraleitern und dem normalleitenden Metall einen guten Kontakt mit mög lichst kleinem Übergangswiderstand herzustellen.
Ein niedriger Übergangswiderstand ist jedoch sehr erwünscht, um einen reversiblen Stromübergang zwischen Supralei ter und Normalleiter zu ermöglichen. Ausserdem besteht beim Einwalzen von supraleitenden Drähten in Kupfer- bänder die grosse Gefahr, dass das Kupfer eine stärkere Längsdehnung erleidet als das mechanisch härtere Su- praleitermaterial und dass das Kupfer ferner durch die Verformung beim Walzen eine Walztextur erhält.
Durch eine solche Textur wird der Restwiderstand des Kupfers bei tiefen Temperaturen heraufgesetzt, was eine Ver minderung der elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers und somit eine Verschlechterung der Stabilisierungswir kung zur Folge hat.
Ferner ist ein bandförmiger, aus Supraleitermate- rial und elektrisch normalleitendem Metall bestehender Leiter bekannt, bei dem mehrere supraleitende Drähte durch Strangpressen gleichzeitig mit dem normalleiten den Metall umgeben werden. Bei diesen Leitern macht jedoch die Herstellung grosser Längen noch gewisse Schwierigkeiten, da der Strang aus dem normalleitenden Metall beim Strangpressen gelegentlich abreisst.
Ferner ist ein Leiter bekannt, der aus einem einzi gen Band aus elektrisch normalleitendem Metall be steht, an dessen Oberfläche Längsnuten vorgesehen sind. In diese Längsnuten sind mehrere supraleitende, mit elektrisch normalleitenden Überzügen versehene Drähte eingelegt und durch Umlegen der Nutenränder festgehal ten. Zur Herstellung des elektrischen Kontaktes zwi schen dem normalleitenden Band und den supraleiten- den Drähten wird dieser Leiter getempert, so dass das Metall des normalleitenden Bandes und das Metall der normalleitenden Überzüge der Drähte ineinander dif fundieren.
Dieser Leiter hat den Nachteil, dass die zum Tempern nötige Temperatur verhältnismässig hoch ist, d. h. in der Regel über 400 C liegt. Bei diesen hohen Temperaturen können die Supraleitungseigenschaften der Supraleiter beeinträchtigt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen in einfacher Weise aufgebauten bandförmigen Leiter anzu geben, bei dem die genannten Nachteile vermieden sind und der insbesondere ohne Störungen in grossen Längen herstellbar ist. Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, dass wenigstens ein mit einem Überzug aus elektrisch normalleitendem Metall versehener Supraleiter zwischen zwei mit Längs nuten zur Aufnahme des Supraleiters versehene Bänder aus normalleitendem Metall gelegt ist und dass beide Bänder miteinander und mit dem Supraleiter mittels eines zwischen den Bändern befindlichen,
niedrigschmel- zenden Lotmetalles verlötet sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des band förmigen Leiters sind mehrere parallel zueinander ver laufende Supraleiter zwischen die mit einer entsprechen den Anzahl von Nuten versehenen Bänder aus normal leitendem Metall eingelegt. Dies hat den Vorteil, dass bei einer zeitweilig ,en Stromüberlastung eines Supralei ters ein Teil des Stromes über das normalleitende Me tall auf parallel liegende Supraleiter übergehen kann und dass der Übergangswiderstand zwischen den Supralei tern und dem normalleitenden Metall durch Vergrösse rung der Kontaktfläche verkleinert wird.
Als Supraleiter sind insbesondere drahtförmige Supraleiter vorgesehen. Anstelle von supraleitenden Ein zeldrähten mit grösserem Querschnitt können auch vorteilhaft Litzen als Supraleiter vorgesehen sein, die aus mehreren dünnen, mit Überzügen aus elektrisch normalleitendem Metall versehenen, untereinander ver drillten, supraleitenden Drähten bestehen. Man kann dadurch bei Leitern für hohe Strombelastbarkeit die höhere kritische Stromdichte der dünnen Supraleiter drähte ausnutzen, die diese auf Grund ihrer stärkeren, bei der Drahtherstellung erfahrenen Kaltverformung ge genüber dickeren Drähten besitzen.
Dies ist insbesonde re bei Hochfeldsupraleitern aus supraleitenden Legie rungen der Fall.
Da in den Wicklungen der Supraleitungsspulen, für die der bandförmige Leiter insbesondere geeignet ist, gegebenenfalls sehr grosse mechanische Kräfte auftre ten können, kann es ferner vorteilhaft sein, den band förmigen Leiter derart aufzubauen, dass zusätzlich zu den Supraleitern ein oder mehrere Drähte aus einem mechanisch hochfesten Material zwischen die mit ent sprechenden Nuten versehenen Bänder aus elektrisch normalleitendem Metall eingelegt und gegebenenfalls mit diesen verlötet sind. Durch die Drähte aus mechanisch hochfestem Material wird die mechanische Festigkeit des bandförmigen Leiters wesentlich erhöht.
Die elektrisch normalleitenden Bänder des band förmigen Leiters können aus allen elektrisch gut leiten den, lötbaren Metallen bestehen, vorzugsweise sind Bän der aus Kupfer, insbesondere aus Kupfer hoher Rein heit vorgesehen.
Als Supraleiter sind für den bandförmigen Leiter insbesondere Hochfeldsupraleiter aus einer der supralei- tenden Legierungen Niob-Zirkon oder Niob-Titan ge eignet. Dabei kommen insbesondere die Legierungen Niob-Zirkon mit einem Zirkongehalt von 25 bis 50 Gew. ()/o und Niob-Titan mit einem Titangehalt zwischen 40 und 70 Gew.-11/o in Frage.
Die normalleitenden Über züge dieser Leiter können insbesondere aus einem der Metalle Kupfer, Silber oder Gold bestehen. Kupfer wird jedoch im allgemeinen bevorzugt.
Um den elektrischen Übergangswiderstand zwischen den normalleitenden Überzügen der Supraleiter und den normalleitenden Bändern möglichst klein zu halten und das Band beim Verlöten nicht unnötig zu erwärmen, ist als Lotmetall vorzugsweise elektrisch gut leitendes Me tall mit einem Schmelzpunkt von weniger als 400 C vorgesehen. Insbesondere kommen als Lotmetalle die Metalle Zinn, Indium oder Blei oder geeignete Legie rungen aus Zinn und Silber, aus Zinn und Indium oder aus Zinn und Blei in Frage.
Beispielsweise eignet sich eine Legierung aus Zinn und etwa 6 Gew.-% Silber mit einem Schmelzpunkt von etwa 250 C oder eine Legie- rung aus Zinn und 3,
5 Gew.-% Silber mit einem Schmelzpunkt von etwa 220 C oder eine Legierung aus Zinn mit 48 Gew.-% Blei mit einem ähnlich niedri- gen Schmelzpunkt.
Falls beim bandförmigen Leiter Drähte aus hochfe stem Material vorgesehen sind, so bestehen diese vor zugsweise aus Edelstahl. Sollen diese Drähte mit den normalleitenden Bändern verlötet werden, so versieht man sie vorteilhaft mit einem Kupferüberzug.
Der Leiter zeichnet sich durch zahlreiche Vorteile aus. So sind durch das Verlöten äusserst geringe Über gangswiderstände zwischen den Normalmetallüberzügen der Supraleiter und den elektrisch normalleitenden Bän dern zu erreichen, so dass die normalleitenden Bänder in hervorragender Weise elektrisch stabilisierend wirken. Ferner liegen die Supraleiter in der Mittelebene des fer tigen Bandes, d. h. in der neutralen Faser, so dass sie beim Wickeln einer Spule aus dem bandförmigen Leiter nur äusserst geringen Biegebeanspruchungen ausgesetzt sind. Vor dem Zusammenfügen des bandförmigen Leiters können die einzelnen Elemente voneinander un abhängigen Bearbeitungsschritten unterzogen werden.
Insbesondere können die normalleitenden Bänder span los verformt und somit ohne Materialverlust mit den zur Aufnahme der Supraleiter erforderlichen Nuten versehen werden. Vor dem Zusammenfügen des band förmigen Leiters können die mit Nuten versehenen nor malleitenden Bänder ferner nochmals geglüht werden, so dass die beim Einbringen der Nuten auftretenden Walztexturen ausgeheilt werden und der Restwider stand des normalleitenden Materials herabgesetzt wird. Bei Kupferbändern erfolgt dieses Weichglühen etwa bei Temperaturen zwischen 200 und 500 C, vorzugs weise zwischen 300 und 350 C, dauert etwa 1 Stunde lang und wird unter Vakuum oder Schutzgas vorge nommen. Anschliessend lässt man die normalleitenden Bänder langsam abkühlen.
Da die Supraleiter bei diesem Weichglühen noch nicht in die normalleitenden Bänder eingelegt sind, können die Supraleitungseigenschaften der Supraleiter durch das Glühen nicht nachteilig be einflusst werden. Die Fertigung des bandförmigen Lei ters ist verhältnismässig einfach, so dass grosse Län gen inmierhalb von kurzer Zeit hergestellt werden kön nen.
Anhand einiger Figuren und Beispiele soll die Er findung noch näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen bandförmigen Leiter gemäss der Erfindung mit mehreren drahtförmigen Supraleitern.
Fig.2 zeigt die Strombelastbarkeit eines Leiters nach Fig. 1 in Abhängigkeit von einem äusseren Ma gnetfeld.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen bandförmigen Leiter gemäss der Erfindung mit mehreren litzenförmigen Supraleitern. Fig.4 zeigt die Strombelastbarkeit des bandförmi gen Leiters gemäss Fig. 3 in Abhängigkeit von einem äusseren Magnetfeld.
Fig. 5 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen bandförmigen Leiter gemäss der Erfindung, der zusätzlich zu den Supraleitern Drähte aus mechanisch hochfestem Material enthält.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Leiter sind sechs supraleitende Drähte 1 aus einer Legierung von 35 Gew.-% Niob und 65 Gew.-% Titan, die mit metallur- gisch aufgebrachten Kupferüberzügen 2 versehen sind, zwischen zwei mit entsprechenden Längsnuten versehe- nen Kupferbänder 3 und 4 eingelegt.
Die Kupferbänder sind untereinander und mit den eingelegten Supralei tern mittels eines Lotmetalles 5 verlötet. Das Lotmetall besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einer Le- gierung von 96,5 Gew.-% Zinn und 3, Gew.-% Silber und besitzt einen Schmelzpunkt von 220 C. Die draht- förmigen Supraleiter haben einschliesslich des Kupfer überzuges einen Gesamtdurchmesser von 0,91 mm.
Der gesamte bandförmige Leiter ist bei gleicher Stärke der beiden Kupferbänder 1,6 mm stark und 10 mm breit. Die Nuten in beiden Kupferbändern sind jeweils gleich tief, so dass die Supraleiter in der Mittelebene des bandförmigen Leiters liegen.
Fig. 2 stellt das Verhalten des bandförmigen Leiters nach Fig. 1 bei Strombelastung in einem äusseren Ma gnetfeld dar. Der Strom I ist an der Ordinate in Ampere, das äussere Magnetfeld H an der Abszisse in Kiloörsted aufgetragen.
Bei der Messung war die eine Breitseite des bandförmigen Leiers nach Fig. 1 mit einem Kunststoff- band abgedeckt, so dass nur 50% der Oberfläche des bandförmigen Leiters in direktem Wärmeaustausch mit dem als Kühlmittel verwendeten flüssigen Helium stan den. Das äussere Magnetfeld war senkrecht zu den Supraleitern 1 und parallel zur Breitseite des bandförmi gen Leiters gerichtet.
Die Kurve IC in Fig. 2 gibt den sogenannten kritischen Strom des Leiters an. Erhöht man in einem vorgegebenen Magnetfeld die Strombe lastung des bandförmigen Leiters, so beginnt bei die sem kritischen Strom ein Teil des die Supraleiter durch- fliessenden Stromes in die normalleitenden Bänder über zugehen. Setzt man die Strombelastung des bandför migen Leiters etwas herab, so tritt der Strom reversibel wieder in die Supraleiter ein. Die Kurve IR gibt für das jeweilige äussere Magnetfeld die Stromstärke an, bei der der gesamte Strom wieder in den Supraleitern fliesst.
So beginnt beispielsweise in einem Magnetfeld von 45 Kiloörsted bei einer Stromstärke von 1350 Ampere der Strom von den Supraleitern in die normalleitenden Bän der überzugehen. Setzt man die Stromstärke auf 1320 Ampere herab, so fliesst der gesamte Strom wiederum in den Supraleitern. Die Kurven in Fig. 2 zeigen deut lich, dass der bandförmige Leiter nach Fig. 1 noch in Magnetfeldern von 50 Kiloörsted mit Stromstärken von 1100 A betrieben werden kann. Bei der Messung wurde der Strom dem bandförmigen Leiter über Kupferklemm- backen zugeführt, zwischen die der Leiter eingeklemmt war.
Eine genauere Untersuchung ergab, dass der Strom dabei bereits unter diesen Kupferklemmbacken voll ständig aus den normalleitenden Bändern in die supra- leitenden Drähte eintrat. Der übergangswiderstand zwi schen den Kupferbändern des bandförmigen Leiters und den Supraleitern ist somit verschwindend klein. Bei dem bandförmigen Leiter nach Fig. 3 sind acht Litzen 11, die jeweils aus drei mit einem Kupferüberzug 12 versehenen supraleitenden Drähten 13 bestehen, zwi schen zwei mit entsprechenden Längsnuten versehene Kupferbänder 14 und 15 eingelegt.
Die einzelnen supra- leitenden Drähte 13, die wiederum aus einer Legierung von 35 Gew.-% Niob und 65 Gew.-% Titan bestehen, haben einschliesslich der Kupferumkleidung einen Durchmesser von etwa 0,5 mm. Die wiederum Bleich starken Kupferbänder 14 und 15 sind jeweils 10 mm breit. Der gesamte bandförmige Leiter ist 1,6 mm stark.
Als Lot 16 ist wiederum eine Legierung aus 96,5% Zinn und 3,5% Silber verwendet.
In Fig. 4 ist das Verhalten des Leiters nach Fig. 3 bei Strombelastung in Abhängigkeit von einem äusseren Magnetfeld dargestellt. Die Kurven IC und IR haben die gleiche Bedeutung wie die entsprechenden Kurven in Fig. 2. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass der bandförmige Leiter nach Fig. 3 im wesentlichen höheren Strömen belastbar ist als der bandförmige Leiter nach Fig. 1. So kann der bandförmige Leiter nach Fig. 3 beispiels weise noch in einem äusseren Feld von 65 Kiloörsted mit einem Strom von 1100 A belastet werden.
In Fig. 5 ist ein bandförmiger Leiter dargestellt, bei dem zusätzlich zu vier wiederum mit Kupferüberzügen versehenen Supraleitern 21 zur Erhöhung der mechani schen Festigkeit zwei Edelstahldrähte 22 und 23 zwi schen die mit entsprechenden Längsnuten versehenen Kupferbänder 24 und 25 eingelegt sind. Im übrigen ist der Leiter nach Fig. 5 entsprechend dem Leiter nach Fig. 1 aufgebaut.
Anhand des folgenden Ausführungsbeispieles soll die Herstellung eines bandförmigen Leiters nach Fig. 1 noch näher erläutert werden. Zunächst werden in die Kupferbänder 3 und 4 die zur Aufnahme der draht- förmigen Supraleiter bestimmten Längsnuten beispiels weise mittels einer Kammprofilwalze eingeprägt. Um ein möglichst gleichmässiges Gefüge der Bänder zu erzie len, erfolgt die Walzverformung vorteilhaft in mehreren, beispielsweise in zwei Schritten.
Nach dem ersten Walz- schritt werden die Kupferbänder vorteilhaft zwischen geglüht, dabei können etwa Temperaturen von 200 bis 500 C angewandt werden. Nachdem die Kupferbänder in einem zweiten Walzschritt ihre endgültige Formge bung erfahren haben, werden sie bei Temperaturen zwi schen 200 und 500 C, vorzugsweise zwischen 300 und 350 C etwa 1 Stunde lang unter Vakuum oder Schutzgas weichgeglüht. Nach dem Glühen lässt man die Bänder langsam abkühlen. Durch dieses Weichglü hen wird der elektrische Restwiderstand der Bänder herabgesetzt.
Nach dem Glühen wird beispielsweise durch Bürsten die auf den Bändern entstandene Oxid schicht entfernt und auf die Seiten, mit denen die Bän der aufeinander zu liegen kommen, eine Lotmetall- schicht aufgebracht. Dies kann beispielsweise mit einem sogenannten Schwallverfahren erfolgen, bei dem ein Schwall aus dem geschmolzenen Lotmetall erzeugt wird, über den dann die Bänder hinweggeführt werden. Ge gebenenfalls können die Bänder auch allseitig, beispiels weise durch Eintauchen in flüssiges Lotmetall, mit einer Lotmetallschicht versehen werden.
Zur Vorbereitung der supraleitenden Drähte für die Herstellung des bandförmigen Leiters wird zunächst die auf den Kupferüberzügen 2 befindliche Oxidschicht beispielsweise durch Ätzen entfernt. Anschliessend wer- den die Drähte beispielsweise durch Eintauchen in flüs siges Lotmetall mit einer Lotmetallschicht versehen.
Zur eigentlichen Herstellung des bandförmigen Lei ters werden die beiden normalleitenden Bänder 3 und 4 sowie die Drähte 1 von getrennten Vorratsrollen abge wickelt. Dann werden die Drähte 1 in die Längsnuten des Kupferbandes 4 eingelegt und anschliessend das Kupferband 3 aufgelegt. Der derart zusammengesetzte Leiter wird dann beispielsweise durch auf die Schmelz temperatur des Lotmetalls erhitzte Lötbacken gezogen, durch die er etwas zusammengepresst wird. Der Löt- vorgang verläuft ziemlich schnell, so dass der band förmige Leiter die Lötbacken beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 8 bis 10 cm pro sec. durchlaufen kann.
Der fertige bandförmige Leiter wird dann durch wassergekühlte Kühlbacken gezogen und dabei abge kühlt und anschliessend beispielsweise auf eine Vor ratsrolle aufgewickelt.
Das geschilderte Herstellungsverfahren ist äusserst einfach und erlaubt die kontinuierliche Herstellung sehr grosser Längen des bandförmigen Leiters gemäss der Erfindung in einem Arbeitsgang.