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.
Ribbon-shaped conductor made of normally electrically conductive metal and superconductors embedded therein The invention relates to a ribbon-shaped conductor made from normally electrically conductive metal and superconductors embedded therein. For the construction of superconducting coils, in particular of superconducting large magnets, so-called stabilized conductors, which are composed of superconducting metals that are electrically conductive at the operating temperature of the coil, have proven to be advantageous. In order to achieve good electrical stability of the coil, i.e. H.
in particular in order to avoid a transition of the entire superconductor material in the coil winding from the superconducting to the electrically normally conductive state in the event of brief current overload, the cross-section and low-temperature conductivity of the normally conductive metal should be dimensioned so
that the composite conductor with good cooling in the coil does not have any significant current degradation and that when the superconductor enters the critical state by exceeding the critical current, the current flowing through the superconductor can wholly or partly be taken over by the normally conducting metal, so that the The transition of the superconductor from the superconducting to the normal conducting state takes place continuously and reversibly and the superconducting state can be restored by a slight reduction in the current.
A conductor composed of superconducting and normally conductive metal is already known in which several niobium-zirconium wires running parallel to one another are embedded in a copper strip. When storing the superconducting wires in the Kup ferband, which can be done by rolling, it is ever difficult to make good contact with the lowest possible contact resistance between the superconductors and the normally conductive metal.
However, a low contact resistance is very desirable in order to enable a reversible current transfer between superconductor and normal conductor. In addition, when superconducting wires are rolled into copper strips, there is a great risk that the copper will suffer a greater longitudinal expansion than the mechanically harder superconductor material and that the copper will also acquire a rolled texture due to the deformation during rolling.
Such a texture increases the residual resistance of the copper at low temperatures, which results in a reduction in the electrical conductivity of the copper and thus a deterioration in the stabilization effect.
Furthermore, a band-shaped conductor made of superconductor material and electrically normal conducting metal is known, in which several superconducting wires are surrounded by extrusion at the same time as the normal conducting metal. In the case of these conductors, however, the production of great lengths still causes certain difficulties, since the strand made of the normally conductive metal occasionally tears off during extrusion.
Furthermore, a conductor is known which is made of a single band of normally electrically conductive metal be, on the surface of which longitudinal grooves are provided. Several superconducting wires with normally electrically conductive coatings are inserted into these longitudinal grooves and held in place by folding the edges of the groove. To establish electrical contact between the normally conductive tape and the superconducting wires, this conductor is tempered so that the metal of the normally conductive tape and the metal of the normally conductive coatings of the wires diffuse into one another.
This conductor has the disadvantage that the temperature required for annealing is relatively high, i. H. usually above 400 C. At these high temperatures, the superconducting properties of the superconductors can be impaired.
The object of the present invention is to provide a strip-shaped conductor which is constructed in a simple manner and in which the disadvantages mentioned are avoided and which can in particular be produced in great lengths without interference. This object is achieved in that at least one superconductor provided with a coating of electrically normal conducting metal is placed between two strips of normally conducting metal provided with longitudinal grooves for receiving the superconductor and that both strips are connected to each other and to the superconductor by means of a
low-melting solder metal are soldered.
In a preferred embodiment of the ribbon-shaped conductor, several superconductors running parallel to each other are inserted between the ribbons made of normally conductive metal and provided with a corresponding number of grooves. This has the advantage that in the event of a temporary current overload of a superconductor, part of the current can pass over the normally conducting metal to superconductors lying in parallel and that the contact resistance between the superconductors and the normally conducting metal is reduced by increasing the contact area.
In particular, wire-shaped superconductors are provided as superconductors. Instead of superconducting single wires with a larger cross-section, braids can also advantageously be provided as superconductors, which consist of several thin superconducting wires twisted with one another and provided with coatings of normally electrically conductive metal. This allows the higher critical current density of the thin superconductor wires to be used in the case of conductors for high current-carrying capacity, which they have compared to thicker wires due to their stronger cold deformation experienced in wire production.
This is especially the case with high-field superconductors made of superconducting alloys.
Since in the windings of the superconducting coils, for which the ribbon-shaped conductor is particularly suitable, very large mechanical forces can occur, it can also be advantageous to construct the ribbon-shaped conductor in such a way that, in addition to the superconductors, one or more wires from a mechanical high-strength material is inserted between the strips of electrically normal conducting metal provided with corresponding grooves and optionally soldered to them. The mechanical strength of the strip-shaped conductor is significantly increased by the wires made of mechanically high-strength material.
The electrically normal conductive bands of the band-shaped conductor can consist of all electrically conductive, solderable metals, preferably the bands made of copper, in particular copper of high purity are provided.
High-field superconductors made of one of the superconducting alloys niobium-zirconium or niobium-titanium are particularly suitable as superconductors for the strip-shaped conductor. The alloys niobium-zirconium with a zirconium content of 25 to 50% by weight and niobium-titanium with a titanium content between 40 and 70% by weight are particularly suitable.
The normally conductive over trains of this conductor can in particular consist of one of the metals copper, silver or gold. However, copper is generally preferred.
In order to keep the electrical contact resistance between the normally conductive coatings of the superconductors and the normally conductive tapes as small as possible and not to unnecessarily heat the tape during soldering, the solder metal is preferably electrically conductive metal with a melting point of less than 400 C. In particular, the metals tin, indium or lead or suitable alloys of tin and silver, tin and indium or tin and lead come into consideration as solder metals.
For example, an alloy of tin and about 6% by weight of silver with a melting point of about 250 C or an alloy of tin and 3 is suitable,
5% by weight silver with a melting point of around 220 ° C. or an alloy of tin with 48% by weight lead with a similarly low melting point.
If wires made of hochfe stem material are provided in the ribbon-shaped conductor, these are preferably made of stainless steel. If these wires are to be soldered to the normally conductive strips, they are advantageously provided with a copper coating.
The ladder has numerous advantages. Extremely low transition resistances between the normal metal coatings of the superconductors and the normally conductive bands can be achieved by soldering, so that the normally conductive bands have an excellent electrically stabilizing effect. Furthermore, the superconductors are in the center plane of the finished tape, i.e. H. in the neutral fiber, so that they are only exposed to extremely low bending stresses when winding a coil from the ribbon-shaped conductor. Before the band-shaped conductor is joined together, the individual elements can be subjected to processing steps that are independent of one another.
In particular, the normally conductive strips can be deformed without cutting and thus provided with the grooves required to accommodate the superconductors without loss of material. Before joining the strip-shaped conductor, the normally conductive strips provided with grooves can also be annealed again, so that the rolling textures that occur when the grooves are made are healed and the residual resistance of the normally conductive material is reduced. In the case of copper strips, this soft annealing takes place at temperatures between 200 and 500 C, preferably between 300 and 350 C, takes about 1 hour and is made under vacuum or protective gas. The normally conductive ligaments are then allowed to cool slowly.
Since the superconductors are not yet inserted into the normally conductive strips during this soft annealing, the superconducting properties of the superconductors cannot be adversely affected by the annealing. The production of the ribbon-shaped conductor is relatively simple, so that large lengths can be produced in a short time.
Using some figures and examples, the invention will be explained in more detail.
Fig. 1 shows schematically an embodiment for a ribbon-shaped conductor according to the invention with several wire-shaped superconductors.
FIG. 2 shows the current-carrying capacity of a conductor according to FIG. 1 as a function of an external magnetic field.
Fig. 3 shows schematically an embodiment for a tape-shaped conductor according to the invention with several strand-shaped superconductors. 4 shows the current carrying capacity of the bandförmi gene conductor according to FIG. 3 as a function of an external magnetic field.
Fig. 5 shows schematically an embodiment for a tape-shaped conductor according to the invention, which contains wires made of mechanically high-strength material in addition to the superconductors.
In the conductor shown in FIG. 1, six superconducting wires 1 made of an alloy of 35% by weight niobium and 65% by weight titanium, which are provided with metallurgically applied copper coatings 2, are provided with corresponding longitudinal grooves between two Copper strips 3 and 4 inserted.
The copper strips are soldered to one another and to the inserted superconductors by means of a solder metal 5. In this exemplary embodiment, the solder metal consists of an alloy of 96.5% by weight tin and 3% by weight silver and has a melting point of 220 C. The wire-shaped superconductors, including the copper coating, have a total diameter of 0 , 91 mm.
The entire ribbon-shaped conductor is 1.6 mm thick and 10 mm wide with the same thickness of the two copper ribbons. The grooves in both copper strips are each equally deep, so that the superconductors lie in the center plane of the strip-shaped conductor.
Fig. 2 shows the behavior of the strip-shaped conductor according to Fig. 1 with a current load in an external Ma magnetic field. The current I is plotted on the ordinate in amperes, the external magnetic field H on the abscissa in Kiloörsted.
During the measurement, one broad side of the ribbon-shaped conductor according to FIG. 1 was covered with a plastic tape, so that only 50% of the surface of the ribbon-shaped conductor was in direct heat exchange with the liquid helium used as a coolant. The external magnetic field was directed perpendicular to the superconductors 1 and parallel to the broad side of the strip-shaped conductor.
The curve IC in Fig. 2 indicates the so-called critical current of the conductor. If the current load on the strip-shaped conductor is increased in a given magnetic field, then with this critical current part of the current flowing through the superconductor begins to pass into the normally conducting strips. If the current load on the band-shaped conductor is reduced somewhat, the current reversibly re-enters the superconductor. The curve IR indicates the current strength for the respective external magnetic field at which the entire current flows again in the superconductors.
For example, in a magnetic field of 45 Kiloörsted at a current strength of 1350 amperes, the current begins to pass from the superconductors to the normally conducting bands. If the current strength is reduced to 1320 amperes, the entire current flows again in the superconductors. The curves in FIG. 2 clearly show that the strip-shaped conductor according to FIG. 1 can still be operated in magnetic fields of 50 kilograms with currents of 1100 A. During the measurement, the current was fed to the strip-shaped conductor via copper clamping jaws, between which the conductor was clamped.
A closer examination showed that the current was already entering the superconducting wires under these copper clamping jaws from the normally conductive strips. The contact resistance between tween the copper strips of the strip-shaped conductor and the superconductors is therefore negligible. In the ribbon-shaped conductor according to FIG. 3, eight strands 11, each consisting of three superconducting wires 13 provided with a copper coating 12, between two copper strips 14 and 15 provided with corresponding longitudinal grooves are inserted.
The individual superconducting wires 13, which in turn consist of an alloy of 35% by weight of niobium and 65% by weight of titanium, including the copper cladding, have a diameter of approximately 0.5 mm. The copper strips 14 and 15, which are in turn pale, are each 10 mm wide. The entire ribbon-shaped conductor is 1.6 mm thick.
An alloy of 96.5% tin and 3.5% silver is used as solder 16.
FIG. 4 shows the behavior of the conductor according to FIG. 3 when there is a current load as a function of an external magnetic field. The curves IC and IR have the same meaning as the corresponding curves in FIG. 2. From FIG. 4 it can be seen that the ribbon-shaped conductor according to FIG. 3 can withstand substantially higher currents than the ribbon-shaped conductor according to FIG. 1. So can the ribbon-shaped conductor according to FIG. 3, for example, can still be loaded with a current of 1100 A in an external field of 65 Kiloörsted.
In Fig. 5 a ribbon-shaped conductor is shown, in which in addition to four superconductors 21 again provided with copper coatings to increase the mechanical strength two stainless steel wires 22 and 23 between tween the copper strips provided with corresponding longitudinal grooves 24 and 25 are inserted. Otherwise, the head of FIG. 5 is constructed in accordance with the head of FIG.
The production of a strip-shaped conductor according to FIG. 1 will be explained in more detail using the following exemplary embodiment. First of all, the longitudinal grooves intended for receiving the wire-shaped superconductors are embossed in the copper strips 3 and 4, for example by means of a comb-shaped roller. In order to achieve the most uniform possible structure of the strips, the rolling deformation is advantageously carried out in several steps, for example in two steps.
After the first rolling step, the copper strips are advantageously intermediate annealed; temperatures of around 200 to 500 ° C. can be used. After the copper strips have undergone their final shape in a second rolling step, they are annealed at temperatures between 200 and 500 C, preferably between 300 and 350 C for about 1 hour under vacuum or inert gas. After the glow, the ribbons are allowed to cool slowly. This soft annealing lowers the residual electrical resistance of the strips.
After annealing, the oxide layer formed on the strips is removed, for example by brushing, and a layer of solder metal is applied to the sides with which the strips come to rest on top of one another. This can be done, for example, with what is known as a surge process, in which a surge is generated from the molten solder metal, over which the strips are then passed. If necessary, the strips can also be provided with a layer of solder metal on all sides, for example by dipping into liquid solder metal.
To prepare the superconducting wires for the production of the strip-shaped conductor, the oxide layer located on the copper coatings 2 is first removed, for example by etching. The wires are then provided with a layer of solder metal, for example by dipping them into liquid solder metal.
For the actual production of the tape-shaped Lei age, the two normally conductive tapes 3 and 4 and the wires 1 are wound abge from separate supply rolls. Then the wires 1 are inserted into the longitudinal grooves of the copper tape 4 and then the copper tape 3 is placed. The conductor assembled in this way is then drawn, for example, through soldering jaws heated to the melting temperature of the solder metal, by means of which it is somewhat pressed together. The soldering process takes place fairly quickly, so that the ribbon-shaped conductor can pass through the soldering jaws, for example, at a speed of 8 to 10 cm per second.
The finished strip-shaped conductor is then pulled through water-cooled cooling jaws and cooled down in the process and then wound onto a supply roll, for example.
The production process described is extremely simple and allows the continuous production of very large lengths of the strip-shaped conductor according to the invention in one operation.