DD147981A1 - Supraleiter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Supraleiter, insbesondere zur Herstellung von supraleitenden Magnetspulen hoher Feldstaerke. Ziel der Erfindung ist es, die thermische Stabilitaet des Supraleiters sowie die Strombelastbarkeit zu erhoehen und den Matrixanteil ohne zusaetzliche Verwendung teurer Werkstoffe zu verringern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Supraleiter zu entwickeln, der einen erweiterten Bereich der kritischen Temperatur durch Aenderung der supraleitenden Bestandteile und eine hohe kritische Stromdichte besitzt und der eine fuer die Herstellung und Verarbeitung vorteilhafte Plastizitaet aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaesz dadurch geloest, dasz der Supraleiter in einer Matrix mindestens einen supraleitenden Bereich auf der Basis einer Mischkristallegierung und mindestens einen Bereich auf Basis einer intermetallischn Phase mit einer hoeheren kritischen Temperatur als die der Mischkristallegierung aufweist.

Description

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Supraleiter

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Supraleiter, insbesondere zur Herstellung von supraleitenden Magnetspulen hoher Feldstärke.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Technisch angewandte Supraleiter zur Herstellung supraleitender Magnetspulen basieren entweder auf Mischkristallegierungen vom Typ Niob-Titan, Niob-Titan-Zirkon bzw. Niob^Zirkon oder auf intermetallischen Phasen, von denen bevorzugt V„Ga, Nb' Sn, Nb „Al, Nb „(Al, Ge), Nb-Ga und V „Si Anwendung finden. Intermetallische Phasen besitzen zwar gegenüber den Legierungen auf Niob-Basis den Vorteil einer höheren kritischen Temperatur, aber sie weisen eine hohe Sprödigkeit auf, die sowohl die Herstellung der Leiter als auch die Verarbeitung der Halbzeuge zu Spulen erschwert bzw. unmöglich macht« Werden plasti-, sehe Dehnungen von 0,2 % überschritten, so fällt der kritische Strom merklich ab. Es ist bekannt, Supraleiter auf Basis intermetallischer Phasen mit hohen kritischen Stroradichten nach dem Verfahren der selektiven Diffusion herzustellen. (Y. Iwasa, IEEE Transaction of Magnetics vol 11 (1975) S. 266) Dabei wird die intermetallische Phase vom Typ AJB durch Diffusion der B-Komponente, die "meist mit Kupfer legiert die Matrix bildet, in die in

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metallischer Form vorliegenden Α-Komponente gebildet. Auch nach der Reaktion besteht die Matrix aus einer B-haltigen Kupferlegierung, Da sich im allgemeinen höhere Gehalte der Komponente B in der Matrix verbessernd auf die Höhe der Stromstärke und auf die Größe der Schichtdicke der sich ausbildenden Phase auswirken, wird der Anteil der Komponente B möglichst hoch gewählt. Z, B, sind bei der Herstellung von V„Ga durch Reaktion von V und CuGa Gehalte von etwa 18 Prozent Gallium in der Kupfer-Gallium-Legierung üblich (Kristall und Technik, 13 (1978) S. 1379). Die nach der Reaktion verbleibende Kupferlegierung hat einen hohen elektrischen Widerstand und beeinträchtigt damit das gesamte Betriebsverhalten des Supraleiters. Beim unerwünschten Übergang in den nortnalleitenden Zustand, z. B. durch Eindringen von magnetischen Fluß in den Supraleiter, verdampfen auf Grund der starken Erwärmung des Leiters und auf Grund der geringen Verdampfungswärrae des üblicherweise verwendeten Kühlraediuras Helium schlagartig große Heliummengen, so daß ein selbständiger Übergang des Supraleiters in den supraleitenden Zustand nicht mehr möglich ist. Es ist bekannt, daß der Grad der kryostatischen Stabilisierung von der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit der normalleitenden Matrix und vom Anteil des Matrixmaterials am Querschnitt des Supraleiters beeinflußt wird.

Die Kupferlegierungsmatrix, die in den Supraleitern auf Basis intermetallischer Phasen - hergestellt nach dem Verfahren der selektiven Diffusion - stets vorhanden sein muß, ergibt eine unzureichende kryostatische Stabilisierung, Auch eine Vergrößerung des Querschnitts der Kupferlegierungsmatrix oder die Verwendung von Bereichen hoher Leitfähigkeit (z» B. aus Silber) ergibt keine ausreichende kryostatische Stabilisierung, Derartig überdimensionierte Supraleiter lassen nur eine unzureichen-

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de Ausnutzung der metallischen Werkstoffe zu und verursachen zusätzliche Schwierigkeiten bei der Herstellung. Sie benötigen einen hohen Kühlaufwand.

Supraleiter auf Basis von Mischkristallegierüngen weisen den entscheidenden Nachteil auf, daß ihre kritische Temperatur so niedrig ist, daß selbst bei Anwendung von Helium als Kühlmittel die Temperaturdifferenz zwischen der

Arbeitstemperatur und der kritischen Temperatur gering ist,. so daß die Gefahr des unkontrollierten Übergangs - hervorgerufen z, B. durch den lokalen Abbau der dem Material bei der Herstellung aufgeprägten Ungleichgewichtszustände - in den normalleitenden Zustand sehr groß ist. Um diese Gefahr zu verringern, wurden zum Betreiben großer Magnetspulen Supraleiterverbunde verwendet, deren Kupferanteil etwa 20raal so groß ist wie der eigentliche Supraleiteranteil. Derartige kryostatisch stabilisierte Leiter besitzen den Nachteil, daß auf Grund des sehr hohen Kupferanteils die kritische Stromdichte bezogen auf den Gesamtquerschnitt des Leiters gering ist und das Wicklungspaket ein großes Volumen aufweist. Im Betriebsfall "supraleitend" ist dieser Kupferanteil zusätzlicher Ballast, der keinen Strom transportiert, jedoch eine außerordentlich starke Kühlleistung erforderlich macht. Hinzu kommt, daß durch die tiefe Betriebsmitteltemperatur und auf Grund des geringen thermodynamischen Wirkungsgrades der Kältemaschinen eine große Leistung zur Abführung der Wärme erforderlich ist.

Ziel der Erfindung ist es, die thermische Stabilität des Supraleiters sowie die Strombelastbarkeit zu erhöhen und den Matrixanteil ohne zusätzliche Verwendung teurer Werkstoffe zu verringern.

Wesen der Erfindung

Supraleiter auf Basis von Mischkristallegierungen weisen eine sehr geringe ausnutzbare Temperaturdifferenz zwischen der Betriebstemperatur und der kritischen Temperatur auf und müssen zum Erreichen eines stabilen.Betriebszustandes einen hohen Anteil an Norraalleiter besitzen. Supraleiter auf Basis intermetallischer Phasen sind auf Grund ihres Anteils an spröden Bestandteilen nur begrenzt uraformbar,

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aufwendig verarbeitbar und, bedingt durch den Anteil an Kupfer-Legierungs-Matrix, unvollkommen stabilisiert»

Dor Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Änderung der supraleitenden Bestandteile einen Supraleiter zu entwickeln mit erweitertem Bereich der kritischen Temperatur, mit hoher kritischer Stromdichte und mit einer für die Herstellung und Verarbeitung vorteilhaften Plastizität,

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Supraleiter in einer Matrix mindestens einen supraleitenden Bereich auf Basis einer Mischkristallegierung und mindestens einen supraleitenden Bereich auf Basis einer intermetallischen Phase mit einer höheren kritischen Temperatur als die der Mischkristallegierung aufweist, Vorzugsx^eise werden als Mischkristallegier'ungen Legierungen der Systeme Niob-Titan, Niob-Titan-Zirkon und Niob-Zirkon und als intermetallische Phasen Nb„Sn, V„Ga, Nb„Al, Nb„(Al, Ge), V „Si oder Nb„Ga verwendet. Die das supraleitende Material umgebende Matrix kann aus einem Metall und/oder einer Legierung bestehen. Verschiedene Anordnungen der supraleitenden Bereiche sind in den Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt

Figur 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Supraleiters", der verschiedene, durch eine Matrix getrennte supraleitende Bereiche aufweist.

Figur 2 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Supraleiters, der konzentrisch angeordnete supraleitende Bereiche aufweist,

Figur 3 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel und

Figur k einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Supraleiter, dessen Matrix aus zwei Komponenten besteht.

Gemäß Figur 1 besteht der Supraleiter aus sieben supraleitenden Bereichen ί der Misohkristallegierung Niob-Titan

mit 50 Gewichtsprozent Niob und sechs supraleitenden Bereichen 2 der intermetallischen Phase Nb„Sn mit einer kritischen Temperatur von 18 K, die in eine hochleitfähige Kupferraatrix 3 eingebettet sind. Gemäß Figur 2 ist der Supraleiter durch einen direkten Kontakt der supraleitenden Bereiche gekennzeichnet. Der Supraleiter weist neunzehn supraleitende Bereiche *l der Legierung Niob-Titan-Zirkon auf, die konzentrisch von supraleitenden Bereichen 5 der intermetallischen Phase Nb~Al umgeben sind» Die supraleitenden Bereiche sind in einer niedrig legierten Aluminiumraatrix 6 eingelagert.

Gemäß Figur 3 weist der erfindungsgemäße Supraleiter einen inneren supraleitenden Bereich 8 der intermetallischen Verbindung Nb~Ga mit einer kritischen Temperatur von ca, 20 K auf, der von einem supraleitenden Bereich 7 der Legierung Niob-Titan umgeben ist. Das als Mantel ausgebildete Matrixmaterial 9 besteht aus Kupfer, Gemäß Figur U weist der erfindungsgeniäße Supraleiter sechs Bereiche 10 der Legierung Niob-Zirkon in einer Kupfermatrix 11 und eine zentral angeordnete Zone auf,. Diese zentrale Zone besteht aus sieben ringförmig ausgebildeten Bereichen 12 der intermetallischen Phase V„Ga mit einer kritischen Temperatur von etwa 15 K, die von einer Matrix aus einer Kupfer-Gallium-Legierung 13 umgeben sind. Entsprechend dem gewählten Herstellungsverfahren ist noch unreagiertes Vanadium 1*4 innerhalb der intermetallischen Phase vorhanden. Die Matrix besteht aus den Komponenten Kupfer 11 und der Kupfer-Gallium-Legierung 13,

Der erfindungsgemäße Supraleiter kann zu einer Vielfalt von supraleitenden Anordnungen verarbeitet werden. Besondere Vorteile bietet er in Form supraleitender Magnetspulen, Für den Fall, daß die supraleitenden Bereiche auf Basis von Mischkristallegierungen durch lokale Erwärmung ihre kritische Temperatur überschreiten und normalleitend werden, wird ein Teil des Stromes von den Bereichen der intermetallischen Phase übernommen.

Die aus der Mischkristallegierung bestehenden Bereiche kühlen sich dadurch ab und beteiligen sich nach Unterschreiten der kritischen Temperatur wieder am Strömtransport« Somit wird ein wesentlicher Beitrag zur Erhöhung der Betriebssicherheit supraleitender Anordnungen geleistet. Diesem Mechanismus kommt eine große Bedeutung zu, da die Ursachen der lokalen Temperaturerhöhung vielseitig sind (z. B«, von außen einströmende ¥ärme, Magnetisierungsverluste, vom Stromfluß im Supraleiter verursachte mechanische Kräfte, metallurgische Schwachstellen in supraleitenden Bereichen mit nicht optimierter Versetzungs- und Ausscheidungsstruktur) und bei den bekannten Supraleitern die Gefahr eines unerwünschten Übergangs in den normalleitenden Zustand mit der Länge des eingesetzten Supraleiters zunimmt. Der erfindungsgemäße Supraleiter ist elektrisch und thermisch hochbelastbar, trotz seines Anteils an spröden Bestandteilen hinreichend duktil und gestattet auf Grund relativ kleiner möglicher Leiterquerschnitte eine gute Ausnutzung der eingesetzten Materialien, geringere Baumaße und günstigere Leiterkonfigurationen.

Claims (3)

1. 21.7 4 79

   Erfindungsanspruch

   1, Supraleiter, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Matrix mindestens ein supraleitender Bereich auf Basis einer Mischkristallegierung und mindestens ein supraleitender Bereich auf Basis einer intermetallischen Phase mit einer höheren kritischen Temperatur als die der Mischkristallegierung enthalten sind.
2. 2. Supraleiter nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mischkristallegierung eine Legierung der Systeme Niob-Titan, Niob-Titan-Zirkon oder Niob-Zirkon verwendet wird.
3. 3. Supraleiter nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als intermetallische Phase Nb „Sn, V^Ga, Nb„Al, Nb„ (Al, Ge), V-Si oder Nb-Ga verwendet wird.

   U, Supraleiter nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Matrix aus einem Metall und/oder einer Legierung besteht.

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