DD147981A1

DD147981A1 - SUPERCONDUCTOR

Info

Publication number: DD147981A1
Application number: DD21747979A
Authority: DD
Inventors: Juergen Hoellrich; Guenther Kath; Heinz-Guenther Kraus
Original assignee: Juergen Hoellrich; Guenther Kath; Kraus Heinz Guenther
Priority date: 1979-12-08
Filing date: 1979-12-08
Publication date: 1981-04-29

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.The invention relates to a superconductor, in particular for the production of superconducting magnetic coils of high field strength. The aim of the invention is to increase the thermal stability of the superconductor and the current-carrying capacity and to reduce the matrix content without the additional use of expensive materials. The invention has for its object to develop a superconductor, which has an extended range of critical temperature by changing the superconducting components and a high critical current density and has a beneficial for the production and processing plasticity. This object is achieved according to the invention in that the superconductor has in a matrix at least one superconducting area based on a mixed crystal alloy and at least one area based on an intermetallic phase with a higher critical temperature than that of the mixed crystal alloy.

Description

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Supraleitersuperconductors

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Supraleiter, insbesondere zur Herstellung von supraleitenden Magnetspulen hoher Feldstärke.The invention relates to a superconductor, in particular for the production of superconducting magnetic coils of high field strength.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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 inTechnically used superconductors for the production of superconducting magnetic coils are based either on mixed-crystal alloys of the niobium-titanium, niobium-titanium-zirconium or niobium-zirconium or on intermetallic phases, of which V "Ga, Nb 'Sn, Nb" Al, Nb "( Al, Ge), Nb-Ga and V "Si. Although intermetallic phases have the advantage of a higher critical temperature compared to the alloys based on niobium, they have a high degree of brittleness which makes both the production of the conductors and the processing of the semi-finished products into coils difficult or impossible. If strains of 0.2 % are exceeded, the critical current drops noticeably. It is known to produce superconductors based on intermetallic phases with high critical current densities by the method of selective diffusion. (Y. Iwasa, IEEE Transaction of Magnetics vol. 11 (1975) p. 266) The AJB type intermetallic phase is formed by diffusion of the B component, which usually forms the matrix alloyed with copper

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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.formed metallic form present Α-component. Even after the reaction, the matrix consists of a B-containing copper alloy. Since, in general, higher contents of component B in the matrix improve the magnitude of the current and the size of the layer of the forming phase, the proportion of component B will be improved as high as possible. Z, B, are common in the production of V "Ga by reaction of V and CuGa contents of about 18 percent gallium in the copper-gallium alloy (Kristall and Technik, 13 (1978) p. 1379). The remaining after the reaction copper alloy has a high electrical resistance and thus affects the entire performance of the superconductor. When unwanted transition to the nortnalleitenden state, z. B. by penetration of magnetic flux into the superconductor, evaporate due to the strong heating of the conductor and due to the low evaporation of the commonly used Kühlraediuras helium abruptly large amounts of helium, so that an independent transition of the superconductor in the superconducting state is no longer possible. It is known that the degree of the cryostatic stabilization is influenced by the electrical and thermal conductivity of the normal conducting matrix and by the proportion of the matrix material at the cross section of the superconductor.

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-The copper alloy matrix, which must always be present in the superconductors based on intermetallic phases - produced by the method of selective diffusion - results in insufficient cryostatic stabilization, also an increase in the cross section of the copper alloy matrix or the use of regions of high conductivity (eg. made of silver) does not give sufficient cryostatic stabilization, Such oversized superconductors leave only one insufficient

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de Ausnutzung der metallischen Werkstoffe zu und verursachen zusätzliche Schwierigkeiten bei der Herstellung. Sie benötigen einen hohen Kühlaufwand.Use of metallic materials and cause additional difficulties in the production. You need a lot of cooling.

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 derSuperconductors based on Mischkristallegierüngen have the major disadvantage that their critical temperature is so low that even when using helium as a coolant, the temperature difference between the

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.Working temperature and the critical temperature is low ,. so that the risk of uncontrolled transition - caused z, for example, by the local degradation of the material imprinted in the production imbalance states - in the normal conducting state is very large. To reduce this risk, superconductor composites have been used to operate large magnetic coils whose copper content is about 20raal as the actual superconductor. Such cryostatically stabilized conductors have the disadvantage that due to the very high copper content, the critical current density, based on the total cross section of the conductor, is low and the winding package has a large volume. In the operating case "superconducting" this copper content is additional ballast, which does not carry electricity, but requires an extremely high cooling capacity. In addition, due to the low operating medium temperature and due to the low thermodynamic efficiency of the chillers, a large power is required to dissipate the heat.

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.The aim of the invention is to increase the thermal stability of the superconductor and the current carrying capacity and to reduce the matrix content without the additional use of expensive materials.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

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,Superconductors based on mixed crystal alloys have a very low exploitable temperature difference between the operating temperature and the critical temperature and must have a high proportion of Norraalleiter to achieve a stable Betriebszustandes. Due to their content of brittle constituents, superconductors based on intermetallic phases have only limited uraformability.

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aufwendig verarbeitbar und, bedingt durch den Anteil an Kupfer-Legierungs-Matrix, unvollkommen stabilisiert»complicated to process and, due to the proportion of copper alloy matrix, imperfectly stabilized »

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,Dor invention is based on the object to develop by changing the superconducting constituents a superconductor with extended range of critical temperature, with high critical current density and with a beneficial for the production and processing plasticity,

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.This object is achieved according to the invention in that the superconductor in a matrix has at least one superconducting region based on a mixed-crystal alloy and at least one superconducting region based on an intermetallic phase with a higher critical temperature than that of the mixed-crystal alloy, preference being given to mixed-crystal alloys Alloys of the systems niobium-titanium, niobium-titanium-zirconium and niobium-zirconium and used as intermetallic phases Nb "Sn, V" Ga, Nb "Al, Nb" (Al, Ge), V "Si or Nb" Ga. The matrix surrounding the superconducting material may be made of a metal and / or an alloy. Various arrangements of the superconducting regions are explained in more detail in the embodiments.

Es zeigtIt shows

Figur 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Supraleiters", der verschiedene, durch eine Matrix getrennte supraleitende Bereiche aufweist.FIG. 1 shows a cross-section of a superconductor according to the invention, which has different superconducting regions separated by a matrix.

Figur 2 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Supraleiters, der konzentrisch angeordnete supraleitende Bereiche aufweist,FIG. 2 shows a cross-section of a superconductor according to the invention, which has concentrically arranged superconducting regions,

Figur 3 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel und3 shows a cross section through a further embodiment and

Figur k einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Supraleiter, dessen Matrix aus zwei Komponenten besteht.Figure k shows a cross section through a superconductor according to the invention, whose matrix consists of two components.

Gemäß Figur 1 besteht der Supraleiter aus sieben supraleitenden Bereichen ί der Misohkristallegierung Niob-TitanAccording to Figure 1, the superconductor consists of seven superconducting regions ί of Misohkristallegierung niobium-titanium

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.with 50 weight percent niobium and six superconducting regions 2 of Nb "Sn intermetallic phase having a critical temperature of 18 K embedded in a highly conductive copper matrix 3. According to FIG. 2, the superconductor is characterized by a direct contact of the superconducting regions. The superconductor has nineteen superconducting regions * 1 of the alloy niobium-titanium-zirconium, which are concentrically surrounded by superconducting regions 5 of the intermetallic phase Nb~Al ». The superconducting regions are embedded in a low-alloy aluminum matrix 6.

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,According to FIG. 3, the superconductor according to the invention has an inner superconducting region 8 of the intermetallic compound Nb~Ga with a critical temperature of approximately 20 K, which is surrounded by a superconducting region 7 of the alloy niobium-titanium. According to FIG. U , the superconductor according to the invention has six regions 10 of the alloy niobium-zirconium in a copper matrix 11 and a centrally arranged zone. This central zone consists of seven ring-shaped regions 12 of the intermetallic phase V "Ga with a critical temperature of about 15 K, which are surrounded by a matrix of a copper-gallium alloy 13. According to the chosen manufacturing process, unreacted vanadium 1 * 4 is still present within the intermetallic phase. The matrix consists of the components copper 11 and the copper-gallium alloy 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.The superconductor of the present invention can be processed into a variety of superconducting devices. It offers special advantages in the form of superconducting magnet coils. In the event that the superconducting areas based on mixed crystal alloys exceed their critical temperature by local heating and become normally conducting, part of the current is taken over by the areas of the intermetallic phase.

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.As a result, the areas consisting of the mixed-crystal alloy cool down and, once the temperature falls below the critical temperature, participate again in the flow transport. "Thus, a significant contribution is made to increasing the reliability of superconducting arrangements. This mechanism is of great importance, since the causes of the local temperature rise are manifold (eg, external ¥ lean, magnetization losses, mechanical forces caused by current flow in the superconductor, metallurgical weak spots in superconducting regions with non-optimized dislocation and precipitation structure ) and increases in the known superconductors, the risk of an undesirable transition to the normal conducting state with the length of the superconductor used. The superconductor according to the invention is highly electrically and thermally stable, despite its content of brittle constituents sufficiently ductile and allows due to relatively small possible conductor cross-sections, a good utilization of the materials used, smaller dimensions and more favorable conductor configurations.

Claims

21.7 4 79

invention claim

1, superconductor, characterized in that contained in a matrix at least one superconducting region based on a mixed crystal alloy and at least one superconducting region based on an intermetallic phase having a higher critical temperature than that of the mixed crystal alloy.

2. Superconductor according to item 1, characterized in that an alloy of the systems niobium-titanium, niobium-titanium-zirconium or niobium-zirconium is used as mixed crystal alloy.

3. Superconductor according to item 1, characterized in that is used as the intermetallic phase Nb "Sn, V ^ Ga, Nb" Al, Nb "(Al, Ge), V-Si or Nb-Ga.

U, superconductor according to items 1 to 3, characterized in that the common matrix consists of a metal and / or an alloy.

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