DE102009043580A1 - Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur zwischen zwei Supraleitern und Struktur zur Verbindung zweier Supraleiter - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur zwischen zwei Supraleitern und Struktur zur Verbindung zweier Supraleiter Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur zwischen zwei Supraleitern, insbesondere Magnesiumdiborid-Supraleitern, die einen von normalleitendem Metall umschlossenen supraleitenden Kerndraht umfassen, wobei einer Stoffmischung aus Magnesium und Bor eine die Schmelztemperatur von Magnesium absenkende Substanz beigemischt wird und die freigelegten Enden der Kerndrähte in Kontakt mit der Stoffmischung gebracht werden, welche in situ bei einer der niedrigeren Schmelztemperatur entsprechenden Reaktionstemperatur zur Reaktion zu Magnesiumdiborid gebracht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur zwischen zwei Supraleitern, insbesondere Magnesiumdiborid-Supraleitern, die einen von normalleitendem Metall umschlossenen supraleitenden Kerndraht umfassen, sowie eine Struktur zur Verbindung zweier Supraleiter, insbesondere zweier Magnesiumdiborid-Supraleiter, die einen von normalleitendem Metall umschlossenen supraleitendem Kerndraht umfassen.
  • Die Verwendung von Supraleitern erlaubt den energiesparenden und besonders stabilen Betrieb von Magneten, beispielsweise Magnetresonanzmagneten, mit supraleitenden, kurzgeschlossenen Stromzuführungen (sogenannter „persistent mode”). Dabei wird der geladene supraleitende Magnet über einen Supraleiter kurzgeschlossen. Der kurzgeschlossene Magnet bildet nun einen eigenen Stromkreis, in dem der Strom im Wesentlichen widerstandsfrei fließen kann. In diesem „persistent mode” kann die Stromquelle vom Magneten abgekoppelt werden, so dass ein energiesparender Betrieb möglich ist. Der Vorteil des „persistent mode”-Betriebs ist eine extrem hohe Stabilität des Magnetfelds, die in dieser Art auch mit den besten Stromquellen nicht erreicht werden kann.
  • Der Kurzschluss wird durch den Einsatz eines Kurzschlussschalters, des sogenannten „persistent switch”, erreicht. Dafür werden die Leiterenden der Magnetspule mit einem supraleitenden Draht verbunden, der durch Heizen in die Normalleitung gebracht werden kann und dadurch einen vergleichsweise hohen Widerstand aufweist. Befindet sich der Kurzschlussschalter im normalleitenden Zustand, so fließt der Strom von der Stromquelle nun durch die supraleitende Spule, die in diesem Zustand ge- oder entladen werden kann. Hat der Magnet die angestrebte Feldstärke erreicht, kann in den „persistent mode” umgeschaltet werden. Dazu wird der Kurzschlussschalter gekühlt und supraleitend, so dass der Magnet und der supraleitende Draht wieder einen eigenen Stromkreis bilden.
  • Wesentlich für einen möglichst langen und stabilen Betrieb des „persistent mode” sind dabei Widerstand und Induktivität des entstehenden Stromkreises. Dabei ist der Widerstand der Kontakte bzw. Verbindungsstellen, mit denen der Kurzschlussschalter mit den Drahtenden des Magneten meist über eine Verbindungsstruktur verbunden wird, wesentlich, so dass eine Voraussetzung für den stabilen „persistent mode”-Betrieb die Möglichkeit ist, eine supraleitende Verbindung der Supraleiterenden herzustellen.
  • Auch in anderen Anwendungen ist es häufig notwendig, zwei oder mehr Supraleiter mit möglichst geringem Widerstand zu verbinden. So sind beispielsweise Magnetsysteme bekannt, die mehrere einzeln gewickelte Spulen, insbesondere 4 oder 8 Spulen, umfassen, die über derartige Kontakte verbunden werden sollen.
  • In der Vergangenheit konnte bereits gezeigt werden, dass es möglich ist, supraleitende Verbindungen insbesondere zwischen Magnesiumdiborid-Drähten (MgB2-Drähten) herzustellen. Die supraleitende Verbindungsstruktur kann dabei auf der Basis von Magnesiumdiborid oder auf Basis anderer Supraleiter, beispielsweise NbTi, hergestellt werden. Die supraleitende Verbindungsstruktur soll dabei über eine möglichst hohe Stromtragfähigkeit verfügen, um nicht zum begrenzenden Element für den Strombetrieb zu werden. Insbesondere müssen die Kontaktflächen zwischen den Drahtenden und der Verbindungsstruktur eine hohe Konnektivität aufweisen und damit für hohe Supraströme durchlässig sein.
  • Zur Herstellung solcher Verbindungsstrukturen wurde beispielsweise in der US 6,921,865 B2 vorgeschlagen, zur Verbindung zweier Supraleiter ein Magnesiumdiborid-Pulver zwischen den Supraleitern anzuordnen. Konkret wird vorgeschlagen, das bereits reagierte Magnesiumdiborid mit einem hohen Druck zusammenzupressen, um die Bindungseigenschaften zu verbessern. Bekannt ist es auch, zusätzlich das Magnesiumdiborid-Pulver zu sintern. Diese sogenannten ex-situ-Methoden erzeugen aber nachteilhafterweise nur Punktkontakte zwischen den einzelnen Körnern, wobei zusätzlich das Sintern den Supraleiter-Draht degradiert.
  • Daher wurde kürzlich in einem Artikel von X. H. Lee et al., „High critical current Joint of MgB2 tapes using Mg and B powder mixture as flux", Supercond. Sci. Technol. 21 (2008) 025017, vorgeschlagen, eine in-situ-Methode anzuwenden, bei der eine Magnesium- und Bor-Pulvermischung verwendet wird, die durch Erhitzung unter einer Schutzatmosphäre vor Ort erst zu Magnesiumdiborid reagiert wird.
  • Dabei wurden gute Ergebnisse erzielt, jedoch nicht für den tatsächlich, beispielsweise bei Magnetresonanzgeräten, relevanten Bereich, bei dem Magnetfelder auftreten, die größer als 0,5 T sind, oder Temperaturen größer als 10 K. Mögliche Gründe hierfür sind, dass die Kontaktfläche nicht ausreichend ist. Zudem tritt eine Drahtdegradation durch die vorangehende mechanische Behandlung der Drahtenden und insbesondere auch durch die Wärmebehandlung während der in-situ-Reaktion auf. Es liegt vermutlich eine eher schlechte Verbindung auf der Kontaktfläche vor. Weitere Probleme, die auftreten können, sind die inhomogene Eindiffusion von Kupfer oder anderen Elementen aus dem Supraleiterdraht, so dass die Eigenschaften des Magnesiumdiborid im Kontakt verschlechtert werden, sowie andere Ursachen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungsstruktur zwischen zwei Supraleitern sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, wobei die Verbindungsstruktur auch bei Magnetfeldern größer als 0,5 T und Temperaturen größer als 10 K noch über eine hinreichend hohe Stromtragfähigkeit verfügt und wobei der Kontakt zwischen den Supraleitern und der dazwischen liegenden Verbindungsstruktur erheblich verbessert ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass einer Stoffmischung aus Magnesium und Bor eine die Schmelztemperatur von Magnesium absenkende Substanz beigemischt wird und die freigelegten Enden der Kerndrähte in Kontakt mit der Stoffmischung gebracht werden, welche in situ bei einer der niedrigeren Schmelztemperatur entsprechenden Reaktionstemperatur zur Reaktion zu Magnesiumdiborid gebracht wird.
  • Es wird also vorgeschlagen, eine Substanz zu verwenden, die die Schmelztemperatur von Magnesium absenkt. Dabei kann als Substanz vorzugsweise ein Metall, insbesondere Kupfer und/oder Silber, verwendet werden, wobei Kupfer besonders bevorzugt wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Substanz zu 1–20 Gew.-%, insbesondere 10 Gew.-%, eingemischt wird.
  • Die normalerweise bei 650°C liegende Schmelztemperatur von Magnesium, die ein Maß dafür ist, bei welchen Temperaturen im Ofen die Reaktion zu Magnesiumdiborid beginnt, wird demnach, wie grundsätzlich bekannt, durch die die Schmelztemperatur von Magnesium absenkende Substanz erniedrigt, so dass die Reaktion in situ bei einer niedrigeren Temperatur im Vergleich zum Stand der Technik erfolgen kann. Auf diese Weise kann die Temperatur, bei der die Reaktion abfindet, beispielsweise um 20–30°C erniedrigt werden. Auf diese Weise wird der Supraleiterdraht, insbesondere der Kerndraht, weniger negativen Einflüssen unterworfen und die Degradation durch Wärmebehandlung wird reduziert, was zu einem besseren Kontakt führt.
  • Obwohl bekannt ist, dass derartige Substanzen, insbesondere Kupfer und/oder Silber, die Eigenschaften des entstehenden Supraleiters normalerweise eher verschlechtern, hat sich bei Versuchen zur vorliegenden Erfindung überraschend gezeigt, dass sich insbesondere im Bereich de-r Drahtenden der Supraleiter ein erheblich besserer Kontakt bildet, dessen Widerstand reduziert und dessen Stromtragfähigkeit im Vergleich zu den herkömmlichen Methoden erhöht ist. Insbesondere ist die entstehende Verbindungsstruktur, im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Verbindungsstrukturen, geeignet, auch unter den üblicherweise benötigten Voraussetzungen, also bei Magnetfeldern größer 0,5 T und Temperaturen größer als 10 K, eingesetzt zu werden und hervorragende Ergebnisse zu liefern. Insbesondere im Fall von Magnetresonanzgeräten ist daher eine deutlich verbesserte Lösung geschaffen. Dies alles gelingt durch den Zusatz der die Schmelztemperatur von Magnesium absenkenden Substanz, die nicht nur durch die Senkung der Behandlungstemperatur Vorteile zeigt, sondern auch die Bildung von Magnesiumdiborid aus Magnesium und Bor durch Reaktion in der Verbindungsstruktur verbessert. Das Verfahren ist insbesondere für die Anwendung in einem Magnetherstellungsprozess geeignet, beispielsweise zur Bildung eines Kurzschlussschalters.
  • Es ist dabei selbstverständlich von besonderem Vorteil, wenn die Stoffmischung einen homogenen Bulk bildet, so dass die Reaktionstemperatur überall verringert wird und somit bei einer bestimmten Temperatur optimale Eigenschaften erreicht werden können. Mit besonderem Vorteil kann dabei vorgesehen sein, dass als Stoffmischung ein mechanisch legiertes Pulver verwendet wird. Der Vorgang der mechanischen Legierung (englisch „mechanical alloying” (MA)) ist grundsätzlich bekannt und kann selbstverständlich auch schon der Beimischung der Substanz dienen. Die verschiedenen Stoffe – hier also insbesondere Magnesium, Bor und die die Schmelztemperatur von Magnesium absenkende Substanz – werden bei der mechanischen Legierung durch eine bei hoher Geschwindigkeit betriebene Kugelmühle, insbesondere mit einem Planetengetriebe, gemischt. Dadurch werden größere Körner aufgebrochen und es kann insbesondere schon eine partielle Reaktion stattfinden, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird. So kann eine äußerst homogene Stoffmischung erhalten werden, in der die Reaktionstemperatur überall gleichmäßig abgesenkt ist.
  • In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Stoffmischung wenigstens ein weiteres Additiv zugefügt wird. So können die Eigenschaften der Verbindungsstruktur weiter verbessert werden. Es kann als Additiv ein das Pinning verbesserndes und/oder die Stromtragfähigkeit erhöhendes und/oder ein das kritische Feld erhöhendes und/oder ein die Absenkung der kritischen Temperatur verlangsamendes und/oder ein Sauerstoff bindendes Additiv verwendet werden. Dabei kann als Additiv ein Metall und/oder eine kohlenstoffhaltige Verbindung und/oder Kohlenstoff und/oder ein Borid verwendet werden, insbesondere bieten sich Siliziumcarbid (SiC) und/oder Calziumhexaborid (CaB6) an. Siliziumcarbid hat sich als ein hervorragendes Additiv für Magnesiumdiborid erwiesen, insbesondere Nano-Siliziumcarbid. Hierdurch kann die Stromtragfähigkeit sowie die kritische Temperatur erhöht werden, zudem hat sich gezeigt, dass nur ein langsamerer Abfall der kritischen Temperatur bei höheren Feldern auftritt. Jedoch auch andere Additive sind hier denkbar, beispielsweise Metalle oder Kohlenstoff. Zweckmäßig ist auch die Verwendung eines Sauerstoff bindenden Additivs, insbesondere von CaB6. Hierdurch kann vermieden werden, dass sich beispielsweise eine Magnesiumoxidschicht bildet, die den Kontakt verschlechtert. Durch die Verwendung weiterer Additive kann insbesondere ein nachteilhafterer Aspekt der die Schmelztemperatur von Magnesium absenkenden Substanz wieder kompensiert werden, es sei jedoch nochmals hervorgehoben, dass die Vorteile auch ohne Verwendung eines zusätzlichen Additivs überwiegen und zu einer verbesserten Verbindungsstruktur führen.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein zusätzlich Magnesiumdiborid-Partikel umfassendes Stoffgemisch verwendet wird. Es liegen dann also in dem Stoffgemisch bereits reagierte Magnesiumdiborid-Anteile vor. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass ein solcher Effekt beispielsweise bei der mechanischen Legierung schon erreicht werden kann, wie oben dargelegt. Es kann gezeigt werden, dass durch das Vorliegen bereits reagierten Magnesiumdiborids der Übertritt von normalleitendem Metall, das den supraleitenden Kerndraht umschließt, in das Kontaktmaterial genauso eingeschränkt werden kann wie der Verlust von Magnesium, welches in das normalleitende Metall übertritt. Es sei darauf hingewiesen, dass dieser Magnesiumverlusteffekt zusätzlich oder alternativ auch dadurch kompensiert werden kann, dass von dem Mischungsverhältnis 1:2 für Magnesium und Bor durch einen erhöhten Magnesiumanteil abgewichen wird, beispielsweise durch Verwendung eines Verhältnisses von 1,15:2 oder dergleichen. In jedem Fall wird durch Vorhandensein von bereits reagiertem Magnesiumdiborid in der Stoffmischung jedoch das Übertreten weiteren normalleitenden Metalls verringert, welches ansonsten die Eigenschaften der Verbindungsstruktur negativ beeinflussen würde.
  • Ein besonderes Augenmerk bei der Herstellung von derartigen Verbindungsstrukturen muss auch auf die mechanische Behandlung der Supraleiter, insbesondere das Freilegen der Kontaktflächen an den Enden der Kerndrähte, gelegt werden, damit möglichst keine oder nur geringe Degradation bei einer möglichst großen Kontaktfläche erfolgt. Dabei kann erfindungsgemäß die Freilegung der Enden der Kerndrähte durch Anschleifen erfolgen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Anschleifwerkzeug von groben zu feinen Werkzeugen hin verfeinert wird. Dabei sollte ein Schleifmaterial verwendet werden, welches möglichst keine Rückstände am angeschliffenen Ende hinterlässt. Der Schleifvorgang kann bevorzugt langsam erfolgen, um Wärmeentwicklung zu vermeiden.
  • Eine weitere Verbesserung bezüglich der Behandlung der Supraleiter selber ergibt sich, wenn die Supraleiter bei der Freilegung der Enden ihrer Kerndrähte positionsfixiert sind, insbesondere in wenigstens einem Teil eines Verbindungsgehäuses, in dem auch die folgende Reaktion des Magnesium und des Bor zu Magnesiumdiborid erfolgt. Durch die beschriebene Fixierung ist es insbesondere möglich, die Drahtenden über weite Teile des Vorgangs zur Erzeugung der Verbindungsstruktur unbewegt und auch komprimiert zu halten, so dass beispielsweise eine Rissbildung vermieden werden kann. Häufig ist bei Verbindungsstrukturen wie der erfindungsgemäßen Verbindungsstruktur ein Verbindungsgehäuse vorgesehen („joint cup”), welches beispielsweise aus Metallen oder einer Metalllegierung bestehen kann und in das zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Verfahrens die Stoffmischung eingefüllt wird, um darin zu reagieren. Das Verbindungsgehäuse wird dazu beispielsweise über einen anschraubbaren Deckel derart verschlossen, dass die darin enthaltene Stoffmischung bereits deutlich komprimiert wird, so dass Luftlöcher und Inhomogenitäten möglichst vermieden werden. Erfindungsgemäß kann nun also vorgesehen sein, dass die Supraleiter bereits zum Freilegen der Enden der Kerndrähte, also letztlich der Kontaktflächen, in diesem Verbindungsgehäuse fixiert werden. Die Enden werden also vor Ort vorbereitet, müssen folglich nicht mehr bewegt werden und können insbesondere weitgehend komprimiert und unbeweglich gehalten sein. Die mechanische Belastung des Supraleiters, insbesondere des relevanten Endes des Kerndrahts, wird dabei so gering wie möglich gehalten, so dass Degradation vermieden werden kann.
  • Zur Vergrößerung der Kontaktfläche kann vorgesehen sein, dass die Kontaktfläche an den Enden der Kerndrähte unter einem Winkel zur Querschnittsebene der Kerndrähte freigelegt wird. Auf diese Art und Weise kann eine größere Kontaktfläche erzeugt werden, so dass eine bessere Kontaktierung, ein geringerer Widerstand und eine größere Stromtragfähigkeit erreicht werden können.
  • Wie bereits erwähnt, kann die Stoffmischung in ein Verbindungsgehäuse eingebracht werden, in das die Enden der Kerndrähte einragen und in dem die Stoffmischung vor der Reaktion gepresst wird. Dann kann in besonders vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Supraleiter vor der Freilegung der Enden ihrer Kerndrähte in einer Wand des Verbindungsgehäuses schräg zu dieser in sie eingeführt und dort fixiert werden. Somit entsteht, insbesondere beim Abschleifen, eine große Kontaktfläche und die mechanische Belastung der Drähte wird verringert.
  • Vorzugsweise können zur Reaktion die zu verbindenden Enden der Supraleiter mit der zwischen ihnen angeordneten Stoffmischung, insbesondere in einem Verbindungsgehäuse, in einen Ofen eingeführt werden, in dem eine Schutzgasatmosphäre, insbesondere unter Überdruck, vorhanden ist. Auf diese Weise ist es nicht notwendig, die ja mit dem insbesondere klobigen und unhandlichen Magneten verbundenen, zu verbindenden Supraleiter-Enden so in den Ofen einzuführen, dass ein vollständig luftdichter Abschluss möglich ist. Ist das Schutzgas nämlich unter Überdruck vorhanden, so fließt es letztlich an den Supraleiter-Drahtenden vorbei kontinuierlich aus dem Ofen hinaus, so dass keine Luft, die das Risiko einer Reaktion des hochreaktiven Magnesiums birgt, in den Ofen gelangen kann. Die Reaktion findet mithin vollständig in der Schutzgasatmosphäre statt, ohne dass ein vakuumdichter Ofen benötigt wird.
  • Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung auch eine Struktur zur Verbindung zweier Supraleiter, insbesondere zweier Magnesiumdiborid-Supraleiter, die einen von normalleitendem Metall umschlossenen supraleitenden Kerndraht umfassen, welche Struktur nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Die Verbindung der entsprechenden Enden der Supraleiter erfolgt mithin durch eine in-situ-Reaktion einer Stoffmischung, in der neben Magnesium und Bor auch eine die Schmelztemperatur von Magnesium absenkende Substanz enthalten ist, so dass die Reaktion bei einer niedrigeren Temperatur erfolgen kann. Auf diese Weise wird eine bessere Kontaktierung bei höherer Stromtragfähigkeit erreicht, da sowohl die Reaktivität verbessert als auch die Drahtdegradation durch die Wärmebehandlung reduziert wird.
  • Selbstverständlich lassen sich alle bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Ausgestaltungen analog auf die erfindungsgemäße Verbindungsstruktur übertragen, so dass diese beispielsweise auch ein Verbindungsgehäuse umfassen kann, in das die verbundenen Supraleiter-Drahtenden beispielsweise schräg einragen. Weitere Additive können ebenso vorgesehen sein, insbesondere Siliziumcarbid und/oder Calciumhexaborid. Als Substanz zur Absenkung der Schmelztemperatur von Magnesium wird dabei vorzugsweise Kupfer verwendet, welches folglich in der reagierten Stoffmischung, die die freigelegten Enden der Kerndrähte verbindet, enthalten ist.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen
  • 1 eine erfindungsgemäße Verbindungsstruktur, und
  • 2 der Einsatz der erfindungsgemäßen Verbindungsstruktur zur Bildung eines Kurzschlussschalters bei einem supraleitenden Magneten.
  • 1 zeigt eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Verbindungsstruktur 1, die zur Verbindung zweier Supraleiter 2 dient, im vorliegenden Fall, um einen Kurzschlussschalter für den „persistent mode” eines Magneten zu bilden. Die Verbindungsstruktur soll also in einer Umgebung eingesetzt werden, in der Felder größer als 0,5 T herrschen und/oder die Temperatur oberhalb von 10 K liegt.
  • Die Supraleiter umfassen einen supraleitenden Kerndraht 3, vorliegend aus Magnesiumdiborid, der von einer Umhüllung von einem normalleitenden Metall 4 umgeben ist. Selbstverständlich können auch mehrere Kerndrähte (Filamente) vorgesehen sein.
  • Es sei bereits an dieser Stelle angemerkt, dass die Skizze der Figur lediglich eine Prinzipskizze darstellt, welche in Bezug auf die Anordnung der Supraleiter 2 und dergleichen modifiziert werden kann. Beispielsweise ist es denkbar, die Enden 5 nebeneinander anzuordnen, um den Abstand der Kontaktflächen 6 möglichst gering zu halten. Ersichtlich sind die Enden 5 in einem Verbindungsgehäuse 7 schräg fixiert, so dass die Kontaktflächen 6 zum Inneren des Verbindungsgehäuses 7 freiliegen. Durch die Schrägstellung der Leiter 2 sind sie zudem größer ausgebildet als der eigentliche Querschnitt des Kerndrahts 3.
  • Das Verbindungsgehäuse 7, welches im Übrigen aus Stahl besteht, umfasst einen unteren Gehäuseteil 8 sowie einen Deckel 9, der mit Schrauben 10 so zur Bildung des Verbindungsgehäuses 7 befestigt werden kann, dass eine im Verbindungsgehäuse 7 angeordnete Stoffmischung 11 vor der Reaktion komprimiert werden kann, wie bezüglich des Herstellungsverfahrens im Folgenden noch näher ausgeführt werden wird. Das Verbindungsgehäuse kann neben Stahl auch aus einem anderen Metall sein, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als MgB2. So kommt es beim Abkühlen auf die Anwendungstemperatur zu einer Kompression der Stoffmischung und der damit notwendigen mechanischen Stabilität In der hier dargestellten fertigen Verbindungsstruktur 1 liegt die Stoffmischung 11 als reagierte Stoffmischung 11 vor, das bedeutet, Magnesiumdiborid bildet die entsprechende leitende Verbindung zwischen den Kontaktflächen 6.
  • Dabei weist die Verbindungsstruktur 1 die bereits diskutierten besonders vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere bezüglich der Stromtragfähigkeit und der Kontaktgüte auf, da zur Herstellung eine Stoffmischung 11 verwendet wurde, die eine die Schmelztemperatur von Magnesium absenkende Substanz umfasst.
  • Zur Herstellung der dargestellten Verbindungsstruktur 1 werden erfindungsgemäß zunächst die Enden 5 vorbereitet, vorzugsweise unter einer Schutzatmosphäre. Dazu werden die Enden 5 zunächst im unteren Gehäuseteil 8 fixiert, woraufhin sie, wie gezeigt, schräg angeschliffen werden, so dass sich die vergrößerte Kontaktfläche 6 ergibt. Während des gesamten Anschleifvorgangs werden die Supraleiter 2 bereits fixiert im unteren Gehäuseteil gehalten. Die Vorbereitung der Enden 5 erfolgt durch Anschleifen, wobei Wärmeentwicklung vermieden wird und von gröberen Schleifwerkzeugen zu feineren Schleifwerkzeugen übergegangen wird. So ist eine schonende Vorbereitung möglich.
  • Zudem wird die noch nicht reagierte Stoffmischung 11 vorbereitet. Dies geschieht vorliegend durch mechanische Legierung. Magnesium und Bor, hier in einem Verhältnis von 1,15:2, werden gemeinsam mit Kupfer als die Schmelztemperatur von Magnesium absenkender Substanz vermischt, wobei das Kupfer zu 10 Gew.-% vorgesehen wird. Die Substanzen der Stoffmischung 11 werden durch eine Kugelmühle mit Planetengetriebe, die bei hoher Geschwindigkeit betrieben wird, gemischt. Dabei entstehen auch bereits erste Magnesiumdiborid-Partikel durch Reaktion, welche dann ebenso einen Teil der Stoffmischung bilden. Es ist jedoch auch denkbar, Magnesiumdiborid-Partikel auf andere Art und Weise zuzufügen.
  • Als weitere Additive sind vorliegend Siliziumcarbid, welches die Pinningeigenschaften, das kritische Feld und weitere derartige Eigenschaften verbessert, sowie Calciumhexaborid, welches Sauerstoff bindet, vorgesehen. Mit diesen zusätzlichen Additiven wird die Stoffmischung 11 ebenso versetzt.
  • Die Stoffmischung 11 wird dann, nachdem die Kontaktflächen 6 bereits vorbereitet sind, in das untere Gehäuseteil 8 eingefüllt, wo sie dann durch Aufsetzen des Deckels 9 und Anschrauben desselben gepresst wird.
  • Die so vorbereitete Stoffmischung 11 in dem Verbindungsgehäuse 7 wird dann in einen Ofen eingebracht, in dem eine Schutzgasatmosphäre unter Überdruck vorliegt. Schutzgas strömt somit ständig an den herausgeführten Supraleitern vorbei und verhindert das Eindringen von Luft. In dem Ofen wird die Stoffmischung 11 reagiert, wobei sich aus Magnesium und Bor Magnesiumdiborid bildet. Dies kann bei einer geringeren Temperatur als üblich geschehen, da der Schmelzpunkt des Magnesiums durch die Zuführung von Kupfer abgesenkt ist, so dass beispielsweise vorgesehen sein kann, dass die Stoffmischung für 15 Minuten bei etwa 620°C im Ofen verbleibt. Der Aufheiz- und Abkühlvorgang kann dabei langsam erfolgen, um eine hieraus resultierende Degradation zu vermeiden.
  • Danach ist die Verbindungsstruktur 1 fertig gestellt.
  • 2 zeigt einen möglichen Einsatz der Verbindungsstruktur 1 zur Bildung eines Kurzschlussschalters 12 für einen supraleitenden Magneten 13. Sowohl der Kurzschlussschalter 12 als auch der Magnet 13 umfassen dabei Magnesiumdiborid-Supraleiter 2. Diese werden durch die erfindungsgemäße Verbindungsstruktur 1 verbunden. Der Magnet 13 kann dabei zunächst über eine Stromquelle 14 aufgeladen werden, solange der Supraleiter 2 des Kurzschlussschalters 12 normalleitend ist, was über eine Heizeinrichtung 15 erreicht wird. Wird dann der Kurzschlussschalter 12 wieder supraleitend, so bildet sich ein geschlossener Stromkreis und es ist ein Betrieb im „persistent mode” möglich, die Stromquelle 14 kann deaktiviert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6921865 B2 [0007]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • X. H. Lee et al., „High critical current Joint of MgB2 tapes using Mg and B powder mixture as flux”, Supercond. Sci. Technol. 21 (2008) 025017 [0008]

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur zwischen zwei Supraleitern, insbesondere Magnesiumdiborid-Supraleitern, die einen von normalleitendem Metall umschlossenen supraleitenden Kerndraht umfassen, wobei einer Stoffmischung aus Magnesium und Bor eine die Schmelztemperatur von Magnesium absenkende Substanz beigemischt wird und die freigelegten Enden der Kerndrähte in Kontakt mit der Stoffmischung gebracht werden, welche in situ bei einer der niedrigeren Schmelztemperatur entsprechenden Reaktionstemperatur zur Reaktion zu Magnesiumdiborid gebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Substanz ein Metall, insbesondere Kupfer und/oder Silber, verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz zu 1 bis 20 Gew.-%, insbesondere 10 Gew.-%, eingemischt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stoffmischung ein mechanisch legiertes Pulver verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffmischung wenigstens ein weiteres Additiv zugefügt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Additiv ein das Pinning verbesserndes und/oder die Stromtragfähigkeit erhöhendes und/oder ein das kritische Feld erhöhendes und/oder ein das Absenken der kritischen Temperatur verlangsamendes und/oder ein Sauerstoff bindendes Additiv verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Additiv ein Metall und/oder eine kohlenstoffhaltige Verbindung und/oder Kohlenstoff und/oder ein Borid verwendet wird, insbesondere SiC und/oder CaB6.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffgemisch zusätzlich Magnesiumdiborid-Partikel umfasst.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilegung der Enden der Kerndrähte durch Anschleifen erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleiter bei der Freilegung der Enden ihrer Kerndrähte positionsfixiert sind, insbesondere in wenigstens einem Teil eines Verbindungsgehäuses, in dem auch die folgende Reaktion des Magnesium und des Bor zu Magnesiumdiborid erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche an den Enden der Kerndrähte unter einem Winkel zur Querschnittsebene der Kerndrähte freigelegt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffmischung in ein Verbindungsgehäuse eingebracht wird, in das die Enden der Kerndrähte einragen.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffmischung in dem Verbindungsgehäuse gepresst wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleiter vor der Freilegung der Enden ihrer Kerndrähte in einer Wand des Verbindungsgehäuses schräg zu dieser in sie eingeführt und dort fixiert werden.
  15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reaktion die zu verbindenden Enden der Supraleiter mit der zwischen ihnen angeordneten Stoffmischung in einen Ofen eingeführt werden, in dem eine Schutzgasatmosphäre, insbesondere unter Überdruck, vorhanden ist.
  16. Struktur (1) zur Verbindung zweier Supraleiter (2), insbesondere zweier Magnesiumdiborid-Supraleiter, die einen von normalleitendem Metall (4) umschlossenen supraleitenden Kerndraht (3) umfassen, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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