DE1194999B - Supraleitende Magnetanordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOId

Deutsche Kl.: 21g-35

Nummer: 1194 999

Aktenzeichen: W 32003 VIII c/21 g

Anmeldetag: 9. April 1962

Auslegetag: 16. Juni 1965

Die Erfindung betrifft supraleitende Vorrichtungen mit Elementen, die aus einer Verbindung des Niobium-Zirkonium-Systems bestehen.

Die Entdeckung der Supraleitfähigkeit vor etwa 50 Jahren gab sogleich Anlaß, eine Anzahl von interessanten Vorrichtungen vorzuschlagen. Eine der interessantesten dieser Vorrichtungen ist der supraleitende Magnet, dessen Betrieb von dem kontinuierlichen verlustfreien Stromfluß durch die Windungen einer parallelgeschalteten Elektromagnetanordnung abhängig ist. In einer solchen Vorrichtung gestatten die Windungen, die aus supraleitendem Material hergestellt sind und unterhalb der supraleitenden Ubergangstemperatur gehalten werden, einen ununterbrochenen Stromfluß, der zu einem begleitenden Feld führt, das von dem Strom und der Zahl der Windungen in derselben Weise wie bei einem gewöhnlichen Elektromagnet abhängt. Eine entsprechende Anordnung sieht eine Steuerschaltung außerhalb des Cryostaten vor, aber verdankt ihre Vorteile denselben supraleitenden Eigenschaften.

In der Praxis wurde ein supraleitender Magnet nur langsam entwickelt. Dies ist großenteils auf die früher beobachtete Unverträglichkeit des supraleitenden Zustandes mit den eingreifenden magnetischen Feldern zurückzuführen, wobei beobachtet wurde, daß die supraleitenden Materialien etwas unterhalb ihrer Ubergangstemperatur aufhören, als Supraleiter zu wirken, wenn sie in ein magnetisches Feld gebracht werden. Die Stärke des magnetischen Feldes, das die Supraleitfähigkeit zerstören kann, ändert sich von Material zu Material, erhöht sich mit sinkender Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur und hängt ebenso von dem Betrag und der Richtung des Stromflusses innerhalb des Supraleiters ab. Diese Größe, die auch als kritisches Feld (H_c) bezeichnet wird, stellt das stärkste Feld dar, das für die passenden Bedingungen in einer Anordnung unter Verwendung eines gegebenen supraleitenden Materials erzeugt wird. Bis vor kurzem lagen die Werte von H_c in der Größenordnung von einem oder sehr wenigen kGauß. Da Felder dieser Stärke für gewöhnlich in herkömmlichen Elektromagnetanordnungen bei einem einigermaßen niedrigen Leistungsverbrauch erzielbar sind, war wenig Anlaß gegeben, die praktischen Probleme zu lösen, um die supraleitenden Anordnungen auf den erforderlichen sehr niedrigen Temperaturen zu halten.

Kürzlich lebte das Interesse an supraleitenden Magnetanordnungen wieder auf, zumindest zum Teil auf die Erkenntnis hin, daß die sich ergebenden Felder nützlich sein können, Plasmen für die Er-Supraleitende Magnetanordnung

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,

New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

John Eugene Kunzler, Pleasant Grove, N. J.;
Bernd Teo Matthias, Berkeley Heights, N. J.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 24. April 1961 (104 991)

zeugung elektrischer Leistung zu fassen. Es wurde errechnet, daß herkömmliche Elektromagnetanordnungen, obwohl sie zweifellos fähig sind, die gewünschten Felder zu erzeugen, durch ihre Ausbildung mehr Leistung verbrauchen, als durch das Zähmen von Plasmen erzeugt werden kann.

Bedeutende neuere Entdeckungen schließen die Erkenntnis ein, daß Verbindungen des geschmeidigen, festen Systems Molybdän-Rhenium kritische Feldwerte aufweisen, die sich 20 kGauß nähern. Magnetische Anordnungen mit solchen Materialien, die zu einer Feldstärke größer als 15 kGauß führen, sind in Journal of Applied Physics, 32, S. 325, 326, beschrieben. Vor kurzem wurde entdeckt, daß die supraleitende Verbindung Nb₃Sn, wenn sie in einer bestimmten Art vorbereitet wird, hohe Ströme erzeugen kann, während sie Feldern in der Größenordnung von mindestens 100 kGauß widersteht. So auffallend diese neu entdeckten Eigenschaften des Nb₃Sn sind, verhindert die dem Material eigene Sprödigkeit die leichte Herstellung von Drahtanordnungen. Tatsächlich wurden diese überraschenden Eigenschaften bei durch Reaktion der Elemente hergestellten Materialien erst beobachtet, nachdem die Elemente pulverisiert, gemischt, in Röhren eingebracht, bis auf die gewünschten Abmessungen abgearbeitet und zu der gewünschten Gestalt geformt wurden. Stromdichten in der Größenordnung von 150 000 A/cm² und kritische Felder in der Größenordnung von 100 kGauß rechtfertigen diese Reihenfolge von Verfahrensschritten, wenn kein konkurrie-

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rendes Material vorhanden ist, das leichter zu der mehrere Drahtwicklungen aus einer Nb-Zr-Verbingewünschten Gestalt geformt werden kann. Solange dung gemäß dieser Erfindung enthält,
es keinen Grund gibt anzunehmen, daß Stromdichten F i g. 2 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwidieser Größe nicht leicht in geschmeidigeren Mate- sehen der kritischen Temperatur in ⁰K und der rialien erhalten werden können, ist Interesse an 5 Zusammensetzung des Nb-Zr-Systems in Atom-Materialien mit verbesserten mechanischen Eigen- prozentNb,

schäften vorhanden, die hohen Werten eines magne- F i g. 3 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwitischen Feldes sogar bei verringerter kritischer Strom- sehen der kritischen Stromdichte in A/cm² und der dichte widerstehen können. Während das kritische Zusammensetzung der Verbindung in Atomprozent Feld eine absolute Grenze beim stärksten Feld ist, io Nb für verschiedene Werte des angelegten Feldes und das in einer supraleitenden Spule erzeugt werden F i g. 4 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwikann, kann das Stromleitungsvermögen immer durch sehen der kritischen Stromdichte in A/cm² und dem Erhöhen lediglich des Durchmessers des verwendeten kritischen Feld in kGauß für verschiedene ZuDrahtes vergrößert werden. Andererseits kann die sammensetzungen der Verbindungen.
Zahl der Windungen eines gegebenen Durchmessers 15 Gemäß F i g. 1 ist ein ringförmiger Cryostat I mit erhöht werden. den annähernden Abmessungen von 45,7 cm äußerer

Es ist anerkannt, daß zwischen der kritischen Tem- Durchmesser, 15,2 cm innerer Durchmesser und

peratur und dem kritischen Feld eine feste Beziehung 76,2 cm Länge mit flüssigem Helium gefüllt und

besteht, wobei beobachtet wurde, daß der supra- enthält 7000 Windungen pro Zentimeter Länge der

leitende Zustand mit abnehmenden angelegten FeI- 20 Nb-Zr-Wicklung 2. Endleiter 5 und 6 treten aus der

dem in Materialien zerstört wird, die abnehmende Spule hervor. Eine nicht dargestellte Pumpeinrich-

kritische Temperaturen zeigen. Keine Abweichung tung kann an den Cryostaten angeschlossen werden,

von dieser anerkannten Beziehung wurde beim Ver- um eine Temperaturänderung entsprechend der Än-

gleich der Materialien Mo-Re und Nb₃Sn beobachtet, derung des Siedepunktes von flüssigem Helium bei

wobei das erstere eine maximale kritische Tempera- 25 verschiedenen Drücken zu gestatten, wobei die bei

tür von etwa 12° K (H_c ^ 18 kGauß) und das letz- den Versuchen verwendete Pumpeinrichtung eine

tere eine kritische Temperatur in der Größenordnung Temperaturregulierung zwischen den Werten 1,5 und

von 18° K (H_c > 100 kGauß) haben. Da die Ge- 4,2° K entsprechend dem Druckbereich von 3,6 mm

schmeidigkeit und die Bearbeitbarkeit im allgemeinen Hg bis zum atmosphärischen Druck ermöglichte,

eher charakteristisch sind für feste Lösungen als für 30 Bei den Versuchen, welche die hier wiedergegebe-

Verbindungen und nachdem kritische Temperaturen, nen gemessenen Werte ergaben, wurde eine Gleich-

die höher sind als die bei Mo-Re, nur bei Verbindun- stromquelle in Serie mit einem oder mehreren ver-

gen beobachtet wurden, schien es bis vor kurzem änderbaren Widerständen verwendet. Dadurch war es

unwahrscheinlich, daß ein geschmeidiges Material möglich, den Strom, der durch die supraleitenden

gefunden würde, dessen Wert H_c mit dem Wert von 35 Proben fließt, zu ändern und ebenso das angelegte

Nb₃Sn konkurrieren könnte. Feld einzustellen, um so die Beziehung zwischen

Im Zusammenhang mit der Erfindung wurde ent- dem kritischen Strom und dem angelegten Feld zu deckt, daß feste Lösungen des Niobium-Zirkonium- bestimmen. Im tatsächlichen Betrieb kann eine Elek-Systems, obwohl sie eine niedrigere maximale Tem- tromagnetanordnung nach Fig. 1 Widerstandsverperarur als die des Mo-Re-Systems aufweisen, FeI- 40 luste vermeiden und eine kontinuierliche Gleichdern in der Größenordnung von 90 kGauß und mehr stromquelle durch die Verwendung einer Anordnung widerstehen können, während sie sich in supra- zum Parallelschalten des Stromes überflüssig machen, leitendem Zustand befinden. Während das Strom- Bekannte Schaltungen und gewisse neue Vorrichtunleitungsvermögen von Materialien des Nb-Zr-Systems gen sind hierzu in Verbindung mit der Erfindung verbedeutend niedriger ist als bei Nb₃Sn, wird die 45 wendbar. Jede der beiden Techniken hat ihre Vor-Schutzhülle, die beim Vorbereiten der Drahtanord- teile. Wenn das magnetische Feld während des Benungen des bekannten Materials verwendet wird, triebes verändert werden soll, ist es notwendig, eine vermieden, wodurch das vergleichsweise Strom- kontinuierliche Gleichstromquelle zusammen mit leitungsvermögen des neuen Materials erhöht wird. einem veränderbaren Widerstand oder anderen Regu-Bis jetzt durchgeführte Untersuchungen führten zu 50 liereinrichtungen zu verwenden. Wenn ein konstantes kritischen Stromdichten in der Größenordnung von Feld benötigt wird, wird die höchste Wirksamkeit 2 · 10⁴ A/cm² und mehr. durch Verwendung eines Shuntes erreicht. Wenn

Wie bemerkt wurde, sind die Verbindungen nach außerordentlich hohe Stromdichten verwendet werder Erfindung feste Lösungen des Systems Nb—Zr. den sollen, wird es wegen der großen Wärmeverluste Obwohl diese Materialien einen fast vollkommenen 55 undurchführbar, eine kontinuierliche Gleichstrom-Bereich von Löslichkeit für die Zwecke der Erfin- quelle und anders ausgelegte Schaltungen zu verdung und aus den hier besprochenen Gründen zei- wenden.

gen, ist der Zusammensetzungsbereich zwischen den Die Werte in F i g. 2 sind durch die übliche Fluß-Verbindungen 10% Nb—90% Zr und 90% Nb— ausschlußmethode erhalten worden, der Messungen 10% Zr (in Atomprozent) besonders wichtig. Wenn 60 zugrunde liegen, die mit einem ballistischen Galvanonachstehend auf eine Verbindung des Nb-Zr-Systems meter über ein Paar Sekundärspulen gemacht wur-Bezug genommen ist, soll irgendeine Verbindung den, die elektrisch in Serie gegeneinandergeschaltet zwischen den beiden bezeichneten Lösungen gemeint sind und beide in Primärspulen angeordnet sind, sein. Nach dieser Methode wird die Probe in einer der

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung 65 Spulen angeordnet und die Primärseite wird durch

sind in den Zeichnungen dargestellt, und zwar ist eine Unterbrecherschaltung mit z. B. 6 V und 10 mA

F i g. 1 ein Schnitt durch eine magnetische An- gespult. Eine einzelne Primärspule mit einem Luftordnung mit einem ringförmigen Cryostaten, der kern oder mit einem nicht supraleitenden Material

zeigt eine sich mit der Zeit ändernde induzierte Spannung gemäß der Durchdringung des Flusses. Eine Spule, die ein supraleitendes Material enthält, zeigt keine solche Änderung, soweit der Fluß durch den Supraleiter ausgeschlossen ist. Eine von Null abweichende Galvanometeranzeige wird in einer gegebenen Richtung erhalten, wenn die Probe, die in einer der Sekundärspulen angeordnet ist, supraleitend ist. Das besondere verwendete Galvanometer war so ausgebildet, daß es über eine Periode von etwa einer Sekunde integrierte — ein Intervall, das ausreichend ist, um eine vollkommene Durchdringung eines nicht supraleitenden Materials, das in einer Sekundärspule angeordnet ist, sicherzustellen. Solche Ablesungen werden für jede der etwa zwölf Proben bei nacheinander höheren Temperaturen wiederholt, und somit wurde eine Nullanzeige erreicht, um die vollkommene Flußdurchdringung und das Zusammenbrechen des supraleitenden Zustandes anzuzeigen. Die Messungen der kritischen Temperatur nach F i g. 2 entsprechen der höchsten Temperatur, bei der eine von Null abweichende Anzeige des Galvanometers beobachtet wurde.

Zu F i g. 2 ist zu bemerken, daß die höchste kritische Temperatur für das Nb-Zr-System bei etwa 11,6⁰K für eine Verbindung, die etwa 60 bis 80% Niobium enthält, liegt. Die Werte der kritischen Temperatur bei den den Bereich begrenzenden Verbindungen 10 % Nb — 90 Vo Zr, 90 % Nb —10 % Zr betragen etwa 7,7 bzw. 10,5° K.

Die Kurven der F i g. 3 und 4 wurden nach Werten gezeichnet, die in folgender Weise gemessen wurden: Eine Probe von 0,012 · 0,304 · 2,22 cm wurde von einem bearbeiteten oder unbearbeiteten Körper abgeschnitten, Kupferstromleiter wurden an den Enden der Probe angebracht, und Kupferspannungsleiter wurden etwa 0,635 cm von den Enden befestigt, so daß sie etwa 0,95 cm auseinanderliegen. Die Probe wurde dann in einen Cryostaten gebracht, der flüssiges Helium enthält, und wurde so in einem Elektromagneten angeordnet, daß die Hauptachse der Probe senkrecht zu der Achse des Kerns des Elektromagneten lag. Die Leiter wurden aus dem Cryostaten herausgeführt. Die Stromleiter wurden an eine 6-V-Gleichspannungsquelle über einen veränderbaren Widerstand angeschlossen. Die Spannungsleiter wurden mit dem Eingang eines Liston-Becker-Gleichstromverstärkers verbunden, dessen Ausgang an einen H-Speedomax-Recorder von Leeds und N ο r t h u ρ angelegt wurde.

Zwei Bezugstemperaturen waren in dem Cryostaten vorhanden, und Messungen wurden bei der einen oder der anderen oder bei beiden Temperaturen ausgeführt. Die erste Temperatur von 4,2° K entspricht dem Siedepunkt des flüssigen Heliums bei atmosphärischem Druck. Der zweite Punkt von 1,5° K wurde durch Aufrechterhalten eines Unterdruckes von etwa 3,6 mm Hg über der Heliumoberfläche erhalten. Der kritische Strom für verschiedene Werte des kritischen Feldes wurde bestimmt durch Auswählen eines gewünschten Feldwertes und Erhöhen des durch die Proben fließenden Stromes durch Einstellen des veränderbaren Widerstandes, bis ein meßbarer Spannungsabfall in der Größenordnung von einigen hundertstel eines Mikrovolts beobachtet wurde. Der Elektromagnet und die Schaltung begrenzen die Messungen bei einem Maximalfeld von 88kGauß und Maximalströmen von etwas unter 35 A. Der kritische Strom wurde gewöhnlich für etwa zehn verschiedene Werte des kritischen Feldes gemessen.

Die Ordinaten der F i g. 3 und 4 geben die kritische Stromdichte in A/cm² an. Dies ist der Parameter, der gewöhnlich beim Bestimmen des Stromleitungsvermögens einer supraleitenden Probe verwendet wird. Er wird errechnet durch Dividieren des gemessenen Stromes durch die Querschnittsfläche. Natürlich ist berücksichtigt, daß diese Berechnung eine stromleitende Anordnung voraussetzt, die, wenn sie auch genau zum Vergleichen der Messungen ist, die hier alle bei Proben mit ungefähr gleichem Querschnitt gemacht wurden, doch nicht eine genaue Grundlage zum Vergleichen von Proben mit sich ändernder Querschnittsfläche ist. Unbearbeitete Materialien des Nb-Zr-Systems können Eigenschaften zeigen, die der »weichen« Supraleitfähigkeit nahekommen, d. h., es kann erwartet werden, daß der Strom, der durch solche Materialien fließt, auf eine sehr dünne Schale beschränkt ist, die eine Dicke gleich der Eindringungstiefe hat, die sich um die ganze Fläche der Anordnung erstreckt. Auf der anderen Seite zeigt die Tatsache, daß der kritische Strom nach Bearbeitung (F i g. 4) stark ansteigt, daß das Material einige der Eigenschaften eines »harten« Supraleiters annimmt und daß der Stromfluß zumindest teilweise fadenförmig ist. Es ist durch Versuche an verschiedenen Systemen beobachtet worden, daß der kritische Strom eines »harten« Supraleiters mehr oder weniger direkt mit der Querschnittsfläche ansteigt, während er bei einem »weichen« Supraleiter in einer ersten Näherung mit dem Durchmesser ansteigt. Der Wert, der für die bearbeiteten Nb-Zr-Materialien angegeben ist, entspricht den Werten der Stromdichte, die bei Nb-Zr-Drähten irgendeines Querschnitts erhalten werden können unter der Voraussetzung des gleichen Bearbeitungsgrades. Wenn aus einem bestimmten Grund der für die unbearbeiteten Nb-Zr-Materialien angegebene Wert als Entwurf kriterium dienen soll, sollten die angegebenen Mengen in Übereinstimmung mit dem Umfang des Qerschnitts eingestellt werden.

Eine der Kurven in F i g. 3 gibt die Änderung der kritischen Stromdichte mit der Zusammensetzung für ein unbearbeitetes Material (67% Nb, 33% Zr) an, während die restlichen drei Kurven die gleiche Beziehung für bearbeitete Materialien der angegebenen Verbindung zeigen. Jede der bearbeiteten Proben wurde mittels Walzen in die endgültigen Abmessungen kalt bearbeitet, wobei der Grad des Walzens so gewählt war, daß sich eine 90%ige Reduzierung ergab.

Für die Zwecke der Erfindung wird durch Kaltbearbeiten oder Reduzieren beabsichtigt, eine Reduzierung von mindestens 60% zu erhalten. Da sich jedoch die Zahl der Fäden mit erhöhter Reduzierung vergrößert, ist es gewöhnlich wünschenswert, den maximal möglichen Betrag der Bearbeitung auszuführen. Materialien des Nb-Zr-Systems werden leicht auf 90 % oder mehr reduziert, und diese Figur stellt einen minimalen bevorzugten Bearbeitungsgrad für die Zwecke der Erfindung dar. Diese Begrenzungen werden errechnet auf der üblichen metallurgischen Basis, d. h.

Ursprüngliche Querschnittsfläche— endgültige Querschnittsfläche Ursprüngliche Querschnittsfläche

100%.

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Wie in F i g. 3 angegeben ist, sind die kritischen Durchmesser und 0,952 cm in der Höhe. Mittels eines Stromwerte für drei verschiedene Werte des angeleg- Schleifrades wurde der Knopf zuerst in zwei HaIbten Feldes eingezeichnet: 30, 60 und 88 kGauß. Die kreise geschnitten, wonach eine Scheibe von etwa einzelne Kurve für die unbearbeiteten Proben ist für 0,038 cm Dicke parallel zu dem anfänglichen Schnitt Messungen aufgezeichnet, die bei dem größten Feld- 5 abgenommen wurde. Stangen von 0,038 · 0,038 cm wert von 88 kGauß gemacht wurden. Die Kurven- Querschnitt und einer Länge gleich dem Durchmesformen dieser Figur sind interessant, da sie eine Rieh- ser wurden von der Scheibe abgeschnitten. Der Rest rung angeben. Aus den aufgezeigten Werten kann des Halbkreises, von dem die halbe Scheibe abgeersehen werden, daß die Beziehung zwischen der kri- schnitten wurde, wurde zu einem Streifen von etwa tischen Temperatur (Fig.2) und dem kritischen io 1,9cm Breite und 1,9cm Länge gewalzt (etwa 97% Strom (Fig.3) nicht direkt ist. Es ist auch zu be- Reduzierung). Ein Elektrodenkontakt, der, wie oben merken, daß eine leichte Verschiebung der Lage der beschrieben, im Abstand angeordnet ist, wurde unter Spitzenstromdichte für verschiedene Werte von H Verwendung von Ultraschallöten oder -schweißen, stattfindet. Eine Abweichung in der Kurvenform ist abhängig von der Verbindung, hergestellt,
zweifellos teilweise auf die Abhängigkeit des Grades 15 Es ist zu berücksichtigen, daß das Wesentliche nach der Kaltbearbeitung von der Zusammensetzung zu- der Erfindung von der Entdeckung ausgeht, daß rückzuführen, wobei zu erwarten ist, daß, obwohl die Materialien des Nb-Zr-Systems kritische Feldwerte Theorie nicht verläßlich ist, innerhalb des Nb-Zr- zeigen, die wesentlich größer sind, als es auf der Systems das maximale kritische Feld und der maxi- Basis der kritischen Temperatur erwartet werden male, kritische Strom bei der Verbindung mit der 20 konnte. Demgemäß wurde gezeigt, daß ein weiter Bemaximalen kritischen Temperatur übereinstimmen reich der Nb-Zr-Materialien, obwohl er eine maxi- und sich eine identische physikalische Form ergibt. male kritische Temperatur von etwa 11,6° K im Ver-Die Kurven der Fig.4 geben die charakteristische gleich zu gut über 12°K für Mo-Re aufweist, kri-Änderung des kritischen Stromes in Abhängigkeit tische Feldwerte von 88 kGauß und mehr im Vervom kritischen Feld für verschiedene Verbindungen 25 gleich zu einem Maximum in der Größenordnung von des Nb-Zr-Systems an, und zwar für 67% Nb— weniger als 20 kGauß für das bekannte Material zeigt. 33 % Zr bei einer unbearbeiteten Probe und für bear- Alle Werte, die in den Figuren oder anderswo dargebeitete Proben der Verbindungen 25% Nb—75% Zr, stellt sind, haben hauptsächlich Bedeutung, um zu 50 % Nb — 50 % Zr und 67 % Nb — 33 % Zr. Alle zeigen, daß alle Nb-Zr-Materialien innerhalb des wei-Kurven sind bei 1,5° K aufgenommen worden. Zum 30 ten Zusammensetzungsbereiches 10% Nb — 90% Zr Vergleich ist eine 4,2° K-Kurve für das 50% Nb — und 90 % Nb —10 % Zr unverhältnismäßig hohe kri-50% Zr bearbeitete Material dargestellt. tische Felder aufweisen. Ein bevorzugter Bereich von

Da die hier verwendeten Materialien nicht leicht 20% Nb — 80% Zr bis 80% Nb — 20% Zr hat erhältlich sind, wird ein geeignetes Verfahren für ihre einen Wert H_c von mindestens 88 kGauß. Ein noch Darstellung, welches bei den beschriebenen Ver- 35 mehr bevorzugter Bereich von 40 bis 80% Nb ist suchen angewendet wurde, erläutert. durch die Werte in den Figuren angegeben. Wenn ein

•^ „ ,,.„„,, . , maximaler Strom erwünscht ist, wird dies am besten

Darstellung des Nb-Zr-Matenals ^ _{einen Berdch von 60 big 70 o/o m erreicht}

Die gewünschten Mengen der elementaren Mate- Die weiteren Verbindungsgrenzen von 10 bis

rialien werden ausgewogen und in einem Knopf- 40 90% Nb basieren auf Untersuchungen, die den mini-

schweißlichtbogenofen unter Schutzgas geschmolzen. malsten Bedarf an Legierungsbestandteilen zum Her-

Der verwendete Apparat besteht aus einem wasserge- stellen einer wesentlichen Abweichung von den supra-

kühlten Kupferherd mit einer halbkugelförmigen Ver- leitenden Eigenschaften des reinen Elements gezeigt

tiefung von 1,9 cm Durchmesser. Die Vertiefung zu- haben. Demgemäß führt ein Zusatz von wesentlich

sammen mit dem Inhalt arbeitet als erste Elektrode. 45 weniger als etwa 10% Zr oder Nb zu einer Lösung,

Eine zweite nicht fest angebrachte Elektrode, die die Eigenschaften aufweist, die mehr denen des rei-

auch wassergekühlt und z. B. aus Wolfram hergestellt nen Nb ähneln, und die keine Werte von H_c zuläßt,

ist, wird im Abstand von der Oberfläche des Inhalts die wesentlich höher sind als die des Elements. Die

der Vertiefung (0,635 cm wurden als geeignet gefun- Angabe der kritischen Temperatur nach F i g. 2 zeigt,

den) angeordnet. Ein Lichtbogen wird durch einen 50 daß alle in den weiten Bereich eingeschlossenen Ver-

Hochfrequenzstrom (0,5MHz oder mehr) gezogen bindungen bedeutende supraleitende Eigenschaften

und durch eine Gleichspannung gehalten, die aus- haben. Bevorzugte Bereiche basieren großenteils auf

reichend ist, um das Schmelzen herbeizuführen. Bei den Angaben der F i g. 3 und 4. Diese Bereiche be-

einer Gesamtcharge von 10 g ergab eine Spannung grenzen jene Legierungsverbindungen, die als höchst

von 40 V bei einem Abstand von 0,635 cm einen 55 wünschenswert vom Standpunkt des maximal zuläs-

Strom von etwa 300A, der ausreichte, um das sigen Feldes und/oder maximal zulässigen Stromes

Schmelzen in einer Zeitspanne von etwa 10 bis angesehen werden.

15 Sekunden zu erreichen. Da das Schmelzen an der Obwohl im Vergleich zu Nb₃Sn nur ein beschrie-

Innenwand zwischen dem Inhalt und dem wasserge- benes Material Werte von H_c in dessen Größenord-

kühlten Tiegel verhindert wird, wird eine Homogeni- 60 nung zeigt, sind die neuen Materialien durch viel

sierung nur durch Umdrehen der Charge und mehr- niedrigere maximale kritische Ströme begrenzt. Die

maliges Wiederholen des Verfahrens herbeigeführt. Materialien des Nb-Zr-Systems sind dadurch vorteil-

Fünf oder sechs Wiederholungen haben sich bei den haft, daß sie gewalzt und anderweitig bearbeitet wer-

Versuchen als ausreichend herausgestellt. den können, um Drahtformen durch übliche

Das folgende Verfahren wurde beim Vorbereiten 65 metallurgische Verfahren zu erhalten,

der Proben für das Messen angewendet: Im Hinblick auf die Vergleiche, die mit dem ge-

Bei der Verwendung einer Gesamtcharge von etwa schmeidigen Material Mo-Re und dem spröden

10 g betrugen die Knopfabmessungen etwa 1,9 cm im Material Nb₃Sn angestellt worden sind, besteht das

Wesentliche der Erfindung in der Ausbildung von supraleitenden Magneten in Drahtausführung in der Weise, daß sie zu einem Feld führen, das höher als das des bekannten Mo-Re-Systems ist. Bei supraleitenden Magneten sowie in üblichen Elektromagneten ist die Feldstärke H abhängig von der Zahl der Windungen und dem Strom nach der Beziehung:

H =

4π ni
10/

■& 1,26 Ni,

H = Feldstärke in Gauß,
η = Zahl der Windungen,

i = Strom in Ampere, _lg

/ = Länge in Zentimeter und

N -— = Windungen pro Zentimeter sind.

Obwohl die Erfindung an Hand des Nb-Zr-Systems so allein beschrieben ist, kann dieses Material mit anderen Materialien, die supraleitende feste Lösungen und Verbindungen enthalten, legiert werden, um eine gewünschte Änderung der Eigenschaften zu erhalten.

Die Ansprüche beziehen sich auf das Produkt Ni, das erforderlich ist, um ein Feld von etwa 30 kGauß oder mehr zu erzielen, und es kann angenommen werden, daß es sich hierbei um den niedrigsten Wert gemäß der Erfindung handelt. Die spezielleren Ansprüche beziehen sich auf ein Produkt Ni, das erforderlich ist, um ein Feld von wenigstens 60 kGauß zu erzeugen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Supraleitende Magnetanordnung mit einer Mehrzahl von Windungen aus supraleitendem Material, mit Einrichtungen zum Halten des Materials auf einer Temperatur, die mindestens so niedrig wie seine kritische Temperatur ist, und mit Einrichtungen, um den Windungen einen Strom zuzuführen, wobei der Strom so groß ist, daß ein Feld von mindestens 30 kGauß erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine feste Lösung des Niobium-Zirkonium-Systems mit 10 bis 90 Atomprozent Niobium und dem Rest Zirkonium enthält.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material 20 bis 80 Atomprozent Niobium und den Rest Zirkonium enthält.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material 40 bis 80 Atomprozent Niobium und den Rest Zirkonium enthält.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material 60 bis 70 Atomprozent Niobium und den Rest Zirkonium enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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