DE1232287B - Supraleiteranordnung zur Abschirmung oder zum Einfang von Magnetfeldern - Google Patents

Description

• Supraleiteranordnung zur Abschirmung oder zum Einfang von Magnetfeldern Durch Bleche, Platten, Hohlzylinder und ähnliche Anordnungen aus hartem Supraleitermaterial können theoretisch sehr hohe Magnetfelder abgeschirmt oder eingefangen werden, indem durch ein äußeres Magnetfeld in den supraleitenden Körpern verlustfreie Dauerströme induktiv angeworfen. werden. Die Abschirm- oder Einfangkapazität nimmt bei fester Temperatur mit der Dicke der Körper zu. Sie wird nach oben durch den sogenannten kritischen Zustand begrenzt. Der kritische Zustand ist dadurch definiert, daß jeder makroskopische Bereich des supraleitenden Körpers die maximale oder kritische Stromdichte trägt, die vom lokalen Magnetfeld in diesem Bereich bestimmt wird.
• In der Praxis werden die bei dickeren Körpern theoretisch erwarteten hohen Abschirm- oder Einfangkapazitäten jedoch nicht erreicht. Der magnetische Fluß in einem dicken Körper aus hartem Supraleitermaterial ändert sich nämlich bei Veränderung des äußeren Magnetfeldes oft nicht stetig, sondern an bestimmten Stellen des Supraleiters sprunghaft. Es tritt der sogenannte »Flußsprungeffekt« auf. Mit diesen Flußsprüngen sind lokale Erwärmungen verbunden, die zur Zerstörung der Dauerströme in den Abschirm- oder Einfangkörpem aus hartem Supraleitermaterial führen. Der Supraleiter geht dann partiell bei verhältnismäßig niedrigen äußeren Magnetfeldem kurzzeitig in den normalleitenden Zustand über und verliert dabei seine Abschirm- bzw. Einfangwirkung.
• Die Erfindung sieht eine Anordnung mit hartem Supraleiterinaterial zur Abschirmung oder zum Einfang von Magnetfeldem vor, bei welcher der störende Einfluß der Flußsprünge ausgeschaltet ist. Die Anordnung ist daher zur Abschirmung oder zum Einfang sehr hoher Magnetfelder geeignet.
• Die Erfindung besteht darin, daß im harten Supraleitermaterial zur Verbesserung der Wärmeabfuhr gut wärmeleitendes, normalleitendes Metall in gutem Wärmekontakt angeordnet ist, derart, daß das normalleitende Metall ganz oder teilweise vom Supraleitermaterial umgeben ist.
• Durch die gut wärmeleitenden Metalle, die erfindungsgemäß in den Abschirm- oder Einfangkörpern angeordnet sind, wird eine rasche Abfuhr der bei den Flußsprüngen im Supraleitermaterial entstehenden Wärme ermöglicht. Stärkere Temperaturerhöhungen im Supraleitermaterial werden dadurch verhindert. Die normalleitenden Metalle müssen natürlich im Supraleitermaterial derart angeordnet sein, daß die Strombahnen der durch äußere Magnetfelder im Supraleitermaterial angeworfenen verlustfreien Dauerströme nicht durch normalleitendes Material unterbrochen werden.
• Als Supraleitermaterial können harte Supraleiter mit hohen kritischen Magnetfeldem Verwendung finden, etwa Legierungssupraleiter, wie beispielsweise Niob-Zirkon- oder Niob-Titan-Legierungen, oder intermetallische supraleitende Verbindungen, wie beispielsweise Niob-Zinn, Vanadium-Gallium oder Vanadium-Silizium. Als gut wärmeleitendes, normalleitendes Metall ist insbesondere Kupfer geeignet. Aber auch andere Metalle mit hoher Wärmeleitungszahl, wie beispielsweise Gold, können verwendet werden.
• Anordnungen zur Abschirmung oder zum Einfang von Magnetfeldern gemäß der Erfindung können je nach ihrem speziellen Verwendungszweck verschiedene geometrische Form besitzen. Sie können beispielsweise als ebene Platten, als HohlzyRnder oder als Zylinder mit zweifacher Bohrung ausgebildet sein, wie etwa die von Swartz und Rosner im Journal of Applied Physics, 33 (1962), S. 2292 bis 2300, beschriebene Flußpumpeinrichtung.
• Die normalleitenden Metalle können in den Anordnungen gemäß der Erfindung beispielsweise in Form von Blechen angeordnet sein. Abschirmplatten können etwa lamellenartig aus aufeinanderfolgenden Platten aus normalleitendem und supraleitendem Material aufgebaut sein, Hohlzylinder aus ineinandergestellten Hohlzylindern aus supraleitendem Material und normalleitendem Blech.
• Die normalleitenden Bleche werden vorteilhafterweise mit Schlitzen versehen, um das Auftreten von Wirbelströmen möglichst zu vermeiden.
• Für eine gute Wärmeabfuhr ist besonders günstig, die normalleitenden Bleche an einer oder mehreren Seiten der erfindungsgemäßen, Anordnung über das Supraleitennaterial überstehen zu lassen. Die so gerbildeten Kühllamellen können von einem Heliumbad gut umspült werden. Auch Rohre aus normalleitenden, gut wärineleitenden Metallen können in der Anordnung gemäß der Erfindung innerhalb des supraleitenden Materials vorgesehen sein. Durch diese Rohre- kann als Kühlflüssigkeit flüssiges Helium geleitet werden.
• Bei anderen Anordnungen gemäß der Erfindung kann das normalleitende Metall auch unregelmäßig im Supraleitermaterial verteilt sein. Beispielsweise können in Sinterkörpern aus supraleitenden intermetallischen Verbindungen die in diesen Körpern vorhandenen Poren und Hohlräume mit Kupfer oder Gold ausgefüllt sein. Dadurch wird die effektive Wärmeleitfähigkeit der Anordnung erhöht. Eine solche Anordnung des normalleitenden Metalls kann besonders bei Zylindern mit zweifacher Bohrung in Flußpumpeinrichtungen vorteilhaft sein, wenn der Einbau von normalleitenden Blechen aus geometrischeu Gründen nicht möglich oder zu schwierig ist.
• An Hand einiger Figuren und Beispiele soll die Erfindung näher erläutert werden.
• F i g. 1 zeigt schematisch im Schnitt ein Ausführungsbeispiel für eine Abschirmplatte gemäß der Erfliidung; F i g. 2 a zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Hohlzylinder gemäß der Erfindung im Querschnitt; F i g. 2 b zeigt den in F i g. 2 a dargestellten Hohlzylinder im Längsschnitt; F i g. 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Zylinder gemäß der Erfindung mit zweifacher Bohrung; F i g. 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung mit unregelmäßig verteiltem normalleitenden Metall gemäß der Erfindung.
• Die in F i g. 1 dargestellte Abschirmplatte ist aus einzelnen Schichten 11 aus hartem Supraleitermaterial aufgebaut. Zwischen diesen Schichten sind die Kupferbleche 12 angeordnet. Diese Kupferbleche sind mit Schlitzen versehen. Die Schlitze eines Bleches können dabei aus Wärineabfuhrgründen gegenüber den Schlitzen des darauffolgenden anderen Bleches räumlich versetzt sein. Die Kupferbleche stehen an den Seiten der Platte über die Platten aus Supraleitermaterial hinaus.
• Bei einer Ausführung der Abschirmplatte sind als Supraleitermaterial Bleche aus Legierungssupraleitern, etwa aus Niob-25 Zirkon, verwendet. Diese Bleche sind abwechselnd mit den Kupferblechen zu einem Stapel geschichtet. Eine feste Verbindung zwischen diesen Blechen kann durch Walzen oder durch eine Temperaturbehandlung, hergestellt werden.
• Bei einer anderen Ausführung der Abschirmplatte sind als Supraleitermaterial Sinterplatten aus supraleitenden intermetallischen Verbindungen vorgesehen, beispielsweise Sinterplatten aus Niob-Zinn. Ein guter Wärmekontakt zwischen diesen Platten und den Kupferblechen kann dadurch bewirkt werden, daß der Plattenstapel gepreßt und dabei einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Für eine gute Wärmeabfuhr ist es ausreichend, Kupferbleche zu wählen, deren Stärke mit der Dicke der supraleitenden Platten etwa im Verhältnis 1 : 1 bis 1 : 5 steht.
• Bei einer weiteren Ausführung der Abschirmplatte sind als Supraleitermaterial supraleitende Schichten auf metallischer Unterlage verwendet, beispielsweise durch Diffusion erzeugte Niob-Zinn-Schichten auf Niobblechen oder durch Gasphasenreaktionen abgeschiedene Schichten aus supraleitenden intermetallischeu Verbindungen auf geeigneten Metallunterlagen.
• Ein Hohlzylinder gemäß der Erfindung, der zur Abschirmung und zum Einfang hoher Magnetfelder geeignet ist, ist in F i g. 2 a im Querschnitt und in F i g. 2 b im Uängsschnitt dargestellt. Der Hohlzylinder besteht aus mehreren ineinandergestellten Hohlzylindern 21 aus Supraleitermaterial, die verschiedene Durchmesser besitzen. Diese Hohlzylinder können beispielsweise aus gesintertem Niob-Zinn bestehen. Dieses Material läßt sich auf der Drehbank bearbeiten. Zwischen diesen Hohlzylindern 21 sind Zy- linder 22 aus geschlitztem Kupferblech angeordnet. Durch die Schlitze werden Wirbelströme vermieden und das Einpassen der Kupferzylinder erle.-chterit. Einige dieser Schlitze sind in F i g. 2 a dargestellt und mit 23 bezeichnet. Die Abmessungen der Zylinder 21 und 22 sind so gewählt, daß die Oberflächen der Zylinder in enger Berührung stehen. Ein guter Wärmekontakt zwischen den Zylindern kann durch eine Wärmebehandlung der gesamten Anordnung erreicht werden. An einer oder an beiden Stirnflächen des Hohlzylinders ragen die Kupferzylinder über die Niob-Zinn-Zylinder hinaus, wie aus F i g. 2 b zu erkennen ist. Die Wandstärken der Niob-Zinn-Zylinder und der Kupferzylinder sind beispielsweise im Verhältnis 3: 1 gewählt. Wie bei den Abschirmplatten können auch bei Hohlzylindern als Supraleitermaterial beispielsweise supraleitende Schichten auf metallischer Unterlage vorgesehen sein.
• In F i g. 3 ist ein Zylinder mit zwei zylindrischen Bohrungen 31 und 32 dargestellt, die an einer Stelle ineinander übergehen. Ein solcher Zylinder kann nach Swartz und Rosner zur Flußkompression verwendet werden. Dabei werden Magnetfelder im supraleitenden Material eingefangen. Der Zylinder ist erfindungsgemäß aus ineinandergestellten Rohren 33 aus hartem Supraleitermaterial, etwa aus gesintertem Niob-Zinn, und zwischen diesen Rohren 33 angeordneten geschlitzten Kupferrohren 34 aufgebaut. Die über die Rohre 33 überstehenden Teile der Rohre 34 sind in F i g. 3 aufgeschnitten dargestellt. Die Kupferrohre 34 umfassen beide Bohrungen 31 und 32, wobei die im supraleitenden Material erzeugten Kreisströme nicht durch normalleitendes Material unterbrochen werden. Ein guter Wärmekontakt der eng ineinandergepaßten Rohre kann wiederum durch eine Wärmebehandlung erzielt werden.
• Ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung gemäß der Erfindung, bei welcher das gut wärmeleitende, normalleitende Metall unregelmäßig im Supraleitermaterial verteilt ist, ist in F i g. 4 dargestellt. Diese Figur zeigt teilweise im Längsschnitt einen zylindrischen Sinterkörper mit zwei Bohrungen verschiedenen Durchmessers 41 und 42. Bei 44 sind Heizdrähte durch den Körper geführt Eine solche Anordnung ist nach Elleman und Hildebrandt, Proceedings of the VII. Internat. Conference on Low Temperature Physics, London (Butterworths), 1963, S. 322, zum sukzessiven Flußpumpen geeignet. Der Sinterkörper besteht beispielsweise aus der intermetallischen Verbindung Niob-Zinn. Poren und Hohlräume 43 des Sinterkörpers sind mit normalleitendem Metall, etwa Kupfer oder Gold, ausgefüllt. Das Metall kann beispielsweise dadurch in den Sinterkörper eingebracht werden, daß man vor dem Sintern dem Sintergut normalleitendes Metall in Form von Pulver oder kleinen Drahtstücken beimischt.
• Die Anordnungen gemäß der Erfindung können auch eine andere Anzahl von Kupferblechen enthalten, als in den Figuren dargestellt ist. Die Platten oder Zylinder gemäß der Erfindung können auch oberflächlich noch mit einer Schicht gut wärmeleitenden, normalleitenden Metalls versehen sein. Eine solche Schicht kann beispielsweise aufgedampft oder elektrolytisch aufgebracht werden.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Anordnung mit hartem Supraleitermaterial zur Abschirmung oder zum Einfang von Magnetfeldern, dadurch gekennzeichnet, daß im harten Supraleitermaterial zur Verbesserung der Wärmeabfuhr gut wärmeleitendes, normalleitendes Metall in gutem Wärmekontakt angeordnet ist, derart, daß das normalleitende Metall ganz oder teilweise vom Supraleitermaterial umgeben ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Supraleitermaterial Bleche aus gut wärmeleitendem, normalleitendem Metall angeordnet sind. 3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch lamellenartigen Aufbau aus wechselweise aufeinanderfolgenden ebenen Blechen oder Platten aus supraleitendem und gut wärmeleitendem, normalleitendem MateriaL 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlzylinder aus Supraleitermaterial und gut wärmeleitendem, normalleitendem Blech wechselweise ineinander angeordnet sind. 5. Anordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die normalleitenden Bleche mit Schlitzen versehen sind. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die normalleitenden Bleche an einer oder mehreren Seiten der Anordnung über das Supraleitermaterial hinausragen. 7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Supraleitermaterial Rohre aus gut wärmeleitendem, normalleitendem Metall vorgesehen sind. 8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gut wärmeleitendes, normalleitendes Metall unregelmäßig im Supraleitermaterial verteilt ist. 9. Anordnung nach Ansprach 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sinterkörper aus Supraleitermaterial vorgesehen ist und daß die in diesem Körper vorhandenen Poren und Hohlräume mit gut wärmeleitendem, normalleitendem Metall ausgefüllt sind.