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Die Erfindung betrifft einen supraleitfähigen Körper nach der Schwamm-Modell-Vorstellung
mit Adern oder Fasern, deren Dicke kleiner als die Eindringtiefe des magnetischen
Flusses ist.
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Als Supraleitung wird die Leitung eines elektrischen Stromes in gewissen,
bis unter eine für Supraleiter charakteristische, kritische Temperatur T, abgekühlten
Materialien bezeichnet, von denen dem fließenden Strom kein Widerstand entgegengesetzt
wird. Ein Strom wird in einem S-leitenden Material genauso wie in einem N-leitenden
Material dadurch induziert, daß das Material einem magnetischen Feld ausgesetzt
wird. Während der Strom in dem N-leitenden Material infolge einer Freisetzung von
Wärme aufgezehrt wird, fließt er in einem S-leitenden Material theoretisch unendlich
lange Zeit weiter, nämlich so lange, wie sich das Material unter der kritischen
Temperatur befindet und das Feld unter dem Wert einer kritischen Feldstärke H, bleibt,
und wird daher als »suprageleiteter Strom« bezeichnet, damit er sich von den gewöhnlichen,
in normalen Leitern oder Supraleitern bei Temperaturen oberhalb der kritischen Temperatur
geleiteten Ströme unterscheidet. Wenn das S-leitende Material einem Magnetfeld oberhalb
der kritischen Temperatur T, ausgesetzt wird, klingen die induzierten Ströme ab;
gleichzeitig durchdringt das Magnetfeld die Masse des Materials. Wenn die Temperatur
genügend weit unter die kritische Temperatur T, gesenkt wird, wobei der genaue Betrag
von der Stärke des Feldes abhängt, und wenn das Magnetfeld nicht zu stark ist, tritt
plötzlich ein suprageleiteter Strom auf, der das magnetische Feld hinaustreibt.
Wenn das Magnetfeld fast ganz aus dem- Körper hinausgetrieben wird, bezeichnet man
den Supraleiter als »weich«; der endgültige Strom und die Gestalt des Feldes sind
dann gerade derart, als wenn das Magnetfeld bei einer Temperatur unterhalb der kritischen
Temperatur T, aufgeprägt wäre. Wenn ein beträchtlicher Anteil des Magnetfeldes innerhalb
des Materials eingefangen und nicht hinausgetrieben wird, ist der Supraleiter »hart«.
Die Magnetfelder können von einem weichen Supraleiter nur eingefangen werden, wenn
eine mehrfach zusammenhängende geometrische Form, z. B. ein Ring vorliegt, durch
den das eingefangene Feld hindurchgehen kann, aus dem es aber nicht außer durch
eine Bewegung durch den Körper des Supraleiters, die nicht gestattet ist, entweichen
kann. Die im Körper eines harten S-Leiters eingefangenen Magnetfelder ergeben sich
aus der eigentümlichen, mehrfach zusammenhängenden Form der harten S-Leiter. Diese
Stoffe enthalten innere S-leitende Ringe, deren Eigenschaften sich von der Masse
des Materials unterscheiden, so daß die Magnetfelder wie in einem Ring eines weichen
S-Leiters eingefangen werden können.
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Die Bezeichnungen »hart« und »weich« für Supraleiter beziehen sich
ursprünglich prinzipiell auf diese physikalischen Eigenschaften der Stoffe. Diese
Bezeichnungen werden jedoch gewöhnlich für magnetische Eigenschaften benutzt, obgleich
häufig eine Beziehung zwischen der physikalischen und magnetischen Härte und Weichheit
besteht. Als harter S-leitender Körper sei ein Körper bezeichnet, der infolge seiner
Zusammensetzung und/oder geometrischen Form bei Anlegung eines Magnetfeldes bei
Temperaturen unterhalb der kritischen Temperatur T, einen magnetischen Fluß eingefangen
hält, der also magnetisch bleibt, selbst wenn das angelegte Magnetfeld entfernt
ist. Dieser sogenannte eingefangene Fluß rührt tatsächlich von den bleibenden suprageleiteten
Strömen her, die durch das angelegte Magnetfeld im supraleitenden Körper erzeugt
sind. Wegen des eingefangenen Flusses sind in einem harten S-leitenden Körper irreversible
magnetische Effekte vorhanden. Ein wenig anders ausgedrückt, zeigt ein harter S-leitender
Körper eine magnetische Hysteresis, wenn er einem äußeren periodisch umgepolten
Magnetfeld ausgesetzt wird.
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Im Gegensatz hierzu sind weiche, S-leitende Körper aus Stoffen zusammengesetzt,
die nicht in der ihnen eigentümlichen Weise magnetisch hart sind und nur eine einfach
zusammenhängende Oberfläche aufweisen. Wenn ein weiches S-leitendes Material in
massiver Form ausgebildet wird, die durch Verzerrung einer Kugel abgeleitet werden
kann und der S-leitende Körper weich ist, fängt dieser nahezu keinen Fluß ein. Wenn
das weiche Material andererseits zu einem Ring ausgebildet ist, kann der sich ergebende
S-leitende Körper den Fluß durch den Ring einfangen. Wenn dasselbe weiche Material
zu einem Draht- oder Fadennetz mit vielen unter sich zusammenhängenden Ringen ausgebildet
ist, kann es den Fluß in dem gesamten Rauminhalt des Drahtnetzes einfangen und gleicht
einem harten S-Leiter.
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In der vorangehenden Erörterung ist auf einen Faktor nicht Bezug genommen,
der bis zu einem gewissen Grad für die mangelnde Anwendung S-leitender Körper verantwortlich
ist, bei der der eingefangene magnetische Fluß das gesuchte Element ist. Dieser
Faktor ist der Betrag des suprageleiteten Stroms und der gleichzeitig erhältliche,
eingefangene Magnetfluß. Das aufgeprägte Magnetfeld, dem ein S-leitender Körper
unterworfen ist, beginnt die Haut oder Oberfläche des Körpers zu durchdringen und
erzeugt unmittelbar einen suprageleiteten Strom, der ein weiteres Eindringen in
den Körper verhindert. Diese Erscheinung ist als Meißner-Effekt bekannt. Die Eindringtiefe
des Flusses, die im Hinblick auf den Meißner-Effekt möglich sein soll, ist nach
der Theorie von F. und H. L o n d o n etwa gesteigert, die feststellt, daß das Maß
der Eindringtiefe des Flusses ein Faktor der Stromdichte ist. Die Londonsche Theorie
betrachtet Stromdichten in einem massiven S-Leiter, deren Größe von außen in den
Innenraum des Körpers hinein abnimmt. Das Ergebnis besteht darin, daß die Eindringtiefe
des Flusses in einen vorgegebenen S-leitenden Stoff durch die Londonsche Eindringtiefe
;. gegeben ist. Da die Eindringtiefe A, jedoch überaus klein ist und z. B. weniger
als etwa 1000 A bei den besten Materialien beträgt, kann die Größe des in
massiven S-leitenden Körpern eingefangenen Flusses nicht verbessert werden. Durch
eine Zunahme des aufgeprägten Magnetfeldes wird die Grenze nicht erweitert, die
durch die kritische Feldstärke H, festgelegt ist, das eine Bildung eines kritischen
Stroms 1, in der Oberfläche des Supraleiters ergibt und ihn normalerweise in den
N-leitenden Zustand treibt.
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Wie man herausgefunden hat, besitzen harte S-leitende Körper höhere
kritische Feldstärken H, als weiche; diese Aussage unterstützt die Annahme, daß
die höheren kritischen Feldstärken und somit die höheren Stromdichten Beweise für
die Mikrostruktur der harten S-leitenden Körper sind. Insbesondere sollen die magnetischen
Eigenschaften von Supraleitern mit einer hohen kritischen Feldstärke davon
herrühren,
daß ein feines Draht- oder Fadennetz vorhanden ist, das die Körper durchdringt.
Ein solches Netz liefert den notwendigen, äußerst vielfältigen Zusammenhang und
erklärt das Einfangen des Flusses. Da die Drähte oder Fäden dünner als die Eindringtiefe
in die Grobstruktur eines S-leitenden Körpers sind, bleiben sie beim Vorhandensein
von außen aufgeprägter Magnetfelder S-leitend, die die kritische Feldstärke des
massiven S-leitenden Körpers übersteigen, wodurch die höhere kritische Feldstärke
erklärt ist. Somit wird natürlich die kritische Stromdichte J, vergrößert, so daß
größere Ströme in den Körpern verlustlos fließen können.
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Wie man annimmt, unterscheidet sich das Eindringen des Flusses in
mehrfach zusammenhängende drahtartige fadenförmige Körper dadurch von demjenigen
für massive Supraleiter, daß der Fluß über größere Strecken in das Innere eindringt.
Diese Beziehung läßt sich durch die Gleichung ausdrücken: d = 5 H/2 R,
- J" worin d die Eindringtiefe in Zentimeter, H das aufgeprägte Magnetfeld
und J, die maximale, mikroskopische, S-leitende Stromdichte in dem zusammengesetzten
Material ist. Der Wert d kann mehrere Zentimeter betragen. Die beweisenden Ergebnisse
dieser allgemeinen Auffassung bestehen darin, daß die Magnetisierung eines netzartigen
Supraleiters von den mikroskopischen Abmessungen der Probe abhängt, falls diese
nicht den Wert d übersteigt; dies ist ein Merkmal, das der bisherigen Auffassung
widerspricht und darin besteht, daß also das Vermögen zur Stromaufnahme der draht-
oder fadenförmigen Supraleiter weit vergrößert ist, weil sich die Ströme über eine
Materialschicht mit einer maximalen Dicke d und nicht über den weit kleineren Abstand
A. erstrecken, der für weiche massive Supraleiter charakteristisch ist. Die zuvor
angegebene Beziehung kann auch durch die Dicke eines supraleitenden Fadens oder
Drahtes festgelegt werden. Die Eindringtiefe des Flusses in einen solchen Körper
nimmt mit abnehmender Faden- oder Drahtdicke oder abnehmendem Drahtdurchmesser zu.
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Diese Beziehung kann durch die Gleichung ausgedrückt werden:
A = AL (Eo/D)#worin A, die Eindringtiefe, AL die Londonsche Eindringtiefe
E., die zusammenhängende Strecke, die im Bereich von etwa 1000 bis 10 000 A liegt,
und D die Dicke des supraleitenden Fadens oder Drahtes ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen supraleitfähigen Körper
zu schaffen, der schon bei Feldstärken bzw. Strömen supraleitend ist, bei denen
normalerweise eine Supraleitfähigkeit noch nicht auftritt. Außerdem soll das Stromaufnahmevermögen
des Körpers im supraleitenden Zustand wesentlich vergrößert werden.
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Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß in ein weder
metallisches noch supraleitfähiges poröses Material ein netzförmiges Gebilde aus
supraleitfähigem Material eingebettet ist.
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Diese supraleitfähigen Körper gemäß der Erfindung haben die Eigenschaften
harter Supraleiter, enthalten aber Filme aus S-leitendem Material, die in nichtleitenden
Elementen oder porösen Materialien angeordnet oder von diesen abgestützt sind. Diese
Körper haben die einzigartigen Eigenschaften einer hohen kritischen Feldstärke,
während andere Körper eine hohe kritische Temperatur aufweisen, in denen Faden-
oder Drahtnetze aus supraleitfähigem Material enthalten sind, die in den nichtleitenden
Gefügen oder Materialien verteilt sind. Bei diesen Drähten oder den supraleitenden
Filmen übersteigt die Dicke also die kleinste Dimension nicht die Eindringtiefe
A. des magnetischen Flusses und ist vorzugsweise im größten Teil der S-leitenden
Vorrichtung beträchtlich geringer als dieser Wert. Wie man gefunden hat, soll zur
Erzielung der besten Ergebnisse und der größten kritischen Feldstärke die Dicke
dieser Filme und der einzelnen Fäden, aus denen das netzförmige Gebilde zusammengesetzt
ist, in der Größenordnung von 500 A oder weniger liegen.
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Ferner kann als supraleitfähiger Körper gemäß der Erfindung ein poröser
keramischer Körper verwendet werden, der die zuvor genannte spezielle Vorschrift
erfüllt.
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Bei einer anderen Ausführungsform wird der keramische Körper oder
das Grundgefüge als poröses, zusammenhängendes Netzwerk ausgebildet, bei dem der
Durchmesser oder die Dicke der Poren geringer als die Londonschen Eindringtiefen
A, für ein S-leitendes Material ist, das das poröse Netzwerk ausfüllt. Innerhalb
des Porennetzwerkes wird dann ein S-leitendes Material niedergeschlagen, so daß
ein S-leitendes Fadennetzwerk entsteht; die gesamte Anordnung wird dann bis auf
eine Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur T, des Supraleiters abgekühlt.
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Der keramische Körper kann im allgemeinen durch harzartige oder Kunststoffkörper
und anorganische, nichtleitende Körper ersetzt werden, die zusammenhängende Poren
aufweisen, in denen ein S-leitendes Material niedergeschlagen, ausgebildet oder
anderweitig vorgesehen werden kann, damit die notwendigen netzförmigen Gebilde entstehen.
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Wenn der mittlere Querschnitt der Poren des porösen Körpers größer
als 500 bis 1.000 A ist, können die Poren nur teilweise dadurch ausgefüllt
werden, daß die die Poren bildenden Wände mit dem S-leitenden Material bedeckt oder
ausgekleidet werden, damit die kritische Querschnitts- oder Dickenabmessung in der
zuvor beschriebenen Weise begrenzt ist. Dieselben isolierenden Materialien können
bei der Konstruktion, beim Aufbau oder bei der Ausbildung lamellierter Körper einschließlich
der bereits genannten supraleitenden Filme verwendet werden; es wird aber kein Vorteil
durch Verwendung eines porösen Materials zur Isolierung dieser Filme erzielt. Diese
Körper gemäß der Erfindung werden in verschiedenen Formen und Größen hergestellt,
um die verschiedenen Erfordernisse beim Gebrauch zu erfüllen. Um bei diesen Körpern
eine möglichst hohe kritische Feldstärke zu erhalten, braucht die Zahl der Lamellen
der supraleitfähigen Filme nicht weit über die Eindringtiefe A hinaus vervielfacht
bzw. die Eindringtiefe des S-leitenden Fadennetzwerkes in dem zusammengesetzten
Körper nicht über diesen Wert hinaus gesteigert zu werden. Prüfungsergebnisse haben
die Annahme bestätigt, die in der zuvor beschriebenen allgemeinen Auffassung implizit
enthalten ist, daß nämlich die Eigenschaften dieser Körper durch Oberflächenabschnitte
der Filme und Fadenkonstruktionen hervorgerufen werden oder diesen zugeschrieben
werden können, und daß eine ziemlich geringe zusätzliche Verbesserung dieser Eigenschaften
einfach
dadurch erhalten werden kann, daß der S-leitende Film oder die Menge an Fäden über
die kritische Abmessung d hinaus verdoppelt, verdreifacht oder sogar weiter vervielfacht
wird.
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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt.
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F i g. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines zusammengesetzten
Körpers, der eine Konstruktion aus lamellierten Filmen enthält; F i g. 2 ist ein
Querschnitt durch einen Teil des Körpers der F i g. 1 und zeigt Abschnitte der verschachtelten,
hohlen, zylindrischen, S-leitenden Filme und das Stützgerüst aus nichtleitendem
Material; F i g. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen zusammengesetzten
Körpers gemäß der Erfindung, bei dem ein supraleitendes Material als oberflächiges,
zusammenhängendes Fadennetzwerk in einem porösen keramischen Mutterkörper enthalten
ist; F i g. 4 ist ein Querschnitt durch einen Teil des Körpers der F i g. 3 und
zeigt den porösen Aufbau des Mutterkörpers und die Verteilung des S-leitenden Materials
als zusammenhängendes Fadennetzwerk in den untereinander verbundenen Poren; F i
g. 5 zeigt durch Kurven die Steigerung der kritischen Feldstärke eines massiven
S-Leiters gemäß der Erfindung; F i g. 6 zeigt durch Kurven die Steigerung des Aufnahmevermögens
verlustlos in einem massiven Supraleiter fließender Ströme.
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Anschließend werden fadenförmige Systeme aus nichtleitenden Körpern
beschrieben, die mit Poren versehen sind oder werden, die teilweise oder vollständig
mit einem supraleitenden Material gefüllt werden.
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Wenn der Körper nichtleitend und mit Poren versehen ist, so nimmt
man in diesem ersten Fall an, daß die Größe der Poren geringer als die Londonsehe
Eindringtiefe A ist.
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Viele Arten von Keramiken oder anderen nichtleitenden Körpern bilden
ein zusammenhängendes, poröses Netzwerk, z. B. die porösen Katalysatoren aus Tonerde,
die ein sehr feines, untereinander in Verbindung stehendes Netzwerk zum Festhalten
des S-leitenden Materials aufweisen. Poröse keramische Körper von äußerster Wirksamkeit
bei der Erzeugung des fadenförmigen Netzwerkes können außerdem durch Herstellung
mehrphasiger keramischer Zusammensetzungen und eine anschließende Entfernung einer
oder mehrerer Phasen erhalten werden. Außerdem können die keramischen Grundbestandteile
verdichtet und nach üblichen Verfahren gebrannt werden, damit die gewünschte fadenförmige
Struktur zustande kommt.
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Eine Keramikstruktur, die sich als äußerst wertvoll erwiesen hat,
entsteht durch Auslaugen der Boroxydphase aus einer mehrphasigen keramischen Zusammensetzung,
die in erster Linie Kieselerde, Boroxyd und einen kleinen Teil Tonerde enthält.
Im allgemeinen macht der Betrag an Kieselerde und Boroxyd mindestens 95% der gesamten
Zusammensetzung aus, wobei der Anteil an Kieselerde etwa 70 bis 85% beträgt. In
diesem speziellen Fall kann das Boroxyd durch Ausschwemmen mit verdünnter Salz-oder
Schwefelsäure entfernt werden, aber in vielen Fällen können auch noch andere Verfahren
angewendet werden. Wenn die Boroxydphase entfernt ist, bildet das zusammenhängende
fadenförmige Porennetzwerk einen beträchtlichen Anteil des Gasvolumens. Wenn dann
dieses poröse Netzwerk mit einem S-leitenden Material imprägniert wird, entsteht
ein S-leitender Körper, der stark zusammenhängend ist. Wegen dieser Eigenschaft
können natürlich sehr hohe Werte der Magnetisierung erhalten werden. Auch durch
andere Verfahren kann S-leitendes Material in das Netzwerk eingebracht werden, z.
B. durch ein Einspritzen oder Eingießen von Flüssigkeiten oder Gasen oder durch
eine Zerlegung.
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Die zuvor genannte Zusammensetzung von SiO; B.,0, zeigt mehrere äußerst
vorteilhafte Eigenschäften. Die Kieselerde ist ein guter elektrischer Isolator und
kann vor dem Auslaugen und vielleicht sogar nach dem Imprägnieren mit dem S-leitenden
Material zu Fasern ausgezogen werden; das S-leitende Netzwerk kann dadurch dazu
gebracht werden, daß es ein fasriges Gewebe in Ziehrichtung entwickelt, welches
bessere magnetische Eigenschaften zeigt.
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Wie bereits erwähnt ist, können S-leitende Körper mit der richtigen
geometrischen Form unabhängig davon magnetisch hart sein, ob ein hartes oder weiches
S-leitendes Material verwendet wird. Hier liegt dieser Fall vor, da das poröse zusammenhängende
Netzwerk, sobald es mit dem supraleitenden Material getränkt ist, die geometrische
Form bildet, die für einen harten S-leitenden Körper notwendig ist. Da der Durchmesser
und die Dicke der S-leitenden Fäden beträchtlich geringer als die Londonsche Eindringtiefe
A. sind und da eine große Vielfalt von Bahnen besteht, können Magnetisierungswerte
erreicht werden, die um vieles höher als die bisher erzeugbaren sind. Natürlich
ist es vorteilhaft, ein S-leitendes Material zu benutzen, das bereits eine hohe
kritische Feldstärke aufweist, da die Kombination dieses Materials mit der geometrischen
Form, die die Magnetisierung verbessert, sogar noch höhere Magnetisierungswerte
ergibt. Beispiel I In diesem Fall wird ein poröser keramischer Mutterkörper mit
75% Kieselerde, 20% Boroxyd und im übrigen aus Aluminiumoxyd in eine etwa zylindrische
Form von 0,4 cm Durchmesser von 1,9 cm Länge gegossen. Das in sich verbundene Netzwerk
enthält einzelne Fäden mit einem Durchmesser von etwa 30 bis 40 A und nimmt etwa
35 Volumprozent des Körpers ein. Der Körper wird dann bei einer erhöhten Temperatur
ausgeheizt, um alle möglichen Verunreinigungen zu entfernen, und dann in ein Vakuum
gebracht, um die Gase aus den Poren zu entfernen. Der gesamte Körper wird dann in
Quecksilber untergetaucht und einem isostatischen Druck von 3500 kg/cm' unterworfen,
um das Quecksilber in das poröse fadenförmige Netzwerk hineinzuzwängen. Dann läßt
man den Körper schnell in flüssigem Stickstoff erstarren, damit das Quecksilber
nicht aus dem Netzwerk austreten kann, und kühlt ihn anschließend bis auf eine Temperatur
von 2,1° K, also unter die kritische Temperatur des Quecksilbers ab, so daß er S-leitend
wird.
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Dem Körper werden Magnetfelder bis zu 6000 Oersted aufgeprägt, wobei
suprageleitete Ströme induziert werden; es ist von Bedeutung, daß bei der Größe
des angelegten äußeren Feldes der Körper überhaupt nicht in seinen N-leitenden Zustand
übergeführt wird. Da das massive Quecksilber normalerweise unter diesen Bedingungen
seine
Supraleitfähigkeit bei etwa 320 Oersted verliert, so ist die
kritische Feldstärke um einen Faktor von zumindest 19, aber wahrscheinlich viel
mehr erhöht. Da das Material viel höheren kritischen Feldstärken widerstehen kann,
bedeutet das, daß größere Stromdichten in dem fadenförmigen Netzwerk erzeugt werden
können, die eine verhältnismäßige Zunahme der Magnetisierung des Körpers herbeiführen.
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Gemäß F i g. 1 enthält ein zusammengesetzter Körper 40 mit einem Durchmesser
von 2,54 cm, durch dessen Achse eine Bohrung von 1,27 cm hindurchgeht, einen Satz
von zahlreichen zylindrischen Elementen, die abwechselnd aus einem keramischen bzw.
S-leitenden Material bestehen. Isolierende Schichten 31 bis 33 aus Siliciunioxyd
und supraleitende Schichten 34 und 35 aus Niob bilden diese Elemente; alle diese
Schichten sind etwa 30 A dick. Sie erstrecken sich über die Gesamtlänge der Zylinder
und haben etwa eine gleichförmige Dicke. - Der Körper kann in an sich bekannter
Weise hergestellt werden, bei dem äußerst dünne Filme -gebildet werden. In diesem
Fall sind die Filme 34 und 35 aus metallischem Niob durch Verdampfung eines heißen
Glühfadens im Vakuum aufgedampft. Die Siliciummonoxydschichten 31 bis 33 können
ebenfalls durch Verdampfung eines heißen - Glühfadens niedergeschlagen sein.
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Ein zusammengesetzter Körper 27 der F i g. 3 und 4 enthält einen Mutterkörper
28 aus einem porösen, nichtleitenden Material, in dem die Poren völlig untereinander
zusammenhängen, wie man am besten in F i g. 4 sehen kann. Die Poren im äußeren Umfang
des Mutterkörpers 28 werden mit einem supraleitenden Material, insbesondere finit
Blei getränkt und gefüllt, so daß ein ziemlich oberflächiges, aber zusammenhängendes,
fadenförmiges Netzwerk 30 entsteht. Dei Eindringtiefe des Netzwerkes 30 in den Körper
27 ist an einer Stelle 42 in F i g. 3 angedeutet und im einzelnen in F i g. 4 gezeigt.
Wie man wieder beobachtet, sind die wesentlichen Erfordernisse hinsichtlich der
Dicke oder kleinsten Abmessung sowie des Einschlusses von supraleitenden Elementen
in einem zusammenhängenden oder aus einem Stück bestehenden Körper aus einem nichtleitenden
Material erfüllt.
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In einem weiteren Fall können die Poren des Körpers 27 einen ziemlich
großen Querschnitt besitzen, so daß die Niederschläge, die durch Diffusion oder
eine andersartige Einführung des Bleis in die Wände des Körpers gebildet sind, die
Poren nicht verschließen, sondern die Porenwände auskleiden. Die sich ergebenden
supraleitenden Fäden können als röhrenförmige Filme vorliegen, die gemäß F i g.
4 zusammenhängen und eine überaus große kritische Feldstärke in dem fertigen zusammengesetzten
Körper herbeiführen.
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Die Zunahme der kritischen Feldstärke, die durch die Verfahren gemäß
der Erfindung erreicht wird, ist graphisch in F i g. 5 aufgetragen, während die
Steigerung des Stromaufnahmevermögens in F i g. 6 dargestellt ist. In F i g. 5 ist
die maximale magnetische Feldstärke H, auf der Ordinate und die Temperatur auf der
Abszisse aufgetragen, während in F i g. 6 die Größe I, verlustlos geführter Ströme
an der Ordinate und der Drahtdurchmesser an der Abszisse angegeben sind; in beiden
Fällen ist Quecksilber das S-leitende Material.
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Massives, reines Quecksilber ist ein weicher S-Leiter und weist eine
kritische Feldstärke auf, die votl der Temperatur abhängt, wie durch eine Kurve
A in F i g. 5 angegeben ist. Somit stellt der Bereich unter der Kurve A den S-leitenden
Zustand dar, während der Bereich außerhalb oder oberhalb der Kurve den N-leitenden
Zustand des Materials angibt. In ähnlicher Weise gibt eine Kurve B die Grenze zwisehen
dem N- und S-Zustand für den zusammen= gesetzten Körper 27 der F i g. 3 an; in diesem
Fall ist die kritische magnetische Feldstärke H, insbesondere in dem Temperaturbereich
viel größer, der sich dem absoluten Nullpunkt nähert. Tatsächlich zeigen die durchgeführten
Versuche, daß der Wert H, etwa 200mal größer als der des massiven S-Leiters sein
kann.
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Kurven C und D in F i_ g. _6 stellen das Aufnahme-@ermögen-an Strom
im massiven Quecksilber und im Quecksilber dar, das als fadenförmiges Netzwerk in
dem nichtmetallischen, nichtleitenden Körper z. B: nach F i g. 3 enthalten ist.
Der Punkt, an dem sich die Kurven kreuzen, entspricht einem Drahtradius von angenähert
0,0025 cm; er ändert sich in Abhängigkeit von den S-leitenden Materialien und von
der Art des S-leitenden Films oder fadenförmigen Netz= werkes bis zu einem gewissen
Grade.
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Beispiel II . Der zusammengesetzte Körper der F i g. 3 und 4 besteht
aus einem porösen keramischen oder gläsernen Mutterkörper und aus einem Körper von
S-leitendem Material, das fein in den zusammenhängenden Poren mindestens an einem
Oberflächenteil des Glases verteilt ist. Die Herstellung dieses zusammen= gesetzten
Körpers kann gemäß- dem vorausgehenden Beispiel I erfolgen. Somit kann zum Verschließen
ein stark kieselerdehaltiges Glas mit geringem Ausdehnungskoeffizienten verwendet
werden, das annähernd 84% Kieselerde, 12% Boroxyd und 4% Tonerde enthält. Dies ist
im Handel unter dem Namen Vycor-Brand-Glas Nr. 7230 (Handbook of Material Trade
Names, Zimmermann und Lavine, 1953, S. 616) erhältlich. Im ersten Verfahrensschritt
wird das Glas geschmolzen und in die gewünschte zylindrische Form von 1,9 cm Länge,
0,4 cm Außendurchmesser und 0,1 cm Innendurchmesser gegossen. Um das verwickelte
Porennetzwerk auszubilden, kann der Körper in einer 10%igen Salzsäurelösung 24 Stunden
lang untergetaucht werden, um die Bor= öxydphase zu entfernen. Nach Erwärmung und
Austrocknung der sich ergebenden Poren, deren Durchmesser im Bereich von 30 bis
40 A liegt, und nach dem Austreiben der flüchtigen, vom Auslaugen herrührenden Restbestandteile
kann der Körper abgekühlt und einem Vakuum von 1 mm Hg ausgesetzt werden, um irgendwelche
Gase aus den Innenräumen des zusammenhängenden Porennetzwerkes zu entfernen, das
etwa 35 Volumprozent des Körpers einnimmt. Der Körper kann dann bei Raumtemperatur
in Quecksilber eingetaucht und einem isostatischen Druck von 3515,1 kg/cm2 annähernd
5 Minuten lang unterworfen werden. Dann kann der Körper in flüssigem Stickstoff
plötzlich zum Erstarren gebracht werden, um zu verhindern, daß das in den Poren
des Körpers aufgenommene Quecksilber austritt. Der Körper kann anschließend weiter
mit flüssigem Helium bis auf eine Temperatur von 2,1° K abgekühlt und Prüfungen
unterworfen werden, die typisch die hohe kritische Feldstärke und insbesondere die
Zunehme
des Wertes H, über demjenigen des massiven Quecksilbers
hinaus zeigen. Körper dieser Art können, wie sich erwiesen hat, Ströme von mehr
als 10 000 A/cm2 in Feldern über 7000 Oersted verlustlos leiten. Die kritische Feldstärke
für massive Quecksilber liegt etwas über 300 Oersted. Wenn auch das Eindringen des
Quecksilbers in die Poren des Körpers, wie man annimmt, auf etwas weniger als die
Hälfte des gesamten Porenvolumens beschränkt und auf den äußeren Oberflächenteil
des Körpers lokalisiert ist, wird keine weitere wesentliche Vergrößerung des Wertes
H, dadurch erhalten, daß der Körper vollständig gefüllt wird, obgleich man erwartet,
daß weit größere Ströme verlustlos geleitet werden können. Beispiel III Bei einem
anderen Verfahren, das dem des Beispiels II ähnlich ist, bei dem jedoch das Quecksilber
durch Blei ersetzt ist und ein wenig oberhalb der Schmelztemperatur des Bleis gearbeitet
wird, kann ein zusammengesetzter Gegenstand mit einer hohen kritischen Feldstärke
erzeugt werden. In diesem Fall kann der Körper jedoch während des Druckvorgangs
an seiner inneren und äußeren Fläche dem geschmolzenen Metall ausgesetzt werden,
so daß das porenförmige Netzwerk oder Porenvolumen des Körpers mit weit mehr Metall
als sonst imprägniert und duchdrungen wird. Dennoch liegt die Verbesserung und Zunahme
des Wertes H, über den des massiven Bleis hinaus in derselben Größenordnung wie
im Beispiel 1I, was bedeutet, daß die neuen Ergebnisse für alle praktischen Zwecke
bis zu einem maximalen Grad erhalten werden können, wenn nur eine ziemlich kleine
Menge supraleitenden Materials verwendet wird. Man nimmt an, daß sich das S-leitende
Material im gesamten netzförmigen Gebilde aus Fäden oder Bahnen verteilt, deren
Durchmesser oder Dicke geringer als die Eindringtiefe A. ist, und das nichtleitende
Material des Mutterkörpers umgibt, einschließt oder umhüllt, damit den Fluß einfangende
Plätze innerhalb der Struktur des zusammengesetzten Körpers gebildet werden. Beispiel
IV Bei der Herstellung eines Gegenstandes, ähnlich demjenigen nach den F i g. 1
und 2, jedoch unter Verwendung von Polyäthylen können durch Vakuumaufdampfung Niederschläge
aus Tantal auf den inneren Oberflächen mehrerer Polyäthylenblätter ausgebildet werden.
Insbesondere können die Blätter in einer Vakuumkammer so angebracht werden, daß
ihre Innenfläche den Tantaldämpfen ausgesetzt werden, die durch Zerspringen von
Tantaldraht oder -folie erzeugt werden. Ein etwa gleichförmiger Tantalfilm von etwa
200 A Dicke kann auf den gesamten freigelegten inneren Flächen der Blätter aufgebracht
werden, ohne daß die Oberflächentemperatur des Kunststoffmaterials so weit gesteigert
wird, daß das Material irgendwie beschädigt wird. Die Blätter können dann gestapelt
werden, und der Stapel wird zur verlustlosen Leitung starker Ströme benutzt, nachdem
Kontakte in üblicher Weise hergestellt sind.