DE1446161B2

DE1446161B2 - Supraleitendes Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1446161B2
Application number: DE1446161A
Authority: DE
Inventors: John Palmer Shillington Pa. Denny; Richard Wilburn Scotia N.Y. Hardt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1960-12-30
Filing date: 1961-12-11
Publication date: 1973-10-18
Also published as: GB1008408A; DE1446161C3; DE1446161A1; US3181936A; JPS4412986B1; FR1308466A

Description

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in der H = magnetisches Feld bei einer bestimmten Vakuum mit geschmolzenem Zinn so lange in Berüh-

Temperatur (in Oersted), . rung bringen, bis die gewünschte Diffusion und Reak-

/ = Stromstoß (in A), tion des Zinns mit dem Niobdraht bewirkt wird.

d = Durchmesser des Supraleiters (in cm) sind. . Man tauchte also ein kurzes Stück Niobdraht mit

5 einem Durchmesser von 0,25 mm in ein Bad aus ge-

. Setzt man die oben angeführten, experimentell be- schmolzenem Zinn, das in einer neutralen Atmosphäre

stimmten Werte in die Gleichung ein, dann erhält man gehalten wurde, indem ein Argonstrom mit geringer

für den behandelten Niobdraht ein kritisches Feld von Geschwindigkeit über das Bad geleitet wurde. Das Bad

mehr als 1260 Oersted bei 15° K. Bei einer tatsächlich wurde so stark aufgeheizt, daß es eine Temperatur von

durchgeführten Messung an einer Niobscheibe, die in io etwa 400° C besaß. Man benutzte zu diesem Zweck

gleicher Weise behandelt worden war, überstieg das einen elektrischen Heizkörper, der den Badbehälter

kritische Feld 12 000 Oersted bei 4,2° K, während ein umgab. Der Draht wurde mehrere Male in das ge-

Wert von annähernd 2500 Oersted für den handeis- schmolzene Zinn getaucht, wobei die Berührungsdauer

üblichen, unbehandelten Niobdraht ermittelt wurde. zwischen 1 und 10 Minuten betrug, so daß sich ein

. χ 5 Überzug von insgesamt mehr als 0,025 mm ergab. Der

Beispiele überzogene Draht wurde nachfolgend allmählich auf Es wurde eine Niobdrahtprobe nach dem Verfahren 1200° C in einer Argonatmosphäre erwärmt, damit die von Beispiel 1 mit Aluminium behandelt. Pulverisier- Diffusionsreaktion vervollständigt wurde und abtes Aluminium und eine Drahtprobe mit einem Durch- schließend in der üblichen Weise abgekühlt. Die Ergebmesser von 0,75 mm wurden gemäß Beispiel 1 er- 20 nisse einer derartigen Behandlung sind überwiegend wärmt, mit dem Unterschied, daß die Reaktionsteil- vergleichbar mit den Ergebnissen des Beispiels 1, mit nehmer 48 Stunden lang auf etwa 1350° C nach einer dem Unterschied, daß der behandelte Draht einen sehr Evakuierung auf einen Druck von annähernd 10~^e mm dünnen Oberflächenüberzug besitzt, der sichtbar Zinn Quecksilbersäule erwärmt wurden. Die kritische Feld- ähnelt.

stärke für diesen abgewandelten Niobdraht betrug 25 Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens ist es mög-

etwa 12 000 Oersted bei 4,2° K, während Niob selbst lieh, ein stärkeres Eindringen des diffundierenden

eine kritische Feldstärke von etwa 2500 Oersted bei Elementes in die Matrix zu erzielen als mit dem Ver-

4,2° K aufweist. Die Oberflächenschicht besteht aus fahren von Beispiel 1 bis 3, d. h. mit Hilfe der Diffusion

einem kristallinen Aluminium-Niob-Reaktionsprodukt einer dampfförmigen Phase, erreicht werden kann,

mit einer ß-Wolframstruktur, von dem man annimmt, 30 Man erhält mit einem Schmelzbad, das höchstens

daß es Nb₃Al ist. 10 Gewichtsprozent Zinn in einem neutralen Element

ρ . -ίο gelöst enthält, d. h. in einem Element, das weder mit

Beispiel 3 _{zinn noch mit dem} Supraleiter reagiert, Obernachen-Bei den vorangehenden Beispielen wurde ein supra- schichten auf einem Supraleiter aus Niob mit größerer leitendes Bauelement durch Diffusionsreaktion zwi- 35 Dicke als bei den obenerwähnten Verfahren. Als neuschen einem metallischen Element, das selbst supra- trale, die Supraleitfähigkeit nicht beeinflussende Verleitend ist, mit dem supraleitenden Metall der Matrix dünnungsmittel für das Schmelzbad sind z. B. Kupfer hergestellt. Supraleitende Bauelemente können in- und Silber geeignet.

dessen auch durch Reaktion von nicht supraleitenden, Gegebenenfalls kann auf die supraleitende Schicht metallischen Elementen mit dem Metall der Matrix bei 40 des Bauelementes auch noch eine Metallschicht aufgeerhöhten Temperaturen hergestellt werden, bei der ein bracht werden. Es ist nicht erforderlich, daß das in die Reaktionsprodukt mit der kennzeichnenden kristalli- Matrix zur Bildung der supraleitenden Schicht einnen ß-Wolframstruktur gebildet wird. Beispielsweise diffundierte chemische Element selbst ein Supraleiter wird ein dünner, flacher Vanadiumstreifen auf an- ist. Außerdem kann mehr als ein Element eindiffunnähernd 1500° C nach dem Verfahren der vorange- 45 diert werden, wie sich bei der Herstellung eines Baugangenen Beispiele in Berührung mit Siliciumdampf elementes mit einer Matrix aus Niob unter Verwenerwärmt. Die Erwärmung wird etwa 40 Stunden beibe- dung von Zinn, Gallium oder Aluminium herausgehalten, um eine ausreichende Diffusion und Reaktion stellt hat. Zum Eindiffundieren sind metallische EIedes Siliciumdampfes herbeizuführen. Der behandelte mente geeignet, die durchschnittlich zwei bis acht Vanadiumstreifen wird nachfolgend in der beschrie- 50 Wertigkeitselektronen je Atom besitzen,
benen Weise abgekühlt. Der behandelte Streifen um- Wenn die Diffusionsreaktion durch Zusammenfaßt eine innere Schicht aus unverändertem Vanadium, bringen der Matrix mit einem im geschmolzenen oder die von einer kristallinen Oberflächenschicht mit dampfförmigen Zustand vorliegenden Element be-/S-Wolframstruktur umgeben ist und der Annahme wirkt wird, ist es erforderlich, daß das zum Eindiffunnach aus V₃Si besteht. Das Aussehen und die Ab- 55 dieren vorgesehene metallische Element einen niedmessungen des behandelten Streifens werden während rigeren Schmelzpunkt aufweist als die Matrix. Die der Behandlung nicht wesentlich verändert. Die Diffusionsreaktion kann andererseits auch durch Zer-Sprungtemperatur des auf diese Weise hergestellten setzung von bestimmten flüchtigen Verbindungen des supraleitenden Bauelementes beträgt annähernd Elementes in Berührung mit der supraleitenden Matrix 17,1° K, während die Sprungtemperatur des unbehan- 60 durchgeführt werden. Dabei ist es nicht erforderlich, delten Vanadiums etwa 5,1°K beträgt. daß das metallische Element einen niedrigerenSchmelz-. · ι λ punkt besitzt als das Matrixmetall. Als zersetzbare Ver-

Beispiel 4 bindungen sind beispielsweise Carbonyle oder HaIo-

Die Herstellung eines supraleitenden Bauelementes genide geeignet.

ist nicht nur durch Reaktion eines dampfförmigen, 65 Für die Diffusionsreaktion bevorzugt man das an

metallischen Elementes mit einer supraleitenden Ma- Hand der Beispiele 1 bis 3 erläuterte Verfahren, bei

trix möglich. Beispielsweise kann man auch einen dem eine Matrix aus einem Supraleiter mit dem Dampf

Niobdraht in einer neutralen Atmosphäre oder unter eines metallischen Elementes in Berührung gebracht

wird, das einen niedrigeren Schmelzpunkt besitzt als der Supraleiter. Das Verfahren läßt sich so steuern, daß auf der Matrix kein aus dem metallischen Element bestehender äußerer Überzug gebildet wird.

An Stelle einer Matrix aus einem Supraleiter kann auch eine Matrix aus einem Metall verwendet werden, das nicht supraleitend ist. Insbesondere lassen sich Metalle wie Molybdän mit einem im festen Zustand supraleitenden metallischen Element unter Bildung einer supraleitenden Schicht behandeln. Die Behandlung von Molybdändraht mit dem Dampf eines Rutheniumhalogenids bei erhöhten Temperaturen liefert ein Reaktionsprodukt aus Ruthenium und Molybdän mit einer höheren Sprungtemperatur als Ruthenium. In ähnlicher Weise ergibt die Diffusionsreaktion von anderen nicht supraleitenden Matrixmetallen, beispielsweise Wolfram, mit supraleitenden metallischen Elementen supraleitende Bauelemente mit den angeführten vorteilhaften Eigenschaften. Wesentlich ist, daß entweder die Matrix oder das einzudiffundierende chemische Element ein Supraleiter ist. Die supraleitenden Bauelemente nach der Erfindung lassen sich für viele Zwecke verwenden. Beispielsweise können sie vorteilhaft dort eingesetzt werden, wo eine

ίο glatte und einheitliche Oberfläche erforderlich ist. Beispielsweise kann nach dem Verfahren der Erfindung ein Nioblager mit polierten Flächen behandelt werden, die nach Durchführung des Verfahrens nur sehr geringfügig zur Gewährleistung der geforderten Abmessungen nachpoliert werden müssen.

Claims

1 2 auf der Matrix und blättert auch bei erhöhten Tempe- Patentansprüche: raturen nicht ab. Vorzugsweise besteht die Matrix aus Nb und die Schicht aus Nb3Sn.

1. Supraleitendes Bauelement, gekennzeich- Bei der Herstellung eines supraleitenden Bauelemennet durch eine Matrix in Draht- oder Band- S tes nach der Erfindung wird zur Bildung der supraform, die eine supraleitende Schicht aufweist, die leitenden Schicht durch Diffusionsreaktion zwischen durch Diffusionsreaktion zwischen dem Metall der dem chemischen Element der Matrix und einem Matrix und einem auf die Matrix aufgebrachten anderen chemischen Element die Matrix mit dem im anderen metallischen Element gebildet ist, das eine geschmolzenen Zustand oder in neutraler Atmosphäre gegenüber dem Matrixmetall unterschiedliche An- io im dampfförmigen Zustand vorliegenden anderen zahl von Wertigkeitselektronen besitzt. Element zusammengebracht. Es muß eine ausreichende

2. Supraleitendes Bauelement nach Anspruch 1, Menge des anderen Elementes in die Matrix eindiffundadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall ein diert werden, damit eine kontinuierliche supraleitende Supraleiter ist. Schicht entsteht. Es ist nicht erforderlich, daß auf der

3. Supraleitendes Bauelement nach Anspruch 2, 15 Matrix eine äußere Überzugsschicht aus dem in die dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Niob Matrix eindiffundierten anderen Element vorhanden und die Schicht aus Nb₃Sn besteht. ist. Bei der Diffusionsreaktion ändern sich die Ab-

4. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden messungen der Matrix nicht wesentlich, so daß supraBauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, leitende Bauelemente mit glatten Oberflächen hergedadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer 20 stellt werden können.

supraleitenden Schicht auf der Matrix durch Diff u- Nachstehend wird die Herstellung von supraleiten-

sionsreaktion zwischen dem Matrixmetall und den Bauelementen nach der Erfindung an Hand von

einem anderen metallischen Element die Matrix Beispielen näher erläutert.

mit dem in einer neutralen Atmosphäre im dampf- . .

förmigen Zustand vorliegenden oder mit dem im 25 Beispiel I

geschmolzenen Zustand vorliegenden metallischen Ein supraleitendes Bauelement wurde aus einem

Element zusammengebracht wird. Niobdraht mit einem Durchmesser von 0,25 mm durch

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn- Eindiffundieren von dampfförmigem, elementarem zeichnet, daß beim Zusammenbringen der Matrix Zinn in das Niobmetall bei erhöhten Temperaturen mit dem im geschmolzenen Zustand vorliegenden 30 hergestellt. Zu diesem Zweck wurden in eine Reakmetallischen Element eine geschmolzene Mischung tionskammer mit einem Heizkörper und mit einer aus dem metallischen Element und einem die Quelle für die Evakuierung sowohl pulverisiertes Zinn Supraleitfähigkeit nicht beeinflussenden Element als auch der zu behandelnde Niobdraht eingebracht, verwendet wird. Die Reaktionskammer wurde zunächst auf einen

35 Druck von annähernd 10~⁶ mm Quecksilbersäule

evakuiert, dann auf etwa 1200⁰C geheizt, wodurch ein

erheblicher Anteil des Zinns verdampft wurde, so daß der erwärmte Niobdraht von Zinndampf eingehüllt wurde. Die erhöhte Temperatur und das Vakuum

Die bisher bekannten supraleitenden intermetalli- 40 wurden etwa 48 Stunden beibehalten, und in dieser Zeit sehen Verbindungen mit kubischer /S-Wolframstruktur diffundierte ein großer Anteil des Zinndampfes in das zeichnen sich im Vergleich zu den bisher bekannten Niobmetall und reagierte mit diesem, obwohl kein supraleitenden Metallen durch günstigere Supraleit- sichtbarer Zinnüberzug auf dem Draht gebildet wurde fähigkeitsdaten, insbesondere durch hohe Sprungtem- und der Durchmesser verhältnismäßig unverändert peraturen, aus. Beispielsweise liegt die Sprungtempe- 45 blieb. Nach Beendigung der Reaktionsdauer wurde ratur des bekannten Supraleiters Nb₃Sn bei 18°K, wo- das Heizen abgestellt, und man ließ den behandelten hingegen die Sprungtemperatur von Niobmetall bei Draht unter Vakuum sich mit der Reaktionskammer 9°K liegt. Ein großer und entscheidender Nachteil der abkühlen.

bekannten supraleitenden Verbindungen, insbesondere Eine Mikrophotographie des Querschnitts des be-

von Nb₃Sn, ist die geringe elastische und die vollkom- 5° handelten Drahtes zeigte eine dünne Schicht aus dem men fehlende plastische Verformbarkeit bei Raumtem- Reaktionsprodukt des Zinns mit dem Niobmetall, die peratur. sich vom Umfang des Drahtes in einer Dicke von etwa

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein 0,025 mm nach innen erstreckte. Eine Röntgenstrahlensupraleitendes Bauelement mit den bekannten günsti- beugungsanalyse des Reaktionsproduktes ergab, daß gen Supraleitfähigkeitseigenschaften einer intermetalli- 55 das Reaktionsprodukt überwiegend aus Nb₃Sn besehen Verbindung mit kubischer /?-Wolframstruktur steht. Andere Prüfungen zeigen an, daß der Draht bei zu schaffen, das sich gut elastisch und plastisch ver- etwa 17,8° K supraleitend ist, während der unbehanformen läßt und daher beispielsweise zur Herstellung delte Niobdraht eine Sprungtemperatur von anvon Magnetspulen bestens geeignet ist. nähernd 8⁰K besitzt. Außerdem bleibt der behandelte

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein supraleitendes 60 Draht supraleitend bei 15⁰K, wenn er einen Stromstoß Bauelement, das gekennzeichnet ist durch eine Matrix von 80 A führt.

in Draht- oder Bandform, die eine durch Diffusions- Während das kritifc'ie Feld für das beschriebene

reaktion zwischen dem Metall der Matrix und einem Beispiel nicht unmittelbar gemessen wurde, kann auf die Matrix aufgebrachten anderen metallischen dessen Wert aus der folgenden bekannten Gleichung Element gebildete supraleitende Schicht aufweist. Die 65 errechnet werden:
supraleitende Schicht, welche die charakteristische O · 4 /

/5-Wolframstruktur und daher die bekannten günstigen H =

Supraleitfähigkeitseigenschaften aufweist, haftet fest d