DE1446161B2 - Supraleitendes Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Supraleitendes Bauelement und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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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-
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 (5)
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 /
supraleitende Schicht, welche die charakteristische O · 4 /
/5-Wolframstruktur und daher die bekannten günstigen H =
Supraleitfähigkeitseigenschaften aufweist, haftet fest d
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