DE1640184C2

DE1640184C2 - Streifenförmiger Supraleiter

Info

Publication number: DE1640184C2
Application number: DE1640184A
Authority: DE
Inventors: Mark Gilbert Burnt Hills N.Y. Benz (V.St.A.)
Original assignee: Intermagnetics General Corp
Current assignee: Intermagnetics General Corp
Priority date: 1965-11-08
Filing date: 1966-11-04
Publication date: 1975-10-16
Also published as: FR1498843A; SE361968B; GB1160566A; CH485341A; JPS4519536B1; DE1640184B1; NL6614866A; AT274925B; BE689293A

Description

Die Erfindung betrifft einen streifenförmigen Supraleiter, bestehend aus miteinander verbundenen Schichten aus supraleitfähigem, unter mechanischer Druckspannung stehendem, eine Niob-Zinn-Verbindung enthaltendem und aus nicht supraleitfähigem Material.

Aus der französischen Patentschrift 14 02 426, insbesondere Fig. 10, ist ein Supraleiter bekannt, der aus miteinander verbundenen Schichten aus supraleitfähigem und nicht supraleitfähigem Material besteht, wobei das supraleitfähige Material eine Niob-Zinn-Verbindung sein kann. Bei diesem bekannten Supraleiter bestehen jedoch die Außenschichten aus supraleitfähigem Material, und der gesamte Supraleiter ist von einer zusammenhängenden Isoliermaterialschicht umgeben.

Aus der Zeitschrift »RCA Review«, Bd. 15, Nr. 3, September 1964, insbesondere S. 352 und 353, ist im Zusammenhang mit der Untersuchung und Auswertung verschiedener Materialien als mechanische Halterung für dünne Niob-Zinn-Schichten noch bekannt, durch geeignete Auswahl von thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien Nb₃Sn mit Druckspannung zu beaufschlagen. Danach ist ein streifenförmiger Supraleiter bekannt, der aus einer Innenschicht aus Platin und Außenschichten aus Nb^Sn besteht. In der Zeitschrift ist ferner festgestellt, daß die magnetische Stabilität des Nb₃Sn-Bandes beachtlich durch Verkupfern gesteigert werden kann. Es ist aber offensichtlich, daß das Aufbringen einer Kupferschicht durch Verkupfern auf elektrischer Basis normalerweise bei etwa Raumtemperatur durchgeführt wira, so daß die sich ergebende Kupferschicht unter nahezu keiner Zug- oder Druckspannung steht. Außerdem ist die so erzeugte Kupferschicht recht dünn, so daß weder erhebliche Zugbeanspruchungen noch eine gute Wärmeableitung hierdurch gewährleistet sind.

Aufgabe der Erfindung gegenüber diesem Stand der Technik ist es, einen supraleitfähigen Körper zu bekommen, der gegenüber bekannten Supraleitern eine erhöhte Flexibilität und damit eine verbesserte Wickelbarkeit besitzt und über eine gute Wärmeableitung verfügt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der aus Niob mit einer Niob-Zinn-Verbindung bestehende Supraleiter in einer oder mehreren Schichten angeordnet und mit unter mechanischer Zugspannung stehenden Außenschichten aus Kupfer vergehen ist. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Supraleiters besteht insbesondere in der besseren Flexibilität und der guten Wärmeableitung bzw. Stabilität des Supraleiters. Durch die unerwartet Puten Bie°eeigenschaften des neuen Supraleiters konnte seine Verwendung erheblich ausgeweitet werden So ist beispielsweise der minimale Biegedurchmesser nach der Verbindung mit der äußeren Kupferschicht gemäß der Erfindung kleiner als

0,76 cm. ,. ,

Wenn die supraleitfähigen Innenschichten eine Niob-Zinn-Verbindung der Formel Nb₃Sn enthalten, liegt die Dicke der Außenschichten im allgemeinen imißereich von 0,25 bis 1,25 mm.

Die einzelnen Schichten können zweckmäßig miteinander durch Verlöten verbunden sein. Dies hat den Vorteil, daß bei der Löttemperatur sich das Material der Außenschichten stärker ausdehnt als das der Innenschichten, so daß beim Abkühlen der miteinander verlöteten Schichten auf Raumtemperatur in dem Material der Innenschichten eine Druckspannung in dem Material der Außenschichten dagegen eine Zugspannung erzeugt wird. Die Druckspannung liest dabei gewöhnlich oberhalb 1406 kg/cm² und läßt sich nach folgender Formel errechnen:

(a Cu - « Nb) A T
A Vi, . 1

In dieser Formel bedeutet:

_σχΐι = Druckspannung in Nb-Nb_aSn-Band,

ft_Cll = Wärmeausdehnungskoeffizient für Kupfer,

ft_Vl) = Wärmeausdehnungskoeffizient für Niob und

Nb₃Sn,
A T — Temperaturintervall vom Schmelzpunkt des

Lötmiltels bis Raumtemperatur,
^Xh ⁼ Querschnittsfläche des Nb-Nb^Sn-Bandes,
A_Cn = Querschnittsfläche des Kupferbandes,
E_Cn = Elastizitätsmodul für Kupfer,
E_Xh = Elastizitätsmodul für Nb-Nb₃Sn.

Mit Niob-Zinn-Verbindung überzogene Niobstreifen kann man in der Weise gewinnen, daß man Niobstreifen in ein Zinnbad eintaucht und die so mit einem Zinnüberzug versehenen Niobstreifen in Anwesenheit von Sauerstoff erhitzt, wobei sich der Zinnüberzug in die Niob-Zinn-Verbindung umwandelt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Außenschichten zusätzlich eine Metallschicht mit einem Elastizitätsmodul größer als 1,12· 10" kg/cm² und einer Dchnungsfestigkeit größer als 1265 kg/cm² enthalten. Diese zusätzliche Metallschicht kann beispielsweise aus nichtmagnetischem, rostfreiem Stahl, Nickel oder aus Nickellegierungen bestehen. Der Elastizitätsmodul von Nicke! und Nickellegierungen liegt bei 2,11 ■ 10° kg/ cm^?, und ihre Dehnfestigkeit variiert zwischen 3515 und !0 546 kg/cm². Rostfreier Stahl besitzt einen Elastizitätsmodul von 1,76-10° kg/cm-' und eine Dehnfestigkeit im Bereich von 3515 bis 10546 kg/ cm². Diese Werte liegen also höher als diejenigen für das Kupfer der Außer.schichten, welches einen EIa-

S/

stizitätsmodul von 1,12 · 10⁶ kg/cm² und eine Dehnfestigkeit von 1265 kg/cm² besitzt.

Der Vorteil der Supraleiter nach der Erfindung gegenüber denen nach dem Stand der Technik ist vor allem darin zu sehen, daß sie gut flexibel sind und leicht ringförmig oder solenoidförmig aufgewickelt werden können, ohne daß ihr Material bricht. Außerdem können sie große Wärmemengen ableiten, wenn sie beispielsweise zu elektromagnetischen Wicklungen verarbeitet werden, so daß diese Wicklungen durch die auftretende Wärme nicht zerstört werden.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert. In dieser bedeutet

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnittes aus einem streifenförmigen Supraleiter nach der Erfindung,

F i g. 2 einen vergrößerten Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines streifenförmipen Supraleiters nach der Erfindung,

F i g. 3 einen vergrößerten Längsschnitt einer anderen Ausführungsform nach der Erfindung und

F i g. 4 eine schematische Darstellung der Herstellung eines streifenförmigen Supraleiters, wie er in F i g. 2 gezeigt ist.

In Fig. 1 besteht der streifenförmigc Supraleiter aus einer Innenschicht 10 des supraleitfähigen Materials und aus Außenschichten 11 aus Kupfer.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform besitzt der streifenförmige Supraleiter drei Innenschichten 15, 16 und 17 aus Niob mit einem Gehalt von 1 % darin gelöstem Zirkon und mit jeweils einem Überzug 18 aus Nb₃Sn. Jede dieser drei Schichten 15, 16 und 17 besitzt gewöhnlich eine Dicke von 0,025 bis 0,75 mm, wobei eine Dicke von 0,075 mm am gebräuchlichsten ist. Die Außenschichten 19 aus Kupfer sind mit den Innenschichten beispielsweise durch Verlöten verbunden.

Die in F i g. 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten dadurch,

ίο daß die Außenschichten 19 aus Kupfer zusätzlich eine die Festigkeit erhöhende Metallschicht 25 aus einem Material, wie nichtmagnetischem rostfreiem Stahl, Nickel oder Nickellegierungen, besitzen.

Bei der schematischen Darstellung der Fig. 4 bezeichnet Bezugsziffer 30 einen streifenförmigen Film aus Niob oder vorzugsweise Niob mit einem kleinen Gehalt an Zirkon. Dieser Film wird durch ein Zinnbad 31 geführt und dabei vollständig mit Zinn überzogen. Von dem Zinnbad gelangt er in einen Ofen

32, wo er in Anwesenheit von Sauerstoff auf Temperaturen im Bereich von 950 bis 1200° C erhitzt wird. Dabei wandelt sich der Zinnüberzug in einen Überzug aus Nb₃Sn um. Durch ein Walzenpaar 33 werden die drei so überzogenen Niobstreifen 30 aneinandergelegt und zwischen zwei Kupferstreifen 34 eingeschlossen. Die vereinigten Streifen werden dann durch ein Lötbad 35 geführt, das auf einer Temperatur von 200 bis 400° C gehalten wird. Nach dem Verlassen des Lötbades und nach dem Abkühlen wird der Supraleiter dann auf die Spule 36 aufgewickelt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Streifenförmiger Supraleiter, bestehend aus miteinander verbundenen Schichten aus supraleitfähigem, unter mechanischer Druckspannung stehendem, eine Niob-Zinn-Verbindung enthaltendem und aus nicht supraleitfähigem Material, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Niob mit einer Niob-Zinn-Verbindung bestehende Supraleiter in einer oder mehreren Schichten (15 bis 17) angeordnet und mit unter mechanischer Zugspannung stehenden Außenschichten (19) aus Kupfer versehen ist.

2. Streifenförmiger Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten zusätzlich eine Metallschicht (25) mit einem Elastizitätsmodul größer als 1,12 · 10⁶ kg/cm² und einer Dehnfesligkeit größer als 1265 kg/cm² enthalten.