DE1927454C3

DE1927454C3 - Supraleitende Verbindung von zwei Teilen aus hochfeld-supraleitendem Material

Info

Publication number: DE1927454C3
Application number: DE1927454A
Authority: DE
Inventors: Ira Palo Alto Calif. Weissman
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1968-06-04
Filing date: 1969-05-29
Publication date: 1981-10-15
Also published as: GB1262994A; DE1927454A1; FR2010116A1; DE1927454B2; US3523361A

Description

Es sind bereits hochfeld-supraleitende Verbindungen von zwei Teilen aus hochfeld-supraleitendem Material hergestellt worden. Solche Verbindungen werden gewöhnlich dadurch hergestellt, daß die freigelegten Enden der Drähte aus Legierungssupraleiter punktgeschweißt werden. Diese Punktschweißtechnik ist jedoch nicht brauchbar, wenn die zu verbindenden Teile aus einer supraleitenden Schicht bestehen, die auf einen Trägerdraht mit niedrigem Schmelzpunkt aufgebracht ist. Das ist z. B. der Fall, wenn das supraleitende Material eine chemische Verbindung, beispielsweise Nb₃Sn, V₃Ga und V₃Si, ist, die hart und spröde ist und sehr stark mit Sauerstoff in der Atmosphäre reagiert, so daß eine isolierende Oxydschicht entsteht. Es sind bereits Versuche gemacht worden, hochfeld-supraleitende Verbindungen zwischen solchen Supraleitern herzustellen, beispielsweise durch Ultraschallschweißen, Kaltschweißen und durch die Verwendung einer dünnen Schicht eines supraleitenden Lotes mit niedrigem Schmelzpunkt zwischen den zu verbindenden supraleitenden Drähten. Alle diese Versuche, eine hochfeld-supraleitende Verbindung herzustellen, sind bisher fehlgeschlagen. Wenn ein supraleitendes Lot mit niedrigem Schmelzpunkt, beispielsweise Indium, Blei oder Zinn, verwendet wird, ergibt sich zwar eine Verbindung der beiden zu verbindenden supraleitenden Drähte mit sehr niedrigem Widerstand, jedoch keine supraleitende Verbindung, weil diese Lote durch ein sehr kleines kritisches Feld gekennzeichnet sind, so daß diese Verbindungen nicht dazu geeignet sind, hochfeld-supraleitende Magnetdrähte zu verbinden, und diese Verbindungen sind auch nicht geeignet, wenn die Verbindung in einem Bereich mit relativ hoher Magnetfeldstärke angeordnet werden muß. Typischerweise werden solche Verbindungen außerhalb des Hauptfeldes des Magneten angeordnet, d. h. im schwächeren Streufeld des Magneten. Das Streufeld von Hochfeldmagneten kann aber in der Größenordnung von 2 Tesla liegen, und dieser Wert liegt erheblich über der kritischen Feldstärke für Supraleiter mit niedrigem Schmelzpunkt, wie Indium, Blei oder Zinn.

Hochfeld-supraleitende Verbindungen werden bei der Herstellung von supraleitenden Zylinderspulen mit extrem hohen Feldern benötigt, die im persistenten Betriebsmodus betrieben werden sollen, wobei die Enden d^r Spulen mittels eines supraleitenden Nebenschlusses miteinander verbunden werden, so daß der Supraleitungsstrom durch den geschlossenen Kreis der Spule ohne Verluste kreisen kann. Solche Zylinderspulen sind aus Nb-Zr-Hochfeld-Legierungssupraleitern hergestellt worden, wobei die Enden des Spulendrahtes zusammengeschweißt wurden, um eine supraleitende Verbändung herzustellen, und es sind Felder bis zu 6 Tesla im persistenten Modus erzielt worden. Es ist jedoch erwünscht, Hochfeld-Verbindungssupraleiter zu verwenden, beispielsweise Nb₃Sn, mit denen Magnetfelder von mehr als 10 Tesla im persistenten Modus erzeugt werden könnten, wenn eine geeignete hochfeldsupraleitende Verbindung hergestellt werden könnte.
Supraleitende Spulen aus Nb₃Sn mit geschlossener Schleife sind bereits hergestellt worden. Eine solche Spule ist beispielsweise beschrieben in »Inductive Behavior of Superconducting Magnets«, Journal of Applied Physics, Band 34, No. 11, November 1963, Seiten 3226-3236. Diese bekannte in sich geschlossene Spule wurde jedoch nicht aus einem Supraleiter hergestellt, d. h., der Draht war nicht ein Supraleiter, der Hochfeld-Supraleitfähigkeit zeigte, ehe zum Schluß eine Hochtemperaturreaktion durchgeführt wirde, die stattfindet, nachdem die Spule gewickelt ist. Genauer gesagt, der in dieser bekannten Spule verwendete Draht bestand aus einer Niobiumhülse, die eine Mischung aus Niobium- und Zinnpulver enthielt. Der Draht in diesem Zustand ist deshalb kein Supraleiter.

Eine Verbindung wurde in der Weise hergestellt, daß die beiden offenen Enden der Niobiumhülse, die die Pulvermischung enthielt, in einen Niobiumbehälter gebracht wurden, der mit einer Mischung aus Niobium- und Zinnpulver gefüllt war. Die ganze Spulenform wurde dann zur Reaktion gebracht, um die gemischten Pulver in der Hülse und dem Niobium-Verbindungsbehälter in Nb₃Sn zu überführen. Ein solches Verfahren kann zwar dazu verwendet werden, eine supraleitende Niobium-Zinn-Spule herzustellen, die im persistenten Modus arbeiten kann, dieses Verfahren, die Spule an Ort

b5 und Stelle zur Reaktion zu bringen, um die Pulverbestandteile in das Supraleitermaterial zu überführen, ist jedoch zur Herstellung von Hochfeldspulen praktisch nicht durchführbar.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung einer hochfeld-supraleitenden Verbindung von zwei Teilen aus hochfeld-supraleitendem Material in Form einer chemischen Verbindung verfügbar zu machen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird als hochfeld-supraleitender Draht Nb3Sn verwendet, und die zusammengepreßten und zur Reaktion gebrachten Pulver sind Pulver aus Nb und Sn.

Gemäß einer speziellen Ausbildung der Erfindung besteht das zusammengepreßte Pulver zu 4-16 Gew.-% aus Sn, und die zusammengepreßten Pulver werden bei einer Temperatur zwischen 930° C und 1000⁰C in einer inerten Atmosphäre zur Reaktion gebracht.

Auf diese Weise wird eine erfindungsgemäße hochfeld-supraleitende Verbindung hergestellt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand oer Figuren näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 perspektivisch eine erfindungsgemäße hochfeld-supraleitende Verbindung,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 den in F i g. 2 mit der Linie 3-3 umschlossenen Teil zur Veranschaulichung der Pulverzusammensetzung vor der Hochtemperaturreaktion und

Fig.4 eine Fig. 3 entsprechende Darstellung der Pulverzusammensetzung nach der Hochtemperaturreaktion.

In F i g. 1 ist eine hochfeld-supraleitende Verbindung 1 dargestellt, mit der zwei Hochfeld-Supraleiter verbunden oder überbrückt werden. Die Verbindung weist einen blockformigen Körper 2 aus gekörntem Material auf, das ein hochfeld-supraleitendes Bauelement aus einer chemischen Verbindung bildet, die zusammengeschweißt ist und auch mit den beiden hochfeld-supraleitenden Drähten 3 und 4 aus einer supraleitenden chemischen Verbindung verschmolzen sind, die in den Block 2 eingebettet sind. Der Block 2 bildet eine hochfeld-supraleitende Brücke zwischen den beiden Drähten 3 und 4.

Unter dem Ausdruck »hochfeld-supraleitend« soll ein supraleitender Werkstoff verstanden werden, der eine kritische Magnetfeldstärke größer als 2 Tesla bei 4,2° K hat. Unter »Verbindungssupraleiter« soll ein supraleitendes Material verstanden werden, das im wesentlichen eine chemische Verbindung ist, im Gegensatz zu einer Legierung. Beispiele für Verbindungssupraleiter sind NbaSn, VsGa und VjSi, während Legierungssupraleiter beispielsweise Nb-Zr und Mo-Re sind.

Die supraleitende Verbindung nach der Erfindung soll zusammen mit dem Verfahren zu ihrer Herstellung in Verbindung mit F i g. 2,3 und 4 beschrieben werden. Die beiden zu verbindenden supraleitenden Drähte S und 4 können im wesentlichen beliebige Form haben. Beispielsweise kann es sich um die Enden von zwei Drähten mit kreisförmigem Querschnitt handeln oder, wie bei der dargestellten Ausführungsform, um die Enden von zwei bandförmigen supraleitenden Drähten. Solche bandförmigen Leiter sind besonders geeignet zum Wickeln von supraleitenden Spulen mit extrem hohen Feldern. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der bandförmige Supraleiter aus einem Bandträger 5, beispielsweise einer Nickel-Molybdän-Legierung _M mit einem Schmelzpunkt von 1320°C, die von der Firma Haynes Stellite Company, Kokomo, Indiana, unter der Bezeichnung Hastelloy Alloy B geliefert wird. Der bandförmige Träger 5 hat beispielsweise eine Starke von 0,051 mm und eine Breite von 2,29 mm. Eine dünne Schicht aus hochfeld-supraleitendem Material 6 ist auf dem bandförmigen Träger 5 gebildet. Das hochfeld-supraleitende Schichtmajerial kann aus irgendeinem von verschiedenen Werkstoffen bestehen, beispielsweise NbjSn, der in einerStärke von beispielsweise 0,0076 mm auf den Träger 5 niedergeschlagen ist. Eine Schicht 7 aus einem nicht supraleitenden Metall, beispielsweise Silber oder Kupfer, bildet einen leitenden Mantel über der supraleitenden Schicht 6. Der leitende Mantel 7 hat vorzugsweise gute thermische und elektrische Leitfähigkeit und im Falle von Silber wird er in einer Stärke von 0,013 mm über der supraleitenden Schicht 6 niedergeschlagen.

I ro Bereich der Verbindung 1 wird die Silberschicht 7 von den Enden der zu verbindenden supraleitenden Drähte 3 und 4 abgestreift, so daß die supraleitende Schicht 6 freigelegt wird, wodurch im Bereich der Verbindung ein enger elektrischer Kontakt zur supraleitenden Schicht 6 hergestellt werden kann. Bei der Herstellung der Verbindung 1 werden die freigelegten Enden der supraleitenden Drähte 3 und 4 19 mm überlappt und in einem Abstand von etwa 0,38 mm gebracht und so in die Öffnung eines Preßwerkzeuges gebracht, das mit einem Pulvermaterial gefüllt ir.t, das die Elementenbestandteile eines Hochfeld-Verbindungssupraleiters enthält. Wenn beispielsweise supraleitende Schichten 6 aus Nb₃Sn verbunden werden sollen, wird das Preßwerkzeug mit gut gemischtem Nb- und Sn-Pulvcr gefüllt, die vorzugsweise eine Korngröße von weniger als 0,045 Körnung haben. Die Pulvermischung enthält im Falle von Niobium- und Zinnpulver zwischen 4 und 16 Gew.-% Zinn, vorzugsweise 8 Gew.-°/o Zinn.

Nach dem Einbetten der supraleitenden Drähte 3 und 4 in das Pulver wird dieses in engen Kontakt miteinander und mit den supraleitenden Schichten 6 gepreßt, indem das die Pulver und die supraleitenden Drähte 3 und 4 enthaltende Preßwerkzeug in einer hydraulischen Presse zusammengedrückt wird. Die Pulver werden vorzugsweise mit einem Druck zusammengepreßt, der zwischen 700 und 1400 kp/cm² liegt. Beim Zusammenpressen werden die Körner der Pulver mechanisch miteinander verriegelt, so daß ein Körper 2 aus gekörntem Material gebildet wird, der ausreichende mechanische Festigkeit hat, um aus dem Preßwerkzeug herausgenommen zu werden und seine Preßform zu behalten. In dieser Form kann der Verbindungskörper 2 im begrenzten Umfang behandelt werden, jedenfalls kann die Verbindung 1 in einen Ofen transportiert werden.

Ein Teil der Verbindung zwischen den beiden supraleitenden Drähten 3 und 4 im zusammengepreßten Zustand, aber vor einer weiteren Behandlung, ist in F i g. 3 dargestellt. Die Pulvermischung aus Niobium und Zinn steht in enger Berührung mit einer dünnen Oxydschicht 8, die sich auf der Außenseite der freigelegten Enden der supraleitenden Schicht aus Nb₃Sn gebildet hat. Diese Oxydschicht 8 bildet sich sofort, nachdem die supraleitende Schicht 6 der Lull ausgesetzt ist, da Nb₃Sn sehr stark mit Sauerstoff und Wasser in der Atmosphäre reagiert, ebenso wie andere Arten von Verbindungssupraleitern. Normalerweise würde diese Oxydschicht 8 ohne weitere Behandlung die Bildung einer supraleitenden Verbindung verhindern, weil die Oxydschicht isoliert und die Bildung einer supraleitenden Brücke zwischen den beiden supraleiten-

den Schichten 6 verhindern würde.

Anschließend wird die Verbindung 1 in einen Ofen mit einer inerten Gasatmosphäre, beispielsweise Heliumgas, eingesetzt, und bei hoher Temperatur zur Reaktion gebracht, um eine supraleitende Brücke zwischen den beiden supraleitenden Schichten 6 herzustellen. Genauer gesagt, wenn Niobium- und Zinnpulver verwendet werden, wird die Verbindung auf eine Temperatur oberhalb von 930⁰C und vorzugsweise im Bereich von 950 -960⁰C etwa 3 Minuten lang erhitzt, um hochfeld-supraleitendes NbsSn zu bilden, das den Zwischenraum zwischen den beiden supraleitenden Schichten 6 überbrückt. Es wird angenommen, daß das Zinn, das einen relativ niedrigen Schmelzpunkt hat, mit den Oxydschichten 8 reagiert, so daß es durch die Isolierschicht 8 hindurchbricht, und da das Sn in die Niobpartikel eindiffundiert und mit diesen reagiert, so daß NbaSn auf der Außenseite all der in enger Berührung stehenden Niobpartikel gebildet wird, wodurch wiederum ein· enger Nb3Sn-K.ontakt an der Grenzfläche zu den supraleitenden Schichten 6 entsteht. Es bildet sich also eine hochfeld-supraleitende Brücke aus der Verbindung NbsSn zwischen den beiden supraleitenden Schichten 6 aus NbsSn. Die Brückenstruktur behält ihre Kornform bei, wie in F i g. 4 veranschaulicht ist.

Eine aus dem beschriebenen Nb3Sn-Band gewickelte Spule, deren Ende mittels der Verbindung 1 verbunden waren, ist erforderlich im persistenten Modus betrieben worden, und zwar wurden Magnetfelder von mehr als 1,7 T mit einem Strom von 69,9 Ampere erzeugt. Es wurde keine Verringerung des Magnetfeldes innerhalb ±0,195 Teile pro Million pro Stunde beobachtet, wodurch angezeigt wird, daß die Verbindung 1 tatsächlich supraleitend ist und dazu geeignet ist, extrem stabile und kräftige Magnetfelder zu erzeugen.

Die gekörnte, zur Reaktion gebrachte supraleitende Verbindung, wie sie oben beschrieben worden ist, kann

ίο in ähnlicher Weise dazu verwendet werden, andere Arten von hochfeld-supraleitenden Drahtschichten 6 aus chemischen Verbindungen, beispielsweise VjGa und V3S1 zu verbinden. Die hochfeld-supraleitende Brücke aus einer chemischen Verbindung zwischen zwei supraleitenden Schichten 6 kann auch aus anderen Hochfcld-Verbindungssupraieitern, beispielsweise VsGa oder V3S1, hergestellt werden, die in ähnlicher Weise zwischen den beiden zu verbindenden supraleitenden Teilen hergestellt wird. Genauer gesagt, es werden grundsätzlich Pulver, die die beiden Elementenbestandteile eines Hochfeld-Verbindungssupraleiters enthalten, in dem Raum zwischen den beiden zu verbindenden supraleitenden Teilen 3 und 4 zusammengepreßt. Die zusammengepreßten Pulver werden bei hoher Temperatur in einer inerten Atmosphäre zur Reaktion gebracht, um das Supraleitermaterial an Ort und Stelle zwischen den beiden zu verbindenden Teilen 3 und 4 zu bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Verbindung von zwei Teilen aus hochfeld-supraleitendem Material in Form einer chemischen Verbin- -dung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus gekörntem Material zwischen einander überlappende, freigelegte Oberflächenteile von zwei hochfeld-supraleitenden Bauelementen aus einer chemischen Verbindung, die verbunden werden sollen, gebracht wird, wobei das so eingeschlossene gekörnte Material die Elementenbestandteile eines Hochfeld-Verbindungssupraleiters enthält und den Zwischenraum zwischen den beiden Bauelementen überbrückt, das gekörnte Material in engen Kontakt mit den beiden zu verbindenden, einander überlappenden Bauelemententeilen gepreßt wird, und das zusammengepreßte Material an Ort und Stelle zwischen den beiden Bauelemententeilen erhitzt wird, um eine hochfeld-supraleitende Verbindung aus einer chemischen Verbindung zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung einer supraleitenden Verbindung von zwei Teilen, deren supraleitendes Material Nb₃Sn ist, dadurch gekennzeichnet, daß das gekörnte Material, das zusammengepreßt und wärmebehandelt werden soll. Partikel aus Nb und Sn enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sn-Partikel zwischen 4 und 16 Gew.-% des zusammengepreßten gekörnten Nb- Sn-Materials ausmachen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengepreßten Nb- und Sn-Partikel auf eine Temperatur zwischen 930° und 1000⁰C erhitzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus Nb und Sn mit einem Druck im Bereich von 700 bis 1400 kp/cm² zusammen- und in enge Berührung mit dem Nb3 — Sn-Material auf die zu verbindenden Bauelemententeile gepreßt werden.