DE20318640U1 - Core conductor for multifilament superconductors - Google Patents
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Abstract
Kernleiter mit einer Nb- oder NbTa-Stange und einer diese umhüllenden Bronzematrix, dadurch gekennzeichnet, dass die Bronzematrix ein inneres Rohr aus CuSnX mit X = 5 bis 15 Gew. Rest Cu und ein darüber befindliches äußeres Rohr aus CuSnY Rest Cu mit Y = 16 bis 24 Gew. % Rest Cu ist.Core conductor with an Nb or NbTa rod and a bronze matrix enveloping it, characterized in that the bronze matrix has an inner tube made of CuSnX with X = 5 to 15% by weight rest of Cu and an outer tube made of CuSnY rest of Cu with Y = 16 up to 24% by weight of the remainder is Cu.
Description
Die Neuerung betrifft einen Kernleiter für Multifilament-Supraleiter beispielsweise Multifilament-Hochfeld-Supraleiter mit insbesondere einem Bronzeverbund. insbesondere Multifilament-Hochfeld-Supraleiter.The innovation affects a core leader for multifilament superconductors, for example Multifilament high-field superconductor with a bronze composite in particular. especially multifilament high field superconductors.
Die Entwicklung der hochauflösenden Kernmagnetresonanz-(NMR)-Spektroskopie ist eng verknüpft mit der Weiterentwicklung technischer Supraleiter. Die Betriebsfrequenz und damit die Signalauflösung und Empfindlichkeit der NMR-Spektrometer konnte durch die Einführung von außenstabilisierten Nb3Sn und (NbTa)3Sn-Leitern mit größeren Leiterquerschnitten und großen Fertigungslängen auf 800 MHz bzw. 900 MHz (B = 21,1T) angehoben werden. NMR-Magnete erfordern hohe räumliche Homogenität und zeitliche Stabilität des Magnetfeldes. Die im Kurzschluss betriebenen Magnete stellen eine hohe Anforderung an die Konstanz der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Multifilamentdrähte. Die Gleichmäßigkeit der Eigenschaften muss über die gesamte Drahtlänge gewährleistet sein.The development of high-resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is closely linked to the further development of technical superconductors. The operating frequency and thus the signal resolution and sensitivity of the NMR spectrometer could be increased to 800 MHz and 900 MHz (B = 21.1T) by introducing externally stabilized Nb 3 Sn and (NbTa) 3 Sn conductors with larger conductor cross sections and large production lengths become. NMR magnets require high spatial homogeneity and temporal stability of the magnetic field. The magnets operated in the short circuit place high demands on the constancy of the electrical and mechanical properties of the multifilament wires. The uniformity of the properties must be guaranteed over the entire length of the wire.
Dieses Problem wird durch einen Kernleiter für Multifilament-Supraleiter gemäß Anspruch 1 gelöst . Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.This problem is claimed by a core conductor for multifilament superconductors 1 solved , Refinements and developments are the subject of dependent claims.
Unter Beibehaltung der bei bisherigen NMR-Systemen nutzbaren freien Bohrung werden die Radien der Sektionen aus metallischen Supraleitern vergrößert. Die im Betrieb wirkenden Lorentzkräfte sind proportional zum Radius und bewirken erhöhte mechanische Spannungen im Wickelpaket. Diese erhöhten Spannungen werden durch Leiter mit verbesserter mechanischer Be- lastbarkeit abgefangen. Die Erfindung eignet sich insbesondere für einen 1000 MHz-NMR (B = 24T) Magneten.While maintaining that with previous NMR systems usable free bore, the radii of the sections are made of metallic Superconductors enlarged. The operating Lorentz forces are proportional to the radius and cause increased mechanical stress in a changing package. These increased Tension is absorbed by conductors with improved mechanical strength. The invention is particularly suitable for a 1000 MHz NMR (B = 24T) Magnet.
Neuerungsgemäße Nb3Sn-Multifilamentleiter mit NMR-Qualität werden nach der Bronzemethode gefertigt. Die Erwartungen, Nb3Sn Multifilamentleiter über bekannte alternative Fertigungswege (Jelly Roll, Internes-Sn, ECN-Methode, Pulvermetallurgie) mit NMR-Qualität herzustellen, konnten bisher nicht erfüllt werden. Die Bronzetechnik erlaubt eine Skalierung auf große Fertigungseinheiten, Umformung über Heißstrangpressen, große Fertigungssicherheit durch guten metallischen Bond in dem Verbundwerkstoff und Herstellung von Leitern mit großen Drahtquerschnitten. Für die NMR-Anwendung im „persistent mode" sind zusätzlich die hohen n-Werte (I∞En) infolge der hohen Filamentgleichmäßigkeit in der Bronzematrix ausschlaggebend.Innovative Nb 3 Sn multifilament conductors with NMR quality are manufactured using the bronze method. The expectations of producing Nb 3 Sn multifilament conductors with NMR quality using known alternative production methods (jelly roll, internal Sn, ECN method, powder metallurgy) have so far not been met. The bronze technology allows scaling to large production units, reshaping using hot extrusion presses, high manufacturing reliability through good metallic bonding in the composite material and the production of conductors with large wire cross-sections. The high n values (I∞E n ) due to the high filament uniformity in the bronze matrix are also decisive for the NMR application in "persistent mode".
Die supraleitende, intermetallische Nb3Sn-Phase wird durch Festkörperdiffusion hergestellt. Die Bronze ist in der Regel auf 13,5 Gew.% bis 15 Gew.% Sn eingestellt. Das obere kritische Feld wird durch Zulegierung von Übergangsmetallen (z.B. Ta, Ti) zu Nb) oder 0,25 bis 0,4 Gew.%Ti in die Bronzematrix (legierte Supraleiter) angehoben und damit der Anwendungsbereich erweitert.The superconducting, intermetallic Nb3Sn phase is by solid-state diffusion manufactured. The bronze is usually from 13.5% to 15% by weight Sn set. The upper critical field is alloyed of transition metals (e.g. Ta, Ti) to Nb) or 0.25 to 0.4 wt.% Ti in the bronze matrix (alloyed superconductors) and thus the area of application extended.
Durch thermische Aktivierung im Verlauf der Glühbehandlung diffundiert das Sn aus der Bronze in das Nb und bildet die Nb3Sn Schicht. Die gebildeten Korngrenzen im Nb3Sn sind entscheidend für die hohe kritische Stromdichte jc. Der kritische Strom Ic wird von jc als auch über die Strom tragende Fläche ANb3Snn bestimmt (Ic = jc × ANb3Sn). Die Wachstumsprozesse und Morphologie der Strom tragenden Fläche werden durch Sn-Konzentration, Sn-Diffusion, Nb-Diffusion, Temperatur, Zeit und weitere Parameter beeinflusst. Die Ziehumformung einer über 15,6 Gew.% Sn liegenden Sn-Konzentration in der Bronze wird durch den Verlauf der Phasengrenzen im CuSn-Diagramm (Ausbildung von δ-Phase) negativ beeinflusst. Die in der Bronzematrix vorhandene δ-Phase vermindert drastisch das Umformvermögen und vermindert die Gleichmäßigkeit der Filamentdurchmesser über die Leiterlänge. Das innere Hüllrohr ist etwas dicker als die δ-Phase, die sich einstellt beim Glühen (Tempern).Through thermal activation in the course of the annealing treatment, the Sn diffuses from the bronze into the Nb and forms the Nb3Sn layer. The grain boundaries formed in the Nb3Sn are decisive for the high critical current density jc. The critical current Ic is determined by jc as well as by the current-carrying area A Nb3Sn n (Ic = jc × A Nb3Sn ). The growth processes and morphology of the current-carrying surface are influenced by Sn concentration, Sn diffusion, Nb diffusion, temperature, time and other parameters. The drawing deformation of an Sn concentration in the bronze above 15.6% by weight of Sn is negatively influenced by the course of the phase boundaries in the CuSn diagram (formation of δ phase). The δ phase present in the bronze matrix drastically reduces the formability and reduces the uniformity of the filament diameter over the length of the conductor. The inner cladding tube is somewhat thicker than the δ phase that occurs during annealing (annealing).
Erstaunlicherweise hat sich herausgestellt, dass
Multifilament-Supraleiter mit Bronzematrix mit Sn-Gehalt über/gleich
17 Gew% und/oder über/gleich
17Gew.% Sn mit 0,25 bis 0,4 Gew.% Ti gut umformbar sind, wenn für die Kernleiterherstellung
ein Duplexrohr aus CuSn13,5 oder CuSn13,5Ti innen und CuSn17 bzw.
CuSn17Ti außen
eingesetzt wird. Siehe
Die erforderliche Bronze wird nach dem Verfahren der Sprühkompaktierung hergestellt (Osprey Prozess), wobei die Pressblöcke für die Rohre als Einzel-Pressblock oder Verbundsprühblock mit Kern aus CuSn13,5 oder CuSn15Ti und außen CuSn17Tioder CuSn20Ti hergestellt werden. Der Zinngehalt in der 2-schichtigen Umhüllung weist vorzugsweise einen Gradienten auf derart, dass mit zunehmendem Radius der Zinngehalt zunimmt.The required bronze is made after the spray compacting process manufactured (Osprey process), the press blocks for the pipes as a single press block or compound spray block with a core made of CuSn13.5 or CuSn15Ti and outside CuSn17Ti or CuSn20Ti become. The tin content in the two-layer coating preferably has one Gradients on such that with increasing radius the tin content increases.
Beispiel 1 für Kernleiterherstellungexample 1 for core conductor production
Die Kernleiter werden über Aufziehtechnik hergestellt. Eine NbTa-Stange wird in einem CuSn13,5-Rohr positioniert. Danach erfolgt Ziehen und Positionieren des Verbundes im CuSn17-Rohr und wieder Ziehen bis zur Profilierung an Sechskant.The core conductors are manufactured using winding technology. An NbTa rod is positioned in a CuSn13.5 tube. After that the composite is pulled and positioned in the CuSn17 tube and pull again until profiling on hexagon.
Beispiel 2 für KernleiterherstellungExample 2 for core conductor production
Zunächst erfolgt Strangpressen eines Verbundrohres innen (z. B. CuSn13,5 oder CuSn15Ti) und außen (z. B. CuSn17Ti oder CuSn20Ti) und danach Positionierung des NbTa im Verbund sowie Ziehen bis zur Profilierung.The first step is extrusion of a composite pipe inside (e.g. CuSn13.5 or CuSn15Ti) and outside (e.g. B. CuSn17Ti or CuSn20Ti) and then positioning the NbTa in Composite and pulling up to the profiling.
Beispiel 3 für KernleiterherstellungExample 3 for core conductor production
Nach dem Strangpressen des Verbundes NbTa+ CuSn13,5+CuSn17Ti erfolgt Ziehumformung des Verbundes bis zur Sechskantprofilierung.After extrusion of the composite NbTa + CuSn13.5 + CuSn17Ti is formed by drawing the composite up to the hexagonal profile.
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