DE2129624C3 - Verfahren zum Herstellen eines aus Niob und Kupfer und gegebenenfalls anderen elektrisch normalleitenden Metallen zusammengesetzten Leiters, insbesondere für supraleitende Kabel - Google Patents

Description

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch Wechselstromverluste Vorbehandlungen unterzogen gekennzeichnet, daß die Kupferschicht auf das werden soll, beispielsweise einer mehrstündigen Glüweitere elektrisch normalleiiendc Metall auflcgicri hung bei Temperaturen von 2000"C und mehr im wird. 50 Ultrahochvakuum. Wegen der niedrigen schniel/tempe-

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn- ratur des Kupfers ist eine derartige Glühbehandlung zeichnet, daß auf der Kupierschicht weiteres einer bereits auf einem Kupfenräger abgeschiedenen elektrisch normalleitendes Metall elektrolytisch Niobschicht nicht möglich, da bereits bei Temperaturen abgeschieden wird. nahe am Schmelzpunkt des Kupfers durch Kriechvor-

55 gänge für eine spätere Anwendung untragbare Formän-

_____ derungen des Kupferträgers auftreten. Das Niob muß

also in einem solchen Falle zunächst allein geglüht werden und darf erst nach dem Glühen mit dem Kupfer

Für die Herstellung verschiedener supraleitender verbunden werden. Auch in anderen Fällen kann es Bauelemente, wie supraleitender Kabel zur Übertra- 60 beispielsweise aus fertigungstechnischen Gründen ergung hoher elektrischer Energien, insbesondere für forderlich sein, die Niobteile vorzufertigen und sie erst Wechsel- und Drehstrom, oder bandförmiger Wechsel- dann mit Kupfer zu verbinden.

stromsupraleiter, ist es oft wünschenswert, eine In der deutschen Patentanmeldung P 19 16 292.6

supraleitfähige Niobschicht mit einem Metall zu wurde bereits vorgeschlagen, zum Beschichten von verbinden, welches bei der zur Aufrechterhaltung der 65 Niob mit Kupfer die zu beschichtende metallisch reine Supraleitfähigkeit des Niobs erforderlichen tiefen Nioboberfläche mit wenigstens an der Oberfläche Temperatur gut elektrisch normalleitend ist und eine metallisch reinem Kupfer in Kontakt zu bringen und hohe thermische Leitfähigkeit besitzt. Niob ist vor allein durch anschließendes Erhitzen des Niobs auf eine

Temperatur zwischen 800 und 2500"C unter Vakuum mit einem Restgasdruck von höchstens 1O** Torr das Kupfer mit dem Niob zu verbinden.

Obwohl dieses Verfahren eine innigo Verbindung zwischen Niob und Kupfer liefert, erforciert es jedoch wegen der hohen Temperaturen einen erheblichen Aufwand. Außerdem besteht bei diesen hohen Temperaturen bereits die Gefahr, daß das Niob v>egcn seiner hohen Reaktivität gegenüber Sauerstoff und Stickstoff auch bei hohem Vakuum derai lige Restgase aufnehmen kann. Da insbesondere bei Wechselstrcmsupraleitern der Strom nur in einer dünnen Oberflächenschicht transportiert wird, sind solche Gasreaktionen im Hinblick auf eine damit verbundene Erhöhung der Wechselstromverluste unerwünscht.

Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung Ut es daher, ein Verfahren zum Herstellen eines aus Niob unü Kupfer und gegebenenfalls anderen elektrisch normalleitenden Mciallen zusammengesetzten Leiters, insbesondere für supraleitende Kabel, anzugeben. welches diese Nachteile vermeidet und gegenüber dem bereits vorgeschlagenen Verfahren weiter vereinfacht ist.

Trotz der verhältnismäßig niedrigen bei diesem Verfahren angewandten Temperaturen wird eine besonders innige Diffusionsverbindung zwischen dem Niob und dem aufgedampften Kupfer erzielt.

Besonders vorteilhaft hinsichtlich der Erzielung einer guten Diffusionsverbindung einerseits und der Vermeidung einer Gasaufnahme durch das Niob andererseits ist es, den Niobträger auf eine Temperatur zwischen etwa 200 und 600⁰C zu erhitzen.

Eine Diffusionsbindung zwischen Niob und Kupfer kommt bereits während des Bedampf ens zustande. Durch das Aufheizen des Niobträgers werden ferner gegebenenfalls störende Adsorptionsschichten entfernt, beispielsweise Wasser und Rückstände organischer Lösungsmittel, die zur Reinigung des Niobträgers verwendet wurden. Im übrigen können als Niobträger handelsübliche Niobbleche und Folien verwendet werden.

Da die Eindringtiefe des Stromes in supraleitendes Niob unterhalb des unteren kritischen Magnetfeldes H_t-\ nur sehr gering ist und zur Stromführung demnach nur eine sehr dünne Niobschichi ausgenutzt wird, wird insbesondere zur Herstellung eines Leiters für ein Wechselstromkabel vorteilhaft als Niobirager eine dünne Folie verwendet, die vorzugsweise wenige μιη bis etwa 0,5 mm stark sein kann und die entsprechend den Ansprüchen 1 bis 5 ausgebildet bzw. behandelt werden kann.

Die dünne aufgedampfte Kupferschicht wird insbesondere bei Leitern für supraleitende Kabel in der Regel nicht zur elektrischen Stabilisierung des Niobs und auch nicht zur mechanischen Stützung der vorzugsweise dünnen Niobschicht unter den Anforderungen des Betriebes eines Kabels ausreichen. Eine ausreichende elektrische Stabilisierung und mechanische Stützung kann gemäß weiterer Erfindung dadurch erreicht werden, daß der Niobträger mit Hilfe der Kupferschicht mit weiterem elektrisch normalleitenden Metall verbunden wird, insbesondere können zur Herstellung eines rohrförmigen Leiters ein oder mehrere bandförmige Niobträger mit Hilfe der Kupferschicht mit einem Rohr aus weiterem elektrisch normalleitenden Metall verbunden werden. Die Kupferschicht kann dabei vorteilhaft mit dem weiteren elektrisch normalleitenden Metall verlötet oder auf dieses auflegiert werden. Ferner besteht die Möglichkeit, die Kupferschicht durch elektrolytische Abscheidung von weiterem elektrisch normalleitenaen Metall zu verstärken. Als weiteres elektrisch normalleitendes Metall kommt insbesondere Kupfer selbst in Frage. Ferner lassen sich die Niobfolien mittels der aufgedampften Kupferschichten auch auf andere mit Kupfer verlölbare oder legierbare Metalle, beispielsweise Aluminium, Nickel. Kupfer-Nickel- und Kupfer-Beryllium-Legierungen, aufbringen.

Gerade durch diese Möglichkeit mit Hilfe der aufgedampften Kupferschicht, eine dünne Niobfolie mit weiterem elektrisch normalleitenden Material gut elektrisch und thermisch leitend zu verbinden, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren hervorragend zum Herstellen eines aus Niob und Kupfer und gegebenenfalls anderen elektrisch normalleitenden Metallen zusammengesetzten Leiters für supraleitende Kabel.

Anhand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soff die Erfindung noch näher erläutert werden.

Die F i g. 1 und 2 zeigen schematisch beispielhafte Ausführungsformen für Bedainpfungsvorrichtungen zur Anwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren.

Die F i g. 3 bis 7 zeigen verschiedene Ausführungsbcispiele von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Leitern.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung dient /um Bedampfen eines heißen Niobträgers. Sie besteht 1111 wesentlichen aus einem Gehäuse 1, das durch einen Vakuumsiutzen 2 evakuiert werden kann. In der Wand des Gehäuses 1 sind vakuumdichte Durchführungen 3 vorgesehen, durch welche der Niobträger 4 in die Vorrichtung ein- und aus dieser wieder herausgeführt werden kann. Zum Transport des Niobträgers dienen motorisch angetriebene Transportrollen 5. Innerhalb des Gehäuses 1 wird der Niobträger durch ein Paar von Kontaktrollen 6 und 7 hindurchgeführt, die mit einer in der Figur nicht dargestellten Stromquelle verbunden sind und zur Erhitzung des Niobträgers 4 mittels direkten Stromdurchgangs dienen. Das zu verdampfende Kupfer 8 ist in einem Wolframschiffchen 9 angeordnet und wird etwa auf seine Schmelztemperatur erhitzt. Zwischen der Verdampfungsquclle und dem zu bedampfenden Niobträger 4 ist eine Blende 10 angeordnet.

Die in Fig.2 dargestellte Vorrichtung dient zum Bedampfen eines Niobträgers, der zunächst erhitzt, dann im abgekühlten Zustande bedampft und anschließend erneut erhitzt wird. Diese Vorrichtung unterscheidet sich von der Vorrichtung nach Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß statt der Kontaktrollen 6 und 7, welche die Verdampfungsquelle 8 einschließen, je ein Kontaktrollenpaar 21 und 22 bzw. 23 und 24 vor und hinter der Verdampfungsquelle angeordnet sind. Diese Kontaktrollenpaare dienen zur Erhitzung des Niobträgers 4 durch Stromdurchgang vor b/w. nach dem Bedampfen. Alle übrigen Teile der Vorrichtung nach F i g. 2 sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wie die entsprechenden Teile der Vorrichtung nach rig. 1-

Beispiel I

Mit Hilfe der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung wird ein etwa 50 mm breites, 0,1 mm starkes Nioband mit Kupfer bedampft. Das Band wird durch direkten Stromdurchgang auf etwa 250°C erhitzt. Der Abstand zwischen dem Niobband 4 und der Verdampfungsquelle 8 betrug etwa 120 mm, die öffnung der Blende 10 etwa

50 mm χ 150 mm. Bei einer Bandgeschwindigkeit von etwa 75 mm/min und einer Verdampfungsrate von 5000 Ä Kupfer/min wurde auf dem Niobband 4 eine etwa Ιμιτι dicke, festhaftendc Kupferschicht abgeschieden. Die Vorrichtung war während der Bedampfung auf etwa 10-⁵ Torr evakuiert. Die Laufzeit des erhitzten Niobbandes bis zum Auftreffen des Kupfers, also dem Beginn der Bedampfung betrug etwa 2 Minuten. Jedoch ist die Dauer dieser Vorheizung nicht besonders kritisch. Während der Bedampfung heizt sich in der Regel d;;s bedampfte Niobband noch etwas auf.

Entsprechend gute Ergebnisse wurden beim Bedampfen von Niobbändern erzielt, die mittels Stromdurchgang auf Temperaturen zwischen 150 und 800°C. insbesondere etwa 200 bis 600⁰C, unmittelbar vor und während des Bedampfens erhitzt wurden. Bei höheren Temperaturen setzt bereits wieder eine Rückverdampfung des Kupfers ein. Durch Änderung der Bandgeschwindigkeit bzw. der Verdampfungsrate oder der Blendenöffnung können auch dickere Kupferschichten mit Dicken bis zu etwa 5μ in einfacher Weise auf die Niobfolien aufgedampft werden.

Anstelle des beheizten Wolframschiffchens 9 als Verdampfungsqueile für das Kupfer kann beispielsweise auch ein Elektronenstrahlverdampfer vorgesehen werden.

Beispiel 2

Mit Hilfe der in Fig.2 dargestellten Vorrichtung wurde ein ebenfalls etwa 50 mm breites und etwa 0.1 mm starkes Niobband einseitig mit einer etwa 3 μιη starken Kupferschicht bedampft. Vor der eigentlichen Bedampfung wurde das Niobband zwischen dem Kontaktrollenpaar 21 und 22 etwa 2 Minuten lang auf etwa 300^cC vorerhitzt, anschließend im abgekühlten Zustand bedampft und nach der Bedampfung zwischen dem Kontaktrollenpaar 23 und 24 erneut etwa 2 Minuten lang auf eine Temperatur von etwa 200 bis 300⁰C erhitzt. Die Vorerhitzung dieni dabei /ur Reinigung der zu bedampfenden Nioboberfläche. die Nacherhitzung zur Herstellung der Diffusionsbindung zwischen dem Niob und dem Kupfer.

Eine nach einem der Beispiele 1 oder 2 mit einer Kupferschicht versehene bandförmige Niobfolie ist schematisch in F i g. 3 dargestellt. An der Unterseite der Niobfolie 31 ist die aufgedampfte Kupferschicht 32 zu erkennen, die mit der Niobfolie durch eine Diffusionszone 33 innig verbunden ist.

Solche mit Kupfer bedampfte Niobfolien können zur Herstellung eines supraleitenden Kabels vorteilhaft außen oder innen auf ein Kupferrohr aufgebracht werden, indem beispielsweise die auf die Niobfolie aufgedampfte Kupferschicht mit dem Kupferrohr, das beispielsweise eine Wandstärke von etwa einem Millimeter haben kann, verlötet wird. Dabei kann die Niobfolie um das Rohr heraragelegt werden, oder es können auch eine Vielzahl von streifenförmigen Niobfolien längs des Rohres aufgebracht werdea Dies ist insbesondere dann von Vorteil wenn anstelle zylindrischer Rohre Rohre mit komplizierterer Geometrie, beispielsweise Wellrohre, mit Niobfolie beschichtet werden sollen.

Fig.4zeigtscheinatisch im Längsschnitt ein Kupferrohr 41 fSr «ein supraleitendes Kabel auf dessen ÄaSenseite eine Niobfolie 44 aufgebracht ist die mittels Hirer aufgedampften Kupferschicht 43 mit dem Kupfer-Γθητ4Ι wertetet ist Die Lotsdiicht ist uwt 42 bezeichnet.

Um einen guten elektrischen und thermischen Kontak zwischen der Kupferschicht der Niobfolie und den Kupferrohr des Kabels zu erzielen und die Niobfolii beim Verlöten nicht unnötig zu erwärmen, werden al: Lolmctall vorzugsweise elektrisch gut leitende Metall« mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet. Bcispielswcis« eignet sich eine Legierung aus Zinn und etwa 6 Gew.-^ü/< Silber mit einem Schmelzpunkt von etwa 250⁰C odci eine Legierung aus Zinn und etwa 3,5 Gew.-% Silber mi ίο einem Schmelzpunkt von etwa 220⁰C oder eine Legierung aus Zinn und etwa 48 Gew.-% Blei, derer Schmelzpunkt bei etwa 200⁰C liegt.

Fig. 5 zeigt im Querschnitt ein Kupferrohr 51 eine« supraleitenden Kabels, an dessen Außenseite mehrere mit Kupfer bedampfte Niobstrcifen 52 nebeneinanclci angeordnet sind. Die auf die Niobstreifen 52 aufgedampften Kupferschichtcn und die Lötverbindungen mit dem Rohr 51 sind in Fig. 5 nicht im einzelnen dargestellt.

Natürlich können die Niobfolien an der Innen- bzw. Außenseite des Kupferrohres auch wendelförmig geführt sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auch in einfacher Weise das Anbringen von elektrischen Kontakten an Niobleitern. Dies soll anhand von Fig. 6 näher erläutert werden. Diese Figur zeigt im Längsschnitt einen rohrförmigen Niobträger 61, der beispielsweise mittels der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung an seiner Außenseite mit einer etwa 3 μιη dicken Kupferschicht 62 bedampft wurde, indem er auf eine Temperatur von etwa 300⁰C erhitzt und um seine Achse rotierend über die Verdampfungsquelle hinweggeführt wurde. Auf die Kupferschicht 62 ist mittels einer Lotschicht 63. die beispielsweise aus der bereits erwähnten Blei-Zinn-Legierung bestehen kann, ein Kupferring 64 aufgelötet, der als elektrisch normalleitender Kontakt dient.

Wie bereits erwähnt, kann beim erfindungsgemäßen Verfahren auf der auf dem insbesondere folienförmigen Niobträger aufgedampften Kupferschicht weiteres elektrisches normalleitendes Metall elektrolytisch abgeschieden werden. Insbesondere kommt zu diesem Zwecke Kupfer in Frage. Durch Abscheidung aus einem schwefelsauren Kupfersulfat-Elektrolyten lassen sich beispielsweise auf der Kupferaufdampfschicht dicke Kupferschichten herstellen, die dann einen guten elektrischen und thermischen Kontakt mit der Niobfolie besitzen. F i g. 7 zeigt eine solche Niobfolie 71, deren aufgedampfte Kupferschicht 72 durch eine elektrolytisch abgeschiedene dicke Kupferschicht 73 weiter verstärkt ist. Derartige Kupferschichten lassen sich auch auf einen an seiner Außenseite mit einer Kupferschicht bedampften rohrförmigen Niobträger abscheiden, wie er beispielsweise in Fi g. 6 dargestellt ist Obwohl sich das erfindungsgemäße Verfahren auf handelsübliche Niobfolien anwenden läßt können diese natürlich vorteilhaft einer Vorbehandlung zur Verringerung der WechselstroiHverluste unterzogen werden, bevor sie mit dem Kupfer bedampft werdea. tasbeson' dere kann die Oberfläche der Niobfolie durch Elektropolieren geglättet werden, wodurch eine starke Reduzierung der WechselstromverJuste erreicht wird» Ferner kann, ebenfalls zur Verringerung der Wectoselstromverluste, die Niobfofie zunächst im Ülliräheehvakuum bei Temperaturen von etwa 200Q⁰C einer Entgasungsglühungunterzogen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1, 993 f

Claims (8)

für Wechsel- und Drehstromkabel ein besonders Patentansprüche: geeigneter Supraleiter da es ein "sehr hohes unter kritisches Magnetfeld H* von etwa 120 000 A/m besitzt.

1. Verfahren zum Herstellen eines aus Niob und So erscheint es für supraleitende Wechsel- bzw. Kupfer und gegebenenfalls anderen elektrisch 5 Drehsiromkabel beispielsweise gunstig. Kupfer- oder normalleitenden Metallen zusammengesetzten Lei- Aluminiumrohre koaxial zueinander anzuordnen, die ters. insbesondere für supraleitende Kabel, durch außen oder innen mit einer Niobscnicht versehen sind. Bedampfen eines Niobirägers mit Kopier im Vorzugsweise befindet sich die Niobschicht dabei auf Hochvakuum, dadurch gekennzeichnet. der Außenseite des Innenrohres undlauf der Innenseite daß unter Vakuum mit einem Restgasdruck von io des Außenrohres. Bei Verwendung des Innenrohres als höchstens I0-" Torr der Niobträger zunächst auf Hin- und des Außenrohres als Ruckleiler wird dadurch eine Temperatur zwischen 150 und 800⁰C erhitzt erreicht, daß die elektrischen und magnetischen Felder wird und daß anschließend entweder das Kupier auf nur „: Raum zwischen den Niobschichten auftreten und den heißen Niobträger aufgedampft wird oder das die Rohre aus elektrisch normalleitendem Metall Kupfer auf den abgekühlten Niobträger aufgc- 15 feldfrei bleiben, so daß in ihnen keine Wirbelstromverludampft und der so bedampfte Niobträger erneut auf sie auftreten können.

eine Temperatur zwischen 150 und 800 C erhitzt Das normalleitende Metall dient dabei insbesondere

_wj_rcj zur elektrischen Stabilisierung des supraleitenden

2. Verfahren nach Anspruch I. dadurch gekenn- Niobs. indem es die im supraleitenden Niob fließenden zeichnet, daß der Niobiriigcr auf eine Temperatur 20 Ströme beim Übergang des Niobs vom supraleitenden zwischen 200 und 600" C erhitzt wird. in den elektrisch normalleitenden Zustand, beispielswei-

3. Verfahren nach einem der Ansprüche I und 2. se im Falle einer Überlastung, wenigstens teilweise dadurch gekennzeichnet, daß als Niobträger eine übernimmt und die dabei oder durch Wechselstromverdünne Folie verwendet wird, die mit einer 1 bis 5 um luste im Niob entstehende Verlustwärme an ein starken Kupferschicht bedampft wird. ' 25 angrenzendes Kühlmittel, insbesondere flüssiges HeIi-

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3. um. ableitet. Zu diesem Zweck ist ein möglichst inniger, dadurch gekennzeichnet, daß ein bandförmiger elektrisch und thermisch gut leitender Kontakt zwi-Niobträger auf einer Seite mit Kupfer bedampft sehen eiern Niob und dem elektrisch normalleitenden wird. Metall erforderlich.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 30 Eine innige, festhaftende Verbindung von Niob mn dadurch gekennzeichnet, daß ein bandförmiger gut leitenden Metallen, wie Kupfer, bereitet jedoch Niobträger an seiner Außenseite mit Kupfer erhebliche Schwierigkeiten und ist beispielsweise durch bedampft wird. einfaches Verlöten von Kupfer und Niob oder durch

b. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, galvanische Abscheidung von Kupfer auf Niob nicht zu dadurch gekennzeichnet, daß der Niobträger mit 35 erreichen. Die bekannten Verfahren zum Beschschich-Hilfe der Kupferschicht mit weiterem elckirisch ten von Kupfer mit Niob durch schmelzflußclektrolytinormalleitenden Metall verbunden wird. sehe Abscheidung des Niobs auf einem Kupfenräger

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 6. dadurch sind dann nicht anwendbar, wenn nicht das Niob auf gekennzeichnet, daß ein oder mehrere bandförmige einem vorgefertigten Kupfenräger abgeschieden wer-Niobträger mit Hilfe der Kupferschicht mit einem 40 den soll, sondern wenn ein vorgefertigtes Niobteil. Rohr aus weiterem elektrisch normalleitenden beispielsweise eine Niobfolie. mit dem normalleitenden Metall verbunden werden. Metali, wie Kupfer, verbunden werden soll. Dies ist aus

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch fertigungstechnischen Gründen oft wünschenswert, gekennzeichnet, daß die Kupfcrschicht mit dem beispielsweise wenn man eine vorgefertigte Niobfolie weiteren elektrisch nornialleiienden Metall verlötet 45 als Supraleiter verwenden will, und insbesondere dann wird. erforderlich, wenn das Niob zur Verringerung der