DE2217718A1

DE2217718A1 - Supraleitende Spulen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2217718A1
Application number: DE19722217718
Authority: DE
Inventors: William Adolf Somers N.Y.; Yenni Donald MacKelvie Indianapolis Ind.; Fietz (V.StA.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1971-04-16
Filing date: 1972-04-13
Publication date: 1972-11-02
Also published as: JPS4741191A; GB1387941A; US3733692A; SE387965B; CA971645A; SE7511552L; FR2133778A1; FR2133778B1; IT960784B

Description

12. April 1972 Gze/goe

UiSIIOW CARBIDE CORPORATION

Supraleitende Spulen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die vorliegende Erfindung betrifft supraleitende Spulen, Magnete, die aus solchen Spulen hergestellt werden, und ein Verfahren zur Herstellung solcher Spulen. Im besonderen betrifft die vorliegende Erfindung eine supraleitende Spule, die aus metallischen Pulvern hergestellt und in einem einzigen Arbeitsgang in die gewünschte induktive Geometrie gebracht wird.

Supraleitende Stoffe werden eingeteilt,in Stoffe, die feste Lösungen nach Art einer Legierung darstellen, etwa wie Nb-Ti und NL-Zr und Zusammensetzungen aus intermetallischen Verbindungen, wie z.B. Nb₃Sn und Nb₃Al. Die kritischen Felder der zuletzt genannten Zusammensetzungen liegen beträchtlich über denen der zuerst genannten und sind fähig, einen supraleitenden Strom von erheblicher Stärke aufrechtzuerhalten, wobei die Feldstärke in der Größenordnung des genannten kritischen Feldes liegt. Um die Vorteile der hohen kritischen Felder wirkungsvoll auszunutzen, die sich aus supraleitenden Spulen ergeben,

welche aus Zusammensetzungen aus intermetallischen Verbindungen gebildet werden, welche hohe Stromdichten innerhalb der

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Windungen erlauben, um diese Vorzüge auszunutzen, ist es notwendig, daß die Spulen zu allen Zeiten einwandfrei arbeiten, d.h., daß solche Spulen eine "hochstabilisiertc" Charakteristik aufweisen. Als "hochstabilisierte" Spule für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wira eine solche Spule bezeichnet, die fähig ist, supraleitende Ströme bis zu den kleinen Worten der Probe ohne Herabsetzung zu übertragen, und welche darüber hinaus von der Geschwindigkeit, mit der die Spule aufgeladen wird, weitgehend unbeeinflußt bleibt. Solche Spulet die nicht als hochstabilisierte Spulen vorliegen, arbeiten unregelmäßig und werden "norraal", das besagt, die Windungen solcher Spulen weisen elektrischen Widerstand auf, wenn sie rait einem Strom betrieben werden, der wesentlich unter dem kritischen Strom liegt. Deshalb v/erden Magnete, die aus solchen Spulen hergestellt wurden, keine konsistenten Feldstärken aufweisen; oder anders ausgedrückt, die Feldstärken der Magnate, die aus solchen Spulen hergestellt v/urden, sind nicht reproduzierbar. Die Instabilität in dem Supraleiter geht hauptsächlich auf das zurück, was in der Fachwelt als Verminderung des Kraftflusses (xlux jumping") bezeichnet wird, uer Effekt besteht darin, daß in dem Teil des supraleitenden Materials,in dem die Verminderung des Kraftflusses erfolgt, Energie in Form von iiärme verbraucht wird. In einer instabilen supraleitenden Spule schafft diese Wärme einen normalen Bereich, der sich vollständig

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über die supraleitende Vorrichtung ausbreitet und irreversibel das supraleitende Material dazu brinck elektrischen Widerstand aufzuweisen. Eine hochstbilisiex'te Spule verhindert die Ausbreitung des normalen Bereiches.

Um einen hochstabilfeierten Zustand für den Supraleiter zu erreichen, muß dieser in innigem Kontakt, sowohl thermisch wie elektrisch mit einer normal gut leitenden Oberfläche, etwa aus Kupfer, angeordnet werden, und weiterhin sollte uas Verhältnis der Dicke des normalen Leiters zu der des Supraleiters weitgehend gleich, sein oder etwas größer als Eins sein.

Die bekannten Verfahren, wie etwa das Niederschlagen von Dampf, die galvanische Metallübcrziehung und das Überziehen mittels Diffusion (diffusion coating), welche gegenwärtig benutzt werden, um aus supraleitenden Materialien, welche aus intermetallischen Verbindungen bestehen, supraleitende Spulen herzustellen, sind darauf beschränkt, außerordentlich dünne Filme aus solchen Materialien, normalerweise im ßereich von ungefähr 1 Mikron auf Substraten mit geringer, normaler elektrischer Leitfähigkeit niederzuschlagen, oder durch Diffusion darauf zu bilden. Wenn ein normales Material mit hoher Leitfähigkeit, wie etwa Kupfer oder Aluminium aus Stabilitätsgründen dazukommt,

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so wird dieses nach Bildung des Supraleiters hinzugefügt, möglicherweise durch Löten oder Galvanisieren, wobei beide Verfahren Zwischenschichten mit hohem elektrischen Widerstand einführen können. Die Zwischenschicht, die üblicherweise nicht aus supraleitendem Material mit hohem Feld besteht, verhindert direkten, innigen Kontakt der Schicht aus intermetallischer Verbindung mit dem normalen Leiter mit geringem Widerstand, was zu der instabilen Wirkungsweise der supraleitenden Spulen, die nach solchen Verfahren hergestellt wurden, beiträgt.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Niederschlagen von supraleitenden Schichten von jeder beliebigen Dicke und aus irgendeiner supraleitenden Zusammensetzung auf einer geeigneten, normal leitenden Unterlage, zur Herstellung von supraleitenden Gegenständen ist in der US-Patentschrift Nr. 3,4o7,o49 beschrieben. In Übereinstimmung mit dieser Lehre wird pulverisiertes, metallisches Material in einen Gasstrahl, welcher hohe Geschwindigkeit und hohe Temperatur aufweist, eingeführt, um einen Hochgeschwindigkeitsstrahl aus erhitzten Teilchen, welche zumindest teilweise geschmolzen sind, zu bilden; dieser Strahl wird gegen die Oberfläche einer geeigneten Unterlage gerichtet, un eine supraleitende Schicht zu bilden, die aus einer Matrix aus solchen metallischen Teilchen besteht, die in einander greifeiü mit sich selbst und der Unterlage verbunden sind.

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Ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Magneten, der unterschiedliche Formen aufweisen kann, unter Verwendung des obengenannten Verfahrens, ist in der US-Patentschrift Nr. 3,44o,585 beschrieben. Bei einer Ausführungsform wird dabei eine supraleitende Schicht auf einem Kupferkern niedergeschlagen, und dieser anschließend bearbeitet, um eine spiralförmige, drahtähnliche Konfiguration zu erhalten. Anschließend wird auf der bearbeiteten supraleitenden Schicht eine nicht supraleitende Schicht niedergeschlagen, unter Aussparung eines Endes, welches eine supraleitende Verbindung mit einer nächsten, niedergeschlagenen supraleitenden Schicht bildet. Dieses Verfahren wird fortgeführt, wobei die supraleitend verbundendn Enden abwechseln, bis die gewünschte Anzahl von Windungen hergestellt ist, um eine Spule zu erhalten. Die fertige Spule weist eine monolithische Struktur mit großer Festigkeit auf. Bei diesem Verfahren ist es jedoch notwendig, die Spule erhöhter Temperatur auszusetzen, deshalb ist es s.chwierig, die Ausbreitung von Diskontinuitäten und Brüchen innerhalb der normal leitenden Schicht zu verhindern.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Spulen unter Verwendung des bevorzugten Überzugs-Verfahrens entsprechend der Lehre der US-Patentschrift Nr. 3,4o7,o49. Dabei werden nicht nur die

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Schwierigkeiten, die mit den Bruchstellen in dem Überzug verbunden waren, beseitigt, sondern es ist jetzt darüber hinaus möglich, die Leistungsfähigkeit der supraleitenden Spule mit beträchtlicher Genauigkeit vorherzusagen. Dies geht auf die Tatsache zurück, daß eine supraleitende Spule, die nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, sich als hochstabil!-· siert erwiesen hat, wobei fein großes Verhältnis zwischen normalem Leiter aus Kupfer und Supraleiter aufrechterhalten wird, und die Oberfläche des normalen Leiters entsprechend aufgerauht wurde, bevor der Supraleiter uarauf niedergeschlagen wurde, um direkten, innigen, thermischen und elektrischen Kontakt zwischen der supraleitenden Oberfläche und der normal leitenden Oberfläche zu erzielen. Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wurden Magnetspulen hergestellt, die mit geringen Probe-Strömen arbeiten, und zu einer vohergesagten und reproduzierbaren Wirkung des magnetischen Feldes führt.

Darüber hinaus können nach der vorliegenden Erfindung hochstabilisierte Spulen in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden, wobei jede Windung der supraleitenden Spule von einer anderen physikalisch getrennt ist, so daß eine kühlende Flüssigkeit leicht zwischen den Windungen zirkulieren kann. Die

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— *7 «-

vorliegende Erfindung schließt auch eine neue Technik ein, zum Verbinden einer Vielzahl von supraleitenden, spiralförmig gewundenen Wicklungen, wobei die Verbindung zwischen den Wicklungen vollständig supraleitend ist, so daß eine wirklich supraleitende Magnetspule erhalten wird.

Ein weiterer Vorzug der vorliegenden Erfindung besteht in der Leichtigkeit, mit der die Dicke der supraleitenden Schicht gesteuert v/erden kann, so daß die zentrale ,innerste Wicklung in der Spule, welche dem größten magnetischen Feld ausgesetzt ist, dicker gemacht werden kann, als die Endwicklungen, so daß mehr Wicklungen in den Bereich gepackt werden können, der einem magnetischen Feld von geringerer Intensität ausgesetzt ist.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung, mit dem eine hochkontinuierlichen

stabilisierte, supraleitende Spule in einem einzigen/Arbeitsgang aus einem flachen Streifen aus elektrisch leitfähigem Band hergestellt wird, besteht aus den folgenden Stufen: Reinigung einer Seite des genannten Bandes, um eine weitgehend oxydfreie Oberfläche zu erhalten;

Aufrauhen der genannten gereinigten Oberfläche bis zu einer

-4 mittleren Oberflächenrauhheit von zumindest 3,175 χ Io cm (125 Micro-Inches RMS);

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Vorbeiführen der aufgerauhten Seite des genannten Bandes mit vorgegebener Geschwindigkeit an einem Strahl aus geeigneten Ivle tall teilchen, die mit hoher Geschwindigkeit und mit hohem Wärmegehalt aus einem Lichtbogen-Plasma strömen, während angenähert gleichzeitig die andere Seite des genannten Bandes gekühlt wird, um aus den genannten metallischen Teilchen in innigem Kontakt rait der genannten Bandoberfläche einen supraleitenden Überzug herzustellen;

Niederschlagen einer Schicht aus elektrischem Isolator auf dem genannten supraleitenden Überzug, um eine vielschichtige, zusammengesetzt; Struktur zu erhalten;

Aufwickeln der genannten vielschichtigen, zusammengesetzten Struktur in die gev/ünschte Konfiguration der Spule, so daß jede Wicklung der Spule physikalisch von einer anderen Wicklung getrennt ist.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine supraleitende hochstabilisiex-te Spule herzustellen und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Spule in einem einzigen Arbeitsgangs aus einem flachen Streifen aus elektrisch leitendem Material bereitzustellen.

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mm Q μ-

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Vielzahl von supraleitfähigen Spulen herzustellen, die alle
in Serie und in solcher Weise miteinander verbunden sind, daß die Verbindungsstellen zwischen den Spulen supraleitende Verbindungen sind, so daß man dadurch einen* supraleitenden Magneten erhält.

Andere Ziele und vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Heranziehung der entsprechenden Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer hochstabilisierten, spiralförmig aufgewickelten Spule aus einem kontinuierlichen, flachen Streifen aus elektrisch
leitfähigem Band;

Fig. 2 eine isometrische Darstellung einer einzelnen, vielschichtigen, laminierten Spule, die entsprechend dem Verfahren nach Abb. 1 hergestellt wurde;

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- Io -

Fig, 3 eine schematische Darstellung eines Paares laminierter Spulen, wobei die inneren Wicklungen jeder ,Spule miteinander verbunden sind, so daß eine kontinuierliche supraleitende Verbindung zwischen den supraleitenden Schichten von jeder Spule gebildet wird;

Fig. 4 einen Satz aus einer Vielzahl von Spulen, wobei jede entsprechend Abb. 1 hergestellt und entsprechend Abb. 3 miteinander verbunden wurde, um supraleitende Verbindungen zwischen den Spulen zu liefern, so daß dadurch eine supraleitende Magnetspule gebildet wird;

Fig. 5 eine Darstellung für die Stabilisierung einer Magnetspule, die entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut wurde;

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Vergleichs zwischen den kritischen Strömen in kleinen Proben aus raajnetischem Leiter, die Magnetspulen entsprechend der vorliegenden Erfindung entnommen wurden, und zwischen den größten Strömen, die in solchen Magnetspulen beobachtet wurden;

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Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke des Kupfers und dem größten Stabilisierungs-Strom; dieser wurde durch eine Serie von graphischen Darstellungen entsprechend Abb. 5 bestimmt.

Fig. 1 beschreibt das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer spiralförmig aufgewickelten vielschichtigen Spule aus einem kontinuierlichen Streifen aus elektrisch leitendem Band. Das elektrisch leitende Band lo' hat die Form eines Bandes oder eines flachen Streifens und kann aus irgendeinem geeigneten elektrisch leitfähigeia Material, wie etwa aus Kupfer oder Aluminium, bestehen. Um aus einem kontinuierlichen Streifen oder Band in einem einzigen Arbeitsschritt eine supraleitende Spule herzustellen, ist es notwendig, all die notwendigen Schritte der vorliegenden Erfindung in der Form durchzuführen, wie das Band in die gewünschte geometrische Konfiguration für die fertige Spule gewickelt wird. Zur Herstellung einer Spule in spiralförmig gewickelter Form erfordert das Verfahren entsprechend Beispiel 1 das einfache .Aufwickeln, des kontinuierlichen Streifens aus elektrischem Band einer Aufnahmerolle 14 mit geeigneten Durchmesser, damit die fertige Spule geeignete Abmessungen aufweist. Das Band wurde so hergestellt, wie es aufgewickelt wurde, d.h. daß jede Wicklung, wie sie im folgenden

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beschrieben wird_r eine zusammengesetzte vielschichtige Struktur aus normalem Leiter, Supraleiter und Isolator aufweist, wobei die supraleitende Schicht in innig verbundenem Zustand mit dem normalen Leiter steht. Das Verhältnis der Dicke des Su£jraleiters zu der Dicke des norraabn Leiters wird von Anfang an vorgegeben. Es wird ein üblicher motorischer Antrieb (nicht gezeigt) verwendet, um das Band mit gesteuerter Geschwindigkeit von der Vorratsrolle 12 zu der Aufnahmerolle 14 zu befördern.

Das Band Io wird anfänglich an einer Schleifscheibe 16 vorbeigeführt, welche gleichzeitig zwei Funktionen ausübt, nämlich das Reinigen und das Aufrauhen des Bandes. Es ist für die vorliegende Erfindung besonders kritisch, daß die Oberfläche des Bandes, welche mit einem Supraleiter überzogen werden soll, besonders sauber ist; d.h., daß irgendwelche Oxyde, die sich gebildet haben, oder auf der Oberfläche des Bandes anwesend sind, weitgehend entfernt werden, und weiterhin, daß die Oberfläche des Bandes vor dem Überziehen aufgerauht wird, bis sie eine mittlereOberflächenrauhheit von zumindest ungefähr

mm A

3,175 χ Io cm (125 micro-inches KMS) autweist. Henn die Oberfläche des Bandes nicht in geeigneter Form gereinigt und aufgerauht wird, dann weist das niedergeschlagene supraleitende

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Material keinen ausreichenden thermischen und elektrischen Grenzschicht-Kontakt mit dem normalen Leiter auf, um eine hochstabilisierte Wirkungsweise zu gewährleisten. Obwohl eine Schleifscheibe 16, wie in Abb. 1 gezeigt, bevorzugt wird, um das Reinigen und Aufrauhen durchzuführen, kann eine beliebige Zahl an konventionellen mechanischen, elektrischen oder chemischen Techniken angewandt werden, um zu den gleichen Ergebnissen zu führen; solche Techniken sind etwa z.B. das Sand-Strahlen, die Verwendung einer Anordnung von Draht-Bürsten, elektrische Funkenentladungen oder chemische Atz-Technik« Darüber hinaus muß das Reinigen und .Aufrauhen nicht gleichzeitigdurchgeführt werden. So kann etwa der Reinigungs-Schritt dadurch durchgeführt werden, daß das Band durch ein chemisches Bad geführt wird, und die gereinigte Oberfläche anschließend mit Sandpapior aufgerauht vrird.

Unmittelbar anschließend an das Reinigen und Aufrauhen des Streifens wird dieser unter einem Strahl 18 von geeigneten metallischen Teilchen, welche mit hoher Geschwindigkeit und mit hohem Wärmegehalt aus einem Lichtbogenplasma ausströmen, vorbeigeführt, so daß man einen supraleitenden Überzug erhält. Das ausströmende Plasma 18 kann von einem beliebigen konventionellen Lichtbogen-Brenner 2o erzeugt werden. Ein Lichtbogen-Brenner

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besteht im allgemeinen aus zwei konzentrischen Elektroden, über denen ein elektrischer Lichtbogen besteht, und in den ein Gasstrom eingeführt wird. Der elektrische Lichtbogen ionisiert das Gas und erzeugt ein sehr heißes Plasma, das aus dem Brenner 2o als Gasstrahl mit hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur austritt. Ein oder mehrere geeignete metallische Pulver, ν welche supraleitende Eigenschaften aufweisen, oder welche nach der Verbindung Legierungen oder Verbindungen mit supraleitenden Eigenschaften bilden, können in den Hochtemperatur-Gasstrahl eingeführt werden. Typische supraleitende Stoffe, die verwendet wurden, sind gemischte Niob- und Zinn-Pulver, Vanadin- und Silizium-Pulver, Niob- und Aluminium-Pulver, Vorlegiertes Nb₃Sn, vor legierte Mischung aus 1.¹JiOb und Titan, vor legiertes V^Si und vorlegiertes Nb~Al. Das heiße Plasma schmilzt das Pulver, welches sich anschließend in mikroskopischer Form auf dem bewegenden Band niederschlägt und dort einen Überzug bildet; dieser hat die Form einer Matrix aus solchen metallischen Teilchen, die in ineinandergreifender Beziehung zueinander und zu der Oberfläche des Bandes gebunden sind. Die Dicke des supraleitenden Überzuges ist abhängig von der relativen Geschwindigkeit des Bandes, mit der dieses an dem Lichtbogen-Brenner vorbeigeführt wird. Die Dicke des Überzuges kann einfach durch Einregulieren der Geschwindigkeit, mit der das Band vorüberzieht,

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gesteuert werden. Es wurden supraleitende Schichten mit einer Dicke, die im allgemeinen im Bereich von o_roo2 bis ο_röl2cm liegt, auf einem kontinuierlichen Streifen aus einem Vorrat an weichem ausgeheiztem Kupfer-Band von vorgegebener Dicke, hergestellt.

Um die Oxydation der supraleitenden, metallischen Teilchen nach dem Niederschlagen auf der Oberfläche des Bandes zu verhindern, ist es notwendig, den Streifen derartig zu kühlen, daß die Temperatur des Überzuges sehr rasch auf einen Wert unter ungefähr 2oo C abgesenkt wird. Dies wird üblicherweise dadurch erreicht, daß ein CO~-Strahl auf die andere Seite des Streifens gerichtet wird, wenn der Streifen an dem Lichtbogen-Brenner 2o vorbeigezogen wird. Ein wünschenswerteres Verfahren besteht, wie in Abb. 1 gezeigt, darin, den Streifen Io um eine mit Wasser gekühlte Vorrichtung herumzuführen, wobei diese Vorrichtung axe Form eines Rades 22 aufweist, und das die Wärme abführt, so daß eine sehr rasche Abkühlung der Oberfläche des Bandes und des niedergeschlagenen Überzuges erreicht wird. Obwohl das wassergekühlte Rad 22 nur als Block dargestellt ist, enthält es leitungen zum Zuführen und Zirkulieren eines Wasserstromes durch das Innere des Rades 22, in einer solchen Weise, daß dieses als üblicher Wärme-Tauscher arbeitet. Die gebogene Oberfläche des

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Waüser-Kades 22 dient auch als Unterlage für das Band, so daß darauf eine ebene Verteilung der mikroskopischen, metallischen Teilchen niedergeschlagen werden kann, während das Band bewegt wird.

Nachdem der überzug aus supraleitendem Material auf der Oberfläche des Bandes niedergeschlagen ist, wird das Band Io anschließend über eine Auftrag-Walze 24 geführt, welche einen dünnen Überzug aus schnell trocknendem, flüssigen keramischen Werkstoff als Isolator aufträgt, um jede Windung des Bandes Io elektrisch zu isolieren, wenn diese auf die Aufnahme-Rolle 14 gewickelt werden, um die fertige Spule zu bilden. Als Alternative kann eine Isolierschicht von einer getrennten Rolle auf den supraleitenden Überzug aufgedruckt werden, bevor die vereinigten Schichten auf der Aufnahme-Rolle 14 aufgewickelt werden. Isolierstoffe, welche mit Erfolg der benötigten abschließenden Wärmebehandlung zur Fertigstellung der Spule widerstanden haben, sind Gewebe-Streifen aus Silizium oder hochtemperaturbeständigem Glas, flüssige keramische Suspensionen, Graphit-Suspensionen und Hoch temperatur-Emai lic. Ein bevorzugter flüssiger, keramischer Wirkstoff besteht aus Aluminiumoxyd in einem flüchtigen Bindemittel. Der Isolator wira nicht auf der ganzen Länge des Bandes aufgebracht, sondern die Kn de η ctor; Ban-

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des bleiben unbedeckt, so daß die supraleitende Oberfläche
frei.liegt, damit supraleitende Verbindungen an solchen Enden
hergestellt werden können, wie im folgenden erklärt wird.

Abschließend wird die zusammengesetzte vielschichtige Struktur aus leitendem Band, Supraleiter und Isolator auf der Aufnahmerolle 14 aufgewickelt, um eine Spule mit geeigneter Größe zu
liefern, wie etwa in Abb. 2 gezeigt, welche einen Innendurchmesser aufweist, der gleich dein Innendurchmesser der gewünschten supraleitenden Magnetspule ist. Der Supraleiter wird üblicherweise gegen die Innenseite der Spule aufgewickelt, v/o daß er
während des Abbiegens zusammengedrückt wird, und daß weiterhin das Band, welches bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium besteht, eine Unterstützung gegen das Abziehen der Streifen während des Betriebs der fertigen supraleitenden Spule liefert. Als Alternative dazu kann ein zusammengesetztes Material, etwa aus
Kupfer, welches mit rostfreiem Stahl unterlegt ist, als Substrat für das Band verwendet werden* Der rostfreie Stahl liefert zusätzlich Festigkeit für Anwendungen bei hohem Feld oder in
großen Vorrichtungen. Natürlich wird auch in solchem Falle
der supraleitende Überzug benachbart zu dem Kupfer aufgebracht.

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Abb. 3 einschließlich Abb. 4 beschreiben die Anordnung einer Magnetspule, welche aus einer Vielzahl von spiralförmig aufgewickelten Spulen besteht.

Abb. 3 zeigt ein bevorzugtes Verfahren zum Verbinden der Enden eines Paares von Spulen 3o,3o, so daß die Kontinuität zwischen den supraleitenden Schichten aufrechterhalten wird. Die Verbindungstechnik beisteht darin, die innerai Windungen jeder Spule 3o Seite an Seite mit ihr-en Kanten aneinanderzulegen. Sie worden in dieser Stellung bevorzugt durch eine Schablone (nicht gezeigt) gehalten, welche die normal leitende (Kupfer) Unterseite frei läßt. Die beiden Kupferoberflächen werden anschließend entlang den entsprechenden Kanten verschweißt, so daß sich eine feste Verbindung 32 ergibt, wobei als bevorzugtes Schweißverfahren der übliche TIG-Schweißprozeß verwendet wird. Der TIG-Schweißprozeß besteht darin, einen Lichtbogen zwischen einer sich nicht abnützenden Elektrode,üblicherweise aus Wolfram, und dem zu verschweißenden Material in einer inerten Gasumgebung zu erzeugen. Obwohl ein den ve rs eiweiß ten Kanten zwischen den supraleitenden Schichten, welche auf der entgegengesetzten Seite des Bandes liegen, eine gewisse Benetzung erfolgt, ist dies nicht ausreichend, um eine zuverlässige supraleitende Verbindung zu gewährleisten. Deshalb wird nach dem Verschweißen der Kanten die supraleitende Seite der verbundenen Bänder unter

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den Lichtbogen-Brenner 2o gebracht und ein weiterer überzug aus supraleitendem Material darauf niedergeschlagen, um eine fest ο supraleitende Verbindung zu erzeugen. Wie bereits früher erläutert, wurde absichtlich an den Enden des Bandes Io jeder Spule 3okeine Isolierschicht angebracht, um zu verhindern, daß der isolierende Überzug an den zu verbindenden Enden wieder entfernt werden muß. Die Verbindung erfolgt zwischen den inneren Windungen jeder Spule, so daß als Ergebnis das verbundene Paar geometrisch koaxiale Form aufweist. Für die innere Verbindung oder die Verbindungen wird die Bildung einer guten vollständig supraleitenden Verbindung bevorzugt, denn diese ist den Bereichen mit dem höchsten magnetischen Feld ausgesetzt, Eine Verbindung mit elektrischem Widerstand zwischen den Spulen ist dann akzeptabel, wenn dieser Widerstemd klein genug ist, um die Möglichkeit aufzuschließen, daß sich dieser normale Bereich über die Verbindungsstellehinaus ausbreiten wird. Jedoch für Verfahren mit Dauerbelastung kann es notwendig sein, daß alle Verbindungen supraleitend sind. Auf diese Weise kann jede beliebige Anzahl von Spulen verbunden werden, um eine vollständige Magnetspule zu bilden.

Nachdem die vorgegebene /mzahl von Spulen 3o miteinander verbunden sind, wird die Vorrichtung einer Wärmebehandlung unterzogen; dies erfolgt einfach dadurch, daß die Vorrichtung in einen vorcjheizton Ofen gebracht wird. Diese i/arniebehändlung

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ist notwendig, um de supraleitenden Eigenschaften des supraleitenden Überzuges zu raaximieren. In einigen Fällen kann es nicht zweckmäßig sein, die ganze Magnetspule einer Wärmebehandlung zu unterziehen. In solchen Fällen erfolgt die Wärmebehandlung für getrennte Paare an Spulen, welche anschließend miteinander verbunden werden, wie oben erklärt, mit dem Unterschied, daß entweder das zusätzliche Überziehen mit supraleitendem Material unterbleibt und die Verbindungsstelle gei'ingen elektrischen Widerstand aufweisen kann, oder ein Material, welches zur Optimierung seiner supraleitenden Eigenschaften keine weitere Wärmebehandlung benötigt, wird über den verschweißten Bereich gesprüht.

An einer Anzahl von Probespulen nach der vorliegenden Erfindung wurde eine Untersuchung über die Stabilisierung durchgeführt, um den Effekt der Stabilisierung als Funktion der Dicke des normalen Leiters zu bestimmen. Die Versuche wurden mit zehn Spulen durchgeführt, jede Spule bestand aus spiralförmig aufgewickelten Windungen mit einem Innendurchmesser von 9 cm, wobei jede Spule aus einem einzelnen Band aus .Kupferstreifen, wie oben beschrieben, herge;;i illt wurde. Die supraleitenden Schichten bestanden aus der uermetallischen Zusammensetzung · Nb₃Sn. Die Spulen waren soweit identisch und unterschieden sich nur in der Dicke des Kupfers, diese Dicke variierte von

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o,o25 cm bis ο,12 cm. Ein 1 cm langes Segment jeder Spule wurde mit einer Heizvorrichtung umwickelt, so daß dieser Teil der Spule normal bewegt werden konnte, während in der Spule ein Transport-Strom erzeugt wurde. Der Effekt der Stabilisierung wurde auf folgendem Weg beobachtet. Ein Transport-Strom mit festem Wert wurde durch die Spule geschickt. Wurde an die Heizvorrichtung ein Strom angelegt, so ergab sich eine Spannung an den Enden der Spule, aufgrund der normalen Bereiche in der Spule. Das Abschalten des Heizstromes war-entweder verbunden mit einer Rückkehr der Spule in ihren supraleitenden Zustand, oder durch einen stetigen Anstieg der Klemmenspannung und einem eventuellen übergang in den normalen Bereich der Spule. Ob die Spule in den supraleitenden Zustand zurückkehrte oder nicht, wurde durch den Transportstrom in der Spule und durch die Größe des normalen Bereiches bestimmt. Der Anteil an normalem Material konnte durch Veränderung des Heizstromes, und die Länge der Zeit, die dieser Strom aufrechterhalten wurde, gesteuert werden.

Für jeden Wert des Transportstromes wurden der Heizvorrichtung fortlaufend größere Impulse zugeführt, bis eine Grenzklemmenspannung erreicht wurde, Dei der die Spule nicht mehr in den supraleitenden Zustand zurückkehrte. Abb. 5 zeigt die Ergebnisse dieser Studie für ein o,o5 cm dickes Kupferband. Die Kurve

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der Grenzspannung unterteilt den Bereich des Transportstromes in drei unterschiedliche Bereiche. Unterhalb eines Transportstroraes von 4oo Amp. kehrte die Spule immer in den supraleitenden Zustand zurück, wenn der Impuls der Heizvorrichtung entfernt wurde. Dieser Bereich wird als der stabile Bereich der Kurve bezeichnet. Für Transport-Ströme, die über 9oo Amp. liegen, überführt ein willkürlich kleiner Impuls der Heizvorrichtung (manchmal sogar gar keiner) die gesamte Spule in dem normalen Zustand. Zwischen diesen beiden Stroinwerten wurde ein Bereich mit abhängiger Stabilität beobachtet. In diesem Bereich erholt sich die Spule von kleinen Abweichungen, jedoch nicht von großen Abweichungen. Der durch die Dicke des Kupferbandes bewirkte Effekt verschiebt die Kurve horizontal.

Der Effekt einer schlechten elektrischen Verbindung zwischen Supraleiter und Substrat wurde durch zwei Abänderungen des oben genannten Experimentes untersucht.

Es wurden Spulen hergestellt, welche mit den obigen identisch waren, jedoch mit dem Unterschied, daß in einem Falle zwischen Supraleiter und Substrat eine dünne Schicht mit sehr hohem elektrischen Widerstand aus einem normalen Metall eingefügt wurde, und im anderen Falle ein unterbrechender Überzug aus einem Isoliermaterial eingefügt wurde.

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In beiden Fällen war das Ergebnis eine große Verminderung der oberen Grenze für den Bereich mit abhängiger Stabilität, es ero^rab sich jedoch kein Effekt auf die untere Grenze,

Die Erfahrung hat gezeigt, daß eine hochstabilisierte Arbeitsweise (beispielsweise kritische Ströme in kleinen Proben) dann erhalten werden kann, wenn die Dicke des Kupferbandes so gewählt wird, daß der Betriebsstrom in den Bereich mit abhängiger Stabilität fällt. Daher bestätigt dieses Experiment die Notwendigkeit einer direkten innigen Verbindung, sowohl thermisch wie elektrisch, zwischen der supraleitenden Schicht und dem normalen Leiter, was andererseits die Stabilisierungs-Eigenschaften weitgehend beeinflußt.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen nauen Typ von supraleitender Spule, deren V7irkungsweise für hohe magnetische Felder in einem Ausmaße vorhersagbar ist, das bislang für supraleitende Spulen, bestehend aus 2usammensetzungen aus intermetallischen Verbindungen, nicht möglich war. Um beispielsweise eine Magnetspule zu entwerfen, welche loo kOe erzeugt, nimmt man zuerst den kritischen Abtaststrom aus Abb. 6, 4oo Amp. bei loo kOe. Dann benütztrran eine andere Kurve, etwa die Kurve aus Abb. 7, um die notwendige Dicke des Kupferbandes zu be-

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stimmen, welche 4oo Amp. bei loo kOe stabilisieren kann. Unter Verwendung dieses Wertes für die Dicke des Kupferbandes und unter Berücksichtigung des Abstandes zwischen Wicklungen und zwischen Spulen, wird die Gesamtstromdichte A J erhalten. Mit dieser Zahl kann jetzt in bekannter t/eise eine Magnetspule für jede beliebige geometrische Form entworfen werden.

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Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Herstellung einer hochstabilisierten suprakontinuierlichen leitenden Spule in einem einzigen/Arbeitsgang aus einem flachen Streifen aus einem elektrisch leitenden Band von vorgegebener Dicke, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren aus den folgenden Stufen besteht:

(a) Reinigung einer Seite des genannten Bandes, um eine weitgehend oxydfreie Oberfläche zu erhalten;

(b) Aufrauhen der gereinigten Oberfläche bis zu einer mittleren Oberflachenrauhhext von zumindest ungefähr 3,175 χ Io cm (125 micro—'.aches RMS);

(c) Vorbeiführen der aufgerauhten Seite des Bandes mit vorgegebener Geschwindigkeit an einem Strahl aus geeigneten metallischen Teilchen, die mit hoher Geschwindigkeit und hohem Wärmegehalt aus einem Lichtbogenplasma strömen, um einen supraleitenden Überzug aus diesen metallischen Teilchen in direktem innigen Kontakt mit der aufgerauhten Oberfläche des Bandes zu erzeugen;

(d) Abkühlen der anderen' Seite des Bandes angenähert gleichzeitig mit AliLauf von (c) ;

(e) Aufbringen einer Schicht aus elektrischem Isolator auf dem supraleitenden Überzug, wodurch eine vielschichtige zusammengesetzte Struktur erhalten wird;

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(f) Aufwickeln der vielschichtigen zusammengesetzten Struktur um einen Kern, um eine Spule mit gewünschter Konfiguration zu erhalten.

2. Verfahren entsprechend Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Band aus einem Material wie Kupfer, Aluminium und Silber besteht.

3. Verfahren entsprechend Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige 3and aus einer Zusammensetzung besteht, aus Kupfer, aufgedrückt auf eine Unterlage aus rostfreiem Stahl.

4. Verfahren entsprechend Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Metallteilchen aus folgenden Materialien bestehen, vermischten Hiob- und Zinnpulvern, Vanadin- und Siliziumpulvern, Niob- und Aluminiumpulvern, vorlegiertes Nb₃Sn, vorlegiertes V₃Ga, vorlegiertes V₃Si, vorlegiertes Nb₃Al und vorlegierte Mischungen aus Niob und Titan.

5. Verfahren entsprechend Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Isolator aus folgenden Materialien besteht, Siliziumdioxyd, flüssige

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kerataische Suspensionen, Graphit-Suspensionen, IIochtemperatur-Email und Hochtemperatur-Glasfaserband.

6. Verfahren entsprechend Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Band spiralförmig um einen Kern gewickelt wird, um eine Spule mit schraubenförmiger Geometrie zu erhalten.

7. Verfahren entsprechend /Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Reinigung und Aufrauhen des Bandes gleichzeitig mittels einer Schleifscheibe dureingeführt werden.

8. Verfahren zur Herstellung einer hochstabilisierten supraleitenden Magnetspule, aus einer Vielzahl von flachen Streifen aus elektrisch leitfähigem Band, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren aus den folgenden Schritten besteht:

(a) Reinigung einer Seite jedes elektrisch leitenden Streifens des Bandes, um eine weitgehend oxydfreie Oberfläche für jedes Band zu erhalten;

(b) Aufrauhen jeder gereinigten Oberfläche bis zu einer

—4 mittleren Oberflächenrauhheit von zumindest 3,175xlo cm (125 micro-inches RMS) ;

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(c) Vorbeiführen der aufgerauhten Seite jedes Bandes an einem Strahl aus geeigneten Metallteilchen, die mit hoher Geschwindigkeit und mit hohem Wärmegehalt aus einem Lichtbogen-Plasma strömen, um einen supraleitenden Überzug aus diesen Metallteilchen in direktem innigem Kontakt mit jeder aufgerauhten Oberfläche des ßandes zu erzeugen;

(d) Abkühlen der anderen Seite von jedem Band angenähert gleichzeitig mit dem Verlauf des Schrittes (c);

(e) Aufbringen einer Schicht aus elektrischem Isolator auf jeder supraleitenden Oberfläche, wodurch aus jedem Band eine vielschichtige zusammengesetzte Struktur entsteht;

(f) spiralförmiges Aufwickeln jeder vielschichtigen zusammengesetzten Struktur, um einen Kern, um eine Vielzahl von Spulen mit schraubenförmiger Geometrie zu erhalten;

(g) koaxiale Anordnung der Spulen in solcher Form, daß die inneren Wicklungen jeder Spule und die äußeren Wicklungen jeder Spule an einandergrenzen;

(h) Nebeneinanderstellen der inneren Wicklung jeder Spule zu der inneren Wicklung einer von einer Seite benachbarten Spule und Nebeneinanderstellen der äußeren Wicklung ;pder Spule zu der äußeren Wicklung einer von der anderen

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Seite benachbarten Spule, so daß die inneren Wicklungen so ausgerichtet werden, und daß die äußeren Wicklungen so ausgerichtet werden, daß ihre entsprechenden Kanten aneinanderstoßen;

(i) Verschweißen der aneinanderliegenden inneren Wicklungen und der aneinanderliegenden äußeren Wicklungen, um an den entsprechenden Kanten zwischen aneinanderstoßenden Wicklungen verschweißte Verbindungen zu erhalten;

(j) Niederschlagen einer Schicht aus supraleitendem Material auf den inneren und den äußeren Wicklungen an den verschweißten Verbindungsstellen, um einen kontinuierlichen supraleitenden Verlauf zwischen benachbarten Spulen zu erhalten.

9. Hochstabilisierte supraleitende Spule, gekennzeichnet durch einen kontinuierlichen Streifen aus einer vielschichtigen zusammengesetzten Struktur, die in schraubenförmiger Geometrie angeordnet ist und aus einer großen Zahl \on Wicklungen besteht, wobei jede Wicklung radial angeordnet und physikalisch getrennt von einer anderen Wicklung ist, und wobei die zusammengesetzte vielschichtige Struktur aus folgenden Bestandteilen besteht; einer weitgehend flachen Schicht aus elektrisch leitfähig gem Material,

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einer darüber gelegtmSchicht aus einer supraleitenden Zusammensetzung aus intermetallischer Verbindung in mikroskopischen Teilchen, welche in ineinandergreifender Beziehung miteinander verbunden sind und welche in innigem Kontakt mit der Grenzfläche der leitenden Schicht stehen, einerSchicht aus elektrisch nichtleitendem Material, wnLhe über die supraleitende Schicht gelegt ist.

Io. Hochstabilisierte supraleitende Magnetspule, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von supraleitenden spiralförmig aufgewickelten Spulen, wobei jede eine vorgegebene Anzahl von Wicklungen enthält, wobei jede Wicklung radial angeordnet und physikalisch getrennt von einer anderen Wicklung ist, dabei besteht jede Spule aus einer vielschichtigen zusammengesetzten Struktur, einschließlich einer Schicht aus elektrisch leitendem Material, einer darüber gelegten Schicht aus supraleitendem Material in der Form von mikroskopischen, supraleitenden Teilchen, welche in ineinandergreifender Beziehung miteinander verbunden sind und in innigem Kontakt mit der .leitenden Schicht stehen und einer Schicht aus elektrisch nichtleitendem Material, die über die supraleitende Schicht gelegt ist, und wobei die Vielzahl von Spulen koaxial ange-

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ordnet sind, so daß die innere Wicklung jeder Spule verbunden ist mit der inneren Wicklung einer Spule, welche von der einen Seite her benachbart ist und wobei die äui3ere Wicklung jeder Spule benachbart ist mit der äußeren Wicklung einer Spule, die von der anderen Seite her benachbart ist.

11* Magnetspule entsprechend Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß eine supraleitende Schicht die Verbindungsstelle der inneren Wicklungen zwischen solchen Spulen überbrückt und den Kontakt zwischen den supraleitenden Schichten in jeder, so verbundenen Spule herstellt.

12. Magnetspule entsprechend Anspruch lo,dadurch gekennzeichnet, daß eine supraleitende Schicht die Verbinäungsstellen zwischen den inneren und äußeren Wicklungen solcher Spulen überbrückt und damit den Kontakt zwischen der supraleitenden Schicht in jeder, so verbundenen Spule herstellt.

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