DE2515904A1 - Verfahren zur herstellung eines stabilisierten supraleiters - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines stabilisierten supraleitersInfo
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Description
23/75 We.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Verfahren zur Herstellung eines stabilisierten Supraleiters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines stabilisierten Supraleiters mit einer Vielzahl von dünnen
Filamenten aus supraleitendem Material, bei welchem nach einer mechanischen Verformung eines Ausgangsbolzens zur
Erzielung einer metallisch innigen Verbindung zwischen den einzelnen Bolzenbestandteilen mit Hilfe einer Warmbehandlung
die supraleitenden Filamente durch Hineindiffundieren von .mindestens einer von der Aussenseite des Leiters zugeführten
diffusionsfähigen Materialkomponente in eine zweite,
im Innern des Leiters filaraentförmig angeordnete Materialkomponente,
gebildet werden.
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Es sind bereits zahlreiche Filamentsupraleiter auf der Basis intermetallischer Verbindungen wie NbßSn» V^Ga,
VoSi und andere bekannt, deren gemeinsames Kennzeichen
sehr hohe kritische Felder (> 15T), hohe kritische Temperaturen
(>15K) und hohe kritische Stromdichten im Supraleitermaterial ( > 106A/mm2 bei 5T und 4,2K) ist.
Die dabei verwendeten Supraleitermaterialien sind jedoch alle sehr spröde und. lassen sich nicht durch die bekannten
Verfahren zu den erforderlichen dünnen Filamenten ziehen. Daher ist es bei der Herstellung dieser Supraleiter notwendig,
zuerst die duktilen Materialkomponenten zu verformen, eventuell gewisse Materialkomponenten erst bei
der Bildung des Endproduktes hinzuzufügen, und die intermetallische Verbindung unter Anwendung eines Glühprozesses
durch Diffusion herzustellen.
Es sind bereits mehrere Verfahren bekannt geworden, um diese Prozesse auszuführen. Nach einem bekannten Verfahren
werden zum Beispiel Nb-Stabe auf dünne Durchmesser gezogen und das Endprodukt durch ein auf einer Temperatur von
etwa 1000°C sich befindendes Zinnbad geführt, wodurch im Oberflächenbereich des Nb-Filamentes eine NbgSn-Schicht
gebildet wird. Der Nachteil dieses Verfahrens ist die hohe Bildungsgeschwindigkeit der intermetallischen Supraleiterverbindung,
wodurch die letztere eine grobkörnige Struktur erhält, was niedrige kritische Stromstärken
zur Folge hat. Nach einem anderen bekannten Verfahren werden
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V-Stäbe in eine aus Galliumbronze bestehende Matrix eingesetzt, das Ganze gemeinsam auf den Enddurchmesser
verformt und anschliessend durch interne Diffusion bei einer Temperatur von etwa.65O°C eine Diffusionsglühung
zur Bildung einer V3Ga-Schicht im Oberflächenbereich
der Vanadiumfäden durchgeführt. Der Vorteil gegenüber dem ersterwähnten Verfahren ist die geringere Wachstumsgeschwindigkeit und damit die feinkörnige Ausbildung der
VoGa-Schicht bei interner Diffusion, im Gegensatz zu einem Tauchen in einem Ga-Bad analog dem ersterwähnten
Verfahren, welche einen Leiter mit einer wesentlich höheren kritischen Stromdichte ergibt und die Bildung
unerwünschter Nebenphasen verhindert. Nach einem dritten bekannten Verfahren werden Nb-Stäbe in eine Kupfermatrix
eingesetzt, das Ganze verformt und nach Erzielung des Enddurchmessers der Draht mit Zinn umgeben und bei einer
Temperatur von ungefähr 700 C das Zinn durch externe Eindiffusion
durch das Kupfer hindurch zu den aus Niob bestehenden Fäden diffundieren gelassen, so dass sich mindestens im
Oberflächenbereich der Niob-Fäden eine Nb3Sn-Schicht
bildet· Der Vorteil des zuletzt genannten Verfahrens gegenüber dem zweitgenannten Verfahren ist, dass die
aus Kupfer und Niob bestehende Matrix relativ einfach gezogen werden kann, während eine Ga- oder Sn-Bronze fortlaufend
Weichglühungen des Drahtes während seines Ziehens erforderlich macht, und zwar vor allem bei den zur Bildung
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eines Supraleitermaterials erforderlichen hohen Gabeziehungsweise Sn-Konzentrationen, was sehr umständlich,
zeitraubend und kostspielig ist.
Alle die soeben angeführten Verfahren weisen den Nachteil auf, dass die Restmatrix, ausser der Supraleiterschicht·
und dem Rest-Kern der Supraleiterfilamente, aus der elektrisch sehr schlecht leitenden CuGa-, CuSn- oder CuSi-Bronze
besteht. Zum stabilen und gefahrlosen Betrieb einer Supraleiterspule ist es aber notwendig, den Leiter
mit einem Kupfer-, Aluminium- oder Silber-Parallelleiter zu verbinden, welcher dann eine elektrisch gutleitende
Brücke für den Fall darstellt, dass die Supraleitfähigkeit des Supraleiters aus irgend einem Grund verloren geht.
Es hat Vorteile, wenn elektrisch gut leitendes Kupfer, Aluminium oder Silber in die Matrix des Supraleiters
integriert wird. Gemäss ebenfalls bereits bekannten Beispielen umgibt man die aus supraleitendem Material
bestehenden Filamente oder Filamentgruppen, die auch die Bronzematrix enthalten, mit für die diffundierenden
Komponenten wie zum Beispiel Sn, Ga oder Si, undurchlässigen Diffusionssperren. Solche Leiter weisen somit
in ihrem Innern die von der Bronzematrix umgebenen . Supraleiterschichten auf, wobei die Bronzematrix ihrerseits
von einer Diffusionssperre und die letztere aussen von elektrisch gut leitendem Kupfer oder Aluminium umgeben
ist. Bisweilen wird innerhalb der Diffusionssperre auch
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reines Material der diffundierenden Komponenten vorgesehen, um die Verformbarkeit des Leiters zu verbessern.
Enthält der Leiter auf seiner Aussenseite die elektrisch gutleitende Substanz, dann entfällt die Möglichkeit
der externen Diffusion der zur Bildung des supraleitenden Materials zu diffundierenden Materialkomponente.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines stabilisierten Supraleiters, bei
welchem durch eine spezielle Anordnung der Leiterkomponenten der Vorteil der externen Diffusion beibehalten,
also die einfache Verformung der Matrix erhalten werden kann, obwohl die elektrisch gut leitenden Bereiche im
Aussenbereich des Leiters angeordnet werden und die supraleitenden Filamente somit über den Querschnitt des
Leiters betrachtet in radialer Richtung gesehen alle innerhalb dieser elektrisch gut leitenden Bereiche
verlaufen.
Das erfinduugsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
dass man als Ausgangsbolzen einen Bolzen verwendet, der im Mittelbereich seines Querschnittes mit einer Vielzahl
von aus der zweiten Materialkomponente bestehenden Stäben oder Drähten, die von einem die diffusionsfähige
Materialkomponente hindurchdiffundieren lassenden Material
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umgeben sind, und in seinem radial gesehen äusseren Bereich mit mehreren aus elektrisch gut leitendem
Material bestehenden Drähten oder Stäben, die mit einem gegenüber der von aussei» einzudiffundierenden
Materialkomponente eine Sperre bildenden Material umgeben sind, versehen ist, wobei mindestens zwischen
einem Teil der mit einer Diffusionssperre umgebenen, aus elektrisch gut leitendem Material bestehenden
Drähte oder Stäbe die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundieren lassendes Material angeordnet ist.
Es ist zweckmässig, die Supraleiterfilamente soweit wie möglich im Zentrum des Leiters zu konzentrieren, um beim
Biegen des Leiters die auf die spröden Supraleiterfilamente einwirkenden Zug- und Druckkräfte möglichst niedrig zu
halten.
Durch die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens
wird erreicht, dass Diffusionsbrücken, von der Aussenseite des Leiters in dessen Zentrum gebildet werden, über
welche die diffusionsfähigen Materialkomponenten von aussen zu den mit ihnen das Supraleitermaterial bildenden
anderen Materialkomponenten gelangen können und gleichzeitig der Hauptteil der aus elektrisch gut leitendem
Material bestehenden Matrix durch die Diffusionssperren von einer Verunreinigung durch die diffusionsfähige
Materialkomponente, welche die elektrische Leit-
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fähigkeit des elektrisch gut leitenden Materials bei tiefen Temperaturen sehr stark herabsetzt, geschützt wird.
Bei einigen Materialkombinationen ist es zur Erzielung einer einwandfreien metallisch innigen Verbindung nach
der mechanischen Verformung des Leiters vorteilhaft, wenn man als diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundieren
lassendes Material ein solches verwendet, dass bereits einen Teil der zur Bildung der Supraleiterfilamente
notwendigen Menge an diffusionsfähiger Materialkomponente
enthält.
Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich ferner noch folgende Vorteile:
a) Es ist nicht auszuschliessen, dass die möglichst dünn auszulegenden Diffusionssperren um das elektrisch
gut leitende Material herum bei einer Endlänge des Leiters von vielen Kilometern Oeffnungen aufweisen
können, sei es infolge von Rissen, Poren oder ähnlichem. An diesen Stellen würde bei den bisherigen Ausführungsformen zum Beispiel Zinn aus dem die Bronze enthaltenden
Teil des Leiters in das Kupfer diffundieren und die hohe elektrische Leitfähigkeit des Kupfers zerstören.
Dies hätte aber zur Folge, dass bei einer Schnellentregung einer aus diesem bekannten Supraleiter hergestellten
Spule oder einem plötzlichen Verlust der Supra-
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leitfähigkeit im Leiter, dem· er gewachsen sein muss,
der Leiter durchbrennen kann. Bei Anwendung des erfindungsgemässen
Verfahrens wird durch die Aufteilung des Querschnittes des elektrisch gut leitenden Materials,
zum Beispiel des Kupfers, in mehrere voneinander getrennte, mit Diffusionssperren geschützte Bereiche
praktisch ausgeschlossen, dass der Gesamtquerschnitt oder ein Grossteil des elektrisch gut leitenden
Materials elektrisch schlecht leitend werden kann.
b) Durch die bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens,
resultierende Aufteilung des Querschnittes des elektrisch gut leitenden Materials in mehrere voneinander distanzierte
Bereiche ergibt sich bei Verwendung des Leiters in zeitlich variablen Feldern eine Reduktion der
Wirbelstromverluste. Insbesondere reduzieren auch die elektrisch schlecht leitenden Brücken, die sich
zwischen den elektrisch gut leitenden Bereichen befinden, die bekannten Kopplungsverluste zwischen
den am weitestens auseinanderliegenden Supraleiterfilamenten und Kupferbereichen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste beispielsweise
Ausführungsform eines Ausgangsbolzens zur Durchführung
des erfindungsgemässen Verfahrens j und
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Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zweite beispielsweise Ausführungsform eines Ausgangsbolzens.
Gemäss Figur 1 werden in einem Kupferbehälter 1 Formteile
eingesetzt, welche aus Nb-Stäben 2, die letzteren umgebenden Kupferrohren 3, Kupferstäben 4,5 und 6 und die Kupferstäbe
6 umgebenden Hülsen aus Ta bestehen. Der Behälter 1 wird an den Enden verschlossen und anschliessend warm und kalt
verformt, bis sich ein dünner Draht mit einem Durchmesser von beispielsweise 0,5mm ergibt. Dieser Leiter wird
anschliessend verzinnt und das Zinn bei einer Temperatur
ο
von etwa 400 C in das Kupfer 5,4 und 3, welches mit dem Hüllrohr 1 in direkter Verbindung steht, eindiffundieren gelassen. Anschliessend wird bei Temperaturen um 700 C die supraleitende Verbindung Nb3Sn durch Eindiffusion des Zinn in die Nb-Stäbe 2 hergestellt.
von etwa 400 C in das Kupfer 5,4 und 3, welches mit dem Hüllrohr 1 in direkter Verbindung steht, eindiffundieren gelassen. Anschliessend wird bei Temperaturen um 700 C die supraleitende Verbindung Nb3Sn durch Eindiffusion des Zinn in die Nb-Stäbe 2 hergestellt.
Im zweiten, in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden in einem massiven Kupferblock 8 eine Anzahl von
Bohrungen gemacht und in die inneren Bohrungen V-Stäbe 9 und in die äusseren Bohrungen Kupferstäbe 10, welche von
einem aus Ta bestehenden Hüllrohr 11 umgeben sind, eingesteckt. Die weitere Verarbeitung erfolgt wie im vorangehend
beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Sowohl nach Beispiel 1 wie nach Beispiel 2 können z.B.
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1 ι
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Supraleiter auf der Basis Nb3Sn, V3Ga, V3Si und andere
ähnliche Verbindungen gefertigt werden.
Sowohl die Nb-Stäbe wie auch die Cu-Stäbe können bereits in einem vorausgehenden Arbeitsschritt mit Kupfer
beziehungsweise Ta fest umkleidet werden.
Die Formteile 1,3,4,5 und 8 können bereits aus einer Bronze-Legierung
bestehen, jedoch mit reduziertem Gehalt der diffusionsfähigen Komponente, welches noch eine gute
Verarbeitung gestattet. Durch die externe Diffusion am Endleiter wird die diffusionsfähige Komponente dann nur
noch auf den nötigen Endwert gebracht.
Die Verzinnungs- und Glühschritte können in Stufen erfolgen, indem auf eine oder mehrere Verzinnungs- und Eindiffusionsglühungen
eine oder mehrere Diffusionsglühungen zur Bildung der Supraleiterfilamente folgen können. Dadurch
ist es vor allem möglich, dass der Querschnitt der Legierungsmatrix im Verhältnis zur Nb- oder V-Komponente
wesentlich reduziert werden kann, weil dadurch eine Verarmung der Bronzematrix an der diffusionsfähigen
Komponente weitgehend verhindert werden kann.
Das elektrisch hochleitfähige Kupfer kann z.B. durch Silber
oder durch das bei tiefen Temperaturen und hohen magnetischen Feldstärken noch besser elektrisch leitende
Aluminium ersetzt werden.
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Die Wirkung der diffusionssperrenden Schichten beruht
auf der nur langsam ablaufenden Reaktion dieser Materialien mit der diffusionsfähigen Komponenten.
Ihre Wandstärken müssen daher gross gegenüber der während der Glühzeit sich bildenden Reaktionsschichtdicken
sein. Bei Verwendung des Leiters in zeitlich sich schwach ändernden Feldern kann das diffusionssperrende Material
aus dem gleichen Material wie eingesetzten Filamentstäbe beziehungsweise 9 bestehen. Bei Verwendung des Leiters
in zeitlich sich rasch ändernden Magnetfeldern wählt man allerdings zweckmässig ein solches Material, welches
bei den Betriebsbedingungen des aus dem Leiter gefertigten Magneten nur schlechte supraleitende Eigenschaften
besitzt.
Die in den Ausgangsbolzen eingesetzten Stäbe 2 bzw. 9 können bereits aus in einem vorangegangenen Herstellungsschritt
gefertigten Cu- oder schwach legierten Bronzestäben bestehen, welche im Innern eine grössere Anzahl von
Nb- bzw. Va-Stäbe enthalten.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass mit Diffusionssperren umkleidete £u-Stäbe auch im Zentrum des Leiterquerschnittes
angeordnet sind, wenn dies zum Beispiel für die Verformung des Leiters günstig ist.
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Für die Reinheit und Qualität der diffusionssperrenden
Materialien ist es unbedingt erforderlich, dass sich diese bei den Kaltverformungsschritten ohne Versprödung,
welche Zwischengluhungen mit zu hohen und daher nicht zulässigen Temperaturen erforderlich machen würde,
gleichförmig verarbeiten lassen.
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Claims (5)
1.) Verfahren zur Herstellung eines stabilisierten Supraleiters
mit einer Vielzahl von dünnen Filamenten aus
supraleitendem Material, bei welchem nach einer mechanischen Verformung eines Ausgangsbolzens zur Erzielung einer metallisch innigen Verbindung zwischen den einzelnen Bolzenbestandteilen mit Hilfe einer Warmbehandlung die
supraleitenden Filamente durch Hineindiffundieren von
mindestens einer von der Aussenseite des Leiters zugeführten diffusionsfähigen Materialkomponente in eine zweite, im Innern des Leiters filamentförmig angeordnete Materialkomponente gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass man als Ausgangsbolzen einen Bolzen verwendet, der im
Mittelbereich seines Querschnittes mit einer Vielzahl von aus der zweiten Materialkomponente bestehenden Stäben
oder Drähten, die von einem die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundierenlassenden Material umgeben sind, und in seinem radial gesehen äusseren Bereich mit
mehreren, aus elektrisch gut leitendem Material bestehenden Drähten oder Stäben, die mit einem gegenüber der von aussen einzudiffundierenden Materialkomponente eine Sperre bildenden Material umgeben sind, versehen ist, wobei mindestens zwischen einem Teil der mit einer Diffusionssperre umgebenen, aus elektrisch gut leitendem Material bestehenden Drähte oder Stäbe die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundierenlassendes Material angeordnet ist.
supraleitendem Material, bei welchem nach einer mechanischen Verformung eines Ausgangsbolzens zur Erzielung einer metallisch innigen Verbindung zwischen den einzelnen Bolzenbestandteilen mit Hilfe einer Warmbehandlung die
supraleitenden Filamente durch Hineindiffundieren von
mindestens einer von der Aussenseite des Leiters zugeführten diffusionsfähigen Materialkomponente in eine zweite, im Innern des Leiters filamentförmig angeordnete Materialkomponente gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass man als Ausgangsbolzen einen Bolzen verwendet, der im
Mittelbereich seines Querschnittes mit einer Vielzahl von aus der zweiten Materialkomponente bestehenden Stäben
oder Drähten, die von einem die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundierenlassenden Material umgeben sind, und in seinem radial gesehen äusseren Bereich mit
mehreren, aus elektrisch gut leitendem Material bestehenden Drähten oder Stäben, die mit einem gegenüber der von aussen einzudiffundierenden Materialkomponente eine Sperre bildenden Material umgeben sind, versehen ist, wobei mindestens zwischen einem Teil der mit einer Diffusionssperre umgebenen, aus elektrisch gut leitendem Material bestehenden Drähte oder Stäbe die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundierenlassendes Material angeordnet ist.
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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Bildung der aus der zweiten Materialkomponente
bestehenden Filamente Nb oder V und als diffusionsfähige Materialkomponente Sn, Ga oder Si verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man als die diffusionsfähige Materialkomponente hin_-
durchdiffundierenlassendes Material Cu verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundierenlassendes
Material ein solches verwendet, das bereits einen Teil der zur Bildung der Supraleiterfilamente
notwendigen Menge an diffusionsfähiger Materialkomponente enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 1,·dadurch gekennzeichnet, dass
man als diffusionssperrendes Material Ta, Nb, V oder eine Legierung aus diesen Materialien verwendet.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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