DE2515904C2 - Verfahren zur Herstellung eines stabilisierten Supraleiters - Google Patents
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Description
a) der Bolzen (1, 8) weist im Mittelbereich seines Querschnittes eine Vielzahl von aus der zweiten
Materialkomponente bestehende Stäbe oder Drähte (2, 9) auf, die von einem Material (3, 8)
umgeben sind, durch das die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundieren
kann,
b) der Bolzen (1, 8) weist in seinem radial gesehenen äußeren Bereich mehrere, aus
elektrisch gut leitendem Material bestehende Drähte oder Stäbe (6, 10) auf, die mit einer
Diffusionssperrschicht (7, 11) gegenüber der von außen einzudiffundierenden Materialkomponente
umgeben sind,
c) mindestens zwischen einem Teil der von der Diffusionssperrschicht (7, 11) umgebenden
Drähte oder Stäbe (6.10) ist ein Material (5,8) angeordnet, durch das die diffusionsfähige
Materialkomponente hindurchdiffundieren kann.
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 hindurchdiffundierenlassendes 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.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es sind bereits zahlreiche Filamentsupraleiter auf der
Basis intermetallischer Verbindungen wie NbßSn, VßGa,
V3S1 und andere bekannt, deren gemeinsames Kennzeichen sehr hohe kritische Felder (>
15 T), hohe kritische Temperaturen (>15 K) und hohe kritische Stromdichien
im Supraleitermaterial (>WA/mm2 bei 5T und
4,2 K) 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 bekanntgeworden, um diese Prozesse auszuführen. In den DE-OS 22 30 252
und 22 30 254 werden Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters beschrieben, wobei zwischen den die
supraleitenden Filamente bildenden Schichten in Streifenform eine Fremdsubstanz angeordnet ist, welche
nach Eindiffusion in eine der Schichten eine supraleitende Verbindung verhindert Durch das Eindiffundieren
der Fremdsubstanz in die zwischen den einzelnen supraleitenden Filamenten vorhandenen Bereiche wird
das Material in diesen Bereichen so hochohmig, daß das Übertreten von Wirbelströmen von einem Filament in
das benachbarte erheblich erschwert wird.
In der DE-OS 23 39 525 werden Lösungswege zur Stabilisierung eines Supraleiters aufgezeigt, um plötzlichen
unvorhergesehenen Bewegungen des magnetischen Fiusses, sogenannten Flußsprüngen zu begegnen,
inde.n ein Trennmaterial angebracht ist, um das stabilisierende Material vor dem Eindiffundieren eines
der die supraleitenden Filamente bildenden Bestandteiles bei der Wärmebehandlung zu schützen.
Aus der DE-OS 24 03 665 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters bekannt, wobei auf ein
metallisches Stützelement schichtweise die einzelnen Bestandteile des Supraleiters aufgebracht und gemeinsam
einer Wärmebehandlung unterzogen werden.
Die DE-OS 24 03 666 bezieht sich schließlich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters, wobei
eine selektive Diffusionsschranke zwischen der zumindest einen Komponente und dem nicht supraleitenden
Materill vorgesehen ist, durch welche die restliche Komponente der supraleitenden Verbindung diffundieren
kann, die jedoch den Durchtritt von nicht supraleitendem Material in die zumindest eine Komponente
praktisch blockiert.
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 rein.es 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. Ό
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einss 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 innethalb dieser
elektrisch gutleitenden Bereiche verlaufen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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 Supraleiter- Jo material 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 Leitfähigkeit des elektrisch gut leitenden Materials bei tiefen Temperaturen sehr stark herabsetzt,
geschützt wird.
Bei einigen Materialkombinationen ist es zur Erzielung einei einwandfreien metallisch innigen *o
Verbindung nach der mechanischen Verformung des Leiters vorteilhaft, wenn man als diffusionsfähige
Materialkomponente hindurchdiffundierenlassendes Material ein solches verwendet, daß bereits einen Teil
der zur Bildung der Supraleiterfilamente notwendigen 4^
Menge an diffusionsfähiger Materialkomponente enthält.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ferner noch folgende Vorteile:
50
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 Öffnungen 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 Supraleitfähigkeit im Leiter, dem er gewachsen
sein muß, der Leiter durchbrennen kann. Bei 6^
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
weitesten auseinanderliegenden Supraleiterfilamenten
und Kupferbereichen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste beispielsweise
Ausführungsform eines Ausgangsbolzens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
F i g. 2 einen Querschnitt durch eine zweite beispielsweise Ausführungsform eines Ausgangsbolzens.
Gemäß F i g. 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 0,5 mm ergibt. Dieser Leiter wird
anschließend verzinnt und das Zinn bei einer Temperatur 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 7000C die supraleitende Verbindung Nb3Sn durch
Eindiffusion des Zinns in die Nb-Stäbe 2 hergestellt.
Im zweiten, in Fig.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. 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 weiden.
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 Verzinnungsund
Eindiffusionsglühungen eine oder mehrere Diffusionsglühungen zur Bildung der Supraleiterfilamente
folgt-η 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.
Die Wirkung der diffusionssperrenden Schichten beruht auf der nur langsam ablaufenden Reaktion dieser
Materialien mit der diffusionsfähigen Komponente. Ihre Wandstärken müssen daher groß gegenüber der ι ο
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
Fiiamenistäbe 2 beziehungsweise 9 bestehen. Bei i>
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 Cu-Stäbe auch im Zentrum
des Leiterquerschnittes angeordnet sind, wenn dies zum Beispiel für die Verformung des Leiters günstig
ist.
Für die Reinheit und Qualität der diffusionssperrenden Materialien ist es unbedingt erforderlich, daß sich
diese bei den Kaltverformungsschritten ohne Versprödung, welche Zwischenglühungen mit zu hohen und
daher nicht zulässigen Temperaturen erforderlich
machen würde, gleichförmig verarbeiten lassen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
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 Wärmebehandlung 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,
gekennzeichnet durch die Verwendung eines Ausgangsbolzens mit folgenden Merkmalen:
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1976
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- 1976-03-10 GB GB9498/76A patent/GB1521202A/en not_active Expired
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