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VERFAHREN ZUR HERSTELUNG EINER MEHRTEILIGEN SU-
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PRALEITENDEN ADER MIT INNERER ANORDNUNG DER SUPRA-LEITENDEN SCHICHT
AUF DER BASIS EINER INTERMETAL-LISCHEN VERBINDUNG Die vorliegende bindung bezieht
sich auf die Herstellung supraleitender Kabel und Wellenleiter, insbesondere auf
ein Verfahren zur llerstellung einer mehrteilige gen Ader mit innerer Anordnung
der supraleitenden Schicht auf der basis einer intermetallischen Verbindung.
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Das Verfahren wird vorwiegend zur Herstellung einer rohrförmigen,
mehrteiligen (mit langen Maßen) supraleitenden Ader mit innerer Anordnung der supraleitenden
Schicht angewendet, die auf der Basis einer intermetallischen Verbindung ausgeführt
ist.
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Die Durchführung der elektromagnetischen Abschirmung eines supraleitenden
Kabels und die Entwicklung der supraleitenden
Wellenleiter erfordern
die Herstellung einer rohrförmigen supraleitenden Ader mit innerer Anordnung der
supraleitenden Schicht. Die Verbindung ein xlner Abschnitte solcher Adern bei der
Montage eines Kabels bzw.
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Wellenleiters oder einer anderen elektrotechnischen Einrichtung wird
besonders kompliziert, wenn die supraleitende Schicht auf der Basis einer intermetallischen
Verbindung ausgeftihrt ist.
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Ein Supraleiter solcher Art ist brÜchig, läßt sich vom Träger, auf
dem er gebildet ist, leicht abbättern und oxidiert sich unter gewöhnlichen Bedingungen
sogar bei einer geringen Erwärmung. Gleichzeitig sind elektrotechnische Einrichtungen,
die Supraleiter verwenden, nur im Falle einer vollen Ausnutzung der stromführenden
Fähigkeit des Supraleiters rentabel.
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Folglich soll eine mehrteilige (mit langen Maßen) supraleitende Ader
tiber gleiche supraleitende Eigenschaften und stromftihrende Fähigkeiten für sämtliche
Bereiche einer solchen Ader
verfügen, darunter auch an. Stellen
der Verbindung einzelner Abschnitte.
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Die zur Zeit existierenden Verfahren zur Verbindung der intermetallischen
Supraleiter sehen entweder die Benutzung verschiedenartiger Diffusionsvorgänge oder
prozesse der lokalen Schweißung mit einer intensiven, aber eingeschräikten i Wärmezufuhr
vor. Im ersten Fall fordert die Ausfihrung der Verbindung eine komplizierte technologische
Ausrüstung, und außerdem wird die Verbindung der Supraleiter in einzelnen linearen
Bereichen auf ihrer'. Fläche durchgeführt. Im zweiten Fall wird die Verbindung des
Supraleiters nur in einer gewissen Umgebung des Schweißpunktes gesichert. Außerdem
ist es in jedem Fall praktisch unmöglich, eine stöchiometrische Zusanimensetzung
des Supraleiters im Ubergangsbereich zwischen den zu verbindenden Supraleitern zu
erreichen.
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Bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung einer mehrteiligen supraleitenden
Ader mit einer supraleitenden Schicht, die auf der Basis einer intermetallischen
Verbindung ausgeführt ist (siehe z413. US-PS 3523361) das darin besteht, daß die
Sonden der Abschnitte der supraleitenden Ader in einem Ubergangselement untergebracht
werden, das durch ein mechanisches pulverförmiges womponentengemisch der intermetallischen
Verbindung gebildet ist. Danach wird die Verbindungsstelle unter Druck bearbeitet,und
die Stoßstelle zur Bildung des Supraleiters wird
erwärmt. Jedoch
ist es mittels eines solchen Verfahrens wegen dabei auftretender technologischer
Schwierigkeiten, z. B.
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der Aufrechterhaltung einer Schutzatmosphäre in der Verbindungszone
der Abschnitte im Prozeß der Erwärmung, nicht möglich, die Verbindung der Abschnitte
der rohrförmigen supraleitenden Ader mit innerer Anordnung der supraleitenden Schicht
zu verwirklichen. Außerdem sind die Festigkeitscharakteristiken einer solchen Verbindung
der Abschnitte niedrig und die Ader hält den thermischen Belastungen nicht stand.
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Dies geschieht deshalb, weil die Abschnitte in diesem Fall lediglich
durch Diffusionsverkettung der supraleitenden Schicht des Abschnitts mit dem Supraleiter
des einsatzes verbunden sind. bine Bindung des k'onstruktionshauptstoffes des Abschnitts
- der Schicht eines hochschmelzenden Stoffes -findet nicht statt. Die supraleitenden
Eigenschaften an Stellen der Verbindung der supraleitenden Schicht der Abschnitte
und des Supraleiters des Ubergangselements hängen von einem zufälligen prozeß der
Zerfalls des uxidbelags bei der Wärmebehandlung ab.
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Bekannt ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer mehrteigigen
supraleitenden Ader mit innerer Anordnung einer supraleitenden Schicht auf der Basis
einer intermetallischen Verbindung, das darin besteht, daß auf die Endteile der
geflanschten Bereiche jedes Abschnitts eine Schicht eines Barierestoffes auf die
Schicht einer hochschmelzenden Komponente
der intermetallischen
Verbindung aufgetragen wird, die Wärmebehandlung jedes Abschnitts in Gegenwart einer
leichtschmelzenden Komponente der intermetallischen Veroindung zur bildung der inneren
supraleitenden Schicht durchgefÜhrt wird, die Schicht des barrierestoffes von den
Endteilen jedes Abscfinitts entfernt wird, danach die Nachbarabschnitte mit einem
Spalt aufgestellt werden und die Endbereiche der Nachbareiner abschnitte, die von
supraleitender Schicht frei sind, gestoßen und nach dem Umfang in eine mehrteílige
Ader geschweißt werden und die Wärmebehandlung der Verbindungszonen der Abschnitte
in Gegenwart zu @ einer leichtscllmelzenden komponente der intermetallischen Verbindung
zur Bildung der supraleitenden Schicht in diesen Zonen durchgeführt wird (siehe
z. B. DE-OS 2800196).
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In diesem Verfahren werden auch vor dem Stoßen und Schweißen der
Abschnitte nach dem Umfang zwischen den Endbereichen der Sachbarabschnìtte, die
von der supraleitender Schicht frei sind, Einsätze aus einem zusammengepreßten pulverförmigen
Komponentengemisch der intermetallischen Verbindung aufgestellt, die im voraus mit
einer Hülle aus der hochschmelzenden komponente dieser intermetallischen Verbindung
hermetisch abgeschlossen werden.
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Das genannte Verfahren garantiert jedoch keine hohe Qualität der
supraleitenden Schicht, die an Stellen der Verbindung einzelner Abschnitte hergestellt
wird. Dies ist mit
der Möglichkeit des ilatzens oder sogar des
Durchbruchs der dünnen Wandung der hermetisch abschließenden Hülle im Prozeß der
metallurgischen Verbindung dieser Hülle mit der Schicht der hochschmelzenden Komponente
der intermetallischen Verbindung der Abschnitte verbunden.Andererseits führt die
Verstärkung der Wandung der hermetisch abschließenden Hülle zur Verlängerung des
Diffusionsvorgangs der Bildung eines Supraleiters in der Verbindungszone von Abschnitten
und in einigen Fällen zu einer unvollständigen Verbindung des Su-Supraleiters innerhalb
des Einsatzes mit der supraleitenden Schicht der Nachbarabschnitte, d.. die supraleitenden
Sigenschaften werden in der Verbindungszone der Abschnitte nicht nach dem gesamten
Umfang des Abschnitts gesichert.
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Die hermetisch abschließende Hülle1 welche als eine Diffusionskammer
dient, in der ein Supraleiter hoher folglich Qualität gebildet wird, verringert
zur gleichen Zeit die Wahrscheinlichkeit einer zuverlässigen Verbindung der supraleitenden
Schichten der hachbarabschnitte untereinander, d.h.
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reduziert die betriebssicherheit des eiektrotechnischen Mrzeugnisses.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe der Entwicklung eines Verfahrens
zur Herstellung einer mehrteiligen supraleitenden Ader mit innerer Anordnung der
supraleitenden Schicht auf der Basis einer intermetallischen Verbindung zugrunde,
bei dem die Nachbildung der supraleitenden Schicht in der Verbindungszone
von
Abschnitten eine Erhöhung der Qualität der herzu-stellenden supraleitenden Alter
ermöglicht.
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Gegenstand der Erfindung womit diese Aufqabe gelöst wird, ist Verfahren
ein zur Herstellung einer mehrteiligen supraleitenden Ader mit innerer Anordnung
der supraleitenden Schicht auf der Basis einer intermetallischen Verbindung, das
darin besteht, daß auf Endteile der geflanschten bereiche jedes Abschnitts eine
Schicht eines Barriere stoffes auf die Schicht einer hochschmelzenden Komponente
der intermetallischen Verbindung aufgetragen wird, die Wärmebehandlung jedes Abschnitts
in Gegenwart der leichtschmelzenden Komponente der intermetallischen Verbindung
zur Bildung der inneren supraleitenden Schicht durchgeführt wird, die Schicht des
Barrierestoffes von den Endteilen jedes Abschnitts entfernt wird, danach die Nachbarabschnitte
mit einem Spalt aufgestellt werden, die Endbereiche der Nachbarabschnitte, die von
der supraleitenden Schicht frei sind, gestoßen und nach dem Umfang in eine mehr-und
teilig Ader geschweißt werden die Wärmebehandlung der Verbindungszonen der. Abschnitte
in Gegenwart der leichtschmelzenden Komponente der intermetallischen Verbindung
zur Bildung der supraleitenden Schicht in diesen Zonen durchgeführ4aird, mit dem
Kennzeichen, daß vor dem Schweißen der Abschnitte in die mehrteilige Ader im Spalt
zwischen den supraleitenden Schichten der zu verbindenden Abschnitte eine Einlage
untergebracht und - mit den supraleitenden Schichten
hermetisch
verbunden wird und nach dem Schweißen der Abschnitte in die mehrteilige Ader die
im Spalt gebildete hermetisch abgeschlossene Kammer evakuiert und mit der leichtschmelzenden
Komponente der intermetallischen Verbindung gefüllt wird.
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Es ist nützlich, wenn die hermetische Verbindung der Einlage mit
den supraleitenden Schichten durch Punktschweißung mit einer beschränkten Wärniezufuhr
verwirklicht wird.
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bs ist zweckmäßig, daß man eine Einlage aus einem hochschmelzenden
Stoff verwendet der mit einer leichtschmelzenden Komponente der intermetallischen
Verbindung überzogen, z. B.
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verzinnt ist.
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Kammer mit einer leichtschmelzenden Komponente der intermetallischen
Verbindung gefüllt wird, die in Form einer Schmelze Das erfindungsgemäß'e Verfahren
zur Herstellung der mehr-@eiligen supraleitenden Ader ermöglicht die Erhöhung der
qualität der herzustellenden supraleitenden Ader, da die Kammer, in der die Bildung
der supraleitenden Schicht vor sich geht, die die supraleitenden Schichten der Nachbarabschnitte
verbindet unmittelbar durch die Bereiche der Abschnitte gebildet ist. Dabei bilden
dank der Einlage, die mit den supraleitenden Schichten der Nachbarabschnitte hermetisch
verbunden ist;, diese Schichten zusammen mit den. Schichten der hochschmelzenden
Komponente der intermetallischen Verbindung der Endbereiche
die
Wandung der Kammer Das Evakuieren dieser Kammer und deren Füllung mit der leichtschmelzenden
Komponente der intermetallischen Verbindung nach der Durchführung des Schweißens
geben die Möglichkeit, die Herstellung der supraleitenden Schicht mit der besten
Qualität der Verbindungszone der Abschnitte zu gewährleisten.
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Die hermetische Verbindung der Einlage mit supraleitenden Schichten,
die durch Punktschweißung jnit einer beschränkten Wärmezufubr erreicht wird, zerstört
nicht die Ganzheit der supraleitenden Schicht der Abschnitte und verursacht nicht
deren Abblätterung.Die EinfÜhrung der leichtschmelzenden Komponente der intermetallischen
Verbindung, die in Form einer Schmelze genommen wird, in die Kammer verbessert den
Prozeß der Bildung der supraleitenden Schicht an der Wandung der Kammer, dank einer
besseren Bedienung der Schicht der hochschmelzenden Komponente der intermetallischen
Verbindung durch die leichtscbaelzende Komponente.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels
unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert; darin -zeigen: Fig. 1 die erfindungsgemäße
Verbindung der 1achbarabschnitte, deren Endbereiche unter einem Winkel von 900 geflanscht
sind; und E'ig. 2 dasselbe, aber mit erfindungsgemäßen bereichen,
die
unter einem Winkel von 1800 geflanscht sind.
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Das Verfahren zur Herstellung einer mehrteiligen supraleitenden Ader
mit innerer Anordnung der supraleitenden Schicht auf der Basis einer intermetallischen
Verbindung besteht darin, daß in einer (in Fig. 1 nicht gezeigten) Bedampfungskammer
eine Schicht eines Barrierestoffes auf Endteile 1 der geflanschten Bereiche 2 jedes
Abschnitts 3 auf eine Schicht 4 einer hochschmelzenden Komponente der intermetallischen
Verbindung aufgetragen wird. Die Wärmebehandlung jedes Abschnitts 3 wird in einer
(in Fig. 1 nicht gezeigten) thermischen Diffusionskammer in Gegenwart der leichtschmelzenden
Komponente der intermetallischen Verbindung zur Bildung einer supraleitenden Schicht
5 durchgeführt. Die Schicht des Barrierestoffes wird von den Endteilen 1 jedes Abschnitts
3 entfernt.
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Danach werden Nachbarabschnitte 3 mit einem Spalt aufgestellt, eine
einlage 6 wird im Spalt zwischen den supraleitenden behichten 5 untergebracht und
hermetisch mit diesen z. B. mit Hilfe der punktschweißung mit einer beschränkten
Wärmezufuhr verbunden. Die geflanschten Bereiche 2 der Nachbarabschnitte 3, die
von der supraleitenden Schicht 5 frei sind, werden gestoßen und am Umtang zur mehrteiligenAder
verschweißt.
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Das Schweißen wird vorwiegend durch Schmelzen durchgeführt,
wodurch
der herme wische Abschluß und die Festigkeit einer geschweißten Verbindung 7 erhöht
werden. Durch eine Öffnung 8, die in einem der Abschnitte 3 ausgerührt ist, evakuiert
man eine im Spalt gebildee' hermetisch abgeschlossene Kammer 9 und füllt diese mit
der leichtschmelzenden Komponente der intermetallischen Verbindung. Die leichtschmelzende
Komponente wird in die Kammer 9 pulverförmig bzw. in Form einer Schmelze eingeführt.
Danach führt man die Särmebehandlung der Verbindungszone der Abschnitte 3 zur Bildung
der supraleitenden Schicht (in Fig. 1 durch punktierte Linie gezeigt) in dieser
Zone durch. Die supraleitende Schicht wird an dem gesamten Umfang der Kammer 9 gebildet,
d.. in der Schicht 4 der hochschmelzenden Komponente der intermetallischen Verbindung
an den Endteilen 1 der Abschnitte 3 sowie in der geschweißten Verbindung 7.
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Im Falle der Einführung einer pulverförmigen leichtschmelzenden komponente
in die Kammer 9 und der Verwendung von zusätzlichen pulverförmigen Zusatzstoffe
kann man einen intermetallischen Supraleiter an . dem gesamten Umfang der Kammer
9 erhalten.
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Nach der Bildung des Supraleiters in der Verbindungszone der Abschnitte3verwirklicht
man die Verbindung der Abschnitte. 3 mit einer Schicht 10 eines stabilisierenden
Stoffes. Es ist zu betonen, daß es zur Herstellung des zuerlässigsten hermetischen
Abschlusses der Kammer 9 durch die Einlage
6 und der Erhöhung
der stromführenden Fähigkeit der Verbindungszone der Abschnitte 3 zweckmäßig ist,
die hinlage 6 aus dem Stoff herzustellen, der als hochschmelzende homponente der
intermetallischen Verbindung benutzt wird, und deren gesamte Oberfläche mit der
leichtschmelzenden Romponente derselben Verbindung zu überziehen.
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Verfahren Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das des hermetischen
Verschweißungsabschlusses der Kammer 9 durch die Einlage 6. Der herme tische Abschluß
kann z 4B. durch mechanisches Zusammendrücken der bereiche 2 der Abschnitte 3 über
die Einlage 6 erreicht werden. Bs ist dabei zweckmäßig, nach dem Evakuieren der
Kammer 9 diese mit einem inerten Gas während der gesaiten Zeit der Durchführung
des prozesses der Wärmebehandlung zu spülen.
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Bei Verbindung der Abschnitte 3 (Fig. 2), die mit den Flanschen der
Endbereiche 2 um 1800 ausgeführt sind, was die Montage der Ader eines supraleitenden
Koaxialkabels erleichtert, verwendet man einen Übergangsabschnitt 11, der nach derselben
Technologie der Bildung der supraleitenden Schicht 5 wie auch der Abschnitt 3 ausgeführt
ist. Sämtliche Vorgänge werden ähnlich den obe eschilderten durchgefÜhrt, nur das
Schweißen der iachbarabscImitte 3 verwirklicht man durch den Ubergangsabschnitt
11. Nach der Bildung des Supraleiters in der Verbindungszone der Abschnitte 3 führt
man die Verbindung der Abschnitte 3, 11 mit der Schicht 10 und 12 des
stabilisierenden
Stoffes durch.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der rohrförmigen mehrteiligen
Ader mit innerer Anordnung der supraleitenden Schicht, die auf der Basis der intermetallischen
Verbindung ausgeführt ist, ermöglicht die Gewährleistung der Konstanz der kritischen
und St,-romkennlinien der Ader in jedem ihrer Bereiche, darunter in den Verbindungszonen
der Abschnitte der Ader.
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Hachstehend wird ein Beispiel der konkreten Variante der Verwirklichung
des erfindungsgemäßen Verfahrens angeführt.
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Beispiel.
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Auf Endteile 1 (Fig. 2) jedes Abschnitts 3 wird auf die Schicht 4
der hochschmelzenden Komponente aus Niob (Nb) die Schicht eines Barrierestoffes
(in Fig. 2 nicht gezeigt) aus Tantal (Ta) in einer Bedampfungskammer aufgetragen.
Danach wird jeder Abschnitt 3 in einer thermischen Diffusionskam-und mer untergebracht,
die Schicht 10 des stabilisierenden Stoffes aus Kupfer (u) wird im voraus geschützt.
In Gegenwart einer leichtschmelzenden Komponente in Form einer Schmelze ausZinnbronze
führt man die Wärmebehandlung zur Bildung der supraleitenden Schicht 5 aus tJiob-Zinn
(Nb3sn) durch. Der Prozeß wird in einem Vakuum von 1,3.10-4 # 1,3.10-5 mbar bei
einer Temperatur von 650 + 800°C innerhalb von 20 bis 50 Stunden durchgeführt. Jeder
Abschnitt 3 wird aus der Zimmer herausgenommen
und von der Tantaischicht
befreit.
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Dank der Tantalschicht bleiben die Endteile 1 jedes Abschnitts 3
ohne Schicht 5 aus Niob-Zinn. Die somit hergestellten Abschnitte 3 sind zur Içlontage
in eine mehrteilige Ader vorbereitet.
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Zur günstigen Montage eines supraleitenden lioaxialkabels, das eine
innere und eine äußere supraleitende Ader hat, hat dessen äußere Ader in jedem Abschnitt
3 eine Umbördelung um 1800. Zur Verbindung der Abschnitte 3 verwendet man einen
Ubergangsabsclinitt 11, der nach derselben Technologie wie auch der Abschnitt 3
ausgeführt ist.
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Die Abschnitte 3 und der Abschnitt 11 werden mit einem Spalt so aufgestellt,
daß die den Spalt bildenden Bereiche dieser Abschnitte 3 die supraleitende Schicht
5 enthalten. Im Spalt zwischen den supraleitenden Schichten 5 wird eine Sinlage
6 in Form eines Ringes untergebracht, der aus verzinntem Niob ausgeführt ist. Die
einlage 6 wird an die supraleitende Schicht 5 sowohl der Abschnitte 3 als auch des
Abschnitts 11 mit Hilfe des Widerstands-Kondensator-impulsschweißens in zwei Reihen
in versetzter urdnung mit einer Wärmezufuhr zu jedem Schweißpunkt von höchstens
2 J angeschweißt.
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Danach werden die Abschnitte 3 und der Abschnitt 11 gestoßen und
nach dem Umfang durch Impuls-Lichtbogenschweißen in IIelium-Schutzatmosphäre geschweißt,
wodurch die Schweißverwird.
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bindung 7 mit Iiiob gebildet Durch die dffnung 8 im Abschnitt
11
wird die im Spalt gebildete hermetisch abgeschlossene ringförmige kammer 9 auf 1,3.10-4
# 1,3.10-5 mbare evakuiert und mit der Schmelze aus Zinnbronze gefüllt. Danach wird
eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 650 bis 800°C innerhalb von 20 bis
50 Stunden durchgeführt. Nach Abschluß dieses Prozesses wird auf den Endteilen 1
der Abschnitte 3, 11 über der Schicht 4 des Niobs die supraleitende Schicht 5 des
Niob-Zinns (Nb3Sn) gebildet, darunter auch in der Schweißverbindung 7.
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Im Endstadium wird über der Schweißverbindung 7 eine Kupf erschicht
aufgeschmolzen, diediechichten 10, 12 des stabilisierenden Stoffes der Abschnitte
3, 11 verbindet.