DE3650621T2

DE3650621T2 - Supraleiter für Magnetfeldabschirmung und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE3650621T2
Application number: DE3650621T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Kawahara; Yoshiro Saji; Eiichi Tada; Hiroaki Toda
Original assignee: Koatsu Gas Kogyo Co Ltd
Current assignee: Koatsu Gas Kogyo Co Ltd
Priority date: 1985-02-08
Filing date: 1986-02-07
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2006-02-08
Also published as: EP0190767A3; DE3650621D1; US4803452A; EP0190767B1; US4797646A; DE190767T1; JPS61183979A; EP0190767A2; CA1261050A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfeldabschirmung, die eine Vielzahl von zusammengesetzten Laminierungen aus einer Metallschicht, die in wirksamer Weise Wärme abstrahlt oder abgibt, und einer supraleitenden Schicht aus einem Supraleiter vom Typ II aufweist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Magnetfeldabschirmung.
Als Magnetfeldabschirmung, die von der Supraleitfähigkeit Gebrauch macht, werden zwei Arten von Material verwendet, nämlich Supraleiter einer ersten Klasse als Typ I und Supraleiter einer zweiten Klasse als Typ II, wobei dies von der Intensität eines jeweiligen Magentfeldes abhängt. Ein zu der ersten Klasse von Supraleitern zugehöriger Supraleiter für eine Magnetfeldabschirmung verwendet einen perfekten Diamagnetismus (Meißner-Effekt) als Eigenschaft der Supraleitfähigkeit. Ein solcher Supraleiter kann intensive Magnetfelder nicht abschirmen, da seine kritische Magnetflußdichte niedrig ist. Ein zu der zweiten Klasse von Supraleitern zugehöriger Supraleiter für eine Magnetfeldabschirmung verwendet eine Mischung aus einem Zustand mit Supraleitfähigkeit und einem Zustand mit normaler Leitfähigkeit, wobei sein kritisches Magnetfeld eine obere und eine unter kritische Magnetflußdichte aufweist. Da die obere kritische Magnetflußdichte extrem hoch ist, kann ein zu der zweiten Klasse von Supraleitern gehörender Supraleiter zur Abschirmung intensiver Magnetfelder verwendet werden. Wenn ein solcher Supraleiter eine größere Dicke aufweist, nimmt seine Abschirmungswirkung zu. Aus diesem Grund werden dicke Supraleiter zur Abschirmung intensiver Magnetfelder verwendet. Aufgrund eines lokalen Magnetflusses kann ein solcher dicker Supraleiter jedoch Wärme erzeugen, wobei dies zu einer reduzierten Abschirmungswirkung führt (sekundäre schädliche Wirkung). Wenn in der vorstehend beschriebenen Weise ein Supraleiter der zweiten Klasse zur Abschirmung intensiver Magnetfelder verwendet wird, dann werden herkömmlicherweise somit relativ dicke Flächenkörper oder Bänder aus dem Supraleiter in vielen Schichten laminiert oder abwechselnd mit Aluminium- oder Kupfer-Flächenkörpern zusammenlaminiert. Da diese beiden laminierten Typen dick sind und ein beträchtliches Gewicht aufweisen, wenn sie zur Abschirmung intensiver Magnetfelder hergestellt werden, sind sie im praktischen Einsatz nicht zufriedenstellend.
Ferner besitzt der erstgenannte laminierte Typ eine geringe Stabilität, da aufgrund einer raschen Erregung selbst bei schwachen Magnetfeldern leicht Magnetflußsprünge verursacht werden. Die Magnetflüsse bewegen sich nämlich in den zentralen Abschnitt des Supraleiters hinein und erhöhen dadurch die Temperatur des Supraleiters und verursachen ein Phänomen mit katastrophaler Wirkung aufgrund des Eintritts von mehr Magnetfluß. Der letztgenannte, laminierte Typ besitzt eine bessere Konstruktion als der erstgenannte, da Aluminium- oder Kupfer-Flächenkörper zur Kühlung wirksam sind. Dennoch kommen die Charakteristika des Supraleiters selbst dann nicht voll zur Geltung, wenn die Konstruktion des letzteren Typs verwendet wird. Da man ferner der Ansicht war, daß man eine höhere Abschirmungswirkunq mit einem dickeren Supraleiter erzielen könne, und man davon ausging, daß die Dicke des Supraleiters einfach proportional zu der Magnetfeld-Abschirmungswirkung ist, hielt man einen dicken Supraleiter für vorteilhafter als laminierte dünne supraleitende Schichten zur Reduzierung der Herstellungskosten und der Herstellungsprozesse, vorausgesetzt, daß Maßnahmen zum Verhindern der vorstehend erwähnten Wärmeerzeugung ergriffen werden.
Eine Magnetfeldabschirmung des eingangs genannten Typs ist aus der Veröffentlichung Nuclear Instruments and Methods, Band 103, 1972, Seiten 503 - 514, North Holland Publishing Co.; F. Martin et al., "A four meter long superconducting magnet flux exclusion tube for partide physics experiments" bekannt. Bei einer herkömmlichen Ausführungsform wird eine Nb-Ti-Folie in einem Dickenbereich von 300 µm bis hinab zu 33 µm mit und ohne dazwischen angeordneten Kupferabstandselemente verwendet. Die Konstruktion beinhaltet das Herumwickeln von 30 cm breitem Material um einen Dorn aus nichtrostendem Stahl in Form einer mehrlagigen Spirale. Bei einer weiteren in diesem Dokument beschriebenen, herkömmlichen Ausführungsform wird ein Material verwendet, das aus einem Niob-Substrat mit einer Dicke von 6 bis 12 µm besteht und auf beiden Seiten eine Nb&sub3;Sn-Schicht mit einer Dicke von 2 bis 3 µm trägt, die wiederum durch eine Schicht aus elektrolytischem Kupfer geschützt ist, wobei der gesamte Schichtkörper eine Dicke von ca. 30 bis 35 µm aufweist. Ein solches Schichtkörper-Band wird für Abschirmungszwecke unter konstanter Spannung spiralig auf Dorne aus nicht-rostendem Stahl aufgewickelt. Ferner ist in diesem Dokument erläutert, daß sich das Arbeiten mit dem 30 µm dicken Band als recht schwierig erwiesen hat, so daß man auf ein Material mit 120 µm Dicke übergegangen ist, bei dem es sich um einen zusammengesetzten Schichtkörper aus zwei Niob-Bändern und vier Nb&sub3;Sn-Schichten zwischen zwei Kupferplattierungsschichten mit einer Dicke von je 30 µm handelt.
Das Dokument CH-A-458 462 bezieht sich auf ein supraleitendes Material an sich, das mehrere Schichten aus einem ersten Material aufweist, das supraleitende elektrische Eigenschaften bei niedrigen absoluten Temperaturen zeigt und das zum Zweck der Bildung eines zusammengesetzten Materials mit abwechselnder Schichtstruktur ferner Schichten aus einem zweiten Material aufweist, die jeweils zwischen jeweiligen Paaren dieser Schichten aus dem ersten Material angeordnet sind, wobei das zweite Material keine supraleitenden elektrischen Eigenschaften bei der genannten niedrigen absoluten Temperatur besitzt. Die Eigenschaften und Merkmale einer magnetischen Abschirmung werden in diesem Dokument nicht erörtert.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Magnetfeldabschirmung sowie eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen Magnetfeldabschirmung unter Verwendung eines Supraleiters vom Typ II zur Schaffung einer Magnetfeldabschirmung, die eine ausgezeichnete Magnetfeld Abschirmungswirkung besitzt, ohne im Betrieb durch Wärmeentstehung beeinträchtigt zu werden.
Bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Magnetfeldabschirmung des vorstehend genannten Typs dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke von jeder supraleitenden Schicht im Bereich von 2 bis 20 µm liegt, daß die Dicke von jeder supraleitenden Schicht aus dem Knickpunkt eines Graphen bestimmt wird, der den Zusammenhang zwischen der magnetischen Abschirmungswirkung und der Dicke einer einzelnen supraleitenden Schicht repräsentiert, und daß die Dicke von jeder supraleitenden Schicht nicht größer ist als diejenige, die am Knickpunkt des Graphen erhalten wird.
Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Magnetfeldabschirmung des vorstehend genannten Typs dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Material vom Typ II Nb-Ti ist, daß die Dicke jeder supraleitenden Schicht im Bereich von 0,95 bis 20 µm liegt, daß die Dicke jeder supraleitenden Schicht aus dem Knickpunkt des Graphen bestimmt wird, der den Zusammenhang zwischen der magnetischen Abschirmungswirkug und der Dicke einer einzelnen supraleitenden Schicht repräsentiert, und daß die Dicke jeder supraleitenden Schicht nicht größer ist als diejenige, die an dem Knickpunkt des Graphen erhalten wird, welche im Falle von Nb-Ti 20 µm beträgt.
Gemäß einer Weiterbildung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das supraleitende Material ausgewählt aus der Gruppe von Niob, Niob-Legierungen, Niob-Verbindungen oder Vanadium-Verbindungen, insbesondere aus Nb, Nb-Zr, NbN TiN, NbN, NbC, Nb&sub3;5Sn, Nb&sub3;Al, Nb&sub3;Ga, Nb&sub3;Ge und/oder V&sub3;Ga.
Bei einer Weiterbildung der ersten Ausführungsform ist die supraleitende Schicht aus einer NBN TiN-Zusammensetzung gebildet, und die Metallschicht besteht aus hochreinem Aluminium oder Kupfer.
Bei einer Weiterbildung der Abschirmung gemäß der zweiten Ausführungsform ist die supraleitende Schicht aus einer Nb- Ti-Legierung gebildet, und die Metallschicht besteht aus hochreinem Aluminium oder Kupfer.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Magnetfeldabschirmung gemäß der Erfindung ist die supraleitende Schicht auf der Metallschicht mit einer Dünnschicht-Herstellungstechnik, beispielsweise durch Sputtern, gebildet.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Magnetfeldabschirmung gemäß der Erfindung steht die supraleitende Schicht in engem Kontakt mit der Metallschicht, und zwar durch Ultraschallschweißen oder ist ohne Klebemittel auf die Metallschicht laminiert.
Gemäß einer zusätzlichen Weiterbildung der Magnetfeldabschirmung gemäß der Erfindung ist die Metallschicht ein Metall-Flächenkörper aus Aluminium oder Kupfer, insbesondere eine dünne Aluminiumschicht oder eine dünne Kupferschicht, die mit einer Dünnschicht-Herstellungstechnik gebildet ist.
Bei noch einer weiteren Weiterbildung der Magnetfeldabschirmung gemäß der Erfindung besteht die Vielzahl von zusammengesetzten Laminierungen aus dünnen supraleitenden Schichten, die abwechselnd auf einen Metall-Flächenkörper bzw. weitere Metallschichten laminiert sind.
Gemäß noch einer weiteren Weiterbildung der Magnetfeldabschirmung gemäß der Erfindung liegt die Dicke von jeder supraleitenden Schicht im Bereich von 2 bis 10 µm.
Eine erste Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer Magnetfeldabschirmung gemäß der Erfindung weist folgende Schritte auf:
Bestimmen des Knickpunktes auf einem Graphen des Zusammenhanges zwischen der magnetischen Abschirmungswirkung und der Dicke einer einzelnen supraleitenden Schicht eines supraleitenden Materials vom Typ II;
Wählen der Dicke der supraleitenden Schicht in dem Bereich von 2 bis 20 µm, wobei die Dicke nicht größer ist als der Dickenwert an dem Knickpunkt; und
Herstellen einer Vielzahl von zusammengesetzten Laminierungen, die jeweils die supraleitende Schicht aufweisen, die auf einer Metallschicht ausgebildet ist.
Eine zweite Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer Magnetfeldabschirmung gemäß der Erfindung weist folgende Schritte auf:
Bestimmen des Knickpunktes auf einem Graphen des Zusammenhanges zwischen der magnetischen Abschirmungswirkung und der Dicke einer einzelnen supraleitenden Schicht des supraleitenden Materials Nb-Ti vom Typ II;
Wählen der Dicke der supraleitenden Schicht in dem Bereich von 0,95 bis 20 µm, wobei der zuletzt genannte Wert der Dickenwert an dem Knickpunkt ist; und
Herstellen einer Vielzahl von zusammengesetzten Laminierungen, die jeweils die supraleitende Schicht aufweisen, die auf einer Metallschicht ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung erreicht völlig neue Resultate, die nach Erforschung der grundlegenden charakteristischen Eigenschaften von Supraleitern bei dem Versuch zur Erzielung leichter und stabiler Magnetfeldabschirmungen erzielt werden. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß auf einem Graphen, der den Zusammenhang zwischen der magnetischen Abschirmungswirkung und der Dicke einer einzelnen supraleitenden Schicht repräsentiert, die Magnetfeld-Abschirmungswirkung von einem Bereich in der Nähe des Ausgangspunkts bis zu einem Knickpunkt sehr steil ansteigt und jenseits von diesem Knickpunkt bei steigender Dicke der supraleitenden Schicht nur allmählich ansteigt.
Ferner wurde von den Erfindern festgestellt, daß die Magnetfeld-Abschirmungswirkung proportional ist zu der Anzahl der Lagen der supraleitenden Schichten, wenn ein Supraleiter eine Anzahl von Schichten aus dem gleichen Material aufweist, die jeweils die gleiche Dicke haben. Mit anderen Worten ist die Magnetfeld-Abschirmungswirkung des gesamten Supraleiters die Wirkung einer einzelnen supraleitenden Schicht multipliziert mit der Anzahl der vorhandenen Lagen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf der Basis der vorstehend genannten Wirkungen eine Magnetfeldabschirmung geschaffen, die im Vergleich zu herkömmlichen Einrichtungen sehr leicht, stabil und nützlich ist.
Die Erfindung wird nun in der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher erläutert; darin zeigen:
Fig. 1 einen Graphen zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der Dicke einer Nb-Ti-Legierungsschicht und ihrer Magnetfeld-Abschirmungswirkung;
Fig. 2 einen Graphen zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der Gesamtdicke von Nb-Ti-Legierungsschichten (Laminierungseffekt) und ihrer Magnetfeld- Abschirmungswirkung;
Fig. 3 eine fragmentarische vertikale Schnittansicht zur Erläuterung einer Ausführungsform eines Supraleiters für eine Abschirmung gemäß der Erfindung, wobei diese eine einlagige Ausbildung besitzt; und
Fig. 4 eine fragmentarische vertikale Schnittansicht zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform eines Supraleiters gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer mehrlagigen Ausbildung.
Ein Supraleiter für eine Magnetfeldabschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine supraleitende Schicht mit einer charakteristischen Kurve hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen der Dicke einer einzelnen Lage der supraleitenden Schicht und der Magnetfeld-Abschirmungswirkung der supraleitenden Schicht auf.
Gemäß der Erfindung zeichnet sich ein Supraleiter für eine Magnetfeldabschirmung dadurch aus, daß er wenigstens eine Schicht aus einer zusammengesetzten Laminierung aufweist, die eine Dünnschicht aus dem Supraleiter und eine Metallschicht (Folie, Flächenkörper oder Schicht) besitzt, die mit der Dünnschicht des Supraleiters zusammenlaminiert ist, der eine Dicke besitzt, die nicht größer ist als diejenige, die am Knickpunkt eines Graphen erhalten wird, der den Zusammenhang zwischen der magnetischen Abschirmungswirkung und der Dicke einer einzelnen supraleitenden Schicht repräsentiert.
Gemäß der Erfindung werden Niob, Niob-Legierungen, Niob- Verbindungen und Vanadium-Verbindungen für die vorstehend genannten supraleitenden Materialien verwendet. Genauer gesagt, es werden Nb, Nb-Ti, Nb-Zr, NbN TiN, NbN, NbC, Nb&sub3;Sn, NbAl, Nb&sub3;Ga, Nb&sub3;Ge und V&sub3;Ga verwendet. Diese Materialien gehören zu der Kategorie von Supraleitern der zweiten Klasse und besitzen die vorstehend genannten Eigenschaften. In der Praxis ist jedoch Nb-Ti besonders geeignet. Obwohl hochreines Aluminium oder Kupfer als mit den supraleitenden Schichten zusammenzulaminierende Metallschicht besonders geeignet sind, können auch geringe Reinheit aufweisendes Aluminium, Kupfer oder andere Metalle verwendet werden.
Die zusammengesetzte Laminierung der supraleitenden Schichten und Metallschichten erfolgt durch Ausbilden einer dünnen supraleitenden Schicht auf jeder Metallschicht unter Verwendung von Dünnschicht-Herstellungstechniken, beispielsweise Sputtern, oder durch enges Kontaktieren einer separat hergestellten supraleitenden Schicht mit jeder Metallschicht durch Ultraschallöten bzw. Ultraschallschweißen oder einfach durch Auflaminieren einer Schicht auf jede Metallschicht.
Die Dicke der supraleitenden Schicht darf nicht größer sein als die Dicke, die an dem vorstehend genannten Knickpunkt des Graphen erhalten wird, der den Zusammenhang zwischen der Dicke der supraleitenden Schicht und der Magnetfeld-Abschirmungswirkung repräsentiert. Wenn die Schichtdicke die an dem Knickpunkt erhaltene Dicke übersteigt, läßt sich die beträchtliche Abschirmungswirkung der vorliegenden Erfindung, wie diese später beschrieben wird, kaum erzielen. Der Supraleiter für eine Magnetfeldabschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich erzielen durch Verwendung einer einzelnen oder einer Vielzahl der vorstehend genannen zusammengesetzten Laminierungen, wobei dies von der Stärke des abzuschirmenden Magnetfeldes abhängig ist. Eine Vielzahl der zusammengesetzten Schichten wird gebildet durch abwechselndes Laminieren der supraleitenden Schichten auf die Metallschichten.
Die Funktion und die Arbeitsweise eines Supraleiters für eine Magnetfeldabschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Darstellungen der Ausführungsbeispiele beschrieben, wie dies vorstehend erläutert wurde.
Fig. 1 zeigt einen Graphen zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der Dicke einer Nb-Ti-Legierungsschicht (Nb 50 Gew.-%, Ti 50 Gew.-%), und der Magnetfeldabschirmungswirkung der Schicht. Die Abszisse stellt die Dicke (Einheit: µm) der Nb-Ti-Legierungsschicht dar, und die Ordinate stellt den Magnetfluß-Abschirmungswert (Einheit: Tesla) der Schicht dar. Gemäß Fig. 1 steigt der Magnetfluß-Abschirmungswert, d.h. die Magnetfluß-Abschirmungswirkung, abrupt an, wenn die Dicke der Nb-Ti-Legierungsschicht von nahezu Null (dem Ausgangswert) auf etwa 20 µm (meistens 10 µm) ansteigt, und jenseits von diesem Punkt steigt die Abschirmungswirkung nur allmählich mit einem relativ geringen Gradienten an, wenn die Dicke 20 µm übersteigt.
Wenn beim Stand der Technik ein Magnetfeld durch eine supraleitende Schicht dieses Typs abgeschirmt wurde, wurde herkömmlicherweise eine relativ dicke supraleitende Schicht von 100 bis 500 µm verwendet, wie diese vorstehend beschrieben wurde, und man ging davon aus, daß die Dicke der supraleitenden Schicht proportional zu der Magnetfluß-Abschirmungswirkung der supraleitenden Schicht war.
Die Magnetfluß-Abschirmungswirkung der supraleitenden Schicht mit einer Dicke von weniger als 20 µm wurde somit geschätzt durch Berechnungen auf der Grundlage von Meßwerten, die man von einer supraleitenden Schicht mit einer Dicke zwischen 100 und 500 µm erhielt. Nachdem man jedoch festgestellt hatte, daß die Magnetfluß-Abschirmungswirkung einer supraleitenden Schicht eine Charakteristik besitzt, wie diese in Fig. 1 gezeigt ist, wurde klar, daß die Magnetfluß-Abschirmungswirkung einer supraleitenden Schicht mit einer Dicke von nicht mehr als 20 µm bei weitem größer ist als ein nach herkömmlicher Weise geschätzter Wert.
Aus diesem Grund kann in Abhängigkeit von einem Magnetfeld (Magnetfeld der Erde zum Beispiel) sogar eine dünne supraleitende Schicht als Supraleiter für ein Magnetfeld verwendet werden. Gemäß einem weiteren Experiment, das von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde, ist ferner die Magnetfeld-Abschirmungswirkung einer mehrlagigen Konstruktion von supraleitenden Schichten, die jeweils die gleiche Dicke aufweisen, proportional zu der Anzahl der Schichten, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.
Gemäß Fig. 1 ist somit klar, daß die Magnetfeld-Abschirmungswirkung einer mehrlagigen Konstruktion aus Nb-Ti- Schichten, von denen jede eine Dicke von nicht mehr als 20 µm aufweist, bei weitem größer ist als die Abschirmungswirkung der mehrlagigen Konstruktion aus Nb-Ti-Schichten, von denen jede eine Dicke von mehr als 20 µm aufweist, unter Voraussetzung, daß die Gesamtdicke die gleiche ist.
Die Tabelle 1-(1) und die Tabelle 1-(2) zeigen den Zusammenhang zwischen der Dicke einer einzelnen Schicht der Nb-Ti- Legierungsschicht und der Magnetfeld-Abschirmungswirkung jeweils in Abhängigkeit von der Anzahl der Lagen. Die Tabelle 1-(1) befaßt sich mit Nb-Ti-Legierungsschichten, von denen jede eine Dicke zwischen 10 und 100 µm aufweist, und die Tabelle 1-(2) befaßt sich mit Nb-Ti-Legierungsschichten, von denen jede eine sehr geringe Dicke zwischen 1 und 5 µm besitzt. Tabelle 1 - (1)
Die Werte in Klammern stellen die Anzahl der Lagen dar. Tabelle 1 (2)
Die Werte in Klammern stellen die Anzahl der Lagen dar.
Wie aus Tabelle 1-(1) offensichtlich ist, erhält man eine größere Magnetfluß-Abschirmungswirkung unter Verwendung von supraleitenden Schichten mit jeweils kleinerer Dicke, unter der Voraussetzung, daß die Gesamtdicke gleich ist. Signifikant ist dies, wenn die Dicke nicht größer als 20 µm ist (die Dicke, die man an dem Knickpunkt erhält). Dieses Phänomen basiert auf den beiden vorgenannten Tatsachen, die die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt haben. Ein Supraleiter mit dieser Art von Charakteristik ist besonders nützlich, wenn er zur Abschirmung intensiver Magnetfelder verwendet wird. Als Beispiel sei ein Supraleiter für eine Magnetfeldabschirmung angenommen, die aus einer mehrlagigen Konstruktion aus Nb-Ti-Legierungsschichten mit einer Gesamtdicke von 300 µm besteht. Im Fall eines herkömmlichen Supraleiters sind drei Lagen von Schichten mit einer Dicke von 100 µm erforderlich, wie dies in der Tabelle 1-(1) dargestellt ist. Ein solcher Supraleiter besitzt eine Magnetfeldabschirmung, die sich auf 0,283 Tesla beläuft. Im Fall des Supraleiters gemäß der vorliegenden Erfindung werden 30 Lagen von Nb-Ti-Schichten mit einer Dicke von 10 µm verwendet, und man erhält eine Magnetfeldabschirmung, die sich auf 2,13 Tesla beläuft. Wie sich aus diesem Vergleich ergibt, ist die Effizienz des Supraleiters gemäß der vorliegenden Erfindung 7,5 mal höher als die einer herkömmlichen Abschirmung.
Die Tabelle 1-(2) befaßt sich mit Nb-Ti-Legierungsschichten, die jeweils eine geringere Dicke aufweisen als die Schichten, mit denen sich die Tabelle 1-(1) befaßt.
Es ist klar erkennbar, daß im Fall von Schichten, von denen jede eine Dicke von nicht mehr als 10 µm aufweist, der Wert der Magnetfeldabschirmung bei geringerer Dicke der Schicht signifikant ansteigt. Genauer gesagt, es ist bei Verwendung von 10 µm dicken Schichten zur Abschirmung einer Magnetflußdichte von beispielsweise ca. 1,4 Tesla eine Abschirmung mit einer Gesamtdicke von 200 µm erforderlich (gemäß Tabelle 1-(1)). Wenn 2 µm dicke Schichten verwendet werden, läßt sich die Gesamtdicke jedoch auf 60 µm reduzieren, wobei dies etwa ein Drittel der Dicke darstellt, die für einen Supraleiter bestehend aus 10 µm dicken Schichten erforderlich ist.
Diese Resultate werfen die herkömmlicherweise akzeptierte Theorie, daß dickere supraleitende Schichten zur Abschirmung intensiver Magnetfelder verwendet werden sollten, vollständig über den Haufen. Es versteht sich von selbst, daß diese Erkenntnisse gemäß der vorliegenden Erfindung einen Durchbruch für die Praxis darstellen.
Wie in den Tabellen 1-(1) und 1-(2) gezeigt ist, lassen sich die Eigenschaften einer supraleitenden Schicht in wirksamster Weise erhalten, wenn die Dicke jeder Schicht sehr dünn ist. Wenn jedoch dünnere Schichten verwendet werden, sind mehr Lagen der Schichten erforderlich, um eine intensive Magnetflußdichte abzuschirmen. Dies bedingt eine höhere Anzahl von Herstellungsprozessen und steigert die Produktionskosten. Die Dicke einer supraleitenden Schicht sollte daher vorzugsweise in der Praxis 2 bis 10 µm betragen.
Die Dicke einer Nb-Ti-Legierungsschicht beträgt an dem in Fig. 1 gezeigten Knickpunkt 20 µm. Diese Dicke an dem Knickpunkt kann jedoch in Abhängigkeit von der Schichtbildung oder der Schichtherstellungsgeschwindigkeit oder der Substrattemperatur im Fall von Sputtern variieren, selbst wenn in der Zusammensetzung der Nb-Ti-Legierung kein Unterschied vorhanden ist. Die Dicke an dem Knickpunkt kann in manchen Fällen 80 µm erreichen. Der Supraleiter für eine Magnetfeldabschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt eine zusammengesetzte Laminierung der vorstehend genannten supraleitenden Schicht und einer Metallschicht, die aus Aluminium oder Kupfer besteht. Die Metallschicht wird zum Stabilisieren (in erster Linie zum Kühlen) der supraleitenden Schicht verwendet.
Genauer gesagt, es kann aufgrund der Tatsache, daß die Wärmeleitfähigkeit der zusammengesetzten Laminierung bei weitem größer ist als die des Supraleiters, der nur aus der supraleitenden Schicht gebildet ist, die Metallschicht Wärme von der supraleitenden Schicht in wirksamer Weise abstrahlen oder abgeben, und ein Temperaturanstieg aufgrund von Magnetfluß läßt sich verhindern. Ferner bildet die Metallschicht einen Stromkreis in dem Bereich, wo ein Übergang zu dem normalen Bereich stattfindet, so daß sich die Wärmeentstehung reduzieren läßt, und sie besitzt eine Bremswirkung für rasche Magnetflußveränderungen, wie zum Beispiel Magnetflußsprünge.
Wenn eine mehrlagige Konstruktion aus supraleitenden Schichten einem intensiven Magnetfeld ausgesetzt wird, wird die am nähesten bei dem Magnetfeld befindliche erste Schicht am stärksten durch das Magnetfeld beinflußt. Die zweite Schicht und die darauffolgenden Schichten werden weniger beeinflußt. Die letzte Schicht wird überhaupt nicht beeinflußt.
Diese Funktion ist nur dann möglich, wenn alle der Schichten stabil arbeiten, wobei zum Beispiel beim Auftreten eines Magnetflußsprunges in der ersten Schicht eine abrupte Magnetfeldveränderung in der zweiten Schicht stattfindet, so daß dadurch ein zweiter Magnetflußsprung auch in der zweiten Schicht stattfindet, wobei dies zum Ergebnis hat, daß die erwünschte Magnetfeld-Abschirmungswirkung nicht erreicht werden kann.
Da der Supraleiter für eine Magnetfeldabschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung eine zusammengesetzte Laminierung aus einer dünnen supraleitenden Schicht und einer Metallschicht mit der vorstehend genannten Funktion besitzt, wird ein Magnetflußsprung verhindert und die supraleitende Schicht stabilisiert. Auf diese Weise lassen sich die ursprünglichen Charakteristika der supraleitenden Schicht voll ausnutzen.
Bei Verwendung einer einzigen Metallschicht wird ein vorgefertigter Flächenkörper aufgebracht. Bei Verwendung einer mehrlagigen Konstruktion der Metallschichten ist es von Vorteil und bevorzugt, durch Dünnschicht-Herstellungstechniken, wie zum Beispiel Sputtern oder Aufdampfen im Vakuum, hergestellte Dünnschichten für die Metallschichten mit Ausnahme für den unteren Metallschicht-Flächenkörper zu verwenden, um die Gesamtdicke der Abschirmung dünner zu machen, wie dies im folgenden ausführlich erläutert wird.
Nachfolgend werden erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele beschrieben.

Beispiel 1

(a) Herstellung von zusammengesetzten Laminierungen;
(a-1) es wurden Nb-Ti-Legierungsschichten durch Sputtern auf einer im Handel erhältlichen Aluminiumfolie (mit einer Dicke von 13 µm) gebildet, um sechs Arten von zusammengesetzten Laminierungen zu erhalten, die Nb-Ti-Legierungsschichten mit einer Dicke von 0,95, 2,0, 4,5, 8,5, 12 und 20 µm besaßen.
(a-2) Es wurden vier Typen von Nb-Ti-Legierungsschichten mit einer Dicke von 100, 200, 300 und 700 µm durch Walzen hergestellt. Ihre Oberflächen wurden gebeizt und durch Ultraschall-Löten mit einer dünnen Lotmaterialschicht beschichtet. Die Oberfläche eines 1,0 mm dicken Flächenkörpers wurde ebenfalls mit einer dünnen Lotmaterialschicht bedeckt. Jeder Typ der Nb-Ti-Legierungsschicht wurde auf den Kupfer- Flächenkörper auflaminiert und mit Druck beaufschlagt und erwärmt, um vier Arten von zusammengesetzten Laminierungen zu erhalten. Diese wurden für Vergleichszwecke verwendet.
(b) Messung des Werts der Magnetfeldabschirmung; die vorstehend genannten zusammengesetzten Laminierungen wurden in Form von Scheiben mit einem Durchmesser von 47 mm gebildet. Der Wert der Magnetfeldabschirmung wurde in der Mitte jeder Scheibe gemessen. Die Meßwerte sind in Fig. 1 dargestellt. Aus Fig. 1 ist deutlich zu erkennen, daß die Magnetfeld-Abschirmungswirkung in dem Dickenbereich zwischen nahe 0 und 20 µm (meist 10 µm) abrupt ansteigt und danach die Anstiegsrate beträchtlich absinkt. Das heißt, die Wirkung steigt nur allmählich an, wenn die Dicke 20 µm übersteigt.
(c) Laminieren der zusammengesetzten Laminierungen; es wurden drei Typen von zusammengesetzten Laminierungen mit Nb-Ti-Legierungsschichten mit einer Dicke von 2, 10 und 20 µm gebildet, wobei jeder Typ in drei bis zehn Schichten laminiert wurde.
(d) Messung des Werts der Magnetflußabschirmung; die Werte der Magnetflußabschirmung der mehrlagigen zusammengesetzten Laminierungen, die vorstehend gemäß Punkt (c) hergestellt wurden, sowie der Wert einer einzelnen zusammengesetzten Laminierung wurden in der gleichen Weise gemessen, wie dies unter Punkt (b) beschrieben wurde. Die Meßergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt. Aus Fig. 2 ist deutlich zu erkennen, daß die Magnetfeld-Abschirmungswirkung proportional zu der Anzahl der zusammengesetzten Laminierungen ist.
Gemäß den in Fig. 2 gezeigten Ergebnissen läßt sich somit ableiten, daß die mehrlagigen zusammengesetzten Laminierungen, die Nb-Ti-Legierungsschichten mit jeweils einer Dicke von nicht mehr als 20 µm sowie Kupfer-Flächenkörper aufweisen, eine beträchtlich größere Magnetfeld-Abschirmungswirkung besitzen als mehrlagige zusammengesetzte Laminierungen, die Nb-Ti-Legierungsschichten jeweils mit einer größeren Dicke als 20 µm sowie Kupfer-Flächenkörper aufweisen, sogar wenn die Gesamtdicke der erstgenannten Laminierungen geringer ist als die der letzteren. Da Magnetflußsprünge aufgrund der Stabilisierungswirkung der Kupferschicht verhindert sind, wird davon ausgegangen, daß die Charakteristika der Nb-Ti-Legierungsschichten vollständig zur Verfügung stehen.

Beispiel 2

(a) Herstellung von zusammengesetzten Laminierungen: NbN TiN-Schichten wurden durch Aufsputtern einer Nb-Ti-Legierung auf Aluminiumfolie in einer Stickstoffgas (N&sub2;) enthaltenden Atmosphäre gebildet, um zwei Typen von zusammengesetzten Laminierungen zu erhalten, die NbN TiN-Schichten mit einer Dicke von 2 und 10 µm besaßen.
(b) Messung des Werts der Magnetflußabschirmung: Die zusammengesetzten Laminierungen wurden zusammenlaminiert und ihre Werte der Magnetfeldabschirmung wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Es erfolgte eine Messung der zusammengesetzten Laminierungen mit 1, 3 und 5 Schichten. Die Meßergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Gemäß Tabelle 2 ist der Wert der Magnetfeldabschirmung von zusammengesetzten Laminierungen mit NbN TiN-Schichten ca. dreimal höher als die von zusammengesetzten Laminierungen mit Nb-Ti-Legierungsschichten. Im Fall von Massenartikeln (anderen, vorgefertigten Schichten als den durch Dünnschicht-Herstellungstechniken gebildeten Schichten) würde ihre obere kritische Magnetflußdichte, bei der sich die supraleitende Wirkung aufrecht erhalten läßt, einen Wert besitzen, der geringfügig höher ist als 10 Tesla bei 4,2 K, und zwar vom praktischen Standpunkt der betreffenden Industrie aus gesehen. Im Fall der NbN TiN-Schichten wird jedoch vom praktischen Standpunkt der betreffenden Industrie aus angenommen, daß ihre obere kritische Magnetflußdichte beträchtlich höher ist als 10 Tesla. Es ist daher sehr verständlich, daß die zusammengesetzten Laminierungen, die NbN TiN-Schichten aufweisen, in wirksamer Weise Magnetfelder mit sehr hohen Werten der Magnetflußdichte abschirmen können. Tabelle2
Die zusammengesetzten Laminierungen oder laminierten Schichten der Ausführungsformen werden zum Zurückdrängen und Konzentrieren magnetischer Kraftlinien verwendet. Dies bezeichnet man als den sogenannten "Linseneffekt". Durch Anordnen der zusammengesetzten Laminierung(en) um das Magnetfeld kann die oder können die zusammengesetzten Laminierungen das Magnetfeld einerseits abschirmen und andererseits die magnetischen Kraftlinien konzentrieren, so daß ein Magnetfeld mit einer hohen Magnetflußdichte abgeführt und für andere Zwecke verwendet werden kann.
Im folgenden werden zwei Konstruktionen eines Supraleiters für eine Magnetfeldabschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Fig. 3 zeigt eine aus einer einzelnen Lage gebildete Konstruktion einer zusammengesetzten Laminierung, und Fig. 4 zeigt acht Lagen zusammengesetzter Laminierungen. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Dünnschicht-Supraleiter. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen vorgefertigten Metall- Flächenkörper. In Fig. 4 ist ein Metall-Flächenkörper 12 am Boden angeordnet, wobei dieser ein Substrat bildet. Bei den Metallschichten 4, 6, 8 und 10, die mit den supraleitenden Schichten abwechselnd auf den Metall-Flächenkörper 12 auflaminiert sind, handelt es sich um durch Sputtern oder Aufdampfen im Vakuum gebildete Schichten. Bei diesem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Metallschichten 4, 6, 8 und 10 zur beträchtlichen Reduzierung der Gesamtdicke der mehrlagigen Konstruktion verwendet. Der am Boden angeordnete Metall-Flächenkörper 12 hat die Funktion eines Substrats. Die Bezugszeichen 3, 5, 7, 9 und 11 bezeichnen supraleitende Schichten, die durch Dünnschicht-Herstellungstechniken gebildet sind. Zum Beispiel handelt es sich bei dem Metall-Flächenkörper 12 um einen 13 µm dicken vorgefertigten Aluminium-Flächenkörper, bei den Metallschichten 4, 6, 8 und 10 um 2 µm dicke Aluminium-Aufdampfschichten und bei den supraleitenden Schichten 3, 5, 7, 9 und 11 um 2 µm dicke Aufdampfschichten aus Nb-Ti-Legierung.
Wie vorstehend beschrieben wurde, schafft der Supraleiter für eine Magnetfeldabschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung eine wirksame Kombination der vorstehend genannten Magnetfeld-Abschirmungscharakteristika, die bisher nicht bekannt waren, sowie eine Stabilisierungswirkung der Metallschichten. Der Supraleiter für eine Magnetfeldabschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung gewährleistet somit selbst dann eine hohe Magnetfeld-Abschirmungswirkung, wenn die Abschirmung dünne Schichten aufweist. Bei Verwendung derselben bei verschiedenen Magnetfeld-Abschirmungsvorrichtungen ist deutlich zu erkennen, daß der Supraleiter gemäß der vorliegenden Erfindung in wirksamer Weise zum Reduzieren des Gewichts und der Kosten für solche Vorrichtungen verwendet werden kann. Ferner kann der Supraleiter gemäß der vorliegenden Erfindung leichter gebildet oder hergestellt werden, da er aus Dünnschichten gebildet ist.
Es besteht kein Zweifel, daß der Supraleiter gemäß der vorliegenden Erfindung für Verwendungszwecke auf vielen Gebieten als Supraleiter für Magnetfeldabschirmungen mit einem sehr hohen praktischen Nutzen äußerst nützlich sein wird.

Claims

1. Magnetfeldabschirmung, die eine Vielzahl von zusammengesetzten Laminierungen aus einer Metallschicht (2), die in wirksamer Weise Wärme abstrahlt oder abgibt, und einer supraleitenden Schicht (1) aus einem Supraleiter vom Typ II aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Dicke von jeder supraleitenden Schicht (1; 3, 5, 7, 9, 11) im Bereich von 2 bis 20 µm liegt,

daß die Dicke von jeder supraleitenden Schicht (1; 3, 5, 7, 9, 11) aus dem Knickpunkt eines Graphen bestimmt wird, der den Zusammenhang zwischen der magnetischen Abschirmungswirkung und der Dicke einer einzelnen supraleitenden Schicht (1; 3, 5, 7, 9, 11) repräsentiert,

und daß die Dicke von jeder supraleitenden Schicht (1; 3, 5, 7, 9, 11) nicht größer ist als diejenige, die am Knickpunkt des Graphen erhalten wird.

2. Magnetische Abschirmung, die eine Vielzahl von zusammengesetzten Laminierungen aus einer Metallschicht (2), die in wirksamer Weise Wärme abstrahlt oder abgibt, und einer supraleitenden Schicht (1) aus einem Supraleiter vom Typ II aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß das supraleitende Material vom Typ II Nb-Ti ist,

daß die Dicke jeder supraleitenden Schicht (1; 3, 5, 7, 9, 11) im Bereich von 0,95 bis 20 µm liegt,

daß die Dicke jeder supraleitenden Schicht (1; 3, 5, 7, 9, 11) aus dem Knickpunkt des Graphen bestimmt wird, der den Zusammenhang zwischen der magnetischen Abschirmungswirkung und der Dicke einer einzelnen supraleitenden Schicht (1; 3, 5, 7, 9, 11) repräsentiert,

und daß die Dicke jeder supraleitenden Schicht (1; 3, 5, 7, 9, 11) nicht größer ist als diejenige, die an dem Knickpunkt des Graphen erhalten wird, welche im Falle von Nb-Ti 20 µm beträgt.

3. Abschirmung nach Anspruch 1, wobei das supraleitende Material aus der Gruppe von Niob, Niob-Legierungen, Niob-Verbindungen oder Vanadium-Verbindungen gewählt ist, insbesondere aus Nb, Nb-Zr, NbN TiN, NbN, NbC, Nb&sub3;Sn, Nb&sub3;Al, Nb&sub3;Ga, Nb&sub3;Ge und/oder V&sub3;Ga.

4. Abschirmung nach Anspruch 1, wobei die supraleitende Schicht (1; 3, 5, 7, 9, 11) aus einer Nb TiN-Zusammensetzung besteht und die Metallschicht (2; 4, 6, 8, 10, 12) aus hochreinem Aluminium oder Kupfer besteht.

5. Abschirmung nach Anspruch 2, wobei die supraleitende Schicht (1; 3, 5, 7, 9, 11) aus einer Nb-Ti-Legierung besteht und die Metallschicht (2; 4, 6, 8, 10, 12) aus hochreinem Aluminium oder Kupfer besteht.

6. Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die supraleitende Schicht (1; 3, 5, 7, 9, 11) auf der Metallschicht (2; 4, 6, 8, 10, 12) mit einer Dünnschicht-Herstellungstechnik, beispielsweise durch Sputtern, gebildet ist.

7. Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die supraleitende Schicht (1; 3, 5, 7, 9, 11) in engem Kontakt mit der Metallschicht (2; 4, 6, 8, 10, 12) steht, und zwar durch Ultraschallschweißen oder ohne Klebemittel auf die Metallschicht (2; 4, 6, 8, 10, 12) laminiert ist.

8. Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Metallschicht (2; 4, 6, 8, 10, 12) ein Metallflächenkörper aus Aluminium oder Kupfer ist, insbesondere eine dünne Aluminiumschicht oder eine dünne Kupferschicht, die durch eine Dünnschicht-Herstellungstechnik ausgebildet ist.

9. Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vielzahl von zusammengesetzten Laminierungen aus dünnen supraleitenden Schichten (11, 9, 7, 5, 3,) besteht, die abwechselnd auf einen Metall-Flächenkörper (12) bzw. weitere Metallschichten (10, 8, 6, 4,) laminiert sind.

10. Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Dicke von jeder supraleitenden Schicht (1; 3, 5, 7, 9, 11) im Bereich von 2 bis 10 µm liegt.

11. Verfahren zur Herstellung einer Magnetfeldabschirmung, das folgende Schritte aufweist:

- Bestimmen des Knickpunktes auf einem Graphen des Zusammenhanges zwischen der magnetischen Abschirmungswirkung und der Dicke einer einzelnen supraleitenden Schicht (1) eines supraleitenden Materials vom Typ II;

- Wählen der Dicke der supraleitenden Schicht (1) in dem Bereich von 2 bis 20 µm, wobei die Dicke nicht größer ist als der Dickenwert an dem Knickpunkt; und

- Herstellen einer Vielzahl von zusammengesetzten Laminierungen, die jeweils die supraleitende Schicht (3, 5, 7, 9, 11) aufweisen, die auf einer Metallschicht (2, 4, 6, 8, 10, 12) ausgebildet ist.

12. Verfahren zur Herstellung einer Magnetfeldabschirmung, das folgende Schritte aufweist:

- Bestimmen des Knickpunktes eines Graphen des Zusammenhanges zwischen der magnetischen Abschirmungswirkung und der Dicke einer einzelnen supraleitenden Schicht (1) des supraleitenden Materials Nb-Ti vom Typ II;

- Wählen der Dicke der supraleitenden Schicht in dem Bereich von 0,95 bis 20 µm, wobei der zuletzt genannte Wert der Dickenwert an dem Knickpunkt ist; und

- Herstellen einer Vielzahl von zusammengesetzten Laminierungen, die jeweils die supraleitende Schicht (3, 5, 7, 9, 11) aufweisen, die auf einer Metallschicht (2, 4, 6, 8, 19, 12) ausgebildet ist.