DE3833886C2

DE3833886C2 - Magnetfeldabschirmung mit einem supraleitenden Film

Info

Publication number: DE3833886C2
Application number: DE3833886A
Authority: DE
Inventors: Souichi Ogawa; Takao Sugioka; Masaru Inoue
Original assignee: Koatsu Gas Kogyo Co Ltd; Osaka Prefecture
Current assignee: Koatsu Gas Kogyo Co Ltd; Osaka Prefecture
Priority date: 1988-02-09
Filing date: 1988-10-05
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2008-10-06
Also published as: JPH0714120B2; DE3833886A1; JPH01295498A; FR2627005B1; CA1300253C; US4920011A; GB8827918D0; GB2214933A; FR2627005A1; GB2214933B

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetfeldabschirmung mit einem supraleitenden Film, die magnetische Felder unter Verwendung der Supraleitfähigkeit abschirmt.

Eine Magnetfeldabschirmung mit einem supraleitenden Film, die ein metallisches Substrat aus Kupfer oder Aluminium und eine supraleitende Filmschicht aufweist, die aus einem mischkristallinen Körper aus Niobnitrid und Titannitrid besteht und die auf das metallische Substrat aufgebracht ist, ist aus der EP 0 190 767 A2 bekannt. Aus dieser Druckschrift ist ferner eine Magnetfeldabschirmung mit einem supraleitenden Film bekannt, die ein me tallisches Substrat aus Kupfer oder Aluminium und eine Mehrzahl von aufgebrachten sandwichartigen Schichtfolgen aufweist, von denen jede aus einer Metallschicht und einer supraleitenden Filmschicht aus Niob, Nioblegierungen, Niobverbindungen oder Vanadiumverbindungen, insbesondere Nb, Nb-Ti, Nb-Zr, NbN · TiN, NbN, NbC, Nb₃Sn, NbAl, Nb₃Ga, NbGe und/oder V₃Ga, besteht, wobei in der obersten Schichtfolge die Metallschicht weggelassen ist.

Zur Magnetfeldabschirmung unter Ausnutzung der Supraleitfähigkeit wurden Supraleiter vom Typ I oder Supraleiter vom Typ II je nach der Feldstärke des magnetischen Feldes verwendet. Magnetfeldabschirmungen, die mit Supraleitern vom Typ I arbeiten, nutzen den vollkommenen Diamagnetismus (Meißner-Effekt), eine Eigenschaft der Supraleitfähigkeit, aus. Eine solche Magnetfeldabschirmung kann starke Magnetfelder nicht abschirmen, da ihre kritische magnetische Flußdichte niedrig ist. Magnetfeldabschirmungen, die mit Supraleitern vom Typ II arbeiten, nutzen eine Kombination von supraleitfähigem Zustand und normalem leitendem Zustand aus. Hinsichtlich ihrer kritischen magnetischen Feldstärke ist zwischen einer oberen und einer unteren kritischen magnetischen Feldstärke zu unterscheiden. Da die obere kritische magnetische Feldstärke extrem hoch liegt, kann ein Supraleiter vom Typ II zum Abschirmen von starken magnetischen Feldern verwendet werden.

Für eine Magnetfeldabschirmung unter Verwendung von Supraleitern vom Typ II kann auch ein sogenannter "elektromagnetischer Abschirmeffekt" ausgenutzt werden, der auf dem Prinzip der Unwandelbarkeit der Verkettung des magnetischen Flusses beruht, um auf diese Weise starke magnetische Felder abzuschirmen.

Wenn die vorstehend genannte Magnetfeldabschirmung dicker wird, nimmt der Ab schirmeffekt zu. Infolgedessen werden dickere Supraleiter verwendet, um starke Magnetfelder abzuschirmen. Ein dicker Supraleiter wird jedoch durch einen örtlichen ma gnetischen Fluß aufgewärmt, und seine Abschirmwirkung nimmt beträchtlich ab (schädliche Sekundäreffekte). Zum Abschirmen von starken Magnetfeldern unter Einsatz der oben genannten Supraleiter vom Typ II werden relativ dicke supraleitende Blätter oder Bänder in Schichten laminiert oder zusammen mit Aluminium- oder Kupferschichten aufgeschichtet. Diese beiden Arten von Magnetfeldabschirmungen sind unvermeidlich dick und schwer. Sie sind daher für praktische Anwendungen wenig geeignet. Außerdem kann es bei einer Magnetfeldabschirmung der erstgenannten Art zu einem Magnetfluß- Sprungeffekt kommen (magnetische Flüsse dringen in die Abschirmung ein und gelangen zum Zentrum der Abschirmung, wo sie die Innentemperatur erhöhen, so daß weiterer Magnetfluß in die Abschirmung eintreten kann, was zu einem katastrophalen Phänomen führt). Abschirmungen der erstgenannten Art lassen die für das Abschirmen von Magnetfeldern notwendige Stabilität vermissen. Abschirmungen der letztgenannten Art sind denjenigen der erstgenannten Art im Aufbau überlegen, weil eine Kühlwirkung auf grund der Aluminium- oder Kupferschichten hinzukommt. Dies reicht jedoch nicht aus, um die Eigenschaften des supraleitenden Werkstoffes voll zu nutzen. Weil diese Art von Magnetfeldabschirmung dicker ist, sorgt sie für einen größeren Magnetfeld-Abschirmeffekt (wobei davon ausgegangen wird, daß die Dicke des Supraleiters proportional dem Magnetfeld-Abschirmeffekt ist). Statt Schichten von dünnen supraleitenden Filmen zu la minieren wurde es daher als vorteilhaft erachtet, einen möglichst dicken Supraleiter einzu setzen, vorausgesetzt, daß Vorsorge zum Verhindern der oben erläuterten Wärmeerzeugung getroffen wird, weil sich dadurch die Fertigungskosten und die Anzahl der Verfahrensschritte vermindern lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Magnetfeldabschirmung zu schaffen, die es erlaubt, auch bei Verwendung einer relativ dünnen supraleitenden Schicht eine hervorra gende Magnetfeld-Abschirmwirkung zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Magnetfeldabschirmung mit

- einem metallischen Substrat aus Kupfer, Aluminium, Nickel, rostfreiem Stahl, Titan oder Niob,
- einer supraleitenden Filmschicht, die zu mindestens 70 Gew.% aus einem Mischkri stallkörper aus Niobnitrid und Titannitrid besteht, und
- einer zusätzlichen Schicht aus einer Niob-Titan-Legierung, die zwischen der supralei tenden Filmschicht und dem metallischen Substrat auf letzteres aufgebracht ist und auf welche die supraleitende Filmschicht aufgebracht ist.

Entsprechend zweier abgewandelter Ausführungsformen der Erfindung wird eine Magnet feldabschirmung geschaffen, die versehen ist mit

- einem metallischen Substrat aus Kupfer, Aluminium, Nickel, rostfreiem Stahl, Titan oder Niob und
- einer Mehrzahl von aufgebrachten sandwichartigen Schichtfolgen, von denen jede aus einer Schicht aus einer Niob-Titan-Legierung, einer zu mindestens 70 Gew.% von ei nem Mischkristallkörper aus Niobnitrid und Titannitrid gebildeten supraleitenden Filmschicht und einer Metallschicht besteht, die in dieser Reihenfolge aufeinanderfol gen, wobei in der obersten Schichtfolge die Metallschicht weggelassen ist (Anspruch 3) bzw. vorhanden ist (Anspruch 5).

Würde die NbN-TiN-Schicht im Sputterverfahren unmittelbar auf das metallische Substrat aufgebracht, könnte es leicht zu einem zunderartigen Abblättern des supraleitenden Films kommen, weil dieser keine Affinität zu dem metallischen Substrat hat. Durch Zwischenfügen der Nb-Ti-Legierungsschicht zwischen dem Substrat bzw. der Metallschicht und der supraleitenden Filmschicht werden bei beiden erfindungsgemäßen Ausführungsformen sämtliche Schichten fest miteinander verbunden, weil die Niob-Titan- Legierungsschicht eine hohe Affinität sowohl zu dem Substrat bzw. der Metallschicht als auch zu der supraleitenden Filmschicht hat. Da ferner die Nb-Ti-Legierung selbst einen Supraleiter darstellt, wird die Magnetfeld-Abschirmwirkung durch die Supraleitfähigkeit der Niob-Titan-Legierungsschicht weiter gesteigert.

Bei beiden Ausführungsformen der Magnetfeldabschirmung nach der Erfindung ist in wei terer Ausgestaltung der Erfindung vorzugsweise eine Mehrzahl von durchgehenden Löchern vorgesehen, die in Dickenrichtung durch die Abschirmung hindurchreichen.

Bei diesen beiden Ausführungsformen erfolgt eine elektromagnetische Abschirmung im Bereich der durchgehenden Löcher sowie eine supraleitende Abschirmung in den anderen Bereichen unter Ausnutzung von vollständigem Diamagnetismus und Mischdiamagnetis mus (Mischung von Supraleitfähigkeit und normaler Leitfähigkeit). Diese beiden Abschirmeffekte unterstützen sich auf synergistische Weise, und es kann eine extrem hohe Magnetfeldabschirmung erzielt werden. Im Falle der elektromagnetischen Abschirmung fließt ein Abschirmstrom in dem aus einem Supraleiter bestehenden geschlossenen Stromkreis, wobei er das abzuschirmende Magnetfeld auslöscht, indem er ein Magnetfeld erzeugt, dessen Wirkungsrichtung entgegengesetzt zu derjenigen des abzuschirmenden Magnetfeldes ist. Bei steigender kritischer Stromdichte des Supraleiters können starke Magnetfelder wirkungsvoller und stabil abgeschirmt werden.

Durch dünnere Ausführung der supraleitenden Filmschicht steigen die obere kritische ma gnetische Feldstärke und die kritische Stromdichte über diejenigen Werte an, die bei Anordnungen ähnlicher Art erzielt werden. Die bevorzugte Abschirmung, bei der die bei den erläuterten Abschirmmethoden kombiniert genutzt werden, ist daher in der Lage, ex trem starke Magnetfelder abzuschirmen. Infolgedessen ist eine verhältnismäßig geringere Menge an supraleitendem Werkstoff notwendig, um ein Magnetfeld von vorgegebener Stärke abzuschirmen.

Anders als bei einer Netzwerk-Abschirmung braucht die vorliegende Magnetfeldabschir mung keine Verbindungs- oder Lötbereiche, um geschlossene Stromkreise entstehen zu las sen. Wenn die magnetische Abschirmung bei einer unter der kritischen Temperatur liegen den Temperatur eingesetzt wird, wird der Gesamtwiderstand des geschlossenen Stromkreises (der Umfang der Löcher), der abzuschirmen ist, zu Null. Auf diese Weise ist eine vollständige Abschirmung ohne Rücksicht darauf möglich, ob das abzuschirmende Magnetfeld gleichförmig oder variabel ist. Die vorliegend erläuterte Magnetfeldabschir mung kann daher für die vielfältigsten Zwecke eingesetzt werden.

Im Gegensatz zu einem gleichförmigen Magnetfeld-Abschirmblech, in dessen Substrat keine durchgehenden Löcher vorgesehen sind, kann bei der vorliegenden, mit den durchge henden Löchern ausgestatteten Magnetfeldabschirmung Kühlmittel in die Innenräume der Löcher gelangen, so daß sich der gesamte Bereich wirkungsvoll kühlen läßt. Magnetische Flüsse können im Umfangsbereich der durchgehenden Löcher wirkungsvoll eingefangen werden, um die Erzeugung von Wärme aufgrund des magnetischen Flusses zu verhindern. Damit wird eine extrem stabile Wirkung selbst in einem Magnetfeld hoher Feldstärke er zielt.

Wie oben erläutert ist, wird der Effekt stabiler, wenn die supraleitende Filmschicht dün ner ausgeführt wird. Selbst wenn die Dicke der supraleitenden Filmschicht kleiner als die Eindringtiefe des magnetischen Flusses gemacht wird, kann die erläuterte Magnetfeldabschirmung ein Magnetfeld abschirmen, dessen Feldstärke höher ist als die obere kritische magnetische Feldstärke der meisten Abschirmungen ähnlicher Art. Weil nämlich die Eindringtiefe eines magnetischen Flusses im Falle eines Supraleiters vom Typ II größer als die Kohärenzlänge (die Tiefe von der Oberfläche des Supraleiters, wo Supraleiter-Elektronen existieren können) ist, bleibt der elektrische Widerstand selbst dann gleich Null, wenn die Dicke der Filmschicht kleiner als die Eindringtiefe des Magnetfeldes ist. Die obere kritische magnetische Feldstärke liegt bei der vorliegend erläuterten Abschirmung erheblich höher als bei den meisten Abschirmungen ähnlicher Art.

Wenn bei einer konventionellen Magnetfeldabschirmung mit supraleitenden Filmschichten die Dicke kleiner als die Eindringtiefe des Magnetflusses gemacht wird, um einen stabilen Effekt zu erzielen, geht der größte Teil des Magnetfeldes durch die Magnetfeldabschir mung unabhängig von der Intensität des Magnetfeldes und der Anzahl der supra-leitenden Schichten hindurch, und ein Abschirmen wird sehr schwierig. Die mit den durchgehenden Löchern versehene Magnetfeldabschirmung sorgt dagegen auch für eine elektromagneti sche Abschirmwirkung. Selbst wenn die Dicke der supraleitenden Filmschicht kleiner als die Eindringtiefe des magnetischen Flusses ist, fließt aufgrund des Widerstandes Null der su praleitenden Schicht ein Abschirmstrom, und der magnetische Abschirmeffekt geht so nicht verloren.

Auch bei einer mit den durchgehenden Löchern ausgestatteten Magnetfeldabschirmung, die mehrere supraleitende Filmschichten aufweist, tritt der oben erläuterte Kühl- und Stabilisierungseffekt der Metallfilmschichten zwischen den supraleitenden Filmschichten auf.

Eine Magnetfeldabschirmung mit einer Mehrzahl von supraleitenden Filmschichten hat ei ne wesentlich bessere Abschirmwirkung als eine Magnetfeldabschirmung mit einer einzigen supraleitenden Schicht, selbst wenn diese beiden Arten von Magnetfeldabschirmungen die gleiche Gesamtdicke aufweisen. Eine solche Magnetfeldabschirmung zeichnet sich im übri gen auch durch eine hohe Beständigkeit gegen Abblättern oder Ablösen aus.

Eine Magnetfeldabschirmung mit einem Substrat aus Kupfer, Aluminium, Nickel oder rostfreiem Stahl, einer supraleitenden Filmschicht aus Niob, einer Niob-Titanlegierung, ei ner Niob-Zirkonium-Legierung, NbN, NbC, Nb₃Sn, Nb₃Al, Nb₂Ga, Nb₃Ge, Nb₃AlGe oder V₃Ga sowie mit einer Mehrzahl von durchgehenden Löchern, die in Dickenrichtung durch die Abschirmung hindurchreichen, ist in der nicht vorveröffentlichten, prioritätsälteren DE 38 09 452 beschrieben, wobei an Stelle einer einzigen supraleitenden Filmschicht auch eine Mehrzahl von Supraleiter-Filmschichten und Metallfilmschichten vorgesehen sein kann, die alternierend auf das Substrat aufgebracht sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen lotrechten Schnitt für ein Grundbeispiel einer ersten Ausfüh rungsform der Magnetfeldabschirmung nach der Erfindung,

Fig. 2 bis 4 lotrechte Schnitte ähnlich Fig. 1 für weitere Ausführungsbeispiele der er findungsgemäßen Magnetfeldabschirmung, wobei Fig. 4 ein Schnitt ent lang der Linie V-V in Fig. 5 ist, und

Fig. 5 in kleinerem Maßstab eine perspektivische Darstellung der Magnet feldabschirmung nach Fig. 4.

Die in Fig. 1 veranschaulichte, mit einem supraleitenden Film versehene Magnetfeldab schirmung weist ein metallisches Substrat 1 aus Kupfer, Aluminium, Nickel oder rostfreiem Stahl, eine Schicht 3 aus einer Niob-Titan-Legierung sowie einen supraleitenden Film 2 auf, der hauptsächlich aus einem mischkristallinen Körper aus Niobnitrid und Titannitrid (NbN bzw. TiN) besteht, wobei die Schichten 3 und 2 in dieser Reihenfolge auf das metallische Substrat 1 aufgebracht sind.

Im Falle der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 2 weist die Magnetfeldabschir mung das metallische Substrat 1, die Nb-Ti-Legierungsschicht 3, die supraleitende Filmschicht 2 und eine weitere Schicht 3 aus einer Niob-Titan-Legierung auf, wobei die Schichten 3, 2, 3 in dieser Reihenfolge auf das metallische Substrat 1 aufgebracht sind.

Im Falle der in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsform der Magnetfeldabschirmung sind das metallische Substrat 1 und mehrere sandwichartige Schichtfolgen vorgesehen, von de nen jede im wesentlichen aus der Nb-Ti-Legierungsschicht 3, der supraleitenden Filmschicht 2 und einer Metallfilmschicht 4 besteht, die in dieser Reihenfolge aufeinander folgen, wobei die Metallschicht 4 in der obersten Schichtfolge weggelassen ist.

Bei der weiter abgewandelten Magnetfeldabschirmung gemäß Fig. 4 sind das metallische Substrat 1 und eine Mehrzahl von sandwichartigen Schichtfolgen vorgesehen, von denen jede im wesentlichen aus der Nb-Ti-Legierungsschicht 3, der supraleitenden Filmschicht 2, einer weiteren Nb-Ti-Legierungsschicht 3 und der Metallfilmschicht 4 besteht, die in dieser Reihenfolge aufeinanderfolgen.

Bei jeder der vorstehend genannten Ausführungsformen ist zweckmäßig eine Mehrzahl von durchgehenden Löchern 5 vorgesehen, die durch sämtliche Lagen der Abschirmung hin durchreichen.

Die supraleitende Filmschicht 2 wird mittels eines reaktiven Sputterverfahrens in einer Atmosphäre aus Argon- und Stickstoffgasen ausgebildet, wobei die Nb-Ti-Legierung als Target verwendet wird. Der gebildete Film besteht in erster Linie aus einem mischkristalli nen Körper, der bei Anwendung des vorstehend genannten Verfahrens 70 Gew.-% oder mehr ausmacht und der durch die folgende Zusammensetzungsformel dargestellt wird:

NbN_(x) · TiN_(1-x) (0,1 × 1)

Der Film enthält eine kleinere Menge an Nb, Ti, NbTi und anderer Bestandteile, die bei Verwendung des vorstehend genannten Verfahrens insgesamt 30 Gew.-% oder weniger ausmachen. Der Wert von x kann nach Wunsch eingestellt werden, indem das Zusammen setzungsverhältnis der Nb-Ti-Legierung geändert wird. Die Nb-Ti-Legierungsschicht 3 und die Metallfilmschicht 4 können gleichfalls im Sputterverfahren ausgebildet werden. Wenn die supraleitende Filmschicht 2 im reaktiven Sputterverfahren hergestellt wird, ist die Schichtausbildung unabhängig davon möglich, ob das Substrat 1 erhitzt wird oder nicht. Der erzielte Magnetfeld-Abschirmeffekt ist jedoch, wie unten näher erläutert ist, bei nichter hitztem Substrat 1 um 10 bis 20% höher als bei erhitztem Substrat. Die Dicke der supralei tenden Filmschicht 2 sollte 10 µm oder weniger betragen; sie liegt vorzugsweise bei einigen Mikrometern. Wenn die Dicke 10 µm übersteigt, wird die Abschirmwirkung instabil und geringer.

Obwohl die Nb-Ti-Legierungsschicht 3 selbst supraleitende Eigenschaften hat, besteht ihre Aufgabe auch darin, die supraleitende Filmschicht 2 mit dem metallischen Substrat 1 fest zu verbinden. Die Dicke der Filmschicht 3 sollte 100 µm oder weniger betragen. Bei einer Dicke von mehr als 100 µm wird die Abschirmwirkung instabil und geringer. Das metalli sche Substrat 1 sorgt für eine Kühlung der supraleitenden Schichten und besteht aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer, Aluminium, Nickel, rostfreiem Stahl oder Titan.

Die Metallfilmschicht 4 wird zwischen die supraleitenden Schichten eingefügt, um diese Schichten zu kühlen. Die Schicht 4 ist gleichfalls aus einem Metall mit hoher Wärmeleit fähigkeit gefertigt.

Die Querschnittsfläche der Löcher 5 sollte 3 cm² oder weniger betragen, und der Oberflächenanteil der Gesamtfläche der Abschirmung an Löchern sollte bei 90% oder weniger liegen. Wenn die Lochquerschnittsfläche über 3 cm² liegt und der Oberflächenanteil der Löcher 90% überschreitet, ist die Festigkeit der laminierten Schichten in einem starken Magnetfeld unzureichend; außerdem wird die Fläche der supra leitenden Filmschicht 2 unerwünscht klein. Dadurch wird der zur Abschirmung eines star ken Magnetfeldes notwendige Abschirmstrom verringert, der fließt, um das magnetische Feld zu erzeugen, das benutzt wird, um das umgebende Magnetfeld auszulöschen. Wenn die Öffnungsfläche der Löcher 3 cm² übersteigt, kommt es außerdem zu einer Inklination des abzuschirmenden Magnetfeldes in jedem Loch. Dadurch wird eine vollständige Abschirmung an jedem der Löcher unmöglich. Wenn andererseits die Querschnittsfläche der Löcher zu gering ist, kann es während des Sputterverfahrens zu einem Verstopfen kommen.

Die Funktionen der vorliegenden, mit einem supraleitenden Film ausgestatteten Magnetfeldabschirmung sind nachstehend im einzelnen geschildert. Die in Fig. 1 veran schaulichte erste Ausführungsform der Magnetfeldabschirmung hat den einfachsten Aufbau. Wenn diese Abschirmung in ein starkes Magnetfeld eingebracht wird, ergibt sie ei ne hervorragende Magnetfeld-Abschirmwirkung, selbst wenn die Dicke der supraleitenden Filmschicht 2 nur einige Mikrometer beträgt. Dies ist auf den dem Mischkristallkörper aus Niobnitrid und Titannitrid eigenen Magnetfeld-Abschirmeffekt zurückzuführen. Dieser Effekt wird durch die Kühlwirkung des Substrats 1 stabilisiert. Die ausgezeichnete Magnetfeld-Abschirmwirkung kann auf diese Weise aufrechterhalten werden. Dabei sorgt die sandwichartig zwischen dem Substrat 1 und der supraleitenden Filmschicht 2 angeord nete Schicht 3 aus einer Niob-Titan-Legierung für eine besonders sichere Verbindung der supraleitenden Filmschicht 2 mit dem Substrat 1.

Die in Fig. 2 veranschaulichte Magnetfeldabschirmung wird dadurch erhalten, daß eine Nb- Ti-Legierungsschicht 3 auf die Oberfläche der supraleitenden Filmschicht 2 der Ausführungsform gemäß Fig. 1 auflaminiert wird. Bei diesem Aufbau kommt die Magnetfeld-Abschirmwirkung der an der Oberseite auflaminierten Nb-Ti-Legierungs schicht 3 zusätzlich zum Tragen, wodurch der resultierende Magnetfeld-Abschirmeffekt weiter gesteigert wird.

Die in Fig. 3 veranschaulichte Ausführungsform der Magnetfeldabschirmung weist ein me tallisches Substrat 1 aus Kupfer, Aluminium, Nickel, rostfreiem Stahl, Titan oder Niob so wie eine Mehrzahl von laminierten sandwichartigen Schichtfolgen auf, von denen jede aus einer Schicht 3 aus einer Niob-Titan-Legierung, einer hauptsächlich von einem mischkris tallinen Körper aus Niobnitrid und Titannitrid gebildeten supraleitenden Filmschicht 2 und einer Metallschicht 4 besteht, die in dieser Reihe aufeinanderfolgen. Dabei ist in der ober sten Schichtfolge die Metallschicht 4 weggelassen. Mit Ausnahme der obersten Schichtfolge befindet sich die supraleitende Filmschicht 2 jeweils zwischen der metallischen Dünnfilmschicht 4 und der Niob-Titan-Legierungsschicht 3. Bei diesem Aufbau lassen sich sämtliche supraleitenden Schichten kühlen und stabilisieren, selbst wenn mehrere sand wichartige Schichtfolgen vorgesehen sind. Es wird in sämtlichen Bereichen der supraleiten den Filmschicht 2 für eine erhebliche Kühlwirkung gesorgt. Der Temperaturanstieg auf grund des Magnetflusses wird dadurch verringert, und Stromverzweigungen treten in Bereichen auf, wo der supraleitende Zustand in den Zustand normaler Leitfähigkeit umge wandelt wird; dies hat eine Verringerung der Wärmeerzeugung und die Wiederherstellung des supraleitenden Zustands zur Folge.

Allgemein gilt, daß dann, wenn mehrere supraleitende Schichten einem starken Magnetfeld ausgesetzt werden, die erste Schicht unter dem Einfluß der höchsten magnetischen Feldstärke steht. Die zweite und die nachfolgenden Schichten werden schwächeren Magnetfeldern ausgesetzt. An der letzten Schicht wird die magnetische Feldstärke zu nahe zu Null. Die Abschirmwirkung ist nur möglich, wenn sämtliche Schichten stabil arbeiten. Wenn es beispielsweise zu einem Flußsprung an der ersten Schicht kommt, tritt eine ab rupte Magnetfeldänderung an der zweiten Schicht auf. Infolgedessen kommt es zu einem Flußsprung auch an der zweiten Schicht, so daß die gewünschte Magnetfeld- Abschirmwirkung nicht erzielt werden kann. Weil bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 die supraleitenden Schichten 2 durch die Metallfilmschicht 4 gekühlt werden, zeigen die supraleitenden Schichten ein stabiles Betriebsverhalten; die magnetische Abschirmwirkung wird auf einem hohen Wert gehalten. Des weiteren sind sämtliche Schichten fest miteinan der verbunden, weil die zwischen der supraleitenden Filmschicht 2 und der Metallfilmschicht 4 befindliche Nb-Ti-Legierungsschicht 3 eine gute Affinität zu der supra leitenden Filmschicht 2 und zu der Metallfilmschicht 4 hat. Die Metallfilmschicht 4 an der Oberseite soll nicht in jedem Fall weggelassen werden. Insbesondere wenn ein höherer Wärmestrahlungseffekt notwendig ist, sollte entsprechend der Darstellung in Fig. 4 besser eine Metallfilmschicht 4 an der Oberseite der Magnetfeldabschirmung vorgesehen sein.

Die Magnetfeldabschirmung gemäß Fig. 4 weist ein metallisches Substrat 1 aus Kupfer, Aluminium, Nickel, rostfreiem Stahl, Titan oder Niob sowie eine Mehrzahl von laminierten sandwichartigen Schichtfolgen auf, von denen jede aus einer Niob-Titan-Legierungsschicht 3, einer hauptsächlich von einem mischkristallinen Körper aus Niobnitrid und Titannitrid gebildeten supraleitenden Filmschicht 2, einer weiteren Niob-Titan-Legierungsschicht 3 und einer Metallfilmschicht 4 besteht, die in dieser Reihenfolge aufeinanderfolgen. In der obersten Schichtfolge wird die Metallschicht häufig weggelassen werden. Zwischen den Metallfilmschichten 4 und den supraleitenden Filmschichten 2 befindet sich also bei dieser Ausführungsform eine Schicht 3 aus einer Niob-Titan-Legierung. Bei diesem Aufbau wer den sämtliche supraleitenden Schichten durch die Metallfilmschicht 4 gekühlt und stabili siert, selbst wenn mehrere laminierte sandwichartige Schichtfolgen vorhanden sind. Weil ferner auf die Oberseite und die Unterseite der Metallfilmschichten 4 Niob-Titan- Legierungsschichten 3 auflaminiert sind, werden sämtliche Schichten besonders fest mitein ander verbunden. Die Metallfilmschicht 4 der obersten Schichtfolge wird, wie ausgeführt, für gewöhnlich weggelassen werden. Kommt es jedoch auf eine höhere Wärmeabstrahlung an, kann diese Metallfilmschicht 4 auch entsprechend Fig. 4 vorgesehen werden.

Erfindungsgemäße Beispiele sind nachstehend näher erläutert.

(I) Zur Ausbildung von Magnetfeldabschirmungen wurden Schichten auf ein 40 µm dickes Titansubstrat ohne durchgehende Löcher auflaminiert. Diese Magnetfeldabschirmungen wurden in ein starkes Magnetfeld eingebracht, und die maximalen Magnetfeld- Abschirmungswerte wurden gemessen. Die Meßergebnisse sind in den nachstehenden Tabellen aufgelistet. Die supraleitenden Filmschichten wurden im reaktiven Sputterverfahren in einer Atmosphäre aus Argon- und Stickstoffgasen unter Verwendung der Nb-Ti-Legierung als Target in der vorstehend erläuterten Weise ausgebildet. Der NbN- TiN-Mischkristallkörper macht 80 bis 90 Gew.% des ausgebildeten Filmes aus. In den nachstehenden Tabellen stellen *1 die Dicke der supraleitenden Filmschicht und *2 die Dicke der Nb-Ti-Legierungsschicht, jeweils gemessen in µm, dar.

(1) Schichtfolgen gemäß Fig. 1

Bei einer ersten Gruppe von Abschirmungen wurde das Substrat während der Durchführung des Sputterverfahrens nicht erhitzt. Bei einer zweiten Gruppe von Abschirmungen wurde das metallische Substrat während des Sputterverfahrens auf etwa 300°C erhitzt.

(1-i) Das metallische Substrat wurde nicht erhitzt:

Tabelle 1

Die angegebene Anzahl von Schichten stellt die Anzahl der vorgesehenen Verbundfilme dar. Bei dieser Ausführungsform ist ein Verbundfilm (nachstehend als Verbundfilm a be zeichnet) eine Kombination aus einer supraleitenden Filmschicht und einer Schicht aus ei ner Nb-Ti-Legierung.

(1-ii) Das metallische Substrat wurde erhitzt:

Tabelle 2

Die Bedeutung der Anzahl an Schichten ist die gleiche, wie vorstehend angegeben. Die Beispiele 13, 14 und 15 dieser Tabelle entsprechen den Beispielen 1, 4 und 5 der Tabelle 1. Die Magnetfeld-Abschirmwirkung der Abschirmung bei nichterhitztem metallischem Substrat ist um 10 bis 20% höher als bei einer Abschirmung mit erhitztem Substrat. Dies läßt sich wie folgt erklären. Wenn das metallische Substrat erhitzt wird, wird die supralei tende Filmschicht einer Beanspruchung ausgesetzt, und es kommt zu einer Diffusion zwi schen den Schichten, wodurch die Abschirmeigenschaften leicht herabgesetzt werden.

(2) Schichtfolge gemäß Fig. 2

Wiederum erfolgte bei einer ersten Gruppe keine Aufheizung während der Durchführung des Sputterverfahrens. Bei einer zweiten Gruppe von Abschirmungen wurde dagegen das metallische Substrat während des Sputterns auf etwa 300°C erhitzt.

2-i) Das metallische Substrat wurde nicht erhitzt:

Tabelle 3

Die angegebene Anzahl der Schichten stellt die Anzahl der Verbundfilmschichten dar. In diesem Fall ist eine Verbundfilmschicht (nachstehend als Verbundfilm b bezeichnet) eine Kombination aus einer Nb-Ti-Legierungsschicht, einer supraleitenden Filmschicht und ei ner weiteren Nb-Ti-Legierungsschicht.

(2-ii) Das metallische Substrat wurde erhitzt:

Tabelle 4

Die Bedeutung der Anzahl der Schichten ist die gleiche wie vorstehend angegeben. Die Beispiele 26, 27 und 28 dieser Tabelle entsprechen den Beispielen 16, 17 und 20 der Tabelle 3. Die Magnetfeld-Abschirmeffekte für Abschirmungen mit nichterhitztem metalli schem Substrat liegen um 10 bis 20% höher als bei Abschirmungen mit erhitztem metalli schem Substrat.

(3) Schichtfolge gemäß Fig. 3

Tabelle 5

Die Anzahl der Schichten stellt die Anzahl der Verbundfilme a dar. Zwischen zwei Verbundfilmschichten wird eine Aluminiumfilmschicht zwischengefügt. Die Beispiele 29 und 30 dieser Tabelle entsprechen dem Beispiel 1 der Tabelle 1. In ähnlicher Weise ent sprechen das Beispiel 31 dem Beispiel 2 und das Beispiel 32 dem Beispiel 4. Der erzielte Magnetfeld-Abschirmungswert nimmt entsprechend der Anzahl der Schichten zu.

(4) Schichtfolge gemäß Fig. 4 (ohne die oberste Metallfilmschicht 4)

Tabelle 6

Die Anzahl der Schichten stellt die Anzahl der Verbundfilme b dar. Zwischen zwei Verbundfilmschichten ist eine Aluminiumfilmschicht zwischengefügt. Das Beispiel 33 die ser Tabelle entspricht dem Beispiel 16 der Tabelle 3. In ähnlicher Weise entsprechen das Beispiel 34 dem Beispiel 17 und das Beispiel 35 dem Beispiel 19. Auch hier ist zu erkennen, daß der Magnetfeld-Abschirmungswert proportional der Anzahl der Schichten ansteigt.

(II) Beispiele von Ausführungsformen mit durchgehenden Löchern:

Bei den oben unter (I) angegebenen Magnetfeldabschirmungen wurde eine Mehrzahl von durchgehenden Löchern vorgesehen, und die maximalen Magnetfeld-Abschirmungswerte der Abschirmungen wurden gemessen. Die durchgehenden Löcher hatten einen Durchmesser von 2 mm und der Oberflächenanteil an durchgehenden Löchern betrug 20 %. Die Schichten wurden auf das Substrat auflaminiert.

(1) Beispiele für die Schichtfolge gemäß Fig. 1 mit durchgehenden Löchern

Tabelle 7

Die Anzahl der Schichten entspricht der Definition für die Tabelle 1.

(2) Beispiele für die Schichtfolge gemäß Fig. 2 mit durchgehenden Löchern

Tabelle 8

Die Anzahl der Schichten entspricht der Definition für die Tabelle 3.

(3) Beispiele für die Schichtfolge gemäß Fig. 3 mit durchgehenden Löchern

Tabelle 9

Die Anzahl der Schichten entspricht der Definition für die Tabelle 5.

(4) Beispiele für die Schichtfolge gemäß Fig. 4 mit durchgehenden Löchern

Tabelle 10

Die Anzahl der Schichten entspricht der im Zusammenhang mit der Tabelle 6 gegebenen Definition.

Aus den Tabellen 7 bis 10 ist zu erkennen, daß bei den Beispielen mit durchgehenden Löchern die erzielten Magnetfeld-Abschirmeffekte wesentlich höher als bei den Beispielen ohne solche Löcher liegen. Dies ist auf den elektromagnetischen Abschirmeffekt der durchgehenden Löcher zurückzuführen. Entsprechend den Tabellen 7 und 8 sind die Magnetfeld-Abschirmwirkungen der magnetischen Abschirmungen mit durchgehenden Löchern etwas höher als die der magnetischen Abschirmungen ohne durchgehende Löcher, wenn die supraleitenden Filmschichten relativ dick sind (5 µm oder mehr). Entsprechend den Tabellen 9 und 10 sind die Magnetfeld-Abschirmeffekte der magnetischen Abschirmungen mit durchgehenden Löchern genau proportional der Anzahl der Schichten. Dies läßt sich wie folgt erklären. Anders als bei einem magnetischen Abschirmungsblech ohne durchgehende Löcher kann bei einer mit durchgehenden Löchern versehenen Magnetfeldabschirmung Kühlmittel in den Innenraum der durchgehenden Löcher gelan gen, so daß der gesamte Bereich wirkungsvoll gekühlt werden kann. Magnetische Flüsse lassen sich im Bereich der durchgehenden Löcher einfangen, wodurch eine Wärmeerzeugung aufgrund von Magnetflüssen verhindert wird. Infolgedessen wird ein ex trem stabiler Effekt selbst in einem Magnetfeld hoher Stärke erzielt.

Obwohl die Nb-Ti-Legierungsschicht selbst die Eigenschaften eines Supraleiters hat, sorgt sie vorliegend für eine feste Verbindung des Substrats mit den supraleitenden Filmschichten. Infolgedessen ist die Dicke der Nb-Ti-Legierungsschicht nicht begrenzt. Wenn die Nb-Ti-Legierungsschicht jedoch den in den Tabellen 7 und 8 vorkommenden Wert von 100 µm übersteigt, können die Magnetfeld-Abschirmeffekte der Verbundfilme a und b kleiner werden. Dies ist auf eine Verminderung des oben erläuterten Stabilisierungseffekts zurückzuführen.

Während Titan für das Substrat und die Metallfilmschichten der oben erläuterten Beispiele vorgesehen ist, können andere Metalle oder Legierungen zu ähnlichen Ergebnissen führen. Dies wurde durch entsprechende Experimente bestätigt.

Die Magnetfeldabschirmung mit einem supraleitenden Film gemäß der ersten Ausführungsform (Fig. 1) kann ein extrem starkes Magnetfeld aufgrund des Magnetfeld- Abschirmeffekts, der der aus NbN-TiN zusammengesetzten supraleitenden Filmschicht ei gen ist, selbst dann wirkungsvoll abschirmen, wenn die Filmdicke nur einige Mikrometer beträgt. Weil die supraleitende Filmschicht über die Nb-Ti-Legierungsschicht mit dem Metallsubstrat einstückig verbunden ist, läßt sich der Abschirmeffekt durch die Kühlwirkung des Substrats stabilisieren. Infolgedessen kann ein hervorragender Magnetfeld-Abschirmeffekt aufrechterhalten werden. Die zwischen dem Substrat und der supraleitenden Filmschicht der Magnetfeldabschirmung befindliche Nb-Ti- Legierungsschicht hat eine gute Affinität sowohl zu dem Substrat als auch zu der supralei tenden Filmschicht und verleiht dadurch dem Laminat eine hohe Widerstandsfestigkeit ge gen Abblättern. Die Supraleiter-Eigenschaften der Nb-Ti-Legierungsschicht tragen außer dem dazu bei, die Magnetfeld-Abschirmwirkung zu erhöhen. Bei der Magnetfeldabschirmung gemäß der zweiten Ausführungsform (Fig. 2) kommt es wegen der Supraleiteigenschaften der zusätzlichen Nb-Ti-Legierungsschicht zu einem weiteren Anstieg des Magnetfeld-Abschirmeffekts.

Bei der Magnetfeldabschirmung gemäß der dritten Ausführungsform (Fig. 3) wird eine Kombination aus einer Nb-Ti-Legierungsschicht und einer supraleitenden Filmschicht, wie sie bei der ersten Ausführungsform vorgesehen ist, wiederholt auflaminiert, wobei jeweils eine Metallfilmschicht zwischen zwei dieser Verbundfilme eingefügt wird. Der Magnetfeld- Abschirmeffekt dieser Abschirmungsart ist näherungsweise proportional der Anzahl der supraleitenden Filmschichten. Die zwischengefügten Metallfilmschichten bewirken einen Kühleffekt zum Stabilisieren der Abschirmwirkung. Vergleicht man eine einzige supralei tende Schicht mit einem Laminat aus einer Mehrzahl von supraleitenden Filmschichten der gleichen Dicke, ist der Magnetfeld-Abschirmeffekt des Laminats wesentlich höher und stabiler als der der einzelnen supraleitenden Schicht. Der Ausführungsform gemäß Fig. 3 kommt daher eine hohe praktische Bedeutung zu. Die Nb-Ti-Legierungsschichten sorgen für eine feste gegenseitige Verbindung sämtlicher Lagen. Es wird eine Mehrlagenstruktur erhalten, die einen hohen Widerstand gegen Ablösen hat.

Bei der Magnetfeldabschirmung gemäß der vierten Ausführungsform (Fig. 4) wird eine Kombination aus der Nb-Ti-Legierungsschicht, der supraleitenden Filmschicht und der weiteren Nb-Ti-Legierungsschicht der zweiten Ausführungsform wiederholt auflaminiert, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Verbundschichten eine Metallfilmschicht eingefügt wird. Die supraleitenden Eigenschaften der Nb-Ti-Legierungsschicht kommen dabei im Vergleich zu der dritten Ausführungsform hinzu, so daß die Magnetfeld-Abschirmwirkung weiter gesteigert wird.

Die durchgehenden Löcher, die vorzugsweise in Dickenrichtung durch die Abschirmungen hindurchreichen, führen aufgrund des elektromagnetischen Abschirmeffekts und der Kühlwirkung dieser Löcher zu einer Steigerung und Stabilisierung der Magnetfeldabschirmwirkung.

Mit den erläuterten Magnetfeldabschirmungen lassen sich daher hervorragende und stabile Magnetfeld-Abschirmeffekte erzielen. Die beschriebenen Magnetfeldabschirmungen kön nen mit relativ geringem Gewicht und kostensparend ausgebildet werden.

Claims

1. Magnetfeldabschirmung mit

- einem metallischen Substrat (1) aus Kupfer, Aluminium, Nickel, rostfreiem Stahl, Titan oder Niob,
- einer supraleitenden Filmschicht (2), die zu mindestens 70 Gew.% aus einem mischkristallinen Körper aus Niobnitrid und Titannitrid besteht, und
- einer zusätzlichen Schicht (3) aus einer Niob-Titan-Legierung, die zwischen der supraleitenden Filmschicht (2) und dem metallischen Substrat (1) auf letzteres aufgebracht ist und auf welche die supraleitende Filmschicht aufgebracht ist.

2. Magnetfeldabschirmung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weitere Schicht (3) aus einer Niob-Titan-Legierung, die auf die supraleitende Filmschicht (2) aufge bracht ist.

3. Magnetfeldabschirmung mit

- einem metallischen Substrat (1) aus Kupfer, Aluminium, Nickel, rostfreiem Stahl, Titan oder Niob und
- einer Mehrzahl von aufgebrachten sandwichartigen Schichtfolgen, von denen jede aus einer Schicht (3) aus einer Niob-Titan-Legierung, einer zu mindestens 70 Gew.% von einem Mischkristallkörper aus Niobnitrid und Titannitrid gebildeten supraleitenden Filmschicht (2) und einer Metallschicht (4) besteht, die in dieser Reihenfolge aufeinanderfolgen, wobei in der obersten Schichtfolge die Metallschicht (4) weggelassen ist.

4. Magnetfeldabschirmung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schichtfolgen zusätzlich eine zwischen der supraleitenden Filmschicht (2) und der Metallschicht (4) liegende bzw. im Falle der obersten Schichtfolge auf der betreffenden supraleitenden Filmschicht (2) angeordnete Schicht (3) aus einer Niob-Titan- Legierung aufweist.

5. Magnetfeldabschirmung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der ober sten Schichtfolge die Metallschicht (4) vorhanden ist.

6. Magnetfeldabschirmung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schichtfolgen zusätzlich eine zwischen der supraleitenden Filmschicht (2) und der Metallschicht (4) liegende Schicht (3) aus einer Niob-Titan-Legierung aufweist.

7. Magnetfeldabschirmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von durchgehenden Löchern (5), die in Dickenrichtung durch die Abschirmung hindurchreichen.

8. Magnetfeldabschirmung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche jedes der durchgehenden Löcher (5) 3 cm² oder weniger beträgt und der Oberflächenanteil der Gesamtfläche der Abschirmung an den Löchern 90% oder weniger beträgt.