LEITER MIT HOHEM STROM UND HOCHFELDMAGNETE MIT ANISOTROPISCHEN
SUPRALEITERN
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Die vorliegende Erfindung betrifft Leiter Und Magnete zur
Erzeugung großer Magnetfelder, und speziell Magnete, die
anisotrope Supraleiter Verwenden, deren Feldanisotropien für
bessere Konstruktionen genutzt werden.
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Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Typen von
Supraleitern bekannt, sowohl aus elementaren Metallen als auch aus
Verbindungen verschiedener Art, z. B. Oxide. Der vor kürzerer
Zeit erfolgte technische Durchbruch, von dem Bednorz und
Müller in Z. Phys. B, 64, 198 (1986) berichten, war die erste
größere Verbesserung in einem supraleitenden Material in den
letzten zehn Jahren. Die Materialien von Bednorz und Müller
wiesen eine kritische Übergangstemperatur Tc auf, die
wesentlich höher war als die kritischen Übergangstemperaturen der
zuvor bekannten Materialien. Bednorz und Müller beschreiben
Kupferoxid-Materialien mit einem Seltenerdelement oder einem
seltenerdähnlichen Element, wobei das Seltenerdelement durch
ein Erdalkalimetall wie Ca, Ba oder Sr ersetzt werden kann.
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Die Arbeit von Bednorz und Müller hat in vielen Labors zu
intensiver Forschungstätigkeit geführt, um Materialien mit noch
höherer Tc zu entwickeln. Diese oxidischen Supraleiter mit
hoher Tc bestehen größtenteils aus Verbindungen von LA, Sr, Cu
und O oder Verbindungen aus Y, Ba, Cu und O. Ein Höhepunkt
dieser Forschungsarbeit war die Erzielung der
Supraleitfähigkeit bei Temperaturen über 95 K, wie von M.K. Wu et al. und
C.W, Chu et al. in Phys. Rev. Lett. 58, 908 (1987) berichtet
wurde. Später wurde Y&sub1;Ba&sub2;CU&sub3;O7-x als supraleitende Phase dieser
Y-Ba-Cu-O-Verbindung mit gemischten Phasen isoliert, wie P.M.
Grant et al., Phys. Rev. B, und R. J. Cava et al., Phys. Rev.
Lett. 58, 1676 (1987) berichten. Diese Materialien weisen eine
geschichtete Perowskitstruktur mit zweidimensionalen CuO-
Schichten auf, die als notwendig für die Erreichung hoher
Übergangstemperaturen erachtet werden. Hidaka et al., Japanese
J. Appl. Phys. 26, L377 (1987) berichteten über Anisotropien
der oberen kritischen Feldstärke von 5 in Einzelkristallen aus
La2-xBaxCuO&sub4;.
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Diese supraleitenden Materialien werden im allgemeinen als
Hochtemperatursupraleiter bezeichnet und weisen
Übergangstemperaturen über 26 K auf. Diese Klasse von Supraleitern enthält
Cu-O-Ebenen, die durch Seltenerd- oder seltenerdähnliche
Elemente und Erdalkalielemente voneinander getrennt sind. Die
Kristallstruktur dieser Materialien ist inzwischen gut
charakterisiert, wie den zitierten Veröffentlichungen zu entnehmen
ist.
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Hochtemperatursupraleiter verschiedener Art wurden mit
verschiedenen Verfahren hergestellt, so zum Beispiel durch
Standardverfahren zur Herstellung von Massenkeramiken aus Oxid,
Karbonat, Nitrat, Pulvern usw., Abscheidung von Dünnfilmen aus
der Gasphase oder Plasmasprayverfahren.
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Auf dem Gebiet der supraleitenden Materialien wurden also
wesentliche technische Fortschritte erzielt, um Materialien
herzustellen, deren kritische Übergangstemperaturen über der
Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K) liegt. Anwendungen
dieser Materialien, die offensichtlich wünschenswert wären,
waren aber noch nicht möglich.
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Supraleitende Magnete sind nach dem Stand der Technik bekannt
und werden üblicherweise eingesetzt, wenn große Magnetfelder
erzeugt werden müssen. In der Tat wurde reichlich über die
Verwendung von Hochtemperatursupraleitern für Hochfeldmagnete
in verschiedenen Anwendungen wie Kernfusion,
Abbildungsverfahren auf der Basis der kernmagnetischen Resonanz (NMR) und
Antriebssysteme für Fortbewegungsmittel spekuliert. Im
allgemeinen muß der Supraleiter zwei Kriterien erfüllen, um einen
brauchbaren Magneten herzustellen: (1) er muß eine hohe obere
kritische Feldstärke Hc2 besitzen, damit der Supraleiter seine
widerstandsfreie Leitfähigkeit nicht aufgrund des Feldes
verliert, das sich in den Wicklungen durch den in anderen
Wicklungen fließenden Strom aufbaut, und (2) er muß einen hohen
kritischen Strom aufweisen, so daß das erzeugte Magnetfeld
stark ist. Bei herkömmlichen supraleitenden Materialien (d. h.
bei Materialien, die keine hohe Tc haben), ist die obere
kritische Feldstärke von der Zusammensetzung abhängig. Der starke
Strom in Anwesenheit starker Magnetfelder ist jedoch sehr
stark von den genauen Verfahren zur Herstellung des Materials
abhängig. Außerdem haben die anfänglichen Studien über die
neuen Hochtemperaturmaterialien gezeigt, daß diese Materialien
eine sehr hohe kritische Feldstärke, aber einen sehr geringen
kritischen Strom besitzen. Die Verwendung dieser Materialien
in Magneten wäre also wünschenswert; es sah aber nicht so aus,
als könnte aus ihnen ein guter supraleitender Magnet
hergestellt werden. Außerdem war nicht klar, wie sie zur
Herstellung eines solchen Magneten verwendet werden könnten.
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In "Extended Abstracts for the Materials Research Society
Symposium an High-temperature superconductors", Anaheim,
California, 23.-24. April 1987, S. 169-171, wird die Abscheidung
eines Hochtemperatursupraleiters aus (La-Sr)&sub2;CuO&sub4; und Y&sub1;Ba&sub2;CU&sub3;O&sub7;
mittels eines Elektronenstrahls beschrieben. Das Vorhandensein
von "Schwänzen" bei den Widerstandsübergängen wird so
interpretiert, daß sie durch zweite Phasen in den Korngrenzen und
Interdiffusion an den Korngrenzen induziert werden.
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Im Japanese Journal of Applied Physics/Part 2, Letters, Bd.
26, Nr. 4, April 1987, S. L521-523, Tokio, Japan, wird
beschrieben, daß in supraleitenden polykristallinen Filmen
schwache Josephson-Übergänge vorhanden sind. Anisotropien im
elektrischen und magnetischen Verhalten werden in der
Schichtstruktur und der Wiederholung von Steinsalzkörnern vermutet.
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In der Patentschrift EP-A-0 282 286, die unter Artikel 54(3)
EPC fällt, wird ein supraleitender Draht und ein Verfahren zu
dessen Herstellung beschrieben. Ein Ausgangsmaterial, das
durch eine Wärmebehandlung in einen kontinuierlichen Körper
aus einem oxidischen Supraleiter umgewandelt wird, wird in
eine röhrenförmige Form gefüllt. Der Durchmesser der Form wird
so weit reduziert, daß ein Draht entsteht, der einer
Wärmebehandlung unterzogen wird, um das Ausgangsmaterial in einen
kontinuierlichen Körper aus einem oxidischen Supraleiter
umzuwandeln. Mit diesem Draht kann eine supraleitende Spule
hergestellt werden.
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In der Veröffentlichung Extended Abstracts, "High temperature
superconductors", Proceedings of Symposium S 1987 Spring
Meeting of the Materials Research Society, 23.-24. April 1987,
Anaheim, Kalifornien, Materials Research Society, Pittsburgh,
USA, S. 219-221, wird die Verwendung von Supraleitern mit
einem Metallüberzug für einen supraleitenden Magneten
vorgeschlagen.
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In FR-A-2 469 005 wird ein Josephson-Übergang in oxidischen
Supraleitern und ein Verfahren zu dessen Herstellung
beschrieben.
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Im Japanese Journal of Applied Physics/Part 2, Letters, Bd.
26, Nr. 4, April 1987, S. L508-509, Tokio, Japan, wird das
Aufsputtern supraleitender Dünnfilme beschrieben. Die Tc wird
auf konventionelle Weise mit vier Sonden gemessen.
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Diese Materialien mit hoher Tc zeigen eine ausgeprägte
Anisotropie des kritischen Feldes sowie eine hohe kritische
Stromdichte in bevorzugten Richtungen. Die Natur dieser Anisotropie
besteht darin, daß diese Materialien nur in bestimmten
Kristallsymmetrieebenen starke Ströme zulassen. Durch einen
geeigneten Aufbau der Magnetwicklungen kann der Strom dazu
veranlaßt werden, in den Richtungen mit hohem kritischem Strom zu
fließen, das von den Wicklungen erzeugte Feld liegt aber in
Richtung eines hohen kritischen Feldes. Dieser Aufbau erfüllt
die beiden oben genannten Kriterien.
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Eine primäres Ziel der vorliegenden Erfindung, so wie sie in
den Ansprüchen definiert ist, ist ein besserer Aufbau eines
supraleitenden Magneten.
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Ein Ziel der Erfindung ist die Verbesserung des Aufbaus eines
Supraleiters und eines supraleitenden Magneten, für dessen
Wicklungen Hochtemperatursupraleiter verwendet werden.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung, so wie sie in den Ansprüchen
definiert ist, ist ein besserer supraleitender Magnet, in dem
Supraleiter verwendet werden, die erhebliche Anisotropien des
kritischen Feldes aufweisen, wobei der Magnet so aufgebaut
ist, daß in den Magnetwicklungen Felder in Richtung der
starken kritischen Felder aufgebaut werden.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, so wie sie in
den Ansprüchen definiert ist, sind bessere supraleitende
Ringspulen und Solenoidmagnete, deren Wicklungen aus
Hochtemperatursupraleitern bestehen.
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Die Erfindung, so wie sie in den Ansprüchen definiert ist, hat
ferner das Ziel, einen besseren supraleitenden Magneten zu
liefern, dessen Wicklungen aus Hochtemperatursupraleitern
bestehen und in bezug auf die Kristallsymmetrieebenen in diesen
Supraleitermaterialien so angeordnet sind, daß in den
Wicklungen ein starkes kritisches Feld und eine hohe kritische
Stromdichte erzeugt werden.
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In der nachstehenden Beschreibung werden supraleitende Magnete
beschrieben, in denen die Wicklungen aus supraleitenden
Materialien mit einer Anisotropie des kritischen Feldes bestehen,
d. h. aus Materialien, in denen das kritische Feld Hc2 in einer
Richtung stärker ist als in einer anderen. Eine starke
Anisotropie des Magnetfeldes wurde in Hochtemperatursupraleitern
festgestellt, und es wurde auch festgestellt, daß diese
Materialien starke kritische Ströme leiten können. In der Praxis
der vorliegenden Erfindung werden diese Faktoren für einen
Aufbau verwendet, in dem der Strom in den Richtungen des hohen
kritischen Stroms fließt und Magnetfelder in der Richtung des
hohen kritischen Feldes erzeugt werden. Die Magnetwicklungen
sind so angeordnet, daß die Stromrichtung durch die Wicklungen
im wesentlichen parallel zu der Richtung mit dem höchsten
kritischen Magnetfeld verläuft. Speziell die stromführenden
Ebenen in diesen Hochtemperatursupraleitern sind parallel zu der
Richtung angeordnet, in der das kritische Magnetfeld Hc2 am
stärksten ist, so daß das von Supraströmen in den Wicklungen
erzeugte Magnetfeld H im wesentlichen parallel zu der Richtung
des maximalen Hc2 ausgerichtet ist, wenn die Wicklungen so
angeordnet sind wie in der Erfindung beschrieben.
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Die besseren Leiter und Magnetwicklungen können aus mehreren
Einkristallen bestehen, die gleich ausgerichtet sind. Auf
flexiblen Substraten abgeschiedene epitaxiale Dünnfilme für die
Magnetwicklungen sind eine besonders bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung. Es können aber auch strukturierte Filme,
struktuierte polykristalline Keramiken oder ähnliches
verwendet werden. Ein repräsentatives Material für eine
erfindungsgemäße Supraleiterwicklung ist ein Film aus Y&sub1;Ba&sub2;CU&sub3;O7-x oder
kristallines Y&sub1;Ba&sub2;CU&sub3;O7-x, in dem kürzlich sehr starke
Magnefeldanisotropien und hohe kritische Ströme entdeckt worden
sind.
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Im folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung exemplarisch anhand der Zeichnungen beschrieben. Die
Zeichnungen haben folgenden Inhalt:
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In Fig. 1 sind die Richtungen dargestellt, in denen in
bestimmten Kristallsymmetrieebenen von
Hochtemperatursupraleitern starke Supraströme fließen können.
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In Fig. 2A und 2B ist der Feldanisotropie-Effekt für diese
Hochtemperatursupraleiter dargestellt. In Fig. 2A ist das
kri
tische Feld Hc2 senkrecht zu den stromführenden Ebenen klein,
während es in Fig. 2B parallel zu den stromführenden
Kristallsymmetrieebenen wesentlich größer ist. Diese
Anisotropiedifferenz beträgt bei einigen Materialien mindestens eine
Größenordnung.
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In Fig. 3A ist der Aufbau eines supraleitenden Solenoids
dargestellt, in dem die stromführenden Ebenen im wesentlichen
parallel zu dem vom Magneten erzeugten Magnetfeld angeordnet
sind, so daß ein hervorragender Hochfeldmagnet entsteht.
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In Fig. 3B ist die Ausrichtung der supraleitenden
stromführenden Ebenen in bezug auf die Solenoidachse sowie das vom Strom
I in den Wicklungen erzeugte Magnetfeld H dargestellt.
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In Fig. 3C ist ein Teil des Solenoids aus Fig. 3A so
dargestellt, daß mehrere supraleitende Schichten 20 dargestellt
sind, die durch ein Trägermaterial 20, das aus rostfreiem
Stahl oder einem anderen Strukturmaterial bestehen kann, zu
sehen sind.
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Fig. 4A ist eine Schemazeichnung eines alternativen Aufbaus
eines supraleitenden Solenoids. Dieser Aufbau ist durch ein
sehr geringes kritisches Magnetfeld gekennzeichnet, das einen
nur wenig leistungsfähigen Magneten zur Folge hat.
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In Fig. 4B ist ein Teil der Solenoidwicklungen aus Fig. 4A so
dargestellt, daß die Ausrichtung der stromführenden Ebenen in
bezug auf die Solenoidachse sowie das vom Solenoid erzeugte
Magnetfeld H zu erkennen ist.
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Fig. 5 als einzige Ausführungsform der Erfindung, so wie sie
in den Ansprüchen definiert ist, zeigt eine Verbesserung des
Solenoidaufbaus aus Fig. 3A, bei dem erfindungsgemäß die
Streuung des Magnetfeldes H an den Enden des Solenoids
kompensiert wird, indem die stromführenden Kristallsymmetrieebenen
an den Enden des Solenoids so geneigt sind, daß sie im
wesentlichen parallel zur Streuung der Kraftlinien verlaufen.
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In Fig. 5B ist eine geschichtete Struktur dargestellt, die für
eine Neigung der stromführenden Kristallsymmetrieebenen an den
Enden des Solenoids sorgt.
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In Fig. 6A-6C ist ein Ringmagnet dargestellt, wobei Fig. 6A
eine Schemazeichnung des Ringmagneten ist und Fig. 6B und Fig.
6C Teile des inneren Aufbaus des Ringmagneten zeigen.
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Wie bereits erwähnt zielt die vorliegende Erfindung auf
bessere Leiter- und Supraleitermagnete ab, deren Wicklungen aus
einem supraleitenden Material mit einer Anisotropie des
kritischen Feldes bestehen und so aufgebaut sind, daß der kritische
Strom durch die Wicklungen maximal ist, so daß große
Magnetfelder entstehen können. Diese Art der Anisotropie liegt in
Hochtemperatursupraleitern wie den als Referenz aufgeführten
Y-Ba-Cu-O-Systemen vor.
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Der Feldanisotropieeffekt wird im Zusammenhang mit Fig. 1,
Fig. 2A und Fig. 2B ausführlicher erläutert. Ein
repräsentatives Material mit hoher Tc ist Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;&sub0;O7-x. Ein Einkristall aus
diesem Material kann mit ähnlichen Verfahren wie dem von
Iwazumi et al. in "Jap. J. Appl. Phys. 26, L386 (1987)
vorbereitet werden. Ein gesintertes Pulver aus drei Phasen Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;&sub0;O7-x,
CuO und BaCuO&sub2; mit einer nominalen Zusammensetzung von
Y0,25Ba0,61CuO2,62
wird zu einem Pellet gepreßt und in einer
schwach reduzierenden Atmosphäre 12 Stunden lang bei 975ºC
gebrannt. Während die Temperatur von 975ºC aufrechterhalten
wird, wird eine oxidierende Atmosphäre zugeführt, um das
Wachstum der bereits im Preßling vorhandenen Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;&sub0;O7-x-
Kristallite zu fördern. Mit diesem Verfahren werden
routinemäßig hochwertige stark facettierte Kristalle hergestellt.
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So wie diese Kristalle gewachsen sind, weisen sie
typischerweise supraleitend-diamagnetische Übergänge im Bereich
zwischen 40 und 50 K auf. Durch Wärmebehandlung in strömendem
Sauerstoff bei 450-500ºC über einen längeren Zeitraum steigen
die Übergangstemperaturen auf ca. 85 K.
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Bei diesen Materialien existieren bekanntlich Cu-O-Ebenen, die
parallel zu einander ausgerichtet sind und die
suprastromführenden Ebenen des Materials bilden. Dies ist in Fig. 1 zu
sehen, wo vier solche supraleitende Ebenen 10A, 10B, 10C und 10D
dargestellt sind. Diese Cu-O-Grundebenen stehen im
wesentlichen senkrecht zur C-Achse des Kristalls, haben einen Abstand
von ca. 0,4 nm und können in x-y-Richtung große kritische
Ströme führen. Die Suprast romleitung in z-Richtung senkrecht
zu diesen Ebenen ist minimal.
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In Fig. 2A und Fig. 2B sind die starken Anisotropien des
kritischen Feldes in diesen Materialien dargestellt. In Fig. 2A
hat das kritische Magnetfeld Hc2 eine Richtung, die im
wesentlichen senkrecht auf den stromführenden Ebenen 10A-10D steht.
In diesem Fall ist das kritische Übergangsfeld Hc2, in dem der
Supraleiter seine widerstandsfreie Leitfähigkeit verliert,
relativ klein.
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Im Gegensatz zu der in Fig. 2A dargestellten Situation ist das
Magnetfeld in Fig. 2B parallel zu den stromführenden Cu-O-
Ebenen 10A-10D ausgerichtet. Dieses Feld kann entweder in x-
oder in y-Richtung liegen, und das kritische Feld Hc2 ist sehr
groß; es kann um eine Größenordnung größer sein als wenn das
kritische Feld senkrecht zu den stromführenden Ebenen
ausgerichtet ist.
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Es hat sich auch gezeigt, daß der Hochtemperatursupraleiter
Y&sub1;Ba&sub2;CU&sub3;&sub0;O7-x in günstigen Richtungen bei 4,5 K große
Suprastromdichten (ca. 3·10&sup6; A/cm²) aufnehmen kann, und daß diese
Fähigkeit auch in mäßig starken Feldern vorhanden sein kann (siehe
Fig. 2B). Diese Faktoren werden bei der Entwicklung besserer
supraleitender Magnete genutzt (Fig. 3A-6B). Wie für Filme aus
diesen Materialien gezeigt wurde, ist zu erwarten, daß diese
hohen kritischen Ströme bei besseren Verfahren bei höheren
Temperaturen erhalten bleiben.
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Die supraleitenden Magnete besitzen Wicklungen, die so
aufgebaut sind, daß das vom Strom in den Wicklungen erzeugte
Magnetfeld parallel zu den Kristallsymmetrieebenen, die in
diesen Materialien die Supraströme führen, ausgerichtet ist. Wenn
dieses Konzept verfolgt wird, läßt das von den Wicklungen
erzeugte Feld nicht so leicht die Supraleitung zusammenbrechen,
und es können somit große Magnetfelder erzeugt werden. Ein
Beispiel für dieses Konzept ist das in Fig. 3A teilweise
abgebildete Solenoid. Dem Fachmann ist klar, daß der übrige Teil
des Solenoids den stromführenden Pfad vervollständigt und in
der Regel ringförmig um die Achse A verläuft. In Fig. 3B sind
einige Details der Wicklungen und speziell die Ausrichtung der
stromführenden Ebenen in den Supraleitern, aus denen die
Wicklungen bestehen, dargestellt. Fig. 3C ist eine Querschnitt-
zeichnung eines Teils der Wicklungen, in der ihre Herstellung
in Form ausgerichteter Schichten zu sehen ist.
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Genauer besteht Solenoid 12 aus mehreren Wicklungen 14,
dargestellt durch die vertikalen Linien, die für die stromführenden
Ebenen in einem Hochtemperatursupraleiter repräsentativ sind.
Das vom Strom 1 in den supraleitenden Wicklungen erzeugte
Magnetfeld H ist parallel zur Solenoidachse A ausgerichtet und
konzentriert sich stark im hohlen Kern 16 des Solenoids.
Elektrischer Strom kommt, wie in Fachkreisen bekannt, aus einer
oder mehreren Stromquellen 17. Beim Betrieb wird der Magnet in
flüssiges Helium oder flüssigen Stickstoff eingetaucht, oder
diese flüssigen Elemente werden durch Röhren in der Struktur
geleitet, wie in Fachkreisen üblich. Nur bei einer Änderung
des Magnetfeldes H wird eine größere Wärmemenge erzeugt. Die
supraleitenden Wicklungen können, wie in Fachkreisen bekannt,
auch mit Kupfer überzogen sein, oder mit einem anderen
wärmeleitfähigen und/oder elektrisch leitenden Material wie Ag. In
die Kupferschicht können bei einer Änderung des Feldes hohe
Ströme fließen, die dann bei Kühlung in die Supraleiter
zurückfließen.
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Die vertikalen Linien 14 in Fig. 3A sind die stromführenden
Ebenen des Supraleiters mit den Magnetwicklungen dar. Diese
Wicklungen liefern in Umfangsrichtung fließende Ströme, um das
axiale Magnetfeld H zu erzeugen.
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Dieses Feld ist entlang des hohlen Kerns 16 des Solenoids am
stärksten und nimmt in radialer Richtung ab. In der Zeichnung
ist dies durch die Pfeile 18 abnehmender Länge in einer
radialen Richtung von der Achse A dargestellt.
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In Fig. 3B sind nur zwei der zahlreichen suprastromführenden
Cu-O-Ebenen 14 dargestellt, die in einer einzigen Schicht oder
einem Einkristall des Hochtemperatursupraleiters oder in
benachbarten Schichten aus solchen Kristallen vorhanden sein
können. Bekanntlich sind die Cu-O-Ebenen in diesen Materialien
ca. 0,4 nm voneinander entfernt. Wie in Fig. 3B zu erkennen
ist, sind diese Cu-O-Ebenen im wesentlichen parallel
zueinander und kreisförmig um die Achse A des Solenoids angeordnet.
Supraströme 1 fließen in den Ebenen 14 in Umfangsrichtung um
das Solenoid. Diese Supraströme erzeugen ein Magnetfeld H, das
parallel zu den stromführenden Ebenen ausgerichtet ist; das
kritische Magnetfeld wird deshalb nicht überschritten, bevor
das größere Hc2 erreicht ist. Da der kritische Strom in den Cu-
O-Ebenen groß sein kann, ermöglicht dies die Erzeugung starker
Magnetfelder ohne Verlust der Supraleitung in den Ebenen 14.
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Fig. 3C ist eine Schemazeichnung mehrerer
Supraleitermaterialschichten 20, die durch ein Trägermaterial 22 voneinander
getrennt sind. Das Trägermaterial kann Edelstahl oder ein
anderes Material sein. Die Trägermaterialien sind flexibel und
können so geformt werden, daß sie die Wicklungen des Magneten
bilden, wobei die supraleitenden Materialien 20 als epitaxiale
Dünnfilmschichten abgeschieden werden. Alternativ können die
supraleitenden Schichten 20 aus polykristallinen Filmen
bestehen, wobei die Kristallite im wesentlichen so angeordnet sind,
daß die Cu-O-Ebenen im wesentlichen parallel zum Feld H
liegen. Diese Herstellungsverfahren werden im folgenden
ausführlich beschrieben.
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In Fig. 4A ist ein anderes Solenoid dargestellt. Die
supraleitenden Wicklungen in diesem Solenoid sind so aufgebaut, daß
das kritische Magnetfeld recht gering und mindestens eine
Grö
ßenordnung kleiner ist als das mit der Geometrie aus Fig. 3A
erreichte. Um die Konstruktionen in Fig. 3A und Fig. 4A
miteinander zu vergleichen, sind Komponenten mit gleicher oder
ähnlicher Funktion mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Das Solenoid 24 in Fig. 4A besteht also aus mehreren
stromführenden Ebenen 14, die rund um den hohlen Kern 16 des Solenoids
angeordnet sind. Das durch den Strom in den Cu-O-Ebenen
erzeugte Magnetfeld H ist durch die Pfeile dargestellt. Die
Stärke des Feldes H ist in der Mitte 16 des Solenoids 24 am
stärksten und in Richtung der Solenoldachse ausgerichtet.
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Die Anordnung der stromführenden Cu-O-Ebenen 14 in den
Wicklungen des Solenoids in Fig. 4A ist in Fig. 4B detaillierter
dargestellt. Diese stromführenden Cu-O-Ebenen sind horizontal
angeordnet, so daß das Magnetfeld H im wesentlichen senkrecht
zu den stromführenden Ebenen ausgerichtet ist. In Fig. 2A
führt diese Orientierung der stromführenden Ebenen und des
Magnetfeldes H dazu, daß das von den Wicklungen erzeugte
Magnetfeld in Richtung des niedrigeren Hc2, ausgerichtet ist. Dies
bedeutet, daß das Solenoid 24 aus Fig. 4A nicht zur Erzeugung so
großer Magnetfelder verwendet werden kann wie das Solenoid 12
aus Fig. 3A.
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In dem in Fig. 3A dargestellten Solenoid ist das von den
Wicklungen erzeugte Feld parallel zu den stromführenden Ebenen
ausgerichtet, während in Fig. 4A das Feld im wesentlichen
senkrecht zu den stromführenden Ebenen ausgerichtet ist. Diese
Strukturen zeigen die Extreme bei den Konstruktionsprinzipien;
dem Fachmann ist aber klar, daß in dem Maße, wie das Feld im
wesentlichen parallel zu den stromführenden Ebenen
ausgerichtet wird, eine Verbesserung der vom Solenoid erzeugten
Magnetfeldstärke erzielt wird. Selbst Konstruktionen, in denen das
Magnetfeld in einem Winkel zu den stromführenden Ebenen
ausgerichtet ist, erzeugen ein etwas stärkeres Magnetfeld. Da die
einfache Richtung für den Strom entlang der Cu-O-Ebenen
verläuft, wird angenommen, daß eine gewisse Richtungsabweichung
des Feldes H gegenüber den Cu-O-Ebenen toleriert werden kann,
ebenso wie eine Richtungsabweichung der Cu-O-Ebenen selber.
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In Fig. 5A ist eine bessere Ausführung des Solenoidaufbaus aus
Fig. 3A dargestellt, in die Streuung des Magnetfeldes H an den
Enden des Solenoids kompensiert wird. Um einen besseren
Vergleich mit Fig. 3A und Fig. 3B zu ermöglichen, werden in Fig.
5 die gleichen Bezugszahlen verwendet. Die supraleitenden
stromführenden Ebenen 14 sind im wesentlichen parallel zur
Richtung des Magnetfeldes H in der Mitte des Solenoids
angeordnet. Diese Richtung liegt parallel zur Achse A des
Solenoids. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 3B erwähnt sind die
stromführenden Ebenen 14 ringförmig um das Solenoid und in der
Regel parallel zur Achse A angeordnet. Damit diese
stromführenden Ebenen aber auch am Ende des Solenoids, wo das Feld H
aus einer perfekt parallelen Richtung zur Achse A abgelenkt
ist, im wesentlichen parallel zum Magnetfeld ausgerichtet
sind, ist das supraleitende Material dieser Wicklungen so
ausgerichtet, daß die stromführenden Cu-O-Ebenen an den Enden des
Solenoids nach außen geneigt sind (in der Zeichnung
dargestellt durch die Ebenen in den Reihen 14A, 14B und 14C. Dies
ist mit herkömmlichen Verfahren leicht zu bewerkstelligen,
indem die Wicklungen zu einem Solenoid übereinandergelegt
werden, wobei die Substrate, auf denen die supraleitenden
Schichten gebildet werden, in der Nähe der Solenoidenden, wo sich
die Wicklungen mit den stromführenden Ebenen 14A, 14B und 14C
befinden, sich kegelförmig verjüngen. Dies ist in Fig. 5B
dargestellt, wo die Substrate 32 unterschiedliche Breiten haben,
so daß die supraleitenden Schichten 34 eine leichte Neigung
gegenüber einer axialen Richtung aufweisen.
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Alternativ zu dem Aufbau in Fig. 5A, 5B (bei dem es sich nicht
um eine Ausführungsform der Erfindung, so wie sie in den
Ansprüchen definiert ist, handelt) können die Wicklungen im
Bereich der Solenoidenden aus Kupfer oder einem anderen Material
bestehen, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt.
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Ein besonderer Magnetaufbau, der recht vorteilhaft ist, z. B.
bei der Erzeugung von Fusionsenergie, ist ein Toroid. Ein
Toroid ist ein Magnet, der sich besonders gut für Konstruktionen
nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung eignet (Fig.
6A, 6B und 6C). Das Toroid 26 ist in der Regel ein
torusförmiger Magnet mit einem offenen inneren Teil 28 und einer Öffnung
30, die in der Regel einen runden Querschnitt aufweist (Fig.
6B, 6C) und die um den Umfang des Toroids verläuft. Das vom
Strom 1 im Toroid erzeugte Feld H ist ein Umfangsfeld, das im
ringförmigen hohlen Teil 30 seine größte Stärke hat. Die
Ströme 1 kommen von der Stromquelle 31 und fließen durch
Wicklungen, die in Ebenen, welche im wesentlichen senkrecht zur Achse
des hohlen ringförmigen Teils 30 ausgerichtet sind, angeordnet
sind. Toroid 26 kann auch auf die bekannte Weise mit flüssigem
He oder flüssigem N gekühlt werden.
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Fig. 6B ist ein Querschnitt entlang einer Linie 6B-6C durch
das Toroid 26 und zeigt einen Teil des Toroids aus Fig. 6A, um
dessen Geometrie besser zu verdeutlichen.
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Speziell ist die ringförmige Öffnung 30, dargestellt, in der
die Ströme das maximale Magnetfeld H erzeugen.
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Fig. 6C zeigt eines der Querschnittsenden aus Fig. 6B und
illustriert die Anordnung der Cu-O-Ebenen im supraleitenden
Material, das ermöglicht, daß maximale Ströme durch die Wicklungen
fließen, um das vom Toroid 26 erzeugte Magnetfeld zu
maximieren. Das supraleitende Material der Magnetwicklungen wird so
abgeschieden, daß die stromführenden Cu-O-Ebenen 33 so
ausgerichtet sind, daß Wicklungen entstehen, deren Achse
konzentrisch zur Achse der ringförmigen Öffnung 30 angeordnet ist.
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In der vorliegenden Beschreibung wurde ein bestimmtes Beispiel
(Y&sub1;Ba&sub2;CU&sub3;O7-x) eines Hochtemperatursupraleiters exemplarisch für
ein Material mit hoher Magnetfeldanisotropie beschrieben; für
die erfindungsgemäßen Magnetwicklungen kann aber auch jeder
andere Supraleiter verwendet werden, der diese Aniostropie des
kritischen Feldes aufweist. Es ist beispielsweise bekannt, daß
das Y in Y&sub1;Ba&sub2;CU&sub3;O7-y durch viele Seltenerdionen ersetzt werden
kann und die Zusammensetzung ebenfalls die
Anisotropieeigenschaften des Y&sub1;Ba&sub2;CU&sub3;O7-y-Materials aufweist. Um einen
supraleitenden Hochfeldmagneten herzustellen, ist es jedoch
vorteilhaft, wenn die kritische Feldanisotropie einen hohen Wert von
10 oder darüber hat, um die Stärke der Felder, die erzeugt
werden können, zu maximieren. Außerdem sind Materialien mit
hohem kritischem Strom zu bevorzugen, da diese Materialien
stärkere Magnetfelder erzeugen können.
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Die Erfindung kann insbesondere Hochtemperatursupraleiter
verwenden, die so hergestellt werden können, daß die
stromführenden Cu-O-Ebenen die starke Anisotropie des kritischen Feldes
ausnutzen. Zur Herstellung der supraleitenden Wicklungen
können Einkristalle, epitaxiale Filme, stark strukturierte Filme,
in denen die Cu-O-Ebenen im allgemeinen ausgerichtet sind,
strukturierte polykristalline Keramiken, die im allgemeinen
geordnete Cu-O-Kristallsymmetrieebenen aufweisen, oder
irgendein anderes Verfahren, das bewirkt, daß die Cu-O-Ebenen
parallel zueinander ausgerichtet sind, verwendet werden. So werden
beispielsweise Magnetfelder üblicherweise dazu benutzt,
magnetische Domänenmuster in Magnetfilmen auszurichten.
Entsprechend kann Yttrium oder ein anderes Seltenerdelement ganz oder
teilweise durch ein magnetisches Element wie Gadolinium oder
Holmium ersetzt werden, ohne daß dadurch die supraleitenden
Eigenschaften des Materials beeinträchtigt werden. Da Gd und
Ho starke magnetische Eigenschaften aufweisen, können diese
ausgenutzt werden, um die Ausrichtung der magnetischen Ionen
zu fördern und auf diese Weise indirekt die Cu-O-Ebenen in
einem Film aus diesem supraleitenden Material auszurichten. Da
der Radius der supraleitenden Wicklungen im Vergleich zur
Kristallitgröße in diesen Materialien sehr groß ist, ist außerdem
die Verbiegung und damit die Spannung in diesen Kristallen
sehr gering, und die Ausrichtung kann stattfinden. Die
Orientierung der Cu-O-Ebenen kann beispielsweise bei der
Abscheidung großer "grüner" Schichten aus supraleitendem Material
erfolgen. Alternativ kann die bevorzugte Ausrichtung durch
druck-unterstützte Verdichtung gefördert werden. Diese
Ausrichtung der stromführenden Kristallsymmetrieebenen kann auch
bei der Wärmebehandlung oder bei der Abscheidung des Films
erfolgen. Wenn die Cu-O-Ebenen leicht gegeneinander geneigt
sind, wird eine Verbessung des Magnetaufbaus erreicht. Dies
bedeutet, daß die allgemeine Richtung des Stromflusses in den
supraleitenden Wicklungen ein Feld erzeugt, das immer noch im
wesentlichen in Richtung des höheren Hc2 liegt.
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Obwohl angenommen wird, daß der Stromfluß in diesen
Hochtemperatur-Supraleitermaterialien entlang zweidimensionaler Ebenen
am wahrscheinlichsten ist, kann es sein, daß es eine
Supra
stromleitung entlang eindimensionaler CuO-Ebenen gibt, und daß
diese eindimensionalen Ketten bei der anisotropischen
Supraleitung eine Rolle spielen. Wenn die Ebenen so ausgerichtet
werden, daß die Ketten in Richtung des hohen Suprastromflusses
liegen, kann der kritische Suprastrom möglicherweise weiter
erhöht werden.
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Auch wenn supraleitende Materialien mit hoher Tc wie Y-Ba-Cu-O
und Variationen davon besonders geeignete Materialien für die
praktische Realisierung der vorliegenden Erfindung sind,
können selbstverständlich auch geschichtete, zusammengesetzte
Supraleiter hergestellt werden, die eine Anisotropie des
kritischen Feldes aufweisen, welche durch die Prinzipien der
Erfindung, so wie sie in den Ansprüchen definiert ist, genutzt
werden kann. So kann beispielsweise eine geschichtete
Übergitterstruktur aus einer supraleitenden Schicht - einer normalen
Metallschicht - einer weiteren supraleitenden Schicht usw.
hergestellt werden, in der die Kristallsymmetrieebenen
ausreichend gut ausgerichtet sind, um ausgerichtete Stromflußpfade
parallel zu dem vom Stromfluß erzeugten Magnetfeld zu
erzeugen, damit ein Magnetfeld maximaler Stärke erzeugt werden
kann. Außerdem ist bei der Konstruktion supraleitender Magnete
bekannt, daß die Stärke des Magnetfeldes in der Mitte des
Magneten am größten ist und nach außen zu in radialer Richtung
abnimmt. In diesen Magneten wird für die inneren Wicklungen
oft ein nicht-supraleitendes Material gewählt, das die starken
Magnetfelder im Innern des Magneten aushält, während die
äußeren Wicklungen supraleitend sind. Auch bei herkömmlichen
Magneten werden einzelne Teilstücke hergestellt, die dann zum
großen Magneten zusammengesetzt werden. Diese Ansätze können
auch für die erfindungsgemäßen Magnete verwendet werden, um
die Herstellung zu vereinfachen und sehr starke Magnetfelder
zu erzielen.
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In der vorliegenden Beschreibung wurde die Erfindung anhand
einer speziellen Ausführungsform beschrieben. Dem Fachmann ist
aber klar, daß Variationen möglich sind, ohne daß dadurch der
Schutzumfang des Patents überschritten wird. So können
beispielsweise zusätzlich zu den genannten supraleitenden
Materialien verschiedene andere Arten von Supraleitermaterialien
verwendet werden. Die wichtigen Merkmale sind, daß die
Wicklungen des Magneten so aufgebaut sind, daß das durch den
Stromfluß in den Wicklungen erzeugte Magnetfeld in Richtung
des kritischen Feldes ausgerichtet ist, um die maximale
Feldstärke, die von dem Magneten erzeugt werden kann, zu
maximieren. Ein anderes wichtiges Merkmal ist, daß die
Kristallitebenen entlang der Richtung ausgerichtet sind, die einen starken
Strom führt. Dies wird wiederum ausgenutzt, um einen besseren
Suprastromleiter zu erzeugen, wie im folgenden noch zu sehen
sein wird.
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In der weiteren Praxis der Erfindung, so wie sie in den
Ansprüchen definiert wird, ist zu beachten, daß diese Magnete
über einen sehr großen Temperaturbereich bis herunter zur
Temperatur von flüssigem Helium betrieben werden können. So
wurden zum Beispiel bei 4,5 K in Y&sub1;Ba&sub2;CU&sub3;O7-x-Kristallen in
Richtung der Cu-O-Ebenen kritische Ströme im Bereich von 3·10&sup6;
A/cm² gemessen. Durch Kombination der richtigen Geometrie, die
die Anisotropie des kritischen Feldes in diesen Materialien
ausnutzt, mit dem Betrieb bei einer Temperatur von 4,5 K, wo
die kritischen Ströme am stärksten sind, entsteht ein Magnet,
der extrem starke Magnetfelder erzeugen kann.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung, so wie sie
in den Ansprüchen definiert ist, liefert die Verwendung von
Kupfermischoxiden der Typen, die nach dem Stand der Technik
als Hochtemperatursupraleiter bekannt sind, Magnete mit
einzigartigen Anisotropie-Eigenschaften und einzigartigem
kritischem Strom, wodurch Spezialmagnete mit überlegenen
Eigenschaften entstehen.
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Wie bereits erwähnt können die Kristallitebenen dieser
Hochtemperatursupraleiter in der Richtung orientiert sein, die
einen starken Strom führt. Wenn also die Kristallkörner dieser
Materialien so ausgerichtet sind, kann ein Leiter erzeugt
werden, der einen starken Strom führen kann. Dieser Leiter kann
als Draht, Band usw. hergestellt werden, und wenn die
stromführenden Ebenen im wesentlichen parallel sind, kann der darin
fließende Strom mehr als 30 mal größer sein als ohne diese
Ausrichtung.