DE4391694C2

DE4391694C2 - Verbundzuleitung zum Leiten eines elektrischen Stromes zwischen einem Bereich auf einer Temperatur von 75-80 K und einem Bereich auf einer Temperatur von etwa 4,5 K

Info

Publication number: DE4391694C2
Application number: DE4391694A
Authority: DE
Inventors: Yehia Negm; George Zimmerman; Robert Dr Powers; Randy Mcconeghy; Alvaro Kaplan
Original assignee: Boston University
Current assignee: Boston University
Priority date: 1992-04-10
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2013-04-03
Also published as: JP2909212B2; JPH07502622A; DE4391694T1; US5376755A; WO1993021642A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbundzuleitung zum Leiten eines elektrischen Stromes zwischen einem Bereich auf einer Tempera tur von 75 bis 80 K und einem Bereich auf einer Temperatur von etwa 4, 5 K.

Supraleitfähigkeit wurde zuerst von dem holländischen Physiker H.K. Onnes im Jahre 1911 während seiner Untersuchungen der elektrischen Leitfähigkeiten von Metallen bei sehr niedrigen Temperaturen beobachtet. Er entdeckte, daß der spezifische elektrische Widerstand von rein dargestelltem Quecksilber, wenn es gekühlt wird, abrupt bei einer Temperatur von 4,16 K ver schwindet. Oberhalb dieser Temperatur ist der spezifische elektrische Widerstand klein, aber endlich und meßbar. Diese deutliche Temperatur, bei welcher der Übergang und der Verlust effektiven elektrischen Widerstandes auftritt, wurde als Sprungtemperatur oder "T_c" bezeichnet.

Die moderne Theorie der Supraleitfähigkeit ist das Ergebnis der Forschungsarbeiten von Cooper und Schrieffer (Phys. Rev. 106: 162 (1957). Ihre Prinzipien bedienen sich einer quantenmechani schen Behandlung des Phänomens der Supraleitfähigkeit, und ihre Theorie wurde herangezogen, um die verschiedenen beobachtbaren Effekte wie den elektrischen Widerstand von Null, den Meissner- Effekt und dgl. zu erklären.

Seit etwa 1986 ist das Interesse an supraleitenden Stoffen als möglicher Ersatz für herkömmliche Verdrahtungen und Mikroschal tungen aus Metall-Legierungen wesentlich gestiegen, und die Suche nach Supraleitern mit immer höheren T_c-Werten in ver schiedenen Formaten ist derzeit ein Gebiet intensiver Forschung. Lediglich stellvertretend für diese andauernden Forschungs arbeiten und jüngst berichteten Entwicklungen seien folgende Publikationen genannt. Yeh et al., Phys. Rev. B36: 2414 (1987); Morelli et al., Phys. Rev. B36: 3917 (1987); Chaudhart et al., Phys. Rev. B36: 8903 (1987); Tachikawa et al., Proc. IEEE 77: 1124 (1989); Tabuchi et al., Appl. Phys. Lett. 53: 606 (1989); Sacci et al., Appl. Phys. Lett. 53: 1111 (1988).

Ein Problem tritt auch hinsichtlich der elektrischen Verbindung supraleitender Stoffe auf, insbesondere hinsichtlich der Ver bindung von Hoch-T_c-Supraleitern untereinander und mit anderen elektrisch leitenden Materialien im normalen Zustand bei Tempe raturen zwischen 70 K und 300 K und mit herkömmlichen supralei tenden Materialien, die eine Sprungtemperatur unterhalb 20 K haben. Per Definition umfasse der Begriff "elektrisch leitenden de Materialien im Normalzustand" sowohl die normalen Leiter wie Gold, Silber, Kupfer und Eisen, als auch die Halbleiter wie Kohlenstoff, Silizium, graues Zinn und Germanium, sowie deren Mischungen mit Indium, Gallium, Antimon und Arsen. Außerdem ist es schwierig, wirksam haftende und niederohmige Verbindungen mit den chemischen Elementen und Legierungen zu schaffen, die in der Praxis als Supraleiter eingesetzt werden. Dies sind die herkömmlichen Supraleiter Nb, NbTi und NbSn, und sie dienen typischerweise als Stoffe, die zur Herstellung supraleitender Motoren, Generatoren und Magnete verwendet werden, welche bei der Temperatur flüssigen Heliums (4,5 K) arbeiten.

Üblicherweise werden Lote verwendet, um Leiter miteinander und mit Halbleitern elektrisch zu verbinden. Die wichtigsten, her kömmlich bekannten Lote sind: Weichlote, wie z. B. Blei-Zinn- Legierungen aus Kupfer und Zink und manchmal Silber. Ein im vorliegenden Zusammenhang brauchbares Lot, das niederohmige Verbindungen ermöglicht, ist in der US-PS 4 966 142 beschrieben. Neuere Bemühungen zur Verfeinerung spezialisierter Techniken zur Verminderung des Widerstandes elektrischer Kontakte zwischen zwei supraleitenden Stoffen beinhalten u. a. folgende Verfahren: Silberaufdampfung oder -aufstäubung und anschließende Wärme behandlung massiver gesinterter Probekörper aus Yttrium-Barium- Kupfer-Oxid bei Temperaturen bis zu 500°C oder die Verwendung von Laserenergie zum Auftragen einer dünnen Schicht supraleiten den Yttrium-Barium-Kupfer-Oxids direkt auf eine Siliziumsubstanz. Das Problem bei diesen Verfahren besteht darin, daß jedes von ihnen die extensive Verwendung von Geräten zur Aufdampfung im Vakuum erfordert.

Es bleibt daher ein Bedarf an praktikablen Einrichtungen zum Verbinden normaler Leiter und Halbleiter, die elektrisch bei Temperaturen zwischen 300 und 70 K eingesetzt werden, mit Tieftemperatur-Supraleitern, die unterhalb 10 K elektrisch betrieben werden, bei minimalem elektrischen Widerstand von Supraleitern.

Aus der JP 2-135 714 A2 ist eine Zuleitung für elektrischen Strom von einem Bereich zwischen 75 bis 80 K zu einem Bereich nahe dem absoluten Nullpunkt in Form von Bändern aus Hochtempe ratur-Supraleitern bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbundleitung zum Leiten eines elektrischen Stromes zwischen Bereichen sehr unterschiedlicher Temperatur zu schaffen, nämlich einem auf 75 bis 80 K liegenden Bereich einerseits und einem auf etwa 4,5 K liegenden Bereich andererseits, also zur Verbindung von norma len Leitern oder Halbleitern mit Supraleitern, wobei einerseits der elektrische Übergangswiderstand minimal und andererseits ebenso die Wärmeleitung zwischen den Anschlüssen minimal sein soll.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü chen gekennzeichnet.

Die vorliegende Erfindung erlaubt, elektrische Schaltungen, die bei Zimmertemperatur, und solche, die bei Heliumtemperaturen funktionieren, also bei 300 K bzw. 4,5 K, zu überbrücken und zu verbinden. Die Verbundzuleitung oder Durchführung schafft eine Mehrfachverbindung für elek trischen Strom zwischen Zonen unterschiedlicher Temperatur. Sie wird typischerweise innerhalb einer Anordnung verwendet, welche die Temperaturdif ferenzen zwischen 300 K und 4,5 K aufrechterhält; und durch seine Konstruktion macht der Durchführungs-Verbundkörper die Wärmeleitung minimal und vermindert die Erwärmung in den elektrisch leitenden Adern. Auf diese Weise bildet der Durchführungs-Verbundkörper ein wirksames, billiges und zuver lässiges Mittel zum Leiten von elektrischem Strom zwischen Zimmer- und Heliumtemperaturen über unbegrenzte Zeitspannen.

Die Erfindung bringt eine Mehrzahl ungewöhnlicher Vorteile und zahlreiche Vorzüge gegenüber herkömmlichen Durch führungstechnologien:

1. Die Verbundzuleitung besteht aus nichtleitenden Füllmaterialien wie etwa Epoxy und aus leiten den Elementen, die Supraleiter mit hoher Sprungtemperatur darstellen (im folgenden als "HTSC" oder als "Hoch-T_c"- Elemente bezeichnet). Sowohl das nichtleitende Füllmaterial als auch die HTSC-Elemente haben niedrige Wärmeleitfähigkei ten, und daher hält das als integrale Einheit gebildete Durchführungs-Verbundstück Wärmefluß und Wärmeleitung zur 4,5°K-Temperaturzone minimal.
2. Da die Verbundzuleitung eine Vielzahl supraleitender Elemente hat, schließt sie aus, daß elektrische Leistung in ihr umgesetzt wird und infolgedessen eine Erwärmung von der Zuleitung selbst ausgeht. Dadurch wird vermieden, daß aus elektrischer Widerstandsheizung Wärme zur 4,5 K-Temperaturzone fließt.
3. Die Verbundzuleitung hat im Vergleich zu herkömmlichen Erzeugnissen eine sehr verbesserte mechanische Festigkeit und kann den schädlichen Einflüssen von Temperaturdifferenzen und -gradienten zwischen 300 K und 4,5 K widerstehen. Die Verbundzuleitung wird trotz wiederholten Gebrauchs über die Zeit nicht spröde, zerbrechlich oder bruch stückartig, sondern behält eine ungewöhnliche mechanische und Zerreißfestigkeit über lange Dauer.
4. Die Erfindung erlaubt die Verwendung von supraleitenden Zusammensetzungen mit hoher Sprungtemperatur (HTSC), die alternativ als Dünnschichten, Dickschichten und/oder massives Material ausgebildet sein können. Außerdem kann jedes dieser Ausführungen individuell in laminierter und/oder in multilaminierter Konstruktion hergestellt werden, um für die supraleitfähigen Elemente der Verbund zuleitung verwendet zu werden. Diese Auswahl und Vielfalt an Strukturen für die HTSC-Elemente erlaubt es dem Benutzer, diejenigen Eigenschaf ten und Charakteristiken, die für die jeweiligen Benutzungsbe dingungen oder beabsichtigten Anwendungen am vorteilhaftesten sind, kundenspezifisch zu realisieren und zu optimieren.
5. Die Verbundzuleitung steigert die elektrische Strombelastbarkeit von Verbindungsstücken über die Grenzen hinaus, die derzeit für eine bestimmte Verlustwärme bei Temperaturen von 4,5 K akzeptiert werden; sie erlaubt das Leiten von 100 Ampere oder mehr über die Temperaturgradient differenzen zwischen 75-80 K und 4,5 K in einer zuverlässigen regelmäßigen Weise. Es sei daran gedacht, daß die kritische Stromdichte ansteigt, wenn die Querschnittsfläche eines HTSC-Leiters abnimmt. Somit steigern die feindrahtförmi gen, massiven oder laminaren Strukturen, die von den supra leitfähigen Elementen der vorliegenden Erfindung gebildet werden, die Strombelastbarkeit sehr und erhöhen sie über jedes Maß hinaus, das derzeit den Personen vorschwebt, die auf dem betreffenden Gebiet arbeiten.

Es sei bemerkt und gewürdigt, daß die vorliegende Erfindung sowohl die eigentliche Verbundzuleitung als ein Industrie erzeugnis als auch eine Baugruppe zum Gegenstand hat, in welche die Verbundzuleitung einzusetzen ist, damit die beste Verwendung und der maximale Vorteil aus der Durchführung gezogen wird.

Die Erfindung sei nun anhand von in den Zeichnungen dargestell ten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Verbundzuleitung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungs form der erfindungsgemäßen Verbundzuleitung;

Fig. 3 eine Ansicht einer bevorzugten Anordnung und Baugruppe, welche die Verbundzuleitung nach Fig. 1 verwendet;

Fig. 4 ein Diagramm einer alternativen Baugruppe, die mit der Verbundzuleitung nach Fig. 2 verwendet wird;

Fig. 5 eine Darstellung einer Balgvorrichtung innerhalb der in Fig. 4 dargestellten alternativen Baueinheit;

Fig. 6 eine aufgeschnittene Darstellung der elektrischen Ver bindung für die Verbundzuleitung innerhalb der Tempera turzone von 75 bis 80 K;

Fig. 7 eine aufgeschnittene Darstellung der elektrischen Ver bindung für die Verbundzuleitung innerhalb der Tempera turzone von 4,5 K;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht der Versuchsvorrichtung, die zum Prüfen und empirischen Bewerten der Verbundzu leitung nach Fig. 2 verwendet wird;

Fig. 9 eine graphische Darstellung, welche für die Verbundzu leitung nach Fig. 8 die Temperaturstabilität der elek trischen Verbindung bei 75 bis 80 K als Funktion des Stroms zeigt;

Fig. 10 eine graphische Darstellung, welche die Verlustleistung einer 100-A-Verbundzuleitung als Funktion der Tempera tur bei verschiedenen Betriebsströmen zeigt;

Fig. 11 eine graphische Darstellung, welche den Gesamtwiderstand einer 100-A-Verbundzuleitung als Funktion der Temperatur und verschiedener Betriebsströme zeigt;

Fig. 12 eine graphische Darstellung, welche den Gesamtwider stand einer 100-A-Verbundzuleitung als Funktion des Betriebsstroms bei einer Temperatur von 60 K zeigt.

Eine bevorzugte Verbundzuleitung, die in der Lage ist, elektrischen Strom von Stromquellen auf 75-80 K an supraleitende Schaltungen und Materialien zu übertragen, die bei Heliumtemperatur von etwa 4,5 K arbeiten, ist in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. Wie dort zu erkennen, besteht die Verbundzuleitung 10 aus einer Vielzahl supraleit fähiger Elemente 12, deren jedes individuell in einem elek trisch nichtleitenden Material 20 eingebettet ist. Jedes dieser supraleitfähigen Elemente 12, die bei der vorliegenden Ausführungsform frei gewählt als langgestreckte Stäbe gestaltet sind, hat ein erstes axiales Ende 14, ein zweites axiales Ende 16 und einen axial ausgedehnten Körper 18. Alle diskreten supraleitfähigen Elemente 12 sind voneinander über die gesamte Länge der Verbundzuleitung selbst achsenrich tungsgleich beabstandet.

Somit sind alle supra leitfähigen Elemente im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet als eine Reihe benachbart liegender Stäbe. Durch willkürliche Wahl für die vorliegende Ausführungsform ist das erste axiale Ende 14 eines jeden supraleitfähigen Elementes 12 zur beabsichtigten Temperaturzone von 75-80 K hin orientiert, während das zweite axiale Ende 16 willkürlich dazu ausersehen ist, in Zukunft im Kontakt mit der beabsichtigten Zone der Temperatur flüssigen Heliums (4,5 K) zu sein. Die jeweiligen axialen Enden 14, 16 können auch vertauscht werden.

Jedes der supraleitfähigen Elemente 12 besteht aus mindestens einem supraleitfähigen Material, das vorzugsweise ein Supra leiter mit hoher Sprungtemperatur ist, ein sogenannter "HTSC". Außerdem hat jedes diskrete supraleitfähige Element 12 einen individuellen und bestimmbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten, der charakteristisch ist für das gewählte HTSC-Material, sein Format (Dickschicht, Dünnschicht oder massiv) und die Konstruktionsweise für jedes Element (d. h. ob es eine laminierte oder nichtlaminierte Struktur hat).

Die elektrisch nichtleitende Füll- oder Vergußmasse umgibt und bedeckt den größten Teil des axial ausgedehnten Körpers 18 eines jeden supraleitfähigen Elementes 12 individuell. Die nichtleitende Füllmasse kapselt somit jedes der achsenrich tungsgleich beabstandeten supraleitfähigen Elemente 12 über den größten Teil ihrer axial ausgedehnten Körper 18 ein, jedoch ohne das erste axiale Ende 14 und das zweite axiale Ende 16 zu bedecken. Die nichtleitende Vergußmasse 20 bildet in Kombination mit der Vielzahl achsenbeabstandeter supraleit fähiger Elemente 12 eine integrale Einheit 30, bei der es sich um die Minimalstruktur und wesentliche Konstruktion der Verbundzuleitung als Ganzes handelt, welche die vorliegende Erfindung darstellt. Das Füllmaterial 20 hält und stützt nicht nur die einzelnen supraleitfähigen Elemente 12 in festen räumlichen Positionen zueinander, es verkapselt und schützt außerdem jedes der achsenrichtungsgleich beabstandeten supra leitfähigen Elemente 12 über den größten Teil der Länge der ausgedehnten Körper kumulativ und kollektiv, um eine inte grierte Einheit mit vorgewählten Abmessungen, Masse und Gestalt zu bilden.

Das gewählte Füllmaterial kann eine von verschiedenen Verguß zusammensetzungen sein, die als Mitglieder zusammen eine Klasse mit gemeinsamen Charakteristiken und Eigenschaften bilden. Unter diesen Eigenschaften und Charakteristiken der die Klasse bildenden Mitglieder sind folgende: jedes Füll material ist chemisch und physikalisch resistent gegenüber den Einflüssen einer Temperaturdifferenz, die zwischen etwa 300 K und etwa 4,5 K herrscht. Außerdem ist jedes der gewählten Füllmaterialien sorgfältig zubereitet und eingestellt, um einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu haben, der im wesentli chen ähnlich wenn nicht genau gleich dem Wärmeausdehnungsko effizienten des supraleitfähigen Elementes ist, das die Verbundzuleitung als eine integrale Einheit bildet. Somit gibt es eine zielbewußte Anpassung, Ausrichtung und Auswahl der Hoch-T_c-Materialien, die als supraleitfähige Elemente 12 verwendet werden sollen, mit den nichtleitenden Füllmateria lien 20, so daß jedes von ihnen im wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten zeigt.

Außerdem ist es wünschenswert, daß die elektrisch nichtlei tende Vergußmasse 20, die jedes der beabstandeten supraleitfähigen Elemente über den größten Teil seines axial ausgedehnten Körpers bedeckt und einkapselt, ein hohes Maß an mechanischer und Zerreißfestigkeit hat, nach seiner Kombination mit den supraleitfähigen Elementen und nach Bildung der integralen Einheit relativ unbiegsam und steif ist, daß das Füllmaterial zweckmäßigerweise undurchdringlich für Flüssigkeiten und/oder Gase ist und daß das Füllmaterial über eine Dauer von Jahren haltbar ist, ohne brüchig, wellig oder unstabil zu werden.

Es sei erwähnt, daß die Verbundzuleitung nach Fig. 1 an ihren ersten axialen Enden 14 niederohmige elektri sche Kontakte und elektrische Verbindungen mit normalen elektrischen Leitern auf Temperaturen von 75-80 K bildet, sowie auch an ihren zweiten axialen Enden 16 zu ihrem Anschluß an supraleitende Metalle oder Legierungen auf Temperaturen von 4,5 K. Die elektrischen Verbindungspunkte an jedem axialen Ende 14, 16 werden vorzugsweise durch Metallisierung des HTSC- Materials gebildet, unter Verwendung von Loten aus Speziallegierung (z. B. solchen, wie sie mit dem bereits erwähnten US-Patent Nr. 4 966 142 beschrieben werden). Die niederohmigen elektrischen Kontakte und Verbindungsstellen verhindern die Erzeugung elektrischer Wärme an den Kontaktpunkten, so daß die HTSC-Elemente unter Supraleitungstemperaturen gehalten werden. Außerdem sind diese Kontakte und Verbindungsstellen, da die zweiten axialen Enden 16 bei etwa 4,5 K elektrisch angeschlossen sind, praktisch selbst Supraleiter.

Einige Zusatzeinrichtungen können gewünschtenfalls mit der gebildeten integralen Einheit 30 verbunden oder auf ihr montiert werden, wie es durch Fig. 2 offenbart ist. Wie dort gezeigt, sind mehrere Folien 40, vorzugsweise aus Kupfer oder anderen wärmeleitenden Metallen, während des Zusammenbaus der integralen Einheit 30 in das nichtleitende Füllmaterial 20 eingebettet worden. Es ist höchst wünschenswert, daß diese Folien 40 so im Füllmaterial angeordnet sind, daß ihre Orientierung in einer Ebene oder Achse liegt, die im wesentlichen senkrecht zur Position oder Achse der integralen Einheit 30 ist. Jeder dieser Folien hat einen eingebetteten Rand 42 und einen ausgedehnten Umfang 44, der dazu gedacht ist, in körperliche und thermische Verbindung mit einer Anordnung oder Vorrichtung zu treten, die einen Bereich immer tiefer gehender Temperaturen zwischen 75-80 K und 4,5 K schafft. Diese Folien 40 sind Beiwerk zur Minimal struktur der Verbundzuleitung 10, um thermischen Kontakt mit den Reservoirs unterschiedlicher Temperatur zu erleichtern und um zu verhindern, daß sich die verschiedenen Temperaturberei che durchmischen, in denen die Verbundzuleitung verwendet wird.

Ein anderes wahlfreies Merkmal ist die Verwendung von Flanschen 50, die direkt auf der konturierten Form und Masse des nichtleitenden Füllmaterials 20 angeordnet sind, welche die integrale Einheit bildet. Solche Flansche bestehen aus elastischen Metallen oder Polymeren, und sobald sie um den Umfang der integralen Einheit 30 gelegt sind, wie in der Fig. 2 gezeigt, erlauben diese Flansche 50, daß die Verbund zuleitung innerhalb einer vorbereiteten Baugruppe oder Vorrichtung ohne Schwierigkeit oder große Anstrengung befe stigt, gehalten und gestützt werden kann.

Die supraleitfähigen Elemente sind zweckmäßi gerweise aus Stücken massiven HTSC-Materials aufgebaut; genausogut geeignet für diese Anwendung sind jedoch auch verschiedene andere Formen für die HTSC, wie etwa mehrschich tige Dickfilme und mehrschichtige Massivstücke. Alle diese Formen ziehen Vorteil aus dem Einfluß der Dicke auf die kritische Stromdichte, denn es wurde empirisch gefunden, daß die kritische Stromdichte einer Schicht höher wird, wenn die Dicke dieser Schicht abnimmt. Die Verwendung mehrerer Elemente hat weiterhin den Vorteil, die gesamte integrale Einheit betriebs sicherer angesichts des Ausfalls eines einzigen HTSC-Elementes zu machen. Außerdem wird die thermische Stabilität erhöht, und der Effekt des Eigenfeldes auf die kritische Strombelastbar keit der Verbundzuleitung wird verbessert.

Die Konstruktion einer Verbund zuleitung, die aus massiven HTSC-Leiterelementen besteht, wird hier ausführlich als die bevorzugte Ausführungsform beschrie ben. Die Konstruktion einer Verbundzuleitung unter Verwendung von HTSC-Elementen in den alternativen Formaten ist jedoch die gleiche, abgesehen von der Herstellung der Elemente selbst (bei denen hier angenommen wird, daß sie aus handelsüblichen Quellen bezogen sind).

Die hier verwendeten HTSC-Elemente werden in den Abmessungen und mit den passenden Supraleitungscharakteristiken, die für die vorliegende Anwendung als geeignet erscheinen, kommerziell bezogen. Typische Abmessungen für HTSC-Stücke für ein für 100 A ausgelegtes Durchführungs-Verbundstück sind eine Dicke von 0,1-5 mm, eine Breite von 1-10 mm, eine Länge von 15-30 cm. Bei einer solchen Konstruktion fließt der elektrische Strom längs der axialen Längsabmessung der Elemente. Der Querschnitt für den Stromfluß wird dann durch die Dicke und die Breite der einzelnen Elemente bestimmt. Die Mindestdicke ist begrenzt durch Erwägungen hinsichtlich der Handhabbarkeit, da HTSC ein sprödes Material ist.

Für den Zweck der Herstellung von Kontakten mit jedem Ende der Stücke wird eine Schicht eines leitenden Metalls wie etwa Silber auf die Oberflächen der Elemente an ihren axialen Enden aufgebracht, und zwar über eine Länge von etwa 1 cm, gemessen von jedem axialen Ende. Dann werden die Elemente einer Wärme behandlung in Sauerstoff unterzogen, um den Sauerstoffgehalt des HTSC wiederherzustellen.

Um die Verbundzuleitung zu bilden, werden die HTSC-Elemente am zweckmäßigsten in einer Epoxy-Verbundmasse vergossen, deren Wärmeausdehnungskoeffizient demjenigen des HTSC-Materials angepaßt ist. Dies geschieht durch Zugabe geeigneter Füll stoffe zum Epoxymaterial. Zunächst wird eine geeignete Anzahl von HTSC-Elementen gewählt, um einen genügenden Gesamt-Leiterquerschnitt für den vom Verbundleiter zu übertragenden Strom zu erhalten. Diese wird bestimmt durch die kritische Stromdichte der Elemente mit gewissem Spielraum für Streuungen. Für den 100-A-Verbundleiter wird eine Gesamtquerschnittsfläche von 0,2 cm² als genügend angesehen, es werden also 20 diskrete Elemente benötigt. Die HTSC-Elemente werden nahe zueinander angeordnet und parallel ausgerich tet. Sie sind dicht nebeneinander, jedoch nicht notwendi gerweise in Berührung und meistens elektrisch voneinander isoliert. Zum Vergießen werden sie vorzugsweise an ihren axialen Enden durch geschlitzte Scheiben in Position gehalten, die für diesen Zweck konstruiert sind. Die Scheiben bilden die Endkappen eines Vergußbehälters bzw. einer Gießform. Die Scheiben sind entlang dem Rand der Form angeordnet, so daß die axialen Enden der Elemente nicht innerhalb des Epoxygusses liegen.

Gewünschtenfalls können, um eine Kühlung der einzelnen HTSC- Elemente durch Wärmeleitung zu erlauben, einige getrennte Lagen wärmeleitender Folie wie z. B. Kupfer in thermischen (aber nicht elektrischen) Kontakt mit den Elementen an einigen Stellen entlang ihrer Längen gebracht werden, wobei die mitt leren Ebenen der Folienlagen vorzugsweise senkrecht zur linearen Achse der Elemente liegen. Die Folienlagen haben Laschen (aus Folien ausgeschnitten), die von den Seiten des Epoxygusses vorstehen können, um durch Druck oder Lötung thermischen Kontakt mit den Elementen herzustellen.

Der Vorgang des Vergießens erfolgt durch Einschließen der HTSC-Elemente in einen rohrartigen Behälter oder eine rohr artige Form, die aus Glas hergestellt ist, das rundum mit nichtklebendem Kunststoff oder Wachs ausgekleidet ist. Das Bündel der HTSC-Elemente und die geschlitzten Haltescheiben werden innerhalb des rohrähnlichen Glasbehälters positioniert, dessen ein Ende vorher mit Fett verstopft worden ist. Das flüssige Epoxymaterial wird in den Glasbehälter gegossen und abbinden und aushärten gelassen. Das Ergebnis ist eine HTSC- Verbundzuleitung mit mehreren Elementen, die als integrale Einheit aus dem Glasbehälter geschoben werden kann. Der größte Teil der Länge und des Volumens der HTSC-Elemente ist durch das robuste Verguß-Epoxymaterial gegenüber der Flüssighelium- Umgebung und gegen rauhe Behandlung geschützt. Die axialen Enden der Elemente ragen aus beiden Enden der Epoxymasse hervor und sind bereit zur Herstellung elektrischer Kontakte und Verbindung innerhalb einer Baugruppe.

Bezweckt mit der Verbundzuleitung wird die Übertragung elektrischen Stroms von Quellen, die auf einer Temperatur von 75-80 K liegen, zu supra leitenden Leitungen, die bei der Temperatur flüssigen Heliums (4,5 K) arbeiten. Die Einheit weist mehrere Elemente supraleitfähiger Materie hoher Sprungtempera tur auf, bereitgestellt als Vielzahl supraleitfähiger Elemen te, die parallel zueinander liegen und in einem elektrisch nichtleitenden Füllmaterial vergossen sind, das einen Wärme ausdehnungskoeffizienten hat, der demjenigen des HTSC- Materials im wesentlichen angepaßt ist. Die HTSC-Elemente sind bei und unterhalb 80 K supraleitend und haben einzeln für sich niedrige Wärmeleitfähigkeit. Das Füllmaterial ist so gewählt, daß es niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine minimale Quer schnittsfläche hat, um Wärmeleitung von der 80 K-Temperatur zone in die 4,5 K-Temperaturzone minimal zu machen.

Die konstruktive Anordnung unter Verwendung einer Vielzahl von supraleitfähigen Elementen parallel zueinander ist also gewählt zu dem Zweck, 1) die Wärmeleitung von der 75-80 K- Temperaturzone in die 4,5 K-Temperaturzone zu minimieren, 2) die kritische Strombelastbarkeit der HTSC-Elemente mit der Reduktion der Querschnittsfläche zu verbessern, 3) die thermi sche Stabilität der Verbundzuleitung als integrales Ganzes zu verbessern; 4) die Einflüsse des Eigenfeldes auf die kritische Strombelastbarkeit des Durchführungs-Verbundstückes zu mindern, und 5) die Unterbrechung elektrischer Leitung durch möglichen Ausfall einer oder mehrerer einzelner superleitfähi ger Elemente zu minimieren.

Die typischerweise nach oben und unten orientierten axialen Enden der HTSC-Bauteile sind so positioniert, daß sie um ein oder mehr Millimeter aus der Wirklichkeit des Füllmaterials in der integralen Einheit vorstehen, um den Oberflächenbereich elektrischen Kontaktes der HTSC-Elemente im einzeln zu vergrö ßern. Die oberen und unteren axialen Enden der supraleitfähi gen Elemente werden vorzugsweise metallbeschichtet oder gereinigt und poliert in Vorbereitung zur elektrischen Anschlußbefestigung in der beabsichtigten Baugruppe oder Vorrichtung, die den Ort bzw. die Verhältnisse der beabsich tigten Verwendung und Funktion darstellt.

Bevor weitere Einzelheiten einer Baugruppe beschrieben werden, in der die Verbundzuleitung typischerweise angeordnet wird, sei der weite Bereich und die Vielgestaltigkeit der Mindestbestandteile der Verbundzuleitung erwähnt, die als Ganzes Gegenstand der Erfindung ist.

A. Die supraleitfähigen Elemente Supraleiter mit hoher Sprungtemperatur

Ein weiter Bereich von Substanzen einschließlich feuerfester Oxidverbin dungen, Metall-Legierungen und chemischer Elemente hat Supraleitungseigenschaften. Eine repräsentative, wenn auch unvollständige Auflistung gibt die nachstehende Tabelle 1.

Tabelle 1

Es sei jedoch erwähnt, daß in den letzten Jahren bestimmte Arten von feuerfesten keramischen Oxiden entwickelt worden sind, die "Supraleiter mit hoher Sprungtem peratur" bilden, und daß diese Substanzen höchst zweckmäßig zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung sind. Die Nutzung und der Einsatz von HTSC-Materialien in Anwendungen mit hohen Strömen hängt zum großen Teil ab vom elektrischen Zwischenschichtwiderstand der HTSC-Materialien miteinander, mit anderen Supraleitern und mit normalen Metallen.

Die elektrischen und thermischen Unterschiede zwischen HTSC- Materialien und Standard- oder normalen elektrischen Leitern

Ein Hauptgesichtspunkt bei der Konstruktion einer elektrischen Verbundzuleitung zwischen Stickstoff- und Helium temperaturen ist die Notwendigkeit, den gesamten Leiterwider stand minimal zu machen, um die durch ohmsche Verlustleistung bedingte Joulesche Erwärmung zu minimieren, und die Notwendig keit, die gesamte Wärmeleitfähigkeit minimal zu machen, um eine Übertragung von Wärme über die Zuleitung in die Heliumtempera turzone zu reduzieren. Unter den Standard- oder Normalleitern, die typischer- und herkömmlicherweise zur Übertragung von Strom in Kryostaten verwendet werden, sind Konstantan, rostfreier Stahl und Kupfer. Weiter unten wird gezeigt werden (vgl. Tabelle 4 für eine Zusammenfassung), daß ein Supralei ter, der aus HTSC-Material besteht, besser arbeitet als ein normaler Leiter, der die besten elektrischen und thermischen Leiteigenschaften der Standardleiter hat.

Tatsache ist, daß die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit der Standardleiter eng miteinander verkop pelt sind, so daß der bessere elektrische Leiter im allgemei nen auch die bessere Wärmeleitfähigkeit hat. Diese Tatsache macht das gleichzeitige Erreichen der oben erwähnten Ziele für die Standardleiter in der Praxis unmöglich.

Um zu zeigen, daß HTSC-Materialien Standardleitern vorzuziehen sind, werden die Konstruktions- und Betriebsparameter für einen günstigsten Leiter, der die beste elektrische Leitfähig keit der oben genannten Standardleiter mit der schlechtesten Wärmeleitfähigkeit kombiniert, direkt verglichen und ausgewer tet. Die Tabelle 2 zeigt die spezifischen Widerstände der Standardleiter bei verschiedenen Temperaturen. Als Referenz und zum Vergleich ist der Wert für Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO), die am besten erforschte und am leichtesten verfügbare HTSC-Substanz, hinzugefügt.

Tabelle 2

Spezifische Widerstände von Leitern, die gewöhnlich in der Tieftemperaturtechnik verwendet werden (Mikroohm · cm)

Die Tabelle 2 zeigt, daß Kupfer bei weitem der beste der aufgeführten Standardleiter ist. Unter der Annahme, daß alle hier ausgewerteten Leiter zwischen denselben Temperaturen arbeiten und die gleiche Länge haben, bleibt als einziger frei wählbarer Dimensionierungsparameter des Leiters die Quer schnittsfläche. Die zu nehmende Querschnittsfläche bestimmt sich nach dem Strom, der vom Leiter zu übertragen ist. Gemäß Berechnung muß für einen Strom von 100 A bei Zimmertemperatur ein Kupferdraht einen Durchmesser von 0,734 cm haben, und die Querschnittsfläche des Drahtes beträgt dann 0,423 cm². Unter Einsatz des besten Wertes für die Kupferleit fähigkeit von 0,1 Mikroohm·cm bei 4 K ergibt sich ein Wert von 0,0236 Mikroohm/cm für den Widerstand pro Längeneinheit des Kupferleiters. Eine angenommene Länge des Kupferleiters von 40 cm führt zu einer Verlustleistung von 9,44 mW.

Wenn man bei einem aus YBCO bestehenden Leiter die erwarteten kritischen Ströme in den am Leiter erwarteten Feldern berück sichtigt (siehe unten), dann ist für einen 100-A-Leiter eine Mindestquerschnittsfläche von 0,2 cm² erforderlich. Messungen der ausdauernden Ströme in YBCO bei Stickstofftemperatur liefern für dessen spezifischen Widerstand eine obere Grenze von 2·10^-12 Ohm·cm. Nimmt man diesen Wert und die erforderli che Querschnittsfläche des YBCO, dann ergibt sich ein Wert von 1·10^-11 Ohm/cm für den Widerstand pro Längeneinheit des YBCO.

Dies ist um den Faktor 2360 besser als der Wert für den Kupferleiter. Die Verlustleistung beträgt 4 µW.

Die Tabelle 3 zeigt die mittleren Wärmeleitfähigkeiten der Standardleiter. Die mittlere Wärmeleitfähigkeit bedeutet hier den mittleren Wert der Wärmeleitfähigkeit integriert von Zimmertemperatur bis Heliumtemperatur.

Mittlere Wärmeleitfähigkeit von Leitern, die gewöhnlich in der Tieftemperaturtechnik verwendet werden

W/cm·K
Kupfer
1,60
Konstantan	0,18
Rostfreier Stahl	0,10
YBCO	<6·10^-3 (<77 K)
Epoxy	sehr niedrig

Die Tabelle zeigt, daß rostfreier Stahl die geringste Wärme leitfähigkeit der Standardleiter hat. Setzt man für den hypothetischen Leiter die Wärmeleitfähigkeit des rostfreien Stahls ein, und nimmt man an, daß er zwischen Stickstofftempe ratur und Heliumtemperatur mit derselben Querschnittsfläche wie der vorher beschriebene Kupferleiter arbeitet, dann ergibt sich eine Wärmeableitung von 77,2 mW.

Gemessene und in der Literatur angegebene Werte der Wärmeleit fähigkeit für YBCO sind unterhalb der Stickstofftemperatur kleiner als 6·10^-3 W/cm·K. Somit ist die Wärmeableitung für den YBCO-Leiter 2,3 mW, was um einen Faktor von 33 geringer ist als die Wärmeableitung für den hypothetischen günstigsten Leiter, der die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer und die Wärmeleitfähigkeit von rostfreiem Stahl hat.

Eine Zusammenfassung der Verlustleistung und der Wärmeablei tung für den hypothetischen Leiter und für den YBCO-Leiter ist in der Tabelle 4 dargestellt. Man erkennt, daß der YBCO-Leiter eine um den Faktor 40 bessere Qualität hat als der hypotheti sche Leiter, der die hohe elektrische Leitfähigkeit von Kupfer mit der niedrigen Wärmeleitfähigkeit von rostfreiem Stahl kombiniert. Da die wirklichen Standardleiter in der Kombina tion der Eigenschaften viel schlechter sind, ist der YBCO- Leiter einem Standardleiter für die Lieferung von Leistung bei den gegebenen Temperaturen offensichtlich vorzuziehen und ist um den Faktor 400 besser als die beste Eigenschaftskombination von Standardleitern.

Tabelle 4

Verlustleistung und Wärmeableitung für das günstigste Standardelement und ein YBCO-Element

Es sei erwähnt, daß die in der Tabelle 4 angegebenen Schätz werte nicht die Verjüngung der Leitungen berücksichtigen, die möglicherweise wegen der höheren kritischen Ströme bei niedrigeren Temperaturen eingeht. Sie berücksichtigen auch nicht eine thermische Verankerung bei 20 K, welche die Wärmeableitung in das 4,5 K-Reservoir weiter vermindern kann.

Körperliches Format der HTSC-Elemente

Vorausgesetzt, daß die Verwendung von HTSC-Leiterelementen zu wesentlichen Reduzierungen der Wärmeableitung in die 4,5 K- Temperaturzone führt, sollte man das bevorzugte Format für das die Supraleiterelemente darstellende HTSC-Material bestimmen und wählen. Die verfügbaren Formate sind: a) Dünnfilme, b) Dickfilme und c) Massivkörper.

Um aus diesen Formen eine geeignete und vorteilhafte Form auszuwählen, müssen einige Charakteristiken der verschiedenen Formen untersucht werden. Es handelt sich hierbei um die kritische Stromdichte, die Größe des Substrats relativ zum Supraleiter, die Wärmeleitfähigkeit und Massigkeit des Substrats relativ zum Supraleiterelement, die Kosten des Elementes und schließlich die Verfügbarkeit.

a) Dünnfilme

Um die höchsten kritischen Stromdichten zu erzielen, ist es notwendig, Dünnfilme des HTSC bereitzustellen. Es ist möglich, in Dünnschichten aus YBCO kritische Stromdichten von mehr als 10⁵ A/cm² bei 77 K zu erhalten. Andere Faktoren schränken jedoch die Nutzbarkeit von Dünnschichten bei der vorliegenden Anwendung ein. Bei typischen Dünnschichten von 0,1 Mikron und Substratdicken von etwa 0,1 mm würde bei einem unter Verwen dung von YBCO-Dünnschichten hergestellten Supraleiterelement das Substrat 99,9% und der Leiter nur 0,1% des Querschnittes ausmachen. Außerdem erfordert die Herstellung von Dünnschich ten mit hohen kritischen Stromdichten eine Ablagerung auf speziellen Substraten (MgO, SrTiO₃, ZrO₂), um die Kornaus richtung zu erleichtern. Die Substratstoffe sind im allgemei nen teuer, um die Ablagerungsgeschwindigkeiten sind gering, wodurch die Serienherstellung von Schichtleiterelementen eingeschränkt wird.

b) Dickfilme

Eine verheißungsvollere Form für HTSC-Elemente ist der Dickfilm. Um dicke supraleitfähige Filme zu bilden, hat man Dickschichten aus YBCO in einem organischen Bindemittel im Siebdruck auf verschiedene Substrate aufgebracht und wärmebe handelt. Es sind Schichten bis zu 40 Mikron Dicke mit guten Supraleitungseigenschaften durch andere angefertigt worden. Dickschichten aus YBCO mit einer Silberimprägnierung von 10 Gewichtsprozent liefern kritische Stromdichten von 3000 A/cm² bei 77 K und 100 A/cm² bei einem angelegten Magnetfeld von 500 Gauß. Man kann also davon ausgehen, daß Dickschichten auf Substra ten eine hundertfach bessere elektrische Leitung im Quer schnitt bringen als Dünnschichten. Jedoch sind die maximalen kritischen Stromdichten um mindestens den gleichen Faktor niedriger als bei Dünnfilmen. Die leichte Herstellbarkeit von Dickfilmen verspricht viel niedrigere Produktionskosten als die Herstellung von Dünnfilmen.

c) Massives HTSC-Material

Die am meisten übliche Form von HTSC (z. B. YBCO) ist Massiv material aus gesintertem Pulver keramischen Oxids. Kritische Stromdichten in der Höhe von 1100 A/cm² bei 77 K, wie man sie in massiven Probestücken gefunden hat, sind geringer als diejenigen, die man in Dünnschichten gefunden hat, und für handelsübliche Stücke sind Werte von 50 A/cm² typisch. Der Vorteil der Verwendung massiven HTSC-Materials wie YBCO als Supraleiterelement ist das Fehlen eines Substrats, so daß der gesamte Querschnitt des Elementes aus elektrischem Leiter besteht und kein Beitrag zur Wärmeleitung durch ein Substrat vorhanden ist. Der Nachteil massiven YBCO-Materials ist seine Steifigkeit und Sprödigkeit. Der letztgenannte Nachteil kann jedoch durch Verwendung eines geeigneten Vergußmaterials überwunden werden. Eine gewisse Verbesserung in der kritischen Stromdichte und des Verhaltens bei schwachen Feldern hat man durch Packen des YBCO-Pulvers in Silberrohr, durch Ziehen und Pressen des Rohrs in flache Bänder und Wärmebehandlung in Sauerstoff erzielt. Kritische Stromdichten in der Höhe von 2000 A/cm² bei einem angelegten Magnetfeld von Null und 20 A/cm² bei 200 Gauß sind erreicht worden. Die Bänder sind etwas biegsam. Der Hauptnachteil der Bänder bei dieser Anwendung ist die hohe Wärmeleitfähigkeit der Silberummantelung. Für gegen wärtig verfügbare Bänder macht diese ungefähr 60% des Quer schnitts des Supraleiters aus. Diese Ummantelung wäre im Falle ihrer Benutzung für die laufende Verwendung zu minimieren, oder es wären alternative Stoffe für die Ummantelung zu verwenden.

Offensichtlich ist HTSC-Massivmaterial die bevorzugte Wahl. Die untenstehende Tabelle 5 faßt die Eigenschaften der oben erwähnten Formen zusammen. Außerdem ist ein HTSC-Massiv material aus keramischem Oxid wie etwa YBCO die derzeit bevorzugte Wahl für großtechnische Anwendungen. Dieses Material hat eine genügend hohe kritische Stromdichte, um beträchtliche Ströme in vernünftigen Leiterquerschnitten zu leiten (z. B. 500 A in 1 cm²). Massives YBCO ist weitgehend verfügbar und weniger teuer als Filme. Bei kreativer Abschir mung durch Mu-Metall oder sogar HTSC-Abschirmungen kann es seine Strombelastbarkeit bei mäßigen magnetischen Umgebungs feldern beibehalten. Bei passender mechanischer Verstärkung werden die Sprödigkeit und Handhabungsprobleme wesentlich reduziert. Somit ist massives YBCO oder Wismut-Strontium- Calcium-Kupfer-Oxid (BSCCO) das bevorzugte HTSC-Material.

Tabelle 5

Zusammenfassung der Eigenschaften verschiedener Formate für HTSC-Leiterelemente

Nicht-laminierte und laminierte Formate für das HTSC-Element

Die HTSC-Elemente können auch alternativ entweder als nicht laminierte oder als laminierte Strukturen angefertigt und strukturiert werden, bevor sie verwendet und mit dem Füllmate rial zur Bildung der integralen Einheit vergossen werden. Die verfügbare Auswahl enthält: a) lange dünne Stücke aus massivem HTSC, b) mehrschichtige Dickfilmlaminate und c) mehrschichtige Zubereitungen aus massivem Material.

a) Lange dünne Stücke aus massivem HTSC

Dies ist die bevorzugte Form, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt und ausführlich oben beschrieben wurde. Dies ist klar das am meisten bevorzugte Format für das HTSC-Material.

b) Mehrschichtige Dickfilmlaminate

Diese Form verwendet dicke Filme aus supraleitfähigen Materialien, die auf ein tragendes polymeres Substrat aufgebracht werden, um eine laminierte Konstruktion zu bilden. Die Zubereitung von HTSC- Dickfilmlaminaten und die resultierende Struktur und Konstruk tion ist allgemein bekannt und in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben. Zweck und Ziel ist es, eine dicke Schicht aus einem Supraleiter wie z. B. YBCO auf ein geeignetes Substrat aufzubringen und dann eine strukturell kompatible Schicht eines elektrischen Isolators (etwa nicht supraleitfähiges YBCO) als Deckschicht auf das Laminat zu bringen. Das Endprodukt ist dann ein elektrisch isoliertes HTSC-Laminat, das anschließend als einzelnes supraleitfähiges Element innerhalb des Durchführungs-Verbundkörpers verwendet wird. Solche Dickfilm-Supraleiter in Mehrschichtlaminat haben niedrige Wärmeleitfähigkeit, sind dünne Schichten relativ zur Dicke des Gesamtelementes und werden einzeln als supraleitfä hige Elemente im Abstand voneinander achsenrichtungsgleich innerhalb des umgebenden Füllmaterials verwendet, um die integrale Einheit zu bilden.

c) Mehrschichtige Zubereitungen aus Massivmaterial

Um ein massives HTSC-Element in mehrschichtiger Form herzustellen, wird das Vorläuferpulver für die HTSC-Masse zweckmäßigerweise in eine gestaltete Preß- oder Hohlform gepackt, um es in ein geformtes Pellet vorgewählter Gestalt und Abmessungen zu pressen, ähnlich einer Scheibe oder Platte. Die HTSC-Masse wird jeweils eine Schicht auf einmal in die Preßform gepackt und gepreßt, um eine Platte zu bilden. Anschließend wird jede gepreßte HTSC-Schicht-Platte mit Separatorelementen wie etwa einer Metallfolie bedeckt, die unschädlich für das HTSC-Material ist. Ein geeignetes Metallfolien-Separatormaterial ist Kupfer folie. Dann wird eine weitere Schicht aus HTSC-Pulver in die Preßform gepackt und auf die Dicke der Zubereitung gepreßt. So werden mehrere abwechselnde Schichten von pulverförmigem HTSC- Material und Separatorpartikeln nacheinander zusammengepreßt, um eine mehrschichtige Laminatstruktur zu bilden. Die voll ständige Laminatzubereitung wird dann schließlich in eine vorgewählte Gestalt und Abmessung geprägt oder geformt, etwa als ein Pellet vorgegebener Größe und Dicke. Das gepreßte Pellet, welches die mehrschichtige Massivlaminat-Zubereitung darstellt, wird dann in der herkömmlichen Weise gebrannt und mit Sauerstoff angereichert, um ein supraleitendes Element zu liefern. Mehrere dieser mehrschichtigen Massivmaterial- Zubereitungen werden individuell hergestellt und gemeinsam verwendet, um eine Vielzahl supraleitfähiger laminierter Elemente vorzusehen, welche die integrale Einheit bildet, die den Durchführungsverbinder darstellt.

B. Das elektrisch nichtleitende Füll- oder Vergußmaterial

Das die erfindungsge mäße Verbundzuleitung bildende Füllmaterial braucht nur vier Mindest eigenschaften und -charakteristiken zu zeigen, nämlich: das Füllmaterial ist selbst elektrisch nichtleitend; das Füllmaterial hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit zwischen 300 K und 4,5 K; das Füllmaterial ist resistent gegenüber den Einflüssen der Temperaturdifferen zen von etwa 300 K bis etwa 4,5 K, und das Füllmaterial hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der im wesentlichen gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der supraleitfähigen Elemente ist, die in der speziellen Ausführungsform des Durchführungs-Verbundkörpers verwendet werden.

Außerdem gibt es eine Anzahl optionaler Merkmale des Füll- oder Vergußmaterials bei bevorzugten Ausführungsfor men der vorliegenden Erfindung. Diese sind: ein Füllmaterial, das über die Dauer von Jahren haltbar und chemisch stabil ist; ein Füllmaterial, das relativ undurchdringlich für Flüssigkei ten und Gase ist; ein Füllmaterial, das ein Polymer ist und nach Bedarf zubereitet und mit Leichtigkeit und Schnelligkeit manipuliert werden kann, und ein Füllmaterial, das herkömmli che Rezeptur hat und in handelsüblichen Mengen für den Gebrauch zur Verfügung steht.

Bei dem angegebenen Bereich von Minimaleigenschaften und wünschenswerten Charakteristiken für die Füll- oder Vergußmaterialien bilden Epoxymaterialien als chemische Klasse die am meisten geeigneten wünschenswerten Zusammensetzungen für den Gebrauch. Zur Wahl stehen handelsübliche Epoxymaterialien, die herkömmlicherweise in Tieftemperatur-Umgebun gen verwendet werden. Einige Epoxyzusammensetzungen enthalten feste Stoffe, die es dem Benutzer erlauben, den Wärmeausdeh nungskoeffizienten des Epoxymaterials zu modifizieren und zu ändern; am meisten geeignet für den vorliegenden allgemeinen Zweck erscheinen Epoxymaterialien mit niedriger Viskosität. Diese Epoxymaterialien sind im Handel erhältlich; die wissen schaftliche und Werbeliteratur vermittelt jedoch mehr als genug Kenntnisse und Information für jeden Durchschnittsfach mann, der seine eigenen Epoxyansätze für seinen eigenen Gebrauch und spezifizierte Parameter zuzubereiten wünscht.

Solche Epoxymaterialien können mit einem Abisolier werkzeug entfernt oder unter Anwendung eines warmen Lötkolbens fortgeschnitten werden. Sie können auch durch verschiedene organische Lösungsmittel über eine Dauer von Stunden bis Wochen angegriffen werden - einige Beispiele sind Aceton (das langsam einwirkt und gut für kurzfristige Reinigung von Stücken ist) und Methylenchlorid (das wesentlich schneller einwirkt). Die Epoxymaterialien werden durch konzentrierte Säuren nur schwach angegriffen und erscheinen undurchdringlich für starke Basen.

Ein brauchbares Fabrikationsverfahren besteht darin, eine Form aus Aluminium zu schaffen, die mit hoher Präzision auf eine sehr glatte Oberfläche bearbeitet werden kann, das Epoxymate rial hinein- oder herumzugießen und dann später das Aluminium mit konzentrierter NaOH fortzuätzen. Auf diese Weise sind sehr präzise und feine Strukturen hergestellt worden.

Die Verbundzuleitung gemäß der vorliegenden Erfindung wird in eine zweckvoll hergerich tete Baugruppe und Anordnung gesetzt, die elektrischen Strom durch drei verschiedene Temperaturmilieus leitet, eine 75-80 K-Zone, eine 20-25 K-Zone und eine 0-5 K-Zone.

Eine bevorzugte Anordnung und eine bevorzugte Baugruppe für das Durchführungsstück bzw. die Verbundzuleitung zum Übertra gen eines 100 Ampere starken elektrischen Stroms von 300 K auf 4,5 K ist in der Fig. 3 dargestellt, worin die Verbund zuleitung (Fig. 1) innerhalb einer Haltekammer oder Raumzone positioniert darge stellt ist, die ein Reservoir oder Bad aus flüssigem Helium auf eine Temperatur von 4,5 K oder weniger ist. Die Orientie rung und Positionierung der Verbundzuleitung 10 ist so, daß das erste axiale Ende 14 innerhalb der 75-80 K-Temperaturzone liegt, die den oberen Bereich der Kammer bildet; der ausge dehnte axiale Körper 18 liegt innerhalb der Mitte der Kammer, welche die 20-25 K-Temperaturzone bildet, und das zweite axiale Ende 16 ist in flüssiges Helium auf einer Temperatur von 4,5 K oder weniger getaucht, das sich am Boden der Kammer befindet. Die verschiedenen Temperaturbereiche oder -zonen im Innenraum der Haltekammer werden dadurch, daß das flüssige Helium auf 4,5 K oder weniger gehalten wird, gebildet und aufrechterhalten, weil sich Heliumdampf über dem flüssigen Heliumbad bildet und vom Boden der Kammer frei wird, und die Heliumdämpfe steigen unvermeidbar in den oberen Be reich der Haltekammer, wodurch das innere Raumvolumen der Kammer vom Boden zum oberen Ende während des Fortschreitens der Migration des Dampfes gekühlt wird. Auf diese Weise werden trotz des Fehlens von Folien, Wänden, Ablenkplatten, Balgen oder anderen körperlichen Hindernissen oder Sperren innerhalb des Innenraumvolumens der Haltekammer drei verschiedene Tempe raturzonen von 4,5 K, 20-25 K und 75-80 K geschaffen und aufrechterhalten.

Vor dem Einsetzen in die beabsichtigte 25-80 K-Temperaturzone der Haltekammer werden eine erste Metallkappe 60 und eine normale elektrische Leitung 62 auf und um das erste axiale Ende 14 und die supraleitfähigen Elemente 12 der Verbund zuleitung 10 angeordnet. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist diese erste Metallkappe 60 vorzugsweise in ihrer Gesamtgestalt zylindrisch, sie ist hohl in ihrer Konstruktion und so dimen sioniert, daß sie eng über das erste axiale Ende 14 paßt; sie besteht aus einem normalen elektrischen Leiter, wie etwa Kupfer, und enthält eine Öffnung, durch die eine verflüssigte Niedertemperatur-Lötlegierung 64 (wie sie etwa im US-Patent Nr. 4 966 142 beschrieben ist) eingeführt worden ist, um das innere leere Raumvolumen zwischen den supraleitfähigen Elemen ten 12 und der ersten Metallkappe 60 zu füllen. Auf diese Weise wird eine solide und sichere elektrische Verbindung zwischen dem ersten axialen Ende 14 der Verbundzuleitung 10 und dem normalen elektrischen Leiter in der beabsichtigten 75- 80 K-Temperaturzone hergestellt und aufrechterhalten, die ihrerseits selbst in elektrischer Verbindung mit der Außenumgebung von etwa 20 K steht.

In ähnlicher Weise wird vor dem Eintauchen in das flüssige Heliumbad von 4,5 K eine zweite Metallkappe 70 mit supraleit fähigen Filamenten 72 (etwa NbTi) über und um das zweite axiale Ende 16 und die supraleitfähigen Elemente 12 der Verbundzuleitung 10 angeordnet. Wie in Fig. 3 erkennbar, ist diese zweite Metallkappe 70 ebenfalls vorzugsweise in ihrer Gesamtgestalt zylindrisch, sie ist ebenfalls hohl konstruiert und so dimensioniert, daß sie eng über das zweie axiale Ende 16 paßt; sie besteht aus einem elektrischen Leiter wie etwa Kupfer und enthält eine Öffnung, durch die eine verflüssigte Tieftemperatur-Supraleiterlegierung 74 (wie sie etwa in der US-Patentschrift Nr. 4 966 142 beschrieben ist) eingeführt ist, um das innere leere Raumvolumen zwischen den supraleitfä higen Elementen 12 und der zweiten Metallkappe 70 zu füllen. Auf diese Weise wird eine solide und sichere supraleitfähige elektrische Verbindung zwischen dem axialen Ende 16 der Verbundzuleitung 10 und den supraleitfähigen Feindrähten 72 geschaffen und aufrechterhalten, um durch das flüssige Helium bad auf Temperaturen von 4,5 K gehalten zu werden.

Die Verbundzuleitung nach der Erfindung sei innerhalb einer alternativen Baugruppe oder Anordnung angeordnet, die einen elektri schen Strom durch drei verschiedene Temperaturzonen leitet und optional eine Vorrichtung mit vier Hauptteilen enthält. Die drei verschiedenen Temperaturzonen sowie die vier Hauptteile der Baugruppe sind schematisch in Fig. 4 dargestellt.

Gemäß der Darstellung der Fig. 4 übertragen Kupfer leitungen einen 100 Ampere starken elektrischen Strom von einer Zimmertemperaturzone (300 K) in eine 75-80 K-Temperatur zone einer Haltekammer. Die herkömmliche Kupferleitung selbst ist mit der Vielzahl von Verbundzuleitungen verbunden, deren jede ein erstes axiales Ende hat, das sich von der Stirnfläche der integralen Einheit nach außen erstreckt. Die Kupferleitung ist elektrisch und körperlich direkt mit den supraleitfähigen Elementen 12 verbunden, die innerhalb der Kammer in der 75- 80 K-Temperaturzone vorhanden sind. Der ausgedehnte axiale Körper 18 der Durchführungs-Verbundzuleitung 10 selbst reicht dann von der 75-80 K-Temperaturzone in einen hergerichteten Vakuumraum und -apparat bei etwa 20-25 K, der die 75-80 K- Temperaturzone von der durch flüssiges Helium hergestellten 4,5 K-Temperaturzone physikalisch trennt. Die axiale Körper länge der Verbundzuleitung führt dann von der 20-25 K-Vakuum zone direkt über das zweite axiale Ende 16 der supraleitfähi gen Elemente 12, die individuell die Durchführungs-Verbund zuleitung bilden, in die 4,5 K-Zone des flüssigen Heliums. Das besagte zweite axiale Ende 16 einer jeden Verbundzuleitung 10 ist körperlich mit den bei Tieftemperatur supraleitenden Magnetzuleitungen (typischerweise bestehend aus NbTi) verbund en, die innerhalb der 4,5 K-Temperaturzone verankert sind.

Jede Verbundzuleitung ist so mit ihrem einem axialen Ende körperlich und elektrisch an Kupferzuleitungen aus 300 K- Stromquellen angeschlossen, während das andere axiale Ende körperlich und elektrisch in Verbindung mit den bei Tieftempera tur supraleitenden Magnetleitungen verbunden ist, die innerhalb der Zone der Temperatur von 4,5 K des flüssigen Heliums verankert sind.

Mit der alternativen Anordnung nach Fig. 4 sind die vier Hauptteile der Anordnung also folgende: mindestens eine erfindungsgemäße Verbundzuleitung; die physikalische Vorrichtung, die einen Vakuumraum und einen Temperaturgradienten zwischen der 80 K-Temperaturzone und dem 4,5 K-Temperaturmilieu schafft; die elektri sche Verbindung zwischen den normalen Kupferleitungen innerhalb des 80 K-Temperaturmilieus und den ersten axialen Enden der die Verbundzuleitung bildenden supraleitfähigen Elemente, und die physikalische und elektrische Verbindung zwischen den supraleitfähigen Magnetleitungen bei 4,5 K und den zweiten axialen Enden der die Verbundzuleitung bildenden supraleitfähigen Elemente in diesem 4,5 K-Temperaturmilieu.

Die in dieser Anordnung verwendete Verbundzuleitung ist diejenige, die weiter oben beschrieben wurde und in Fig. 2 dargestellt ist. Um den thermischen Kontakt mit den 75-80 K-, 20 K- und 4,5 K-Temperaturmilieus zu erleichtern, liegen die zuvor in das Epoxy-Füllmaterial der Verbundzuleitung eingebetteten Kupferfolien so, daß sie sich in einer Ebene senkrecht zur linearen Achse des Verbundkörpers selbst innerhalb der Anordnung erstrecken. Laschen an den Kupfer folien (nicht gezeigt) werden thermisch mit Laschen verankert, deren Ausgangspunkte innerhalb der verschiedenen Temperaturzo nen liegen. Diese Anordnung dürfte besser geeignet sein für diejenigen Anwendungen, bei denen die Kühlung mittels Kältemittelzirkulation durch Rohre anstatt durch Eintauchen verschiedener Bauteile in eine Kälteflüssig keit wie etwa Helium erfolgt. Diese Anordnung verhindert außerdem den Verlust an Heliumgas aus dem zirkulierenden Kältemittel in der 4,5 K- Temperaturzone.

Wie schematisch in Fig. 4 gezeigt, ist es manchmal wünschens wert, daß ein bestimmter Bereich und Raum abgeschottet ist, um das 80 K-Temperaturmilieu oben in der Kammer von dem 4,5 K-Temperaturmilieu unten in der Kammer zu trennen. Um diesen Zweck zu erreichen, ist es vorteilhaft, eine Vorrichtung zu bauen, die eine Vielzahl verstärkter, temperaturresistenter Wände vorsieht und einen bestimmten Raum zwischen den temperaturtrennen den Wänden enthält, der durch mechanische Pumpen (oder anderweitig) zu evakuieren ist, um ein Vakuum zu schaffen. Eine Vorrichtung, die geeignet ist, sowohl die temperaturtren nenden Wände als auch den inneren Vakuumraum zwischen dem 80 K-Temperaturmilieu und der 4,5 K-Temperaturzone zu realisieren, ist durch die Fig. 5 dargestellt.

Wie mit Fig. 5 gezeigt, weist die Vorrichtung eine erste temperaturtrennende Wand 100 und eine zweite temperaturtren nende Wand 102 auf. Die Wand 102 trennt den inneren Vakuumraum 104 von der 80 K-Temperaturzone, während die Wand 102 den inneren Vakuumraum 104 vom 4,5 K-Temperaturmilieu trennt. Innerhalb des Vakuumraums 104 befindet sich ein Balg 110, durch den der axiale Körper und die Länge der Verbundzuleitung 106 hindurchgreift. Der Balg 110 selbst besteht aus einer Balgbasis 112 und den aufblasbaren und zusammendrückbaren Balgfalten 114 und enthält zweckmäßigerweise zwei Stirnseiten 116, die eng in den Flansch (nicht gezeigt) eingepaßt sind, der auf der axialen Länge der Verbundzuleitung 106 angeordnet ist. Im Vakuumraum 104 wird ein Vakuum von mindestens 10^-6 Torr durch herkömmliche mechanische Mittel (Diffusionspumpe, Turbopumpe oder Ionenpumpe) aufrechterhalten. Außerdem befin det sich in den Balg-Stirnseiten 116 eine Vielzahl von Löchern oder Öffnungen 116 für den Durchgang einer jeden Verbund zuleitung 106, und es sind die Metallflansche, die zuvor in die Verbundzuleitung selbst vergossen wurden (wie in Fig. 2 gezeigt), die für eine robuste Befestigung der durch den Balg gehenden Verbundzuleitungen sorgen und eine thermische Ausdeh nung und Zusammenziehung der Verbundzuleitungen zulassen, während jene das 80 K-Temperaturmilieu mit dem 4,5 K- Temperaturmilieu verbinden.

Weil bekanntlich äußere Magnetfelder die Strombelastbarkeit der Durchführungsleitung wesentlich reduzieren, können außerdem ein oder mehrere magnetische Abschirmungen (nicht gezeigt) angeordnet und verwendet werden, um das durch den Balg geführte Durchführungs-Verbundstück zu umgeben. Diese magnetischen Abschirmungen können aus Folien aus Mu-Metall bestehen oder selbst supraleitfähige Stoffe mit hoher Sprung temperatur sein.

Da sich die kritische elektrische Stromdichte der Verbund zuleitung bei abnehmender Temperatur erhöht, wird außerdem die zur Übertragung eines gegebenen elektrischen Stroms erforder liche Querschnittsfläche der Verbundzuleitung geringer, wenn die Leitungen Heliumtemperatur erreichen. Dieses Phänomen gestattet es, die supraleitfähigen Elemente selbst in Gestalt und Abmessungen zu verjüngen, je näher sie dem 4,5 K-Tempera turmilieu kommen, womit gleichzeitig auch die Wärmeableitung aus den wärmeren Temperaturzonen zum 4,5 K-Temperaturmilieu vermindert wird.

Die Verbundzuleitungen sollten folgende Eigenschaften haben: a) eine niedrige Stromwärme kapazität nicht nur innerhalb der integralen Einheit, sondern auch an den elektrischen Anschlüssen, mit denen die axialen Enden verbunden sind; b) eine geringe Gesamt-Wärmeleitfähig keit zwischen den verschiedenen Temperaturzonen und -milieus, und c) eine mechanisch und elektrisch zuverlässige Konstruk tion. Außerdem verwenden bevorzugte Ausführungsformen 6 bis 12 Paare von Verbundzuleitungen gleichzeitig, deren jede einzeln in der Lage ist, elektrischen Strom von 100 Ampere zu übertra gen. Bei der Organisation und Vorrichtungskonstruktion, wie sie schematisch in den Fig. 3 bzw. 4 gezeigt sind, läuft jede Verbundzuleitung typischerweise durch einen Raum von 7,5 cm im Durchmesser, hat typischerweise eine axiale Länge von 25 cm und funktioniert in einem äußeren Feld von 200 Gauß. Für eine repräsentative Baugruppe und Anordnung stellt man sich vor, daß sie sechs Paare von Verbundzuleitungen enthält, deren jede individuell elektri schen Strom zwischen 75-80 K und 4,5 K leitet.

Elektrischer Anschluß und körperliche Verbindungen

Die Art und Weise körperlicher und elektrischer Verbindungen zwischen den ersten axialen Enden der Verbundzuleitung und den normalen Kupferleitungen in der 75-80 K-Temperaturzone bei der alternativen Anordnung und Baugruppe ist in Fig. 6 darge stellt. Wie dort gezeigt, wird eine Verbindung zwischen der normalen Kupferleitung 200 und dem ersten axialen Ende 14 eines jeden supraleitfähigen Elementes 12 hergestellt. Diese Verbindung (die durch ein Kältesystem auf etwa 75-80 K gehalten wird) sorgt für den elektrischen Anschluß zwischen der Verbundzuleitung nach Fig. 2 und den normalen Leitungen, die aus einem Zimmertemperatur-Milieu kommen. Die normalen Leitungen bestehen aus Kupfer, sind zur Minimierung der Wärmeleitung vom Zimmertemperatur-Milieu in das 80 K-Tempera turmilieu ausgewählt und übertragen den elektrischen Strom aus der auf Umgebungstemperatur liegenden elektrischen Quelle. Die Kupferleitung selbst ist unter Verwendung herkömmlicher Lotlegierungen 206 an eine ausgestemmte Kupferplatte 210 gelötet, welche die ersten axialen Enden 14 der supraleitfähi gen Elemente 12 einzeln ergreift.

Die ausgestemmte Kupferplatte 210 wird im voraus wie folgt hergestellt. Die Platte 210 hat solche Abmessungen, daß sie auf die vom ersten axialen Ende des Durchführungs-Verbund stückes gebildete Querschnittsfläche paßt und wird auf einer Seite ausgestemmt, um die ersten axialen Enden 14 aller supraleitfähiger Elemente 12, die von der Stirnfläche der integralen Einheit vorstehen, einzeln aufzunehmen. Vorzugs weise hat die ausgestemmte Seite der Kupferplatte 210 eine Dicke von 1,5 cm. Sobald die ausgestemmte Seite an den ersten axialen Enden der supraleitfähigen Elemente einzeln angreift, wird die Gesamtheit der Kupferplatte 210 an die supraleitfähi gen Elemente 12 in nachstehender Weise angelötet. Die Kupferplatte 210 wird zunächst gleichmäßig auf die Schmelztemperatur einer Niedrigtemperatur-Lotlegierung (wie etwa solche, die im US-Patent Nr. 4 966 142 beschrieben sind) erwärmt. Die warme Kupferplatte 210 wird dann verzinnt und auf der ausgestemmten Seite mit der Niedrigtemperatur-Lotlegierung 220 gefüllt. Dann werden die ersten axialen Enden 14 der supraleitfähigen Elemente 12, die zuvor mit dem niedrigschmel zenden Lot metallisiert worden sind, in körperlichen Kontakt mit der erwärmten Kupferplatte gebracht, auf die Schmelztempe ratur der Lotlegierung 220 innerhalb der erhitzten Platte gebracht und dann in die mit einer niedrigschmelzenden Lotlegierung gefüllten Stemmlöcher der erhitzten Kupferplatte eingesetzt. Anschließend wird die Wärme von der Kupferplatte weggenommen und die gebildete Verbindung abkühlen gelassen. Die körperliche Verbindung wird dann zweckmäßigerweise in einem nichtleitenden Füllmaterial (nicht gezeigt), vorzugs weise Epoxymaterial, in einer ähnlichen Weise verkapselt, wie es weiter oben für die Herstellung des Durchführungs-Verbund stückes beschrieben wurde, um sowohl mechanische Festigkeit als auch elektrische Zuverlässigkeit für diese elektrische Verbindung sicherzustellen.

Am anderen axialen Ende einer jeden, sich durch die Baugruppe erstreckenden Verbundzuleitung befinden sich die einzelnen zweiten axialen Enden 16, deren jedes körperlich und elektrisch bei 4,5 K mit einem Tieftemperatur-Supraleiter zu verbinden ist, typischerweise einem Magnetleiter aus NbTi- Kupfer-Verbund. Wie in Fig. 7 gezeigt, ist die Art und Weise der Verbindung folgende: Zuerst wird der Kupfermantel 300 vom Magnetleiter unter Verwendung einer Salpetersäurelösung entfernt, um den NbTi-Feindraht 302 am Ende freizulegen, und es wird eine auf einer Seite mit Zapfenlöchern ausgestemmte Kupferplatte 310 vorgesehen, erhitzt, verzinnt und mit einer niedrigschmelzenden Lotlegierung 312 gefüllt, ähnlich wie es oben für die ausgestemmte Platte an der 80 K-Verbindung beschrieben wurde. Die an der 4,5 K-Verbindungsstelle verwen dete niedrigschmelzende Lotlegierung 312 ist vorzugsweise eine im US-Patent 4 926 142 beschriebene Legierung, die selbst supraleitend ist, und sorgt für einen sehr niederohmigen Zwischenschichtkontakt mit den Enden der NbTi-Litze. Auf diese Weise wird die Joulesche Erwärmung an dieser Tieftemperatur- Verbindungsstelle wesentlich reduziert. Dann werden die freigelegten Feindrähte 302 der NbTi-Litze aufgefächert, verzinnt und gegen die ausgestemmte Seite der Kupferplatte 310 gepreßt und in dieser Weise auf die Temperatur der erhitzten Kupferplatte gebracht. In ähnlicher Weise werden die zweiten axialen Enden 16 der die Verbundzuleitung bildenden supraleitfähigen Elemente 12 ebenfalls gegen die Oberfläche der aufgeheizten Kupferplatte 310 gedrückt und dadurch auf deren erhöhte Temperatur gebracht. Dann werden die zweiten axialen Enden 16 der supraleitfähigen Elemente selbst sorgfältig in die ausgestemmten und mit Lotlegierung gefüllten Zapfenlöcher der aufgeheizten Kupferplatte eingesetzt, wodurch die NbTi-Litze zwischen sie und die Kupferplatte eingeschich tet wird. Die so gebildete Verbindung wird dann abkühlen gelassen und anschließend in einem Füllmaterial (nicht gezeigt), vorzugsweise Epoxymaterial, vergossen, um die mechanische Festigkeit und elektrische Zuverlässigkeit der gebildeten Verbindung bei 4,5 K zu gewährleisten.

Um den Bereich und die Mannigfaltigkeit des erfindungsgemäßen Durchführungs-Verbundstückes aufzuzeigen, werden einige beispielhafte Experimente angeführt, welche die Charakteri stiken und Eigenschaften des Erfindungsgegenstandes als Ganzes aufzeigen.

Wie in Fig. 8 dargestellt, wurde ein DT-470-Diodenthermometer (D1) an der Außenseite der oberen Kupferkappe montiert. Hierbei handelt es sich um diejenige Kappe, welche die Lötver bindung mit den auf der hohen Temperatur (75-80 K) liegenden Enden der YBCO-Stäbe enthält. An diese Kappe ist außerdem ein Spannungsabgriff (V1) angelötet. Um die Kappe ist eine Widerstandsheizung gewickelt. Ein Thermoelement vom T-Typ (TC1) ist im Epoxymaterial des Durchführungs-Verbundstückes nahe der oberen Verbindungsstelle eingebettet, um die Temperatur im Inneren des Verbundstückes zu überwachen. Etwa auf dem halben Wege zwischen dem Hochtemperatur- und dem Tieftemperatur-Ende des Verbundstückes ist ein Thermoelement (TC3) eingebettet. Nahe dem Tieftemperatur-Ende (4,5 K) des Verbundstückes ist ein Thermoelement (TC2) eingebettet. An der Außenseite des Kupferrohrs, das die Tieftemperatur-Lötverbin dung mit den YBCO-Stäben enthält, ist eine DT-470-Diode (D2) befestigt, und ein Spannungsabgriff (V2) ist direkt in diese Verbindungsstelle eingebettet.

Es sei bemerkt, daß diese Versuchsanordnung und -konstruktion eine Mehrzahl verschiedener Informationen liefert. Die festgestellte Probenspannung ist die Differenz V1-V2. Der Probenstrom wird gemessen, indem die Spannung zwischen zwei Abgriffen an den äußeren Stromzuleitungen abgelesen wird. Die festgestellte Probenleistung ist das Produkt dieser Spannung und dieses Stroms. Diese empirischen Daten sind in den Fig. 9 bis 12 angegeben.

Die Probenspannung und die Maximaltemperatur als Funktion des elektrischen Stroms sind in Fig. 9 gezeigt, welche die Temperaturstabilität der auch auf der hohen Temperatur liegenden elektrischen Verbindung bei verschiedenen Leitungsströmen zeigt. Wie man sieht, ist die Verbindung von 120 Minuten bis 160 Minuten selbsterwärmend und zeigt nur einen vernachlässigbaren Temperaturanstieg. Bei 160 Minuten wird der oberen Verbindung Heizleistung zugeführt, um die Temperatur auf den normalen beabsichtigten Betriebswert von 70 K anzuheben.

Die Fig. 10 zeigt die Verlustleistung einer 100-A-Verbund zuleitung als Funktion der Temperatur bei verschiedenen Betriebsströmen. Im Vergleich hierzu zeigt die Fig. 11 den Gesamtwiderstand einer 100-A-Verbundzuleitung als Funktion der Temperatur für verschiedene Betriebsströme. Die Fig. 12 zeigt den Gesamtwiderstand einer 100-A-Verbundzuleitung als Funktion des Betriebsstroms bei einer einzigen, auf 60 K gehaltenen Temperatur. Die Daten dieser graphischen Darstellung veranschaulichen etwas, das für "Flußkriech"-Effekte in HTSC- Elementen gehalten wird, die zu exponentiellen Erhöhungen des Widerstandes bei oder nahe der normalen Betriebstemperatur für die Verbundzuleitung führen.

Claims

1. Verbundzuleitung zum Leiten eines elektrischen Stromes zwischen einem Bereich auf einer Temperatur von 75 bis 80 K und einem Bereich auf einer Temperatur von etwa 4,5 K, gekenn zeichnet durch eine Vielzahl paralleler, mit Abstand vonein ander angeordneter länglicher supraleitfähiger Elemente (12) mit einer Sprungtemperatur von über 75 bis 80 K, die in einem elektrisch nichtleitenden Füllmaterial (20) unter Bildung einer Einheit (30) derart eingebettet sind, daß lediglich jeweils die beiden axialen Enden (14, 16) der supraleitfähigen Elemente (12) unbedeckt sind, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Füllmaterials (20) und der supraleitfähigen Elemente (12) mög lichst gut übereinstimmen.

2. Verbundzuleitung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der supraleitfähigen Elemente (12) angeordnete wärmeleitende Folie (40), die im Füllmaterial (20) der Einheit (30) eingebettet ist und sich von dort nach außen erstreckt.

3. Verbundzuleitung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten und/oder zweiten leitenden Kontakt, der elektrisch mit den ersten bzw. zweiten axialen Enden der supraleitfähigen Elemente (12) verbunden ist.

4. Verbundzuleitung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeich net durch mindestens einen auf dem Füllmaterial (20) der Ein heit (30) angeordneten Flansch (50).

5. Verbundzuleitung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitfähigen Elemente (12) aus Dünnfilm-Supraleitermaterial, Dickfilm-Supraleitermaterial oder als Massiv-Supraleiter ausgebildet sind.