DE60212768T2

DE60212768T2 - Verbindungsstruktur für Supraleiter

Info

Publication number: DE60212768T2
Application number: DE60212768T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hitachi-shi Morita; Kazuhide Hitachi-shi Tanaka; Yasuo Takahagi-shi Suzuki; Michiya Mito-shi Okada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2022-02-14
Also published as: EP1276171A3; JP2003022719A; EP1276171A2; US7152302B2; EP1276171B1; US20030051901A1; DE60212768D1; US6921865B2; US20030173103A1; JP4058920B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Leitung, eine Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung und Verfahren zu deren Herstellung. Noch genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein supraleitendes Magnetsystem, eine Stromleitung, ein Hochspannungskabel, einen NMR-Analysator, diagnostische Magnetresonanzgeräte zur medizinischen Verwendung, supraleitende Stromspeichergeräte, magnetische Trenngeräte, Einkristallziehgeräte in Magnetfeldern, mit einer Kühlvorrichtung gekühlte supraleitende Magnetvorrichtungen, supraleitende Energiespeicher, supraleitende Generatoren und Magnete für Kernfusionsreaktoren.
Beschreibung des Stands der Technik
Supraleitende Magnetvorrichtungen, supraleitende Starkstromkabel o. dgl. können die elektrische Verbindung von zwei oder mehr als zwei supraleitenden Leitungen erforderlich machen. Beispielsweise muss der elektrische Widerstand an einem Verbindungspunkt in der im Permanentstrombetrieb betriebenen supraleitenden Magnetvorrichtung minimiert werden, um den Dämpfungsfaktor des Magnetfeldes, das durch einen Magneten erzeugt wird, zu verringern. Außerdem wird der Kühlmittelverbrauch durch die Hitze erhöht, die an dem Verbindungspunkt in einem supraleitenden Starkstromkabel erzeugt wird, durch das ein elektrischer Strom mit einer hohen Stromstärke fließt. Dies macht es erforderlich, den elektrischen Widerstand an der Verbindungsstelle zu verringern. Ein Verfahren für die elektrische Verbindung von zwei oder mehr als zwei supraleitenden Leitun gen ist in der offen gelegten japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2001-102105, enthalten, in der ein Verfahren zur Verfestigung der supraleitenden Leitung nach dem Eintauchen der Leitung in die Schmelze eines Metalls oder einer Legierung offenbart wird.
In der deutschen Patentanmeldung DE 3 413 167 wird ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Kontakts gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben, bei dem die supraleitenden Leitungen und das Pulvergemisch, das zwei Elemente zur Bildung des supraleitenden Materials umfasst, gepresst und erhitzt werden, um das supraleitende Material in dem Pulvergemisch zu bilden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wie bei der Beschreibung des Stands der Technik gezeigt wurde, kann eine supraleitende Leitung durch Anwendung eines Verfahrens elektrisch verbunden werden, bei dem die supraleitende Leitung nach dem Eintauchen in die Schmelze eines Metalls oder einer Legierung verfestigt wird. Dieses Verfahren schließt jedoch komplizierte Schritte und eine komplizierte Struktur ein. Weiterhin liegt die kritische Magnetfeldstärke des Metalls oder der Legierung bei 1 T oder darunter, und der Verbindungspunkt kann nicht in einem starken Magnetfeld ausgelegt werden. Weiterhin bleibt das Problem, dass die supraleitende Leitung durch eine Metallschmelze von etwa 500 °C beschädigt wird, was zu verschlechterten supraleitenden Eigenschaften führt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung bereitzustellen, mit der es möglich ist, diese Probleme zu lösen.
Wie in Nature 410, 63-64 (2001) (vor kurzem veröffentlicht) berichtet wird, hat man herausgefunden, dass Magnesiumdiborid (MgB₂) supraleitend ist.
(1) Kritische Temperatur
MgB₂ hat eine kritische Temperatur von 39 K. Dies ist der maximale Wert für supraleitende Materialien auf Metallbasis des Stands der Technik. Wenn dieses Material verwendet wird, um einen Verbindungspunkt in einer supraleitenden Leitung zu bilden, wird die Stabilitätsgrenze auf Grund der hohen kritischen Temperatur erhöht. Dies erlaubt die Verbindung einer supraleitenden Leitung, wo es zu einem abrupten Übergang zu normaler Leitfähigkeit kommt, d.h. ein Quenchen findet kaum statt. Weiterhin können wegen der hohen kritischen Temperatur flüssiger Wasserstoff und Heliumgas als Kühlmittel verwendet werden.
(2) Kritische Magnetfeldstärke
Die kritische Magnetfeldstärke bei 0 K beträgt etwa 18 T. Sie beträgt nicht mehr als 10 T, wenn sich flüssiges Helium bei 4,2 K befindet. Bei der Verbindungstechnik in supraleitenden Magneten des Stands der Technik kann die kritische Magnetfeldstärke des Verbindungspunkts verringert sein, und dies war von den folgenden Einschränkungen begleitet: Der Verbindungspunkt musste in einem kleinen Abstand zum supraleitenden Magneten installiert werden, oder eine magnetische Abschirmung musste außerhalb des Verbindungspunktes vorhanden sein. Wenn jedoch der Verbindungspunkt für die supraleitende Leitung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Materials konfiguriert wird, fallen die oben erwähnten Einschränkungen weg mit dem Ergebnis, dass für die Konfigurierung eines Verbindungspunktes ein größeres Ausmaß an Freiheit ermöglicht wird.
(3) Bindungseigenschaften
In den vergangenen Jahren wurde über eine Versuchsproduktion eines Pulver-in-Rohr-Drahtes unter Verwendung von MgB₂ ohne Wärmebehandlung berichtet. Dies wird durch die hervorragenden Bindungseigenschaften zwischen den MgB₂-Partikeln ermöglicht. Diese Eigenschaft wird bei anderen supraleitenden Materialien nicht gefunden.
Weiterhin ist ein Herstellungsverfahren ohne Durchführung einer Wärmebehandlung eines Drahtes verschieden vom Verfahren zur Herstellung oxidischer supraleitender Leitungen und anderer supraleitender Leitungen.
Im Hinblick auf die oben beschriebenen hervorragenden Eigenschaften von MgB₂ als supraleitendem Material haben die Erfinder untersucht, wie MgB₂ im Verbindungspunkt einer supraleitenden Leitung verwendet werden kann. Zur Lösung der oben erwähnten Probleme haben die Erfinder die folgenden Mittel eingesetzt:
Die Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung gemäß Anspruch 1 basiert auf der elektrischen Verbindungsstruktur zwischen zwei oder mehr als zwei supraleitenden Leitungen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein supraleitendes Pulver, das Magnesiumdiborid enthält, zwischen den oben erwähnten supraleitenden Leitungen vorhanden ist. Die Verwendung dieser Struktur ergibt eine einfache Struktur, in der nur das oben erwähnte supraleitende Pulver zwischen den oben erwähnten supraleitenden Leitungen angeordnet wird, mit dem Ergebnis, dass die Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung vereinfacht wird.
Die Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung gemäß Anspruch 2 basiert auf der in Anspruch 1 beschriebenen Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung, wobei als Alternative zu dem oben erwähnten supraleitenden Pulver ein Gemisch aus einem supraleitenden Pulver, das Magnesiumdiborid enthält, und einem Metallpulver zwischen die oben erwähnten supraleitenden Leitungen gegeben wird, wobei ein metallisches Pulver oder Legierungspulver zu dem Gemisch aus supraleitendem Pulver und Metallpulver gegeben wird, das einen Schmelzpunkt aufweist, der unter dem Schmelzpunkt des supraleitenden Pulvers liegt. Die Verwendung dieser Struktur ermöglicht es, durch ein duktiles Metall die Bindungseigenschaften zwischen den Partikeln des supraleitenden Pulvers zu verbessern und dadurch die Hindurchleitung einer großen Strommenge zu gewährleisten.
Die Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung gemäß Anspruch 3 basiert auf der in Anspruch 1 oder 2 beschriebenen Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung und ist dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Partikelgröße des oben erwähnten supraleitenden Pulvers 20 μm oder weniger beträgt. Die Verwendung dieser Struktur verbessert die Bindungseigenschaften zwischen den Partikel des oben erwähnten supraleitenden Pulvers, wodurch die Hindurchleitung einer großen Strommenge gewährleistet wird.
Die Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung gemäß Anspruch 4 basiert auf der in einem der Ansprüche 1 bis 3 beschriebenen Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung und ist dadurch gekennzeichnet, dass die oben erwähnte supraleitende Leitung und das oben erwähnte Gemisch aus supraleitendem Pulver und Metallpulver in einem umhüllenden Material eingeschlossen sind, das aus einem reinen Metall aus Gold, Silber, Kupfer, Platin, Palladium, Aluminium, Niob, Blei, Zinn, Magnesium, Indium, Wolfram, Cobalt, Nickel, Eisen, Tantal oder Chrom oder einer Legierung, die mindestens eines dieser Metalle enthält, hergestellt ist. Die Verwendung dieser Struktur gewährleistet, dass das oben erwähnte supraleitende Pulver oder das oben erwähnte Gemisch aus supraleitendem Pulver und Metallpulver nicht verstreut wird oder verloren geht, wodurch für mechanisch stabile Verbindungen gesorgt wird.
Die Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung gemäß Anspruch 5 basiert auf der in den Ansprüchen 1 bis 4 beschriebenen Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung und ist dadurch gekennzeichnet, dass ein supraleitendes Filament, das in der oben erwähnten supraleitenden Leitung enthalten ist, sich in unmittelbarem Kontakt mit dem supraleitenden Pulver mindestens in einem Teil der Kontaktoberfläche zwischen der oben erwähnten supraleitenden Leitung und dem oben erwähnten supraleitenden Pulver befindet. Die Verwendung dieser Struktur sorgt für eine Verbindungsstruktur, in der es zu keinem elektrischen Widerstand zwischen den oben erwähnten supraleitenden Leitungen kommt.
Die Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung gemäß Anspruch 6 basiert auf der in einem der Ansprüche 1 bis 5 beschriebenen Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des supraleitenden Pulvers 50 % oder mehr als 50 % der theoretischen Dichte entspricht. Die Verwendung dieser Struktur verbessert die Bindungseigenschaften zwischen Partikeln des oben erwähnten supraleitenden Pulvers, wodurch die Hindurchleitung einer großen Stromstärke gewährleistet wird.
Das Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach Anspruch 7 basiert auf dem Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung, das/die in einem der Ansprüche 1 bis 6 beschrieben wird, und es ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmebehandlung der Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nicht durchgeführt wird. Die Anwendung dieses Verfahrens gewährleistet eine Verbindungsstruktur, bei der die Leistungsfähigkeit der oben erwähnten supraleitenden Leitung nicht durch eine Wärmebehandlung verschlechtert wird.
Das Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung gemäß Anspruch 8 basiert auf dem Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung, das/die in einem der Ansprüche 1 bis 6 offenbart wird, und es ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Erhitzen durchgeführt wird, bei dem die Temperatur erreicht wird, die dem Bereich entspricht oder die oberhalb des Bereichs liegt, in dem ein Teil der supraleitenden Leitung, des oben erwähnten supraleitenden Pulvers und/oder des oben erwähnten reinen Metallpulvers oder des oben erwähnten Legierungspulvers, das in dem oben erwähnten Gemisch aus supraleitendem Pulver und Metallpulver enthalten ist, schmilzt. Durch die Anwendung dieses Verfahrens werden die Bindungseigenschaften zwischen der supraleitenden Leitung, den supraleitenden Pulverpartikeln und dem supraleitenden Pulvergemisch verbessert, wodurch die Hindurchleitung einer großen Stromstärke gewährleistet wird.
Das Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung gemäß Anspruch 9 basiert auf dem Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung, das/die in Anspruch 4 offenbart wird, und umfasst (1) einen ersten Schritt, in dem die supraleitende Leitung und das supraleitende Pulver in ein umhüllendes Material eingeschlossen werden, das aus einem reinen Metall aus Gold, Silber, Kupfer, Platin, Palladium, Aluminium, Niob, Blei, Zinn, Magnesium, Indium, Wolf ram, Cobalt, Nickel, Eisen, Tantal oder Chrom oder einer Legierung, die mindestens eines dieser Metalle enthält, besteht, und (2) einen zweiten Schritt, in dem das Teil, das im ersten Schritt hergestellt wurde, durch Ausüben eines Drucks von 1 Tonne/cm² oder darüber auf das Teil verformt wird. Durch die Anwendung dieses Verfahrens werden die Bindungseigenschaften zwischen der supraleitenden Leitung, den supraleitenden Pulverpartikeln und den Partikeln des Gemischs aus supraleitendem Pulver und Metallpulver verbessert, wodurch die Hindurchleitung einer großen Stromstärke gewährleistet wird.
Die Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung gemäß Anspruch 10 basiert auf der Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der vielen zu verbindenden supraleitenden Leitungen oder mindestens einer der vielen supraleitenden gewickelten Drähte eine kritische Temperatur aufweist, die der kritischen Temperatur von Magnesiumdiborid entspricht oder über der kritischen Temperatur von Magnesiumdiborid liegt. Die Verwendung dieser Struktur ermöglicht beispielsweise die Verbindung zwischen oxidischen supraleitenden Leitungen, zwischen supraleitenden Leitungen auf MgB₂-Basis, zwischen einer oxidischen supraleitenden Leitung und einer supraleitenden Leitung auf Metallbasis, zwischen einer oxidischen supraleitenden Leitung und einer supraleitenden Leitung auf MgB₂-Basis und zwischen einer supraleitenden Leitung auf MgB₂-Basis und einer supraleitenden Leitung auf Metallbasis.
Die Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach Anspruch 11 basiert auf der Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung, die in den Ansprüchen 1 bis 6 oder 10 beschrieben wird und ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindende supralei tende Leitung ein supraleitender gewickelter Draht ist, der durch Verdrillen mehrerer supraleitender Leitungen gebildet wird. Diese Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung ermöglicht durch den niedrigen elektrischen Widerstand die Senkung des Stromverbrauchs selbst wenn der Verbindungspunkt in dem Magnetfeld angeordnet ist. Bei einem Apparat, in dem diese Verbindungsstruktur verwendet wird, ist es nicht erforderlich, dass der Verbindungspunkt im Bereich eines niedrigen Magnetfeldes angeordnet wird. Daher kann der gesamte Magnet in einer kompakten Konfiguration gestaltet werden, und die Struktur von Verbindungspunkten kann vereinfacht werden.
Die Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach Anspruch 12 basiert auf der Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach Anspruch 11 und ist dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende gewickelte Draht ein supraleitender gewickelter Draht innerhalb eines von außen gekühlten Supraleiters vom Kabel-in-Leitungsrohr-Typ ("cable-in-conduit type superconductor") ist. Diese Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung ermöglicht durch den niedrigen elektrischen Widerstand die Senkung des Stromverbrauchs selbst wenn der Verbindungspunkt in dem Magnetfeld angeordnet ist. Bei einer Vorrichtung, in der diese Verbindungsstruktur verwendet wird, ist es nicht erforderlich, dass der Verbindungspunkt im Bereich eines niedrigen Magnetfeldes angeordnet wird. Daher kann der gesamte Magnet in einer kompakten Konfiguration gestaltet werden, und die Struktur der Verbindungspunkte kann vereinfacht werden.
Die supraleitende Magnetvorrichtung nach Anspruch 13 ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach Anspruch 1 oder 2 enthält.
Die supraleitende Magnetvorrichtung nach Anspruch 14 ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung enthält, die nach dem Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach Anspruch 7 hergestellt wird. Diese supraleitende Magnetvorrichtung ermöglicht es, eine große Stromstärke zu einem Verbindungspunkt zu senden und erlaubt es, durch den geringen elektrischen Widerstand den Stromverbrauch zu senken selbst wenn der Verbindungspunkt in dem Magnetfeld angeordnet wird. Bei der Vorrichtung, in der diese Verbindungsstruktur verwendet wird, ist es nicht erforderlich, den Verbindungspunkt im Bereich eines niedrigen Magnetfeldes anzuordnen. Daher kann der gesamte Magnet in einer kompakten Konfiguration gestaltet werden, und die Struktur der Verbindungspunkte kann vereinfacht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1a ist eine Vorderansicht einer supraleitenden Leitung mit einem Verbindungsteil für diese Leitung, die die Ausführungsform 1 darstellt;
1b ist eine Ansicht in der Ebene von 1a;
1c ist eine Seitenansicht von 1a;
2 ist eine Querschnittsansicht von 1b entlang der Linie 101 in 1b;
3 ist ein Diagramm, das die Stromstärke/Spannungs-Charakteristik der Ausführungsform 1 zeigt;
4a ist eine Vorderansicht einer supraleitenden Leitung mit einem Verbindungsteil für diese Leitung, die die Ausführungsform 7 darstellt;
4b ist eine Ansicht in der Ebene von 4a;
4c ist eine Seitenansicht von 4a;
5a ist ein vertikaler Querschnitt der supraleitenden Leitung mit dem Verbindungsteil für diese Leitung, die die Ausführungsform 7 darstellt;
5b ist eine horizontale Querschnittsansicht von 5a;
5c ist eine Seitenansicht von 5a;
6 ist eine schematische Ansicht, die die Ausführungsform 8 darstellt;
7 ist ein Querschnitt, der die Ausführungsform 9 darstellt;
8 ist eine schematische Ansicht, die eine von außen gekühlte supraleitende Spule in der Ausführungsform 9 darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEZUGSZEICHEN
1a, 1b ... zu verbindende supraleitende Leitung, 2 ... MgB₂-Pulver, 3 ... umhüllendes Material des Verbindungspunktes, 4 ... supraleitendes Filament, 11a, 11b ... supraleitender gewickelter Draht, 12a, 12b ... supraleitendes Filament, 13a, 13b ... Leitungsrohr, 14 ... Hülse, 15 ... Kühlmittelauslassöffnung, 21 ... die die 1. Schicht bildende supraleitende Spule, 22 ... die die 2. Schicht bildende supraleitende Spule, 23 ... die die 3. Schicht bildende supraleitende Spule, 24a, 24b ... gasgekühlte Stromleitung, 25a, 25b, 54a, 54b ... Stromschiene, 26a, 26b Stromschiene/supraleitende-Leitung-Verbindungspunkt, 27a, 27b ... supraleitende-Leitung/supraleitende-Leitung-Verbindungspunkt, 28a ... Zuleitung zu der die 1. Schicht bildenden Spule, 28b ... Ableitung aus der die 1. Schicht bildenden Spule, 28c ... Zuleitung zu der die 2. Schicht bildenden Spule, 28d ... Ableitung aus der die 2. Schicht bildenden Spule, 28e ... Zuleitung zu der die 3. Schicht bildenden Spule, 28f ... Ableitung aus der die 3. Schicht bildenden Spule, 29 ... Kryostat, 30 ... flüssiges Helium, 51a, 51b von außen gekühlte supraleitende Spule, 52 ... Verbindungspunkt, 53a, 53b ... Stromschiene-Verbindungspunkt, 55 ... Stromversorgung für die Spulenanregung, 56 ... Vorrichtung für die Erzeugung von Heli um mit superkritischem Druck, 57 ... Auslassöffnung für Helium mit superkritischem Druck in der Vorrichtung zur Erzeugung von Helium mit superkritischem Druck, 58 ... Ansaugöffnung für Helium mit superkritischem Druck in der Vorrichtung zur Erzeugung von Helium mit superkritischem Druck, 101 ... Schnittebene entlang der Querschnittsansicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsform 1
Die 1a bis 1c zeigen Außenansichten der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindung für eine supraleitende Leitung (im Folgenden als "Verbindungspunkt" bezeichnet). 2 ist eine Querschnittsansicht, die das Innere der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 stellt eine Querschnittsansicht des Verbindungspunktes dar, die entlang der Linie 101 in 1b gezeichnet wurde.
Im Folgenden wird die Struktur des Verbindungspunktes beschrieben.
Die Bezugszeichen 1a und 1b bezeichnen supraleitende Leitungen, die verbunden werden sollen.
Die supraleitenden Leitungen 1a und 1b sind supraleitende Multifilament-Leitungen, für die Niobtitan (NbTi) als supraleitendes Material verwendet wird, und sauerstofffreies Kupfer wird als Stabilisierungsmittel eingesetzt. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine supraleitende NbTi-Leitung verwendet, andere supraleitende Leitungen können aber verwendet werden. Das Stabilisierungsmittel wird von den supraleitenden Leitungen 1a und 1b entfernt, und die supra leitenden Filamente 4a und 4b sind innerhalb des Verbindungspunktes freigelegt. In der vorliegenden Ausführungsform wurde das Stabilisierungsmittel vollständig entfernt, ein Teil des Stabilisierungsmittels kann jedoch verbleiben, wenn das supraleitende Filament spröde ist.
Das umhüllende Material 3 des Verbindungspunktes ist in Form einer Hohlstruktur aus sauerstofffreiem Kupfer ausgebildet. Der Zwischenraum zwischen den supraleitenden Filamenten 4a und 4b und dem umhüllenden Material 3 des Verbindungspunktes ist mit MgB₂-Pulver 2 gefüllt.
Im Folgenden wird beschrieben, wie der Verbindungspunkt hergestellt wird: Von der Spitze der beiden supraleitenden Leitungen, die verbunden werden sollten, wird das Stabilisierungsmittel aus sauerstofffreiem Kupfer durch eine chemische Behandlung entfernt. In der vorliegenden Ausführungsform wird Salpetersäure zum Entfernen des Stabilisierungsmittels verwendet, es kann jedoch auch mechanisch abgeschabt werden. Die Länge, auf der das Stabilisierungsmittel entfernt wird, beträgt in der vorliegenden Ausführungsform 30 mm. Die beiden supraleitenden Leitungen sind identisch, mit einem Durchmesser von 0,7 mm und einer kritischen Stromstärke von 800 A in einem äußeren Magnetfeld von 0 T. Die supraleitende Leitung mit entferntem Stabilisierungsmittel wird in ein 60 mm langes Rohr eingeführt, das aus sauerstofffreiem Kupfer besteht und einen Innendurchmesser von 5 mm und einen Außendurchmesser von 10 mm hat. Das Rohr aus sauerstofffreiem Kupfer wird im abschließenden Schritt als umhüllendes Material des Verbindungspunktes verwendet. Die Abmessungen der supraleitenden Leitung, des Rohrs aus sauerstofffreiem Kupfer und dergleichen werden so festgelegt, dass sie zu den Abmessungen und den Charakteristika der supraleitenden Leitung, die verbunden werden soll, sowie zu der Umgebung, in der der Verbindungspunkt angeordnet wird, passen. Wenn sie verändert werden, müssen die Abmessungen ebenfalls verändert werden. Wenn die supraleitenden Leitungen in das Rohr aus sauerstofffreiem Kupfer eingesetzt werden, liegen die supraleitenden Filamente nahezu parallel zueinander, und sie werden vorzugsweise so nahe wie möglich beieinander angeordnet. Danach wird das Ende des Rohrs auf der Seite, auf der die supraleitenden Leitungen eingeführt wurden, mit einer Presse zusammengepresst, und durch das andere Ende wird MgB₂-Pulver in das Rohr aus sauerstofffreiem Kupfer gefüllt. In diesem Fall sollte eine geeignete Menge des Pulvers eingefüllt werden, für die die Dichte und das Volumen im abschließenden Schritt zu berücksichtigen sind, wobei das MgB₂-Pulver, das in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, eine mittlere Partikelgröße von 20 μm oder darunter aufweist. Nach dem Einfüllen des MgB₂-Pulvers wird das nicht zusammengepresste Ende des Rohrs ähnlich wie das andere Ende des Rohrs ebenfalls mit der Presse zusammengepresst. Dann wird der noch nicht zusammengepresste Bereich des Rohrs, d.h. der zentrale Bereich des Rohrs, mit der Presse zusammengepresst, so dass das Rohr eine rechteckige Form erhält. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Presse verwendet, es kann jedoch jede Vorrichtung eingesetzt werden, die es ermöglicht, den Verbindungspunkt mechanisch zusammenzupressen werden kann. Weiterhin kann eine andere Gestaltung als die rechteckige Form verwendet werden. Der mit der Presse zusammengepresste Verbindungspunkt ist etwa 10 mm breit und etwa 6 mm dick. Das MgB₂-Pulver befindet sich in dem Verbindungspunkt in einem Bereich mit einer Breite von etwa 8 mm und einer Dicke von etwa 2 mm. Es muss nicht besonders hervorgehoben werden, dass diese Abmessungen von den Abmessungen der supraleitenden Leitung und des Rohrs sowie der Menge an MgB₂-Pulver abhängen.
3 zeigt die Stromstärke/Spannungs-Charakteristik in flüssigem Helium hinsichtlich des äußeren Magnetfeldes der Verbindung für eine supraleitende Leitung, die in der oben erwähnten Weise hergestellt wurde. Der Strom fließt zwischen zwei supraleitenden Leitungen, und die Spannung ist der Wert zwischen zwei Punkten 10 mm entfernt vom umhüllenden Material des Verbindungspunktes in jeder supraleitenden Leitung. Wie 3 zeigt, wird bis 450 A keine Spannungserzeugung beobachtet, und unter 450 A wird der supraleitende Zustand bestätigt. Weiterhin wurden auch andere supraleitende Leitungen verwendet, um das Vorhandensein des supraleitenden Zustands zu bestätigen. Die oben erwähnten Bedingungen für die Messung der kritischen Stromstärke werden in der folgenden Beschreibung angewendet, sofern nichts anderes angegeben wird.
Wie oben beschrieben, wurde klar gezeigt, dass MgB₂-Pulver die elektrische Verbindung von zwei supraleitenden Leitungen im supraleitenden Zustand ermöglicht.
Zur Verbesserung der Stromleitung haben die Erfinder folgendes untersucht: (1) die Abhängigkeit der kritischen Stromstärke am Verbindungspunkt von der Partikelgröße des MgB₂-Pulvers, (2) das umhülltende Material des Verbindungspunktes, (3) das Metall, das zum MgB₂-Pulver gegeben wird, und dessen Menge, (4) das Vorhandensein oder das Fehlen einer Wärmebehandlung und (5) die Dichte des MgB₂-Pulvers. Es wurden Verbindungspunkte hergestellt, die dann untersucht wurden.
Im Folgenden werden die Ausführungsformen 2 bis 7 beschrieben.
Ausführungsform 2
Zunächst wurden MgB₂-Pulver mit variierender mittleren Partikelgröße hergestellt, und Verbindungspunkte wurden unter Anwendung des gleichen Verfahrens wie in Ausführungsform 1 hergestellt. Die mittlere Partikelgröße wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop gemessen, und es wurde ermittelt, dass 95 % oder mehr als 95 % des Pulvers eine Partikelgröße aufweisen, die innerhalb von 20 % der mittleren Partikelgröße liegen. Das MgB₂-Pulver wird auf eine Dichte zusammengepresst, die 80 % ± 5 % der theoretischen Dichte entspricht. Tabelle 1 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Ergebnis der Messung der kritischen Stromstärke der auf diese Weise erzeugten Verbindung und der mittleren Partikelgröße. Soweit nichts anderes angegeben wird, wird angenommen, das sauerstofffreies Kupfer für das umhüllende Material des Verbindungspunktes verwendet wird, und die in Ausführungsform 1 beschriebene NbTi-Leitung wird für die supraleitende Leitung verwendet.
Tabelle 1
Wie in Tabelle 1 gezeigt wird, nimmt die kritische Stromstärke mit zunehmender Partikelgröße tendenziell zu, wenn die mittlere Partikelgröße bei 20 μm oder darüber liegt. Wenn sie unter 20 μm liegt, wird festgestellt, dass keine großen Veränderungen auftreten, obwohl es eine leichte Zunahme der kritischen Stromstärke gibt. Wenn sie bei 20 μm oder darüber liegt, wird festgestellt, dass die kritische Stromstärke abnimmt. Dies liegt daran, dass das enge Anhaften zwischen den Partikeln verschlechtert wird und der supraleitende Zu stand an der Pulverpartikelbegrenzungsfläche nicht aufrechterhalten werden kann, wenn die Partikelgröße zunimmt. Ein anderer möglicher Grund besteht darin, dass das enge Anhaften zwischen dem Filament der supraleitenden Leitung und dem MgB₂-Pulver verschlechtert wird. Wenn andererseits die Partikelgröße 20 μm nicht übersteigt, kommt es nur zu einer leichten Zunahme der kritischen Stromstärke. Dies liegt daran, dass es zu einer Zunahme der Partikelbegrenzungsfläche in dem Bereich kommt, in dem der Strom fließt, obwohl es ein hervorragendes enges Anhaften zwischen den Pulverpartikeln und zwischen den Pulverpartikeln und den supraleitenden Filamenten gibt. Es wird angenommen, dass hierdurch das Ausmaß, mit der die kritische Stromstärke zunimmt, verringert wird. Wie oben beschrieben ist bestätigt worden, dass die kritische Stromdichte vergrößert werden kann, wenn die mittlere Partikelgröße des MgB₂-Pulvers bei 20 μm oder darunter liegt.
Ausführungsform 3
Unter Verwendung eines Rohrs, das aus Gold, Silber, Kupfer, Platin, Palladium, Aluminium, Niob, Blei, Zinn, Magnesium, Indium, Wolfram, Cobalt, Nickel, Eisen, Tantal oder Chrom besteht, haben die Erfinder Verbindungspunkte nach dem in der Ausführungsform 1 beschriebenen Verfahrens hergestellt. Es hat sich gezeigt, dass für alle Typen eine Verbindung im supraleitenden Zustand möglich ist. Besonders Kupfer, Gold, Silber und Aluminium lassen sich hervorragend dehnen; daher wurde eine hervorragende Verbindungsstruktur ohne jeden Riss auf der Oberfläche erhalten, wenn das Rohr zusammengepresst wurde. Verbindungspunkte wurden unter Verwendung von Rohren hergestellt, die aus nichtrostendem Stahl SUS304, aus einer Kupfer/Nickel-Legierung, einer Silber/Magnesium-Legierung und dergleichen bestehen, und es hat sich gezeigt, dass die Verbindung im supraleitenden Zustand möglich ist.
Ausführungsform 4
Eine festgelegte Menge Indiumpulver, das eine mittlere Partikelgröße von 5 μm hatte, wurde zu einem MgB₂-Pulver gegeben, das eine mittlere Partikelgröße von 20 μm hat, um Verbindungspunkte unter Anwendung des in der Ausführungsform 1 beschriebenen Verfahrens herzustellen. Das Ergebnis der Messung der kritischen Stromstärke wird in Tabelle 2 gezeigt. Das Zusammenpressen wurde mit einem Oberflächendruck von 2 Tonnen/cm² im abschließenden Pressschritt durchgeführt. Bei den Prozentangaben bzgl. der Zugabemenge in Tabelle handelt es sich um Angaben in Masseprozent.
Tabelle 2
Wie Tabelle 2 zeigt, wurde für die kritische Stromstärke festgestellt, dass sie mit der zugegebenen prozentualen Menge an Indiumpulver, bei 0 % beginnend, zunimmt. Wenn der Prozentsatz 25 % oder darüber erreicht, wird festgestellt, dass die kritische Stromstärke abnimmt. Wenn die Prozentsatz der zugegebene Menge etwa 50 % nicht übersteigt, kann der Verbindungspunkt hinlänglich verwendet werden. Für eine Zugabe von 25 % Indiumpulver wurde der Querschnitt des Verbindungspunkt im Rasterelektronenmikroskop beobachtet. Indium war nicht über die gesamte Grenzfläche vorhanden, obwohl Indium in einem Bereich der Grenzfläche der MgB₂-Pulverpartikeln vorhanden ist. Ein größerer Bereich wurde durch die gebundene Oberfläche von MgB₂-Pulverpartikeln besetzt. Andererseits war im Fall des Querschnitts des Verbindungspunkts, in dem 75 % zugegeben wurden, beinahe die gesamte Oberfläche der MgB₂-Pulverpartikel mit Indium bedeckt. In jedem Fall gab es keine große Änderung hinsichtlich der mittleren Größe und der Konfiguration der MgB₂-Pulverpartikel. Aus diesen Beobachtungen kann abgeschätzt werden, dass weiches Indiumpulver unter harte MgB₂-Pulverpartikel gemahlen wurden, wenn es mit einer Presse zusammengepresst wurde, und dass es in den Zwischenräumen zwischen MgB₂-Pulverpartikeln angeordnet wurde. Daher war die Bindung zwischen MgB₂-Pulverpartikeln mechanisch stabil, und MgB₂-Pulverpartikel wurden untereinander verbunden mit dem Ergebnis, dass die kritische Stromstärke zunimmt. Bei weiterer Zunahme der zugegebenen prozentualen Menge kam es jedoch zu einer Zunahme der Indiummenge zwischen den MgB₂-Pulverpartikeln. Bei Erhöhung der prozentualen Menge auf 75 % wurde der Zwischenraum zwischen den MgB₂-Pulverpartikeln vollständig mit Indium gefüllt, und es gab keine Kontaktoberfläche mehr zwischen MgB₂-Pulverpartikeln. Daher gab es überall den elektrischen Widerstand von Indium, und es kam insgesamt nicht zum supraleitenden Zustand. Die Erfinder haben ein Metallpulver aus Blei und einer Blei/Zinn-Legierung als Zusatz anstelle von Indium verwendet und ähnliche Untersuchungen durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass die kritische Stromstärke bei Zugabe höher war als ohne Zugabe. In ähnlicher Weise nahm die kritische Stromstärke ab, wenn die prozentuale Zugabe über ein gewisses Niveau erhöht wurde. Es wurde somit erkannt, dass die kritische Stromstärke durch die Zugabe eines Metallpulvers erhöht wird.
Ausführungsform 5
Wie im Fall des Ausführungsbeispiels 4 wurden Verbindungspunkte hergestellt, indem Indiumpulver zu MgB₂-Pulver gegeben wurde. In diesem Fall wurde der abschließende Pressschritt in der Ausführungsform 1 jedoch durchgeführt, indem auf eine Temperatur ober halb von 157 °C erhitzt wurde, die dem Schmelzpunkt von Indium entspricht. Tabelle 3 zeigt die Abhängigkeit der kritischen Stromdichte von der in Prozent angegebenen Menge an zugegebenem Indiumpulver in diesem Fall. Das zugegebene Indiumpulver hatte eine mittlere Partikelgröße von 5 μm, die gleiche Größe wie oben. Der Oberflächendruck im abschließenden Pressschritt mit einer Presse betrug 2 Tonnen/cm², der gleiche Druck wie oben.
Tabelle 3
Der Vergleich zwischen den Tabellen 3 und 2 ergibt, dass es eine Zunahme der kritischen Stromstärke insgesamt gibt. Es ist weiterhin erkannt worden, dass aus einer kleineren prozentualen Zugabe eine größere Zunahme der kritischen Stromstärke resultiert. Der Querschnitt des Verbindungspunktes wurde im Rasterelektronenmikroskop beobachtet. Es ist gezeigt worden, dass aus einer kleineren prozentualen Menge an zugegebenem Pulver eine größere Dichte der MgB₂-Pulverpartikel und eine größere Dicke des Indiums auf der Oberfläche der MgB₂-Pulverpartikel resultieren. Andererseits nahm nach Beobachtungen der Erfinder die Dicke des Indiums zwischen den MgB₂-Pulverpartikeln zu und wurde die Bindung zwischen den MgB₂-Pulverpartikeln schlecht, wenn die in Prozent angegebene Zugabe bei 25 % oder darüber liegt. Es ist somit gezeigt worden, dass, wenn Indium zwischen den MgB₂-Pulverpartikeln durch Erhitzen über den Schmelzpunkt von Indium geschmolzen wird, die kritische Stromstärke bei gesenkter Menge an zugegebenem Indium erhöht werden kann, verglichen mit dem Fall, in dem nicht erhitzt wird. Weiterhin haben die Erfinder anstelle von Indium ein Metallpulver aus Blei und Blei/Zinn-Legierung als Zusatz verwendet und ähnliche Untersuchungen durchgeführt. Dabei hat sich herausgestellt, dass die kritische Stromstärke bei Zugabe des Zusatzes größer war als wenn der Zusatz nicht zugefügt wurde. Diese Betrachtungen haben die Erfinder zu der Schlussfolgerung geführt, dass, wenn ein bestimmtes Metall oder eine bestimmte Legierung zugegeben wird, das Erhitzen über den Schmelzpunkt wirksam für die Verbesserung der kritischen Stromstärke ist.
Ausführungsform 6
Die Erfinder haben Verbindungspunkte hergestellt, bei denen die Dichte von MgB₂ verändert wurde, indem der Oberflächendruck im abschließenden Pressschritt verändert wurde, und jede kritische Stromstärke wurde gemessen. Das Herstellungsverfahren entspricht dem Verfahren, das in der Ausführungsform 1 beschrieben wird. Mehrere Verbindungspunkte wurden hergestellt, wobei die Volumina der MgB₂-Bereiche in den Verbindungspunkten unverändert blieben. Die mittlere Partikelgröße des MgB₂-Pulvers beträgt 20 μm. Tabelle 4 zeigt das Ergebnis der Messung der kritischen Stromdichte. Die Dichte in der Tabelle stellt den Quotienten aus der Dichte des MgB₂ in dem jeweils hergestellten Verbindungspunkt und der theoretischen Dichte dar.
Tabelle 4
Wie Tabelle 4 zeigt, wird eine abrupte Abnahme der kritischen Stromdichte beobachtet, wenn der Quotient für MgB₂ bei 50 % oder darunter liegt. Es wird davon ausgegangen, dass dies durch eine Zunahme des Abstands zwischen MgB₂-Pulverpartikeln hervorgerufen wird, was zur Folge hat, dass die Bindung kaum zum supraleitenden Zustand führen kann. Das Ergebnis der Messungen hat zu der Schlussfolgerung geführt, dass die Dichte von MgB₂ bei 50 % oder mehr als 50 % der theoretischen Dichte liegen muss.
Ausführungsform 7
Die 4a bis 4c stellen Außenansichten dar, die die siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungspunktes für eine supraleitende Leitung zeigen (im Folgenden als "Verbindungspunkt" bezeichnet). Die 5a und 5b sind Innenansichten der erfindungsgemäßen siebten Ausführungsform. 5a ist eine Querschnittsansicht, die einen Verbindungspunkt darstellt, die entlang einer Linie 101 in 4b gezeichnet wurde, 5b ist eine horizontale Querschnittsansicht von 5a, und 5c ist eine Seitenansicht von 5a.
Im Folgenden wird die Struktur des Verbindungspunktes beschrieben:
Die Bezugszeichen 1a und 1b bezeichnen die zu verbindenden supraleitenden Leitungen. Jede beliebige supraleitende Leitung kann verwendet werden, in der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei den supraleitenden Leitungen 1a und 1b um supraleitende Multifilament-Leitungen, worin Bi-2212 als supraleitendes Material und Silber als Hüllenmaterial verwendet wird. Die Spitze beider supraleitender Leitungen wird in einem schrägen Winkel zugeschnitten, und der Winkel zwischen der Schnittfläche und der Mittellinie der supraleitenden Leitung liegt in der vorliegenden Ausführungsform bei 30 ° oder darunter. Der Winkel der Schnittfläche muss unter Berücksich tigung der Stärke der supraleitenden Leitung und dgl. festgelegt werden. Prinzipiell kann der Winkel innerhalb des ganzen Bereichs von 90 bis 180 ° liegen. In der Schnittfläche ist das supraleitende Filament der supraleitenden Leitung nach außen freigelegt. Zwei supraleitende Leitungen werden so angeordnet, dass die Schnittflächen einander gegenüber liegen. In der vorliegenden Ausführungsform liegen die Schnittflächen der supraleitenden Leitungen einander gegenüber, andere Anordnungen können aber ebenfalls verwendet werden, sofern sich das Filament und das MgB₂-Pulver miteinander im Kontakt befinden. Falls angenommen wird, dass im Verbindungspunkt ein elektrischer Widerstand auftritt, kann weiterhin eine Anordnung verwendet werden, die es dem Strom ermöglicht, durch eine derartige Struktur zu fließen, wie ein Hüllmaterial oder separat eingeführtes Metall, wobei das Filament und das MgB₂-Pulver sich nicht im direkten Kontakt miteinander befinden. Das umhüllende Material 3 des Verbindungspunktes ist eine Hohlstruktur, die aus sauerstofffreiem Kupfer besteht, und der Zwischenraum zwischen den supraleitenden Filamenten 4a und 4b und dem umhüllenden Material 3 des Verbindungspunkt ist mit MgB₂-Pulver gefüllt.
Im Folgenden wird beschrieben, wie der Verbindungspunkt hergestellt wird: die Spitzen der beiden supraleitenden Leitungen, die verbunden werden sollen, werden in einem schrägen Winkel zugeschnitten, und der Winkel zwischen der Schnittfläche und der Mittellinie der supraleitenden Leitung sollte vorzugsweise ein spitzer Winkel von 30 ° oder darunter sein. In der vorliegenden Ausführungsform liegt dieser Winkel bei etwa 20 °. Es soll darauf hingewiesen werden, dass die zu verbindende Leitung einen beliebigen Querschnitt haben kann. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Querschnitt ein Kreis, der einen Durchmesser von 1,0 mm aufweist. Bei der verwendeten supraleitenden Leitung handelt es sich um eine oxidische supraleitende Leitung mit einer kritischen Stromstärke von 700 A in einem äußeren Magnetfeld von 0 T. Die supraleitende Leitung wird in das Rohr aus sauerstofffreiem Kupfer eingesetzt, das eine Länge von 60 mm, einen Innendurchmesser von 5 mm und einen Außendurchmesser von 10 mm hat. Dieses Rohr aus sauerstofffreiem Kupfer dient als umhüllendes Material des Verbindungspunktes. Dann wird eine Presse verwendet, um das Ende des Rohrs zusammenzupressen, durch das die supraleitende Leitung eingeführt wird. Anschließend wird durch das andere Ende MgB₂-Pulver in das Rohr gefüllt. Das in der vorliegenden Ausführungsform verwendete MgB₂-Pulver hat eine mittlere Partikelgröße von 20 μm. Nachdem die andere supraleitende Leitung eingesetzt worden ist, wird das noch nicht zusammengepresste Ende des Rohrs zusammengepresst. Anschließend wird eine Presse verwendet, um den noch nicht zusammengepressten Bereich zusammenzupressen, wodurch das Rohr in eine rechteckige Form umgeformt wird. In diesem Fall hat der Verbindungspunkt eine Breite von etwa 10 mm und eine Dicke von etwa 6 mm. Wie oben beschrieben werden die Spitzen der beiden supraleitenden Leitungen, die verbunden werden sollen, in einem schrägen Winkel zugeschnitten, und der Winkel zwischen der Schnittfläche und der Mittellinie der supraleitenden Leitung ist ein spitzer Winkel von 30 ° oder weniger als 30 °. In der Schnittfläche ist das supraleitende Filament der supraleitenden Leitung nach außen freigelegt. Das MgB₂-Pulver ist zwischen den Schnittflächen der supraleitenden Leitungen und um die supraleitenden Leitungen lokalisiert. Das umhüllende Material des aus Metall erzeugten Verbindungspunktes ist weiter außen angeordnet. Diese Struktur bringt die folgenden Vorteile mit sich:

(1) Der Winkel zwischen der Schnittfläche und der Mittellinie der supraleitenden Leitung ist ein spitzer Winkel von 30 °. Verglichen mit einem Winkel von 90 ° gibt es eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen dem supraleitenden Filament und dem MgB₂-Pulver, und die kritische Stromstärke kann verbessert werden.
(2) Vor allem bei einer oxidischen supraleitenden Leitung besteht das supraleitende Filament aus einer spröden Keramik, somit ist es schwierig, das supraleitende Filament durch Entfernen des Stabilisierungsmittels als einen einzelnen Körper freizulegen. Es kann jedoch ohne Entfernen des Stabilisierungsmittels eine größere Fläche des supraleitenden Filaments freigelegt werden, indem die Spitze der supraleitenden Leitung eine abgeschrägte Form erhält. Dies ermöglicht es, die kritische Stromstärke zu verbessern.
(3) Durch das Ausformen der Spitze der supraleitenden Leitung mit einem schrägen Winkel wird das enge Anhaften zwischen dem supraleitenden Filament und dem MgB₂-Pulver verbessert, wenn das umhüllende Material des Verbindungspunktes in der Richtung, die einen rechten Winkel mit der supraleitenden Leitung bildet, zusammengepresst wird. Dies ermöglicht es, die kritische Stromstärke zu erhöhen.

Tabelle 5 zeigt das Ergebnis der Messung der kritischen Stromstärke bei Änderung der Stärke des äußeren Magnetfeldes im Verbindungspunkt, der nach dem oben erwähnten Verfahren hergestellt wurde.
Tabelle 5
Wie Tabelle 5 zeigt, nimmt die kritische Stromstärke ab, wenn die Stärke des äußeren Magnetfeldes zunimmt. Es ist jedoch festgestellt worden, dass diese kritische Stromstärke etwa den gleichen Wert hat wie die ursprüngliche kritische Stromstärke der supraleitenden Leitung, die verbunden werden soll. Es ist mit anderen Worten festgestellt worden, dass die kritische Stromstärke im Bereich des MgB₂- Pulvers größer ist als die kritische Stromstärke der supraleitenden Leitung und dass die Verbindungsstruktur hervorragend ist.
Ausführungsform 8
Im Folgenden wird ein supraleitendes Magnetsystem beschrieben, bei dem der Verbindungspunkt der supraleitenden Leitung, der in der Ausführungsform 1 erklärt wurde, für die Verbindung der supraleitenden Magnete einer mehrlagigen Struktur verwendet wird. 6 zeigt die schematische Zeichnung. Die supraleitende Spule in der vorliegenden Ausführungsform umfasst die die 1. Schicht bildende supraleitende Spule 21, die die 2. Schicht bildende supraleitende Spule 22 und die die 3. Schicht bildende supraleitende Spule 23. Alle Spulen sind Solenoid-Spulen, in denen die supraleitende NbTi-Multifilament-Leitung verwendet wird. Die verwendete supraleitende Leitung hat einen Durchmesser von 0,7 mm und eine kritische Stromstärke von 800 A bei einer äußeren Magnetfeldstärke von 0 T. Es muss nicht besonders erwähnt werden, dass der Typ des Supraleiters in der supraleitenden Spule, die Struktur und die Abmessungen der supraleitenden Leitung und die Struktur und die Abmessungen der supraleitenden Spule nicht mit der vorliegenden Ausführungsform übereinstimmen müssen.
Tabelle 6 zeigt die technischen Daten der Spule gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Tabelle 6
Diese Spulen, bei denen die Mitten der Spulen zueinander ausgerichtet sind, sind auf dem gleichen Schaft angeordnet. Die Ableitung 28b aus der die 1. Schicht bildenden Spule und die Zuleitung 28c in die die 2. Schicht bildende Spule sind durch den supraleitende-Leitung/supraleitende-Leitung-Verbindungspunkt 27a elektrisch verbunden, und die Ableitung 28d aus der die 2. Schicht bildenden Spule und die Zuleitung 28e in die die 3. Schicht bildende Spule sind durch den supraleitende-Leitung/supraleitende-Leitung-Verbindungspunkt 27b elektrisch verbunden. Die Zuleitung 28a zu der die 1. Schicht bildenden Spule und die Stromschiene 25a sind durch den Stromschiene/supraleitende-Leitung-Verbindungspunkt 26a verbunden, und die Ableitung 28f aus der die 3. Schicht bildenden Spule und die Stromschiene 25b sind durch den Stromschiene/supraleitende-Leitung-Verbindungspunkt 26b verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Stromschiene und die Leitung der Spule durch Löten miteinander verbunden, Schweißen, mechanischer Kontakt oder ein anderes Verfahren kann jedoch auch angewendet werden. Die Stromschienen 25a und 25b werden mit Stromleitungen vom Typ der gasgekühlten Stromleitungen 24a bzw. 24b verbunden. Die Stromleitung vom gasgekühlten Typ wird so konfiguriert, dass ein Bündel Kupferdrähte in ein Kupferrohr eingesetzt wird. Verdampftes Gas vom flüssigen Helium 30 strömt aus dem Kryostaten heraus durch den Zwi schenraum zwischen den Kupferdrähten, wodurch die Erzeugung von Joule-Wärme und das Eindringen von Wärme vermindert werden und die Verdampfung von flüssigem Helium minimiert wird. Die gasgekühlte Stromleitung kann mit der Stromversorgung für die Anregung außerhalb des Kryostaten verbunden werden, und die supraleitende Spule kann mit Hilfe der Stromversorgung für die Anregung angeregt werden. Das Nennmagnetfeld dieses supraleitenden Magnetsystems beträgt im Zentrum 8,0 T, wenn ein Strom mit einer Stärke von 158 A fließt. Die maximale empirische Magnetfeldstärke beträgt 8,4 T, 5,2 T bzw. 3,1 T für die die 1. Schicht bildende Spule, die die 2. Schicht bildende Spule bzw. die die 3. Schicht bildende Spule.
Ein Verbindungspunkt für eine supraleitende Leitung, der die in 2 gezeigte Struktur hat, wird in diesem Magnetsystem als supraleitende-Leitung/supraleitende-Leitung-Verbindungspunkt verwendet. Die mittlere Partikelgröße des für die Verbindung verwendeten MgB₂-Pulvers beträgt 20 μm, und zu dem MgB₂-Pulver wird Indiumpulver, das eine mittlere Partikelgröße von 5 μm aufweist, in einem Anteil von 25 %, bezogen auf das Masseverhältnis, gegeben. Das Material des umhüllenden Materials des Verbindungspunkts besteht aus Kupfer, und das Gemisch aus MgB₂-Pulver und Indiumpulver wird auf eine Dichte zusammengepresst, die 80 % oder mehr als 80 % der theoretischen Dichte entspricht. Bei der supraleitenden Leitung ist das Stabilisierungsmittel durch eine chemische Behandlung entfernt worden, und das supraleitende Filament ist nach außen freigelegt. Die Länge, auf der das Stabilisierungsmittel entfernt wird, beträgt etwa 30 mm. Die supraleitende-Leitung/supraleitende-Leitung-Verbindungspunkte bei zwei Positionen sind dort angeordnet, wo die Stärke des magnetischen Streufeldes 2 bis 3 T während der Anwendung der theoretischen Stromstärke beträgt.
Wenn dieses Magnetsystem angeregt wurde, kam es bei 168 A zum Quenchen. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Magnetfeldstärke im Zentrum 8,5 T. Die Erfinder haben den Status der Spannungserzeugung in jedem Teil der Spule untersucht, wobei herausgefunden wurde, dass die Spannung beim Quenchen von der die 1. Schicht bildenden Spule herrührte. Das Auftreten einer Spannung wurde am supraleitende-Leitung/supraleitende-Leitung-Verbindungspunkt nicht beobachtet.
Die Erfinder haben die supraleitende-Leitung/supraleitende-Leitung-Verbindungspunkte durch Verbindungspunkte ersetzt, die durch ein Verfahren hergestellt wurden, bei dem die Verbindung durch Löten erhalten wird. Ein Anregungsversuch wurde durchgeführt, bei dem herausgefunden wurde, dass die Erzeugung der Spannung bei den supraleitende-Leitung/supraleitende-Leitung-Verbindungspunkten begann, welche die die 1. Schicht bildende Spule mit der die 2. Schicht bildenden Spule verbinden, und zwar unmittelbar nach dem Beginn des Anlegens des Stromes, und dass das Quenchen in der Spule bei einem durchfließenden Strom mit einer Stärke von 620 A stattfand. Bei der Beurteilung ausgehend vom Trend der gemessenen erzeugten Spannung ist es offensichtlich, dass es zur Erzeugung von Joule-Wärme in Folge des erhöhten Stroms im supraleitende-Leitung/supraleitende-Leitung-Verbindungspunkt kam, der in den nicht-supraleitenden Zustand wechselte aufgrund des magnetischen Streufeldes, und das nicht-supraleitende Gebiet dehnte sich in das Gebiet der supraleitenden Leitung aus mit dem Ergebnis, dass die gesamte Spule gequencht wurde.
Das Ergebnis des obigen Versuchs hat verdeutlicht, dass die Verbindung der supraleitenden Leitung mit hoher Leistungsfähigkeit und hoher Stabilität durch die Verwendung von MgB₂-Pulver in dem sup raleitende-Leitung/supraleitende-Leitung-Verbindungspunkt gewährleistet werden kann.
Ausführungsform 9
7 zeigt eine Querschnittsansicht, die die neunte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungspunktes für eine supraleitende Leitung (der im Folgenden als "Verbindungspunkt" bezeichnet wird) zeigt. Die Bezugszeichen 11a und 11b bezeichnen supraleitende gewickelte Drähte innerhalb eines von außen gekühlten Supraleiters vom Kabel-in-Leitungsrohr-Typ (die im Folgenden als "Supraleiter" bezeichnet werden). Der von außen gekühlte Supraleiter der vorliegenden Ausführungsform ist ein Supraleiter vom Kabel-in-Leitungsrohr-Typ, der aus gewickelten Drähten besteht, die innerhalb von Leitungsrohren 13a und 13b mit zylindrischer Form, die aus nichtrostendem Stahl bestehen, angeordnet sind, wobei die erwähnten gewickelten Drähte gebildet werden, indem viele supraleitende Multifilament-Leitungen gebündelt und verdrillt werden, in denen NbTi als supraleitendes Material und Kupfer als Stabilisierungsmittel verwendet werden. NbTi wurde in dieser Ausführungsform als supraleitendes Material genommen, andere Supraleiter können auch eingesetzt werden, was durch das Experiment bestätigt wurde, das von den Erfindern durchgeführt wurde. Weiterhin können neben Kupfer auch Aluminium, Silber, Kupfer/Nickel-Legierungen oder Verbundmaterialien davon als Stabilisierungsmittel verwendet werden. Die Bezugszeichen 12a und 12b bezeichnen supraleitende Filamente in den oben erwähnen gewickelten Drähten, und das supraleitende Filament wird nach außen freigelegt, indem das Stabilisierungsmittel im Endbereich der supraleitenden Leitung durch eine chemische Behandlung entfernt wird. Zusätzlich zu der chemischen Behandlung kann das Stabilisierungsmittel durch mechanisches Schneiden entfernt werden. Die Bezugszeichen 13a und 13b bezeichnen Leitungsrohre für Supraleiter, bei denen es sich um zylindrische Röhren handelt, die aus nichtrostendem Stahl SUS304L bestehen. Neben nichtrostendem Stahl können Incoloy oder andere Legierungen sowie andere metallische Materialien ebenfalls als Material verwendet werden.
Weiterhin kann der Querschnitt in einer beliebigen Konfiguration einschließlich einer rechteckigen Form ausgebildet sein. Der prozentuale Anteil des supraleitenden gewickelten Drahtes in dem Leitungsrohr beträgt, bezogen auf das Volumen, 60 % oder mehr als 60 %. Das freigelegte supraleitende Filament zusammen mit MgB₂-Pulver ist in dem umhüllenden Material 3 des Verbindungspunktes untergebracht. Sie werden zusammen mit dem umhüllenden Material des Verbindungspunktes zusammengepresst, und die Dichte des MgB₂-Pulvers wird durch Komprimieren auf 50 % oder mehr als 50 % der theoretischen Dichte gebracht. Die Hülse 14 ist ein Rohr aus SUS304L, und sie ist außerhalb des umhüllenden Materials des Verbindungspunktes angeordnet. Sie ist mit beiden Leitungsrohren durch Schweißen verbunden, und die supraleitende Leitung, das umhüllende Material des Verbindungspunktes und das MgB₂-Pulver sind darin eingeschlossen, mit Ausnahme einer Austrittsöffnung 15 für das Kühlmittel als einer Öffnung. Der von außen gekühlte Supraleiter der vorliegenden Ausführungsform bildet einen Teil der supraleitenden Spule. 7 zeigt rechts und links angeordnete supraleitende Spulen.
Ein Kühlmittel, das in dieser Ausführungsform verwendet wird, ist Helium unter superkritischem Druck. Wenn es kein Problem durch einen Druckverlust o. dgl. gibt, ist es auch möglich, ist es auch möglich, flüssiges, gasförmiges oder unter superkritischem Druck stehendes Helium, Neon, Wasserstoff, Stickstoff oder ein Gemisch davon zu verwenden, so lange die Temperatur einer solchen Substanz unter der kritischen Temperatur des angewendeten supraleitenden Materi als gehalten werden kann. Helium unter superkritischem Druck fließt von den Endbereichen der supraleitenden Leitungen rechts und links in den Supraleiter. Nach dem Kühlen der vollständigen supraleitenden Spule strömt es durch den Raum zwischen dem umhüllenden Material des Verbindungspunktes und der Hülse am Verbindungspunkt und tritt durch die Auslassöffnung für das Kühlmittel aus.
8 zeigt eines schematische Abbildung, die die von außen gekühlte supraleitende Spule zeigt, bei der der supraleitende Verbindungspunkt gemäß der vorliegenden Ausführungsform eingesetzt wird. Die Bezugszeichen 51a und 51b bezeichnen supraleitende Spulen, die einen von außen gekühlten Supraleiter vom Kabel-im-Leitungsrohr-Typ verwenden. Diese Spule wird für einen Verbindungstest hergestellt, und verwendet einen Supraleiter vom Kabel-im-Leitungsrohr-Typ, bei dem sechsunddreißig supraleitende NbTi-Leitungen, die einen Durchmesser von 0,9 mm aufweisen, in einem Leitungsrohr mit einem Innendurchmesser von 7 mm angeordnet werden. Es handelt sich um eine Solenoidspule mit zehn Windungen, die einen Durchmesser von 200 mm aufweist. Die Spulenkonstante liegt bei nur 0,00001 oder darunter, aber die kritische Stromstärke des Supraleiters beträgt 3600 A in einem externen Magnetfeld von 5 T. Das Bezugszeichen 52 bezeichnet einen Verbindungspunkt, und der Querschnitt des MgB₂-Pulvers, das in dem umhüllenden Material des Verbindungspunktes an dieser Stelle eingeschlossen ist, ist etwa dreimal der Querschnitt des supraleitenden gewickelten Drahtes. Die Dichte des MgB₂-Pulverbereichs wird durch Zusammenpressen auf 60 % der theoretischen Dichte gebracht. Die Bezugszeichen 54a und 54b bezeichnen Stromschienen für die Stromzufuhr, and die Bezugszeichen 53a und 53b bezeichnen einen Verbindungspunkt zwischen einer supraleitenden Spule und der Stromschiene. Auf der anderen Seite wird Helium unter superkritischem Druck durch eine Vorrichtung 56 zur Erzeugung von Helium unter superkritischem Druck erzeugt, das an der Auslassöffnung 57 in zwei Ströme aufgeteilt wird, um parallel der supraleitenden Spule zugeführt zu werden. Anschließend kehrt es in einem Umwälzsystem durch eine Ansaugöffnung 58 der Vorrichtung zur Erzeugung von Helium unter superkritischem Druck vom Verbindungspunkt in die Vorrichtung zur Erzeugung von Helium unter superkritischem Druck zurück. Die supraleitenden Spule der vorliegenden Ausführungsform ist eine Testspule, deshalb wird nur ein sehr kleines Magnetfeld erzeugt. Es muss nicht weiter erwähnt werden, dass es möglich ist, eine supraleitende Spule mit erhöhter Magnetfeldstärke durch Erhöhung der Zahl der Windungen zu konfigurieren. Eine derartige supraleitende Spule kann dazu führen, dass die Zahl der Verbindungspunkte erhöht wird, diese Konfiguration ist jedoch möglich weil der Weg der Stromzufuhr und der Weg der Kühlmittelumwälzung, die als eine supraleitende Spule funktionieren können, gleich sind. Weiterhin ist die vorliegenden Ausführungsform so konfiguriert, dass die Umwälzung von Helium unter superkritischem Druck möglich ist. Es ist auch möglich, die Konfiguration zu verwenden, bei der ein Kühlmittel, das in einem Tank oder dgl. gespeichert wird, in die Atmosphäre außerhalb der supraleitenden Spule abgelassen wird, nachdem die supraleitende Spule gekühlt worden ist.
Die Erfinder haben einen Anregungsversuch 1 durchgeführt, bei dem diese supraleitende Spule verwendet wurde, die innerhalb eines anderen als äußere Schicht ausgebildeten supraleitenden Magneten angeordnet war, der ein Magnetfeld von 5 T erzeugen kann. Dies wurde getan, weil ein externes Magnetfeld wesentlich war für die Bewertung der supraleitenden Spule, denn in der vorliegenden Ausführungsform wurde eine Testspule verwendet, und die maximale empirische Magnetfeldstärke war gering. Es braucht keine weitere Erwähnung, dass, wenn eine große Spule verwendet wird, das Magnetfeld angewendet wird, das durch die supraleitende Spule selbst erzeugt wird. Die Ver wendung des maximalen empirischen Magnetfeldes der Spule selbst ist für die Beurteilung bevorzugt. Der Verbindungspunkt ist etwas entfernt von der Spule angeordnet, und ein Magnetfeld von 5 T wirkt darauf ein. Weiterhin hat das Helium unter superkritischem Druck einen Druck von etwa 106 Pa, eine Temperatur von etwa 5 K, und es fließt mit einem Durchsatz von 5 g/s. Unter diesen Bedingungen konnte eine Stromstärke von bis zu 3600 A angewendet werden, bei der es sich um einen Basiswert des Supraleiters handelt. Anschließend wurde die Stromstärke über 3600 A erhöht, und es kam zum Quenchen der supraleitenden Spule, auch wenn es nicht am Verbindungspunkt erfolgte. Der Verbindungspunkt der vorliegenden Ausführungsform hat demnach eine kritische Stromstärke von 3600 A oder darüber bei einer äußeren Magnetfeldstärke von 5 T. Es wurde festgestellt, dass dies über die kritische Stromstärke hinaus für eine hohe Leistungsfähigkeit sorgt. Wenn der Durchsatz an Helium unter superkritischem Druck auf 2,5 g/s halbiert wurde, fand das Quenchen nicht beim Verbindungspunkt statt, und es wurde erkannt, dass es bei Änderungen des Durchsatzes des Kühlmittels Stabilität beim Verbindungspunkt gibt, auch wenn die kritische Stromstärke der Spule auf 2800 A sank.
Die vorliegende Erfindung senkt den Energieverbrauch auf Grund eines niedrigen elektrischen Widerstands selbst wenn der Verbindungspunkt für eine supraleitende Leitung in dem Magnetfeld angeordnet ist, wodurch die Struktur des Verbindungspunktes vereinfacht wird.

Claims

Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung in einer Struktur zum elektrischen Verbinden von zwei oder mehr als zwei supraleitenden Leitungen (1a, 1b), gekennzeichnet durch das Vorhandensein eines supraleitenden Pulvers, das Magnesiumdiborid enthält, zwischen den supraleitenden Leitungen (1a, 1b).
Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Gemischs aus supraleitendem Pulver, das Magnesiumdiborid enthält, und Metallpulver zwischen den supraleitenden Leitungen (1a, 1b) als Alternative zum supraleitenden Pulver, wobei ein metallisches Pulver oder ein Legierungspulver, das einen Schmelzpunkt unterhalb des supraleitenden Pulvers aufweist, zu dem Gemisch aus supraleitendem Pulver und Metallpulver gegeben wird.
Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Partikelgröße des supraleitenden Pulvers 20 μm oder weniger beträgt.
Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Leitung (1a, 1b) und das supraleitende Pulver, wie in Anspruch 1 beansprucht, oder die supraleitende Leitung (1a, 1b) und das Gemisch aus supraleitendem Pulver und Metallpulver, wie in Anspruch 2 beansprucht, in einem umhüllenden Material (3) eingeschlossen sind, das aus einem reinen Metall aus Gold, Silber, Kupfer, Platin, Palladium, Aluminium, Niob, Blei, Zinn, Magnesium, Indium, Wolfram, Cobalt, Nickel, Eisen, Tantal oder Chrom oder einer Legierung, die mindestens eines dieser Metalle enthält, hergestellt ist.
Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein supraleitendes Filament, das in der supraleitenden Leitung (1a, 1b) enthalten ist, in unmittelbarem Kontakt mit dem supraleitenden Pulver mindestens in einem Teil der Kontaktoberfläche zwischen der supraleitenden Leitung (1a, 1b) und dem supraleitenden Pulver befindet.
Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des supraleitenden Pulvers 50 % oder mehr als 50 % der theoretischen Dichte entspricht.
Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmebehandlung der Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nicht durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Erhitzen durchgeführt wird, bei dem die Temperatur erreicht wird, die dem Bereich entspricht oder die oberhalb des Bereichs liegt, in dem ein Teil (1) der supraleitenden Leitung (1a, 1b), (2) des supraleitenden Pulvers und/oder (3) des reinen Metallpulvers oder des Legierungspul vers, das in dem Gemisch aus supraleitendem Pulver und Metallpulver enthalten ist, schmilzt.
Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach Anspruch 4, das umfasst: (1) einen ersten Schritt, in dem die supraleitende Leitung (1a, 1b) und das supraleitende Pulver oder das Gemisch aus supraleitendem Pulver/Metallpulver in ein umhüllendes Material (3) eingeschlossen werden, das aus einem reinen Metall aus Gold, Silber, Kupfer, Platin, Palladium, Aluminium, Niob, Blei, Zinn, Magnesium, Indium, Wolfram, Cobalt, Nickel, Eisen, Tantal oder Chrom oder einer Legierung, die mindestens eines dieser Metalle enthält, besteht, und (2) einen zweiten Schritt, in dem das Teil, das im ersten Schritt hergestellt wurde, durch Ausüben eines Drucks von 1 Tonne/cm² oder darüber auf das Teil verformt wird.
Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zu verbindende supraleitende Leitung eine kritische Temperatur aufweist, die der kritischen Temperatur von Magnesiumdiborid entspricht oder über der kritischen Temperatur von Magnesiumdiborid liegt.
Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindende supraleitende Leitung ein supraleitender gewickelter Draht ist, der durch Verdrillen mehrerer supraleitender Leitungen gebildet wird.
Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende ge wickelte Draht ein supraleitender gewickelter Draht innerhalb eines von außen gekühlten Supraleiters vom Kabel-in-Leitungsrohr-Typ ist.
Supraleitende Magnetvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach Anspruch 1 oder 2 enthält.
Supraleitende Magnetvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung enthält, die nach dem Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für supraleitende Leitungen nach Anspruch 7 hergestellt ist.
Supraleitendes Kabel, das eine Verbindungsstruktur für eine supraleitende Leitung nach Anspruch 1 oder 2 enthält.