DE6607640U - Bandfoermiger supraleiter. - Google Patents

Description

SIEICEFS AKTIENGESELLSCHAFT Akt. Z.: S 54 586/21 c Gbm

Berlin und München Uns. Z.: VPA 65/1748 Kb/Kö

Bandförmiger Supraleiter _. „

Die insbesondere beim Bau von Supraleitungsmagnetspulen verwendeten draht— oder bandförmigen Hochf eldsupi^rxHitQi*, die ""bei"—" spielsweise aus den hart supraleitenden intermetallischen Legierungen Niob-Zirkon und Niob-Titan oder aus der hart supraleitenden intermetallischen Verbindung Niob-Zinn bestehen, weisen elektrische Instabilitäten auf, die auf magnetische Flußsprünge zurückzuführen sind und örtliche, kurzzeitige Übergänge des Supraleiters vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand zur Folge haben können. Diese Instabilitäten führen besonders bei größeren Magneten zu einer starken Stromdegradation, d.h. die Supraleiter der Spulenwicklung gehen bereits bei einer wesentlich kleineren Stromdichte in den normalleitenden Zustand über als kurze Proben aus dein gleichen Material bei gleichem Magnetfeld. Diese Stromdegradation hat einen erhöhten Materialaufwand zur Erzeugung eines bestimmten Magnetfelds zur Folge. Durch Überziehen d.er Su.pjr3.iei.te? sit exüem gut elektrisch 5Gjfmslleitend.es und gut wärmeleitenden Metallüberzug kann der Degradationseffekt verringert werden* Ferner kann durch Parallelschaltung mehrerer Supraleiter, die über ihre gut leitenden Normalmetallüberzüge untereinander verbunden sind, zu einem Mehrfachleiter erreicht werden, daß ein kurzzeitig instabil gewordener Einzelleiter durch die Parallelleiter entlastet vdrd, Ein solcher Mehrfachleiter bleibt somit trotz der Instabilitäten in den Einzelleitern für einen fließenden Strom supraleitend. Eine Magnetspule mit einer aus Mehrfachleitern aufgebauten Wicklung geht daher erst bei höheren Stromdichten in den normalleitenden Zustand über als eine Magnetspule, deren Wicklung aus Einzelleitern besteht.

Eine Parallelschaltung von Einzelleitern zu Mehrfachleitern ist für supraleitende Drähte bereits bekannt. So wurden bei der Herstellung von Spulen mit Wicklungen aus Drähten aus den supraleitenden Legierungen Niob-Zirkon und Niob-Titan die aus diesen Legierungen bestehenden kupferummantelten Einzelleiter, gegebenenfalls unter Beifügung zusätzlicher Kupferdrähte, zu Kabeln ver-

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drillt (Review of Scientific Instruments 36 (1965), Seiten 825 bis 830).

-Eine._^uaamm.e,as.u.g-^wa—Bl^-^n- zu einem Mehrfachleiter durch Verdrillen ist bei bandförmigen Supraleitern nicht möglich. Andererseits besteht jedoch in der Fachwelt ein zunehmendes

Interesse, für die Wicklung -v-aleJHfeuH-g-aa^fcben—an-stelle- von

supraleitenden Drähten supraleitende Bänder zu verwenden. Die besonders interessanten Supraleiter mit Schichten aus intermetallischen supraleitenden Verbindungen, insbesondere mit Schichten aus der hervorragende Supraleitungseigenschaften zeigenden Verbindung Niob-Zinn (Nb^Sn), liegen vorwiegend in Bandform vor. Zu einer ersten Stabilisierung sind diese Bänder meist mit gut leitenden Metallschichten, beispielsweise aus Kupfer oder Silber überzogen. Auch bei Verwendung von supraleitenden Legierungen können wegen des günstigeren beim Wickeln von Spulen erzielbaren Packungsfaktors bandförmige Supraleiter von Vorteil sein. Eine Parallelschaltung von solchen bandförmigen Supraleitern zu einem Mehrfachleiter zu Verbesserung der elektrischen Stabilität der Supraleiter ist jedoch mit Schwierigkeiten verbunden, da die bei drahtförmigen Supraleitern benutzte Verkabelungstechnik bei bandförmigen Supraleitern nicht anwendbar ist. Diese Schwierigkeit wird duroh die vorliegende Erfindung behoben.

Die Erfindung betrifft einen bandförmigen Supraleiter und besteht darin, daß mehrere bandförmige hart supraleitende Einzelleiter, die jeweils von einer Hülle aus einem bei der Betriebstemperatur des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall umgeben sind, sandwichartig derart aufeinandergepackt sind, daß die Hüllen der aufeinanderliegenden Einzeileiter miteinander in gutem elektrischen Kontakt und gutem Wärmekontakt stehen.

Als supraleitende Einzelleiter kommen dabei Bänder aus den hart supraleitenden intermetallischen Legierungen, insbesondere aus Eiob-ZIrkcn und liiob-Titan in Frage. Ferner eignen sich Bänder mit dünnen Schichten aus hart supraleitenden intermetallischen Verbindungen, insbesondere aus Niob-Zinn. Die Niob-Zinn-Schichten befinden sich bei den zuletzt genannten Bändern meist auf der Ober-

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fläche eines geeigneten Trägers oder im Inneren eines Bandes, dessen restlicher Teil im wesentlichen aus Niob besteht. Dünne Schichten aus Niob-Zinn sind nämlich trotz der Sprödigkeit dieses Materials verhältnismäßig gut -verformbar. Als Überzugsmetalle, für die bandförmigen Einzelleiter kommen insbesondere Kupfer, Aluminium, Gold oder Silber in Frage. Diese Metalle sind bei der Betriebstemperatur des Supraleiters, die im allgemeinen bei etwa 4,2⁰K liegt, gute elektrische Normalleiter und gute Wärmeleiter. Sie können auf die supraleitenden Einzelleiter beispielsweise elektrolytisch oder insbesondere bei den supraleitenden Legierungen durch Aufwalzen aufgebracht werden.

Durch den guten elektrischen Kontakt der normalleitenden metallischen Überzüge der aufeinanderliegenden Einzelleiter beim bandförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung kann beim partiellen Übergang eines supraleitenden Einzelleiters in den normalleitenden Zustand vor dem Erreichen des kritischen Stromes einer entsprechenden kurzen Probe der diesen Leiter durchfließende Strom über die gut elektrisch leitenden Hüllen auf andere supraleitende Einzelleiter übergeleitet werden. Dadurch wird der partiell in den normalleitenden Zustand übergegangene Einzelleiter entlastet und wieder is den supraleitenden Zustand übergeführt* Sine Ausbreitung des normalleitenden Bereiches über den gesamten Leiterquerschnitt und anschließend über die ganze Spille wird dadurea ~ersie&~2i. Perner wird durch die in gutem Wärmekontak"C miteinander stehenden metallischen Überzüge eine aus ^zeichnete Kühlung des bandförmigen Supraleiters bewirkt.

Die Verwendung des bandförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung für supraleitende Spulen bietet gegenüber den supraleitenden Einseileitern zahlreiche Vorteile. Durch den sandwichartigen Aufbau des bandförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung wird die elektrische Stabilität der Spule wesentlich verbessert. Die Stromtragiähigkeit der Einzelleiter im Sandwich ist daher beträchtlich größer als die von nicht zu einem Sandwich zusammengefaßten Einzelleitern in einer sonst gleichartigen Magnetspule. Auf Grund des großen supraleitenden Querschnittes und der großen Stromtragfähigkeit sind zur Erreichung eines gleich starken Magnetfeldes weniger Wicklungslagen erforderlich als bei Verwendung von bandförmigem

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Einzelleitern. Die notwendige Wickelarbeit und der Materialaufwand sind daher wesentlich reduziert. Außerdem erlaubt der größere supraleitende Querschnitt des erfindungsgemäßen Supraleiters höhere Stromstärken. Dies ist insbesondere in Verbindung mit den sogenannten supraleitenden Flußpumpen oder Generatoren von großem Interesse. Bei einem bandförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung aus einer supraleitenden legierung ist ferner bei großem supraleitendem Querschnitt ein großer Saltverformungsgrad und damit eine hohe Stromdichte erzielbar. Ebenso sind mit der Verwendung des bandförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung anstelle der bisher üblichen, aus verdrillten supraleitenden Drähten bestehenden Kabel zum Wickeln von Supraleitungsspulen Vorteile verbunden. Da die supraleitenden Bänder wegen ihrer ebenen Oberflächen beim Wickeln besser aufeinander aufliegen als die supraleitenden Kabel und die zwischen den nebeneinanderliegenden Kabeln vorhandenen leeren Zwickel wegfallen» können die Packungsfaktoren der Spulen durch die supraleitenden Bänder gemäß der Erfindung wesentlich verbessert werden. Ferner ist bei den erfindungsgemäßen Bändern wegen

ί ihres rechteckigen Querschnittes das Verhältnis zwischen gekühlter

j Oberfläche und supraleitendem Volumen günstiger als bei den aus

runden Drähten bestehenden Kabeln. Die Bänder besitzen eine große

'■ Wärmekontaktfläche mit dem die Spule durchströmenden Kühlmedium

- bzw. mit den gegebenenfalls zwischen die einzelnen Wicklungsiagen

\ äer Spule eingelegten Kühlfolien* Außerdem bietet dsr bandförmige

j . _: Supraleiter gemäß der Erfindung erstmals die Möglichkeit, Bänder '·. mit Niob-Zinn-Schichten für elektrisch gut stabilisierte Spulen zu

) verwenden.

\ Der erfindungsgemäße bandförmige Supraleiter kann gemäß weiterer

Er±LndtJig in verschiedenartiger Weise weiter ausgestaltet werden.

, Auch sind verschiedene Verfahren zur Erzielung eines festen Zusammenhalts und eines innigen Kontaktes zwischen den sandwichar+ig aufeinandergepackten Einzelleitern möglich. Im folgenden soll darauf noch näher eingegangen werden.

Die Oberflächen der elektrisch normalleitenden Süllen der supraleitenden Einzelleiter werden zur Erzielung eines guten elektrischen Kontaktes und eines guten Wärmekontaktes zwischen den Einzelleitern vorteilhaft gut poliert. Wenn man die Einzelleiter sandwichartig sufeinanderschiclitet xma walzt, haften diese gut

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polierten Oberflächen aneinander. In vielen Fällen wird dies zum mechanischen Zusammenhalt des supraleitenden Bandes gemäß der Erfindung bereits ausreichend sein. Da die Schichten aus supraleitenden intermetallischen Verbindungen gegen Walzdruck nicht unempfindlich sind, kommt dieses Verfahren vorzugsweise für bandförmige Supraleiter aus supraleitenden Legierungen, beispielsweise für Supraleiter aus Mob-Zirkon, die mit einem Aluminiumüberzug versehen sind, in Präge.

Zur Verbesserung des elektrischen und des ffärmekontaktes zwischen den bandförmigen Einzelleitern können die Hüllen dieser Einzelleiter gemäß weiterer Erfindung wenigstens an den Kontaktflächen mit einer dünnen Schicht aus einem gut wärmeleitenden und beim Betrieb des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden Metall von hoher Reinheit und niedrigem Schmelzpunkt versehen sein. Als besonders geeignet hat sich Indium erwiesen, dessen Schmelzpunkt bei etwa 150⁰C liegt. Bei Indium von einer Reinheit von wenigstens 99»999 Gew.-$ ist der elektrische Restwiderstand dieser dünnen Schichten bei tiefen Temperaturen besonders niedrig. Die Dicke dieser Schichten liegt vorteilhaft in der Größenordnung von

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etwa 10 mm.

Die sandwichartig aufeinandergepackten bandförmigen Einzelleiter des Supraleiters gemäß der Erfindung können ferner mittels der dünnen Schichten aus dem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt miteinander verlötet sein. Die Metallschichten dienen bei dieser Form des erfindungsgemäßen Supraleiters sowohl zur Erzielung eines guten Kontaktes zwischen den Hüllen der Einzelleiter als auch zum mechanischen Zusammenhalt des Supraleiters. Zum Zwecke der Verlötung kann man beispielsweise die sandwichartig aufeinandergepackten, mit einer dünnen Indiumschicht versehenen Einzelleiter durch auf etwa 200⁰C geheizte Teflonwalzen laufen lassen. Durch Verlöten mit Indium kann der bandförmige Supraleiter auch unmittelbar beim Wickeln der Spule, für die er Verwendung findet, zusammen mit dem Wiekelvorgang oder nach dem Wickelvorgang hergestellt werden. Dabei wird eine Wicklungslage aus mehreren sandwichartig aufeinandergepackten, mit einer dünnen Indiumschicht versehenden Einzelbändern hergestellt und die Bänder dann mit Hilfe des beim Wickeln erzeugten Druckes und Erhitzens zusammengebacken.

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Zur Verbesserung der Kühlung und zur weiteren elektrischen Stabilisierung des bandförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung kann es ferner vorteilhaft sein, die aufeinandergepackten Einzelleitar, d.h. also den gesamten bandförmigen Supraleiter, mit einer gemeinsamen Umhüllung aus einem beim Betrieb des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall zu versehen. Als tiberzugsmaterialien sind wiederum die Metall- Kupfer, Silber, Gold oder Aluminium besonders geeignet. Die Umhüllung kann beispielsweise auf den bandförmigen Supraleiter durch elektrolytische Abscheidung aufgebracht werden. Ferner besteht die Möglichkeit, den bandförmigen Supraleiter beispielsweise mit einem Kupferband zu umwickeln. Dies hat den Vorteil, daß die metallische Umhüllung besonders elastisch ist. Das zum Umwickeln verwendete Kupferband kann gegebenenfalls mit Indium üoerzogen sein. Mittels dieses Indiumüberzuges können die einander überlappenden Teile des Kupferbandes nach dem Wickeln der Spule durch Erhitzen miteinander verlötet und die Umhüllung mit dem Leiter in guten elektrischen und wärmeleitenden Kontakt gebracht werden.

Der bandförmige Supraleiter gemäß der Erfindung kann ferner mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung versehen sein. Diese Umhüllung besteht aus einen tieftemperaturbeständigen Isolierstoff, beispielsweise aus Polyäthylenterephthalat. Spulen mit Wicklungen aus derart elektrisch isolierten Leitern können besonders schnell erregt werden. Außerdem vertragen sie verhältnismäßig große Spannungen innerhalb einer Wicklung.

Die Umhüllung aus normalleitenden Metallen und/oder Isolierstoffen wirken auch im Sinne eines guten mechanischen Zusammenhalts der bandförmigen Einzelleiter beim erfindungsgemäßen Supraleiter.

Zur Erzielung einer besonders guten elektrischen Stabilität können ferner beim bandförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung zwischen den einzelnen bandförmigen Einzelleitern und/oder auf den beiden außenliegenden bandförmigen Einzelleitern bandförmige Folien aus einem beim Betrieb des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall vorgesehen sein. Auch für diese Folien kommen insbesondere wiederum die Metalle Kupfer, Aluminium, Silber oder Gold in Frage. Die Folien und

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Einzelleiter können beispielsweise durch Walzen miteinander verbunden werden. Mit Hilfe der Folien aus normalleitendem Metall und des gegebenenfalls den gesamten Supraleiter umgebenden Überzugs, der ebenfalls aus normalleitendem Metall besteht, kann erreicht werden, daß beim Übergang der bandförmigen Einzelleiter in den elektrisch normalleitenden Zustand der gesamte, den bandförmigen Supraleiter durchfließende Strom von den eingelagerten bzw. umhüllender, normalleitenden Metallen übernommen wird und daß dabei der Leiter nicht über die kritische Temperatur beim vorhandenen Magnotfela erwärmt wird. Man erhält somit eine Kombination aus Supraleitungs- und Kryomagnetspule. Durch eine geringfügige Verkleinerung des Spulenstromes kann der Supraleiter wieder in den supraleitenden Zustand übergeführt werden. Ein Abbau der magnetischen Feldentsrgie der Spula wird dadurch verhindert.

Die beim erfindungsgemäßen Supraleiter zwischen den supraleitenden Schichten eingelagerten Schichten aus Normalmetall ermöglichen ferner eine ausgezeichnete Kühlung des Supraleiters und bieten eine zusätzliche Wärmekapazität gegen Überhitzung.

Anhand der Fig. 1 bis 5> die verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen bandförmigen Supraleiters schematisch und stark vergrößert im Querschnitt zeigen, soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen bandförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung, bei welchem drei aus einer supraleitenden intermetcllisehen Legierung, beispielsweise Niob-Zirkon, bestehende Eänder 11, 12 und 13, die mit Überzügen 14, 15 und 16 aus einem gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall, beispielsweise Kupfer, überzogen sind, sandwichartig aufeinandergepackt sind. Die bandförmigen Einzelleiter werden durch die gute Haftung der polierten Oberflächen der Überzüge zusammengehalten.

In Fig* 2 ist ein bandförmiger Supraleiter dargestellt, der aus drei sandwichartig aufeinandergepackten bandförmigen Einzelleitern 21, 22 und 23 aufgebaut ist, die beispielsweise au3 Niob-Titan bestehen. Die Einzelleiter sind mit Überzügen 24, 25 und aus einem normalleitenden Metall, beispielsweiss Kupfer, überzogen.

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An den Kontaktflächen sind die Überzüge jeweils mit einer dünnen Indiumschicht versehen. Dadurch entstehen zwischen den bandförmigen Einzelleitern die dünnen Indiumschichten 27 und 28, mit deren Hilfe die Einzelleiter miteinander verlötet sind.

Pig τ 3 zeig-c einen bandförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung, der aus Einzelleitern mit Oberflächenschichten aus Niob-Zinn aufgebaut ist. j)ie Niob-Zinn-Schichten sind mit 31» 32 und 33, die metallischen Träger dieser Schichten mit 34, 35 und 36

, bezeichnet. Die Einzelleiter 3ind mit Kupferüberzügen 37, 38 und

^: 39 versehen. Eine Kupferhülle 30 umgibt die sandwichartig aufein-

andergepackten Einzelleiter.

Der in Pig. 4 dargestellte bandförmige Supraleiter gemäß der Erfindung ist aus drei bandförmigen Einzelleitern aufgebaut, die im Inneren dünne Niob-Zinn-Schichten 40, 41 und 42 enthalten. Die restlichen Teile 43 und 44 eines solchen bandförmigen Einzelleiters bestehen aus Niob. Derartige Niob-Zinn-Bänder wurden an \ anderer Stelle bereits vorgeschlagen. Die Einzelleiter sindmit

Kupferhüllen 45, 46 und 47 umgeben. Zwischen den Einzelleitern liegen ferner Kupferfolien 48 und 49· Der Kupferüberzug 400 umgibt den gesamten bandförmigen Supraleiter.

Pig. 5 zeigt einen bandförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung, der aus vier Niob-Zirkon-Leitern 50, 51, 52 und 53 aufgebaut ist. Die Einzelleiter sind mit Aluininiumüberzügen 54, 55 und 56 und Überzogen. Eine isolierende Umhüllung 58 umgibt den gesamten Supraleiter. Zwischen den Einzelleitern 51 und 52 sowie auf den außenliegenden Einzelleitern 50 und 53 sind bandförmige Aluminiumfolien 59, 500 und 501 vorgesehen.

Die isolierenden und die gut elektrischlLeitenden und wärmeleiten-• den Überzüge sowie die Metallfolien und Indiumschichten zwischen

den einzelnen bandförmigen Einzelleitern können neben den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen noch in verschiedenster Weise miteinander kombiniert werden.

Die Anzahl der bandförmigen Einzelleiter, aus denen der bandförmige Supraleiter gemäß der Erfindung aufgebaut ist, und die Grösamtdicke des bandförmigen Supraleiters kann jeweils auf die

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mechanische Belastbarkeit der Bänder und den Krümmungsradius der Spulenwicklung abgestimmt werden, die mit dem bandförmigen Supraleiter hergestellt werden soll. Beispielsvireise kann bei einem Krümmungsradius von 5 cm ein bandförmiger Supraleiter gemäß der Erfindung aus etwa 3 bis 5 Einzelbändern mit Niob-Zinn-Schichten aufgebaut werden, wobei jedes Einzelband etwa 80 bis 90 /U dick ist. Sie G-esasitdioke ubb bandförmigen Supraleiters mit Einschluß der Umhüllung beträgt dabei etwa 0,5 nun. Ein solcher bandförmiger Supraleiter kann mit einem Krümmungsradius von 5 cm noch gut gewickelt werden.

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Claims (10)

1. Bandförmiger Supraleiter, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere bandförmige hart supraleitende Einzelleiter (11, 12, 13), die jeweils von einer Hülle (14, 15, 16) aus einem bei der Betriebstemperatur des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall umgeben sind, sandwichartig derart auf« einandergepackt sind, daß die Hüllen der aufeinanderliegenden Einzelleiter miteinander in gutem elektrischen Kontakt und gutem Warmekontakt stehen.

2. Bandförmiger Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllen der bandförmigen Einzelleiter wenigstens an den Kontaktflächen mit einer dünnen Schicht (27, 28) aus einem gut wärmeleitenden und beim Betrieb des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden Metall von hoher Reinheit und niedrigem Schmelzpunkt versehen sind.

3. Bandförmiger Supraleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bandförmigen Einzelleiter mittels der dünnen Schichten (27, 28) aus dem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt miteinander verlötet sind.

^. Bandförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinandergepackten Einzelleiter mit einer gemeinsamen Umhüllung (30) aus einem beim Betrieb des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall versehen sind.

5. Bandförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung (58) versehen ist.

6. Bandförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen bandförmigen Einzelleitern und/oder auf den beiden außenliegenden Einzelleitern

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bandförmige Folien (48, 49) aus einem beim Betrieb des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall vorgesehen sind.

7· Bandförmiger Sup rale i te:«.* nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Betrieb des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Eüllen und/oder Folien aus einem der Metalle Kupier, Silber, Gold oder Aluminium bestehen.

8. Bandförmigem Supraleiter nach einem der Ansprüche 2 oder 3» dadurch gekennseich.net, daß die dünnen Schichten aus Indium bestehen.

9· Bandförmiger Supraleiter nach Anspruch fr, dadurch gekennzeichnet, daß das Indium eine Reinheit von wenigstens 99,999 Gew.-?£ besitzt.

10. Supraleitungsspule, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung aus bandförmigen Supraleitern nach einem der vorhergehenden Ansprüche besteht.