DE69407341T2

DE69407341T2 - Band aus nanokristalliner weichmagnetischer Legierung mit isolierender Deckschicht; Magnetkern daraus und Anwendungen

Info

Publication number: DE69407341T2
Application number: DE69407341T
Authority: DE
Inventors: Michiyuki Fukushima; Noriyoshi Hirao; Shin Nakajima
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1993-05-21
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2014-05-21
Also published as: DE69407341D1; EP0625786A2; EP0625786A3; EP0625786B1; JPH06333717A; US5486404A; JP2909349B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Bänder aus einer weichmagnetischen Legierung sowie Magnetkerne mit derartigen Bändern, und ferner betrifft sie Impuisgeneratoren, Lasereinheiten und Beschleuniger unter Verwendung derartiger Magnetkerne. Die Magnetkerne werden in magnetischen Komponenten verwendet, die mit einer Magnetisierungsgeschwindigkeit ΔB/τ von ungefähr 0,1 bis 100 T/us arbeiten, wobei ΔB als der Hub der magnetischen Flussdichte definiert ist und τ als Periode definiert ist, in der sich ΔB von 10 auf 90 % ändert. Beispiele für derartige magnetische Komponenten sind sättigbare Drosseln, sättigbare Transformatoren oder Transformatoren, wie sie in Hochspannungs-Impulsgeneratoren für Lasereinheiten verwendet werden, wozu Excimerlaser, TEA(transversal angeregte Atmosphären)-CO&sub2;-Laser, TEMA(transversal angeregte Mehratmosphären)-CO&sub2;-Laser oder Kupferdampflaser gehören, und es sind Stromstoß-Absorptionselemente wie Stromstoß-Hemmkerne in Neutralstrahlinjektoren.

Hintergrund der Erfindung

Lasereinheiten, einschließlich Excimerlasern, TEA-CO&sub2;-Lasern, TEMA-CO&sub2;-Lasern oder Kupferdampflasern, wie auch Beschleuniger, wie induktive Linearbeschleuniger, enthalten im allgemeinen Hochspannungs-Impulsgeneratoren mit hoher Wiederholrate, bei denen die in einem Kondensator gespeicherte Energie mittels einer Entladungsröhre wie eines Thyratron oder einer Halbleiter-Schaltbauteils wie eines Thyristors entladen wird.
Um die Ausgangsleistung, die Wiederholfrequenz, den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit derartiger Hochspannungs- Impulsgeneratoren zu verbessern, ist es wichtig, Verluste in den obigen Schaltbauteilen zu verringern. Zu diesem Zweck werden Aufwärtstransformatoren, sättigbare Transformatoren und sättigbare Drosseln verwendet.
Der obige induktive Linearbeschleuniger enthält einen Beschleunigungshohlraum unter Verwendung eines Magnetkerns zum Erzeugen oder Beschleunigen eines Strahls geladener Teilchen wie eines Elektronenstrahls.
Die Ionenquellen in einem Neutralstrahlinjektor umfassen magnetische Komponenten zum Unterdrücken von Spannungsstößen.
Für die bei diesen Anwendungen verwendeten magnetischen Komponenten ist es wichtig, das Magnetkernvolumen und die Kernverluste zu verringern. Es ist wohlbekannt, dass sich das Magnetkernvolumen und die Kernverluste umgekehrt proportional zum Quadrat des Hubs AB der effektiven Magnetflussdichte ändern, wenn der Temperaturanstieg im Magnetkern, wie durch die Kernverluste hervorgerufen, vernachlässigt wird. Wenn die magnetische Rückstellkraft ausreichend groß ist, beträgt der Hub ΔB der Magnetflussdichte ungefähr das Doppelte der effektiven Magnetflussdichte Bms. Demgemäß ist es bevorzugt, einen Magnetkern aus einer auf Fe beruhenden weichmagnetischen Legierung mit hoher Sättigungsmagnetflussdichte zu verwenden.
Bei den obengenannten Anwendungen magnetischer Komponenten erreicht die Magnetisierungsgeschwindigkeit ΔB/τ Werte von 0,1 bis 100 T/us. Wenn der Temperaturanstieg im Magnetkern aufgrund von Wirbelstromverlusten nicht vernachlässigt werden kann, wenn ein Material mit niedrigem elektrischem Widerstand, wie eine auf Fe beruhende weichmagnetische Legierung verwendet wird, wird im allgemeinen ein Isolieröl oder ein Isoliergas dazu verwendet, den Temperaturanstieg des Magnetkerns auf eine in der Praxis zulässige Temperatur zu begrenzen. Wenn jedoch die Wirbelstromverluste des Magnetkerns zu groß sind, kann der Temperaturanstieg desselben nicht ausreichend unterdrückt werden, und es wird der Wirkungsgrad der Einheit stark beeinträchtigt.
Es existieren zwei Verfahren zum Erhalten eines Magnetkerns mit niedrigen Wirbelstromverlusten unter Verwendung einer weichmagnetischen Legierung: das eine besteht darin, Bänder aus einer weichmagnetischen Legierung zum Herstellen eines Ringkerns oder eines magnetischen Stapelkerns zu verwenden; das andere besteht darin, ein Pulver einer weichmagnetischen Legierung zu verwenden, das unter Druck zu einem Magnetkern auszubilden ist. Jedoch hat der letztgenannte Magnetkern im allgemeinen eine relative Permeabilität, die den niedrigen Wert von einigen Hundert oder weniger aufweist. Demgemäß werden die ersteren Magnetkerne aus Bändern einer weichmagnetischen Legierung hauptsächlich für Anwendungen gemäß der Erfindung verwendet.
Es ist bekannt, dass, für niedrige Wirbelstromverluste, ein Magnetkern mit dünnen Bändern aus einer weichmagnetischen Legierung mit hohem spezifischem Widerstand versehen sein muss und dass an seiner Oberfläche ein isolierender Überzug ausgebildet sein muss.
Zu diesem Zweck wurden verschiedene Ringmagnetkerne verwendet: Ringkerne mit Bändern aus einer wärmebehandelten, amorphen, weichmagnetischen Legierung auf Fe-Basis und mit Isolierfilmen wie Polyethylenterephthalat-Filmen, die zusammen gewickelt wurden; Kerne, die aus den obigen Bändern aus einer weichmagnetischen Legierung und Polyimidfilmen, die zusammen gewickelt und dann wärmebehandelt wurden, hergestellt werden; Kerne mit den Bändern aus einer wärmebehandelten, weichmagnetischen Legierung, auf denen Isolierfilme aus Polyimid vor dem Wickeln ausgebildet werden; oder Kerne aus den Bändern der weichmagnetischen Legierung mit einem isolierenden Keramiküberzug aus Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2; oder MgO auf der Oberfläche.
Jedoch hat die Sättigungs-Magnetostriktionskonstante von Bändern aus einer amorphen, weichmagnetischen Legierung auf Fe-Basis den großen Wert von ungefähr 2 × 10&supmin;&sup6; oder mehr. Daher ist, solange nicht die Bänder mit MgO oder einem isolierenden Überzug aus kolbidalem Siliziumoxid von ungefähr 0,3 um Dicke oder einem isolierenden SiO&sub2;-Überzug, der durch ein Abscheidungsverfahren mit ungefhr 0,2 um Dicke aufgebracht wurde, an der Oberfläche versehen sind, die effektive Magnetflussdichte Bms oder die effektive Restmagnetflussdichte Brms in der Gleichstrom-Magnetcharakteristik des Bands unter der Einwirkung von Spannungen beeinträchtigt, wie sie während des Wicklungsvorgangs mit den Isolierfilmen oder dem an der Bandoberfläche ausgebildeten Isolierüberzug auf das Band ausgeübt werden.
Andererseits ist bekannt, dass Bänder mit einem ungefähr 0,3 um dicken Isolierüberzug aus MgO oder kolbidalem Siliziumoxid sowie Bänder mit einem ungefähr 0,2 um dicken SiO&sub2;- Isolierüberzug, der durch ein Abscheidungsverfahren aufgebracht wurde, unzureichende Isoliereigenschaften bei Betriebsbedingungen aufweist, bei denen die Magnetisierungsgeschwindigkeit ΔB/τ ungefähr 0,1 bis 100 T/us beträgt.
Wenn der obige Isolierüberzug aus MgO oder kolbidalem Sihziumoxid dicker gemacht wird, um die Isoliereigenschaften zu verbessern, ist die Haftfestigkeit zwischen den Bändern und den Überzugsmaterialien verringert, was stabiler Funktion im praktischen Gebrauch des Kerns entgegenwirkt. Außerdem ist hinsichtlich einem durch ein Abscheidungsverfahren aufgebrachten SiO&sub2;-Isolierüberzug ein dickerer Film für verbesserte Isoliereigenschaften aus dem Gesichtspunkt des Herstellwirkungsgrads nicht bevorzugt.
Die japanische Patentanmeldungs-Offenlegung Nr. 302504/1988 oder Nr. 204e4/1991 offenbart, im Gegensatz zu den obigen Materialien, ein Band aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung. Gemäß diesen Erfindungen wird ein isolierender Keramiküberzug auf einem Band aus einer amorphen Legierung hergestellt, und dann wird das Band bei einer Temperatur über seiner Kristallisationstemperatur so wärmebehandelt, dass nanokristalline Teilchen mit einem Durchmesser von 50 nm oder weniger mindestens 50 % der Struktur ausmachen. Der Wert der Sättigungsmagnetostriktionskonstante für ein derartiges Band ist um eine Größenordnung oder mehr kleiner als derjenige für ein Band aus einer amorphen, weichmagnetischen Legierung auf Fe-Basis.
So können gemäß der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegung Nr. 297903/1990 magnetische Ringkerne aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung durch Erwärmen der Kerne und aufgebrachter Filme aus einem Gemisch aus einem Silanololigomer und mikrokeramischen Teilchen zum Ausbilden einem isolierenden Keramiküberzug mit einem zur Schichtisolierung dienenden vernetzten Silanololigomer hergestellt werden. Die obengenannten Magnetkerne mit isolierendem Keramiküberzug haben beinahe dieselben Gleichstrom-Magneteigenschaften wie das Band selbst. Es ist bekannt, dass ihre Kernverluste beim Betreiben mit einer Magnetisierungsgeschwindigkeit ΔB/τ von mehreren zehn T/us oder mehr deutlich kleiner sind als die bei einem Ringkern mit einem Isolierfilm, der auf einem Band aus einer amorphen, weichmagnetischen Legierung auf Fe-Basis ausgebildet ist.
Jedoch weisen die beschriebenen Ringkerne immer noch einige Nachteile auf. Es sei ein Ringkern angenommen, der durch Aufwickeln von Bändern aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung mit dem darauf befindlichen, obengenannten SiO&sub2;-Isolierüberzug hergestellt wurde, der bei einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur des Bands bei einem Gleichmagnetfeld von 800 A/m entlang der Richtung des magnetischen Pfads wärmebehandelt wurde. Wenn derartige Ker ne einem Beständigkeitstest unterzogen werden, bei dem die Kerne mit einer Wiederholrate von 500 Hz und hinsichtlich eines Hubs ΔB der Magnetflussdichte von 2,5 T und einer Magnetisierungsgeschwindigkeit ΔB/τ von 50 T/us (entsprechend 25 V für die Zwischenschichtspannung) betrieben werden, neh men die Verluste im Magnetkern beim Anlegen einer Impulsspannung für nur 10&sup5; Schüsse schnell zu, da der Kern nur unzureichende Schichtdurchschlagsfestigkeit aufweist.
In Lasereinheiten, Beschleunigern oder Stromstoß-Hemmkernen verwendete Magnetkerne arbeiten im allgemeinen bei einer Magnetisierungsgeschwindigkeit ΔB/τ von ungefähr 0,1 bis 100 T/us. Wenn angenommen wird, dass ein Band aus einer weichmagnetischen Legierung mit einer Breite W von 25 mm und einer Dicke t von 20 um zum Herstellen einer Ringkerns verwendet wird, der mit einem Hub ΔB der Magnetflussdichte von 2,5 T und- einer Magnetisierungsgeschwindigkeit ABIT von 50 T/us betrieben wird, ergibt sich eine gleichmäßige Spannungsinduktion für die den Ringkern bildenden Bandschichten. In diesem Fall beträgt der Impulshöhenwert Vp der Zwischenschichtspannung, wie zwischen Schichten des Ringkerns induziert, gemäß der folgenden Formel (1) 25 Vischicht:
Formel: VP ≥ (W t AB)/τ (1)
Die hier beschriebenen Bänder aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung werden durch ein Schnellabschreckverfahren hergestellt, wie es allgemein als Einzelrollenverfahren bezeichnet wird. Der Ringkern wird dadurch hergestellt, dass die Bänder mit einem darauf befindlichen Isolierüberzug aufgewickelt werden und sie dann bei einer Temperatur über ihrer Kristallisationstemperatur wärmebehandelt werden.
Ein durch das Einzelwalzenverfahren gemäß dem obigen hergestellte Band hat im allgemeinen eine mittlere 10-Punkt-Rauhigkeit Rz von ungefähr 3 um gemäß JIS B0601 an seiner Oberfläche. Aufgrund des Effekts der Oberflächenrauhigkeit wird die Durchschlagsfestigkeit des Isolierüberzugs geringer. Wenn eine derartige Beeinträchtigung der Durchschlagsfestigkeit berücksichtigt wird, sollte der Isolierüberzug so hergestellt sein, dass er dem Wert standhält, der durch die obige Formel (1) bestimmt ist. Außerdem muss, abweichend von üblichen dielektrischen Bedingungen, berücksichtigt werden, dass die Intensität des elektrischen Felds an den Kanten der Magnetbandenden höher als im Zentrum wird, wenn der tatsächliche Magnetkern bei einer großen Amplitude der Magnetflussdichte betrieben wird.
Im allgemeinen müssen, um einen hoch-zuverlässigen Impulsgenerator, eine Lasereinheit oder ein Beschleunigersystem zu realisieren, die magnetischen Komponenten stabile magnetische Eigenschaften selbst nach den schwerwiegendsten Betriebsvorgängen aufweisen, bei denen eine Magnetisierungsgeschwindigkeit ΔB/τ von 50 T/us, mindestens 10&sup5; Schüsse oder mehr und bevorzugter 10&sup9; Schüsse der Impulsspannung verwendet werden.
Um Magnetkerne zu erhalten, bei denen die zeitliche Änderung der magnetischen Eigenschaften selbst nach 10&sup6; Schüssen einer Impulsanwendung oder mehr bei einer Magnetisierungsgeschwindigkeit ΔB/τ von 50 T/us auf einen vernachlässigbaren Wert beschränkt ist, ist es erforderlich, einen SiO&sub2;-Isolierüberzug mit einer mittleren Dicke von ungefähr 3 um oder mehr auf der Bandoberfläche herzustellen, wenn die obengenannten Bänder aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung mit einer Breite W von 25 mm, einer Dicke t von 20 um und einer mittleren 10-Punkt-Rauhigkeit Rz von ungefähr 3 um für die Magnetkerne verwendet werden.
Im Fall der Bänder aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung ist der Wert der Sättigungsmagnetostriktion klein (in der Größenordnung von 10&supmin;&sup6;), und ihre magnetischen Eigenschaften werden durch Spannungseinwirkungen weniger beeinträchtigt. Wenn jedoch ein isolierender Keramiküberzug mit einer mittleren Dicke von ungefähr 3 um, was ungefähr 20 % der Dicke des Bands ausmacht, auf der Oberfläche ausgebildet wird, können die effektive Magnetflussdichte Bms oder die effektive Restmagnetflussdichte Brms in der Gleichstrom- Magnetcharakteristik durch den Effekt von Spannungen verringert werden, wie sie in unvermeidlicher Weise während der Herstellung des Isolierüberzugs auf das Band ausgeübt werden. Ferner kann die relative Permeabilität verrinqert werden, und die Kernverluste können während Impulsspannungsbetriebs ansteigen.
Es ist bekannt, dass ein Band aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung im kristallisierten Zustand ein kleineres Volumen als im amorphen Zustand aufweist. Wenn der auf der Bandoberfläche im amorphen Zustand hergestellte Isolierüberz-ug eine mittlere Dicke von ungefähr 3 um aufweist, verursacht eine derartige Volumenverringerung Risse oder andere Defekte im Isolierüberzug und führt zu verringerter Haftfestigkeit zum Band, was zum Abschälen von der Bandoberfläche führen kann.
Wenn ein Ringkern mit Defekten im isolierenden Keramiküberzug oder mit verringerter Haftfestigkeit zwischen dem Isolierüberzug und dem Band bei einer Magnetisierungsgeschwindigkeit ΔB/τ von ungefähr 0,1 T bis 100 T/us betrieben wird, fördert die magnetostriktive Schwingung am Magnetkern, wie im Betrieb erzeugt, Risswachstum oder Abschälen hinsichtlich des Zwischenschicht-Isolierüberzugs, was die Durchschlagsfestigkeit der Zwischenschicht allmählich verringert. Dies kann zu einer schnellen Änderung der magnetischen Eigenschaften des Kerns unter dem Effekt einer Impulsspannung von nur ungefähr 10&sup5; Schüssen führen.

Zusammenfassung der Erfindung

Bänder aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung gemäß der Erfindung werden dadurch hergestellt, dass ein isolierender Keramikfilm auf einem Band aus einer amorphen, weichmagnetischen Legierung hergestellt wird und das Band und die Isoliermaterialien bei einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur erwärmt werden. Winzige nanokristalline Teilchen mit einem Durchmesser von 50 nm oder weniger repräsentieren mindestens 50 % der Struktur. Der isolierende Keramiküberzug ist an den Enden in Querrichtung des Bands dicker als im Zentrum. Wenn die Dicke des isolierenden Keramiküberzugs an den Enden des Bands als dx definiert ist und die mittlere Dicke des Isolierüberzugs gemäß einem Massen-Messverfahren als da definiert ist, sind 1,2 da ≤ dx ≤ 1,5 da und dx ≤ 10 um erfüllt.
Bei einem Band aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung, bei dem die mittlere Dicke t, wie durch ein Massen-Messverfahren bestimmt, 5 um ≤ t ≤ 30 um beträgt, die Breite W ist, der Hub der Magnetflussdichte AB ist und die Periode, in der sich der obige Hub AB der Magnetflussdichte von 10 auf 90 % ändert, τ ist, liegt die mittlere Dicke da des Isolierüberzugs im Bereich, der 0,2 um ≤ da ≤ 4 um und da ≥ (40 × 10&supmin;&sup9; ΔB W t)/τ genügt.
Das obige Band aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung enthält Fe als Hauptbestandteil, und es enthält ferner, als wesentlichen Bestandteil, mindestens eines der Materialien Cu und Au und zumindest eines der Materialien Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W.
Mit einem Magnetkern, der aus einem erfindungsgemäßen Band aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung mit einem darauf befindlichen isolierenden Keramiküberzug hergestellt wurde, können Verluste an magnetischen Komponenten wie Transformatoren, sättigbaren Drosseln und sättigbaren Transformatoren verringert werden. Außerdem können Änderungen der Isolationseigenschaften durch die Wirkung magnetostriktiver Schwingungen, hervorgerufen durch eine Impulsspannung, unterdrückt werden. Im Ergebnis kann ein Impulsgenerator, eine Lasereinheit oder ein Beschleuniger mit einer der obigen magnetischen Komponenten mit kleinerer Größe hergestellt werden und mit höherem Wirkungsgrad arbeiten. Auch ermöglicht dies kontinuierlichen Betrieb mit hohen Wiederholraten und großer Ausgangsspannung wie auch verbesserte Zuverlässigkeit der Bauteile, was bisher als schwierig angesehen wurde.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht zum Darstellen der Konfiguration einer Schaltung zum Messen der magnetischen Eigenschaften eines Magnetkerns für eine sättigbare Drossel während Impulsbetriebs;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht zum Zeigen des Aufbaus einer Erregerschaltung für einen KrF-Excimerlaser unter Verwendung einer sättigbaren Drossel zur magnetischen Unterstützung; und
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht zum Zeigen der Konfiguration eines Hochspannungs-Impulsgenerators unter Verwendung einer magnetischen Unterstützungsschaltung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Ein erfindungsgemäßes Band aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung wird dadurch hergestellt, dass ein isolierender Keramikfilm auf der Oberfläche eines Bands aus einer amorphen, weichmagnetischen Legierung hergestellt wird und dann das Band auf eine Temperatur über seiner Kristallisationstemperatur erwärmt wird. Das Band aus der nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung hat eine Legierungsstruktur, die durch nanokristalline Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 50 nm oder weniger in mindestens 50 % der Struktur belegt ist. Der isolierende Keramiküberzug wird so hergestellt, dass er an den beiden Enden in Querrichtung des Bands dicker als im Zentrum ist. Wenn die Dicke des Überzugs an den Bandenden dx ist und die mittlere Dicke des Überzugs, wie durch ein Massen-Messverfahren bestimmt, da ist, sind die Bedingungen 1,2 da ≤ dx < 5 da und dx ≤ 10 um erfüllt.
So kann dadurch, dass an den Bandenden in Querrichtung ein dickerer Isolierüberzug als im Zentrum ausgebildet wird, die mittlere Dicke des Isolierüberzugs dünner gemacht werden, wodurch eine Beeinträchtigung der magnetischen Eigenschaften des Bands, wie durch die Herstellung des Isolierüberzugs hervorgerufen, unterdrückt werden kann. Außerdem gewährleistet ein derartiger Überzug eine ausreichende Standhaltespannungs-Charakteristik selbst bei einem elektrischen Feld, das an den Kanten der Isolierüberzugsenden bei Betriebsbedingungen mit einer schnellen Magnetisierungsgeschwindigkeit ΔB/τ erzeugt wird.
Eine geringe mittlere Dicke des Isolierüberzugs auf dem Band kann eine Risserzeugung im Überzug unter Einwirkung von Spannungen und eine Verringerung der Haftfestigkeit zwischen dem Überzug und der Bandoberfläche unterdrücken, wie dies auftrat, wenn sich das Volumen des Bands aus der amorphen, weichmagnetischen Legierung während des obigen Wärmebehandlungsprozesses verringert. Demgemäß ist ein derartiger Überzug mit geringer mittlerer Dicke bevorzugt, da er eine Änderung der magnetischen Eigenschaften des Bands aufgrund einer magnetostriktiven Schwingung während des Betriebs mit schneller Magnetisierungsgeschwindigkeit ΔB/τ unterdrückt.
Wenn die maximale Dicke dx des auf der Bandoberfläche ausgebildeten Überzugs zum 1,2- bis Sfachen der mittleren Dicke da des Überzugs, wie durch ein Massen-Messverfahren bestimmt, gemacht wird, kann die Änderung der magnetischen Eigenschaften sogar für noch schnellere Magnetisierungsgeschwindigkeit ΔB/τ verringert werden, was hohe Zuverlässigkeit gewährleistet.
Es sei ein Band mit einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung angenommen, das an seiner Oberfläche mit einem Isolierüberzug versehen ist, wobei die durch ein Massen-Messverfahren bestimmte mittlere Dicke t des Bands 5 ≤ t ≤ 30 um beträgt, die Bandbreite W beträgt, der Hub der Magnetflussdickte ΔB beträgt und die Periode, in der sich der obige Hub ΔB der Magnetflussdichte von 10 auf 90 % ändert, T beträgt. Wenn die mittlere Dicke da des Isolierüberzugs im Bereich liegt, der 0,2 um ≤ da ≤ 4 um und da ≥ (40 × 10&supmin;&sup9; ΔB W t)/τ genügt, kann das Band hervorragende magnetische Eigenschaften und Langzeitstabilität aufweisen. Die bei der Erfindung verwendete nanokristalline, weichmagnetische Legierung verwendet Fe als Hauptbestandteil, mindestens eines der Materialien Cu und Au und mindestens eines der Materialien Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W. Derartige Zusätze verbessern die effektive Sättigungs-Magnetflussdich-te und sie verringern die Magnetostriktionskonstante. So kann eine Beeinträchtigung der magnetischen Eigenschaften, wie dies mit der Herstellung des Isolierüberzugs einhergeht, minimiert werden. Dies erhöht demgemäß den Hub K.AB der ef fektiven Magnetflussdichte, der das Produkt aus dem Packungsfaktor K und dem Hub AB der Magnetflussdichte ist, und es verringert den Kernverlustkoeffizient Pcg/(K.AB)², der dadurch erhalten wird, dass der Kernverlust Pcg für einen Halbzyklus pro Einheitsvolumen durch das Quadrat des Hubs K ΔB der effektiven Magnetflussdichte geteilt wird. Demgemäß kann ein kleiner Magnetkern mit geringen Verlusten erhalten werden.
Mit magnetischen Komponenten wie einem Transformator, einer sättigbaren Drossel und einem sättigbaren Transformator unter Verwendung eines Magnetkerns, der aus erfindungsgemäßen Bändern aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung mit einem darauf befindlichen isolierenden Keramiküberzug hergestellt wurde, können ein Impuisgenerator, eine Lasereinheit oder ein Beschleuniger mit kleinerer Größe hergestellt werden, und sie können mit höherem Wirkungsgrad betrieben werden, da die Kernverluste verringert werden können. Außerdem können im Magnetkern Änderungen der Isoliereigenschaften unterdrückt werden. Dies ermöglicht es, die Bauteile kontinuierlich mit hohen Wiederholraten und großer Ausgangsspannung zu betreiben, was bisher als schwierig angesehen wurde. Gleichzeitig ist auch die Zuverlässigkeit der Bauteile verbessert.

Beispiel 1

Es wurden Bänder aus einer amorphen, weichmagnetischen Legierung durch ein Einzelwalzen-Abschreckverfahren so hergestellt, daß sie die Zusammensetzung Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9, eine Sättigungsmagnetostriktionskonstante λs von +20 × 10&supmin;&sup6;, eine Breite W von 25 mm, eine mittlere Dicke t von ungefähr 20 um und eine mittlere 10-Punkt-Oberflächenrauhigkeit Rz von ungefähr 3 um aufwiesen. Jedes Band wurde mit einem von sechs Typen von Isolierüberzügen gemäß der Tabelle 1 an seiner Oberfläche versehen. Alle Isolierüberzüge hatten eine mittlere Dicke von ungefähr 2 um gemäß dem Massen-Meßverfahren, und die Verhältnisse ihrer maximalen Dicke dx, gemäß dem obigen, zu ihrer mittleren Dicke da an den Bandenden in Querrichtung lagen im Bereich von 1,2 bis 5.
Ein Vergleichsbeispiel A war ein Band aus einer amorphen, weichmagnetischen Legierung ohne Isolierüberzug. Vergleichsbeispiele B und C waren Bänder aus einer amorphen, weichmagnetischen Legierung mit einem Isolierüberzug, wobei die Verhältnisse der maximalen Dicke dx zur mittleren Dicke da, gemäß dem obigen, außerhalb des Bereichs von 1,2 bis 5 lagen. Sie sind ebenfalls in der Tabelle 1 angegeben.
Für jede der Proben Nr. 1 bis 6 wie auch für die Vergleichsproben B und C wurde der Isolierüberzug dadurch hergestellt, daß eine Flüssigkeit auf die Oberfläche aufgetragen und getrocknet wurde, die dadurch hergestellt wurde, daß das Oligomer des aus Methyltrimethoxysilan erhaltenen Hydrolyseprodukts und winziges, kolbidales SiO&sub2; vermischt wurden, das Gemisch mit Isopropylalkohol (IPA) verdünnt -wurde ünd etwas NH&sub3; hinzugefügt wurde. Tabelle 1
Für jedes der neun Bänder aus einer amorphen, weichmagnetischen Legierung in der Tabelle 1 wurde ein Ringkern mit einem Außendurchmesser von 60 mm, einem Innendurchmesser von 25 mm und einer Höhe von 25 mm hergestellt. Durch Anlegen eines Gleichmagnetfelds von 800 A/m in Richtung des magnetischen Pfads des Kerns wurden die Bänder für eine Stunde bei 550ºC, was die Kristallisationstemperatur ist, in Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt Die Bänder aus der amorphen, weichmagnetischen Legierung in den Magnetkernen wurden zu Bändern aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung umgewandelt.
Tabelle 2 zeigt den Packungsfaktor K und die Gleichstrom- Magneteigenschaften der fertiggestellten neun Ringkerne. In der Tabelle 2 sind B80, Br und Hc die maximale Magnetflussdichte, die Restmagnetflussdichte bzw. die Koerzitivfeldstärke, wie unter der Berücksichtigung gemessen, dass die Signalverlaufshöhe der Gleichstrom-Magnetisierungskraft 80 A/m betrug (dasselbe gilt beim Beispiel 2). Während die Proben 1 bis 6 und die Vergleichsbeispiele A und B dasselbe Niveau magnetischer Gleichfeldeigenschaften aufweisen, weist die Vergleichsprobe c niedrigere Werte von B80, Br und Br/B80 und einen höheren Wert Hc hinsichtlich der magnetischen Gleichfeldeigenschaften auf. Tabelle 2
Jeder der Magnetkerne der Tabelle 2 wurde in der sättigbaren Drossel 16 in der in Fig. 1 dargestellten Schaltung zum Messen der magnetischen Eigenschaften bei Impulsspannungsbetrieb verwendet. Die Tabelle 3 zeigt die Messergebnisse, wobei die Rücksetzmagnetisierungs-Feldstärke 8 A/m beträgt und die Periode T, in der sich die Magnetflussdichte im Magnetkern während Impulsspannungsbetriebs von 10 auf 90 % des Hubs AB der Magnetflussdichte ändert, 0,05 us beträgt.
In Fig. 1 kennzeichnet die Bezugszahl 11 eine Eingangsgleichstrom-Hochspannungsquelle, 12 ist ein Ladewiderstand für einen Kondensator 15, 13 ist ein Thyratron, 14 ist eine durch eine Verdrahtung gebildete Induktivität, 15 ist ein Kondensator, 16 ist eine sättigbare Drossel, 17 ist eine Drossel zur Spannungsstoßabsorption und 18 ist eine Gleichspannungsquelle zum Zurücksetzen der sättigbaren Drossel 16.
In der Tabelle 3 ist ΔB der Hub der Magnetflussdichte, K ΔB ist der Hub der effektiven Magnetflussdichte, wie als Produkt aus dem Packungsfaktor K und dem Hub ΔB der Magnetflussdichte gegeben, urs ist die relative Permeabilität im Sättigungsgebiet und Pcg sind die Kernverluste für einen Halbzyklus pro Einheitsvolumen (dasselbe gilt für das Beispiel 2). Tabelle 3
Hinweis: Die Periode τ beträgt 0,05 us.
Gemäß Tabelle 3 war es schwierig, den Wert urs im Sättigungsgebiet für die Vergleichsprobe A zu messen, da der Kern wegen eines Fehlens der Schichtisolation nicht als sättigbare Drossel diente.
Jeder der acht Kerne der Proben, mit Ausnahme der Probe A, wurde in der sättigbaren Drossel 24 für einen KrF-Excimerlaser mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltungskonfiguration angebracht. Der Laser wurde mit Hochspannungsimpulsen mit bis zu 10&sup6; Schüssen betrieben. In Fig. 2 ist die Bezugszahl 21 eine Spannungsquelle für eine hohe Eingangsspannung, 22 ist ein Ladewiderstand für einen Hauptkondensator 25, 23 ist ein Thyratron, 24 ist eine sättigbare Drossel zur magnetischen Unterstützung, 25 ist ein Hauptkondensator, 26 ist eine Ladeinduktivität für den Hauptkondensator 25, 27 ist ein Spitzenwertkondensator, 28 ist ein Vorionisierungsspalt für Ultraviolettlicht, und 29 ist eine Laserentlade-Hauptelektrode.
Beim Montagetest betrug die Spannung der Spannungsquelle 21 für eine hohe Eingangsspannung 20 kV, der Hauptkondensator 25 und der Spitzenwertkondensator 27 hatten eine Kapazität von 20 nF, und die wirksame Länge und das Intervall der Laserentlade-Hauptelektrode betrugen 400 mm bzw. 20 mm, und die Wiederholfrequenz betrug 500 Hz. Die Anzahl der Wicklungen der sättigbaren Drossel zur magnetischen Unterstützung betrug 1, und der Magnetkern wurde unter Verwendung von Siliconöl zwangsgekühlt.
Dann wurden die Kerne erneut in der sättigbaren Drossel 16 in der Schaltung zur Messung magnetischer Eigenschaften während Impulsspannungsbetriebs, wie in Fig. 1 dargestellt, verwendet. Die Messung erfolgte mit demselben Verfahren wie oben für die Rücksetzmagnetisierungs-Feldstärke von 8 A/m und die Periode T von 0,05 us.
Die Tabelle 4 zeigt Vergleichsdaten für vor und nach dem Test mit Anlegen einer hohen Impulsspannung für den Hub ΔB der Magnetflussdichte im Betrieb, für die relative Permeabilität urs im Sättigungsgebiet und für die Kernverluste Pcg für einen Halbzyklus pro Einheitsvolumen. Tabelle 4
Wie es die Tabelle 4 zeigt, ändert sich, wenn die Magnetkerne der Proben 1 bis 6, für die das Verhältnis dx/da in einem Bereich von 1,2 bis 5 liegt und die maximale Dicke dx 10 um oder weniger beträgt, ΔB um -4 % bis +1 %, urs im Sättigungsgebiet ändert sich von 0 bis +2 %, Pcg für einen Halbzyklus pro Einheitsvolumen ändert sich um -1 bis +2 %. Unter Berücksichtigung der Messgenauigkeit von +/- 5 % sind die magnetischen Eigenschaften beinahe unverändert gehalten. Im Gegensatz hierzu ändert sich, wenn die Magnetkerne der Vergleichsbeispiele B und C verwendet werden, bei denen dx/da außerhalb des obigen Bereichs liegt, ΔB um -11 % bis -13 %, urs im Sättigungsgebiet ändert sich um +10 %, Pcg für einen Haibzyklus pro Einheitsvolumen ändert sich um +12 % bis +16 %. Hinsichtlich dieser Werte haben sich die magnetischen Eigenschaften deutlich geändert, was bedeutet, dass sie vom Gesichtspunkt der Zuverlässigkeit her nicht bevorzugt sind.

Beispiel 2

Durch ein Einzelwalzen-Abschreckverfahren wurden dieselben Bänder einer amorphen, weichmagnetischen Legierung wie beim Beispiel 1 hergestellt. Durch Auftragen und Trocknen derselben Überzugsflüssigkeit wie beim Beispiel 1 auf der Oberfläche wurden Bänder gemäß erfindungsgemäßen Proben 7 bis 12 und gemäß Vergleichsbeispielen D, E und F hergestellt, wie in Fig. 5 angegeben. Die erfindungsgemäßen Bänder hatten einen Isolierüberzug, für den das Verhältnis dx/da 3,0 betrug, und die mittlere Dicke lag im Bereich von 0,1 bis 4,5 um. Die Bänder der Vergleichsbeispiele wurden mit einem Isolierüberzug mit einer mittleren Dicke da von 4 um oder mehr oder mit einem überzug mit einer maximalen Dicke an den Bandenden in Querrichtung von mehr als 10 um hergestellt. Tabelle 5
Für jedes der obigen Bänder wurde ein magnetischer Ringkern hergestellt. Sie wurden derselben Wärmebehandlung wie beim Beispiel unterzogen. Die Bänder aus einer amorphen, weichinagnetischen Legierung wurden in Bänder aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung umgewandelt.
Die Tabelle 6 zeigt den Packungsfaktor K und die magnetischen Gleichfeldeigenschaften der neun fertiggestellten Magnetkerne. Während die Proben 7 bis 12 gemäß der Erfindung dasselbe Niveau der magnetischen Gleichfeldeigenschaften aufweisen, weisen die Vergleichsproben D bis F niedrigere Werte von B80, Br und Br/B80 und einen höheren Wert von Hc hinsichtlich der magnetischen Gleichfeldeigenschaften auf. Tabelle 6
Jeder der Magnetkerne gemäß der Tabelle 6 wurde in der sättigbaren Drossel 16 in der in Fig. 1 dargestellten Messschaltung für magnetische Eigenschaften während Impulsspannungsbetrieb verwendet. Die Tabellen 7 bis 12 zeigen die Messergebnisse, wobei die Rücksetzmagnetisierungs-Feldstärke 8 A/m und die Periode T, in der sich die Magnetflussdichte im Magnetkern während Impulsspannungsbetrieb von 10 auf 90 % des Hubs ΔB der Magnetflussdichte ändert&sub1; 1, 0.5, 0.3, 0.2, 0.1 bzw. 0.05 us beträgt. Tabelle 7
Hinweis: Die Periode τ beträgt 1 us. Tabelle 8
Hinweis: Die Periode beträgt 0,5 us. Tabelle 9
Hinweis: Die Periode beträgt 0,3 us. Tabelle 10
Hinweis: Die Periode beträgt 0,2 us. Tabelle 11
Hinweis: Die Periode beträgt 0,1 us. Tabelle 12
Hinweis: Die Periode beträgt 0,05 us.
Aus der Tabelle 7 ist es ersichtlich, dass die Probe 7 gemäß der Erfindung, bei der die mittlere Dicke da des Isolierüberzugs 0,1 um ist, nur unzureichende Durchschlagsfestigkeit aufweist, weswegen, während Impulsspannungsbetriebs, urs im Sättigungsgebiet und Pcg für einen Halbzyklus pro Einheitsvolumen weniger bevorzugt werden.
Hinsichtlich der Vergleichsbeispiele D bis F verursacht ein auf dem magnetischen Band ausgebildeter dicker Isolierüberzug übermäßige Spannungen, die auf das Band wirken, was zu einem größeren Wert urs im Sättigungsgebiet und einem größeren Wert Pcg für einen Halbzyklus pro Einheitsvolumen während Impulsspannungsbetriebs als im Fall der Proben 8 bis 12 führt.
Wie es die Tabellen 10 bis 12 zeigen, hat die Probe 8 mit dem Isolierüberzug mit einer mittleren Dicke da von 0,2 um extrem größere Werte urs im Sättigungsgebiet und Pcg für einen Halbzyklus pro Einheitsvolumen im Vergleich mit der Probe 11, bei der der Isolierüberzug eine mittlere Dicke da von 2 um aufweist, und im Vergleich mit der Probe 12, bei der der Isolierüberzug eine mittlere Dicke da von 3 um aufweist. Auf ähnliche Weise weist, wie es in der Tabelle 12 angegeben ist, wenn die Periode τ 0,05 us beträgt, die Probe 9, bei der der Isolierüberzug eine mittlere Dicke da von 0,5 um aufweist, der größere Wert von urs im Sättigungsgebiet und von Pcg für einen Halbzyklus pro Einheitsvolumen im Vergleich mit den Proben 11 und 12 auf.
Jeder der Magnetkerne gemäß den Proben 8 bis 12 wurde in der sättigbaren Drossel 34 eines Hochspannungs-Impulsgenerators mit der in Fig. 3 dargestellten Schaltungskonfiguration angebracht und dem Anlegen von Hochspannungsimpulsen mit bis zu 10&sup6; Schüssen unterzogen. Dann wurde jeder derselben erneut während Impulsspannungsbetrieb in der sättigbaren Drossel 16 in der Magnetcharakteristikschaltung verwendet. Eine Messung erfolgte durch dasselben Verfahren wie beim Beispiel 1 für die Rücksetzmagnetisierungs-Feldstärke von 8 A/m und die Periode τ von 0,05 us.
In Fig. 3 kennzeichnet die Bezugszahl 31 eine Gleichspannungsquelle für hohe Eingangsspannung, 32 ist ein Ladewiderstand eines Hauptkondensators 35, 33 ist ein Thyratron, 34 ist eine sättigbare Drossel für magnetische Unterstützung, 35 ist ein Hauptkondensator, 36 ist ein Spitzenwertkondensator und 37 ist ein Lastwiderstand.
Bei einem Montagetest mit einem Hochspannungs-Impulsgenerator wurde die Periode T auf Grundlage der Ergebnisse in den obigen Tabellen 7 bis 12 so eingestellt, dass es der Mmimalwert im Bereich war, in dem die relative Permeabilität urs im Sättigungsgebiet des Magnetkerns während Impulsspannungsbetrieb nicht übermäßig anzusteigen begann.
In der Tabelle 13 kennzeichnet τ0 die für jede Probe eingestellte Periode, in der sich die Magnetflussdichte des Kerns von 10 auf 90 % des Hubs AB der Magnetflussdichte ändert. Die Tabelle 13 enthält ferner Vergleichsdaten für ΔB, urs im Sättigungsgebiet und Pcg für einen Halbzyklus für Einheits volumen vor und nach dem Test, bei dem eine hohe Impulsspannung angelegt wird. Tabelle 13
Wie es aus der Tabelle 13 ersichtlich ist, ändert sich für Magnetkerne gemäß der Erfindung AB um -3 % bis +1 %, und Pcg für einen Halbzyklus pro Einheitsvolumen ändert sich um +1 % bis +4 %. Unter Berücksichtigung der Messgenauigkeit von +/- 5 % bleiben die magnetischen Eigenschaften beinahe unverändert aufrechterhalten.
Aus den obigen Ergebnissen ergibt sich, dass ein Magnetkern mit einem Band aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung mit der Dicke t, der Breite W und dem Hub ΔB der Magnetflussdichte zeitliche Stabilität, die der Magnetisierungsgeschwindigkeit ΔB/τ während Impulsspannungsbetrieb entspricht, aufweist, wenn die Periode T und die mittlere Dicke da des auf der Bandoberfläche hergestellten isolierenden Keramiküberzugs der folgenden Formel genügen. Magnetische Komponenten unter Verwendung eines derartigen Magnetkerns können zuverlässiger gemacht werden.
Formel: da ≥ (40 × 10&supmin;&sup9; ΔB W t) τ (m)
Die obigen Beispiele 1 und 2 beschrieben die Anwendung eines Bands aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung mit der Zusammensetzung Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9 mit einem darauf befindlichen SiO&sub2;-Isolierüberzug auf einen Magnetkern einer sättigbaren Drossel zur magnetischen Unterstützung, wie in Hochspannungs-Impulsgeneratoren für Excimerlaser oder andere Einheiten verwendet. Offensichtlich kann unter Kombination eines isolierenden Keramiküberzugs mit anderer Zusammensetzung und eines Bands aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen Legierung mit anderer Zusammensetzung derselbe Effekt erzielt werden, wenn die Erfindung auf ein derartiges Band aus einer nanokristallinen&sub1; weichmagnetischen Legierung und einen Magnetkern mit einem derartigen Band angewandt wird, wie in magnetischen Komponenten für andere Anwendungen, wie Transformatoren, sättigbare Transformatoren, Beschleunigungshohlräume und Stromstoß-Hemmkerne, verwendet.
Die Erfindung kann so sowohl hohe Zuverlässigkeit als auch überlegene Funktionsfähigkeit für Lasereinheiten, einschließlich Excimerlasern, TEA-CO&sub2;-Lasern, TEMA-CO&sub2;-Lasern oder Kupferdampflasern, und Beschleunig er, wie induktive Linearbeschleuniger, wie auch einen Neutralstrahlinjektor realisieren.

Claims

1. Band aus nanokristalliner weichmagnetischer Legierung mit einer Struktur, die von nanokristallinen Teilchen einer mittleren Teilchengröße von 50 nm oder weniger eingenommen wird, wobei mindestens 50% der Legierungsstruktur an ihrer Oberfläche einen keramischen Isolierüberzug aufweisen, der in Querrichtung des Bandes an beiden Enden dicker ist als in der Mitte, wobei die Dicke dx des Isolierüberzugs an beiden Enden des Bandes und die mittlere Dicke da des Isolierüberzugs, jeweils bestimmt durch ein Massen-Meßverfahren, die Gleichungen

1,2 da ≤ dx ≤ 5 da, und dx ≤ 10 um

erfüllen.

2. Band nach Anspruch 1, wobei

0,2 um ≤ da ≤ 4 um, und da ≥ (40 × 10&supmin;&sup9; ΔB W t)/τ, wobei

t = mittlere Dicke des Bandes, bestimmt nach einem Massen-Meßverfahren, mit 5um ≤ t ≤ 30 um,

W Breite des Bandes,

ΔB Hub der Magnetflußdichte, und

τ = Periode, während der sich der Hub der Magnetflußdichte ΔB von 10 auf 90º ändert.

3. Band nach Anspruch 1 oder 2, das Fe als Hauptbestandteil, mindestens Cu oder Au sowie mindestens eines der Elemente Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W enthält.

4. Magnetkern, der ein Band nach einem der Ansprüche 1 bis 3 enthält.

5. Impulsgenerator mit dem Magnetkern nach Anspruch 4.

6. Lasereinheit mit dem Magnetkern nach Anspruch 4.

7. Beschleuniger mit dem Magnetkern nach Anspruch 4.

8. Stromstoß-Dämpfungselement für eine Ionenquelle mit dem Magnetkern nach Anspruch 4.