DE7511447U

DE7511447U - Stabilisierte Supraleiter

Info

Publication number: DE7511447U
Application number: DE7511447U
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1975-03-12
Filing date: 1975-04-11
Publication date: 1977-01-27
Also published as: US4084989A; DE2515904A1; DE2515904C2; GB1521202A; CH584449A5

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren zur Herstellung eines stabilisierten Supraleiters

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines stabilisierten Supraleiters mit einer Vielzahl von dünnen Filamenten aus supraleitendem Material, bei welchem nach einer mechanischen Verformung eines Ausgangsbolzens zur Erzielung einer metallisch innigen Verbindung zwischen den einzelnen Bolzenbestandteilen mit Hilfe einer Warmbehandlung die supraleitenden Filamente durch Hineindiffundieren von mindestens einer von der Aussenseite des Leiters zugeführten diffusionsfähigen Materialkomponente in eine zweite, im Innern des Leiters filamentförmig angeordnete Materialkomponente, gebildet werdeu.

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Es sind bereits zahlreiche Filamentsupraleiter auf der Basis intermetallischer Verbindungen wie Nb3^Sn» ^V3^Ga» V₃Si und andere bekannt, deren gemeinsames Kennzeichen sehr hohe kritische Felder (> 15T), hohe kritische Temperaturen (>15K) und hohe kritische Stromdichten im Supraleitermaterial ( > 10⁶A/mm² bei 5T und.4,2K) ist. Die dabei verwendeten Supraleitermaterialien sind jedoch alle sehr spröde und lassen sich nicht durch die bekannten Verfahren zu den erforderlichen dünnen Filamenten ziehen. Daher ist es bei der Herstellung dieser Supraleiter notwendig, zuerst die duktilen Materialkomponenten zu verformen, eventuell gewisse Materialkomponenten erst bei der Bildung des Endproduktes hinzuzufügen, und die intermetallische Verbindung unter Anwendung eines Glühprozesses durch Diffusion herzustellen.

Es sind bereits mehrere Verfahren bekannt geworden, um diese Prozesse auszuführen. Nach einem bekannten Verfahren werden zum Beispiel Nb-Stäbe auf dünne Durchmesser gezogen und das Endprodukt durch ein auf einer Temperatur von etwa 1000°C sich befindendes. Zinnbad geführt, wodurch im Oberflächenbereich des Nb-Filamentes eine Nb^Sn-Schicht gebildet wird. Der Nachteil dieses Verfahrens ist die hohe Bildungsgeschwindigkeit der intermetallischen Supraleiterverbindung, wodurch die letztere eine grobkörnige Struktur erhält, was niedrige kritische Stromstärken zur Folg« hat. Nach einem anderen bekannten Verfahren werden

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V-Stäbe in eine aus Galliumbronze bestehende Matrix eingesetzt, das Ganze gemeinsam auf den Enddurchmesser verformt und anschliessend durch interne Diffusion bei einer Temperatur von etwa 65O°C eine Diffusionsglühung zur Bildung einer V-jGa-Schicht im Oberflächenbereich der Vanadiumfäden durchgeführt. Der Vorteil gegenüber dem ersterwähnten Verfahren ist die geringere Wachstumsgeschwindigkeit und damit die feinkörnige Ausbildung der V3Ga-Schicht bei interner Diffusion, im Gegensatz zu einem Tauchen in einem Ga-Bad analog dem ersterwähnten Verfahren, welche einen Leiter mit einer wesentlich höheren kritischen Stromdichte ergibt und die Bildung unerwünschter Nebenphasen verhindert. Nach einem dritten bekannten Verfahren werden Nb-Stäbe in eine Kupfermatrix eingesetzt, das Ganze verformt und nach Erzielung des Enddurchmessers der Draht mit Zinn umgeben und bei einer Temperatur von ungefähr 700°C das Zinn durch externe Eindiffusion durch das Kupfer hindurch zu den aus Niob bestehenden Fäden diffundieren gelassen, so dass sich mindestens im Oberflächenbereich der Niob-Fäden eine Nb^Sn-Schicht bildet. Der Vorteil des zuletzt genannten Verfahrens gegenüber dem zweitgenannten Verfahren ist, dass die aus Kupfer und Niob bestehende Matrix relativ einfach gezogen werden kann, während eine Ga- oder Sn-Bronze fortlaufend Weichglühungen des Drahtes während seines Ziehens erforderlich macht, und zwar vor allem bei den zur Bildung

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eines Supraleitermaterials erforderlichen hohen Ga- « beziehungsweise Sn-Konzentrationen, was sehr umständlich,

zeitraubend und kostspielig ist.

Alle die soeben angeführten Verfahren weisen den Nachteil

• auf, dass die Restmatrix, ausser der Supraleiterschicht

• und dem Rest-Kern der Supraleiterfilamente, aus der

elektrisch sehr schlecht leitenden CuGa-, CuSn- oder CuSi-Bronze besteht. Zum stabilen und gefahrlosen Betrieb einer Supraleiterspule ist es aber notwendig, den Leiter mit einem Kupfer-, Aluminium- oder Silber-Parallelleiter zu verbinden, welcher dann eine elektrisch gutleitende Brücke für den Fall darstellt, dass die Supraleitfähigkeit des Supraleiters aus irgend einem Grund verloren geht. Es hat Vorteile, wenn elektrisch gut leitendes Kupfer, Aluminium oder Silber in die Matrix des Supraleiters integriert wird. Gemäss ebenfalls bereits bekannten Beispielen umgibt man die aus supraleitendem Material bestehenden Filamente oder Filamentgruppen, die auch die Bronzematrix enthalten, mit für die diffundierenden

Komponenten wie zum Beispiel Sn, Ga oder Si₉ undurch- j

j lässigen Diffusionssperren. Solche Leiter weisen somit |

in ihrem Innern die von der Bronzematrix umgebenen Supraleiterschichten auf, wobei die Bronzematrix ihrerseits von einer Diffusionssperre und die letztere aussen von elektrisch gut leitendem Kupfer oder Aluminium umgeben ist. Bisweilen wird innerhalb der Diffusionssperre auch

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reines Material der diffundierenden Komponenten vorgesehen, um die Verformbarkeit des Leiters zu verbessern. Enthält der Leiter auf seiner Aussenseite die elektrisch gutleitende Substanz, dann entfällt die Möglichkeit der externen Diffusion der zur Bildung des supraleitenden Materials zu diffundierenden Materialkomponente.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines stabilisierten Supraleiters, bei welchem durch eine spezielle Anordnung der Leiterkomponenten der Vorteil der externen Diffusion beibehalten, also die einfache Verformung der Matrix erhalten werden kann, obwohl die elektrisch gut leitenden Bereiche im J_t> Aussenbereich des Leiters angeordnet werden und die supraleitenden Filamente somit über den Querschnitt des Leiters betrachtet in radialer Richtung gesehen alle innerhalb dieser elektrisch gut leitenden Bereiche verlaufen.

Das erfindungsgema'sse Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man als Ausgangsbolzen einen Bolzen verwendet, der im Mittelbereich seines Querschnittes mit einer Vielzahl von aus der zweiten Materialkomponente bestehenden Stäben oder Drähten, die von einem die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundieren lassenden Material

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umgeben sind, und in »einem radial gesehen Huaaeren Bereich mit mehreren au» elektrisch gut ieit'e|iMem Material bestehenden Drahten oder Stöben, die mit einem gegenüber der von aussen ein'fcudiffundierenden Materialkomponente eine Sperre bildenden Material umgeben sind, versehen ist, wobei mindestens zwischen einem Teil der mit einer Diffusionssperre umgebenen, aus elektrisch gut leitendem Material bestehenden Drähte oder Stäbe die diffusionsfählge Materialkompqnente hindurchdiffundieren lassendes Material angeordnet ist. Bs ist zweckmässig, die Supraleiterfilamente soweit wie möglich im Zehtrum des Leiters zu konzentrieren, um beim Biegen des Leiters die auf die spröden Supraleiterfilamente einwirkenden Zug- und Druckkräfte mögliehst niedrig zu

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-halten.

Durch die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens wird erreicht, dass Diffusionsbrücken von der Au'ssenseite des Leiters in dessen Zentrum gebildet werden, über welche die diffusionsfähigen Mater!alkomponenten von aussen zu den mit ihnen das Supraleitermaterial bildenden anderen Materialkomponenten gelangen können und gleichzeitig der Hauptteil der aus elektrisch gut leitendem Material bestehenden Matrix durch die Diffusionssperren von einer Verunreinigung durch die diffusionsfähige Materialkomponente, welche die elektrische Leit-

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fähigkelt des elektrisch gut leitenden Materials bei tiefen Temperaturen sehr stark herabsetzt, ge&chUtzt wird.

Bei einigen Materialkombinationen ist es zur Erzielung einer einwandfreien metallisch innigen Verbindung nach der mechanischen Verformung des Leiters vorteilhaft, wenn man als diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundieren lassendes Material ein solches verwendet, dass bereits einen Teil der zur Bildung der Supraleiterfilamente notwendigen Menge an diffusionsfähiger Materialkomponente enthält.

Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich ferner noch folgende Vorteile: ,

a) Es ist nicht auszuschliessen, dass die möglichst dünn auszulegenden Diffusionssperren um das elektrisch gut leitende Material herum bei einer Endlänge des Leiters von vielen Kilometern Oeffnungen aufweisen können, sei es infolge von Rissen, Poren oder ähnlichem. An diesen Stellen würde bei den bisherigen Ausführungsformen zum Beispiel Zinn aus dem die Bronze enthaltenden Teil des Leiters in das Kupfer diffundieren und die hohe elektrische Leitfähigkeit des Kupfers zerstören. Dies hätte aber zur Folge, dass bei einer Schnellentregung einer aus diesem bekannten Supraleiter hergestellten Spule oder einem plötzlichen Verlust der Supra-

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leitfähigkeit im Leiter, dem er gewachsen sein muss, der Leiter durchbrennen kann. Bei Anwendung des er~ findungsgemassen Verfahrens wird durch die Aufteilung des Querschnittes des elektrisch gut leitenden Materials, zum Beispiel des Kupfers, in mehrere voneinander getrennte, mit Diffusionssperren geschützte Bereiche praktisch ausgeschlossen, dass der Gesamtquerschnitt oder ein Grossteil des elektrisch gut leitenden Materials elektrisch schlecht leitend werden kann.

b) Durch die bei Anwendung des erfindungsgemassen Verfahrens resultierende Aufteilung des Querschnittes des elektrisch gut leitenden Materials in mehrere voneinander distanzierte Bereiche ergibt sich bei Verwendung des Leiters in zeitlich variablen Feldern eine Reduktion der Wirbelstromverluste. Insbesondere reduzieren auch die elektrisch schlecht leitenden Brücken, die sich zwischen den elektrisch gut leitenden Bereichen befinden, die bekannten Kopplungsverluste zwischen den am weitestens auseinanderliegenden Supraleiterfilamenten und Kupferbereichen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste beispielsweise Ausführungsform eines Ausgangsbolzens zur Durchführung des erfindungsgemassen Verfahrens; und

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Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zweite beispielsweise Ausführungsform eines Ausgangsbolzens.

Gemäss Figur 1 werden in einem Kupferbehälter 1 Formteile eingesetzt, welche aus Nb-Stäben 2, die letzteren umgebenden Kupferrohren 3, Kupferstäben 4,5 und 6 und die Kupferstäbe 6 umgebenden Hülsen aus Ta bestehen. Der Behälter ί wird an den Enden verschlossen und anschliessend warm und kalt verformt, bis sich ein dünner Draht mit einem Durchmesser von beispielsweise 0,5mm ergibt. Dieser Leiter wird anschliessend verzinnt und das Zinn bei einer Temperatur

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von etwa 400 C in das Kupfer 5,4 und 3, welches mit dem Hüllrohr 1 in direkter Verbindung steht, eindiffundieren

gelassen. Anschliessend wird bei Temperaturen um 700 C die supraleitende Verbindung Nb₃Sn durch Eindiffusion des Zinn in die Nb-Stäbe 2 hergestellt.

Im zweiten, in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden in einem massiven Kupferblock 8 eine Anzahl von ' Bohrungen gemacht und in die inneren Bohrungen V-Stäbe 9 und in die äusseren Bohrungen Kupferstäbe 10, welche vor. einem aus Ta bestehenden Hüllrohr 11 umgeben sind., eingesteckt. Die weitere Verarbeitung erfolgt wie im vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Sowohl nach Beispiel 1 wie nach Beispiel 2 können z.B.

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Supraleiter auf der Basis Nb₃Sn, V₃Ga, V₃Si und andere ähnliche Verbindungen gefertigt werden.

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Sowohl die Nb-Stäbe wie auch die Cu-Stäbe können bereits in einem vorausgehenden Arbeitsschritt mit Kupfer beziehungsweise Ta fest umkleidet werden.

Die Formteile 1,3,4,5 und 8 können bereits aus einer Bronze-Legierung bestehen, jedoch mit reduziertem Gehalt der diffusionsfähigen Komponente, welches noch eine gute Verarbeitung gestattet. Durch die externe Diffusion am Endleiter wird die diffusionsfähige Komponente dann nur noch auf den nötigen Endwert gebracht.

Die Verzinnungs- und GlUhschritte können in Stufen erfolgen, indem auf eine oder mehrere Verzinnungs- und EindiffusionsglUhungen eine oder mehrere DiffusionsglUhungeu zur Bildung der Supraleiterfilamente folgen können. Dadurch ist es vor allem möglich, dass der Querschnitt der Legierungsmatrix im Verhältnis zur Nb- oder V-Komponente wesentlich reduziert werden kann, weil dadurch eine Verarmung der Bronzematrix an der diffusionsfähigen Komponente weitgehend verhindert werden kann.

Das elektrisch hochleitfähige Kupfer kann z.B. durch Silber oder durch das bei tiefen Temperaturen und hohen magnetischen Feldstärken noch besser elektrisch leitende Aluminium ersetzt werden. .

Die Wirkung der diffusionssperrenden Schichten beruht auf der nur langsam ablaufenden Reaktion dieser Materialien mit der diffusionsfähigen Komponenten. Ihre Wandstärken müssen daher gross gegenüber der während der Glühzeit sich bildenden Reaktionsschichtdicken sein. Bei Verwendung des Leiters in zeitlich sich schwach ändernden Feldern kann das diffusionssperrende Material aus dem gleichen Material wie eingesetzten Filamentstäbe 2 beziehungsweise 9 bestehen. Bei Verwendung des Leiters in zeitlich sich rasch ändernden Magnetfeldern wählt man allerdings zweckmässig ein solches Material, welches bei den Betriebsbedingungen des aus dem Leiter gefertigten Magneten nur schlechte supraleitende Eigenschaften besitzt.

Die in den Ausgangsbolzen eingesetzten Stäbe 2 bzw. 9 können bereits aus in einem vorangegangenen Herstellungsschritt gefertigten Cu- oder schwach legierten Bronzestäben bestehen, welche im Innern eine grössere Anzahl von Nb- bzw. Va-Stäbe enthalten.

Selbstverständlich ist es auch möglich, dass mit Diffusionssperren umkleidete £u-Stäbe auch im Zentrum des Leiterquerschnittes angeordnet sind, wenn dies zum Beispiel für die Verformung des Leiters günstig ist.

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Für die Reinheit und Qualität der diffusionssperrenden Materialien ist es unbedingt erforderlich, dass sich diese bei den Kaltverformungsschritten ohne Versprödung, welche Zwischenglühungen mit zu hohen und daher nicht zulässigen Temperaturen erforderlich machen würde, gleichförmig verarbeiten lassen.

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Claims

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1, Stabilisierter Supraleiter mit einer .Vielzahl von dünnen Filamenten aus supraleitendem Material, wobei der stabilisierte Supraleiter aus einem mechanisch verformten Aus-

bestejii^

Kangbolzery^in den von der Aussenseiti? des Leiters mindestens eine diffusionsfähige Materialkomponente in eine zweite, im Innern des Leiters filamentförmig angeordnete Materialkomponente hineindiffundiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsbolzen im Iwittelbereich seines

;, Querschnittes mit. einer Vielzahl von aus der zweiten Materialkomponente bestehenden Stäben oder !Drähten (2, 9) versehen ist, die von einem die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchäiffundierenlas.senden Material umgeben sind, und dass er in seinem radial gesehen äusseren Bereich mehrere, aus elektrisch gut leitendem Material bestehende Drähte oder Stäbe (6, 10) enthält, die mit einem gegenüber der von aussen eindiffundierten Materialkomponente eine Sperre (7, 11) bildenden Material umgeben sind, wobei mindestens zwischen einem Teil der mit einer Diffusionssperre (7, 11) umgebenen, aus elektrisch gut leitenden Material bestehenden Drähte oder Stäbe (6, 10) die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundierenlassendes Material angeordnet ist.

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2. Stabilisierter Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daas die zweite, die Filamente (2, 9) bildende Materialkoniponente aus Wb oder V und die dii'fuüionsfähige !•iaterialkomponente aus Sn, Ga oder Si besteht.

3. Stabilisierter Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die diffusionsfähige Materialkomponente hindurchdiffundierenlassende Material Cu ist.

4. Stabilisierter Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die diffusionsfähige Materialkoniponente hindurchdiffundierende Material einen Teil der zur Bildung der Supraleiterfilamente (2, 9) notwendigen Menge an der diffusionsfähigen Materialkomponente enthält.

5. Stabilisierter Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

bildende zeichnet, dass das die Diffusionsperre (7, ll)/Tiäterial aus Ta, Nb·, V oder aus einer Legierung aus diesen Materialien besteht.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

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