FI103222B - Suprajohtava johdin ja menetelmä suprajohtavan johdinrakenteen valmist amiseksi - Google Patents

Description

103222

Suprajohtava johdin ja menetelmä suprajohtavan johdin-rakenteen valmistamiseksi

Tekniikan ala 5 Esillä oleva keksintö koskee suprajohtavaa johdin ta, jota käytetään suprajohtavassa sähkömagneetissa, ja menetelmää suprajohtavan johdinrakenteen valmistamiseksi.

Tekniikan taso

Viime vuosina on erilaisista materiaaleista valio mistettuja suprajohtavia materiaaleja otettu käytännössä käyttöön. Sellaisten johtimien käytännöllisen käytön edistämiseksi on tärkeää kasvattaa sähkövirran määrää, joka voi virrata johtimien läpi, eli kasvattaa kriittistä virrantiheyttä (Jc) .

15 Yksi menetelmä Jc.-n kasvattamiseksi on kasvattaa kiinnittymisvoimaa magneettivuon pyydystämiseksi suprajohtavaan johtimeen magneettikentän sisässä, jonka suprajohtavan johtimen kela tuottaa, joka magneettivuo tulee sisään suprajohtavaan johtimeen. Tätä menetelmää kutsutaan 20 "kiinnityspysäytykseksi", ja osaa, jossa kiinnityspysäy-tysilmiö tapahtuu, nimitetään "kiinnittymiskeskiöksi".

·' : : Tekniikan tasossa seostettuun suprajohtavaan joh- : timeen kohdistetaan lämpökäsittely johtimen lopullisen ve- tämisen aikana, ja normaalia johtavaa kerrostettua osaa 25 tai jännitettyä osaa, joka tuotetaan lämpökäsittelyllä, käytetään kiinnittymiskeskiönä.

* ·

On tunnettua, että kiinnittymiskeskiö seoksesta • t « * muodostetussa suprajohtavassa johtimessa esiintyy normaalisti rakeen rajalla. Kiinnittymiskeskiö seoksesta muo- » · · *·’«' 30 dostetussa suprajohtavassa johtimessa voidaan selittää • « « *.1 ' esimerkiksi tarkastelemalla valmistusmenetelmää, joka on kuvattu kuvioissa 5A - 5E. Nb- tai Nb-seosharkko 41, kuten kuviossa 5A on esitetty, on upotettu pronssiputkeen (joka sisältää tinaa) 42, kuten kuviossa 5B on esitetty. Saatu 35 rakenne prosessoidaan kuusikulmaiseksi johdinelementiksi 103222 2 43 (katso kuvio 5C). Tämän jälkeen, kuten kuviossa 5D on esitetty, useita johdinelementtejä 43 kasataan ja upotetaan pronssiputkeen (joka sisältää tinaa) 44. Sen jälkeen kun saatuun rakenteeseen kohdistetaan johtimen 5 veto, kuten kuviossa 5E on esitetty, se käsitellään termisesti metallien välisen seoskerroksen (Nb3Sn-kerros) tuottamiseksi, jolloin saadaan suprajohtava johdin. Suprajohtavan johtimen metallien välinen yhdiste on monikitei-nen. Monikiteisen rakenteen poikkileikkaus on esitetty 10 esimerkiksi kuviossa 5F. Tämä tarkoittaa, että esiintyy Nb3Sn-kiderakeita 45 ja kiderajoja 46.

Yllä esitetystä seoksesta muodostetun suprajohtavan johtimen Jc:n parantamiseksi menetellään yleensä siten, että kontrolloidaan sellaisten parametrien kuin koon, ti-15 heyden ja kiderajojen saostusta, jolloin muodostetaan vahvoja kiinnittymispisteitä. Tavallisesti näitä parametreja ohjataan vaihtelemalla lämpötilaa ja lämpökäsittelyn aikaa tai lisäämällä kolmatta ainetta, sellaista kuin Ta, Ti, Hf tai Ga, tinaytimeen tai matriisiin kiderajojen 20 tekemiseksi epäpuhtaiksi.

Tarkasteltaessa seostettua suprajohtavaa johdinta, : : : jotta kiinnittymiskeskiöt saataisiin toimimaan tehokkaasti : kiinnityspysäytysilmiön parantamiseksi, on tärkeää määrit- ; tää sopivalla tavalla kiinnittymiskeskiöiden koko ja 25 sijoittuminen. Kun kiinnittymiskeskiöitä aiheutetaan läm- pökäsittelyllä tai käyttämällä käsittelyjännitystä, on * * hyvin vaikeaa hallita sopivasti normaalien johtavien • · · * kerrostettujen osien ja jännitettyjen osien kokoa ja niiden välistä etäisyyttä. Edelleen kun johdin lopul- * * * 30 lisesti prosessoidaan, lämpökäsittely tulee toistaa useita * * * *.* · kertoja. Näin ollen valmistusaika kasvaa ja myös valmis- tusvaiheiden määrä kasvaa.

• ·

Kun kiderajoja käytetään kiinnittymiskeskiöinä seostetussa suprajohtavassa johtimessa, kiinnittymis-35 3 103222 voimalla Fp ja kohdistetulla magneettisella voimalla on seuraava riippuvuus:

Fp o° (1 - B/Bc)2 jossa Bc on kriittinen magneettikenttä.

5 Kun kohdistetun magneettikentän voimakkuus saavut taa kriittisen magneettikentän voimakkuuden, kiinnittymis-voima vähenee nopeasti ja Jc vähenee voimakkaassa magneettikentässä, mikä on epäedullista.

Esillä oleva keksintö on tehty ottaen huomioon yllä 10 mainitut asiat ja sen tarkoituksena on esittää suprajohtava johdin, joka on valmistettu useista suprajohtavista aineista, ja joilla on parannettu kiinnittymisen pysäy-tysilmiö ja Jc. Keksintö koskee myös menetelmää suprajohtavan johdinrakenteen valmistamiseksi.

15 Keksinnön kuvaus

Keksinnön kohteena on suprajohtava johdin, joka sisältää pitkänomaisen säikeen, joka käsittää useita pitkänomaisia suprajohtavia johdinelementtejä, jolloin mainitut suprajohtavat johdinelementit on valmistettu seospoh-20 jäisestä suprajohtavasta aineesta ja ne sisältävät kukin kiinnittymiskeskiön, joka on valmistettu ainakin yhdestä, : : : ei-suprajohtavaa ainetta olevasta langasta, upotettuna ’ ·mainittuun seospohjaiseen suprajohtavaan aineeseen säikeen : pituussuunnassa.

25 Keksinnön mukaiselle suprajohtavalle johtimelle on tunnusomaista, että ei-suprajohtavaa ainetta olevan langan .···. halkaisija on suurempi tai yhtä suuri kuin 7 nm ja • · « vähemmän kuin 500 nm.

, , Keksinnön mukaisesti suprajohtamattomasta aineesta « t < *·]·* 30 olevan johtimen halkaisija on suurempi tai yhtä suuri kuin « f « *·* * 7 nm ja vähemmän kuin 500 nm. Sen lisäksi on toivottavaa, että supra johtamattoman aineen suhde säikeessä on 40 % tai vähemmän. Kun suprajohtamattoman aineen johtimen halkaisija on alle 7 nm, tämä halkaisija on liian pieni kiinnit-35 tymiskeskiöksi ja kiinnittymisen pysäytysilmiö heikkenee.

103222 4 Näin ollen ei voida odottaa Jc:n paranevan. Toisaalta kun johtimen halkaisija ylittää 500 nm, yhteensopivuus magneettivuon hilan kanssa ei ole hyvä. Kun suprajohtamattoman aineen suhde säikeessä ylittää 40 %, suprajohtava 5 elektronitiheys säikeessä alenee, ja Jc:n parantumista ei voida odottaa.

Keksintö koskee myös menetelmää suprajohtavan joh-dinrakenteen valmistamiseksi.

Suprajohtava johdinrakenne voidaan valmistaa käyt-10 täen keksinnön mukaista suprajohtavaa johdinta siten, että upotetaan ainakin yksi ei-suprajohtavaa ainetta oleva lanka suprajohtavaan johdinelementtiin sen pituussuunnassa; kasataan yhteen useita mainittuja suprajohtavia joh-dinelementtejä; vedetään yhteenkasatut suprajohtavat joh-15 dinelementit säikeeksi; ja kasataan yhteen useita mainittuja säikeitä ja pienennetään näin saadun rakenteen halkaisijaa suprajohtavan johdinrakenteen saamiseksi.

Suprajohtava johdinrakenne voidaan valmistaa käyttäen keksinnön mukaista suprajohtavaa johdinta myös siten, 20 että upotetaan useita ei-suprajohtavaa ainetta olevia lankoja suprajohtaviin johdinelementteihin näiden pituussuunnassa; pienennetään näin saadun rakenteen halkaisijaa säi- : keen saamiseksi; ja kasataan yhteen useita mainittuja : : : säikeitä ja pienennetään näin saadun rakenteen halkaisijaa 25 suprajohtavan johdinrakenteen saamiseksi.

....{ Näissä valmistusmenetelmissä supra johtamatonta ai- netta olevan johtimen halkaisija on 0,7 - 500 nm. Kun • · t·;·, supra johtamatonta ainetta olevan johtimen halkaisija on

I I I

pienempi kuin 7 nm, tämä halkaisija on liian pieni kiin-30 nittymiskeskiöksi, ja on vaikeaa pysäyttää kiinnittävästi » · · *·[·* magneettivuon hila. Näin ollen Jc:n parantumista ei voida V * odottaa. Kun johtimen halkaisija ylittää 500 nm, yhteensopivuus magneettivuon hilan kanssa häiriintyy ja Jc:n parantumista ei voida odottaa.

« · » 5 103222 Tämän menetelmän mukaisesti on mahdollista ohjata vapaasti suunnitteluvaiheessa suprajohtamattoman aineen, joka on sijoitettu säikeeseen, kiinnittymiskeskiön kokoa, tyyppiä, muotoa, etäisyyttä ja paikkaa johtimen käytön 5 mukaan, esimerkiksi magneettivuon voimakkuuden mukaan. Näin ollen sovitusta magneettivuon hilan kanssa voidaan parantaa ja kiinnittymisen alkeisvoima voidaan tehokkaasti osoittaa ja sitä voidaan kasvattaa, jolloin Jc:tä voidaan suuresti parantaa. Sen lisäksi, koska mitään lämpökäsit-10 telyä ei suoriteta, valmistusaikaa ja kustannuksia voidaan alentaa.

Yllä mainitussa seospohjaisessa suprajohtavassa johtimessa on toivottavaa, että seos, joka muodostaa seos-pohjaisen suprajohtavan johdinelementin, on yleisesti tun-15 nettu suprajohtava aine, esim. NbTi-seos.

On toivottavaa, että suprajohtamaton aine kiinnittymiskeskiön muodostamista varten on Cu tai Cu-seos; Cu tai Cu-seos päällystettynä metalleilla Nb tai Ta; Cu tai Cu-seos, johon on sekoitettu 0,5-5 paino-% magneettista 20 ainetta; Cu tai Cu-seos päällystettynä metalleilla Nb tai Ta ja sekoitettuna 0,1-5 paino-%:11a magneettista ainetta; jalometalli, sellainen kuin Ag tai Au, tai sen ' seos; tai jalometalli, sellainen kuin Ag tai Au, tai sen : seos, johon on sekoitettu 0,5-5 paino-% magneettista 25 ainetta.

Piirrosten lyhyt kuvaus

Kuviot IA - ID kuvaavat menetelmää, jolla valmis- « tetaan suprajohtava johdin esimerkin 1 mukaisesti; ja i « i " Kuviot 5A - 5F kuvaavat tavanomaista menetelmää 30 jolla valmistetaan seospohjainen suprajohtava johdin.

« « ·

Keksinnön edulliset suoritusmuodot ’ Esimerkki 1

Cu-tangon, jonka halkaisija on 3 mm, ulompi pinta päällystettiin Nb-vaipalla. Cu-tanko työnnettiin läpi rei-35 kään, joka oli muodostettu NbTi-seosta olevan johtimen, 6 103222 jonka halkaisija oli 35 mm, keskiosaan. Useita NbTi-seosta olevia johtimia työnnettiin Cu-billettiin, jonka halkaisija oli 453 mm. Sen jälkeen Cu-billetti kuumasuljettiin 700 °C:ssa ja vedettiin (billetti poistettiin vetämisen 5 aikana), jolloin saatiin suprajohtava NbTi-seosta oleva johdinelementti 1, jolla on kuusikulmainen lopullinen poikkileikkaus ja jossa etäisyydet rinnakkaisten sivujen välillä ovat 1,83 mm. Tässä tapauksessa Cu-tanko toimii kiinnittymiskeskiönä, kuten alla tullaan kuvaamaan.

10 Kuten kuviossa IA on esitetty, 253 suprajohtavaa elementtiä 1 kasattiin ja työnnettiin Cu- 10% Ni seosta olevaan billettiin 2, jonka ulompi pinta on päällystetty Nb:llä, ja jonka halkaisija on 453 mm. Saatu aihio kuuma-puristettiin °C:ssa ja sen halkaisija pienennettiin, jol-15 loin syntyi sekundaarinen johdinelementti (säie) 3, jolla on kuusikulmainen lopullinen poikkileikkaus ja jonka rinnakkaisten sivujen välinen etäisyys on 3,15 mm (katso kuvio IB) . Sekundaarinen johdinelementti 3 on yhdistelmä useista suprajohtavista johdinelementeistä 1.

20 Sen jälkeen, kuten kuviossa IB on esitetty, 151 säiettä 3 kasattiin ja työnnettiin Cu-billettiin 4, jonka halkaisija oli 453 mm. Saatu aihio kuumapuristettiin : 600 °C:ssa ja sen halkaisija pienennettiin, jolloin saa- : tiin tertiaarinen johdinelementti 5, jolla on kuusikul- 25 mainen lopullinen poikkileikkaus ja jonka rinnakkaisten sivujen välinen etäisyys on 2,6 mm (katso kuvio 1C) . Ter-tiaarinen johdinelementti 5 on yhdistelmä useista sekun- • · daarisista johdinelementeistä 3.

• · c * 241 tertiääristä johdinelementtiä 5 kasattiin ja 30 upotettiin Cu-billettiin 6, jonka halkaisija oli 453 mm, • « · kuten kuviossa 1C on esitetty. Saatu rakenne kuumapuris- • · · V * tettiin 600 °C:ssa ja sen halkaisija pinennettiin, jolloin saatiin suprajohtava johdin 7, jonka halkaisija oli 10 mm tai vähemmän. Kunkin suprajohtavan johdinelementin 1, jot-35 ka muodostavat suprajohtavan johtimen 7, poikkileikkauk-

« « I

7 103222 sesta havaitaan, että Cu-kiinnittymiskeskiö 9, joka on päällystetty Nb-vaipalla, esiintyy kuusikulmaisen NbTi-seoksen 8 keskellä (katso kuvio ID).

Esimerkiksi kun suprajohtavan johtimen 7 halkaisija 5 oli 0,2 mm, säikeen 3 halkaisija oli 0,507 μπι, kiinnit-tymiskeskiön 9 halkaisija oli 3,7 nm, ja etäisyys vierekkäisten kiinnittymiskeskiöiden 9 välillä oli 30 nm.

Virran tiheydet mitattiin yllä esitetyn suprajohtavan johtimen, jossa on Cu-kiinnittymiskeskiöt, suprajoh-10 tavan johtimen, joka on valmistettu samalla tavoin kiinnittymiskeskiöiden ollessa Ag- 30% Pd -seosta, ja suprajohtavan NbTi -seosta olevan johtimen, jolla kiinnit-tymiskeskiöt aiheutettiin tavanomaisella lämpökäsittely-menetelmällä, osalta. Tulokset on esitetty taulukossa 1.

i « « • · • · • « · • · · • · f • · • · · « · # • · 103222 8 ,—^ »n m to m «o to ιπ ·ο »o *o « *τ

r OOOOOOOOOOOO

[j t * --1 --1 —( 1—I f—t >—♦ *—* —I ·—i ·—* *—* —*

'j^ioXXXXXXXXXXXX

____ »t-—«—«ocoocococmio O t—* ·- ·. V. V ·*· *» ·*>- *· ” " *..

03·—iCO^fCO’—l CM LO CO » C\J CM

*0 N »o »n ‘O »o *o »o »o to ιο »n »o ~r o O o o o o o o o o o o U C 1 --1 r—I --1 --1 ·-t --1 ·-* r—I ·-« --1 *~H »-» ^^xxxxxxxxxxxx

CsJ CO »—i ·—i t-— «—* OO CM 03 LO —' o -·-» ^ ^ ~ ctfCOt-OCOCMCOOOCOCMCO^ 1—5 Φ " " ’ 3

(U -P

-P _ +J

m _ (Q

,Hxo—loinoo—'οοιηοο,μ O t yp\ ·—· ·—I ΙΠ LO —· ·— LO LO Ή •h ε · x Sr '3

1ȣ -HM

φ·η Q) ω X JJ __ ____________________:- Φ — --- φ

X

C Ή φ _ . . 3 »ο +j to

ij H "» -P

CflCOlOOOOOC-OOO^ _

•H . —i O O «-HOO+J dP

QtZ OO O O -H ^ h -2 ^2 n ωχ ^ -h -h o φ o <u jj XXX .3 X-- --- Φ 3 Ui

H O

3 3 3 . ft

E-ι X

^ d 2. 2 2 2 S

^ OO—lOOOO—«OO —1 —1 -H

c-^. —i o —i o φ

. φ ,—i —i -P

' * ' <L! M

' . : , ' X -H

-H (¾

, . . *3 -H

,:, co x

:i: 5 I

• Φ • | +J ifö 03 ·;··; s0 *p *-\ fö (¾ *H ·Ρ £ if) Ή ·Η Ή -Η ·Η ·Η ·Η ·Η ·Η ·Η *Η -Ρ 1($ rt ω φ Φ d) <D (D Q) φ <U Φ Μ Φ *Η • · ^ Μ Ο

- ------------- W

. * ϊ * · Ό “Ό Ό *0*0 Ο ·.' ‘ g cu cu eu cu cu g ΪΛ « »5 ΪΛ — >, 4J # φ

Ui Ä

·· M . O O O O O , -H

··· ft-H OOOOOcococococol -3 • · -dg; >!''„ Π ··· φ ΙΓ OO 60 DO OO OO Q φ ::: $ <c -c <c c φ

• XX +J

. - ------—----------Ui ,"·. I * * * o —I Cxj . XCO-HCvico^fincof-cocD_l_< br " O -X M d .,.to c u) ' ----1------ Φ

X

* » · " • * · Γΰ • ’' rt : e : o • · 3

K

9 103222

Kuten taulukosta 1 nähdään, jokaisella esillä olevan esimerkin mukaisista suprajohtavista johtimista on huomattavasti korkeampi Jc kuin tavanomaisella suprajohtavalla johtimella 12. Johtimilla numerot 2, 3, 7 ja 8 on 5 korkeampi Jc kuin tavanomaisella johtimella numero 11. Nämä tulokset näyttävät olevan peräisin parannetusta sovituksesta kiinnittymisen keskipisteen magneettisen hilan ja koon, paikan jne. välillä ja johtuen parannetusta kiinnittymisen pysäytysilmiöstä.

10 Taulukossa 1 tähdellä (1) merkityt johtimet nro 3, 7 ja 8 ovat keksinnön mukaisia johtimia, ja johtimet nro 11 ja 12 ovat tavanomaisia johtimia.

Teollinen sovellettavuus

Esillä olevan keksinnön mukaisella johtimella on 15 huomattavasti parantunut Jc. Tämä johdin soveltuu esimerkiksi suprajohtavaan magneettiin.

i i • · ψ • · ··· • · « • 1 · • ♦ • « < • · · • · · « • · · • · ·

Claims (9)

10 103222

1. Suprajohtava johdin, joka sisältää pitkänomaisen säikeen, joka käsittää useita pitkänomaisia suprajoh- 5 tavia johdinelementtejä (3), jolloin mainitut suprajohtavat johdinelementit on valmistettu seospohjaisesta suprajohtavasta aineesta (8) ja ne sisältävät kukin kiinnitty-miskeskiön, joka on valmistettu ainakin yhdestä, ei-suprajohtavaa ainetta olevasta langasta (9), upotettuna 10 mainittuun seospohjaiseen suprajohtavaan aineeseen säikeen pituusssuunnassa, tunnettu siitä, että ei-suprajohtavaa ainetta olevan langan halkaisija on suurempi tai yhtä suuri kuin 7 nm ja vähemmän kuin 500 nm.

2. Menetelmä suprajohtavan johdinrakenteen valmis-15 tamiseksi käyttäen patenttivaatimuksen 1 mukaista suprajohtavaa johdinta, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää seuraavat vaiheet: upotetaan ainakin yksi mainittu ei-suprajohtavaa ainetta oleva lanka mainittuun suprajohtavaan johdinele-20 menttiin sen pituussuunnassa; kasataan yhteen useita mainittuja suprajohtavia f < · i johdinelementtejä; • · i vedetään yhteenkasatut suprajohtavat johdinelemen- • · i • ♦ « * , tit säikeeksi; ja «·«·· . 25 kasataan yhteen useita mainittuja säikeitä ja pie- nennetään näin saadun rakenteen halkaisijaa suprajohtavan * · · ’·’ ’ johdinrakenteen saamiseksi.

3. Menetelmä suprajohtavan johdinrakenteen valmis- • · · ***** tamiseksi käyttäen patenttivaatimuksen 1 mukaista supra- * · *·* * 30 johtavaa johdinta, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää seuraavat vaiheet: : upotetaan useita mainittuja ei-suprajohtavaa ai netta olevia lankoja mainittuihin suprajohtaviin johdine-lementteihin näiden pituusssuunnassa; n 103222 pienennetään näin saadun rakenteen halkaisijaa säikeen saamiseksi; ja kasataan yhteen useita mainittuja säikeitä ja pienennetään näin saadun rakenteen halkaisijaa suprajohta-5 van johdinrakenteen saamiseksi.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suprajohtava johdin, tunnettu siitä, että mainittu ei- suprajohtava aine on Cu tai Cu-seos.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen suprajohtava 10 johdin, tunnettu siitä, että ei-suprajohtavaan aineeseen on lisätty 0,1-5 paino-% magneettista ainetta.

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen suprajohtava johdin, tunnettu siitä, että mainittu ei- suprajohtava aine on päällystetty Nbrllä tai Ta:lla.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen suprajohtava johdin, tunnettu siitä, että ei-suprajohtavaan aineeseen on lisätty 0,1-5 paino-% magneettista ainetta.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suprajohtava johdin, tunnettu siitä, että mainittu ei- 20 suprajohtava aine on Ag tai Au tai Ag- tai Au-seos.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen suprajohtava ; johdin, tunnettu siitä, että ei-suprajohtavaan . .'. aineeseen on lisätty 0,1-5 paino-% magneettista ainetta. « • # · · · • * • •M» • · ··· · · V t f • · • · t • · · • · • · · • · · » · « « r r i • * i I , I r i i 12 103222