FI108174B - Suprajohtava säie ja menetelmä sen valmistamiseksi - Google Patents

Description

108174

Suprajohtava säie ja menetelmä sen valmistamiseksi - Supraledande filament och forfarande för framställning av detsamma

Korkealaatuisen, ohuen NbTi-suprajohtavan johtimen säikeiden valmistuksessa val-5 mistajan on nojauduttava voimakkaasti diffuusiovalleihin. Näitä, yleensä Nb-valleja sijoitetaan kuparipäällyksen ja sen suprajohtavan NbTi-metalliseoksen väliin, josta säikeen pääosa on tehty. Vallin tehtävänä on estää hauraiden CuTi-metalliyhdistei-den muodostuminen säikeen pintaan. Nykyisissä prosessiohjelmissa 4000-7000 säiettä sisältävien suprajohtavien NbTi-johtimien tuotantoa varten kussakin lopulli-10 sessa johdinkoossa noin 6 pm:n läpimittaisessa säikeessä käytetään Nb-valleja, jotka käsittävät noin 4 % säikeen (ei-kuparisesta) tilavuudesta. Käsittelyssä vallit alistetaan tyypillisesti 500-800 °C:n lämpötiloihin noin 15 tunnin ajaksi, minkä jälkeen seuraa kolme tai useampia 300-450 °C, 40-80 tunnin kuumakäsittelyjä, johdinlan-gan muuttuessa lopulliseen kokoonsa. Nykyisiin tiheyksiin (Jc) yli 2750 A/mm2, 5 15 Tesla (T), ja 1600 A/mm2, 7T (4,2°K), voi päästä tällä tavalla käsitellyillä ohuilla säiejohtimilla (katso esim. "Superconducting Wire and Cable for the Superconducting Super Collider", T. S. Kreilick, E. Gregory, D. Christopherson, G. P. Swenson ja J. Wong, Supercollider 1, Plenum Press, 1989, 235-243).

Vaikka nämä nykyiset tiheydet ovatkin hyväksyttäviä, ne ovat melkoisesti alle 3800 20 A/mm2 (5T, 4,2°K), johon on päästy johtimilla, joiden säikeiden läpimitta on suurempi. Nykyisten tiheyksien huononeminen säikeiden muuttuessa ohuemmiksi on suoraan seurausta diffuusiovalleja koskevista ongelmista.

• ·

Pitkät ajanjaksot korkeassa lämpötilassa käsittelyn aikana ovat omiaan heikentämään Nb-vallia, johtuen Ti-hajaantumisesta NbTi-seoksen ytimestä. On muistetta-25 va, että sitä mukaa kuin Ti hajoaa puhtaaseen Nb-valliin, Ti tyhjenee NbTi-seos-säikeen ytimen pinnasta, mikä johtaa ytimen kokonais-Jc:n alenemiseen. Ti.n hajoaminen vallin läpi johtaa myös CuTi-yhdisteiden muodostumiseen säikeen pintaan. Tämä hauras CuTi-yhdiste murtuu kylmävalssauksen alaisena, mikä johtaa "noduu- • · leihin", jotka vaikuttavat haitallisesti sekä Jc:hen että johtimen johtavuuteen. Pinnan , 30 liitoskohdilla kuparimatriisin, Nb-vallin ja NbTi-sydämen välillä on tässä prosessis sa keskeinen osa.

Tapauksissa, joissa esiintyy epäsäännöllisiä liitoskohtia, on havaittavissa laajaa paikallista diffuusiovallin ohenemista. Vaikutus näkyy selvimmin alueilla, joilla esiintyy valliin ja jopa ympärillä olevaan kupariin suuntautuvia ulkonemia. Uskotaan, 2 108174· että juuri näillä alueilla CuTi-yhdistettä alkaa ensimmäiseksi muodostua ja suuremmassa määrin kuin alueilla, joilla ei tällaista ohentumista esiinny. Nämä CuTi-alueet, noduulit, murtuvat johdinlangan vetämisen aikana ja aiheuttavat sen jälkeen säikeiden makkaroitumista. Tämän seurauksena johtimella on vakavalla tavalla 5 huonontunut Jc-suorituskyky ja se on herkkä murtumaan.

Ilmeinen ratkaisu diffuusiovallin ohenemisongelmaan on yksinkertaisesti vain käyttää paksumpaa vallia siten, ettei siinä esiinny mitään ohuita kohtia, jotka voisivat aiheuttaa ongelmia. Valitettavasti vallin paksuuden lisääminen voi tapahtua ainoastaan NbTi:n kustannuksella. Valli ei tue mitään Jc:tä toimivilla magneettikentillä, 10 joten vallin paksuuden lisääminen alentaa kokonais-Jc:tä. Vallin paksuuden lisääminen ei tämän lisäksi paranna mitenkään NbTi:n Ti-tyhjentymisen aiheuttamaa ongelmaa. Vaikka tämä ongelma ei olekaan niin ratkaisevan tärkeä kuin CuTi-yh-disteen muodostuminen, sitä ei voi jättää huomioon ottamatta, jos nykyistä kapasiteettia on tarkoitus parantaa. Näin ollen, vaikka vallin paksuuden lisääminen onkin 15 ilmeinen ratkaisu vallin ohenemisongelmaan, se on kaukana ihanneratkaisusta.

Sen sijaan, että korvaisimme pinnan epäsäännöllisyydet paksuntamalla vallia, olemme havainneet, että on parempi poistaa nämä epäsäännöllisyydet - ts. saada aikaan mahdollisimman tasa-aineinen pinta diffuusiovallin taakse. Kun diffuusiovallin ympärillä on tasa-aineinen pinta, siitä tulee entistä tehokkaampi. Noduulien muodos-20 . tuminen on suurelta osin estettävissä ja, siinä määrin kuin mitä tahansa vallia voisi olla pakko paksuntaa, välttämätön kasvu on minimoitavissa. Tämän keksinnön ensisijainen tavoite on yhdenmukaisen NbTi-pinnan tuottaminen säikeisiin.

• Aina silloin, kun kahta tai useampaa metallia käsitellään yhdessä, niiden liitospm- nan epäsäännöllisyyden aste riippuu varsin monesta tekijästä. Näitä ovat: 25 1. Materiaalien suhteellinen kovuus.

2. Materiaalien sisäinen raekoko.

.: 3. Materiaalien sisäinen kuidutus ja yleisrakenne määräytyvät ensisijaisten metallur gisten ja mekaanisten käsittelymenetelmien mukaan (kuumakäsittely, kylmäkäsittely ja kokonaismuodonmuutos ym.).

30 Yhdenmukaisuuden kannalta ihanteellinen liitospinta on kahden lähes samanlaisen kovuuden omaavan metallin välillä silloin, kun molemmilla on erittäin hienoja rakeita liitospinnan tasolla edustamassa mahdollisimman sileitä pintoja. On selvää, että valssatut levymateriaalit sopivat hyvin tähän kuvaukseen. Valssattujen levyjen 3 108174 ! käyttö säikeiden yhdenmukaisuuden parantamiseksi on tämän keksinnön perusta Supercon Inc.lle myönnetyn patentin US-4 646 197 kohteena on Ta-kondensaattori-johtimen valmistus. Hienorakeinen Ta-levy kiedottiin Nb- tai Ta-harkon ympärille joustavan johdinlankapinnan aikaansaamiseksi siten, että sillä olisi huomattava 5 vastustuskyky Ta-rakeiden kasvua vastaan pitkin johdinta korkeissa lämpötiloissa.

Keksinnön mukaisesti on aikaansaatu suprajohtava säie ja menetelmä sen valmistamiseksi sekä menetelmä suprajohtavaa NbTi-seosta olevan yksisäielangan valmistamiseksi. Keksinnön tunnusomaiset piirteet ilmenevät oheisista patenttivaatimuksista.

10 Tämän keksinnön ymmärtämiseksi esittelyä paremmin viittaamme seuraavaan selitykseen ja esimerkkeihin, joita käsitellään oheen liitettyjen piirrosten yhteydessä, joissa: kuvio 1 esittää kaaviokuvaa yksisäieharkosta, joka sisältää tämän keksinnön mukaisia suprajohtavia seoslevyjä; ja 15 kuvio 2 esittää kaaviokuvaa yksisäieharkon rakenteesta, jossa käytetään hyväksi tämän keksinnön mukaan valmistettua yksittäissäiettä.

Ohuen säikeen muodostaman suprajohtavan johtimen valmistuksessa nykyisen käytännön mukaan valmistetaan yksisäikeinen johdin, josta yksisäikeisestä johtimesta valmistetaan sen jälkeen monisäikeinen johdin yhdellä tai useammalla uudelleen-20 pakkaustoimenpiteellä. Yksisäikeinen johdin tuotetaan harkosta, joka koostuu yleensä kolmesta osasta: suprajohtavasta seosharkosta, vallimateriaalista, joka on • · harkon ympärille kiedotun levyn muodossa, ja kuparipuristevaipasta, joka ympäröi sekä vallin että harkon. Tämän keksinnön mukaan tähän lisätään neljäs elementti: sarja hienorakeisia (ASTM.n mikroraenumero on > 8) suprajohtavaa materiaalia 25 olevia levyjä, jotka on sijoitettu vallilevyjen ja harkon väliin (katso kuviosta 1).

Nämä suprajohtavat levyt alentavat pinnan epäsäännöllisyyttä diffuusiovallin ja harkon liitoskohdassa ja niiden uskotaan myös lisäävän Jc:tä siksi, että ne lisäävät magneettivirtauksen kohdistamista, joka perustuu puolestaan sekä levyjen tavallista hienompaan raerakenteeseen että levyjen keskinäisten liitoskohtien olemassaoloon.

30 Suprajohtava metalliseoslevy voi käsittää koko suprajohtavan poikkileikkauspinnan tai osan siitä, tämän määrän määrittyessä sen mukaan, kuinka paljon yhdenmukaisuutta vaaditaan ja myös yksittäisten sovellusten vaatimusten mukaan. Levyn koostumus voi olla mikä tahansa, niiden rajoitusten puitteissa, että kysymyksessä on sama perusseos kuin keskellä olevassa harkossa. Esimerkiksi, jos harkko on 4 108174

Nb46,5p-%Ti, NbTi-levyn koostumus voi olla Nb50p-%Ti. Tämäkin määräytyy sovelluksen mukaan.

Sileä levy naamioi harkon pinnan pienet epäsäännöllisyydet siten, ettei mitään dif-fuusiovallin paikallista ohenemista voi tapahtua rakeiden läpi tunkeutumisen tai 5 harkon valmistuksen jättämien epätäydellisyyksien vuoksi. Mahdollisuus vaihdella levyn koostumusta on lisäksi huomattava etu diffiiusiomenetysten kannalta. NbTi:n ollessa kysymyksessä, runsaasti Ti:tä sisältävien levyjen käyttö harkon ympärillä aiheuttaa diffiiusiomenetysten korvauksen siten, että NbTi-alueen Jc pystytään ylläpitämään. Suurempien Ti-pitoisuuksien käyttö (noin 50 paino-% Ti) levyssä saattaa 10 myös aiheuttaa Jc-suorituskyvyn parantumista. Näistä 50 paino-% Ti-seoksista koostuvien harkkojen kylmätyöstäminen on vaikeaa, mutta tämä ongelma ei tule esiin, jos suprajohtava alue jaetaan oikein, runsaasti Ti-pitoiseen levyyn ja vähemmän sitä sisältävään harkkoon.

Tämän keksinnön mukainen käytäntö on tuonut esiin NbTi-levyn käytön lisäedun.

15 Lyhyesti sanoen, tehty koe sisälsi kahden yksisäieraakatangon valmistamisen. Näistä toinen sisälsi vakioharkon, toinen sisälsi NbTi-levyt kiedottuina kiinteän NbTi-sydämen ympärille. Käsittelyn jälkeen todettiin, että nämä levyt sisältänyt johdin-lanka osoittautui suuremman virrantiheyden omaavaksi kuin vastaava kiinteästä NbTi-materiaalista tehty. Tämä oli totta riippumatta johdinlangan koosta ja Jc-ko-20 keiden aikana käytetyn koko l-9T-magneettialueen alueella. Levyn alueen Jc laskettiin tunnetun raakatangon mittojen perusteella ja todettiin 8-10 % korkeammaksi kuin kiinteän NbTi-materiaalin kohdalla. Tämän vuoksi meillä on täysi syy olettaa, että NbTi-levyjen käytöllä voi myös lisätä säikeen virrantiheyttä. Tämä lisäys johtuu mitä todennäköisimmin siitä virtauksen kohdistamisesta, joka aiheutuu levyjen 25 rajapintojen vuoksi, mutta toistaiseksi tätä ei tunneta varmasti.

Tämä keksintö on selvästikin huomattava kehitysaskel nykyiseen vallitekniikkaan verrattuna. Tämän keksinnön soveltaminen vastaa sekä nykyiseen vaatimukseen saada aikaan entistä korkealaatuisempi NbTi-suprajohtava johdin, joka käsittää 6 pm:n säikeitä ja magneettiteollisuuden haluun saada aikaan johdin, jonka säikeet 30 ovat niinkin pieniä kuin 2,5 pm. Välttämätöntä on etenkin tuottaa vaadittua 2,5 pm materiaalia (23.000 säiettä), jolle vaaditaan vielä lisää pakkausta. Tämä lisäprosessi- < vaihe aiheuttaa entistäkin enemmän painetta valleihin, verrattuna 6 pm:n säiemate-riaalin tuottamiseen. Tämä keksintö auttaa maksimoimaan vallien tehokkuutta siten, että kaikkein pienimmällä vallimateriaalilla saadaan aikaan mahdollisimman paljon.

5 108174

Parhaana pidettyä tämän keksinnön käytännön menetelmää selitetään seuraavassa esimerkissä, joka ei mitenkään rajoita sovelluksia.

Esimerkki I

Kuvio 1 on kaaviokuva yksisäikeisen NbTi-raakaharkon poikkileikkauksesta. Raa-5 kaharkko on tyypillinen esimerkki yksisäikeisestä NbTi-kappaleesta, paitsi sikäli, että Nb50p-%Ti-levyt on otettu mukaan normaalisti kiinteiden NbTi-harkkojen tilalle. Nb-diffuusiovalli ja NbTi-levyt vastaavat noin 4 % kuparittomasta tilasta. NbTi-levyjen koostumus on Nb50p-%Ti, jotta se voisi kompensoida Ti-tyhjennystä prosessin aikana ja lisätä hieman lopullisen johtimen Jc:tä. Levy on valmistettu 10 Nb50p-%Ti-harkosta valssaamalla ja karkaisemalla siten, että paksuudeltaan 0,38 mm (0,015") kokoisen levyn raekoko on alle noin 22 pm nimellisläpimitan (ASTM-mikroraekoko nro >8).

Jotta materiaalia olisi riittävästi seuraavaa monisäieraakaharkkoa varten, on koostettava kolme yksisäieharkkoa. Kaikki raakaharkot tehdään ja tuotetaan samalla 15 tavalla. Ensi vaiheessa NbTi-harkot ja OFHC-kuparisuulakepuristusvaipat, suulakkeet ja jättöreunat koneistetaan oikeisiin mittoihin ja Nb- sekä NbTi-levyt leikataan oikeaan kokoon. Vakiomuotoinen yksisäierakenne vaatii 61 cm (24") pitkän sydämen, joten NbTi-harkot on leikattava- tähän pituuteen ja kaikki levymateriaali on leikattava tähän leveyteen. Kuvissa 1 esitettyyn rakenteeseen perustuen, kukin hark-20 ko vaatii 1,76 m:n (69,5") pituisen, 0,38 mm:n (0,015") paksuisen Nb-levyn ja 1,73 m:n (68,0") pituisen 0,38 mm:n (0,015") paksuisen Nb50p-%Ti-levyn. Kokoonpano onnistuu helpommin, jos nämä ovat yhtenäisiä kappaleita, mutta jos tarpeen, myös useita lyhyempiäkin osia voi käyttää.

Sen jälkeen, kun kaikki osat on puhdistettu, yksisäieharkot kootaan. On huolehdit-25 tava tarkasti siitä, että levyn alueelle jää mahdollisimman vähän tyhjää tilaa. NbTi-harkot sijoitetaan paikalleen viimeksi. Kuparinen kärki ja perä kiinnitetään sen jälkeen kunkin harkon päälle ja pohjaan tyhjiössä elektronisädehitsauksella.

Suljetut harkot valmistellaan puristusta varten kuumentamalla niitä 3 tunnin ajan 650 °C:n lämpötilassa. Harkot suulakepuristetaan 650 °C:n lämpötilassa 18 cm:n 30 (7,125") läpimittaisesta 2,54 cm:n (1,00") läpimittaiseksi. Puristeiden päät leikataan liiallisen kuparin poistamiseksi kärjistä ja peristä ja kylmävedetään sen jälkeen uudelleenpinoamiskokoon: kuusi-kulmiolangaksi 2,6 mm (0,1033"), litteä litteää vasten.

, 108174

Kuvio 2 on kaaviokuva kuusiosäielangasta tehtävästä monisäieharkosta. Vaikka yksittäiset säikeet ovatkin todellisuudessa kuusikulmaisia, poikkileikkauskuvassa ne on esitetty mukavuussyistä pyöreinä. Sen jälkeen, kun riittävä määrä OFHC-kuparia on vedetty ja kuusikulmioitu, sekä kupari- että NbTi-yksisäielanka leikataan 5 80,32 cm:n (31,625") pituisiksi. Vaippa, kärki ja perä koneistetaan ja kaikki osat puhdistetaan, minkä jälkeen harkko kootaan. Säikeet jäljestetään symmetrisesti kuviossa 2 esitettyinä osuuksina, tarkoituksen ollessa sen tyhjän tilan minimointi, joka syntyy väistämättä, kun kuusikulmaiset, tiukkaan pakatut osat sijoitetaan pyö-reään vaippaan. Kun säiejärjestely on valmis, kuparivaippa sijoitetaan paikalleen 10 sen ympärille. Lisää kuparisäikeitä lisätään rakennelman ulkokehälle tarpeen mukaan ja tiiviin sovituksen varmistamiseksi. Kärki ja perä kiinnitetään sen jälkeen vaippaan tyhjiössä elektronisäde-hitsauksella.

Monisäieharkko HIP-käsitellään useiden alaosien kiinteyttämiseksi. Yksisäieraken-teen tuloksena HIP-käsitellyn monisäieharkon säikeiden välin suhde läpimittaan 15 (s/d) on 0,168. Tässä läpimitalla tarkoitetaan NbTi-säikeen keskimääräistä läpimit taa, mukaan luettuna sen valli, ja välillä tarkoitetaan vierekkäisten säikeiden välistä etäisyyttä. Alhainen s/d on tärkeää estettäessä säikeiden meno makkaralle puristuksen aikana; jos säikeet on pakattu tiukkaan, läpimittaansa nähden, ne tukevat mekaanisesti toinen toistaan. Tällaiselle monisäierakenteelle 0,168 riittää s/d:ksi.

20 HIP-käsittelyn jälkeen monisäieharkon kärki ja perä koneistetaan vastaamaan HIP-käsittelyn jälkeistä vaipan läpimittaa. Seuraavaksi harkko kuumennetaan ja sen jälkeen se suulakepuristetaan 31,4 cm:n (12,36") läpimitasta 8,25 cm:n (3,25") läpimittaan. Puristetuloksen päät leikataan ja se vedetään läpimittaan, jossa kuumakäsit-telyohjelma alkaa. Kuumakäsittelyjen käyttö kylmäkäsittelystä erillään optimoi 25 lopullisen johtimen Jc:n. Kuumakäsittelyohjelmaa voi muuttaa asiantuntemuksen mukaan, mutta hienorakenteiselle NbTi-johtimelle seuraava on tyypillinen: 375 °C 40 tunnin ajan, langan läpimitan ollessa 2,54 cm (1,00"), 1,62 cm (0,640"), 1,17 cm (0,460") ja 0,82 cm (0,325").

Viimeisen kuumakäsittelyn jälkeen monisäie vedetään lopulliseen läpimittaan 30 0,80 mm (0,0318"), jossa säikeen läpimitta on ~6 pm. Tällainen johdin sopii hyvin käytettäväksi sellaisiin kehittyneisiin koneisiin kuten Super-conducting Super Collider. Keksinnön soveltamisen tulisi lisätä merkittävästi Jc:tä yli sen 2750 A/mm2 (5T, 4,2 °K) arvon, johon vastaavilla ohuilla NbTi-säiejohtimilla päästään Kappaleen pituuden (lopullisen koon saavuttavien lankaosuuksien keskimääräisen 35 pituuden) tulisi myös kasvaa huomattavasti, noduulittoman langan paremmasta johtavuudesta johtuen.

7 108174

Esimerkissä I selitetyn keksinnön mukaisesti titaanin hävikki on korvattavissa kietomalla yksittäissäikeen NbTi-harkko sellaisiin NbTi-levyihin, joissa on harkkoa suurempi titaanin prosentuaalinen pitoisuus. Tämä menetelmä edellyttää kuitenkin, että nämä kaksi seosta sulatetaan, mikä on kallista. Suuren titaanipitoisuuden 5 omaavat seokset ovat lisäksi vaikeampia kylmätyöstettäviä kuin vakioseokset, joten erittäin titaanipitoisten levyjen valmistaminen on ongelmallista.

Korkean titaanipitoisuuden omaavan seoslevyn käytön vaihtoehtona on käyttää sellaisia levyjä, joilla on sama koostumus kuin harkoilla, ja vaihdella näitä levyjä verrattain ohuiden, puhdasta titaania sisältävien kerrosten kanssa. Ohuet titaani-10 kerrokset toimivat titaanivarastoina, hajoten seoslevyihin silloinkin, kun samat levyt menettävät titaania niobiumvalliin.

Titaanilevyjen tulisi yleensä olla paljon ohuempia kuin NbTi-levyt täydellisen titaanin hajaantumisen edistämiseksi. NbTi.n ja titaanin levypaksuuden suhde 7:1 tai tätä suurempi suhde katsotaan parhaaksi. NbTi-ja titaanilevyn kokonaistilavuus ei 15 saisi ylittää ~15 % säikeen tilavuudesta, koska titaanin menetys pitemmälle säikee-seen ei ole merkittävää. Sekä NbTi- että titaanilevyjen nimellisraeläpimitan tulisi olla alle 22 pm (ASTM-mikrorakeen numero >8) vallin mahdollisimman suuren tehokkuuden varmistamiseksi. Uloimman titaanikerroksen tulisi olla uloimman NbTi-kerroksen sisäpuolella. Toisin sanoen, Nb-valli ei saisi olla suorassa yhteydessä 20 titaaniin, koska tällainen tilanne ainoastaan edistää titaanin hajaantumista valliin.

Vaikka edellä esitetty käsittely keskittyykin NbTi:hin, on ilmeistä, että näitä periaatteita voi soveltaa mihin tahansa muuhun säietyyppiä II olevaan suprajohtimeen, johon kohdistuu samanlaisia diffuusiohävikkejä (esimerkiksi NbZr menettää Zr:ää). Sama koskee seuraavaa, keksinnön piiriä rajoittamatonta esimerkkiä, jossa esitetään 25 parhaaksi katsottu menetelmä tämän keksinnön käyttämiseksi:

Esimerkki II

Kuvio 3 on kaaviokuva NbTi-yksisäieharkon poikkileikkauksesta. Harkko on tyypillinen NbTi-yksisäierakenteelle, paitsi että siihen on sisällytetty saqan Nb46,5p-%Ti ja puhtaita titaanilevyjä paikkaan, jossa olisi tavallisesti kiinteä NbTi-harkko. 30 Nb-dififuusiovalli vie noin 4 % kuparittomasta tilavuudesta, kun taas NbTi/titaani-levyn viemä tila on noin 5 %. Sekä NbTi- että titaanilevyt on valmistettu harkoista valssaamalla ja päästämällä ne siten, että niiden nimellisraeläpimitta on alle noin 22 pm (ASTM-mikrorakeen numero >8). Titaanilevyn tulisi olla puhtaudeltaan 8 108174 asteen 2 tai sitä parempaa luokkaa mahdollisimman hyvän työstettävyyden kannalta.

Yksisäieharkkoja on tehtävä kolme, jotta materiaalia olisi riittävästi myöhempää monisäieharkkoa varten. Kaikki harkot tehdään ja käsitellään samalla tavalla. Ensin 5 NbTi-harkot ja OFHC-kuparipuristevaipat, kärjet ja perät koneistetaan oikeisiin mittoihin, ja niobium-, NbTi- sekä titaanilevyt leikataan oikean kokoisiksi. Vakio-kokoinen yksisäierakenne vaatii 61 cm:n (24") pituisen sydämen, joten NbTi-harkot on leikattava tämän pituisiksi ja kaikki levymateriaali on leikattava tämän levyiseksi. Kuvion 3 esittämään rakenteeseen perustuen, kukin harkko vaatii 183 cm:n 10 (72,0") pituisen osan 0,38 mm:n (0,015") paksuista Nb-levyä, 173 cm:n (68,0") pituisen osan 0,38 mm:n (0,015") paksuista Nb 46,5p-% Ti-levyä ja 173 cm:n (68,0") pituisen osan 0,05 mm:n (0,002") paksuista titaanilevyä. Kokoonpano käy helpommin, jos nämä ovat yhtenäisiä kappaleita, mutta myös useita lyhyempiä osuuksia voi käyttää, mikäli tarpeen.

15 Sen jälkeen, kun kaikki osat on puhdistettu, yksisäieharkot kootaan. On huolehdittava siitä, että levyjen alueelle jää mahdollisimman vähän tyhjää tilaa. NbTi-harkot sijoitetaan paikalleen levyn jälkeen. Sen jälkeen kuparinen kärki ja perä kiinnitetään kunkin harkon päälle ja pohjaan tyhjiössä elektronisädehitsauksella. Suljetut harkot valmistellaan puristusta varten kuumentamalla niitä 3 tunnin ajan 650 °C:n 20 lämpötilassa. Sen jälkeen harkot suulakepuristetaan 650 °C:n lämpötilassa 18 cm:n (7,125") läpimitasta 2,54 cm:n (1,00") läpimittaan. Puristeiden päät leikataan liiallisen kuparin poistamiseksi kärjistä ja peristä ja sen jälkeen ne kylmävedetään uudelleen pinottavaan kokoon: kuusikulmiolangaksi 2,6 mm (0,1033"), litteä litteää vasten.

25 Sen jälkeen tuotetta käsitellään kuten kuvion 2 yhteydessä on edellä selitetty. Sen jälkeen, kun riittävä määrä OFHC-kuparia on vedettyjä kuusikulmioitu, sekä kupari että NbTi-yksisäielanka leikataan 80,32 cm:n (31,625") pituisiksi kappaleiksi. Vaippa, kärki ja perä koneistetaan, kaikki osat puhdistetaan ja harkko kootaan. Säikeet järjestetään symmetrisesti kuvion 2 ilmaisemiin osuuksiin, tarkoituksen ollessa mi-30 nimoida se tyhjä tila, joka syntyy väistämättä, kun kuusikulmion muotoista tiukkaan pakattua yhdistelmää asennetaan pyöreään vaippaan. Kun tämä säikeiden järjestely on tehty, kuparivaippa asennetaan paikalleen sen ympärille. Lisää kuparisäikeitä lisätään rakenteen ulkokehälle, mikäli tarpeen tiiviin sovituksen varmistamiseksi Sen jälkeen kärki ja perä kiinnitetään vaippaan tyhjiössä elektronisädehitsauksella.

9 108174

Monisäieharkko HIP-käsitellään lukuisten alaosien kiinteyttämiseksi. Yksisäiera-kenteen tuloksena HIP-käsitellyn monisäieharkon säikeiden välin ja läpimitan suhde (s/d) on 0,168. Tässä yhteydessä läpimitalla tarkoitetaan NbTi-säikeen keskimääräistä läpimittaa, valli mukaan luettuna, ja välillä tarkoitetaan vierekkäisten säikei-5 den välistä etäisyyttä. Alhainen s/d on tärkeä estettäessä säikeiden menemistä makkaralle suulakepuristuksen aikana; jos säikeet on pakattu tiiviisti läpimittaansa nähden, ne tukevat mekaanisesti toinen toistaan. Tällaiselle monisäikeelle 0,168 on riittävä s/d.

HIP-käsittelyn jälkeen monisäieharkon kärki ja perä koneistetaan vastaamaan HIP-10 käsittelyn jälkeistä vaipan läpimittaa. Seuraavaksi harkko kuumennetaan ja sen jäl keen se suulakepuristetaan 31,4 cm:n (12,36") läpimitasta 8,25 cm:n (3,25") läpimittaan. Puristeen päät leikataan ja se vedetään läpimittaan, jossa kuumakäsittelyoh-jelma alkaa. Kuumakäsittelyjen käyttö erillään kylmätyöstämisestä parantaa lopullisen johtimen Jc:n optimointia. Kuumakäsittelyohjelmaa voi muuttaa asiantunteval-15 la tavalla, mutta ohuelle NbTi-johdinlangalle seuraava on tyypillinen: 375 °C 40 tunnin ajan, langan läpimitan ollessa 2,54 cm (1,00"), 1,62 cm (0,640"), 1,17 cm (0,460") ja 0,82 cm (0,325").

Viimeisen kuumakäsittelyn jälkeen monisäielanka vedetään lopulliseen, 0,80 mm:n (0,0318”) läpimittaan, jolloin säikeen läpimitta on ~6 pm. Tällainen johdin sopii 20 hyvin käytettäväksi edistyneissä koneissa, kuten Superconducting Super Collider. Esimerkin II mukaisen toteutusmuodon käytön tulisi nostaa Jc huomattavasti yli arvon 2750 A/mm2 (5T, 4,2°K), johon päästään tyypillisesti vastaavilla hienoilla NbTi-johtimilla. Kappalepituuden - lopulliseen kokoon yltävien lankaosuuksien keskimääräinen pituus - tulisi myös lisääntyä olennaisesti, johtuen noduulittoman 25 langan suuremmästa johtavuudesta.

Claims (9)

10 108174

1. Suprajohtava säie, tunnettu siitä, että se käsittää suprajohtavan NbTi-seos-sydämen, jonka ympärillä on ainakin kaksi erillistä NbTi-seoskerrosta, mainittujen kerrosten ympärillä olevan vaikeasti sulavan metallivallin ja mainitun vallin ympä- 5 rillä olevan normaalin metallivaipan, jolloin vaippa, kerrokset ja sydän ovat metal-lurgisesti liitetyt toisiinsa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suprajohtava säie, tunnettu siitä, että mainittujen NbTi-seoskerrosten väliset rajapinnat ovat alle noin 0,5 pm:n etäisyydellä toisistaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suprajohtava säie, tunnettu siitä, että Ti:n pitoisuus ainakin toisessa mainituista erillisistä kerroksista on suurempi kuin mainitussa sydämessä.

4. Menetelmä suprajohtavan säikeen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että suprajohtava NbTi-seossydän ympäröidään ainakin kahdella erillisellä NhTi-seoskerrok- 15 sella, mainittujen kerrosten ympärille muodostetaan vaikeasti sulava metallivalli ja mainitun vallin ympärille muodostetaan normaali metallivaippa, joka vaippa, kerrokset ja sydän liitetään metallurgisesti toisiinsa redusoimalla yhdessä ainakin 10 kertaa.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisäksi suo-20 ritetaan useita lämpökäsittelystä yli 450 °C:n lämpötiloissa ainakin yhteensä 10 tunnin ajan.

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittujen erillisten NbTi-seoskerrosten alkuraekoko on nimellisläpimitaltaan alle 22 pm.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittujen 25 hienorakeisten NbTi-levykerrosten väliin on sijoitettu ainakin yksi kerros jompaakumpaa metallia Nb tai Ti.

8. Menetelmä suprajohtavaa NbTi-seosta olevan yksisäielangan valmistamiseksi tunnettu siitä, että suprajohtava NbTi-seosharkko ympäröidään ainakin kahdella kerroksella hienorakeista suprajohtavaa NbTi-levyä ja ulommalla, vaikeasti sulavalla 3. metallivallikerroksella, mainittu valli ympäröidään kupari vaipalla, j olioin mainittuj en hienorakeisten kerrosten raekoon läpimitta on alle 22 pm, tuloksena saatu tuote kuumasuulakepuristetaan ja puristettu tuote redusoidaan langaksi, jonka säieläpimitta 11 108174 on alle 10 pm siten, että mainitut NbTi-kerrokset ovat molemmat paksuudeltaan alle 0. 5.pm.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittujen * hienorakeisten NbTi-levykerrosten väliin on sijoitettu ainakin yksi Ti-kerros.

5 Patentkrav