DE1640527B1

DE1640527B1 - Supraleiterzusammenbau

Info

Publication number: DE1640527B1
Application number: DE19671640527
Authority: DE
Inventors: Anthony Clifford Barber; Peter Harlow Morton
Original assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Current assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Priority date: 1966-05-20
Filing date: 1967-05-22
Publication date: 1972-08-17
Also published as: FR1523688A; GB1126404A; NL132696C; AT272714B; US3623221A; NL6706992A; US3472944A; BE698718A; CH460969A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Supraleiterzusammenbau. Der Ausdruck »Supraleiterelement«, wie er in der Beschreibung verwendet wird, bedeutet einen Draht, ein Band oder einen Faden aus einem Material, das fähig ist, unterhalb einer kritischen Temperatur, beispielsweise einige Grad Kelvin, entweder in seiner üblichen Form oder nach einer geeigneten Wärmebehandlung supraleitende Eigenschaften zu zeigen.

Supraleiter finden in jüngster Zeit vielfach Verwendung, beispielsweise zur Herstellung von supraleitenden Spulen, mit denen extrem hohe magnetische Felder hergestellt werden können. Es ist oftmals erforderlich, die Supraleiter zu kühlen. Bisher erfolgte die Kühlung stets von außen. Dies hat aber den Nachteil, daß hierbei eine Wicklung aus dem Supraleiter nicht leicht gekühlt werden kann. Supraleiter haben die unangenehme Eigenschaft, daß sie außerordentlich spröde sind und deshalb nur schwierig verarbeitet werden können. Man ist deshalb dazu übergegangen, Supraleiterelemente in einem Matrixmaterial anzuordnen. Als Matrixmaterial wird häufig Kupfer verwendet.

Gemäß der Erfindung wurde nunmehr festgestellt, daß man die Kühlung von Supraleitern dadurch erleichtern kann, daß man Supraleiterelemente innerhalb dem Material eines hohlen Rohres anordnet, so daß es möglich ist, ein Kühlmedium durch das Rohr hindurchzuschicken. Dies gestattet eine intensive Kühlung des Supraleiters.

Gegenstand der Erfindung ist ein Supraleiterzusammenbau, der aus mindestens einem nicht-supraleitenden Matrixmaterial und mindestens einem supraleitenden Element besteht; wobei das Kennzeichen darin liegt, daß das oder die supraleitenden Elemente derart in ein Rohr aus dem nicht-supraleitenden Matrixmaterial eingebettet sind, daß sich eine Hohlrohrform zur Durchleitung eines Kühlmediums ergibt.

Vorzugsweise sind die nicht-supraleitenden Matrixmaterialien, von denen mindestens eines vorliegt, elektrische Leiter. Wenn lediglich ein Matrixmaterial vorhanden ist, dann besteht es vorzugsweise aus hochleitendem Kupfer, aber die Verwendung von Aluminium, Silber, Blei und Lotmaterial ist genauso

ίο möglich wie Kombinationen daraus oder Kombinationen mit Kupfer.

Die innere Oberfläche des Rohres kann eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Riefen aufweisen, wodurch die innere Oberfläche vergrößert wird; die Riefen können diskontinuierlich und unregelmäßig sein.

Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Supraleiterzusammenbaus besteht darin, daß man eine Vielzahl von Profilstangen aus einem nichtsupraleitenden Matrixmaterial, von denen jede mindestens ein Supraleitungselement enthält, herstellt, eine Anzahl der Profilstangen innerhalb eines Rohres * aus dem genannten oder einem anderen Matrixmate- ^ rial zueinander parallel in ringförmiger Anordnung anbringt, um einen Zusammenbau herzustellen, und den Zusammenbau extrudiert, um ein integrales Rohr herzustellen, das die Supraleitungselemente in seiner Wandung eingebettet enthält.

Vorzugsweise wird innen ein weiteres Rohr aus einem nicht-supraleitenden Matrixmaterial angeordnet, welches die innere Wandung des ringförmigen Gebildes ergibt und einen Teil des Zusammenbaus bildet, welcher dann zur Herstellung des integralen Rohres extrudiert wird. Um die Querschnittsabmessungen des Rohres auf die gewünschten Werte zu verringern, wird das integrale Rohr bevorzugt durch mindestens eine Düse geführt, während es einen schwimmenden Bolzen enthält, um die Öffnung im gesamten Rohr aufrechtzuerhalten.

Das gezogene Rohr kann so bearbeitet werden, daß seine innere Oberfläche gerieft ist; die Riefen können diskontinuierlich und unregelmäßig sein.

Vorzugsweise besteht das Supraleiterelement aus einem duktilen Supraleitermaterial, wie z. B. aus (|

einer Legierung aus Niob und Titan, welche 30 bis 50 Gewichtsprozent Titan und als Rest Niob enthält, oder aus einer Legierung aus Niob und Zirkon. Gegebenenfalls kann das Supraleiterelement eine Legierung aus Niob und Zinn sein, wobei das fertiggestellte Rohr einer Wärmebehandlung unterzogen wird, um die Verbindung Nb₃Sn herzustellen, welche die gewünschten Supraleitereigenschaften unterhalb ihrer kritischen Temperatur zeigt.

Einige erfindungsgemäße Beispiele werden nun an Hand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Extrusionskupferbüchse, die eine Profilstange aus einer supraleitenden Legierung enthält,

F i g. 2 einen Querschnitt an der Linie 2-2 von F i g. 3, welche einen Zusammenbau aus einer anderen Extrusionsbüchse zeigt, die ein Kupferrohr und eine Anzahl von extrudierten und gezogenen oder gezogenen Profilstangen aus Kupfer und dem Supraleiter aufweist,

F i g. 3 eine Aufsicht auf den Zusammenbau von F i g. 2, und
F i g. 4 bis 6 Querschnittsansichten eines ersten,

zweiten bzw. dritten Supraleiterzusammenbaus in einem größeren Maßstab als in F i g. 1 bis 3.

In allen Figuren ist das Supraleitermaterial schraffiert.

In einem ersten Typ eines erfindungsgemäßen Beispiels wird ein Barren aus einer Nioblegierung mit 44 Gewichtsprozent Titan geschmolzen und bei 400 bis 1000° C zur Herstellung eines flachen Werkstücks geschmiedet und dann aus 1000° C abgeschreckt, obwohl das Abschrecken nicht wesentlich ist. Das Werkstück wird bei Raumtemperaturen zu einem Stab gewalzt oder in einem Gesenke zu einer Profilstange verformt oder geschmiedet.

Gemäß F i g. 1 dient eine Büchse 1 aus hochleitendem Kupfer, als Matrixmaterial, wobei die Büchse 1 ein verschlossenes Ende 2 aufweist, welche zu einem Konus 8 ausgebildet ist, die bei der Extrusion zum Zentrieren dient. Die inneren Abmessungen der Büchse sind derart, daß sie die Profilstange 4 aus der Supraleiterlegierung dicht aufnimmt. Der so hergestellte Zusammenbau wird vorzugsweise mit einem Deckel versehen (nicht dargestellt), der das offene Ende 5 der Büchse 1 abdeckt, evakuiert und dann bei 300 bis 450° C zur Herstellung einer Profilstange extrudiert. Das Extrudat wird dann bei Raumtemperatur gezogen oder zu einem Stab gewalzt und gezogen oder im Gesenke verformt und gezogen, bis es die gewünschte Querschnittsform aufweist. An Stelle der Extrusionsbehandlung kann das Werkstück auch gezogen werden.

Die gewünschte Querschnittsform hängt von den zur Verfügung stehenden Ziehvorrichtungen und von derfür den Zusammenbau in eine ringförmige Konfiguration geeignete Form ab. Gemäß den F i g. 2 und 3 wird eine Büchse 6 durch Bearbeitung eines massiven Kupferzylinders oder aus einem Kupferblech hergestellt, wobei die Büchse ebenfalls ein geschlossenes Ende 7 aufweist, an dem ein Konus 8 für die Zentrierung bei der Extrusion angeordnet ist. An der Innenseite des geschlossenen Endes 7 kann eine flache kreisförmige Vertiefung 9 oder eine ringförmige Nut für die Aufnahme des Endes 10 eines Kupferrohres vorgesehen sein, um dieses mit der Kupferbüchse 6 konzentrisch zu halten. Der ringförmige Raum zwischen dem Rohr 11 und der Kupferbüchse 6 wird dann mit einer Anzahl von extrudierten und gezogenen oder gezogenen Profilstäben 12 ausgefüllt.

Wenn jeder Profilstab 12 eine solche Querschnittsform aufweist, daß sie einen Sektor eines Ringes mit rechtwinkligen Ecken darstellt wie in F i g. 3 dargestellt ist, so werden die Profilstäbe 12 derart bemessen, daß sie innerhalb des ringförmigen Raums dicht aneinander anliegen und parallel zueinander verlaufen. In diesem Beispiel wird nur eine einzige Reihe von Profilstäben 12 verwendet, obwohl erforderlichenfalls mehrere Reihen verwendet werden können. Wenn die Profilstäbe einen quadratischen Querschnitt aufweisen, dann passen sie innerhalb des ringförmigen Raums nicht so gut zusammen, und die Zwischenräume zwischen den Profilstäben können annähernd mit Kupferstreifen oder Drähten aufgefüllt werden. Auf diese Weise wird ein Zusammenbau aus der Kupferbüchse 6, dem Kupferrohr 11 und den Profilstäben 12 hergestellt.

Das Rohr 11 wird vorzugsweise, beispielsweise durch Schweißen, am verschlossenen Ende 7 der Büchse 6 abgedichtet, und die Büchse 6 wird mit einem ringförmigen Deckel versehen, der die Profilstäbe 12 einschließt. Der Zusammenbau kann dann gewünschtenfalls evakuiert und verschlossen werden und wird bei 150 bis 450° C zur Herstellung eines integralen Rohres extrudiert, wobei die innere Form des Kupferrohres 11 mit Hilfe eines Domes am Extrusionsstempel aufrechterhalten wird. Der Dorn paßt vor der Extrusion in das Kupferrohr 11, wobei um den Dorn herum die Extrusion stattfindet. Gegebenenfalls kann der Konus 8 an der Kupferbüchse 6 durchbohrt sein, so daß sich die Bohrung des Kupferrohres 11, wie in F i g. 2 mit gestrichelten Linien angedeutet, durch den Konus 8 hindurch fortsetzt, wobei der Dorn so angeordnet ist, daß er vor der Extrusion durch den Konus 8 hindurch in das Kupferrohr 11 hineinragt.

Das Rohr wird so oft gezogen, bis es die gewünschten Enddimensionen erreicht hat, zu welchem Zeitpunkt es etwa 300 m lang sein kann. Das Rohr wird dann in die gewünschte Querschnittsform verformt; diese kann entweder durch Ziehen mit einem schwimmenden rechteckigen Bolzen durch eine rechteckige Düse erfolgen, wobei das Innere des Drahtes dann annähernd eine rechtwinklige Form mit vier konvexen Wandungen annimmt; es ist aber auch möglich, sämtliche Ziehstufen mit rechteckigen Schwimmbolzen und Düsen auszuführen. F i g. 4 zeigt einen Draht 13 mit fechteckigem äußerem Profil, wobei sich die Supraleiterelemente 14 in der Kupfermatrix 15 befinden.

Vorzugsweise wird die letzte Zieh- oder Walzbehandlung ohne Bolzen im Draht ausgeführt, wodurch die dabei erzielte Zusammenpressung sich in Längsrichtung erstreckende Riefen 18 erzeugt, die unregelmäßig und diskontinuierlich sind. Durch diese Maßnahme wird die innere Oberfläche des Drahtes um etwa das Doppelte erhöht. Dies ist in F i g. 5 dargestellt, in der der Draht 17 zylindrisch ist und die innere Oberfläche Riefen 18 aufweist.

Bei der Verwendung wird der Supraleiterzusammenbau zur Herstellung von Magnetspulen aufgespult, die unterhalb der kritischen Temperatur des supraleitenden Elements verwendet werden. Um den Draht unterhalb seiner kritischen Temperatur zu halten, v/ird flüssiges Helium oder Heliumgas durch oder durch und rundherum des Inneren des Drahtes gepumpt, wodurch eine ausreichende Kühlung erzielt wird. Die große Oberfläche des Hohlraums, welche durch die Längsriefen geschaffen wird, unterstützt einen raschen Wärmeübergang von den supraleitenden Elementen durch das Matrixmaterial zum flüssigen Helium.

Dies steht im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren, bei welchem die Temperatur einer Magnetspule unterhalb der kritischen Temperatur gehalten wird, indem die Spule einfach in flüssiges Helium eingetaucht wird. Bei dieser bekannten Arbeitsweise muß die in der Spule erzeugte Wärme nach außen zur Spule abgeleitet werden, bevor sie abgeführt werden kann; es wurde jedoch gefunden, daß Zwischenräume und Fugen zwischen den Drahtwicklungen für die Kühlung unzureichend sind. Durch die Erfindung kann die Temperatur in der gesamten Wicklung in einer zuverlässigen und wirksamen Weise unterhalb der kritischen Temperatur gehalten werden.

Bei dem beschriebenen Beispiel enthält jede in dem ringförmigen Raum zwischen der Kupferbüchse und dem Kupferrohr eingefügte Profilstange nur ein einziges Supraleiterelement. Gegebenenfalls können diese Profilstangen zu einer hexagonalen Form oder in eine andere Form gezogen werden und es können dann eine Vielzahl von Profilstangen im Kupferrohr dicht

aneinander angeordnet werden. Das Kupferrohr wird dann entweder zu einem Stab gewalzt oder in einem Gesenk verformt oder extrudiert, worauf sich eine Ziehbehandlung bei Raumtemperatur auf die jeweilige Querschnittsform, wie z. B. teilweise ringförmig oder quadratisch, anschließt. Diese Profilstangen werden dann in den ringförmigen Raum zwischen der Büchse 6 und dem Rohr 11 eingefügt, wobei jedoch in diesem Fall jede Profilstange eine Vielzahl von Supraleiterelementen enthält.

Bei einem anderen erfindungsgemäßen Beispiel, auf das sich die F i g. 6 bezieht, wird ein Draht 19 aus einem Supraleiterzusammenbau hergestellt, in welchem ein einziges rohrförmiges Supraleiterelement vollständig in ein hochleitendes Kupfermatrixmaterial eingebettet ist und sich um den ringförmigen Draht 19 erstreckt. Dieser Draht 19 wird nach einem Verfahren hergestellt, daß dem mit Bezug auf F i g. 2 und 3 beschriebenen analog ist. Die Extrusionsbüchse 6 ist mit einem Kupferrohr 11 versehen und der ringförmige Raum dazwischen ist mit einem ringförmigen Supraleiterelement aufgefüllt. Das Supraleiterelement kann durch Extrusion oder durch Biegen des Elements in Blechform, bis die einander gegenüberliegenden Kanten einander berühren, und nachfolgendem Schweißen in Rohrform hergestellt werden. Die Zusammenstellung aus Büchse 6, Rohr 11 und Supraleiterelement wird dann extrudiert und unter Verwendung des schwimmenden Bolzens gezogen. Eine Endbehandlung erzeugt die gleichen Riefen wie in Fig. 5.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf die Nioblegierung mit einem Titangehalt von 44 Gewichtsprozent beschrieben worden ist, können natürlich auch andere supraleitende Niob-Titan-Legierungen verwendet werden, und auch Supraleiterlegierangen aus Niob und Zirkon. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Nb₃Sn als Supraleiterelement, aber dies bringt wegen der Sprödigkeit dieser Verbindung besondere Schwierigkeiten mit sich. Als Folge dessen wird die Arbeitsfolge der Verfahrensstufen, wie sie unter Bezugnahme auf die F i g. 1 bis 5 beschrieben wurden, in der Weise modifiziert, daß die in den ringförmigen Raum zwischen der Kupferbüchse 6 und dem Kupferrohr 11 einzuführenden Profilstangen aus einem Niobrohr hergestellt werden, das mit Zinn oder mit einem Gemisch aus Zinn- und Niobpulver gefüllt wird und dessen Enden zur vollständigen Einschließung des Zinns verschlossen werden und worauf es in die Kupferbüchse 1 eingeführt wird. Der Zusammenbau aus Kupfer aus der Büchse 1 und dem Niobrohr und dem verschlossenen Zinnzylinder wird dann extrudiert und gezogen, um eine Profilstange mit der gewünschten Querschnittsform herzustellen, in welcher das Niob und das Zinn in gewissem Ausmaß ineinander diffundiert sind. Die Profilstangen werden dann in den ringförmigen Raum eingeführt, und die Abfolge der Verfahrensstufen verläuft wie oben beschrieben. Während der gesamten Bearbeitung wird jedoch darauf geachtet, daß die Temperatur nicht die Temperatur überschreitet, bei der sich die spröde Nb₃Sn-Verbindung bildet. Wenn jedoch der fertige rohrförmige Draht geformt ist, wird er 10 Minuten bis 3 Stunden bei einer Temperatur von 1000 bis 950° C einer Wärmebehandlung unterworfen, um die Bildung von Nb₃Sn in den Zonen des Mobs, in denen das Zinn eindiffundiert war, und des Zinns, in denen das Niob eindiffundiert war, zu bewirken, und das supraleitende Element aus Nb₃Sn zu bilden.

Bei anderen Abwandlungen der Erfindung kann Aluminium und/oder Silber als Matrixmaterial von Kupfer verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Supraleiterzusammenbau aus mindestens einem nicht supraleitenden Matrixmaterial und mindestens einem supraleitenden Element, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die supraleitenden Elemente derart in ein Rohr aus dem nicht supraleitenden Matrixmaterial eingebettet sind, daß sich eine Hohlrohrform zur Durchleitung eines Kühlmediums ergibt.

2. Supraleiterzusammenbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des Hohlrohrs (17) mit Längsriefen oder -wellungen (18) versehen ist.

3. Supraleiterzusammenbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Aluminium, Silber und Blei.

4. Supraleiterzusammenbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Element aus einer supraleitenden Legierung aus Niob mit Titan oder Zirkonium besteht.

5. Supraleiterzusammenbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Element aus einer Legierung von Niob und Zinn besteht, die wärmebehandelt die Verbindung Nb₃Sn ergibt.