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DE1665554A1 - Kabelfoermiger Supraleiter - Google Patents

Kabelfoermiger Supraleiter

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DE1665554A1
DE1665554A1 DE19661665554 DE1665554A DE1665554A1 DE 1665554 A1 DE1665554 A1 DE 1665554A1 DE 19661665554 DE19661665554 DE 19661665554 DE 1665554 A DE1665554 A DE 1665554A DE 1665554 A1 DE1665554 A1 DE 1665554A1
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cable
aluminum
wires
shaped superconductor
superconductor
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Bogner Dr Guenther
Doetzer Dr Richard
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Siemens Corp
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Publication date
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Description

SIEMENS-SCHUCKERTWERKE Erlangen, den'"· M* J96$
Aktiengesellschaft 166555 A Werner-von-Siemens-Str.
PLA 66/1081
Kabeiförmiger Supraleiter
Die insbesondere beim Bau von Supraleitungsmagnetspulen verwendeten drahtförmigen Hochfeldsupraleiter oder harten Supraleiter, die beispielsweise aus den supraleitenden intermetallischen Legierungen Niob-Zirkon und Niob-Titan bestehen, weisen elektrische Instabilitäten auf, die auf magnetische Flußsprünge zurückzuführen sind und örtliche kurzzeitige Übergänge des Supraleiters vom supra-
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leitender, in den normalleitenden Zustand zur Folge haben können. Diese Instabilitäten führen besonders bei größeren Ha^netspulen zu einer starken Stromdegradation, d.h. die Supraleiter der Spulenwicklung gehen bereits bei einer wesentlich kleineren Stromdichte in den normalleitenden Zustand über als kurze Proben aua dem gleichen Material bei gleichem Magnetfeld. Diese Stromdegradation hat einen erhöhten Materialaufwand zur Erzeugung eines bestimmten Magnetfeldes zur Folge. Durch Überziehen der Supraleiter mit einem gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metallüberzug kann der Degradationseffekt verringert werden. Ferner kann durch Parallelschaltung mehrerer Supraleiter, die über ihre gut wärmeleitenden Normalmetallüberzüge untereinander verbunden sind, zu einem kabeiförmigen Supraleiter erreicht werden, daß ein kurzzeitig instabil gewordener Sinzelleiter durch die Parallelleiter entlastet wird. Ein solcher kabeiförmiger Supraleiter bleibt somit trotz der Instabilitäten in den Einzeldrähten für einen fließenden Strom supraleitend. Eine Magnetspule mit einer aus kabeiförmigen Supraleitern aufgebauten Wicklung geht dither erst bei höheren Stromdichten in den normalleitenden Zustand über als eine Magnetspule,deren Wicklung aus Einzeldrähten besteht.
Derartige kabeiförmige Supraleiter, bei denen die Einzeldrähte mit Kupferüberzügen versehen sind, sind bereits bekannt. Ferner ist es bekannt, daß die Stromtragfähigkeit solcher Kabel weiter erhöht werden kann, wenn zusätzliche Kupferdrähte in das Kabel eingebaut werden. (Review of Scientific Instrumente 36 (1965)» Nr. 6, Seiten 825 bis 830).
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Die Erfindung betrifft einen kabeiförmigen Supraleiter aus mehreren Drähten aus Hochfeldsupraleitermaterial mit Überzügen aus einem oei der 3etriebstemoeratur des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall und weiteren Drähten aus einem bei der Betriebstemperatur de3 Supraleiters gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall, der gegenüber den bekinnten supraleitenden Kabeln erheblich verbessert ist. SemäQ der Erfindung bestehen die elektrisch normalleitenden Drähte aus hochreinem Aluminium mit einer Reinheit von wenigstens 99,99 Sew.^.
Die Verwendung von hochreinen Aluminiumdrähten anstelle der bisher bekannten Kurferdrähte bei kabeiförmigen Supraleitern ist mit zahlreichen Vorteilen verbunden. Hochreines Aluminium besitzt bei tiefen Temperaturen, insbesondere bei der für Supraleiter üblichen Betriebstemperaturen von etwa 4,2 Kelvin, eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Kupfer von vergleichbarer Reinheit und eine mindestens gieicri. gute Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer und ist wesentlich leichter als Kupfer in höchstreiner Form herzustellen. Ferner ist die magnetische Widerstandsänderung von Aluminium bei tiefen Temperaturen wesentlich geringer als die von Kupfer, d.h. bei Einbringen in ein Magnetfeld von gleicher Stärke nimmt der elektrische Widerstand von Aluminium weniger stark zu als der von Kupfer. Beim Übergang der supraleitenden Drähte des Kabels in den kritischen Zustand durch Überschreiten des kritischen Stromes kann daher der die Supraleiterdrihte durchfließende Strom von den in das Kabel eingelagerten Aluminiumdrähten wesentlich leichter/oder teilweise übernommen werden als von Kupferdrähten, ohne daß dabei das Supraleitermaterial über die kritische Temperatur beim vorhandenen Magnetfeld erwärmt
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wird. Bei einer geringfügigen Verkleinerung dea Stromes kann dann der Supraleiter wieder den gesamten Strom übernehmen. Dadurch wird ein Abbau der magnetischen Feldenergie einer Spule, deren Wicklung aus dem kabeiförmigen Supraleiter gemäß der Erfindung besteht, verhindert. Die Spule stellt praktisch eine Kombination aus Supraleitungs- und Kryomagnetspule dar. Außerdem ist der kabeiförmige Supraleiter gemäß der Erfindung wesentlich leichter als ein gleichartig aufgebauter kabeiförmiger Supraleiter mit Kupferdrähten, da das Aluminium ein wesentlich geringeres spezifisches Gewicht besitzt als das Kunfer. Bei Verwendung des kabeiförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung können daher die Gewichte von Supraleitungsmagnetepulen erheblich herabgesetzt werden. Mit der Gewichtserspamis geht eine erhebliche Ersparnis an Kühlenergie bzw. Kühlmittel konform. Zur Abkühlung gleich großer Volumina von Kupfer und Aluminium von der Temperatur dee flüssigen Stickstoffs (etwa 78° K) auf die Temperatur des flüssigen Heliums (4*2° K) ist bei Aluminium etwa nur die Hälfte der Heliummenge nötig, die bei Kupfer verbraucht wird.
Der entacheidende Vorteil des Aluminiums gegenüber dem Kupfer liegt jedoch In «einer niedrigen Rekristallisationstemperatur, die mit zunehmender Reinheit abnimmt und je nach Reinheit des Aluminiums zwischen - 75^C und + 400T liegt. Bei der Here teilung des Jcabelförffligen Supraleiters, dessen supraleitende und normalleitende Einzeldrähte «ur Sicherung eines guten elektrisch noraalleitenden Kontaktes sowie eines festen mechanischen Zusammenhalts zwischen den einzelnen Drähten ineinander verdrillt werden, treten nämlich Kaltverfomungen auf, durch welche der elektrische !testwiderstand der nor»'
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_ Pia 66/1 oa'i
malleitenden Drähte bei tiefen Temperaturen erhöht wird. Ähnlich* Kaltverformungen treten ferner beim Wickeln einer Supraleitungsspule aus dem kabeiförmigen Supraleiter auf« Wegen der niedrigen Rekristallisationstemperatur des Aluminiums können beim kabelförmigem Supraleiter gemäß der Erfindung die durch die Kaltverformung hervorgerufenen Defekte durch Tempern des Kabels nach seiner Herstellung oder nach dem Wickeln der Spule ausgeheilt und die schädlichen Wirkungen der Kaltverformung auf den elektrischen Widerstand des Aluminiums beseitigt werden. Bei einer entsprechenden Behandlung von kabeiförmigen Supraleitern, die Kupferdrähte enthalten, müßten dagegen wegen der hohen Rekristallisationstemperatur des Kupfers Temperaturen oberhalb von 6OQ0C gewählt werden. Ein Tempern bei diesen Temperaturen ist jedoch nicht möglich, da es die Supraleitungseigenschaften der supraleitenden Drähte des Kabels, die insbesondere aus den supraleitenden intermetallischen Legierungen Niob-Zirkon oder Niob-Titan bestehen, äußerst nachteilig beeinflussen würde. Zudem heilt bei Aluminium höchster Reinheit ein wesentlicher Teil der Defekte bereits bei Raumtemperatur aus, sodat sich ein Tempern gegebenenfalls überhaupt erübrigt.
Als Hochfeldsupraleitermaterial für die supraleitenden Drähte beim
Supraleiter
kabeiförmigen/gemäfl der Erfindung koousen insbesondere die inter-
metallischen Legierungen Niob-Zirkon
und Niob-Titan in Frage. Bei
spielsweise können handelsübliche Drähte aus diesen Materialien mit
s I
Kupferüberzügen verwendet werden.
Gemäß weiterer Erfindung kann der kabeiförmige Supraleiter ferner derart ausgebildet sein, daß auch die elektrisch normalleitenden
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ORISlNAL FNSPHCTlD
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Überzüge der supraleitenden Drähte aus hochreinem Aluminium bestehen. Bei dieser Auaführungsform besitzen auch die normalleitenden Überzüge die bereits geschilderten,mit der Verwendung von Aluminium anstelle von Kupfer verbundenen Vorteile.
Ferner können gemäß weiterer Erfindung die einander berührenden Aluminiuffldrähte und gegebenenfalls die AluminiumüDerzüge der supraleitenden Drähte durch einen Kaltpreßschweißvorgang metallisch verbunden sein. Unter Ausnutzung der Weichheit des hochreinen
* Aluminiums wird dabei ein besonders inniger Kontakt zwischen den einzelnen Drähten des Kabels erzielt. Zur Verbindung der Drähte kann beispielsweise das fertige Kabel in geeigneter Weise gepreßt werden* Dabei werden die Aluminiumdrähte mehr oder weniger stark deformiert.
Da die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit sowie die Duktilität des Aluminiums mit abnehmendem Verunreinigungsgehalt weiter zunehmen, kann es vorteilhaft sein, für die normalleitenden Drähte und Überzüge beim kabeiförmigen Supraleiter gemäß
* der Erfindung noch reineres Aluminium von einer Reinheit γοη wenigstens 99,999 Gew.£ zu verwenden.
Der kabeiförmige Supraleiter gemäß der Erfindung kann ferner mit : einer elektrisch isolierenden umhüllung versehen sein. Diese kamt1 den kabelförmigeh Supraleiter vollständig oder teilweise umgeben,; beispielsweise in Form eines in Abständen um das Kabel gewickelten Bandes. Von Bedeutung ist dabei lediglicht daß durch die Isolierung verhindert wird,1 daß verschiedene Windungen einer aus dem kabelför-
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ffligen Supraleiter bestehenden Spulenwicklung miteinander in elektrisch leitender Verbindung stehen* Spulen mit Wicklungen aus isolierten Kabeln können besondere schnell erregt werden. Die isolierende Umhüllung besteht auβ einem tieftemperaturbeständigen Isolierstoff, beispielsweise aus einer Folie aus Polyethylenterephthalat, das unter dem Handelsnamen "HyIar" bekannt ist.
Besondere Vorteile besitzt jedoch eine AusfUhrungeform des kabelförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung, bei welcher die elektrische Isolation aus Aluminiumoxyd besteht, Aluminiumoxyd besitzt nämlich bei Zimmertemperatur eine Wärmeleitfähigkeit, die etwa 100 mal größer 1st als die der sonst üblichen organischen Isola-.tionsmuterialien. Bei tiefen Temperaturen liegen ähnliche Verhältnisse vor. Der kabeiförmige Supraleiter alt Aluminiumoxydieolation kann daher wesentlich besser gekühlt werden als ein Supraleiter mit organischen Isolationsmaterialisa. Ferner kann die gegebenenfalls im kabeiförmigen Supraleiter bsi« teilweieen oder vollständigen Übergang des supraleitenden Materials in den normalleitenden Zustand entstehende Wärme besser aus dem kabeiförmigen Supraleiter abgeführt werden. Außerdem bringt dl· hohe Temperaturbeständigkeit dee Aluminiumoxyds Vorteile beim Tempern des kabeiförmigen Supraleiters zur Ausheilung der beim Verkabelungs- und WickelprozeS auf·» getretenen KaltVerformungen. Trotz seiner sehr guten Wärmeleitungeeigenschaften ist Aluminiumoxyd auch ein ausgezeichneter Isolator. Beispielsweise können bei einer Temperatur von 2ΌΚ bei Aluminium-Eloxalschichten Durchschlagsfestigkeiten von 90 Volt props erreicht werden. Die Aluminiurnoxydleolationsschichten können daher relativ dünn gehalten werden. Dicken zwischen wenigen μ* bis etwa 20 μ* sind
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ausreichend. Dies ist zur' Erzielung eines hohen Packungsfaktors beim Wickeln einer Magnetspule und für eine gute Wärmeableitung vorteilhaft.
Die isolierende Aluminiumoxydumhüllung kann auf den kabeiförmigen Supraleiter in verschiedener Weise aufgebracht werden. Beispielsweise kann der kabeiförmige Supraleiter mit einer bandförmigen Aluminiumfolie umwickelt sein, die ein- oder beidseitig anodisch oxydiert ist. Ferner kann der kabeiförmige Supraleiter zunächst mit A einem Aluminiumüberzug versehen werden, der nach dem Aufbringen auf den kabelförraigen Supraleiter anodisch oxydiert wird. Dieser
ber:;u£ kann durch Umwickeln des kabeiförmigen Supraleiters mit einem Aluminiumband oder durch galvanische Abscheidung von Aluminium auf dem kabeiförmigen* Supraleiters hergestellt werden. Bei der anachllebenden anodi3chen Oxydation wird der "berzug nur teilweise durchoxydiert, so d&3 eine Aluminiumschicht zum üchutze der unter dem berzug liegenden Drähte des Kabels erhalten bleibt.
Da die Isolationsfestigkeit und die Wärmeleitfähigkeit des Alumi-P niumoxyds mit wachsender Reinheit zunehmen, i£31 es vorteilhaft, .tuch fur die Aluminiumuberr-üge, welche die Gxydschicht tragen, Aluminium von einer Reinheit von wenigstens 99»99 Qevi.% zu verwenden.
Die galvanische Abscheidung der hochreinen Aluminiumschichten kann vorteilhaft mit Hilfe von aluminiumorganischen Komplexsalzelektro-»· lytbädern erfolgen. Inabesondere eignen sich Bäder aus in geeigneten organischen Lösungsmitteln, z.B. Xylol oder Toluol« gelösten
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BAB ORIGINAL
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Ä PLA 66/1081
quartären Oniumsalz-Komplexverbindungen von Aluminiumtrialkylen. Derartige quartäre Oniumsalz-Komplexverbindungen des Aluminiums sind in der Zeitschrift "Chemie-Ingenieur-Technik", 1964, Nr. 6, Seite 616 - 637 und in der deutschen Patentanmeldung Aktz.: S 94 664 IVb/12o vom 17.12.1964 (PLA 64/1342) näher beschrieben.
Als Beispiel für ein Aluminierungsbad sei die einen Trimethylbenzylammoniumchlorid-Komplex des Aluminiumtriäthyls enthaltende■Elektrolytflüssigkeit
["(0H5)5(C6H5CH2)n1 01 · 2,2 Al (C2H5)3 · 6 Xylol genannt, die bei Temperaturen zwischen 80 und 12O0C gute Abscheidungsergebnisse liefert.
Die anodische Oxydation des Aluminiumüberzugs kann vorteilhaft mit Hilfe bekannter Eloxierverfahren in wässrigen Elektrolytbädern vorgenommen werden. Dabei wird zunächst beispielsweise in einem Oxalsäurebad die Oxydschicht elektrochemisch erzeugt. Darauf folgt ein Verdichtungsprozeß (Sealing), bei dem die Poren der Oxydschicht geschlossen werden. Gegebenenfalls können die Poren der Oxydschicht zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit vor dem Verdichten mit einem anorganischen oder organischen Pigment oder Isolierlack ausgefüllt werden. Falls die kabeiförmigen Supraleiter für Spulen verwendet werden, bei denen nur geringe elektrische Spannungen auftreten, sodaß es auf die Durchschlagfestigkeit nicht in erster Linie ankommt, kann vorteilhaft auf den Verdichtungsproaeß verzichtet werden. Die Oxydschicht behält dadurch ihre Porenstruktur, die wegen der besonders großen Oberfläche für eine gute Kühlung von Vorteil lot.
" 9 " BAB ORlQWAV. Kb/Gs 009887/0^40
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Die einzelnen Drähte des kabeiförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung können ferner zur Verbesserung des elektrischen Kontaktes und des Warmekontaktes zwischen den Drähten mit einer dünnen Schicht aus einem gut wärmeleitenden Metall rait großer Wärmekapazität und niedrigem Schmelzpunkt versehen sein. Ferner können die' Zwischenräume zwischen den einzelnen Drähten wenigstens teilweise mit einem derartigen Metall ausgefüllt sein. Dies kann dadurch erfolgen, da3 man den kabeiförmigen Supraleiter vor dem Aufbringen der Isolationsschicht bzw. des Aluminiumüberzuges in eine Schmelze aus einem solchen Metall taucht. Ale solche !.letalIe von niedrigem Schmelzpunkt kommen beispielsweise Blei-Wismut-Legierungen oder Indium-Zinn-Legierungen in Frage. Diese Legierungen sind zwar bei tiefen Temperaturen supraleitend, gehen jedoch schon in einem kleinen Magnetfeld-in den normalleitenden Zustand über, soctaß sie bein Betrieb des kabeiförmigen Hochfeldaurraleitera praktisch immer- elektrisch normalleitend sind. Als besonders geeignet hat sich Indium erwiesen, dessen Schmelzpunkt bei 1560C- liegt Bei Indium von einer Reinheit von wenigstens 99,999 Sew.^ ist der elektrische Restwiderstund bei tiefen Temperaturen besonders niedrig. Die Dicke der dünnen Indiumschichten liegt vorteilhaft in der
—3
Größenordnung von etwa 10 mm.
ji.nh.and zweier Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden . - '
Fig. 1 zeigt im Querschnitt schematisch und stark vergrößert eine Ausführungsform des kabeiförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung.
* 10 ~ BA© .ORIGINAL Kb/Ga 0Ü98S7/044O /:
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Fig. 2 zeigt im Querschnitt schematisch und stark vergrößert eine weitere Ausführungsform des kabelförmigen Supraleiters f-em'äl der Erfindung. ;
Der Kern des in Fig. 1 dargestellten kabeiförmigen Supraleiters besteht aus den supraleitenden Drähten 11, beispielsweise aus Kiobr.irkon, die mit ,.hersagen 12 aus einem gut elektrisch normalleitenden und i*ut wärmeleitenden Metall, beispielsweise Aluminiuni, ,herzogen sind. Der Kern des Kabels ist von elektrisch normallei- * enden Drähten i? umgeben, die aus hochreinem Aluminium bestehen. ,-.1Ie Drehte des Rubels stehen mit ihren Nachbarn in gut elektrisch normal.leitenden» Kontakt and gutem »Värmekontakt. Der isolierende ".'b er zug. H besteht aus einer Polyäthylenterephthalatfolie,
Fig. c seigt einen kabelförmigen Supraleiter der ähnlich aufgebaut ist. Um den Kern des Kabels, der aus supraleitenden Drähten 21 besteht," die mit gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Überzügen 22 versehen sindi sind Drähte 25 aus hochreinem Aluminium angeordnet. Die Zwischenräume 24 zwischen den einzelnen Drähten sind mit Indium ausgefüllt. Das Kabel ist mit einem Aluminiumüberzug 25 ^versehen. Dieser Aluminiumüberzug ist teilweise durchoxydiert, so daß sich an seiner Oberfläche eine Aluminiumoxydisolationsschicht 26 befindet.
Die Form des kabeiförmigen Supraleiters gemäß der Erfindung kann von der in den Figuren dargestellten abweichen. Insbesondere kann
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ja PLA 66/1081
die Anzahl der im Kabel vorgesehenen Drahte und deren geometrische Anordnung variiert»werden.
14 Patentansprüche
2 Figuren
* 12 /■» th/üa
ÖQ9$«7/(K40 ν

Claims (1)

1.RB555A
Patentansprüche
•1. Kabeiförmiger Supraleiter aus mehreren Drähten aus Hochfeldsupraleitermaterial mit Überzügen aus einem bei der Betriebstemperatur des Supraleiters gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall und weiteren Drähten aus einem bei der Betriebstemperatur des Supraleiters elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch normalleitenden Drähte (1 3) αμβ hochreinem Aluminium mit einer Reinheit von wenigstens 99»99 Gew.# bestehen.
2. Kabeiförmiger Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch normalleitenden Überzüge (12) der supraleitenden Drähte (11) aus hochreinem Aluminium bestehen.
3. Kabelförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander berührenden Aluminiumdrähte und gegebenenfalls die Aluminiumüberzüge der supraleitenden Drähte durch einen Kaltpreßschweißvorgang metallisch verbunden sind.
4. Kabeiförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da-
.durch gekennzeichnet, daß er wenigstens teilweise mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung (14) versehen ist.
5. Kabeiförmiger Supraleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation aus Alurainiumoxyd besteht.
-■ 13 - BAD OTOGiNAt Kb/(}£
Ö098Ö7/04 4Q
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6. Kabelförmiger Supraleiter nach. Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer anodisch oxydierten Aluminiumfolie umwickelt ist.
7. Kabeiförmiger Supraleiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Aluminiumüberzug (25) versehen und daß dieser überzug teilweise anodisch oxydiert ist.
8. Kabeiförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in den durch anodische Oxydation erzeugten Oxydschichten vorhandenen Poren vor dem Verdichten mit einem anorganischen oder organischen Pigment oder Isolierlack gefüllt sind. "
9. Kabeiförmiger Supraleiter' nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Cxydschicht Porenstruktur besitzt.
10. Kabelförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Drähte mit einer dünnen Schicht aus gut wärmeleitenden Metall mit großer Wärmekapazität und niedrigem Schmelzpunkt versehen sind.
11. Kabeiförmiger Supraleiter .nacn einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (24) zwischen den einzelnen Drähten wenigstens teilweise mit gut wärmeleitenden Metall mit großer '.Värmekapazität und niedrigem Schmelzpunkt ausgefüllt sind.
12. Kabeiförmiger Supraleiter nach einem der Ansprüche 10 und 11, da-
)Oä88 7/04 4Q
PLk 66/1081
durch gekennzeichnet, daß als gut wärmeleitendes Metall von niedrigem Schmelzpunkt Indium verwendet ist.
t5, K-sbelfarmiger Supraleiter nach Anspruch 12> dadurch gekennzeich-
net, du'.3 das Indium eine Reinheit von wenigstens 99,999 Gew.# besitzt.
14. Supr'iieitungsmagnetspule, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen» wicklung aus einem kabelformi^en Supraleiter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche besteht. ' ■ w
-.15 - BJ^ O^-'· Kb/Öa
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Leerseite
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DE1665554B2 DE1665554B2 (de) 1974-02-14
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