DE1765620B2 - Streifenfoermiger supraleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen streifenförmigen Supraleiter gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Von den vielen bekannten Materialien, die Supraleitfähigkeit bei sehr niedrigen Temperaturen, d. h. im allgemeinen Temperaturen unter 20°K, zeigen, sind jene, die die brauchbarsten Stromführungskapazitäten und die höchsten kritischen Feldwerte besitzen, z. B. Nb2Zr oder Nb3Sn, recht spröde, wodurch sich Probleme bei der Herstellung und Handhabung daraus gewonnener Leiter, speziell beim Wickeln von Spulen, ergeben.

Aus Bull.SEV58 (1967), S. 174, Figur 6, und Nucleonics, Januar 1966, S. 50, Figur 3c, sind bereits flexible streifenförmige Supraleiter aus miteinander verbundenen Schichten aus supraleitfähigen! und aus nicht supraleitfähigen! Material, das aus einem ersten Material mit hohem Elastizitätsmodul und hoher Streckgrenze und einem zweiten Material mit einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul und einem relativ niedrigen elektrischen Widerstand bei Temperaturen 6U unterhalb etwa 20⁰K besteht, bekanntgeworden. Vor diesem bekannten Supraleiter geht die Erfindung aus. Im bekannten Fall ist ein Band aus nicht rostendem Stahl mit einer dünnen Schicht von NbjSn und einer Silberplattierung in gleicher Schichtdicke vorgesehen. b5

Diese bekannten Supraleiter-Bänder können praktisch nur in einer Richtung auf Biegung beansprucht werden. Werden sie in der anderen Richtung gebogen, so wird die supraleilfähige Schicht mit abnehmendem Biegeradius zunehmend zerstört.

In der älteren DT-PS 16 40 184 sind supraleitende Bänder vorgeschlagen worden, die ein supraleitendes inneres Laminat (mit NbjSn) und ein äußeres Laminat aus nicht supraleitendem Metall (Kupfer, Stahl) aufweisen, die flexibel sind und zu Wicklungen aufgewickelt werden können, ohne daß das spröde supraleitende Material bricht. Auf diese Weise hergestellte Bänder oder Streifen besitzen an sich eine Reihe von Vorteilen. Sie sind recht flexibel und können leicht zu Wicklungen verformt werden. Wegen des Unterschiedes der Wärmedehnungskoeffizienten von Kupfer und des Niob-Niobzinnmaterials wird die spröde iniermctallische Verbindung gerade bei Raumtemperatur in Kompression gebracht, wodurch die Gefahr mechanischer Brüche beim Aufwinden auf ein Minimum herabgesetzt wird. Die äußeren Schichten von nicht rostendem StahJ liefern mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Es ist jedoch ein laminiertes, supraleitfähiges Band anzustreben, bei dem die Zahl der Schichten vermindert wird, ohne irgendeine der oben angegebenen vorteilhaften Eigenschaften zu verlieren, und bei dem eine Kupferoberfläche freiliegt, um e^;ne Verbindung einer Längsfliche des Streifens mit einer anderen mit Hilfe einer Kupfer-auf-Kupfer-Lötverbindung zu erleichtern. Eg liegt auf der Hand, daß die elektrischen Eigenschaften einer solchen Verbindung wesentlich besser als die einer Verbindung von nicht rostendem Stahl auf nicht rostendem Stahl oder von Kupfer auf nicht rostendem Stahl sind. Auch würde eine solche laminierte Struktur in gleicher Weise in jeder Richtung hinsichtlich der Ebene der supraleitenden Schicht aufwickelbar sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen streifenförmigen Supraleiter so aufzubauen, daß seine mechanischen Eigenschaften hinsichtlich der Beanspruchung auf Biegung verbessert werden, insbesondere daß er sich in jede Richtung abbiegen läßt, ohne daß die supraleitfähige Schicht zerstört wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Das Verfahren zur Herstellung des Leiters nach der Erfindung besteht darin, daß Niob oder eines der Grundmetalle mit einem Zusatz-Metall, wie Zinn im Falle von Niob, in Berührung gebracht und dann ausreichend lange zur Bildung der erwünschten supraleitenden Zusammensetzung in einer einen Sauerstoffpartialdruck tragenden Atmosphäre in Hitze behandelt wird. Dieser Streifen wird dann mit zwei Metallstreifen, die einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das supraleitende Material besitzen, zu einem Schicht-Leiter verbunden, der in der Lage ist, den Spannungen zu widerstehen, die beim Aufwickeln zu einer Spule oder anderen Form entstehen. Die Verbindung zwischen den äußeren Schichten und dem inneren supraleitendem Laminat kann durch geeignete Mittel, wie Löten, erfolgen.

Dadurch, daß das supraleitfähige Material zwischen zwei Schichten von nicht magnetischem und nicht supraleitfähigen! Material angeordnet ist und die Schichtdicke jeweils umgekehrt proportional zu dem Elastizitätsmodul des jeweiligen Materials ist, befindet sich die supraleitfähige Schicht in einer Lage, daß sie für einen gegebenen Krümmungsradius des Schicht-Supraleiters einer minimalen mechanischen Dehnung bzw. Streckung ausgesetzt ist. Dieser Umstand ist im speziellen besonders wichtig in Verbindung mit einer

upraleitfühigen Schicht, die aus den intermetallischen /erbindungen NbjSn und V₁Ga besteht, da diese Vla'erialien, bedingt durch ihre geringe mechanische Jelastbarkeit auf Dehnung bzw. Streckung, nur einer Biegung mit einem begrenzten minimalen Krümmungs- s radius ausgesetzt werden können. Durch die Erfindung wird dieser minimale Krümmungsradius, um den der Leiter gebogen werden kann, wesentlich reduziert, und zwar unabhängig von der Biegerichtung, wodurch eir« größere Flexibilität bei der Konstruktion von Einrichtungen, in denen der Leiter verformt werden muß, erzielt und die Gefahr der Schädigung, die beim Umgang mit brüchigen Materialien gegeben ist, vermieden wird.

Es ist an sich aus der US-PS 33 09 179 bekannt, einen Schicht-Supraleiter so aufzubauen, daß die supraleitfähige Schicht von Schichten unterschiedlicher Dicke umgeben ist. Bei der einen Schicht handelt es sich um Kupfer, bei der anderen Schicht um das Grundmetall, z. B. Niob selbst, d. h. als Trägerschicht, auf der Zusätze, wie z. B. Zinn, aufgebracht werden, damit diese mit dem Grundmetall reagieren und einen supraleitfähigen Bereich erzeugen. Diese Grundmetall-Trägerschicht mit dem supraleitfähigen Bereich stellt im Grunde genommen als Einheit die supraleitfähige Schicht dar. Diese Schichtstruktur weicht daher offensichtlich erheblich von dem Schicht-Supraleiter nach der Erfindung, was Eigenschaften der Schichten und ihre Dimensionierung betrifft, ab.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Schicht-Supraleiter nach der Erfindung,

Fig.2 einen schematischen Querschnitt eines unterschiedlichen Schicht-Supraleiters zu Vergleichszwekken,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Testverfahrens,

F i g. 4 eine grafische Darstellung bestimmter elektrischer Eigenschaften der Struktur gemäß F i g. 2 und

F i g. 5 eine grafische Darstellung bestimmter elektrischer Eigenschaften der Struktur gemäß F i g. 1.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 erläutert. Der streifenförmige Supraleiter 10 besteht aus einer Schicht 11 eines nicht supraleitfähigen Metalles oder einer solchen Legierung, welche dadurch gekennzeichnet sind, daß sie einen relativ hohen Elastizitätsmodul sowie eine relativ hohe Streckgrenze besitzen und nicht magnetisch sind. Solche Materialien können austenitischer rostfreier Stahl oder hnndelsübliche Nickel- oder Kobalt-Legierungen sein. Die innere Schicht 12 besteht aus einer relativ spröden Schicht eines supraleitfähigen Materials. Die Schicht 13 besteht wiederum aus einem nicht supraleitfähigen Metall hoher Reinheit, welches bei den Betriebstemperaturen, die in der Größenordnung von 4,2° K liegen, einen endlichen, aber relativ niedrigen elektrischen Widerstand besitzt und welches einen wesentlich niedrigeren Elastizitätsmodul sowie Streckgrenze als die Schicht 11 aufweist. t>o Solche Materialien können Kupfer, Aluminium, Silber, Gold oder die Metalle der Platingruppe sein. Die Schichten werden durch irgendwelche geeigneten Maßnahmen, wie beispielsweise durch Löten, Hartlöten od. dgl., miteinander verbunden, je nach den ausgewähl- b^r> ten Materialien. Eine spezielle vorteilhafte Materiaikombination ist rostfreier Stahl AIS 1 vom Typ 304 für Hin Schicht 11. Nb)Sn für die Schicht 12 und Kupfer für die Schicht 13. Diese Materialien können nach herkömmlichen Blei-Zinn-Lötmetlioden miteinander verbunden werden. Es ist ersichtlich, daß die Schicht 13 etwas dicker als die Schicht 11 ist, was ein wichtiges Merkmal ist, wie später ausführlich diskutiert wird.

In F i g. 2 ist ein Schicht-Supraleiter 15 dargestellt, der aus Schichten 16, 17 und 18 besteht, wobei diese Schichten den Schichten 11, 12 und 13 in F i g. 1 mit der Ausnahme entsprechen, daß die Schichten 16 und 18 von in. wesentlichen gleicher Dicke sind. Die in Fig. 2 erläuterte Struktur bildet keinen Teil der Erfindung und ist lediglich zum Zwecke des Vergleiches dargestellt.

Bei einem nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 hergestellten Supraleiter wurde die Schicht 11 von einem rostfreien Stahlband des Typs 304 mit einer Dicke von etwa 0,025 mm in dem harten Zustand und mit einer Streckgrenze oberhalb 7030 kg/cm² gebildet. Die Schicht 12 bestand aus NbjSn-Supraleiter, der durch die Diffusionsreaktion einer Zinnbeschichtung aus einem Niobstreifen in bekannter Weise gebildet worden war. Diese Schicht besaß eine Dicke von etwa 0,02 mm und einen minimalen kritischen Strom von 300 Ampere in einem Querfeld von lOOKilogauß. Die Schicht 13 bestand aus einem Kupferband in weichem Zustand mit einer Dicke von etwa 0,05 mm. Die verschiedenen Schichten wurden mit einer eutektischen Blei-Zinn-Verlötung miteinander verbunden, und die Gesamtdicke der laminierten Struktur betrug etwa 0,118 mm. Dieser Leiter wurde dann in einer Breite von etwa 12,5 mm aufgeteilt.

Es wurde weiterhin ein Schicht-Supraleiter aus den gleichen Materialien mit den gleichen Abmessungen wie in dem vorausgehenden Beispiel, mit der Ausnahme hergestellt, daß die weiche Kupferschicht 18 entsprechend der Struktur nach Fig. 2 nur eine Dicke von 0,025 mm besaß. Um die Wickeleigenschaft der Strukturen nach den F i g. 1 und 2 zu vergleichen, wurde das folgende Testverfahren angewendet.

Eine Reihe von Leiterproben beider Strukturen wurde in der Weise hergestellt, wie sie in Verbindung mit den F i g. 1 und 2 oben beschrieben ist, wobei Sorge getragen wurde, daß die Proben nicht gebogen oder gestoßen wurden. Es wurde zunächst der kritische Strom dieser Proben, d. h. der Strom, bei dem die Supraleitfähigkeit beginnt, gegen den normalen Widerstand hin abzufallen, während sich der Leiter bei 4,2³K in einem Querfeld von 50 Kilogauß befindet, bestimmt, und zwar bevor die Proben gebogen wurden: dieser Wert wurde auf 100% normiert. Jede Probe wurde dann einer zirkulären Biegung unterzogen, wie dies in F i g.? schematisch dargestellt ist, als eine lineare Probe 20 wird an den Umfang eines zylindrischen Dorns 21 gelegt und in die durch gestrichelte Linien gezeigte Lage um 180° um den Dorn gebogen. Die Proben wurden dann wieder gerade gebogen und der kritische Strom erneut bestimmt. Es wurden weiterhin Dorne unterschiedlicher Durchmesser als Parameter verwendet, wobei jede Veränderung des kritischen Stromes als Prozentänderung gegen den Dorndurchmesser in Zentimeter aufgetragen wurde, wie dies in den F i g. 4 und 5 gezeigt ist.

Die in Fig. 4 aufgetragenen Werte stammen dabei aus einem Kreisbiegungstest einer Vielzahl von Proben gemäß Fi g. 2, von denen einige um Dorne unterschiedlicher Durchmesser gebogen wurden, wobei die schwarzen "unkte die Ergebnisse zeigten, wenn die Kupferschicht 18 an der Dornoberfläche anlag, während die Kreise Ergebnisse zeigen, bei denen die rostfreie

Stahlschicht 16 dem Dorn am nächsten war. Es ist ersichtlich, daß bei einer Biegung der Struktur nach Fig.2, in der die rostfreie Stahlschicht den größten Biegeradius aufweist, also außen liegt, was die ausgezogene Linie in der Figur zeigt, diese Proben um einen Durchmesser von 2,54 bis 5,08 mm ohne merkliche Zerstörung gebogen werden konnten; wenn jedoch ähnliche Proben in umgekehrter Richtung gebogen wurden, d. h. mit dem Kupfer im äußeren Biegekreis, dann begann eine Zerstörung des Supraleiters bei Durchmessern von 20,32 mm aufzutreten, so wie es durch die gestrichelte Linie gezeigt ist.

Wenn Leiterproben mit der Gestalt gemäß F i g. I.bei der die Kupferschicht 13 zweimal so dick wie die rostfreie Stahlschicht 11 war, dem gleichen Testverfahren unterzogen wurden, zeigen die in F i g. 5 gezeigten Meßwerte praktisch keinen Unterschied hinsichtlich der Richtung, in der die Proben gebogen wurden. Diese Struktur nach F i g. 1 liefert daher einen Leiter der um einen Dorn mit etwa 10,16 mm Durchmesser ohne wesentlichen Nachteil gebogen werden konnte. (Es wurde dabei in Fig.5 nicht versucht, Kurven für die beiden Biegungsrichtungen auszuziehen, da die Werte streuten, aber es ist ersichtlich, daß kein wesentlicher Unterschied zwischen den Werten der ausgefüllten Punkte und der Kreise besteht.)

Es ist daher aus F i g. 5 ersichtlich, daß ein Schichtsupraleiter in der Gestalt, wie sie in Fig. 1 erläutert ist, viel weniger leicht bei der Handhabung durch versehentliches Biegen in falscher Richtung geschädigt werden kann, als dies bei einem Supraleiter mit der Gestalt gemäß F i g. 2 der Fall ist. Wie oben bereits dargelegt wurde, können außerdem supraleitende Streifen, die zu Wicklungen verformt werden sollen, mit ihren Enden durch Kupfer-auf-Kupfer-Verbindungen miteinander verbunden werden, selbst wenn der Radius der Wicklung ziemlich klein ist.

Obwohl die spezielle Ausführungsform der F i g. 1 zum Zwecke einer vollständigen Erläuterung ein Dickeverhältnis zwischen der Kupferschicht und der rostfreien Stahlschicht von 2:1 besitzt, ist das Dickeverhältnis dieser Schichten exakt umgekehrt proportional dem Elastizitätsmodul der betreffenden Materialien.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Streifenförmiger Supraleiter aus miteinander verbundenen Schichten aus supraleitfiib' ⁷"m und aus nicht supraleitfähigen! Material, das einem ersten Material mit hohem Elastizitätsmodul unü hoher Streckgrenze und einem zweiten Material mit einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul und einem relativ niedrigen elektrischen Widerstand bei Temperaturen unterhalb etwa 20°K besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitfähige Material zwischen zwei Schichten der beiden nicht magnetischen, nicht supraleitfähigen Materialien angeordnet ist und daß die Dicke der beiden nicht supraleitfähigen Schichten umgekehrt proportional zu deren Elastizitätsmodulen ist.

2. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste nicht supraJeilfähige Schicht aus austenitischem rostfreiem Stahl, Nickellegierungen oder Kobaltlegierungen und die zweite nich; supraleitfähige Schicht aus Kupfer, Aluminium, Gold, Silber oder einem Metall der Platingruppe besteht.

3. Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitfähige Material die intermetallische Verbindung Nb₃Sn umfaßt.

4. Supraleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitfähige Material die intermetallische Verbindung Nb₃Sn als einen Überzug auf der Oberfläche eines Niobsubstrates aufweist.

5. Supraleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste nicht supraleitfähige Schicht aus austenitischem rostfreiem Stahl und die zweite nicht supraleitfähige Schicht aus Kupfer besteht.