VERY LOW RESISTANCE CONNECTING DEVICE BETWEEN THE END PIECES OF TWO SUPERCONDUCTORS

Abstract: 1. A connecting device between the end pieces of two superconductors which are to be cooled down to cryogenic operating temperature and which in each case contain superconducting conductor filaments embedded in a matrix of normally conducting stabilising material, where the ends of the superconducting conductor filaments which are to be connected, are stripped of the stabilising material, brought into direct contact with one another, and welded to one another, and where an electrically highly conductive bridge of normally conducting material is provided between the stabilising material of the superconductors, characterised in that the ends (4') of the superconducting conductor filaments (4) of the two superconductors to be connected and which have been etched out of the matrix material, are inserted into one another, placed intermingled in a welding mould (6, 7), and by means of ultrasonic metal welding are connected to one another and at least in part also to the welding mould.

Description: Extrem widerstandsarme Verbindungseinrichtung zwischen den Endstücken zweier Supraleiter Die Erfindung bezieht sich auf eine extrem widerstandsarme Verbindungseinrichtung zwischen den Endstücken zweier auf kryogene Betriebstemperatur abzukühlender Supraleiter, die jeweils mindestens eine in eine Matrix aus normalleitendem Stabilisierungsmaterial eingebettete supraleitende Leiterader enthalten, wobei die Enden dieser supraleitenden Leiteradern zumindest teilweise von dem Stabilisierungsmaterial entkleidet, unmit teil bar aneinandergefügt und miteinander verschweisst sind, und wobei zwischen dem Stabilisierungsmaterial der Supraleiter eine elektrisch gut leitende Brücke aus normalleitendem Material ausgebildet ist. Für supraleitende Magnetspulenwicklungen kann insbesondere ein sogenannter Kurzschlussbetrieb vorgesehen werden. Ist nämlich das magnetische Feld der Magnetwicklung einmal aufgebaut, so können zur Speicherung der in die Wicklung eingespeisten elektrischen Energie die Enden der Wicklung mittels eines extrem widerstandsarmen Dauerstromschalters kurzgeschlossen werden. Der Strom fliesst dann in dem so ausgebildeten kurzgeschlossenen Stromkreis, und die zur Erregung der Magnetwicklung erforderliche Stromversorgung kann somit unterbrochen werden. Die Dämpfung des Stromes, d.h. sein Abklingverhalten, hängt dabei im wesentlichen von den Übergangswiderständen zwischen den einzelnen supraleitenden Teilen dieses Stromkreises ab. Derartige Übergangswiderstände treten nicht nur an dem Dauerstromschalter auf, sondern ergeben sich auch an Verbindungen der Endstücke einzelner Supraleiterteile, aus denen die Magnetwicklung im allgemeinen zusammengesetzt wird. Für die Feldmagnete von Kernresonanz-Apparaturen wird im allgemeinen eine hohe zeitliche Feldkonstanz gefordert. Es bieten sich deshalb hochauflösende Systeme mit supraleitenden Feldspulen an, die im Kurzschlussbetrieb arbeiten. Entsprechende Systeme der Kernspin-Tomographie müssen beispielsweise eine zeitliche Feld konstanz von B/B < 10 7aufweisen. Der im Stromkreis der Magnetwicklung liegende Gesamtwiderstand, der sich aus den Widerstandsbeiträgen der Leiterverbindungen innerhalb der Wicklung und dem Übergangswiderstand des Dauerstromschalters zusammensetzt, muss deshalb beispielsweise bei einer Induktivität von 74 H kleiner als 2 x 10#9A sein. Da sich die einzelnen Magnetwicklungen eines solchen Systems beispielsweise aus 17 einzelnen Leiterstücken zusammensetzen, wird für eine einzelne Verbindung zwischen den Endstücken zweier Supraleiter ein Übergangswiderstand von etwa 10 11gut angestrebt. Verbindungseinrichtungen mit derart kleinen Übergangswiderständen lassen sich im allgemeinen durch supraleitende Kontakte herstellen. Hierbei werden beispielsweise die Leiteradern von Multifilamentleitern ohne Zwischenschaltung von normalleitenden Materialien direkt miteinander verbunden. Eine entsprechende Verbindungstechnik ist z.B. in der DE-OS 1 939 224 angedeutet. Gemäss dieser Technik werden an den Endstücken zweier zu verbindender Supraleiter, die jeweils mehrere in normalleitendes Stabilisierungs material eingebettete supraleitende Leiteradern enthalten, die Enden dieser Leiteradern von dem Stabilisierungsmaterial entkleitet, dann unmittelbar aneinandergefügt und schliesslich miteinander widerstandsarm verbunden, beispielsweise verschweisst oder verlötet. Um die Stabilisierung im Bereich dieser so erstellten Verbindungseinrichtung nicht zu unterbrechen, ist zwischen dem Stabilisierungsmaterial der Endstücke noch eine besondere Brücke aus dem Stabilisierungsmaterial vorgesehen. Um extrem niedrige Übergangswiderstände in der vorerwähnten Grössenordnung zu erhalten, können beispielsweise die supraleitenden Leiteradern direkt durch mechanische Pressung in Kontakt gebracht werden. Ein derartiges Verfahren ist z.B. in der US-PS 3 422 529 beschrieben. Gemäss diesem bekannten Verfahren werden zwei supraleitende Leiteradern miteinander verdrillt, dann in eine entsprechende Pressform gebracht und schliesslich durch Kaltverformung dieser Pressform aneinandergefügt. Da bekanntlich supraleitende Legierungen wie z.B. NbTi oder NbZr eine starke Affinität zu Sauerstoff besitzen, sind ihre Oberflächen stets von einer Oxidschicht überzogen, die zudem noch normalleitend ist. Um mit diesen supraleitenden Materialien einen niederohmigen supraleitenden Kontakt herstellen zu können, muss deshalb an der Kontaktstelle die störende Oxidschicht entfernt werden. Bei dem vorerwähnten Verfahren ist deshalb eine besondere Reinigungsbehandlung der supraleitenden Leiteradern und der Pressform mittels einer chemischen Reinigungslösung vor Zusammenfügung der einzelnen Teile der Verbindungseinrichtung und deren Kaltverformung vorgesehen. Unter der Presseinwirkung ist so eine direkte Berührung bzw. Verschweissung an einzelnen Kontaktstellen ermöglicht. Dennoch hat sich gezeigt, dass derartige Verbindungseinrichtungen nur eine verhältnismässig geringe Stromtragfähigkeit aufweisen und zudem noch eine deutliche Abnahme des kritischen Stromes bei angelegten Magnetfeld gegenüber dem supraleitenden Originalleitermaterial zeigen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs genannte Verbindungseinrichtung zwischen den Endstücken zweier Supraleiter dahingehend zu verbessern, dass ihr Übergangswiderstand extrem gering ist, so dass mit ihr die genannten Forderungen für Magnetwicklungen von Systemen der Kernspin-Tomographie zu erfüllen sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Enden der supraleitenden Leiteradern mittels einer Ultraschall-Metallschweissung miteinander verbunden sind. Ultraschall-Metallschweissen ist an sich allgemein bekannt (vgl. z.B. "Der Elektriker", 1978, Heft 7/8, Seiten 190 und 191 oder ¯Werkstatt und Betrieb", Band 114, 1981, Heft 7, Seiten 441 bis 443 oder "DVS-Berichte", Band 70, 1981, Seiten 128 bis 135). Auch zur Verbindung von supraleitendem und normalleitendem Material bei der Herstellung von stabilisierten Supraleiten wird diese Schweisstechnik angewandt (DE-PS 16 65 790). Es wurde nun erkannt, dass mit dieser Schweisstechnik vorteilhaft Verbindungen auch zwischen zwei supraleitenden Leiteradern auf verhältnismässig einfache Weise äusserst widerstandsarm herzustellen sind. Durch den Einsatz des Ultraschall-Metallschweissens können nämlich die Oxidbeläge auf den einzelnen supraleitenden Leiteradern gezielt aufgebrochen und beseitigt werden, so dass an den gegenseitigen Berührungspunkten eine innige und grossflächige Verschweissung zu erreichen ist. Auf besondere Vorbehandlungen der zu verschweissenden Einzelteile kann deshalb verzichtet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Verbindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren besonderen Ausgestaltungen gemäss den Unteransprüchen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, deren Figur 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel einer Verbindungseinrichtung zeigen. Aus den Figuren 3 und 4 geht ein supraleitendes Endstück für eine weitere Verbindungseinrichtung nach der Erfindung hervor, die mit einer in Figur 5 angedeuteten Maschine erstellt werden kann. In Figur 1 sind als Schrägansicht die wesentlichen Einzelteile einer Verbindungseinrichtung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht. Diese Verbindungseinrichtung soll zwischen den Endstücken 2 und 3 zweier Multifilament-Supraleiter einer supraleitenden Magnetwicklung ausgebildet sein, wie sie insbesondere für ein System zur Kernspin-Tomographie vorzusehen ist. Die Supraleiter enthalten jeweils eine Vielzahl von supraleitenden Leiteradern 4, die in ein Matrixmaterial 5 aus normalleitendem Stabilisierungsmaterial wie z.B. aus Kupfer oder Aluminium eingebettet sind. Im Bereich der herzustellenden Verbindung ist das Matrixmaterial 5 von den supraleitenden Leiteradern 4 abgeätzt und sind die so freigelegten Enden 4' der Leiteradern zu einem Bündel ineinandergeschoben. In diesem Bündel werden aus den Leiteraderenden 4' vorteilhaft möglichst gut durchmischt angeordnet, so dass sich nach Möglichkeit stets abwechselnd Leiteradern des einen Supraleiterendstückes 2 und des anderen Endstückes 3 treffen. Die Leiteraderenden 4' werden in ein im Querschnitt U-förmiges Metallprofilstück 6 eingelegt, das als Schweissform dient, und mittels eines passenden Metallplättchens 7 als Deckel abgedeckt. U-Stück 6 und Deckel 7 können dabei aus gut elektrisch- und wärmeleitendem Material wie z.B. Kupfer bestehen. Auch härtere Materialien wie z.B. CuSn, CuBe, NbTi sind besonders geeignet, da diese Materialien die Ultraschallenergie besser in die Filamentzone der Anordnung einkoppeln können. Daneben sind auch Werkstoffpaarungen wie z.B. Cu-U-Profile mit eingelegtem NbTi-Boden und Deckel verwendbar. Erfindungsgemäss werden die in die Schweissform 6 eingelegten und mit dem Deckel 7 abgedeckten supraleitenden Leiteraderenden 4' mittels Ultraschall-Metallschweissens verbunden. Die Einkopplung der Schallenergie erfolgt z.B. über eine entsprechend profilierte Sonotrode, die longitudinale Schwingungen ausführt. Die Sonotrode wird dabei auf den Deckel 7 mit vorbestimmter Presskraft aufgesetzt. Parameter beim Ultraschall-Metallschweissen sind neben dem Anpressdruck die Schweisszeit und die Amplitude. Typische Schweisszeiten liegen bei 0,7 bis 3 sec. bei Amplituden von etwa 20 ,um, während der Anpresskraft zwischen 70 bis 120 N variierbar ist. Als Ultraschallfrequenz kann man z.B. etwa 20 kHz wählen. Es ist jedoch auch möglich, neben Frequenzen im Ultraschallbereich auch mit Frequenzen im Schallbereich zu arbeiten. Sind Schweissformen 6 und Deckel 7 aus Kupfer gefertigt, so lässt sich dieses Material gut durch Lötung an zu sätzliches Stabilisierungsmaterial ankoppeln, das anschliessend nach der Ultraschall-Metallschweissung die gesamte Verbindung aufnimmt. Hierzu kann beispielsweise ein Kupferrohr oder eine -hülse 8 vorgesehen werden. Diese Hülse ist, wie in der Figur durch gestrichelte Linien angedeutet ist, in Umfangsrichtung geschlossen. Sie wird über die Schweissverbindung geschoben und dort mit einem normal leitenden Lot, beispielsweise PbSn oder AgSn-Lot, oder insbesondere mit einem supraleitenden Lot wie z.B. PbBi verlötet. Diese Massnahme kann zu einer Erhöhung der Stromtragfähigkeit um einen Faktor von etwa 1,5 führen. Figur 2 zeigt einen Querschnitt der entsprechend hergestellten Verbindung im Bereich der Schweissform 6. Mit Figur 1 übereinstimmende Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Insbesondere ist in dieser Figur das beispielsweise supraleitende Weichlot 9 ersichtlich, das die in der Schweissform 6 befindlichen, miteinander und gegebenenfalls auch mit der Schweissform verschweissten supraleitenden Leiteraderenden 4' umschliesst und sich innerhalb der Stabilisierungshülse 8 befindet. Wie in Figur 1 ferner angedeutet ist, sollen die beiden Endstücke 2 und 3 der zu verbindenden Supraleiter mit ihren Flachseiten aneinandergelegt und dort grossflächig verlötet sein. Hierzu dient ein normalleitendes Weichlot 11, das so eine elektrisch gut leitende Brücke zwischen dem stabilisierenden Material 5 der beiden Supraleiter im Bereich der Verbindungseinrichtung darstellt. Zur weiteren Stabilisierung der Schweissverbindung kann auch vor dem Schweissvorgang noch zusätzliches Material in die U-förmige Schweissform 6 mit eingebaut werden. Z.B. können Kupfer-Drähte oder Späne in den Innenbereich der Filamentzone geschoben werden. Dadurch erhält man nach der Schweissung eine innenstabilisierte Leiteranordnung. In ähnlicher Weise führt das Einbringen von zusätzlichen supraleitenden Filamenten oder Spänen geeigneter Abmessungen zu einer erhöhten Packungsdichte und einer vergrösserten Anzahl von Berührungsstellen zwischen den supraleitenden Leiteraderenden. Hiermit können insbesondere Hohlräume innerhalb des Verbundes eliminiert werden. Gemäss dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 wurde davon ausgegangen, dass die Endstücke von supraleitenden Multifilamentleitern miteinander verbunden sein sollen. Die Verbindungseinrichtung gemäss der Erfindung ist jedoch ebenso gut auch für die Verbindung von stabilisierten Supraleitern mit jeweils einer einzigen Leiterader geeignet. Auch Leiter mit sehr dünnen Supraleiterfilamenten und einlagiger Filamentzone können entsprechend verbunden werden. Ein Ausführungsbeispiel des Endstückes eines Leiters des letztgenannten Typs ist in Figur 3 in Aufsicht und in Figur 4 als Seitenansicht schematisch veranschaulicht. Hierbei wird bei jedem Leiterendstück 13 einseitig ein Fenster 14 aus der umhüllenden Stabilisierungsmatrix 15 herausgeätzt, so dass dort auf einer Seite eine entsprechende Zone 16 der Leiteradern freigelegt ist. Für die axiale Ausdehnung des Fensters 14 wird vorteilhaft ein Vielfaches der Twistlänge der einzelnen Leiteradern vorgesehen, wodurch sämtliche freiliegenden Leiteradern gleichmässig am Stromübertritt beteiligt werden. Die Verschweissung kann vorteilhaft in einer Ultraschall Rollnahtschweissmaschine erfolgen, wie sie beispielsweise in Figur 5 als Seitenansicht auf die Stirnseite der verschweissten Endstücke schematisch angedeutet ist. Mit Figur 3 und 4 übereinstimmende Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die in Figur 5 angedeutete Maschine enthält eine oben drehbare Führungsrolle 17, die mit einer Ultraschall Schweissvorrichtung gekoppelt ist, sowie eine entsprechende Gegenrolle 18. Zwischen den beiden Rollen werden die miteinander zu verschweissenden Bereiche der Endstücke 13 und 13' der Supraleiter hindurchgeführt, wobei eine vorbestimmte Presskraft auf ihre von der Stabilisierungsmatrix 15 bzw. 15' freigelegten Zonen aus den supraleitenden Leiteradern eingestellt wird. Diese miteinander verschweissten Zonen sind in der Figur mit 19 bezeichnet. Zur Führung der Endstücke ist in den Rollen in Umfangsrichtung jeweils eine den Abmessungen des jeweiligen Endstückes angepasste Führungsnut 20 bzw. 21 vorgesehen. Die so erstellte Schweissverbindung lässt sich dann noch beispielsweise entsprechend dem anhand der Figuren 1 und 2 erläuterten Ausführungsbeispiel von aussen mit zusätzlichem Stabilisierungsmaterial versehen. 8 Patentansprüche 4 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Extrem widerstandsarme Verbindungseinrichtung zwi- schen den Endstücken zweier auf kryogene Betriebstemperatur abzukühlender Supraleiter, die jeweils mindestens eine in eine Matrix aus normalleitendem Stabilisierungsmaterial eingebettete supraleitende Leiterader enthalten, wobei die Enden der zu verbindenden supraleitenden Leiteradern zumindest teilweise von dem Stabilisierungsmaterial entkleidet, unmittelbar aneinandergefügt und miteinander verschweisst sind, und wobei zwischen dem Stabilisierungsmaterial der Supraleiter eine elektrisch gut leitende Brücke aus normalleitendem Material ausgebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Enden (4') der supraleitenden Leiteradern (4) mittels einer Ultra schall-Metallschweissung miteinander verbunden sind. 2. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 1, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die supraleitenden Leiteraderenden (4') in einer Schweissform (6, 7) angeordnet und zumindest teilweise auch mit dieser mittels der Ultraschall-Metallschweissung verbunden sind. 3. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 2, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schweissform aus einem U-förmigen Metallprofilkbrper t6) und einem entsprechenden Deckel (7) besteht 4. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schweissform (6, 7) zumindest teilweise aus normalleitendem Material besteht. 5. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 4, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die SchweissfoLm (6, 7) zumindest teilweise aus elektrisch gut leitendem Material, insbesondere dem Stabilisierungsmaterial der Supraleiter besteht. 6. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die Schweissform (6, 7) zumindest teilweise aus supraleitendem Material besteht. 7. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die supraleitenden Leiteraderenden (4') einschliesslich ihrer Schweissform (6, 7) von supraleitendem Lotmaterial (9) umgeben sind. 8. Verbindungseinrichtung zwischen den Endstücken zweier Supraleiter mit einer einzigen Leiterader oder mit mit einlagiger Zone mehrerer Leiteradern, nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, dass die einseitig von dem Stabilisierungsmaterial (15) freigelegten Leiteradern (Zone 16) der Endstücke (#, 13') unmittelbar mittels der Ultraschall-Metallschweissung miteinander verbunden sind.

Inventors: MOLL, HELMUT, NEUMULLER, HEINZ-WERNER, DR., POHL, GERHARD, Neumüller, Heinz-Werner, Dr.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: H01L39
IPC codes: H01R43, H01F6, H01L39, H01R4, B23K20