专利名称：两个超导体之间连接结构的制造方法和连接两个超导体的结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在两个超导体，尤其二硼化镁超导体之间连接结构的制造方法，超导体包括被普通导体的金属围绕的超导芯线，以及一种连接两个超导体，尤其两个二硼化镁超导体的结构，超导体包括被普通导体的金属围绕的超导芯线。
背景技术：
使用超导体，允许通过超导短路供电装置，使磁体，尤其磁共振磁体，节省能量和特别稳定地工作(所谓“persistent mode”)。在这里充电的超导磁体通过超导体短路。这时短路的磁体形成自己的电路，在此电路中电流可以基本上无电阻流动。按所述的"persistent mode”，电源可以与磁体脱耦，从而可以节省能量地工作。“persistent mode”运行的优点是有极高的磁场稳定性，这种稳定性即使借助最佳电源也不能达到。短路通过使用短路开关，所谓“persistent switch”达到。为此电磁线圈的导线端与超导的导线连接，它可以通过加热置入普通导线内并因而有比较大的电阻。当短路开关处于普通导电状态时，现在来自电源的电流流过超导线圈，它在此状态下可充电或放电。若磁体达到所企求的磁场强度，则转换为“persistent mode”。为此短路开关冷却和处于超导状态，从而使磁体和超导的导线重新形成自己的电路。为了尽可能长期和稳定地以“persistent mode”运行，关键在于所形成电路的电阻和电感。在这里重要的是触点或连接点的电阻，短路开关通过触点或连接点大多经由连接结构与磁体的导线端连接，所以对于能稳定地以“persistent mode”运行的前提条件是，要能够建立超导体端部的超导连接。在另一些应用中也经常有必要的是，以尽可能小的电阻连接两个或多个超导体。例如已知一些磁性系统，它们包括多个分别卷绕的线圈，尤其4个或8个线圈，这些线圈应通过这种触点互相连接。过去已经公开了，可以建立尤其在二硼化镁导线导线)之间的超导连接。在这里，超导连接结构可以基于二硼化镁或基于其他超导体，例如NbTi制成。这种超导连接结构应当有尽可能高的载流能力，以便不构成电流运行的限制因素。尤其是，导线端部与连接结构之间的接触面必须有高的连通性，并因而可以流过大的超导电流。为了制造这种连接结构，例如在US6921865B2中建议，为了连接两个超导体在超导体之间放置二硼化镁粉末。具体的建议是，用高的压力压紧已反应的二硼化镁，以改善结合特性。还已知，附加地烧结二硼化镁粉末。但这种所谓的ex-situ-methoden，不利地只造成各颗粒之间点接触，此外所述的烧结还使超导体导线退化。因此不久前在X. H. Lee 等人的论文“High critical currentjoint of MgB2 Tapesusing Mg and B powder mixture as flux",Supercond. Sci. Technol. 21(2008)025017 φ建议，使用一种in-situ-methoden，在这里使用镁和硼的粉末混合物，它在保护气体氛围下通过加热就地首先反应成为二硼化镁。
但在实际工作中重要的领域，例如在磁共振仪的情况下，当其中产生的磁场大于0. 5T或温度大于IOK时，所述的良好效果并没有达到。为此可能的原因是接触面不够大。此外，通过导线端部的上述机械处置和尤其有通过就地反应期间的热处理造成导线退化。可能出现的另一个问题是，铜或其他元素从超导体导线不均勻地扩散以及其他原因，使二硼化镁接触特性变坏。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题是，提供一种两个超导体，尤其二硼化镁超导体之间的连接结构及其制造方法，其中，连接结构即使在磁场大于0. 5T和温度大于IOK时，也能有足够高的载流能力，以及其中，显著改善在超导体与处于它们之间的连接结构之间的接触。为了解决上述技术问题，在前言所述类型的方法中按本发明规定，在由镁和硼组成的材料混合物中掺和一种降低镁熔点的物质，以及将芯线显露的端部置于与所述材料混合物接触，使材料混合物在与较低熔点相应的反应温度下就地反应为二硼化镁。也就是说建议使用一种降低镁熔点的物质。在这里，作为所述物质可优选地使用一种金属，尤其是铜和/或银，其中铜是特别优选的。按本发明另一项扩展设计可以规定，掺和所述物质占1 %至20 %重量百分比，尤其10 %的重量百分比。因此，如原则上已知的那样，镁通常为650°C的熔点，通过使镁熔点下降的物质变低，从而可以就地在与先有技术相比较低的温度下完成反应，熔点是在什么温度时炉内开始反应为二硼化镁的一种度量。以此方式，可以将能满足于反应的温度例如降低20-30°C。因此，使超导体导线，尤其芯线，经受较少的负面影响和减轻通过热处理的退化，其结果是导致更好地接触。虽然已知这种物质，尤其铜和/或银，通常多少会恶化形成的超导体特性，但在本发明的试验中出人意外地证明，尤其在超导体的导线端部的区域内形成一种显著改善的接触，其电阻减小以及其载流能力与传统的方法相比提高。尤其是，与按先有技术已知的连接结构不同，所得到的连接结构也适合在通常必要的前提条件下，亦即在磁场大于0. 5T和温度大于IOK时使用，并提供杰出的效果。因此，尤其在磁共振仪的情况下，创造了一种明显改进的方案。所有这一切均通过添加使镁熔点下降的物质成功地达到，这种物质不仅通过降低处理温度展现其优点，而且还改善通过在连接结构内的反应由镁和硼生成二硼化镁。本方法尤其适合在体制造过程中使用，例如用于构成短路开关。显然在这里有突出优点的是，材料混合物构成一种均勻的散料，从而到处降低反应温度，并因而在规定的温度下能获得最佳特性。可以特别有利地规定，作为材料混合物可以使用一种机械合金的粉末。机械合金(英文“mechanical alloying" (MA))过程原则上是已知的，以及当然也可以已经用于掺和所述物质。不同材料，在这里尤其是镁、硼和降低镁熔点的物质，在机械合金时借助一个高速运行的尤其具有行星齿轮装置的球磨机混合。由此破碎较大的金属粒以及尤其已经可能发生部分反应，对此在下面还要详细说明。因此可以获得一种非常均勻的材料混合物，在此材料混合物内反应温度处处均勻下降。按本发明另一项恰当的设计可以规定，在材料混合物中添加至少另一种添加剂。由此可以进一步改善连接结构的特性。作为添加剂使用一种改善阻塞和/或提高载流能力、和/或一种提高临界磁场、和/或一种减缓降低临界温度、和/或一种与氧化合的添加剂。在这里，作为添加剂可以使用一种金属和/或一种含碳的化合物和/或碳和/或一种硼化物，尤其提供碳化硅(SiC)和/或六硼化钙(CaB6)15业已证明碳化硅是用于二硼化镁的杰出的添加剂，尤其是纳米(Nano)碳化硅。由此可以提高载流能力和临界温度，此外业已证实，在磁场更强的同时仅出现临界温度的缓慢降低。但在这里也可以设想其他添加剂，例如金属或碳。使用一种与氧化合的添加剂，尤其CaB6,也是恰当的。由此可以避免例如生成使接触变坏的镁氧化层。通过使用其他添加剂，尤其又可以补偿降低镁熔点的物质不利的方面，但应再次强调指出，即使不使用附加的添加剂，优点仍是主要的，以及导致一种改善的连接结构。按本发明另一项恰当的设计可以规定，使用包括附加的二硼化镁颗粒的材料混合物。因此在材料混合物内存在已经反应的二硼化镁成分。在这方面应指出，如上面说明的那样，这种效果例如在机械合金时已经可以达到。可以证明，通过存在已经反应的二硼化镁，可以限制围绕超导芯线的普通导体的金属转移到接触材料内，与损失镁一样，镁转移到普通导体的金属中。在这方面应当指出，附加地或与之不同，还可以采取其他措施补偿这种镁损失的后果，亦即采取更高镁的份额，而不是镁与硼混合比1 2，例如通过使用1.15 2或类似的混合比。但无论如何由于在材料混合物内存在已经反应的二硼化镁，所以减少转移其他普通导体的金属，要不然这种转移会对连接结构的特性带来负面的影响。在制造这种连接结构时，还必须特别注意超导体的机械处置，尤其显露芯线端部的接触面，使之在接触面尽可能大的同时，尽可能不发生或只发生轻度的退化。在这方面，按本发明可以通过修磨实现芯线端部的显露。例如可以规定，修磨工具从粗工具向细工具的方面逐步精化。在这里应使用一种磨料，它尽可能没有碎屑遗留在修磨好的端部上。修磨过程可优选地缓慢进行，以免发热。若超导体在显露其芯线端部时位置固定，尤其固定在至少部分连接装置外壳内，在此外壳内随后还完成镁与硼成为二硼化镁的反应，则进一步改善对于超导体本身的处理。通过所述的固定，尤其可以在制造连接结构的大部分过程中导线端部不动，而且还保持压紧，从而例如可以避免开裂。如按本发明的连接结构那样，连接结构往往设有连接装置外壳(“joint cup”)，它例如可以用金属或金属合金制成，以及在工艺过程一个规定的时刻，在其内部充填材料混合物，目的是在其中进行反应。为此，连接装置外壳例如通过可用螺钉固定的盖封闭，使在其中包含的材料混合物已明显压缩，从而尽可能避免留有气孔和不均勻性。也就是说，现在按本发明可以规定，为了显露芯线端部，亦即最终将接触面暴露在外，已经将超导体固定在此连接装置外壳内。因此这一端就地制备，不再必须运动以及尤其可以继续受压缩并保持不运动。在这里超导体，尤其芯线所涉及端部的机械负荷因而保持尽可能小，从而可以避免退化。为了增大接触面可以规定，在芯线端部的接触面与芯线横截面成一个角度显露。以此方式可以造成较大的接触面，从而可以达到更好的触点接通、较小的电阻和更大的载流能力。如已提及的那样，材料混合物可以置入连接装置外壳内，芯线端部伸入其中以及材料混合物在反应前压紧在此连接装置外壳内。因此按特别有利的设计可以规定，超导体在其芯线端部显露前相对于连接装置外壳的壁倾斜地插入壁内并固定在那里。由此尤其在修磨时形成大的接触面，以及减小导线的机械负荷。优选地，为了尤其在连接装置外壳内反应，将超导体的要连接的端部与设在它们之间的材料混合物一起移入一个炉子中，在此炉子内存在尤其处于过压状态的保护气体环境。以此方式就没有必要将那些与尤其粗笨和不轻便的磁体连接的、要连接的超导体端部移入炉内，使得能实现一种完全气密的封闭。也就是说，若保护气体以过压状态存在，则它最终经过超导体导线端部连续地从炉子流出，从而没有危及高活性镁反应的空气能进入炉内。反应因而完全在保护气体环境中进行，无需真空密封的炉子。除了按本发明的方法外，本发明还涉及一种按本发明方法制造的用于连接两个超导体，尤其两个二硼化镁超导体的结构，超导体包括被普通导体的金属围绕的超导芯线。超导体有关端部的连接因而通过材料混合物就地反应实现，在此材料混合物内除了镁和硼外，还含有一种降低镁熔点的物质，所以反应可以在较低的温度下进行。以此方式在有较高载流能力的同时达到更好的触点接通，因为不仅改善了活性，而且还减少由于热处理使导线退化。当然，所有针对按本发明的方法所说明的设计，可以类似地移植于按本发明的连接结构，例如它也可以包括一个连接装置外壳，连接的超导体导线端部例如倾斜地伸入其中。同样可以采用其他添加剂，尤其是碳化硅和/或六硼化钙。作为用于降低镁熔点的物质，在这里优选地使用铜，因此它包含在连接芯线显露端部的反应的材料混合物内。
由下面介绍的实施例以及借助
本发明其他优点和详情。其中图1表示按本发明的连接结构；以及图2表示使用按本发明的连接结构在超导磁体中构成短路开关。
具体实施例方式图1表示按本发明连接结构1原理简图，它用于连接两个超导体2，在本例中构成用于磁体“persistent mode”的短路开关。因此所述的连接结构应当在这样一种环境内使用，在此环境内建立了大于0. 5T的磁场和/或温度高于10K。超导体包括一个在这里由二硼化镁组成的超导芯线3，它被普通导体金属4的外套围绕。当然，也可以采用多个芯线(长丝)。在这里应指出，图示的简图仅说明原理，原理简图中有关超导体2的布局之类可以改变。例如可以设想，端部5并列布置，以保持接触面6之间的距离尽可能小。可以看出，端部5倾斜地固定在连接装置外壳7内，从而使接触面6面朝连接装置外壳7内部暴露。通过导线2倾斜定位，将接触面6设计为比芯线3实际上的横截面大。 除此之外通常由钢组成的连接装置外壳7包括在下部的外壳部分8和盖9，盖9可以用螺钉10固定以构成连接装置外壳7，从而可以在反应前压缩设置在连接装置外壳7中的材料混合物11，有关制造方法在下面还要详细说明。除钢外也可以由其他热膨胀系数高于MgB2的金属组成连接装置外壳。由此在冷却到使用温度时，导致材料混合物压缩并因而具有必要的机械稳定性。在这里表示的已制成的连接结构1内，材料混合物11作为已反应的材料混合物11存在，这意味着，二硼化镁在接触面6之间构成相应的导电连接。
在这里，连接结构1具有已经讨论过的特别有利的特性，尤其涉及载流能力和接触质量，因为制造中使用的材料混合物11包括了一种降低镁熔点的物质。为了制造图示的连接结构1，按本发明优选地在保护气体氛围中首先制备端部5。为此首先将端部5固定在下部的外壳部分8中，之后，如图示的那样，倾斜地修磨端部5，从而得到增大的接触面6。在整个修磨过程中，超导体2已经牢固地固定在下部的外壳部分内。端部5的制备通过修磨完成，在此过程中应避免发热并从较粗的磨削工具向更细的磨削工具转变。由此可以小心仔细地制备。此外，制备尚未反应的材料混合物11。在这里，这通过机械合金实现。将镁和硼，在这里按比例1.15 2，与作为降低镁熔点的物质的铜一起混合，其中采用占10%的重量百分比的铜。材料混合物11的这些物质借助具有高速运行的行星齿轮装置的球磨机混合。在此过程中通过反应也已形成第一种二硼化镁颗粒，它们此时同样构成材料混合物的组成部分。但也可以设想，以其他方式添加二硼化镁颗粒。作为其他添加剂在这里采用碳化硅，它改善阻塞特性、临界磁场和其他此类特性，以及与氧化合的六硼化钙。将这些附加的添加剂，同样掺入材料混合物11。在接触面6已制备后，将材料混合物11充填到在下部的外壳部分8内，此时通过装上盖9和安装盖的螺钉将材料混合物11压紧在那里。然后，将在连接装置外壳7内如此制备的材料混合物11放入一个炉子中，在此炉子内存在处于过压状态的保护气体氛围。因此保护气体持续地流过伸出的超导体，以及防止空气入侵。材料混合物11在炉内反应，在此过程中由镁与硼生成二硼化镁。它可以在比一般低的温度下实现，因为镁的熔点由于加入铜而降低，所以例如可以规定，材料混合物在约620°C时在炉内停留15分钟。在这里，加热和冷却过程可以缓慢地进行，以避免由此造成的退化。依此，最终制成连接结构1。图2表示连接结构1 一种可能的使用，用于构成超导磁体13的短路开关12。不仅短路开关12，而且磁体13，在这里均包括二硼化镁超导体2。它们通过按本发明的连接结构1连接。磁体13首先可以借助电源14充电，只要短路开关12的超导体2是普通导体，这通过加热装置15达到。若然后短路开关12重新成为超导体，则构成一个闭合的电路并可以按“persistent mode”运行，电源14可以被钝化。
权利要求
1.一种用于在两个超导体，尤其二硼化镁超导体之间制造连接结构的制造方法，超导体包括被普通导体的金属围绕的超导芯线，其中在由镁和硼组成的材料混合物中掺和一种降低镁熔点的物质，以及将芯线显露的端部置于与所述材料混合物接触，使材料混合物在与较低熔点相应的反应温度下就地反应为二硼化镁。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为，作为所述物质使用金属，尤其是铜和/或银。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为，掺和所述物质占1%至20 %的重量百分比，尤其10%的重量百分比。
4.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，作为所述材料混合物使用一种机械合金的粉末。
5.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，在材料混合物中添加至少另一种添加剂。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征为，作为所述添加剂使用一种改善阻塞和/或提高载流能力、和/或一种提高临界磁场、和/或一种减缓降低临界温度、和/或一种与氧化合的添加剂。
7.按照权利要求5或6所述的方法，其特征为，作为所述添加剂使用金属和/或含碳的化合物和/或碳和/或一种硼化物，尤其SiC和/或CaB6。
8.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，材料混合物包括附加的二硼化镁颗粒。
9.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，芯线端部的显露通过修磨实现。
10.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，超导体在显露其芯线端部时是位置固定的，尤其固定在至少部分连接装置外壳内，在此外壳内随后还完成镁与硼成为二硼化镁的反应。
11.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，在芯线端部的接触面相对于芯线横截面成一个角度显露。
12.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，将材料混合物置入芯线的端部伸入其中的连接装置外壳内。
13.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，将材料混合物压紧在连接装置外壳内。
14.按照权利要求12或13所述的方法，其特征为，超导体在其芯线端部显露前相对于连接装置外壳的壁倾斜地插入壁内并固定在那里。
15.按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，为了反应，将超导体的要连接的端部与布设在它们之间的材料混合物一起移入一个炉子中，在此炉子内存在尤其处于过压状态的保护气体环境。
16.一种按照前列诸权利要求之一所述方法制造的用于连接两个超导体0)，尤其两个二硼化镁超导体的结构(1)，所述超导体包括被普通导体的金属围绕的超导芯线⑶。
全文摘要
本发明涉及一种在两个超导体，尤其二硼化镁超导体之间连接结构的制造方法，超导体包括被普通导体的金属围绕的超导芯线，其中在由镁和硼组成的材料混合物中添加一种降低镁的熔点的物质，以及将芯线显露的端部置于与所述材料混合物接触，使材料混合物在与较低熔点相应的反应温度下就地反应为二硼化镁。
文档编号H01R4/68GK102598417SQ201080043899
公开日2012年7月18日 申请日期2010年9月29日 优先权日2009年9月30日
发明者A.德雷克斯勒, J.J.拉波斯, M.P.奥门, S.施拉克特, W.格尔达克 申请人:西门子公司