Einblick in neue Magnettechnologien

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Chantal Friedrich
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1 Einblick in neue Magnettechnologien Daniel Baumann Bruker Biospin AG Schweiz 08. November 2016 Karlsruhe Innovation with Integrity Innovation with Integrity

2 1 GHz Aeon im NZN Bayreuth

3 Niob-Titan Drahtherstellung Strangpressen und Kaltziehen von 1m Länge auf 20 km

4 Low Temperature Superconductors (LTS) NbTi: Kritische Sprung-Temperatur TC : 9.6 K Maximales Magnetfeld: ~11 T (400 MHz) Nb3Sn: Kritische Sprung-Temperatur TC : 18 K Maximales Magnetfeld: ~23 26 T (1 GHz)

5 Nb3Sn Fabrikation und Verarbeitung: Kaltzieh-Prozess

6 Low Temperature Superconductors (LTS) Niob-Bronze Draht, gut biegbar Niob-Bronze Draht mit Glasfaserisolation Reagierter Niob3Zinn Draht, nicht mehr biegbar 1.2 x 1.8 mm ~ Filamente

7 Nb3Sn Fabrikation und Verarbeitung: Wickel & Reaktions-Prozess Kupfer (Wärmeleitung, Quench) Bronze; Cu mit bis zu 16 % Zinn und 0.3 % Titanium Niobium Tantal Glasfasergewebe zur Isolation

Nb3Sn Fabrikation und Verarbeitung: Wickeln & Reaktions-Prozess Entschlichten: Das Glasfasergewebe muss wie ein Strumpf über den Draht gezogen werden.

8 Nb3Sn Fabrikation und Verarbeitung: Wickeln & Reaktions-Prozess Entschlichten: Das Glasfasergewebe muss wie ein Strumpf über den Draht gezogen werden. Dazu wird als «Schmiermittel» zwischen Draht und Isolation Kartoffelstärke verwendet. Vor der eigentlichen Reaktion des Drahtes zu Nb3Sn muss dieses Kohlenstoffgemisch entfernt werden. Dies geschieht durch mehrmaliges Aufheizen und Abpumpen

9 Nb3Sn Fabrikation und Verarbeitung: Wickeln & Reaktions-Prozess In einem etwa 14 Tage dauernden Prozess werden die gewickelten Spulen reagiert Dies erfolgt in einem Hoch-Vakuum Ofen, der über innen angebrachte Strahlungsplatten die Wärme an die Spulen abgibt Je nach Drahthersteller, Dicke und Form des Drahtes wird ein entsprechender Zyklus gefahren

10 Mechanische Kräfte auf einen Leiter Kupfer Bronze Niobium (Zugfestigkeit: 125 MPa) Tantal (Zugfestigkeit: MPa) Ähnliche Ausdehnungskoeffizenten der Drahtmaterialien (Erwärmung auf <700 C, Abkühlen auf -269 C) Hohe Festigkeit der Spulenkörper Spezielles Design der Spulenkörper, damit keine zusätzlichen Kräfte respektive Löcher entstehen

Mechanische Kräfte auf einen Leiter Bei einer geladenen supraleitenden Spule treten folgende Kräfte auf: Radialer Druck Umfangabhängiger Druck/Zug (hoop-stress, bis zu 200 MPa)

11 Mechanische Kräfte auf einen Leiter Bei einer geladenen supraleitenden Spule treten folgende Kräfte auf: Radialer Druck Umfangabhängiger Druck/Zug (hoop-stress, bis zu 200 MPa) Axialer Druck transversaler Stress auf den Draht 200 MPa = 2000 bar oder ~1973 atm (20400 m Wassersäule) Beispiel: 30 atm oder 300 m ist etwa die maximale Tauchtiefe eines grossen U-Bootes

12 J c,overall (A/mm 2 ) Draht Technologie: Bronze-Leiter mit hohem Zinngehalt Cu-16%Sn-Ti Bronze T = 4.2K T = 2.2K Proton Resonance Frequency (MHz) (NbTaTi) 3 Sn (NbTaTi) 3 Sn with high Sn content (NbTaTi) 3 Sn with high Sn content T=2.2K 21T 1 GHz 1.83x1.22 mm Filaments f Filaments = 4.8 mm T = 4.2K 16%Sn 16%Sn 14%Sn m 0 H (Tesla) Erhöhter Zinngehalt Erhöhte Stromdichte J c

13 Draht Technologie: Bronze-Leiter mit hohem Zinngehalt Bronze Zeit: 10 % Zinn Anteil Glockenbronze: ~21 % Supraleiter Draht: bis 16 % Zinn Anteil

14 Draht Technologie: Bronze-Leiter mit hohem Zinngehalt The Osaka Alloying Works Co. Ltd. is a small company in Fukui with about employees. Dr. Mizuta who is a founder of this company and his son are running almost family business. They supply the materials almost all Japanese super conductive wire companies.(sumitomo, Kobe, Hitachi,..)

15 Supraleiter = perfekter Diamagnet

16 Meissner Effekt Spule aus Bleidraht Max. Feld: Tesla Entspricht etwa 1.2 MHz Heike Kamerlingh Onnes

17 Tunnel Effekt - Feldschläuche Spule aus Bleidraht Max. Feld: Tesla Heike Kamerlingh Onnes Entspricht etwa 1.2 MHz Skizze aus Ingenieurkeramik III, Supraleitung

18 Flussschläuche durch den Supraleiter Supraleiter Typ 1: Meissner Effekt, perfekte Diamagnete (typisch alle Metalle) Supraleiter Typ 2: Gemischter Status Flussschläuche durch den Supraleiter (Metall-Legierungen und alle Hochtemperatur Supraleiter) Skizze aus Ingenieurkeramik III, Supraleitung

19 Typ II Supraleiter Legierungen wie NbTi und Nb3Sn weisen diesen Effekt der «Feldschläuche» auf. Diese supraleitenden Materialien und deren spezielle Eigenschaften wurden zwischen 1955 und 1962 entdeckt Leider: In einem idealen Typ-II Supraleiter übt ein elektrischer Strom eine Lorenzkraft auf die Fluss-schläuche aus, was eine Driftbewegung von Flusslinien verursacht. Diese Bewegung verbraucht Energie und verursacht Wärme

20 Ausschnitt aus einem Video der SLF (Schweizerisches Institut für Lawinenforschung, Davos)

22 Typ-II Supraleiter In einem idealen Typ-II Supraleiter übt ein elektrischer Strom eine Lorenzkraft auf die Fluss-schläuche aus, was eine Driftbewegung von Flusslinien verursacht. Diese Bewegung verbraucht Energie und verursacht Wärme Defekte im Kristallgitter oder Verunreinigungen können die Flusslinien «verankern» (Pinning points). Das reduziert die Flusslinienbewegung Skizze aus Ingenieurkeramik III, Supraleitung

23 Pinning Points Pinning Points im Nb3Sn: Beigabe von 0.3 % Titanium zur Bronze (Austausch mit Sn) Lawinenverbauung am Schiahorn bei Davos Beigabe von Tantal zu den Niobium Stäben

24 1 GHz Aeon im NZN Bayreuth Nordbayerisches Zentrum für hochauflösende NMR-Spektroskopie Bayreuth

25 Vielen Dank an: Patrick Wikus Ruedi Gaisser Rainer Kümmerle Und viele mehr

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