[发明专利]构成超导体的前体的金属组合件及适于制备超导体的方法

说明书

发明领域

本发明涉及构成超导体的前体的金属组合件，所述金属组合件包含至少一个导体元件和至少一个掺杂所述导体元件的掺杂元件。所述方法还涉及超导体及制备超导体的方法。

现有技术

通常在4.2K下工作的低温超导体被用于在各种磁应用中如MRI和NMR装置、粒子加速器等中产生强磁场。低温超导体的一个实例是铌钛合金。另一优选类型是Nb₃Sn，可能还添加少量Ta或Ti。通常，超导体由多个包埋在金属如铜中的直径在多至十微米范围内的丝形成。周围金属将以力学和电学方式稳定超导体丝。

使用例如Nb₃Sn作为超导材料的一个问题是，该合金非常脆，这使得难以将材料成型为所需的丝尺寸。同样，向Nb-合金中引入少量合金元素Ti或Ta也将使Nb-合金变硬，以致难以形成丝。在制备Nb₃Sn超导体时，人们因此首先将金属组合件形成为所需的尺寸和形状，例如具有包埋的丝的导线，然后通过扩散退火向Nb-丝中引入Sn或其他合金元素。超导体的形状必须在扩散退火前设定，扩散退火后，由于其脆性，形状将不再可改变。

制造Nb₃Sn超导体的一种方法包括向设置在CuSn金属基体内的纯Nb-棒内插入NbTi-棒。Nb和NbTi均为软材料而可无困难地机械加工。将该配置体挤出，成型为最终所需形状并最终加热以使Sn和Ti扩散到Nb-丝中而形成超导材料，即利用钛合金化的Nb₃Sn。这种方法的一个缺点是价格昂贵且在Nb-棒内设置NbTi-棒很耗时。

在专利文件WO 200508170中，将Nb和NbTi-棒拉伸形成相同尺寸的六角棒。将所述Nb和NbTi-棒设置置于铜基体内，并使NbTi-棒在基体中均匀地间隔开。由于其六角形状，Nb和NbTi-棒可彼此紧密堆积。Nb-棒数远超过NbTi-棒数，因为最终超导材料中所需的Ti含量较低。然后将铜基体拉伸形成六角棒，并将若干这样的六角棒绕Sn-芯堆叠在铜柱内。将铜柱拉伸成最终的导线形产品，然后进行扩散处理以使Ti和Sn扩散到Nb棒中。

这种解决方案的一个问题是，即使NbTi-棒均匀设置排列在金属基体内以致钛在整个导线上均匀散布，仍将出现Ti-含量的小的变化，以致在不同位置处铌-锡超导体将与不同量的钛形成合金。由于超导体对Ti-含量的改变的敏感性高，故这将导致导线内不同超导体丝的品质差异以及超导体性能的降低。

发明内容

本发明的目的是促进高品质超导体的制备。

根据本发明的第一方面，该目的通过根据权利要求1的金属组合件达到。根据第二方面，该目的用超导体达到，根据本发明的第三方面，该目的用根据权利要求10的方法达到。

通过让金属组合件包含至少和导体元件的数量一样多的设置在导体元件(其后来将形成为丝)外的掺杂元件，扩散热处理后，掺杂元件中所含掺杂物质将更均匀地散布在整个超导体上，而将大大改善超导体的品质。高品质意味着更高的临界电流可流经超导体，从而产生更强的磁场，或者磁体可成型为更紧凑的形式。由于掺杂元件设置在导体元件外，故元件的组装快且准确，这将大大改善生产超导体的生产速率。这种新的金属设置形式还将降低生产成本。

所述金属组合件包含元件或金属元件的组合件以形成超导体的前体。然后可经热处理通过扩散退火由所述金属组合件形成真超导体。优选所述金属组合件包含中空铜柱形式的铜罐，其中所述元件设置在所述铜罐内。所述组合件可还包含其中设置棒的金属基体。

所述组合件的元件可包含任何适宜的材料，但优选所述元件为金属元件，优选所述材料是软的以便所述元件可易于拉长。优选将所述元件形成为棒或类似物体。导体元件为旨在在超导体成品中形成超导主体优选丝的元件。导体元件不必在超导体完成制造之前构成超导体。掺杂元件可包含一种或多种旨在掺杂导体元件或与导体元件形成合金的掺杂物质。掺杂元件还可包含其他物质，例如与导体元件相同的物质或周围元件的物质。在热处理过程中，掺杂物质可通过扩散迁移到导体元件中。

超导体丝为在低温下实际具有零电阻的丝。通常，在低温超导体领域中，工作温度接近4K，4K为1大气压下氦的沸点。丝的直径可介于数微米到数毫米之间或更大。优选丝的厚度小于十微米，因为在热处理过程中，较薄的丝将促进反应在较短的时间内完成。薄丝还具有更好的交流特性。