DE3825710A1 - Supraleitender permanentmagnetischer koerper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen permanentmagnetischen Körper, der aus einem gesinterten supraleitenden Material des Typs II besteht, einer Magnetfeldbehandlung unterzogen ist und unterhalb der Sprungtemperatur (T _c) des Materials gehalten ist. Ein derartiger permanentmagnetischer Körper ist aus der Veröffentlichung "Journal of Applied Physics", Vol. 33, No. 11, Nov. 1962, Seiten 3334 bis 3337 bekannt.

Konventionelle Permanentmagnete bestehen im allgemeinen aus einem speziellen ferromagnetischen Material, das in einem ausreichend hohen äußeren Magnetfeld aufmagnetisiert wird. Nach Abschalten des äußeren Magnetfeldes behält dann dieses Material eine Magnetisierung, deren Größe von den magnetischen Eigenschaften des verwendeten Materials und von der Form bzw. dem Entmagnetisierungsfaktor des Körpers abhängt.

Ein in bestimmter Weise ähnliches Verhalten wie ein Ferromagnet zeigt auch ein harter Supraleiter. Ein solcher auch als Typ II- oder Hochfeld-Supraleiter bezeichneter Leiter zeichnet sich unter anderem dadurch aus, daß in ihn - im Gegensatz zu einem Supraleiter von Typ I - ein äußeres Magnetfeld bei bestimmten Feldverhältnissen eindringen kann (vgl. z. B. Lehrbuch von W. Buckel: "Supraleitung", 3. Auflage, Weinheim 1984, insbesondere Kapital 5). Wird nun ein solches supraleitendes Material vom Typ II einem hohen äußeren Magnetfeld ausgesetzt, das dann wieder abgeschaltet wird, so dringt zunächst magnetischer Fluß in Form von Flußfäden in das Material ein. Dieser Fluß wird dann nach Abschalten des äußeren Magnetfeldes in dem Material quasi "eingefroren". D. h., es verbleibt dann eine Magnetisierung des Materials, die sogenannte Remanenz. Das Material muß dabei mittels eines kryogenen Mediums unterhalb seiner kritischen Temperatur, der sogenannten Sprungtemperatur T _c, gehalten werden.

Die Verteilung des eingefrorenen magnetischen Flusses ist aber nicht einheitlich innerhalb des gesamten Körpers. Im Gegensatz zu den ferromagnetischen Materialien existieren innerhalb des Körpers, zumindest an den Randbereichen, Gradienten der Flußdichte, die sogenannten kritischen Flußdichtegradienten

Diese Gradienten hängen vom Vermögen zur Flußverankerung und damit von der lokalen Flußdichte ab. Die maximale Flußdichte B _max im Zentrum eines supraleitenden Körpers mit zylinderförmiger Gestalt und Radius R ist dann gegeben durch die folgende Beziehung:

Diese Tatsache erlaubt somit die Herstellung von permanentmagnetischen Körpern. Ein entsprechendes Experiment ist aus der eingangs genannten Veröffentlichung "J. Appl. Phys." 33 (1962) zu entnehmen: Durch Zusammenpressen von Niob- und Zinnpulver und darauffolgendes Sintern bei 1200°C während 8 Stunden wurde zunächst ein zylindrischer Probekörper hergestellt. Diesem Körper wurde anschließend durch Schleifen eine Kegelstumpfform gegeben. Bei Abkühlung in einem Außenfeld von 0,5 T auf die Temperatur des flüssigen Heliums wurde dann fast kein Meißner-Effekt beobachtet; d. h., das Innenfeld wurde nur zu einem geringen Teil aus dem Körper herausgedrängt. Nach dem der Abkühlung folgenden Absenken des Außenfeldes ergab sich so ein Permanentmagnet, entsprechend einer kritischen Stromdichte J _c 1,2 · 10⁵ A/cm² (vgl. auch "Elektrotechnik und Maschinenbau", Jg. 96, H. 4, 1979, Seiten 137 bis 156, insbesondere Seite 146).

Eine entsprechende technische Anwendung dieses Experimentes ist jedoch bisher nicht erfolgt, da sich hohe Magnetfelder einfacher durch eine bei flüssigem Helium betriebene Spule oder Wicklung aus supraleitenden Drähten oder Bändern erzeugen lassen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, den permanentmagnetischen Körper der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, daß eine Anwendung im technischen Maßstab erleichtert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als supraleitendes Material ein oxidkeramisches Supraleitermaterial gewählt ist, dessen Sprungtemperatur oberhalb von 77 K liegt.

Es sind oxidkeramische Supraleitermaterialien insbesondere mit Sprungtemperaturen T _c im 90-K-Bereich bekannt, die somit vorteilhaft mit flüssigem Stickstoff (LN₂) von 77 K im supraleitenden Zustand zu halten sind. Jedoch sind Drähte oder Bänder aus diesen Materialien mit hinreichend großer Stromtragfähigkeit (kritischer Stromdichte) von beispielsweise über 10⁴ A/cm² bisher noch nicht bekannt, so daß ein Aufbau von supraleitenden Magneten größerer Feldstärke mit diesen Materialien bisher nicht ohne weiteres möglich erschien.

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind nun insbesondere darin zu sehen, daß mit Sinter-Material, das nur eine verhältnismäßig geringe kritische Stromdichte von unter 10⁵ A/cm² hat und deshalb als Material für diskrete Leiter praktisch uninteressant ist, dennoch supraleitende Magnete oder andere permanentmagnetische Körper aufgebaut werden können. Da dieses Material verhältnismäßig einfach herzustellen ist, sind entsprechende Körper dementsprechend kostengünstig.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß in einem solchen supraleitenden Hoch-T _c-Material ein großer Flußdichtegradient existieren kann, ohne daß ein makroskopischer Transportstrom fließen muß. Es reicht also aus, daß supraleitende Ströme jeweils in den einzelnen Körnern des Materials fließen, ohne daß die Korngrenzen überquert werden müssen. Dieser Sachverhalt ermöglicht den Aufbau größerer permanentmagnetischer Körper unter Verwendung der oxidischen Hoch-T _c-Supraleitermaterialien. Aus diesen Materialien lassen sich bekanntlich Körper mit ausgeprägt drei-dimensionaler Gestalt, sogenanntes Bulk-Material, auf pulvermetallurgischem Wege herstellen (vgl. z. B. "Zeitschrift für Physik B = Condensed Matter", Band 66, 1987, Seiten 141 bis 146 oder "Physical Review Letters", Vol. 58, No. 9, 2.3.1987, Seiten 908 bis 910). Hierzu dienen als Ausgangsmaterialien im allgemeinen Oxid- oder Karbonatpulver der beteiligten Metalle. Diese Pulver werden dann im gewünschten stöchiometrischen Verhältnis gemischt und anschließend durch Pressen kompaktiert. Der so erhaltene Preßling wird schließlich bei Temperaturen um etwa 950°C oder höher unter Sauerstoffzufuhr gesintert, wobei sich aus den Komponenten durch eine Festkörperreaktion die gewünschte supraleitende Hoch-T _c-Phase bildet.

Die so zu erhaltenden supraleitenden Metalloxidphasen, deren Strukturen ähnlich der eines Perowskites sind, haben im Falle von YBa₂Cu₃O₇_-x (mit 0 x 0,5) eine orthorhomische Struktur (vgl. z. B. "Europhysics Letters", Vol. 3, No. 12, 15.6.1987, Seiten 1301 bis 1307). Da die diese supraleitenden Phasen aufweisenden Materialien einer Oxidkeramik ähnlich sind, werden die entsprechenden Hoch-T _c-Materialien auch als oxidkeramische Supraleitermaterialien bezeichnet.

Besonders vorteilhaft ist für die Erfindung die Verwendung eines mit flüssigem Stickstoff (LN₂) zu kühlenden Supraleitermaterials wie z. B. YBa₂Cu₃O₇_-x , da die entsprechende Kühltechnik wesentlich vereinfacht gegenüber der für konventionelle Supraleiter bisher erforderlichen Flüssighelium-Kühltechnik ist. Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf ein entsprechendes 4komponentiges Stoffsystem beschränkt; d. h. für die Ausbildung eines permanentmagnetischen Körpers nach der Erfindung sind auch andere oxidkeramische, zumindest teilweise andere und/oder zusätzliche metallische Komponenten und Sauerstoff enthaltende Hoch-T _c-Supraleitermaterialien geeignet, die gegebenenfalls mehr als 4 Komponenten aufweisen und auf alle Fälle mit LN₂ unterhalb von T _c zu halten sind.

Lassen sich gegebenenfalls sogar entsprechende Supraleitermaterialien herstellen, die bei Raumtemperatur zu betreiben sind, so ist diesen Materialien trotz geringer kritischer Stromdichte gemäß der Erfindung ein entsprechend großes Anwendungsfeld eröffnet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen permanentmagnetischen Körpers gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.

Die der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch weiter erläutert, in der schematisch und stark vereinfachend ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen permanentmagnetischen Körper angedeutet ist.

Der in der Figur im Schnitt gezeigte Körper ist allgemein mit 2 bezeichnet. Er ist in bekannter Weise auf pulvermetallurgischem Wege und durch Sintern zu erhalten. Seine gezeigte Schnittfläche ist von einer Vielzahl von supraleitenden Körnern aus dem besonderen oxidkeramischen Supraleitermaterial belegt, wobei vereinfacht angenommen ist, daß diese Körner auf gedachten konzentrischen Kreisen um ein zentrales Korn 4 liegen. Die Form und Anzahl der Körner weicht dabei im allgemeinen wesentlich gegenüber der gewählten modellhaften Darstellung ab. Das zentrale Korn 4 sei von sechs Körnern 5 umschlossen, während diese Körner 5 ihrerseits von zwölf Körnern 6 umgeben sind. Der Außenrand wird von achtzehn Körnern 7 gebildet. In den Körnern sind zusätzlich durch geschlossene Linien Kreisströme 8 veranschaulicht, die jeweils einen Flußfaden anzeigen, der das elementare Flußquantum Φ₀ trägt. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist im Zentrum des Körpers 2 die Dichte der Flußfäden und damit auch die Flußdichte sehr groß, während sie zum Rand des Körpers hin abnimmt. Es existiert also ein Flußdichtegradient , ohne daß ein Transportstrom über die Korngrenzen 9 hinweg erforderlich wäre. Den Grundgleichungen der Elektrodynamik ist trotzdem Genüge geleistet, da sich aus der Überlagerung der einzelnen Kreisströme 8 ein effektiver (virtueller) Ringstrom in dem Körper ergibt, dessen Stromdicht j der Beziehung

genügt.

Eine notwendige Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß eine gute Verbindung der einzelnen Körner vorliegt. Bei lose geschüttetem Pulver baut sich nämlich der beschriebene Flußdichtegradient nur innerhalb des einzelnen Pulverteilchens auf. Aus diesem Grunde ist eine entsprechende Kompaktierung bzw. Verdichtung des Materials vor einer Sinterbehandlung erforderlich.

Es ist somit ermöglicht, permanentmagnetische Körper mit einer Flußdichte bis nahe an die obere kritische Flußdichte B _c₂ des harten supraleitenden Materials herzustellen, sofern der Durchmesser 2 R des Körpers hinreichend groß genug gewählt wird. Die Flußdichte B _c₂ kann um ein Vielfaches oberhalb der Remanenz B _r der bekannten Ferromagnete liegen. Typische Werte von

bei B = B _c₂/2 liegen bei etwa 10^-2 bis 10²T/cm.

Als ein entsprechendes Ausführungsbeispiel sei die Herstellung eines supraleitenden Permanentmagnetpolschuhes aus einem oxidkeramischen Supraleiter angenommen, der zwar keinen ausreichenden supraleitenden Transportstrom zuläßt, aber einen hinreichenden Flußdichtegradienten ermöglicht. Als Beispiel sei das supraleitende Material YBa₂Cu₃O₇_-x betrachtet, das bei 77 K und 2 T einen Flußdichtegradienten von 1 T/cm aufweisen kann. Mit einem Polschuh von 4 cm Durchmesser läßt sich dann im Zentrum des Polschuhes eine Magnetisierung von über 2 T erreichen, ein Wert also, der mit herkömmlichen Ferromagneten nicht mehr erreichbar ist. Bei einem ausreichend hohen oberen Feld des Materials lassen sich unter geeigneter Wahl des Durchmessers noch deutlich höhere Werte erreichen.

Darüber hinaus ist es auch möglich, eine geeignete Textur der einzelnen Körner einzustellen, um so die Anisotropie des oberen kritischen Feldes ausnutzen zu können.

Zur Aufmagnetisierung werden die Polschuhe zweckmäßig im warmen Zustand in ein äußeres hohes Magnetfeld gebracht, das z. B. durch eine große supraleitende Magnetspule erzeugt wird. In diesem Magnetfeld werden dann die Polschuhe auf ihre Betriebstemperatur abgekühlt, die mittels flüssigem Stickstoff einzuhalten ist. Um einer Abschwächung des so erzeugten Flußdichtegradienten bei längerer Standzeit aufgrund von Flußkriechen entgegenzuwirken, kann gegebenenfalls die Abkühlung im Magnetfeld auch bis zu einer Temperatur erfolgen, die geringfügig oberhalb der Betriebstemperatur des oxidkeramischen Supraleitermaterials liegt. Diese Temperatur kann z. B. durch erhöhten Druck eingestellt werden. Nachdem so der Flußdichtegradient in dem Polschuh erzeugt ist, wird dieser im gekühlten Zustand aus dem Magnetfeld entfernt. Nach einem (unerwünschten) Aufheizen muß das Material jedoch erneut in entsprechender Weise aufmagnetisiert werden.

Neben geschlossenen Polschuhen ist es ebensogut auch möglich, gemäß dem geschilderten Prinzip einen Permanentmagneten aus einem Hohlzylinder herzustellen, in dessen Innerem ein hoher magnetischer Fluß großer Homogenität eingefroren ist. Die notwendige Wandstärke dieses Magneten ergibt sich dann aus der gewünschten Flußdichte im Inneren und dem möglichen mittleren Flußdichtegradienten. Beispielsweise ist für 1 T und 1 T/cm eine Wandstärke des Hohlzylinders von etwa 1 cm erforderlich.

Gemäß dem gewählten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß für einen erfindungsgemäßen supraleitenden Permanentmagneten ein Material des Stoffsystems Y-Ba-Cu-O besonders geeignet ist. Statt Y für Mel und Ba für Me2 können jedoch auch andere bekannte Materialien gewählt werden. Dabei sollen die entsprechenden metallischen Komponenten des Stoffsystems Mel-Me2-Cu-O jeweils mindestens ein (chemisches) Element aus den genannten Gruppen enthalten oder jeweils aus diesem mindestens einem Element bestehen. Mel und Me2 können als vorzugsweise jeweils ein Element sein. Gegebenenfalls sind jedoch auch Legierungen oder Verbindungen oder sonstige Zusammensetzungen dieser Metalle mit Substitutionsmaterialien als Ausgangsstoffe geeignet; d. h., mindestens eines der genannten Elemente kann gegebenenfalls partiell durch ein anderes substituiert sein. Darüber hinaus sind auch Stoffsysteme geeignet, bei denen der Sauerstoff teilweise durch ein anderes Element wie z. B. durch F ersetzt ist. Neben diesen mit flüssigem Stickstoff (LN₂) zu kühlenden Hoch-T _c-Materialien sind ebensogut auch andere Supraleitermaterialien geeignet, deren Sprungtemperatur (T _c) mindestens genauso hoch liegt, die jedoch nicht ohne weiteres dem genannten 4komponentigen Stoffsystem Mel-Me2-Cu-O zuzurechnen sind.

Claims (7)

1. Permanentmagnetischer Körper, der aus einem gesinterten Supraleitermaterial des Typs II besteht, einer Magnetfeldbehandlung unterzogen ist und unterhalb der Sprungtemperatur (T _c) des supraleitenden Materials gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß als supraleitendes Material ein oxidkeramisches Supraleitermaterial gewählt ist, dessen Sprungtemperatur (T _c) oberhalb von 77 K liegt.

2. Permanentmagnetischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Supraleitermaterial aus dem Stoffsystem Mel-Me2-Cu-O gewählt ist, wobei die Komponenten Mel ein Seltenes Erdmetall (einschließlich Yttrium) und Me2 ein Erdalkalimetall zumindest enthalten.

3. Permanentmagnetischer Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten Mel und Me2 des Stoffsystems Mel-Me2-Cu-O Yttrium bzw. Barium zumindest enthalten.

4. Permanentmagnetischer Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Struktur aus hinreichend verdichteten Körnern (4 bis 7).

5. Permanentmagnetischer Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine kritische Stromdichte seines supraleitenden Materials unter 10⁵ A/cm².

6. Permanentmagnetischer Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung als Polschuhe eines Polschuhmagneten.

7. Permanentmagnetischer Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung als Hohlzylinder.