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Hochtemperatur-Supraleiter fuer
die Magnettechnik
Helmut Krauth
Bruker BioSpin GmbH
c/o EAS
Hanau
[email protected]
3. Braunschweiger Supraleiter Seminar
26.05.2008
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HK 26.05.2008
Gliederung
Die Bruker-Gruppe
Analytik und Bildgebung im
Magnetfeld
Technische Supraleiter und ihre
Fertigung
Aktuelle Fertigungswege und
Eigenschaften der HTS
Anwendungen in der Magnettechnik
Einsatz in LTS Magneten (~4K)
Neue Anwendungen (>20K)
Ausblick
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HK 26.05.2008
Organisation und Supraleitung in der
Bruker-Gruppe
Bruker Corporation
www.bruker.com
Bruker BioSpin
Supraleitung
NMR, MRI, ESR
FT-ICRMS
Bruker Daltonics
Bruker Optics
Bruker AXS
Advanced Supercon Inc
www.advancedsupercon.com
www.bruker-ehts.com
www.hydrostatic.co.uk
EAS
(LTS)
EHTS
(HTS)
Hydrostatic (Extrusion)
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HK 26.05.2008
Magnetfelder fuer Analytik und Bildgebung
Resonanzphaenomene im Magnetfeld
SpinResonanz (via Magnetisches Moment)
--Kernspinresonanz (NMR / Nucl.Magn.Res.)
f/B = 42.6 MHz/T (Proton in Wasser)
NMR Spektroskopie ( „NMR“)
Kernspintomographie („MRI“ / Magn.Res.Imaging)
--Elektronenspinresonanz (ESR, auch EPR)
f/B = 28 GHz/T (freies Elektron)
Cyclotron Resonanz
Ion Cyclotron Resonanz - Massen Spectrometrie (ICR-MS)
Magnetfelderhoehung: Verbesserte Aufloesung
Verbessertes Signal/Rausch-Verhaeltnis
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HK 26.05.2008
Anforderungen an NMR Magnete
Hohe raeumliche Homogenitaet des Magnetfelds (~ppm)
Enge Toleranzen von Leiter- und Spulen- Geometrie
Hohe zeitliche Konstanz des Magnetfelds (~Hz/h)
Persistent Mode Betrieb
Sehr hohe Leiterhomogenitaet ueber viele km
Supraleitende Kontakte von Leiter-Einzellaengen
Nutzerfreundlichkeit
Reduziertes Streufeld
Geringer (kein) Nachfuellbedarf von Kryogen (LHe, LN2)
Geringe Baugroesse / Gewicht
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HK 26.05.2008
Ueber 40 Jahre NMR Magnete
2K
Aktive (SL)
Abschirmung
2007
950MHz US²
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HK 26.05.2008
NMR Magnete: Materialien und Kuehlung
IRON
i
MHz
i
Monofil.
2K OPERATION
Nb3Sn
NbTi
Multifilament
1500
(Nb,Ta)3Sn
NbTi
Nb3Sn
NbTi
(NbTaTi)3Sn
NbTi
HTS
1000
.
900
800
750
950MHz
22.3T
600
500
500
400
270
180
60
90
1965
1960
1985
1975
1970
1980
1990
1995
2000
2005
2010
Date
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HK 26.05.2008
Entwicklung BeschleunigerDipole
Sabbi,LBNL
WAMSDO
Workshop
CERN,May 2008
Bi-2212
(YBCO)
?
Nb3Sn
NbTi
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HK 26.05.2008
Auf dem Weg zu 1000MHz und mehr
1000MHz (23.5T) und insbesondere noch hoehere NMR Frequenzen
(Magnetfelder) lassen sich nur mit Hilfe der HTS erreichen.
Bruker, FzK Karlsruhe (jetzt KIT) und VAC (jetzt) EAS/EHTS haben
deshalb 1999 mit der gemeinsamen Entwicklung eines 1000MHz Systems
begonnen
Das Projekt wurde 1999-2005 durch BMBF gefoerdert (FKZ 13N7269/3)
- Komplettes Design des Magnetsystems
-Leiterentwicklung (Nb3Sn-Optimierung, Bi-2223)
-Demonstration der NMR-Eignung (U(I)-Kennlinien,
Kontaktierung)
-Bau und Test von HTS Modellspulen
Fertigstellung und Test des Magneten in Vorbereitung
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HK 26.05.2008
Kritische Stromdichte von LTS
Nb3Sn Herstellungstechniken: Bronze-Technik
Internes Zinn
Pulver-im-Rohr (PiT)
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HK 26.05.2008
Technische Supraleiter: Eigenschaften
und Geometrie
NbTi
NMR
MRI
LHC
Duktiler SL, Duktile Precursor
Tc~10K
Bc2(4K)~10T
9000 Fil
Nb3Sn
Bronze
bis 100 000 Fil,
Ta Barriere
Sproeder SL,
Duktile Precursor oder PiT
Tc~18K
Bc2(4K)~25T
MgB2
Bi-2212/Bi-2223
PiT
Hypertech
Bi-2223 / Ag / AgMg
OIST
3µm
Y-123
Tc~90K
Columbus
Bi-2212/Ag
Tc~85K / 110K Bc2(4K) >50T
Keramischer SL,
192 Fil
Nb/Cu/CuNi
Keramischer SL,
PiT
Tc~35K
Bc2(4K)~30T
Keramischer SL,
PiT
Duennfilm
Bc2(4K)>50T
~50-100µm metal substrate /
~µm ceramic buffer /
1-3µm Y-123 /
Au,Ag protection layer/
>50µm Cu stabilizer
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HK 26.05.2008
Kritische Stromdichte von Bi-2212
und Y-123 PiT bei 77K
Trotz aehnlich starker
Feldabhaengkeit der
Stromtragfaehigkeit:
Unterschiedliche
Mechanismen der
Begrenzung:
Bi- 2212: sehr schwaches
Pinning
Y-123: Weak Links
(Hysterese)
K.Heine, J.Tenbrink, M.Thoener (VAC/EAS)
APL 55(23)1989 S.2441
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HK 26.05.2008
Kritische Stromdichte von Bi-2212 und
Y-123 PiT-Rundleiter bei 4K
Erstmals hohe Stromdichte in HTS PiT-Leitern
Bi-2212
Gutes Pinning bei 4K
Geringe Begrenzung durch
Weak Links nach partieller
Aufschmelzung im Ag-Rohr
Y-123
Massive Begrenzung
durch Weak Links auch
bei 4K
K.Heine,
J.Tenbrink,
M.Thoener
(VAC/EAS)
Beachte: Stromdichte im Supraleiter-Material
APL 55(23)1989
S.2441
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HK 26.05.2008
Ic von aktuellen Bandleitern im Eigenfeld
Bandbreite ca. 4mm
Bei 77K sind Bi2223 und Y-123 etwa vergleichbar
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HK 26.05.2008
Temperatur- , Feld- und OrientierungsAbhaengigkeit der Stromtragfaehigkeit
Y-123 CC
Bi-2223
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HK 26.05.2008
Beispiel fuer Feldabhängigkeit und Anisotropie
von je bei 4K
Beachte: Gesamtleiterstromdichte
Y-123 CC
NbTi
NbSn
Bi-2212
Leiter mit
Stabilisierung
Cu bzw Ag
Bi-2223
Nb3Sn
Y par
NbTi
Bi-2212
Bi-2223
Y senk
Gemessen und
zusammengestellt
durch E. Barzi et al.
FNAL TD-07-018
August 5, 2007
Y-123 kann durch
Einbringung
kollumnarer Defekte
verbessert werden
(Verringerung der
Anisotropie)
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HK 26.05.2008
Supraleitende Hoechstfeldmagnete >25T:
Bedarf
NMR:
>23.5T
(Aufloesungserhoehung)
Hochfeldlabors:
25T – 35T
(El. Kosten NHMFL derzeit 6M $/a)
Beschleuniger:
LHC-Tripler
25T Dipole
(Verdreifachung der LHC-Energie)
µ-Beschleuniger
30-50T Solenoide
(Myon- Fokussierung )
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HK 26.05.2008
Anforderung an Technische Supraleiter
insbesondere fuer den Magnetbau
Supraleitungseigenschaften (Material: Tc, Bc2, Birr, Jc)
Hohes jc(B,T) und je (hoher Fuellfaktor)
Moeglichst isotropes Verhalten, Pinning, Weak Links, Konnektivitaet
Hohes Ic ( grosser Querschnitt, Verseilbarkeit)
Technischer Leiter zusaetzlich
Stabilisierung mit sehr gutem Normalleiter (Cu, Al, Ag)
Dehnungsempfindlichkeit von jc / Mechanische Festigkeit (Magnetkraefte)
Kontaktierbarkeit (auch fuer persistent mode)
Je nach Anwendung: ac Verluste / Magnetisierungsfelder
Leiterisolation
Herstellung und Abkuehlung
Mechanische Kompatibilitaet (insbes. bei Umformverfahren)
Chemische Kompatibilitaet (z.B. bei Waermebehandlungen evtl Barrie
Thermische Kontraktionseffekte
Gasdichtigkeit (bei Kontakt mit Kuehlmedium)
Herstellung grosser Laengen (>> 1km)
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HK 26.05.2008
Aktuelle Fertigungswege von HTS-Leitern (1)
Bi-2223 Bandleiter (PiT)
Bi-2223 muss texturiert sein, um Weak Links zu reduzieren
PiT-Leiter muss deshalb flachgewalzt werden
TMB (Walzen+Waermebehandlungen) zur Stromoptimierung als
Teil der Fertigung
Bi-2212 Rundleiter (PiT)
Bereits in Bi-2212 Rundleitern werden hohe Stomdichten erreicht
Allerdings ist partielles (peritektisches) Aufschmelzen im Leiter notwendig
Dies ermoeglicht 2 prinzipielle Wege:
Reagieren und Wickeln (RaW) d.h. Bandleiter oder sehr grosse Radien
Wickeln und Reagieren (WaR) d.h. Probleme mit engem Parameterfenster
(Temp. / Sauerst. Partialdruck) und Durchschmelzungen durch Ag-Huelle
? Zwischenloesungen: Vorreagieren-Wickeln-Sintern ?
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HK 26.05.2008
Fertigungsweg Bi-2223 PiT Bandleiter
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HK 26.05.2008
Status der Bi-2223 Fertigung bei EHTS
Vormaterialien
Nicht reagierte, gecipte (hydrostatisch verdichtete) Precursorstaebe
Ag/AgMg Matrix zur Erhoehung der mech. Festigkeit
(AgAu fuer Stromzufuehrungen)
Anpassung der genauen Geometrie und Aufbau an Anwendung
Druckfestigkeit
Optimierung der Roebel-Leiter Herstellung
Moeglichkeit des Twistens (Reduktion der ac Verluste)
Typische Leiterabmessung 4x0.25mm²
Fertigungslaenge bis 2500m
PEEK Isolation durch Co-Extrusion
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HK 26.05.2008
Aktuelle Fertigungswege von HTS-Leitern (2)
Y-123 Bandleiter (Coated Conductor)
Bi-axiale Texturierung notwendig
Keine NL Matrix d.h. externer Shunt notwedig
Texturiertes Metallsubstrat (Ni-Basis, „RABITS“)
Erlaubt rein chemische Abscheideverfahren
Weniger geeignet fuer Magnettechnik
-Relativ geringe mechanische Festigkeit
-Magnetisch
Texturierte Abscheidung der Pufferschicht
Bruker-EHTS Prozess
Edelstahl (kostenguenstiger als Hastelloy)
YSZ Texturierung durch modifiziertes IBAD (ABAD)
Texturverbesserung mit CeO2 (Laser)
Hochraten Laser-Deposition von Y123
Sputtern Au/Ag
/
Cu elektrolytisch
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HK 26.05.2008
Fertigungsweg Y-123 CC Bandleiter
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HK 26.05.2008
Ein Blick in die Y-123 Fertigung
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HK 26.05.2008
Gegenwaertige PLD Fertigung auf Rohr
Gegenwaertige Fertigungslaengen: 100m
Durchlauf-Fertigung bis >2000m in Vorbereitung ( PLD: Ende
2008, ABAD: 2009)
Ziel: 35m/h fuer ABAD , 70m/h fuer PLD
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HK 26.05.2008
Elektrolytische Cu-Beschichtung
Gegenwaertige Fertigungslaenge: 30-40m
CC810
CC810 1st
measurem. Jan08
90
80
75A
70
Ic, A
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
x, m
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HK 26.05.2008
Biegeverhalten, Festigkeit, und Dehnungsempfindlichkeit von Bi-2223 und Y-123
Die Verarbeitung der Bandleiter erfolgt nach der Waermebehandlung
(React-and-Wind / RaW-Technik
Y-123
Bi-2223
Belastbarkeit unter Zug (77K)
Typ. 200MPa
Typ. 600MPa
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HK 26.05.2008
Elektrische Isolation
Extrudiertes PEEK
Bi-2223
Y-123
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HK 26.05.2008
Kabel- und Roebel-Leiter Fertigung
Voll transponierte Leiter
B-2212
Bi-2223
Y-123
Flachkabel (RutherfordKabel)
Roebel-Leiter
Roebel-Leiter
(Maschinell gefertigt)
(Handgefertigt)
Stanzen
FNAL Flachkabel aus
aus 24 Bi-2212 strands
(OIST)
Sequentielles Roebeln
FNAL TD-07-018
(US: Nationales
Programm)
Siemens + EHTS
Erfolgreich
eingesetzt in einem
Bahntransformator
Goldacker FzK 29
HK 26.05.2008
Beispiele fuer aktuelle Anwendungen
Eigenschaftsverbesserung von LTS Magnet-Systemen
HTS Stromzufuehrungen
Magnetfelderhoehung durch HTS Einsatzspulen
HTS- Magnete bei erhoehter Temperatur
Hochfeldmagnete (bisher bis 8T / 20K)
Wicklungen fuer Motoren / Generatoren
Induktionsheizer
Labor- und Strahlfuehrungsmagnete
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HK 26.05.2008
HTS Stromzufuehrungen (Bi-2223)
Reduktion der Waerme-Einbringung in 4K Systeme
Thermische Leitfaehigkeit von HTS
vernachlaessigbar
Minimierung der Leitfaehigkeit von
Bi-2223 Leitern durch AgAu matrix
Data by NST
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HK 26.05.2008
Bi-2223 Stromzufuehrungen
unten
Picture: Forschungszentrum Karlsruhe
Bi-2223 Bandleiter
mit AgAu-Matrix
Labormagnet
Verloeteter Bandleiter-Stapel
CERN
Picture: CERN
LHC (15kA)
Komplette Stromzufuehrungen
FzK
W7X (15kA)
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HK 26.05.2008
Hochfeldmagnete und Einsatzspulen
Bi-2212 Tape
4K
NHMFL / OIST
Y-123
NHMFL / SuperPower
2007- 26.8T (7.8T + 19T)
9.5mm ID, 87mm OD
127mm OD (flange)
jwinding = 275A/mm²
Bi-2223
Sumitomo (SEI)
8.1T
20K
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HK 26.05.2008
Wicklungen von Motoren/Generatoren
(Bi-2223)
Wickelpaket fuer SIEMENS 4MVA Maschine
Isolierter Bi-2223 Bandleiter von EHTS
(25K, 4T)
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HK 26.05.2008
Ausblick
20 Jahre nach der Entdeckung der HTS auf Basis der Cu-Oxide gibt
es erste Anwendungen in der Magnettechnik
Fest etabliert haben sich Stromzufuehrungen zu Tieftemperatur SL
Magnetsystemen zur Reduktion der Kryoverluste
Mit Hilfe von HTS Einsatzspulen in LTS Magnete wurden Felder
ueber 25T erreicht
Komplette 1000MHz (23.5T) NMR-Systeme sind in Vorbereitung
Magnetspulen bei T>20K fuer finden ihre Anwendungen in
Energietechnik und Prozesstechnik (Rotierende Maschinen,
Induktionsheizer, …)
Jedes der in Frage kommenden Leitermaterialien (Bi-2223, Bi-2212,
Y-123) hat – je nach Einsatzgebiet - seine spezifischen Vor- und
Nachteile, so dass alle 3 derzeit weiter verfolgt werden
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HK 26.05.2008