Un conjunto metálico que constituye un precursor para un superconductor y un procedimiento adecuado para la producción de un superconductor.
Un conjunto metálico (35) que constituye un precursor para un superconductor y que comprende al menos unelemento conductor (41) adaptado para proporcionar un filamento superconductor en el superconductor acabado,
almenos dos elementos dopantes (43) para cada elemento conductor (41) que proporcionan una fuente dopante paradopar el elemento conductor (41), estando un elemento de manguito (39) fabricado de Cu o una aleación de Cudispuesto fuera del elemento conductor (41) y el elemento dopante (43), y una fuente de Sn (47), en el que al menosun elemento conductor (41) comprende un núcleo conductor (9) que contiene Nb y posibles impurezas y en el quecada elemento dopante (43) comprende un núcleo dopante (15) que comprende una aleación de NbTi con uncontenido de Ti entre el 20-60 % en peso, y una cubierta (19) del elemento dopante fabricada de Cu o una aleaciónde Cu,
siendo el elemento conductor (41) y los elementos dopantes (43) barras que constituyen elementos separados, en elque el conjunto (35) está dispuesto de manera que al menos dos elementos dopantes (43) están situados cerca de yen dos direcciones diferentes de cada elemento conductor (41), en el que cada elemento dopante (43) comprendeuna capa de bloqueo de difusión (17) dispuesta como un revestimiento sobre el núcleo dopante (15) y adaptada parabloquear la difusión de la sustancia dopante a temperaturas por debajo de una temperatura de difusión deseada, yen el que la cubierta (19) del elemento dopante está dispuesta alrededor del núcleo y de la capa (17) de bloqueo dedifusión.
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E08172701.
Solicitante: LUVATA ESPOO OY.
Nacionalidad solicitante: Finlandia.
Dirección: P.O. BOX 78 02101 ESPOO FINLANDIA.
Inventor/es: SOMERKOSKI,JUKKA.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- B21C37/04 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES. › B21 TRABAJO MECANICO DE LOS METALES SIN ARRANQUE SUSTANCIAL DE MATERIAL; CORTE DEL METAL POR PUNZONADO. › B21C FABRICACION DE CHAPAS, ALAMBRES, BARRAS, TUBOS, PERFILES METALICO O PRODUCTOS ANALOGOS SEMIACABADOS POR PROCEDIMIENTOS DISTINTOS AL LAMINADO; OPERACIONES AUXILIARES RELACIONADAS CON EL TRABAJO DE METALES SIN ARRANQUE SUSTANCIAL DE MATERIA. › B21C 37/00 Fabricación de chapas, barras, alambres, tubos, perfiles metálicos,o de productos análogos semiacabados, no prevista en otro lugar; Fabricación de tubos de forma particular. › de barras o hilos metálicos.
- H01L39/24 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 39/00 Dispositivos que utilizan la superconductividad o la hiperconductividad; Procedimientos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o al tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común H01L 27/00; superconductores caracterizados por la técnica de formación o por la composición de las cerámicas C04B 35/00; conductores, cables o líneas de transmisión superconductores o hiperconductores H01B 12/00; bobinas o arrollamientos superconductores H01F; amplificadores que utilizan la superconductividad H03F 19/00). › Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de los dispositivos cubiertos por H01L 39/00 de sus partes constitutivas.
PDF original: ES-2426763_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Un conjunto metálico que constituye un precursor para un superconductor y un procedimiento adecuado para la producción de un superconductor
Campo de la invención La presente invención se refiere a un conjunto metálico que constituye un precursor para un superconductor, conjunto metálico que comprende al menos un elemento conductor y elementos dopantes para dopar el elemento conductor. El procedimiento se refiere también a un superconductor y a un procedimiento para producir un superconductor.
Técnica anterior
Los superconductores de baja temperatura, que funcionan típicamente a 4, 2 K, se usan para producir campos magnéticos elevados en diversas aplicaciones magnéticas tales como en aparatos de MRI y NMR, aceleradores de partículas, etc. Un ejemplo de superconductores de baja temperatura comprende Niobio aleado con Titanio. Otro tipo preferido comprende Nb3Sn, posiblemente adicionalmente aleado con pequeñas cantidades de Ta o Ti. Normalmente, un superconductor se forma a partir de una pluralidad de filamentos, con un diámetro en el intervalo de hasta diez micrómetros, que se embeben en un metal tal como cobre. El metal circundante estabiliza los filamentos superconductores mecánica y eléctricamente.
Un problema con el Nb3Sn, como material superconductor, por ejemplo, es que la aleación es muy quebradiza, haciendo difícil dar al material el tamaño de filamentos requerido. Análogamente, la introducción de bajas cantidades de los elementos de aleación Ti o Ta en la aleación de Nb, también dificulta el trabajado de la aleación de Nb de manera que los filamentos son difíciles de formar. Cuando se fabrican superconductores de Nb3Sn por lo tanto hay que formar primero un conjunto metálico con la dimensión y forma deseadas, tal como un hilo con filamentos embebidos, y después se introduce el Sn u otros elementos de aleación en los filamentos de Nb mediante recocido por difusión. La forma del superconductor debe ajustarse antes del recocido por difusión, después del cual la forma ya no puede cambiarse debido a su fragilidad.
Un procedimiento para producir un superconductor de Nb3Sn comprende insertar una barra de NbTi dentro de una barra de Nb puro dispuesta dentro de una matriz metalizada de CuSn. Tanto Nb con NbTi son materiales blandos y pueden mecanizarse sin dificultades. El conjunto se extruye, se le da la forma final deseada y finalmente se calienta, de manera que el Sn y el Ti se difunden en los filamentos de Nb para formar el material superconductor, es decir, Nb3Sn aleado con titanio. Un inconveniente con este procedimiento es que es caro y lleva tiempo disponer las barras de NbTi dentro de las barras de Nb.
En el documento de patente WO 200508170 las barras de Nb y NbTi son estirados y conformadas en barras hexagonales del mismo tamaño. Las barras de Nb y Ti se sitúan dentro de una matriz de cobre y las barras de NbTi se separan uniformemente en la matriz. Debido a su forma hexagonal las barras de Nb y NbTi pueden empaquetarse cerca unas de otras. El número de barras de Nb supera de lejos el número de barras de NbTi, puesto que el contenido deseado de Ti en el material superconductor final es bajo. La matriz de cobre después se estira y se forma en una barra hexagonal y varias de estas barras hexagonales se apilan dentro de un cilindro de cobre alrededor de un núcleo de Sn. El cilindro de cobre se estira hasta conseguir un producto final con forma de hilo y después se trata por difusión para permitir que el Ti y Sn difundan a las barras de Nb.
Un problema con esta solución es que, incluso aunque las barras de NbTi estén dispuestas uniformemente dentro de la matriz metálica, de manera que el titanio se disperse uniformemente por todo el hilo, una pequeña variación del contenido de Ti surge, de manera que el superconductor de niobio-estaño resulta aleado con diferentes cantidades de titanio en diferentes localizaciones. Puesto que la sensibilidad del superconductor a las variaciones en el contenido de Ti es grande, esto conduce a variaciones en la calidad de los diferentes filamentos superconductores dentro del hilo, y disminuye el rendimiento para el superconductor.
El documento JP2008/166173A, figura 2 y figura 7, desvela un procedimiento y un precursor de hilo superconductor para producir un superconductor de Nb3Sn dopado con Ti.
El documento JP 62211359A desvela un conjunto metálico para producir un superconductor de Nb3Sn dopado con uno o más elementos de Ti, Ta, In, Hf, Al y Zr.
Sumario de la invención El objeto de la presente invención es facilitar la producción de un superconductor de alta calidad.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención este objeto se consigue con el conjunto metálico de acuerdo con la reivindicación 1. De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, este objeto se consigue con un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5.
Permitiendo que un conjunto metálico que comprenda al menos dos elementos dopantes dispuestos fuera de cada 2
elemento conductor (al que más adelante se dará forma de filamento) , la sustancia dopante contenida en el elemento dopante se dispersará de forma más homogénea por todo el superconductor después del tratamiento térmico de difusión, lo que mejora en gran medida la calidad del superconductor. La alta calidad significa que una mayor corriente crítica puede fluir a través del superconductor creando un mayor campo magnético, o como alternativa el imán puede conformarse en una forma más compacta. Puesto que los elementos dopantes están dispuestos fuera de los elementos conductores el montaje de los elementos es rápido y preciso, lo que mejora en gran medida la velocidad de producción para producir el superconductor. La nueva forma de disposición del metal implica también una reducción de los costes de producción.
El conjunto metálico comprende un conjunto de elementos o elementos metálicos para formar un precursor para un superconductor.
Un verdadero superconductor puede formarse entonces a partir del conjunto metálico recocido por difusión mediante tratamiento térmico. Preferentemente el conjunto metálico comprende una lata de cobre en forma de cilindro de cobre hueco, en la que los elementos están dispuestos dentro de la lata de cobre. El conjunto puede comprender también una matriz metálica en la que están dispuestas las barras.
Un elemento conductor es un elemento destinado a formar un cuerpo superconductor, preferentemente un filamento, en el superconductor acabado. No es necesario que el elemento conductor constituya un superconductor antes de la finalización del superconductor. El elemento dopante comprende la aleación α NbTi destinada a dopar o alear el elemento conductor. El elemento dopante comprende también otras sustancias, tales como las mismas sustancias que el elemento conductor o las del elemento que lo rodea. La sustancia dopante puede migrar al elemento conductor por difusión durante un tratamiento térmico.
Un filamento superconductor es un filamento que tiene una resistencia eléctrica prácticamente cero a bajas temperaturas. Típicamente en la técnica de los superconductores de baja temperatura las temperaturas de funcionamiento están cercanas a los 4 K, siendo el punto de ebullición del helio 1, 013·105 Pa (1 atmósfera) . El diámetro de los filamentos puede estar entre unos pocos micrómetros y varios milímetros o superiores. Preferentemente, el espesor del filamento es menor de diez micrómetros, puesto que un filamento más fino facilita que la reacción se complete en menos tiempo durante el tratamiento térmico. Los filamentos finos poseen también mejores características CA.
De acuerdo con una realización, al menos dos elementos dopantes están situados cerca de cada elemento conductor al menos para la mayoría de elementos conductores. Por tanto, los elementos dopantes están cerca de los elementos conductores de manera que la distancia de difusión para la sustancia dopante es corta. Adicionalmente, la cantidad de sustancia dopante que dopa cada elemento conductor puede controlarse con mayor precisión. Preferentemente al menos tres y más preferentemente al menos cuatro elementos dopantes están situados cerca de cada elemento conductor. Por tanto cada elemento conductor recibirá la sustancia dopante de varios elementos dopantes, lo que conduce a un dopado más uniforme y disminuye el riesgo de fallo.
De acuerdo con una realización, para al menos una mayoría de los elementos conductores, al menos dos elementos dopantes están situados a una distancia de cada elemento conductor, que es menor o igual al diámetro del elemento conductor. Preferentemente, para al menos una mayoría de elementos conductores, al menos dos elementos dopantes están situados... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Un conjunto metálico (35) que constituye un precursor para un superconductor y que comprende al menos un elemento conductor (41) adaptado para proporcionar un filamento superconductor en el superconductor acabado, al menos dos elementos dopantes (43) para cada elemento conductor (41) que proporcionan una fuente dopante para 5 dopar el elemento conductor (41) , estando un elemento de manguito (39) fabricado de Cu o una aleación de Cu dispuesto fuera del elemento conductor (41) y el elemento dopante (43) , y una fuente de Sn (47) , en el que al menos un elemento conductor (41) comprende un núcleo conductor (9) que contiene Nb y posibles impurezas y en el que cada elemento dopante (43) comprende un núcleo dopante (15) que comprende una aleación de NbTi con un contenido de Ti entre e.
2. 60 % en peso, y una cubierta (19) del elemento dopante fabricada de Cu o una aleación de Cu,
siendo el elemento conductor (41) y los elementos dopantes (43) barras que constituyen elementos separados, en el que el conjunto (35) está dispuesto de manera que al menos dos elementos dopantes (43) están situados cerca de y en dos direcciones diferentes de cada elemento conductor (41) , en el que cada elemento dopante (43) comprende una capa de bloqueo de difusión (17) dispuesta como un revestimiento sobre el núcleo dopante (15) y adaptada para bloquear la difusión de la sustancia dopante a temperaturas por debajo de una temperatura de difusión deseada, y en el que la cubierta (19) del elemento dopante está dispuesta alrededor del núcleo y de la capa (17) de bloqueo de difusión.
2. Un conjunto de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto comprende una pluralidad de elementos de manguito (39) dispuestos para contener cada uno entre uno y siete elementos conductores y su o sus 20 elementos dopantes próximos.
3. Un conjunto de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque, para al menos una mayoría de los elementos de manguito (39) , cada elemento de manguito tiene una pared (45) que define un hueco interno y porque al menos una mayoría de los elementos dopantes (43) contenidos dentro del manguito están situados entre la pared del manguito y el elemento o elementos conductores (41) contenidos en el manguito.
4. Un conjunto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el al menos un elemento conductor (41) y los elementos dopantes (43) tienen una forma alargada con una sección transversal uniforme, y los elementos dopantes (43) tienen cada uno un área de la sección transversal más pequeña que o igual a un quinto del área de sección transversal del elemento conductor (41) más cercano.
5. Un procedimiento adecuado cuando se produce un superconductor, comprendiendo el procedimiento - montar al menos un elemento conductor (41) , al menos dos elementos dopantes (43) , un elemento de manguito (39) fabricado en Cu o una aleación de Cu, y una fuente de Sn (47) en un conjunto metálico (35) que constituye un precursor para un superconductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el procedimiento comprende adicionalmente
- montar los al menos dos elementos dopantes (43) para cada elemento conductor (41) en el conjunto
metálico (35) de manera que los elementos dopantes (43) están dispuestos cerca de y en dos direcciones diferentes de cada elemento conductor (41) .
6. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el procedimiento comprende
- montar los elementos dopantes (43) cerca de cada elemento conductor (41) a una distancia desde el elemento conductor que es menor que o igual al diámetro del elemento conductor (41) .
- alargar los elementos dopantes (43) de manera que los elementos dopantes obtengan un área de sección transversal que es menor que un quinto del área de la sección transversal de los elementos conductores (41) .
- disponer entre uno y siete elementos conductores (41) y su o sus elementos dopantes (43) próximos dentro del elemento de manguito (39) , y
- montar una pluralidad de tales elementos de manguito (39) en un conjunto metálico precursor para un 50 superconductor.
9. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque para al menos una mayoría de los elementos de manguito (39) , cada elemento de manguito (39) comprende una pared que define un espacio hueco, comprendiendo el procedimiento
-situar al menos una mayoría de los elementos dopantes (43) contenidos en el elemento de manguito (39) 11
entre la pared del elemento de manguito (39) y el elemento o elementos conductores (41) contenidos en el elemento de manguito (39) .
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