專利名稱：線在溝道內(nèi)超導(dǎo)體的制作方法
線在溝道內(nèi)超導(dǎo)體
本發(fā)明涉及一種在諸如通常見于磁共振成像機、粒子加速器等中的超導(dǎo)磁 體中所使用的類型的線在溝道內(nèi)型超導(dǎo)導(dǎo)體以及這種線在溝道內(nèi)型超導(dǎo)導(dǎo)體的 生產(chǎn)方法。
在線在溝道內(nèi)超導(dǎo)導(dǎo)體(wire-in-channel superconductive donductor)中，超
導(dǎo)線被焊入具有相應(yīng)尺寸的通常導(dǎo)電的溝道中。

圖1是常規(guī)的線在溝道內(nèi)超導(dǎo) 體10的示意圖。超導(dǎo)線12典型地在通常導(dǎo)電的基體材料(matrix material) 16 (例如銅)中包括超導(dǎo)材料(例如NbTi)的多個絲14。這種超導(dǎo)線12被焊接 18到導(dǎo)電溝道20中的相應(yīng)凹槽內(nèi)。溝道20典型地是銅，并且典型地具有近似 矩形的截面。溝道20夕卜表面可以例如利用適當(dāng)?shù)暮噶媳煌垮a。
這種線在溝道內(nèi)超導(dǎo)導(dǎo)體己被認(rèn)為在獲得長的連續(xù)長度以及提供適用于持 久磁體的超導(dǎo)導(dǎo)體方面是有效的。這種類型的線在溝道內(nèi)超導(dǎo)導(dǎo)體典型地通過 聚酯編織物24絕緣。
已知的銅溝道線在溝道內(nèi)超導(dǎo)導(dǎo)體10被設(shè)計用于為了穩(wěn)定性而提供高的 銅-超導(dǎo)體比，而無需對具有超導(dǎo)體的全部銅進行處理。因此，相比于需要處理 具有超導(dǎo)體的全部銅的生產(chǎn)方法，生產(chǎn)成本顯著被降低。
由于在許多應(yīng)用中大量材料被用于導(dǎo)電溝道，期望陶氐溝道20的重量并且 也使其更柔韌而便于磁體制造。鋁是常用的銅的極好的替代材料，成本更低， 柔韌性更好并且重量更輕；但是，采用鋁作為銅的直接替代品存在許多制造困 難，例如焊料結(jié)合的質(zhì)量、焊接溫度和助熔劑的兼容性以及所制成的線在溝道 內(nèi)導(dǎo)體的柔韌性。因此，鋁還沒有被用作通常用于在圖l中所示的溝道20的銅 材料的直接替代品。
日本專利申請JP04071112A描述了一種布置，其中形成鋁溝道20，并且至 少凹槽22的內(nèi)部通過諸如電鍍、浸漬或氣相沉積的工藝來以銅涂覆。然后超導(dǎo) 線被焊接18到凹槽22內(nèi)的銅涂層上，然后所得的復(fù)合材料遭受拉拔(drawing) 工藝。
本發(fā)明提供可替代的并改進的方法，用來生產(chǎn)銅包鋁導(dǎo)電溝道以及利用該 溝道在銅包鋁溝道導(dǎo)體中的超導(dǎo)線。
本發(fā)明還提供線在溝道內(nèi)超導(dǎo)導(dǎo)體，其中導(dǎo)電溝道由具有至少一層金屬包 層的導(dǎo)電金屬或合金芯制成，其中所述至少一層金屬包層包括高強度合金層以 及外部銅層。
相應(yīng)地，本發(fā)明提供如在所附權(quán)利要求中所陳述的溝道導(dǎo)體和溝道導(dǎo)體的
制造方法。
fflil結(jié)合附圖考慮本發(fā)明特定實施例的以下描述，本發(fā)明的上述以及其他
目的、特征以及優(yōu)點將變得更清楚，其中
圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的線在溝道內(nèi)超導(dǎo)導(dǎo)體的截面亂 圖2A示出在本發(fā)明方法中有用的銅包鋁線的截面圖2B示出根據(jù)本發(fā)明一方面由圖2A的銅包鋁線形成的銅包鋁溝道導(dǎo)體的 截面圖3示出本發(fā)明的線在溝道內(nèi)超導(dǎo)導(dǎo)體的截面圖。
根據(jù)本發(fā)明，在生產(chǎn)銅包鋁(copper clad aluminium)溝道中的超導(dǎo)線中所 采用的銅包鋁導(dǎo)電溝道由如在圖2A中所示的涂覆有冶金結(jié)，層32的鋁線30 制成。
勝于形成鋁溝道部分，所述鋁溝道部分然后M31諸如電鍍、浸漬或氣相沉 積的工藝至少部分地用銅涂覆，本發(fā)明提供一種節(jié)省成本的且有效的方法，用 于利用如在圖2A的截面圖中所示的商業(yè)上可獲得的銅包鋁線來生產(chǎn)適用于產(chǎn) 生復(fù)合線在溝道內(nèi)超導(dǎo)導(dǎo)體的銅包鋁溝道部分。在圓形截面的情況下按截面面 積具有10%或15%銅的銅包鋁線在商業(yè)上可獲得。
商業(yè)上可獲得的電工級(electrical grade)銅包鋁線的成本在每單位長度的 價格方面低于固體銅。因為鋁的重量更輕而在重量方面更輕。10%銅包鋁線的 長度是包括相同重量銅的對以線的2.8倍。
ilil采用這種復(fù)合線來替代固體銅(例如在常規(guī)線在溝道內(nèi)超導(dǎo)體中用于 溝道20的固體銅)，斷氐了制造成本，降低了最終導(dǎo)體的重量并且生產(chǎn)工藝不 需改變。
M采用這種復(fù)合線，可以采用一禾中與如通過現(xiàn)有技術(shù)所描述的將銅涂層 沉積至侄少部分鋁溝道表面上相比更簡單的制造方法。
ffl3W在圖2A中所示的銅包鋁線應(yīng)用常規(guī)的線拉拔和成形技術(shù)，可以形
成銅包鋁溝道40，如在圖2B的截面圖中所示。
在根據(jù)本發(fā)明的一方面的制造工藝的例子中，商業(yè)上可獲得的并且可由已 知的工業(yè)制造工藝制造的圓 面銅包鋁線利用線拉拔和成形技術(shù)通常在自身 中被處理成凹槽溝道，在輪廓上接近矩形(圖2B)。為了說明，將假設(shè)該矩形 在截面中為1.27mmX3.175mm并包含0.813mm寬的凹槽42。該溝道不必是矩 形或接近矩形，但是應(yīng)包含凹槽42。
所述的銅包鋁線比固體銅線更柔軟，這推知在形成溝道時生產(chǎn)速度更高并 且沖模磨損更少，與采用固體銅線來形成溝道20的相應(yīng)方法相比較，這兩方面 都斷氐了形成溝道40的成本。
凹槽溝道40和0.813mm直徑的超導(dǎo)線12然后一起Mii金屬i^(七浴(solder bath),其中超導(dǎo)線12被壓入銅包鋁溝道40中的凹槽42內(nèi)。這樣所形成的復(fù)合 超導(dǎo)導(dǎo)體然后可以M:金屬熔化浴內(nèi)的沖模(die)來將超導(dǎo)線12壓入凹槽42 內(nèi)。沖模也可用于將導(dǎo)體拉皿最終的截面，并且在皿程中可以使溝道40變 形以更牢固地保離導(dǎo)線12，如圖3中所示。
銅包溝道的比熱容低于常規(guī)的固體銅溝道的比熱容，這導(dǎo)致在焊接工藝中 更高的速度。在設(shè)定生產(chǎn)線速度中的控制參數(shù)是溝道能被加熱至焊接溫度的速 率，并且由于與常規(guī)的銅溝道相比，加熱銅包鋁溝道至焊接'溫度需要更少的能 量，所以與采用固體銅溝道的對以方法相比，生產(chǎn)線鵬能適當(dāng)?shù)乇惶岣摺?br> 在從金屬糊七浴退出時可使所得的結(jié)構(gòu)淬火或者允許自然冷卻用以使焊料 固化并將結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。圖3是根據(jù)本發(fā)明的方法所制造的具有焊接18在適 當(dāng)位置處的超導(dǎo)線12的完成的銅包鋁溝道的截面圖。然后將該導(dǎo)體纏繞好準(zhǔn)備 用于任何所需的后續(xù)處理。
根據(jù)本發(fā)明形成具有焊接(solder) 18至嗍32包鋁30溝道的凹槽42內(nèi)的 超導(dǎo)線12的復(fù)合超導(dǎo)導(dǎo)體的方法不需要諸如如由現(xiàn)有技術(shù)所需要的電鍍、浸漬 或氣相沉積的步驟，從而得出簡化的并且成本低廉的制造方法，又使最終產(chǎn)品 的可靠性更大并且成本斷氐。
雖然銅包鋁線在商業(yè)上可獲得，并且銅包鋁線的形成不構(gòu)成本發(fā)明的部分， 但應(yīng)當(dāng)注意到用于形成復(fù)合銅包鋁線的幾種方法可用。所述方法中的一些列舉 如下并且選擇再次取決于應(yīng)用。如果需要，可以就地為使用而根據(jù)本發(fā)明通過 以下任一工藝生產(chǎn)銅包鋁線。
'熱結(jié)合工藝~~在鋁芯上結(jié)合相對厚的銅層。
-電鍍~~在鋁上銅的電鍍通常被限制為多達幾 的薄銅層。
*共同擠壓
*共同拉拔
根據(jù)本發(fā)明所采用的用于將銅包鋁線轉(zhuǎn)化為銅包溝道40輪廓的方法與由 現(xiàn)有技術(shù)所建議的鋁溝道的銅涂覆相比更簡單并且工業(yè)上更可接受。
可以由任何適當(dāng)?shù)匿X合金或其他適當(dāng)?shù)暮辖鹛娲糜谛纬蓽系赖匿X30。選 擇應(yīng)取決于應(yīng)用。在一種情況下，電導(dǎo)率可能決定選擇，而在其他瞎況下機械 強度可能是占優(yōu)勢的標(biāo)準(zhǔn)。盡管已經(jīng)描述了商業(yè)上可獲得的銅包鋁線，但是本 發(fā)明不局限于這種單一配置。M合并多層結(jié)構(gòu)，可得到加固的溝道導(dǎo)體。例 如，可以4頓包括裝入具有外部銅層的高強度合金層(例如鋼)內(nèi)的鋁或其他 導(dǎo)電合金芯的線。這種線可以在商業(yè)上生產(chǎn)出具有適宜的截面、典型地是圓形， 并通iii:述方法形成所需的溝道輪廓。高強度合金的存在將增加最終的線在溝 道內(nèi)導(dǎo)體的機械強度，而不明顯損害其電或熱特性，并且無需在線在溝道內(nèi)導(dǎo) 體的制造方法中引入其他步驟。這種替代實施例的最終裝配可以在現(xiàn)在用于常 規(guī)銅溝道的相同生產(chǎn)線Jiiafi1。
對于在用來形成溝道的線內(nèi)4頓高強度合金層可替代地或附加地，在形成 復(fù)合線在溝道內(nèi)導(dǎo)體時，與超導(dǎo)線12和溝道40 —起可能包含伸長的高強度部 件(例如線或帶)用以在在機械方面強化復(fù)合導(dǎo)體。在焊接操作之前、期間或 之后，該高強度部件可以以線性或螺旋形方式被合并。
在將超導(dǎo)線焊接到銅包鋁輪廓來形成復(fù)合導(dǎo)體的步驟可以使用包括但不限 于Pb、 Cu、 Sb、 Sn和Zn的合金的任何適當(dāng)?shù)能浐噶厦笮小？刹捎玫囊环N特 定焊料按重影十算含有Sn-5%Sb。
在銅包鋁線中所用的鋁應(yīng) 地為高純度鋁、電工級鋁或高強度鋁。 在銅包鋁線中所用的銅應(yīng) 地為高導(dǎo)電率銅，例如IIOO (OFHC)級銅。 在銅包鋁線中所用的銅可以是用于改進的強度的合金銅。 可以認(rèn)為有益的是，在溝道的外部銅層32的至少部分、尤其是凹槽42中 或附近的表面上應(yīng)用涂錫層，其中所述表面將接收并被焊接到超導(dǎo)線。己知這 種涂錫層有助于焊接。涂錫層可能具有錫或任何適當(dāng)?shù)暮噶稀?一旦溝道40和超 導(dǎo)線12已被焊接18在一起，所得至啲線在溝道內(nèi)超導(dǎo)體的齡外表面將更像
被涂錫。
在本發(fā)明的其他實施例中，在將超導(dǎo)線焊接結(jié)合到溝道輪廓之前、期間或 之后，具有高比熱容的材料的伸長部件可合并到復(fù)合導(dǎo)體中，以提高熱穩(wěn)定性。 這種材料可艦擠壓、電鍍或共同拉拔等被處理用以接受焊料。
權(quán)利要求
1、一種用于制造銅包鋁溝道超導(dǎo)導(dǎo)體的方法，所述方法包括從包括具有至少一層外部金屬包層(32)的金屬或合金芯(30)的導(dǎo)電線來制造金屬溝道(40)，并且在其表面中具有縱向延伸的凹槽(42)；并且并且將包括在所定義的溫度范圍內(nèi)展示超導(dǎo)特性的材料(14)的線(12)焊接(18)到所述凹槽中。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述導(dǎo)電金屬或合金芯包括鋁。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述至少一層包層包括銅層。
4、 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述至少一層包層包括 高^Jt合金層；以及外部銅層。
5、 如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中在形成溝道導(dǎo)體時，與線(12) 和溝道(40) —起包括另一伸長的部件用以在機械方面強化溝道導(dǎo)體。
6、 如權(quán)利要求5所述的方法，其中在焊接操作之前、期間或之后，該另一伸長的部件以線性或螺旋形方式被合并。
7、 如權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述線(12)包含在通常導(dǎo)體的基體材料(16)中在所定義的溫度范圍內(nèi)展示超導(dǎo)特性的材料的多 個絲(14)。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述基體材料(16)包括銅。
9、 如權(quán)利要求1-8中任一權(quán)利要求所述的方法，進一步包括步驟在將線 焊接到凹槽中之前至少在凹槽(42)中或附近至少部分iTO金屬溝道(40)的 外部銅層涂錫。
10、 如禾又利要求1-9中任一禾又利要求所述的方法，其中在將線(12)焊接 結(jié)合到溝道(40)中之前、期間或之后，另一伸長的部件被合并到溝道導(dǎo)體中 用以提高熱穩(wěn)定性。
11、 權(quán)利要求10的方法，其中該另一伸長的部件被處理用以接受焊料。
12、 一種溝道導(dǎo)體，包括在其表面中具有縱向延伸的凹槽(42)的金屬溝道(40)，以及 被焊接(18)到所述凹槽中的線(12);其中，所戯包括在所定義的^^范圍內(nèi)展就導(dǎo)特性的材料04);以及所述金屬溝道由具有所施加的金屬包層的導(dǎo)電金屬或合金芯(30)制成，其中所述金屬包層包括 高強度合金層；以及外部銅層。
13、 如權(quán)禾腰求12所述的溝道導(dǎo)體，其中所述導(dǎo)電金屬或合金芯包括鋁。
14、 如權(quán)利要求12或13的任一權(quán)利要求所述的溝道導(dǎo)體，其中所職(12) 包括在通常導(dǎo)電的基##料(16)中在所定義的溫度范圍內(nèi)展示超導(dǎo)特性的材 料的多個絲(14)。
15、 如權(quán)禾腰求14所述的溝道導(dǎo)體，其中所述基體材料(16)包括銅。
16、 如權(quán)利要求12-15中任一權(quán)利要求所述的溝道導(dǎo)體，其中金屬溝道(40) 的外部銅層至少在凹槽(42)中或附近至少部分地被涂錫。
17、 一種溝道導(dǎo)體，包括在其表面中具有縱向延伸的凹槽(42)的金屬溝道(40)，以及被焊接(18)到所述凹槽中的線(12);其中，所,包括在所定義的溫度范圍內(nèi)展示超導(dǎo)特性的材料(14);以及所述金屬溝道由具有所施加的金屬包層的導(dǎo)電金屬或合金芯(30)制成， 其中所述金屬包層包括外部銅層；并且其中與線(12)和溝道(40) —起包括另一伸長的部件、例如線或帶，用以在 機械方面強化溝道導(dǎo)體。
18、 如權(quán)利要求12-17中任一權(quán)利要求所述的溝道導(dǎo)體，其中另一伸長的 部件被合并至購道導(dǎo)體中用以提高熱穩(wěn)定性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造銅包鋁溝道超導(dǎo)導(dǎo)體的方法，所述方法包括從包括具有至少一層外部金屬包層(32)的金屬或合金芯(30)的導(dǎo)電線來制造金屬溝道(40)，并且在其表面中具有縱向延伸的凹槽(42)；并且將線(12)焊接(18)到所述凹槽中，所述線包括在所定義的溫度范圍內(nèi)展示超導(dǎo)特性的材料(14)。
文檔編號H01L39/24GK101356660SQ200780001341
公開日2009年1月28日 申請日期2007年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月14日
發(fā)明者A·M·托馬斯, S·洪 申請人:西門子磁體技術(shù)有限公司;牛津超導(dǎo)體技術(shù)公司