![Page 1: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/1.jpg)
Helmut Kinder
Technische Universität München, D-85747 Garching,
und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching
Supraleiter-
von der Wissenschaft zur Technologie
![Page 2: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/2.jpg)
Inhalt
Was ist Supraleitung? Wie funktioniert sie? Schnellkurs in Quantenmechanik Supraleiter als klassische Welle BCS-Theorie bei Anwendungen wird es kritisch der erste Durchbruch: Supraleiter 2. Art große Magnetspulen die Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) Leiter und Dünne Schichten aus HTSL Neueste Trends Schlussbemerkung
![Page 3: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/3.jpg)
Was sind Supraleiter?
Elektrischer Strom fließt ohne Widerstand
Bewegung der Elektronen ohne Reibung
Dauerströme im Experiment: Schwebeversuch
Magnete
Supraleiter
![Page 4: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/4.jpg)
Mit Kamerlingh Onnes fing alles an
1911 Entdeckung der Supraleitung
1913 Nobelpreis
Hg
1908 Flüssiges Helium bei 4,2K (-269°C)
![Page 5: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/5.jpg)
Entwicklung der Sprungtemperatur
"klassische" SL
"Hochtemperatur"-Supraleiter
flüss. Stickstoff
![Page 6: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/6.jpg)
Wie funktioniert Supraleitung?
Erklärung nur durch Quantenmechanik
die klassische Physik versagt!
Supraleitung ist die Spielwiese der QM
SL
QM
![Page 7: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/7.jpg)
Schnellkurs in Quantenmechanik
Newton 1704: Licht-Teilchen
Huygens 1691: Licht-Wellen
Planck 1900: Licht-Quanten E = hν
Heisenberg: es gib überhaupt keine Teilchen oder Wellen !
dies sind nur Erscheinungsformen der Quanten
Quadrat? Kreis? Zylinder!
![Page 8: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/8.jpg)
Beugung am Regenschirm
![Page 9: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/9.jpg)
Beugungs-Experimente mit Quanten
Quelle Doppelspalt Schirm
wenige Lichtquanten (Photonen) wenige Elektronen
![Page 10: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/10.jpg)
Elektronen im Supraleiter
Elektronen im Supraleiter binden sich zu Paaren
alle Paare zusammen bilden klassische Welle:
"Cooperpaare"
" Makroskopischer Quantenzustand "
![Page 11: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/11.jpg)
Wellen auf dem Ring
n=1 n=2 n=3 usw...
Wellenlänge muss auf den Umfang passen:n 2 r
Wellenlänge I mpuls Strom Magnetfl uss
d. h. der Fluss ist "quantisiert" Φ = n Φ 0
0n
![Page 12: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/12.jpg)
Flussquantisierung: Experiment
Doll und NäbauerMünchen 1961
15 20
h2 10 Tesla m
e2
Magnetfl
uss
im
Rin
g
äußeres Magnetfelderster Beweis
für Paare!
![Page 13: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/13.jpg)
Josephson-Effekt
2-Strahl-Interferenz mit Elektronenpaaren
empfindlichstes Messinstrument überhaupt
Superconducting QUantum Interference Device, SQUID
Engstellen B
Strom
Magnetfeld B (10-5T)Str
om
![Page 14: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/14.jpg)
"gleichnamige Ladungen stoßen sich ab"
Die Paar-Anziehungskraft
- gilt nicht im Festkörper!
"Matratzenbild":
klassische SL: Gitterdeformation
HTSL: magnetische Wechselwirkung
![Page 15: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/15.jpg)
BCS-Theorie
J. Bardeen L. N. Cooper R. Schrieffer
Paare sind miteinander "verzahnt"
Strom: Bewegung aller Paare "im Gleichschritt"
wegen Pauliprinzip
Paare sind gemeinsam stark: Suprastrom !
Demonstration dazu
![Page 16: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/16.jpg)
bei Anwendungen wird es kritisch
SL bricht im Magnetfeld schnell zusammen !
Anwendungsbereich der ersten SL ("1. Art") war zu begrenzt
![Page 17: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/17.jpg)
B=0
Magnetfeld wird beim Abkühlen aus der Probe verdrängt
WaltherMeissner
sonst kein SL Zustand möglich
Ursache: der Meissner-Effekt
irgendwann geht dem SL "die Luft aus": kritische Feldstärke
Verdrängung kostet Energie, mit steigendem Feld immer mehr
![Page 18: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/18.jpg)
Die Supraleiter zweiter Art das Magnetfeld wird nur teilweise verdrängt
SL bildet Flussquanten
weniger Feldverdrängung kostet weniger Energie
Kritische Feldstärke erhöht sich stark
![Page 19: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/19.jpg)
Kritische Felder von SL 2. Art
T in Kelvin
Bc
in T
esl
a
![Page 20: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/20.jpg)
der erste technische Durchbruch
"Stabilisierung" bringt technische Reife
NbTi-Legierung lässt sich kostengünstig zu Drähten ziehen
Vieldraht-Leiter
14 000 Einzeldrähte
NbTi in CuNi-Hülle20x
![Page 21: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/21.jpg)
Beschleuniger-Magnete
Hera-Tunnel, DESY, Hamburg
4,7 Tesla 6,3km
LHC-Projekt, Genf1200 Dipolmagnete 8,6Tje 15m, 24t (bis 2005)
![Page 22: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/22.jpg)
8,6km
CERN
![Page 23: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/23.jpg)
IGC
Magnetresonanz-Tomographie
MRT hat größten Marktanteil bei Supraleiter-Produkten
![Page 24: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/24.jpg)
NMR-Spektroskopie
Kernspin-Resonanz
bei 900 MHz/21Tesla
für chemische Analyse
mit Nb3Sn-Spule
für höchste Magnetfelder
NMR-Spektrum
![Page 25: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/25.jpg)
"Hochtemperatur"-Supraleiter
Nobelpreis Ende 1987
A. Müller: Ehren -Dr. TUM, Mitte 1987
1986 erster HTSL (LaBa)2CuO4
W. Bednorz A. Müller
1987 Supraleiter mit Tc > 90 K
![Page 26: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/26.jpg)
Die wichtigsten HTSL
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (BSCCO oder Bi-2223) 110K
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (TBCCO oder Tl-2223) 125K
HgBa2Ca2Cu3O10 (HBCCO oder Hg-1223) 138K
YBa2Cu3O7 (YBCO oder Y-123) 93 K
YBCO
CuO2-Ebenentragen die SL
![Page 27: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/27.jpg)
Erweiterte Grenzen
![Page 28: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/28.jpg)
Heat TreatmentRolling
Deformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling
Part 1:Precursor
Fabrication
Part 2:Microstructure
Engineering
Heat TreatmentRolling Heat TreatmentRolling
Deformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling
Part 1:Precursor
FabricationDeformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling Deformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling
Part 1:Precursor
Fabrication
Part 2:Microstructure
Engineering
Herstellung von BSCCO-Leitern
Heat TreatmentRolling
Deformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling
Part 1:Precursor
Fabrication
Part 2:Microstructure
Engineering
Heat TreatmentRolling Heat TreatmentRolling
Deformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling
Part 1:Precursor
FabricationDeformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling Deformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling
Part 1:Precursor
Fabrication
Part 2:Microstructure
Engineering
REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM
Teil 2:
Metallurgie
Teil 1:
Rohling
herstellen
Pulver-Herstellung Bolzen versiegeln Draht ziehen
neu bündeln neu ziehen
flach walzen Wärmebehandlung
![Page 29: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/29.jpg)
BSCCO-Leiter
Leiter-Vergleich mit Kupfer
Kabel aus 170 Leitern
Matrix• Ag or Ag alloy
HTS Filaments• BSCCO-2223• 55 filaments
Definitions:• je = current density of entire tape• jc = current density of HTS filaments• fill factor = je / jc
Matrix• Ag or Ag alloy
HTS Filaments• BSCCO-2223• 55 filaments
Definitions:• je = current density of entire tape• jc = current density of HTS filaments• fill factor = je / jc
HTS Filaments• BSCCO-2223• 55 filaments
Definitions:• je = current density of entire tape• jc = current density of HTS filaments• fill factor = je / jc
REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM
![Page 30: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/30.jpg)
Starkstrom-Leitung mit BSCCO-Draht
(Pirelli + American Superconductor)
Umspannwerk Detroit-Frisbee 3-adriges SL Kabel360 m lang
![Page 31: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/31.jpg)
MRT-Spule aus BSCCO-Draht
(Siemens
+Oxford Instruments)
offenes System
für seitlichen
Zugang
(Operationen)
![Page 32: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/32.jpg)
YBCO Dünnschichten
230 mm
kostengünstig durch Vielfach-Prozess
hohe Qualität und Reproduzierbarkeit
Heizer700°C
O2 Sauerstoff
Verdampfer
Yttrium
rotierendes
"Garching-Verfahren"
Vakuumpumpezur
Vakuum
Substrat
BariumKupfer
![Page 33: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/33.jpg)
Filter aus YBCO-Dünnschichten
Filter höchster Trennschärfe
(Bosch/Astrium+THEVA)
Mobilfunk - Stationen
Satelliten - Kommunikation
Satelliten-Transponder
![Page 34: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/34.jpg)
Strombegrenzer aus YBCO-Dünnschichten
schnelle Absicherung in der Energietechnik
erhöht die Transportkapazität von Stromnetzen
(Siemens
+THEVA
+TU München)
![Page 35: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/35.jpg)
Wirkungsweise von Strombegrenzern
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Zeit [ms]
-700
-500
-300
-100
100
300
500
700St
rom
[A
]
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
Span
nung
[V
]
SpannungSpannungStromStrom
Zeit (ms)
Str
om
(A
) Sp
an
nu
ng
(V)
![Page 36: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/36.jpg)
THErmal EVAporation = THEVA GmbH
ProdukteProdukte
YBCO FilmeYBCO Filme
BeschichtungsanlagenBeschichtungsanlagen
JJcc-Scanner-Scanner
F&E:F&E:
BandbeschichtungBandbeschichtung
Energietechnik-AnwendungenEnergietechnik-Anwendungen
MikrowellenMikrowellen
gegründet 1995 12 Vollzeit-Mitarbeiter
www.theva.com
![Page 37: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/37.jpg)
Neuere Entwicklung: MgB2
einfache Verbindung
Standard-Chemikalie
Magnesium
Bor
Magnesium-DiboridTc=39K
"Matratze"
![Page 38: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/38.jpg)
Die SL sind immer gut für Überraschungen
Schlussbemerkung
Supraleitung ist Lehrbeispiel der Quantenmechanik
"klassische" Supraleiter haben bedeutenden Markt
"Hochtemperatur"-Supraleiter mausern sich
![Page 39: Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022081421/55204d6449795902118ba09b/html5/thumbnails/39.jpg)