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DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE

Einführungsbeitrag

Hochreines Niob ist das Hauptmaterial bei der Herstellung von supraleitenden Radiofrequenz-Kavitäten. Niob ähnlicher Güte kann für die Herstellung von supraleitenden Drähten verwendet werden. Für Zwecke der Beschaffung von Rohmaterialien und zur Qualitätssicherung für die gelieferten Produkte wird oft das Restwiderstandsverhältnis (RRR) (en: residual resistance ratio) herangezogen, um die Reinheit eines Metalls zu spezifizieren oder zu bewerten. Für andere Metalle als Niob ist das Restwiderstandsverhältnis definiert als das Verhältnis des elektrischen Widerstands gemessen bei Raumtemperatur (293 K), zum elektrischen Widerstand derselben Probe gemessen bei tiefer Temperatur (~4,2 K). Der Tieftemperaturwiderstand wird oft Restwiderstand genannt. Höhere Reinheiten assoziieren mit höheren Werten für das Restwiderstandsverhältnis. Niob zeigt besondere Probleme aufgrund seines Überganges zum supraleitenden Zustand bei 9,2 K. Dadurch ist der elektrische Gleichstromwiderstand unterhalb dieser Temperatur effektiv null. Mit der obigen Definition ergäbe sich somit ein unendlicher Wert für das Restwiderstandsverhältnis. In dieser Internationalen Norm wird ein Testverfahren beschrieben, um das Restwiderstandsverhältnis aus der graphischen Darstellung des Widerstandes in Abhängigkeit des Transportstroms zu bestimmen. Dabei wird die Probe sukzessive bis durch den supraleitenden Übergang hindurch erwärmt. Dies resultiert in einer Bestimmung des Restwiderstandes bei einer Temperatur von ~10 K. Aus diesem Wert wird anschließend das Restwiderstandsverhältnis bestimmt. Auch für die Bestimmung des Restwiderstandsverhältnisses von supraleitenden Drähten existieren Internationale Normen. Im Gegensatz zu supraleitenden Drähten, welche gewöhnlich eine Verbindung aus supraleitenden und nicht-supraleitenden Materialien sind und bei denen das Restwiderstandsverhältnis nur repräsentativ für die supraleitende Komponente ist, besteht hier die gesamte Probe aus supraleitendem Niob. Niob steht üblicherweise in Form eines Bleches, Barrens oder Rohres, nicht aber als Draht zur Verfügung. Für solche Formen werden Probenkörper wahrscheinlich Dimensionen von einigen Millimetern transversal zur elektrischen Stromrichtung besitzen. Dieser Unterschied ist für elektrische Widerstandsmessungen nicht unerheblich, da Niob-Proben wahrscheinlich für das gleiche Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis deutlich länger sind und höhere elektrische Ströme benötigt werden, um ausreichende Spannungssignale zu erzeugen. Eine Anleitung für die Dimensionierung von Proben und elektrischen Anschlüssen ist in Anhang A gegeben. Ein Testaufbau sollte auch Aspekte wie die Orientierung des Probenkörpers im Verhältnis zur Oberfläche des flüssigen Heliums, die Zugänglichkeit der Anschlüsse durch Öffnungen in gängigen Dewargefäßen für flüssiges Helium, das Design der Stromkontakte und die Minimierung des thermischen Gradienten über große Probenlängen in Betrachtung ziehen. Diese Aspekte unterscheiden die vorliegende Internationale Norm von ähnlichen Normen für Drähte. Es sind verschiedene andere Testverfahren angewendet worden, um das Restwiderstandsverhältnis zu bestimmen. In einigen Verfahren wird für den hohen Widerstandswert eine Messung bei einer von 293 K abweichenden Temperatur verwendet. Einige Verfahren nutzen für den niedrigen Widerstandswert eine Extrapolation bei 4,2 K. Ein Vergleich zwischen dem Verfahren dieser Norm und anderen Testverfahren wird in Anhang A dargestellt. Es sollte angemerkt werden, dass bei diesen anderen Verfahren Abweichungen von bis zu 10 % auftreten, was größer als die angestrebte Unsicherheit nach dieser Norm ist. Aus diesem Grund sollte darauf geachtet werden diese Norm oder die entsprechenden in Anhang A aufgelisteten und dem verwendeten Testverfahren entsprechenden Korrekturen anzuwenden. Wann immer möglich sollte dieses Testverfahren an Händler und Kooperationspartner gegeben werden, die ebenfalls Messungen des Restwiderstandsverhältnisses durchführen. Um die Konsistenz zu fördern, sind die Ergebnisse von Vergleichs-Ringversuchen zwischen verschiedenen Laboren ebenfalls in Anhang A beschrieben. Der hier vorliegende Teil 23 der internationalen Normenreihe IEC 61788 beschreibt ein Testverfahren zur Bestimmung des Restwiderstandsverhältnisses (RRR), rRRR, von Niob mit Kavitäts-Güte. Dieses Verfahren ist für hochreines Niob mit 30 < rRRR vorgesehen. Das Testverfahren sollte gültig sein für Proben mit einem rechteckigen oder runden Querschnitt mit einer Querschnittsfläche zwischen 1 mm2 und 20 mm2 und einer Länge, die nicht kleiner ist als das Zehnfache der Breite oder des Durchmessers der Probe. Zuständig ist das DKE/K 184 "Supraleiter" der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE.

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Zuständiges nationales Arbeitsgremium

DKE/K 184 - Supraleiter