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DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE

Einführungsbeitrag

Das Restwiderstandsverhältnis RRR (en: residual resistance ratio) von Supraleitern ist definiert als das Verhältnis des Widerstands des Supraleiters bei Raumtemperatur zu seinem Widerstand unmittelbar oberhalb des Übergangs zur Supraleitung. Hochreines Niob ist das hauptsächlich verwendete Material bei der Herstellung von supraleitenden Hochfrequenz-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 sind assoziiert mit höheren Werten für das Restwiderstandsverhältnis. Dieser Teil der internationalen Normenreihe IEC 61788 "Supraleitfähigkeit" beschreibt ein Prüfverfahren zur Bestimmung des Restwiderstandsverhältnisses RRR von Niob mit Kavitäts-Güte. Dieses Verfahren ist für hochreines Niob mit einem Restwiderstandsverhältnis zwischen 150 und 600 vorgesehen. Das Prüfverfahren sollte gültig sein für Proben mit einem rechteckigen oder runden Querschnitt mit einer Querschnittsfläche größer als 1 mm² aber kleiner als 20 mm², und einer Länge, die nicht kleiner ist als das 10-Fache und nicht größer ist als das 25-Fache der Breite oder des Durchmessers der Probe. Niob zeigt aufgrund seines Überganges zum supraleitenden Zustand bei ~9,2 K spezielle Probleme, denn der elektrische Gleichstromwiderstand unterhalb dieser Temperatur beträgt effektiv null Ohm. Mit der obigen Definition ergäbe sich somit ein unendlicher Wert für das Restwiderstandsverhältnis. In dieser Internationalen Norm wird ein Prüfverfahren beschrieben, bei dem das Restwiderstandsverhältnis aus der graphischen Darstellung des Widerstandes in Abhängigkeit des Transportstroms bestimmt wird. Dabei wird die Probe in Abwesenheit eines angelegten magnetischen Felds sukzessive bis durch den supraleitenden Übergang hindurch erwärmt. Dies resultiert in einer Bestimmung des Restwiderstandes bei einer Temperatur von ~10 K, also gerade eben oberhalb des Übergangs zur Supraleitung. 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 aufweisen. Dieser Unterschied ist für die Durchführung von Messungen des elektrischen Widerstands nicht unerheblich, da Niob-Proben wahrscheinlich für das gleiche Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis deutlich länger sind als ein Draht, 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 beschrieben. Ein Prüfaufbau 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 Stromzuführungen und -kontakte und die Minimierung des thermischen Gradienten über große Probenlängen in Betrachtung ziehen. Diese Aspekte unterscheiden die vorliegende Internationale Norm von verwandten Normen für Drähte. Es sind verschiedene andere Prüfverfahren 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 Prüfverfahren 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 sorgfältig darauf geachtet werden, dass diese Norm angewendet wird, oder die dazu angegebenen Korrekturen, die entsprechend dem verwendeten Prüfverfahren in Anhang A aufgelistet sind. Wann immer möglich sollte dieses Prüfverfahren an Händler und Kooperationspartner gegeben werden, die ebenfalls Messungen des Restwiderstandsverhältnisses durchführen. Um die Konsistenz zu fördern, sind die Ergebnisse von Vergleichs-Rundversuchen zwischen verschiedenen Laboren ebenfalls in Anhang A wiedergegeben. Zuständig ist das DKE/K 184 "Supraleiter" der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE.

Änderungsvermerk

Gegenüber DIN EN IEC 61788-23 (VDE 0390-23):2019-08 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Der Titel wurde geändert und mit Bezug auf Niobium von höchster Reinheit (Kavitäts-Güte) präzisiert. b) Der Anwendungsbereich wurde aktualisiert. c) Überarbeitung und Präzisierung von Beschreibungen zur Durchführung von Messungen und Prüfungen zum besseren Verständnis. d) Bezüge und Verweisungen wurden aktualisiert. e) Angaben zu Werten, Grenzwerten und Messbedingungen wurden aktualisiert.

Zuständiges nationales Arbeitsgremium

DKE/K 184 - Supraleiter