DE10125429B4

DE10125429B4 - Supraleitfähige Höchstfeldmagnetspule mit HTS-Spulensektion und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE10125429B4
Application number: DE10125429A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Roth; Arne Prof. Dr. Kasten
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2021-05-26
Also published as: GB2380260A; DE10125429A1; US20020175790A1; GB0212069D0; GB2380260B; US6600398B2

Abstract

Supraleitfähige Höchstfeldmagnetspule mit mehreren, im wesentlichen solenoidförmigen, mehrlagigen, um eine gemeinsame zentrale Achse a lagenweise auf einen hohlzylindrischen Tragekörper (3;13;23) gewickelten Spulensektionen, die elektrisch in Serie geschaltet sind und im Betrieb einen Strom von mehr als 100 A tragen können, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innerste Spulensektion (1) supraleitfähigen Draht (2;12;22) umfasst, der oxidisches Hochtemperatursupraleiter (=HTS)-Material enthält, wobei die Lagen der radial innersten Spulensektion (1) helixförmig mit freien, axialen Abständen zwischen den Windungen gewickelt sind, wobei die innerste Spulensektion (1) einer Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre unterzogen wurde und anschließend die freien, axialen Abstände ausgegossen wurden, derart, dass während der Wärmebehandlung die Wärme und der Sauerstoff das HTS-Ausgangsmaterial der Wicklungen frei von allen Seiten erreichen konnte.

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitfähige Höchstfeldmagnetspule mit mehreren, im wesentlichen solenoidförmigen, mehrlagigen, um eine gemeinsame zentrale Achse a lagenweise auf einen hohlzylindrischen Tragekörper gewickelten Spulensektionen, die elektrisch in Serie geschaltet sind und im Betrieb einen Strom von mehr als 100 A tragen können, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Magnetanordnung.

Eine solche Anordnung und das entspreche de Herstellungsverfahren sind beispielsweise aus der US 5,319,333 bekannt.

Seit 1986 sind Hochtemperatursupraleiter (=HTS) aus oxidischem Keramikmaterial bekannt. Diese haben die besondere Eigenschaft, dass sie sehr hohe Sprungtemperaturen bis zu 120 K und auch sehr hohe obere kritische Magnetfelder BC2 besitzen.

Ein wesentlicher Nachteil des Materials ist, dass es nur sehr schwer handhabbar ist und dass zur Erzeugung der guten Supraleiter-Eigenschaften sehr komplizierte Prozessschritte und die genaue-Einhaltung sehr enger Grenzbedingungen notwendig sind.

Bei einem Prozessschritt wird eine Wärmebehandlung bei Temperaturen im Bereich 800° C unter einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt. Dabei ist es zum Erhalt der bestmöglichen Supraleiter-Eigenschaften notwendig, den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre sehr genau zu kontrollieren und am Supraleiter jederzeit in der geforderten Konzentration entsprechend dem angestrebten Prozessverlauf zur Verfügung zu stellen. Um eine größtmögliche Isotropie der Materialeigenschaften zu erreichen, muss überall während des Herstellungsprozesses die gleiche Sauerstoff-Konzentration und die gleiche Temperatur (mit Abweichungen höchstens im Bereich einiger K) sichergestellt werden.

Dies gelingt in der Zwischenzeit für relativ frei zugängliche Leiterstücke und zur Magnetfelderzeugung für locker gewickelte "Pancake"-Spulen und in Einzelfällen auch bei dicht gewickelten Pancake-Spulen. Bei den Pancake-Spulen ist stets die obere und untere Seite der Wickelschnecke frei zugänglich und kann von dem Sauerstoff umströmt werden.

Für den Bau von Kernspinresonanz(=NMR)-Magneten, die ein Magnetfeld mit hoher zeitlicher Konstanz sowie hoher Homogenität erfordern, ist ein Aufbau der Spule mit Hilfe gestapelter Pancake-Spulen nicht denkbar, da hierfür eine sehr große Zahl aufbauender supraleitender Verbindungen benötigt würde, deren Anordnung auf einer kompakten Spule aus Platzgründen nicht möglich ist.

Außerdem erhöht die hohe Zahl supraleitender Verbindungen das Risiko des Versagens einer Verbindung, was zu einem driftenden Gesamtmagneten führen würde.

Auch kann mit einer Pancake-Anordnung die gewünschte Magnetfeld-Homogenität allenfalls nur mit größten Anstrengungen erreicht werden.

Die bevorzugte Spulengeometrie für einen NMR-Magneten wäre vielmehr eine solenoidförmige Anordnung, wobei sich das Wickelpaket auch möglichst über mehrere Lagen bis hin zu einer sehr großen Anzahl von Lagen erstrecken sollte. Dieser Anforderung stehen für HTS-Leiter jedoch die eingangs erwähnten Reaktionsbedingungen entgegen, die erfordern, dass der Sauerstoff die Leiter bei der Herstellung der Wicklung in genügendem Maße erreichen kann.

Um dies zu ermöglichen, sind aus dem Bereich der metallischen Supraleiter, wie etwa Nb₃Sn Wickeltechniken ("wind-and-react") bekannt, die die Wicklung von z. B. Helium-transparenten Spulen erlauben. Bei dieser Technik wird der Supraleiter auf parallel zur Achse a längsliegende Stege aufgewickelt und der seitliche Abstand zwischen den Leitern durch zahlreiche Distanzstücke gewährleistet . Allerdings ist für diese Herstellungsverfahren keine Wärmebehandlung und auch keine Sauerstoff-Zufuhr erforderlich. Die Verfahrensführung ist daher wesentlich weniger kritisch als die weiter oben beschriebene Herstellung von HTS-Leitern, sondern es findet eine reine Wärmebehandlung statt, die sich auch über lange Zeiträume in der Größenordnung einer Woche erstrecken kann und es sind dichtere Wicklungen möglich.

Die zur Herstellung metallischer Supraleiter angewandte Technik hat zudem bei der andersartigen Aufgabenstellung für die Herstellung von HTS-Leiterstücken den Nachteil, dass die Distanzstücke und Abstandshalter den Wärmebehandlungstemperaturen sowie der Sauerstoff-Atmosphäre einerseits standhalten müssen, andererseits aber nicht selbst mit dem Supraleiter Reaktionen eingehen, wodurch die Materialauswahl drastisch eingeschränkt wird. Aus diesen Gründen ist bislang kein Beispiel für eine solenoidartige transparente Spule aus HTS-Material, die der Wärmebehandlung unterzogen wurde, bekannt.

In der US 5,531,015 wird ein wind-and-react-Verfahren zur Herstellung einer ersten Magnetspule vorgestellt. Ein HTS-Multi-Filament-Supraleiter wird dabei sehr dicht auf einem Spulenkern aufgewickelt. Der Multifilament-Supraleiter ist von einem keramischen Isolatorband umhüllt. Ein merklicher Sauerstoffgastrom zwischen den Wicklungen des Mulit-Filament-Supraleiters erfolgt aufgrund des verschwindenden Strömungsraumes nicht. An anderer Stelle ist eine Pancake-Anordnung dargestellt. Zwischen den einzelnen Pancake-Spulen verbleibt ein Abstand, der von einer keramischen Isolationsscheibe aufgefüllt und damit für einen Gasstrom blockiert wird.

In der US 5,187,859 ist eine ähnliche Spule wie die erste Magnetspule der US 5,531,015 vorgestellt, wobei die Filamente des Supraleiters aus Nb₃Sn bestehen. Bei diesem Material spielt eine Sauerstoff-Zufuhr bei der Herstellung keine Rolle. Der Supraleiterstrang ist mit einem porösen Keramikband umgeben, das zur späteren Imprägnierung mit einem Epoxy-Kleber verwendet wird. Die Wicklungen selbst sind eng aneinander anliegend. Trotz der Porosität des Keramikbandes findet wegen der vernachlässigbaren Dicke des Keramikbandes im Vergleich zum Durchmesser des Supraleiterstranges kein merklicher Gasstrom zwischen den verschiedenen Wicklungslagen statt.

In der US 5,319,333 ist bei einer Spulenanordnung in einem radial äußeren Spulenabschnitt ein Blinddraht vorgesehen. Der Blinddraht ist massiv ausgebildet und bleibt für gasförmigen Sauerstoff während eines Glühprozesses ohne Transportfunktion.

Eine ähnliche Situation stellt sich in der FR 2 399 131 dar. Die radialen Lagen einer Spule werden von einem Graphitband zum Zwecke der Isolation getrennt. Das Graphitband stellt ein Hindernis für einen möglicher Sauerstofftransport zwischen den radialen Lagen dar.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine NMR-fähige Solenoidspule vorzustellen, die möglichst wenige supraleitende Verbindungen aufweist, topologisch einfach aufgebaut ist, einen Strom von einigen hundert Ampere tragen kann und HTS-Material enthält, so dass sie die Erzeugung von höheren Magnetfeldern als 21 Tesla ermöglicht, was mit metallischem Supraleitermaterial allein nicht erreicht werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, dass die radial innerste Spulensektion supraleitfähigen Draht umfasst, der oxidisches Hochtemperatursupraleiter (=HTS)-Material enthält, wobei die Lagen der radial innersten Spulensektion helixförmig mit freien, axialen Abständen zwischen den Windungen gewickelt sind, wobei die innerste Spulensektion einer Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre unterzogen wurde und anschließend die freien, axialen Abstände ausgegossen wurden, derart, dass während der Wärmebehandlung die Wärme und der Sauerstoff das HTS-Ausgangsmaterial der Wicklungen frei von allen Seiten erreichen konnte.

Damit gelingt es mit technisch leicht zu realisierenden Mitteln, die radial innerste Spulensektion einer supraleitfähigen Höchstfeldmagnetspule der eingangs beschriebenen Art trotz der oben geschilderten mannigfaltigen Schwierigkeiten aus HTS-Material zu fertigen und damit der Gesamtspule bei einer ausreichend hohen Stromtragfähigkeit die Erzeugung noch höherer Magnetfelder als bisher, nämlich in Größenordnungen über 21 T zu ermöglichen. Insbesondere kann auch die radial innerste Spulensektion als kompakte und topologisch einfach aufgebaute Solenoidspule ausgelegt werden, bei der nur eine minimale Anzahl von supraleitenden Verbindungen zu den radial äußeren Spulen erforderlich ist, so dass sich die Gefahr eines Verbindungsausfalls erheblich verringert, bzw. der technische Aufwand für die supraleitenden Verbindungen klein gehalten werden kann. Auf diese Weise können extrem homogene Magnetfelder, beispielsweise für NMR-Anwendungen, erzeugt werden, die in dieser Feldstärke mit herkömmlichen metallischen Supraleitern allein, wie etwa Nb₃Sn nicht erreicht werden können.

Durch die geometrisch geschickte helixförmige Wicklung mit freiem axialen Abstand zwischen den Wicklungen kann beim Herstellungsprozess das HTS-Ausgangsmaterial frei von allen Seiten von dem erforderlichen Sauerstoff und der Wärmezufuhr erreicht werden, ohne dass Teile der hergestellten Supraleiterabschnitte gegenüber anderen Teilen unterschiedliche Qualität aufweisen würden. Aufgrund der Isotropie der Herstellungsbedingungen weist daher auch das Endprodukt, nämlich die radial innerste Spulensektion einer supraleitfähigen Höchstfeldmagnetspule eine größtmögliche Isotropie ihrer Eigenschaften auf.

Zur mechanischen Stabilisierung des auf diese Weise hergestellten Wickelpakets werden die Hohlräume, insbesondere die freien axialen und radialen Abstände mit einem gießfähigen Material ausgegossen. Dies ist insbesondere aufgrund der extrem hohen zu erzeugenden Magnetfelder erforderlich, weil schon wegen der auf die Leiterabschnitte wirkenden Lorentzkräfte einer Bewegung bei Stromdurchfluss entgegengewirkt werden muss, was anderenfalls erhebliche Störungen des zu erzeugenden Magnetfelds zur Folge hätte.

Die Hauptanwendungen der erfindungsgemäßen Höchstfeldmagnetspulen dürften auf dem Gebiet der NMR, insbesondere bei im supra leitenden Kurzschluss über lange Zeiten betriebenen Magnetanordnungen liegen. Denkbar sind aber auch andere Anwendungen, wo beispielsweise zu Forschungszwecken Magnetfelder besonders hoher Feldstärke und großer Feldhomogenität erzeugt werden sollen.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Höchstfeldmagnetspule, bei der die Steigungen der helixförmigen Wicklungen radial aufeinander folgender Lagen alternieren.

Dadurch bleibt auch in radialer Richtung die volle Transparenz der Sauerstoffzufuhr sowie der Wärmezufuhr während des Herstellungsprozesses der HTS-Spulensektion erhalten.

Um die radiale Transparenz während des Herstellungsprozesses auch bei einer radialen elektrischen Isolation der Lagen voneinander beibehalten zu können, ist bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Lagen der radial innersten Spulensektion radial durch eine perforierte, elektrisch isolierende Schicht aus hochtemperaturfestem Material getrennt sind.

Dabei ist darauf zu achten, dass das Material der elektrisch isolierenden Schicht die Wärmebehandlungsbedingungen im Herstellungsprozess für die HTS-Abschnitte übersteht, die nach derzeitigem Kenntnisstand eine Wärmebehandlung bei ca. 800°C erfordern.

Der Einsatz einer elektrisch isolierenden Schicht radial zwischen den einzelnen Lagen kann aber auch entfallen, falls der hergestellte Draht der Spulensektion selbst isoliert ist. In diesem Fall muss das Isolationsmaterial des Drahtes so ausgewählt werden, dass eine ausreichende Sauerstoffzufuhr zum HTS-Ausgangsmaterial gewährleistet wird.

Bei einer einfachen Weiterbildung der oben beschriebenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Höchstfeldmagnetspule weist die elektrisch isolierende Schicht aus hochtemperaturfestem Material eine gelochte Folie oder Matte oder ein Netz oder eine Maschenstruktur auf.

Alternativ kann bei anderen Weiterbildungen die elektrisch isolierende Schicht aus hochtemperaturtestem Material axial verlaufende, in Umfangsrichtung um die zentrale Achse a voneinander beabstandete Streifen aufweisen. Dadurch wird eine axiale Durchströmung mit Sauerstoff während des Herstellungsprozesses für jede Lage der Spulensektion sichergestellt.

Eine weitere Alternative sieht vor, dass die elektrisch isolierende Schicht aus hochtemperaturfestem Material ringförmig um die zentrale Achse a verlaufende, axial voneinander beabstandete Streifen aufweist. Hierdurch wird eine azimutale Durchströmung sichergestellt.

Generell sollten die Größen und räumlichen Positionen aller verwendeten Perforationen, die axialen Abstände und die Steigung der helixförmigen Wicklungen so aufeinander abgestimmt werden, dass während der Herstellungsphase eine gute Durchströmung der Spulensektion sichergestellt ist.

Eine hohe Sauerstoff-Transparenz kann bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Höchstfeldmagnetspule erreicht werden, bei welcher der Tragekörper aus einem zylindrischen Innenrohr mit axialen Endflanschen aufgebaut ist, wobei das Innenrohr und/oder die Endflansche perforiert sind.

Besonders günstig ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der der Tragekörper ein radial um die zentrale Achse a angeordnetes Hüllrohr aufweist. Während der Fertigung kann mit Hilfe des Hüllrohres die Strömungsrichtung und Stärke des Behandlungsgases beeinflusst werden. Außerdem wird durch das radiale Hüllrohr eine mechanische Stabilisierung des Wickelpakets erreicht, die nach Abschluss des Fertigungsprozesses auch als Transportschutz für die fertige Spulensektion eingesetzt werden kann.

Um eine axiale Durchströmung während des Fertigungsprozesses zu ermöglichen, kann bei einer möglichen Ausführung das Hüllrohr eine durchgehende, massive Wandung aufweisen.

Bei einer alternativen Ausführung ist die Wandung des Hüllrohres perforiert, so dass eine radiale Durchströmung ermöglicht werden kann.

Um im Betrieb der erfindungsgemäßen Höchstfeldmagnetspule keinen Platz für das Hüllrohr vorsehen zu müssen, kann bei bevorzugten Weiterbildungen das Hüllrohr vom Tragekörper abnehmbar gestaltet sein.

Falls die für die Wicklungen verwendeten Drähte der innersten Spulensektion elektrisch nicht isoliert sind, wird ein elektrischer Kurzschluss mit dem Tragekörper dadurch verhindert, dass der Tragekörper zumindest wicklungsseitig mit einer hochtemperaturfesten Isolationsschicht versehen ist. Diese Isolationsschicht kann entweder durch eine Beschichtung, insbesondere eine Bedampfung oder durch Matten, Netze, Folien und dergleichen realisiert werden.

Vorteilhaft ist auch eine Weiterbildung, bei der das zylindrische Innenrohr auf seiner radialen Außenseite eine Helixstruktur aufweist, deren Steigung derjenigen der radial innersten Wicklungslage entgegengesetzt ist. Dadurch wird eine weitere Wicklungslage simuliert, um die Transparenz für die Sauerstoff-Zufuhr beim Herstellungsprozess voll zu erhalten.

Ebenso kann bei Weiterbildungen das radiale Hüllrohr auf seiner radialen Innenseite eine Helixstruktur aufweisen, deren Steigung derjenigen der radial äußersten Wicklungslage entgegengesetzt ist.

Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Höchstfeldmagnetspule, bei der eine zusätzliche radial innerste und/oder radial äußerste Wicklungslage vorgesehen ist, die im Betrieb nicht vom Magnetstrom durchflossenen ist. Die radial äußersten und radial innersten Lagen der Spulensektionen sind beim Herstellungsprozess naturgemäß dem zugeführten Sauerstoff mehr exponiert als die radial weiter innen oder außen liegenden Lagen. Daher besteht gerade bei diesen extremen Lagen die Gefahr einer Anisotropie in der Herstellungsqualität. Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform ist es daher vorteilhaft, wenn diese besonders gefährdeten Lagen durch "Dummy"-Lagen ersetzt werden, die im Betrieb der erfindungsgemäßen Magnetanordnung keinen Beitrag zur Magnetfelderzeugung leisten.

Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Höchstfeldmagnetspule, bei der die radial innerste Spulensektion zumindest in einer Lage einen weiteren, im Betrieb nicht vom Magnetstrom durchflossenen Draht enthält, der helixförmig mit axialem Abstand zum supraleitfähigen Draht gewickelt ist. Dadurch wird eine mechanische Stabilisierung des supraleitenden Drahtes während der Herstellung und auch im Betrieb erreicht.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist der weitere Draht gegenüber dem supraleitfähigen Draht eine unterschiedliche, vorzugsweise eine größere radiale Ausdehnung auf. Diese Ausgestaltung unterstützt die elektrische Isolierung zwischen den jeweiligen Lagen der Spulensektion und fixiert die jeweils angrenzende Lage mechanisch.

Das Vergussmaterial zwischen den Windungen und in den Hohlräumen der erfindungsgemäß aufgebauten innersten Spulensektion wird in der Regel nicht leitend gewählt, um neben der mechanischen Stabilisierung auch eine elektrische Isolation zwischen den einzelnen Leiterteilen zu erreichen.

Falls die supraleitfähigen Drähte der radial innersten Spulensektion elektrisch isoliert sind, beispielsweise durch eine entsprechende Schicht, so kann das Vergussmaterial auch elektrisch leitfähig gewählt werden, was im Falle eines Zusammenbruchs der Supraleitung (=Quench) zu einer schnelleren Ableitung des frei werdenden elektrischen Stromes und der entsprechenden Wärme beiträgt und damit einer Zerstörung der Magnetanordnung entgegenwirkt.

In den meisten Fällen wird der supraleitfähige Draht eine zylindrische, insbesondere eine kreiszylindrische oder ovale Querschnittsform aufweisen.

Für besondere Anwendungen kann aber auch eine rechteckige, insbesondere eine flache, bandartige Querschnittsform für den supraleitfähigen Draht der radial innersten Spulensektion gewählt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Höchstfeldmagnetspule zeichnet sich dadurch aus, dass der freie axiale Abstand zwischen den Windungen der radial innersten Spulensektion lagenweise oder innerhalb einer Lage variiert. Dadurch lassen sich weitere Freiheitsgrade für die Homogenisierung des zu erzeugenden Magnetfelds sowie für die Optimierung der Strömungsführung des Behandlungsgases erreichen.

Insbesondere auf dem Gebiet der Magnetresonanz ist es vorteilhaft, wenn die Magnetanordnung eine extrem hohe zeitliche Stabilität des erzeugten Magnetfeldes im Betrieb aufweist. Daher ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Höchstfeldmagnetspule von Vorteil, bei der ein supraleitender Schalter für einen supraleitenden Kurzschlussbetrieb der Höchstfeldmagnetspule vorgesehen ist.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen supraleitfähigen Höchstfeldmagnetspule. Das Herstellungsverfahren zeichnet sich erfindungsgemäß durch folgende Schritte aus:

(a) Helixförmiges Wickeln einer Lage von supraleitfähigem Draht, der oxidisches Hochtemperatursupraleiter (=HTS)-Material enthält, gemeinsam mit einem Beilaufdraht auf den Tragekörper;
(b) Entfernen des Beilaufdrahtes vom Tragekörper;
(c) Wiederholen der Schritte (a) und (b) solange, bis die gewünschte Anzahl von Lagen der Spulensektion erreicht ist;
(d) Wärmebehandlung des Wickelpakets zum Reagieren des HTS-Materials unter O₂-haltiger Gasatmosphäre mit für das verwendete HTS-Material optimierten Glühparametern;
(e) Vergießen der Hohlräume der Spulensektion.

Die Verwendung von Beilaufdraht beim Wickeln der Lagen der erfindungsgemäßen Spulensektion ermöglicht eine freie Einstellbarkeit der axialen Abstände und damit eine radiale bzw. azimutale Transparenz für den freien Zugang der Gasatmosphäre sowie der Wärmeströmung zu den inneren Lagen der Spulensektion während des Herstellungsprozesses. Durch geeignete Wahl von Form und Materialart des Beilaufdrahtes kann der Herstellungsprozess noch weiter optimiert werden.

Besonders bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der in Schritt (a) mehrere parallel laufende Beilaufdrähte zusammen mit dem supraleitfähigen Draht aus HTS-Material mitgewickelt werden, und in Schritt (b) mindestens einer der Beilaufdrähte nicht entfernt wird. Durch den im Wickelpaket verbleibenden Beilaufdraht wird eine mechanische Stabilisierung der Spulensektion erreicht. Vorzugsweise wird als verbleibender Beilaufdraht Edelstahldraht eingesetzt.

Um bei der Herstellung die kritische Temperaturführung zielgenau in der unmittelbaren Nachbarschaft der zu behandelnden Drähte aus HTS-Material zu unterstützen, ist bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Verfahrensvariante vorgesehen, dass in Schritt (d) der in der Wicklung verbliebene Beilaufdraht elektrisch beheizt wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt (a) beiderseits des supraleitfähigen Drahtes aus HTS-Material Beilaufdraht mitgewickelt. So kann sichergestellt werden, dass der supraleitende Draht an den axialen Enden vom Tragekörper der Spulensektion ausreichend beabstandet ist, um zum einen die Transparenz der Wicklung auch für die Spulenenden vollständig herzustellen und zum anderen einen elektrischen Kurzschluss zu verhindern.

Um den Wickelvorgang beim Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen Spulensektion erheblich zu vereinfachen, kann bei Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass der in Schritt (a) zugewickelte Beilaufdraht in Schritt (b) nicht entfernt wird, und dass vor oder während des Schrittes (d) in allen Lagen zumindest ein Teil des Beilaufdrahts abgebaut bzw. entfernt wird. Der Abbau des nach dem Herstellungsprozess nicht mehr benötigten Beilaufdrahtes kann auf thermische, chemische oder biologische Weise geschehen. Dabei wird darauf zu achten sein, dass möglichst keine Rückstände im Wickelpaket verbleiben. Eine andere Möglichkeit ist die mechanische Entfernung, beispielsweise durch Herausziehen des Drahtes.

Bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Herstellungsprozess so gestaltet werden, dass die Innenbohrung des hohlzylindrischen Tragekörpers an einem axialen Ende gasdicht verschlossen und am axial gegenüberliegenden Ende mit einer Gasabsaugvorrichtung versehen wird, durch welche in Schritt (d) Gas der Gasatmosphäre abgesaugt wird, dass radial um die Spulensektion herum ein Hüllrohr gasdicht angebracht wird, das Perforationen aufweist, durch welche in Schritt (d) Gas in die Innenbohrung des Tragekörpers eintreten kann, und dass in Schritt (d) eine gleichmäßige Durchströmung der Spulensektion mit Gas der Gasatmosphäre erfolgt.

Dadurch wird eine radiale Durchströmung des Wickelpakets während der Herstellung erreicht. Die Gasstromrichtung kann demgegenüber aber auch umgekehrt werden.

Bei einer alternativen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die Innenbohrung des hohlzylindrischen Tragekörpers nicht perforiert, insbesondere gasdicht ist, dass radial um die Spulensektion herum ein Hüllrohr gasdicht angebracht wird, das ebenfalls keine Perforation aufweist, insbesondere gasdicht ist, und dass axiale Endflansche an beiden axialen Enden des Tragekörpers angebracht werden, durch welche in Schritt (d) Gas der Gasatmosphäre gepumpt wird. Auf diese Weise wird eine axiale Durchströmung des Wickelpakets beim Herstellungsprozess erreicht.

Von besonderem Vorteil schließlich ist eine Verfahrensführung des Herstellungsprozesses, bei der die Temperatur des in Schritt (d) durchgepumpten Gases stabil gehalten, insbesondere geregelt wird. Dadurch können die kritischen Prozessparameter besonders zielgenau eingestellt und feinfühlig verändert werden, so dass aufgrund der jeweils gewählten Verfahrensführung die erfindungsgemäße Spulensektion als Ausgangsprodukt in äußerst engen Grenzen vorgebbare Eigenschaften erhalten kann.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Zeichnungen und der Beschreibung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß einzeln für sich und zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer helixartig auf einen hohlzylindrischen Tragekörper gewickelten Spulensektion, wobei zwischen den Windungen erfindungsgemäß ein freier axialer Abstand besteht, der später ausgegossen wird;
2 eine schematische Längsschnittdarstellung durch ein Wickelpaket mit einer erfindungsgemäßen Spulensektion, einem perforierten Hüllrohr um das Wickelpaket, einem in der Innenbohrung perforierten hohlzylindrischen Tragekörper und einer Pumpeinrichtung zum Umpumpen der Gasatmosphäre für die Glühbehandlung des Wickelpakets; und
3 wie 2, aber mit gasdichtem Hüllrohr und gasdichtem Innenrohr des Tragekörpers sowie axialer Gasströmung durch die Endflansche des Tragekörpers.
Bei der in 1 schematisch mit Blick von der Seite auf die Längsachse dargestellten Spulensektion 1 ist ein supraleitfähiger Draht 2 (im gezeigten Beispiel in zwei Lagen) derart helixförmig um einen hohlzylindrischen Tragekörper 3 mit axialen Endflanschen 8, 8' gewickelt, dass zwischen den Windungen ein freier axialer Abstand in Richtung einer zentralen Achse a frei bleibt, welcher nach der Herstellung der Spulensektion 1 ausgegossen wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat der supraleitfähige Draht 2 aus HTS-Material die Abmessungen 3 × 12 mm. 1 zeigt den Verlauf der Wicklung für die ersten beiden Lagen in der Abwicklung. Hierbei ist die Wicklung offen gewickelt, d. h. der Supraleiter selbst nimmt nur die Hälfte des Wickelvolumens ein, die andere Hälfte ist freigelassen. Durch diese Art der Wicklung ist das Wickelpaket auch über viele Lagen transparent und kann beim Glühprozess während der Herstellung von Sauerstoff durchströmt werden. Dabei kann der Sauerstoff jeweils von der Seite des Leiters ungehindert im gesamten Wickelpaket in den Leiter eindringen; von der Ober- und Unterseite des Leiters etwa über die Hälfte der Wicklung. Da die Diffusion des Sauerstoffs auf der Seite des Leiters erheblich höher ist als von der Ober- und Unterseite her, wird der Supraleiter an allen Stellen entsprechend den eingestellten und gewünschten Parametern reagiert. Um die Erzeugung einer solchen transparenten Wicklung mit gleichmäßigen und – wegen der benötigten Homogenität genau einzuhaltenden Abständen – wird wie folgt vorgegangen:
Gleichzeitig mit dem Supraleiter wird ein sogenannter Beilaufdraht mit denselben Abmessungen verwickelt. Beim Erreichen des einen Endes der Wickellage wird der Beilaufdraht abgeschnitten und rückwärts aus der Wicklung herausgewickelt. Dabei entsteht die in 1 dargestellte und für den Prozess benötigte Lücke zur Erzeugung der transparenten Wicklung.
Anstelle eines Beilaufdrahtes mit gleicher Geometrie kann auch Beilaufdraht mit derselben Höhe, aber unterschiedlicher Breite zum Supraleiterdraht verwickelt werden, wodurch die Breite der entsprechenden Lücke beliebig eingestellt werden kann. Durch richtige Wahl des Beilaufdrahtes kann die Transparenz der Wicklung genau so gewählt werden, wie sie für den Prozess erforderlich ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass anstelle eines einzelnen Beilaufdrahtes mehrere verschiedene Beilaufdrähte gleichzeitig verwickelt werden. Beispielsweise kann anstelle eines Cu-Drahtes in die Lücke abwechselnd ein Cu-Draht, ein Draht aus anderem Material und ein weiterer Cu-Draht gewickelt werden. In diesem Fall werden die bei den Cu-Drähte nach Vollenden einer Lage wieder aus der Wicklung herausgewickelt, der Draht aus anderem Material verbleibt jedoch in der Mitte der Lage.
Damit wird folgendes erreicht: Bei der Wärmebehandlung der transparenten Wicklung besteht die Gefahr, dass sich aufgrund der thermischen Änderungen die Wickelspannung löst und die Wicklung sich deformiert oder gar ins Rutschen kommt, wodurch die Homogenitätsanforderungen sicherlich nicht mehr erfüllt werden können. Da der Ausdehnungskoeffizient des hinzuzuwickelnden Drahtes aus anderem Material kleiner ist als der des keramischen Supraleiters, bleibt die Wickelspannung während der Wärmebehandlung erhalten.
Diese Konstruktion hat den weiteren Vorteil, dass das hinzugewickelte andere Material zusätzlich beim Betrieb der Magnetspule hilft und ermöglicht, dass die Wicklung höhere Kräfte aushalten kann. Zur weiteren Stabilisierung der Wicklung während der Reaktion kann über dem Tragekörper 13 von außen ein gasdurchlässiges, manschettenartiges Hüllrohr 14 aufgebracht werden, das die Wicklungen des HTS-Drahts 12 weiter stabilisiert, wie in 2 dargestellt ist, die einen Querschnitt durch das Wickelpaket zeigt.
Nach erfolgter Wärmebehandlung werden die Hohlräume in der transparenten Wicklung durch ein geeignetes Material gefüllt. Dies kann zum Beispiel durch einen Vakuumverguss mit Wachs oder einem Epoxitharz geschehen.
Für die Wärmebehandlung, bei der der Sauerstoff den Supraleiter auch im Inneren der Wicklung erreichen muss, wird wie folgt vorgegangen: Die Wicklung wird auf einen mit zahlreichen Löchern versehenen Tragekörper 13 aufgebracht, der aus einem zylindrischen Innenrohr 19 mit gasdichten Endflanschen 18, 18' aufgebaut ist. Dabei ist die zylindrische Bohrung des Tragekörpers 13 an einem Ende mit einem Deckel 15 verschlossen und am anderen Ende mit einem Rohransatz 16 ver sehen, der zu einem Gebläse 17 führt, das die Gasatmosphäre umwälzt. Dadurch wird eine gleichmäßige Gasströmung radial quer durch die Wicklung und durch den Tragekörper 13 erzeugt. Dabei ist die Strömungsrichtung in beide Richtungen einstellbar. Auch muss das Gas nicht in einem Ofen umgewälzt werden, sondern es kann auch aus dem Ofen entfernt und an anderer Stelle wieder eingespeist oder frisches Gas hinzugefügt werden.
In 3 schließlich ist eine Vorrichtung zur Prozessführung dargestellt, in welcher die Wicklung nicht in radialer Richtung, sondern in axialer Richtung durchströmt wird. Dabei ist die Innenbohrung des hohlzylindrischen Tragekörpers 23 nicht perforiert, sondern gasdicht und das radial um die Spulensektion mit den HTS-Drahtwicklungen 22 herum angeordnete Hüllrohr 24 ist ebenfalls gasdicht angebracht und weist keine Perforationen auf. An beiden axialen Enden des Tragekörpers 23 sind axiale Endflansche 28, 28' vorgesehen, durch welche das Gas der Gasatmosphäre in axialer Richtung der Anordnung gepumpt werden kann.

Claims

Supraleitfähige Höchstfeldmagnetspule mit mehreren, im wesentlichen solenoidförmigen, mehrlagigen, um eine gemeinsame zentrale Achse a lagenweise auf einen hohlzylindrischen Tragekörper (3;13;23) gewickelten Spulensektionen, die elektrisch in Serie geschaltet sind und im Betrieb einen Strom von mehr als 100 A tragen können, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innerste Spulensektion (1) supraleitfähigen Draht (2;12;22) umfasst, der oxidisches Hochtemperatursupraleiter (=HTS)-Material enthält, wobei die Lagen der radial innersten Spulensektion (1) helixförmig mit freien, axialen Abständen zwischen den Windungen gewickelt sind, wobei die innerste Spulensektion (1) einer Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre unterzogen wurde und anschließend die freien, axialen Abstände ausgegossen wurden, derart, dass während der Wärmebehandlung die Wärme und der Sauerstoff das HTS-Ausgangsmaterial der Wicklungen frei von allen Seiten erreichen konnte.
Höchstfeldmagnetspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungen der helixförmigen Wicklungen radial aufeinander folgender Lagen alternieren.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen der radial innersten Spulensektion (1) radial durch eine perforierte, elektrisch isolierende Schicht aus hochtemperaturfestem Material getrennt sind.
Höchstfeldmagnetspule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht aus hochtemperaturfestem Material eine gelochte Folie oder Matte oder ein Netz oder eine Maschenstruktur aufweist.
Höchstfeldmagnetspule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht aus hochtemperaturfestem Material axial verlaufende, in Umfangsrichtung um die zentrale Achse a voneinander beabstandete Streifen aufweist.
Höchstfeldmagnetspule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht aus hochtemperaturfestem Material ringförmig um die zentrale Achse a verlaufende, axial voneinander beabstandete Streifen aufweist.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragekörper (3;13;23) aus einem zylindrischen Innenrohr (19;29) mit axialen Endflanschen (8,8';18,18';28,28') aufgebaut ist, und dass das Innenrohr (19) und/oder die Endflansche (28,28') perforiert sind.
Höchstfeldmagnetspule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragekörper (3;13;23) ein radial um die zentrale Achse a angeordnetes Hüllrohr (14;24) aufweist.
Höchstfeldmagnetspule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (24) eine durchgehende, massive Wandung aufweist.
Höchstfeldmagnetspule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (14) eine perforierte Wandung aufweist.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (14;24) vom Tragekörper (13;23) abnehmbar ist.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragekörper (13;23) zumindest wicklungsseitig mit einer hochtemperaturfesten Isolationsschicht versehen ist.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Innenrohr (19;29) auf seiner radialen Außenseite eine Helixstruktur aufweist, deren Steigung derjenigen der radial innersten Wicklungslage entgegengesetzt ist.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das radiale Hüllrohr (14;24) auf seiner radialen Innenseite eine Helixstruktur aufweist, deren Steigung derjenigen der radial äußersten Wicklungslage entgegengesetzt ist.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innerste Spulensektion (1) zumindest in einer Lage einen weiteren, im Betrieb nicht vom Magnetstrom durchflossenen Draht enthält, der helixförmig mit axialem Abstand zum supraleitfähigen Draht gewickelt ist.
Höchstfeldmagnetspule nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Draht gegenüber dem supraleitfähigen Draht eine unterschiedliche, vorzugsweise eine größere radiale Ausdehnung aufweist.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche radial innerste und/oder radial äußerste Wicklungslage vorgesehen ist, die im Betrieb nicht vom Magnetstrom durchflossenen ist.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergussmaterial der radial innersten Spulensektion (1) elektrisch nichtleitend ist.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergussmaterial der radial innersten Spulensektion (1) elektrisch leitend ist.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitfähige Draht (2;12;22) eine zylindrische, insbesondere eine kreiszylindrische oder ovale Querschnittsform aufweist.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitfähige Draht (2;12;22) eine rechteckige, insbesondere eine flache, bandartige Querschnittsform aufweist.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der freie axiale Abstand zwischen den Windungen der radial innersten Spulensektion (1) lagenweise oder innerhalb einer Lage variiert.
Höchstfeldmagnetspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein supraleitender Schalter für einen supraleitenden Kurzschlussbetrieb der Höchstfeldmagnetspule vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung einer supraleitfähigen Höchstfeldmagnetspule nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte (a) Helixförmiges Wickeln einer Lage von supraleitfähigem Draht (2;12;22), der oxidisches Hochtemperatursupraleiter (=HTS)-Material enthält, gemeinsam mit einem Beilaufdraht auf den Tragekörper (3;13;23); (b) Entfernen des Beilaufdrahtes vom Tragekörper (3;13;23); (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b) solange, bis die gewünschte Anzahl von Lagen der Spulensektion (1) erreicht ist; (d) Wärmebehandlung des Wickelpakets zum Reagieren des HTS-Materials unter O₂-haltiger Gasatmosphäre mit für das verwendete HTS-Material optimierten Glühparametern; (e) Vergießen der Hohlräume der Spulensektion (1).
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) mehrere parallel laufende Beilaufdrähte zusammen mit dem supraleitfähigen Draht (2;12;22) aus HTS-Material mitgewickelt werden, und dass in Schritt (b) mindestens einer der Beilaufdrähte nicht entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (d) der in der Wicklung verbliebene Beilaufdraht elektrisch beheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) beiderseits des supraleitfähigen Drahtes (2;12;22) aus HTS-Material Beilaufdraht mitgewickelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt (a) zugewickelte Beilaufdraht in Schritt (b) nicht entfernt wird, und dass vor oder während des Schrittes (d) in allen Lagen zumindest ein Teil des Beilaufdrahts abgebaut bzw. entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenbohrung (19) des hohlzylindrischen Tragekörpers (13) an einem axialen Ende gasdicht verschlossen und am axial gegenüberliegenden Ende mit einer Gasabsaugvorrichtung (17) versehen wird, durch welche in Schritt (d) Gas der Gasatmosphäre abgesaugt wird, dass radial um die Spulensektion herum ein Hüllrohr (14) gasdicht angebracht wird, das Perforationen aufweist, durch welche in Schritt (d) Gas in die Innenbohrung (19) des Tragekörpers (13) eintreten kann, und dass in Schritt (d) eine gleichmäßige Durchströmung der Spulensektion mit Gas der Gasatmosphäre erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstromrichtung umgekehrt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenbohrung (29) des hohlzylindrischen Tragekörpers (23) nicht perforiert, insbesondere gasdicht ist, dass radial um die Spulensektion herum ein Hüllrohr (24) gasdicht angebracht wird, das ebenfalls keine Perforation aufweist, insbesondere gasdicht ist, und dass axiale Endflansche (28;28') an beiden axialen Enden des Tragekörpers (23) angebracht werden, durch welche in Schritt (d) Gas der Gasatmosphäre gepumpt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des in Schritt (d) durchgepumpten Gases stabil gehalten, insbesondere geregelt wird.