DE102004043989B3

DE102004043989B3 - Supraleitfähige Magnetspulenanrodnung

Info

Publication number: DE102004043989B3
Application number: DE102004043989A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Schlenga; Volker Dr. Niemann; Gerhard Dr. Roth
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2004-09-11
Filing date: 2004-09-11
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-09-12
Also published as: US7310034B2; GB2418070B; US20060152315A1; GB2418070A; GB0518347D0

Abstract

Eine supraleitfähige Magnetspulenanordnung mit mindestens einer Sektion, die einen supraleitfähigen Bandleiter enthält, welcher in einer zylindrischen Wickelkammer (1) zwischen zwei Endflanschen (2, 3) mehrlagig, solenoidartig gewickelt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die radial innersten Lagen der Sektion aus metallischen Tieftemperatursupraleitern (LTS) bestehen (LTS-Lagen (8)) und radial hieran angrenzende Lagen der Sektion aus Hochtemperatursupraleiter(HTS)-Material aufgebaut sind (HTS-Lagen (9)). Es wird also eine Magnetspulenanordnung mit HTS-Material vorgeschlagen, die zur Korrektur von Inhomogenitäten eine Notch-Struktur aufweist und bei der die mechanische Belastung auf den HTS-Bandleiter möglichst gering gehalten wird. Somit wird die Homogenisierung eines kompakten Hochfeldmagneten realisiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitfähige Magnetspulenanordnung mit mindestens einer Sektion, die einen supraleitfähigen Bandleiter enthält, welcher in einer zylindrischen Wickelkammer zwischen zwei Endflanschen mehrlagig, solenoidartig gewickelt ist.
Derartige Magnetspulenanordnungen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.
In Magnetspulenanordnungen mit Tieftemperatursupraleitern (LTS) werden zur Homogenisierung kompakter Hochfeldmagnete häufig Notches zur Feldkorrektur eingesetzt. Ein herkömmlicher Notch-Bereich wird ausgeführt, indem zunächst die erste Notch-Wicklung auf einer Seite des Notches vollständig gewickelt wird. Anschließend wird der Draht scharf umgebogen und axial durch den Notch geführt. Auf der anderen Seite wird schließlich die zweite Notch-Wicklung gewickelt. Derartige LTS-Spulen werden entweder gar nicht reagiert (z.B bei der Verwendung von Nb Ti-Supraleitern) oder in einem "Wind-and-React"-Verfahren hergestellt. Bei dem zuletzt genannten Weg erfolgt die Wicklung der Spule in ihre endgültige Form bereits mit einer mechanisch unempfindlichen Ausgangsfilamentstruktur, welche dann in der aufgewickelten Form in einer sauerstoffarmen Atmosphäre einem Glühprozess unterzogen wird. Während des Glühprozesses findet ein Festkörperdiffusionsprozess statt, wobei supraleitfähiges Material (z.B. Nb₃Sn) entsteht. Dieses supraleitfähige Material ist nach der Festkörperdiffusionsreaktion extrem spröde und kann daher nicht mehr verformt werden.

Höchste Feldstärken werden durch den Einsatz von Bandleitern aus Hochtemperatursupraleiter (HTS)-Material in den innersten Magnetspulenwindungen erzielt. Aus DE 694 22 368 T2 ist beispielsweise eine Pancake-Spule aus LTS-Material bekannt, die innerhalb einer Spule aus HTS-Bandleitermaterial angeordnet ist. HTS-Leiter benötigen während des Glühprozesses eine definierte Sauerstoffatmosphäre. Der Glühprozess wird daher vor dem Aufwickeln des supraleitfähigen Drahtes durchgeführt. Die Spule wird dann aus bereits supraleitfähigen Bandleitern gewickelt ("react-and-wind" Verfahren). Wegen der hohen mechanischen Empfindlichkeit dieser Bandleiter ist die Ausführung eines Notches nach herkömmlicher Technik in diesem Bereich nicht möglich. Insbesondere die Überführung des Bandleiters von einer Seite des Notches auf die andere mittels der oben beschriebenen scharfen Biegung und dem damit verbundenen kleinen Krümmungsradius ist mit einem HTS-Bandleiter nicht realisierbar. Die mechanische Empfindlichkeit von HTS-Bandleitern ist hinsichtlich der Ausbildung eines Notch-Bereichs in einer Magnetspulenanordnung besonders deshalb problematisch, weil eine Beschädigung des HTS-Leitermaterials einen Defekt der gesamten Magnetspulenanordnung nach sich ziehen würde und somit mit einem hohen Kostenaufwand verbunden wäre. Die Kompensation unerwünschter Inhomogenitäten bei HTS-Spulen muss daher mittels separater Korrekturspulen erfolgen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Magnetspulenanordnung mit HTS-Material vorzuschlagen, die zur Korrektur von Inhomogenitäten eine Notch-Struktur aufweist und bei der die mechanische Belastung auf den HTS-Bandleiter möglichst gering gehalten wird.

Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache Weise dadurch gelöst, dass die radial innersten Lagen der Sektion aus metallischen, Tieftemperatursupraleitern (LTS) bestehen (LTS-Lagen) und radial hieran angrenzende Lagen der Sektion aus Hochtemperatursupraleiter (HTS)-Material aufgebaut sind (HTS-Lagen).

Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten HTS-Spulen sieht die vorliegende Erfindung also vor, LTS-Material in einer Magnetspulenanordnung für den Einsatz in magnetischen Hochfeldern zu verwenden. Dies scheint auf den ersten Blick widersinnig, da LTS-Draht aufgrund seiner geringen Stromtragfähigkeit für den Einsatz im Hochfeld eigentlich nicht geeignet ist. Dieses Problem kann jedoch durch die Verwendung entsprechend dicker aber nur weniger LTS-Drähte gelöst werden, die für eine Notch-Wicklung verwendet werden können.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung weisen die radial innersten LTS-Lagen der Sektion einen axialen Bereich reduzierter Stromdichte (Notch-Bereich) auf. Die Erfindung nutzt hier einerseits die hohe Stromtragfähigkeit von HTS-Leitern und die damit verbundenen hohen erreichbaren Feldstärken zur Konstruktion eines Hochfeldmagneten, und andererseits die mechanische Unempfindlichkeit von der Ausgangs-Filamentstruktur eines LTS-Supraleiters aus, um einen Notch-Bereich zu definieren. Auf diese Weise können auftretende Inhomogenitäten innerhalb der HTS-Material enthaltenden Magnetspulenanordnung ohne zusätzliche Kompensationsspulen kompensiert werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass alle HTS-Lagen zwischen den zwei Endflanschen durchgewickelt sind. Die HTS-Lagen erstrecken sich also radial außerhalb des Notch-Bereichs und werden lediglich von den die Wickelkammer begrenzenden Endflanschen begrenzt. Es erfolgt keine Durchführung des HTS-Leiters durch einen Trennkörper oder Ähnliches, womit eine Biegung des Bandleiters mit einem kleinen Krümmungsradius verbunden wäre.

Vorzugsweise sind die LTS-Lagen in einem wind-and-react Verfahren hergestellt, so dass die Wicklung der LTS-Lagen mit einer mechanisch unempfindlichen Ausgangs-Filamentstruktur eines LTS-Drahtes erfolgt. Dabei können die LTS-Lagen beispielsweise aus einem A15-Supraleiter, insbesondere mit Nb₃Sn, bestehen.

Die HTS-Lagen dagegen sind bevorzugt in einem React-and-Wind Verfahren hergestellt, da zur Herstellung von HTS-Materialien eine definierte Sauerstoffatmosphäre benötigt wird.

Für die Anwendung bei Magnetspulenanordnungen eignen sich besonders gut HTS-Lagen, die silberstabilisiertes Bi-Sr-Ca-Cu-Oxid oder YBCO enthalten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung ist zwischen den LTS-Lagen und den HTS-Lagen eine Schutzschicht vorgesehen, welche die empfindlichen LTS-Lagen vor mechanischen Beschädigungen schützt, insbesondere Glasfasermaterial, PTFE oder Ähnliches.

Der für die Wicklungen verwendete supraleitfähige Bandleiter ist vorzugsweise aus elektrisch parallel geschalteten, gestapelten Leiterbändern aufgebaut, da ein einzelnes Leiterband für die gewünschten Anwendungen nicht genügend Strom tragen kann. Auf diese Weise wird die Stromtragfähigkeit der Bandleiterwicklung erhöht.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Magnetspulenanordnung supraleitend kurzgeschlossen, so dass ein magnetischer Fluss eingefroren werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung handelt es sich bevorzugt um einen NMR-Hochfeldmagneten, in dessen Zentrum ein extrem homogenes Magnetfeld erzeugt wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder 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.

Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung; und
2 eine schematische Darstellung des Verlaufs der LTS-Wicklungen eines Magnetspulenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine Magnetspulenanordnung mit einer Wickelkammer 1, die durch zwei Endflansche 2, 3 begrenzt und durch einen Trennkörper 4 in zwei Teilkammern 5, 6 geteilt wird. Der Trennkörper 4 bildet einen Notch-Bereich 7, der direkt auf der Wickelkammer 1 aufsitzt. Dies ist vorteilhaft, da die inneren Windungen einer Magnetspule die Feldformung am stärksten beeinflussen. Der Trennköper 4 kann dabei einstückig mit der Wickelkammer 1 ausgeführt, beispielsweise ausgefräst, kann aber auch auf die Wickelkammer 1 aufgeschraubt oder anderweitig befestigt sein. Die Teilkammern 5, 6 sind mit Wicklungen aus LTS-Draht 8 bestückt (LTS-Lagen), die in einem Wind-and-React Verfahren erzeugt werden. Über die LTS-Lagen und den Trennkörper 4 hinweg folgen weitere Wicklungen aus ei nem HTS-Bandleiter 9 (HTS-Lagen), die aufgrund ihrer hohen Stromtragfähigkeit den Einsatz der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung für Hochfeldanwendungen möglich machen. Da jedoch LTS-Leiter, verglichen mit HTS-Leitern in entsprechend hohen Magnetfeldern nur eine geringe Stromtragfähigkeit aufweisen, ist es für den hier verfolgten Zweck der Feldformung notwendig, einen relativ dicken LTS- Draht 8 zu verwenden. Die Magnetspulenanordnung wird dadurch im inneren Bereich, in dem sie Strukturierung des Notch-Bereichs erfolgt, dicker, was prinzipiell nicht erwünscht ist und weswegen LTS-Leitern im Hochmagnetfeld bisher nicht eingesetzt wurden. Da es sich jedoch nur um einige wenige Lagen handelt, fällt die größere Dicke des LTS-Drahtes bei der Gesamtmagnetspulenanordnung nicht wesentlich ins Gewicht. Am Übergang der Wicklungen des LTS-Drahtes 8 zu denen des HTS-Bandleiters 9 sind diese mittels eines gemischten Joints (nicht gezeigt) miteinander verbunden. Die Wicklungen aus LTS-Draht 8, sowie die Wicklungen aus dem HTS- Bandleiter 9 sind in 1 zwecks einer besseren Übersichtlichkeit lediglich an einzelnen ausgewählten Stellen gezeigt. Die mit Pfeilen versehene Schlangenlinie deutet den weiteren Verlauf der Wicklungen des LTS-Drahtes 8 an. ie Pfeile zeigen dabei in eine Richtung, die sich nahezu senkrecht zur Längsachse des LTS-Drahtes 8 erstreckt.
2 zeigt den Wicklungsverlauf der LTS-Drahtes, durch den der Notch-Bereich 7 gebildet wird. Die Wicklungen des LTS-Drahtes 8 verlaufen zuerst in der ersten Teilkammer 5 bis zur Höhe der Oberkante des Trennkörpers 4 und gehen dann in eine Überführung 10 durch den Trennkörper 4 in die zweiten Teilkammer 6 über. Von da an wird der LTS-Draht 8 in der zweiten Teilkammer 6 analog zur ersten Teilkammer 5 solenoidartig aufgewickelt. Bei der Überführung des LTS-Drahtes 8 von der ersten Teilkammer 5 in die zweite Teilkammer 6 der Magnetspulenanordnung wird der LTS-Draht 8 um 90° gebogen und auf direktem Weg zur untersten Wicklung der zweiten Teilkammer 6 geführt, wo eine weitere Biegung des LTS-Drahtes 8 erfolgt. Die Überführung 10 LTS-Drahtes 8 innerhalb des Trennkörpers 4 findet hier also, wie bei bereits bekannten LTS-Spulen, im Wesentlichen senkrecht zu den Wicklungen statt. Eine derartige Überführung wäre mit HTS-Leitern nicht möglich, da HTS-Leiter zum einen sehr spröde sind und zum anderen übli cherweise als Bandleiter 9 vorliegen und die benötigten Biegungen über die schmale Kante des Bandleiters 9 erfolgen müssten. Die vorliegende Erfindung sieht daher vor, den Notch-Bereich 7 der HTS-Material enthaltenden Magnetspulenanordnung und die dazu notwendig Überführung 10 mittels eines LTS-Drahtes 8 zu realisieren, wie oben ausgeführt. Dies ist ohne weiteres möglich, da die Formung der Notch-Wicklung, sowie die Überführung 10 bereits mit der mechanisch unempfindlichen Ausgangsfilamentstruktur des LTS-Drahtes 8 erfolgt. Die Stromdichte kann in den erfindungsgemäßen Wicklungen aus LTS-Draht 8, wie auch in reinen LTS-Spulen, in den verschiedenen Lagen moduliert sein. Ebenso können sämtliche von konventionellen LTS-Spulen bekannte Modifikationen bei den LTS-Lagen 8 der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung realisiert sein.
Insgesamt ergibt sich eine Magnetspulenanordnung für den Einsatz als Hochfeldmagnetspule mit einem Notch-Bereich zur Feldkorrektur, wobei der Notch-Bereich 7 mithilfe einiger Wicklungen aus mechanisch unempfindlicherem metallischem Supraleiter ausgeführt ist. Dadurch bietet die vorgeschlagene Konstruktion der Magnetspulenanordnung den Vorteil der einfacheren Handhabung der LTS-Materialien bezüglich der Formung des Notch-Bereichs 7.
Die Magnetspulenanordnung ermöglicht somit die Konstruktion eines Notch-Bereichs innerhalb einer HTS-Materialien enthaltenden supraleitenden Magnetspulenanordnung, und somit die Homogenisierung eines kompakten Hochfeldmagneten.

1: Wickelkammer
2: Endflansch
3: Endflansch
4: Trennkörper
5: erste Teilkammer
6: zweite Teilkammer
7: Notch-Bereich
8: LTS-Lagen
9: HTS-Lagen
10: Überführung

Claims

Supraleitfähige Magnetspulenanordnung mit mindestens einer Sektion, die einen supraleitfähigen Bandleiter enthält, welcher in einer zylindrischen Wickelkammer (1) zwischen zwei Endflanschen (2, 3) mehrlagig, solenoidartig gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innersten Lagen (8) der Sektion aus metallischen, Tieftemperatursupraleitern bestehen und radial hieran angrenzende Lagen (9) der Sektion aus Hochtemperatursupraleiter-Material aufgebaut sind.
Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innersten LTS-Lagen (8) der Sektion einen axialen Bereich reduzierter Stromdichte, nämlich einen Notch-Bereich (7), aufweisen.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle HTS-Lagen (9) zwischen den zwei Endflanschen (2, 3) durchgewickelt sind.
Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LTS-Lagen (8) in einem Wind-and-React-Verfahren hergestellt sind.
Magnetspulenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die LTS-Lagen (8) aus einem A15-Supraleiter bestehen.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HTS-Lagen (9) in einem React-and-Wind-Verfahren hergestellt sind.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HTS-Lagen (9) silberstabilisiertes Bi-Sr-Ca-Cu-Oxid oder YBCO enthalten.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den LTS-Lagen (8) und den HTS-Lagen (9) eine Schutzschicht vorgesehen ist, welche die empfindlichen LTS-Lagen (8) vor mechanischen Beschädigungen schützt.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitfähige Bandleiter aus elektrisch parallel geschalteten, gestapelten Leiterbändern aufgebaut ist.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulenanordnung supraleitend kurzgeschlossen ist.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Verwendung als NMR-Hochfeldmagnet, in dessen Zentrum ein extrem homogenes Magnetfeld erzeugt wird.