DE1275688B

DE1275688B - Device for generating a high permanent magnetic field in an electrical coil and method for operating this device

Info

Publication number: DE1275688B
Application number: DEW34083A
Authority: DE
Inventors: Charles Francis Hempstead; Young Bae Kim
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1962-03-22
Filing date: 1963-03-13
Publication date: 1968-08-22

Description

Vorrichtung zur Erzeugung eines hohen magnetischen Dauerfeldes in einer elektrischen Spule und Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung Das Bedürfnis nach sehr hohen magnetischen Feldern hat sich in den letzten Jahren infolge der schneiten Entwicklung auf vielen Gebieten der physikalischen Forschung sehr erhöht. Solche hohen magnetischen Felder sind bisher auf zwei Wegen erzeugt worden. Das erste Verfahren erzeugt Dauermagnetfelder mit Hilfe großer und aufwendiger Elektromagnete und dementsprechend großer Leistungs-und Kühlvorrichtungen. Das zweite Verfahren erzeugt kurz dauernde impulsartige Magnetfelder mit weniger aufwendigen magnetischen Spulen, jedoch auf Kosten einer verkürzten Lebensdauer der Spulen. Das erste Verfahren ist im allgemeinen infolge der zu hohen Kosten der Ausrüstung unerwünscht, während das zweite Verfahren wegen der kurzen Zeitdauer des Magnetfeldes unerwünscht sein kann.Device for generating a high permanent magnetic field in an electrical coil and method of operating this device The need after very high magnetic fields has in recent years as a result of snow development in many areas of physical research has increased. Such high magnetic fields have heretofore been generated in two ways. That The first method creates permanent magnetic fields with the help of large and complex electromagnets and correspondingly large power and cooling devices. The second method generates short-lasting pulse-like magnetic fields with less complex magnetic ones Coils, but at the expense of a shortened life of the coils. The first procedure is generally undesirable while due to the excessive cost of the equipment the second method may be undesirable because of the short duration of the magnetic field can.

Obwohl die Verwendung von Supraleitern beim Aufbau von Elektromagneten seit längerer Zeit bekannt ist, wurden die Arbeiten auf diesem Gebiet erst vor kurzer Zeit ernstlich in Angriff genommen. Diese Entwicklung ist zu einem großen Teil auf kürzlich gemachte Entdeckungen und Verbesserungen der Drähte zurückzuführen, die ihre Supraleitfähigkeit bei brauchbaren Stromdichten bei Anwesenheit von magnetischen Feldern in der Größenordnung von 100 Kilogauß und mehr behalten. Der hier verwendete Ausdruck »supraleitender Draht« bezieht sich auf einen Draht, der aus einem Material besteht, das keinen spezifischen Widerstand in bezug auf einen Strom aufweist, der in dem Draht bei Temperaturen unterhalb eines Wertes fließt, der als supraleitende Ubergangstemperatur bezeichnet wird. Das Interesse an Magneten, z. B. Zylinderspulen, die aus supraleitendem Draht gewickelt sind, beruht auf der Tatsache daß solche Anordnungen keine Leistung brauchen, um das einmal erzeugte magnetische Feld aufrechtzuerhalten. Somit ist es nun möglich, durch die Verwendung von supraleitendem Draht hohe Magnetfelder zu erzeugen, die mit einer relativ kleinen und billigen zugeordneten Ausrüstung unbeschränkt aufrechterhalten werden können.Although the use of superconductors in the construction of electromagnets has been known for a long time, the work in this area was only recently Time seriously tackled. This development is due in large part Recent discoveries and improvements in the wires attributed to the their superconductivity at useful current densities in the presence of magnetic ones Keep fields on the order of 100 kilogauss and more. The one used here Term "superconducting wire" refers to a wire made from one material exists that has no specific resistance with respect to a current that flows in the wire at temperatures below what is considered to be superconducting Transition temperature is referred to. The interest in magnets, e.g. B. solenoids, which are wound from superconducting wire is based on the fact that such Arrangements do not need any power in order to maintain the magnetic field once generated. It is now possible to use superconducting wire to generate high magnetic fields to produce that with a relatively small and cheap associated equipment can be maintained indefinitely.

Jedoch benötigen solche Magnete noch Einrichtungen zum Erzeugen des Anfangsstromes und zum Regulieren des einmal erzeugten Stromes. Bisher machte diese Forderung stromleitende Elemente zwischen der sich auf tiefer Temperatur befindenden supraleitenden Spule und der sich auf hoher Temperatur befindenden Leistungsversorgungseinrichtung notwendig. Folglich wird Wärme in die Umgebung tiefer Temperatur, die den supraleitenden Magneten umschließt, sowohl durch Widerstandserhitzung als auch durch Wärmeübertragung durch die stromleitenden Elemente eingebracht. Dies wiederum erfordert eine zusätzliche Abkühlung, damit die notwendige tiefe Temperatur aufrechterhalten wird.However, such magnets still need devices to generate the Initial current and to regulate the current generated once. So far made this Requirement of electrically conductive elements between the elements that are at a low temperature superconducting coil and the high temperature power supply device necessary. Consequently, heat is released into the lower temperature environment, which is the superconducting Magnet encloses, both by resistance heating and by heat transfer introduced through the conductive elements. This in turn requires an additional Cooling down so that the necessary low temperature is maintained.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, unter Vermeidung dieser Nachteile hohe magnetische Dauerfelder durch eine Flußkonzentration mit supraleitenden Spulen zu erzeugen, die keine äußere Stromquelle benötigen.The invention has set itself the task of avoiding this Disadvantages high permanent magnetic fields due to a flux concentration with superconducting To generate coils that do not require an external power source.

Die Erfindung geht dazu aus von einer Vorrichtung zur Erzeugung eines hohen magnetischen Dauerfeldes in einer elektrischen Spule. Eine erste Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine erste supraleitende Spule mit n1 Drahtwindungen pro Längeneinheit, die in der Form eines Zylinders mit dem Volumen V1 gewickelt ist, mit einer zweiten supraleitenden Spule mit n2 Drahtwindungen pro Längeneinheit, die in Form eines Zylinders mit dem Volumen VZ gewickelt ist, so verbunden ist, daß beide Spulen einen Kurzschlußkreis bilden, daß n, < n2 und ist, und daß mit äußeren Einrichtungen eine Magnetfeldkomponente längs der Achse der ersten Spule erzeugt wird, während sich der Draht in seinem normalleitenden Zustand befindet, und wieder entfernt wird, nachdem der Draht in seinen supraleitenden Zustand übergeführt worden ist.The invention is based on a device for generating a high permanent magnetic field in an electrical coil. A first solution is characterized in that a first superconducting coil with n1 wire turns per unit length, which is wound in the form of a cylinder with the volume V1, with a second superconducting coil with n2 wire turns per unit length, which is in the form of a cylinder with the volume VZ is wound, is connected so that both coils form a short circuit that n, <n2 and and that with external means a magnetic field component is generated along the axis of the first coil while the wire is in its normally conducting state, and is removed again after the wire has been converted into its superconducting state.

Eine weitere Lösung der Aufgabe sieht vor, daß eine mehrlagige Zylinderspule mit ihren Enden kurzgeschloL,sen ist und daß mit äußeren Einrichtungen ein im wesentlichen gleichförmiges Magnetfeld in der Spule parallel zu deren Achse erzeugt wird, während sich der Draht in seinem normalleitenden Zustand befindet, und wieder entfernt wird, nachdem der Draht in seinen supraleitenden Zustand übergeführt worden ist.Another solution to the problem provides that a multi-layer solenoid is short-circuited at its ends and that essentially one with external devices uniform magnetic field is generated in the coil parallel to its axis while the wire is in its normal conducting state and is removed again, after the wire has been converted to its superconducting state.

Die Erfindung beruht auf der bekannten Tatsache, daß durch Induktion ein elektrischer Strom in einer geschlossenen leitenden Schleife erzeugt werden kann. Dieses zuerst von F a r a d a y entdeckte Gesetz besagt, daß eine elektromotorische Kraft in einem Stromkreis erzeugt wird, wenn sich der mit dem Stromkreis verkettete magnetische Fluß ändert. Die Größe der elektromotorischen Kraft ist proportional zu der Änderungsgeschwindigkeit der Flußverkettung mit dem Stromkreis.The invention is based on the known fact that by induction an electric current can be generated in a closed conductive loop can. This law, first discovered by F a r a d a y, says that an electromotive Force in a circuit is generated when the chain is linked to the circuit magnetic flux changes. The magnitude of the electromotive force is proportional the rate of change of the flux linkage with the circuit.

Wenn die Fußverkettung mit einer kurzgeschlossenen, normalleitenden Spule erhöht wird, wird also ein Strom in der Spule induziert. Da jedoch der Widerstand des Stromkreises eine Verlustleistung mit sich bringt, klingt der induzierte Strom wieder ab. Wenn die Spule dann auf eine Temperatur unterhalb ihres supraleitenden Übergangspunktes abgekühlt wird und die Einrichtungen entfernt werden, durch die der anfängliche Fluß erzeugt worden ist, wird wiederum ein Strom induziert. Da jedoch jetzt keine Verluste mehr auftreten, dauert dieser Strom an. Nach dem Lenzschen Gesetz ist die induzierte elektromotorische Kraft so gerichtet, daß ein von ihr erzeugter Strom der Änderung des erzeugten Flusses entgegenwirkt. Der Dauerstrom bewirkt somit, daß die gesamte Flußverkettung mit der Spule sowohl der Größe als auch der Richtung nach im wesentlichen konstant gehalten. wird.If the foot chain is short-circuited with a normally conductive Coil is increased, so a current is induced in the coil. However, there the resistance of the circuit brings power loss with it, the induced current sounds off again. When the coil is then at a temperature below its superconducting The transition point is cooled and the facilities are removed by the Once the initial flux has been generated, a current is again induced. However, since Now there are no more losses, this current continues. After the Lenzschen Law is the induced electromotive force so directed that one of it generated current counteracts the change in the generated flow. The continuous current thus causes the entire flux linkage with the coil both in size and also held essentially constant in direction. will.

Dabei kann aber die Flußverteilung geändert werden, und bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der aufrechterhaltene Fluß auf ein kleineres Volumen konzentriert, so daß sich ein hohes magnetisches Dauerfeld ergibt.In doing so, however, the flow distribution can be changed, and in the case of the invention Device, the sustained flow is concentrated in a smaller volume, so that there is a high permanent magnetic field.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen noch näher beschrieben, es zeigt F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die zwei supraleitende Zylinderspulen verwendet, F i g. 2 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die eine einzelne mehrlagige Zylinderspule verwendet, F i g. 3 eine graphische Darstellung der Flußverteilung der Ausführungsform nach F i g. 2, .F i g. 4 eine Ansicht, teilweise im Querschnitt, einer weiteren Ausführungsform. der Erfindung, die eine Flachspule verwendet, und F i g. 5 ein Querschnitt durch die Flachspule der F i g. 4 in einem Prüfaufbau.The invention is illustrated below with reference to exemplary embodiments in FIG Connection with the drawings described in more detail, it shows F i g. 1 a perspective View of an embodiment of the invention, the two superconducting solenoids used, F i g. 2 is a partially cut-away perspective view of a Another embodiment of the invention which is a single multilayer solenoid used, F i g. 3 is a graph showing the flow distribution of the embodiment according to FIG. 2, .F i g. Figure 4 is a view, partly in cross section, of another Embodiment. of the invention using a pancake coil, and FIG. 5 a Cross section through the flat coil of FIG. 4 in a test setup.

Die F i g. 1, an Hand derer das Prinzip der Erfindung erläutert wird, zeigt zwei einlagige Zylinderspulen l_ und 2. Die Spule 1 hat eine Länge 11 und einen Rdius i-1 und ist aus supraleitendem Draht mit n1 Windungen pro Längeneinheit gewickelt. Die Spule 2 hat eine Länge 1, und einen Radius i2 und ist aus supraleitendem Draht mit n2 Windungen pro Längeneinheit gewickelt. Die Enden 3-3' der Wicklung der Spule 1 sind mit den Enden 4-4' der Spule 2 ebenfalls durch supraleitende Drähte verbunden. Solche Drähte können aus Nb-Zr, Nb3Sn oder aus einem anderen bekannten supraleitenden Material bestehen.The F i g. 1, on the basis of which the principle of the invention is explained, shows two single-layer cylinder coils l_ and 2. The coil 1 has a length 11 and a radius i-1 and is wound from superconducting wire with n1 turns per unit length. The coil 2 has a length 1 and a radius i2 and is wound from superconducting wire with n2 turns per unit length. The ends 3-3 'of the winding of the coil 1 are also connected to the ends 4-4' of the coil 2 by superconducting wires. Such wires can consist of Nb-Zr, Nb3Sn or some other known superconducting material.

Für die nachfolgende Untersuchung wird angenommen, daß die Längen der Spulen 1 und 2 in bezug auf ihre Durchmesser groß genug sind, daß die in den Spulen erzeugten magnetischen Felder im wesentlichen gleichförmig sind. Diese Annahme wird durch die Praxis bestätigt uüd führt lediglich zu einem Fehler von wenigen Prozent.For the following investigation it is assumed that the lengths of the coils 1 and 2 are large enough in terms of their diameter that the in the Coils generated magnetic fields are substantially uniform. This assumption is confirmed by practice and only leads to an error of a few Percent.

Während sich die Spule 1 auf einer Temperatur oberhalb ihrer supraleitenden Ubergangstemperatur befindet, wird ein gleichförmiges äußeres Magnetfeld Ho darin in einer zu ihrer Achse parallelen Richtung erzeugt. Als Ergebnis der Erzeugung des Feldes Ho wird ein Strom in der Spule 1 induziert. Dieser Strom verschwindet jedoch schnell wegen des Widerstandes der Wicklung, die sich in ihrem normalleitenden Zustand befindet.While the coil 1 is at a temperature above its superconducting Transition temperature is, a uniform external magnetic field Ho in it generated in a direction parallel to its axis. As a result of generation of the field Ho, a current is induced in the coil 1. This current disappears however quickly because of the resistance of the winding, which is in its normally conducting State.

Wenn das Feld Ihn noch angelegt ist, werden die Spulen 1 und 2 und die Verbindungsdrähte auf eine Temperatur unterhalb ihres supraleitenden Uber-9 anc, punktes durch geeignete nicht dargestellte Kühl-ZIS einrichtungen gekühlt. Das äußere Magnetfeld Ho wird dann entfernt.If the field Him is still applied, the coils 1 and 2 and the connecting wires to a temperature below their superconducting Uber-9 anc, point cooled by suitable cooling ZIS devices, not shown. The external magnetic field Ho is then removed.

Die Flußverkettung 2.1 in der Spule 1 ist gegeben durch die Gleichung i1 = :r1iHon111. (1) Der Strom i, der in der Spule 1 induziert wird, wenn Ho entfernt wird, und der auch durch die Spule 2 fließt, hat eine Größe, die gegeben ist durch worin L1 und L2 die Selbstinduktivitäten der Spulen 1 und 2 sind, die folgendermaßen ausgedrückt werden können: LI = ir (:r ri )11 ni . (3) L2= r@(:riZ)12@2, (4) worin « die Permeabilität ist. Durch Einsetzen in die Gleichung (2) wird der bleibende induzierte Strom Es ist jedoch zu bemerken, daß die Ausdrücke (:r i i 11) und (.T il 12) in dem Nenner der Gleichung (5) die Volumina sind, die durch die Wicklungen der Spulen 1 und 2 eingeschlossen sind und mit V1 und V2 bezeichnet werden. Auf Grund des in der Spule 2 fließendem Stromes i wird darin ein Magnetfeld H2 erzeugt. Die Größe von H2 ist gegeben durch H2 = ,ci nz i . (6) Durch Einsetzen von i und 21 wird Der Flußkonzentrationsfaktor 13 ist durch das Verhältnis von 112 zu Ho gegeben Aus der Gleichung (8) ist ersichtlich, daß, solange n2 größer als n, ist, ein Flußkonzentrationsfaktor größer als 1 erreicht werden kann. Wenn z. B. und sind, ist der Flußkonzentrationsfaktor ü in dem Kreis der F i g. 1 gleich 5.The flux linkage 2.1 in the coil 1 is given by the equation i1 = : r1iHon111. (1) The current i which is induced in the coil 1 when Ho is removed and which also flows through the coil 2 has a magnitude given by where L1 and L2 are the self-inductances of coils 1 and 2, which can be expressed as follows: LI = ir (: r ri) 11 ni . (3) L2 = r @ (: riZ) 12 @ 2, (4) where «is the permeability. Substituting it into equation (2) becomes the residual induced current It should be noted, however, that the terms (: rii 11) and (.T il 12) in the denominator of equation (5) are the volumes enclosed by the windings of coils 1 and 2 and denoted V1 and V2 will. Due to the current i flowing in the coil 2, a magnetic field H2 is generated therein. The size of H2 is given by H2 = , ci nz i. (6) Substituting i and 21 becomes The flux concentration factor 13 is given by the ratio of 112 to Ho From equation (8) it can be seen that as long as n2 is greater than n, a flux concentration factor greater than 1 can be achieved. If z. B. and are, the flux concentration factor is ü in the circle of FIG. 1 equals 5.

Die F i g. 2 zeigt eine einzelne mehrlagige Zylinderspule 20, die aus supraleitendem Draht gewickelt ist. Die Spule 20 hat einen Außenradius a2, einen Innenradius a, und eine Länge b. Die beiden Enden 21 und 21' der Spule 20 sind mittels eines supraleitenden Elementes 22 kurzgeschlossen, so daß die Spule 20, wenn sie unterhalb ihrer supraleitenden Clbergangstemperatur abgekühlt wird, eine einzige Strotiischleife ergibt, deren Widerstand 0 ist.The F i g. 2 shows a single multilayer solenoid 20 wound from superconducting wire. The coil 20 has an outer radius a2, an inner radius a, and a length b. The two ends 21 and 21 'of the coil 20 are short-circuited by means of a superconducting element 22 so that the coil 20, when it is cooled below its superconducting transition temperature, results in a single Stroti loop, the resistance of which is zero.

Die Wirkungsweise des Flußkonzentrators der F i g. 2 wird erläutert, indem wiederum angenommen wird, daß die Länge b der Spule 20 sehr lang im Vergleich zu ihrem Durchmesser ist und daß die Wicklung eine im wesentlichen gleichförmige Windungsdichte aufweist. Anfänglich wird ein gleichförmiges äußeres Magnetfeld Ho parallel zu der Achse der Spule 20 in der dargestellten Richtung erzeugt. während sich die Spule 20 in ihrem normalleitenden Zustand befindet. Das Feld Ho ist in der Spule 20 von der Achse bis zum Außenradius gleichförmig. In der Spule 20 wird ein Anfangsstrom induziert, der ein Feld erzeugt, das bestrebt ist, dem Feld Ho entgegenzuwirken. Dieser Strom verschwindet jedoch wegen des Schaltungswiderstandes sehr schnell. Die Spule 20 wird dann auf ihren supraleitenden Zustand abgekühlt, und das äußere Feld Ho wird entfernt. Ein neuer Strom i wird in der Spule 20 induziert, der ein Magnetfeld Hl erzeugt, das bestrebt ist, die gesamten Flußverkettungen i0 durch die Spule aufrechtzuerhalten. Die gesamten Flußverkettungen i, können folgendermaßen berechnet werden: Die Flußverkettungen mit einer Windung in einem Abstand r von der Achse der Spule 20 sind gegeben durch @r'`Ho. (9) Wenn mit »i die Zahl der Windungen pro Längeneinheit längs der Achse der Spule 20 und mit n die Zahl der Drahtschichten pro Längeneinheit in radialer Richtung bezeichnet werden, werden die gesamten Flußverkettungen in der Spule Die elektromotorische Kraft, die in einer geschlossenen Schleife erzeugt wird, ist im allgemeinen gegeben durch Für eine kurzgeschlossene Spule in ihrem supraleitenden Zustand wird jedoch R = 0. Deshalb ergibt sich Obwohl die gesamten Flußverkettungen 4 konstant gehalten werden müssen, nachdem Ho entfernt worden ist, muß die Flußverteilung nicht gleichförmig sein. In der mehrlagigen Zylinderspule 20 ist die Flußdichte auf Grund des induzierten Stromes i im Mittelpunkt ein Maximum und nimmt linear vom Innenradius a, zum Außenradius a2 ab. Im Punkt A im Mittelbereich der Spule 20 kann die sich ergebende Flußdichte mit Hilfe der graphischen Darstellung der F i g. 3 berechnet werden.The operation of the flow concentrator of FIG. 2 is explained by again assuming that the length b of the coil 20 is very long compared to its diameter and that the winding has a substantially uniform density of turns. Initially, a uniform external magnetic field Ho is generated parallel to the axis of the coil 20 in the direction shown. while the coil 20 is in its normally conducting state. The field Ho is uniform in the coil 20 from the axis to the outer radius. An initial current is induced in the coil 20, which generates a field which tends to counteract the field Ho. However, this current disappears very quickly because of the circuit resistance. The coil 20 is then cooled to its superconducting state and the external field Ho is removed. A new current i is induced in the coil 20, which generates a magnetic field Hl which strives to maintain the entire flux linkages i0 through the coil. The total flux linkages i can be calculated as follows: The flux linkages with one turn at a distance r from the axis of the coil 20 are given by @ r'`Ho. (9) If »i denotes the number of turns per unit length along the axis of the coil 20 and n denotes the number of wire layers per unit length in the radial direction, the entire flux linkages in the coil are designated The electromotive force generated in a closed loop is generally given by For a short-circuited coil in its superconducting state, however, R = 0. This results in Although the entire flux linkages 4 must be kept constant after Ho is removed, the flux distribution need not be uniform. In the multilayer cylinder coil 20, the flux density is a maximum due to the induced current i in the center and decreases linearly from the inner radius a to the outer radius a2. At point A in the central region of the coil 20, the resulting flux density can be determined with the aid of the graphic representation in FIG. 3 can be calculated.

In F i g. 3 sind der Radius der Spule 20 der F i g. 2 auf der Abszisse und die Flußdichte auf der Ordinate aufgetragen. Die gestrichelte Linie 31 stellt die anfängliche gleichförmige Flußdichte Ho- in der Spule 20 dar. Die ausgezogene Kurve 32 zeigt die angenäherte Verteilung der Flußdichte, die sich aus dem induzierten Strom i ergibt. In der Praxis weicht der abfallende Teil der Kurve 32 von der genauen Linearität in einem solchen Umfang ab, wie die oben angegebene Annahme von der Wirklichkeit abweicht.In Fig. 3 is the radius of the coil 20 of FIG. 2 is plotted on the abscissa and the flux density on the ordinate. The dashed line 31 represents the initial uniform flux density Ho- in the coil 20. The solid curve 32 shows the approximate distribution of the flux density which results from the induced current i. In practice, the sloping portion of curve 32 deviates from exact linearity to such an extent that the above assumption deviates from reality.

Die endgültige Flußdichte H(,), die aus der Kurve 32 ersichtlich ist, kann geschrieben werden H(,) = Hl für 0 < r < a1 (11) Unter Verwendung der Ausdrücke der Gleichung (11) und durch Integrieren wird der gesamte Fluß J", der eine einzelne Windung verkettet, an einem beliebigen Radius r Wenn die Gleichung (12) noch einmal über die gesamte Spule integriert wird, ergibt sich ein Ausdruck für die gesamten Flußverkettungen A, auf Grund des Stromes i Da die gesamten Flußverkettungen konstant gehalten werden müssen, können die Gleichungen (10) und (13) kombiniert werden. Wenn dies erfolgt und wenn der sich ergebende Ausdruck vereinfacht wird, wird der Flußkonzentrationsfaktor il gefunden als Baraus ist ersichtlich, daß mit einer Spule, deren Länge im Vergleich zu ihrem Durchmesser sehr groß ist, ein maximaler Flußkonzentrationsfaktor erhalten wird, wenn sich der Innenradius Null annähert.The final flux density H (,), which can be seen from curve 32, can be written H (,) = Hl for 0 <r < a1 (11) Using the expressions of equation (11) and integrating, the entire flux J "concatenating a single turn is obtained at an arbitrary radius r If equation (12) is integrated once more over the entire coil, an expression results for the entire flux linkages A, based on the current i Since the entire flux linkages must be kept constant, equations (10) and (13) can be combined. When this is done and when the resulting expression is simplified, the flux concentration factor il is found to be From this it can be seen that with a coil which is very large in length compared to its diameter, a maximum flux concentration factor is obtained as the inner radius approaches zero.

Wenn eine Zylinderspule, z. B. die Spule 20 der F i g. 2, eine Länge b hat, die im Vergleich zu ihrem Durchmesser nicht groß ist, kann der Flußkonzentrationsfaktor fl größer als der aus der Gleichung (14) errechnete Wert sein. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die magnetischen Flußlinien nahe den Spulenenden divergieren. Wenn diese Wirkung auch im Falle einer langen Spule vernachlässigt werden kann, muß sie bei einer vollständigen Untersuchung einer kurzen Spule berücksichtigt werden.When a solenoid, e.g. B. the coil 20 of FIG. 2, one length b which is not large compared to its diameter, the flux concentration factor may be fl must be greater than the value calculated from the equation (14). This arises from the fact that the lines of magnetic flux diverge near the coil ends. If this effect can be neglected even in the case of a long coil, it must be taken into account in a full examination of a short coil.

Da die magnetischen Flußlinien in dem Bereich zwischen den inneren und den äußeren Windungen der Spule divergieren, ergibt sich, daß deren Beitrag zu den gesamten Flußverkettungen geringer ist. Da jedoch die gesamten Flußverkettungen durch die Spule aufrechterhalten werden müssen, bedeutet dies, daß die Flußdichte nahe dem Mittelpunkt der Spule ansteigen muß. Berechnungen auf Grund tabellarischer Werte ergeben einen maximalen Flußkonzentrationsfaktor von etwa 3,8 für eine Zylinderspule mit einem Innenradius, der sich Null annähert, und einem Verhältnis zwischen Länge und Außendurchmesser von etwa 0,05.Since the magnetic flux lines in the area between the inner and the outer turns of the coil diverge, it follows that their contribution to the entire river linkages is lower. Since, however, the entire river linkages must be maintained by the coil, it means that the flux density must increase near the center of the coil. Calculations based on tabular Values give a maximum flux concentration factor of about 3.8 for a solenoid with an inner radius approaching zero and a ratio between length and outside diameter of about 0.05.

Gemäß der Erfindung kann die Größe der Flußdichte durch nachfolgendes Wegnehmen des gleichförmigen äußeren Feldes in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung weiterhin vergrößert werden, während die Spule sich noch in ihrem supraleitenden Zustand befindet. Der zusätzliche Strom, der als Folge dieses Wegnehmens eines äußeren Feldes in der Spule induziert wird, erzeugt eine zusätzliche Magnetfeldkomponente, die bestrebt ist, der neuerlichen Flußänderung entgegenzuwirken. Die dadurch erzeugte zusätzliche Magnetfeldkomponente liegt deshalb in derselben Richtung wie das vorher erzeugte Feld.According to the invention, the magnitude of the flux density can be determined by the following Removing the uniform external field in a direction opposite to the first direction Direction continues to be enlarged while the coil is still in its superconducting State. The additional current that as a result of this taking away an external Field is induced in the coil, generates an additional magnetic field component, which endeavors to counteract the renewed flow change. The resulting additional magnetic field component is therefore in the same direction as before generated field.

Nachdem das Feld Hl auf Grund des supraleitenden Stromes erzeugt worden ist (F i g. 2), wird ein neues gleichförmiges äußeres Magnetfeld Ho längs der Achse der Spule 20 wie dargestellt angelegt. Der gesamte Strom i steigt somit an, bis die gesamten Flußverkettungen in der Spule 20 dem ursprünglichen Fluß und den neuen Verkettungen gleich sind. An einem Punkt A innerhalb der Spule ist die sich ergebende Flußdichte gleich Hl zuzüglich der neuen Flußdichte ß Ho' abzüglich der Flußdichte des äußeren Feldes Ho. Der gesamte Fluß Hi am Punkt A ist damit gegeben durch die Gleichung H; ='3Ha+Hö(ß-1). (15) Dasselbe Prinzip kann gleichermaßen bei der Ausführungsform der F i g. 1 angewendet werden. Bei dieser Ausführungsform würde das neue äußere Feld Hö nur an die Spule 1 in einer Richtung entgegengesetzt zu Ho angelegt, und der neue Fluß in der Spule 2 würde gleich ß Ho + ßHö.After the field Hl has been generated due to the superconducting current (FIG. 2), a new uniform external magnetic field Ho is applied along the axis of the coil 20 as shown. The total current i thus increases until the total flux linkages in coil 20 equal the original flux and the new linkages. At a point A inside the coil, the resulting flux density is equal to Hl plus the new flux density ß Ho 'minus the flux density of the external field Ho. The total flux Hi at point A is thus given by the equation H; = '3Ha + Hö (ß-1). (15) The same principle can be applied equally to the embodiment of FIG. 1 can be applied. In this embodiment, the new external field Ho would only be applied to coil 1 in a direction opposite to Ho and the new flux in coil 2 would equal β Ho + βHö.

Es ist offensichtlich, daß das neue äußere Feld Ho' als Feineinstellung für Flußkonzentratoren verwendet werden kann. Wenn das Feld in der ursprünglichen Richtung von HO angelegt wird, kann es verwendet werden, um den Grad der Flußkonzentration zu verringern oder zu erhöhen, wie oben erläutert worden ist. Bei' der Ausführungsform der F i g. 4, die der Ausführungsform nach F i g. 2 ähnlich ist, wird ein Draht aus Nb3Sn verwendet. Bei dieser Ausführungsform, die als Flachspule bezeichnet wird, wird der Draht mit einem Durchmesser von etwa 0,063 cm auf eine Form 40 aus rostfreiem Stahl gewickelt, und zwar 39 Wicklungsschichten mit 19,5 Windungen pro Schicht. Jede Schicht wurde durch eine Hülle aus rostfreiem Stahl von 0,00254 cm getrennt. Der Innendurchmesser der Spule 41 beträgt 0,63 cm, der Außendurchmesser 5,785 cm und die Länge 1,295 cm. Wie im Falle der vorhergehenden Ausführungsform werden die Enden 42 und 43 der Spule kurzgeschlossen.It is evident that the new outer field Ho 'can be used as a fine adjustment for flux concentrators. When the field is applied in the original direction of HO, it can be used to decrease or increase the level of flux concentration, as discussed above. In the embodiment of FIG. 4, which correspond to the embodiment according to FIG. 2, a wire made of Nb3Sn is used. In this embodiment, referred to as a pancake coil, the wire, approximately 0.063 cm in diameter, is wound on a stainless steel form 40 with 39 layers of windings at 19.5 turns per layer. Each layer was separated by a 0.00254 cm stainless steel sheath. The inside diameter of the coil 41 is 0.63 cm, the outside diameter 5.785 cm and the length 1.295 cm. As in the case of the previous embodiment, the ends 42 and 43 of the coil are short-circuited.

F i g. 5 ist ein vereinfachter Querschnitt der Spule der F i g. 4, die in einer Prüfanordnung angebracht ist. Die Spule 40 ist in dem Luftspalt eines Magnets mit einem steuerbaren Magnetfeld aufgehängt. Aus Vereinfachungsgründen sind die Aufhängeeinrichtungen für die Spule 40 nicht dargestellt. Ebenfalls sind nur die Polstücke 50 und 51 des Magnets angegeben. Die Spule 40 ist in der Mitte des Luftspaltes mit ihrer Achse senkrecht zu den Flächen der Polstücke 50 und 51 ausgerichtet. Die Spule 40 ist umgeben von einem Dewarschen Gefäß 53. Ein gleichförmiges Magnetfeld von 6,8 kG wird in der Spule 40 erzeugt, während diese sich in dem normalen leitenden Zustand befindet. Die Temperatur wird dann auf einen Punkt unterhalb der kritischen Temperatur des Nb3Sn-Drahtes durch Zugeben von flüssigem Helium 52 in das Gefäß verringert, und das Feld wird dann entfernt. Die magnetische Flußdichte wird am Punkt P in der Mitte der Spule 40 gemessen, und es ergibt sich dafür etwa 15 kG und für den Flußkonzentrationsfaktor etwa 2,2.F i g. 5 is a simplified cross-section of the coil of FIG. 4, which is mounted in a test arrangement. The coil 40 is one in the air gap Magnets suspended with a controllable magnetic field. For the sake of simplicity, the suspension devices for the coil 40 are not shown. Also are only the pole pieces 50 and 51 of the magnet are indicated. The coil 40 is in the middle of the Air gap aligned with its axis perpendicular to the surfaces of the pole pieces 50 and 51. The coil 40 is surrounded by a Dewar's vessel 53. A uniform magnetic field of 6.8 kG is generated in the coil 40 while this is in the normal conductive State. The temperature is then to a point below the critical Temperature of the Nb3Sn wire by adding liquid helium 52 to the vessel decreases, and the field is then removed. The magnetic flux density is on Point P measured in the middle of the coil 40, and this results in about 15 kG and for the flux concentration factor about 2.2.

Wie oben angegeben ist, kann die Vorrichtung nach der Erfindung mit Spulen unter Verwendung eines beliebigen bekannten supraleitenden Drahtes ausgeführt werden. Die Wirkungsweise der Erfindung wird jedoch durch Verwendung eines Drahtes mit einem Kern aus supraleitendem Material und einer Außenschicht aus normalleitendem oder nicht supraleitendem Material verbessert.As indicated above, the device according to the invention can with Coils carried out using any known superconducting wire will. However, the operation of the invention is through the use of a wire with a core made of superconducting material and an outer layer made of normal conductive material or non-superconducting material.

Durch Verwendung eines supraleitenden Drahtes mit einer Außenschicht aus nicht supraleitendem Material geringen spezifischen Widerstandes wird die Betriebsstabilität verbessert. Im Falle eines zeitweiligen Uberschreitens des supraleitenden Übergangspunktes wird der Strom in dem supraleitenden Kern dieses Drahtes in die nicht supraleitende Außenschicht übertragen. Die Supraleitfähigkeit des Kerns wird einmal wiederhergestellt, der umgekehrte Vorgang findet statt, und der Strom wird zurück in den supraleitenden Kern gekoppelt. In der Zwischenzeit ist einige Energie auf Grund der Widerstandserhitzung verlorengegangen, abhängig von der Zeitdauer während der sich die Einrichtung oberhalb des supraleitenden Übergangspunktes befand. Der Betrag des Energieverlustes ist jedoch für kurze Überschreitungen des supraleitenden Übergangspunktes sehr gering.By using a superconducting wire with an outer layer non-superconducting material with a low specific resistance results in operational stability improved. In the case of a temporary crossing of the superconducting transition point the current in the superconducting core of this wire becomes the non-superconducting one Transferring the outer layer. The superconductivity of the core is restored once, the reverse process takes place and the current is back in the superconducting Coupled core. In the meantime, some energy is due to the resistance heating lost, depending on the length of time the device is above of the superconducting transition point. The amount of energy lost is but very low for brief crossings of the superconducting transition point.

Claims

Claims: 1. Device for generating a high permanent magnetic field in an electrical coil, characterized in that a first superconducting coil (1) with n1 wire turns per unit length, which is wound in the shape of a cylinder with the volume V1, with a second superconducting Coil (2) with n2 wire turns per unit length, which is wound in the form of a cylinder with the volume VZ, is connected in such a way that both coils form a short-circuit circuit that n, <n2 and and that with external means a magnetic field component (Ho) is generated along the axis of the first coil (1) while the wire is in its normally conducting state, and is removed again after the wire has been brought into its superconducting state .

2. Device according to claim 1, characterized in that the superconducting wire consists of Nb-Zr.

3. Device according to claim 1, characterized in; that the superconducting wire is made of Nb3Sn.

4. Apparatus according to claim 1, characterized in that the superconducting wire has an outer coating made of a normally conductive material.

5. Device for generating a high permanent magnetic field in an electrical coil, characterized in that a multi-layer solenoid (20) is short-circuited at its ends and that with external means a substantially uniform magnetic Field is generated in the coil parallel to its axis while the wire is in its normally conductive state, and is removed again after the wire has been converted into its superconducting state.

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the superconducting wire consists of Nb-Zr.

7. Device according to claim 5, characterized in that the superconducting wire consists of Nb3Sn. B.

Device according to Claim 5, characterized in that the superconducting wire has an outer coating made of a normally conductive material.

9. Procedure for operating a device according to claim 5 or the following, characterized in that that another controllable, externally generated uniform magnetic field (Hö) parallel to the axis of the coil in a direction corresponding to the direction of the first externally applied magnetic field (H,) is opposite.