DE1278007B - Verfahren zur Erzeugung hoher magnetischer Felder mit einer supraleitenden Spulenanordnung und dabei zu verwendende Spulenanordnung - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung hoher magnetischer Felder mit einer supraleitenden Spulenanordnung und dabei zu verwendende Spulenanordnung

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DE1278007B
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Dr Rer Nat Reinhard Weyl
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Siemens AG
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/02Quenching; Protection arrangements during quenching

Description

  • Verfahren zur Erzeugung hoher magnetischer Felder mit einer supraleitenden Spulenanordnung und dabei zu verwendende Spulenanordnung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung hoher magnetischer Felder mit Hilfe einer Spulenanordnung mit hartsupraleitendem Material, die in mehrere konzentrisch angeordnete, elektrisch getrennt einschaltbare Teilspulen aufgeteilt ist und von denen wenigstens eine Teilspule aus einem Material besteht, das den Degradationseffekt zeigt.
  • Spulenanordnungen, bestehend aus konzentrischen, ineinandergesteckten Teilspulen aus hartsupraleitendem Material, sind bereits bekannt. So wurden in »Westinghouse Scientific Papers« Nr. 62-108-281-P 1 eine Spulenanordnung beschrieben, bei der die äußere Teilspule aus hartsupraleitendem Material mit hohen kritischen Stromdichtewerten bei niedrigen Feldstärkewerten und die innere Spule aus Material mit dagegen niedrigen kritischen Stromdichtewerten bei hohen Feldstärkewerten besteht.
  • In » Applied Physics Letters«, Bd. 3, Nr. 5, ist auf den Seiten 79 und 80 ein Versuch beschrieben, bei dem eine Spule aus einem hartsupraleitendem Material, das den dort beschriebenen Degradationseffekt aufweist, verwendet wurde. Diese Spule wurde in einem vorhandenen Anfangsfeld, welches größer als der sogenannte Flußsprung der Spule war, betrieben. Dabei konnte die ohne das Anfangsfeld erreichten maximalen Stromwerte der Spule überschritten werden, ohne daß Normalleitung in dieser Spule eintrat.
  • Mit »Degradationseffekt« wird die starke Abnahme der kritischen Stromdichte eines Supraleitermaterials in Form einer Spule, in deren magnetischem EigenfeW gegenüber der kritischen Stromdichte einer kurzen, d. h. nicht zu einer Spule gewundenen Probe dieses Supraleitermaterials in einem gleich großen fremden Magnetfeld, bezeichnet.
  • Die bisher bekanntgewordenen Spulenanordnungen sind aber nicht darauf ausgerichtet, eine optimale Ausnutzung des Wickelraums und des supraleitenden Materials zu erreichen. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer supraleitenden Spulenanordnung zur Erzeugung hoher magnetischer Felder anzugeben, bei der der Wickelraum gut ausgenutzt und das supraleitende Material optimal ausgenutzt wird, wobei für die Spulen auch solches hartsupraleitendes Material guter Duktilität verwendet wird, das die als Degradationseffekt bezeichnete und allgemein unerwünschte Eigenschaft aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die elektrischen Stromflüsse in den Teilspulen aus Material mit Degradationseffekt in zeitlicher Folge nacheinander, beginnend mit der äußersten Teilspule und suksessive fortschreitend bis zur innersten Teilspule, eingeschaltet werden, wobei der Stromfluß in einer der Teilspulen erst dann eingeschaltet wird, wenn bereits in den in der Spulenanordnung weiter außen liegenden Teilspulen die maximalen Betriebsströme fließen, wobei der jeweilige maximale Betriebsstrom in einer Teilspule so groß gewählt wird, daß die Stromdichte in ihr den für diese Teilspule gültigen kleinsten Wert einer »kritische Stromdichte-Feldstärke«-Kurve nahe erreicht, aber nicht überschreitet, wobei diese Kurve aus Meßwerten gebildet wurde, die zuvor durch Einzelmessungen an einer kurzen Drahtprobe des Materials der jeweiligen Teilspule ermittelt worden waren, indem diese Probe auf die später in Frage kommende Betriebstemperatur abgekühlt und dann in ein äußeres Magnetfeld der vorgegebenen Feldstärke gebracht worden war und dann mittels eines eingeprägten, adiabatisch wirkenden Stromimpuls mit einer Anstiegszeit kleiner als 10 sec und einer Dauer größer als 100 wsec der sich so ergebende Wert der kritischen Stromdichte festgestellt wurde.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß man auch aus supraleitendem Material mit Degradationseffekt sehr leistungsfähige Magnetspulen herstellen kann, wenn man diese nach der Lehre der Erfindung geeignet dimensioniert und in geeigneter Weise betreibt.
  • Supraleitendes Material mit Degradationseffekt wird für Spulen zur Erzeugung von Magnetfeldern hoher Feldstärke als wenig geeignet angesehen. Gerade unter supraleitenden Stoffen mit dieser Eigenschaft findet man aber eine Anzahl Legierungen, vorzugsweise Niob-Titan-Legierungen, die, verglichen mit Materialien ohne Degradationseffekt, noch bei sehr hohen Feldstärken, z. B. größer als 100 kGauß, erliebliche Werte der kritischen Stromdichte aufweisen. Hinzu kommt, daß einige diesere Materialien, insbesondere Niob-Titan, im allgemeinen gute Duktilität aufweisen, die sich daher gut zu Spulen verarbeiten lassen. Niob-Zinn-Legierungen, die im allgemeinen sehr hohe kritische Werte haben, sind bekanntlich wegen ihrer Sprödigkeit für die Herstellung von Spulen kaum zu verwenden.
  • Die mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren verbundene gute Ausnutzung des Wickelraums wird durch den speziellen Aufbau der zu verwendenden Spulenanordnung in Verbindung mit ihrer erfindungsgemäßen Bemessung und der speziellen Art der Inbetriebnahme dieser Spulenanordnung erreicht. Aufbau, Bemessung und Inbetriebnahme stellen somit eine Einheit dar.
  • Was unter der für die Bemessung der erfindungsgemäß zu verwendenden Spulenanordnung wesentlichen »kritische Stromdichte-Feldstärke«-Kurve - abgekürzt mit jc-H-Kurve - zu verstehen ist, und wie diese Kurve zu ermitteln ist, wird anschließend erläutert.
  • Es ist im allgemeinen bekannt, daß die kritischen Stromdichtewerte von der magnetischen Feldstärke des im supraleitenden Material erzeugten Magnetfeldes abhängt. Der sich aus Messungen an Materialproben ergebende Verlauf der Kurve ist aber abhängig von den Meßbedingungen. Die für die Bemessung der für das erfindungsgemäße Verfahren zu verwendenden Spulenanordnung zugrunde zu legende jc-H-Kurve ist nach folgender spezieller Vorschrift an kurzen Drahtproben des Materials aufzunehmen. Die kurze Drahtprobe wird zunächst auf die später in Frage kommende Betriebstemperatur, d. h. auf eine unterhalb des Sprungpunktes liegende Temperatur, abgekühlt und dann in ein äußeres Magnetfeld mit der bestimmten Meßfeldstärke gebracht. Durch eingeprägte, adiabatisch wirkende Stromimpulse mit einer Anstiegszeit von kleiner als 10 gsec und einer Dauer größer als 100 lsec wird festgestellt, wie hoch die kritische Stromstärke ist. Vor jedem neuen Stromimpuls ist die Probe kurzzeitig normalleitend zu machen und abgekühlt erneut in das Magnetfeld mit der gewünschten Feldstärke H zu bringen. Auf diese Weise wird die kritische Stromdichte gültig für den vorgegebenen Feldstärkewert des äußeren Magnetfeldes ermittelt. Die Einhaltung dieser Vorschrift ist notwendig, da materialabhängige »kritische Stromdichte-Feldstärke«-Werte allgemein unter anderen äußeren Bedingungen gemessen werden. Hierdurch ergeben sich Abweichungen von den nach obiger Vorschrift gemessenen Werten, die zu falscher Bemessung und dementsprechend zu weniger brauchbaren oder gar unbrauchbaren Spulen führen.
  • Die Kurve 1 in Fi g. 1 zeigt die im Prinzip an Proben aus Niob-Titan ermittelte Abhängigkeit. Auf der Abszisse 2 ist die Feldstärke des Magnetfeldes und auf der Ordinate 3 die kritische Stromdichte aufgetragen. Die bei dem Verfahren nach der Erfindung zu verwendende Spulenanordnung ist in konzentrisch angeordnete Teilspulen aufgeteilt, wie dies zum leichteren Verständnis zunächst an einem Beispiel, aus dessen Beschreibung noch weitere Einzelheiten der Erfindung hervorgehen, erläutert wird.
  • Die Summe der Amperewindungszahl pro Längeneinheit der Teilspulen ergibt die im Inneren der gesamten Spulenanordnung herrschende Feldstärke, die allgemein vorzugeben ist. Es ist angenommen, die Spulenanordnung solle aus einem Material mit hartsupraleitenden Eigenschaften hergestellt werden, dessen nach obiger Vorschrift ermittelte jc-H-Kurve den in der F i g. 2 angegebenen Verlauf 11 hat.
  • Die Aufteilung der Spulenanordnung in einzelne Teilspulen richtet sich nach dem Verlauf der jc-H-Kurve des zu verwendenden Materials. Für das gewählte Beispiel der F i g. 2 empfiehlt es sich, die Spule, in deren Innerm die Feldstärke Hi erreicht werden soll, in etwa vier Teilspulen aufzuteilen.
  • Auch die Dimensionierung der einzelnen Teilspulen richtet sich wieder nach dem Verlauf der je-H-Kurve. Die äußerste Teilspule wird so bemessen, daß in ihrer Wicklung die Feldstärkewerte des Bereichs 21 erreicht werden. Man erkennt aus der Figur, daß wegen des Minimums der Kurve 11 die in den Windungen dieser Spule maximal zulässige Stromdichte relativ niedrig ist, da nach der Lehre der Erfindung in jeder Teilspule der für diese Teilspule gültige kleinste Stromdichtewert der jc-H-Kurve nur nahe erreicht, aber nicht überschritten werden darf. Die für diese Teilspule zu wählende Windungszahl und der Querschnitt des für die Wicklung zu verwendenden draht-, band- oder schichtförmigen Leiters, die voneinander abhängig sind, werden so gewählt, daß die nötige Amperewindungszahl pro Längeneinheit dieser Teilspule unter Berücksichtigung des zulässigen Stromdichtewertes und der in der innersten Lage dieser Teilspule zu erreichenden Feldstärke H21 erreicht wird. Der Feldstärkewert H21 ist bereits so groß gewählt worden, daß in der zweiten nächstgelegenen inneren Teilspule die für den Feldstärkebereich 22 gegenüber 21 wesentlich größeren Wert der kritischen Stromdichte ausgenutzt werden können. H22 ist die Feldstärke, die in der innersten Windungslage der beiden äußersten, in Betrieb befindlichen Teilspulen erreicht wird. Die für diese zweite Teilspule nötige Amperewindungszahl pro Längeneinheit ergibt sich aus der Differenz von H...2 und H21, woraus sich wieder, wie bei der äußersten Teilspule, die übrigen, für den Bau der Spule notwendigen Angaben ergeben. Bei dem speziellen Beispiel sind noch zwei weitere Teilspulen vorgesehen, die in entsprechender Weise so zu dimensionieren sind, daß in der innersten Lage der dritten Spule von außen die Feldstärke H23 erreicht wird, aber der Stromdichtewert j23 nicht überschritten wird.
  • F i g. 3 stellt das Beispiel einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung 31 aus vier Teilspulen 32, 33, 34, 35 dar. Jede dieser Teilspulen besitzt Stromzuführungsleitungen 132, 232, 133, 233, 134, 234 und 135, 235, mit deren Hilfe der supraleitende Strom in den Teilspulen eingespeist wird. Der Übersichtlichkeit halber sind in der Figur die bekannten Kurzschlußbrücken an den einzelnen Teilspulen weggelassen worden.
  • Aus diesem einfachen Beispiel erkennt man leicht, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit der oben beschriebenen speziellen Spulenanordnung die durch das Material bedingten Möglichkeiten sehr gut ausnutzt. Wie bereits ausgeführt, ist aber diese Aufteilung der Spulenanordnung in Teilspulen noch nicht ausreichend, um beispielsweise die oben gestellten Aufgaben zu lösen. Notwendig ist noch die Berücksichtigung der erfindungsgemäßen Vorschrift zur Inbetriebnahme der wie oben bemessenen Spulenan- Ordnung. Nach dieser Vorschrift wird zunächst in der äußersten Teilspule und dann aufeinanderfolgend in der benachbarten inneren Teilspule der supraleitende Strom eingespeist. Beispielsweise würden bei gleichzeitigem Einspeisen des Stromes in die beiden äußersten Teilspulen in der Wicklung der inneren Teilspule Feldstärkewerte kleiner als der Wert H.1, bei Stromdichtewerten größer als j21 auftreten.
  • Aus der F i g. 2 und deren Beschreibung erkennt man, daß durch weitere Unterteilung der erfindungsgemäßen Spulenanordnung in eine noch größere Anzahl von Teilspulen noch mehr Wickelraum und/oder Material bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit der Spulenanordnung eingespart werden kann. Besonders vorteilhaft ist es auch, für die einzelnen Teilspulen supraleitendes Material mit voneinander unterschiedlichen kritischen Werten zu verwenden. Insbesondere empfiehlt es sich beim erfindungsgemäßen speziellen Beispiel für die äußerste Teilspule ein Material zu verwenden, bei dem zumindest im Bereich von dem Feldstärkewert 0 bis H21 kein Degradationseffekt auftritt; dieses braucht in diesem Fall keine hohen kritischen Stromdichtewerte bei hohen Feldstärkewerten aufzuweisen.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Erzeugung hoher magnetischer Felder mit Hilfe einer Spulenanordnung mit hartsupraleitendem Material, die in mehrere konzentrisch angeordnete, elektrisch getrennt einschaltbare Teilspulen aufgeteilt ist und von denen wenigstens eine Teilspule aus einem Material besteht, das den Degradationseffekt zeigt, d adurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Stromflüsse in den Teilspulen aus Material mit Degradationseffekt in zeitlicher Folge nacheinander, beginnend mit der äußersten Teilspule und suksessive fortschreitend bis zur innersten Teilspule, eingeschaltet werden, wobei der Stromfluß in einer der Teilspulen erst dann eingeschaltet wird, wenn bereits in den in der Spulenanordnung weiter außen liegenden Teilspulen die maximalen Betriebsströme fließen, wobei der jeweilige maximale Betriebsstrom in einer Teilspule so groß gewählt wird, daß die Stromdichte in ihr den für diese Teilspule gültigen kleinsten Wert einer »kritische Stromdichte-Feldstärke«-Kurve nahe erreicht, aber nicht überschreitet, wobei diese Kurve aus Meßwerten gebildet wurde, die zuvor durch Einzelmessungen an einer kurzen Drahtprobe des Materials der jeweiligen Teilspule ermittelt worden waren, indem diese Probe auf die später in Frage kommende Betriebstemperatur abgekühlt und dann in ein äußeres Magnetfeld der vorgegebenen Feldstärke gebracht worden war und dann mittels eines eingeprägten, adiabatisch wirkenden Stromimpulses mit einer Anstiegszeit kleiner als 10 gsec und einer Dauer größer als 100 gsec, der sich so ergebende Wert der kritischen Stromdichte festgestellt wurde.
  2. 2. Spulenanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teilspulen aus dem gleichen hartsupraleitenden Material hergestellt sind. 3. Spulenanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere der äußeren Teilspulen aus hartsupraleitendem Material, das keinen Degradationseffekt aufweist, hergestellt sind. In Betracht gezogene Druckschriften: »Applied Physics Letters«, Bd.
  3. 3, Nr. 5, 1963, S. 79 und 80; »Westinghouse Scientific Papers«, Nr. 62-108-281-P 1, Juli 1962; »Journal of applied physics«, Bd. 33, Nr. 12, 1962, S. 3499 bis 3504; »GEC-Journal«, Bd. 30, Nr. 3, 1963, S. 116 bis 121.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0018854A1 (de) * 1979-05-07 1980-11-12 Westinghouse Electric Corporation Supraleitender Induktionsapparat

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