Supraleitende Spule Die Erfindung bezieht sich auf eine Spule zur
Erzeugung hoher magnetischer Felder mit elektrisch hintereinandergeschalteten Wicklungslagen
aus draht-, band- oder schichtförmigem hartsupraleitendem Material. Es sind Spulenanordnungen
aus hart-supraleitendem Material zur Erzeugung hoher magnetischer Felder bekannt
geworden, die aus Draht , Band oder auf Trägern aufgedampften Schichten lagenförmig
gewickelt sind. Der Aufbau und die Dimensionierung
dieser Spulen
hängt, wie bekannt, außer von den allgemeinen Materialeigenschaften, z.B. der Sprungtemperatur
des für die Wicklung zu verendenden hart-supraleitenden Materials,auch von den äußeren
Betriebsbedingungen der Spule, wie z.B. der verlangten magnetischen Feldstärke in
ihren Innern ab. Bei den meisten der bisher gebauten Magnetfeldspulen aus supraleitendem
Material ist der von der Wicklung in Anspruch genommene Raum hur sehr schlecht ausgenutzt.
Der damit verbundene Nachteil liegt auf der Hand. Eine Aufgabe der Erfindung ist
es, bei einer Spule aus soge -nanntem hart-supraleitendem Material eine günstige
Ausnutzung des Wickelraumes zu erzielen. Eine andere, durch die Erfindung zu lösende
Aufgabe ist es, einen Anteil des üblicherweise für eine Spule verwendeten Materials
mit supraleitenden Eigenschaften einzusparen. Diese Aufgaben werden gelöst durch
eine Spule mit lagenförmiger Wicklung, d.h. mit aufeinanderliegenden Wicklungs-,
d.h.
Windungs-
jlagen, bei der erfindungsgemäß der Draht-, Band- oder Schicht-'
querschnitt für jede Windungslage vom Äußeren zum Innern der Spule hin zunel^smer_d
bemessen ist. Die Bemessung ist erfindungsgemäß insbesondere so gewählt, daß bei
maximaler Betriebsstromstärke des durch die Spule fließenden Stromes die
dichte
in jeder Windung den für die betreffende Wicklungslage gültigen Wert der "modifizierten
kritischen Stromdichte-Feldstärke"-Kurve nahe erreicht, ihn aber nicht überschreitet.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß die Leistungsfähigkeit einer Magnetfeldspule
aus hart-supraleitenden Material wegen der Bescnderheiten der sogenannten harten
Supraleitung sehr wesentlich durch die Eigenschaften ihrer innen gelegenen Wicklungalagen
bestimmt ist, und daß durch geeignete Bemessung der Wicklung wesentlich verbessert
Spulen, d.h. solche, die u.a. die oben angeführten Aufgaben läsen, hergestellt werden
können. Bei der erfindungsgemäßen Spule nimmt der Querschnitt des elektrischen Leiters
von Wicklungslage zu Wicklungslage nach außen hin ab. Die Abnahme kann stufenweise
bemessen sein. Für die praktische Ausführung der Spule ist es jedoch allgemein zweckmäßiger,
eine stetige Abnahme des Querschnitts ihres elektrischen Leiters vorzusehen. Eurch
die eben angegebene spezielle Bemessung ist die erfindungsgemäße Spule mit besonders
günstigen Eigenschaften versehen, so daß sie z.73. für die oben angeführten Aufgaben
eine optimale Lösung darstellt. Die spezielle Bemessungsvorselrift wird im folgenden
näher erläutert.
Unter der "modifizierten, kritischen Stromdichte-Feldstärke"-Kurve,
im folgenden als modifizierte jc-H-Kurve bezeichnet, ist im Sinne der Erfindung
die Kurve zu verstehen, die man erhält, wenn bei der sich für die Abhängigkeit der
kritischen Stromdichte jvon der Feldstärke H ergebenden Kurve die darin auftretenden
relativen Maxima eliminiert werden, d.h. wenn die Kurve monoton gemacht wird. Dies
wird in folgenden noch näher erläutert.Superconducting coil The invention relates to a coil for generating high magnetic fields with winding layers, electrically connected in series, made of wire, tape or layered hard superconducting material. Coil arrangements made of hard superconducting material for generating high magnetic fields have become known, which are wound in layers from wire, tape or layers vapor-deposited on carriers. The structure and dimensioning of these coils depend, as is known, not only on the general material properties, e.g. the critical temperature of the hard superconducting material to be used for the winding, but also on the external operating conditions of the coil, such as the required magnetic field strength inside . In most of the magnetic field coils made of superconducting material so far, the space taken up by the winding is used very poorly. The associated disadvantage is obvious. One object of the invention is to achieve a favorable utilization of the winding space in a coil made of so-called hard superconducting material. Another object to be achieved by the invention is to save a portion of the material usually used for a coil with superconducting properties. These objects are achieved by a coil with a layered winding, ie with superposed winding, ie Winding
jlagen, in which, according to the invention, the wire, tape or layer '
cross-section is dimensioned for each winding layer from the outside to the inside of the coil towards zuel ^ smer_d. According to the invention, the dimensioning is especially chosen so that at the maximum operating current strength of the current flowing through the coil, the density in each turn comes close to, but does not exceed, the value of the "modified critical current density-field strength" curve valid for the winding layer in question. The invention is based on the idea that the performance of a magnetic field coil made of hard superconducting material is largely determined by the properties of its inner winding layers due to the characteristics of the so-called hard superconductivity, and that coils, ie such coils, are significantly improved by suitable dimensioning of the winding which, among other things, allow the tasks listed above to be produced. In the case of the coil according to the invention, the cross section of the electrical conductor decreases from winding layer to winding layer towards the outside. The decrease can be gradual. For the practical implementation of the coil, however, it is generally more expedient to provide for a steady decrease in the cross section of its electrical conductor. Due to the special dimensioning just given, the coil according to the invention is provided with particularly favorable properties, so that it can e.g. represents an optimal solution for the tasks listed above. The special design regulation is explained in more detail below. The "modified, critical current density-field strength" curve, hereinafter referred to as the modified jc-H curve, is to be understood in the context of the invention as the curve which is obtained when the dependence of the critical current density jvon the Field strength H resulting curve, the relative maxima occurring therein are eliminated, that is, if the curve is made monotonic. This is explained in more detail below.
Die zur Feststellung der in der Erfindung definierten modifizierten
jc-H-Kurve notwendigerweise zunächst zu ` ermittelnde Abhängigkeit der-kritischen
Stromdichte von der Feldstärke ist nach der folgenden speziellen Vorschrift an kurzen
Drahtproben des für dis Spule zu verwendenden Materials mit den hart-supraleitenden
Eigenschaften 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 50 usec und einer Länge, größer als 100 /usec wird festgestellt,
wie hoch die kritische Stromdichte ist. Vor jedem neuen Stromimpuls ist die Probe
normalleitend zu machen und er- I
neut in das Magnetfeld mit der
gewünschten Feldstärke H zu bringen. Damit wird die kritische Stromdichte gültig
für den vorgegebenen Feldstärkewert des äußeren Feldes 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
der Materialquerschnitte und dementsprechend zu weniger günstigen oder gar unbrauchbaren
Spulen führen. Kurve 1 in Fig.1 zeigt die in Prinzip an Proben aus Niob-Zirkon ermittelte
Abhängigkeit. Auf der Abszisse 2 ist die Feldstärke des Magnetfeldes und auf der
Ordinate 3 die nach obiger Vorschrift durch Messung ermittelte kritische Stromdich
te aufgetragen. Es kann jedoch der Fall eintreten, daß die Messungen nicht eine
monoton fallende Funktion wie 1 ergeben, sondern, wie in Fig.2 dargestellt, eine
Kurve 11 mit einen relativen Minimum. Derartige Kurven, wie 11, erhält man z.B.
für supraleitendes Material, das einen sogenannten Degradationseffekt aufweist.
Die
für die erfindungsgemäße Bemessung zugrunde zu legende modifizierte jc-H-Kurve erhält
man nun, indem man jeweils das auf das relative Minimun zu größeren Feldstürkewerten
hin folgende relative Maximum durch eine waagrecht verlaufende Gerade, wie 12 in
Fig.2, eliminiert. lm Falle des Fehlens eines relativen Minimums, wie in Fig.1,
stimmt die für die Erfindung definierte modifizierte Kurve mit der durch Messung
ermittelten überein. Die der Erfindung zugr undeliegenden Aufgaben können also auch
mit einer erfindungsgemäß bemessenen Spule, die aus hart-supraleitendem Material
mit Degradationseffekt hergestellt ist, gelöst werden, da für die Bemessung der
Spule die Werte der wie eben definierten, modifizierten und damit monoton fallenden,
(d.h nicht ansteigenden jc-H-Kurve 13 herangezogen werden. Auf diese Weise ist sichergestellt,
daß beim Einschalten der Spule trotz des Degradationseffekts des Materials nirgendwo
innerhalb der Spule kritische Werte überschritten werden. Bei einer erfindungsgemäßen,
z.B. mit Draht gewickelten Spule bestehen also die äußeren Zagen, im Gegensatz zu
den. inneren Zagen, aus wesentlich dünnerem Draht. Bei einer aus Bändern gewickelten
Spule kann das Band in den äußeren Zagen, in Gegensatz zu den inneren Zagen, dünner,
schmaler oder
auch in beiden Dimensionen verkleinert sein. Obwohl
durch eine derartige Spule ein Strom einheitlicher Stromstärke fließt, werden entsprechend
der erfindungsgemäßen Bemessungder Querschnitte des Leiters bei der in Betrieb genommenen
Spule in keiner Wicklungslage die kritischen Werte überschritten. Ein einheitlicher
Stromstükewert ist für eire supraleitende Spule wesentlich, weil der Strom nach
Einprägung in der in supraleitenden Zustand befindlichen Spule im Kurzschlüß fließen
soll. Es ist unzweckmäßig, Streuverzweigungen vorzusehen. Es sei ergänzend bemerkt,
daß es nicht notwendig ist, die Materialstärke innerhalb jeder einzelnen Windungslage
konstant zu halten. Beispielsweise kann eine Spule aus sich stetig verjüngendem
Draht oder Band gewickelt werden. Die Bemessung ist dann so zu wählen, daß der minimale
Materialquerschnitt in jeder Windungslage der obigen Bedingung bezüglich der Stromdichte
entspricht. Besonders vorteilhaft ist es, für die erfindungsgemäßen Spulen Materialien
wie etwa bestimmte Niob-Zinn-Legierungen zu verwenden, die keinen sogenannten Degradationseffekt
aufweisen. Diese Materialien weisen im allgemeinen, gegenüber solchen Materialien
mit Degradationseffekt, z.B. bestimmte Niob-Titan-Zegierungen, besonders im Bereich
zwischen etwa 0 und 30 000 Oerstedt, wesentlich höhere Werte der kritischen Strordichte
auf. Sie eignen sich daher besonders für
Spulen dieses Feldstärkebereiches.
Ob ein Degradationseffekt bei einer Legierung auftritt oder nicht, hängt-weitgehend
auch von der Vorbehandlung des Materials ab. . Weitere Einzelheiten der Erfindung
gehen aus der Beschreibung und der Figur eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels
hervor. .The dependence of the critical current density on the field strength, which must first be determined to determine the modified jc-H curve defined in the invention, is to be recorded according to the following special rule on short wire samples of the material to be used for the coil with the hard superconducting properties . The short wire sample is first cooled to the operating temperature that will come into question later, ie to a temperature below the jump point, and then placed in an external magnetic field with the determined measuring field strength. Impressed, adiabatically acting current pulses with a rise time of less than 50 usec and a length of greater than 100 / usec determine how high the critical current density is. Before each new current pulse, the sample must be made normally conductive and brought into the magnetic field with the desired field strength H again. This determines the critical current density valid for the specified field strength value of the external field. Adherence to this regulation is necessary because material-dependent, critical current density-field strength values are generally measured under different external conditions. This results in deviations from the values measured according to the above regulation, which lead to incorrect dimensioning of the material cross-sections and accordingly to less favorable or even unusable coils. Curve 1 in FIG. 1 shows the dependency determined in principle on samples made of niobium-zirconium. On the abscissa 2, the field strength of the magnetic field and on the ordinate 3, the critical current density determined by measurement according to the above rule is plotted. However, it can happen that the measurements do not result in a monotonically decreasing function such as 1, but rather, as shown in FIG. 2, a curve 11 with a relative minimum. Curves such as 11 are obtained, for example, for superconducting material which has a so-called degradation effect. The modified jc-H curve on which the measurement according to the invention is based is now obtained by eliminating the relative maximum following the relative minimum to larger field strength values by a horizontal straight line, such as 12 in FIG. In the case of the absence of a relative minimum, as in FIG. 1, the modified curve defined for the invention agrees with the one determined by measurement. The objects on which the invention is based can therefore also be achieved with a coil dimensioned according to the invention, which is made of hard superconducting material with a degradation effect, since for dimensioning the coil the values of the modified and thus monotonically decreasing values as defined above (ie not increasing jc-H curve 13. This ensures that when the coil is switched on, despite the degradation effect of the material, critical values are not exceeded anywhere inside the coil In contrast to the inner tines, made of considerably thinner wire. In the case of a coil wound from ribbons, the tape in the outer tongues, in contrast to the inner tongues, can be thinner, narrower or also reduced in both dimensions Coil a current of uniform current intensity flows, are according to the invention The dimensioning of the cross-sections of the conductor with the coil in operation did not exceed the critical values in any winding position. A uniform current value is essential for a superconducting coil because the current should flow in a short circuit after being impressed in the coil in the superconducting state. It is inexpedient to provide scatter branches. It should also be noted that it is not necessary to keep the material thickness constant within each individual winding layer. For example, a coil of continuously tapered wire or tape can be wound. The dimensioning must then be selected so that the minimum material cross-section in each winding layer corresponds to the above condition with regard to the current density. It is particularly advantageous to use materials such as certain niobium-tin alloys, which do not have a so-called degradation effect, for the coils according to the invention. These materials generally have significantly higher values of the critical current density than materials with a degradation effect, for example certain niobium-titanium alloys, especially in the range between about 0 and 30,000 Oerstedt. They are therefore particularly suitable for coils of this field strength range. Whether or not a degradation effect occurs in an alloy also largely depends on the pretreatment of the material. . Further details of the invention emerge from the description and the figure of a particularly preferred exemplary embodiment. .
Figur 3 zeigt eine nach der erfindungsgemäßen Bemessung dimensionierte
Spule 31, die aus hart-supraleztendem Band 32 gewickelt ist. Bei dieser Spule ist
jede Wicklungs lüge zugleich eine Windung. 33 stellt eine supraleitende, die Enden
der Wicklung verbindende Kurzschlußbrücke dar. In der Fig.3 ist, um das Wesentliche
der Erfindung hervorzuheben, die Dicke des für das Beispiel verwendeten Bandes im
Verhältnis zu den Querschnittsabmessungen der Brücke erheblich vorgrößert wiedergegeben.
Bei der Bemessung der Spule geht man wie folgt vor: Zunächst ist die dem Material
eigene modifizierte jc-H-Kurve zu ermitteln. Nicht als Einschränkung; sondern lediglich
zum leichteren Verständnis sei für das Beispiel angenemmen, daß die zugrundezulegende
modifizierte jc-H-Kurve, wie in Fig.4 dargestellt, eine Gerade 41 sei. Vorgegeben
ist, daß im Innern der Spule ein bestimmtes Magnetfeld Hi der Größe, die der Geraden
42 entspricht, herrschen soll. In der innersten Zage der Spule ist also die
Stromdichte
ji entsprechend 43 maximal zulässig. Die Materialdicke d der innersten Lage ist
gegeben durch d = I/ji, worin I die Stromstärke pro Längeneinheit der Spule ist,
die sich wiederum aus der vorgegebenen Feldstärke Hi im Innern der Spule und der
gewünschten Windungszahl N gemäß Hi=N.I ergibt. Gemäß der von einer Windungslage
zur nächstäußeren Windungslage gleichbleibend großen Abnahme der Feldstärke in der
Wicklung dieser Spule nimmt bei der angenommenen jc-H-Kurve 41 die maximal zulässige
Stromdichte von einer Lage zur nächstäußeren Lage um einen konstanten Betrag jj
zu. Wie aus der Figur 4 zu ersehen ist, hängt die Höhe der Zunahme von der Steigung
der Kurve 41 ab. Da die Stromstärke in jeder Windung konstant ist, kann also von
innen nach außen die Dicke des bandförmigen Materials, bei diesen Beispiel von Lage
zu Lage, um gleiche Beträge #d vermindert werden, wenn die modifizierte Jc-H-Kurve,
wie in Fig. 4 mit 41 dargestellt, eine Gerade ist. Zum Vergleich der Leistungsfähigkeit
dieser erfindungsgemäßen Spule sei eine aus dem gleichen Material hergestellte andere
Spule herangezogen, bei der jedoch - wie üblicherweise -ein gleichmäßig dickes Band
verwendet worden ist. Eine einfache Rechnung, bei der eine eventuell vorzusehende
Isolationsschicht zwischen den Wicklungslagen unberücksichtigt ist, ergibt, däß
sich die Wicklungsdicke der erfindungsgemäßen
Spule zu der Dicke
der zum Vergleich herangezogenen Spule üblicher Bauform wie
verhält, worin p = ji/jo das Verhältnis der kritischen Stromdichte bei dem Feldstärkewert
H1 und der maximal zulässigen kritischen Stromdichte j0 in der äußersten Windung
der Spule ist. j0 entspricht etwa dem kritischen Stromdichtewert bei der Feldstärke
H = o. Für den Fall, daß die modifizierte jc-H-Kurve keine Gerade ist, werden die
Rechnungen etwas schwieriger, sind aber für den Fachmann prinzipiell lösbar. Häufig
kann die jc-H-Kurve durch einen Polygonzug angenähert werden. Hierdurch vereinfacht
sich die Rechnung derart, daß sie etwa der des Beispiels entspricht. Die Dicke der
Wicklung einer derart in vereinfachender Weise berechneten Spule ist bei feiner
Aufteilung der Kurve nur unwesentlich größer, verglichen mit der Dicke einer optimal
bemessenen Spule. Aus der Rechnung erkennt man, daß der Vorteil der erfindungsgemäßen
Spule dann besonders groß ist, wenn der Viert von p klein wird, d.h. wenn ji/j0
klein ist. Bei p = 1:3 hat die erfindungsgemäß bewessene Spule bei gleicher Stromstärke
und gleicher Feldstärke im Innern nur rund zwei Drittel so :.-große
Wicklungsdicke
wie die ihr entsprechende aus draht-, band- oder schichtförmigen Material mit konstantem
Leiterquerschnitt hergestellte Spule. Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene
und in der Figur dargestellte spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt.FIG. 3 shows a coil 31 which is dimensioned according to the dimensioning according to the invention and which is wound from hard superconducting tape 32. In this coil, each winding is also a turn. 33 shows a superconducting short-circuiting bridge connecting the ends of the winding. In FIG. 3, in order to emphasize the essence of the invention, the thickness of the tape used for the example is shown considerably enlarged in relation to the cross-sectional dimensions of the bridge. When dimensioning the coil, proceed as follows: First, the modified jc-H curve specific to the material must be determined. Not as a limitation; but merely for the sake of easier understanding it is assumed for the example that the modified jc-H curve on which the basis is based, as shown in FIG. 4, is a straight line 41. It is specified that a certain magnetic field Hi of the size that corresponds to the straight line 42 should prevail inside the coil. In the innermost part of the coil, the current density ji is maximum permissible according to 43. The material thickness d of the innermost layer is given by d = I / ji, where I is the current strength per unit length of the coil, which in turn results from the specified field strength Hi inside the coil and the desired number of turns N according to Hi = NI. According to the constant large decrease in the field strength in the winding of this coil from one winding layer to the next outer winding layer, with the assumed jc-H curve 41, the maximum permissible current density increases from one layer to the next outer layer by a constant amount jj. As can be seen from FIG. 4, the magnitude of the increase depends on the slope of curve 41. Since the current intensity in each winding is constant, the thickness of the strip-shaped material can be reduced from the inside to the outside, in this example from layer to layer, by the same amounts #d if the modified Jc-H curve, as shown in FIG. 4 shown at 41 is a straight line. To compare the performance of this reel according to the invention, another reel made of the same material is used, but in which - as is usually the case - a tape of uniform thickness has been used. A simple calculation, in which any insulation layer that may be provided between the winding layers is not taken into account, shows that the winding thickness of the coil according to the invention is the same as the thickness of the coil of conventional design used for comparison behaves, where p = ji / jo is the ratio of the critical current density at the field strength value H1 and the maximum permissible critical current density j0 in the outermost turn of the coil. j0 corresponds approximately to the critical current density value at the field strength H = o. In the event that the modified jc-H curve is not a straight line, the calculations become somewhat more difficult, but can in principle be solved by the person skilled in the art. The jc-H curve can often be approximated by a polygon. This simplifies the calculation in such a way that it roughly corresponds to that of the example. The thickness of the winding of a coil calculated in this way in a simplified manner is only insignificantly greater when the curve is finely divided, compared with the thickness of an optimally dimensioned coil. From the calculation it can be seen that the advantage of the coil according to the invention is particularly great when the fourth of p becomes small, ie when ji / j0 is small. At p = 1: 3, the coil tested according to the invention has only around two thirds inside with the same current strength and the same field strength: - as large as the winding thickness of the corresponding coil made of wire, tape or layered material with a constant conductor cross-section. The invention is not restricted to the specific exemplary embodiment described and shown in the figure.