DE2045978A1

DE2045978A1 - Elektrische Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes

Info

Publication number: DE2045978A1
Application number: DE19702045978
Authority: DE
Inventors: John Herbert Abingdon Berkshire Coupland (Großbritannien)
Original assignee: Science Research Council
Current assignee: Science Research Council
Priority date: 1969-09-18
Filing date: 1970-09-17
Publication date: 1971-03-25
Also published as: GB1329412A; CH529430A; US3731241A

Description

Science Research Council, State House, High Holborn, London, W.C.1, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Wr. 46172/69 vom 18. Sept. 1969 beansprucht.

Elektrische Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes

Background_der_Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Spulen zur Erzeugung von Magnetfeldern und betrifft insbesondere solche Spulen, wejlche die Magnetfelder für Strahlablenkung bzw. -biegung oder Strahlfokussierung In Beschleunigern fUr geladene Teilchen erzeugen.

Betrachtet man lange elektrische Leiter, die um die Oberfläche einte unendlioh langen Zylinders angeordnet sind, wobei die Längen dtr Leiter parallel zur Achse des Zylinders

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verlaufen, dann wird bei axialem Stromfluß in den Leitern ■ " und einer cos Θ-Verteilung der Stromdichte um die Oberfläche dea Zylinders herum ein gleichförmiges magnetisches Dipolfeld innerhalb des Zylinders erzeugt. Eine cos 2Θ -Verteilung der Stromdichte erzeugt ein reines magnetisches Vierpolfeld innerhalb des Zylinders.

Elektrische Spulen zur Erzeugung von Magnetfeldern für die Strahlablenkung oder Strahlfokussierung in Beschleunigern für geladene Teilchen werden so konstruiert, daß sie sich so dicht, wie es Herstellungsschwierigkeiten zulassen, der oben beschriebenen Idealsituation nähern. Es versteht sich, daß die Zylinder nicht unendlich lang sein können und in der Praxis die Wicklungen in Form einer Spule vorliegen, wobei eine Wicklung längsseits auf der einen

verläuft
Seite dee Zylinders/und an einem Ende überwechselt, um auf der anderen Seite zurückzulaufen.

Wenn es auch bei der Berechnung nicht notwendig ist, die Wicklung auf eine dünne Hülse zu begrenzen, so ist doch die Wicklungsdicke in der Praxis sicherlich relativ gering, wenn ein Hochfeld-Supraleiter verwendet wird. Eine Wicklung hoher Stromdichte ist besonders wichtig für einen Mehrpolmagneten, um das Volumen des erforderlichen Leiters zu begrenzen.

Ein Vorschlag zur Annäherung an die sinusförmige Stromdichteverteilung wurde von W.B. Sampson in "Preceedings of the International Conference on Magnet Technology¹¹, Oxford 1967, Seite 574, gemacht. Bei diesem Vorschlag wird der Umfang dea Zylinders in gleich tie|e 10°-Schlitze aufgeteilt, in weichen die entsprechende Durchschnittaanaahl von Leitern für eine stufenweise Annnäherung an die Binus-Wellenform gewickelt ist.

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Ein weiterer, konstruktiv einfacherer Vorschlag besteht darin, eine Wicklung konstanter Stromdichte, eine konstante Radial- oder Schlitztiefe zu verwenden, aber die Azimutallänge der wicklungen so zu wählen, daß Feldfehler im Strahlraum reduziert werden. Ein solcher Vorschlag wurde von Asner und Iselin in "Proceedings of the Internatinal Conference on Magnet Technology", Oxford 1967, Seite 32, gemacht, welche eine weitere Verfeinerung durch Zufügen weiterer Spulen, die radial außerhalb der Grundspule gewickelt sind, vorschlagen.

Die vorliegende Erfindung basiert auf einer neuen Annäherung in der mathematischen Analyse des Magnetfeldes, welches durch elektrischen Strom in Wicklungen erzeugt wird, von welchem erkannt wurde, daß eine beträchtliche Verbesserung der Feld-Gleichförmigkeit(oder Feldreinheit im Falle von magnetischen Vierpol-Feldern oder Feldern höherer Ordnungen) durch Einsetzen von genau lokalisierten und dimensionierten Distanzstucken innerhalb der Spulenwicklungen erzielt werden kann.

Zusammenfassung^der_Erfindung

Durch die Erfindung wird, gemäß einem Merkmal derselben, eine elektrische Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes geschaffen, und zwar eine S^uIe solcher Ausfiihrungsform, bei welcher die Wicklungen in einem Bündel zwischen zwei parallelen,in Abstand voneinander angeordneten Ebenen liegen, und zwar in zwei Seitenläufen und zwei Endläufen, wo die Wicklungen von der einen Seite zur andern laufen, wobei die allgemeine Richtung der Längen der Wicklungen in den beiden Seitenläufen parallel zu den genannten beiden Ebenen verlaufen, wobei ferner die Seitenläufe wesentlich langer als die Endläufe sind, so daß das Magnetfeld prinzipiell durch die Seitenläufe bestimmt wird, wobei die Wicklungen so angeordnet sind, daß zumindest ein Bereich vorhanden ist, der

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im Querschnitt durch eine Fläche jeweils innerhalb jedes Durchmessers des Bündels von V/icklungen, im Querschnitt in den beiden Seitenläufen gesehen,.bestimmt wird, wobei von diesem Bereich die Wicklungen abwesend sind, und wobei der Ort und die Ausdehnung des Bereiches so gewählt werden, daß die Gleichförmigkeit oder Reinheit des Magnetfeldes, welches durch die Spule erzeugt wird, gefördert wird.

Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß die Wicklungen in den genannten beiden Seitenläufen gerade sind und parallel zueinander verlaufen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine elektrische Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes geschaffen, bei welcher die V/icklungen der Spule, im Querschnitt gesehen, innerhalb Grenzen verteilt sind, welche durch konzentrische Kreise und allgemein sich radial erstrekkende Linien an den Azimutalgrenzen der Spulenwicklungen bestimmt werden, und bei v/elcher die Wicklungen so angeordnet sind, daß zumindest ein Bereich vorhanden ist, welcher durch eine Fläche innerhalb der genannten Grenzen, im Querschnitt gesehen, bestimmt wird und in welchem die v/icklungen der Spule fehlen, wobei der Ort und die Ausdehnung des Bereiches so ausgewählt werden, daß die Gleichförmigkeit oder Reinheit des durch die Spule erzeugten Magnetfeldes gefördert wird.

Vorzugsweise besteht die genannte Fläche, welche den Bereich bestimmt, aus einem Sektor der äußeren kreisförmigen Grenze, welcher durch die innere kreisförmige Grenze abgeschnitten bzw. abgestumpft wird.

Die Spulenwicklunppn vorder vorzugsweise durch azimutale Distanzstücke unterteilt, welche in die Wicklungen eingesetzt sind, wobei die Distanzstücke die oben definierten Bereiche einnehmen.

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Zur Erzeugung eines gleichförmigen Zweipol-Magnetfeldes kann die Anordnung "pulenwicklungen, welche, im Querschnitt gesehen, innerhalb von Grenzen liegen, welche durch konzentrische Kreise bestimmt werden, wobei die Azimutalgrenzen der Spulenwicklungen bei 67,40° in jedem Quadraten, gemessen von einer Bezugsachse, liegen, sowie in jedem Quadranten Distanzstücke aufweisen, deren azimutale Erstreckung von 43,50° bis 52,60 , gemessen von der Bezugsachse, reicht, wobei die Spulenwicklungen sonst einheitlich innerhalb der Grenzen verteilt, sind.

Pur die Erzeugung eines Vierpolfeldes hoher Reinheit können die Azimutalgrenzen der Spulenwicklungen, webel von diesen Grenzen zwei in jedem Quadranten liegen, welcher die vier Hagnetpolbereiche bestimmt, sowie die Azimutalerstrekkungen der Distanzstücke, von denen zwei in jedem Quadranten vorhanden sind, dadurch abgeleitet werden, daß die vorerwähnten Winkel für die Dipol-Feldspule durch zwei geteilt werden. Tn ähnlicher Weise können die entsprechenden Winkel für ein Sechspolfeld von hoher Reinheit dadurch abgeleitet werden, daß die vorerwähnten Winkel für die Zweipol-Feldspule durch drei geteilt werden, usw. fur Felder höherer Ordnung.

Während die Felder, welche durch Spulen mit auf diese Weise bestimmten Grenzen erzeugt werden, von verbesserter Gleichförmigkeit und Reinheit im Vergleich zu Feldern sind, welche durch ähnliche Spulen ohne Distanzstucke erzeugt werden, so kann das Dipolfeld weiter verbessert werden, wenn die Azimutalgrenzen der Spulenwicklungon bei 71,81° in jedem Ouadranten liegen, gemessen von der Bezugsachse, mit DiatanzatUcken von 33,38° bis 37,17° und von 53,16° bis 63,36°.

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Eine entsprechende Verbesserung von Feldern höherer Ordnung kann durch Einbringen zusätzlicher Distanzstücke erzielt werden, aber je höher die Anzahl von Distanzstücken ist, um so strenger werden die einzuhaltenden Herstellungstoleranzen hinsichtlich der Abmessungen und Lokalisierungen der DistanzstUcke. In der Praxis ist ein Distanzstück pro Pol für Vierpolfelder und Felder höherer Ordnungen und sind zwei Distanzstücke pro Pol für Dipolfelder eine passende Anwendung der Technik des Einsetzens von Distanzstücken in Magnetwicklungen für Beschleuniger.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben, und zwar zeigt bzw. zeigen.

Fign. 1 bis 3 Querschnitte durch drei Spulenausführungsformen,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Wicklung für eine Spulenausfuhrungsform,

Fig. 5 eine Abwicklung, welche ein Muster für

eine Endwicklung einer Spule zeigt, während

Fig. 6 einen Querschnitt nach der Linie B-B

der Fig. 5 wiedergibt.

Beschreibung_bevorzugter_Ausführungsbeis2iele

Fig. 1 dient der Veranschaulichung der Prinzipien der mathematischen Analyse, auf welcher die vorliegende Erfindung basiert,und zeigt Wicklungen in der Auafuhrungsform, wie sie von Asner und Iselln, wie oben erwähnt, zur Erzeugung eines Vierpolfeldes vorgeschlagen wurden.

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In den Fign. 1 bis 3 wird die allgemeine Form des Magnetfeldes durch Pfeillinien angedeutet.

V/ie aus Fig. 1 hervorgeht, sind vier Spulenwicklungen vorhanden, und zwar eine in jedem Quadranten. Das Bezugszeichen R und die zugeordneten Speile zeigen die Ausdehnung des Bündels von Wicklungen 11 in dem einen Lauf der einen der Spulen. An den Enden wechseln die wicklungen 11 über in den anderen Lauf, dessen Erstreckung mit dem Bezugszeichen S angedeutet ist. Der Umfang oder die Grenze des Bündels von Wicklungen im Lauf R, im Ouerschnitt gesehen, wird durch einen äußeren Kreis mit dem Radius r, ., einen inneren Kreis mit dem Radius r und radiale Linien an azimutalen

Stellen, ¹J durch den Winkel θ gleich 60° und 90°, bestimmt. Die Grenzen des Laufes S werden durch die gleichen Kreise bestimmt, aber die azimutalen Grenzen liegen bei G=O und θ = 30°. Die anderen drei Spulen sind symmetrisch angeordnet, und die azimutale Erstreckung der Spulen wird durch den als 20 bezeichneten Winkel bestimmt, wo in diesem Falle 0=30° ist. Die vier Pole des magnetischen Vierpolfeldes, welches durch Hindurchschicken elektrischer Ströme durch die Wicklungen 11 in Richtungssinnen erzeugt wird, welche durch die Punkte und Kreuze in den Wicklungen angedeutet werden, sind in den vier Polspalten angeordnet, welche von den Wicklungen in jedem Quadranten umgeben sind. Gemessen von der Bezugsachse BOA, erstrecken sich diese Polspalten von 30° bis 60 in jedem Quadranten.

Es -ist ersichtlich, daß die Wicklungen der Spule im ersten Quadranten in Fig. 1 in einem Bündel zwischen zwei parallelen Ebenen liegen, die im Abstand voneinander angeordnet sind. Die Ebenen erstrecken sich senkrecht zur Zeichenblattebeno und enthalten die beiden Linien, die jeweils mit 12 und 13 gekennzeichnet sind. Fig. 1 zeigt im Querschnitt die Seitenläufe R und S, welche sich senkrecht

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zur Zeichenblattebene in einem Abstand erstrecken, der wesentlich größer als die Länge der Endläufe ist, wo die Windungen vom Seitenlauf S nach dem Üeitenlauf R überwechseln. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel für einen Magneten eines Beschleunigers kann das Verhältnis der Länge der Üeitenläufe zur.Länge der Endläufe zwischen 100:1 und 10:1 betragen.

Für die mathematische Analyse, auf welcher die vorliegende Erfindung basiert, wird bei jedem beliebigen Radius r.. die Stromdichte j in einer Hülle mit der Dicke dr.. nach Pour analysiert in ihre Winkelkomponenten i cosnG, woraus die Vektorpotentiale A an einer Stelle (r,9) für Stellen innerhalb und außerhalb der Stromhülle unter Verwendung der folgenden Formeln berechnet werden können:

cosn9, für r<r.

an ' ^τλΙ

Α.. = ro ^Jn ^r1 WlI) cosn9, für r>r₁

Der Ursprung für θ v/ird so gewählt, daß er die Ausdrücke sin ηθ ausschließt, und im Falle einer Zweifach-Syrametrie, wie sie für einen Vierpol erforderlich ist, wird η nur die Werte 2, 6, 10, H, ... oder (4p + 2) annehmen, wobei ρ eine ganze Zahl ist. Wenn die Fourier-Koeffizienten j vom Radius unabhängig sind, wie im Falle von sokt^risierten Spulen, wie in Fig. 1 dargestellt, dann ergibt eine einfache Integration dieser radialen Ausdrücke bzw. Funktionen durch Superposition den kombinierten Effekt für eine dicke Spule von Innen- und Außenradien r und r, . An Stellen in der

el D

Wicklung ist A gegeben durch die folgenden Ausdrücke, aus denen durch gewöhnliche Quirl- bzv ^otationsbeziehun^en der Vektoren die Komponenten dos Feldes innerhalb der Spule erhalten werden. Diese sind notwendig bei der Betrachtung

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SAD

bzw. Berücksichtigung der mechanischen Kräfte an den Leitern, und im Falle von Supraleitern auch bei der Überprüfung, daß das kritische Feld für die in Frage kommende Stromdichte nicht überschritten wird.
Somit gilt für r_&<r^r_b, A = £ A_n + A_{2 (}

wobei

ι—

_ cosnO . . . (1) n+2 '^ ' n-2

und A₀ =

^ra + r² In r^/r | cos29 ....(2)

■Ta

sind, welches ein besonderer Fall ist. Jeder dieser Ausdrücke muß natürlich die Poissonsche Gleichung für den Bereich r_& bis r, erfüllen, d.h.

1 h fv^^kn] + ¹ A ^An) = - M_nL· cosne .

wobei yu die Dielektrizitätskonstante des freien -Raumes ist.

Für gleiche oder in gleichem Abstand angeordnete Spulen von «je einer Winkellänge von 20, wie in Fig. 1, werden die Fourier-Koeffizienten der Stromdichte erhalten als 7/4

3=8 ί j(θ) cosnG d9, welches zu

_ Q Λ

~ T H^ ^s^^{n ηθ w}^^r^» w®ⁿⁿ die Stromdichte konstant ist, 3(θ) = ζ für Ο<θ<0
und null, j(9) = ο für 0<

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- ίο -

Kontinuitätsbedingungen, an der inneren Grenze, r = r,

ergeben dann die relativen Feldkomponenten in der Aussparung in diesem sektorisierten Fall als «

n-2

'nf a = n^2l¹ "U,

In ^rb

9=0.

r=r, 9=0

wobei das gesamte azimutale Feld innerhalb der Aussparung gegeben ist durch
r,

■ ii ι m

1 COSiiW + υ rl
nl

cos69 + C

10Ir: n-2

cos 10Θ .

cosn9

Durch Durchführung der Analyse auf diese Weise sind die Amplituden der Achtpol- und höheren Harmonischen sofort zur Hand, und zwar in zweckmäßiger Form für Bahnberechnungen.

Zum Zwecke der Veranschaulichung werden die Komponentenwerte in Tabelle I für Spulen der in Fig. 1 dargestellten Form gegeben, wobei die azimutale Halblänge der Spulen 0 = beträgt. Die Werte für C_n sind geschätzt für Spulen mit

und sie werden für dickere Spulen ein wenig

niedriger liegen.

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Tabelle I

Fundamentalwert

Harmonische

ι³²/; 1,10

i C₂ = ! ¹I⁰⁰

'6

/ J 2 - 0,22

0,14

C₁₀ = j C₁₄ =

- 0,072 j 0,032

j^J

! ^₂ j -0,091

C₂₂ =

-0,013

etc. j

j etc.

In der Praxis wird die maximal brauchbare Aussparung nur 1,8 bis 1,9 r betragen, und zwar infolge der inneren Wanddicke für die Windungen, oder sogar weniger, wenn ein Ringraum für einen Temperaturübergang von 300 K bis 4,2 K vorhanden sein muß. Der maximale Harmonisehenfehler bei 0,8 r von 1,2 y> infolge C_1n kann für eine Reihe von An-

ei IU

Wendungen akzeptabel sein.

Eine Verbesserung der Größenordnung kann jedoch durch Vergrößerung der Länge jeder Spule und Einführen eines einfachen azimutalen Raumes in der 'Wicklung jeder Spule, d.h. im Endeffekt durch Ersetzen jeder Einzelspule durch zwei Spulen, erzielt werden.

Dies ist in Fig. 2 dargestellt, wo die iiäume in den Wicklungen durch Distanzstücke 14 gebildet werden. Diese Distanzstücke 14 erstrecken sich über die Länge der Läufe jeder Spule, und es ist ersichtlich, daß ihre allgemeine Lokalisierung im Querschnitt durch eine Fläche innerhalb jeweils jedes Umfanges des Bündels von Wicklungen 11 bestimmt ist, wie im (-uerschnitt in den beiden Soitenläufen jeder Spule gesehen.

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Die für die Spule errechneten Parameter sind eine gesamt-azimutale Halblänge von 0 = 33,70° und ein azimutaler Raum'von 21,75° bis 26,30°, Die Komponentenwerte, entsprechend jenen, die in Tabelle I gegeben sind, für diese Spule, wiederum für r^ = r_& ψΐ, werden in der folgenden Tabelle II gegeben:

Tabelle II

, ¹²Ai = ^J6"

! C₂ =

1 ,00

0,0020

°6 =

C,0010

°¹⁰/.1, =

-0.0018

10

- 0,0060

2 - /J₂ "

- 0,0065 - 0,18

^C18 ^:

/J₂ 0,22

'22

- 0,0015 -0,030 OjO32

Innerhalb einer Aussparung von 1,6 r ist der Feld-

α.

fehler aus irgendeiner der Harmonischen nunmehr geringer als C,1$. Andererseits ist die Herstellungstoleranz hinsichtlich der Winkelgrenzen entsprechend dichter. Beispielsweise ist eine Abweichung bzw. änderung von weniger als 0,05° bei irgendeiner der Grenzen genug, um jg auf O zu reduzieren.

Im Prinzip resultieren bessere Felder aus der Einführung weiterer sorgfältig ausgewählter Räume in den Wicklungen, aber die Wicklungen müssen genauer definiert werden, wobei die Grenzen eine Genauigkeit bis 0,01 haben.

Heben den unterschiedlichen Radialfaktoren, welche innerhalb der brauchbaren Öffnung oder Aussparung die Effektivität der verschiedenen Stromharmonischen und somit den bevorzugten Kompromiß Vco inträchtigen, werden die gleichen Spulenanteile für ein gleichf örmigoB Dipolfeld ο de ^ fn">"

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einen Sechspolmagneten an "besten sein, nachdem die Winkel jeweils durch 2 oder 2/3 geteilt sind. Während die Qualität des Sechspolfeldes verbessert wird und wahrscheinlich mehr als ausreichend ist, wird die QuaLität des Dipolfeldes entsprechend schlechter sein, und zwar wegen der Schwächung
niedrigerer Rangordnung der harmonischen Termini.

, Pur die Erzeugung eines Dipolfeldes hoher Gleichförmigkeit wird es als zweckmäßig erachtet, zwei Distanzstücke . ^ in die Spulenwicklung für jeden Pol einzuschließen — d.h. effektiv drei Spulen pro Pol zu verwenden. Eine solche Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Der eine Seitenlauf 15 der Spulenwicklungen zur Bildung des Polos 16 hat eine
azimutale Erstreckung von 9=0 bis θ = 71,84°. Der andere Seitenlauf 17 ist symmetrisch im zweiten Quadranten angeordnet. Die andere opulenwicklung mit Läufen 18 und 19 zur Bildung des Poles 21 ist in ähnlicher Weise symmetrisch im dritten und vierten Quadranten angeordnet.

Jeder Lauf,15,17,18,19 weist ein azimutales Distanzstück 22 von 33,33° bis 37,12° auf, gemessen von der Bezugs- achse COD. Jeder Lauf 15,17,18,19 hat außerdem ein azimutales ™ Distanzstück 23 von 53,14° bis 63,38°, gemessen von der Bezugsachse COD.

Die folgende Tabelle III zeigt die harmonischen Komponenten für die Spulenanordnung nach Pig. 3ί

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-H-

Tabelle III

1,022

IC, = 1

= 0

C, :£rO C

-r2 = + 0,00013 J₁

4= - 0.00016

T"

= -0,000082i

G d2r 9

= - 0,00043

C₁₁ = - 0,0001

hi

= - 0,18

'13

= -0,016

= 0,23

-= -0,017

= 0,082 ^! etc

= 0,0054

Die Werte von C basieren auf einer Spule, bei welcher

τ," 2r ist. Alle Komponenten niederer Ordnung, C-, bis C₁₁,

sind annähernd null und können im Prinzip genau null gemacht werden, und zwar durch Bestimmung der fünf Winkelgrenzen auf eine größere Präzision. Die bedeutendsten Fehler sind auf die Komponenten C₁, und C₁,- zurückzuführen, wo das unreine Dipolfeld, wie es αμΓσΙι die Azimutalkomponente charakterisiert ist, gegeben ist durch:

cosQ + G

^\ cos30 +

/|j COS59

cosnQ ....

wobei C_n = ^n 37

n-2'

ist,

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15 -

Bei 70?ο der vollen Öffnung beträgt der Beitrag von C₁, 0,025 /£ und derjenige vcn C₁,- 0,013.^. Die Komponenten C-, und C₁ _c könnten außerdem durch Einführen eines weiteren azimutalen Raumes in die Wicklungen null gemacht werden, aber in der Praxis glaubt man, daß die Feldqualität durch Fehler in der Konstruktion begrenzt ist, ura die strikte Symmetrie zu verwirklichen, welche in der Analyse stillschweigend inbegriffen ist» Darüber hinaus werden, wenn ein Supraleiter verwendet wird, diamagnetische Effekte in den Wicklungen die- Foldqualität verfälschen, wenn ein Drahtleiter nicht verwendet wird.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Lage von Windungen für die eine Hälfte einer Spule für ein Dipolfeld. Seitenläufe, entsprechend 15 und 17 in Fig. 3 sind ersichtlich, wobei diese durch Bezugszeichen 15a und 17a in Fig. 4 angedeutet sind. Ein azimutaler Raum bei 23a ist ebenfalls erkannbar. Diese Figur ist hauptsächlich deshalb eingeführt, um die allgemeine Form der Endwicklungen 31 und 32 zu veranschaulichen. Für Nagnete für Hochenergie-Beschleuniger ist es wichtig, bei der Herstellung der Wicklungen so dicht wie möglich an die Konstanz ir.i Integral

+ OO

-oo

heranzukommen, wobei das Integral entlang den ötrahlwegen durch den Magneten hindurch und parallel zur z-Achse genommen wird.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 leisten die Endwicklungen 31, 32 keinen Beitrag zum obigen Integral. Diese Anordnung ist daher eine zufriedenstellende Lösung für das Endwicklungssystem, wo der Raum eine radiale Ausdehnung an den

Enden zuläßt. ......

BAD ORiGJNAL

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Eine mathematische Analyse hat jedoch gezeigt, daß eine zufriedenstellende Annäherung an die obige Bedingung ohne große Radialerstreckung dadurch erzielt werden kann, einem Endwicklungsmuster gefolgt wird, wie es in den Figuren 5 und 6 dargestellt ist.

Die Ouerschnittsansicht nach Fig. 6 zeigt Wicklungen (die sektionierten Flächen), ähnlich der Fig. 3, für ein Dipolfeld, aber mit nur einem azimutalen -tiaum in jedem Quadranten. Fig. 5 ist eine Abwicklung, um in der Draufsicht ein typisches verbessertes Endwicklungsmuster zu veranschaulichen, wobei die Figur nur die Wicklungen in dem in Fig. 6 mit A bezeichneten Quadranten zeigt. Für die Abwicklung sind die Wicklungen gestreckt worden, so daß ihre Krümmung von 9 = 0 bis θ = 90, welche aus Fig. 6 hervorgeht, in *'ig. 5 eben dargestellt ist.

V/ie auf der Zeichnung angedeutet, zeigt Fig. 5 einen Teil der Axialwicklung, wobei B-B die Schnittlinie der Fig.6 markiert, sowie einen Quadranten der Endwicklung. Die Draufsicht zeigt eine Skala für θ von 0° bis 90° für einen Ouadranten eines Dipolmagneten (dio Skala würde für θ von 0° bis 45° für einen Vierpolmagneten usw. sein), und die andere Achse entspricht der axialen Dtrecke z. Die Leiter 33, 34,35,36,37,3s sind parallel zueinander angeordnet und haben eine Neigung 0' zur z-Achsc.

Um die Bedingung, wie oben crwrhnt, zu erfüllen, daß das Integral J Γ _; dz konstant ist, muß die Axinlkompo-

ncnte des Wttz- bzw. tktto-Stron:ol>_^jf;i· ritos /nett current element/ in der Endwicklungsform eine ähnliche Fourier-Analyse mit dem Winkel P zeigen wio für die Soitenwicklungen. Um diese Bedingung für oin ideales lvinos cosO-System zu

gAD ORIGINAL

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erfüllen, iat eine Lösung:

A θ coa 0^r + L(e) = B cos θ ,

worin A und B Konstanten sind und Ιι(θ) die axiale Länge ist, wie sie (siehe Fig. 5) nur für den Leiter 38 dargestellt

Geeignete Annäherungswerte für 0^f sind in Fig. 5 für verschiedene Bereiche für θ angedeutet. Jedoch braucht 0' nicht konstant zu sein oder gar das gleiche bei jedem ' θ für alle geneigten Leiter. Wenn 0¹ das gleiche bei jedem θ für alle Leiter ist, dann wird das Muster notwendigerweise komplizierter sein.

Der konzentrische Konstruktionstyp, der mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben ist, eignet sich von Haus aus zur Herstellung eines kompakten kombinierten Funkt ionsinagneton, wo z.B. ein innerer Abschnitt eine Vierpolwicklung mit zwei oder möglicherweise drei Spulen pro Pol und ein äußerer Abschnitt eine Dipolwicklung mit drei Spulen pro Pol aufweist. Auf diese Weise kann auf einen Strahl von geladenen Teilchen, beispielsweise, gleichzeitig durch ein Dipol- |

und ein Vierpolfeld eingewirkt werden.

Das eigenmagnetisehe Feld der äußeren Wicklungen kann durch Differenzierung der Lösungen, obige Gleichung (1), und Addieren der verschiedenen harmonischen Komponenten

γι 1

abgeleitet werden. Dazu müssen Ausdrücke der !Hype r cosnö infolge dee zerfallenden Vierpolfeldes des inneren Abschnittes jaddiert werden. Pur die inneren V/icklungen wird das Nettofjöld in ähnlicher Weise aus der obigen Gleichung (2) plu· dem gleichförmigen Feld aus d#r Dipolwicklung gegeben sein. Ein$ separate Behandlung mufl den Endabschnitten der Spule zuteil werden, wo Feldzunahmen außerdem auftreten können.

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Die Auswahl des Absehnittee von Dipolwicklungeri ala äußeren Abschnitt ist bei der Verbesserung der Qualität des Dipolfeldes in der brauchbaren Öffnung von Nutzen und setzt gleichzeitig die Abmessungen des Vierpols auf ein Mindestmaß herab, wobei auf diese Weise Wicklungsmaterial eingespart wird, insbesondere wenn der Feldgradient B_Q + r sichlangsam als ln/^rb\ ändert. Bei der Dipolwicklung ist das

^r K'

magnetische PeId direkt abhängig von der Dicke der Wicklung (r^ - r_a), und folglich besteht ein geringerer Anreiz, · den mittleren Radiue auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Ein weiterer Vorteil der konzentrischen Anordnung besteht darin, daß leichter sichergestellt werden kann, daß die beiden Magnete zur gemeinsamen Achse selbstausgerichtet sind.

Die oben beschriebene Technik zur Verbesserung der Gleichförmigkeit und Reinheit des Magnetfeldes ist auch dort von Vorteil, wo supraleitende Wicklungen verwendet werden, weil man einen unnötigen Magnetfeldanstieg in den supraleitenden Spulen seibat vermeidet.

Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der vorbeschriebenen Ausftthrungsbeispiele beschrankt. Beispielsweise brauchen die Seitenläufe der Spulenwicklungen nicht unbedingt innerhalb konzentrischer kreisförmiger Grenzen, im Querschnitt gesehen, festgelegt zu sein. Das heißt mit anderen Worten,die Seitenläufe der Windungen brauchen nicM mit der Oberfläche eines Zylinders konform zu gehen. Die Anordnung kann beispielsweise auch to sein, daß,, im Querschnitt gesehen, die Se it einlaufe der Wicklungen innerhalb .rechteckiger Grenzen enthalten sind. In diesem Falle können die Feld-Gleichförmigkeit und -Reinheit gleichermaßen durch Distanzstücke vorbeatimrater Dimensionen J und Lokalisationan gefördert werden. Jedoch ist die mathe- | matische Berechnung der Parameter der Dietmnzetüoke beträcht-Xioh komplizierter als die fur die oben beschriebenen konzen-

trliehen Anordnungen» ,

§m ORlQfNAL

Außerdem können die Wicklungen aus breiten, dünnen Bändern von Supraleiter,die geflochten sein können, gebildet werden.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsfcrm und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche ßrfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

70 104 Kü/Schm 16. Sept. 1970

(i. ^Elektrische Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes, wobei die Spule von einer Ausführungsform ist, bei welcher die V/icklungen in e inera Bündel zwischen zwei

arallelen, in Abstand voneinander angeordneten Ebenen liegen, wobei die Wicklungen in zwei Seitenläufen und zwei Endläufen liegen, wo die Wicklungen von der einen Seite zur anderen überwechseln, wobei die allgemeine "Richtung der Longen der Wicklungen in den beiden Seitenläufen parallel zu den genannten beiden Ebenen verlaufen und wobei die Seitenläufe wesentlich langer als die Endläufe sind, so daß das Magnetfeld im Prinzip durch die Seitenläufe bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daii die Wicklungen (11) so angeordnet sind, daß zumindest ein Bereich (14;22,23) vorhanden ist, welcher im Querschnitt durch eine Fläche innerhalb ,jeweils jedes Umfangs des Bündels von V/icklungen (11), im '"uerschnitt in den beiden Seitenläufen (z.B. 15,17, 18,19) gesehen, bestimmt ist, aus welchem Bereich (H;22,23) die Wicklungen abwesend sind, und daß die Lokalisierung und da3 Ausnaß des Bereiches (14;22,23) so gewählt werden, daß die Gleichförmigkeit oder Reinheit des Ifagnetfeldes, welches durch die Spule erzeugt wird, gefördert werden.
2. Spule nach ^Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (11) in den beider¹ Seitenläufen (s.B. 15,17; 18,19) gerade sind und parallel zueinander verlaufen.

8^ ORIGINAL

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3. Spuld zum Erzeugen eines Magnetfeldes, wobei die Wicklungen der Spule, im Querschnitt gesehen, innerhalb von Grenzen verteilt sind, welche durch konzentrische Kreise und allgemein radial verlaufende linien an den azimutalen Grenzen der Spulenwicklungen bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (11) so angeordnet sind, daß zumindest ein Bereich (14;22,23) vorhanden ist, der durch eine Fläche innerhalb dieser Grenzen, im Querschnitt gesehen, bestimmt ist, wobei in diesem Bereich (14;22,23) M die wicklungen (11) der Spule fehlen, und daß Ort und Ausdehnung des Bereiches (14*22,23) so ausgewählt sind,, daß die Gleichförmigkeit oder Reinheit des durch die Spule erzeugten Magnetfeldes gefördert werden.
4. Spule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche, welche den Bereich (14;22,23) bestimmt, aus einem Abschnitt der äußeren kreisförmigen Begrenzung besteht, welcher durch die innere kreisförmige Begrenzung geschnitten bzw, abgestumpft ist.
5. Spule nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekeimzeichnet, daß die Spulenwicklungen (11) durch azimutale Distanz- f stücke (14J22,23) unterteilt sind, welche in die Wicklungen eingesetzt sind, wobei die Distanzstücke (H₅22,23) die genannten Bereiche einnehmen.
6. Spüle nach Anspruch 5, bei welcher zur Erzeugung eines gleichförmigen Dipol-Magnetfeldes die Anordnung Spulenwicklungen aufweist, welche, im Querschnitt gesehen, innerhalb der durch konzentrische Kreise bestimmten Begrenzungen liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die azimutalen Grenzen der Spulenwicklungen (11) bei 67,40° in jedem Quadranten, gemessen von einer Bezugsachse, liegen, und daß in jedem Quadranten Distanzstücke vorgesehen sind, deren azimifale Eratreckung von 43,50° bis 52,60°, gemessen von der Bezugs-

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achse, reicht, wobei die Spulenwicklungen (11) sonst innerhalb der Grenzen gleichförmig verteilt sind.
7. Spule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Vierpolfeldes von hoher Reinheit die azimutalen Grenzen der Spulenwicklungen (11), von denen zwei in jedem Quadranten vorhanden sind und vier Magnetpolbereiche bestimmen, bei 33,70° in jedem Quadranten liegen, gemessen von den gegeneinander senkrechten Eezugsachsen, und daß die azimutalen Ausdehnungen der Distanzstücke (14)» von denen zwei in jedem Quadranten vorhanden sind, von 21,75° bis 26,30° reichen, gemessen von den Bezugsachsen.
8. Spule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeicnnet, daß zur Erzeugung eines Magnetfeldes der Größenordnung N die azimutalen Grenzen der Spulenwicklungen (11), von welchen Grenzen N/2 in jedem Ouadranten vorfanden sind und die N magnetischen Polbereiche bilden, sowie die azimutalen Ausdehnungen der Distanzstücke (z.B. 14;22,23), von denen N/2 in jedem Quadranten vorhanden sind, durch Teilung der im Anspruch 6 genannten Winkel für die Dipolfeld-Spule durch N/2 abzuleiten sind.
9. Spule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines gleichförmigen Dipol-MagnetfeliieB die Anordnung Spulpnwicklungen (11), die, im Querschnitt gesehen, innerhalb der durch konzentrische Kreise bestimmten Grenzen liegen, wobei die azimutalen Grenzen der Spulenwjdclungen bei 71,81° in jedem Quadranten, gemessen von einer Bezugaachse (COD) liegen, sowie zwei Distanzstucke (22,23) in jedem Quadranten aufweist, wobei die azimutale Erstreckung bzw. Ausdehnung der Distanzstücke (22,23V von 33,38° bis 37,17° und 53,16° bis 63,36° reicht.

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10. Elektrische Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes, wobei die Spule von solcher Ausführungsform ist, bei welcher die Wicklungen in einem Bündel zwischen zwei in Abstand voneinander angeordneten parallelen Ebenen liegen, wobei die Wicklungen in zwei Seitenläufen sowie zwei Endläufen liegen, wo die Wicklungen von der einen £>eite zur anderen überwechseln, wobei die allgemeine Hichtung der Längen der Wicklungen in den beiden Seitenläufen parallel zu den beiden genannten Ebenen verlaufen, und wobei die Seitenläufe wesentlich langer als die Endläufe sind, so daß das Magnetfeld " im Prinzip durch die Seitenläufe definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (31,32; 33,34,35,36,37,38) in den Endläufen so angeordnet sind, daß für jede Länge von Wicklung von der azimutalen Anordnung 6 und Neigung 0' zu einer z-Achse, welche parallel zur allgemeinen Hichtung der Längen der V/icklungen (11) in den Seitenläufen (15a, 17a) definiert ist, die folgende Bedin&un_e erfüllt ist:

A θ cos 0' + L(Q) = B ccs β ,

worin A und B Konstanten sind und L(G) die Lsnge der Wicklung (11) ist, die sich in üiclitung des -ieitenlaufes (15a, 17a) über eine Endebene hinaus fortsetzt, wobei diese End- % ebene dadurch definiert ist, daß sie die Umleitungsstelle vom Seitenlauf zum Endlauf der Wicklung (33) für welche L(G) null ist, enthält.

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