DE2318507C3 - Supraleitungsmagnetspule mit einer zwei- oder mehrpoligen Wicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Supraleitungsmagnetspule mit einer zwei- oder mehrpoligen Wicklung aus mehreren langgestreckten, sattelartig geformten, auf der Außenseite eines hohlzylindrischen Körpers angeordneten Teilspulen, die in mehrere Wickelpakete unterteilt sind, die aus nebeneinander angeordneten supraleitenden Bändern, insbesondere aus Niob-Zinn-Bändern, bestehen.

Supraleitungsmagnetspulen mit zwei- oder mehrpoliger Wicklung, beispielsweise supraleitende Dipol- oder Quadrupolmagneten, können zur Ablenkung oder Fokussierung von Strahlen geladener Teilchen, beispielsweise bei Teilchenbeschleunigern oder MHD-Generatoren, verwendet werden. Wenn die Wicklung einer solchen Magnetspule mit Hilfe eines Kühlmittels, insbesondere mit Hilfe von flüssigem Helium, auf eine Temperatur unterhalb der sogenannten »kritischen Temperatur« des in der Wicklung verwendeten Supraleitermaterials abgekühlt wird, verschwindet der ohmsche Widerstand des Supraleitermaterials der Wicklung. Die Supraleitungsmagnetspulen bieten deshalb gegenüber konventionellen mehrpoligen Magnetspulen mit Wicklungen aus elektrisch normalleitendem Metall, wie Kupfer, infolge des erheblich verringerten Energiebedarfs den Vorteil, daß stärkere Magnetfelder und stärkere Magnetfeldgradienten erreicht werden können.

Bekanntlich kann man ein mehrpoliges Magnetfeld dadurch aufbauen, daß man auf der Oberfläche eines Hohlzylinders einen Strombelag mit einer Stromdichte in azimutaler Richtung

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einstellt. Dabei bedeuten I₀ die azimutale Stromdichte an einem Antipol, d. h. in der Mitte zwischen zwei Polen, π die Anzahl der Pole und θ den Wickelabstand der Stelle von einem Antipol, an der fe herrscht. Wie aus der Zeitschrift »IEEE Transactions on Nuclear Science«, Juni 1967, S. 389 bis 392, im einzelnen bekannt ist, kann man eine derartige Stromverteilung bei einer Supraleitungsmagnetspule mit einer zwei- oder mehrpoligen Wicklung dadurch erreichen, daß man die Wicklung aus mehreren langgestreckten, sattelartig geformten Teilspuien aufbaut, die auf einem hohlzylinderischen Körper angeordnet sind. Die Teilspulen sind in mehrere Wickelpakete unterteilt, deren parallel zur Längsachse dieses Körpers verlaufenden geraden Teile einen annähernd rechteckigen Querschnitt haben. Die einzelnen Teilspulen sind dabei so ausgestaltet, daß di° Stromdichte in den Wickelpaketen von den Antipolen zu den Polen hin angenähert gemäß der angegebenen Multipolformel abnimmt.

Der Aufbau eines entsprechenden supraleitenden Quadrupolmagneten ist beispielsweise in »Proc. of the 2^nd Intern. Conf. on Magnet Technology«, Oxford 1967, S. 574 bis 578, angegeben. Bei einem solchen Magneten, dessen Wicklungen aus supraleitenden Bändern bestehen, die zu Wickelpaketen entsprechend dem geforderten Strombelag zusammengefaßt sind, ist vorgesehen, daß das Strahlrohr zugleich das Innenrohr eines Kryostaten bildet, um den Abstand der Wickelpakete vom Aperturrand möglichst klein zu halten. Da eine zweite Bandlage wegen des größeren Abstandes zur Magnetachse einen nur geringen Beitrag zum Felde leisten würde, ist die Wicklung im allgemeinen auf eine einz'ge Bandlage beschränkt. Sehr hohe Feldgradienten erhält man nur mit einer sehr hohen effektiven Stromdichte in den Antipolen. Dazu kann eine Belastung der Supraleiterbänder bis in die Nähe der für sie kritischen Stromstärke erforderlich werden, und die Magnetwicklungen aus den Supraleiterbändern müssen gegen minimale Verrückungen der Leiter, insbesondere auch unter dem Einfluß der Lorentzkraft, gesichert sein. Ein Vergießen der Leiter mit Harzen ist unerwünscht, damit die Kühlung nicht beeinträchtigt wird. Im allgemeinen werden deshalb feste Wickelpakete durch geordnete Windungslagen hergestellt, die unter einem entsprechenden Zug eingelegt werden.

In den sattelförmigen Bandwicklungen, wie sie bei solchen Dipol- oder Quadrupolmagneten vorkommen, sind unter verschiedenen Winkeln gegen die Polachse geneigte Bandpakete über die Wickelköpfe miteinander verbunden. In den geraden Wicklungsteilen werden die Bandpakete durch passende Keile gegeneinander abgestützt. Die gekrümmte Fläche, die ein Band in einem Bogen ohne Zwang einnimmt, ist kompliziert und

kann kaum vorausberechnet werden. Innerhalb eines Paketes ändert sie sich von Band zu Band kontinuierlich, so daß auch im Wickelkopf kompakte Pakete entstehen, jedoch ergibt sich beim Übergang auf das folgende Paket mit größerem Neigungswinkel ein Spalt mit keilförmigem Querschnitt, der sich in unübersichtlicher Weise längs des Bogens ändert. Dort sind die Bandpakete nicht gegeneinander abgestützt, so daß bei Erregen des Magneten Verrückungen auftreten können.

Aus der Veröffentlichung »Experimentelle Technik der Physik«, Bd. 19, 1971, S. 277 bis 287, isi ein we.ierer Quadrupolmagnet mit vier Teilspulen bekannt. Jede Teilspule eniliält mehrere Lagen aus einzelnen, runden Supraleiterkabeln. Der Trägerkörper dieses Magneten hat jedoch einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt, d. h. seine vier Außenseiten, auf denen die Teilspulen angeordnet werden, sind eben. Die Teilspulen stellen deshalb ebene Spulen dar, und an den Wickelköpfen ergeben sich nicht die vorerwähnten, besonders geformten Spalte. Ferner werden bei dem bekannten Magneten zur Abstützung de; Wickelköpfe insgesamt vorgefertigte Hartpapierklötze verwendet, deren Gestalt mittels Silikonkautschuk an die Wickelkopfform angepaßt werden kann. Eine Verwendung von vorgefertigten Teilen für die Abstützung zwischen einzelnen Wickelpaketen aus Leiterbändern einer sattelförmigen Teilspule ist jedoch an den Wickelköpfen im allgemeinen nicht möglich, da sich die dort ausgebildeten Spalte nach innen zur Strahlführungsachse h^:n erweitern.

Aufgabe der Erfindung ist es, den eingangs erwähnten Supraleitungsmagneten dadurch zu verbessern, daß an seinen Wickelköpfen die supraleitenden Bänder in unverrückter Lage gehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die an den Wickelköpfen der Teilspulen ausgebildeten Zwischenräume zwischen benachbarten Wickelpaketen mit einem verfestigten Medium ausgefüllt sind.

Die so ausgebildete Magnetspule hat den besonderen Vorteil, daß Verrückungen der supraleitenden Bänder verhindert werden, die zu einer Degradation führen könnten, insbesondere wenn in einlagigen Bandwicklungen eine sehr hohe Stromdichte erzeugt werden soll.

Nach dem Diffusionsverfahren hergestellte Niob-Zinn-Supraleiterbänder sind gegen Verformungen, die eine Beeinträchtigung der Supraleitereigenschaften bewirken können, außerordentlich empfindlich und sollten deshalb auf eine passend geformte Unterlage gewickelt werden. Dazu braucht man in den Wickelköpfen beim Übergang von einem Paket auf das nächste eine den Spalt ausfüllende Zwischenlage. Mit dem Verfahren nach der Erfindung kann eine solche Zwischenlage an den Wickelköpfen geformt werden, ohne die Supraleiterbänder dabei einer unzulässigen mechanischen Belastung, insbesondere einer zu starken Verbiegung über die hohe Kante auszusetzen.

Hierzu wird anstelle der ersten Wicklung eines neuen Wickelpaketes ein Band aus einem Material von guter Biegefestigkeit, das zweckmäßig die geometrischen Maße des entsprechenden supraleitenden Bandes besitzt und vorzugsweise ein Stahlband sein kann, als Formband über den Wickelkopf gespannt. Wegen der Biegesteifigkeit des Bandes in der Bandebene legt es sich dort zwangsläufig in die natürliche Kurvenform. Dabei entsteht der vorerwähnte Zwischenraum, dessen Querschnitt längs des Halbbogens von der Form eines Keils mit Basis oben in einen Keil mit Basis unten Dieser Zwischenraum wird nach der Erfindung mit einer thermoplastischen Abdruckmasse ausgefüllt. Nach Verfestigung dieser Abdruckmasse wird das Formband wieder entfernt und das supraleitende Band über die so entstandene Wickelform gelegt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und der in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine mögliche Ausführungsform einer supraleitenden Quadrupolmagnetspule;

F i g. 2 zeigt schematisch in Draufsicht einen Teil einer der vier Teilwicklungen der Quadrupolmagnetspule nach Fig.¹, und

Fig. 3 zeigt schematisch die Ausbildung der Zwischenräume zwischen den einzelnen Wickelpaketen bei einem senkrechten Schnitt durch den Wickelkopf in F i g. 2.

Die in F i g. 1 im Querschnitt dargestellte supraleitende Quadrupolmagnetspule besteht aus vier langgestreckten, sattekitig geformten Teilspulen 1 bis 4. die auf einem hohlzylindrischen Körper 5 angeordnet sind und jeweils etwa 1/4 der Mantelfläche des Körpers 5 überdecken, wie in der Figur durch Pfeile a bis d angedeutet ist. Der Körper 5 besteht beispielsweise aus nichtmagnetischem Stahl. Um an seiner Oberfläche einen Strombelag zu erhalten, welcher der für eine Quadrupolmagnetspule gültigen Formel

h = /0 cos 2 θ

ausreichend genau entspricht, ist jeder der Quadranten a bis d des kreisförmigen Querschnitts, in dem jeweils eine der Teilspulen 1 bis 4 angeordnet ist, in neun Sektoren mit einer azimutalen Ausdehnung von je 10 Winkelgraden eingeteilt. Der in der Mitte jedes dieser Quadranien liegende Sektor stellt einen der vier Pole des Quadrupols dar. Er enthält keine stromführenden Leiter, sondern dient als Wickelkern 10 und besteht beispielsweise aus Edelstahl oder Kunststoff und ist am hohlzylindrischen Körper 5 befestigt. Um diesen Wickelkern 10 sind in den weiteren Sektoren vier Wickelpakete 6 bis 9 konzentrisch zueinander angeordnet. Die beiden Querschnitte jedes dieser Wickelpaketc sind in der Figur jeweils mit der gleichen Bezugsziffer versehen.

Als Leiter für die einzelnen Wickelpakete 6 bis 9 sind bandförmige Supraleiter verwendet, deren Breite etwa gleich der Wicklungshöhe in radialer Richtung ist. Die Leiter sind in den einzelnen Wickelpaketen jeweils hochkant auf dem hohlzylindrischen Körper 5 angeordnet. Die Wickelpakete sind derart ausgebildet, daß die Stromdichte vom Wickelpaket 6 zum Wickelpaket 9 hin ansteigt. Eine gute Annäherung an den für einen Quadrupol erforderlichen Strombelag erreicht man dadurch, daß sich die Widnungszahlen der Wickelpaket° 6 bis 9 wie etwa 5:10:13:15 verhalten. In der Figur sind diese unterschiedlichen Windungszahlen durch unterschiedliche Schraffur der Wickelpakete der Teilspule 4 angedeutet. Um einen gleichgroßen Querschnitt aller Wickelpakete zu erhalten, werden die fehlenden Windungen in den Wickelpaketen durch normalleitende Metall- oder Isolierstoffbeilagen, beispielsweise Kunststoffbänder, ersetzt, die zwischen die einzelnen Windungen eingelegt werden.

Zwischen den parallel zur Längsachse des hohlzylindrischen Körpers 5 verlaufenden Teilen der Wickelpakete 6 bis 9, die einen etwa rechteckigen Querschnitt haben, sind keilförmige, langgestreckte Distanzelemen-

te 11 bis 16, beispielsweise aus einem elektrisch normalleitenden Metali, angeordnet. Die zwischen den einzelnen Teilspulen 1 bis 4 bzw. den Quadranten a bis d des Spulenquerschnitts liegenden Distanzelemente sind mit 17 bezeichnet.

Aus F i g. 2, die eine Hälfte einer der Teilspulen 1 bis 4 in Draufsicht zeigt, ist die langgestreckte, sattelartige Formung der Teilspulen zu erkennen. Dabei sind mit F i g. 1 gleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Die Distanzelemente 11 bis 17 verlaufen nur an den geraden Längsseiten der um den Wickelkern 10 angeordneten Wickelpakete 6 bis 9. Sobald die Supraleitungsbänder dieser Wickelpakete in die Krümmung am Wickelkopf 20 übergehen, können in den auf Grund der unübersichtlichen Gestalt zwischen den einzelnen Wickelpaketen und dem Wickelkern entstehenden Zwischenräumen 26 bis 30 keine entsprechenden Distanzelemente zur Fixierung der Wickelpakete angebracht werden.

Die Gestalt dieser Zwischenräume 26 bis 30 ist aus dem Querschnitt der F i g. 3 zu entnehmen, in welcher die vier Wickelpakete 6 bis 9, die am Wickelkopf 20 mit 22 bis 25 in der Figur bezeichnet sind, schematisch dargestellt sind. Diese Wickelpakete 22 bis 25 sind auf einer Unterlage 31 angeordnet, die auf dem hohlzylindrischen Körper 5 befestigt ist Sie werden mittels eines Haltekörpers 32 auf diese Unterlage 31 gepreßt. Zwischen den einzelnen Wickelpaketen 22 bis 25 und zwischen dem Wickelkern 10 und seinem benachbarten Wickelpaket 22 ist jeweils der keilförmige Zwischenraum 26 bzv. 27 bzw. 28 bzw. 29 bzw. 30 ersichtlich, der mittels einer Zwischenlage entsprechend der Erfindung mit einer Zwischenlage entsprechend der Erfindung mit einer thermoplastischen Abdruckmasse ausgefüllt ist, Die Neigung der Flächen der Wickelpakete gegenüber der Quadrupolachse ist in der Figur zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt. Auf Grund der Zwischenlagen ist ein Verrücken der Wickelpakete an den Wickelköpfen ausgeschlossen und ein leichtes Einlegen der supraleitenden Bänder gewährleistet.

Beim Wickeln jeder der Teilspulen 1 bis 4 werden zunächst die Windungen des ersten Wickelpaketes 6 bzw. 22 unter Beilage von Kunststoffbändern um den Wickelkern 10 herumgewickelt. Wenn die erforderliche Windungszahl erreicht ist, werden an den Längsseiten des Wickelpaketes 6 die keilförmigen Distanzelemente 11 und 12 eingelegt und das nächste Wickelpaket 7 bzw. 23 im gleichen Wicklungssinnn gewickelt. Dabei bilden sich an dem Wickelkopf 20 die Zwischenräume 26 und 27 zwischen dem Wickelkern 22 und 23 in komplizierter Form aus. Diese Zwischenräume lassen sich deshalb nicht mit vorgeformten Distanzelementen ausfüllen; sie werden folgendermaßen ausgefüllt: Als Hilfsmittel wird dabei ein Formband, vorteilhaft ein Stahlband, von der Breite des entsprechenden Supraleiterbandes verwendet. Dieses Band wird an Stelle der ersten Windung eines jeden neuen Wickelpaketes über den Wickelkopf 20 gespannt, wobei es sich wegen seiner Biegesteifigkeit in Richtung der Bandebene zwangsläufig in die natürliche Kurvenform legt. Dabei entsteht der Zwischenraum, dessen Querschnitt längs des Halbbogens am Wickelkopf 20 von der Form eines Keils mit Basis oben in einen Keil mit Basis unten übergeht. Dieser Zwischenraum wird vorteilhaft mit einer thermoplastischen Abdruckmasse ausgefüllt, die bei geringer Temperatur von möglichst unter 100⁰C formbar sein soll. Sie darf nicht wesentlich schrumpfen und muß die Abkühlung auf die Temperatur des flüssigen Heliums vertragen. Nach Erkalten der Abdruckmasse wird das Formband entfernt und das Supraleiterband der ersten Windung eines neuen Wickelpaketes über die so entstandene Wickelform am Wickelkopf gelegt. Nacheinander lassen sich so die Teilspulen 1 bis 4 aus den Wickelpaketen 22 bis 25 und den ausgefüllten Zwischenräumen 26 bis 30 erstellen.

Als bandförmige Leiter eignen sich insbesondere Bänder mit supraleitenden Niob-Zinn-Schichten, die an ihrer Oberfläche zur teilweisen elektrischen Stabilisierung eine verhältnismäßig dünne Schicht aus elektrisch gut normalleitendem Metall, wie Kupfer, tragen. Eine Vollstabilisierung der Bänder, bei der die Schichten aus normalleitendem Metall so dick sein müßten, daß sie bei einem lokalen Obergang der Wicklung vom supraleitenden, in den normalleitenden Zustand den gesamten Strom übernehmen könnten, ohne daß die Temperatur der Wicklung über die Sprungtemperatur des Supraleitermaterials ansteigt, ist wegen der hohen in den Wicklungsabschnitten erforderlichen Stromdichten zumeist aus Raumbedarfsgründen nicht möglich.
Zum Beispiel wird die Spule im Heliumbehälter eines Kryostaten angeordnet, der in bekannter Weise aufgebaut sein kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Supraleitungsmagnetspule mit einer zwei- oder mehrpoligen Wicklung aus mehreren langgestreckten, sattelartig geformten, auf der Außenseite eines hohlzylindrischen Körpers angeordneten Teilspulen, die in mehrere Wickelpakete unterteilt sind, die aus nebeneinander angeordneten supraleitenden Bändern, insbesondere aus Niob-Zinn-Bändern, beste· hen, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Wickelköpfen (20) der Teilspulen (1 bis 4) ausgebildeten Zwischenräume (26 bis 30) zwischen benachbarten Wickelpaketen (22 bis 25) mit einem verfestigter. Medium ausgefüllt sind. '5

2. Supraleitungsmagnetspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verfestigte Medium eine thermoplastische Abdruckmasse ist

3. Supraleitungsmagnetspu'.e nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der wenigstens annähernd gleich dem Ausdehnungskoeffizienten des Materials der supraleitenden Bänder ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Supraleitungsmagnetspule nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wicklung der einzelnen Wickelpakete (22 ois 25) aus dem supraleitenden Band ein Formband aus einem Material mit guter Biegefestigkeit jeweils als erste Windung eines Wickeipaketes über den Wickelkopf (20) gespannt wird, daß anschließend der Zwischenraum (26 bis 30) mit der thermoplastischen Abdruckmasse ausgefüllt wird, und daß nach Verfestigung dieser Abdruckmasse das Formband entfernt und das supraleitende Band über die so entstandende Wickelform gelegt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Formbandes mit den geometrischen Maßen des entsprechenden supraleitenden Bandes des Wickelpaketes.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Stahlbandes als Formband.

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