DE2606504C3

DE2606504C3 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen, kontaktlosen Prüfung eines langgestreckten, wenigstens teilweise aus Supraleitermaterial bestehenden Leiters

Info

Publication number: DE2606504C3
Application number: DE2606504A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl.-Phys. Dr. 8500 Nuernberg Rupp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-02-18
Filing date: 1976-02-18
Publication date: 1978-08-17
Also published as: JPS52100283A; CH594892A5; DE2606504A1; FR2357908A2; GB1508565A; DE2606504B2; US4132949A

Description

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Magnetfeldbereiche (39,40) mit verschiedener Flußdichte vorgesehen sind.

Gegenstand des Hauptpatentes ist ein Verfahren zur kontinuierlichen, kontaktlosen Prüfung eines langgestreckten, wenigstens teilweise aus Supraleitermaterial bestehenden Leiters. Der Leiter wird mit im supraleitenden Zustand befindlichem Supraleitermaterial durch ein äußeres Magnetfeld bewegt, das im Supraleitermaterial Abschirmströme induziert. Das durch diese Abschirmströme erzeugte Magnetfeld wird gemessen. Die entsprechende Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens enthält einen Kryostaten, in dem eine zylinderförmige Supraleitungsmagnetspule zum Erzeugen des äußeren Magnetfeldes angeordnet ist. Ferner sind in dem Kryostaten Mittel zum Einführen des Leiters in das Magnetfeld der Supraleitungsmagnetspule etwa parallel zur Spulenachse, zum Umlenken des Leiters senkrecht zur Spulenachse und damit zum äußeren Magnetfeld und zum Wiederausfuhren des Leiters etwa parallel zur Spulenachse sowie wenigstens eine in der Nähe der Umlenkstelle angeordnete Magnetfeldsonde vorgesehen.

Dem bekannten Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung liegt das Meßprinzip zugrunde, den Leiter im supraleitenden Zustand durch ein Magnetfeld

hindurchzuziehen, so daß supraleitende Abschirmströme induziert werden, und dann das Eigenfeld dieser Ströme zu messen. Da Störungen im Supraleiter seine Abschirmströme und damit deren Eigenfelder außerhalb des Supraleitermaterials beeinträchtigen, können mittels Magnetfeldmeßsonden die damit verbundenen Feldänderungen gemessen und den entsprechenden Leiterstellen zugeordnet werden.

Das bekannte Verfahren und die entsprechende Vorrichtung sind besonders gut für bandförmige Supraleiter geeignet. Sollen damit jedoch langgestreckte Leiter, deren supraleitende Schicht verhältnismäßig stark dreidimensional ausgedehnt, beispielsweise zylinderförmig, ist, auf Defektfreiheit mit diesem bekannten Verfahren und der Vorrichtung geprüft werden, so können Oberflächenbereiche vorhanden sein, in denen Defekte nicht mit Sicherheit registriert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß bei Supraleitern mit beliebigem Querschnitt Störungen in allen Supraleitungsbereichen mit Sicherheit festgestellt werden können.

Für das eingangs genannte Verfahren besteht die Lösung dieser Aufgabe darin, daß der Leiter durch ein äußeres Magnetfeld bewegt wird, das mindestens zwei räumlich voneinander getrennte, in Leiterlängsrichtung hintereinander angeordnete Magnetfeldbrreiche umfaßt, deren Felder in ihrer Richtung bezüglich der Leiterlängsachse um einen vorgegebenen Winkel in Umfangsrichtung gegeneinander verdreht sind.

Bei der Prüfung eines langgestreckten Leiters, dessen supraleitende Schicht verhältnismäßig stark dreidimensional ausgedehnt ist, erhält man so in jedem Magnetfeldbereich aufgrund von Messung der mit Defekten in der Supraleitenden Schicht verbundenen Feldänderungcn eine Aussage über die Defektfreiheit eines Teils der supraleitenden Schicht Die Vorteile des Verfahrens nach der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß mehrere Magnetfeldbereiche vorgesehen sind, deren Felder sich untereinander so ausrichten lassen, daß die Informationen aus allen Magnetfeldbereichen Aussagen über die Defektfreiheit der gesamten supraleitenden Schicht liefern.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist eine Vorrichtung besonders geeignet, die Mittel zum Umlenken der Führungsrichtung des Leiters innerhalb eines Kryostaten enthält und die im Umlenkbereich mit mindestens zwei Magnetspulen mit etwa senkrecht zur Leiterachse verlaufenden Spulenachsen zum Erzeugen der beiden Magnetfeldbereiche versehen ist und die in jedem der Magnetfeldbereichc jeweils zwei Magnetfeldsonden enthält, die zu beiden Seiten des Leiters in Feld-ichtung liegen. Für Leiter mit kreisförmigem Querschnitt ist es insbesondere vorteilhaft, zwei Magnetfeldbereiche mit jeweils zwei Magnetspulen zu beiden Seiten des Leiters vorzusehen, wobei die Spulenachsen des ersten Magnetspulenpaares gegenüber dem zweiten Magnetspulenpaar in Leiterumfangsrichtung um etwa 90° gedreht sind.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die schematische Zeichnung verwiesen, in deren Fig. 1 Teile der aus der deutschen Patentschrift 24 31505 bekannten Meßvorrichtung angedeutet sind. In Fig.2 ist in einem Diagramm die Ortsabhängigkeit des Defektsignals dieser Vorrichtung wiedergegeben. F i g. 3 zeigte eine Meß vorrichtung nach der Erfindung. In Fig.4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung

*emäß Fig.3 angedeutet, von der in Fig.5 in einem Diagramm ein Meßprotokoll wiedergegeben ist.

In Fig. 1 ist in einem Querschnitt eine Meßvorrich-Uing gemäß der deutschen Patentschrift 24 31505 teilweise veranschaulicht Ein zu prüfender Leiter 30 enthält einen normalleitenden Kern 31, der von einer supraleitenden Schicht 32 umgeben ist. Als Kern des Leiters kann beispielsweise ein Aluminiumdraht mit kreisförmigem Querschnitt vorgesehen sein, auf dessen Außenseite eine Niob-Schicht aufgebracht ist Das supraleitende Material braucht jedoch nicht unbedingt als dünne Außenschicht einen normalleitenden Kern zu umschließen. Es kann auch über einen Teil des Leiterquerschnitts oder über den gesamten Leiterpuerschnitt verteilt sein.

Der Leiter 30 soll sich im Supraleitfähigen Zustand befinden und durch ein äußeres Magnetfeld bewegt werden. Dieses Magnetfeld ist durch einzelne Feldvektoren 34 veranschaulicht, die im wesentlichen senkrecht zu einer Ebene, in der die Leiterachse liegt, gerichtet sind. Aufgrund der im allgemeinen verhältnismäßig großen dreidimensionalen Ausdehnung der supraleitenden Schicht 32 des Leiters 30 in Richtung der Feldvektoren 34 ist es zweckmäßig, zwei Hallsonden 36 und 37 vorzusehen. Diese beiden Hallsonden sind in Feldrichtung und bezüglich des Leiters diametral zueinander nahe der Oberfläche des Leiters angeordnet Die an ihnen hervorgerufenen Hallspannungen werden zweckmäßig addiert

Zu einer Abschätzung der Wirkung von Defektstellen auf das hervorgerufene Meßsignal können folgende vereinfachende Annahmen gemacht werden. Wie in der Figur dargestellt ist, soll ein Teil der Leiterschicht 32 des Leiters 30 von der Größe Δ <x unter einem Winkel a. zur Richtung der Feldvektoren 34 gelegen sein und. keinen Strom tragen können. Die damit verbundene Änderung des Hallsondensignals ist im Diagramm der F i g. 2 dargestellt Den berechneten Kurven dieses Diagramms sind ein Aluminiumdraht mit 2 mm Durchmesser sowie verschiedene Hallsondenabstände ζ von der Drahtoberfläche zugrunde gelegt Mit b_z ist die Summe der Eigenfelder des ungestörten Leiters am Ort der beiden Hallsonden, mit o^a) die Summe der fehlenden Eigenfelder des Leiterbereichs Δ& unter dem Winkel <x ebenfalls am Ort der beiden. Hallsonden bezeichnet. Im Diagramm der Figur ist nun der Bruchteil des Eigenfeldes, der durch die defekte Sfombahn fehlt, relativ zum Bruchteil der fehlenden Supraleiterschicht als Funktion des Winkels <x veranschaulicht Der Ordinatenwert 1 bedeutet dabei, daß das Eigenfeld sowie die supraleitende Schicht um den gleichen Bruchteil reduziert sind. Werte größer bzw. kleiner als 1 bedeuten eine stärkere bzw. schwächere relative Eigenfeldänderung im Vergleich zur Änderung der supraleitenden Schicht Wie aus dem Diagramm der Figur zu ersehen ist, k?nn ein Defekt bei einem Winkel <% ungefähr 90° sehr gut registriert werden, während ein entsprechender Defekt bei einem Winkel « = 0 oder 180° praktisch keine Signaländerung hervorruft.

Aus diesem Grunde und wie in F i g. 3 schematisch angedeutet ist, umfaßt das Magnetfeld gemäß der Erfindung; das der Leiter 30 durchlaufen muß, zwei in Leiterlängsrichtung versetzt angeordnete Magnetfeldbereiche 39 und 40. Die mit 41 bezeichneten Feldvektoren des Magnetfeldbereiches 39 sind dabei gegenüber den entsprechenden Feldvektoren 42 des Magnetfeldbereiches 40 um etwa 90° in Umfangsrichtune des Leiters verdreht. Es können so die in einer supraleitenden Schicht 32 auftretenden Defekte, das sind vor allem Risse in Achsrichtung von beispielsweise einigen Zentimetern Länge, deutlich zu Signalveränderungen an der Hallsonden führen, obwohl der mit Δα.

gemäß F i g. 1 bezeichnete Bereich in diesen Fällen sehr klein sein kann.

Beim Bewegen des Leiters 30 durch die Magnetfeldbereiche 39 und 40 werden in seiner supraleitenden Schicht 32 Abschirmströme induziert, die durch Linien

ίο 43 bzw. 44 angedeutet sind. Das mit diesen Abschirmströmen jeweils verbundene und durch einzelne Feldvektoren 46 bzw. 47 angedeutete Magnetfeld überlagert sich so mit den Magnetfeldern 41 bzw. 42. Die damit verbundenen Magnetfeldänderungen können gemäß Fig. 1 jeweils mit zwei Hallsonden gemessen werden, von denen in der Figur die dem Magnetfeldbereich 39 zugeordneten Hallsonden mit 49 und 50 und die dem Magnetfeldbereich 40 zugeordneten Hallsonden mit 51 und 52 bezeichnet sind.

In F i g. 4 ist ein Längsschnitt durch einen Teil einer Meßvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt Der zu untersuchende, bis zur Supraleitfähigen abgekühlte Leiter 30 wird in einen in der Figur nicht da- gestellten, beispielsweise mit flüssigem Helium gefüllten Kryosta-

2^r, ten eingeführt und mittels einer Umlenkvorrichtung 54, beispielsweise einer halbkreisförmig gebogenen Schiene, in Gegenrichtung aus dem Kryostaten wieder herausgeführt Auf dem Weg entlang der Umlenkschiene 54 durchläuft der Leiter zwei Magnetfeldbereiche 39

ίο und 40 gemäß Fig.3. Die Magnetfelder dieser Magnetfeldbereiche werden nach Fig.4 beispielsweise von jeweils zwei zu beiden Seiten des Leiters angeordneten Magnetfeldspulen erzeugt, die normal- oder supraleitende Elektromagnete oder auch Perma-

Ji nentmagnete sein können. Die beiden dem Magnetfeldbereich 39 zugeordneten Magnetspulen 56 und 57 sind in der Figur als Längsschnitt veranschaulicht. Von den dem Magnetfeldbereich 40 zugeordneten Magnetspulen ist in der Figur nur eine Magnetspule im Querschnitt

4(i ersichtlich. Diese Spule, die mit 58 bezeichnet Ist, verdeckt gerade die ihr gegenüberliegende Magnetspule. Die beiden Magnetspulen dieses Magnetfeldbereiches 4O entsprechen beispielsweise in ihren geometrischen Abmessungen den beiden Magnetspulen 56 und

ti 57. Dabei ist das von den Magnetspulen 56 und 57 hervorgerufene Magnetfeld etwa senkrecht zu der Leiterachse und etwa radial bezüglich der halbkreisförmigen Umlenkvorrichtung 54 gerichtet. Die beiden Magnetspuien des Magnetfeldbereichs 40 sind gegen-

■M über den Magnetspulen 56 und 57 in Umfangsrichtung des Leiters etwa um 90° gedreht so daß das von ihnen hervorgerufene Magnetfeld senkrecht zur Leiterachse und etwa parallel zu einer Achse 60 verläuft die der halbkreisförmigen Umlenkvorrichtung 54 zugeordnet

γ, werden '.ann. Zwischen den Magnetspulenpaaren der beiden Magnetfeldbereiche 39 und 40 sind jeweils zu beiden Seiten des Leit*,rs 30 in Richtung der erzeugten Magnetfelder zwei Hallsonden angeordnet Bei der in der Figur gewählten Darstellung sind die beiden den

mi Magnetspulen 56 und 57 zugeordneten Hallsonden 49 und 50 zu sehen, wahrend die der Magnetspule 58 zugeordnete Hallsonde 57 gerade die ihr auf der anderen Leiterseite gegenüberliegende Hallsonde verdeckt. Für einen Durchmesser des Leiters 30 von 2 mm

i,-i wird zweckmäßig als Entfernung dieser Hallsonden von der Leiteroberfläche etwa 1 mm gewählt, während für einen 3-mm-Leiter zweckmäßig ein Abstand von 1,5 mm vorgesehen wird.

Die Hallspannungen der beiden Hallsonden jedes Magnetspu!enpaares können zweckmäßig addiert und um die Hallspannung des angelegten Feldes kompensiert werden. Diese so kompensierten Hallspannungen Un der beiden Magnetfeldbereiche 39 und 40 können nun auf einen Mehrfachschreiber gegeben werden. Es lassen sich somit die Meßsignale aus den beiden Magnetfeldbereichen unabhängig voneinander aufzeichnen.

Als Ausführungsbeispiel ist ein entsprechendes Schreiberprotokoll in Fig. 5 für einige Meter eines Leiters 30 mit einem Durchmesser von etwa 3 mm veranschaulicht. Als Leiter wurde ein Aluminiumdraht mit einer äußeren Niobschicht verwendet. Diese Niobschichl des Leiterstückes wurde durch Feilen an einigen definierten Stellen so geschädigt, daß der darunterliegende Aluminiumkern sichtbar wurde. Danach wurde dieser geschädigte drahtförmige Leiter in einer Vorrichtung gemäß Fig. 4 durch zwei Magnetfeldbereiche 39 und 40 hindurchgezogen, in dem in der Figur dargestellten Schreiberprotokoll ist die sich an den Hallsonden ergebende Hallspannung UiP*¹ als Funktion des Ortes * längs des Leiters wiedergegeben. Die Prozenlzahlen an der Ordinate dienen als Maßstab und sind auf die Hallspannung Un des unbeschädigten Leiters bezogen. Die untere Kurve gibt das Signal des ersten Magnetfeldbereiches 39, die obere das des zweiten Magnetfeldbereiches 40 wieder. Als externe magnetische Flußdichte der beiden entsprechenden Magnetspulenpaare wurden 0,24 Tesla gewählt. Der Abstand zwischen den beiden Magnetspulenpaaren betrug in Leiterlängsrichtung etwa 117 mm. Im linken Teil des Schreiberprotokolls nach Fig. 5 erkennt man die durch die absichtlich erzeugten Defekte hervorgerufenen und mit D bezeichneten Signale. In der Bildmitte der dem zweiten Magnelfeldbereich 40 zugeordneten oberen Kurve sind deutlich nadeiförmige Signale zu verzeichnen, die bei der unteren Kurve nicht oder nur

'. andeutungsweise vorhanden sind. Hierbei handelt es sich um sogenannte Flußsprünge, die durch Ummagnetisierungsprozesse beim Durchlaufen der beiden Magnetfeldbereiche zustande kommen. Es hat sich nur herausgestellt, daß diese Signale verschwinden, wenn

κι das Magnetfeld des ersten Magnetfeldbereiches 39 etwas reduziert wird. Wird das Feld jedoch verstärkt treten entsprechende Signale in dichterer Folge hintereinander auf. Es kann deshalb zweckmäßig sein die Magnctfeldstärkcn der beiden Magnetspulenpaare

ι -, unterschiedlich zu wählen. Es läßt sich so erreichen, daD Flußsprünge weitgehend vermieden werden. Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß die erste, dem Magnetfeldbereich 39 zugeordnete Meßvorrichtung relativ unempfindlich ist und vor allem gravierende Defekte

.'Ii registriert, während die dem zweiten Feldbereich 4C zugeordneten Meßsonden sehr empfindlich auch aul kleinste Defekte reagieren können.

Im Ausführungsbeispiel gemäß den vorstehenden Figuren ist zwar von einem Volleiter mit kreisförmigem

r, Querschnitt und supraleitender Oberfläche ausgegan gen worden. Der Leiter kann jedoch auch rohrförmig als Hohlleiter ausgebildet sein oder eine andere geometrische Gestalt, beispielsweise einen elliptischen Querschi.rit, haben. Ferner können auch mehr als zwei

so Magnctfeldbereiche, beispielsweise 3 Feldbereiche vorgesehen sein, deren Feldrichtungen bezüglich der Leiterachse etwa um 60° in b'infangsrichtung des Leiters gegeneinander verdreht sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen, kontaktlosen Prüfung eines langgestreckten, wenigstens teilweise aus Supraleitermaterial bestehenden Leiters, wobei der Leiter mit im supraleitenden Zustand befindlichem Supraleitennaterial durch ein im Supraleitermaterial Abschirmströme induzierendes äußeres Magnetfeld bewegt und das durch diese Abschirmströme erzeugte Magnetfeld gemessen wird, nach Patent 2431 505,7, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (30) durch ein äußeres Magnetfeld hindurchgeführt wird, das mindestens zwei räumlich voneinander getrennte, in Leiterlängsrichtung hintereinander angeordnete Magnetfeldbereiche (39, 40) umfaßt, deren Felder (41 bzw. 42) in ihrer Richtung bezüglich der Leiterlängsachse um einen vorgegebenen Winkel in Umfangsrichtung gegeneinander verdreht sind (F i g. 3).

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch Mittel zum Umlenken der Führungsrichtung des Leiters (30) innerhalb eines Kryostaten und durch mindestens zwei im Umlenkbereich angeordnete Magnetspulen (56 bis 58) mit etwa senkrecht zur Leiterachse verlaufenden Spulenachsen zum Erzeugen der beiden Magnetfeldbereiche (39, 40) sowie durch jeweils zwei Magnetfeidsonden (49, 50 bzw. 51) in jedem der Magnetfeldbereiche (39, 40) zu beiden Seiten des Leiters (30) in Feldrichtung (Fig. 4).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusi Magnetfeldbereiche (39, 40) mit jeweils zwei Magnetspulen (56,5? bzw. 58) zu beiden Seiten des Leiters (30) vorgesehen sind und daß die Spulenachsen des ersten Magnets^ulenpaares (56, 57) gegenüber dem zweiten Magnetspulenpaar (58) in Leiterumfangsrichtung um etwa 90° verdreht sind.