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Su leitende Spulenanordnung für Meßzwecke
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Die Erfindung betrifft eine supraleitende Spulenanordnung für Meßzwecke
mit achsgleichen ringförmigen Haupt- und Zusatzspulen, deren Spulenanschlüsse zur
äußeren Stromversorgung wärmeisoliert aus dem Kryostaten herausgeführt sind.
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Für Möbauereffekt-Messungen sind insbesondere aus zwei gleichen axial
beabstandeten Teilspulen gebildete Hauptspulen mit im Innern möglichst homogenen
Feld bekannt, bei denen eine stirnseitig vorgeordnete abschirmende usatzspule, die
in Reihe mit der Hauptspule an eine Stromversorgung angeschlossen ist, in einem
bestimmten Volumen vor der Spulenöffnung auf der Spulenachse angeordnete feldempfindliche
Strahlungsquellen, Absorber, Detektoren od.dgl.
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vor dem starken Feld der Hauptspule abschirmt, in dem sie eine ausreichende
Feldschwächung in dem besagten Volumen erzwingt. Die Abschirmspule muß durch Lage
und Dimensionierung so optimiert werden, daß die Rückwirkungen auf das Feld innerhalb
der Hauptspule möglichst klein werden. Dabei nehmen mit größerwerdendem Innendurchmesser
der Zusatzspule das abgeschirmte Volumen und die Schwächung des Feldes im Innern
der Hauptspule zu. Für Normalfeldmessungen kann die Hauptspule auch allein betrieben
werden.
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Für Suszeptibilitätsmessungen mit supraleitenden Spulen ist es ferner
bekannt, der Hauptspule eine gerade Anzahl symmetrisch angeordneter Zusatzspulen
zuzuordnen, die von einer gesonderten, getrennt einstellbaren Stromversorgung so
erregt werden, daß im
Innern der Hauptspule ein zusätzliches,möglichst
konstantes Gradientenfeld auftritt. Die Lage und Dimensionierung solcher gradientenbildender
Zusatzspulen ist nach anderen Gesichtspunkten zu wählen als bei den abschirmenden
Zusatzspulen. Wenn daher eine supraleitende Spulenanordnung für beide Meßverfahren
gefordert ist, so treten bei Anordnung von gesonderten Zusatzspulen für Abschirmung
und Gradientenfeldbildung wegen der Vielzahl der Spulenanschlüsse, der räumlichen
Anordnung der besagten verschiedenen Zusatzspulen und der Kontaktierung große Schwierigkeiten
bei der Herstellung auf, und die Spulenanordnungen beanspruchen einen entsprechend
großen Raumbedarf, wobei die gradientenbildenden Zusatzspulen aus konstruktiven
Gründen in der Regel außerhalb ihrer wirkgünstigsten Lage angeordnet werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spulenanordnung der
eingangs genannten Art zu schaffen, die bei kleinerem Raumbedarf und mit einer geringstmöglichen
Zahl von herausgeführten Spulenanschlüssen den Betrieb der Hauptspule allein oder
in Verbindung mit mindestens einer der Zusatzspulen für Normalfeldmessungen, Mößbauereffekt-Messungen
oder Suszeptibilitätsmessungen ermöglicht.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch,
daß für eine Hauptspule und mindestens zwei Zusatzspulen insgesamt vier Spulenanschlüsse
vorgesehen sind, von denen der erste Spulenanschluß einseitig mit der einen Zusatzspule
und der vierte Spulenanschluß einseitig mit mindestens einer anderen Zusatzspule
verbunden ist, daß der zweite Spulenanschluß mit der Hauptspule und der dritte Spulenanschluß
mit einem Knotenpunkt verbunden ist, an den das andere Ende der Hauptspule und mindestens
die mit dem vierten Spulenanschluß verbundene Zusatzspule angeschlossen sind, und
daß für Mößbauereffekt-Messungen eine stirnseitig vor der Hauptspule angeordnete
als Abschirmspule wirkende Zusatzspule in Reihe mit der Hauptspule an eine erste
Stromversorgung, für Suszeptibilitäts-Messungen die Hauptspule an die erste Stromversorgung
und eine gerade Anzahl von als Gradientenspulen wirkenden Zusatzspulen in Gegenreihenschaltung
an eine gesonderte zweite potentialfreie Stromversorgung anschließbar sind.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt
und nachfolgend naher erläutert. Es zeigen Fig. 1a die schematische räumliche Zuordnung
zweier Zusatzwicklungen zu einer als Doppelspule ausgebildeten Hauptspule und Fig.
ib die elektrische Schaltung der gezeigten Spulen nach Fig. 1a, Fig. 2a die schematische
räumliche Zuordnung dreier Zusatzwicklungen zur Hauptspule und Fig. 2b deren elektrische
Verbindungen unterehnander, Fig. 3a die schematische räumliche Zuordnung von vier
Zusatzwicklungen zur Hauptwicklung und Fig. 3b deren elektrische Verbindungen untereinander,
Fig. 4 das Achsenfeld der Gradientenspulen nach Fig. 3a, b.
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Gleiche Teile sind dabei stets mit übereinstimmenden Bezugszeichen
gekannzeichnet.
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Gemäß Fig. 1a haben sowohl die zwei axial beabstandeten gleichen Xeilspulen
der Hauptspule H als auch die vor deren beiden Stirnseiten symmetrisch angeordneten
Zusatzwicklungen ZAG1 und ZAG2 eine gemeinsame strichpunktiert angedeutete Spulenachse.
Beiderseits vor der Spulenanordnung sind gestrichelt angedeutete Volumen G zur Spulenachse
symmetrisch gezeigt, in denen abgeschirmt strahlungsempfindliche Vorrichtungen angeordnet
sind.
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Nach Fig. 1b sind die wahlweise zur Abschirmung oder Gradientenfeldbildung
dienenden Zusatzspulen ZAG1 und ZAG2 und die Hauptspule H mit vier Spulenanschlüssen
1, 2, 3 und 4 verbunden an eine erste Stromversorgung V1 allein oder mit einer zweiten
gesonderten potentialfreien Stromversorgung V2 verbindbar.
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Mit dem ersten Spulenanschluß 1 ist das eine Ende der Zusatzspule
ZAG1 verbunden, deren anderes Ende an einem Knotenpunkt E geführt ist, der an den
dritten Spulenanschluß 3 angeschlossen ist. Die Hauptspule H ist einerseits mit
diesem Knotenpunkt K und andererseits mit dem zweiten Spulenanschluß 2 verbunden.
Die der Zusatzwicklung ZAG1 gleichwirkende Zusatzwicklung ZAG2 ist einerseits
mit
dem Knotenpunkt E und andererseits mit dem vierten Spulen anschluß 4 verbunden.
Es ergibt sich eine Spulenanordnung mit kleinem Durchmesser.
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Für Normalfeldmessungen wird lediglich die Hauptspule H über die Spulenanschlüsse
2 und 3 mit der Stromversorgung V1 verbunden.
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Für Möbauereffekt-Messungen wird die Stromversorgung V1 an die Spulenanschlüsse
1 und 2 oder 2 und 4 angeschlossen, wodurch die Hauptspule H in Gegenreihe mit einer
der beiden abschirmend wirkenden Zusatzwicklungen ZAG1 bzw. ZAG2 betrieben wird.
Für den Fall, daß beide Zusatzwicklungen gleichzeitig als Abschirmwicklungen betrieben
werden sollen, könnte bei Anschluß der Stromversorgung V1 an die Spulenanschlüsse
1 und 2 eine gesonderte Stromversorgung mit den Spulenanschlüssen 3 und 4 verbunden
werden; andernfalls wären mehr Spulenanschlüsse erforderlich.
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Bei Suszeptibilitätsmessungen ist die Hauptspule H über die Spulenanschlüsse
2 und 3 mit der Stromversorgung V1 verbunden, und die beiden Zusatzspulen ZAG1,
ZAG2 sind als Gradientenspulen in Gegenreihe über die Spulenanschlüsse 1 und 4 an
die Stromversorgung V2 angeschlossen.
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Wenn eine axiale Verkürzung der Spulenanordnung mit nur einer einseitigen
Abschirmung gefordert ist, so kann eine Anordnung nach Fig. 2a, b vorgesehen sein,
bei der die als Gradientenspulen dienenden Zusatzspulen ZG1, ZG2 unmittelbar auf
die Hauptspule H aufgebracht sind, und eine dritte lediglich zur Abschirmung benutzte
Zusatzspule ZA stirnseitig vor der Hauptspule H angeordnet ist, die einen kleinstmöglichen
Innendurchmesser in bezug zur Spulenöffnung der Hauptspule aufweist.
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Die beiden in Gegenreihe geschalteten Zusatzwicklungen ZG1 und ZG2
sind mit den Spulenanschlüssen 1 und 4 verbunden, die Hauptspule H ist wiederum
mit den Spulenanschlüssen 2 und 3 (letztere über den Knotenpunkt E) verbunden und
die Zusatzspule ZA an den Knotenpunkt E und den Spulenanschluß 4 angeschlossen.
Bei Anschluß der ersten Stromversorgung V1 an die Spulenanschlüsse 2 und 4
sind
Hauptspule H und Zusatzspule ZA in Gegenreihe erregt für Mößbauereffekt-Messungen.
Für Suszeptibilitätsmessungen ist die Stromversorgung V1 an die Spulenanschlüsse
2 und 3 und die potentialfreie Stromversorgung V2 an die Spulenanschlüsse 1 und
4 angeschlossen, wobei die Zusatzspule ZA unerregt bleibt und die gegensinnig erregten
Zusatzspulen ZG1 und ZG2 als Gradientenspulen arbeiten.
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Eine einseitige Abschirmung bzw. ein sehr konstanter Feldgradient
kann mit der Spulenanordnung nach Fig. 3a, b erreicht werden. Auf die wiederum als
Doppelspule aufgebaute Haupt spule H sind zwei zur Bildung eines Teils des Gradientenfeldes
vorgesehene Zusatzspulen ZG1 und ZG2 aufgewickelt. An beiden Stirnseiten der Hauptspule
H sind gleiche Zusatzspulen ZG3 und ZAG angeordnet, die in bezug auf die Spulenöffnung
der Hauptspule kleinstmöglichen Innendurchmesser aufweisen. Zur Mößbauereffekt-Messung
wird die an die Spulenanschlüsse 3 (bzw. den Knotenpunkt K) und 4 angeschlossene
Zusatzwicklung ZAG in Gegenreihe mit der Hauptwicklung H durch Anschluß der Stromversorgung
V1 an die Spulenanschlüsse 2 und 4 abschirmend betrieben.
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Zur Suszeptibilitätsmessung sind die hintereinandergeschalteten und
paarweise gegengerichtet wirkenden Zusatzspulen ZG3, ZG1, ZG2 und ZAG durch die
an die Spulenanschlüsse 1 und 4 angeschaltete potentialfreie Stromversorgung V2
erregt, wogegen die an die Spulenanschlüsse 2 und 3 gelegte Stromversorgung V1 die
Hauptspule H speist. Die Zusatzspulen ZG3 und ZAG ergänzen und korrigieren das Teilfeld
der Zusatzspulen ZG1 und ZG2.
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Das Achsenfeld der vier Zusatzspulen zeigt Fir. 4 Mit I ist das resultierende
Feld mit konstantem Gradienten, gebildet aus dem Feld des gegenerregten Zusatzspulenpaares
ZG3 und ZAG (II) und dem Feld des Zusatzspulenpaares ZG1 und ZG2 (III) bezeichnet.
Die Spulendicke der Zusatzspulen ZG1 und ZG2 ist kleiner als im Fall der Fig. 2a,
und der Aufwand für die Spulenleiter ist geringer.
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Für die Dimensionierung der abschirmenden Zusatzspulen - am Beispiel
zu Fig. 1 - kann man so verfahren, daß eine Anzahl von
Zusatzspulen
entworfen wird, die alle mindestens das geforderte Volumen abschirmen. Der Wickelquerschnitt
hängt vom Hauptspulenstrom ab, der für konstantes Zentralfeld in dem Maße erhöht
werden muß, wie die Zusatzspule das Hauptspulenfeld schwächt.
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Abschirmende Zusatzspulen mit großem Innendurchmesser schwächen oft
das Hauptspulenfeld so sehr, daß die Hauptspule stärker dimensioniert werden muß.
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Danach wird überprüft, welches Gradientenfeld diese Zusatzspulen erzeugen,
wenn sie paarweise angeordnet sind und in Reihe gegeneinander erregt werden. Zusatzspulen
mit relativ zur Hauptspule kleinem Innendurchmesser liefern einen geforderten Gradienten
nur mit mäßiger Konstanz und über einen hohen Strom, der das Leitermaterial unzulässig
belasten und der eine größere Stromversorgung erfordern würde, d.h. es kann nur
ein Teil des geforderten Gradientenfeldes erreicht werden. Die aufwendigeren Zusatzspulen
mit großem Durchmesser erzeugen einen konstanteren Gradienten, da sie näher an den
idealen gradientenbildenden Zusatzspulen (Spulengeometrien für möglichst konstante
Feldgradienten) liegen. Gegebenenfalls muß für den geforderten Gradienten jedoch
der Strom so weit herabgesetzt werden, daß Leitermaterial und Stromversorgung nicht
ausgenutzt sind.
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Durch geeignete Dimensionierung kann als gute Kompromißlösung ein
Zusatzspulenpaar gefunden werden, das als Abschirmspule die Hauptspule nur mäßig
beeinflußt und als Gradientenspule den geforderten Gradienten unter guter Ausnutzung
von Leiter und Stromversorgung erzeugt.
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4 Patentansprüche 4 Figuren
L e e r s e i t e