DE2646467B2 - Supraleitende Spulenanordnung für Meßzwecke - Google Patents

Description

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.

Eine solche Spulenanordnung ist aus »Cryogenics«, Juni 1968, Seiten 158 bis 160 bekannt Sie besteht aus mehreren in der Länge gestaffelten und in Achsrichtung einteiligen Teilspulen, von denen einige gleich- oder gegensinnig erregt von einer ersten Stromversorgung und gegebenenfalls eine weitere Teilspule von einer gesonderten zweiten Stromversorgung gespeist werden, um unterschiedliche Feldstärken für Normalfeldmessungen zu erhalten. Bei Verwendung einer polkernlosen Spulenanordnung sind zwei konzentrisch ineinander angeordnete, gesondert gelagerte und entfernbare, verschieden lange Hauptspulen von zwei axial gleichlangen, gemeinsam gelagerten und an beiden Stirnseiten über die Hauptspulen ragende Zusatzspulen vorgesehen, die sowohl einzeln als auch gleich- oder gegensinnig erregt werden können, so daß sich eine entsprechende Abstufung der Feldstärken erreichen läßt. Anstelle der inneren Hauptspule kann auch ein Polkern angeordnet sein, womit sich die höchste Feldstärke für Normalfeldmessungen erreichen läßt. Wegen der axial einteiligen symmetrischen, konzentrischen Anordnung der Spulen ist mit dieser Spulenanordnung weder eine Mößbauer-Effekt-Messung noch eine Suszeptibilitätsmessung möglich. Außerdem müssen für jede Teilspule zwei Anschlußklemmen, also wenigstens sechs Anschlußklemmen, aus dem Kryostaten herausgeführt sein.
Für Mößbauer-Effekt-Messungen benötigt man eine Hauptspule mit im Innern möglichst homogenen Feld, die vorzugsweise aus zwei gleichen axial beabstandeten Teilspulen gebildet sein kann, der stirnseitig eine abschirmende Zusatzspule vorgeordnet ist, die in einem bestimmten Volumen vor der Spulenöffnung auf der Spulenachse angeordnete feldempfindliche Strahlungsquellen, Absorber, Detektoren od. dgl. vor dem starken Feld der Hauptspule abschirmt, indem sie eine ausreichende Feldschwächung in dem besagten Volumen erzwingt. Die Abschirmspule kann dabei 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 wird die Hauptspule allein betrieben.

Für Suszeptibilitätsmessungen mit supraleitenden Spulen kann man der gegebenenfalls wiederum aus solchen Teilspulen gebildeten Hauptspule eine gerade Anzahl symmetrisch angeordneter Zusatzspulen zuordnen, 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, wobei die gradientenbildenden Zusatzspulen aus konstruktiven Gründen in der Regel außerhalb ihrer wirkgünstigsten Lage angeordnet werden müssen. Wenn daher eine supraleitende Spulenanordnung sowohl für Normalfeldmessungen als auch für die übrigen Meßverfahren gefordert ist, so treten bei Anordnung von gesonderten Zusatzspulen für Abschirmung und Gradientenfeldbildung wegen der Vielzahl der Spulen und ihrer Spulenanschlüsse wegen der geforderten räumlichen Anordnung der besagten verschiedenen Zusatzspulen und der Kontaktierung der Spulen große Schwierigkeiten bei der Herstellung auf,

und die Spulenanordnungen mit den unterschiedlichen Zusatzspulen beanspruchen einen entsprechend großen Raumbedarf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spulenanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit einer geringeren Zahl von herausgeführten Spulenanschlüssen wahlweise für Normalfeldmessungen, Mößbauer-Effekt-Messungen oder Suszeptibilitätsmessungen verwendbar ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei der Erfindung dadurch, daß für eine Hauptspule und mindestens zwei Zusatzspulen insgesamt vier Spulenanschlüsse vorgesehen sind, von denen der erste Spulenanschluß mit einem Ende einer ersten Zusatzspule, der vierte Spulenanschluß mit einem Ende mindestens einer anderen Zusatzspule, der zweite Spulenanschluß mit einem Ende der Hauptspule und der dritte Spulenanschluß mit einem Knotenpunkt verbunden ist, an dun das andere Ende der Hauptspule und mindestens das andere Ende der mit dem vierten Spult.lanschluß versehenen Zusatzspule angeschlossen sind.

Eine solche Spulenanordnung ist für Mößbauer-Effekt-Messungen dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Zusatzspulen stirnseitig vor der Hauptspule angeordnet und als Abschirmspule in Reihe mit der Hauptspule an eine erste Stromversorgung anschließbar ist.

Für Suszeptibilitätsmessungen zeichnet sich die Spulenanordnung nach der Erfindung dagegen dadurch aus, daß die Hauptspule an eine erste Stromversorgung und eine gerade Anzahl der Zusatzspulen als Gradientenspulen paarweise gegensinnig erregt in Reihe an eine gesonderte zweite Stromversorgung anschließbar ist.

Um bei Mößbauer-Effekt-Messungen an beiden Stirnseiten der Spulenanordnung abgeschirmte strahlungsempfindliche Vorrichtungen vorsehen und wahlweise betreiben zu können, ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft, daß zwei gleiche Zusatzspulen stirnseitig symmetrisch zur Hauptspule angeordnet sind.

Eine einfache Spulenanordnung ohne konstruktiven Mehraufwand läßt sich für Suszeptibilitätsmessungen nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung dadurch erhalten, daß zwei miteinander in Reihe geschaltete, zueinander gegensinnig erregbare und um die Hauptspule als Träger angeordnete gleiche Zusatzspulen als Gradientenspulen zwischen den Knotenpunkt und das andere Ende der mit dem ersten Spulen,inschluß verbundenen Zusatzspule geschaltet sind.

Die beiden Abschirmspulen mitbenutzbaren stirnseitig vorgelagerten übrigen Zusatzspulen ergeben mit den auf die Hauptspulen aufgewickelten Gradientenspulen einen sehr konstanten Feldgradienten und können räumlich aufgeteilt an möglichst günstigen Lagen angebracht werden, so daß sie nur einen kleinstmöglichen Raum in radialer-axialer Erstreckung erfordern.

Wenn nur an einer Stelle ein abgeschirmter Raum für eine strahlungsempfindliche Vorrichtung benötigt wird und eine Suszeptibilitätsmessung mit einer vergleichbaren Zusatzspulenanordnung gewünscht wird, dann kann die Spulenanordnung nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung so beschaffen sein, daß zwei miteinander ii Reihe geschaltete, gegensinnig erregbare und um die Hauptspule als Träger angeordnete gleiche Zusatzspulen als Gradientenspulen an die ersten und vierten Spulenanschlüsse angeschlossen sind und zwischen dem vierten Spulenanschluß und dem Knotenpunkt eine stirnseitig angeordnete dritte Zusatzspule als Abschirmspule geschaltet ist.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

Fig. la die schematische räumliche Zuordnung zweier Zusatzwicklungen zu einer als Doppelspule ausgebildeten Hauptspule und

F i g. Ib die elektrische Schaltung der gezeigten Spule nachFig. la,

F i g. 2a die schematische räumliche Zuordnung dreier Zusatzwicklungen zur Hauptspule und

F i g. 2b deren elektrische Verbindungen untereinander,

F i g. 3a die schematische räumliche Zuordnung von vier Zusatzwicklungen zur Hauptwicklung und

F i g. 3b deren elektrische Verbindungen untereinander,

Fig.4 das Achsenfeld der Gradientenspulen nach F i g. 3a, b.

Gleiche Teile sind dabei stets mit übereinstimmenden Bezugszeichen gekennzeichnet

Gemäß Fig. la haben sowohl die zwei axial beabstandeten gleichen Teilspulen der Hauptspule f/als auch die vor deren beiden Stirnseiten symmetrisch angeordneten Zusatzwicklungen ZAG] und ZAGi 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.

Nach Fig. Ib sind die wahlweise zur Abschirmung oder Gradientenfeldbildung dienenden Zusatzspulen ZAG] und ZAGi und die Hauptspule H mit vier Spulenanschlüssen 1,2,3 und 4 verbunden an eine erste Stromversorgung Vi allein oder mit einer zweiten gesonderten Stromversorgung Vi verbindbar.

Mit dem ersten Spulenanschluß 1 ist das eine Ende der Zusatzspule ZAG] verbunden, deren anderes Ende an einem Knotenpunkt K 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 ZAG\ entsprechende Zusatzwicklung ZAGi ist einerseits mit dem Knotenpunkt K und andererseits mit dem vierten Spulenanschluß 4 verbunden. Es ergibt sich eine Spulenanordnung mit kleinem Durchmesser.

Für Normalfeldmessungen wird lediglich die Hauptspule H über die Spulenanschlüsse 2 und 3 mit der Stromversorgung Vj verbunden.

Für Mößbauer-Effekt-Messungen wird die Stromversorgung Vi an die Spulenanschlüsse 1 und 2 oder 2 und 4 angeschlossen, wodurch die Hauptspule H in Reihenschaltung mit einer der beiden gegensinnig erregten, abschirmend wirkenden Zusatzwicklungen ZAG] bzw. ZAGi betrieben wird. Für den Fall, daß beide Zusatzwicklungen gleichzeitig als Abschirmwicklungen betrieben werden sollen, könnte bei Anschluß der Stromversorgung Vi an die Spulenanschlüsse 1 und 2 eine gesonderte Stromversorgung mit den Spulenanschlüssen 3 und 4 verbunden werden; andernfalls wären mehr Spulenanschlüsse erforderlich.

Bei Suszeptibilitätsmessungen ist die Hauptspule H über die Spulenanschlüsse 2 und 3 mit der Stromversorgung Vi verbunden, und die beiden Zusatzspulen ZAGi, ZAGi sind als Gradientenspulen in Reihenschaltung und zueinander gegensinnig erregt über die Spulenanschlüsse 1 und 4 an die Stromversorgung Vi angeschlossen.

Wenn eine axiale Verkürzung der Spulenanordnung mit nur einer einseitigen Abschirmung gefordert ist, so kann eine Anordnung nach F i g. 2a, b vorgesehen sein, bei der die als Gradientenspulen dienenden Zusatzspulen ZG\, ZGi 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.

Die beiden in Reihe geschalteten und zueinander gegensinnig erregten Zusatzwicklungen ZCi und ZGi sind mit den Spulenanschlüssen 1 und 4 verbunden, die Hauptspule H ist wiederum mit den Spulenanschlüssen 2 und 3 (letztere über den Knotenpunkt K) verbunden und die Zusatzspule ZA an den Knotenpunkt K und den Spulenanschluß 4 angeschlossen. Bei Anschluß der ersten Stromversorgung Vi an die Spulenanschlüsse 2 und 4 sind Hauptspule H und Zusatzspule ZA in Reihe geschaltet und gegensinnig erregt für Mößbauer-Effekt-Messungen. Für Suszeptibilitätsmessungen ist die Stromversorgung V, an die Spulenanschlüsse 2 und 3 und die gesonderte Stromversorgung V2 an die Spulenanschlüsse 1 und 4 angeschlossen, wobei die Zusatzspule ZA unerregt bleibt und die in Reihe geschalteten, gegensinnig erregten Zusatzspulen ZGi und ZG2 als Gradientenspulen arbeiten.

Eine einseitige Abschirmung bzw. ein sehr konstanter Feldgradient kann mit der Spulenanordnung nach F i g. 3a, b erreicht werden. Auf die wiederum als Doppelspule aufgebaute Hauptspule H sind zwei zur Bildung eines Teils des Gradientenfeldes vorgesehene Zusatzspulen ZCi und ZC2 aufgewickelt. An beiden Stirnseiten der Hauptspule H sind gleiche Zusatzspulen ZG3 und Z4C angeordnet, die in bezug auf die Spulenöffnung der Hauptspule kleinstmöglichen Innendurchmesser aufweisen. Zur Mößbauer-Effekt-Messung wird die an die Spulenanschlüsse 3 (bzw. den Knotenpunkt K) und 4 angeschlossene Zusatzwicklung Z4C in Reihenschaltung mit der Hauptwicklung //und zu dieser gegensinnig erregt durch Anschluß der Stromversorgung Vi an die Spulenanschlüsse 2 und 4 abschirmend betrieben.

Zur Suszeptibilitätsmessung sind die hintereinandergeschalteten und paarweise gegengerichtet wirkenden Zusatzspulen ZC3, ZCi, ZG2 und ZAG durch die an die Spulenanschlüsse 1 und 4 angeschaltete gesonderte Stromversorgung Vi erregt, wogegen die an di< Spulenanschlüsse 2 und 3 gelegte Stromversorgung V die Hauptspule H speist. Die Zusatzspulen ZG3 unc ZAG ergänzen und korrigieren das Teilfeld dei Zusatzspulen ZGi und ZG2.

Das Achsenfeld der vier Zusatzspulen zeigt Fig.4 Mit I ist das resultierende Feld mit konstanten Gradienten, gebildet aus dem Feld des gegenerregter Zusatzspulenpaares ZG3 und ZAG(II) und dem Feld de:

Zusatzspulenpaares ZGi und ZG2 (III) bezeichnet. Di« Spulendicke der Zusatzspulen ZGi und ZG2 ist kleinei als im Fall der F i g. 2a, und der Aufwand für die Spulenleiter ist geringer.

Für die Dimensionierung der abschirmenden Zusatz spulen — am Beispiel zu Fig. 1 — kann man se verfahren, daß eine Anzahl von Zusatzspulen entworfer wird, die alle mindestens das geforderte Volumer abschirmen. Der Wickelquerschnitt hängt vom Haupt spulenstrom ab, der für konstantes Zentralfeld in den· Maße erhöht werden muß, wie die Zusatzspule dai Hauptspulenfeld schwächt. Abschirmende Zusatzspuler mit großem Innendurchmesser schwächen oft da: Hauptspulenfeld so sehr, daß die Hauptspule stärke: dimensioniert werden muß.

Danach wird überprüft, welches Gradientenfeld dies« Zusatzspulen erzeugen, wenn sie paarweise angeordne sind und in Reihe geschaltet gegensinnig zueinandei erregt werden. Zusatzspulen mit relativ zur Hauptspul« kleinem Innendurchmesser liefern einen geforderter Gradienten nur mit mäßiger Konstanz und über einer hohen Strom, der das Leitermaterial unzulässig belaster und der eine größere Stromversorgung erforderr würde, d. h. es kann nur ein Teil des geforderter Gradientenfeldes erreicht werden. Die aufwendigerer Zusatzspulen mit großem Durchmesser erzeugen einer konstanteren Gradienten, da sie näher an den idealer gradientenbildenden Zusatzspulen (Spulengeometrier für möglichst konstante Feldgradienten) liegen. Gege benenfalls muß für den geforderten Gradienten jedocl der Strom so weit herabgesetzt werden, daß Leiterma terial und Stromversorgung nicht ausgenutzt sind.

Durch geeignete Dimensionierung kann als gut( Kompromißlösung ein Zusatzspulenpaar gefunder werden, das als Abschirmspule die Hauptspule nui mäßig beeinflußt und als Gradientenspule den geforder ten Gradienten unter guter Ausnutzung von Leiter unc Stromversorgung erzeugt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Supraleitende Spulenanordnung für Meßzwekke mit achsgleichen, ringförmigen Haupt- und Zusatzspulen, deren Spulenanschlüsse zur äußeren Stromversorgung wärmeisoliert aus dem Kryostaten herausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Hauptspule (H) und mindestens zwei Zusatzspulen (ZAGi, ZAGi; ZGu ZG₂, ZA; ZGu ZGi, ZG₃, ZAG) insgesamt vier Spulenanschlüsse (1, 2, 3, 4) vorgesehen sind, von denen der erste Spulenanschluß (1) mit einem Ende einer ersten Zusatzspule (ZAG_x; ZGr, ZG₃), der vierte Spulenanschluß (4) mit einem Ende mindestens einer anderen Zusatzspule (ZAG₂; ZA, ZG₂; ZAG), der zweite Spulenanschluß (2) mit einem Ende der Hauptspule (H) und der dritte Spulenanschluß (3) mit einem Knotenpunkt (K) verbunden ist, an dem das andere Ende der Hauptspule (H) und mindestens das andere Ende der mit dem vierten Spulenanschluß versehenen Zusatzspule (ZAGi;ZA; Z/4 eingeschlossen sind.

2. Supraleitende Spulenanordnung nach Anspruch 1 für Mößbauer-Effekt-Messungen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Zusatzspulen (ZAGu ZAG 2; ZA; ZAG) stirnseitig vor der Hauptspule (H) angeordnet und als Abschirmspule in Reihe mit der Hauptspule an eine erste Stromversorgung (V\) anschließbar ist.

3. Supraleitende Spulenanordnung nach Anspruch 1 für Suszeptibilitätsmessungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptspule (H) an eine erste Stromversorgung (Vj) und eine gerade Anzahl der Zusatzspulen (ZAGu ZAG₂; ZGu ZG₂; ZGi, ZG₂, ZG₃, ZAG)As Gradientenspule paarweise gegensinnig erregt in Reihe an eine gesonderte zweite Stromversorgung (V₂) anschließbar ist.

4. Supraleitende Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche Zusatzspulen (ZAGu ZAGi) stirnseitig symmetrisch zur Hauptspule (H) angeordnet sind.

5. Supraleitende Spulenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei miteinander in Reihe geschaltete, zueinander gegensinnig erregbare und um die Hauptspule (H) als Träger angeordnete gleiche Zusatzspulen (ZGu ZG₂) als Gradientenspulen zwischen den Knotenpunkt (K) und das andere Ende der mit dem ersten Spulenanschluß (1) verbundenen Zusatzspule (ZG₃) geschaltet sind.

6. Supraleitende Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei miteinander in Reihe geschaltete, gegensinnig erregbare und um die Hauptspule (H) als Träger angeordnete gleiche Zusatzspulen (ZGu ZG₂) als Gradientenspulen an die ersten und vierten Spulenanschlüsse (1, 4) angeschlossen sind und zwischen dem vierten Spulenanschluß (4) und dem Knotenpunkt (K) eine snirnseitig angeordnete dritte Zusatzspule (ZA) ate Abschirmspule geschaltet ist.