DE2646467C3 - Supraleitende Spulenanordnung für Meozwecke - 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 s 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

is 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 s/dn.
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 innernalb der Hauptspule möglichst klein werden. Dabei nehmen mit größerwerdendem Innendurchmesser der Zusatzspule das abgeschirmte Volumen und die Schwächung des Feldes im

<5 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, MöBbauer-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 dem das andere Ende der Hauptspule und mindestens das andere Ende der mit dem vierten Spulenanschluß versehenen Zusatzspule angeschlossen sind.

Eine solche Spulenanordnung ist für Mößbauer-Effekt-Messungen dadurch gekennzeichnet, da3 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 Haupt* spule als Träger angeordnete gleiche Zusatzspulen als Gradientenspulen zwischen den Knotenpunkt und das andere Ende der mit dem ersten Spulenanschluß 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 kieinstmöglichen Raum in radiaier-axialer Erstreckung erfordern.

Wenn nur an einer Stelle ein abgeschirmter Raum fCr 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 in 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 Ea zeigt

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

F i g. 1 b die elektrische Schaltung der gezeigten Spule nach Fig. la,

to Fig. 2a die schematische räumliche Zuordnung dreier Zusatzwicklungen zur Hauptspule und

Fig.2b deren elektrische Verbindungen untereinander,
F i g. 3a die schematische räumliche Zuordnung von

is vier Zusatzwicklungen zur Hauptwicklung und

F i g. 3b deren elektrische Verbindungen untereinander,

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

Gleiche Teile sind dabei stets mit übereinstimmenden Bezugszeichen gekennzeichnet

Gemäß Fig. la haben sowohl die zwei axial beabstandeten gleichen Teilspulen der Ha_iptspule Hals auch die vor deren beiden Stirnseiten symmetrisch

zs angeordneten Zusatzwicklungen ZAG\ und ZAQi eine gemeinsame strichpunktiert angedeutete Spulenachse. Beiderseits vor der Spulenanordnung sind gestrichelt angedeutete Volumen G zur Spuienachse symmetrisch gezeigt in denen abgeschirmt strahlungsempfindliche

jo Vorrichtungen angeordnet sind.

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

Mit dem ersten Spulenanschluß 1 ist das eine Ende der Zusatzspule ZACi 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 Spulenanschluü 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

so Stromversorgung Vi 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, abschvniend wirkenden Zusatzwicklungen ZAG\ bzw. ZAG₂ betrieben wird. Für den Fall, daß beide Zusatzwicklungen gleichzeitig als AbschirmwickJungen 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 ZAG\, ZAGi sind als Gradirntenspulen in Reihenschaltung und zueinander gegensinnig erregt über die Spulenanschlüsse I und 4 an die Stromversorgung Vj 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 ZGi, 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 ZG\ 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 V\ an die Spulenanschlüsse 2 .„Λ Λ .I_nA U«.,„.■..,,,

7 A in O niU Stromversorgung V₂ erregt, wogegen die an die Spulenanschlüsse 2 und 3 gelegte Stromversorgung V, die Hauptspule H speist. Die Zusatzspultn ZC₃ und ZAG ergänzen und korrigieren das Teilfeld der

Zusatzspulen ZG\ und ZGi.

Das Achsenfeld der vier Zusatzspulen zeigt F i g. 4. Mit I ist das resultierende Feld mit konstantem Gradienten, gebildet aus dem Feld des gegenerregten Zusatzspulenpaares Zd und ZAG(II) und dem Feld des

ίο Zusatzspulenpaares ZGi und ZG₁ (IH) bezeichnet. Die Spulendicke der Zusatzspulen ZG\ und ZG₂ ist kleiner als im Fall der Fig.2a, und der Aufwand für die Spulenleiter ist geringer.

Für die Dimensionierung der abschirmenden Zusatz-

spulen — 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 Haupt·

geschaltet und gegensinnig erregt für Mößbauer- Effekt-Messungen. Für Suszeptibilitätsmessungen ist die Stromversorgung V₁ an die Spulenanschlüsse 2 und 3 und die gesonderte Stromversorgung Vi an die Spulenanschlüsse 1 und 4 angeschlossen, wobei die Zusatzspule ZA unerregt bleibt und die in Reihe geschalteten, gegensinnig erregten Zusatzspulen ZG\ und ZG2 als Gradientenspulen arbeiten.

Eine einseitige Abschirmung bzw. ein sehr konstanter Feldgradient kann mit der Spulenanordnung nach Fig.3a, b erreicht werden. Auf die wiederum als Doppelspule aufgebaute Hauptspule H sind zwei zur Bildung eines Teils des Gradientenfeldes vorgesehene Zusatzspulen ZGi und ZGi aufgewickelt. An beiden Stirnseiten der Hauptspule //sind gleiche Zusatzspulen ZG3 und Z4G 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 ZAG in Reihenschaltung mit der Hauptwicklung //und zu dieser gegensinnig erregt durch Anschluß der Stromversorgung V₁ an die Spulenanschlüsse 2 und 4 abschirmend betrieben.

Zur Suszeptibilitätsmessung sind die hintereinandergeschalteten und paarweise gegengerichtet wirkenden Zusatzspulen ZG3. ZGt, ZG2 und Z4G durch die an die Spulenanschlüsse 1 und 4 angeschaltete gesonderte Maße erhöht werden muß, wie die Zusatzspule das Hauptspulenfeld schwächt. Abschirmende Zusatzspulen mit großem Innendurchmesser schwächen oft das Hauptspulenfeld so sehr, daß die Hauptspule stärker dimensioniert werden muß.

Danach wird überprüft, welches Gradientenfeld diese Zusatzspulen erzeugen, wenn sie paarweise angeordnet sind und in Reihe geschaltet gegensinnig zueinander erregt ν srden. 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.

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 unier guter Ausnutzung von Leiter und 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 (ZAGu ZAG₂; ZGu ZG₂, ZA; ZG_x, 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; ZG_x; ZG₃), der vierte Spulenanschluß (4) mit einem Ende mindestens einer anderen Zusatzspule (ZAG₂; ZA, ZG₂; ZAGX 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 Spuienanschluß versehenen Zusatzspule (ZAG₂; ZA; ZA G) angeschlossen sind.

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

3. Supraleitende Spulenanordnung nach Anspruch 1 für Suszeptibilitätsmessungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptspule (H) an eine erste Stromversorgung (V_x) und eine gerade Anzahl der Zusatzspulen (ZAGi, ZAG₂ ZG_x, ZG₂; ZG_x, ZG₂, ZG% ZAG) a\s Gradien'enspule paarweise gegensinnig erregt in Reihe an ein.- gesonderte zweite Stromversorgung (V₂) anschlieBbar ist.

4. Supraleitende Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche Zusatzspulen (ZAG_x, ZAG₂) stirnseitig symmetrisch zur Hauptspule (T^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 (ZGt) 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 (ZG_x, ZG₂) als Gradientenspulen an die ersten und vierten Spulenanschlüsse (i, 4) angeschlossen sind und zwischen dem vierten Spulenanschluß (4) und dem Knotenpunkt (K) eine stirnseitig angeordnete dritte Zusatzspule (ZA) als Abschirmspule geschaltet ist