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Um diese auf einer ausgeprägt dreidimensionalen Gestalt des Leiters
beruhenden Schwierigkeiten zu umgehen, kann man den Leiter durch ein äußeres Magnetfeld
hindurchführen, das mindestens zwei räumlich voneinander getrennte und in Leiterlängsrichtung
hintereinander angeordnete Magnetfeldbereiche umfaßt, deren Felder in ihrer Richtung
bezüglich der Leiterlängsachse um einen vorgegebenen Winkel in
Umfangsrichtung
gegeneinander verdreht sind (DE-PS 26 06 504). Damit lassen sich die Felder der
Magnetfeldbereiche so untereinander ausrichten, daß die Informationen aus allen
Magnetfeldbereichen Aussagen über die Defektfreiheit der gesamten supraleitenden
Teile des Leiters liefern. Dieses Verfahren ist jedoch verhältnismäßig aufwendig,
weil mehrere Magnetspulen zur Erzeugung der beiden Magnetfeldbereiche erforderlich
sind und weil die entsprechende Vorrichtung zur Aufnahme dieser Magnetspulen verhältnismäßig
groß sein muß.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die bekannten Verfahren
und Vorrichtungen dahingehend zu verbessern, daß bei supraleitenden Vielkernleitern
mit beliebigem Querschnitt Störungen in allen Supraleitungsbereichen mit Sicherheit
festgestellt werden können und dennoch der hierfür erforderliche apparative Aufwand
begrenzt ist.
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Für das eingangs genannte Verfahren besteht die Lösung dieser Aufgabe
erfindungsgemäß darin, daß der Leiter mit vorbestimmter Geschwindigkeit durch mindestens
ein Magnetfeld vorbestimmter Feldstärke hindurchgeführt wird und dabei eine so hohe
Feldänderungsgeschwindigkeit iI Aß/t t erfährt, daß die Abschirmströme zumindest
zum Teil über die normalleitende Matrix fließen.
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Auf einfache Weise läßt sich feststellen, ob die in dem Leiter hervorgerufenen
Abschirmströme tatsächlich in das Matrixmaterial gedrängt sind. Wird nämlich ein
Leiter, dessen Abschirmströme ausschließlich in seinem supraleitenden Material fließen,
beim Hindurchführen durch den Meßbereich angehalten, so bleibt das von den Abschirmströmen
hervorgerufene Meßsignal praktisch unverändert. Bei einem Leiter hingegen, dessen
Abschirmströme über sein normalleitendes Material fließen, klingt das Meßsignal
bei einem Anhalten innerhalb von Sekunden auf ein niedrigeres Niveau ab, das dann
zeitlich konstant bleibt. Dies liegt daran, daß sich dann die Abschirmströme aus
dem normalleitenden Material auf das supraleitende Material zurückziehen.
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Die Erfindung geht dabei aus von der Erkenntnis, daß ein zuverlässiger
und hinreichend empfindlicher Nachweis von Defektstellen in Vielkernleitern dadurch
gewährleistet werden kann, daß die supraleitenden Kerne miteinander gekoppelt werden,
indem die in ihnen induzierten Abschirmströme gezwungen werden, über das sie umgebende
normalleitende Matrixmaterial zu fließen. Dies läßt sich durch eine ausreichend
hohe Feldänderungsgeschwindigkeit B/at bewirken, indem die Durchlaufgeschwindigkeit
und die magnetische Flußdichte entsprechend hoch gewählt werden.
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Bei der Prüfung eines langgestreckten Vielkernleiters, dessen supraleitende
Kerne über einen verhältnismäßig stark zweidimensional ausgedehnten Leiterquerschnitt
verteilt angeordnet sind, erhält man also in dem Magnetfeld aufgrund von Messungen
der mit Defekten in dem Leiter verbundenen Feldänderungen eine Aussage über die
Defektfreiheit der supraleitenden Kerne.
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Die Vorteile des Verfahrens nach der Erfindung bestehen insbesondere
darin, daß man diese Informationen mit nur einem einzigen Magnetfeld erhalten kann,
das senkrecht zur Leiterachse gerichtet ist. Die entsprechende Meßvorrichtung ist
deshalb verhältnismäßig einfach. Dabei wird der Leiter durch das Magnetfeld so geführt,
daß er einen einfachen Feldstärkehub senkrecht zu seiner Achse erfährt. Die Abschirmströme
werden deshalb in der Nähe der
erforderlichen Magnetfeldmeßsonden in leicht zu durchschauender
Weise beeinflußt. Bei hinreichend hohen Werten von AB/At fließen die Abschirmströme
nicht nur innerhalb der einzelnen supraleitenden Kerne, sondern passieren auch die
normalleitende Matrix.
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Dadurch wird verhindert, daß magnetischer Fluß in die Kerne und somit
in den gesamten Leiter eindringt.
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Insbesondere wegen des verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstandes
quer zur Leiterachse werden die Strompfade weit aus dem eigentlich abzuschirmenden
Leiterbereich hinausgedrängt, wodurch große Bereiche des Leiters von Strom durchflossen
werden. Aus diesem Grund ist im allgemeinen ein einziger Magnetfeldbereich zur Defektlokalisierung
ausreichend.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird zweckmäßig der Leiter
mit einer Geschwindigkeit von höchstens etwa 10 cm/sec durch das Magnetfeld hindurchgeführt.
Bei einer weiteren Steigerung der Geschwindigkeit besteht nämlich die Gefahr, daß
die Zeit, die dann zum Abkühlen des Leiters bleibt, ohne zusätzlichen kühltechnischen
Aufwand wie beispielsweise eine Kryostatenvergrößerung oder eine Leitervorkühlung
nicht ausreicht, ihn in den supraleitenden Zustand zu überführen.
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Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist eine Vorrichtung
besonders geeignet, die Mittel zum Umlenken der Führungsrichtung des Leiters innerhalb
eines kryogenen Mediums in einem Kryostaten enthält und mit zwei im Umlenkbereich
angeordnete Magnetspulen mit etwa senkrecht zur Leiterachse verlaufender, gemeinsamer
Spulenachsen zum Erzeugen des Magnetfeldes sowie mit zwei Magnetfeldmeßsonden in
dem Magnetfeld zu beiden Seiten des Leiters versehen ist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen,
in deren F i g. 1 schematisch das der Erfindung zugrunde liegende Meßprinzip angedeutet
ist; F i g. 2 zeigt schematisch eine für das Verfahren nach der Erfindung bevorzugte
Meßvorrichtung, während in F i g. 3 ein Detail dieser Vorrichtung nach F i g. 2
veranschaulicht ist In F i g. 4 ist ein mit der Meßvorrichtung nach F i g. 2 und
3 gewonnenes Meßprotokoll wiedergegeben.
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Ein Teil eines gemäß dem Verfahren nach der Erfindung zu prüfenden
Supraleiters ist in Fig.l in Schrägansicht von oben dargestellt. Bei diesem Leiter
handelt es sich um einen sogenannten Vielkernleiter 2; bei dem eine Vielzahl von
Fäden 3 aus einem supraleitenden Material in einem Matrixmaterial 4 aus normalleitendem
Material eingebettet ist, wobei die Fäden miteinander verdrillt sind. In der Figur
sind nur einige dieser supraleitenden Fäden der Übersichtlichkeit wegen stark vergrößert
angedeutet. Bei dem Leiter kann es sich beispielsweise um einen monolithischen,
stranggepreßten Nb3Sn-Leiter mit 1615 Filamenten handeln, die nach der sogenannten
Bronze-Technik durch eine Diffusionsbehandlung bei 700"C während 24 Stunden hergestellt
wurden. Der Leiter kann beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt von 0,25 mm
x 0,65 mm haben.
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Der Leiter 2 wird im supraleitenden Zustand mit einer vorbestimmten
Geschwindigkeit durch ein durch Pfeile 6 dargestelltes, äußeres Magnetfeld vorbestimmter
Magnetfeldstärke und Flußdichte B hindurchgeführt.
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Die Bewegungsrichtung ist dabei durch einen mit v bezeichneten Pfeil
angedeutet. Das Magnetfeld soll ausschließlich senkrecht zur Leiterachse und somit
zur Bewegungsrichtung vgerichtet sein. Beim Hindurchführen
des
Leiters 2 durch das Magnetfeld werden in ihm Abschirmströme induziert.
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Für die Abschirmströme gibt es prinzipiell zwei mögliche Strompfade.
Sie können so fließen, daß sie innerhalb eines jeden Kerns 3 eine geschlossene Bahn
bilden. Auf diese Weise kann kein magnetischer Fluß in die Kerne von außen eindringen.
Die Abschirmströme können aber auch den gesamten Leiter gegen Flußänderungen abschirmen.
In diesem Fall bilden sich die in der Figur angedeuteten Strompfade 8, die den gesamten
Leiter erfassen und dabei die normalleitende Matrix 4 passieren müssen. Diese Ströme
klingen ab, wenn der Induktionsvorgang unterbrochen wird. Sie werden um so stärker
induziert, je kleiner der Quotient aus ohmschem Widerstand und Selbstinduktionskoeffizient
des Leiters ist und je größer die Feldänderungsgeschwindigkeit AB/At ist. Zur Feststellung
von Defektstellen des Vielkernleiters werden mit dem Verfahren nach der Erfindung
diese Ströme 8 herangezogen.
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Hierzu ist im allgemeinen nur ein einziger Magnetfeldbereich erforderlich,
der beispielsweise zwischen zwei Spulen ausgebildet ist. Zwar liegen die durch ein
einziges Spulenpaar in einem Leiter mit ausgeprägt dreidimensionaler Gestalt schwer
zu erfassenden Leiterbereiche in der Leitermitte, parallel zur Leiterachse, aber
durch die im Vielkernleiter weite Leiterbereiche beanspruchenden Querströme werden
auch diese kritischen Stellen meßtechnisch erfaßt.
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Für den Defektnachweis müssen also eine verhältnismäßig hohe Flußdichte
B und eine hohe Transportgeschwindigkeit v vorgesehen werden. Hierzu wird vorteilhaft
eine Flußdichte von mindestens 0,5 Tesla, vorzugsweise mindestens 1 Tesla gewählt.
Der Leiter 2 wird dabei mit einer Geschwindigkeit vvon mindestens 2 cm/sec, vorzugsweise
zwischen 3 und 8 cm/sec, durch das Magnetfeld 6 hindurchgeführt. Es läßt sich so
beispielsweise eine Feldänderungsgeschwindigkeit 21 B/il t erreichen, die über 2,7
Tesla pro Sekunde liegt.
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Das mit den Abschirmströmen 8 jeweils verbundene und durch einzelne
Feldvektoren 9 angedeutete Magnetfeld überlagert sich mit dem äußeren Magnetfeld
6. Die damit verbundenen Magnetfeldänderungen können mit H-lfe von zwei Hallsonden
11 und 12 gemessen werden, die in Feldrichtung und bezüglich des Leiters diametral
zueinander nahe der Oberfläche des Leiters angeordnet sind. Die an ihnen hervorgerufenen
Hallspannungen werden zweckmäßig addiert.
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Eine für das Verfahren nach der Erfindung bevorzugte Meßvorrichtung
ist schematisch in F i g. 2 und teilweise in genaueren Einzelheiten in F i g. 3
als Längsschnitt dargestellt. Von einer scheibenförmigen Vorratsspule 14 läuft der
zu untersuchende Vielkernleiter 2 über eine Führungsrolle 15 in einen Kryostaten
16, der einen Vorrat 17 an flüssigem Helium enthält. Mittels einer in diesem Helium-Vorrat
17 angeordneten Umlenkvorrichtung, beispielsweise einer Halbscheibe 18, wird der
Leiter in die Gegenrichtung überführt. Zur exakten Leiterführung ist diese Scheibe
zweckmäßig mit einer der Leiterdimension angepaßten Nut versehen. Nachdem der Leiter
2 aus dem Kryostaten 16 wieder herausgeführt worden ist, läuft er über dieselbe
Umlenkrolle 15 und wird auf einem scheibenförmigen Spulenkörper 19 aufgewickelt.
Der Leitertransport kann vorteilhaft durch motorgetriebene Reibräder 20 erfolgen,
welche den Leiter durch die Meßvorrichtung ziehen und die mit einem Zählwerk ausgestattet
sind.
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Bandgeschwindigkeiten zwischen 3 und 8 cm/sec werden dabei vorteilhaft
vorgesehen. Bei der Meßvorrichtung sind zweckmäßig die leiterführenden Teile so
angeordnet, daß der Leiter nur in der Krümmungsrichtung beansprucht wird, die ihm
durch das Wickeln auf die Vorratsspule 14 bereits aufgeprägt ist.
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Wie aus F i g. 3 näher hervorgeht, ist an einer Stelle der als Umlenkvorrichtung
dienenden Halbscheibe 18 ein Spulenpaar 22, 23 angeordnet. Senkrecht zu dessen gemeinsamer
Achse läuft der Leiter zwischen diesen beiden Spulen hindurch. Bei erregten Spulen
erfährt eine Leiterstelle während ihrer Bewegung eine ansteigende und dann eine
abnehmende Magnetfeldstärke, deren Richtung im wesentlichen senkrecht zur Leiterachse
orientiert ist. Die von diesen Spulen erzeugte Feldstärke beträgt am Leiter beispielsweise
1,8 Tesla.
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Im Zentrum des Spulenpaares am Ort der höchsten Feldstärke sind zwei
Hallsonden 11 und 12 angeordnet.
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Ihr Abstand von der Leiteroberfläche beträgt beispielsweise jeweils
etwa 1 mm. Mit den Sonden wird die Magnetfeldstärke gemessen, die sich aufgrund
einer Überlagerung des Magnetfeldes der Spulen mit dem Feld ergibt, das von den
in dem Leiter 2 induzierten Abschirmströmen hervorgerufen wird. Zur Kompensation
von Meßfehlern durch unerwünschte Leiterbewegungen, aufgrund derer sich der Abstand
zwischen einer Hallsonde und dem Leiter ändern kann, ist es nämlich zweckmäßig,
je eine Hallsonde der Ober- und Unterseite des Leiters zuzuordnen und deren Signale
zu addieren. Diese Signale werden, wie in F i g. 2 angedeutet ist, einem Kompensator
26 zugeführt, an dessen Ausgang beispielsweise ein Blattschreiber 27 zur Aufzeichnung
der kompensierten Meßsignale angeschlossen ist.
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Als Ausführungsbeispiel ist ein entsprechendes Schreiberprotokoll
in F i g. 4 für einige Meter eines supraleitenden Vielkernleiters veranschaulicht.
Bei dem Leiter handelt es sich um einen 1615 Nb3Sn-Kerne enthaltenden monolithischen,
stranggepreßten Leiter mit Querschnitt 0,25 mm x 0,65 mm. Die supraleitenden Nb3Sn-Schichten
wurden durch Feststoffdiffusion bei 700"C während 24 Stunden aus entsprechenden
Nb-Kernen und einem sie umgebenden Cu-Sn-Matrixmaterial erzeugt. Der Leiter wurde
vor der Messung mit einigen absichtlichen Defekten versehen. Dazu wurde er bei Raumtemperatur
um Dorne mit verschiedenen definierten Durchmessern D um etwa den halben Dornumfang
gebogen und anschließend wieder in den geraden Zustand überführt. Der so geschädigte
Leiter wurde dann durch eine Meßvorrichtung gemäß den F i g. 1 bis 3 mit einer Geschwindigkeit
v = 3,3 cm/sec hindurchgezogen, wobei eine magnetische Flußdichte B = 1,07 Tesla
vorgesehen war. In dem in der Figur als Diagramm dargestellten Schreiberprotokoll
ist in Ordinatenrichtung die sich an den beiden Hallsonden ergebende Hallspannung
UH als Funktion des in Abszissenrichtung aufgetragenen Ortes x längs des Leiters
wiedergegeben. Wie aus dem rechten unteren Teil des Schreiberprotokolls zu entnehmen
ist, war die Hallspannung zunächst Null, da der untersuchte Leiter mit einem normalleitenden
Vorspann ohne eingelagerte supraleitende Kerne versehen war. Von dort aus ist der
Ort x des Leiters mit eingelagerten supraleitenden Kernen nach links aufgetragen.
Die nach oben aufgetragene Hallspannung UH hat im Mittel einen Wert von etwa 1,0
mV. An den durch Pfeile gekennzeichneten Stellen der vorausgegangenen Leiterkrümmungen
ist die Hallspannung kleiner. Je stärker die Krümmung und damit die Schädigung des
Leiters war, um so kleiner ist das entsprechende Hallspannungssi-
gnal.
Im Schrciberprotokoll ist ferner an den geschiidigten Siellen tles Leiters der Durchmesser
D des Darnes eingetragen. um den der leiter zur Schädigung gebogen worden war.
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Avie aus dem in Fig,4 dargesiellten Schreiberpretekall zu entnchmen
ist. können mit dem Verfabren gemäß der Erfindung Detckisiellen von Viclkernlchern.
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die durch Krümmung um Dorne definierten Durchmessers absichdich geschäfigt
werden waren. vuverlassig registriert und lokabiem werden. Dabei ist es wesenilich,
die Flußdichte B hinreichend hoch und die Feldänderungsgeschwindiekein @@@@@ möghchst
hoch zu sviililen so daü die im leiter induzierten Ströme den gesamten Leiter abzuschirmen
suchen. woran sie an Bruchstellen im Suppralener gchindert werden Hohe Werie von
B und #B#t führen außerdem zu einer Signalverbreinerung an den Delckistellen. die
ein Vielfaches der geonietrisehen Defektbreite betrneen kann und daher den Nachweis
von Defekistellen kleiner Ausdehnung begünstigt.
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Im Ausführungsbeispiefgemäß den fig. 1 bis 4 wurde ein supraleitender
Vielkernleiter mit reclotcekigeni Querschnitt angenommen. Der Lcher kann jedoch
ebensogut auch andere Querschnittsformen. beispielsweise Kreisform. haben. Bei derarligen
Deitern min ausgeprägt dreidimensionaler Gestah kann es gegche nenfalls zweckm1äßig
sein. gemäß der DE-PS 26 06 504 den Lcher durch mehrere hintereinander angeordneie
Meßbereiche zu bewegen. wobei die Magnetlekter benachbarter Meßbereiche um einen
vorbestimmen Winkel in bezug auf die bcherachse, beispiclsweise um 90°, gegeneinander
verdrcht ausgerichtet sind.
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Zusammenfassung Verfahren zur konunuierlichen.
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kontakdosen Prüfung eines langgestreckten supraleitenden Vielkernleiters
und vorrichtung zur Durchfübrung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur komindierlichen. kamaktlosen Prüfung eines langgestreckten supralchenden Vielkernteilers.
der im supraleitenden Zustand durch ein Abschirmströme induzierendes Magnetfeld
bewegt wird. wobei das durch diese Abschirmströme hervergerufene Magnelleld gemessen
wird. Bei solchen Leitern mit im allgememen ausgepragt dreidimensionale Gestalt
sollen Defekte der supmdeitetoden Kerne sicher festgestellt erden können d tod dennoch
der apparative Aufwand begrenzt gehalten werden. Die Erfindung sieht hierzu vor.
daß der bcher (2) mit vorbestimmter Geschwindigkeit (@) durch mindestens ein Magneifeld
(6) vorbesupmter Feldstärke. das ausselolicßlich zumindest annähernd senkrecht zur
Leiterachse gerichtet ist. himdurchgeführt wird untl dabei eine so hohe Fckländerungsgeschwindigkeit
#B/## erfährt. daß die Abschirmströme (8) zumindest zum Teil über die normalleinende
Matrix (4) fließen. Die Flußdichte (B) des Magnetfeldes kann Aorleilhaft mindestens
1 Tesla betragen und die Leitergeschwindigkeit (l) zwischen 3 und 8 em/see liegen.
Nach diesem Verfahren geprülte Vielkernlèfier beliobiger lainge können insbesondere
für supraleitende Großmagnete.
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keispielsweise in Fusionsanlagen. vorgeschen werden (Fig. 1).