DE3324872A1 - Superleitende magnetische abschirmvorrichtung - Google Patents
Superleitende magnetische abschirmvorrichtungInfo
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Description
R-6021
SUPERLEITENDE MAGNETISCHE ABSCHIRMVORRICHTUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine superleitende Abschirmvorrichtung
sowie auf ein Verfahren zum Vorsehen eines ultra-niedrigen Magnetfeldes.
Allgemein bezieht sich die Erfindung auf magnetische Abschirmanordnungen/
um ultra-niedrige Magnetfeldzonen unterhalb von 10 gauss vorzusehen. Solche Zonen oder Regionen
werden in steigendem Maße benötigt. Ein wichtiges Beispiel ist die Entwicklung von Computern mit einem superleitenden
Speicher,in welchem die Information in der Form von Bits gespeichert wird, und zwar repräsentiert durch
> ·-." ' "··'*··' 332A872
das Vorhandensein oder NichtVorhandensein von winzigen lokalisierten Magnetfeldbündeln, wobei jedes Bündel ein
Magnetflußguantum 0Q = 2,07 χ 10 gauss χ cm2 führt. Ein
derartiger Speicher sollte langsam durch seine superleitende Übergangstemperatur in einem sehr geringen Magnetfeld abgekühlt
werden. Anderenfalls würde der Speicher ein Glied aus unerwünschten Magnetflußquanten einfangen, was Rechenfehler
hervorrufen würde. Eine Speicherfläche von 10 cm χ 10 cm würde ungefähr 500 unerwünschte Flußquanten dann einfangen,
wenn die Abkühlung in einem Feld von 10 gauss erfolgt, während keine Quanten dann eingefangen werden, wenn
— 9
das Feld weniger als 10 gauss beträgt.
das Feld weniger als 10 gauss beträgt.
Übliche Mu-Metallabschirmungen erzeugten Magnetfelder bis
hinab zu 10 gauss, und zwar mit Drifts in der Größenordnung von 10 gauss/min., wobei dies die untere Grenze dieser
Abschirmart zu sein scheint. Andere Abschirmverfahren wurden dadurch vorgesehen, daß man eine Reihe von dünnwandigen Mu-Metallabschirmungen
nestartig einsetzte. Diese Verfahren sind jedoch durch die physikalischen Grenzen des verwendeten Materials
begrenzt und sie erzeugen nur bescheidene zusätzliche Verringerungen der Magnetfeldpegel. Andere Anordnungen
zum Erhalt niedriger Magnetfeldzonen sind Anordnungen aus
Helmholtz-Spulen mit oder ohne Rückkopplungsschaltung, die gesteuerte Magnetfelder zur Auslöschung unerwünschter detektierter
Magnetfelder erzeugen. Solche Anordnungen haben sich bei der Aufrechterhaltung ultra-niedriger Magnetfeldzonen
nicht als effektiv erwiesen.
Eine vollständig unterschiedliche magnetische Äbschirrnart wurde durch die Entdeckung der Superleitfähigkeit möglich
gemacht. Während des wahrhaft den Wert Null besitzenden
Gleichstromwiderstands eines Superleiters, bleibt das Magnetfeld innerhalb einer superleitenden Abschirmung bei einem
sich ändernden extern angelegten Feld konstant, da die in dem Superleiter induzierten Abschirmströme nicht abfallen.
Seit der Entdeckung der Superleitfähigkeit wurden mehrere Versuche
unternommen, innerhalb superleitender Abschirmgefäße
ultra-niedrige Magnetfelder zu erzeugen. Mit der derzeitigen
Technologie war es jedoch nicht möglich, in bequemer Weise die von Natur aus erzeugten Umgebungsmagnetfelder auf niedrige
Werte über praktische Arbeitsvolumina hinweg zu vermindern.
Unter den verschiedenen Abschirmgefäßkonfigurationen sind
Zylinder besonders brauchbar, da sie den Zugang zu einer feldfreien Zone aus mehreren Richtungen gestatten. Obwohl
erkannt wurde, daß ein unendlich langer Zylinder in der Lage ist ein angelegtes Magnetfeld zu vermindern, so kann doch
in der Praxis ein Zylinder keine unendliche Länge aufweisen. Infolgedessen erfahren praktische Zylinderabschirmungen eine
Komponente des angelegten Magnetfeldes, die durch die offenen Zylinderenden dringt und exponentiell mit dem Abstand von
diesen Enden abnimmt. Die niedrigsten Innenfelder sind daher in der Mitte eines praktisch ausgeführten Zylinders zu erwarten.
Es wurde jedoch entdeckt, daß die durch die Theorie vorhergesagten ultra-niedrigen Magnetfelder nicht erreicht
wurden, und zwar selbst nicht in der Mitte solcher Zylinder, und zwar infolge von Flußquanten, die in der Zylinderwand
nahe der Mitte des Zylinders eingefangen oder festgelegt wurden, wenn der Superleiter durch seine superleitende Übergangstemperatur
abgekühlt wird.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Mittel sowie ein Verfahren anzugeben, um in einfacher Weise einen
• 4 *
niedrigen Pegel aufweisenden Magnetflußquanten zu entfernen,
die in zylindrischen superleitenden Magnettischenabschirmungen eingefangen sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Mittel vorzusehen, um die Kernbildung oder Nukleation von neuen Magnetflußquanten
an den Zylinderenden zu verhindern, und um ferner die darauffolgende nach innen gerichtete Wanderung von Flußquanten
von den Zylinderenden in die Mittelzone des Zylinders zu verhindern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Reservoirs vorzusehen, und zwar für die nach außen gerichteten Flußquanten
(Wirbel) und die nach innen gerichteten Flußquanten (Gegenwirbel) in einer superleitenden Magnettischenabschirmung
derart, daß die Reservoirs das Erreichen eines Endzustands der magnetischen Abschirmung ermöglichen, in der
keine longitudinalen magnetischen Flußquanten durch den Raum innen gegenüber der Mittelzone des superleitenden zylindrischen
Mantels eindringen.
Diese sowie weitere Ziele der Erfindung werden durch eine magnetische Abschirmung erreicht, die einen neuen superleitenden
zylindrischen Mantel (Schale) aufweist, der eine langgestreckte zentrale niedrige magnetisch festlegende
(pinning) Zone aufweist, und zwar angeordnet zwischen hohen magnetisch festlegenden Endzonen. Zwischen der zentralen
und den Endzonen angeordnete Übergangszonen oder Regionen
des Zylinders bilden Reservoirs für magnetische Wirbel und Antiwirbel. Ein aus Normal-Metall bestehender oder isolierender
_Zylinder konzentrisch und sich gleich erstreckend mit dem superleitenden Mantel,dient als mechanische Trag-
struktur für den superleitenden Mantel. Ein elektrischer
Strom wird an die Endzonen des superleitenden Mantels angelegt. Die Stromgröße wird derart gewählt, um den kritischen
End-festlegenden Strom in der Zentralzone des Mantels zu
übersteigen, und zwar derart, daß die zuvor in der Zentralzone eingefangenen Magnetflußguanten in Bewegung getrieben
werden, und zwar in nahezu kreisförmige Pfade um den Umfang des Zylindermantels herum. Diese zirkulären oder kreisförmigen
Pfade umfassen entweder Wirbel- oder Antiwirbel-Pfade,
die in gleicher Anzahl vorhanden sind. Sämtliche Wirbel- und Antiwirbel-Pfade, welche einander schneiden, haben die Flußauslöschung
zur Folge. Diejenigen Wirbel- und Antiwirbel-Pfade, die einander jedoch nicht schneiden, sind einer zweiten
magnetomotiven Kraft eines longitudinalen Magnetfeldes eines äußeren koaxialen Solenioden (Elektromagneten) ausgesetzt,
der mit Abstand gegenüber dem superleitenden Mantel angeordnet ist und diesen umgibt. Infolge des Meissner
Effekts werden umfangsmäßig gerichtete Ströme in dem superleitenden
Mantel induziert, wobei der induzierte Strom größer ist als der kritische End-Festlegungsstrom der Zentralzone
des superleitenden Mantels. Infolgedessen werden die in dem superleitenden Mantel eingefangenen Wirbel in eine
Übergangszone bewegt, und die Gegenwirbel in dem superleitenden
Mantel werden zur entgegengesetzten Übergangszone bewegt. Das Magnetfeld des koaxialen Solenioden kann auch
umgekehrt werden, was bewirkt, daß die in den Übergangszonen
eingefangenen Wirbel und Gegenwirbel sich über die zentrale superleitende Mantelzone zu den entgegengesetzt angeordneten
Übergangszonen bewegen. Auf diese Weise werden die Wirbel und Gegenwirbel von den superleitenden Mantelwänden in der Zentralzone
entfernt und der Superleiter wird in einen Zustand gebracht, in dem keine Flußquanten durch den Raum dringen
können, der intern zur Zentralzone des superleitenden Mantels liegt.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von
Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 bis 5 jeweils Querschnitte unterschiedlicher
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen superleitenden magnetischen Abschirmen-Ordnung.
In Fig. 1 ist eine verallgemeinerte Magnetschirmanordnung gemäß der Erfindung dargestellt und weist ein Tragelement oder
einen Normal-Metallzylinder 12 auf, vorzugsweise ausgebildet aus Aluminium oder einem ähnlichen elektrischen Leiter. Dieser
Leiter ist hinreichend rein, so daß jedwede durch magnetische Verunreinigungen erzeugte magnetische Restfelder
vernachlässigbar klein sind. Ein superleitender zylindrischer Mantel 14 umgibt den Zylinder 12 und steht mit diesem in
enger Berührung, um so eine elektrische Verbindung damit zu schaffen. Im Falle eines unbeabsichtigten Temperaturanstiegs
und eines Superleitung-Auf-Normal-Übergangs des superleitenden Mantels 14, der einen hohen Strom führt, schützt der Zylinder
12 elektrisch den superleitenden Mantel 14 durch Vorsehen eines Shunt- oder alternativen Parallelstrompfades bis der
Strom ausgeschaltet werden kann. Der Zylinder 12 kann auch aus Isoliermaterial ausgebildet sein, wie beispielsweise aus
geschmolzenem Quarz, wobei aber solches Isoliermaterial nicht den automatischen elektrischen Schutz für den superleitenden
Mantel 14 gewährt. In einer solchen Vorrichtung sind zusätzliche elektronische Vorrichtungen erforderlich, um einen
schnellen Schutz dann vorzusehen, wenn ein unbeabsichtigter Superleitung-Auf-Normal-Übergang in einem Strom führenden
superleitenden Mantel 14 auftritt, um so den Strom so schnell
als möglich abzuschalten, um so das Ausbrennen des Mantels 14 zu vermeiden. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Mantel 14
AS
- r-
eine praktikable Approximation eines langen Zylinders mit einem Innenradius R, der wesentlich kleiner ist als seine
Gesamtlänge L1. In Fig. 1 sind die Dimensionen insbesondere
die Dicken der Mantelwände in Radialrichtung aus Gründen der Klarheit übertrieben. Der Mantel 14 besteht aus einer Mittelzone
16 und Endzonen 18, 20. Ubergangszonen 22, 24 liegen
zwischen der Mittel- oder Zentralzone 16 und den Endzonen 18 bzw. 20. Die Mittelzone 16 ist aus superleitendem Material,
hergestellt mit einem relativ niedrigen Wert des kritischen End-Festlegungsstroms, wohingegen die Endzonen 18, 20 aus
superleitenden Materialien hergestellt sind, die relativ hohe Werte des kritischen End-Festlegungsstromes besitzen.
Die Ubergangszonen 22, 24 sind Superleiter, dessen kritischer End-Festlegungsstrom sich monoton von Ende zu Ende
verändert, wobei die Enden dieser Übergangszonen benachbart zur Mittelzone 16 einen niedrigen Wert des kritischen End-Festlegungsstroms
besitzen, und die Enden benachbart zu den Endzonen. 18, 20 haben einen hohen Wert des kritischen End-Festlegungsstromes
.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, durch welche die gewünschten Eigenschaften des superleitenden Mantels 14 erreicht werden
können. Beispielsweise könnte der Mantel aus Niob hergestellt sein und vorzugsweise eine Dicke aufweisen, die sich entlang
der Länge des Zylinders verändert. Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 gezeigt, wo gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen
versehen sind, allerdings unter Hinzufügung eines "a". Fig. 2 zeigt einen partiellen Längsschnitt eines abgewandelten
Mantels 14a. Der Mantel 14a besitzt innere bzw. äußere Oberflächen 34a bzw. 36a. Die Dicke des Mantels 14a,
die derart gewählt ist, daß sie einen Wert von 0,5 um in
der Mittelzone 16a und 5 \xm in den Endzonen 18a, 20a besitzt,
ändert sich glatt (stecig) zwischen diesen Werten in den Übergangszonen 22, 24. Da die kritische End-Festlegungsstromdichte
nahezu gleichförmig durch das Niob hindurch ist, wird der
— Beergebende kritische End-Festlegungsstrom als ungefähr
10 mal größer in den Endzonen 18a, 20a berechnet, als in der Mittelzone 16a, und er ändert sich glatt, (d.h. stetig)
zwischen diesen Grenzwerten in den Übergangszonen 22a, 24a.
Es sei nunmehr auf Fig. 3 Bezug genommen, wo die gleichen Elemente
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, hier aber unter Hinzufügung eines "b". Fig. 3 ist ein Teillängsquerschnitt
eines alternativen superleitenden Mantels 14b gemäß der Erfindung. Der Mantel 14b besitzt eine Innenoberfläche
34b und eine Außenoberfläche 34b (36b);(die Fig. 3 mit 34a bezeichnet). Eine Mittelzone 16b des Mantels 14b
besteht aus Niob von gleichförmiger Dicke. Die Endzonen 18b, 20b sind aus Nb-.Sn (Niob-Zinn) von annähernd dergleichen
Dicke wie die Mittelzone 16b hergestellt. Die modifizierten Übergangszonen 22b, 24b weisen eine Lage oder Schicht 25
aus Niob und eine Lage oder Schicht 26 aus Nb.-Sn auf, wobei
die Gesamtdicke der verbundenen Schichten 25, 26 annähernd konstant entlang der Länge der Übergangszone über
die ganze Übergangszone hinweg verbleibt, während sich die Nb_Sn-Dicke glatt (stetig) von ihrem Maximalwert benachbart
zu einer Endzone auf Null benachbart zur Mittelzone verändert,
wobei sich die Niobdicke glatt (d.h. stetig) von ihrem Maximalwert benachbart der Mittelzone aus, auf den
Wert Null benachbart zu einer Endzone verändert. Weil die kritische End-Festlegungsstromdichte von Nb-,Sn typischerweise
um einen Faktor 10 größer ist als die von Niob, wird diese Anordnung das gewünschte kritische End-Festlegungsstromprofil
erzeugen.
Ein Verfahren zur Konstruktion dieser Anordnung sieht die Verarbeitung eines zylindrischen Kupfermantels vor, und
zwar mit Zonen von unterschiedlichen Zinnkonzentrationen, wobei die höchste Konzentration in den Endzonen vorgesehen ist,
wobei die Konzentration in den Endzonen abnimmt, wobei prak-
AH
tisch kein Zinn in der Mittelzone vorhanden ist. Eine Niobschicht von gleichförmiger Dicke, typischerweise 0,5 μΐη, wird
auf dem zylindrischen Kupfermantel abgeschieden. Die Anordnung wird sodann bei der Temperatur von ungefähr 7500C zur Reaktion
gebracht, derart, daß die Zinnatome in die Niobschicht diffundieren, was deren vollständige Umwandlung in Nb3Sn in
den Endzonen 18b, 20b bewirkt. Ein ähnliches Verfahren tritt auch in den Übergangszonen 22b, 24b auf, mit der Ausnahme,
daß hier nur ein Bruchteil des Niobs in Nb-Sn umgewandelt wird, wobei dieser Bruchteil stetig oder glatt von einem relativ
hohen Wert benachbart zu den Endzonen auf Null benachbart zur Mittelzone abnimmt.
Für jeden Zentimeter der Umfangspfadlänge um jeden der oben
beschriebenen zylindrischen Mäntel herum, sind die kritischen End-Festlegungströme bei einer Temperatur von 4,2K typischerweise
10 Ampere für die Mittelzone und 10 Ampere für die
2 3 Endzonen, wobei die Übergangszonen monoton von 10 auf 10 Ampere von Ende zu Ende variieren.
Um den gewünschten Endzustand der Magnetabschirmung zu erhalten, (indem keine Flußquanten entweder durch das Innere oder
die Wände der Mittelzone dringen) muß der anfangs in den superleitenden Mantelwänden während der Abkühlung durch die
superleitende Übergangstemperatur· eingefangene Magnetfluß in der Form einzeln quantisierter Flußquanten 0n der Größe
-7
2,07 χ 10 gauss χ cm2 sein. Dieses Erfordernis diktiert, daß von den vielen bekannten superleitenden Materialien,die zur Herstellung der Abschirmung gemäß der Erfindung ausgewählt werden könnten, man entweder einen Type-II-Superleiter, in dem der Magnetfluß stets in der Form einzeln quantisierter Flußquanten vorliegt, oder ein Type-I-Superleiter mit einer Dicke kleiner als der kritischen Dicke ausgewählt werden sollte. Der magnetische Fluß tritt in einen dicken Type-I-Super-
2,07 χ 10 gauss χ cm2 sein. Dieses Erfordernis diktiert, daß von den vielen bekannten superleitenden Materialien,die zur Herstellung der Abschirmung gemäß der Erfindung ausgewählt werden könnten, man entweder einen Type-II-Superleiter, in dem der Magnetfluß stets in der Form einzeln quantisierter Flußquanten vorliegt, oder ein Type-I-Superleiter mit einer Dicke kleiner als der kritischen Dicke ausgewählt werden sollte. Der magnetische Fluß tritt in einen dicken Type-I-Super-
ο α η 1^
3374872
leiter in der Form großer vielfach quantisierter Domänen ein. Wenn jedoch der Superleiter dünner ist als die kritische
Dicken-Charakteristik des Materials, dann tritt der magnetische Fluß in den Superleiter in der Form einzeln
quantisierter Flußquanten ein.
Die obigen Anordnungen sehen einen superleitenden zylindrischen
Mantel vor mit einer Mittelzone, in der der eingefangene Fluß leicht entfernt werden kann, während die Kernbildung
oder Nukleation neuer magnetischer Flußquanten an den Zylinderenden und auch jedwede nach innen gerichtete
Wanderung von Flußquanten von den Zylinderenden in die Zentralzone verhindert wird. Ferner wird ein Reservoir von
Wirbeln und Antiwirbeln durch die Übergangszonen vorgesehen, die zwischen der niedrig-festlegenden Mittelzone und den
hoch-festlegenden Endzonen des Mantels vorgesehen sind.
Die Fig. 4 und 5 zeigen alternative Kontruktionen der erfindungsgemäßen
Magnetschirmanordnung, wobei gleiche Elemente wiederum mit dem gleichen Bezugszeichen, aber diesmal
unter Hinzufügung der Buchstaben "c" bzw. "d" bezeichnet sind. In Fig. 4 ist eine magnetische Abschirmanordnung 10c
in einer Kompaktanordnung mit ungefähr der Hälfte der Länge der Anordnung der Fig. 1 dargestellt. Die Radialabmessungen
sind in Fig. 4 aus Gründen der Klarheit übertrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind superleitender
Mantel 14c, Zylinder 12c und der Elektromagnet 28c an einem Ende sich verjüngend ausgebildet. Das Niedrigfeld-Arbeitsvolumen
dieser Anordnung,bezeichnet durch das Bezugszeichen
52, erhält seinen Zugang durch das weite Ende 54 des Zylinders 12c. Da ümgebungsmagnetfeider schneller in dem verjüngten
Teil der Abschirmanordnung gedämpft werden, kann der verjüngte Teil 56 der Abschirmung 10c viel kürzer sein als
der breite Teil, wodurch die Gesamtlänge der Magnetabschirmung vermindert wird. Es muß Sorgfalt walten, um die Dicke
-YT-
der Mittelzone 16c des Mantels 14c zu formen, um in inverser Weise als sein Innenradius zu variieren, derart,, daß für
einen gegebenen Längsstrom durch die Mittelzone 16c die Stromdichte konstant bleibt. Ferner sollte die Mittelzone 16c derart
geformt sein, daß ihr Radius und ihre Dicke sich stetig entlang der Zylinderlänge verändern. Anderenfalls tritt eine
erhöhte Festlegung von Flußquanten an den Punkten auf, wo der Radius und Dicke Diskontinuitäten aufweisen. Zudem sollte
der Elektromagnet 26c derart ausgelegt sein, daß er parallel zum superleitenden Mantel 14c ein Magnetfeld erzeugt, das
proportional zur örtlichen Dicke des Mantels 14c ist, so daß die azimuthale Stromdichte vermindert während des elektromagnetischen
Feld-Manipulationsschritts konstant entlang der Länge des Mantels 14c ist.
Fig. 5 zeigt eine alternative Magnetabschirmanordnung 1Od, die einen superleitenden Mantel 14d, einen Zylinder 12d und
einen Koaxial-Solenoid oder Elektromagnet 28d aufweist. Die Radialabmessungen sind in Fig. 5 aus Gründen der Klarheit
übertrieben. Bevor Strom an den Elektromagneten 28d angelegt wird, ist der superleitende zylindrische Mantel 14d derart
angeordnet, daß er gleichförmige und magnetische Festlegeigenschaften
über seine ganze Länge hinweg besitzt, d.h. gleichenförmigen kritischen End-Festlegungsstrom. Bei dieser
Anordnung besitzt der Elektromagnet 28d eine Länge L^1 und
einen Innenradius R2I* Der Mantel 14d besitzt eine Länge L42
die wesentlich langer ist als die Länge L31 des Elektromagneten
28d. Teile 64, 66 des Mantels 14d erstrecken sich über den Elektromagneten 28. Wenn der Mantel 14d gleichzeitig
sowohl einem Längs- oder Longitudinalstrom als auch dem Magnetfeld des Elektromagneten 28d ausgesetzt ist, so
ist die induzierte Netto-Stromdichte im Mittelteil 16d des Mantels 14d am größten. Die Länge des Mittelteils 16d ist
L91, und zwar koexuensiv oder sich gemeinsam erstreckend mit
dem Elektromagneten 28d. Der induzierte Nettostrom ist in
- 0-2 -
benachbarten Teilen 22d, 24d des Mantels 14d kleiner und noch kleiner in den Endteilen 18d, 2Od des Mantels 14d, und
zwar deshalb, weil das durch den Elektromagneten 28d erzeugte Magnetfeld an den Enden 64, 66 des Mantels 14d schwächer ist,
wie dies durch die gestrichelten Magnetfeldlinien 70 der Fig. 5 angedeutet ist. Die Wirbel und Gegenwirbel werden daher
am leichtesten in der Mittelzone 16d des Mantels 14d, weniger leicht in den Übergangszonen 22d, 24d und am leichtesten
in den Endzonen 18d, 20d end-festgelegt oder freigesetzt.
Die Anordnung gemäß Fig. 5 würde mit wenigen Unterschieden
ähnlich wie die Anordnung gemäß Fig. 1 arbeiten. Der Abkühlschritt
ist im wesentlichen der gleiche wie zuvor und die zwei oben erwähnten Elektromagnetfeldspulen wurden wahrscheinlich
benötigt werden. Während des stromverminderten
Löschschrittes jedoch würde das Elektromagnet- oder Solenoidfeld
erregt werden müssen. Andererseits würde der kritische End-Festlegungsstrom gleichzeitig überall entlang der Länge
des superleitenden Zylinders 14d erreicht werden und die beschriebenen Reservoirs aus Gegenwirbeln und Wirbeln in den
Übergangszonen 22d, 24d würden durch Auslöschung zerstört.
Wenn jedoch das Elektromagnetfeld erregt ist, so könnte die Vektorsumme aus der induzierten Stromdichte,erzeugt über den
Elektromagneten und der angelegten Longitudinalstromdichte, den kritischen End-Festlegungswert der Mittelzone übersteigen,
aber nicht in den Übergangs- und End-Zonen. Bei dieser Betriebsart würden sich die Wirbel und Gegenwirbel längs
schraubenlinienförmiger Pfade bewegen, wobei sich die Wirbel in einer Richtung und die Gegenwirbel in der entgegengesetzten
Richtung bewegen. Die Auslöschung würde wie zuvor auftreten, so daß sämtliche Wirbel und Gegenwirbel aus der Mittel zone
16d des Mantels 14d herausgebracht würden. Der Elektromagnet- oder Solenoidfeld-Manipulationsschritt konnte, wie unter Be-
- Vi, -
zugnahme auf Fig. 1 erläutert, ausgeführt werden, aber die Verwendung von sowohl dem Longitudinalstrom als auch dem
Solenoidfeld würde die Wirbel- und Gegenwirbelbewegung leichter induzieren.
Der Vorteil der Anordnung gemäß Fig. 5 wird relativ leicht bei der Herstellung der superleitenden Abschirmung realisiert,
da die Abschirmung in einfacher Weise eine gleichförmige Schicht aus Superleiter auf einem Normal-Metallzylinder
aufweist. Die Dicke "d" des Mantels 14d würde noch immer kleiner als d gegeben durch Gleichung (1) sein
max
müssen und größer als die jeweilige Minimumdicke, die erforderlich
ist, um die gewünschte Abschirmung gemäß Gleichung (3) zu ergeben. Der Nachteil besteht darin, daß man wesentlich
sorgfältiger sein müßte bei der Einstellung auf kleine Werte H([ und H.. , und man müßte auch sorgfältiger sein bei
der Einstellung des angelegten Stroms und des Magnetfeldes während des strominduzierten Auslöschungsschritts und des
Solenoidfeld-Manipulationsschritts.
Die oben beschriebenen Magnetabschirmanordnungen verwendeten Kreiszylinder. Gemäß der Erfindung könnten jedoch auch andere
hohle langgestreckte Formen verwendet werden und sollen auch durch den allgemeinen Gebrauch des Ausdrucks "Zylinder" mitabgedeckt
werden. Beispielsweise könnte die hohle langgestreckte Form oder der Zylinder der Magnetabschirmung einen
elliptischen Querschnitt besitzen. Bei dieser Anordnung müßten jedoch die Magnetfelder des Solenoiden derart angeordnet werden,
daß die asymmetrische Geometrie des elliptischen Zylinders berücksichtigt wird.
Nachdem nunmehr der Aufbau des erfindungsgemäßen superleitenden
Mantels beschrieben wurde, sei im folgenden ein Verfahren erläutert, am das Magnetfeld innerhalb des Mantels
- yi -
zu vermindern.
Der superleitende zylindrische Mantel 14 wird durch seine
superleitende Übergangstemperatur in Anwesenheit eines Umgebungsmagnetfeldes
H abgekühlt, wobei die Hauptquelle dieses Umgebungsmagnetfeldes das Erdmagnetfeld ist, dessen Größe
in der Größenordnung von 1 gauss liegt. Es kann jedoch zweckmäßig sein, den superleitenden Mantel in Verbindung mit
einer üblichen Mu-Metal!abschirmung zu verwenden, wobei in
diesem Falle die Größe des Magnetfeldes H in der Größenordnung von 10 gauss liegt. Die Größenordnungen der Komponenten
des Magnetfeldes H parallel und senkrecht zur Längsachse des superleitenden Mantels werden mit H bzw. H ι bezeichnet.
Nach dem Abkühlen ist das Magnetfeld H in der Form einer Verteilung von sowohl Wirbel als auch Gegenv/irbel in
der superleitenden Mantelwand eingefangen, und auch in einer Anzahl von longitudinalen Magnetflußquanten (jedes trägt
ein Magnetfluß φ~ = 2,07 χ 10 gauss-cm2), die in das
Innere der Mittelzone des zylindrischen Mantels eindringen. Während des Abkühlens sollten die Werte von H ,ι ,aemittelt
'I " ob. über das obere und untere Ende der Mittel zone 16 (H,, bzw.
UWf- c I01
H ) kleiner sein als die entsprechenden Werte von H1(H,
bzw. H ) . Insbesondere müssen die Verhältnisse H,, /H «'''"und
* der folgenden Ungleichung genügen:
VH± °'64 fLt/R' (2)
dabei ist f der Anteil der Wirbel und Gegenwirbel, die in
jeder Übergangszone eingefangen sind, die in bequemer Weise end-festgelegt werden können und zum entgegengesetzten
Ende der Mittelzone bewegt werden können, und zwar während des Solenoidfeld-Manipulationsschritts (der im folgenden beschrieben
wird). Ein typischer Wert für Γ ist 0,1. Das Symbol L bezeichnet die Länge jeder der Ubergangszonen und R
bezeichnet den Innenradius des superleitenden Mantels. Die obige Ungleichung (2) garantiert, daß nach dem strominduzierten
Auslöschschritt ein hinreichend großes Reservoir von leicht beweglichen Wirbeln oder Gegenwirbeln in den
Ubergangszonen vorhanden ist, um die eingefangenen longitudinalen
Magnetflußquanten während des Solenoidfeld-Manipulationsschritts
auszulöschen.
Um sowohl H,, als auch H hinreichend klein zu machen, so
daß obige Ungleichung (2) erfüllt wird, werden zwei koaxiale Solenoidfeidspulen oder Wicklungen (in den Figuren
nicht gezeigt) derart angeordnet, daß sie das obere und untere Ende der Mittelzone des Mantels 14 umgeben.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sei darauf hingewiesen, daß symmetrische elektrische Leiter (in der Figur nicht gezeigt)
mit beiden Enden des superleitenden Mantels 14 verbunden sind, und ein elektrischer Gleichstrom ist an den
Mantel angelegt, um durch die Längserstreckung desselben zu laufen. Die Größe des angelegten Stroms wird hinreichend
groß derart eingestellt, daß der elektrische Strom in der mittleren niedrig-festlegenden Zone 16 etwas größer ist als
der kritische End-Festlegungsstrom dort. Andererseits sollte
dieser Strom nicht den kritischen End-Festlegungsstrom in der einen oder anderen Endzone oder irgendeinen merklichen
Teil der Übergangszone übersteigen. Sämtliche in der Mittelzone 16 eingefangenen Magnetflußquanten werden in die Umfangsbewegung
um die Mittelzone 16 des Mantels 14 herumgetrieben, und zwar mit Geschwindigkeiten die typischerweise
1 cm/sec übersteigen. Die end-festgelegten Flußquanten werden sich in nahezu kreisförmigen Pfaden um den Umfang der
Zone 16 herum bewegen wobei sich die Wirbel in einer Richtung und die Gegenwirbel in der entgegengesetzten Richtung
bewegen. Während aLes.es Schrittes werden nahezu sämtliche
Wirbel sich mit den Gegenwirbeln (die beide in gleicher Anzahl vorhanden sind) auslöschen, wodurch die Mittelzone
des Mantels 14 nahezu von eingefangenen Magnetflußquanten
frei gelassen wird. Nach ungefähr 10 see Dauer wird der Strom abgeschaltet.
Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß während dieses Schritts das an der Außenoberfläche der Mittelzone 16 des superleitenden
Mantels erzeugte Selbstmagnetfeld stets kleiner gehalten wird als entweder das untere kritische Feld H Λ des
c 1
Superleiters (wenn der Mantel 14 ein Type II-Superleiter
ist), oder als das kritische thermodynamisch^ Massenfeld H
(wenn der Mantel 14 ein Type I-Superleiter ist). Anderenfalls
können neue magnetische Flußguanten an der Oberfläche des Mantels 14 der Kernbildung ausgesetzt sein und in das Innere
der magnetischen Abschirmanordnung 10 eindringen. Beispielsweise beträgt das Selbstfeld an der Oberfläche, erzeugt
durch einen Strom der durchschnittlichen Dichte von 2 χ
2 Ampere/cm2 durch eine Mittelzone der Dicke 0,5 μΐη (was
Ampere/cm Umfang der Zone 16 entspricht) 126 gauss, was kleiner
ist als ein Zehntel des Werts des unteren kritischen Feldes H1 =1,4x10 gauss von reinem Niob (einem Type II-Superleiter)
bei einer Temperatur von 4,2K.
Diese Begrenzung hinsichtlich des Magnetfelds während des strominduzierten Auslöschschrittes, wird auch durch die
Konstruktion des Mantels 14 reflektiert. Die Dicke des Mantels 14 muß derart begrenzt sein, daß sowohl das magnetische
Selbstfeld, erzeugt an der Außenoberfläche des superieitenden Mantels 14, während des strominduzierten Löschschritts, als
auch das Magnetfeld, angelegt an diese Oberfläche, während des Solenoidfeld-Manipulationsschritts (im folgenden zu
beschreiben) stets kleiner sind als entweder das untere kritische Feld H .. eines Type ll-Superleiterι; oder da^
-Yt-
kritische thermodynamische Massenfeld H eines Type I-Superleiters.
Die den erfolgreichen Betrieb der Abschirmung gestattende Maximaldicke beträgt:
dmax = 8f0 um (Hmax/Jc), (1)
wobei H das größte zulässige Feld an der Oberfläche (H ,
max ^ ^ 3 el
oder H ),ausgedrückt in Einheiten von 10 gauss, ist und
J ist die Stromdichte, die erforderlich ist, um die am starrsten festgelegten Wirbel oder Antiwirbel, ausgedrückt
in Einheiten von 10 Ampere/cm2, end-festzulegen oder zu
lösen. Somit ist H = 1 ,4, "j = 2 und als Gleichung (1)
ΙΓΪΟ.Χ C
ergibt sich für dieses Beispiel d =5,6 μΐη. Wenn die
max
Gleichung (1) erfüllt werden soll, so ist es wichtig, daß keine Nadellöcher oder ähnliche Schäden in der zentralen
Superleiterzone 16 vorhanden sind. Schäden dieser Art würden den kritischen End-Festlegungsstrom für diese Wirbel und
Gegenwirbel, eingefangen in den Defekten, stark vergrößern.
Am Ende des strominduzierten Auslöschungsschrittes ist es möglich, daß einige wenige Wirbel und Gegenwirbelpfade verbleiben,
die sich nicht miteinander schneiden und infolgedessen nicht ausgelöscht werden. Eine weitere Verminderung
des innerhalb der Mittelzone 16 verbleibenden Feldes wird durch die Verwendung eines Koaxial-Solenoids 28 erreicht,
der den superleitenden Mantel 14 umgibt. Die Länge des Solenoiden 28 ist nicht kritisch,muß aber etwas länger sein
als die Mittelzone 16, um so Randeffekte in dieser Zone,
d.h. nicht-förmige Verteilung von magnetischen Kraftlinien,
zu vermeiden. An diesem Punkt wird der koaxiale Solenoid 28 erregt, was ein longitudinal gerichtetes Magnetfeld aufbaut,
und zwar außerhalb und parallel zum Zylindermantel 14.
Infolge des Meissner Effekts werden umfangsmäßig gerichtete
(Azimuthaie) Ströme in dem superleitenden zylindrischen Mantel 14 induziert. Das an Zone 16 angelegte Magnetfeld
wird konstant und gleichförmig gehalten, so daß die in dieser Zone induzierten Ströme gleichförmig sind. Die Amperewindungen
des Solenoids werden derart gewählt, daß der induzierte Strom in dem superleitenden Mantel 14 etwas
größer ist als der kritische End-Festlegungstrom in der mittleren eine niedrige Festlegung aufweisenden Zone 16.
Andererseits sollte der induzierte Strom den kritischen End-Festlegungsstrom in der einen oder anderen Endzone oder
irgend einem merklichen Teil der Ubergangszonen nicht übersteigen.
Das in Längsrichtung gerichtete Magnetfeld läßt zwar die Wirbel und Gegenwirbel,eingefangen in den Endzonen
und Übergangszonen, größtenteils unbeeinflußt, bewirkt,aber
daß jedwede Wirbel und Gegenwirbel, die in der mittleren eine niedrige Festlegung besitzenden Zone verbleiben,
sich zu entgegengesetzten Enden dieser Zone hinbewegen. Nach ungefähr 60 see. Dauer wird der Elektromagnetstrom
abgeschaltet.
Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß während dieses Schritts das über den Solenoid 28 an die Außenoberfläche
der Mittelzone 16 des superleitenden Mantels angelegte Feld stets kleiner als H Λ oder H gehalten wird. Andernfalls
el c
können neue magnetische Flußquanten an der Oberfläche zur Kernbildung neigen und in das Innere der Magnetabschirmanordnung
10 eindringen. Das folgende Beispiel sei gegeben: Wenn man ein Feld von 126 gauss an die Außenoberfläche der
Mittelzone der Dicke 0,5 um anlegt, so wird eine azimuthale
durchschnittliche Stromdichte von 2 χ 10 Ampere/cm2 (oder
2
ein Strom von 10 Ampere/cm Zylinderlänge) induziert. Dieses Feld ist weniger als ein Zehntel des Werts des unteren kritischen Felds H1 = 1,4 χ 10 gauss von reinem Niob bei 4,2K.
ein Strom von 10 Ampere/cm Zylinderlänge) induziert. Dieses Feld ist weniger als ein Zehntel des Werts des unteren kritischen Felds H1 = 1,4 χ 10 gauss von reinem Niob bei 4,2K.
Um die Notwendigkeit weiterer Wiederholugen des oben beschriebenen
Verfahrens zu bewerten, wird die Größe und Richtung des longitudinal orientierten magnetischen Remanenzfeldes
des Mantels 14 mit einem magnetischen Fludetektor überwacht, der bis hinab zu einem Pegel eines einzigen Flußquantums
φ~ = 2,07 χ 10 gauss/cm2 empfindlich ist.
Beispielsweise ist für diese Messung ein SQUID (superconducting quantum interference device) Detektor geeignet,
der mit einer superleitenden Spule in Verbindung steht, die um 180° verdrehbar ist. Nach einem einzigen Anlegen des SoIenoidfeldes
ist es wahrscheinlich, daß das gemessene Magnetfeld ein berechnetes theoretisches Minimalfeld, basierend
auf der Annahme, daß keine Longitudinalflußquanten innerhalb der Mittelzone 16 eingefangen sind, übersteigt. Weil die Kombination
aus dem strominduzierten Auslöschschritt und dem ersten Anlegen des Solenoidfeldes sämtliche Wirbel und Gegenwirbel
aus den Wandteilen des Mantels 14, angeordnet in der Mittelzone 16, entfernt, hat das in dem umschlossenen
Volumen der Zone 16 verbleibende Feld eine vernachlässigbar kleine Komponente senkrecht zur Zylinderachse. Der Wert der
Komponente des Magnetflußes, gerichtet nach oben längs der
Zylinderachse ist jedoch gleich dem Produkt aus X_ (das
Quantum des Magnetflußes) und der Nettozahl von nach oben gerichteter Flußquanten, die in das Volumen eingeschlossen
in der Mittelzone 16 eindringen. Die Anzahl der in dieses Volumen eindringenden Flußquanten kann nunmehr dadurch auf Null
reduziert werden, daß man eine entsprechende Anzahl von Wirbeln und Gegenwirbeln aus der Speicherung in einer Übergangszone
an einem Ende der Mittelzone 16 zur Übergangszone am entgegengesetzten Ende der Mittelzone 16 bewegt.
Die Nettoanzahl der in das innerhalb der Mittelzone 16 eingeschlossene Volumen eindringenden und sich in Richtung
des Pfeils 30 erstreckenden Flußquanten steigt um 1 jedesmal dann an, wenn sich ein Einzelwirbel von der Übergangs zone
24 zur Übergangszone 22 bewegt, oder wenn ein Einzelgegenwirbel sich von der Übergangszone 22 zur Übergangszone 24
bewegt. Diese Bewegung von Wirbeln und Gegenwirbeln kann dadurch hervorgerufen werden, daß man ein Längs- oder Longitu-
dinalsolenoidfeld (mit einer durch Pfeil 30 in Fig. 1
angezeigten Richtung) von solcher Größe anlegt, daß der
induzierte Azimuthal-Strom den kritischen End-Festlegungsstrom
in den Übergangszonen übersteigt. In ähnlicher Weise
nimmt die Nettoanzahl der das innerhalb Mittel zone 16 eingeschlossene
Volumen eindringenden Flußquanten um 1 jedesmal dann ab, wenn sich ein Einzelwirbel (vortex) von der Überzonge
22 zur Übergangszone 24 bewegt, oder dann, wenn sich ein Einzel-Gegen-Wirbel (antivortex) von Übergangszone 24 zu
Übergangszone 22 bewegt. Solche Bewegungen der Wirbel oder Gegenwirbel können durch Anlegen eines Solenoidfeldes
(mit einer durch Pfeil 32 in Fig. 1 angegebenen Richtung) von solcher Größenordnung hervorgerufen werden, daß der induzierte
Azimuthai-Strom den kritischen End-Festlegungsstrom
in den Übergangszonen übersteigt.
Eine Wiederholung des Solenoidfeld-Manipulationsschritts
wird nunmehr ausgeführt, wobei Größe und Richtung des angelegten Solenoidfeldes derart gewählt werden, daß die Anzahl
der end-festgelegten Wirbel oder Gegenwirbel und ihre Bewegungsrichtung
zu einer Verminderung der Anzahl der Flußquanten- führt, die in das Loch hineindringen. Ära Ende
dieser Wiederholung wird Größe und Richtung des verbleibenden Magnetflußes wiederum gemessen und die Notwendigkeit
einer zusätzlichen Wiederholung wird bewertet. Solche Wiederholungen werden solange vorgenommen, bis die Anzahl der
Längsflußguanten, die in das Innere der Zone 16 hineindringen,
auf Null vermindert ist.
Um die Zeit zu vermindern, die für die Wiederholung zum gewünschten
Null-Quantumzustand der Mittelzone erforderlich ist, kann es zweckmäßig sein, gleichzeitig den Längsmagnetfluß
zu überwachen, während die Solenoidfeidwerte geändert
werden. Es ist ferner möglich, eine Rückkopplungsschaltung zu verwenden, um den Null-Quantumzustand automatisch während
des Solenoidfeld-Manipulationsschritts zu erreichen.
- 21* -
3b
Um die Wirbel- und Gegenwirbelbewegung leichter zu induzieren, kann es ferner zweckmäßig sein, einen Längsstrom
während der Solenoidfeld-Manipulationsfeldschritt-Wiederholungen anzulegen.
Wenn die Anzahl der Längsmagnetflußquanten,eingefangen im
Inneren der Mittelzone 16, auf Null vermindert ist, so nähert sich die verbleibende sich längs der Achse des Mantels
14 erstreckende Magnetfeldkomponente Hindern folgenden theoretisch
berechneten Wert:
H = H,, (2K/R)e~ä/l, (3)
dabei ist K «.· die Parallelkomponente des Magnetfeldes, angelegt
an der Außenseite des Mantels,Λ ist die Schwachfeld-Eindringtiefe
entsprechend dem verwendeten Superleiter, R ist der Innenradius der Mittelzone und d ist die Superleiterwanddicke
der Mittelzone 16. Wenn eine einzige Mu-Metallabschirmung
verwendet wird, so ist H .. typischerweise
-13 ''
2x10 gauss. Beispielsweise ist für eine Niob-Abschirmung
mit Jl = 500 A, R = 2,5 cm und d = 5000 A der sich ergebende
Wert des internen Parallelfelds aus Gleichung (3) H. ii =
~13 ' '
4x10 gauss.
Das verbleibende Magnetfeld senkrecht zur Achse des Mantels 14 und innen gegenüber der Mittelzone 16 kann aus dem
folgenden theoretischen Ausdruck abgeschätzt werden:
H. , = 1,32 H , e""0'92 VR , (4)
dabei ist H , die senkrechte Komponente des angelegten Magnet-
°-1
feldes, das in den Endzonen unter einem Teil der Ubergangszonen
22, 24 eingefangen ist,
L1 ist die Länge der Mittelzone 16 und R ist der Innenradius
-3
der Mittelzone 16. Wenn beispielsweise H 2 c 10 gauss ist,
L. = 40 cm und R = 2,5 cm, so ist der sich ergebende Wert
des internen senkrechten Feldes aus Gleichung (4) H. ι = 1,1 χ
10 gauss.
Obwohl in Fig. 1 der Zylinder 12 innerhalb des superleitenden Mantels 14 liegend dargestellt ist, so könnte dieser
doch auch außerhalb des Mantels 14 liegen oder eingesetzte sich gleicherstreckende Zylinder aufweisen, zwischen denen
der Mantel 14 eingesetzt ist. Bei jeder Anordnung sieht der Zylinder 12 die mechanische Stützung für den superleitenden
Mantel 14 vor.
Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorsehen einer magnetischen Abschirmung um ein Arbeitsvolumen herum
vorgesehen. Die Vorrichtung weist einen hohlen langgestreckten superleitenden Mantel oder Zylinder auf, und zwar mit einem
langgestreckten Mittelteil mit niedriger magnetischer Festlegung und mit zwei Endzonen, die eine hohe magnetische
Festlegung aufweisen. Übergangsteile aus sich ändernden magnetischen Festlegungseigenschaften sind zwischen den Mittel-
und Endteilen vorgesehen. Die Vorrichtung weist ferner einen Elektromagneten auf, und zwar sich im wesentlich
gleich erstreckend mit und über dem superleitenden Zylinder liegend, um so magnetisch damit gekoppelt zu sein.
Das Verfahren sieht folgende Schritte vor: Hindurchleiten eines in Längsrichtung gerichteten Strains
durch den superleitenden Zylinder, um so magnetische Reservoirs, eingefangen im Zylinder, zu lösen oder end-festzulegen.
Als nächstes wird ein umfangsmäßig gerichteter Strom durch den Zylinder geleitet, während der in Längsrichtung
gerichtete Strom aufrechterhalten bleibt. Die gelösten magnetischen Reservoirs werden zu den Endteilen
des Zylinders bewegt, wo sie eingefangen werden.
Claims (19)
1.} Vorrichtung zur Erzeugung einer magnetischen Abschir-
g um ein Ärbeitsvolumen herum, dadurch gekennzeichnet , daß ein erster Zylinder (14) aus superleitendem
Material das Arbeitsvolumen ergibt, daß der erste Zylinder (14) eine Achse, einen Umfang, einen Mittelteil
(16) von vorbestimmten magnetischen Festlegeigenschaften, Endteile (18, 20) von höheren magnetischen Festlegeigenschaften
und Übergangszonen (22, 24) zwischen den Mittel- und Endteilen aufweist, wobei die Übergangszonen eine
vorbestimmte Länge und magnetische Festlegeigenschaften aufweisen,
die sich monoton entlang der Länge der Übergangszonen verändern, und ferner dadurch gekennzeichnet,
daß erste Stromerzeugungsmittel (28) urnf angsmäßig
gerichtete Ströme in dem ersten Zylinder erzeugen, und daß zweite Strommittel (12) axial gerichtete Ströme in dem ersten
Zylinder erzeugen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten Strommittel elektrische
Solenoidmittel aufweisen, die magnetisch mit den Übergangszonen des ersten Zylinders gekoppelt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die zweiten Strommittel
Mittel aufweisen, um die Endteile des ersten Zylinders mit einer ersten externen elektrischen Schaltung zu verbinden.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zweiten Strommittel
einen zweiten elektrisch leitenden Zylinder aufweisen, und zwar angeordnet innerhalb des ersten Zylinders in elektrischer
Verbindung damit.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweiten Strommittel Mittel aufweisen, um einen ersten und einen zweiten Endteil
des zweiten elektrisch leitenden Zylinders mit einer ersten externen elektrischen Schaltung zu verbinden.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Mittelteil des ersten
Zylinders einen vorbestimmten kritischen magnetischen End-Festlegungsstrom besitzt, und daß die ersten Strommittel einen
Strom erzeugen, der den kritischen magnetischen End-Festlegungsstrom übersteigt.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet , daß die zweiten Strommittel
einen Strom erzeugen, der den vorbestimmten kritischen magnetischen
End-Festlegungsstrom übersteigt.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet , daß Mittel vorgesehen sind, um die Richtung des Stromflußes der ersten Streumittel umzukehren
.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch Mittel zum Umkehren der Stromflußrichtung der zweiten Strommittel.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Übergangszonen überlappende
erste und zweite Schichten aus sich ändernde Dicken aufweisenden magnetischen Festlegmaterialien besitzen,
wobei diese Materialien unterschiedliche magnetische Festlegeigenschaften
aufweisen.
11. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Übergangszonen
ein Übergangsmaterial aufweisen, welches im wesentlichen gleichförmige magnetische Festlegeigenschaften besitzt und
eine sich ändernde Dicke über ihre Länge hinweg.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Zylinder jeweils erste und zweite Enden von verminderten
bzw. vergrößerten Umfangsabmessungen aufweisen.
13= Verfahren zur Erzeugung eines ultra-niedrigen magnetischen
Feldes in einer superleitenden magnetischen Abschirm-
vorrichtung, die folgendes aufweist: einen ersten Zylinder (14) aus superleitendem Material mit einer Achse, einem
Umfang, einem Mittelteil (16) von vorbestimmten magnetischen Festlegeigenschaften, Endteilen (18, 20) von höheren magnetischen
Festlegeigenschaften und Übergangszonen (22, 24), angeordnet
zwischen den Mittel- und Endteilen, wobei die Übergangszonen vorbestimmte Länge und magnetische Festlegeigenschaften
besitzen, die sich monoton längs der Länge der Übergangszonen ändern, dadurch gekennzeichnet,
daß ein axial gerichteter Strom durch den ersten Zylinder (14) geleitet wird, um so in dem Mittelteil (16) des ersten Zylinder
eingefangene magnetische Wirbel und Gegenwirbel zu lösen •und gegenseitig zu löschen, wobei ferner umfangsmäßig gerichtete
Ströme durch die Mittelzone (16) des ersten Zylinders (14) geleitet werden, um so in dem Zylinder (14) eingefangene
magnetische Wirbel und Gegenwirbel zu lösen, und wobei ferner die gelösten oder end-festgelegten Wirbel und Gegenwirbel
in entgegengesetzten Axialrichtungen bewegt werden, um so die gegenseitige Auslöschung der Wirbel und Gegenwirbel zu bewirken
.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Hindurchleitens
eines axial gerichteten Stromes in dem ersten Zylinder den Schritt des Hindurchleitens eines elektrischen
Stromes durch einen zweiten elektrisch leitenden Zylinder umfaßt, der innerhalb und koextensiv mit dem ersten Zylinder
angeordnet ist, um so in elektrischer Verbindung damit zu sein.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Schritt des Hindurchleitens
umfangsmäßig gerichteter Ströme durch den ersten Zylinder den Schritt der Erregung eines koaxialen Solenoiden umfaßt,
der im wesentlichen koextensiv mit dem ersten Zylinder ist und diesen umgibt, um so ein axial gerichtetes magne-
tisches Feld da hindurch zu erzeugen.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach-Anspruch 13/ gekennzeichnet
durch den Schritt des Änderns der ersten Strommitte derart, daß die Flußrichtung der umfangsmäßig gerichteten
Ströme umgekehrt wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch den Schritt des Änderns der zweiten
Strommittel derart, daß die Flußrichtung der axial gerichteten Ströme in dem ersten Zylinder umgekehrt wird.
18.· Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 17, gekennzeichnet
durch eine Wiederholung der Schritte des ümkehrens der Flußrichtung der Längs- und ümfangs-Ströme
derart, um die Wirbel und Gegenwirbel in den Übergangszonen
des Zylinders freizusetzen, um so jedwede verbleibenden
Wirbel und Gegenwirbel, eingefangen in dem Mittelteil, des ersten Zylinders freizusetzen, und zwar so lange, bis die
Anzahl der longitudinalen Flußquanten, die durch das Innere
des ersten Zylinders reichen oder eindringen, auf Null reduziert ist und der Mittelteil des ersten Zylinders frei von
eingefangenen Wirbeln und Gegenwirbeln ist.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 13, dadurch g e k
ennzeichnet, daß der erste Zylinder in Anwensenheit eines äußeren axial gerichteten Magnetfeldes abgekühlt
wird, um so axial gerichteten Magnetfluß, der durch die Enden der Mittelzone des ersten Zylinders dringt, auszulöschen, und
um so Reservoirs aus Wirbeln und Gegenwirbeln in den Übergangszonen des ersten Zylinders zu schaffen.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US06/396,556 US4409579A (en) | 1982-07-09 | 1982-07-09 | Superconducting magnetic shielding apparatus and method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3324872A1 true DE3324872A1 (de) | 1984-01-12 |
Family
ID=23567705
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19833324872 Withdrawn DE3324872A1 (de) | 1982-07-09 | 1983-07-09 | Superleitende magnetische abschirmvorrichtung |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4409579A (de) |
JP (1) | JPS5923580A (de) |
CA (1) | CA1202685A (de) |
DE (1) | DE3324872A1 (de) |
FR (1) | FR2530112B1 (de) |
GB (1) | GB2123639B (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2016119963A1 (de) * | 2015-01-28 | 2016-08-04 | Fraba B.V. | Magnet-basiertes drehwinkelmesssystem |
US10288450B2 (en) | 2015-01-28 | 2019-05-14 | Fraba B.V. | Magnet-based angular displacement measuring system |
Families Citing this family (24)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3333755A1 (de) * | 1983-09-19 | 1985-04-18 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Magneteinrichtung einer anlage der kernspin-tomographie mit einer abschirmvorrichtung |
US4587504A (en) * | 1983-11-11 | 1986-05-06 | Oxford Magnet Technology Limited | Magnet assembly for use in NMR apparatus |
USRE36782E (en) * | 1983-11-11 | 2000-07-18 | Oxford Medical Limited | Magnet assembly for use in NMR apparatus |
GB8332177D0 (en) * | 1983-12-01 | 1984-01-11 | Oxford Magnet Tech | Magnet system |
US4646046A (en) * | 1984-11-21 | 1987-02-24 | General Electric Company | Shielded room construction for containment of fringe magnetic fields |
US4646045A (en) * | 1985-03-25 | 1987-02-24 | General Electric Company | Aperture sized disc shaped end caps of a ferromagnetic shield for magnetic resonance magnets |
US4783628A (en) * | 1987-08-14 | 1988-11-08 | Houston Area Research Center | Unitary superconducting electromagnet |
JP2670052B2 (ja) * | 1987-08-24 | 1997-10-29 | 株式会社日立製作所 | エネルギー取り出し装置 |
JPS6460911A (en) * | 1987-09-01 | 1989-03-08 | Mitsubishi Electric Corp | Conductor |
US5081071A (en) * | 1988-04-05 | 1992-01-14 | Biomagnetic Technologies, Inc. | Magnetically shielded enclosure |
NL8801162A (nl) * | 1988-05-04 | 1989-12-01 | Philips Nv | Supergeleidend magneetstelsel met supergeleidende cylinders. |
JPH0687447B2 (ja) * | 1988-07-27 | 1994-11-02 | 三菱電機株式会社 | 超電導マグネツト装置 |
US5373275A (en) * | 1989-10-23 | 1994-12-13 | Nippon Steel Corporation | Superconducting magnetic shield and process for preparing the same |
US5466885A (en) * | 1990-09-27 | 1995-11-14 | Furukawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha | Magnetically shielding structure |
US5113163A (en) * | 1990-11-13 | 1992-05-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Adjustable magnetic field superconducting solenoid |
JPH04359626A (ja) * | 1991-06-04 | 1992-12-11 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | 限流装置 |
US5276419A (en) * | 1992-02-18 | 1994-01-04 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Air-code magnetic flux guide |
US5298679A (en) * | 1992-07-01 | 1994-03-29 | Westinghouse Electric Corp. | Current lead for cryostat using composite high temperature superconductors |
US5543770A (en) * | 1992-09-11 | 1996-08-06 | Nippon Steel Corporation | Apparatus for generating uniform and parallel magnetic field, the intensity of which is variable |
WO2009052635A1 (en) * | 2007-10-22 | 2009-04-30 | D-Wave Systems Inc. | Systems, methods, and apparatus for superconducting magnetic shielding |
WO2009055930A1 (en) * | 2007-10-31 | 2009-05-07 | D-Wave Systems Inc. | Systems, methods, and apparatus for combined superconducting magnetic shielding and radiation shielding |
DE102012215370B4 (de) * | 2012-08-30 | 2016-10-13 | Siemens Healthcare Gmbh | Magnetische Abschirmung für MR-Magnet |
CN105548933B (zh) * | 2015-12-10 | 2019-05-31 | 清华大学 | 恒定磁场测量仪器的分辨率检测系统和时变磁场屏蔽装置 |
US10755190B2 (en) | 2015-12-21 | 2020-08-25 | D-Wave Systems Inc. | Method of fabricating an electrical filter for use with superconducting-based computing systems |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3201765A (en) * | 1963-08-16 | 1965-08-17 | Rca Corp | Apparatus without moving parts, for moving a storage area along a storage medium |
DE1640750B1 (de) * | 1967-12-20 | 1971-04-22 | Siemens Ag | Supraleitendes wechselstromkabel |
DE1962704B2 (de) * | 1969-12-13 | 1973-02-15 | Siemens AG, 1000 Berlin u 8000 München | Supraleitfaehige schaltstrecke fuer starkstrom |
US3801942A (en) * | 1972-03-27 | 1974-04-02 | Siemens Ag | Electric magnet with superconductive windings |
-
1982
- 1982-07-09 US US06/396,556 patent/US4409579A/en not_active Expired - Fee Related
-
1983
- 1983-06-01 GB GB08315005A patent/GB2123639B/en not_active Expired
- 1983-06-02 CA CA000429513A patent/CA1202685A/en not_active Expired
- 1983-07-08 FR FR8311438A patent/FR2530112B1/fr not_active Expired
- 1983-07-08 JP JP58124589A patent/JPS5923580A/ja active Granted
- 1983-07-09 DE DE19833324872 patent/DE3324872A1/de not_active Withdrawn
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 23, No. 7B, December 1980, S. 3424 und 3425 * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2016119963A1 (de) * | 2015-01-28 | 2016-08-04 | Fraba B.V. | Magnet-basiertes drehwinkelmesssystem |
CN107209231A (zh) * | 2015-01-28 | 2017-09-26 | 弗瑞柏私人有限公司 | 基于磁体的转角测量系统 |
US10288450B2 (en) | 2015-01-28 | 2019-05-14 | Fraba B.V. | Magnet-based angular displacement measuring system |
US10605624B2 (en) | 2015-01-28 | 2020-03-31 | Fraba B.V. | Magnet-based angular displacement measuring system |
CN107209231B (zh) * | 2015-01-28 | 2021-01-12 | 弗瑞柏私人有限公司 | 基于磁体的转角测量系统 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US4409579A (en) | 1983-10-11 |
JPH0433149B2 (de) | 1992-06-02 |
FR2530112A1 (fr) | 1984-01-13 |
GB2123639A (en) | 1984-02-01 |
FR2530112B1 (fr) | 1986-09-19 |
JPS5923580A (ja) | 1984-02-07 |
GB2123639B (en) | 1986-01-22 |
CA1202685A (en) | 1986-04-01 |
GB8315005D0 (en) | 1983-07-06 |
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