DE3505281A1 - Magnetfelderzeugende einrichtung - Google Patents
Magnetfelderzeugende einrichtungInfo
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Description
Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VPA 85 P 3 0 5 6 DE
Magnetfelderzeugende Einrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit räumlich vorgegebenem
Feldverlauf in einem Nutzvolumen, welche mit den FeIdverlauf beeinflussenden Körpern aus ferromagnetischem
Material versehen ist. Eine derartige Einrichtung geht z.B. aus der DE-OS 25 26 845 hervor.
In Einrichtungen, mit denen Magnetfelder zu erzeugen sind, ist häufig ein räumlich vorgegebener Feldverlauf
in einem Nutzvolumen mit nur geringen Abweichungen einzuhalten. Dies trifft z.B. für Teilchenbeschleuniger-Anlagen
zu, bei denen Ablenkeinrichtungen für geladene Teilchen wie z.B. Elektronen aufgrund ihrer gekrümmten
Teilchenbahnen entsprechend gekrümmte Dipolmagnete aufweisen (vgl. z.B. "IEEE Transactions on Nuclear
Science", vol. NS-30, no. 4, August 1983, Seiten 2531 bis 2533). Der vorgegebene Feldverlauf wird dabei im
allgemeinen durch geeignete Formgebung und Dimensionierung der stromdurchflossenen Wicklungen oder auch durch
ferromagnetische Polschuhe erzeugt.
Bei niedrigen Magnetfeldstärken oder bei hohen Feldänderungsgeschwindigkeiten
kann eine Reihe von feldverzerrenden Störquellen Bedeutung gewinnen, so daß
dann die einzuhaltenden Feldfehlerschranken gegebenenfalls überschritten werden. So ist als Ursache unerwünschter
Feldverzerrungen an externe Feldstörungen wie z.B. das Erdfeld oder magnetisierte Objekte zu denken.
Daneben können auch Wirbelströme in metallischen Teilen des Magneten selbst bzw. in dem Leiter zu entsprechenden
SIm 2 Hag / 13.2.1985
·<■
-/- VPA 85 P 3 0 5 6 DE
Störungen führen. Auch supraleitende Abschirmströme in
den Filamenten einer supraleitenden Wicklung oder die Restmagnetisierung in einem Eisenjoch stellen derartige
Störquellen dar. Schließlich können auch die Felder von magnetisierbaren, d.h. para-, ferri- bzw. ferromagnetischen
Teilen einer Magneteinrichtung Ursache für Feldverzerrungen sein.
Zur Kompensation derartiger Feldverzerrungen lassen sich beispielsweise stromgespeiste Kompensationswicklungen
vorsehen, die vielfach als Satz zylindrischer Multipolspulen um das vorbestimmte Nutzvolumen angebracht
werden. Diese Spulen werden von Netzgeräten so gespeist, daß der vorher gemessene Feldfehler im Betrieb
kompensiert wird. So ist z.B. eine Sextupolkorrekturspule in einem supraleitenden Ablenkmagneten
aus der Veröffentlichung "Proc. 1972 Applied Supercond.
Conf.", Annapolis (USA), Seiten 293 bis 299 bekannt.
Auch bei der aus der Veröffentlichung "Proc. 8th Int.
Particle Accel. Conf.", CERN, 1972, Seiten 177 bis 182 ist die Kompensation von Feldverzerrungen bei einer
supraleitenden, kurzgeschlossenen Multipolspule vorgesehen. Hierzu induziert der unerwünschte Multipolfehler
beim Hochfahren des Magnetfeldes selbsttätig den für eine Kompensationsspule benötigten Spulenstrom,
welcher dann diese Komponente im Nutzvolumen weitgehend kompensiert. Dabei ist jedoch für jeden MuItipol eine
getrennte Spule erforderlich.
Aus der eingangs genannten DE-OS ist eine Magneteinrichtung zur Erzeugung inhomogener Magnetfelder bekannt,
wie sie z.B. für magnetische Erzscheider zu verwenden ist. Diese Magneteinrichtung weist supralei-
si- VPA 85 P 3 0 5 6 DE
tende Magnetspulen auf, um die vom Produkt B · grad B
abhängigen Kräfte auf die abzuscheidenden Teilchen hervorzurufen. Um ein möglichst hohes Produkt
B <» grad B zu erzeugen, sind bei der bekannten Einrichtung
in Zonen mit höherer Feldstärke Körper aus ferromagnetischem Material vorgesehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine magnetfelderzeugende Einrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei der auf einfache Weise in einem Nutzvolumen ein räumlich vorgegebener Feldverlauf mit
nur geringen Feldfehlern zu gewährleisten ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
außerhalb und auf gegenüberliegenden Seiten des Nutzvolumens jeweils mindestens ein dünner plattenförmiger
Körper vorbestimmter geometrischer Ausdehnung aus einem Material mit hoher Permeabilität vorgesehen ist, dessen
dem Nutzvolumen zugewandte Oberfläche so geformt und angeordnet ist, daß diese auf einer magnetischen
Äquipotentialfläche des in dem Nutzvolumen zu erzeugenden Magnetfeldes zu liegen kommt.
Die mit dieser Ausgestaltung der magnetfelderzeugenden
Einrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß magnetische Störfeldflüsse innerhalb
der plattenförmigen Körper ausgeglichen werden und nur noch der das Nutzvolumen durchsetzende Gesamtfluß
von den außerhalb des Nutzvolumens anzuordnenden magnetfelderzeugenden Einrichtungen vorgegeben ist. Die
Ausdehnung der plattenförmigen Körper wird dabei in Abhängigkeit von den räumlichen Gegebenheiten zweckmäßigerweise
so groß gewählt, daß von den Rändern her Störfelder nur noch stark gedämpft in das Nutzvolumen
durchgreifen können.
-Jf- VPA 85 P 30 56 DE
Der Einfluß derartiger Störfelder auf das in dem Nutzvolumen
zu erzeugende Magnetfeld kann insbesondere bei Verwendung von supraleitenden Magneten vorteilhaft dadurch
unterbunden werden, daß außerhalb und auf gegenüberliegenden Seiten des Nutzvolumens jeweils eine
flächenhafte, gitter- oder netzartige Struktur vorbestimmter Ausdehnung mit draht- oder bandförmigen Supraleitern
vorgesehen ist, wobei jede Struktur so geformt und angeordnet ist, daß sie den Feldlinien des in dem
Nutzvolumen zu erzeugenden Magnetfeldes folgt, und wobei die Supraleiter senkrecht zu den Feldlinien ausgerichtet
und zumindest an ihren Enden mit in Richtung der Feldlinien verlaufenden elektrisch leitenden Teilen
verbunden sind. Mit dieser netzartigen Struktur kann dann verhindert werden, daß zeitliche Änderungen einer
Störfeldkomponete senkrecht zur Netzebene in das Nutzvolumen eindringen, indem in den draht- oder bandförmigen
Supraleitern selbsttätig entsprechende Abschirmströme induziert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Einrichtung gehen aus den restlichen Unteransprüchen hervor.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird
nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, deren Figur 1 eine erfindungsgemäße magnetfelderzeugende Einrichtung
zeigt. In Figur 2 ist eine derartige magnetfelderzeugende Einrichtung als Teil einer Elektronenbeschleuniger-Anlage
angedeutet. Dabei sind in den Figuren übereinstimmende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-y- VPA 85 P 3 0 S 8 PE
In Figur 1 ist schematisch ein Querschnitt durch eine magnetfelderzeugende Einrichtung veranschaulicht, wie
sie z.B. für einen Elektronenspeicherring vorgesehen werden kann. Der hierzu erforderliche Dipolmagnet ist
aufgrund der gekrümmten Teilchenbahn ebenfalls gekrümmt und kann insbesondere halbkreisförmig gebogen
sein (vgl. z.B. die genannte Veröffentlichung "IEEE Trans.Nucl.Sei."). Wegen der erforderlichen hohen
Feldstärken sind seine Wicklungen bevorzugt mit supraleitendem Material erstellt.
Mit der magnetischen Einrichtung soll in einem Nutzvolumen
V um die Strahlführungsachse A ein Dipolmagnetfeld
B vorbestimmter Stärke und mit vorbestimmtem Verlauf seiner Feldlinien zu erzeugen sein. Hierzu
weist die Einrichtung zu beiden Seiten der die Strahlführungsachse
A enthaltenden Strahlführungsebene 2 und symmetrisch zu dieser Ebene je eine Dipolwicklung 3,
bzw. 4_ mit jeweils einer Hauptwicklung 3a und einer
Nebenwicklung 3b bzw. 4a und 1Ib auf. Diese Wicklungen dienen zur Erzeugung des Dipolfeldes B, das in der
Figur durch seine mit 5 bezeichneten gepfeilte Feldlinien sowie durch einige gestrichelt eingezeichnete
Äquipotentiallinien 6a bis 6e bzw. 6'a bis 6'e ve.ra.nschaulicht
ist.
Um den geforderten Verlauf der Feldlinien 5 innerhalb geringer Fehlerfeldgrenzen von z.B. 1 °7oo gewährleisten
zu können, sind erfindungsgemäß um das. Nutzvolumen V magnetische Randbedingungen geschaffen,
welche den Feldverlauf im gesamten Innenraum des Nutzvolumens eindeutig bestimmen. Hierzu ist außerhalb
des Nutzvolumens V auf gegenüberliegenden Seiten bezüglich dieses Volumens jeweils ein Flächenausschnitt be—
stimmt, welcher eine magnetische Äquipotentialfläche
VPA 85 P 3 0 5 6 OE
des gewünschten Feldes repräsentiert. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Äquipotentialflächen
6d bzw. 6d' ausgewählt. Jeder dieser Flächenausschnitte ist mit einem dünnen plattenförmigen
Körper 7 bzw. 8 aus einem Material mit einer vorzugsweise hohen Permeabilität belegt. Bei diesen plattenförmigen
Körpern 7 und 8 kann es sich z.B. um entsprechende ferromagnetische Bleche handeln. Die relative
Permeabilität μ dieser beispielsweise 0,5 bis 10 mm dicken Bleche soll dabei mindestens 1500, vorzugsweise
mindestens 2000 betragen. Ni-reiche NiFe-Legierungen wie Permalloy-Legierungen erfüllen z.B.
diese Bedingung. Die dem Nutzvolumen V jeweils zugewandte Oberfläche F bzw. F' dieser Bleche soll also so
geformt und angeordnet sein, daß sie jeweils auf einer magnetischen Äquipotentialfläche des in dem Nutzvolumen
zu erzeugenden Magnetfeldes wie z.B. auf der Fläche 6d bzw. 6'd zu liegen kommt. Dabei sollen die Bleche 7 und
8 zweckmäßigerweise in der Nähe des Nutzvolumens V angebracht sein. Vorzugsweise ist ihre geringste Entfernung
e von dem Nutzvolumen V kleiner als die entsprechende Ausdehnung a des Nutzvolumens in dieser
Richtung. Außerdem wird die geometrische Ausdehnung der mit den Blechen 7 bzw. 8 zu belegenden Flächenausschnitte
vorteilhaft so gewählt, daß zumindest weitgehend die das Nutzvolumen V durchsetzenden Feldlinien
5 des Feldes B durch diese Flächenausschnitte hindurchtreten.
Um das Durchgreifen von Störfeldern von den von den Blechen 7 und 8 nicht abgedeckten Seiten her auf das
Nutzvolumen V auf ein minimales Maß zu begrenzen, müßte gegebenenfalls die Ausdehnung 1 der Bleche quer zur
Strahlführungsachse A verhältnismäßig groß gewählt werden, d.h. z.B. mindestens der Summe aus der Ausdehnung
VPA 85 P 3 0 5 6 DE
ο des Nutzvolumens V in dieser Querrichtung und aus dem durch die Strahlführungsachse A verlaufenden mittleren
Abstand s zwischen den Blechen entsprechen. Eine derartige Größe der Ausdehnung 1 ist jedoch bisweilen aufgrund
der Anordnung der einzelnen Wicklungen praktisch nicht möglich.
Um dennoch auch bei kleineren Ausdehnungen 1, wobei 1 stets zumindest geringfügig größer als die entsprechende
Ausdehnung c des Nutzvolumens sein wird, das seitliche Eindringen von Störfeldern zu verhindern,
können vorteilhaft zusätzliche flächenhafte, gitter- oder netzartige Strukturen vorbestimmter Ausdehnung mit
draht- oder bandförmigen Supraleitern an den offenen Seiten des Nutzvolumens V vorgesehen werden. Jede
dieser in der Figur mit IC) bzw. Ll bezeichneten netzartigen Struktur ist dabei so geformt und angeordnet,
daß sie den Feldlinien 5 des in dem Nutzvolumen V zu erzeugenden Magnetfeldes B folgt. Diese Strukturen I-O
und 11_ reichen vorteilhaft bis unmittelbar an die Bleche 7 und 8 heran, ohne diese jedoch zu berühren.
Die mit 12 bezeichneten Supraleiter dieser Strukturen sind zueinander parallel angeordnet und verlaufen
senkrecht zu den Feldlinien 5 des Magnetfeldes B.
Zumindest an ihren Enden, gegebenenfalls in Abständen auch dazwischen, sind sie in Richtung der Feldlinien
durch metallische Teile 13 elektrisch leitend verbunden. Mit der Auswahl des Materials für diese Teile 13
und deren Anzahl kann dann für jede so netzartig ausgebildete Struktur _ip_ bzw. Ij1 eine vorbestimmte
L/R-Zeitkonstante t gewählt werden. Da bei zeitlichen
Änderungen einer Störfeldkomponente senkrecht zur Netzebene in den Supraleitern selbsttätig entsprechende
Abschirmströme induziert werden, werden insbesondere bei einem Start von einem Feld B=O und einer L/R-Zeit-
VPA 85 P 3 0 5 6 OE
konstanten t der netzartigen Struktur, falls Ir sehr
viel größer als die Feldanstiegszeit ist, Störfelder selbst weitgehend abgeschirmt.
Die in Figur 1 dargestellten Feldformungs- bzw. Abschirmmaßnahmen
bestehen somit, im Querschnitt gesehen, aus einem den Nutzquerschnitt umgebenden
Viereck, wobei zwei gegenüberliegende Seiten aus den ferromagnetischen Blechen 7 und 8 und die zwei anderen
Seiten jeweils aus einer netzartigen Struktur IJ) bzw. 11 mit Supraleitern 12 ausgebildet werden. Alle vier
Seiten sind dabei elektrisch voneinander isoliert. Um Wirbelströme in den ferromagnetischen Blechen 7 und 8
zu vermeiden, können diese gegebenenfalls geschlitzt oder mit anderen hierfür geeigneten Maßnahmen versehen
sein. An den jeweils zwischen einem Blech und einer netzartigen Struktur ausgebildeten Ecken stehen die
Umrißkonturen senkrecht aufeinander. Bei einem geforderten homogenen Feld wird durch die Bleche und
die Strukturen ein Rechteck mit parallelen Seiten ausgebildet. Ist jedoch ein Gradient bzw. ein höherer
Multipol verlangt, so bilden die Seiten jeweils zwei Segmente von zueinander orthogonalen Hyperbelscharen.
Bei kleinen Gradientenbeimischungen können sie auch mit guter Näherung durch zwei ebene ferromagnetische
Platten mit einem Neigungswinkel zueinander sowie durch zwei Netze auf Kreissegmenten genähert werden. Ein
solcher Fall ist für das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 zugrundegelegt, wobei ein negativer
Feldgradient r/B · -r— = -0,5 angenommen wurde. Der
Neigungswinkel *** der Bleche 7 bzw. 8 gegenüber der
Strahlführungsebene 2 beträgt dabei etwa 3°·
Wie ferner aus Figur 1 hervorgeht, kann die netzartige Struktur IJ1 noch mit einer seitlichen Öffnung 15 ver-
-/-
VPA 85 P3056 OE
sehen sein, um so die im Bereich der gekrümmten Teilchenbahn emittierte Synchrotronstrahlung ungehindert
nach außen treten zu lassen.
In Figur 2 ist in Schrägansicht ein gekrümmter Dipolablenkmagnet einer Elektronenbeschleuniger-Anlage in
teilweise aufgerissener Darstellung schematisch wiedergegeben. Dieser Magnet weist zwei große gekrümmte Dipolwicklungen
20 und 21 auf, die beiderseits eines längs der Strahlführungsachse A verlaufenden Elektronenstrahlrohres
22 parallel zueinander angeordnet sind. Längs der gekrümmten Innenseite des Magneten bzw. des
Elektronenstrahlrohres 22 befindet sich noch eine zusätzliche Gradientenwicklung 23. Da die Leiter dieser
Wicklungen 20, 21 und 23 aus supraleitendem Material bestehen, ist die aus Gründen der Herausführung der
Synchrontronstrahlung zweigeteilte, diese Wicklungen aufnehmende Strahlkammer 24 mit einem entsprechenden
Heliumgehäuse 25 versehen. Wie aus dem Aufriß ersichtlich ist, ist oberhalb und unterhalb des Elektronenstrahlrohres
22 jeweils ein ferromagnetisches Blech 7 bzw. 8 mit der Krümmung des Rohres 22 angepaßter
Gestalt angeordnet. Zwischen den Innenrändern und den Außenrändern dieser Bleche befindet sich jeweils
eine netzartige Struktur IJD bzw. Ll mit supraleitenden Drähten 12. Mit diesen Blechen 7 und 8 und den
netzartigen Strukturen IjO und 11, deren Querschnitt in Fig. 1 dargestellt ist, können im schnellgepulsten
Niederfeldbereich Störfelder durch Wirbelstromeffekte sowie die Restmagnetisierung des Supraleiters der
Wicklungen abgeschirmt werden. Die Störfeldabschirmung folgt hier der gekrümmten Teilchenbahn über die ganze
Magnetlänge und ist lediglich an ihren Enden offen. Die
2 Querschnittsabmessungen betragen dabei z.B. 9 x 9 cm Die magnetischen Wände bestehen aus z.B. 0,5 bis 1 mm
-yf- VPA 85 P 3 0 5 6 DE
dicken μ-Metall. Die netzartigen Strukturen ΙΌ und Γι
weisen jeweils mindestens drei supraleitende Multifilamentdrähte
auf, die alle 10 cm durch senkrecht verlaufende Kupferdrähte und an ihren Enden durch
Kupferbänder verbunden sind. Die L/R-Zeitkonstante t dieser Strukturen kann dabei viel größer als die Pulsanstiegszeit
sein.
Die erfindungsgemäßen Feldformungs- bzw. Abschirmmaßnahmen
sind insbesondere bei kleinen Feldern und hohen Feldänderungsgeschwindigkeiten wirksam. Bei hohen Feldern
mit B > 1 T und kleinen Feldänderungsgeschwindigkeiten B werden die geschilderten Maßnahmen weitgehend
wirkungslos, da dann das hochpermeable Material gesättigt ist bzw. die in den Drähten induzierten Abschirmströme
klein werden. Hier übernehmen dann in bekannter Weise die Hauptwicklungen der magnetischen Einrichtung
allein die Feldformung.
11 Patentansprüche
2 Figuren
2 Figuren
Claims (11)
- ' * * ..·■■■". ■ tPatentansprüche3505281 85 P 3 0 5 6 OEEinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit räumlich vorgegebenem Feldverlauf in einem Nutzvolumen, welche mit den Feldverlauf beeinflussenden Körpern aus ferromagnetischem Material versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb und auf gegenüberliegenden Seiten des Nutzvolumens (V) jeweils mindestens ein dünner plattenförmiger Körper (7, 8) vorbestimmter geometrischer Ausdehnung aus einem Material mit hoher Permeabilität (μ ) vorgesehen ist, dessen dem Nutzvolumen (V) zugewandte Oberfläche (F bzw. F') so geformt und angeordnet ist, daß diese auf einer magnetischen Äquipotentialfläche (6d bzw. 6'd) des in dem Nutzvolumen (V) zu erzeugenden Magnetfeldes (B) zu liegen kommt.
- 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geringste Entfernung (e) jedes plattenförmigen Körpers (7, 8) von dem Nutzvolumen (V) kleiner als die entsprechende Ausdehnung (a) des Nutzvolumens (V) in dieser Richtung ist.
- 3· Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Querausdehnung (1) jedes plattenförmigen Körpers (7, 8) größer als die entsprechende Ausdehnung (c) des Nutzvolumens (V) in dieser Richtung ist.
- 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Ausdehnung der jeweils mit einem der plattenförmigen Körper (7 bzw. 8) zu belegenden Flächenausschnitte der Äquipotentialflächen (6d bzw.VPA 85 P 3056 DE6'd) so groß gewählt ist, daß zumindest weitgehend die das Nutzvolumen (V) durchsetzenden Feldlinien (5) des Magnetfeldes (B) durch diese Flächenausschnitte hindurchtreten.
5 - 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb und auf gegenüberliegenden Seiten des Nutzvolumens (V) jeweils eine flächenhafte, gitter- oder netzartige Struktur (1Ό, Ll) vorbestimmter Ausdehnung mit draht- oder bandförmigen Supraleitern (12) vorgesehen ist, wobei jede Struktur (Π), 11) so geformt und angeordnet ist, daß sie den Feldlinien (5) des in dem Nutzvolumen (V) zu erzeugenden Magnetfeldes (B) folgt, und wobei die Supraleiter (12) senkrecht zu den Feldlinien (5) ausgerichtet und zumindest an ihren Enden mit in Richtung der Feldlinien (5) verlaufenden elektrisch leitenden Teilen (13) verbunden sind.
- 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrisch leitenden Teile (13) aus bei der Betriebstemperatur der Supraleiter (12) elektrisch normalleitendem Material bestehen.
- 7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Supraleiter (12) auch in zwischen ihren Enden liegenden Bereichen untereinander mit elektrisch leitenden Teilen verbunden sind, welche in Richtung der Feldlinien (5) des in dem Nutzvolumen (V) zu erzeugenden Magnetfeldes (B) verlaufen.
- 8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7> d adurch gekennzeichnet, daß mittels-yf- VPA 85 P 30 56 DEder Anzahl und der Materialauswahl der elektrisch leitenden Teile (13) eine vorbestimmte L/R-Zeitkonstante ( t ) für die netzartigen Strukturen (3JD, IjL) eingestellt ist.
5 - 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung und Anordnung der netzartigen Strukturen (10, 11) so gewählt ist, daß diese Strukturen zwischen den plattenförmigen Körpern (7, 8) verlaufen.
- 10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d adurch gekennzeichnet, daß für die plattenförmigen Körper (7, 8) Maßnahmen zur Wirbelstromverringerung in ihnen vorgesehen sind.
- 11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Nutzvolumen (V) im Innern einer Kammer (22) zur Führung elektrisch geladener Teilchen, insbesondere von Elektronen, in einer Teilchenbeschleuniger-Anlage befindet.
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