DE4228537C2

DE4228537C2 - Supraleitender Magnet

Info

Publication number: DE4228537C2
Application number: DE4228537A
Authority: DE
Inventors: Yoko Kameoka; Hideshi Fukumoto; Ken Yoshioka; Teruhiro Takizawa; Tadasi Sonobe; Fumio Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-19
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2012-08-28
Also published as: JPH0582337A; US5424702A; JP2539121B2; DE4228537A1; CA2078608C; CA2078608A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen supraleitenden Magneten in einem Behälter, der ein diametral verlaufen des Trägerelement aufweist, das den eine supraleitende Spule enthaltenden Spulenbehälter unterstützt, und insbe sondere einen derartigen supraleitenden Magneten, in dem das Quenching-Phänomen unterdrückt werden kann, indem die Wärmeerzeugung verringert wird, die durch ein derartiges in einer dynamischen Umgebung befindliches Trägerelement hervorgerufen wird.

In Fig. 2 ist ein schematischer, perspektivisch darge stellter Querschnitt eines supraleitenden Magneten mit einem Trägerelement und einem Spulenbehälter gezeigt. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine supraleitende Spule, 2 einen ringförmigen Behälter für die supraleitende Spule, der ein Kühlmittel wie etwa flüssiges Helium und die su praleitende Spule 1 enthält, 3 ein diametral verlaufendes Trägerelement des Behälters 2 der supraleitenden Spule 1, 4 eine Strahlungswärme-Abschirmung, die den Behälter 2 vor dem Eintritt von Strahlungswärme durch die Außenflä che des Behälters 2 schützt, 5 einen adiabatischen Vakuumbhehälter und 6 ein Unterstützungselement für die Befestigung des Behälters 2 der supraleitenden Spule 1 am adiabatischen Vakuumbehälter 5. Im allgemeinen wird als Material für den Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 etwa rostfreier Stahl (der im folgenden kurz SUS genannt wird) verwendet, der eine hohe Steifigkeit und Festigkeit usw. besitzt, um die Umfangsspannung der supraleitenden Spule 1 zu beherrschen. Ähnlich wird SUS als Material für das Trägerelement 3 und für das Unterstützungselement 6 verwendet, die beide einer elektromagnetischen Kraft und einer hohen mechanischen Beanspruchung (Gewicht) ausge setzt sind. Andererseits wird als Material für die Strahlungswärme-Abschirmung 4 etwa Aluminium verwendet, das eine hohe Strahlungsreflektivität, ein geringes Ge wicht, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und dergleichen besitzt. Als Material für den adiabatischen Vakuumbehäl ter 5 werden SUS oder andere dicke Wandmaterialien ver wendet, um im Behälter das Vakuum aufrechtzuerhalten, da mit ein Einströmen von äußerer Wärme verhindert wird, und um die supraleitende Spule und dergleichen zu unterstüt zen.

Im supraleitenden Magneten wird ein Quenching-Phänomen hervorgerufen, wenn die Temperatur des die supraleitende Spule 1 bildenden supraleitenden Drahtmaterials auf einen Wert oberhalb der kritischen Temperatur des Materials an gehoben wird, wodurch in der supraleitenden Spule 1 der supraleitende Zustand nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Daher ist es wichtig, die Temperatur der supralei tenden Spule 1 niedriger als die kritische Temperatur zu halten, damit dieser supraleitende Zustand aufrechterhal ten werden kann.

Bisher sind zur Verhinderung einer Wärmestrahlung und ei nes Wärmetransports durch das Einströmen von äußerer Wärme Gegenmaßnahmen getroffen worden, die von der obenbeschriebenen Strahlungswärme-Abschirmung 4, vom adiabatischen Vakuumbehälter 5 und dergleichen Gebrauch machen. Ferner sind verschiedene Gegenmaßnahmen gegen das Einströmen von äußerer Wärme durch Wärmeleitung ergriffen worden, beispielsweise ein Verfahren zur Verlängerung der Wärmeströmungswege, wie es etwa aus JP 57-208111-(A) bekannt ist.

Die obenbeschriebenen Gegenmaßnahmen zur Verhinderung ei nes Einströmens von äußerer Wärme haben die Annahme zur Voraussetzung, daß der supraleitende Magnet in einer sta tischen Umgebung verwendet wird. Daher werden keine Ge genmaßnahmen bezüglich der Wärmeerzeugung im Inneren des supraleitenden Magneten selbst in Betracht gezogen; eine derartige Wärmeerzeugung findet jedoch beispielsweise statt, wenn auf den supraleitenden Magneten eine äußere Kraft wirkt oder wenn der supraleitende Magnet in einer dynamischen Umgebung verwendet wird. Eine der Quellen, die bei einer Verwendung des supraleitenden Magneten in einer dynamischen Umgebung Wärme erzeugen, ist durch ei nen Wirbelstrom gegeben, der im Behälter der supralei tenden Spule erzeugt wird. Ein herkömmlicher supraleiten der Magnet besitzt eine Struktur, wie sie in Fig. 2 ge zeigt ist. Hierbei ist der Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 mittels des Unterstützungselementes 6 direkt am adiabatischen Vakuumbehälter 5 befestigt, während die Strahlungswärme-Abschirmung 4 am Unterstützungselement 6 befestigt ist, welches den Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 unterstützt. Darüber hinaus sind herkömmliche Strahlungswärme-Abschirmungen im allgemeinen aus Alumi nium hergestellt und besitzen eine Struktur, die wegen ihrer geringen Dicke und ihres geringen Gewichts leicht Schwingungen der Abschirmung relativ zur supraleitenden Spule 1 bewirkt. Wenn daher Schwingungen von außen nach innen übertragen werden, werden relative Schwingungen zwischen der supraleitenden Spule und der Strahlungswär me-Abschirmung hervorgerufen, wodurch die Strahlungswär me-Abschirmung in einem von der supraleitenden Spule 1 erzeugten, starken Magnetfeld bewegt wird. Folglich wird einerseits in den Plattenelementen der Strahlungswärme-Ab schirmung 4 ein Wirbelstrom erzeugt; andererseits wird im Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 ein weiterer Wirbelstrom induziert, wenn dieser Behälter 2 von dem Magnetfeld durchquert wird, das durch den obenerwähnten Wirbelstrom induziert wird. Im Ergebnis stellt der Wirbelstrom eine Quelle für die Wärmeerzeugung dar und hat somit das Problem zur Folge, daß er in der supralei tenden Spule ein Quenching-Phänomen hervorrufen kann.

Im Hinblick auf dieses Problem ist aus JP 60-217610-(A) eine Gegenmaßnahme zur Unterdrückung einer solchen Wärmeerzeugung bekannt: Diese Gegenmaßnahme besteht im Befestigen eines Materials mit geringem elektrischen Wi derstand, etwa Aluminium oder dergleichen, auf dem Behälter 2 der supraleitende Spule 1, damit bei Induzie rung des Wirbelstroms dieser im Material mit niedrigem Widerstand fließt.

Bisher ist jedoch nicht untersucht worden, ob und, wenn ja, in welchem Ausmaß das Trägerelement 3, das am Behäl ter 2 der supraleitenden Spule 1 befestigt ist, Auswir kungen auf die Wärmeerzeugung hat. Folglich sind keine Gegenmaßnahmen im Hinblick auf die Wärmeerzeugung durch das Trägerelement 3 in Betracht gezogen worden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ei nen supraleitenden Magneten zu schaffen, bei dem die Wär meerzeugung in dem ein Trägerelement aufweisenden Behäl ter der supraleitenden Spule so weit verringert ist, daß ein Quenching-Phänomen des supraleitenden Magneten selbst unter dynamischen Bedingungen kaum auftreten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen su praleitenden Magneten, bei dem eine supraleitende Spule in einem Behälter enthalten ist und ein Trägerelement zur Unterstützung der Spule im Spulenbehälter dimetral verläuft, wobei das Trägerelement elektrische wenig leitende Teile oder Isolatoren umfaßt und insbesondere nur ein Teil des Trägerelementes elektrische Isolatoren umfaßt, die verhindern, daß ein Wirbelstrom in einer das Trägerelement und den Spulenbe hälter umfassenden geschlossenen Schleife fließen kann.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magneten umfaßt das Trägerelement Materia lien mit hohem Widerstand, wobei insbesondere ein Teil des Trägerelements aus Materialien mit hohem elektrischen Widerstand zusammengesetzt ist, die den Fluß eines Wirbelstroms in einer das Trägerelement und den Spulenbe hälter umfassenden geschlossenen Schleife verringern.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magneten ist der Spulenbehälter mit elektrischen Isolatoren oder mit Materialien mit hohem elektrischen Widerstand versehen, die die Zirkulation ei nes elektrischen Stroms in Umfangsrichtung unterbrechen oder verringern, indem die Isolatoren oder die erwähnten Materialien mit hohem elektrischen Widerstand an vorgege benen Positionen in Umfangsrichtung des Spulenbehälters angeordnet werden.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magneten sind - möglicherweise zusätzlich - nahezu an der gesamten Oberfläche der Außenwand des Spulenbehälters diskontinuierlich elektrische Leiter oder Materialien mit geringem elektrischen Widerstand ange bracht.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magneten ist ein Teil der Strahlungswärme-Ab schirmung, der die das gesamte Trägerelement umgebende Außenfläche des Spulenbehälters umgibt, mit elektrischen Isolatoren oder Materialien mit hohem Widerstand verse hen.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magneten ist in einem Teil der das Träger element umgebenden Strahlungswärme-Abschirmung ein Bereich mit hohem elektrischen Widerstand eingesetzt, der den Fluß eines Wirbelstroms durch die Strahlungswärme-Ab schirmung in einer das Trägerelement und den Spulenbehäl ter umfassenden geschlossenen Schleife unterbricht oder wenigstens verringert.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magneten ist das Trägerelement an einer Position angeordnet, derart, daß ein Wirbelstrom nicht durch eine das Trägerelement und den Spulenbehälter umfassende geschlossene Schleife fließen kann.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Magneten sind an nahezu der gesamten Außenfläche des Trägerelementes elektrische Leiter oder Materialien mit geringem elektrischen Widerstand diskon tinuierlich angebracht.

Wenn das Trägerelement entweder vollständig oder teil weise mit Isolatoren oder Materialien mit hohem elektri schen Widerstand versehen ist, wird der Fluß eines Wirbelstroms durch eine halbkreisförmige geschlossene Schleife, die das Trägerelement und den Spulenbehälter umfaßt, unterbrochen oder verringert, so daß die Wärmeer zeugung durch den Wirbelstrom unterdrückt und die Gefahr des Auftretens des Quenching-Phänomens vermieden wird.

Außerdem wird der Fluß eines Wirbelstroms durch die Strahlungswärme-Abschirmung, der eine Quelle für den Fluß des Wirbelstroms durch den Spulenbehälter ist, unterbro chen oder verringert, indem die das Trägerelement umge bende Strahlungswärme-Abschirmung entweder vollständig oder teilweise mit Isolatoren oder Materialien mit hohem elektrischen Widerstand versehen ist, so daß folglich der Fluß des Wirbelstroms durch den Spulenbehälter unter drückt und die Wärmeerzeugung im Spulenbehälter verrin gert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher er läutert; es zeigen:

Fig. 1 eine mit einem Querschnitt kombinierte Draufsicht eines supraleitenden Magneten gemäß einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein schematischer, perspektivischer Querschnitt eines mit einem Trägerelement ausgerüsteteten su praleitenden Magneten, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird;

Fig. 3 eine Zeichnung eines bei einer Drehung um die Y-Achse gebildeten Wirbelstrom-Flußpfades (der dem Zeitpunkt A in Fig. 5 entspricht), wobei diese Zeichnung durch eine dreidimensionale Analyse er halten und von einem Computer gezeichnet worden ist;

Fig. 4 eine Zeichnung eines durch eine Drehung um die Y-Achse gebildeten Wirbelstrom-Flußpfades (der dem Zeitpunkt B in Fig. 5 entspricht), wobei die Zeichnung durch eine dreidimensionale Analyse er halten und von einem Computer gezeichnet worden ist;

Fig. 5 einen Graphen, der die zeitabhängige Änderung des Wirbelstroms und der Wärmeerzeugung angibt, die durch eine dreidimensionale Wirbelstromanalyse erhalten worden ist;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels ei nes Wirbelstrom-Flußpfades, der durch eine Dre hung um die Y-Achse gebildet wird;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Behälters der supraleitenden Spule gemäß einer weiteren Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 einen perspektivischen Teilschnitt einer Strah lungswärme-Abschirmung gemäß einer weiteren Aus führungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Behälters der supraleitenden Spule gemäß einer weiteren Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 einen perspektivischen Teilschnitt einer Strah lungswärme-Abschirmung, die den Spulenbehälter von Fig. 9 abdeckt;

Fig. 11 eine erläuternde Darstellung einer Struktur, die sich auf eine Ausführungsform der am Trägerele ment angebrachten Isolatoren bezieht;

Fig. 12 eine erläuternde Darstellung einer Struktur, die sich auf eine Ausführungsform der an der Strah lungswärme-Abschirmung angebrachten Isolatoren bezieht;

Fig. 13 einen Graphen, der die Beziehung zwischen der Frequenz einer äußeren Störung und dem durch die äußere Störung verursachten Wirbelstrom angibt; und

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines Behälters der supraleitenden Spule gemäß einer weiteren Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung.

Zunächst wird die Theorie der vorliegenden Erfindung er läutert.

Bei einer von den Erfindern der vorliegenden Erfindung ausgeführten dreidimensionalen Wirbelstromanalyse in be zug auf reine Relativ-Schwingungen wie etwa eine Drehung um die X-Achse, eine Drehung um die Y-Achse bzw. eine Drehung um die Z-Achse einer Strahlungswärme-Abschirmung in einem ein Trägerelement enthaltenden Aufbau hat sich gezeigt, daß in einer geschlossenen Schleife, die den Be hälter der supraleitenden Spule und das Trägerelement um faßt, in Abhängigkeit von den Einbaupositionen des Trägerelementes ein Schleifenstrom erzeugt wird und daß gleichzeitig die durch das Trägerelement erzeugte Wärme die gesamte im Behälter der supraleitenden Spule erzeugte Wärme dominiert und folglich die durch das Trägerelement erzeugte Wärme die Hauptursache für ein Quenching-Phäno men im supraleitenden Magneten sein könnte. Bei dieser Analyse wurde angenommen, daß ein halbkreisförmiger Bereich aus Aluminium (Material mit geringem Widerstand) und das Trägerelement aus rostfreiem Stahl (Material mit hohem Widerstand) hergestellt sind. Das heißt, daß Materialien mit verschiedenen Widerständen verwendet wur den. Beispielsweise kann in bezug auf eine Drehung der in Fig. 2 gezeigten Strahlungswärme- Abschirmung um die Y-Achse der Fall auftreten, in dem in der Außenfläche des Behälters 2 der supraleitenden Spule ein Wirbel strom-Flußpfad, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, entsteht; es kann auch der Fall auftreten, in dem ein Wirbelstrom-Flußpfad entsteht, wie er in Fig. 4 gezeigt ist. Es wurde ferner das komplizierte Verhalten des Wirbelstroms ermittelt, gemäß dem in Abhängigkeit von der Phase der an das supraleitende Gerät übertragenen Schwingungen der Wirbel strom abwechselnd vom einen zum anderen der obenbeschrie benen Wirbelstrom-Flußpfade wechselte, wie in Fig. 5 ge zeigt ist, und gemäß dem der gesamte Wirbelstrom maximal sein kann, wenn im Trägerelement kein Wirbelstrom erzeugt wird, jedoch die im Behälter der supraleitenden Spule er zeugte Wärme dann maximal ist, wenn durch das Trägerele ment ein Wirbelstrom fließt, obwohl wenn der gesamte Wir belstrom nicht den Maximalwert besitzt, wie in Fig. 4 ge zeigt ist.

Die obenerwähnte dreidimensionale Wirbelstromanalyse wurde durch die Auswertung einer Regelungsgleichung für den Wirbelstrom J(r, t) in einem Leiter mittels der finiten Elementemethode und einer nachfolgenden numeri schen Simulation ausgeführt. Es hat sich gezeigt, daß das Simulationsergebnis in einem System, das dem in Fig. 2 gezeigten System ähnlich ist, im wesentlichen mit den ex perimentellen Werten übereinstimmte.

Die Regelungsgleichung lautet:

wobei η den spezifischen Leitungswiderstand, µ₀ die Vakuum-Permeabilität und r die räumlichen Koordinaten be zeichnet. Die obige Regelungsgleichung hat die Bedeutung, daß die Spannungsdifferenz (erster Ausdruck) des Lei tungswiderstandes und die durch die zeitabhängige Ände rung des Wirbelstroms elektromagnetisch induzierte elektromotorische Kraft (zweiter Ausdruck) im Gleichge wicht sind. Aus dem aus der obigen Gleichung erhaltenen Wirbelstrom J wird gemäß der folgenden Gleichung die er zeugte Wärme W gewonnen:

W = ∫ηJ²dr

Die einfachste und sicherste Maßnahme für die Unterdrüc kung der Wärmeerzeugung in einem Trägerelement, die durch einen durch das Trägerelement im Behälter der supralei tenden Spule fließenden Wirbelstrom erzeugt wird, besteht darin, das Trägerelement und den Spulenbehälter mit elektrischen Isolatoren zu versehen. Gemäß dieser obenbe schriebenen Maßnahme wird der Fluß des Wirbelstroms durch eine geschlossene Schleife, die den Spulenbehälter und das Trägerelement umfaßt, unterbrochen, so daß eine Wärmeerzeugung verhindert wird. Folglich kann ein supra leitender Magnet erhalten werden, bei dem kaum ein Quenching-Phänomen auftritt.

Es gibt einige supraleitende Magnete, bei denen in Abhängigkeit von der Struktur des Trägerelementes dieses nicht mit elektrischen Isolatoren versehen werden kann, weil dies eine unzureichende Festigkeit des Trägerelemen tes zur Folge hätte. In diesem Fall sind Alternativen notwendig. Bei der obenbeschriebenen dreidimensionalen Wirbelstromanalyse hat sich gezeigt, daß der Wirbelstrom im Trägerelement dadurch unterdrückt werden kann, daß ein Teil der Strahlungswärme-Abschirmung, die das Trägerele ment des Behälters der supraleitenden Spule abdeckt, mit einem isolierenden Bereich versehen wird. Die elektrische Kopplung zwischen dem Spulenbehälter und der Strahlungs wärme-Abschirmung bewirkt eine Wirbelstrom-Induktion von der Strahlungswärme-Abschirmung in den Spulenbehälter. Folglich kann der Wirbelstromfluß im Trägerelement des Spulenbehälters indirekt unterdrückt werden, indem der Wirbelstromfluß in dem Teil der Strahlungswärme-Abschir mung, der das Trägerelement umgibt, unterbrochen wird. Gemäß dem obenbeschriebenen Verfahren werden der Wirbel stromfluß im Trägerelement unterdrückt und die Wärmeer zeugung verringert, so daß die gesamte Wärmeerzeugung im Behälter der supraleitenden Spule verringert wird und so mit ein supraleitender Magnet erhalten werden kann, bei dem ein Quenching-Phänomen kaum auftritt.

Das obenbeschriebene Verfahren ist selbst dann wirksam, wenn es wegen der Stärke der elektromagnetischen Kraft oder aus irgendeinem anderen Grund nicht möglich ist, das Trägerelement des Spulenbehälters direkt mit einem iso lierenden Bereich zu versehen.

Wenn es aufgrund des Herstellungsverfahrens nicht möglich ist, das Trägerelement mit einem vollständig isolierenden Bereich zu versehen, wird ein Bereich mit hohem Wider stand vorgesehen, der die Funktion des vollständig isolierenden Bereichs übernimmt. In dem obenbeschriebenen Verfahren kann ein Wirbelstrom, der als geschlossener Schleifenstrom durch das Trägerelement fließt, unter drückt werden. Wenn in dem obenerwähnten Fall aufgrund einer äußeren Störung eine Schwingung in einem festen Be reich (mit niedriger Frequenz), d. h. eine Schwingung mit einer Frequenz im Frequenzbereich des Wirbelstroms, auftritt, ist es möglich, die Wärmeerzeugung im Träger element zu unterbinden, indem der elektrische Strom durch den Bereich mit hohem elektrischen Widerstand unterbro chen wird; selbst wenn der elektrische Strom nicht vollständig unterbrochen wird, kann durch Einfügung eines Bereichs mit hohem Widerstand der Wirbelstrom unterdrückt werden, indem der Widerstand gegen den Zirkulationsstrom erhöht und die Wärmeerzeugung insgesamt verringert wird.

Nun wird mit Bezug auf Fig. 13 der widerstandsbehaftete Bereich erläutert. In Fig. 13 ist auf der Abszisse die dem Magneten eingeprägte Schwingungsfrequenz in logarith mischem Maßstab aufgetragen, während auf der Ordinate die Werte des Wirbelstromflusses, dividiert durch den gekop pelten magnetischen Fluß ψ, in logarithmischem Maßstab aufgetragen ist. Der widerstandsbehaftete Bereich ist der Frequenzbereich kleiner als 1/τ (τ = L/R, L: zum Wirbel strom-Flußpfad äquivalente Induktivität; R: zum Wirbel strom-Flußpfad äquivalenter Widerstand), wobei der Wirbelstrom zu einer zur Frequenz proportionalen Zunahme neigt. Im widerstandsbehafteten Bereich ist die Wärmeer zeugung proportional zu 1/R, so daß die Wärmeerzeugung abnimmt, wenn der Widerstand R zunimmt. Das bedeutet, daß sich bei zunehmenden Widerstand die durchgezogene Linie von der Position der Linie 15 zur Position der gestri chelten Linie 16 verschiebt, der Wirbelstrom, der auf grund einer äußeren Störung durch die gleiche Schwin gungsfrequenz ω erzeugt wird, in Fig. 13 um D abnimmt und der widerstandsbehaftete Bereich von 1/τ nach 1/τ′ erweitert wird (wobei τ′ = L/(R+R′)). Im induktiven Bereich (Hochfrequenz), d. h. im Frequenzbereich größer als 1/τ ist der Wirbelstromfluß jedoch unabhängig vom Wi derstand konstant, wie in Fig. 13 durch die durchgezogene Linie 15 und die gestrichelte Linie 16 gezeigt ist; daher wird die Wärmeerzeugung proportional zum Widerstand R er höht. Wenn daher ein hoher Widerstand eingefügt wird, ist es notwendig, die durch eine äußere Störung hervorgerufe ne Schwingungsfrequenz im widerstandsbehafteten Bereich anzusetzen. Durch das obenbeschriebene Verfahren wird die Wärmeerzeugung im Trägerelement unterdrückt, außerdem wird die Wärmeerzeugung im gesamten Spulenbehälter verringert, so daß das Auftreten eines Quenching-Phäno mens verhindert wird.

Wenn in einem das Trägerelement umgebenden Bereich der Strahlungswärme-Abschirmung ein Bereich mit hohem Wider stand vorgesehen wird, wird der Fluß des Wirbelstroms in dem Teil der Strahlungswärme-Abschirmung erschwert, so daß ein Wirbelstrom, der durch die elektrische Kopplung des Behälters der supraleitenden Spule mit der Strah lungswärme-Abschirmung induziert wird, in diesem Teil der Strahlungswärme-Abschirmung unterdrückt werden kann. Hierbei verhält sich der Wirbelstromfluß in der Strah lungswärme-Abschirmung wie der weiter oben beschriebene Wirbelstrom, wobei kein Wirbelstrom fließt oder der Wirbelstromwert zumindest sehr klein wird, wenn die Frequenz der durch die äußere Störung bewirkten Schwin gung im Widerstandsbereich liegt. In jedem Fall kann der durch das Trägerelement im Spulenbehälter fließende Wirbelstrom durch die elektrische Kopplung unterdrückt werden, so daß die Wärmeerzeugung im Trägerelement verringert werden kann. Folglich wird die Wärmeerzeugung im gesamten Spulenbehälter verringert, so daß ein supra leitender Magnet erhalten werden kann, in dem ein Quen ching-Phänomen kaum auftritt.

Da die dreidimensionale Wirbelstromanalyse ergeben hat, daß ein Trägerelement in einem herkömmlichen Spulenbehäl ter an einer Position angeordnet ist, an der durch das Trägerelement leicht ein zirkulierender elektrischer Strom fließen kann, wurde die feste Position des Träger elementes im Spulenbehälter so verändert, daß kein zirkulierender elektrischer Strom und daher kein Wirbel strom fließen kann und somit die Wärmeerzeugung im Trägerelement unterdrückt wird. Das heißt, daß das Trägerelement nicht im Wirbelstrom-Flußpfad angeordnet werden darf. Beispielsweise wird die in Fig. 6 darge stellte Wirbelstrom-Schleife, die durch eine Kippschwin gung um die Y-Achse der Strahlungswärme-Abschirmung hervorgerufen wird, in den in Fig. 7 dargestellten Strompfad verändert, falls sich das Trägerelement nicht an der den Wirbelstrom erleichternden Position befindet und der Behälter der supraleitenden Spule eine einfache kreisförmige Gestalt besitzt. Das heißt, daß der Wirbel strom einen durch das Trägerelement verlaufenden Strom pfad ausbildet, wenn sich das Trägerelement an einer den Wirbelstrom erleichternden Position befindet. Der Fluß des Wirbelstroms durch das Trägerelement kann jedoch un terdrückt werden, wenn das Trägerelement an einer Positi on angeordnet wird, an der kein Strompfad des Wirbel stroms verläuft, oder an einer Position, an der sich die Strompfade von einander entgegengesetzten Wirbelströmen einander aufheben, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Folglich kann die durch den Wirbelstrom hervorgerufene Wärmeerzeu gung im Trägerelement verringert werden, außerdem kann die Wärmeerzeugung im Spulenbehälter selbst verringert werden, so daß ein supraleitender Magnet erhalten werden kann, bei dem ein Quenching-Phänomen kaum auftritt.

Die Wärmeerzeugung kann auch dadurch verringert werden, daß auf die Oberfläche des Trägerelementes durch Aufkle ben, Dampfabscheidung oder Plattieren Materialien mit ge ringem elektrischen Widerstand wie etwa Aluminium, Kupfer, Silber, Gold und dergleichen, deren spezifischer elektrischer Widerstand bei der Temperatur von flüssigem Helium (4K) erheblich abnimmt, aufgebracht werden, damit der elektrische Strom durch diese Materialien mit gerin gem Widerstand fließen kann, wenn ein Wirbelstrom erzeugt wird. In Übereinstimmung mit der dreidimensionalen Wirbelstromanalyse kann die Wärmeerzeugung im Trägerele ment auf 1/5 bis 1/10 der Wärmeerzeugung im Stand der Technik verringert werden, wenn die obenerwähnten Gegen maßnahmen ergriffen werden, welche später im einzelnen beschrieben werden.

Bei der Erläuterung der Anbringung des Bereichs mit hohem elektrischen Widerstand am Trägerelement ist der induk tive Bereich beschrieben worden. Das Ankleben usw. der Materialien mit niedrigem elektrischen Widerstand ist insbesondere bei einem supraleitenden Magneten wirksam, der im induktiven Bereich verwendet wird, also bei einem supraleitenden Magneten, bei dem keine Frequenzen auftre ten können, die kleiner als 1/τ sind und folglich größer als der Maximalwert (ü der Frequenz der durch eine äußere Störung hervorgerufenen Schwingungen sind. Im induktiven Bereich ist die Wärmeerzeugung selbstverständlich zum Wi derstandswert proportional, weil der elektrische Strom einen konstanten Wert besitzt. Folglich kann die Wärmeer zeugung in Abhängigkeit von der Verringerung des Wider standswertes verringert werden. Daher kann auch durch die obenbeschriebenen Verfahren ein supraleitender Magnet er halten werden, bei dem ein Quenching-Phänomen kaum auftritt. Die Vorteile treten insbesondere dann zutage, wenn Materialien mit hoher Reinheit (größer als 99,9%) als Materialien mit geringem spezifischem Widerstand ver wendet werden, weil der spezifische Widerstand der Materialien bei der Temperatur von flüssigem Helium (4K) auf 1/10 bis 1/100 des spezifischen Widerstandes bei Raumtemperatur abnimmt und die Wärmeerzeugung weiter ver ringert werden kann.

Erste Ausführungsform

Nun werden die durch die dreidimensionale Wirbelstromana lyse erhaltenen Daten und eine Ausführungsform eines su praleitenden Magneten, der in Abhängigkeit vom Analyseer gebnis hergestellt wird, im einzelnen erläutert.

In Fig. 1 ist eine mit einem Querschnitt kombinierte Draufsicht eines supraleitenden Magneten gemäß einer er sten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die supraleitende Spule 1 ist zusammen mit als Kühlmittel dienendem flüssigem Helium in einem ringförmigen Spulen behälter 2 enthalten. Der Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 ist aus rostfreiem Stahl hergestellt, um einer seits die supraleitende Spule 1 zu unterstützen und ande rerseits die in dieser supraleitenden Spule 1 verursachte elektromagnetische Kraft wie etwa eine Umfangsspannung aufzunehmen. Wie aus der JP 60-217610-A (1985) bekannt ist, ist nahezu die gesamte Außenfläche des aus SUS hergestellten Behälters diskontinuierlich mit Aluminium überzogen, um die Wärmeerzeugung durch den Behälter 2 selbst zu verringern. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet den Träger, der durch den Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 diametral verläuft. Der Träger 3 ist aus SUS herge stellt und am Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 mittels Schweißens befestigt; er wird ebenso wie der Be hälter 2 der supraleitenden Spule 1 auf die Temperatur von flüssigem Helium herabgekühlt. Der Behälter 2 der su praleitenden Spule 1 ist mittels eines Unterstützungsele mentes 6 an einem adiabatischen Vakuumbehälter 5 befe stigt, wobei der Träger 3 als Unterstützungsteil verwen det wird. Die Strahlungswärme-Abschirmung 4 befindet sich zwischen dem adiabatischen Vakuumbehälter 5 und dem Behälter 2 der supraleitenden Spule 1, um das Einströmen von Strahlungswärme in den Innenraum des Spulenbehälters 2 zu verhindern. Die Abschirmung 4 ist aus Aluminium her gestellt und wird mittels flüssigen Stickstoffs auf 80K herabgekühlt. In einem Teil des aus SUS hergestellten Trägers 3 der vorliegenden Ausführungsform ist der elektrisch isolierende Bereich 7 vorgesehen. Später werden mit Bezug auf Fig. 11 Einzelheiten des isolieren den Bereichs 7 erläutert. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet Schraubbolzen, die den Träger 3 und das Unterstützungs element 6 oder das Unterstützungselement 6 und den adiabatischen Vakuumbehälter 5 aneinander befestigen.

Wenn die Strahlungswärme-Abschirmung 4 relativ zur supra leitenden Spule 1 in Abhängigkeit von einer äußeren dyna mischen Ursache schwingt, durchquert die Strahlungs wärme-Abschirmung 4 das durch die supraleitende Spule 1 erzeug te starke Magnetfeld, so daß in der Strahlungswärme-Ab schirmung 4 ein Wirbelstrom erzeugt wird. Der Wirbel strom in der Strahlungswärme-Abschirmung 4 erzeugt ein Magnetfeld, wobei die Einkopplung des erzeugten magneti schen Feldes in den Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 in diesem Behälter einen Wirbelstrom erzeugt. Dieser Wir belstrom wird jedoch durch den in einem Teil des Trägers 3 vorgesehenen isolierenden Bereich 7 unterbrochen, so daß der Wirbelstrom nicht durch den Träger 3 fließen kann. Folglich wird dort keine Wärme erzeugt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das Auftreten eines Quenching-Phänomens verhindert, weil die Wärmeerzeugung im Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 auf einen Wert unterdrückt wird, der geringer als in dem in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Beispiel ist, in welchem durch den Träger 3 ein Wirbelstrom fließt.

In der vorliegenden Ausführungsform wird die Wirkung der Verringerung der Wärmeerzeugung durch die dreidimensiona le Wirbelstromanalyse quantitativ bestimmt. In den Fig. 3 und 4 sind Wirbelstrom-Flußmuster gezeigt, die durch die obenbeschriebene dreidimensionale Wirbelstromanalyse er halten und mittels eines Computers gezeichnet worden sind. Das in der Analyse verwendete Spulenmodell besaß anstatt der in Fig. 1 gezeigten genauen Kreisform eine leicht elliptische Form. Die Länge der Hauptachse des Spulenmodells betrug ungefähr 1000 mm. Die Berechnung wurde unter der Annahme ausgeführt, daß die supraleitende Spule auf 500 kAW (Kiloamperewindungen) erregt wird und relativ zur Strahlungswärme-Abschirmung zu einer Kipp schwingung um die Y-Achse um 4·10^-8 rad mit einer Frequenz von 300 Hz veranlaßt wird. In den Fig. 3 und 4 ist das Ergebnis der von einem Computer ausgeführten Be rechnung der Wirbelstromverteilung gezeigt. Die Linien in den Figuren sind zu den Stromlinien äquivalent. Das Ergebnis wurde für den Fall berechnet, in dem im Träger 3 keine Isolation vorgesehen ist, wobei die Wärmeerzeugung durch den Wirbelstrom 1 W beträgt. Der Behälter 2 der su praleitenden Spule 1 selbst ist mit Aluminium überzogen, wobei die Wärmeerzeugung 0,1 W beträgt, so daß die Hauptwärmequelle durch den Träger 3 gegeben ist. Die er zeugte Wärme von 1 W erscheint gering, sie stellt jedoch angesichts der Menge von flüssigem Helium, die für die Aufrechterhaltung der Temperatur der supraleitenden Spule auf 4K erforderlich ist, einen sehr großen Wert dar, so daß die Grenze für das Auftreten des Quenching-Phänomens erheblich abgesenkt wird. Die gleiche dreidimensionale Wirbelstromanalyse wurde für einen Fall ausgeführt, in dem der Träger 3 ein perfekt isolierter Körper war. Die Wärmeerzeugung im Träger 3 betrug im wesentlichen 0 W, weil der Wirbelstrom vollständig unterbrochen war, während die Wärmeerzeugung im Spulenbehälter 2 selbst wie im vorherigen Fall 0,1 W betrug, so daß die gesamte Wärmeerzeugung im Spulenbehälter durch die Schaffung der Isolation am Träger auf ein Zehntel verringert werden konnte.

Zweite Ausführungsform

In Fig. 8 ist ein perspektivischer Teilschnitt eines su praleitenden Magneten gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Aufbau des supraleitenden Magneten gemäß dieser zweiten Ausführungs form ist im wesentlichen und mit Ausnahme der Form der Strahlungswärme-Abschirmung gleich dem Aufbau der ersten Ausführungsform. Die Strahlungswärme-Abschirmung 4 gemäß der ersten Ausführungsform besitzt eine einfache, kreis förmige Form, während die Form der Strahlungswärme-Ab schirmung 4 gemäß der vorliegenden Ausführungsform vollständig an die Form des Behälters 2 der supraleiten den Spule 1 und an die Form des Trägers 3 angepaßt ist, wobei die Strahlungswärme-Abschirmung 4 so beschaffen ist, daß sie den Träger 3 selbst umgibt. Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform in einem Teil der den Träger umgebenden Strahlungswärme-Abschirmung 4 ein isolierender Bereich 7 vorgesehen. Wenn eine äußere, dy namische Wirkung Schwingungen der Strahlungswärme-Ab schirmung 4 relativ zur supraleitenden Spule 1 hervorruft und die Strahlungswärme-Abschirmung 4 das von der supra leitenden Spule 1 erzeugte Magnetfeld durchquert, wird in der Strahlungswärme-Abschirmung 4 ein Wirbelstrom er zeugt, der jedoch nicht durch die den Träger 3 umgebende Strahlungswärme-Abschirmung fließt, weil der Wirbelstrom durch den isolierenden Bereich 7 unterbrochen wird. Folglich wird auch der Wirbelstrom unterdrückt, der andernfalls im Träger 3 durch die elektrische Kopplung des Behälters 2 der supraleitenden Spule mit der Strah lungswärme-Abschirmung 4 erzeugt würde. Folglich wird auch die Wärmeerzeugung im Träger 3 unterdrückt, so daß die gesamte Wärmeerzeugung im Behälter der supraleitenden Spule verringert und ein supraleitender Magnet erhalten wird, bei dem ein Quenching-Phänomen kaum auftritt. Die Einzelheiten des isolierenden Bereichs 7 sind in Fig. 12 in einem mit dem Bezugszeichen 12 bezeichneten Bereich gezeigt und werden später erläutert.

Die dreidimensionale Wirbelstromanalyse wurde in der zweiten Ausführungsform auf ähnliche Weise unter der An nahme ausgeführt, daß der Schwingungszustand und die Ab messungen der gesamten Spule und dergleichen gleich wie in der ersten Ausführungsform sind. Im vorliegenden Fall betrug die gesamte Wärmeerzeugung 0,15 W. In der vorlie genden Ausführungsform ist am Träger 3 selbst kein isolierender Bereich vorgesehen, so daß durch den Träger 3 ein geringer Wirbelstrom fließt. Die Wärmeerzeugung von 0,05 W im Träger 3 und von 0,1 W im Spulenbehälter 2 er gibt eine gesamte Wärmeerzeugung von 0,15 W. Daraus ist ersichtlich, daß die Wärmeerzeugung durch die Isolation lediglich in der Strahlungswärme-Abschirmung erheblich, nämlich auf ungefähr 15%, gesenkt werden kann.

Die vorliegende Ausführungsform wird als Alternative be vorzugt, wenn die Isolation des Trägers wegen der geome trischen Gestalt des Spulenbehälters 2 oder wegen einer Struktur des Spulenbehälters, die für die Aufnahme einer Umfangsspannung von der Spule geeignet ist, schwierig ist.

Dritte Ausführungsform

In Fig. 9 ist die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der grundlegende Aufbau der dritten Ausführungsform ist gleich dem Aufbau der ersten Ausfüh rungsform, jedoch ist der mit dem Bezugszeichen 9 be zeichnete Bereich in der vorliegenden Ausführungsform nicht durch den elektrisch isolierenden Bereich, sondern durch einen Bereich mit hohem elektrischen Widerstand ge geben. Wenn eine äußere dynamische Wirkung Schwingungen der Strahlungswärme-Abschirmung 4 relativ zur supralei tenden Spule 1 hervorruft, wird in der Strahlungswärme-Ab schirmung 4 ein Wirbelstrom erzeugt, weil die Abschir mung 4 das von der supraleitenden Spule 1 erzeugte starke Magnetfeld durchquert. Außerdem wird durch die Bewegung durch das vom Wirbelstrom in der Strahlungswärme-Abschir mung 4 erzeugte Magnetfeld im Behälter 2 der supraleiten den Spule 1 ein weiterer Wirbelstrom erzeugt. Der Wirbel strom wird jedoch unterbrochen, indem die Frequenz der durch die äußere Störung verursachten Schwingungen im obenerwähnten Widerstandsbereich des Bereichs 9 mit hohem Widerstand des Trägers 3 angesetzt wird. Folglich wird der Wirbelstrom im Träger 3 unterdrückt, so daß auch eine Wärmeerzeugung unterdrückt wird. Selbst wenn durch den Bereich 9 mit hohem Widerstand ein Wirbelstrom fließt, wird der Widerstand der einen Windung der eine Hälfte des Behälters 2 und den Träger 3 umfassenden geschlossenen Schleife durch das Vorhandensein des Bereichs 9 mit hohem elektrischen Widerstand erhöht, so daß der in der ge schlossenen Schleife induzierte Wirbelstrom sehr stark abgeschwächt wird. Wenn daher der Widerstandswert des Be reichs mit hohem Widerstand groß genug ist, wird die Wär meerzeugung vollständig unterdrückt. Folglich wird die Wärmeerzeugung im Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 unterdrückt, so daß ein Quenching-Phänomen kaum auftreten kann.

Der Bereich 9 mit hohem Widerstand wird durch ein Verfah ren verwirklicht, in dem statt des rostfreien Stahls Ma terialien mit hohem Widerstand wie etwa Inconel verwendet werden oder indem der gesamte Träger 3 selbst aus rost freiem Stahl hergestellt wird und der Bereich mit hohem Widerstand eine Balgstruktur erhält, um den spezifischen Widerstand in Längsrichtung zu erhöhen.

Vierte Ausführungsform

In Fig. 10 ist eine vierte Ausführungsform der vorliegen den Erfindung gezeigt. Der Grundaufbau der vierten Ausführungsform ist gleich dem Aufbau der ersten Ausfüh rungsform, jedoch enthält die Strahlungswärme-Abschirmung 4 der vierten Ausführungsform den Behälter 2 der supra leitenden Spule 1, der die in Fig. 9 gezeigte Form besitzt; ferner ist der Bereich 9 mit hohem Widerstand in einem Teil der Strahlungswärme-Abschirmung 4 vorgesehen, die die insgesamt vier Träger des Behälters 2 der supra leitenden Spule 1 umgibt.

Wenn die Strahlungswärme-Abschirmung 4 durch eine äußere dynamische Wirkung in Schwingungen relativ zur supralei tenden Spule 1 versetzt wird und das durch die supralei tende Spule 1 erzeugte Magnetfeld durchquert, wird in der Strahlungswärme-Abschirmung 4 ein Wirbelstrom erzeugt. Der Wirbelstrom wird jedoch unterbrochen, weil der in ei nem Teil der den Träger 3 umgebenden Strahlungswärme-Ab schirmung 4 vorgesehene Teil die Frequenz der durch eine äußere Störung verursachten Schwingung im Widerstandsbe reich ansiedelt und somit ein durch den den Träger 3 um gebenden Teil der Strahlungswärme-Abschirmung 4 fließen der Wirbelstrom nicht erzeugt wird. Selbst wenn durch den Bereich 9 mit hohem Widerstand ein Wirbelstrom fließt, nimmt der induzierte Wirbelstrom in einem Maß ab, das der Zunahme des spezifischen Widerstandes einer Windung durch die Hinzufügung des Bereichs 9 mit hohem Widerstand entspricht. In jedem Fall ist zwischen dem Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 und der Strahlungswärme-Abschirmung 4 eine elektrische Kopplung vorhanden, wobei der im Träger selbst induzierte Wirbelstrom unterdrückt wird, falls der durch den den Träger 3 umgebenden Teil der Strahlungswärme-Abschirmung 4 fließende Wirbelstrom unterdrückt wird. Folglich wird die Wärmeerzeugung im Träger 3 unterdrückt, so daß die gesamte Wärmeerzeugung im Behälter 2 der supraleitenden Spule verringert wird und ein supraleitender Magnet erhalten wird, bei dem ein Quenching-Phänomen kaum auftritt.

Fünfte Ausführungsform

In Fig. 7 ist die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die supraleitende Spule 1 ist zusammen mit einem Kühlmittel wie etwa flüssigem Helium in einem Spulenbehälter 2 enthalten. Der Behälter 2 der supralei tenden Spule 1 ist aus SUS hergestellt und unterstützt die supraleitende Spule 1 und nimmt gleichzeitig eine in der supraleitenden Spule 1 erzeugte elektromagnetische Kraft wie etwa eine Umfangsspannung auf. Das Bezugszei chen 3 bezeichnet einen Träger des Behälters 2 der supraleitenden Spule 1. Der Träger 3 ist aus SUS herge stellt und mittels Schweißens am Behälter 2 der supralei tenden Spule 1 befestigt; er wird wie der Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 auf die Temperatur von flüssigem Helium herabgekühlt. Unter der Annahme, daß die Strah lungswärme-Abschirmung 4, die wie in Fig. 6 gezeigt den Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 umgibt, einer von außen erzeugten Kippschwingung um die Y-Achse unterworfen wird, werden Strompfade 13 der Wirbelströme ausgebildet, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind. Hierbei besitzen die Wir belströme auf der linken und auf der rechten Seite bzw. auf der Oberseite und der Unterseite jeweils eine entge gengesetzte Umlaufrichtung. Daher werden die Pfade der Wirbelströme in den vier halbkreisförmigen Schleifen auf der linken und der rechten bzw. der oberen und der unteren Seite im Spulenbehälter 2 geändert, wenn die Ver bindung des Trägers zwischen A und B zu einer Verbindung zwischen A und H, die Verbindung des Trägers zwischen C und D zu einer Verbindung zwischen C und F, die Verbin dung des Trägers zwischen E und F zu einer Verbindung zwischen E und D und die Verbindung des Trägers zwischen G und H zu einer Verbindung zwischen G und B geändert wird, wie in Fig. 7 gezeigt ist, um einen Strompfad 14 auszubilden, der lediglich im Ringkörper-Bereich des Spu lenbehälters 2 verläuft. Das heißt, daß ein zwischen dem Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 und dem Träger 3 zirkulierender Strom unterbrochen wird. Folglich wird der durch den Träger 3 fließende Wirbelstrom unterdrückt, so daß die Wärmeerzeugung im Träger verringert wird. Daher wird die gesamte Wärmeerzeugung im Behälter der supralei tenden Spule selbst unterdrückt, weshalb ein supraleiten der Magnet erhalten werden kann, bei dem ein Quenching-Phänomen kaum auftritt.

Nun wird die Struktur des in Verbindung mit der ersten und der zweiten Ausführungsform erwähnten isolierenden Bereichs genauer erläutert.

In Fig. 11 ist ein Querschnitt gezeigt, der der Erläute rung von Einzelheiten des in der ersten Ausführungsform beschriebenen isolierenden Bereichs dient. Das Bezugszei chen 1 bezeichnet eine supraleitende Spule, 2 einen Behälter der supraleitenden Spule 1 und 3 einen aus SUS hergestellten Träger. Der Träger 3 ist in zwei Bereiche unterteilt, wobei die Endbereiche 3a und 3b jeweils zu Flanschen mit größerem Durchmesser ausgebildet sind. Die Endbereiche 3a und 3b sind einander gegenüber angeordnet, außerdem ist ein aus SUS hergestelltes Befestigungsele ment 10 an den Endbereichen angebracht, wobei es die letzteren umgibt. Zwischen dem Befestigungselement 10 und den Endbereichen 3a und 3b ist der Isolator 7 angebracht, so daß das Befestigungselement 10 und die Endbereiche 3a und 3b jeweils voneinander elektrisch isoliert sind und das Befestigungselement 10 und die Endbereiche 3a und 3b mittels isolierender Schraubbolzen 11 miteinander befe stigt sind. Durch die Schaffung der obenbeschriebenen Struktur nimmt das Befestigungselement 10 selbst dann, wenn auf den Träger 3 eine durch eine starke elektroma gnetische Kraft verursachte hohe Zugbeanspruchung ausge übt wird, diese Zugbeanspruchung auf, um so zusätzlich zur Aufrechterhaltung der Isolation den Behälter 2 der supraleitenden Spule 1 zu unterstützen. Als Materialien für den Isolator 7 werden faserverstärkte Kunststoffe, Keramiken wie etwa Aluminiumoxid und dergleichen und Kunststoffe mit niedrigem Wärmewiderstand wie etwa Kapton oder Teflon (Handelsname) usw. verwendet.

In Fig. 12 ist ein Querschnitt gezeigt, der Einzelheiten des in der zweiten Ausführungsform verwendeten Isolators erläutert.

Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine supraleitende Spule, 2 einen Behälter der supraleitenden Spule 1, 3 einen aus SUS hergestellten Träger und 4 eine Strahlungs wärme-Abschirmung. Die Strahlungswärme-Abschirmung 4 besitzt in dem den Träger 3 umgebenden Bereich einen unterbrochenen Bereich 12 und ist in diesem Bereich isoliert. Die Strahlungswärme-Abschirmung besitzt nur wenige Unterstüt zungspunkte, um zu vermeiden, daß Wärme eintritt. Sie ist durch eine einfache Struktur befestigt, so daß auf sie außer im Falle eines Quenching-Phänomens keine große elektromagnetische Kraft ausgeübt wird. Folglich ist es ausreichend, lediglich einen unterbrochenen Bereich in einem Teil der Strahlungswärme-Abschirmung 4 vorzusehen, ohne eine komplizierte Isolationsstruktur wie etwa eine Kombination von faserverstärkten Kunststoffen und einem unterbrochenen Bereich zu verwenden. In dem Fall, in dem der Eintritt von Strahlungswärme unter allen Umständen vermieden werden sollte, kann eine Überlappungsstruktur zur Anwendung kommen, bei der ein Ende des unterbrochenen Bereichs mit dem anderen Ende des unterbrochenen Bereichs überlappt.

Sechste Ausführungsform

In Fig. 14 ist eine sechste Ausführungsform der vorlie genden Erfindung gezeigt.

Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Behälter einer supraleitenden Spule, während das Bezugszeichen 3 einen zum Behälter der supraleitenden Spule gehörenden Träger bezeichnet und wobei die schraffierten Bereiche 17 Bereiche mit geringem elektrischen Widerstand und die nicht schraffierten Bereiche SUS-Teile des Behälters der supraleitenden Spule darstellen. Als Materialien mit ge ringem elektrischen Widerstand werden Aluminium, Kupfer, Silber, Gold und dergleichen verwendet, wobei das Materi al am Träger und am Spulenbehälter beispielsweise durch eines der folgenden Verfahren angebracht wird: Ankleben, Dampfabscheiden, Schweißen und Plattieren. In diesem Fall wird die Wärmeerzeugung verringert, indem die Frequenz der durch eine äußere Störung bewirkten Schwingung im obenerwähnten induktiven Bereich angesiedelt wird, um den Widerstand einer Windung des Behälters 2 der supraleiten den Spule abzusenken. Zusätzlich zur Ausbildung von Elementen mit niedrigem Widerstand am Behälter 2 der su praleitenden Spule sind auch am Träger 3 Elemente mit niedrigem Widerstand angebracht, wodurch die Wärmeerzeu gung weiter verringert wird. Der Grund, weswegen nicht die gesamte Oberfläche des Behälters mit Aluminium oder dergleichen überzogen wird, besteht in der Verhinderung eines Anstiegs der Zeit und der elektrischen Leistung, die für den Start der supraleitenden Spule benötigt werden, weil im Behälter 2 der supraleitenden Spule bei der Erregung derselben leicht ein Wirbelstrom fließt.

Die dreidimensionale Wirbelstromanalyse, die in dem obenbeschriebenen System unter den gleichen Bedingungen wie in der ersten Ausführungsform ausgeführt wurde, hat ergeben, daß die gesamte Wärmeerzeugung 0,1 W beträgt und somit gegenüber dem Fall, in dem am Träger 3 keine Materialien mit geringem Widerstand vorgesehen sind, auf 1/10 verringert wird. Gemäß der obenbeschriebenen Struk tur wird die Wärmeerzeugung im Behälter der supraleiten den Spule verringert, so daß ein supraleitender Magnet erhalten werden kann, bei dem ein Quenching-Phänomen kaum auftritt.

Zusätzlich zu der Schaffung der Trägerstrukturen gemäß einer der obenbeschriebenen Ausführungsformen ist es im Hinblick auf eine Verringerung des durch den Behälter fließenden Wirbelstroms sehr wirksam, an einem Teil des ringförmigen Körpers des Spulenbehälters 2 selbst Berei che mit hohem elektrischen Widerstand vorzusehen.

Claims

1. Supraleitender Magnet, mit
einer supraleitenden Spule, die in einem Spulenbehälter (2) enthalten ist; und
einem Trägerelement (3), das quer durch einen zentralen Durchgang des Spulenbehälters (2) verläuft, um eine in der supraleitenden Spule (1) erzeugte Umfangsspannung aufzufangen,
dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (3) oder ein das Trägerelement (3) umgebender Teil einer Strahlungswärmeabschirmung (4), die den Spulenbehälter (2) umgibt, ein Material (7, 9) mit hohem elektrischem Widerstand umfaßt.

2. Supraleitender Magnet gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (7, 9) ein Isolator ist.

3. Supraleitender Magnet gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (7, 9) den Fluß eines Wirbelstroms in einer das Trägerelement (3) und den Spulenbehälter (2) umfassenden geschlossenen Schleife oder in der das Trägerelement (3) und den Spulenbehälter (2) umgebenden Strahlungswärmeabschirmung (4) verringert oder verhindert.

4. Supraleitender Magnet gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (7, 9) glasfaserverstärkter Kunststoff, Aluminiumoxid und/oder kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff ist.

5. Supraleitender Magnet gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (7, 9) ein Fluorharz ist und als Niedertemperatur-Isolator geeignet ist.

6. Supraleitender Magnet gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (3) aus Inconel hergestellt ist.

7. Supraleitender Magnet gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungswärmeabschirmung (4) mit Ausnahme eines Teils, der das Trägerelement (3) umgibt und aus Inconel oder rostfreiem Stahl hergestellt ist, aus Aluminium hergestellt ist.

8. Supraleitender Magnet gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Trägerelements 3) dadurch einen hohen Widerstand besitzt, daß er mit einer Balgstruktur versehen ist.

9. Supraleitender Magnet gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenbehälter (2) so aufgebaut ist, daß er an bestimmten Stellen an seiner Umfangsfläche mit elektrischen Isolatoren oder mit Materialien (17) mit hohem elektrischem Widerstand versehen ist, um die Zirkulation des elektrischen Stroms in tangentialer Richtung zu verringern.

10. Supraleitender Magnet gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfläche des Trägerelementes (3) mit elektrischen Leitern oder mit Materialien mit geringem spezifischen Widerstand überzogen ist.

11. Supraleitender Magnet gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien mit geringem spezifischen Widerstand gegeben sind durch eines oder mehrere der folgenden Materialien: Aluminium, Kupfer, Gold und Silber.