DK2599134T3 - Højtemperatur-superleder-magnetsystem - Google Patents

Description

Beskrivelse Nærværende opfindelse angår et højtemperatur-superleder (HTS)-magnetsystem, fortrinsvis til en indsatsindretning til generering af en højintensiv synkrotronstråling i overensstemmelse med de i det første patentkrav angivne træk. Indretningen er imidlertid ikke begrænset til denne anvendelse, men kan også benyttes til andre egnede anvendelsessituationer. I synkrotronlyskilder bliver såkaldte indsatsindretninger, undulatorer og Wiggler, anvendt, men henblik på at generere højbrillant stråling, som anvendes til adskillige forskelligartede eksperimenter. Disse indretninger genererer et periodisk alternerende magnetfelt langs strålingsaksen, idet periodelængden er nøjagtigt defineret. Medens elektronerne passerer feltet, bliver de ved hjælp af denne feltkonfiguration tvunget til en oscillerende trajektorie, og genererer så synkrotronstråling (fig. 1). I det specielle tilfælde med en undulator, er periodelængden for magnetfeltet nøjagtigt afpasset til bølgelængden for synkrotronstrålingen. Dette fører til stimuleret emission, som genererer kohærent lys i en meget smal båndbredde. På grund af den periodiske transversale oscillation af partiklerne er den resulterende spontane emission hovedsagelig kohærent og har smal spektral linjebredde, således som dette er beskrevet i "Trends in the Development of insertion devices for a future synchrotron light source", C. S. Hwang, C. H. Chang, NSRRC, Hsinchu, Taiwan, Proceedings IPAC 2010.

Undulatorer og Wiggler opbygges af permanentmagneter og elektromagneter. Et viklelegeme til en elektromagnetisk undulator er beskrevet i DE 10 2007 010 414 A1, hvor der i dette dokument ikke nærmere beskrives måden til fremstilling af et HTS-baseret magnetspolearrangement til generering af det ønskede felt. I den forbindelse bliver to åg oprettet således i forhold til hinanden, at de ligger symmetrisk i forhold til strålingsaksen for elektronstrålen og genererer det ønskede felt. Anvendelsen af permanentmagneter til undulatorer og Wiggler går helt tilbage til den første prototype. Frem for alt i forbindelse med elektromagneter bliver den magnetiske flux ledt igennem polerne, idet man strømforsyner tilstødende spoler i modsat retning (fig. 2). I sammenligning med elektromagneter er permanentmagnetiske undulatorer den mest udbredte løsning, men begrænset med hensyn til deres maksimale felt.

Superledende indsatsindretninger (SCU) opnår derimod højere magnetfelter og tillader således en højere elektronstrømning og/eller højere fotoenergier, end de permanentmagnetiske systemer, hvilket er ønsket for fremtidige eksperimenter. Adskillige superledende indsatsindretninger er hidtil opbyggede, disses spoler bliver imidlertid standardmæssigt fremstillede af lavtemperatur superledere (LTS) Niob-Titan (NbTi). ("Fabrication of the new superconducting undulator for the ANKA synchrotron light source", C. Boffo, W. Walter, Babcock Noell GmbH, Wurzburg, Germany, T. Baumbach, S. Casalbuoni, A. Grau, M. Hagelstein, D. Seaz de Jauregui, Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany, Proceedings IPAC 2010). Med henblik på at opnå en endnu højere magnetisk flux og dermed et højere magnetfelt, bliver anvendelsen af andre superledere såsom Nb3Sn eller HTS foreslået. Forsøg med testemner eller første korte prototyper bliver gennemført og beskrevet i "Insertion device activities for NSLS-II", T. Tanabe, D.A. Harder, S. Hulbert, G. Rakowsky, J. Skaritka, National Synchrotron Light Source-ll, Brookhaven National Laboratory, Upton, New York, USA, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 582 (2007), side 31-33.

Spolerne bliver for det meste viklet sammenhængende af så vidt muligt en gennemgående leder med kun få afbrydelser. Afbrydelser bliver følgelig undgået, eftersom der ved disse hyppigt opstår varme, som for systemet betyder supplerende termiske belastninger. Dette betyder en høj indsats for vikleprocessen, eftersom spolerne desuden hver især skal være viklede i forskellige retninger med henblik på at generere det skiftende magnetfelt. Grundlæggende skal disse LTS spoler, som følgelig også især udadtil skal være beskyttede af køleskjolde, køles til kryogene temperaturer omkring 4 K, typisk ved hjælp af kryokølere. De danner samlet, det som har den laveste temperatur i kryostaten, den såkaldte "kolde masse". Kryokølere er kølemaskiner med lukket kølekredsløb, ved hjælp af hvilke opnåelsen af kryogene temperaturer er mulig og ved hjælp af hvilke en badkøling med flydende helium kan undgås, hvilket kraftigt forenkler anvendelsen af magneten. Kommercielle systemer tilvejebringer op til 1,5 W køleeffekt ved en temperatur på 4,5 K. Køleeffekten afhænger kraftigt af driftstemperaturen for den kølende anvendelse. Jo højere driftstemperaturen er, jo højere er den til rådighed stående køleeffekt.

Et problem, som vedrører løsningen til superledende indsatsindretninger, er undgåelsen af den ved bølgebevægelsen af elektronstrålen genererede varme-indføring ved kryogene temperaturer. Den samlede varmemængde for en stråle i en synkrotronkilde af tredje generation kan i overensstemmelse med "Heat load issues of superconducting undulator operated at TPS storage ring", J. C. Jan, C. S. Hwang and P. H. Lin, NSRRC, Hsinchu, Taiwan" Proceedings EPAC 2008" og "Measurements of the beam heat load in the cold bore superconductive undulator installed at ANKA", S. Casalbuoni, A. Grau, M. Hagelstein, R. Rossmanith, Forschungszentrum Karlsruhe, Germany, F. Zimmermann, CERN, Geneva, Switzerland, B. Kostka, E. Mashkina, E. Steffens, University of Erlangen, Germany, A. Bernhard, D. Wollmann, T. Baumbach; University of Karlsruhe, Germany, Proceedings PAC 2007, udgøre mere end 10 W.

For tiden bliver kølesystemet for magneterne som, med henblik på at fungere, til enhver tid skal holdes under en temperatur på 4,2 K, typisk adskilt fra kølesystemet for strålerøret, med henblik på at minimere antallet af kryokølere. Denne løsning muliggør, at strålerøret i sammenligning med magneterne kan holdes på en højere temperatur, således at kryokølerne stadig har tilstrækkelig køleeffekt til rådighed, med henblik på at udligne varmeindføringen fra strålen. Selvom det har vist sig som brugbar løsning, kan de tekniske problemer og sikkerheden for magnetsystemet forbedres væsentligt, hvis man kunne drive magneterne ved den samme temperatur som strålerøret.

Det er følgelig hensigten med opfindelsen, at udvikle et magnetsystem til en indsatsindretning, i forbindelse med hvilket ingen besværlig vikling er nødvendig og hvor en besværlig køling bortfalder, hvorved sikkerhedsproblemer på grund af manglende køling ikke skulle opstå.

Dette opnås ved hjælp af et højtemperatur-superleder (HTS)-magnetsystem til en indsatsindretning i overensstemmelse med de i det første patentkrav angivne træk.

Underkrav angiver fordelagtige udførelsesformer ifølge opfindelsen. Løsningen ifølge opfindelsen tilvejebringer et viklelegeme, som kan være udformet cylindrisk, ovalt, rektangulært, firkantet, som blok, bestående af plader m.v. På kappefladen af viklelegemet er der anbragt poler med derimellem liggende viklinger, idet viklingerne udgør et HTS-ledningsbånd.

Det ovennævnte problem bliver grundlæggende løst ved erstatning af lavtemperatur-superledertråde (LTS), således som de anvendes i standard-magnetsystemer til superledende indsatsindretninger, med et HTS-ledningsbånd. HTS-ledningsbåndet bliver allerede ved temperaturen for flydende kvælstof (77 K) superledende og ved en drift ved lavere temperaturer kan effektparametrene for lederen forøges signifikant.

Lederen kan under alle omstændigheder på grund af sin geometri og yderligere mekaniske egenskaber ikke vikles vilkårligt, hvorfor viklefremgangsmåden og arrangementet i forhold til LTS materialer er indskrænket for denne type leder. Trods dette bliver første magneter af HTS ledere fremstillede og anvendt, eksempelvis en sekstupol på den nationale synkrotronlyskilde kilde i USA ("Insertion Devices R&D for NSLS-N", T. Tanabe, D.A. Harder, G. Rakowsky, T.Shaftan and J. Skaritka, National Synchrotron Light Source-ll, Brookhaven National Laboratory, Upton, New York, USA, Proceedings PAC 2007). Denne magnet er ansvarlig for fokuseringen af partikelstrålen i en accelerator. Den genererer et magnetfelt, som også periodisk vendes i retningen, men i øvrigt som for en undulator ikke er plan, men oprullet, således at der fås en stjerneform. Med henblik på at opnå dette er der på et som sådant lukket åg, som danner en slags cirkel, på den indad vendende kappeflade anbragt poler, som ikke ligger koaksialt med åget. I modsætning hertil er polerne på viklingslegemet ifølge nærværende opfindelse anbragt koaksialt på dette. Ligeledes bliver, for en sådan magnet, som regel polen anvendt som viklingslegeme og spolerne viklet om denne. Spolerne bliver viklede som såkaldte Double-Pancakes, således at begge elektriske kontakter ligger på den udvendige radius af spolen. Som allerede nævnt, er, i modsætning hertil til en undulator, et plant magnetfelt nødvendigt, således som det er vist i fig. 1 og 2, hvilket forudsætter et lige og plant viklelegeme. Spolerne i den foreliggende ansøgning stemmer overens med dette koncept og er koaksialt viklede, idet den elektriske kontaktering til enhver tid sker ved den indvendige og udvendige radius af spolen.

Ved den fundne løsning er adskillige, fortrinsvis respektive to, HTS ledningsbånd ved hjælp af en forbindelsesdel forbundet således med hinanden, at der i de forbundne spoler genereres en modsat rettet strøm (fig. 2), (fig. 4), med henblik på at fremstille den ønskede magnetfeltkonfiguration.

Den bevidste anvendelse af så mange forbindelsessteder, som genererer en varmeindføring i systemet, adskiller sig konceptmæssigt og grundlæggende fra de hidtidige koncepter for LTS baserede indsatsindretninger. De derved opstående supplerende varmebelastninger kan kun tolereres fordi, at en HTS leder kan drives med en større sikkerhedsmargen med hensyn til den kritiske temperatur.

Det er fordelagtigt, at HTS ledningsbånd samtidigt med et derunder anbragt isoleringsbånd vikles parallelt på kappefladen af viklingslegemet. Ledningsbåndet har fortrinsvis et rektangulært eller tilsvarende tværsnit.

Den foreslåede løsning forudsætter to erkendelser: Et nyt viklingsskema med henblik på at generere den krævede magnetfeltkonfiguration under anvendelsen af HTS ledningsbånd for magnetsystemet, såsom undulatorer, Wiggler og indsatsindretninger af anvendelsesrelevant længde.

Yderligere er det fordelagtigt at udforme viklingslegemet cylinderformet og anbringe koaksiale poler på kappefladen. Imellem de ringformede poler skal der anbringes en udsparing for forbindelseselementet.

Desuden er det fordelagtigt, at anbringe et øvre forbindelsesstykke på det færdig-viklede viklelegeme. I det følgende forklares opfindelsen og den kendte teknik nærmere ved hjælp af et udførelseseksempel og seks figurer. På figurerne viser: fig. 1: grundprincippet for en undulator med magnetiske syd- og nordpoler, med elektroner og emitterede fotoner fig. 2: funktionsprincippet for en indsatsindretning med magnetspoler fig. 3: skematisk afbildning af en superledende indsatsindretning med kryokøler for stålrør og magnet fig. 4: skematisk afbildning af viklelagene på åget af viklelegemet i fig. 5, rotationssymmetrisk fig. 5: billede af et viklelegeme og begyndelsen af en vikling med to ledere på et forbindelsesstykke fig. 6: billede af et færdigviklet viklelegeme, hvorpå de øvre forbindelsesstykker er anbragt.

Fig. 1 og 2 viser grundprincippet, i overensstemmelse med hvilket kendte undulatorer i overensstemmelse med den kendte teknik fungerer. Fig. 3 viser en superledende indsatsindretning ifølge den kendte teknik.

Fig. 1 viser grundprincippet for en undulator med en elektron 1 på strålingsaksen 2, idet der over og under strålingsaksen 2 er anbragt nord- og sydpoler 4 for magnetfeltet. Indretningen, der er vist i udsnit, genererer et periodisk alternerende magnetfelt på strålingsaksen 2, idet periodelængden er nøjagtigt defineret. Medens elektronen 1 passerer feltet, bliver den på grund af denne feltkonfiguration tvunget til en oscillerende trajektorie 3 og emitterer således synkrotronstråling 5 fra elektronen 1.

Fig. 2 viser udsnittet i to viklelegemer 6 for et magnetsystem med funktionsprincippet for indsatsindretningen med modsat rettet strømføring i magnetspoler 9, 11, hvis magnetiske flux 10, 12 forstærkes i polerne. Viklelegemerne 6 med magnetspolerne 9, 11 er anbragt over for hinanden, idet strålingsaksen 2 er ført imellem viklelegemerne 6 med poler. Den af magnetspolerne 9, 11 genererede magnetiske flux 10, 12 genererer et magnetfelt, for hvilket den respektive største magnetfeltvektor 7 er indtegnet imellem viklelegemerne 6.

Fig. 3 viser den skematiske afbildning af en superledende indsatsindretning med kryokøleren 8 på stålrøret 4, igennem hvilket strålingsaksen 2 forløber. Kryostat 15, undulatormagnet 17, bestående af det øvre og nedre åg, samt den kolde masse 18 fremgår ligeledes af figuren. Ulemperne og funktionsmåden for denne indretning er allerede beskrevet ovenfor.

Fig. 4 viser i skematisk afbildning deltværsnittet A-A i viklelegemet 6 i fig. 5 med forhøjninger, idet HTS-viklepakker 13 er anbragt over hinanden i individuelle lag 23, 24, bestående af HTS-ledningsbånd 23 og isoleringsfolie 24. Disse lag udgør de feltgenererende magnetspoler med forskellig strømretning, hvor retningen 19 af strømmen i spolerne er indtegnet. Forbindelsesstykket 16, 20 er anbragt imellem spolerne foroven og forneden, således at en strøm kan forløbe.

Fig. 5 viser en afbildning af viklelegemet 6 for løsningen ifølge opfindelsen med adskillige gennemgående poler 22 med tværsnitsforløbet A-A. Imellem de gennemgående poler 22 ses forbindelsesstykket 20 ved begyndelsen af viklingen i en udsparing ved polen 21, idet forbindelsesstykket 20 indbyrdes forbinder to HTS ledningsbånd 23 til et par, under hvilke der befinder sig et isolationsfoliepar 24. Imellem de respektive par 23, 24 er der anbragt en pol 21 med udsparing.

Det i fig. 4 viste og beskrevne nye viklingsskema muliggør, at alle spoler vikles i den samme retning, således som det fremgår af fig. 5.

Den alternerende magnetfeltstruktur, som er typisk for en undulator eller en Wiggler, opstår ved den korrekte indbyrdes forbindelse af spolerne, med henblik på at styre strømmen således, som det er vist i fig. 4, at en modsat rettet strømretning tilvejebringes. I overensstemmelse med det nye viklingsskema (se fig. 5), bliver det blanke HTS ledningsbånd 23 samtidigt med et isolationsbånd 24 viklet parallelt på viklelegemet 6. Før viklingen bliver to ledningsbånd 23 loddet på en HTS-plade, med henblik på at forbinde disse elektrisk indbyrdes. Pladen bliver klæbet på viklekernen 16, med henblik på således under vikleprocessen at kunne opbygge spænding. De to ledere 23 bliver viklet samtidigt parallelt med hinanden og sammen med isolationsfolierne 24. Når vikleprocessen for de to spoler er afsluttet, bliver ledningsbåndet fikseret og afskåret, med henblik på at vikle to nye spoler. Forhøjningerne 21 på viklelegemet 6 omfatter udsparinger der, hvor ét af de nedre forbindelsesstykker 20 skal ligge, og gennemgående polforhøjninger 22, hvor viklesegmenterne 25 skal elektrisk forbindes med hinanden via et foroven påliggende forbindelsesstykke.

Fig. 6 viser hvorledes de to spoler forbindes med de to forudgående, med henblik på at generere den elektriske strøm som vist i fig. 4. Denne fremgangsmåde forenkler vikleprocessen væsentligt og ved hjælp af den modulære anbringelse kan i givet fald individuelle spolepar udskiftes. Skemaet kan anvendes på enhver mulig konfiguration af et HTS-magnetsystem for en indsatsindretning og egner sig følgelig også til anvendelse i såkaldte frie elektronlasere og andre på partikelacceleratorer baserede lyskilder.

Liste over de anvendte henvisningstal 1 elektron 2 strålingsakse 3 trajektorie for elektronen i magnetfeltet 4 nord- og sydpoler for magnetfeltet 5 genereret lys fra elektronen 6 viklelegeme med poler 7 største magnetfeltvektor 8 kryokøler på strålerør og magnet 9 magnetspole (nordpol) - strømretning ud af planet 10 af magnetspolen genereret magnetisk flux (nord) 11 magnetspole (sydpol) - strømretning ud af planet 12 af magnetspolen genereret magnetisk flux (syd) 13 HTS-viklepakke med individuelle lag 14 strålerør 15 kryostat 16 øvre forbindelsesstykke over gennemgående pol 17 undulatormagnet (øvre og nedre åg) 18 kold masse 19 retning af strøm igennem spolerne 20 forbindelsesstykke ved start af viklingen (forneden) 21 pol med udsparing til forbindelsesstykke 22 gennemgående pol 23 HTS ledningsbåndpar 24 isolationsfoliepar 25 HTS magnetspole

Claims (6)

1. Højtemperatur-superleder (HTS)-magnetsystem, fortrinsvis til en indsatsindretning til generering af en højintensiv synkrotronstråling, bestående af viklelegemet (6), på hvis kappeflade der er anbragt poler med derimellem liggende viklinger, kendetegnet ved, at - feltforstærkende poler (21,22) er anbragt koaksialt på viklelegemet (6), imellem polerne (22) er der viklet i det mindste ét HTS ledningsbåndpar (23) i en retning på viklelegemet (6) til en HTS-viklepakke (13), imellem hvilken pakke en yderligere pol (21) er anbragt, og - tilstødende HTS-viklepakker (13) eller -sektioner er elektrisk indbyrdes forbundet således, at de respektive strømretninger er modsat rettede.

2. HTS-magnetsystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at i det mindste to HTS-ledningsbåndpar (23) er indbyrdes forbundet ved hjælp af en forbindelsesdel (20, 16) og viklede.

3. HTS-magnetsystem ifølge krav 2, kendetegnet ved, at HTS-ledningsbåndparrene (23) sammen med et derunder anbragt isoleringsbånd (24) er viklede parallelt på kappefladen af viklelegemet (6).

4. HTS-magnetsystem ifølge kravene 1 til 3, kendetegnet ved, at viklelegemet (6) har en cylinderform.

5. HTS-magnetsystem ifølge kravene 1 til 4, kendetegnet ved, at der imellem de koaksiale poler (22) er anbragt en udsparing for forbindelsesdelen (20).

6. HTS-magnetsystem ifølge kravene 1 til 5, kendetegnet ved, at der på det færdig-viklede viklelegeme (6) er anbragt et øvre forbindelsesstykke (16).