EP0195926A2 - Supraleitendes Magnetsystem für Teilchenbeschleuniger einer Synchroton-Strahlungsquelle - Google Patents

Supraleitendes Magnetsystem für Teilchenbeschleuniger einer Synchroton-Strahlungsquelle Download PDF

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EP0195926A2
EP0195926A2 EP86102069A EP86102069A EP0195926A2 EP 0195926 A2 EP0195926 A2 EP 0195926A2 EP 86102069 A EP86102069 A EP 86102069A EP 86102069 A EP86102069 A EP 86102069A EP 0195926 A2 EP0195926 A2 EP 0195926A2
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EP
European Patent Office
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magnet system
winding
superconducting
slot
particle
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EP86102069A
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EP0195926A3 (en
EP0195926B1 (de
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Cord-Henrich Dr. Dipl.-Phys. Dustmann
Hubert Dr.Dipl.-Phys. Keiber
Bernd Dr.Dipl.-Phys. Krevet
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ASEA BROWN BOVERI AKTIENGESELLSCHAFT
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Original Assignee
Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Brown Boveri und Cie AG Germany
Asea Brown Boveri AG Germany
BBC Brown Boveri AG Germany
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils

Definitions

  • the invention relates to a superconducting magnet system for particle accelerators of a synchrotron radiation source with a slot lying approximately in the plane of the particle path, tangentially or radially open for the exit of the synchrotron radiation and with a mechanical support device for the superconducting winding.
  • Such a magnet system is known from DE-OS 31 48 100 or from "Nuclear Instruments and Methods", Vol. 200, 1982, p. 475 to p. 479.
  • the coil configuration used in the known magnet system has a right-angled winding cross section and enables the tangential radiation exit.
  • the energy stored in the magnetic field is higher for such configurations than for a comparable shell arrangement.
  • This high stored energy must be quenched, i.e. in the event of an unwanted transition from the superconducting to the normally conducting phase, be decoupled from the coil in order to prevent destruction of the coil due to the strong heating and the associated mechanical stresses.
  • the coil configuration mentioned requires a comparatively large amount of conductor material in order to implement the required magnetic field.
  • Superconducting deflection magnets are also used in the construction of large ring accelerators (e.g. HERA).
  • HERA large ring accelerators
  • the coil configuration used here has a shell-shaped winding cross section and an essentially cos e-shaped current distribution. The current distribution is designed for generating a dipole field within the winding arrangement.
  • the key element of this configuration is a clip that biases the superconducting coil.
  • the basic idea of the pretensioning principle is to compress the coil package so far by clamp elements in the de-energized state that the superconducting winding is supported with the rigidity of the clamp element when the coil is fully excited. This is necessary to prevent a conductor movement and thus a quench.
  • a bowl-shaped coil configuration with clamp elements does not allow the synchrotron radiation to exit tangentially with respect to the particle path curvature, since the particle path is surrounded on all sides by a vacuum tube and the surrounding coil arrangement with clamp elements.
  • the invention is based on the object of specifying a superconducting magnet system of the type mentioned at the outset, which has a low magnetic energy content, requires little conductor material and, when it is designed, an unfavorable vacuum pressure impregnation with regard to the training behavior can be avoided.
  • the at least one clamp element can form a structural unit with at least one tensioning element, which supports the superconducting winding in the region of the slot.
  • the clamp elements and the clamping elements will be separate, non-positively connected components.
  • the superconducting winding has a shell structure in which the coil is made from several concentric cylindrical shells. Ig winding packages are accommodated between two azimuth angles within each shell.
  • the advantage of this configuration is the low magnetic energy compared to the rectangular winding configuration.
  • the superconducting winding is designed as a block structure.
  • a block structure which is suitable in principle is given in H. Brechna: “Superconducting Magnet Systems” Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York (1973) page 40, Fig. 2.1.6a.
  • the tensioning element can advantageously be hook-shaped, wherein it supports the superconducting winding in the region of the slot with a first leg and is suspended in the bracket, which essentially comprises the entire winding arrangement, with a second leg.
  • tensioning element can be seen in the fact that its cross section is U-shaped.
  • the inside of the base leg supports the winding parts directed towards the slot, and the two free legs are braced with the clamp and apply the required pressure force.
  • Pull bolts can be attached to the free leg ends for tensioning.
  • U-shaped clamping element with a further leg, which partially supplements the U-profile to form a W-profile, but the third free leg is not, or only partially, realized.
  • the second free base leg engages under the winding part, which lies in the plane of the curved particle path and on the side of the path center of curvature.
  • the tensioning element is designed so that when the magnetic field is switched on it can absorb the attractive forces of the opposing coil halves directed towards the particle path level and at the same time transfers the required pretension to the winding parts in order to exclude conductor movements.
  • the tensioning elements can preferably be designed such that they are part of the helium container in which the superconducting coil is located, in addition to the transmission of the prestress. Material can be saved in this way, in particular in the area of the slot, which simplifies the structural design in the slot area.
  • the clamp elements and / or the clamping elements are preferably made of non-magnetic material, e.g. non-magnetic steel.
  • the magnet system can also be advantageous for the magnet system to design the clamp elements and / or the clamping elements as a magnetic yoke.
  • a laminated design of the clamp elements and / or clamping elements is preferable.
  • the clamp elements and the clamping elements can be designed as a solid yoke.
  • a structural unit of clamping elements and cryogenic container is particularly advantageous here.
  • the slot width and the arrangement of the windings are preferably matched to one another in such a way that, in addition to the dipole field, a quadrupole field, which has a focusing influence on the particle beam, is generated in the particle channel.
  • the slot can be enlarged by an optimization in this regard, so that more space is available for the clamping elements.
  • the superconducting winding is designed as a helium-transparent winding, i.e. that the insulation is designed in such a way that helium can penetrate into the winding between the conductors and cause intensive conductor cooling.
  • the superconducting winding 12 is made from several concentric cylindrical shells 13. Within each shell 13 there are accommodated winding packages between two azimuth angles e. There is non-magnetic filling material 14 between the winding packages, which consist of individual conductors running perpendicular to the plane of the representation.
  • This winding configuration results in an essentially cos ⁇ -shaped current distribution and is suitable for generating a dipole field. It has the advantage of lower magnetic energy compared to a rectangular winding configuration.
  • Electrons that move along the particle channel 11, which runs perpendicular to the plane of the illustration, are deflected as a result of the Lorentz force and forced onto a circular path 19. They emit synchrotron radiation tangentially to the outside (to the left in FIG. 1). The synchrotron radiation can emerge laterally from the particle channel 11 through a slot 15 and stands for physical experiments or technical ones. Applications available.
  • the clamp elements 16 consist of punched magnetic sheets which are stacked to form a magnetic yoke.
  • the magnetic yoke has a circular shape composed of two halves curved cylinder, which forms a 90 0 arc.
  • sheets of different dimensions are required, between which there are spaces 17 which are filled with the cooling medium helium.
  • wedge-shaped stamped sheets can also be used, but these are considerably more expensive to produce than sheets made of the same material, as shown.
  • the sheets are welded together to form a unit.
  • the two yoke halves are connected to one another by tie rods 18. Due to the tension force of the tie rods 18, which can be applied with the aid of hydraulic pressing devices, the pressure required to pretension the superconducting winding 12 is generated.
  • the superconducting winding 12 is supported by tensioning elements 20.
  • the tensioning elements 20 are also laminated and complement the yoke effect of the clamp elements 16.
  • the tensioning elements 20 are essentially U-shaped.
  • One free leg 21 engages under the free part 22 of the winding 12 facing the slot 15 with a shell-shaped winding cross section 13.
  • the other free leg 23 engages behind a step-shaped recess 24 in the clamp element 16.
  • the tensioning elements 30 are prestressed. In doing so, they fulfill their task of transferring the forces of the coil to the yoke.
  • the superconducting winding 12, the clamp elements 16 and the tensioning elements 20 are surrounded by a container wall 25, within which there is liquid helium det.
  • the particle channel 11, the slot 15 and the area outside the container wall 25 are evacuated.
  • the external cold shields and the outer vacuum jacket were not shown in FIG. 1.
  • the legs 21 of the clamping elements 20 facing the slot 15 are welded to the container wall 25. They thus serve to stiffen the container wall 25 in the area of the slot 15.
  • An insulation layer 26 is arranged between the winding 12 and the clamp elements 16, the thickness of which is selected on the basis of magnetic field calculations so that the field homogeneity in the particle channel 11 is not impaired by saturation phenomena in the material of the clamp elements 16 or the clamping elements 20.
  • the insulation layer 26 is a non-magnetic intermediate material, for example made of filled plastic.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the invention, the same or corresponding parts being given the same reference numbers as those from FIGS. 1 and 2.
  • the superconducting winding 12 is comparable to that shown in FIG. 1. It encloses a particle channel 11.
  • the individual winding packets 12 are separated from one another by non-magnetic filler pieces 14.
  • the winding 12 is surrounded by an insulation layer 26, the design of which is subject to the same requirements as were explained in the description of FIGS. 1 and 2.
  • the winding with the shell structure 13 is surrounded by a two-part clamp element 30 made of non-magnetic material, the two parts of which are closed by tension ker 31 are interconnected.
  • the outer shape of the clamp element 30 essentially resembles a circular ring section with a rectangular cross section. This can be, for example, a 1/4 circle, as shown in FIG. 2, or a semicircle of the ring.
  • tensioning elements 33 made of non-magnetic material with an essentially W-shaped cross section, arranged symmetrically to the slot 32.
  • the clamping elements 33 are turned parts, the axis of rotation of which coincides with the center of curvature of the particle track 19.
  • Draw studs 37 are welded to the outer free leg 34 and the middle free leg 35 of the W profile, by means of which the tensioning element 33 is connected and clamped to the clamp element 30.
  • the base leg 36 lying between the free legs 34 and 35 is pressed against the winding parts 38 directed towards the slot 32, so that the required pretension is transferred to the superconducting winding 12.
  • the cross section of the tensioning element 33 has a further free leg 39, by means of which the tensioning element cross section is approximately supplemented to a W-shape, the third free leg 39, which is located with respect to the particle path 19, not being formed symmetrically to the outer free leg 34 is, but engages under the part 40 of the winding 12 pointing towards the center of curvature of the particle path 19.
  • the magnet system is surrounded by a container wall 41, in the interior of which the cooling medium is turned on is closed.
  • the container wall 41 is welded to the clamping elements 33, so that the clamping elements also serve as part of the cryogenic jacket here. 3, external cold shields and the vacuum jacket are also not shown.

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Abstract

Es wird ein supraleitendes Magnetsystem für Teilchenbeschleuniger einer Synchrontron-Strahlungsquelle angegeben, deren Wicklungsanordnung so ausgebildet ist, daß sie eine im wesentlichen cos ϑ-förmige Stromverteilung aufweist. Es wird eine schalenförmige Wicklungsanordnung bevorzugt. Die supraleitende Wicklung (12) wird durch Klammerelemente (16) abgestützt. Sie weist einen seitlichen Schlitz (15) auf, durch den das Synchrontronlicht austreten kann. Im Bereich des Schlitzes (15) wird die Wicklung (12) durch Spannelemente (20) abgestützt, die mit den Klammerelementen (16) zusammenwirken.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Magnetsystem für Teilchenbeschleuniger einer Synchroton-Strahlungsquelle mit einem in etwa in der Teilchenbahnebene liegenden, tangential oder radial offenen Schlitz zum Austritt der Synchrotronstrahlung und mit einer mechanisehen Abstützvorrichtung für die supraleitende Wicklung.
  • Ein derartiges Magnetsystem ist aus der DE-OS 31 48 100 bzw. aus "Nuclear Instruments and Methods", Vol. 200, 1982, S. 475 bis S. 479 bekannt.
  • Um einen Beschleuniger für eine kompakte Synchroton-Strahlungsquelle zu bauen, ist es notwendig, von normalleitenden Biegemagneten zur Ablenkung des Strahls geladener Teilchen (z.B. Elektronen) auf supraleitende Magnetsysteme überzugehen, mit denen die erforderlichen Magnetfeldstärken erreichbar sind. Die Anforderungen an ein solches Magnetsystem, wie sie bei dem bekannten Magnetsystem erfüllt sind, lassen sich wie folgt zusammen-
    • a.) Erzeugung eines Magnetfeldes mit dem Feldgradienten n
      Figure imgb0001
      Der Feldindex n ist dabei kleiner als 1. ro ist der Sollradius der Teilchenbahn. B ist die magnetische Induktion.
      Figure imgb0002
      ist die Ableitung der Induktion nach dem Teilchenradius am Ort des Sollradius ro.
    • b.) Die Wicklungen des Magnetsystems müssen so angeordnet sein, daß die erzeugte Synchrotronstrahlung in der Ebene der Umlaufbahn der Teilchen tangential aus dem Magnetsystem austreten kann.
  • Die verwendete Spulenkonfiguration des bekannten Magnetsystems hat einen rechtwinkeligen Wicklungsquerschnitt und ermöglicht den tangentialen Strahlungsaustritt. Die im Magnetfeld gespeicherte Energie liegt für solche Konfigurationen höher als bei einer vergleichbaren Schalenanordnung. Diese hohe gespeicherte Energie muß im Quenchfall, d.h. beim ungewollten Übergang von der supraleitenden in die normalleitende Phase, aus der Spule ausgekoppelt werden, um eine Zerstörung der Spule aufgrund der starken Erwärmung und den damit verbundenen mechanischen Spannungen zu verhindern. Ferner erfordert die erwähnte Spulenkonfiguration vergleichsweise viel Leitermaterial, um das erforderliche Magnetfeld zu realisieren.
  • Supraleitende Ablenkmagnete werden auch beim Bau großer Ring-Beschleuniger (z.B. HERA) eingesetzt. In Arbeiten von G. Horlitz et al "Superconducting Prototype Dipole Coils for HERA" und "Alternatives and Improvements for Superconducting Dipole Coils for HERA", Journal de Physique, Colloque C1, supplement au n° 1, Tome 45, Januar 1984, Seiten C1-255 bis C1-262 werden wesentliche Details dieser Magnete beschrieben. Die dabei verwendete Spulenkonfiguration hat einen schalenförmigen Wicklungsquerschnitt und eine im wesentlichen cos e -förmige Stromverteilung. Die Stromverteilung ist für die Erzeugung eines Dipolfeldes innerhalb der Wicklungsanordnung ausgelegt.
  • Das entscheidende Element dieser Konfiguration ist eine Klammer, die auf die supraleitende Spule eine Vorspannung aufbringt. Der Grundgedanke des Vorspannungsprinzips besteht darin, im stromlosen Zustand das Spulenpaket soweit durch Klammerelemente zusammenzudrücken, daß bei voll auferregter Spule die supraleitende Wicklung mit der Steifigkeit des Klammerelements abgestützt wird. Dieses ist notwendig, um eine Leiterbewegung und damit einen Quench zu verhindern. Eine derartige schalenförmige Spulenkonfiguration mit Klammerelementen erlaubt jedoch keinen bezüglich der Teilchenbahnkrümmung tangentialen Austritt der Synchrotronstrahlung, da die Teilchenbahn allseitig durch ein Vakuumrohr und die umliegende Spulenanordnung mit Klammerelementen umgeben ist.
  • Ein Verzicht der Klammerelemente kann hier auch nicht Abhilfe schaffen. Man könnte zwar einen supraleitenden Umlenkmagneten mit Vakuum-Druck-Imprägnierung verwenden, der eine ausreichende mechanische Festigkeit besitzt. Derartige Magnete zeigen jedoch das unerwünschte Trainingsverhalten, d.h. die Spule kann nicht sofort auf Maximallast hochgefahren werden, sie muß vielmehr trainiert werden, in dem sie jeweils bis zu einem Quench, der anfänglich weit unterhalb der Maximallast auftritt, erregt wird. Beim Trainieren rücken die Leiter in mechanisch stabile Lagen, so daß bei nachfolgenden Erregungen die Quenchs bei immer höheren Stromwerten auftreten.
  • Der Erfindung, liegt die Aufgabe zugrunde, ein supraleitendes Magnetsystem der eingangs genannten Art anzugeben, das einen geringen magnetischen Energieinhalt aufweist, wenig Leitermaterial erfordert und bei dessen Ausbildung eine bezüglich des Trainingsverhaltens ungünstige Vakuum-Druck-Imprägnierung vermieden werden kann.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Magnetsystem der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Das wenigstens eine Klammerelement kann mit wenigstens einem Spannelement, welches die supraleitende Wicklung im Bereich des Schlitzes abstützt, eine Baueinheit bilden. Zweckmäßigerweise werden jedoch aus Montagegründen die Klammerelemente und die Spannelemente getrennte, miteinander kraftschlüssig verbundene Bauteile sein.
  • Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß sich das beim Bau von Dipolspulen verwendete Vorspannungsprinzip auf C-Magnete übertragen läßt, indem der zur Öffnung des Magnetsystems weisende Teil der Wicklung gespannt werden kann. Eine Vakuum-Druck-Imprägnierung der supraleitenden Spulen läßt sich hierdurch vermeiden.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die supraleitende Wicklung eine Schalenstruktur aufweist, bei der die Spule aus mehreren konzentrischen Zylinderschalen gefertigt ist. Innerhalb jeder Schale werden zwischen zwei Azimutwinkeln ig Wickelpakete untergebracht. Der Vorteil dieser Konfiguration ist die geringe magnetische Energie im Vergleich zur rechteckigen Wicklungskonfiguration.
  • Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die ebenfalls die Vorteile der Schalenstruktur aufweist, ist die supraleitende Wicklung als Blockstruktur ausgebildet. Eine prinzipiell geeignete Blockstruktur ist in H. Brechna: "Superconducting Magnet Systems" Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York (1973) Seite 40, Fig. 2.1.6a angegeben. Allerdings wäre es für die Ausführungsform gemäß der Erfindung erforderlich, einen in der Teilchenbahnebene (x-Achse) radial außenliegenden Schlitz vorzusehen. 1
  • Das Spannelement kann in vorteilhafter Weise hakenförmig ausgebildet sein, wobei es mit einem ersten Schenkel die supraleitende Wicklung im Bereich des Schlitzes abstützt und mit einem zweiten Schenkel in der Klammer, die im wesentlichen die gesamte Wicklungsanordnung umfaßt, eingehängt ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Spannelementes ist darin zu sehen, daß es in seinem Querschnitt U-förmig ausgebildet ist. Der Basisschenkel stützt mit seiner Innenseite die zum Schlitz gerichteteten Wicklungsteile ab und die beiden freien Schenkel sind mit der Klammer verspannt und bringen die erforderliche Andruckkraft auf. Zum Verspannen können Zugbolzen an den freien Schenkelenden befestigt sein. Ferner kann es aus konstruktiven Gründen zweckmäßig sein, das U-förmige Spannelement mit einem weiteren Schenkel zu versehen, der das U-Profil teilweise zu einem W-Profil ergänzt, wobei jedoch der dritte freie Schenkel nicht, oder nur ansatzweise verwirklicht ist. Der zweite freie Basisschenkel greift unter den Wicklungsteil, der in der Ebene der gekrümmten Teilchenbahn und auf der Seite des Bahnkrümmungsmittelpunktes liegt.
  • Das Spannelement wird so ausgelegt, daß es bei eingeschaltetem Magnetfeld die zur Teilchenbahnebene gerichteten Anziehungskräfte der sich gegenüberstehenden Spulenhälften aufzunehmen vermag und gleichzeitig die erforderliche Vorspannung auf die Wicklungsteile überträgt, um Leiterbewegungen auszuschließen.
  • Vorzugsweise können die Spannelemente so ausgebildet sein, daß sie neben der Übertragung der Vorspannung Teil des Heliumbehälters, in dem sich die supraleitende Spule befindet, sind. Insbesondere im Bereich des Schlitzes kann auf diese Weise Material eingespart werden, was die konstruktive Gestaltung im Schlitzbereich erleichert.
  • Sofern eine Spulenkonfiguration verwendet werden soll, die als Luftspule betrieben werden kann, werden die Klammerelemente und/oder die Spannelemente vorzugsweise aus nicht magnetischem Material, z.B. nicht magnetischem Stahl, gefertigt. Es kann jedoch für das Magnetsystem auch von Vorteil sein, die Klammerelemente und/oder die Spannelemente als Magnetjoch auszubilden. Für schnell gepulste Magnete ist dabei eine lamellierte Ausbildung der Klammerelemente und/oder Spannelemente vorzuziehen. Für Magnetsysteme mit konstanter oder nur sich langsam ändernder Magnetfeldstärke können die Klammerelemente und die Spannelemente als massives Joch ausgebildet werden. Hier ist eine bauliche Einheit von Spannelementen und Kryobehälter besonders vorteilhaft.
  • Vorzugsweise werden die Schlitzbreite und die Anordnung der Wicklungen derart aufeinander abgestimmt, daß zusätzlich zum Dipolfeld ein Quadrupolfeld, das einen fokussierenden Einfluß auf den Teilchenstrahl hat, im Teilchenkanal erzeugt wird. Durch eine diesbezügliche Optimierung läßt sich der Schlitz vergrößern, so daß mehr Raum für die Spannelemente zur Verfügung steht.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die supraleitende Wicklung als heliumtransparente Wicklung ausgebildet ist, d.h., daß die Isolation so ausgelegt ist, daß Helium in die Wicklung zwischen die Leiter eindringen und eine intensive Leiterkühlung bewirken kann.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Anhand der Zeichnung, die zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigt, werden die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Weiterbildungen näher beschrieben und erläutert.
  • Es zeigt in schematischer Darstellung:
    • Fig. 1 den Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels des Magnetsystems mit hakenförmigen Spannelementen,
    • Fig. 2 die Aufsicht auf ein Magnetsystem gemäß Fig. 1 und
    • Fig. 3 den Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels des Magnetsystems mit Spannelementen, die einen im wesentlichen W-förmigen Querschnitt aufweisen.
  • In Figur 1 ist im Querschnitt ein supraleitendes Magnetsystem dargestellt, welches in einem Teilchenkanal 11 ein Magnetfeld erzeugt, das im wesentlichen ein Dipolfeld darstellt, wobei die Feldlinien in Richtung θ =270° verlaufen.
  • Die supraleitende Wicklung 12 ist aus mehreren konzentrischen Zylinderschalen 13 gefertigt. Innerhalb jeder Schale 13 sind jeweils zwischen zwei Azimutwinkeln e Wickelpakete untergebracht. Zwischen den Wickelpaketen, die aus einzelnen senkrecht zur Darstellungsebene verlaufenden Leitern bestehen, befindet sich unmagnetisches Füllmaterial 14. Diese Wicklungskonfiguration ergibt eine im wesentlichen cos θ-förmige Stromverteilung und ist für die Erzeugung eines Dipolfeldes geeignet. Sie hat den Vorteil einer geringeren magnetischen Energie im Vergleich zu einer rechteckigen Wicklungskonfiguration.
  • Elektronen, die sich längs des Teilchenkanals 11, der senkecht zur Darstellungsebene verläuft, bewegen, werden infolge der Lorentz-Kraft abgelenkt und auf eine Kreisbahn 19 gezwungen. Sie geben dabei tangential nach außen (in Fig. 1 nach links) Synchrotronstrahlung ab. Die Synchrotronstrahlung kann durch einen Schlitz 15 seitlich aus dem Teilchenkanal 11 austreten und steht für physikalische Experimente oder technische. Anwendungen zu Verfügung.
  • Innerhalb der supraleitenden Wicklung 12 treten bei erregter Spule Kräfte auf, die zu Leiterbewegungen führen können. Daher wird die Wicklungsanordnung durch Klammerelemente 16 zusammengedrückt und soweit vorgespannt, daß auch bei voll auferregter Spule die supraleitende Wicklung 12 mit der Steifigkeit der Klammerelemente 16 abgestützt ist.
  • Die Klammerelemente 16 bestehen, wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, aus gestanzten Magnetblechen, die zu einem Magnetjoch gestapelt sind. Das Magnetjoch hat die Form eines aus zwei Hälften zusammengesetzten kreisförmig gebogenen Zylinders, der einen 900-Bogen bildet. Für das Stapeln der Magnetbleche sind, um die Krümmung der Anordnung auszugleichen, Bleche mit unterschiedlichen Abmessungen erforderlich, zwischen denen sich Zwischenräume 17, die mit dem Kühlmedium Helium gefüllt sind, ergeben. Zur Vermeidung der Zwischenräume 17 können auch keilförmig gestanzte Bleche verwendet werden, diese sind jedoch in ihrer Herstellung wesentlich teurer als Bleche aus gleichstarkem Material, wie dargestellt. Die Bleche sind miteinander zu einer Einheit verschweißt.
  • Die beiden Jochhälften sind durch Zuganker 18 miteinander verbunden. Durch die Spannkraft der Zuganker 18, welche unter Zuhilfenahme von hydraulischen Preßvorrichtungen aufgebracht werden kann, wird der erforderliche Druck zum Vorspannen der supraleitenden Wicklung 12 erzeugt.
  • Im Bereich des Schlitzes 15 wird die supraleitende Wicklung 12 durch Spannelemente 20 abgestützt. Die Spannelemente 20 sind ebenfalls lamelliert ausgebildet und ergänzen die Jochwirkung der Klammerelemente 16. Die Spannelemente 20 sind im wesentlichen U-förmig ausgebildet. Der eine freie Schenkel 21 greift unter den freien, dem Schlitz 15 zugewandten Teil 22 der Wicklung 12 mit schalenförmigen Wicklungsquerschnitt 13. Der andere freie Schenkel 23 greift hinter eine stufenförmige Ausnehmung 24 des Klammerelementes 16. Beim Einsetzen werden die Spannelemente 30 vorgespannt. Sie erfüllen damit ihre Aufgabe, die Kräfte der Spule auf das Joch zu übertragen.
  • Die supraleitende Wicklung 12, die Klammerelemente 16 und die Spannelemente 20 sind von einer Behälterwandung 25 umgeben, innerhalb derer sich flüssiges Helium befindet. Der Teilchenkanal 11, der Schlitz 15 und der außerhalb der Behälterwandung 25 liegende Bereich sind evakuiert. Die außenliegenden Kälteschilde und der äußere Vakuummantel wurden in Fig. 1 nicht dargestellt. Die dem Schlitz 15 zugewandten Schenkel 21 der Spannelemente 20 sind mit der Behälterwandung 25 verschweißt. Sie dienen somit der Versteifung der Behälterwandung 25 im Bereich des Schlitzes 15.
  • Zwischen der Wicklung 12 und den Klammerelementen 16 ist eine Isolationsschicht 26 angeordnet, deren Dicke anhand Magnetfeldberechnungen so ausgewählt wird, daß die Feldhomogenität im Teilchenkanal 11 nicht durch Sättigungserscheinungen im Material der Klammerelemente 16 oder der Spannelemente 20 beeinträchtigt wird. Die Isolationsschicht 26 ist ein nicht magnetisches Zwischenmaterial, beispielsweise aus gefülltem Kunststoff.
  • In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei gleiche oder sich entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie die aus Fig. 1 und 2 belegt wurden.
  • Die supraleitende Wicklung 12 ist der in Fig. 1 dargestellten vergleichbar. Sie umschließt einen Teilchenkanal 11. Die einzelnen Wicklungspakete 12 sind durch unmagnetische Füllstücke 14 voneinander getrennt. Die Wicklung 12 ist durch eine Isolationsschicht 26 umgeben, an deren Auslegung die gleichen Anforderungen gestellt werden, wie sie in der Beschreibung zu Fig. 1 und 2 erläutert wurden.
  • Die Wicklung mit Schalenstruktur 13 ist durch ein zweiteilig ausgebildetes Klammerelement 30 aus nicht magnetischem Material umgeben, deren beide Teile durch Zuganker 31 miteinander verbunden sind. Die äußere form des Klammerelementes 30 gleicht im wesentlichen einem Kreisringausschnitt mit rechteckigem Querschnitt. Es kann sich dabei z.B. um einen 1/4-Kreis, wie in Fig. 2 dargestellt, oder um einen Halbkreis des Ringes handeln.
  • Im Bereich des Schlitzes 32 und im Inneren der Wicklungsanordnung befinden sich zwei zu dem Schlitz 32 symmetrisch angeordnete Spannelemente 33 aus nicht magnetischem Material mit einem im wesentlichen W-förmigem Querschnitt. Die Spannelemente 33 sind Drehteile, deren Drehachse mit dem Krümmungsmittelpunkt der Teilchenbahn 19 zusammenfällt. Mit dem äußeren freien Schenkel 34 und dem mittleren freien Schenkel 35 des W-Profils sind Zugbolzen 37 verschweißt, durch die das Spannelement 33 mit dem Klammerelement 30 verbunden und verspannt ist. Beim Verspannen wird der zwischen den freien Schenkel 34 und 35 liegende Basisschenkel 36 gegen die zum Schlitz 32 gerichteten Wicklungsteile 38 gedrückt, so daß die erforderliche Vorspannung auf die supraleitende Wicklung 12 übertragen wird.
  • Der Querschnitt des Spannelmentes 33 weist einen weiteren freien Schenkel 39 auf, durch den der Spannelementquerschnitt in etwa zu einer W-Form ergänzt wird, wobei der dritte freie Schenkel 39, der bezüglich der Teilchenbahn 19 innenliegt,, nicht symmetrisch zum äußeren freien Schenkel 34 ausgebildet ist, sondern unter das zum Krümmungsmittelpunkt der Teilchenbahn 19 weisende Teil 40 der Wicklung 12-greift. Eine derartige Ausbildung der Spannelemente 33 ergibt eine vorteilhafte Aufteilung der Kräfte.
  • Das Magnetsystem ist durch eine Behälterwandung 41 umgeben, in derem Inneren wiederum das Kühlmedium eingeschlossen ist. Die Behälterwandung 41 ist mit den Spannelementen 33 verschweißt, so daß die Spannelemente auch hier als Teil des Kryomantels dienen. Auch in Fig. 3 sind äußere Kälteschilde und der Vakuummantel nicht dargestellt.

Claims (10)

1. Supraleitendes Magnetsystem für Teilchenbeschleuniger einer Synchrontron-Strahlungsquelle mit einem in etwa in der Teilchenbahnebene liegenden, tangential oder radial offenen Schlitz zum Austritt der Synchrontronstrahlung und mit einer mechanischen Abstützvorrichtung für die supraleitende Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem eine die Teilchenbahn (19) umgebende Wicklungsanordnung mit cos θ-förmiger Stromverteilung enthält, wobei 9 der Azimutwinkel ist, und daß die supraleitende Wicklung (12) durch wenigstens ein Klammerelement (16,30) und im Bereich des Schlitzes (15,32) durch mit dem Klammerelement (16,30) zusammenwirkende Spannelemente (20,33) vorgespannt ist.
2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Wicklung (12) eine Schalenstruktur (13) oder eine Blockstruktur aufweist.
3. Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Spannelement (20) an wenigstens einem Klammerelement (16) befestigt ist und einen freien Schenkel (21) aufweist, der in den Bereich des Schlitzes (15) eingreift und die im Bereich des Schlitzes (15) liegenden Wicklungsteile (22) abstützt.
4. Magnetsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement (20) im wesentlichen U-förmig ausgebildet und zwischen seinen beiden freien Schenkeln (21,23) das Klammerelement (16) und die dem Schlitz (15) zugewandten Teile (22) der supraleitenden Wicklung (12) miteinander verspannt.
5. Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Spannelementes (33) im wesentlichen U-förmig ausgebildet ist, daß der Basisschenkel (36) des Spannelementes (33) im Bereich des Schlitzes (32) verläuft und mit seinem inneren Teil gegen die zum Schlitz (32) gerichteten Wicklungsteile (38) angedrückt ist, indem die beiden freien Schenkel (34,35) mit dem Klammerelement (30) verspannt sind.
6. Magnetsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspannung des Spannelementes (33) durch an den freien Schenkelenden (34,35) angebrachte Zugbolzen (37) erfolgt.
7. Magnetsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement (33) einen weiteren, dem Basisschenkel (36) entsprechenden Schenkel (39) aufweist, der die Wickungsteile (40) der supraleitenden Wicklung (12) unterstützt, die bezüglich der Teilchenbahn (19) den am Schlitz (32) angeordneten Wicklungsteilen gegenüberliegen.
8. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannelemente (20,33) Teil des Heliumbehälters (25,41) der supraleitenden Wicklung (12) sind.
9. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammerelemente (16,30) und/oder die Spannelemente (20,33) als Magnetjoch ausgebildet sind.
10. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzbreite und die Anordnung der supraleitenden Wicklungen (12) oerart aufeinander abgestimmt sind, daß zusätzlich zum Dipolfeld ein Qudrupolfeld, das einen fokussierenden Einfluß auf den Teilchenstrahl hat, im Teilchenkanal (11) erzeugt wird.
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