FR2570215A1

FR2570215A1 - Superconducting coil wound on cylindrical former

Info

Publication number: FR2570215A1
Application number: FR8513276A
Authority: FR
Inventors: Toshimi Kawamura; Masao Morita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-09-07
Filing date: 1985-09-06
Publication date: 1986-03-14
Also published as: FR2570215B1; DE3531322A1; DE3531322C2; JPS6165407A

Abstract

The superconducting wire (41a,41b) for the coil (11) is made up from the superconductor (21a,21b) and a medium (31) in which it is embedded. In a thin coil winding e.g. part of a particle collision generator, the superconductor (21a) in the end turns (11a) has a larger area than in the centre section (11b,21b,41b) of the coil (11). Alternatively, the same wire dimensions are used throughout and each end section wound with two layers in parallel or similar configuration. By increasing the conducting area the current density is reduced. This in turn reduces the magnetic field at the ends of the coil which links with the windings and thus reduces the tendency for the superconducting state to collapse.

Description

La présente invention se rapporte à un appareil supraconducteur ayant une bobine de solénoïde supra conducteur comprenant un enroulement mince enroulé sur une bobine, et en particulier à un moyen pour supprimer les augmentations locales du champ magnétique de la région extrême de la bobine de solénoïde supraconducteur. The present invention relates to a superconductive apparatus having a superconductive solenoid coil comprising a thin winding wound on a coil, and in particular to means for suppressing local increases in the magnetic field of the extreme region of the superconductive solenoid coil.

Les figures 1 et 2 illustrent un appareil conventionnel de ce type. Sur les figures, une bobine de solénoïde supraconducteur 1 est enroulée sous la forme d'un cylindre en enroulant un fil métallique supraconducteur 4 autour d'une bobine cylindrique 5. Figures 1 and 2 illustrate a conventional device of this type. In the figures, a superconductive solenoid coil 1 is wound in the form of a cylinder by winding a superconductive metal wire 4 around a cylindrical coil 5.

Le fil métallique supra conducteur 4 comprend un supraconducteur 2 noyé dans un matériau stabilisant 3.The superconductive metal wire 4 comprises a superconductor 2 embedded in a stabilizing material 3.

Le supra conducteur 2 a une section transversale rectangulaire dont l'épaisseur est bien plus faible que la largeur. La bobine de solénoïde supraconducteur 1 est abritée dans un cryostat 6.The superconductor 2 has a rectangular cross section whose thickness is much smaller than the width. The superconducting solenoid coil 1 is housed in a cryostat 6.

Le fonctionnement de cet appareil conventionnel est le suivant. Le solénolde supraconducteur mince cylindrique 1 ayant une épaisseur de bobine qui est faible en comparaison à son diamètre est utilisé dans un appareil de collision de particules, pour étudier des particules élémentaires, par des particules élémentaires de forte énergie cinétique comme cela est décrit dans l'article "Construction and test of the cello thin-wall solenoid (1980, Adv. Cryog. Eng. The operation of this conventional device is as follows. The thin cylindrical superconducting solenoid 1 having a coil thickness which is small compared to its diameter is used in a particle collision apparatus, to study elementary particles, by elementary particles of high kinetic energy as described in the article "Construction and test of the cello thin-wall solenoid (1980, Adv. Cryog. Eng.

25, page 175 - page 184). La bobine est aussi mince que possible de façon à la rendre plus transparente aux particules élémentaires. Les matériaux utilisés pour construire l'appareil sont basés principalement sur l'aluminium et le carbone, à l'exception du supraconducteur 2,ayant une meilleure transparence aux particules en considération. Bien entendu, une densité
extrêmement élevée de courant est utilisée afin de
ne pas augmenter inutilement l'aire en coupe du
supraconducteur 2. Pendant le fonctionnement de la
bobine de solénoide supraconducteur 1, le courant
ne circule qu'à travers le supraconducteur 2 du fil
métallique supraconducteur 4 et ne s'écoule usuelle
ment pas à travers le matériau stabilisant 3.Le
courant s'écoule à travers le matériau stabilisant
3 lorsque l'état supraconducteur est détruit et que
le courant contourne pour favoriser un retour à un
état supraconducteur comme cela est décrit dans
"Institute of the Electrical Engineering Colîgiate
Lectures; Superconducting Engineering" (1974,
Japanese IEEE, page 60 - page 65). Ainsi, comme le supraconducteur 2 a une aire en coupe transversale très faible en comparaison au diamètre de la bobine 1, un champ magnétique très fort est produit aux parties extrêmes de la bobine de solénoide supraconducteur 1. C'est une sorte d'un effet final et un phénomène semblable est décrit dans "Electromagnetic Phenomenon
Theory" (S. Maruyama, Maruzen Press, 1944, page 184).25, page 175 - page 184). The coil is as thin as possible so as to make it more transparent to elementary particles. The materials used to build the device are based mainly on aluminum and carbon, with the exception of superconductor 2, having better transparency to the particles in question. Of course, a density
extremely high current is used in order to
do not unnecessarily increase the cross-sectional area of the
superconductor 2. During operation of the
superconducting solenoid coil 1, the current
only flows through the superconductor 2 of the wire
metallic superconductor 4 and does not flow normally
not through the stabilizing material 3.The
current flows through the stabilizing material
3 when the superconductive state is destroyed and
the current bypasses to favor a return to a
superconducting state as described in
"Institute of the Electrical Engineering Colîgiate
Readings; Superconducting Engineering "(1974,
Japanese IEEE, page 60 - page 65). Thus, as the superconductor 2 has a very small cross-sectional area compared to the diameter of the coil 1, a very strong magnetic field is produced at the extreme parts of the coil of the superconductive solenoid 1. It is a kind of an effect final and a similar phenomenon is described in "Electromagnetic Phenomenon
Theory "(S. Maruyama, Maruzen Press, 1944, page 184).

La force du champ électrique 6 à la partie extrême d'un plan semi-infini est exprimée par - # (# v)y = 0'
# y ce qui est égal à - #A . En conséquence, lorsque ce qui est égal à - 2 vu . En conséquence, lorsque l'on a x = 0, C = - # . Lorsque l'épaisseur est infiniment faible, le champ magnétique à la partie extrême de la bobine de solénoide supraconducteur 1 devient infiniment important. Tandis que la grandeur de ce champ magnétique a généralement une limite supérieure du fait de l'épaisseur finie de la bobine, elle atteint néanmoins une valeur considérablement élevée.The strength of the electric field 6 at the extreme part of a semi-infinite plane is expressed by - # (# v) y = 0 '
# y which is equal to - #A. As a result, when this is equal to - 2 seen. Consequently, when we ax = 0, C = - #. When the thickness is infinitely small, the magnetic field at the extreme part of the superconducting solenoid coil 1 becomes infinitely large. While the magnitude of this magnetic field generally has an upper limit due to the finite thickness of the coil, it nevertheless reaches a considerably high value.

Comme l'appareil supraconducteur conventionnel est construit comme on l'a décrit ci-dessus, une augmentation du champ magnétique aux parties extrêmes de la bobine de solénoïde supra conducteur est inévitehls, ce qui rend quelquefois la supraconductivité impossible car la limite supérieure du courant dépend de la force du champ magnétique subi . Plus particulièrement, même si une stabilisation suffisante est prévue en terme du maintien du phénomène supraconducteur, quand la destruction partielle de la supraconductivité se produit, la destruction s'étend par une réaction en chaîne. As the conventional superconducting apparatus is constructed as described above, an increase in the magnetic field at the end portions of the superconductive solenoid coil is inevitable, which sometimes makes superconductivity impossible since the upper limit of the current depends of the strength of the magnetic field undergone. More particularly, even if sufficient stabilization is provided in terms of the maintenance of the superconducting phenomenon, when the partial destruction of the superconductivity occurs, the destruction extends by a chain reaction.

Par conséquent, une contre mesure fiable est nécessaire pour un grand appareil expérimental de haute énergie tel que celui ci-dessus décrit.Therefore, a reliable countermeasure is necessary for a large high energy experimental apparatus such as that described above.

La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients de la conception conventionnelle ci-dessus décrite et a pour objet de prévoir un appareil supraconducteur où une augmentation du champ magnétique est empêchée et où la supraconductivité est maintenue de manière très fiable en construisant un supraconducteur d'un fil métallique supraconducteur afin qu'il ait une aire en coupe plus importante à la région extrême de la bobine de solénoïde supraconducteur qu'à la région centrale, pour ainsi abaisser la densité de courant à la région extrême. The object of the present invention is to eliminate the drawbacks of the conventional design described above and its object is to provide a superconducting device where an increase in the magnetic field is prevented and where the superconductivity is maintained very reliably by building a superconductor. of a superconductive metal wire so that it has a greater cross-sectional area at the extreme region of the superconducting solenoid coil than at the central region, thereby lowering the current density at the extreme region.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels :
- la figure 1 est une vue latérale en coupe d'un appareil supraconducteur conventionnel;
- la figure 2 est une vue latérale en coupe agrandie de la région A montrée sur la figure 1;
- la figure 3 est une vue latérale en coupe agrandie de la partie principale d'un mode de réalisation d'un appareil supraconducteur de la présente invention; et
- les figures 4 et 5 sont des vues latérales en coupe agrandie d'autres modes de réalisation d'un appareil supraconducteur de la présente invention.The invention will be better understood, and other objects, characteristics, details and advantages thereof will appear more clearly during the explanatory description which follows, made with reference to the appended schematic drawings given solely by way of example illustrating several embodiments of the invention and in which:
- Figure 1 is a side sectional view of a conventional superconducting device;
- Figure 2 is an enlarged sectional side view of region A shown in Figure 1;
- Figure 3 is an enlarged sectional side view of the main part of an embodiment of a superconducting apparatus of the present invention; and
- Figures 4 and 5 are side views in enlarged section of other embodiments of a superconducting apparatus of the present invention.

Sur les figures, les mêmes chiffres de référence désignent des composants identiques ou correspondants. In the figures, the same reference numerals designate identical or corresponding components.

Un mode de réalisation de la présente invention sera maintenant décrit en se référant aux figures 3 à 5. Sur la figure 3, une bobine ou enroulement de solénoïde supraconducteur 11 enroulé sur une bobine 5 comprend une région extrême lla et une région centrale 21b, un fil métallique supraconducteur isolé 41a ayant deux spires, par exemple, sur la région extrême qui se compose d'un supraconducteur 21a noyé dans un matériau stabilisant 31, et un fil métallique supraconducteur isolé 41b dans la région centrale qui se compose d'un supraconducteur 21b noyé dans le matériau stabilisant 31. Le supraconducteur 21a dans la région extrême est construit de façon que son aire en coupe transversale soit plus importante que l'aire en coupe transversale du supraconducteur 21b dans la région centrale, pour ainsi réduire la densité de courant dans le fil métallique supra conducteur 41a dans la région extrême. An embodiment of the present invention will now be described with reference to Figures 3 to 5. In Figure 3, a coil or coil of superconducting solenoid 11 wound on a coil 5 comprises an end region 11a and a central region 21b, a insulated superconducting wire 41a having two turns, for example, on the end region which consists of a superconductor 21a embedded in a stabilizing material 31, and an insulated superconducting wire 41b in the central region which consists of a superconductor 21b embedded in the stabilizing material 31. The superconductor 21a in the end region is constructed so that its cross-sectional area is greater than the cross-sectional area of the superconductor 21b in the central region, thereby reducing the current density in the superconductive metal wire 41a in the extreme region.

Comme la densité de courant diminue de manière inversement proportionnelle à l'augmentation de l'aire en coupe transversale, une marge suffisante est obtenue dans la limite de supraconductivité pour un supraconducteur de la même supraconductivité. Par ailleurs, le fait que la densité de courant est faible signifie que le champ électromagnétique subi par le supraconducteur est faible comme on peut le comprendre par la loi de
Vio Savar et ce phénomène produit un effet souhaitable sur la limite de supraconductivité.Par conséquent, la stabilité de la supraconductivité de la bobine est facile à maintenir et l'aire en coupe transversale du supraconducteur dans la région centrale de la bobine de solénoïde supraconducteur peut être suffisamment diminuée, permettant d'obtenir une haute stabilité et une forte économie de la bobine de sélonoide supraconducteur.De même, le refroidissement de la bobine de solénoïde supra conducteur peut être facilement effectué.As the current density decreases inversely proportional to the increase in the cross-sectional area, a sufficient margin is obtained within the limit of superconductivity for a superconductor of the same superconductivity. Furthermore, the fact that the current density is low means that the electromagnetic field undergone by the superconductor is weak as can be understood by the law of
Vio Savar and this phenomenon produces a desirable effect on the superconductivity limit. Therefore, the stability of the coil superconductivity is easy to maintain and the cross-sectional area of the superconductor in the central region of the superconducting solenoid coil can be sufficiently reduced, making it possible to obtain a high stability and a high economy of the superconductive selonoide coil. Likewise, the cooling of the superconductive solenoid coil can be easily carried out.

Comme autre moyen pour augmenter l'aire en coupe transversale du fil métallique supraconducteur 41a, il est possible d'utiliser des fils métalliques supraconducteur 41a en deux spires ou plus qui sont connectés en parallèle comme le montre la figure 4 pour augmenter efficacement l'aire en coupe transversale du supraconducteur 21a. De même, comme le montre la figure 5, les fils métalliques supraconducteurs41a peuvent être placés les uns sur les autres en direction radiale ou bien les fils métalliques peuvent être connectés en parallèle pour augmenter efficacement l'aire en coupe transversale du supraconducteur
Ces autres agencements offrent des avantages semblables à ceux offerts par le mode de réalisation précédent.As another means of increasing the cross-sectional area of the superconductive metallic wire 41a, it is possible to use superconductive metallic wires 41a in two or more turns which are connected in parallel as shown in FIG. 4 to effectively increase the area in cross section of the superconductor 21a. Similarly, as shown in FIG. 5, the superconductive metal wires 41a can be placed one on top of the other in the radial direction or else the metal wires can be connected in parallel to effectively increase the cross-sectional area of the superconductor.
These other arrangements offer advantages similar to those offered by the previous embodiment.

Comme on l'a décrit, selon la présente invention, un supraconducteur du fil métallique supraconducteur a une aire en coupe transversale plus importante à la région extrême de la bobine de solénoïde supra conducteur qu'à la région centrale, ce qui abaisse la densité de courant et donc l'augmentation de température dûe au champ magnétique est supprimée, avec pour résultat une supraconductivité très stable. As described, according to the present invention, a superconductor of the superconductive metal wire has a larger cross-sectional area at the end region of the superconductive solenoid coil than at the central region, which lowers the density of current and therefore the temperature increase due to the magnetic field is suppressed, resulting in very stable superconductivity.

Claims

1. A superconductive device of the type comprising a superconductive solenoid winding made of a superconductive metal wire wound on a coil, said superconductive metal wire having a superconductor having a rectangular cross section of narrow width, characterized in that said superconductor (21a) of said superconductive metal wire (41a) has a larger cross section at the end region (11a) of said superconducting solenoid winding (11) than at the central region (lob).

2. Apparatus according to claim 1 characterized in that the superconductive metal wire (41a) at the end region (lla) of the superconductive solenoid winding (11) comprises a number of superconductive metal wires (41a) and the cross-sectional area of each of said superconductors in the extreme region is greater than that in the central region.

3. Apparatus according to claim 1 characterized in that the aforementioned superconductor at the end region of the superconducting solenoid coil comprises a number of superconductors (21a) connected in parallel to each other, thereby increasing the sectional area effective of said superconductor in the extreme region.

4. Apparatus according to claim 1 characterized in that the aforementioned superconductor at the end region of the superconducting solenoid winding comprises a number of superconductors (21a) connected in parallel to each other, said parallel superconductors being wound up on the others in the radial direction, thereby increasing the effective cross-sectional area of said superconductor in the extreme region.