Spuleπanordπung mit verdrillten Enden, aus einem Leiter mit supraleitfähigen Fäden
Die Erfindung bezieht sich auf eine Spulenanordnung mit zumindest einer supraleitfähigen Spule mit einer zugeordneten Spulenfläche und einem im wesentlichen auf der Spulenfläche aufgewickelten, supraleitfähige Fäden enthaltenden Leiter mit einer Längslinie, welcher Leiter an jeder Stelle der Längslinie einen Querschnitt aufweist, der entlang einer etwa senkrecht zur Spulenfläche gerichteten .Streckungslinie gestreckt ist, und welcher Leiter zwei aus der Spule herausragende Enden aufweist.
Solche Spulenanordnungeπ finden sich als wesentliche
Bestandteile in supraleitenden Magneten vielfältiger Art, beispielsweise in supraleitenden Magneten für Teilchenbe¬ schleuniger, Kernspintomographen und Magnetscheider.
Eine ausführliche Darstellung der supraleitenden Magneten findet sich in dem Buch "Superconducting Magnets" von M. N. Wilson, Oxford University Press, Oxford 1989. Dieses Buch beschreibt mögliche Spulenformen im Zusammenhang mit den zu erzeugenden Feldern (Kapitel 3); Beispiele sind in den Figuren 3.9 und 3.14 dargestellt. In Kapitel 12 enthält das Buch ausführliche Hinweise zur Bildung der Leiter, die die supraleitfähigen Materialien enthalten; diese Leiter bestehen üblicherweise aus supraleitfähigen Fäden in Matrizen aus Kupfer, Kupferlegierungen oder ähnlichen Metallen - siehe beispielsweise Figur 12.8 - und sind ausgeführt als einstückige Bänder oder als Kabel aus jeweils einer Vielzahl von untereinander verkabelten, vorzugsweise runden Drähten. Praktische Hinweise zum Aufbau supraleitfähiger Spulen für verschiedene
Anwendungen finden sich in dem Kapitel 13; Beispiele sind dargestellt in den Figuren 13.5 bis 13.9.
Weitere Hinweise zu Magneten mit supraleitfähigen Spulenanordnungen finden sich in IEEE Trans. Nucl. Sei. NS-28 (1981) 3205, wo verschiedene Ausführungsformen für Dipolmagnete mit supraleitfähigen Spulenanordnungen, die aus aufeinanderliegenden und in Tragstrukturen eingespannten Spulen bestehen, beschrieben sind. Weitere Ausführungsformen für Magnete mit supraleitfähigen
Spulenanordnungen sind dem Aufsatz "Supraleitende Magnete für HERA", Physik in unserer Zeit (1985) 16, der US-PS 4,038,622 und der EP 0 276 360 A2 entnehmbar; zur Verwendung supraleitfähiger Spulenanordnungen in Teilchenbeschleunigeranlagen ist weiterhin auf die EP 0 208163 Bl zu verweisen.
Neben den "klassischen" Supraleitern, worunter bestimmte Metalle, Legierungen und Intermetallische Verbindungen zu verstehen sind, deren Sprungtemperaturen in ziemlicher
Nähe des absoluten Nullpunktes der Temperatur liegen und die in den bisher zitierten Dokumenten ausschließlich abgehandelt werden, wurden vor einigen Jahren keramische Supraleiter entdeckt, deren -Sprungtemperaturen u. U. wesentlich höher liegen (solche Supraleiter werden
"Hochtempe^atursupraleite^,, genannt) und deren Anwendung in Magneten bereits erwogen wurde; eine ausführliche Darstellung der bislang bekannten keramischen Supraleiter findet sich in Spektrum der Wissenschaft (1990) Seite 118; die Herstellung von Leitern, die solche keramischen Supraleiter enthalten, ist in der DE 37 24 229 AI beschrieben.
Insbesondere zur Bildung hoch belasteter Spulenanordnungen
werden abgeflachte Leiter verwendet, also Leiter mit einer Längslinie, die an jeder Stelle der Längslinie einen Querschnitt haben, der entlang einer Streckungslinie gestreckt ist. Hinweise hierzu sind den zitierten Dokumenten entnehmbar. Solche Leiter werden in der Weise zu Spulen gewickelt, daß an jeder Stelle der Längslinie die Streckungslinie etwa senkrecht zu einer Spulenfläche gerichtet ist, die bestimmt ist durch die Form und Anordnung der Spule -insbesondere verläuft die Längslinie in der Spule im wesentlichen parallel zu der Spulenfläche. Bei der Verwendung eines abgeflachten Leiters zur Herstellung einer Spule ist die Herausführung der Enden des Leiters aus der Spule vielfach schwierig. Da der Leiter mit seiner Streckungslinie stets etwa senkrecht zur Spulenfläche gerichtet ist, wurde es bisher in allen Fällen, in denen ein Ende etwa senkrecht von der Spulenfläche weggeführt werden mußte, in einer die Längslinie und die Streckungslinie enthaltenen Ebene abgebogen. Solches aber setzt die Struktur des Leiters erheblichen mechanischen Beanspruchungen aus und kann u. U. dazu führen, daß in der Struktur Hohlräume entstehen, und/oder supraleitfähige Fäden beschädigt werden, wodurch die Belastbarkeit des Leiters mit elektrischem Strom eingeschränkt würde. Als Alternative zum Verbiegen des Leiters ist das Anlöten entsprechend gerichteter Stücke an die Enden bekannt; hierbei entstehen allerdings Lötstellen, u. U. nicht supraleitend, an der Spule, die deren Belastbarkeit, worunter hauptsächlich der Maximalwert des durch die Spule leitbareπ elektrischen Stromes zu verstehen ist, ebenfalls erheblich einschränken können.
Dementsprechend soll mit der Erfindung eine Spulenanordnung der erwähnten Art angegeben werden, bei
der die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Spulenanordnung mit zumindest einer supraleitfähigen Spule mit einer zugeordneten Spulenfläche und einem im wesentlichen auf der. Spulenfläche aufgewickelten, supraleitfähige Fäden enthaltenden Leiter mit einer Längslinie, welcher Leiter an jeder Stelle der Längslinie einen Querschnitt aufweist, der entlang einer etwa senkrecht zur Spulenfläche gerichteten
Streckungslinie gestreckt ist und welcher Leiter zwei aus der Spule herausragende Enden aufweist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß zumindest ein Ende in der N he der Spule eine Verdrillung aufweist, hinter der die Streckungslinie etwa parallel zur Spulenfläche liegt.
Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß eine Verdrillung eines abgeflachten Leiters wesentlich weniger als eine Verbiegung in der Ebene der Streckungslinie zu einer Schädigung der inneren Struktur des Leiters führt; hinter einer erfindungsgemäßen Verdrillung ist der Leiter durch Verbiegung in einer Ebene senkrecht zur Streckungslinie leicht und ohne die Gefahr einer Schädigung abzubiegen und von der Spule wegzuführen.
Die Erfindung gestattet insbesondere die Verwendung von Leitern, die an jeder Stelle ihrer Längsliπien etwa rechteckige Querschnitte aufweisen und damit die Ausnutzung des zur Bildung der Spulenanordnung zur Verfügung stehenden Raumes in besonderer Weise gestatten. Besonders vorteilhaft für viele Anwendungen sind Leiter, deren Querschnitte nicht rechteckig im strengen Sinne, sondern eher trapezförmig sind; solche Leiter werden insbesondere zur Herstellung von Dipolspulen für
Beschleunigeranlagen bevorzugt,
Ein Leiter zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung besteht günstigerweise aus zumindest einer Matrix aus einem elektrisch gut leitfähigen, nicht aber wie die Fäden supraleitfähigen Metall, in das die supraleitfähigen Fäden eingebettet sind. Zur Bildung der Matrix kommen insbesondere Kupfer, Aluminium sowie Kupferlegierungen in Frage.
Für die Fäden kommen insbesondere Materialien auf der Basis der an sich bekannten supraleitfähigen intermetallischen Verbindungen, insbesondere NbTi oder Nb,Sn, in Frage. Auch ist es denkbar, die Fäden aus einem keramischen Supraleiter, insbesondere aus einem keramischen Hochtemperatursupraleiter, zu bilden.
Günstig im Rahmen jedweder Ausbildung der Erfindung ist es, die Verdrillung mit einem Winkel von etwa 90° auszuführen, so daß die Streckungslinie des Leiters vor der Verdrillung die Streckungslinie hinter der Verdrillung mit einem etwa 90° betragenden Winkel kreuzt. Wie bereits erwähnt, kann an jedweder erfindungsgemäßen Spulenanordnung hinter der Verdrillung das Ende des Leiters leicht und ohne die Gefahr einer
Materialschädigung abgebogen werden zur Führung des Leiters weg von der Spule, entweder zu einer anderen Spule oder zu einer Stromversorgungseinrichtung.
Zur Gestaltung der Spulenfläche der erfindungsgemäßen Spulenanordnung gibt es viele Möglichkeiten, wobei im wesentlichen alle an sich bekannten Gestaltungen realisierbar sind. Insbesondere kann die Spulenfläche etwa eben sein, es ist jedoch auch eine etwa zylindrische
Spulenfläche möglich.
Auch kompliziertere Ausbildungen der Spulenfläche kommen in Frage; so kann die Spulenfläche mit einem etwa ebenen oder etwa zylindrischen Mittelsegment und zwei von dem Mittelsegment etwa sattelförmig abgebogenen Endsegmenten ausgeführt werden; Spulen mit solchen Spulenflächen sind die bekannten "Sattelspulen", "Bettgestell-Spulen" und "Bananen-Spulen".
In besonderer Weise erlaubt die Erfindung die Hintereinanderschaltung einer ersten Spule und einer zweiten Spule, wobei beiden Spulen dieselbe Spulenfläche zugeordnet ist und die erste Spule an der Spulenfläche auf der zweiten Spule aufliegt; eine Verbindung zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule kann realisiert werden, indem ein aus der ersten Spule ragendes und eine Verdrillung aufweisendes Ende mit einem aus der zweiten Spule ragenden und gleichfalls eine Verdrillung aufweisenden Ende verbunden ist. Eine solche Verbindung zweier Spulen kann womöglich in der Weise realisiert werden, daß mit ein und demselben Leiter zunächst die erste Spule und unmittelbar darauf die zweite Spule gewickelt wird.
Im Rahmen jedweder Ausgestaltung der Erfindung mit einer Spule mit zumindest einem Mittelbereich und zumindest einem Endbereich, wobei der Leiter im Endbereich wesentlich stärker gebogen ist als im Mittelbereich, wird ein die erfindungsgemäße Verdrillung aufweisendes Ende der Spule in dem Mittelbereich, bzw. unmittelbar an dem Mittelbereich, angeordnet. Derart ist beispielsweise die Einspannung der erfindungsgemäßen Spulenanordnung in eine Tragstruktur, insbesondere einen Kragen, besonders
einfach. Spulen mit Mittelbereich und Endbereich kommen z. B. vor als Dipolspulen in Beschleunigeranlagen, wo Spulen in "Racetrack"- oder "Bananeπ"-Form Einsatz finden. Bei Spulen der erstgenannten Form liegen zwei zueinander parallele, nebeneinander angeordnete, gerade
Mittelbereiche vor, die über zwei relativ eng gebogene Eπdbereiche' miteinander verbunden sind; von der erstgenannten Form unterscheidet sich die zweitgenannte dadurch, daß die Mittelbereiche ihrerseits gebogen sind, allerdings mit deutlich größeren Krümmungsradien als die Endbereiche.
Besonders günstig ist es in der erfindungsgemäßen Spulenanordnuπg jedweder Ausgestaltung, jedem aus der Spule herausragenden Ende die erfindungsgemäße Verdrillung zu geben.
In vielen Fällen sind in einem Leiter zur Verwendung in einer Spulenanordnung die supraleitfähigen Fäden untereinander verdrillt, und zwar oft in der Weise, daß dadurch ein bestimmter Schraubensiπn definiert wird. Im Rahmen einer erfindungsgemäßen Spuleπanordnung jedweder Ausgestaltung, in der ein solcher Leiter verwendet ist, wird die erfinduπgsgemäße Verdrillung des gesamten Leiters dem Schraubensinπ, der durch die Verdrillung der supraleitfähigen Fäden bestimmt ist, entgegengerichtet. Durch diese Maßnahme werden die supraleitfähigen Fäden innerhalb des Leiters mechanisch entlastet; einer Gefahr der Beschädigung der Fäden durch das Anbringen der Verdrilluπg kann auf diese Weise begegnet werden.
Vielfach werden zur Bildung von Spulenanordnungen auch Leiter in Form von Kabeln verwendet, wobei ein Kabel aus einer Vielzahl von untereinander verkabelten Elementen,
beispielsweise Drähten, besteht. Dabei ist meistens durch die Verkabelung der Elemente in dem Kabel ein bestimmter Schraubensinn definiert. In einem solchen Fall ist es im Rahmen jedweder Ausführung der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn die Verdrillung des den Leiter darstellenden Kabels dem durch die Verkabelung der Elemente definierten Schraubensinn gleichgerichtet ist, so daß durch das Anbringen der erfindungsgemäßen Verdrillung die Verkabelung der Elemente des Kabels verstärkt wird. Diese Maßnahme verhindert, daß einzelne Elemente des
Kabels in der Verdrillung beweglich werden, woraus eine Beeinträchtigung der Belastbarkeit der Spulenanordnung entstehen könnte. Dadurch, daß der Zusammenhalt der Elemente des Kabels nicht gelockert, sondern gefestigt wird, wird solcher Gefahr zuverlässig vorgebeugt. Zu bemerken ist, daß die zuletzt beschriebene vorteilhafte Maßnahme nicht im Widerspruch zu der davor beschriebenen Maßnahme steht; es ist sehr wohl denkbar, einen Leiter als Kabel aus Elementen zu bilden, deren jedes verdrillte supraleitfähige Fäden in einer Matrix enthält. In einem solchen Fall ist allerdings üblicherweise ein durch eine Verdrillung der supraleitfähigen Fäden definierter Schraubensinn einem Schraubensinn entgegengerichtet, der durch eine Verdrillung der Elemente bestimmt ist; mit einem solchen Leiter sind in der Tat beide zuletzt beschriebenen vorteilhaften Maßnahmen im Rahmen der Eifindung mit weiterem Vorteil kombiniert realisierbar.
Schließlich sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch die Verwendung komplex aufgebauter Kabel, bei denen die untereinander verkabelten Elemente ihrerseits Kabel sind, gestattet.
Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der
in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele; diese sind nicht maßstäblich und, wo dienlich., leicht verzerrt dargestellt zur Betonung der spezifischen Merkmale der
Erfindung. Im einzelnen zeigen:
Figur 1 einen Ausschnitt aus einer Spule in einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung mit Verdrillung;
Figur 2 einen Ausschnitt aus einer zwei aufeinaπderliegende Spulen aufweisenden erfindungsgemäßen Spulenanordnung mit Verdrillung;
Figur 3 ein Band mit supraleitenden Fäden zur Verwendung im Rahmen der Erfindung;
Figur 4 ein Beispiel für eine Spulenanordnung mit zylindrischer Spuleπf l che; Figur 5 ein Beispiel für eine Spuleπanordnung mit komplex gestalteter Spulenfläche;
Figur 6 ein Kabel zur Verwendung im Rahmen der Erfindung.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Spule 3 im Rahmen einer erf iπdungsge äßen Spulenanordnung, wobei die durch den dargestellten Ausschnitt gegebene Spulenfläche 4 ein Segment einer Ebene ist. Die Spule 3 besteht aus einem aufgewickelten Leiter 6, welcher das (in Figur 1 nicht dargestellte) supraleitfähige Material enthält. Der Leiter 6 weist eine Längslinie 7 auf und hat an jeder Stelle der Längslinie 7 einen Querschnitt, der entlang einer Streckungslinie 8 gestreckt, im vorliegenden Beispiel rechteckig, ist. In der eigentlichen Spule" 3 ist die Streckungslinie 8 stets stumpfwinklig, vorzugsweise etwa senkrecht, zur Spulenfläche 4 gerichtet; dies erweist sich als vorteilhaft aus Erwägungen, die die Durchdringung des Leiters 6 durch das von der Spule 3 zu erzeugende Magnetfeld betreffen. Der Leiter 6 wird mit einem Ende 9 aus der Spule 3 herausgeführt; erfindungsgemäß weist
dieses Ende 9 eine Verdrillung 11 auf, hinter der die Streckungslinie 8 nicht mehr senkrecht, sondern etwa parallel zur Spulenfläche 4 gerichtet ist. Diese Verdrillung 11 ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil hinter Ihr der Leiter 6 leicht abgeknickt und in stumpfem Winkel, insbesondere in etwa rechtem Winkel, von der Spulenfläche 4 weggeführt werden kann. Hinter der Verdrillung 11 schmiegt der Leiter 6 sich wieder an die Spule 3 an; dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Spule 3 in eine Tragstruktur eingespannt werden soll. Solche Tragstrukturen sind z. B. in dem oben zitierten Aufsatz aus "Physik in unserer Zeit" beschrieben und bedürfen daher an dieser Stelle keiner weiteren Abhandlung.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Spulenanordnung mit einer ersten Spule 1 und einer zweiten Spule 2, wobei die zweite Spule 2 auf der ersten Spule 1 aufliegt. Die in Figur 2 nicht dargestellte Spulenfläche ist beispielsweise zu denken zwischen der ersten Spule 1 und der zweiten
Spule 2. Erste Spule 1 und zweite Spule 2 sind aus einem einzigen Leiter 6 gewickelt, der mit einem Ende 9 aus der ersten Spule 1 heraus- und an einem anderen Ende 10 in die zweite Spule 2 hineingeführt ist. Zwischen den Enden 9 und 10 weist der Leiter 6 zwei erfindungsgemäße Verdrillungεn 11 auf; das Einbeziehen dieser Verdrillungen 11 gestattet die Führung des Leiters 6 zwischen erster Spule 1 und zweiter Spule 2 mit einem Minimum an Deformation. Beide Verdrillungen 11 haben denselben Schraubensinn; dies ist vorteilhaft, da hierdurch eine andernfalls womöglich bestehende Gefahr des Umklappens der Verdrillungen 11 vermieden wird. Auch gibt es in vielen Fällen inhärente Schraubensinne in den verwendeten Leitern 6, die von den zum Anbringen einer Verdrillung 11 möglichen zwei
Schraubensinneπ einen begünstigen.
Figur 3 zeigt ein schematisiertes Beispiel für ein Band, das als Leiter 6 im Rahmen der Erfindung verwendbar ist. Der Leiter 6 weist eine Längslinie 7 auf und hat, wie bereits erwähnt, an jeder Stelle der Längslinie 7 einen Querschnitt, der entlang einer Streckungslinie 8 gestreckt ist. Der Leiter 6 besteht aus einer Matrix 12 aus einem Metall wie z. B. Kupfer, in welche Matrix 12 die supraleitenden Fäden 5 eingebettet sind. In der Regel sind die supraleitenden Fäden 5 weitgehend regelmäßig über die Matrix 12 verteilt; der Übersichtlichkeit halber sind nur wenige Fäden 5 dargestellt.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsbeispiel für eine
Spulenanordnung, in der die Erfindung realisierbar ist. Die Spulenaπordnung besteht aus einer ersten Spule 1 und . einer zweiten Spule 2, wobei beide Spulen 1, 2 mehrteilig sind und einander auf einer zylindrischen Spulenfläche 4 gegenüberliegen. Jede der- Spulen 1, 2 weist Mittelbereiche 15 auf, die gerade sind und über gebogene Endbereiche 16 miteinander in Verbindung stehen. Gemäß der Erfindung können sowohl Verbindungen der Teile der Spulen 1, 2 untereinander als auch Verbindungen zwischen erster Spule 1 und zweiter Spule 2 realisiert werden; auch die zum
Betrieb der Spulenanordnung notwendigen Stromzuführungen können über erfindungsgemäße Verdrillungen an die Spulen 1, 2 angeschlossen werden.
Figur 5 zeigt eine weiteres, ausschnittsweise dargestelltes, Beispiel für eine Spule 3 aus einem supraleitfähigen Leiter 6. Die Spule 3 weist wiederum etwa gerade Mittelbereiche 15 auf, die über einen bogenförmigen Endbereich 16 miteinander verbunden sind. Der Leiter 6
beginnt an einem äußeren Ende 9 und endet an einem inneren Ende 10; der Übersichtlichkeit halber sind beide Enden 9, 10 parallel zu einem Mittelbereich 15 ausgerichtet gezeigt. Die Spulenfläche 4 der Spule 3 hat im dargestellten Beispiel ein ebenes Mittelsegment 13 und ein Endsegment 14, das etwa in einem rechten Winkel zum Mittelsegment 13 gelegt ist. Damit ist die dargestellte Spule 3 eine sogenannte "Bettgestell-Spule" oder "Sattelspule". Zur Bildung einer "Bananen-Spule" kann der Mittelbereich 15 auch eine in dem ebenen Mittelsegment 13 verlaufende leichte .Krümmung erhalten.
Figur 6 zeigt, wie ein Kabel 17 durch Verkabelung einer Vielzahl von Elementen 18 gebildet werden kann. Das Kabel 17 weist eine Längslinie 7 auf, die zur Erläuterung des durch die Verkabelung der Elemente 18 definierten Schraubensinns 19 mit einem Richtungspfeil versehen ist. Bezüglich dieser gerichteten Längslinie 7 sind die Elemente 18 in einem Drehsinn 20 um die Längslinie 7 herumgeführt; der Schraubensinn 19 ist aus der Kombination der gerichteten Längslinie 7 mit dem Drehsinn 20 eindeutig bestimmt. Das Kabel 17 kann einerseits einen zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung bestimmten Leiter darstellen; in diesem Fall können die Elemente 18 aus in eine Matrix eingebetteten supraleitf higen Fäden bestehen (vergl. Figur 3). Auch kann das Kabel 17 eine Verdrillung supraleitfähiger Fäden in einem zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung bestimmten Band darstellen; die Elemente 18 sind in diesem Fall die supraleitfähigen Fäden selbst.
Die Erfindung gestattet die Bildung von Spulenanordnungen aus supraleitfähigen Leitern, wobei starke Deformationen der Leiter weitestgehend vermieden und somit
Beeinträchtigungen der Betriebssicherheit unterdrückt werden.