HTS-Kryomagnet und Aufmagnetisierungsverfahren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufmagnetisierung eines hochtemperatursupraleitenden (HTS-) Kryomagneten und den Aufbau eines Kryomagneten zur Durchführung desselben.
Hochstromtragfähiges HTS-Massivmaterial ist als Kryomagnet zu verwenden, solange es nach der Aufmagnetisierung auf der Betriebstemperatur T unterhalb der Sprungtemperatur Tc, also T < Tc gehalten wird. Dann ist der Kryomagnet in seiner Wirkung wie ein Permanentmagnet. Sein Feld ist im fachlichen Sprachgebrauch eingefroren. So sind Felder von > 14 Tesla bereits nach Aufmagnetisierung durch große supraleitende Magnetspulen über das „Field-Cooled -Verfahren demonstriert worden. Der Vorgang ist im Prinzip folgender:
Der HTS wird im zunächst zeitlich konstanten, äußeren Feld, z. B. einer supraleitenden Spule, auf eine Temperatur T < Tc abgekühlt. Der magnetische Fluß wird bei dieser Temperatur in diesem eingefroren oder eingefangen. Dann wird das äußere Magnetfeld langsam, d.h. auf einer Skala von Minuten und Stunden heruntergefahren, wodurch supraleitende Ströme im HTS induziert werden, die das Feld im HTS weitgehend aufrechterhalten und den HTS in seiner Wirkung zum Permanentmagneten, dem Kryomagneten machen.
Die Aufmagnetisierung von hochstromtragfähigem HTS-Formkörpern kann, wenn diese z. B. in einer elektrischen Maschine eingebaut sind, nicht mit einer großen supraleitenden Spule erfolgen, sondern muß im eingebauten Zustand über gepulste Aufmagnetisierung etwa mit einer Cu-Spule durchgeführt werden. Im Gegensatz zum obigen „Field-Cooled"-Verfahren wird bei diesem sog. „Zero Field-CooledΛΛ-Verfahren der Supraleiter ohne äußeres Feld auf eine Temperatur < Tc abgekühlt und dann einem kurzen Magnetfeldpuls ausgesetzt. Bei hinreichend starken Magnet-
feldern kann auch bei diesem Verfahren magnetischer Fluss im
Supraleiter eingefroren werden. Dabei kann es sich auch um ein sukzessives Aufmagnetisieren durch mehrfaches Hintereinander- pulsen des Aufmagnetisierungsmagneten handeln. Multipuls-Ver- fahren mit Pulsdauern von einigen ms haben sich hierfür als vorteilhaft erwiesen, um Magnetfelder von bis zu 3 Tesla einzufrieren.
Bekannt sind gepulste Aufmagnetisierungsverfahren mit Cu-Spu- len ohne eingekoppelte Transport-Strompulse Ll, χ r χχϊr sowie Formgebungs- und Verbindungstechniken für HTS-Massiv aterial [IV] , HTS-Ringstrukturen und ihre magnetische Charakterisierung [V] sowie mechanische Verstärkungen, um die durch starke Magnetfelder auf den HTS ausgeübten Kräfte aufzufangen [VI] .
Die Sättigungsmagnetisierung eines Formkörpers, d.h. das maximal einfrierbare Feld H*, ist durch die Form der Probe und durch deren kritische Stromdichte jc bestimmt. Als Faustregel gilt, dass beim „Field-Cooled^-Verfahren das Feld der Spule mindestens 1 x H* entsprechen muß, um die Probe voll aufzumag- netisieren. Bei der gepulsten Aufmagnetisierung hingegen, dem „Zero Field-Cooled"-Verfahren, ist hierfür typischerweise ein Magnetfeld der Pulshöhe 2 x H* erforderlich. Ursache hierfür sind die während der ansteigenden Flanke des Aufmagnetisie- rungs-Pulses in der Probe induzierten Abschirmströme.
Diese bei der ansteigenden Flanke des Aufmagnetisierungs-Pul- ses induzierten Abschirmströme und die mit eingebauten Cu-Spu- len ähnlicher Abmessung maximal erreichbaren Pulsfelder von 3 - 6 Tesla setzen somit die praktischen Grenzen für die maximal erreichbaren eingefrorenen Felder.
Gelänge es, die induzierten Abschirmströme zu begrenzen, im Idealfall auf Null, dann würde man eine Situation erreichen,
die dem „Field-Cooled"-Verfahren vergleichbar wäre. Gelänge es weiterhin, einzelne Segmente des Formkörpers separat aufzumag- netisieren, dann würden sich die von den einzelnen Segmenten erzeugten Felder addieren und es wären insgesamt sogar Felder erzielbar, die oberhalb des von der Cu-Spule erzeugten Feldes liegen.
Daraus ergibt sich die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich ein Aufmagnetisierungsverfahren an einen kryo- tauglichen HTS-Magneten zu entwickeln, mit dem hohe magnetische Felder bei Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur Tc eingefroren werden können, und einen Kryomagneten zu konstruieren, der nach diesem Verfahren wirksam aufmagnetisiert werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur gepulsten Aufmagnetisierung gemäß Anspruch 1 und gemäß Anspruch 5 gelöst. Das Verfahren nach Anspruch 1 läuft ohne Einsatz einer im Kryomagneten eingebauten Kupferspule ab, hingegen wird bei dem Verfahren nach Anspruch 5 eine solche verwendet.
Zum besseren Verständnis des Verfahrens wird der prinzipielle Aufbau des eigentlichen Kryomagneten zunächst kurz erläutert: Er besteht aus m gestapelten Scheiben, deren jeweiliger Mittelpunkt auf einer Achse liegt. Jede Scheibe selbst besteht aus n kreisring- oder polygonringförmigen Leiterelementen, die zueinander konzentrisch in einer Ebene liegen und n-1 Ringspalte bilden, wobei m und n natürliche Zahlen > 1 sind. Sie sind aus supraleitendem, genauer aus hochtemperatursupralei- tendem Material .
Jedes der n Leiterelemente hat zwei Kontaktstellen, über die es beim Aufmagnetisierungsverfahren unterhalb der tiefsten
Sprungtemperatur Tc der verwendeten Supraleitermaterialien bestromt wird.
Beide Verfahren, nach Anspruch 1 und Anspruch 5, werden an einem Kryomagneten gemäß dem in Anspruch 13 beschriebenen prinzipiellen Aufbau durchgeführt und derselbe damit aufmagnetisiert.
Es wird also jedem der n Leiterelemente über seine beiden Kontaktstellen ein Transportstrompuls Ipuιs vorgegebener Polarität, Stärke und Pulsform zugeführt. Von einer Kontaktstelle zur andern eines bestromten Leiterelements teilt sich der Transportstrom IpUιs in die beiden Teilströme Ii durch den einen Arm des Leiterelements zur andern Kontaktstelle und I2 durch den andern Arm des Leiterelements zur andern Kontaktstelle auf. Die beiden Kontaktstellen werden so angeordnet, dass die Länge der Verbindungstrecke zwischen ihnen, d.h. die Länge des kürzeren der beiden Arme, einen Anteil A von maximal 35% am Gesamtumfang des Leiterelementes besitzt. Dadurch stellt sich eine Stromasymmetrie Ii ≠ I2 ein. Fortan wird festgelegt, dass der in dem kürzeren der beiden Arme fließende Strom mit Ii und der in dem längeren der beiden Arme fließende Strom mit I2 bezeichnet sein soll.
Die mn Leiterelemente werden geometrisch so elektrisch miteinander verbunden, dass der in jedes der n Leiterelemente eingespeiste Transportstrompuls Ipuιs eine solche Polarität besitzt, dass der während der ansteigenden Flanke des Transportstrompulses IpUιs fließende Teilstrom Iχ bezüglich einem vorgegebenen Sinn in allen n Leiterelementen die gleiche Richtung hat. Bei Verwendung mehrerer Scheiben wird der eingespeiste Transportsrompuls IpUιs so gewählt, dass der während der ansteigenden Flanke des Transportstrompulses Ipuls fließende Teilstrom Iχ be-
züglich einem vorgegebenen Sinn in allen m Scheiben die gleiche Richtung hat .
Gemäß Anspruch 2 wird der Transportstrompuls Ipuis in allen mn Leiterelementen so eingestellt, dass der zugehörige Maximalwert IPuis,max in jedem Leiterelement gleich ist. Der von allen mn Leiterelementen größte Anteil der Länge des kürzeren Arms am Gesamtumfang der geschlossenen Leiterschleife wird mit Amax bezeichnet. Als kritischer Stromes Ic eines supraleitenden Leiterelementes wird jener Strom bezeichnet, der im Supraleiter einen Spannungsabfall von 10"6 V/cm erzeugt. Ströme > Ic führen zum Aufbau eines ohmschen Widerstandes im Supraleiter. Der von allen mn Leiterelementen größte kritische Strom wird mit Ic,maχ und die magnetische Feldstärke, welche von allen m voll auf- magnetisierten Scheiben in deren Zentrum erzeugt wird, wird mit H* bezeichnet. Gemäß Anspruch 2 wird damit der Maximalwert Ipuis,max des Transportstrompulses Ipuιs darüber hinaus so einge¬ stellt, dass folgende Bedingung erfüllt ist:
( 1 — ZAmaχ ) -i-puls,max H / lc,max — ^-H .
Nach Anspruch 3 wird die höchste Sättigungsmagnetisierung dadurch erreicht, dass durch mehrfache Wiederholung des gepulsten Aufmagnetisierungsprozesses der in den Kryomagneten eingebrachte remanente magnetische Fluß schrittweise bis höchstens zur Sättigungsmagnetisierung erhöht wird.
In Anspruch 4 ist beschrieben, dass die Betriebstemperatur T nach jedem Aufmagnetisierungsschritt weiter abgesenkt wird. Dies setzt weiter die abschirmende Wirkung speziell der weiter außen angeordneten Leiterelemente herab und führt dazu, dass während des gesamten Aufmagnetisierungsprozesses im Zentrum des Kryomagneten eine höhere Magnetisierung erreicht wird (vgl. Zitat III) .
Zum bisher geschilderten Magnetisierungsverfahren ist kein durch eine im System des Kryomagneten eingebaute Kupferspule erzeugtes äußeres Magnetfeld notwendig.
Eine Variante des Aufmagnetisierens besteht darin, dass ein solches äußeres Magnetfeld dazui verwendet wird. Hierzu ist zu dem System des eigentlichen Kryomagneten nach Anspruch 14 mindestens eine Kupferspule notwendig. Die Achse des mit ihr erzeugten äußeren Magnetfelds fällt mit der Achse des nach der Aufmagnetisierung eingefrorenen Magnetfelds zusammen.
Der Kryomagnet wird über die normalleitende Spule einem Magnetfeld-Puls Hpuιs vorgegebener Polarität, Stärke und Pulsform ausgesetzt, der in den Leiterelementen jeweils einen Ringstrom lind induziert. Dieser schirmt während der ansteigenden Pulsflanke des Magnetfelds das Leiterelement zumindest teilweise gegen das Eindringen von magnetischem Fluß ab. Nach Erreichen des Maximums Hpuιs,maχ kehrt sich die Polarität des induzierten Ringstromes Iin um.
Dem jeweiligen Leiterelement, wird, wie in den Ansprüchen 1 bis 4 beschrieben, über die eine seiner beiden Kontaktstellen zusätzlich ein Transportstrompuls Ipuis vorgegebener Polarität, Stärke und Pulsform zugeführt, der sich bei Eintritt in das Leiterelement in zwei Teilströme aufteilt.
Polarität, Stärke, Pulsform und zeitliche Aufeinanderfolge der beiden Pulse Ipuιs und Hpuls werden so gewählt, dass ihr Zusammenwirken zu einer Stromverteilung Ii ≠ I2 in den beiden Armen des ringförmigen Leiterelements führt. Dabei wird im folgenden der Teilstrom, der aus dem Zusammenwirken der beiden Ströme Ipuis und Iind resultiert und die gleiche Polarität besitzt wie der während der ansteigenden Magnetpuls-Flanke induzierte Ringstrom Iind, mit Ii bezeichnet. Dieser Teilstrom Ix ist wäh-
rend der ansteigenden Magnetpuls-Flanke größer als der Teilstrom I2, der im andern Arm des ringförmigen Leiterelements fließt.
Weiter werden der Magnetfeldpuls Hpuιs und der Transportstrompuls IpUιs so gewählt, dass während eines zeitlichen Intervalls innerhalb des gesamten Pulsintervalls mindesten der Teilstrom Ii in die Nähe des kritischen Stromes Ic des jeweiligen Leiterelements kommt oder diesen übersteigt. Dadurch wird ein höherer ohmscher Widerstand aufgebaut, der im jeweiligen gesamten Leiterelement den maximal fließenden Strom begrenzt und damit die abschirmende Wirkung des während der ansteigenden Pulsphase induzierten Ringstromes Iind herabsetzt. Das hat zur Folge, dass der magnetische Fluß in die Leiterschleife verstärkt eindringt und nach Abklingen der beiden Pulse Ipuιs und HPuis ein supraleitender Dauerstrom in der Leiterschleife weiter fließt. So wird eine höhere remanente Magnetisierung erzielt als mit der alleinigen Applikation des Magnetfeldimpulses Hpuls.
Hinsichtlich des Transportstrompulses Ipuis werden dieselben Verhältnisse wie bei der Aufmagnetisierung ohne äußeres Magnetfeld eingestellt, d. h. das Magnetfeld Hpuls und die in die mn Leiterelemente eingespeisten Transportstrompulse Ipuιs werden so gewählt, dass der während der ansteigenden Flanke des Transportstrompulses Ipuιs fließende größere Teilstrom Ii in allen mn Leiterelementen und damit in allen m Scheiben die gleiche Richtung hat.
Die Asymmetrie in der Aufteilung der Ströme Iχ und I2 in einem Leiterelement wird durch unterschiedliche Armlängen gesteuert. Die Polarität des Strompulses Ipuιs wird so gewählt, dass während der ansteigenden Flanke des Strompulses Ipuιs der größere Teilstrom Ii in dem kürzeren Arm fließt (Anspruch 6) .
Nach Anspruch 7 wird der Transportstrompuls Ipuιs in allen mn
Leiterelementen aller m Scheiben einerseits so eingestellt, das der zugehörige Maximalwert Ipuis,maχ in jedem Leiterelement gleich ist. Der Maximalwert Hpuιs,maχ des Magnetfeldpulses Hpuιs, der Maximalwert Ipuιs, ax des Strompulses Ipuιs, der von allen Leiterelementen größte Anteil Amax der Länge des kürzeren Arms am Gesamtumfang der geschlossenen Leiterschleife, der von allen mn Leiterelementen größte kritische Strom Ic,max und die magnetische Feldstärke H , welche von allen m voll aufmagneti- sierten Scheiben in deren Zentrum erzeugt wird, werden so gewählt, dass folgende Bedingungen eingehalten werden: lpuls ,ιrtax ^ -- -i-c, max Uno H uls, max + ( 1 — A aχ ) Ipuls , max H / Ic, max — 2H .
Alternativ können für eine vorteilhafte Aufmagnetisierung auch Bedingungen nach Anspruch 8 gewählt werden. Hierbei wird der Transportstrompuls Ipuιs in allen mn Leiterelementen aller m Scheiben so eingestellt, das der zugehörige Maximalwert Ipuis,max in jedem Leiterelement gleich ist. Der Maximalwert des Magnetfeldpulses HpulS max, der Maximalwert des Strompulses Ipuιs,max, der von allen Leiterelementen größte Anteil Amax der Länge des kürzeren Arms am Gesamtumfang der geschlossenen Leiterschleife, der von allen Leiterelementen größte kritische Strom ICmaχ und die magnetische Feldstärke H*, welche von allen m voll aufmag- netisierten Scheiben in deren Zentrum erzeugt wird, werden dann so eingestellt, dass folgende Bedingungen erfüllt sind:
Ipuls ,max — 2 Cf Itlaχ UI1Q <^ Hpuis,max + ( 1 — Amax ) Ipuls ,max H / Ic, max — 2H .
Anspruch 9 beschreibt, dass die n Leiterelemente einer der m Scheiben mit mindestens einer Kupferspule elektrisch hintereinander geschaltet werden. Dadurch wird ermöglicht, dass der gepulste Spulenstrom oder ein Teil des Spulenstroms zugleich auch als Transportstrompuls Ipuιs in allen n Leiterelementen
verwendet werden kann. Je nach Dimensionierung der Kupferspule und des Leiterquerschnitts der n Leiterelemente kann es dabei erforderlich sein, keine zu hohen Transportstrompulse Ipuιs einzusetzen und deshalb nur einen Teil des gesamten Spulenstromes in die Leiterelemente einzuspeisen.
Anspruch 10 beschreibt, dass die m Scheiben elektrisch hintereinander geschaltet werden, wodurch der gepulste Spulenstrom oder ein Teil des Spulenstroms als Transportstrompuls Ipuis i allen m Scheiben fließt.
Nach Anspruch 11 wird der Magnetfeldpuls Hpuιs und der Transportstrompuls IpUis, durch Entladung eines Kondensators in die Spulenanordnung erzeugt. Über einen elektronischen, hinreichend schnellen Schalter, wie einen Thyristor oder Leistungstransistor, wird der Schwingkreis aus Induktivität und Kapazität zum vorgegebenen Zeitpunkt aufgetrennt. Dadurch wird nur die erste Hälfte der sich bildenden Eigenschwingung zur Aufmagnetisierung benutzt und ein Ausschwingen unterbunden.
Wie in Anspruch 3 beschrieben, wird jetzt in Anspruch 12 die mehrfache Wiederholung des gepulsten Aufmagnetisierungsprozesses vorgestellt, mit der der in den Kryomagneten eingebrachte remanente magnetische Fluß schrittweise bis höchstens zur Sättigungsmagnetisierung erhöht wird.
Entsprechend Anspruch 4 wird bei dieser wiederholten gepulsten Aufmagnetisierung die Betriebstemperatur T nach jedem Aufmagnetisierungsschritt weiter abgesenkt (Anspruch 13) .Wie in Zitat III vorgestellt, kann dies auch noch damit kombiniert werden, dass für die ersten Aufmagnetisierungspulse niedrigere Hpuis,maχ gewählt werden.
Der Kryomagnet, mit dem nur über Bestromung die Aufmagnetisierung erzielt wird, hat, wie in Anspruch 14 beschrieben, folgenden Aufbau: m gestapelte Scheiben haben eine gemeinsame Achse. Jede der m Scheiben besteht aus n verschiedenen, konzentrischen, in einer Ebene liegenden, kreisring- oder polygonringförmigen Leiterelementen aus supraleitendem, genauer hochtemperatursupralei- tendem Material, m und n sind natürliche, zunächst beliebige Zahlen, jeweils > 1. Der Anwendungsfall wird auf Grund des technischen Anwendungsfalls und der dabei geforderten magnetischen Eigenschaften des Kryomagneten eine Auswahl von m und n nahelegen.
Jedes Leiterelement des Kryomagneten hat für die Bestromung desselben zwei Kontaktstellen. Die mn Leiterelemente bestehen aus der Klasse der sogenannten SE;ιBa2Cu3θx Hochtemperatur-Supraleiter, kurz 123-HTS. SE steht für das chemische Element Y oder ein Seltene Erde Metall oder einer Mischung aus diesen. Jedem Leiterelement können die Stromtragfähikeit erhöhende chemische Additive zugegeben sein. Die kristallographische c- Achse des 123-HTS-Materials jedes der n Leiterelemente einer Scheibe weicht maximal 10 Grad von der Achse der Scheibe ab.
Die Leiterelemente können aus einem oder mehreren 123-HTS- Formkörpern hergestellt sein. Bei Verwendung mehrerer Formkörper sind diese durch supraleitende Verbindungen auf der Basis eines 123-HTS' mit niedrigerer peritektischer Temperatur mechanisch und supraleitend miteinander verbunden. Dabei sind die kristallographischen a-b-Gitterkreuze der 123-HTS- und 123-HTS' -Materialien in der Scheibenebene um maximal 10 Grad gegeneinander verdreht.
Es besteht eine große Vielfalt an elektrischen Verschaltungs- möglichkeiten. Z.B. können die mn Leiterelemente jeweils sepa-
rat an eine Stromquelle angeschlossen sein (Anspruch 15) . Oder die n Leiterelemente einer Scheibe sind elektrisch hintereinander geschaltet mit der Zu- und Rückleitung am äußeren und inneren Ring. Dabei kann die elektrische Verbindung zwischen den Leiterelementen normalleitend oder supraleitend ausgeführt sein kann (Anspruch 16) . Bei einem Stapel an Scheiben können dieselben entweder elektrisch separat (Anspruch 17) oder elektrisch in Reihe zueinander liegen (Anspruch 18).
Bis hier her hat der HTS-Kryomagnet noch keine normalleitende Spule zur Erzeugung des äußeren Magnetfelds. Dieser Aufbau wird im folgenden erklärt:
Es ist für den Aufmagnetisierungsprozeß prinzipiell unerheblich mit welcher Art normalleitender Spule das bewerkstelligt wird, solange die Feldgeometrie des Zusa menfalls von Kryo- magnetachse und externer Magnetfeldachse eingehalten wird. Eine Kupferspule (Anspruch 19) ist von den Material- und Herstellungseigenschaften her technisch am besten geeignet.
Hinsichtlich der Art der Spule stehen zwei Formen offen, einmal das den Kryomagneten, den Stapel aus den m Scheiben, ummantelnde,, zumindest teilweise ummantelnde Solenoid (Anspruch 20) und zum andern die ebene Spiralspule aus Kupfer mit maximal dem Durchmesser der Scheiben (Anspruch 21) .
Ein von der Materialbelastung her nützlicher Aufbau des Kryomagneten ist der, dass sich der HTS-Kryomagnet in einer Matrix bestehend aus Wachs oder Harz oder Epoxid oder einer anderen, für die Kryoanforderungen geeigneten polymeren Kohlenwasserstoff-Verbindung befindet, die bei diesen tiefen Temperaturen noch hinreichend plastische Eigenschaften besitzt. Damit werden die mit den Magnetfeldern verbundenen mechanischen Spannungen zumindest teilweise aufgefangen und die mechanische Belastung des HTS-Materials reduziert.
Das hier vorgeschlagene gepulste Aufmagnetisierungsverfahren und der damit zusammenhängende Kryomagnetaufbau zeichnen sich durch folgende Vorteile aus:
Stand der Technik sind massive Formkörper oder auch ringförmige Leiterstrukturen auf der Basis von 123-HTS, welche durch Permanentmagneten, große supraleitende Magnetspulen oder auch gepulste Kupfer-Magnetspulen aufmagnetisiert werden. Durch die erfindungsgemäße direkte Einspeisung von Transportströmen Ipuis in die verschiedenen Leiterelemente sind dem gegenüber jetzt höhere eingefrorene magnetische Felder auch mit einer kostengünstigen und platzsparenden gepulsten Aufmagnetisierung erzielbar.
Anhand eines in der Zeichnung skizzierten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden verdeutlicht. Die Zeichnung besteht aus den Figuren 1 bis 10 und zeigt:
Figur 1 die normalleitende Ringverbindung,
Figur 2 die supraleitende Ringverbindung,
Figur 3 HTS-Scheiben von einem Solenoid ummantelt,
Figur 4 HTS-Scheiben von zwei elektrisch parallelen Solenoiden ummantelt, Figur 5 HTS-Ringscheiben von einem Solenoid ummantelt, Figur β abwechselnd HTS-Scheibe und Spiralspule, Figur 7 HTS-Scheiben mit dazwischen liegenden Spiralspulen, Figur 8 abwechselnd HTS-Ringscheibe mit Spiralspule, Figur 9 zeitlicher Verlauf des Strompulses,
Figur 10 zeitlicher Verlauf des Strompulses und des Magnetpulses.
Der Kryomagnet wird aus einem HTS-Formkörper hergestellt. Ein zylinderförmiger HTS-Massivkörper. wird in Scheiben von hier einer Dicke von d = 3 mm zersägt und diese mit Laser-Schneide- Technik in Ringe, Figur 1, von hier einer Breite von ^r = 2 mm
zersägt. Die Maße sind beispielhaft und können nach technischer Anforderung variieren. Diese Ringe werden in Figur 1 mit elektrisch normalleitenden Stegen, die elektrisch ein Knoten sind, miteinander verbunden.
Der zur Aufmagnetisierung am äußeren Ring angelegte Strompuls Ipuis bewirkt in jedem Ring zwei Teilströme Iχ und I2, die in dem jeweiligen Ring aus dem eingespeisten Pulsstrom Ipuιs und gegebenfalls aus dem durch den Magnetfeldpuls Hpuιs entstehenden Induktionsstrom Iind resultieren. Die entsprechenden Teilströme in den Ringen sind im allgemeinen verschieden. Nach Abklingen des Impulsstroms Ipuis und gegebenenfalls des Magnetfeldimpulses Hpuis verbleibt der Ringstrom
Ii - I2 > 0 A als Dauerstrom, der ein Magnetfeld mit gleicher Polarität wie HPuis erzeugt. (In den Figuren 9 und 10 sind beispielhaft sinusähnliche bzw. sinusförmige Pulsformen von Ipuis und Hpuls dargestellt.) Über die geometrische Lage der Stege/Knoten (Figuren 1 und 2) kann die Aufteilung in die Teilströme I und I2 des jeweiligen Rings mit gesteuert werden. Im allgemeinen ist diese Aufteilung asymmetrisch und zudem in den verschiedenen Leiterelementen nicht gleich. Am innersten Ring tritt der Pulsstrom Ipuιs wieder zur Stromquelle aus. Die Festlegung einer Vorzugsrichtung wird dadurch erreicht, dass die Verbindungstrecke zwischen den Punkten, an denen der Strom ein- bzw. aus- gespeißt wird, nur etwa A = 20% (typisch 5 - 35%) des gesamten Ring-Umfanges beträgt (siehe Figuren 9 und 10) .
Eine Variante des bereits beschriebenen Verfahrens zur Aufmagnetisierung, die eine separate Ansteuerung der einzelnen Leiterelemente erfordert, ist die folgende:
Unter Verwendung der gepulsten Cu-Spule wird zunächst der innerste Ring aufmagnetisiert, in den kein Strompuls eingeleitet wird, während durch die in die äußeren Ringe eingeleiteten
Transportstrompulse deren abschirmende Wirkung während des gesamten Magnetfeldpulses Hpuχs herabgesetzt wird. Durch mehrere aufeinander folgende Pulse können so die verschiedenen Ringsegmente sukzessive von innen nach außen aufmagnetisiert werden.
Der Aufbau gemäß Figur 2 ist dem von Figur 1 entsprechend. In Figur 2 bestehen die Stege aus supraleitendem Material, das gleich ist wie das der Ringe, oder aus einem andern besteht. Bei gleichem supraleitendem Material ist die Ringanordnung vorteilhafterweise aufgrund des recht harten Materials mit Laserschneidetechnik aus einem Massivkörper, also einer Scheibe gearbeitet, so dass die konzentrische Ringanordnung ein zusammenhängender Körper ist. Die Stromaufteilung in den einzelnen Ringen ist entsprechend dem in Figur 1 erläuterten.
Ausführungsformen mit Cu-Spule sind zum einen eine Cu-Zylin- der-Spule mit dem HTS-Kryomagnet im Inneren (Figuren 3 bis 5) oder sandwichartig angeordnete Cu-Schnecken-/Spiralspulen mit dazwischen angeordneten HTS-Scheiben (Figuren 6 bis 8), die jeweils aus mehreren Ringen bestehen. Diese Variante erleichtert wegen ihres nach innen hin zunehmenden Magnetfeldes eine Aufmagnetisierung der inneren HTS-Ring-Segmente.
In den folgenden Figuren 3 bis 8 sind die verschiedenen Magnetisierungsaufbauten skizziert, die sich als zweckmäßig erwiesen:
Figur 3 zeigt wegen der Übersichtlichkeit nur drei gestapelte HTS-Scheiben, die einen Aufbau nach Figur 1 oder 2 haben. Die Scheibenanordnung ist von dem Solenoiden mit Kupferwicklung ummantelt. Die drei HTS-Scheiben und das Solenoid liegen elektrisch in Reihe zueinander, wobei die drei Scheiben auf dem kürzesten Wege elektrisch miteinander verbunden sind und
die Verbindungstechnik zwischen den Scheiben normal- oder supraleitend sein kann.
In Figur 4 sind fünf HTS-Scheiben gestapelt, die von zwei auf der Figurenachse beieinander liegenden Solenoiden ummantelt sind. Die fünf HTS-Scheiben sind wie in Figur 3 mit den beiden Solenoiden elektrisch hintereinander geschaltet, allerdings sind die beiden Solenoiden elektrisch parallel zueinander geschaltet.
Eine geometrisch etwas abgewandelte Form haben die fünf HTS- Scheiben in Figur 5. Es sind Ringscheiben, so dass jetzt entlang der Figurenachse ein zylindrischer Hohlraum besteht. Diese fünf Ringscheiben sind von einem entsprechend hohen Solenoiden ummantelt. Die Anordnung ist entsprechend Figur 5 elektrisch verschaltet.
In den Figuren 6 bis 8 wird der Magnetfeldimpuls Hpuιs über ebene scheibenförmige Spiralspulen erzeugt. Die Spiralspulen liegen sandwichartig zwischen den HTSL-Scheiben. Aber wie in den Figuren 3 bis 5 fällt auch hier die Magnetfeldachse mit der Figurenachse des jeweiligen Aufbaus zusammen.
In Figur 6 sind beispielsweise drei HTS-Scheiben und zwei Spiralspulen gestapelt, und zwar folgen sie abwechselnd aufeinander. Die HTS-Scheiben und die Spiralspulen haben gleiche Kontur. Es könnte z.B. aber auch der Aussendurch esser der Spiralspulen größer als der der HTS-Scheiben sein, wenn nur dadurch eine ausreichend starke Aufmagnetisierung der HTS- Scheibe erzielt werden kann.
In Figur 7 besteht der Stapel des Aufbaus aus zwei nebeneinander liegenden Spiralspulen, die zwischen zwei HTS-Scheiben liegen. Die der jeweiligen Spiralspule nächst liegende HTS-
Scheibe ist mit dieser elektrisch zu einer Gruppe in Reihe geschaltet, und beide Gruppen sind elektrisch parallel zueinander.
Wird entlang der Figuren- und Magnetfeldachse ein Hohlraum benötigt, dann ist der Aufbau von Figur 8 geeignet. Die drei HTS-Ringscheiben und die zwei Ringscheibenspulen sind abwechselnd gestapelt und elektrisch alle hintereinander geschaltet.
Die in den Figuren 3 bis 8 angedeuteten Möglichkeiten für verschiedene Varianten von Reihen- und Paralellschaltungen zwischen Spulen und HTS-Ringscheiben ermöglichen eine optimale Abstimmung der Spulenströme und der in die Leiterelemente eingespeisten Strompulse auf den durch den Leiterquerschnitt festgelegten kritischen Strom Ic der Leiterelemente. Dadurch können bei vorgegebener äußerer Beschaltung optimale Effekte zur Aufmagnetisierung wirtschaftlich erzielt werden.
Ein schematischer Stromverlauf des Pulsstromes Ipuis und infolge die Aufteilung der Ströme Iχ und I2 im Ring ist in Figur 9 in normierter Weise, auf den kritischen Strom Ic des Leiterelementes bezogen, dargestellt. Der in den Aufbau eingespeiste Pulsstrom hat sinusähnlichen Verlauf. Hier erfolgt die Aufmagnetisierung alleine mit dem Strom, also ohne extern angelegtes Magnetfeld Hpuls. Der Strom in einem Ring teilt sich in dargestellter Weise auf. Der Strom fließt eine Periodendauer τ, das ist die Zeitdauer vom Beginn des Stromanstiegs bis zum ersten Nulldurchgang. Am ersten Nulldurchgang wird der Schwingkreis aus Energiespeicher (Kondensator/Netzgerät) und Induktivität des Aufbaus elektronisch aufgetrennt
Figur 10 schließlich zeigt die Aufmagnetisierung mit Pulsstrom, wie in Figur 9, und zusätzlichem Magnetfeld. Auch für
den sinusförmigen Magnetfeldpulsverlauf wurde eine normierte
Darstellung gewählt.
Aus beiden Beispielen ist zu ersehen, dass während der ansteigenden Pulsflanke Iχ zunächst deutlich stärker ansteigt als I2. Ohne zusätzlichen Magnetfeldpuls und damit ohne zusätzlichen induzierten Abschirmstrom Iin bleibt I2 immer positiv (gemäß der in den Figuren 1 und 2 angegebenen Festlegungen für Stromrichtungen) . Mit zusätzlichem Magnetfeldpuls übersteigt zunächst der induzierte Abschirmstrom lind den Anteil von Ipuιs, der in den längeren Arm des Leiterelementes eingespeist wird d.h. I2 ist zunächst negativ gemäß der in den Figuren 1 und 2 angegebenen Festlegungen für Stromrichtungen. Sobald Ii aber Ic übersteigt, wird der weitere Anstieg von Ii begrenzt. Damit verbunden, nimmt I2 zu. Gleichzeitig kann in das ringförmig geschlossene Leiterelement magnetischer Fluss eindringen. In Figur 9 wird dieser durch den Strom I2 in dem längeren Arm des Leiterelements aufgebaut, während er in Figur 10 hauptsächlich durch das externe Magnetfeld erzeugt wird. Während der abfallenden Pulsflanke versucht nun der Supraleiter, den eingedrungenen magnetischen Fluss in der geschlossenen Leiterschleife einzufrieren. Dies führt schließlich dazu, dass Iχ sein Vorzeichen umkehrt und mit Iχ=-I2 im Ring ein Ringstrom in positiver I2-Richtung fließt, wobei dieser Ringstrom etwa Ic entspricht. D.h. der Ring ist in diesen Beispielen vollständig aufmagnetisiert .
Je nach gewähltem Magnetisierungsaufbau (Figuren 3 bis 8) und gewählter Beschaltung können auch die Zahlenwerte für die verschiedenen Ströme, Magnetfelder und Pulsdauern, je nach Anwendung in entsprechend großen Bereichen gezielt variiert werden. Als Faustregel können aber für den kritischen Strom Ic der Leiterelemente Werte in der Größenordnung von einigen 100 bis einigen 1000 A, Magnetfeldstärken HpulS/max im Bereich bis über 5 T
und Pulsdauern τ in der Größenordnung von 1 bis 100 ms als geeignet angesehen werden.
Literaturlegende
I IEEE TRANSACTIONES ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, Vol. 9, No. 2, June 1999, pp. 916 - 919
"Beam Confinement Magnets Based on Single-Grain Y-Ba-Cu-O", A. C. Day et al. ;
II Applied Superconductivity,
Vol. 6, Nos. 2 - 5, pp. 235 - 246, 1998, "PULSED-FIELD MAGNETIZATION APPLIED TO HIGH-TC SUPERCONDUCTORS" , U. Mizutani et al.;
III "Pulsed Magnetization of HTS Bulk Parts at T</77 K",
M. Sander et al,
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, sowie darin enthaltene
Referenzen Supercond. Sei . Technol . 13 (2000) 1-5
IV Referenz E aus EM 92/99: Shaping Vorabdruck Proc. European Conference on Applied Superconductivity' 99, Barcelona 13.-17.9.1999, erscheint in Applied Superconductivity
V "Properties of Melt-Textured Y123 Ring Structures",
H. Claus et al . Workshop on Bulk High Temperature Superconductors and their Applications, 17.-19.5.1999, Argonne National Laboratory ....
VI Referenz A aus EM 92/99: Improvement .... Vorabdruck Proc. European Conference on Applied Superconductivity' 99, Barcelona 13.-17.9.1999, erscheint in Applied Superconductivity