DE2056287B2 - Supraleitungsmagnetspule mit einer zwei- oder mehrpoligen Wicklung - Google Patents

Description

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einstellt. Dabei bedeutet Ie die Oberflächcnstromdichte (A/cm) an einer Stelle des Zylinderumfanges, η die Anzahl der Pole, Θ den Winkelabstand der Stelle, an der Ih herrscht, von einem Antipol, das ist eine Stelle in der Mitte zwischen zwei Polen, und /« die Oberflächenstromdichte am Antipol. Wie in der Zeitschrift »IEEE Transactions on Nuclear Science«, Vol. 14, Juni 1967, Seiten 389 bis 392 im einzelnen erläutert ist, kann man eine derartige Stromverteilung bei einer Supraleitungsmagnetspulc mit einer zwei- oder mehrpoligen Wicklunp dadurch erreichen, daß man die Wicklung aus mehreren, langgestreckten, sattelartig geformten Teilspulen aufbaut, die auf einem zylindrischen Tragkörper angeordnet sind, und daß man ferner die Teilspulcn in mehrere Wicklungsabschnittc unterteilt, deren parallel zur Längsachse des Tragkorpers verlaufenden geraden Teile einen etwa rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die einzelnen Teilwicklungen sind dabei so ausgestaltet, daß die Stromdichte in den zugehörigen Wicklungsabschnitten von den Antipolen zu den Polen hin abnimmt. Langgestreckte, keilförmige Distanzeiemente, die /wischen den gerader. Teilen der Wicklungsabschnittc angeordnet sind, dienen dazu, den Raum zwischen den Wicklungsabschnitten auszufüllen und die Wicklungsabschnitte in Positiop zu halten.

LJm die insbesondere für Strahlführunesmaenete

erforderliche hohe Magnetfeldgenauigkeit zu erzielen, sind innerhalb der Wicklungsabschnitte der Teil wicklungen hohe Stromdichten erforderlich. Dies führt zu besonderen Schwierigkeiten hinsichtlich des Schutzes der Supraleitungsmagnetspulen gegen Zerstörungen. An sich besteht bei jeder supraleitenden Wicklung die Gefahr einer irreversiblen Schädigung, wenn die Wicklung, beispielsweise infolge einer Betriebsstörung, vom supraleitenden in den elektrisch normalleitenden Zustand übergent. Ein solcher Übergang verursacht infolge des sprunghaft aultretenden ohmschen Widerstandes der Wicklung bei unverändertem Erregerstrom einen plötzlichen Anstieg der Verlustleistung in der Wicklung. Außer einer gefährlichen Spannungserhöhung, die zu Spannungsüberschlägen und Durchschlägen zwischen Wicklungsteilen führen kann, tritt vor allem eine Temperaturerhöhung auf, die leicht zum Überschreiten der für die Wicklung zulässigen Höchsttemperatur und damit zu einer Zerstörung der Spule führen kann. Bei hohen Stromdichten in der Wicklung sind diese Probleme besonders kritisch.

Verschiedene Möglichkeilen zum Schütze von Supraleitungsspulen gegen Zerstörung sind bereits in der Zeitschrift »Cryogenics«, Juni 1964, Seiten 153 bis 165 erörtert. Eine dieser Möglichkeiten besteht darin, die Feldenergie in einen äußeren ohmschen Widerstand auszukoppeln, der zur Spulenwicklung parallel geschaltet ist. Eine solche Auskopplung, bei der in der Wicklung hohe elektrische Spannungen auftreten, ist jedoch wegen der hohen innerhalb der Wicklungsabachnitte erforderlichen Stromdichten sehr aufwendig und praktisch nicht durchführbar. Auch die andere Möglichkeit, nämlich die Parallelführung einer normalleitenden Sekundärwicklung zu den einzelnen Windungen der supraleitenden Wicklung, wie sie für sattelförmige Supraleitungsmagnetspulcn anderer Bauart durch die US-Patentschrift 32 83 276 bekannt ist, ist für Wicklungen mit sehr hoher Stromdichte nicht geeignet, weil durch die normalleitende Sekundärwicklung der Pakkungsfaktorder Wicklung zu stark herabgesetzt würde, so daß die erforderlichen hohen Stromdichten nicht erreicht werden könnten.

Ferner sind durch die deutsche Ausiegeschrift 12 70688 und die schweizer Patentschrift 4 37 529 weitere sattelförmige Supraleitungsmagnetspulen anderer Bauart bekannt, bei welchen der >n sich ringförmig geschlossene Tragkörper für die supraleitende Wicklung aus gut elektrisch leitendem Metall, wie Aluminium oder Kupfer, besteht und als induktive Abschirmung bzw. Kurzschlußring zum Schütze der supraleitenden Wicklung dient. Diese Scnutzmöglichkeit läßt sich bei einer auf einem zylinderförmigcn Tragkörper angeordneten, langgestreckten Wicklung schon wegen der andersartigen Ausgestaltung des Tragkörpers nicht anwenden und hat ferner den Nachteil, daß die Form des Tragkörpers in erster Linie durch die Spulenform bedingt ist. Zur Anpassung insbesondere des ohmschen Widerstandes und der Induktivität des Tragkörpers an die Schutzfunktion, die er erfüllen soll, verbleibt dabei nur ein sehr geringer Spielraum.

Darüber hinaus ist aus der US-PS 32 63 133 eine Supraleitungsmagnctspule mit konzentrisch zueinander angeordneten Wickliingslagcn bekannt, zwischen denen Abschirmclcmenlc aus parallel /ur Spulcnachsc geschlitzten Zylindern angeordnet sind. Die benachbarten und in Längsrichtung "erlaufenden Enden jedes dieser Abscbirmelemente, die aus einem bei der Betriebstemperatur der Sunraleiüingsinagnctspulc normallcitendcn Metall hoher Leitfähigkeit bestehen, sind durch außerhalb der Wicklung liegende Verbindungselemente zu einem elektrisch geschlossenen Schutzkreis verbunden, der eine bestimmte Zeitkonstante aufweist und der außerhalb der Spule oder eines Dewargefäßes angeurd nete Widerstände aufweist. Aufgrund der konzentrischen Anordnung der Abschirmelemente zwischen benachbarten Wicklungslagen stellen diese Elemente Teile von Distanzelementen dar. Die Wicklungslagen der bekannten Spule bilden jedoch keine zwei- oder mehrpolige Wicklung. Außerdem wird mit den zwischen den einzelnen Wicklungslagen angeordneten, längsgeschlitzten Abschirmelementen der Packungsfaktor der Wicklung entsprechend herabgesetzt und der Aufbau der Wicklung verkompliziert. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß die in den Abschirmelementen induzierten Ströme zu einer unerwünschten Erhitzung im Spuleninneren führen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Supraleitungsmagnetspuleder eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß ein wirksame. Schutz ihrer supraleitenden Wicklung gegen Zerstörung gewährleistet ist, ohne daß dabei die Stromdichte in den Wicklungsabschnitten der Wicklung herabgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Listanzelemente aus einem bei der Betriebstemperatur der supraleitenden Magnetspule elektrisch normalleitenden Material hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen und gegen die Wicklung isoliert sind, daß die Enden der einzelnen Distanzelemcnte durch außerhalb der Wicklung liegende Verbindungselemente aus einem bei der Betriebstemperatur der Supraleitungsmagnetspule normalleitenden Material derart miteinander elektrisch verbunden sind, daß wenigstens ein elektrisch geschlossener Schutzkreis mit einer vorbestimmten Zeitkonstanten T= UR gebildet wird. wobei L die Induktivität und R der Widerstand des Schutzkreises sind, und daß die Zeitkonstantc T einen Wert aufweist, bei dem der bei Übergang der Wicxiung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand in den Schutzkreis induzierte Strom langsamer abgebaut wird als der Strom in der Wicklung, so daß die in dem Schutzkreis entstehende Wärme ohne Beschädigung der Wicklung nach außen abführbar ist.

Die Wirkungsweise dieser Schut/.kreisi; ist mit der Wirkung der Sekundärwicklung eines Transformators vergleichbar. Wenn in der die Primärwicklung darstellenden supraleitenden Wicklung beim Übergang in den elektrisch normalleitenden Zustand sprunghaft ein sehr hoher Widerstand auftritt, klingt der Strom in der supraleitenden Wick^!ung verhältnismäßig rasch ab. Das Abklingen des Stromes kann noch dadurch beschleunigt werden, daß beim Übergang der Wicklung in den clektrLjis normalleitenden Zustand die Siromvcrsorgung für die Supraleitungsmagnctspule abgeschaltet wird. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Schalters geschehen, der .inspricht, wenn die elektrische Spannung über der supraleitenden Wicklung aufgrund des Überganges in den normalleitenden Zustand plötzlich ansteigt. Beim Abklingen des Stromes in der supraleitenden Wicklung wird in den durch die miteinander verbundenen Distanzclementc gebildeten Schuizkreiscn jeweils ein Strom von solcher Stärke und Richtung induziert, daß das bestehende Magnetfeld möglichst aufrechterhalten bleib¹. Aufgrund des ohmschen Widerslandes der Schutzkreise wird der induzierte Strom in den Schutzkreisen abgebaut. Die Zeilkonstante kann dabei einerseits so groß gemacht werden, daß der in den

Schul/kreisen induzierte Strom langsamer abgebaut wird als der Strom in der supraleitenden Wicklung selbst. Die in den Schutzkreiscn einstehende Wärme kann dann ohne Schädigung der supraleitenden Wicklung durch das die Spule umgebende Kühlmittel ^: nach und nach abgeführt werden. Zum anderen kann die Zeitkonstante des .Schulzkreises oder der Schutzkreisc gleichzeitig so klein gemacht werden, dal.) beim Auferregen der im supraleitenden Zustand befindlichen supraleitenden Wicklung der Feldansticg in der m Supralciuingsmagnctspulc durch die Schutzkreisc nicht störend behindert wird. Beispielsweise haben sich /eilkonstanten von etwa 60 Sekunden als vorteilhaft erwiesen. Die Schiitzwirkung der Schiit/kreise beruht im wesentlichen darauf, daß eine örtliche überhitzung r. an einzelnen Stellen tier supraleitenden Wicklung vermieden wird. Dies wird dadurch bewirk!, daß wesentliche Teile der Magnclfeldencrgic aus der

den. daß ferner infolge der Wärmeleitung der Distanzelemente sich der normalleilende Zustand rasch über größere Teile der supraleitenden Wicklung ausbreitet und daß weiterhin die elektrisch gut leitenden Distanzelemente aufgrund ihrer Wärmekapazität selbst Wärme aufnehmen können.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ohnehin vorhandene Bauteile, nämlich tlie Distanzelemente. zur induktiven Auskopplung der Energie aus der supraleitenden Wicklung im Falle eines Überganges in den normalleitcnden Zustand ausgenutzt werden können. Die Form der supraleitenden Wicklung und insbesondere die Stromdichte in den Wicklungsabschnitten wird daher durch den zum Schütze dienenden elektrischen Kreis überhaupt nicht beeinflußt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch entsprechende Ausbildung der Verbindungselemente und durch die Art der Verbindung der Distanzelemente zu "mem oder zu mehreren elektrisch geschlossenen Kreisen der elektrische Widerstand und die Induktivität des Schutzkreises bzw. der Schutzkre:se in weiten Grenzen variiert werden kann. Dadurch lassen sich die Zeitkonstanten T = L/R für den Abbau eines in den Schutzkreisen induktiv angeworfenen Stromes den speziellen Betriebsbedingungen der Supraleitungsmagnetspule gut anpassen.

Für den Fall, daß der zylindrische Trägerkörper aus Metal! besteht, sollen die Distanzelemente gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch gegen den Trägerkörper elektrisch isoliert sein.

Für die Ausgestaltung der Verbindungselemente zwischen den Distanzelementen bestehen verschiedene Möglichkeiten. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Verbindungselemente bügeiförmig ausgebildet und bestehen aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit. Diese Ausführungsform ist sehr raumsparend und hat ferner den Vorteil, daß die entstehende Wärme weitgehend gleichmäßig über die gesamte Spule verteilt wird.

Unter bei der Betriebstemperatur der Spule elektrisch normalleitendem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit sind beispielsweise Kupfer und Aluminium sowie Materialien mit einer Leitfähigkeit zu verstehen, die in der gleichen Größenordnung liegt wie die Leitfähigkeit von Kupfer und Aluminium. Aluminium wird zwar bei Temperaturen unterhalb von etwa 1,5 K supraleitend, sieiii jedoch bei der Betriebstemperatur üblicher Supraleitungsmagnetspulen, die bei etwa 4 K liegt, einen guten Normalleiter dar.

Gemäß einer Weilerbildung der Erfindung kann wenigstens ein Verbindungselement ein ohmschcr Widersland sein, dessen Widerstand höher ist als der Widerstand der übrigen Teile des Schutzkreises. Hei einer solchen Ausführungsform wird die in den Schutzkreis ausgekoppelte Energie bevorzugt in diesen Widerständen in Wärme umgesetzt. Wenn man gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung den oder die ohmschen Widerstände außerhalb der zur Kühlung der Supraleitungsmagnetspule dienenden Kühlflüssigkeit anordnet, wird ein großer Teil der Wärmeenergie außerhalb dieser Kühlflüssigkeit frei, so daß eine gegebenenfalls unerwünschte zu starke Verdampfung der Kühlflüssigkeit vermieden wird. Die Widerstände können zu diesem Zweck beispielsweise innerhalb des lleliunigefäßcs des Kryostatcn, in dem die Supraleitungsmagnetspule angeordnet ist, im Heliumdampfraum oberhalb des flüssigen Heliums angeordnet sein. Eine andere Mö"!iehkei! bes'.jht tiarin, die Widerstände beispielsweise außerhalb des Kryostatcn auf Raumtemperatur anzuordnen, und sie über entsprechende Verbindungsleitungcn mit den Distanzelemcnten zu verbinden. Weitcrc Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen b und 7 gekennzeichnet.

Ausführungsbeispielc der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und wc:den im folgenden näher beschrieben.

!■"ig. 1 i'gt schematisch im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen supraleitenden Quad rupolmagnet spule;

F i g. 2 zeigt schcipalisch in Dratfsicht eine der vier Teilwicklungen der Quadrupolmagoetspule nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt schematisch einen Schaltplan für die Distanzelemente bei einem anderen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen supraleitenden Quadrupolmagnetspule.

Die in F i g. I im Querschnitt dargestellte supraleitende Quadrupolmagnctspule besteht aus vier langgestreckten, sattelartig geformten Tcilspulen 1 bis 4. die auf einem zylindrischen Tragkörper 5 angeordnet sind, der beispielsweise aus nichtmagnetischem Stahl besteht. Aus F i g. 2. die eine der Teilspulen 1 bis 4 in Draufsicht zeigt, ist die langgestreckte sattelartige Form gut zu erkennen. Um an der Oberfläche des Tragkörpers 5 einen Strombelag zu erhalten, welcher der für eine Quadrupolmagnetspule gültigen Formel

In = /n cos 2Θ

entspricht, ist jeder Quadrant des kreisförmigen Querschnitts in neun Sektoren mit einer azimutalen Ausdehnung von je 10 Winkelgraden eingeteilt. T/er jeweils innenliegende Sektor enthält keine stromführenden Leiter, sondern dient als Wickelkern 10. Er besteht beispielsweise aus einem Edelstahl- oder Kunststoffteil, das am Tragkörper 5 befestigt ist. An diesen innenliegenden Sektor schließen sich nach beiden Seiten hin je vier weitere Sektoren an. Diese Sektoren enthalten die Wicklungsabschnitte 6 bis 9, in welche jede der Teilspulen 1 bis 4 unterteilt ist. Als Leiter für die Wicklung sind bandförmige Supraleiter verwendet, deren Breite gleich der Wicklungshöhe in radialer Richtung ist. Die Leiter stehen in den einzelnen Wickiungsabschnitten jeweils hochkant auf dem Tragkörper 5. Die Wicklungsabschnitte sind derart ausgebildet, daß die Stromdichte vom Wicklungsabschnitt 6 zum Wickiungsabschniü S hin ansteigt. Eine sehr gute Annäherung des Strombelags an die bereits erwähnte Formel erreicht man dabei, indem man jeden Wick-

lungsabschnilt aus so vielen Windungen iiufbiiiii, d.il.1 sich die Winclungsdichtcn der Wicklungsiibschnitlc 6 bis 9 wie clwii 5 : 10 : I 3 : I¹) verhalten. Der Wicklungsabschnilt 6 enthüll dabei die niedrigste, der Wicklungsabschnitt 9 die größte Zahl von Windungen. In I" i g. I sind diese unterschiedlichen Windungszahlen durch unterschiedliche Schraffur der Wieklungsabschnitlc der Teilwicklung 4 angedeutet. Um einen gleichmäßigen Querschnitt aller Wicklungsabschnitte zu erhalten, werden mit zunehmender Windungszahl die fehlenden Windungen in den Wicklungsabschniltcn durch Isoliersioffbcilagen. beispielsweise Kunsistoffbandcr. ersetzt, die /wischen die einzelnen Windungen eingelegt werden.

/wischen den pralle! zur Längsachse des Tragkörpcrs 5 verlaufenden feilen der Wicklungsabschnittc 6 bis 9, die einen eiwa rechteckigen Querschnitt aufweisen, sind keilförmige, langgestreckte Distanzelemcntc Il bis 16 aus einem elektrisch normallcilendcn Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit angeordnet. Die Rnden der zwischen den Wicklungsabschnitten der einzelnen Teilspulen I bis 4 liegenden Distanzclemenlc sind derart miteinander verbunden, daß mehrere, jeweils einen Wicklungsabschnitt einer Teilspule umschließende elektrisch geschlossene Kreise gebildet werden. Im einzelncn sind beispielsweise in der Teilwicklung I drei elektrisch geschlossene Kreise vorgesehen. Ein Kreis, der aus den Distanzelcmenten Il und 12 und den Verbindungselemente!! 17 und 18 besteht, umschließt den Wieklungs-ibschnitt 6.

Fiin zweiter Kreis aus den Distanzelementen 13 und 14 i.nd den Verbindungselementen 19 und 20 umschließt den Wicklungsabschniti 7. Tin dritter Kreis aus den Distanzelenienlcn 15 und 16 und den Verbindungselemcnten 21 und 22 umschließt den Wicklungsabschnitt 8. Als Verbindungselemente 17 bis 22 sind Kupferbügel verwendci. die mil den Distanzclementen beispielsweise durch Verlöten verbunden sind. Auch Bügel aus anderen Metallen hoher elektrischer Leitfähigkeit oder geeignet gebogene Drähte können verwendet werden.

Falls die supraleitenden Bänder der Wicklung bereits selbst an ihrer Oberfläche eine elektrisch isolierende Schicht tragen, ist eine eigene elektrische Isolation der Distanzelemente U bis 16 gegen die Wicklung nicht erforderlich. Gegen den Tragkörper 5 können die keilförmigen Distanzelemente 11 bis 16 in einfacher Weise dadurch isoliert werden, daß man um die Schneide jedes Keiles ein elektrisch isolierendes Band, beispielsweise aus Kunststoff, herumfaltet. Zur Isolierung gegen die Wicklung der Spule kann dieses Band auch die gesamten Seitenflächen der Distanzelemente bedecken.

Die Distanzelemente 23. die zwischen den einzelnen Teilspulen ! bis 4 liegen, sind bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. I nicht zum Schütze der Wicklung ausgenutzt. Der Schutz des Wicklungsabschnittes 9 wird von den weiter zur Mitte der Teilspule hin angeordneten Schutzkreisen mit übernommen. Wegen der besseren Übersichtlichkeit sind die Verbindungselemente 18, 20 und 22 in Fig. 1 mit unterschiedlicher Höhe dargestellt. Sie können natürlich, wenn sie gemäß F i g. 2 in Richtung der Spulenachse hintereinander angeordnet sind, auch jeweils die gleiche Höhe haben.

Beim Wickeln jeder Teilspule geht man so vor, daß zunächst die Windungen des Wicklungsabschnittes 6 unter Beilage von Kunststoffbändern um den Wickelkern 10 herumgewickelt werden. Wenn die entsprechende Windungszahl erreicht ist, werden an den Längsseilen des Wicklungsabschnittes 6 die keilförmigen Dislanzclcmcnlc 11 und 12 eingelegt und der nächste Wicklungsabschnilt 7 im gleichen Wicklungssinn gewickelt. Auch an den Stirnseiten 24 und 25 der Wiekliingsabschnitle werden die Leiter beim Wickeln mit einer Kante auf den Tragkörper 5 aufgelegt. Die Wicklungsabschnille erhalten dadurch eine .sattelartige Form. Ihr Querschnitt an den Stirnseiten ist nicht rechteckig. Die keilförmigen Distanzelcmente 11 bis 16 liegen nur zwischen den geraden Teilen der Wicklungsabschnitte. An den gebogenen Stirnseiten 24 und 25 der Wicklungsabschnitte haben die Zwischenräume zwischen den Wicklungsabschnitten eine geometrisch sehr komplizierte Form. Diese Zwischenräume sind daher nicht mit elektrisch leitenden Distanzelementen ausgefüllt. Aufgrund dieser Wickellechnik sind die einzelnen Wickliingsabschnittc jeder Tcilspiilc elektrisch in Serie geschaltet.

Beim weiteren Aufbau der Spule werden auch die einzelnen Teilspulen 1 bis 4 derart elektrisch in Serie geschaltet, daß man in der Spule den in Fig. 1 durch Krenze und Punkte angedeuteten Stromverlauf erhält. Bei einem solchen Stromverlauf wird im freien Innenraum des Tragkörpers 5 das Magnetfeld B erzeugt.

Als bandförmige Leiter eignen sich insbesondere Bänder mit supraleitenden Niob-Zinn-Schichten. die an ihrer Oberfläche zur teilweisen elektrischen Stabilisierung eine verhältnismäßig dünne Schicht aus elektrisch gut normalleitendem Metall, wie Kupfer, tragen. Eine Vollstabilisierung der Bänder, bei der die Schichten aus normalleitendem Metall so dick sein müßten, daß sie bei einem lokalen Übergang der Wicklung vom supraleitenden in den ncrmalleitenden Zustand den gesamten Strom übernehmen könnten, ohne daß die Temperatur der Wicklung über die Sprungtemperatur des Supraleitermaterials ansteigt, ist wegen der hohen in den Wicklungsabschnitten erforderlichen Stromdichten nicht möglich.

Zum Betrieb wird die Spule in den Heliumbehälter eines Kryostaten eingebaut. Geeignet sind Kryostaten, die vorzugsweise einen horizontal liegenden, frei zugänglichen, auf Raumtemperatur befindlichen Innenraum aufweisen.

Bei einem Übergang der supraleitenden Wicklung in den normalleitenden Zustand wird die Feldenergie induktiv in die aus den Dislanzelementen 11 bis 16 und den Verbindungselementen 17 bis 22 bestehenden Schutzkreise ausgekoppelt und von dort in Form von Wärme an das flüssige Helium abgegeben, das sich im Heliumbehälter des Kryostaten befindet und die Spule urrgibt.

Die zwischen den Wicklungsabschnitten der Teilspulen liegenden Distanzelemente können auch in anderer Weise miteinander verbunden werden, als dies in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist. Besonders vorteilhaft im Sinne einer Erhöhung der Induktivität und damit der Zeitkonstante für den Abbau eines in den Schutzkreisen induzierten Stromes ist es, wenn man die Enden aller Distanzelemente derart miteinander verbindet, daß ein einziger elektrisch geschlossener Kreis gebildet wird. Ein Schaltschema für eine derart ausgestaltete supraleitende Quadrupoimagnetspule ist in Fig.3 dargestellt. Die Spulenwicklung ist in diesem Schaltschema in eine Ebene ausgebreitet. Bei der ausgeführten Spule hat man sich diese Ebene um einen zylinderförmigen Tragkörper herumgelegt zu denken. Die Wicklung besteht aus vier Teilspulen 31 bis 34, die elektrisch in Serie seschaltet

sind, jede Teilspult· ist in vier Wicklungsabschnitte 35 bis 38 aufgeteilt, die um einen Wickelkern 39 herumgclegt sind. In Fig. 3 sind aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht die einzelnen Windungen der Wicklungsabschnitte eingezeichnet, sondern es ist lediglich jeder Wicklungsabschnitt durch eine unterbrochen gezeichnete Linie dargestellt, die den Umlaufsinn der Wicklung jede^ Wicklungsabschnittes erkennen läßt. Beim Betrieb wird die Spule von einem Strom in Richtung der Pfeile 40 durchflossen. Zwischen den Wicklungsabschnitten 35 bis 38 der einzelnen Teilwicklungen sind die keilförmigen Distanzelementc 41 bis 46 und zwischen benachbarten Teilwicklungen die keilförmigen Distanzelemente 47 angeordnet. Die Enden dieser Distanzelemente 41 bis 47 sind durch elektrisch gut leitende Verbindungselemente 48 bis 54 derart miteinander verbunden, daß ein einziger elektrisch geschlossener Kreis entsteht. Wegen der besseren Übersichtlichkeit sinrl in F i g. 3 nur die Distanzeierricntc und Verbindungselemente der Tcilspule 34 mit Bezugsziffern bezeichnet.

Die bei der Spule nach F i g. 3 verwendete Verbindungstechnik ist insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn man die in den Schutzkreis induktiv eingekoppelte Energie in einem ohmschen Widerstand in Wärme umsetzen will, der außerhalb des flüssigen Kühlheliums der Spule angeordnet ist. Wenn man nur eines der gut leitenden Verbindungselemente 48 bis 54, vorzugsweise eines der den Übergärt? zu den Distanzclementen einer benachbarten Teilspule herstellenden Verbindungselemente 53 oder 54, durch einen ohmschen Widerstand ersetzt, so muß der gesamte im Schutzkreis fließende Strom durch diesen Widerstand fließen. Diesen Widerstand kann man dann auch, da nur zwei Verbindungsleitungen erforderlich sind, in einfacher Weise außerhalb des Kryostaten anordnen.

Die erfindungsgemäße Supraleitungsmagnetspule kann gegenüber den beschriebenen Ausführungsbeispielen vielfältig abgewandelt werden. Beispielsweise kann die Spulenwicklung auch aus supraleitendem Draht aufgebaut sein, dessen einzelne Windungen /u Wicklungsabschnitten zusammengefaßt werden, deren parallel zur Längsachse des Tragkörpers verlaufenden Teile etwa rechteckigen Querschnitt haben. Man kann dann die Stromdichte in den einzelnen Wicklungsab schnitten auch dadurch ändern, dall man die DrahtwindüflgCn !Γι den einzelnen V/iC k lüirgSciuSi. iiiii i itil'l /will Ulli gleicher Windungsdichte einlegt, aber den Querschnitt der Wicklungsabschnitte in Richtung auf die Pole, d. h. zur Mitte jeder Teilwicklung hin, verkleinert, indem man die Anzahl der Windungen entsprechend verringert. Die Längsseiten der einzelnen Wicklungsabschnitte haben auch dann noch einen rechteckigen Querschnitt, so daß zwischen ihnen weiterhin Raum für die keilförmigen Distanzelemente vorhanden ist.

Hierzu 3 Iiliilt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Supraleitungsmagnetspule mit einer zwei- oder mehrpoligen Wicklung aus mehreren, langgestreckten, sattelartig geformten, auf einem zylindrischen Trägerkörper angeordneten, in mehrere Wicklungsabschnitt«: unterteilten Teilspulen, bei welcher die parallel zur Längsachse des Trägerkörpers verlaufenden geraden Teile der Wicklungsabschniite einen etwa rechteckigen Querschnitt aufweisen und zwischen diesen Teilen keilförmige, langgestreckte, durch außerhalb der Wicklung liegende Verbindungselemente miteinander verbundene Distanzelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzelemente (11 bis 16) aus einem bei der Betriebstemperatur der Supraleitungsmagnetspule elektrisch normalleitenden Material hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen und gegen die Wicklung (6 bis 9) isoliert sind, daß die Enden der einzelnen Distanzelemente (11 bis 16) durch außerhalb der Wicklung liegende Verbindungselemenie (17 bis 22) aus einem bei der Betriebstemperatur der Supraleifüngsrnagncispule normalleitenden Material derart miteinander elektrisch verbunden sind, daß wenigstens ein elektrisch geschlossener Schutzkreis mit einer vorbestimmten Zcitkcnstanten T = L/R gebildet wird, wobei /,die Induktivität und /?der Widerstand des Schutzkreises sind, und daß die Zeitkonstante einen Wert aufweist, bei dem der beim Übergang der Wicklung (6 bis 9) vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand in den Schutzkreis induzierte Strom langsamer abgebaut wird ils der Strom in der Wicklung (6 bis 9), so daß die in dem Schutzkreis entstehende Wärme ohne Beschädigung der Wicklung (6 bis 9) nach außen abführbar ist.

2. Supraleitungsmagnetspule na^h Anspruch 1 mit einem metallischen Tragkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzeiemente (11 bis 16) auch gegen den Tragkörper (5) elektrisch isoliert sind.

3. Supraleitungsmagnetspule nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (17 bis 22) bügeiförmig ausgebildet sind und aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen.

4. Supraleitungsmagnetspule nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Verbindungselement ein ohmscher Widerstand ist, dessen Widerstand höher ist als der Widerstand der übrigen Teile des Schutzkreises.

5. Supraleitungsmagnetspule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die ohmschen Widerstände außerhalb der zur Kühlung der Supraleitungsmagnetspule dienenden Kühlflüssigkeit angeordnet sind.

6. Supraleitungsmagnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der zwischen den Wicklungsabschnitten (6 bis 9) einer Teilspule (1 bis 4) liegenden Distanzelemente derart verbunden sind, daß mehrere, jeweils einen Wicklungsabschnitt der Teilspule umschließende, ι elektrisch geschlossene Kreise gebildet sind.

7. Stipraleitungsmagnetspule nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden aller Distanzeiemente (41 bis 47) derart miteinander verbunden sind, daß ein einziger ι elektrisch geschlossener Kreis gebildet ist.

Die Erfindung betrifft eine Supraleitungsmagnetspule mit einer zwei- oder mehrpoligen Wicklung aus mehreren, langgestreckten, sattelartig geformten, auf einem zylindrischen Tragkörper angeordneten, in mehrere Wicklungsabschnitte unterteilten Teilspulen, bei welcher die parallel zur Längsachse des Tragkörpers verlaufenden geraden Teile der Wicklungsabschnittt einen etwa rechteckigen Querschnitt aufweisen und zwischen diesen Teilen keilförmige, langgestreckte, durch außerhalb der Wicklung liegende Verbindungselemente miteinander verbundene Distanzelemente angeordnet sind.

Eine derartige Supraleitungsmagnetspule ist aus der Zeitschrift »IEEE Transactions on Nuclear Science«, Vol. 14,1967, S. 389-392 bekannt.

Supraleitungsmagnetspulen mit zwei- oder mehrpoliger Wicklung, beispielsweise supraleitende Dipol- oder Quadrupolmagnete, können insbesondere zur Ablenkung oder Fokussierung von Strahlen aus geiadenen Teilchen verwendet werden und beispielsweise bei Teilchenbeschleunigern oder MHD-Gpneratoren Anwendung finden. Wenn die Wicklung einer solchen Magnetspule mit Hilfe eines Kühlmittels, insbesondere mit Hilfe von flüssigem Helium, auf eine Temperatur unterhalb der sogenannten kritischen Temperatur des in der Wicklung verwendeten Supraleitermaterials abgekühlt wird, verschwindet der ohmsche Widerstand des Supraleitermaterials Jer Wicklung. Die Supraleitungsmagnetspulen bieten daher gegenüber konventionellen mehrpoligen Magnetspulen mit Wicklungen aus elektrisch normalleitendem Metall, wie Kupfer, infolge des erheblich verringerten Energiebedarfs insbesondere den Vorteil, daß stärkere Magnetfelder und stärkere Magnetfeldgradienten erreicht werden können.

Bekanntlich kann man ein mehrpoliges Magnetfeld dadurch erreichen, daß man an der Oberfläche eines Zylinders einen Strombelag entsprechend der Formel