DE69023424T2

DE69023424T2 - Supraleitende bandförmige Spulen.

Info

Publication number: DE69023424T2
Application number: DE69023424T
Authority: DE
Inventors: Evangelos Trifon Laskaris
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-08-17
Filing date: 1990-08-15
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: EP0413573B1; EP0413573A1; JPH0388308A; CA2017476A1; IL95297A0; JPH0787139B2; US5047741A; DE69023424D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf supraleitende Bandspulen, wie beispielsweise aus Niob-Zinn und wie sie bei der Fertigung von Hochfeldmagneten verwendet werden können.
Niob-Zinn-Suprabandleiter sind durch mehrere Verfahren hergestellt worden, nämlich das GE-IGC Zinn-Tauchreaktionsverfahren von Benz, das CVD-Verfahren von RCA oder das Plasmasprühverfahren von Union Carbide. Diese Bänder sind extensiv verwendet worden, um Hochfeldmagneten herzustellen, die durch Pool-Sieden in flüssigem Helium oder Zwangskonvektion von gasförmigem Helium gekühlt werden, um den Supraleiter gegenüber Flußsprüngen zu stabilisieren. Flußsprünge können verstanden werden, wenn man sich überlegt, was geschieht, wenn ein Magnetfeld senkrecht zu einer Stirnfläche von einem supraleitenden Band auftritt. Das Magnetfeld induziert Ströme in dem Band nach der Lenz'schen Regel, die versuchen, das supraleitende Band von dem Feld abzuschirmen. Solange die induzierten Ströme unter dem kritischen Strom des Materials sind, dauern die Ströme an. Wenn das Feld ansteigt oder ein Abschnitt von dem supraleitenden Band extern erwärmt wird und der kritische Strom überschritten wird, wird durch den fließenden Strom und den Stromabfall Wärme erzeugt. Wenn der Fluß dann weiter in das supraleitende Band eindringt, werden zusätzliche Ströme in dem Band induziert. Da die kritische Stromdichte von einem Supraleiter im allgemeinen mit ansteigender Temperatur abnimmt, kann ein Temperaturanstieg zu einer weiteren Flußeindringung führen, die Wärme erzeugt, die zu einem noch größeren Temperaturanstieg führt. Diese thermisch-magnetische Rückführung kann unter gewissen Umständen zu einem thermischen Durchgehen, einem katastrophalen Flußsprung, führen. Nicht alle Flußsprünge führen zu einem thermischen Durchgehen. Wenn ein Flußsprung auftritt und der induzierte Strom die kritische Stromdichte nicht überschreitet, wird der Flußsprung beendet. Eine direkte Kühlung des supraleitenden Bandes mit Helium ist auf einer breiten Basis als das einzige ratsame Verfahren akzeptiert worden, um das Band gegen Flußsprünge zu stabilisieren. Aufgrund der natürlichen Flußsprung-Instabilität von Niob-Zinn-Bändern und dem komplizierten Kühlverfahren von Magnetbändern, das eine poröse Struktur und die Verwendung von Helium erfordert, ist die Verwendung von supraleitenden Bandmagneten recht eingeschränkt gewesen und hat sich niemals kommerziell durchgesetzt trotz der Tatsache, daß Niob-Zinn-Band der billigste Supraleiter ist. Statt dessen wurden die Bemühungen auf die Herstellung von aus vielen Fasern bestehendem Niob-Zinn-Supraleiterdraht konzentriert, der aufgrund der feinen Unterteilung des Supraleiters von Natur aus stabil, aber viele Male teurer ist.
FR-A-2 384 335 beschreibt eine supraleitende Bandspule, die eine supraleitende Folio (5) mit ersten und zweiten Folien (8, 9) aufweist, die symmetrisch zu der Dicke der supraleitenden Folie gelötet sind, um ein supraleitendes Band zu bilden. Die elektrisch leitfähigen Folien haben äußere Oberflächen, die geformt sind, um Kanäle für eine kühlende kryogene Flüssigkeit zwischen vorstehenden, oben flachen Abschnitten (13) zu bilden, die mit benachbarten Windungen von der Spule verbunden sind. Dies ist eine komplexe Konstruktion und kann Flußsprünge nur durch die kryogene Kühlung vermeiden.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spule aus supraleitendem Band zu schaffen, die keine Heliumkühlung für die Stabilität erfordert. Eine Anwendung der Erfindung besteht darin, eine freistehende Spule aus supraleitenden Bändern zu schaffen, die zur Verwendung in bildgebenden Magnetresonanzmagneten geeignet ist, die durch Kältetechnik gekühlt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine supraleitende Bandspule geschaffen, die enthält: eine supraleitende Folie mit einer gegebenen Breite und Dicke; eine erste und zweite Folie aus stromleitendem Material, das symmetrisch zur Dicke der supraleitenden Folie gelötet ist, um ein supraleitendes Band zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß: das Band in spiralförmigen Schichten gewickelt ist, die die Spule bilden; ein Streifen aus elektrisch leitfähiger Folie zwischen gewählten benachbarten Schichten des Band angeordnet und elektrisch von dem Band isoliert ist, wobei der Streifen die inneren Schichten des Bandes umschließt und die Enden des Streifens verbunden sind, um eine elektrisch leitfähige Schleife zu bilden; und Epoxidharz die Spule und die elektrische Isolierung tränkt.
Die Erfindung und ihre Aufgaben und Vorteile werden besser verständlich aus der folgenden Beschreibung von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird in denen:
Figur 1 eine isometrische Teilansicht von einer mit Epoxid getränkten, supraleitenden Bandspule gemäß der Erfindung ist;
Figur 2 eine vergrößerte Ansicht von einer Fläche II in Figur 1 ist;
Figur 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht von einem Teil von einem der in Figur 2 gezeigten Leiter ist; und
Figur 4 ein Kurvenbild ist, das die Charakteristiken von kurzen Proben eines 2,5mm Niob-Zinn-Bandes zeigt.
Es wird nun auf die Zeichnung und insbesondere ihre Figuren 1 und 2 Bezug genommen. Dort ist ein Querschnitt von einer Spule 11 gezeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Ein Bandleiter 13, der zum Wickeln der Spule 11 verwendet ist, ist in Figur 3 im Schnitt gezeigt. Der Bandleiter weist eine supraleitende Folie 15 auf, die zwischen zwei Folien 17 aus elektrisch leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer, gelötet ist. Die Außenseite der Folienschichten ist von Blei-Zinn-Lötmittel 21 eingeschlossen, das auch zwischen den Folien gezeigt ist. Das Band kann isoliert sein durch eine Filmisolation oder durch eine spiralförmige Umwicklung 23 aus faserförmiger Isolation, wie beispielsweise synthetische Polyesterfaser, Nylon, Glas oder Quarz. Die Supraleiterfohe kann aus Niob- Zinn sein, das teilweise reagiert hat, wobei der Mittelabschnitt der Folie 25 nicht-reagiertes Niob ist, um eine Handhabung ohne Bruch zu gestatten. Die Bereiche 27 um den Mittelabschnitt herum sind aus Niob-Zinn. Jede supraleitende Folie ist geeignet. Die in dem vorliegendem Ausführungsbeispiel verwendete Folie ist nicht faden- bzw. faserförmig. Die Folie ist lang, breit und dünn ohne Unterteilungen. Es bestehen die gleichen supraleitenden Eigenschaften der Folie entlang ihrer Länge und Breite.
Um eine selbsttragende, eine massive Wicklung aufweisende Verbundstruktur zu fertigen, kann eine demontierbare Spulenform verwendet werden, wie beispielsweise diejenige, die in unserer gleichzeitig eingereichten europäischen Patentanmeldung EP-A-0 413 573 mit der Bezeichnung "Demountable Coil Form for Epoxi-Impregnated Coils" beschrieben ist. Das Band ist spiralförmig gewickelt, wobei jede nachfolgende Schicht spiralförmig in einer entgegengesetzten Richtung zu der vorherigen Schicht fortschreitet, so daß die Wicklungen nicht alle ausgerichtet sind, wie es bei Scheiben- bzw. Flachwicklungen der Fall ist. Ein Schicht-zu-Schicht-Glasgewebe wird als Zwischenschichtisolation aufgebracht, wenn das Band filmisoliert ist, aber sie ist nicht erforderlich, wenn das Band eine Faserumwicklung hat. Das Glasgewebe oder die Faserwicklung unterstützt das dochtartige Aufsaugen von Epoxidharz zwischen den Spulenschichten. Um dem Band während eines Quench- bzw. Löschvorganges Schutz zu geben, sind perforierte Kupferfolienschleifen 31 in der Wicklung eingebettet, beispielsweise in jeder sechsten Schicht. Die Schleifen können beispielsweise 0,254mm (10 mils) dick sein mit 0,508mm (20 mils) Löchern und 0,508mm (20 mil) Abständen zwischen den Löchern. Die Enden von jeder Schleife sind überlappt und verlötet, wodurch eine kurzgeschlossene Windung gebildet wird. Die Kupferfolienschleife bildet eine elektrisch kurzgeschlossene Windung, die die Spule umgibt. Ein kleiner Abschnitt an dem Rand der Schleife ist entfernt, damit das Band durch die Schleife führen und gewickelt werden kann, um zusätzliche Schichten zu bilden. Die Perforationen in dem Kupfer gestatten, daß das Epoxid die Folie durchdringt und eine gute Bindung zwischen den Schichten gewährleistet wird. Die Verwendung kurzgeschlossener Schleifen ist in unserer gleichzeitig anhängigen, veröffentlichten europäischen Patentanmeldung EP-A-0 350 264 mit der Bezeichnung "Superconductive Quench Protected Magnet Coil" gezeigt und beansprucht, deren Offenbarung durch diese Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung eingeschlossen wird.
Nachdem die Wicklung fertiggestellt worden ist, wobei die kurzgeschlossenen Kupferschleifen 31 in der Spule eingebettet sind, können zusätzliche Schichten aus kurzgeschlossenen Kupferschleifen 31 und Glasgewebe zu dem Außendurchmesser hinzugefügt werden. Es werden Schichten aus Glasgewebe hinzugefügt, um eine maschinelle Bearbeitung des Außendurchmessers zu gestatten, wenn dies erforderlich ist, ohne die Kupferschleifen zu stören. Die Kupferschleifen können aus gehärtetem Kupfer hergestellt sein, um für zusätzliche Festigkeit zu sorgen. Die Spulenform wird in einer Schale angeordnet und unter Vakuum mit Epoxid getränkt.
Die kurzgeschlossenen Kupferspulen breiten einen Quench- bzw. Löschvorgang (Widerstandswechsel) schnell über die Spule und zu anderen Spulen aus, die kurzgeschlossene Kupferschleifen aufweisen, durch die Wärme, die durch die induzierten Ströme in den kurzgeschlossenen Schleifen erzeugt wird, die durch das Magnetfeld bewirkt werden, das durch den verkleinerten Strom hervorgerufen wird, der in dem gelöschten (widerstandsbehaftften) Teil der Spule fließt. Die supraleitenden Windungen neben den kurzgeschlossenen Kupferschleifen erwärmen sich und wechseln in den widerstandsbehafteten Zustand, wobei die gespeicherte Energie über die Spulen abgeführt wird. Die kurzgeschlossenen Kupferschleifen geben der Spule auch zusätzliche Festigkeiten, die Kräften ausgesetzt ist, die die Spule radial nach außen zu expandieren versuchen, wenn die Spule in einem Magnetfeld gespeist wird. Die Kupferfolien führen Wärme axial von dem Inneren der Spule zu dem Spulenäußeren, wo Wärme durch Leitung zu einem Kryo-Kühler (nicht gezeigt) abgeführt werden kann.
Um eine gute Durchdringung der Leerstellen in der Wicklung und dem Glasgewebe sicherzustellen, wird ein Harz mit kleiner Viskosität bevorzugt, das für lange Zeitperioden flüssig bleibt, damit das Harz die Spulenstruktur durchsetzen kann. Ein Harz, das dann in einer angemessenen Zeitperiode, 12 bis 20 Stunden, ausgehärtet werden kann, ist ebenfalls erwünscht.
Eine bevorzugte Zusammensetzung, die das beste Gleichgewicht von kleiner Viskosität, langer Verarbeitungszeit und guter Aushärtungsreaktivität gibt, ist die folgende:
100 Teile Epoxidharz
100 Teile Härter
18,5 Teile reaktives Verdünnungsmittel
0,4% Beschleuniger (auf der Basis des Gesamtgewichtes der Formulierung).
Das Epoxidharz ist ein Diglycidyl Äther von Bisphenol A, beispielsweise erhältlich von Ciba-Geigy als GY6005, der Härter ist nadisches (nadic) Methyl Anhydrid, das reaktive Verdünnungsmittel ist 1,4 Butanediol Diglycidyl Äther, ein Diepoxid, und der Beschleuniger ist Octyldimethylaminobor Trichlorid.
Es werden Vakuumdruckzyklen aufgebracht, wenn die Spule mit flüssigem Harz überdeckt ist, um ein volles Eindringen in die Spule ohne Fehl- bzw. Leerstellen sicherzustellen. Das Harz wird bei 80ºC gehalten und hat eine Viskosität von weniger als 50 Centipoise. Nach dem Aushärten, das üblicherweise bei einer erhöhten Temperatur von 100ºC für 12 bis 20 Stunden stattfindet, wird die Spule aus der Spulenform herausgenommen und kann in eine Magnethülle des Typs eingebaut werden, der in unserer gleichzeitig anhängigen, veröffentlichten europäischen Patentanmeldung EP-A- 413 571 offenbart ist.
Die Bandbreite und die Dicke des Kupfers und der Isolation sind wichtige Parameter, die die Stabilität von einer Spule beeinflussen, die aus supraleitender Folie gefertigt ist. Die Stabilität der mit Epoxid getränkten Bandspulen ohne Heliumkühlung wird durch die folgende Gleichung bestimmt:
wobei die bs = Stabilitätsparameter
bc = kritischer Wert
Uo = 4π x 10&supmin;&sup7; Voltsekunden/Amperemeter
i = Betriebsstrom/kritischer Strom
y = volumetrischer Anteil des Supraleiters in einer Zusammensetzung
a = halbe Breite des Bandes
Cp = volumetrische spezifische Wärme der Zusammensetzung
Tc = kritische Temperatur bei lokalem Feld
To = lokale Temperatur
Jc = kritischer Strom bei lokalem Feld und Temperatur
Als ein Beispiel sei ein Magnet betrachtet, der bei 10ºK mit einem radialen Spitzenfeld von 3 T arbeiten soll. Die charakteristischen Kurven für eine kurze Probe von einem 2,5mm Niob-Zinn-Band sind in Figur 4 gezeigt. Der Supraleiterstrom I ist 50A und der kritische Strom Ic ist 120A. Die Bandkonfiguration für eine mit Epoxid getränkte Spule des in Figur 1 gezeigten Typs mit einem Band aus 0,025mm dicker Niob-Zinn-Folie, die zwischen Kupferfolien in einer zusammengesetzten Struktur mit einer Gesamtdicke von 0,30mm gelötet ist, hat die folgenden Parameter zur Folge:
Die dynamische Stabilität des Bandes in dem Feldbereich von 1-2T ist in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 Bandspulenstabilität Feld in Tesla Ic in Amp. Tc in Grad K yJc in Einheiten von 10&sup8; A/m²
Es ist klar, daß bs< bc deshalb ist zu erwarten, daß das Band stabil ist.
Es wird angenommen, daß die erhöhte Flußsprungstabilität der Spulen gemäß der Erfindung, die ihren Betrieb mit Leitungskühlung ohne die Verwendung von verbrauchbaren Kryogenen gestattet, aufgrund der erhöhten Wärmekapazität der verwendeten Materialien besteht, wenn oberhalb der Temperaturen von flüssigem Helium gearbeitet wird, und auch aufgrund der verbesserten mechanischen Stabilität der Spulen, die gemäß der Erfindung gefertigt sind. Es wird angenommen, daß die spiralförmige Wicklung anstelle der Scheiben- bzw. Flachwicklungen und auch die kurzgeschlossenen Schleifen aus leitendem Metall ebenfalls zu der Spulenstabilität beitragen.
Zwar finden mit Epoxid getränkte Bandspulen Anwendung in MR Magneten, aber mit Epoxid getränkte Spulen, die nicht auf kreisförmige Konfigurationen beschränkt sind, können gefertigt und überall dort verwendet werden, wo eine supraleitende Spule erforderlich ist, die keine Kryogenkühlung erfordert.

Claims

1. Supraleitende Bandspule (11), enthaltend:

eine spupraleitende Folie (15) mit einer gegebenen Breite und Dicke,

eine erste und zweite Folie (17) aus stromleitendem Material, das symmetrisch zur Dicke der supraleitenden Folie gelötet ist (21), um ein supraleitendes Band (13) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Band in spiralförmigen Schichten gewickelt ist, die die Spule (11) bilden,

ein Streifen (31) aus elektrisch leitfähiger Folie zwischen gewählten benachbarten Schichten des Bandes angeordnet und elektrisch von dem Band isoliert ist, wobei der Streifen die inneren Schichten des Bandes umschließt, die Enden des Streifens verbunden sind, um eine elektrisch leitfähige Schleife zu bilden, und

Epoxidharz die Spule und die elektrische Isolierung tränkt.

2. Supraleitende Bandspule nach Anspruch 1, wobei die supraleitende Folie (15) eine Mittelschicht aus Niob (25) und eine Schicht aus Niob-Zinn (27) auf jeder Seite der Mittelschicht aufweist.

3. Supraleitende Bandspule nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Breite der supraleitenden Folie größer als die Dicke ist und die gleichen supraleitenden Eigenschaften entlang ihrer Länge über der Breite hat.

4. Supraleitende Bandspule nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, wobei mehrere Schichten von leitfähigen Folienschleifen vorgesehen sind, die die spiralförmig gewickelten Bandschichten umgeben, wobei die mehreren Schichten der Schleifen mit Expoxidharz getränkt sind.

5. Supraleitende Bandspule nach Anspruch 4, wobei die elektrisch leitfähige Folie in den Schleifen gehärtetes Kupfer aufweist.

6. Supraleitende Bandspule nach Anspruch 5, wobei mehrere Schichten von Glasgewebe vorgesehen sind, wobei eine Schicht von Glasgewebe zwischen jeder der mehreren Schichten der elektrisch leitfähigen Schleifen das spiralförmig gewickelte Band umgibt.

7. Supraleitende Bandspule nach Anspruch 6, wobei die Folien aus gehärtetem Kupfer mit Löchern versehen sind.

8. Supraleitende Bandspule nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Band mit einer spiralförmigen Umwicklung (23) aus faserförmiger Isolation überdeckt ist.