DE3531322C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Anordnung mit einer supraleitenden Magnetspule aus einem in ein Stabilisierungsmaterial eingebetteten Supraleiter, der einen rechteckigen Querschnitt aufweist und um einen Spulenkörper gewickelt ist.

Eine solche supraleitende Anordnung ist beispielsweise aus der Veröffentlichung von Hiromi Hirabayashi et al in "Japanese Journal of applied physics", Vol. 20, Nr. 11, November 1981, Seiten 2243 bis 2249 bekannt. Aus dieser Veröffentlichung ergibt sich, daß die Stabilitätsbedingung für Supraleitung vom Aufbau des supraleitenden Drahtes und vom Ort in bezug auf die Spulenachse abhängt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine herkömmliche Anordnung dieser Art. Dabei ist, wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, eine supraleitende Magnetspule 1 in Form eines Zylinders gewickelt, indem man einen supraleitenden Draht 4 um einen zylindrischen Spulenkörper 5 wickelt. Der supraleitende Draht 4 weist einen Supraleiter 2 auf, der in ein Stabilisierungsmaterial 3 eingebettet ist. Der Supraleiter 2 hat einen rechteckigen Querschnitt mit einer Dicke, die wesentlich geringer ist als seine Breite. Die supraleitende Magnetspule 1 ist in einem Kryostat 6 untergebracht.

Die Wirkungsweise der herkömmlichen Anordnung ist wie folgt. Die zylindrische dünne supraleitende Magnetspule 1, die eine Spulendicke besitzt, die im Vergleich zu ihrem Durchmesser klein ist, wird in einer Teilchenkollisionsvorrichtung zur Untersuchung von Elementarteilchen verwendet, bei der Elementarteilchen hoher kinetischer Energie zum Einsatz kommen. Eine derartige Vorrichtung ist in der Literaturstelle "CONSTRUCTION AND TEST OF THE CELLO THIN-WALL SOLENOID", 1980, Adv. Cryog. Eng. 25, Seiten 175-184 beschrieben. Die Spule ist dabei so dünn wie möglich ausgelegt, um sie für Elementarteilchen transparenter zu machen. Die zur Herstellung der Vorrichtung verwendeten Materialien basieren im wesentlichen auf Aluminium und Kohlenstoff, abgesehen vom Supraleiter 2, und zwar unter Berücksichtigung einer besseren Transparenz oder Durchlässigkeit für die Teilchen. Selbstverständlich wird eine hohe Stromdichte verwendet, um die Querschnittfläche des Supraleiters 2 nicht unnötig groß zu machen. Während des Betriebes der supraleitenden Magnetspule 1 fließt Strom nur durch den Supraleiter 2 des supraleitenden Drahtes 4 und fließt üblicherweise nicht durch das Stabilisierungsmaterial.

Der Strom fließt durch das Stabilisierungsmaterial 3, wenn der supraleitende Zustand zerstört ist und der Strom einen Nebenweg nimmt, um eine Rückkehr zum supraleitenden Zustand zu unterstützen, wie es in der Literaturstelle "Institute of the Electrical Engineering Collegiate Lectures; Superconducting Engineering", 1974, Japanese IEEE, Seiten 60-65 beschrieben ist. Da somit der Supraleiter 2 eine sehr kleine Querschnittsfläche im Vergleich zum Durchmesser der Spule 1 besitzt, wird ein sehr starkes Magnetfled an den Endbereichen der supraleitenden Magnetspule 1 erzeugt. Dies ist eine Art eines Endeffektes, und ein ähnlicher Effekt ist erläutert in dem Buch "Electromagnetic Phenomenon Theory", S. Maruyama, Maruzen Press, 1944, Seite 184. Die elektrische Feldstärke σ im Endbereich einer unendlichen Halbebene läßt sich ausdrücken durch die Beziehung

was dem Ausdruck

entspricht.

Wenn daher x = 0 ist, ergibt sich σ = -∞.

Wenn die Dicke unendlich klein ist, wird das Magnetfeld im Endbereich der supraleitenden Magnetspule 1 unendlich groß. Während der Wert dieses Magnetfeldes im allgemeinen eine obere Grenze aufgrund der begrenzten Dicke der Spule besitzt, erreicht er dennoch einen Wert beträchtlicher Größe.

Bei einer herkömmlichen supraleitenden Anordnung mit einem derartigen Aufbau ist eine Zunahme des Magnetfeldes in den Endbereichen der supraleitenden Magnetspule unvermeidlich, was manchmal die Supraleitfähigkeit unmöglich macht, da die obere Grenze des Stromes von der Stärke des ausgeübten Magnetfeldes abhängt. Auch wenn eine ausreichende Stabilisierung im Hinblick auf die Aufrechterhaltung des Supraleitungseffektes vorliegt, ist es so, daß dann, wenn einmal eine teilweise Zerstörung oder Aufhebung der Supraleitfähigkeit eintritt, sich die Zerstörung in Form einer Kettenreaktion ausbreitet. Somit sind für eine große Hochenergie-Untersuchungsvorrichtung zuverlässige Gegenmaßnahmen erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine supraleitende Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine höhere Sicherheit im Betrieb bietet und bei der die Supraleitfähigkeit in zuverlässiger Weise gewährleistet wird.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine supraleitende Anordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der Supraleiter im axialen Endbereich der supraleitenden Magnetspule eine größere Querschnittsfläche besitzt als im mittleren Bereich.

Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen supraleitenden Anordnung ist vorgesehen, daß die supraleitende Magnetspule im axialen Endbereich eine Vielzahl von elektrisch parallel zueinander geschalteten Supraleitern zur Vergrößerung der effektiven Querschnittsfläche des Supraleiters enthält.

Bei einer anderen speziellen Ausführungsform dieser supraleitenden Anordnung ist vorgesehen, daß die elektrisch parallel zueinander geschalteten Supraleiter in radialer Richtung zur Vergrößerung der effektiven Querschnittsfläche des Supraleiters aufeinander gewickelt sind.

Mit der erfindungsgemäßen supraleitenden Anordnung wird das angestrebte Ziel in zufriedenstellender Weise gelöst, insbesondere die Stromdichte im axialen Endbereich der Anordnung herabgesetzt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt einer herkömmlichen supraleitenden Anordnung;

Fig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht im Schnitt des Bereiches A gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht im Schnitt des Hauptbereiches einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen supraleitenden Anordnung; und in

Fig. 4 und 5 vergrößerte Seitenansichten im Schnitt von weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen supraleitenden Anordnung.

Im folgenden wird auf die Fig. 3 bis 5 Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen. In Fig. 3 ist eine supraleitende Magnetspule 11 auf einen Spulenkörper 5 gewickelt und weist einen Endbereich 11 a und einen Mittelbereich 11 b, einen isolierten supraleitenden Draht 41 a mit beispielsweise zwei Wicklungen im Endbereich, bestehend aus einem in ein Stabilisierungsmaterial 31 eingebetteten Supraleiter 21 a, sowie einen isolierten supraleitenden Draht 41 b im mittleren Bereich auf, der aus einem in das Stabilisierungsmaterial 31 eingebetteten Supraleiter 21 b besteht. Der Supraleiter 21 a im Endbereich ist so aufgebaut, daß seine Querschnittsfläche größer ist als die Querschnittsfläche des Supraleiters 21 b im mittleren Bereich, so daß die Stromdichte im supraleitenden Draht 41 a im Endbereich reduziert wird.

Da die Stromdichte im umgekehrten Verhältnis zu der Zunahme der Querschnittsfläche abnimmt, wird ein ausreichender Rand innerhalb der Supraleitfähigkeitsgrenze für einen Supraleiter gleicher Supraleitfähigkeit geschaffen. Die Tatsache, daß die Stromdichte niedrig ist, bedeutet, daß das vom Supraleiter erfahrene elektromagnetische Feld schwach ist, wie sich aus dem Biot-Savart'schen- Gesetz ergibt, und dieser Effekt erzeugt eine erhebliche Wirkung auf die Supraleitfähigkeitsgrenze. Somit wird die Stabilität der Supraleitfähigkeit der Spule in einfacher Weise beibehalten, und die Querschnittsfläche des Supraleiters im mittleren Bereich der supraleitenden Magnetspule kann in ausreichendem Maße verringert werden, so daß eine hohe Stabilität und Wirtschaftlichkeit der supraleitenden Magnetspule erhalten werden können. Außerdem kann eine Kühlung der supraleitenden Magnetspule leicht vorgenommen werden.

Als alternative Maßnahme zur Vergrößerung der Querschnittsfläche des supraleitenden Drahtes 41 a ist es möglich, supraleitende Drähte 41 a aus zwei oder mehr Wicklungen zu verwenden, die gemäß Fig. 4 parallel geschaltet sind, um in wirksamer Weise die Querschnittsfläche des Supraleiters 21 a zu erhöhen. Außerdem können, wie in Fig. 5 dargestellt, die supraleitenden Drähte 41 a in radialer Richtung aufeinander angeordnet werden, oder aber die Drähte können parallel geschaltet werden, um in wirksamer Weise die Querschnittsfläche des Supraleiters 21 a zu vergrößeren. Diese alternativen Anordnungen liefern die gleichen Vorteile wie die vorstehend beschriebenen Ausführungsform.

Gemäß der Erfindung wird somit ein Supraleiter des supraleitenden Drahtes mit größerer Querschnittsfläche im Endbereich der supraleitenden Magnetspule vorgesehen als im mittleren Bereich, so daß die Stromdichte verringert wird, mit der Folge, daß die Temperaturzunahme aufgrund des Magnetfeldes unterdrückt wird, was zu einer sehr stabilen Supraleitfähigkeit führt.

Claims (3)

1. Supraleitende Anordnung mit einer supraleitenden Magnetspule (11) aus einem in ein Stabilisierungsmaterial (31) eingebetteten Supraleiter (21 a, 21 b), der einen rechteckigen Querschnitt aufweist und um einen Spulenkörper (5) gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter (21 a, 21 b) im axialen Endbereich der supraleitenden Magnetspule (11) eine größere Querschnittsfläche besitzt als im mittleren Bereich.

2. Supraleitende Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Magnetspule (11) im axialen Endbereich eine Vielzahl von elektrisch parallel zueinander geschalteten Supraleitern (21 a′) zur Vergrößerung der effektiven Querschnittsfläche des Supraleiters (21 a) enthält.

3. Supraleitende Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch parallel zueinander geschalteten Supraleiter (21 a′) in radialer Richtung zur Vergrößerung der effektiven Querschnittsfläche des Supraleiters (21 a) aufeinander gewickelt sind.