DE3531322C2

DE3531322C2 -

Info

Publication number: DE3531322C2
Application number: DE19853531322
Authority: DE
Inventors: Toshimi Suita Osaka Jp Kawamura; Masao Itami Hyogo Jp Morita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-09-07
Filing date: 1985-09-02
Publication date: 1990-08-30
Also published as: DE3531322A1; JPS6165407A; FR2570215A1; FR2570215B1

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.The invention relates to a superconducting arrangement with a superconducting magnetic coil made of a stabilizing material embedded superconductor, which is a rectangular Has cross section and is wound around a bobbin.

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.Such a superconducting arrangement is, for example, from the publication by Hiromi Hirabayashi et al in "Japanese Journal of applied physics", Vol. 20, No. 11, November 1981, Pages 2243 to 2249 known. From this publication it follows that the stability condition for superconductivity on the structure of the superconducting wire and on location depends on the coil axis.

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. Figs. 1 and 2 show a conventional arrangement of this kind. In this case, 1 and 2, as seen from FIG., A superconducting magnet coil 1 in the form of wound of a cylinder by winding a superconducting wire 4 around a cylindrical bobbin 5. The superconducting wire 4 has a superconductor 2 , which is embedded in a stabilizing material 3 . The superconductor 2 has a rectangular cross section with a thickness that is significantly less than its width. The superconducting magnet coil 1 is accommodated in a cryostat 6 .

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.The operation of the conventional arrangement is as follows. The cylindrical thin superconducting magnet coil 1 , which has a coil thickness that is small compared to its diameter, is used in a particle collision device for the investigation of elementary particles, in which elementary particles with high kinetic energy are used. Such a device is in the literature "CONSTRUCTION AND TEST OF THE CELLO THIN-WALL SOLENOID", 1980, Adv. Cryog. Closely. 25, pages 175-184. The coil is designed to be as thin as possible to make it more transparent to elementary particles. The materials used to manufacture the device are essentially based on aluminum and carbon, apart from the superconductor 2 , taking into account better transparency or permeability to the particles. Of course, a high current density is used in order not to make the cross-sectional area of the superconductor 2 unnecessarily large. During the operation of the superconducting magnet coil 1 , current only flows through the superconductor 2 of the superconducting wire 4 and usually does not flow through the stabilizing material.

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 BeziehungThe current flows through the stabilizing material 3 when the superconducting state is destroyed and the current takes a bypass to help return to the superconducting state, as described in the "Institute of the Electrical Engineering Collegiate Lectures; Superconducting Engineering", 1974, Japanese IEEE, pages 60-65. Since the superconductor 2 thus has a very small cross-sectional area compared to the diameter of the coil 1 , a very strong magnetic flux is generated at the end regions of the superconducting magnet coil 1 . This is a kind of an end effect, and a similar effect is explained in the book "Electromagnetic Phenomenon Theory", S. Maruyama, Maruzen Press, 1944, page 184. The electrical field strength σ in the end region of an infinite half-plane can be expressed by the relationship

was dem Ausdruckwhat the expression

entspricht.corresponds.

Wenn daher x = 0 ist, ergibt sich σ = -∞.Therefore, if x = 0, we get 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.If the thickness is infinitely small, the magnetic field in the end region of the superconducting magnet coil 1 becomes infinitely large. While the value of this magnetic field generally has an upper limit due to the limited thickness of the coil, it nevertheless reaches a value of considerable size.

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.In a conventional superconducting arrangement with a such construction is an increase in the magnetic field unavoidable in the end areas of the superconducting magnet coil, which sometimes makes superconductivity impossible makes because the upper limit of the current from the Strength of the applied magnetic field depends. Even if adequate stabilization with regard to the Maintaining the superconductivity effect is it is so that once there is a partial destruction or cancellation of superconductivity occurs Destruction spreads in the form of a chain reaction. Consequently are for a large high energy inspection device reliable countermeasures required.

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.The object of the invention is therefore a superconducting Arrangement of the type mentioned to specify the one offers greater security in operation and the superconductivity is guaranteed in a reliable manner.

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.The solution according to the invention is a superconducting Arrangement of the type mentioned in such a way that the Superconductor in the axial end area of the superconducting magnet coil has a larger cross-sectional area than in the middle Area.

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.In a special embodiment of the invention superconducting arrangement is provided that the superconducting Solenoid coil in the axial end area a variety of electrical superconductors connected in parallel to each other for enlargement contains the effective cross-sectional area of the superconductor.

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.In another special embodiment of this superconducting Arrangement is provided that the electrically parallel to each other switched superconductor in the radial direction for enlargement the effective cross-sectional area of the superconductor on one another are wrapped.

Mit der erfindungsgemäßen supraleitenden Anordnung wird das angestrebte Ziel in zufriedenstellender Weise gelöst, insbesondere die Stromdichte im axialen Endbereich der Anordnung herabgesetzt.With the superconducting arrangement according to the invention Target achieved in a satisfactory manner, in particular the current density in the axial end region of the arrangement reduced.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen inThe invention is described below based on the description of Embodiments and with reference to the accompanying Drawings explained in more detail. The drawings show in

Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt einer herkömmlichen supraleitenden Anordnung; Figure 1 is a side view in section of a conventional superconducting arrangement.

Fig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht im Schnitt des Bereiches A gemäß Fig. 1; FIG. 2 is an enlarged side view in section of area A according to FIG. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht im Schnitt des Hauptbereiches einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen supraleitenden Anordnung; und in 3 is an enlarged side sectional view of the main portion of a first embodiment of the superconducting device according to the invention. and in

Fig. 4 und 5 vergrößerte Seitenansichten im Schnitt von weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen supraleitenden Anordnung. FIGS. 4 and 5 are enlarged side sectional views of further embodiments of the superconducting device according to the invention.

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.In the following, reference is made to FIGS. 3 to 5, in which the same reference numerals designate the same or corresponding parts. In Fig. 3, a superconducting magnetic coil 11 is wound on a coil body 5 and has an end region 11 a and a central region 11 b , an insulated superconducting wire 41 a with, for example, two windings in the end region, consisting of a superconductor 21 a embedded in a stabilizing material 31 , and an insulated superconducting wire 41 b in the central region, which consists of a superconductor 21 b embedded in the stabilizing material 31 . The superconductor 21 a in the end region is constructed such that its cross-sectional area is larger than the cross-sectional area of the superconductor 21 b in the central region, so that the current density in the superconducting wire 41 a in the end region is reduced.

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.Because the current density is inversely related to the increase the cross-sectional area decreases, becomes a sufficient Edge within the superconductivity limit for created a superconductor of the same superconductivity. The fact that the current density is low means that the electromagnetic experienced by the superconductor Field is weak, as emerges from the Biot-Savartian Law results, and this effect creates a significant one Effect on the superconductivity limit. Thus the stability of the superconductivity of the coil in simple Way maintained, and the cross-sectional area of the Superconductor in the middle of the superconducting Magnetic coil can be reduced to a sufficient extent so that a high stability and economy of superconducting magnet coil can be obtained. Furthermore can cool the superconducting magnet coil be made easily.

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.As an alternative measure for increasing the cross-sectional area of the superconducting wire 41 a , it is possible to use superconducting wires 41 a made of two or more windings which are connected in parallel according to FIG. 4 in order to effectively increase the cross-sectional area of the superconductor 21 a . In addition, as shown in Fig. 5, the superconducting wires 41 a can be arranged in the radial direction on one another, or the wires can be connected in parallel in order to effectively enlarge the cross-sectional area of the superconductor 21 a . These alternative arrangements provide the same advantages as the embodiment described above.

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.According to the invention thus becomes a superconductor of the superconducting Wire with a larger cross-sectional area in the end area the superconducting magnetic coil provided as in middle range so that the current density is reduced with the result that the temperature increase due to Magnetic field is suppressed, resulting in a very stable Leads to superconductivity.

Claims

1. Superconducting arrangement with a superconducting magnetic coil ( 11 ) from a in a stabilizing material ( 31 ) embedded superconductor ( 21 a , 21 b) , which has a rectangular cross section and is wound around a coil former ( 5 ), characterized in that the superconductor ( 21 a , 21 b) has a larger cross-sectional area in the axial end region of the superconducting magnet coil ( 11 ) than in the central region.

2. Superconducting arrangement according to claim 1, characterized in that the superconducting magnetic coil ( 11 ) in the axial end region contains a plurality of electrically parallel superconductors ( 21 a ') for increasing the effective cross-sectional area of the superconductor ( 21 a) .

3. Superconducting arrangement according to claim 2, characterized in that the superconductors ( 21 a ') , which are electrically connected in parallel to one another, are wound on one another in the radial direction in order to enlarge the effective cross-sectional area of the superconductor ( 21 a) .