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WO2014053307A1 - Supraleitende spuleneinrichtung und herstellungsverfahren - Google Patents

Supraleitende spuleneinrichtung und herstellungsverfahren Download PDF

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WO2014053307A1
WO2014053307A1 PCT/EP2013/069221 EP2013069221W WO2014053307A1 WO 2014053307 A1 WO2014053307 A1 WO 2014053307A1 EP 2013069221 W EP2013069221 W EP 2013069221W WO 2014053307 A1 WO2014053307 A1 WO 2014053307A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
superconducting
conductor
coil device
coil
support body
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2013/069221
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tabea Arndt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to CN201380051152.8A priority patent/CN104685585A/zh
Priority to JP2015533532A priority patent/JP2015532526A/ja
Priority to EP13765983.5A priority patent/EP2885791A1/de
Priority to KR1020157008393A priority patent/KR20150065694A/ko
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    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
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    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
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    • H01F41/06—Coil winding
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    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49016—Antenna or wave energy "plumbing" making

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting coil device having coil windings of a superconducting band conductor, and a manufacturing method of this coil device.
  • a superconducting coil device having coil windings of a superconducting band conductor, and a manufacturing method of this coil device.
  • superconducting coils are used, which are operated in continuous short-circuit current mode.
  • Homogeneous magnetic fields with magnetic flux densities between 0.5 T and 20 T are needed, for example, for nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR spectroscopy) and for magnetic resonance imaging.
  • NMR spectroscopy nuclear magnetic resonance spectroscopy
  • one or more superconducting wires are wound on supporting body, wherein different wire sections are contacted via wire connections with the smallest possible ohmic resistance or superconducting connections.
  • superconducting permanent current switch is part of the circuit of the coil and is set to feed an external current by heating in an ohmic conductive state. After switching off the heating and cooling down to the operating temperature, this part of the coil is again superconducting.
  • High-temperature superconductors or even high-T c superconductors are superconducting materials with a transition temperature above 25 K and in some classes of materials, such as cuprate superconductors, above 77 K, where the operating temperature is cooled by cooling with other cryogenic materials can be achieved as liquid helium.
  • HTS materials are particularly attractive for the preparation of magnetic coils for NMR spectroscopy and magnetic resonance imaging, as some materials have high upper critical
  • Magnetic fields of over 20 T have. Due to the higher critical magnetic fields, the HTS materials are in principle better than the low-temperature superconductor for generating high magnetic fields of, for example, 10 T.
  • a problem in the manufacture of HTS solenoids is the lack of suitable technologies for producing superconducting HTS compounds, especially for second generation HTS, so-called 2G HTS.
  • the 2G HTS wires are typically in the form of flat strip conductors. When ohmic contacts are inserted between the superconducting tape conductors, the losses in the coil can no longer be neglected, and the generated magnetic field drops noticeably in a period of several hours or days (see "IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol , o. 1, March 2002, pages 476 to 479 and "IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 18, No. 2, June 2008, pages 953 to 956).
  • the object of the present invention is to provide a superconducting coil device which avoids the disadvantages mentioned.
  • Another object of the invention is to provide a manufacturing method for the coil device. This object is achieved by the coil device described in claim 1 and by the method described in claim 14.
  • the coil device according to the invention comprises a cylindrical support body and at least two coil windings of a superconducting band conductor.
  • the superconducting band conductor has a two-connected topology and includes a continuous superconducting layer within the two-connected topology.
  • the superconducting band conductor comprises two conductor branches, which are arranged in two opposite helical windings around the cylindrical support body.
  • the coil device according to the invention makes it possible to generate a strong, homogeneous and temporally constant magnetic field, since this coil device can be operated substantially lossless in continuous short-circuit current mode.
  • the method according to the invention specifies a production method for a superconducting coil device having a cylindrical support body and a superconducting strip conductor comprising at least one carrier strip and a superconducting layer.
  • a superconducting bandline of doubly coherent topology is prepared by slitting the carrier band in the direction of the length of the superconducting band conductor before or after the superconducting layer is applied, and the superconducting band conductor of double coherent topology is wound in opposite helical turns around the cylindrical support body.
  • the coil device can additionally have the following features:
  • the superconducting layer may comprise a high-T c superconductor.
  • the high-T c superconductor may contain the material REBa 2 Cu 3 0 x , where RE stands for a rare earth element or a mixture of such elements.
  • the high-T c superconductor may contain the material MgB 2 .
  • At least one electrically insulating layer may be arranged between the coil windings.
  • the electrically insulating layer and the superconducting band conductor can form a co-prefabricated winding band.
  • the superconducting band conductor can lie substantially flat on the surface of the cylindrical support body.
  • the coil means may comprise a plurality of superimposed pairs of opposite helical windings.
  • the superconducting band conductor may comprise a heatable area, which is in thermal contact with a heating device.
  • the superconducting strip conductor acts as a superconducting switch, which is put into an ohmic conducting state by the heating.
  • Such a switch advantageously makes it possible to feed a current into the superconducting region of the coil device.
  • the heatable area may be outside the helical windings.
  • the heatable area is then expediently not arranged in thermal contact with the cylindrical support body, so that heating of the supra- conductive remaining region of the helical windings is advantageously avoided.
  • the heatable area can form part of the helical winding, which is thermally insulated against the cylindrical support body.
  • the coil device can comprise a device for generating a local magnetic field, which can put a region of the superconducting strip conductor in an ohmic conducting state by the local magnetic field.
  • the coil means may comprise at least two contacts for connecting the coil to an external power source.
  • the manufacturing process may additionally have the following features:
  • winding belt can be connected to a prefabricated winding belt with an electrically insulating layer, and the winding belt can be unrolled from a supply roll to produce the counter-rotating spiral windings.
  • FIG. 1 shows the schematic plan view of a superconducting band conductor of a two-connected topology
  • FIG. 2 shows an exemplary cross-section of the superconducting 2G-HTS band conductor according to the sectional plane II in FIG. 1, FIG.
  • Fig. 3 shows a schematic side view of a superconducting coil device, which illustrates the winding of the conductor branches in the embodiment.
  • Figure 1 shows the schematic plan view of a superconducting tape conductor 1 of dual coherent topology made by slicing a superconducting tape conductor of simply continuous topology.
  • the slitting was done by means of a laser.
  • the embodiment shown describes a coil device for NMR spectroscopy.
  • the length 6 of the original single continuous tape conductor is 1000 m. This length can also be much shorter or longer. In a coil device for magnetic resonance imaging, the length can amount to a multiple of the length described here.
  • the superconducting strip conductor environmentally summarizes two approximately equal-sized printed circuit branches 2 and 4.
  • the width 8 of the original, single-connected strip conductor is in this example 10 mm, and the width of the two conductor branches 2 and 4 is in the slotted area in each case 5 mm. Depending on the strip conductor material used, however, this width of the conductor branches 2 and 4 can also be substantially larger or smaller.
  • Fig. 2 shows a cross section of the superconducting tape conductor 1, in which the Schichtauf au a 2G-HTS is shown schematically.
  • the superconducting tape conductor 1 is connected with an insulating layer 10 fixed to a winding tape 12.
  • the insulating layer 10 is in this example a 50 ⁇ thick Kapton band, but it can also be constructed of other insulating materials, such as other plastics.
  • the likewise doubly connected winding band 12 comprises the two
  • each conductor branch 2, 4 comprises, above the insulating layer 10, first of all a normally conducting covering layer 14, which in this example is a 20 ⁇ m thick copper layer.
  • the carrier tape 16 which here is a 50 ⁇ thick substrate made of a nickel tungsten alloy. Alternatively, steel bands or bands of an alloy such as Hastelloy can be used.
  • a 0.5 ⁇ thick buffer layer 18 is arranged, which contains the oxidic materials Ce0 2 and Y 2 0 3 .
  • the actual superconducting layer 20 here a 1 ⁇ thick layer of YBa 2 Cu 3 0 x , which in turn is covered with a 20 ⁇ thick cover layer 14 of copper.
  • the superconductive layer 20 forms a continuous layer over the entire two-connected topology.
  • the material YBa 2 Cu 3 0 x and the corresponding compounds REBa 2 Cu 3 0 x other rare earths can be used.
  • the width of the insulating layer 10 is slightly larger than the width of the remaining superconducting tape conductor 1, so that in a winding of the coil means to be superposed conductor branches are reliably isolated from each other.
  • insulating layers 10 may be arranged, or it may also be the lateral areas of the superconducting strip conductor 1 protected by insulating layers. It is also possible to insert an insulating layer into the coil device only when the coil winding is produced as a separate strip.
  • Fig. 3 shows a schematic side view of the superconducting coil means, which illustrates the winding of the conductor branches 2 and 4 in the embodiment.
  • Conductor branches 2 and 4 are arranged in mutually opposite helical windings about the cylindrical support body 22. It can be seen from the current files I 2 and I 4 shown in FIG. 3 that the ring current flowing through the band conductor flows in the same direction around the cylindrical support body 22 in both conductor branches 2 and 4, so that a strong magnetic field can be generated with the coil means.
  • the cylindrical support body 22 is in this example a hollow cylinder, wherein in the interior of the hollow cylinder, the sample volume is arranged for the samples to be examined spectroscopically.
  • the entire superconducting strip conductor 1 is expediently cooled to a temperature below the critical temperature, whereby the cylindrical support element 22 is also cooled to a very low temperature.
  • the cylindrical support body 22 is isolated from the sample volume, so that the samples to be measured need not be cooled.
  • FIG. 3 shows two contacts 26 with which the superconducting band conductor 1 is connected to a external circuit 28.
  • This circuit 28 is used to feed a current into the coil device during startup or when charging the coil via a current source 30.
  • the contacts 26 are designed pluggable here, so that the connection to the circuit 28 after the process of charging In proximity to the contacts 26 there is a heatable area 24, in which the superconducting strip conductor is in thermal contact with a heating device, not shown here, so that this area for charging the coil to a temperature above the transition temperature can be heated and thereby becomes ohmic conductive
  • This arrangement causes the formation of a supraleite switch in this area, which continues to feed the charging current in the superconducting area of the
  • the heating device can be switched off, so that the entire area of the superconducting strip conductor 1 becomes superconducting again and the coil in continuous short-circuit current mode becomes an approximately lossless conductor.
  • the heatable region 24 is arranged separately from the cylindrical support body 22 and contains no coil windings. This allows a good thermal insulation of the heatable area 24 of the cooled cylindrical support body 22.
  • the heatable area 24 may also be wound in helical windings, so that this area also contributes to the generation of the magnetic field in continuous short-circuit current mode. In this case, it is appropriate that the Windings of the heatable area are arranged around a separate support body, which is thermally insulated against the cylindrical support body 22.

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Description

Beschreibung
Supraleitende Spuleneinrichtung und Herstellungsverfahren Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Spuleneinrichtung mit Spulenwicklungen aus einem supraleitenden Bandleiter und ein Herstellungsverfahren für diese Spuleneinrichtung . Zur Erzeugung starker, homogener Magnetfelder werden supraleitende Spulen verwendet, die im Dauerkurzschlussstrom-Modus betrieben werden. Homogene Magnetfelder mit magnetischen Flussdichten zwischen 0.5 T und 20 T werden beispielsweise für die Nuclear Magnetic Resonance Spektroskopie (NMR-Spek- troskopie) und für die Magnetresonanzbildgebung benötigt.
Diese Magnete werden typischerweise über einen äußeren Stromkreis aufgeladen und dann von der äußeren Stromquelle getrennt, da in dem resultierenden Dauerkurzschlussstrom-Modus ein nahezu verlustfreier Stromfluss über die supraleitende Spule stattfindet. Das resultierende, starke Magnetfeld ist zeitlich besonders stabil, da es nicht von den Rauschbeiträgen eines äußeren Stromkreises beeinflusst wird.
Bei Verwendung bekannter Wicklungstechniken werden ein oder mehrere supraleitende Drähte auf Tragkörper gewickelt, wobei unterschiedliche Drahtabschnitte über Drahtverbindungen mit möglichst kleinem ohmschen Widerstand oder über supraleitende Verbindungen miteinander kontaktiert werden. Für klassische Niedertemperatursupraleiter wie NbTi und Nb3Sn mit Sprungtem- peraturen unterhalb von 23 K existieren Technologien zur Herstellung supraleitender Kontakte zur Verknüpfung von Drahtabschnitten und zur Verbindung der Wicklungen mit einem supraleitenden Dauerstromschalter. Der supraleitende Dauerstromschalter ist dabei Teil des Stromkreises der Spule und wird zur Einspeisung eines äußeren Stromes durch Aufheizen in einen ohmsch leitenden Zustand versetzt. Nach Abschalten der Heizung und Herunterkühlen auf die Betriebstemperatur wird auch dieser Teil der Spule wieder supraleitend. Hochtemperatursupraleiter oder auch Hoch-Tc-Supraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispiels- weise den Kuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS- Materialien sind besonders attraktiv für die Herstellung von Magnetspulen für die NMR-Spektroskopie und die Magnetreso- nanzbildgebung, da manche Materialien hohe obere kritische
Magnetfelder von über 20 T aufweisen. Durch die höheren kritischen Magnetfelder eignen sich die HTS-Materialien prinzipiell besser als die Niedertemperatursupraleiter zur Erzeugung hoher Magnetfelder von über beispielsweise 10 T.
Ein Problem bei der Herstellung von HTS-Magnetspulen ist das Fehlen von geeigneten Technologien zur Herstellung supraleitender HTS-Verbindungen, insbesondere für HTS der zweiten Generation, sogenannte 2G-HTS. Die 2G-HTS-Drähte liegen typi- scherweise in Form von flachen Bandleitern vor. Wenn ohmsche Kontakte zwischen den supraleitenden Bandleitern eingefügt werden, können die Verluste in der Spule nicht mehr vernachlässigt werden, und das erzeugte Magnetfeld fällt in einem Zeitraum von einigen Stunden oder Tagen merklich ab (vgl. „IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 12, o. 1, March 2002, Seiten 476 bis 479 und „IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 18, No . 2, June 2008, Seiten 953 bis 956) . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine supraleitende Spuleneinrichtung anzugeben, die die genannten Nachteile vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für die Spuleneinrichtung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Spuleneinrichtung und durch das in Anspruch 14 beschriebene Verfahren gelöst. Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung umfasst einen zylinderförmigen Tragkörper und mindestens zwei Spulenwicklungen aus einem supraleitenden Bandleiter. Der supraleitende Bandleiter weist eine zweifach zusammenhängende Topologie auf und umfasst innerhalb der zweifach zusammenhängenden Topologie eine durchgehend supraleitende Schicht. Weiterhin umfasst der supraleitende Bandleiter zwei Leiterzweige, die in zwei gegenläufigen Wendelwicklungen um den zylinderförmigen Tragkörper angeordnet sind.
Im Sinne der Definition von „zweifach zusammenhängend" in der geometrischen Topologie wird hier unter diesem Begriff verstanden, dass der supraleitende Bandleiter die Topologie einer einfachen Schlaufe mit einem Loch besitzt. Unter der „durchgehend supraleitenden Schicht innerhalb der zweifach zusammenhängenden Topologie" wird eine Schicht verstanden, die über die gesamte Schlaufe hinweg supraleitend verbunden ist, ohne dass eine Verknüpfung mit einem ohmschen Kontakt existiert .
Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung ermöglicht die Erzeugung eines starken, homogenen und zeitlich konstanten Magnetfeldes, da diese Spuleneinrichtung im Wesentlichen verlustfrei im Dauerkurzschlussstrom-Modus betrieben werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren gibt ein Herstellungsverfahren für eine supraleitende Spuleneinrichtung mit einem zylinderförmigen Tragkörper und einem supraleitenden Bandleiter an, der mindestens ein Trägerband und eine supraleitende Schicht umfasst. Bei diesem Herstellungsverfahren wird ein supraleitender Bandleiter zweifach zusammenhängender Topologie durch Aufschlitzen des Trägerbandes in Richtung der Länge des supraleitenden Bandleiters vor oder nach Aufbringen der supraleitenden Schicht hergestellt, und der supraleitende Bandlei- ter zweifach zusammenhängender Topologie wird in gegenläufigen Wendelwicklungen um den zylinderförmigen Tragkörper gewickelt . Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird erreicht, dass die durchgehend supraleitende Schicht innerhalb der zweifach zusammenhängenden Topologie gebildet wird, ohne eine nachträgliche Verknüpfung wie beispielsweise durch einen Lötprozess oder Sinterprozess zu benötigen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Spulenvorrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Demgemäß kann die Spulenein- richtung zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
- So kann die supraleitende Schicht einen Hoch-Tc- Supraleiter umfassen.
- Der Hoch-Tc-Supraleiter kann das Material REBa2Cu30x enthalten, wobei RE für ein Element der seltenen Erden (Rare Earth) oder eine Mischung solcher Elemente steht.
- Der Hoch-Tc-Supraleiter kann das Material MgB2 enthalten.
- Zwischen den Spulenwicklungen kann mindestens eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet sein.
- Die elektrisch isolierende Schicht und der supraleitende Bandleiter können ein gemeinsam vorzufertigendes Wicklungsband bilden.
- Der supraleitende Bandleiter kann im Wesentlichen flach auf der Oberfläche des zylinderförmigen Tragkörpers aufliegen .
- Die Spuleneinrichtung kann mehrere übereinanderliegende Paare gegenläufiger Wendelwicklungen umfassen.
- Der supraleitende Bandleiter kann einen heizbaren Bereich umfassen, der in thermischem Kontakt zu einer Heizvorrichtung steht. In diesem heizbaren Bereich wirkt der supra- leitende Bandleiter als supraleitender Schalter, der durch das Heizen in einen ohmsch leitenden Zustand versetzt wird. Ein solcher Schalter ermöglicht vorteilhaft die Ein- speisung eines Stroms in den supraleitend verbliebenen Bereich der Spuleneinrichtung.
- Der heizbare Bereich kann sich außerhalb der Wendelwicklungen befinden. Zweckmäßig ist der heizbare Bereich dann nicht im thermischen Kontakt mit dem zylinderförmigen Tragkörper angeordnet, so dass eine Aufheizung des supra- leitend verbliebenen Bereichs der Wendelwicklungen vorteilhaft vermieden wird.
- Alternativ kann der heizbare Bereich einen Teil der Wendelwicklung bilden, der gegen den zylinderförmigen Trag- körper thermisch isoliert ist.
- Alternativ zu dem heizbaren Bereich kann die Spuleneinrichtung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines lokalen Magnetfeldes umfassen, die einen Bereich des supraleitenden Bandleiters durch das lokale Magnetfeld in einen ohmsch leitenden Zustand versetzen kann.
- Die Spuleneinrichtung kann mindestens zwei Kontakte zur Verbindung der Spule mit einer äußeren Stromquelle umfassen .
- Zweckmäßig sind diese beiden Kontakte zu beiden Seiten des heizbaren Bereichs der Spule oder zu beiden Seiten der
Vorrichtung zur Erzeugung eines lokalen Magnetfeldes angeordnet. Dann kann ein äußerer Strom in den noch supraleitenden Bereich der Spule eingespeist werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gehen aus dem von Anspruch 14 abhängigen Anspruch hervor. Das Herstellungsverfahren kann zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
- Der zweifach zusammenhängende supraleitende Bandleiter
kann mit einer elektrisch isolierenden Schicht zu einem vorgefertigten Wicklungsband verbunden werden, und das Wicklungsband kann zur Herstellung der gegenläufigen Wendelwicklungen von einer Vorratsrolle abgerollt werden.
- Beim Herstellen der gegenläufigen Wendelwicklungen durch Abrollen von einer Vorratsrolle kann die Vorratsrolle zur
Herstellung jeder Spulenwicklung einmal durch den supraleitenden Bandleiter hindurchgefädelt werden. Vorteilhaft wird dieses Verfahren mit einem 2G-HTS Bandleiter durchgeführt, welcher für ein solches Verfahren hinreichend tor- sionsstabil ausgestaltet werden kann.
- Das Aufschlitzen des einfach zusammenhängenden supraleitenden Bandleiters kann mit einem Laser oder einer Diamantsäge erfolgen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Aus- führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 die schematische Draufsicht eines supraleitenden Bandleiters zweifach zusammenhängender Topologie zeigt,
Fig. 2 einen beispielhaften Querschnitt des supraleitenden 2G-HTS Bandleiters gemäß der Schnittebene II in Fig. 1 zeigt,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer supraleitenden Spuleneinrichtung zeigt, die die Wicklung der Leiterzweige in dem Ausführungsbeispiel verdeutlicht.
Fig. 1 zeigt die schematische Draufsicht eines supraleitenden Bandleiters 1 zweifach zusammenhängender Topologie, der durch Aufschlitzen eines supraleitenden Bandleiters einfach zusammenhängender Topologie hergestellt ist. In diesem Beispiel ist das Aufschlitzen mittels eines Lasers erfolgt. Das gezeigte Ausführungsbeispiel beschreibt eine Spuleneinrichtung für die NMR-Spektroskopie . In diesem Beispiel ist die Länge 6 des ursprünglichen einfach zusammenhängenden Bandleiters 1000 m. Diese Länge kann aber auch wesentlich kürzer oder länger sein. In einer Spuleneinrichtung für die Magnetreso- nanzbildgebung kann die Länge ein Vielfaches der hier beschriebenen Länge betragen. Der supraleitende Bandleiter um- fasst zwei annähernd gleich dimensionierte Leiterzweige 2 und 4. Durch den ersten Leiterzweig 2 fließt ein Strom I2, und durch den zweiten Leiterzweig 4 fließt ein Strom I4 gegenläufiger Richtung, so dass durch den gesamten zweifach zusammenhängenden supraleitenden Bandleiter 1 ein geschlossener Ringstrom fließt. Die Breite 8 des ursprünglichen, einfach zusammenhängenden Bandleiters beträgt in diesem Beispiel 10 mm, und die Breite der beiden Leiterzweige 2 und 4 beträgt im aufgeschlitzten Bereich jeweils 5 mm. Abhängig vom verwendeten Bandleitermaterial kann diese Breite der Leiterzweige 2 und 4 aber auch wesentlich größer oder kleiner ausfallen. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des supraleitenden Bandleiters 1, in dem der Schichtauf au eines 2G-HTS schematisch dargestellt ist. In diesem Beispiel ist der supraleitende Bandlei- ter 1 mit einer isolierenden Schicht 10 fest zu einem Wicklungsband 12 verbunden. Die isolierende Schicht 10 ist in diesem Beispiel ein 50 μπι dickes Kaptonband, sie kann aber auch aus anderen isolierenden Materialien, wie beispielsweise anderen Kunststoffen aufgebaut sein. Das ebenfalls zweifach zusammenhängende Wicklungsband 12 umfasst die beiden
nebeneinanderliegenden Leiterzweige 2 und 4, wobei das gesamte Wicklungsband 12 mit diesen nebeneinanderliegenden Leiterzweigen 2 und 4 auf einer hier nicht gezeigten Vorratsrolle aufgerollt wird, und die Spuleneinrichtung durch Abwickeln des zweifach zusammenhängenden Wicklungsbandes 12 von der
Vorratsrolle hergestellt wird. Der Schichtaufbau eines jeden Leiterzweiges 2, 4 umfasst über der isolierenden Schicht 10 zunächst eine normalleitende Deckschicht 14, die in diesem Beispiel eine 20 μπι dicke Kupferschicht ist. Darauf folgt das Trägerband 16, das hier ein 50 μπι dickes Substrat aus einer Nickel -Wolfram-Legierung ist. Alternativ sind auch Stahlbänder oder Bänder aus einer Legierung wie z.B. Hastelloy verwendbar. Über dem Trägerband 16 ist eine 0.5 μπι dicke Pufferschicht 18 angeordnet, die die oxidischen Materialien Ce02 und Y203 enthält. Darüber folgt die eigentliche supraleitende Schicht 20, hier eine 1 μπι dicke Schicht aus YBa2Cu30x, die wiederum mit einer 20 μπι dicken Deckschicht 14 aus Kupfer abgedeckt ist. Die supraleitende Schicht 20 bildet eine durchgehende Schicht über die gesamte zweifach zusammenhängende Topologie. Alternativ zu dem Material YBa2Cu30x können auch die entsprechenden Verbindungen REBa2Cu30x anderer seltener Erden verwendet werden. In dem gezeigten Beispiel ist in jedem Leiterzweig 2, 4 die Breite der isolierenden Schicht 10 etwas größer als die Breite des übrigen supraleitenden Band- leiters 1, so dass bei einer Wicklung der Spuleneinrichtung übereinander zu liegen kommende Leiterzweige zuverlässig gegeneinander isoliert sind. Alternativ zu dem gezeigten Beispiel können auch auf beiden Seiten des supraleitenden Band- leiters 1 isolierende Schichten 10 angeordnet sein, oder es können auch die seitlichen Bereiche des supraleitenden Bandleiters 1 durch isolierende Schichten geschützt sein. Es ist weiterhin möglich, eine isolierende Schicht erst bei der Her- Stellung der Spulenwicklung als separates Band in die Spuleneinrichtung einzuflechten .
Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht der supraleitenden Spuleneinrichtung, die die Wicklung der Leiterzweige 2 und 4 in dem Ausführungsbeispiel verdeutlicht. Die beiden
Leiterzweige 2 und 4 sind in zueinander gegenläufigen Wendel - Wicklungen um den zylinderförmigen Tragkörper 22 angeordnet. Aus den in Fig. 3 gezeigten Strompfeilen I2 und I4 ist ersichtlich, dass der durch den Bandleiter fließende Ringstrom in beiden Leiterzweigen 2 und 4 gleichsinnig um den zylinderförmigen Tragkörper 22 fließt, so dass mit der Spuleneinrichtung ein starkes Magnetfeld erzeugt werden kann. Der zylinderförmige Tragkörper 22 ist in diesem Beispiel ein Hohlzylinder, wobei im Inneren des HohlZylinders das Probenvolumen für die spektroskopisch zu untersuchenden Proben angeordnet ist. Zweckmäßig wird im Betrieb der supraleitenden Spuleneinrichtung der gesamte supraleitende Bandleiter 1 auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur gekühlt, wobei auch der zylinderförmige Tragkörper 22 auf eine sehr tiefe Tempe- ratur gekühlt wird. Der zylinderförmige Tragkörper 22 ist jedoch gegen das Probenvolumen isoliert, so dass die zu vermessenden Proben nicht gekühlt sein müssen.
In Fig. 3 sind exemplarisch nur wenige Wicklungen Wi( W2, ... gezeigt, wobei die tatsächliche Spuleneinrichtung typischerweise eine Vielzahl solcher Wicklungen umfasst, in diesem Beispiel sind es 5000 Wicklungen. Diese Wicklungen können auch in einer Vielzahl von übereinanderliegenden Lagen aus gegenläufigen Wendelwicklungen ausgestaltet sein. Innerhalb jeder vollen Wicklung Wi( W2, ... kreuzen sich die beiden
Leiterzweige 2 und 4 zwei Mal, wobei in diesem Beispiel immer abwechselnd jeweils der Leiterzweig 2 und der Leiterzweig 4 obenliegend sind. Mit dieser Anordnung ist es möglich, das zweifach zusammenhängende Wicklungsband 12 am Stück von einer hier nicht gezeigten Vorratsrolle abzurollen, ohne dass die zweifach zusammenhängende Topologie für die Herstellung unterbrochen werden muss und ohne dass nachträglich eine Ver- bindung der supraleitenden Schicht geschaffen werden muss.
Wie in Fig. 3 ersichtlich, liegt der supraleitende Bandleiter im Bereich der Wicklungen Wi( W2, ... im Wesentlichen flach auf dem zylinderförmigen Tragkörper auf. Weiterhin zeigt Fig. 3 zwei Kontakte 26, mit denen der supraleitende Bandleiter 1 an einen äußeren Stromkreis 28 angeschlossen ist. Dieser Stromkreis 28 dient dazu, bei Inbetriebnahme oder bei Aufladen der Spule über eine Stromquelle 30 einen Strom in die Spuleneinrichtung einzuspeisen. Die Kontakte 26 sind hier steckbar ausgestaltet, so dass die Verbindung zum Stromkreis 28 nach dem Vorgang des Aufladens gelöst werden kann. In räumlicher Nähe zu den Kontakten 26 befindet sich ein heizbarer Bereich 24, in dem der supraleitende Bandleiter in thermischem Kontakt zu einer hier nicht ge- zeigten Heizvorrichtung steht, so dass dieser Bereich zum Aufladen der Spule auf eine Temperatur oberhalb der Sprungtemperatur geheizt werden kann und dadurch ohmsch leitend wird. Diese Anordnung bewirkt die Ausbildung eines supraleitenden Schalters in diesem Bereich, die die Einspeisung des Aufladestroms in den weiterhin supraleitenden Bereich der
Spule ermöglicht. Nach erfolgter Einspeisung kann die Heizvorrichtung abgeschaltet werden, so dass der gesamte Bereich des supraleitenden Bandleiters 1 wieder supraleitend wird und die Spule im Dauerkurzschlussstrom-Modus zu einem annähernd verlustfreien Leiter wird. Im gezeigten Beispiel ist der heizbare Bereich 24 getrennt von dem zylinderförmigen Tragkörper 22 angeordnet und enthält keine Spulenwicklungen. Dies ermöglicht eine gute thermische Isolation des heizbaren Bereiches 24 von dem gekühlten zylinderförmigen Tragkörper 22. Alternativ kann der heizbare Bereich 24 aber auch in Wendelwicklungen gewickelt sein, so dass dieser Bereich im Dauerkurzschlussstrom-Modus ebenfalls zur Erzeugung des Magnetfeldes beiträgt. In diesem Fall ist es zweckmäßig, dass die Wicklungen des heizbaren Bereiches um einen separaten Tragkörper angeordnet sind, der gegen den zylindrischen Tragkörper 22 thermisch isoliert ist.

Claims

Patentansprüche
1. Supraleitende Spuleneinrichtung, umfassend einen zylinderförmigen Tragkörper (22) und mindestens zwei Spulenwicklungen (Wi, W2) aus einem supraleitenden Bandleiter (1) , dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Bandleiter (1) eine zweifach zusammenhängende Topologie aufweist, eine innerhalb der zweifach zusammenhängenden Topologie durchgehend supraleitende Schicht (20) umfasst und zwei Leiterzweige (2,4) um- fasst, die in zwei gegenläufigen Wendelwicklungen um den zylinderförmigen Tragkörper (22) angeordnet sind.
2. Spuleneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht (20) einen Hoch-Tc-Supraleiter umfasst.
3. Spuleneinrichtung nach Anspruch 2, bei dem der Hoch-Tc- Supraleiter REBa2Cu30x oder MgB2 enthält.
4. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Spulenwicklungen (Wi, W2) mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (10) angeordnet ist.
5. Spuleneinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (10) und der supraleitende Bandleiter (1) ein gemeinsam vorzufertigendes Wicklungsband (12) bilden.
6. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Bandleiter (1) im Wesentlichen flach auf der Oberfläche des zylinderförmigen Tragkörpers (22) aufliegt.
7. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mehrere übereinanderliegende Paare gegenläufiger Wendel - Wicklungen umfasst.
8. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Bandleiter (1) einen heizbaren Bereich (24) umfasst, der in thermischem Kontakt zu einer Heizvorrichtung steht.
9. Spuleneinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der heizbare Bereich (24) außerhalb der Wendelwicklungen befindet.
10. Spuleneinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der heizbare Bereich (24) einen Teil der Wendelwicklungen bildet, der gegen den zylinderförmigen Tragkörper (22) thermisch isoliert ist.
11. Spuleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die eine Vorrichtung zur Erzeugung eines lokalen Magnetfeldes umfasst, die einen Bereich des supraleitenden Bandleiters (1) durch das lokale Magnetfeld in einen ohmsch leitenden Zustand versetzen kann.
12. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mindestens zwei Kontakte (26) zur Verbindung der Spule mit einer äußeren Stromquelle (30) umfasst.
13. Spuleneinrichtung nach Anspruch 12, sofern dieser von einem der Ansprüche 8 bis 11 abhängig ist, bei der die Kontakte (26) zu beiden Seiten des heizbaren Bereichs (24) der Spule oder der Vorrichtung zur Erzeugung eines lokalen Magnetfeldes angeordnet sind.
14. Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spuleneinrichtung mit einem zylinderförmigen Tragkörper (22) und einem supraleitenden Bandleiter (1) , der mindestens ein Trägerband (16) und eine supraleitende Schicht (20) umfasst, dadurch ge- kennzeichnet, dass ein supraleitender Bandleiter (1) zweifach zusammenhängender Topologie durch Aufschlitzen des Trägerbandes (16) in Richtung der Länge (6) des supraleitenden Bandleiters (1) vor oder nach Aufbringen der supraleitenden Schicht (20) hergestellt wird, und dass der supraleitende Bandleiter (1) zweifach zusammenhängender Topologie in gegenläufigen Wendelwicklungen um den zylinderförmigen Tragkörper (22) gewickelt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der zweifach zusammenhängende supraleitende Bandleiter (1) mit einer elektrisch isolierenden Schicht (10) zu einem vorgefertigten Wicklungsband (12) verbunden wird und das Wicklungsband (12) zur Her- Stellung der gegenläufigen Wendelwicklungen von einer Vorratsrolle abgerollt wird.
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