DE102006035751A1

DE102006035751A1 - Supraleitfähige Magnetfeldspule mit parallel gewickelten Drahtabschnitten in einer Lage

Info

Publication number: DE102006035751A1
Application number: DE102006035751A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Schlenga
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-01-31
Also published as: GB0714531D0; GB2440645B; US20080139394A1; GB2440645A; US7865221B2

Abstract

Eine supraleitfähige Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61), mit mindestens einer lagenweise gewickelten Spulensektion (42; 43), ist dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Lage (11, 12, 13, 14, 101, 102, 103, 104) der Spulensektion (42; 43) N (mit N >= 2) supraleitfähige Drahtabschnitte (A, B, C, D, E) parallel gewickelt sind, sodass die Windungen der N Drahtabschnitte (A, B, C, D, E) jeweils benachbart sind und dass die N Drahtabschnitte (A, B, C, D, E) in Serie geschaltet sind. Die erfindungsgemäße Magnetfeldspule kann erheblich billiger hergestellt werden, insbesondere wenn die Magnetfeldspule eine vergleichsweise große Lagenlänge aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitfähige Magnetfeldspule, mit mindestens einer lagenweise gewickelten Spulensektion.
Solche Magnetfeldspulen sind beispielsweise bekannt geworden durch die NMR-Magnete der UltraShield-Baureihe der Firma Bruker BioSpin GmbH, Rheinstetten, DE.
Supraleitfähige Magnetfeldspulen werden dazu eingesetzt, Magnetfelder großer Stärke (etwa 20 Tesla oder mehr) zu erzeugen. Solch starke Magnetfelder werden insbesondere in der Hochauflösenden Kernspinresonanz(NMR)Spektroskopie eingesetzt. Supraleitfähige Magnetfeldspulen werden im Betrieb gekühlt, beispielsweise mit flüssigem Helium in einem Kryostaten.
Die Magnetfeldspulen sind typischerweise solenoidförmig ausgebildet und werden mit einem supraleitfähigen Draht in aufeinanderliegenden, in Serie verbundenen Lagen gewickelt. In der Regel ist die Wicklung des supraleitfähigen Drahtes innerhalb einer Lage dicht, d.h. benachbarte Windungen des supraleitfähigen Drahtes berühren sich. Dies verhindert eine Verschiebung von Windungen durch magnetische Kräfte, insbesondere beim Aufladen der Magnetfeldspule.
Einzelne Stücke des supraleitfähigen Drahtes können nur außerhalb der Spule mit supraleitenden Verbindungselementen, sogenannten Joints, zusammengeführt werden. Im Stand der Technik wird daher mit einem Drahtstück stets eine ganzzahlige Anzahl von Lagen gewickelt. Bei der Fertigung der Spule wird von einem Drahtstück also nur jeweils derjenige Anteil des Drahtstück verwendet, der der Länge eines ganzzahligen Vielfachen der „Lagenlänge" (das ist die Drahtlänge innerhalb einer Lage) entspricht. Ein etwaiger Rest des Drahtstücks wird weggeworfen („Verschnitt").
Da die Drahtherstellung von Supraleitern aus Nb₃Sn oder NbTi normalerweise ausgehend von Bolzen mit einem Gewicht von typischerweise ca. 30 kg bis 300 kg erfolgt, wird die verfügbare Länge von Drahtstücken in hohem Maße durch den Leiterquerschnitt des Drahtes bestimmt. Bei den Hochtemperatursupraleitern wie YBaCuO oder BiSrCaCuO liegen die maximal verfügbaren Längen von Drahtstücken derzeit zwischen ca. 100 m und ca. 2000 m.
Bei Magnetspulen mit sehr kurzen Lagenlängen im Vergleich zu den verfügbaren Längen von Drahtstücken (beispielsweise infolge einer absolut kurzen Lagenlänge bei geringem Spulendurchmesser und/oder einem dünnem Leiterquerschnitt, etwa mit einem Leitergewicht < 10 kg/Lage) fällt der Verschnitt bezüglich der Gesamtfertigungskosten nicht ins Gewicht.
Bei Magnetfeldspulen mit Lagenlängen, die in der Größenordnung der verfügbaren Längen von Drahtstücken sind (beispielsweise infolge eines großen Spulendurchmessers und/oder eines großen Leiterquerschnitts und damit mit hohem Leitergewicht/Lage, etwa > 10 kg/Lage) erhöht der Verschnitt des supraleitfähigen Drahtes die Fertigungskosten der Magnetfeldspule erheblich. Steht beispielsweise ein Drahtstück mit einer Länge entsprechend 1,9 Lagen zur Verfügung, so wird ein Restdraht mit einer Länge entsprechend 0,9 Lagen verworfen, d.h. der Verschnitt kann die Materialkosten für den supraleitfähigen Draht nahezu verdoppeln.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine supraleitfähige Magnetfeldspule bereitzustellen, die erheblich billiger hergestellt werden kann als herkömmliche Magnetfeldspulen, insbesondere wenn die Magnetfeldspule eine vergleichsweise große Lagenlänge aufweist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine supraleitfähige Magnetfeldspule der eingangs vorgestellten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in mindestens einer Lage der Spulensektion N (mit N ≥ 2) supraleitfähige Drahtabschnitte parallel gewickelt sind, sodass die Windungen der N Drahtabschnitte jeweils benachbart sind, und dass die N Drahtabschnitte in Serie geschaltet sind.
Erfindungsgemäß wird somit die mindestens eine Lage nicht mit einem einzigen, durchgehenden Drahtabschnitt gewickelt, sondern mit N Drahtabschnitten parallel. Während ein durchgehender Drahtabschnitt in seiner Länge einer Lagenlänge (oder einem Vielfachen davon) entsprechen müsste, brauchen die N Drahtabschnitte nur jeweils eine Länge von ungefähr (1/N)·Lagenlänge (oder ein Vielfaches davon) aufzuweisen. Die Lagenlänge entspricht (unter Vernachlässigung der axialen Erstreckung der Spule) der Zahl aller Drahtwindungen in der Lage multipliziert mit dem Umfang der Spule. Die Zahl der Drahtwindungen in einer Lage wiederum entspricht im Wesentlichen dem Quotienten aus Spulenlänge in axialer Richtung und Drahtbreite.
Von jedem zur Verfügung stehenden Drahtstück kann erfindungsgemäß ein vergrößerter Anteil genutzt werden. Je Drahtabschnitt fällt erfindungsgemäß ein Verschnitt von weniger als (1/N)·Lagenlänge an, während im Stand der Technik (bei nur einem Drahtabschnitt in einer Lage) ein Verschnitt von bis zu einer Lagenlänge anfallen konnte. Ein Drahtstück von 1,9 Lagenlängen (vgl. oben) kann beispielsweise erfindungsgemäß bei N = 4 parallelen Drahtabschnitten in jeder Lage in sieben Drahtabschnitte von je 1/4 Lagenlängen aufgeteilt werden, wobei ein Rest von 1,9 – 1,75 = 0,15 Lagerlängen als Verschnitt bleibt. Man beachte, dass erfindungsgemäß mehrere Drahtabschnitte, insbesondere Drahtabschnitte verschiedener Lagen, zu einem zusammenhängenden Drahtstück gehören können.
Die Windungen des supraleitenden Drahtes in einer Lage teilen sich erfindungsgemäß auf die N Drahtabschnitte gleichmäßig auf, typischerweise mit einer festen, periodische Abfolge von Windungen der einzelnen Drahtabschnitte entlang der Längsachse der Spule innerhalb einer Lage. Letzteres vermeidet Drahtkreuzungen. Jeder Drahtabschnitt weist dann eine Steigung von N Drahtbreiten je Windung auf (unter Annnahme des gleichen Drahttyps für alle Drahtabschnitte in einer Lage).
Um ein Magnetfeld entsprechend einem einzigen, durchgehenden Draht in einer Lage zu erhalten, werden die N Drahtabschnitte erfindungsgemäß in Serie miteinander verbunden, erforderlichenfalls mit Hilfe von Joints außerhalb der Spule. Die serielle Verschaltung kann dabei auch mittelbar erfolgen, d.h. andere Spulenabschnitte (etwa aus höheren oder tieferen Lagen oder aus anderen Spulensektionen) sind noch zwischen die verbundenen Drahtabschnitte einer Lage geschaltet.
Die erfindungsgemäße Aufteilung einer Lage in mehrere, parallele Drahtabschnitte bringt weiterhin den Vorteil einer feineren Quantisierung des magnetischen Dipolmoments der Magnetfeldspule mit sich. Zum Zwecke der Abschirmung werden typischerweise ein Teil einer ersten Spulensektion (Hauptfeldspule) und ein Teil einer zweiten Spulensektion (Abschirmspule) in Serie geschaltet und gemeinsam mit einem Schutzwiderstand überbrückt. Dabei sollten die beiden Teile ein möglichst genau gegengleiches magnetisches Dipolmoment aufweisen. Da die Kontaktierung nur jeweils am Spulenrand erfolgen kann, erfolgt im Stand der Technik die Kompensation jeweils über ganzzahlig viele vollständige Lagen bzw. deren Dipolmoment. Mit der Erfindung ist ein Zugriff auch auf Teillagen bzw. deren Dipolmoment möglich.
Vorteilhafterweise sind in der überwiegenden Zahl der Lagen, insbesondere in allen Lagen, der mindestens einen Spulensektion jeweils mehrere parallel gewickelte Drahtabschnitte vorgesehen.
Im Rahmen der Erfindung ist typischerweise eine Solenoidform für die Magnetfeldspule bzw. ihre Spulensektionen vorgesehen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetfeldspule liegen die Windungen der N Drahtabschnitte einer Lage jeweils kraftschlüssig aneinander. Dadurch stabilisieren sich die Windungen gegenseitig mechanisch, und Leiterverschiebungen oder Schwingungen aufgrund magnetischer oder äußerer Kräfte werden vermieden. Dadurch kann die Feldhomogenität und zeitliche Stabilität der Magnetfeldspule verbessert werden.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die Drahtabschnitte aller Lagen in Serie geschaltet sind. Dies vereinfacht das Laden und den Betrieb der Magnetfeldspule.
In gleicher Weise bevorzugt ist eine Ausführungsform, die vorsieht, dass wenigstens zwei Spulensektionen vorgesehen sind, und dass die Drahtabschnitte aller Spulensektionen in Serie geschaltet sind. Zwei wichtige Beispiele für Spulensektionen sind eine Hauptfeldspule und eine Abschirmspule; es können aber auch weitere oder andere Aufteilungen und Spulensektionen vorgesehen sein. Die Serienschaltung vereinfacht wiederum Laden und Betrieb.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Serienschaltung der Drahtabschnitte von einem Drahtabschnitt einer ersten Spulensektion zu einem Drahtabschnitt einer zweiten Spulensektion und wieder zurück zu einem weiteren Drahtabschnitt der ersten Spulensektion führt. Dadurch können Drahtabschnitte mit korrelierenden Eigenschaften aus verschiedenen Spulensektionen verbunden werden, etwa zum Zwecke der Abschirmung oder der Streufeldblitzvermeidung im Quenchfall.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung der obigen Ausführungsform, bei der die Magnetfeldspule Spulensektionen mit unterschiedlichem Wickelsinn umfasst. Dadurch kann das Magnetfeld gezielt manipuliert werden, insbesondere zur Homogenisierung oder Feldabschwächung.
Eine bevorzugte Weiterentwicklung dieser Weiterbildung sieht vor, dass die Magnetfeldspule aktiv abgeschirmt ist. Dadurch werden Menschen und technische Einrichtungen in der Umgebung der Magnetfeldspule vor Streufeldern geschützt.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der N = 2 oder N = 3 oder N = 4 ist. Bei dieser Zahl von parallelen Drahtabschnitten kann bei begrenztem Verbindungsaufwand eine gute Ersparnis an Materialkosten erzielt werden. Noch größere Werte von N sind vor allem bei sehr teuren supraleitenden Drähten oder supraleitenden Drähten mit nur sehr kurzen lieferbaren Längen bevorzugt.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetfeldspule, die vorsieht, dass Spulenbereiche der Magnetfeldspule durch ohmsche Schutzwiderstände überbrückt sind, derart, dass diese Spulenbereiche im Betrieb ein näherungsweise verschwindendes Dipolmoment erzeugen, wobei mindestens einer der Spulenbereiche nur einen Teil der Drahtabschnitte einer Lage umfasst. Durch die erfindungsgemäße feine Aufteilung der Magnetfeldspule, die auch Teile einer Lage zugänglich macht, kann eine Kompensation bzw. Abschirmung besonders exakt erfolgen, so dass besonders niedrige Streufelder erreichbar sind. Der Begriff „im Betrieb" schließt sowohl den Normalbetrieb als auch den Quenchfall ein, so dass auch ein sogenannter Streufeldblitz im Quenchfall effektiv vermieden werden kann.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Drahtabschnitte einer Lage identische Querschnitte aufweisen. Dies erleichtert die Aufwicklung des supraleitenden Drahtes auf den Spulenkörper, insbesondere bei Aufwicklung mehrere Lagen direkt übereinander.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der mindestens eine Spulensektion mehrere Lagen umfasst. Dies gestattet die Erzeugung größerer Feldstärken.
Schließlich ist noch bevorzugt eine Ausführungsform, bei der die Drahtabschnitte aus NbTi und/oder Nb₃Sn und/oder MgB₂ und/oder Hochtemperatursupraleiter (HTSL), insbesondere YBaCuO und/oder BiSrCaCuO, -Leitern bestehen. Diese Materialien sind bewährt in der Praxis.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1a einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungemäße Magnetfeldspule mit drei parallel gewickelten Drahtabschnitten je Lage, wobei die Drahtabschnitte beim Lagenwechsel gemeinsam gewendet sind;
1b eine schematische Aufsicht auf die erfindungsgemäße Magnetspule von 1a an einem Lagenwechsel;
2a einen schematischen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Magnetfeldspule mit drei parallel gewickelten Drahtabschnitten je Lage, wobei die Drahtabschnitte beim Lagenwechsel einzeln gewendet sind;
2b eine schematische Aufsicht auf die erfindungsgemäße Magnetspule von 2a an einem Lagenwechsel;
3 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Magnetfeldspule mit wechselnder Zahl von Drahtabschnitten je Lage;
4 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Magnetfeldspule mit zwei Spulensektionen mit Verdrahtungsschema;
5 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Magnetfeldspule mit zwei Lagen mit Verdrahtungsschema;
6 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Magnetfeldspule mit vier Lagen mit Verdrahtungsschema.
Die 1a zeigt einen Teil einer erfindungsgemäßen Magnetfeldspule 1 im Querschnitt. Die Magnetfeldspule 1 ist solenoidförmig aufgebaut; die axiale Richtung ist mit Z markiert, und die radiale Richtung mit R. Die Magnetfeldspule 1 weist einen Spulenträger 2 auf, auf dem supraleitfähiger Draht 5 mit zahlreichen Windungen aufgewickelt ist; von jeder Windung erscheint im Querschnitt ein Kreis, entsprechend dem Querschnittsprofil des Drahtes 5. Vom Spulenträger 2 ist nur ein oberer Teilabschnitt zu sehen; der Spulenträger 2 hat tatsächlich die Form einen Kreiszylindermantels. Die Magnetfeldspule 1 weist außerdem einen linksseitigen Flansch 3 und einen rechtsseitigen Flansch 4 auf, die den Draht 5 führen.
Der supraleitfähige Draht 5 ist in mehreren Lagen gewickelt; in 1 sind drei Lagen 11, 12, 13 dargestellt, wobei 11 die radial innerste und 13 die radial äußerste Lage bezeichnet.
Die erfindungsgemäße Besonderheit der Magnetfeldspule 1 liegt darin, dass in jeder Lage 11, 12, 13 mehrere Drahtabschnitte A, B, C verwickelt wurden.
Beispielsweise die innerste Lage 11 wurde aus drei Drahtabschnitten A, B, C parallel gewickelt. Innerhalb einer Windung steigt der Drahtabschnitt A um drei Drahtbreiten Br in z-Richtung an, so dass zwischen zwei benachbarten Windungen des Drahtabschnitts A auch je eine Windung der Drahtabschnitte B und C Platz finden. Entsprechend sind die Drahtabschnitte B und C gewickelt. Jeder Drahtabschnitt A, B, C braucht in einer Lage nur ca. ein Drittel der Länge („Lagenlänge") eines durchgehenden Drahtes, der allein eine vollständige Lage bilden würde.
Die Drahtabschnitte A, B, C innerhalb jeder Lage 11, 12, 13, genauer gesagt die Windungen der Drahtabschnitte A, B, C, liegen unmittelbar aneinander an. Die Position des Drahtes 5 wird dabei stabilisiert durch den Versatz in z-Richtung „auf Lücke"; im Querschnitt stellt sich im Wesentlichen eine zweidimensionale hexagonal dichte Packung ein.
In der Ausführungsform von 1a werden die Drahtabschnitte A, B, C gemeinsam aufgewickelt, d.h. die drei Drahtabschnitte A, B, C liegen stets in gleicher Reihenfolge nebeneinander und werden identisch geführt, d.h. beim Wickeln wird ein Strang mit den drei Drahtabschnitten A, B, C zum Spulenträger 2 geführt. Die Drähte der Drahtabschnitte A, B, C können dabei (brauchen aber nicht) miteinander verklebt sein.
Besonders deutlich wird die gemeinsame Führung bei einem Lagenwechsel, etwa von Lage 11 links auf Lage 12. In Lage 11 wird der Strang „ABC" nach links gewickelt. Die Abfolge der Drahtabschnitte A, B, C bleibt beim und nach dem Lagenwechsel gleich. In Lage 12 wird der Strang „ABC" nach rechts weiter gewickelt. Der Block der Drahtabschnitte A, B, C wird gemeinsam an der gleichen Umfangsposition gewendet.
Der Lagenwechsel von Lage 11 nach Lage 12 ist in 1b zusätzlich illustriert, wobei die Drahtabschnitte A, B, C zur Vereinfachung als Linien dargestellt sind. 1b zeigt den Wickelzustand beim Lagenwechsel. Es ist dargestellt die Z-Postion der Drahtabschnitte A, B, C in Abhängigkeit von der Umfangsposition U. Die Drahtabschnitte A, B, C wenden (d.h. kehren ihre Wickelsteigung um) an der identischen Umfangsposition. Die relative Lage der Drahtabschnitte zueinander bleibt erhalten.
Es besteht allerdings beim Lagenwechsel auch die Möglichkeit, einen Joint für einen (oder mehrere) Drahtabschnitte A, B, C zu setzen, etwa wenn die Drahtquelle für Drahtabschnitt A nicht mehr für den Drahtabschnitt A der nächsten Lage 12 ausreicht. Ein Joint würde beispielsweise Drahtabschnitt A der Lage 11 mit Drahtabschnitt A in Lage 12 am linken Rand der Magnetfeldspule 1 verbinden. Ohne Joint setzt sich der Drahtabschnitt A aus Lage 11 einfach als Drahtabschnitt A in Lage 12 fort.
Für jeden Drahtabschnitt A, B, C ist beim Wickeln bevorzugt eine eigene Drahtquelle vorgesehen; alternativ kann eine Drahtquelle mit einem verklebten Strang für die Drahtabschnitte A, B, C vorgesehen sein.
2a zeigt eine ähnliche erfindungsgemäße Magnetfeldspule 21 wie in 1a. Der supraleitfähige Draht 5a der Magnetfeldspule 21 hat allerdings einen näherungsweise rechteckförmigen Querschnitt. Die Magnetfeldspule 21 weist ebenfalls mehrere Lagen auf, von denen drei Lagen 11, 12, 13 dargestellt sind.
Bei der Magnetfeldspule 21 von 2a werden die Drahtabschnitte A, B, C jedoch nicht gemeinsam, sondern einzeln geführt. Wiederum wird dies beim Lagenwechsel, beispielsweise von Lage 11 nach 12 am linken Rand deutlich.
Wenn ein einzelner Drahtabschnitt A, B, C den linken Flansch 3 erreicht, wird dieser Drahtabschnitt einzeln gewendet (d.h. die Wickelsteigung wird umgekehrt). Die Drahtabschnitte A, B, C, werden sozusagen einzeln am Flansch 3 reflektiert. Dadurch verändert sich beim Lagenwechsel die Abfolge der Drahtabschnitte A, B, C. Während in Lage 11 nach links eine Drahtfolge „ABC" gewickelt wird, ergibt sich in Lage 12 eine umgekehrte Abfolge „CBA", die nach rechts gewickelt wird. Dies ist wiederum in 2b näher erläutert. Drahtabschnitt A aus Lage 11 wird als erstes reflektiert, dann Drahtabschnitt B, dann Drahtabschnitt C. Infolgedessen kehrt sich die Reihenfolge der Drahtabschnitte in der nächst höheren Lage 12 um.
Auch hier besteht die Möglichkeit, beim Lagenwechsel für einen oder mehrere der Drahtabschnitte A, B, C ein Joint zu setzten. Für jeden Drahtabschnitt A, B, C ist beim Wickeln eine eigene Drahtquelle vorgesehen.
3 zeigt eine weitere Magnetfeldspule 31, bei der nur in der ersten Lage 11 eine parallele Wicklung von Drahtabschnitten A, B erfolgt, beispielsweise von rechts nach links. In der darüber liegenden Lage 12 wird nur ein Drahtabschnitt A nach rechts zurückgeführt, und im nächsthöheren Drahtabschnitt wird der andere Drahtabschnitt B nach rechts zurückgeführt.
4 zeigt eine Magnetfeldspule 41, die eine erste Spulensektion 42 und eine zu dieser koaxiale, zweite Spulensektion 43 aufweist, mit Verdrahtungsschema. Die erste Spulensektion 42 weist zwei Lagen 11, 12 auf, und die zweite Spulensektion vier Lagen 101, 102, 103, 104. Die zweite Spulensektion 43 ist bezüglich der ersten Spulensektion 42 gegensinnig gewickelt, so dass die von der zweiten Spulensektion 43 erzeugten Magnetfelder denen der ersten Spulensektion 42 entgegenwirken. Damit wird eine Abschirmung der Umgebung erreicht.
Der Stromfluss erfolgt durch alle Drahtabschnitte A, B, D, E und Lagen 11, 12, 101, 102, 103, 104 der Magnetfeldspule 41 in Serie, mit folgender Abfolge: Der Strom wird mit einem Anschluss 47a in Drahtabschnitt A der Lage 11 am linken Rand eingespeist. Am rechten Spulenrand geht Drahtabschnitt A von Lage 11 in Drahtabschnitt A von Lage 12 über (normaler Lagenwechsel, aber Möglichkeit für ein Joint). Am linken Rand wird Drahtabschnitt A von Lage 12 mit einem Joint 44 verbunden mit dem Drahtabschnitt D in Lage 101. Am rechten Rand geht Drahtabschnitt D von Lage 101 in Drahtabschnitt D von Lage 102 über. Mittels eines Joints 45 wird sodann Drahtabschnitt D von Lage 102 verbunden mit Drahtabschnitt B von Lage 11, jeweils am linken Rand. Am rechten Rand geht Drahtabschnitt B von Lage 11 in Drahtabschnitt B von Lage 12 über. Drahtabschnitt B von Lage 12 ist über ein Joint 46 wiederum verbunden mit Drahtabschnitt E von Lage 103. Drahtabschnitt E von Lage 103 geht am rechten Rand über in Drahtabschnitt E von Lage 104. Am linken Rand in Drahtabschnitt E von Lage 104 liegt ein zweiter Stromanschluss 47b.
Über den Umweg des Drahtabschnitts D sind somit auch die Drahtabschnitte A und B der Lagen 11 und 12 in Serie miteinander verbunden.
Zusätzlich weist diese Magnetfeldspule 41 ohmsche Schutzwiderstände 48a, 48b auf. Schutzwiderstand 48a überbrückt gemeinsam die Drahtabschnitte A der Lagen 11, 12 und D der Lagen 101, 102. Sollte in diesen Drahtabschnitten (d.h. in diesem Spulenabschnitt) ein Quench auftreten, kann über den Widerstand 48a eine Notentladung stattfinden. Die Drahtabschnitte A der Lagen 11, 12 und D der Lagen 101, 102 weisen dabei im Betreib ein magnetisches Dipolmoment von näherungsweise null auf. In gleicher Weise sind die Drahtabschnitte B der Lagen 11, 12 und E der Lagen 103, 104 mit dem Schutzwiderstand 48b überbrückt und gesichert; diese Drahtabschnitte (bzw. dieser Spulenabschnitt) weisen insgesamt ebenfalls ein näherungsweise verschwindendes Dipolmoment auf. Dadurch wird die Magnetfeldspule 41 aktiv abgeschirmt.
5 zeigt eine Verschaltung bei einer einfachen erfindungsgemäßen Magnetfeldspule 51 mit nur einer Spulensektion.
Am linken Rand wird der Strom in Drahtabschnitt A von Lage 11 eingespeist. Der Drahtabschnitt A ist am rechten Rand über ein Joint 52 mit dem Drahtabschnitt C aus der darüber liegenden Lage 12 verbunden. Am linken Rand wiederum ist der Drahtabschnitt C über ein Joint 53 verbunden mit dem Drahtabschnitt B der Lage 11. Am rechten Rand wiederum ist Drahtabschnitt B mit Drahtabschnitt D der Lage 12 über Joint 54 verbunden. Von Drahtabschnitt D führt am linken Rand wiederum ein Stromanschluss weg.
Auch in diesem Fall sind alle Drahtabschnitte A, B, C, D in Serie verschaltet.
In 6 ist eine Verschaltung einer weiteren, erfindungsgemäßen Magnetfeldspule 61 mit ebenfalls einer Spulensektion dargestellt.
Am linken Rand kontaktiert ein Stromanschluss 47a den Drahtabschnitt A der Lage 11. Von den Lagen 11 über 12, 13 bis 14 geht der Drahtabschnitt A jeweils in die nächst höhere Lage über (bevorzugt ohne Joint; Joints sind aber bei den Lagewechseln am Rand möglich, um einen zur Neige gehenden Quellendraht zu berücksichtigen). Von Drahtabschnitt A in Lage 14 zu Drahtabschnitt B in Lage 11 verbindet ein Joint 62. Der Drahtabschnitt B geht von den Lagen 11 nach 12, 13 und 14 jeweils über (bevorzugt wiederum ohne Joint). In Lage 14 hat der Drahtabschnitt B am linken Rand einen Anschluss 47b.
Zusammenfassend schlägt die Erfindung vor, bei einer supraleitenden Magnetfeldspule, die typischerweise solenoidförmig aufgebaut ist, innerhalb einer Lage mehrere, innerhalb der Lage unverbundene Drahtabschnitte zur Wicklung der Windungen dieser Lage zu verwenden. Mit jedem Drahtabschnitt wird nur ein Teil der Windungen der Lage gewickelt, aber jeder Drahtabschnitt wird über die gesamte Breite der Magnetfeldspule geführt. Beim Übergang in benachbarte Lagen können entweder Joints zu separaten Drahtabschnitten gesetzt werden, oder die Drahtabschnitte werden in den benachbarten Lagen weiter geführt. Die Drahtabschnitte einer Lage sind in Serie geschaltet, um ein Magnetfeld wie bei einem einzigen, durchgehenden Draht für eine Lage zu erhalten. Die Drahtabschnitte einer Lage können separat kontaktiert werden, etwa um Spulenabschnitte mit verschwindendem Dipolmoment bei hoher Genauigkeit zu bilden und mit einem ohmschen Schutzwiderstand zu überbrücken.

Claims

Supraleitfähige Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61), mit mindestens einer lagenweise gewickelten Spulensektion (42; 43), dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Lage (11, 12, 13, 14, 101, 102, 103, 104) der Spulensektion (42; 43) N (mit N ≥ 2) supraleitfähige Drahtabschnitte (A, B, C, D, E) parallel gewickelt sind, sodass die Windungen der N Drahtabschnitte (A, B, C, D, E) jeweils benachbart sind, und dass die N Drahtabschnitte (A, B, C, D, E) in Serie geschaltet sind.
Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen der N Drahtabschnitte (A, B, C, D, E) einer Lage (11, 12, 13, 14, 101, 102, 103, 104) jeweils kraftschlüssig aneinander liegen.
Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtabschnitte (A, B, C, D, E) aller Lagen (11, 12, 13, 14, 101, 102, 103, 104) in Serie geschaltet sind.
Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Spulensektionen (42, 43) vorgesehen sind, und dass die Drahtabschnitte (A, B, C, D, E) aller Spulensektionen (42, 43) in Serie geschaltet sind.
Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung der Drahtabschnitte (A, B, C, D, E) von einem Drahtabschnitt (A) einer ersten Spulensektion (42) zu einem Drahtabschnitt (D) einer zweiten Spulensektion (43) und wieder zurück zu einem weiteren Drahtabschnitt (B) der ersten Spulensektion (42) führt.
Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61) Spulensektionen (42, 43) mit unterschiedlichem Wickelsinn umfasst.
Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61) aktiv abgeschirmt ist.
Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass N = 2 oder N = 3 oder N = 4.
Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spulenbereiche der Magnetfeldspule (41) durch ohmsche Schutzwiderstände (48a, 48b) überbrückt sind, derart, dass diese Spulenbereiche im Betrieb ein näherungsweise verschwindendes Dipolmoment erzeugen, wobei mindestens einer der Spulenbereiche nur einen Teil der Drahtabschnitte (A, B) einer Lage (11, 12) umfasst.
Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtabschnitte (A, B, C, D, E) einer Lage (11, 12, 13, 14, 101, 102, 103, 104) identische Querschnitte aufweisen.
Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spulensektion (42, 43) mehrere Lagen (11, 12, 13, 14, 101, 102, 103, 104) umfasst.
Magnetfeldspule (1; 21; 31; 41; 51; 61) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtabschnitte (A, B, C, D, E) aus NbTi und/oder Nb₃Sn und/oder MgB₂ und/oder Hochtemperatursupraleiter (HTSL), insbesondere YBaCuO und/oder BiSrCaCuO, -Leitern bestehen.