DE2114007B2 - Spulenanordnung für Dipol- oder Multipolmagnete - Google Patents

Description

konfiguration unvermeidlich sind.

Mit diesen Nachteilen ist auch eine andere aus

30 Journal oi Applied Physics, Volume 42, Nr. 1, Januar

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung für 1971, S. 73 bis 79, bekannte supraleitende Spulen-Dipol- oder Multipolmagnete ionenoptischer Einrich- anordnung behaftet, deren parallel zur Magnetachse tungen mit einem rohrförmigen Hohlkörper als Wick- verlaufende Spulenteile unterschiedliche rechteckförlungsträger, an dessen Außenseite mehrere aus Supra- mige Querschnitte besitzen, die an der Peripherie leitern gewickelte, in Richtung der Rohrachse lang- 35 eines Kreises radial angeordnet sind und eine Stromgestreckte, durcli Abstandshalter getrennte Spulen verteilung I = I_n- cos η (-) auf einem Kreis zyklischer angeordnet sind, die aus parallel zur Rohrachse ver- unendlicher Länge und in dessen Innenraum ein 2 nlaufenden Spulenteilen mit rechteckförmigen Quer- Pol-Feld, also bei η = 1 ein reines Dipolfeld erzeuschnitten vorbestimmter Abmessungen und aus gen. Durch Wahl geeigneter Sektorenwinkel B_t zwi-Wickelköpfen bestehen. 40 sehen einer horizontalen Symmetrieachse und der Bei Strahlbiegemagneten, wie sie in Teilchenbe- Achse der Spule / können störende Multipolkompo· schleunigem Anwendung finden, werden Magnetfelder nenten zum Teil eliminiert werden, hoher Feldstärke (> 50 kG) angestrebt. In diesen Nachteilig ist jedoch, daß die erforderliche hohe Bereichen sind Magnetkonstruktionen mit feldfor- Fertigungsgenauigkeit für die sektorförmigen, in Einmendem Risen nicht mehr sinnvoll. Die Magnetfelder 45 zelfertigung herzustellenden sektorförmigen Spulen, werden mit Luftspulen erzeugt, die aus supraleiten- insbesondere bei Verwendung von supraleitenden den Drähten gewickelt und mit flüssigem Helium ge- Drähten, nur mit erheblichem Aufwand erreicht werkühlt sind. Dabei werden langgestreckte, in Bahnrich- den kann. Bei Biegemagneten wird ferner eine in der tung orientierte Spulenpakete verwendet, die an ihren Horizontalen gestreckte Apertur gefordert, so daß die Enden so geformt sind, daß ein Strahlrohr durch den 50 bekannte Spulenanordnung mit ihren notwendigervon Spulenpaketeri eingeschlossenen Raum geführt weise an der Peripherie eines Kreises mit dem Durchwerden kann. mev.er des größeren Durchmessers der Apertur lie-Die Qualität eines Strahlbiegemagneten wird im gendrn Spvlenquerschnitten einen erhöhten Materialwesentlichen durch seine teilchenoptischen Eigen- einsät/ und Kühlaufwand verursachen muß. schäften, d. h. ein konstantes Integral fBdl über die 55 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die ein Apertur für achsenparallele Strahlen bestimmt. Die gangs genannte, bekannte Spulenanordnung für Di-Genauigkeit des Feldes soll in der nutzbaren Aper- pol- und Multipolmagnete so auszugestalten, daß die tür bei ARB 10^-3... 10 ⁴ liegen. Störungen der einzelnen Spulen in einfacher und wirtschaftlicher Homogenität des Feldes werden insbesondere auch Weise hergestellt werden können. Dabei soll die Aufdurch die endliche Länge der Magnete und deren 60 teilung der Magnetv.icklunp so erfolgen, daß leicht WickelKopfe verursacht. herstellbare Spulen mit großer Genauigkeit gebildet Fs ist auch schon analytisch nachgewiesen worden, werden, deren felderzeugende Elemente so geformt daß im Überschneidungsbereich zweier gegeneinander sind, daß eine günstige Kühlung möglich ist und verschobener elliptischer Leiterquerschnitte mit kon- deren Wickelköpfe so ausgebildet sind, daß die von stanter Stromdichte, aber gegenläufiger Stromrichtung 65 den Wickclköpfen verursachten Feldvcrzerrungen ein streng homogenes Dipolfeld erzeugt wird. vernachlässigbaren E,nfluß auf die bestimmende

Schwierigkeiten ergeben sich jedoch bei der Her- Größe J Bell haben.

Stellung von Spulen mit komplizierter geometrischer Diese Aufgabe wire erfindungsgemäß dadurch ge-

löst, daß die parallel zur Rohrachse verlaufenden Spulenteile so angeordnet sind, daß entsprechende Seiten sämtlicher Rechteckquerschnitte zueinander parallel sind, daß durch die Abstandshalter Kühlkanäle gebildet sind und daß die Wickelköpfe in einer zur Rohrachse senkrechten Richtung im wesentlichen iibereinanderliegeu.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Spulenanordnung hat jeder Wickelkopf rechteckförmigen Querschnitt, und die eine Begrenzungsseite dieses rech teckförmigen Querschnitts liegt in einer zur Rohrachse senkrechten Ebene.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Spulen in einfacher Weise und mit hoher Genauigkeit aus supraleitendem Material hergestellt und zu Dipol- und Multipolmagneten zusammengesetzt werden können. Bei senkrechter Anordnung der Kühlkanäle kann durch einfaches Eintauchen in ein flüssiges Kühlmittel eine den hohen Anforderungen genügende Kühlung erreicht werden, die ausschließlich auf Konvektion beruht und keine Umwälzpumpen erfordert.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung der Wickelköpfe wird sichergestellt, daß bei

» + oo p+x

Dipolfeldern BdI und bei Quadropolfeldern Gi//

J-OC J-X

über die Apertur nahezu konstant ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen magnetischen Dipol mit sich überschneidenden Ellipsen,

F i g. 2 elliptische Konfiguration durch Rechteckqucrschnitte angenähert,

F i g. 3 nach einem Näherungsverfahren berechnete Dipolkonfiguration,

F i g. 4 a Spule eines Biegemagneten als Flachspule.

F i g. 4 b Spule nach dem Abbiegen,

F i g. 5 Teil eines Dipolmagneten.

Die in Fig. 1 dargestellten Ellipsen 1 und 2 mit den Halbachsen α und b sind auf einer gemeinsamen Achse 3 um 2X₁ gegeneinander verschoben. Stellen die Ellipsen 1 und 2 Leiterquerschnitte mit gleicher Stromdichte / aber gegensätzlicher Stromrichtung dar, so wird im Überschneidungsbereich 4 die Stromdichte /u Null. In den außerhalb des Überschneidungsbereiches liegenden Flächen 5 und 6 fließen Ströme entgegengesetzter Richtung. Im Überschneidungsbereich 4 läßt sich analytisch ein streng homogenes Dipolfeld kann ein beliebiger Wicklungsquerschnitt durch einfacher herstellbare Spulen mit Rechteckquerschnitt angenähert werden. Fi g. 2 zeigt schematisch die Spulenanordnung in einem Dipol vom Typ der sich überschneidenden Ellipsen. Die Spulen des Dipolmagneten haben eine gemeinsame Symmetrieachse 7 und rechteckigen Querchnitt 8, außerdem sind alle Spulen spiegelsymmetrisch zu der Achse 3 angeordnet.

Die Breite c ist hier für alle Rechteckquerschnitte gleich und wird mit besser werdender Feldgenauigkeit kleiner, die Höhe h ist nur für zvei auf den beiden Seiten der Achse 3 liegende Spulen gleich. Die Breite c wird ferner durch die Kühlbedingungen beeinflußt.

F i g. 3 zeigt eine Spulenanordnung, deren Rechteckleiter 9 für ein Dipolfeld von 50 kG bei 50 kA/cm* mit einem FORTRAN-Programm in der Weise bestimmt wurden, daß, ausgehend von einer nullten Näherung, das Feld einer Rechteckleiteranordnung nach Multipolen analysiert wird und durch Variieren der Abmessungen unerwünschte Feldanteile teilweise kompensiert werden. Durch iterative Wiederholung wird die Feldhomogenität fortlaufend verbessert, bis der Fehler einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Die in F i g. 3 dargestellte Spulenkonfiguration ist nach dieser Iterationsmethode errechnet und erreicht innerhalb des Kreises 10 mit einem Radius von 3 cm eine Feidungenauigkeit von ^. 2 · 10~⁴.

Die Notwendigkeit, die Länge des Magneten zu beschränken und für Stromrückfuhrung in den Wickelköpfen zu sorgen, hat an den Magnetenden erhebliche Abweichungen von der Feldhomogenität zur Folge. Für die Te'lchendynamik ist jedoch in erster Näherung nur das insgesamt von einem Teilchen durchlaufene

Feld, beim Dipol also BdI, wesentlich.

Durch einfache Überlegungen kann gezeigt werden, daß für die hier \orliegende Konzeption die Endein-

flüssc auf d

as Bi// mini

minimal werden.

ß - 0,8 τ ■ /

V₁ h

■1 + h

ableiten. Das Verhältnis Breite zu Höhe der Apertur kann beliebig vorgegeben werden.

Ohne wesentliche Stoning der Feldhomogenität Fig. 4a zeigt eine ebene Spule 11 mit Rechteckquerschnitt für einen pulsbaren supraleitenden Biegemagneten. Die in Achsrichtung des Magneten orientierten Teile der Spule werden nach dem Wickeln über zwei parallel zu dieser Achse verlaufende Kanten 12 und 13 rechtwinkelig abgebogen, so daß sich die in Fig. 4b angedeutete Spulenform mit senkrecht zur Magnetachse angeordneten Wickelköpfen 14 ergibt.

In dieser Weise hergestellte Spulen werden zu dem in F i g. 5 teilweise dargestellten Dipol vereinigt. Die Spulen 11 haben Rechteckquerschnitte 8 mit einheitlicher Breite c — 6 mm. Durch Abstandshalter 15 werden zwischen den Spulen 11 Kühlkanäle 16 von 0,5 mm Breite gebildet. Trotz der relativ groben Abstufung der Kontur lassen sich innerhalb eines Kreises von 3 cm Radius Feldabweichungen von / 2 · 10 ⁴ erreichen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

C Begrenzung, insbesondere auch bei Spulenanordnun Patentanspräche: gen aus supraleitenden Leitern. Ferner werden be gepulsten Dipolen besondere Anforderungen ac di

1. Spulenanordnung ffir Dipol- oder Multipol- Kühlung gestellt, um Erwärmungen und eine Redu magnete ionenoptischer Einrichtungen mit einem S zierung des kritischen Stromes im supraleitende! rohrförmigen Hohlkörper als Wicklungsträger, an Draht klein zu halten.

dessen Außenseite mehrere aus Supraleitern ge- Es ist bekannt, bei der aus technischen Gründei

wickelte, in Richtung der Rohrachse langge- notwendigen Begrenzung der Länge der Magnetspu

streckte, durch Abstandshalter getrennte Spulen len Stromrückführungen als Wickelköpfe auszafüh

angeordnet sind, die aus parallel zur Rohrachse io ren und diese Wickelköpfe so abzubiegen, daß di<

verlaufenden Spulenteikn mit rechteckförmigen Strahlrohrführung nicht befindet wird. Das Abbiegei

Querschnitten vorbestimmter Abmessungen und der Spulenenden erfordert jedoch besondere Maß

aus Wickelköpfen bestehen, dadurch ge- nahmen, damit die Supraleitung nicht beeinträchtig

kennzeichnet, daß die parallel zur Rohr- wird. Besonders nachteilig ist bei diesen Wickelköp-

achse verlaufenden Spulenteile so angeordnet 15 fen, daß Feldverzerrungen auftreten,

sind, daß entsprechende Seiten sämtlicher Recht- Aus CRYOGENICS, Oktober 1968, S. 290 bi«

eckquerschnitte (8) zueinander parallel sind, daß 294, sind ferner supraleitende und sattelförmig ausge-

durch die Abstandshalter (15) Kühlkanäle (16) bildete Spulen bekannt. Diese Spulen sind jedoch,

gebildet sind und daß die Wickelköpfe (14) in gemäß Fig. 10 des Reports des Rutherford High

einer zur Rohrachse senkrechten Richtung im 20 Energy Laboratory vom Juni 1970, so ausgebildet,

wetentlichen übereinanderliegen. daß die Querschnitte der parallel zur Magnetachse

2. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch angeordneten Elemente der langgestreckten Spulen gekennzeichnet, daß jeder Wickelkopf (14) recht- radial zu dem Strahlrohr mit kreisförmigem Quereckfönnigen Querschnitt hat und daß eine Be- schnitt orientiert und die Wickelköpfe als Kreisbogen grenzungsseite dieses rechteckförmigen Quer- 35 mit unterschiedlichen Radien ausgebildet sind in beschnitts in einer zur Rohrachse senkrechten zug auf die Magnetachse nebeneinander verlaufen, so Ebene liegt. daß im Bereich der Wickelköpfe Störungen der FeId-