DE3531322A1

DE3531322A1 - Superconductive arrangement

Info

Publication number: DE3531322A1
Application number: DE19853531322
Authority: DE
Inventors: Toshimi Suita Osaka Kawamura; Masao Itami Hyogo Morita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-09-07
Filing date: 1985-09-02
Publication date: 1986-03-20
Also published as: JPS6165407A; FR2570215A1; FR2570215B1; DE3531322C2

Abstract

A superconductive arrangement has a superconductive magnet coil (11) which consists of a superconductive wire (41a) which is wound around a coil former (5). The superconductive wire (41a) has a superconductor (21a) with a rectangular cross-section of small width, the superconductor (21a) of the superconductive wire (41a) having a larger cross-sectional area in the end region (11a) of the superconductive magnet coil (11) than in the central region (11b). The superconductor (21a) with the end region (11a) of the superconductive magnet coil (11) can have a multiplicity of superconductive wires (41a) and the cross-sectional area of each superconductor (41a) is large or can have a multiplicity of superconductors connected in parallel with one another, so that the effective cross-sectional area of the superconductor (21a) is increased in the end region (11a). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Anordnung mit einer supraleitenden Magnetspule, die eine um einen Spulenkörper gewickelte dünne Spule aufweist; insbesondere betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Unterdrückung von lokalen Anstiegen des Magnetfeldes im Endbereich der supraleitenden Magnetspule.The invention relates to a superconducting arrangement with a superconducting magnet coil, which is one wound around a bobbin has thin coil; in particular, the invention relates to an arrangement for suppressing local increases of the magnetic field in the end area of the superconducting magnet coil.

Die Figuren 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 zylindrischenFIGS. 1 and 2 show a conventional arrangement of this type. As can be seen from FIGS. 1 and 2, it is a superconducting one Solenoid 1 wound in the shape of a cylinder by putting a superconducting wire 4 around a cylindrical

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.Bobbin 5 winds. The superconducting wire 4 has a superconductor 2, which is in a stabilizing material 3 is embedded. The superconductor 2 has a rectangular cross section with a thickness that is substantially is 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 Querschnittsfläche 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 which is small compared to its diameter is used in a particle collision device used for the investigation of elementary particles, in which elementary particles have a higher kinetic Energy can be used. Such a device is in the reference "CONSTRUCTION AND TEST OF THE CELLO THIN-WALL SOLENOID ", 1980, Adv. Cryog. Eng. 25, Pages 175-184. The coil is designed as thin as possible to make it more transparent for elementary particles close. The materials used to manufacture the device are essentially based on Aluminum and carbon, with the exception of the superconductor 2, taking into account better transparency or permeability to the particles. Of course, a high current density is used to achieve the Not to make the cross-sectional area of the superconductor 2 unnecessarily large. During 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 stabilization 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 somitThe current flows through the stabilization material 3 when the superconducting state is destroyed and the Current takes a bypass path to aid in a return to superconducting state, as described in the reference "Institute of the Electrical Engineering Collegiate Lectures; Superconducting Engineering", 1974, Japanese IEEE, pages 60-65. Since so

der Supraleiter 2 eine sehr kleine Querschnittsfläche im Vergleich zum Durchmesser der Spule 1 besitzt, wird ein sehr starkes Magnetfeld an den Endbereichen der supraleitenden Magnetspule 1 erzeugt. Dies ist eine Art eines Endeffektes, und ein ähnlicher Effekt ist erläutert in der Literaturstelle "Electromagnetic Phenomenon Theory", S. Maruyama, Maruzen Press, 1944, Seite 184. Die elektrische Feldstärke σ im Endbereich einer unendlichen Halbebene läßt sich ausdrücken durch die Beziehung ~^ε%ν^ν=0 ' ^was ^^{em Aus}äruck ~ ~2~ T=" entspricht.If the superconductor 2 has a very small cross-sectional area compared to the diameter of the coil 1, a very strong magnetic field 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 reference "Electromagnetic Phenomenon Theory", S. Maruyama, Maruzen Press, 1944, page 184. The electric field strength σ in the end region of an infinite half-plane can be expressed by the relation ~ ^ε % ν ^ ν = 0 ' ^{which corresponds to} ^ ^{em from} expression ~ ~ 2 ~ T = " .

Wenn daher x=0 ist, ergibt sich σ = - » .Therefore, if x = 0, then 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.When the thickness is infinitely small, the magnetic field becomes infinitely large in the end region of the superconducting magnet coil 1. While the value of this magnetic field in general has an upper limit due to the limited thickness of the coil, it still reaches a value more substantial 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 unmöglieh 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 device having such a structure, there is an increase in the magnetic field inevitable in the end portions of the superconducting magnet coil, which sometimes makes the superconductivity impossible because the upper limit of the current depends on the strength of the applied magnetic field. Even if there is sufficient stabilization with regard to maintaining the superconducting effect it is so that once a partial destruction or abolition of the superconductivity occurs, the Destruction spreads in the form of a chain reaction. Thus, they are for a large, high-energy inspection device reliable countermeasures required.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Vermeidung der Nachteile von herkömmlichen Anordnungen eine supraleitende Anordnung anzugeben, bei der eine Zunahme des Mag-The object of the invention is therefore to avoid the Disadvantages of conventional arrangements specify a superconducting arrangement in which an increase in the magnet

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netfeldes verhindert und die Supraleitfähigkeit in sehr zuverlässiger Weise aufrechterhalten wird.Netfeldes prevented and the superconductivity is maintained in a very reliable manner.

Gemäß der Erfindung wird daher eine supraleitende Anordnung mit einer supraleitenden Magnetspule aus einem um einen Spulenkörper gewickelten supraleitenden Draht angegeben, wobei der supraleitende Draht einen Supraleiter mit rechteckigem Querschnitt geringer Breite aufweist und wobei der Supraleiter im Endbereich der supraleitenden Magnetspule eine größere Querschnittsfläche aufweist als im mittleren Bereich.According to the invention, therefore, a superconducting arrangement with a superconducting magnet coil from one um Specified a bobbin wound superconducting wire, wherein the superconducting wire is a superconductor with a rectangular cross-section of small width and wherein the superconductor in the end region of the superconducting Magnet coil has a larger cross-sectional area than in the central area.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird das zugrunde liegende Problem in zufriedenstellender Weise gelöst. Insbesondere wird mit der erfindungsgemäßen Anordnung erreicht, daß die Stromdichte im Endbereich herabgesetzt wird.This is the basis with the arrangement according to the invention problem solved in a satisfactory manner. In particular, the arrangement according to the invention achieves that the current density is reduced in the end area.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt inThe invention is explained below, also with regard to further features and advantages, on the basis of the description of exemplary embodiments and explained in more detail with reference to the accompanying drawings. The drawing shows in

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

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

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht im Schnitt3 is an enlarged side view in section

des Hauptbereiches einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen supraleitenden Anordnung; und inthe main area of a first embodiment of the superconducting according to the invention Arrangement; and in

Fig. 4 vergrößerte Seitenansichten im Schitt vonFIG. 4 enlarged side views in section from FIG

^u weiteren Ausführungsformen der erfindungs ^u further embodiments of the fiction

gemäßen supraleitenden Anordnung.according to superconducting arrangement.

Im folgenden wird auf die Figuren 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 11a und einen Mittelbereich 11b , einen isolierten supraleitenden Draht 41a mit beispielsweise zwei Wicklungen im Endbereich, bestehend aus einem in ein Stabilisierungsmaterial 31 eingebetteten Supraleiter 21a , sowie einen isolierten supraleitenden Draht 41b im mittleren Bereich auf, der aus einem in das Stabilisierungsmaterial 31 eingebetteten Supraleiter 21b besteht. Der Supraleiter 21a im Endbereich ist so aufgebaut, daß seine Querschnittsfläche größer ist als die Querschnittsfläche des Supraleiters 21b im mittleren Bereich, so daß die Stromdichte im supraleitenden Draht 41a im Endbereich reduziert wird.Reference is made below to FIGS. 3 to 5, in which identical reference symbols are identical or corresponding Designate parts. In FIG. 3, a superconducting magnet coil 11 is wound onto a bobbin 5 and has an end region 11a and a central region 11b, an insulated superconducting wire 41a with, for example, two windings in the end area of a superconductor 21a embedded in a stabilizing material 31, as well as an insulated superconducting one Wire 41b in the middle area, which is made of an embedded in the stabilizing material 31 Superconductor 21b is made. The superconductor 21a in the end area is constructed so that its cross-sectional area is larger than the cross-sectional area of the superconductor 21b in the central region, so that the current density in the superconducting wire 41a is reduced in the end area.

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-Savart¹sehen 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.Since the current density decreases in inverse proportion to the increase in cross-sectional area, a sufficient margin is created within the superconductivity limit for a superconductor of the same superconductivity. The fact that the current density is low means that the electromagnetic field experienced by the superconductor is weak as can be seen from the Biot-Savart ¹ law, and this effect produces a significant effect on the superconductivity limit. Thus, the stability of the superconductivity of the coil is easily maintained, and the cross-sectional area of the superconductor in the central portion of the superconducting magnet coil can be sufficiently reduced, so that high stability and economy of the superconducting magnet coil can be obtained. In addition, the superconducting magnet coil can be easily cooled.

Als alternative Maßnahme zur Vergrößerung der Querschnittsfläche des supraleitenden Drahtes 41a ist esAs an alternative measure to increase the cross-sectional area of the superconducting wire 41a is

möglich, supraleitende Drähte 41a aus zwei oder mehr Wicklungen zu verwenden, die gemäß Fig. 4 parallel geschaltet sind, um in wirksamer Weise die Querschnittsfläche des Supraleiters 21a zu erhöhen. Außerdem können, wie in Fig. 5 dargestellt, die supraleitenden Drähte 41a in radialer Richtung aufeinander angeordnet werden, oder aber die Drähte können parallel geschaltet werden, um in wirksamer Weise die Querschnittsfläche des Supraleiter 21a zu vergrößern. Diese alternativen Anordnungen liefern die gleichen Vorteile wie die vorstehend beschriebene Ausführungsform.possible to use superconducting wires 41a composed of two or more windings connected in parallel as shown in FIG to effectively increase the cross-sectional area of the superconductor 21a. In addition, as shown in Fig. 5, the superconducting wires 41a are arranged one on top of the other in the radial direction, or but the wires can be connected in parallel to effectively reduce the cross-sectional area of the superconductor 21a to enlarge. These alternative arrangements provide the same advantages as those described above Embodiment.

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, a superconductor of the superconducting wire is thus obtained with a larger cross-sectional area in the end region of the superconducting magnet coil than in the central area, so that the current density is reduced, with the result that the temperature increase due to the magnetic field is suppressed, resulting in a very stable one Superconductivity leads.

Claims

Expectations

Superconducting arrangement, with a superconducting magnet coil (11) made of a superconducting wire, which is around a Bobbin (5) is wound, wherein the superconducting wire has a rectangular cross-section of small width, characterized in that the superconductor (21a) of the superconducting wire (41a) in the end region (11a) of the superconducting magnet coil (11) has a larger cross-sectional area than in the central area (11b).

2. Superconducting arrangement according to claim 1, characterized in that that the superconducting wire in the end region (11a) of the superconducting magnet coil (11) has a plurality of superconducting wires (41a), and that the cross-sectional area of each superconductor (21a) in the end area (11a) is larger than in the central area (11b).

3. Superconducting arrangement according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the superconductor (21a) in the end region (11a) of the superconducting magnet coil (11) has a plurality of superconductors connected in parallel, so that the effective cross-sectional area of the superconductor (21a) is enlarged in the end region (11a).

4. Superconducting arrangement according to one of claims 1-3, characterized characterized in that the superconductor (21a) in the end region (11a) of the superconducting magnet coil (11) has a plurality of superconductors connected in parallel to one another, and that the parallel superconductors (21a) are wound on each other in the radial direction, so that the effective cross-sectional area of the superconductor (21a) is enlarged in the end region (11a).