DE4209518C2 - Magnetspulenaufbau - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetspulenaufbau, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Ein solcher Magnetspulenaufbau, der im folgenden auch kurz als 'supra­ leitender Magnet' bezeichnet wird, erzeugt ein starkes Magnetfeld, wenn ein elektrischer Strom zum Fließen durch die supraleitende Magnetspule gebracht wird.

Dabei stellt sich in der Praxis das Problem, wie in geeigneter Weise ein nachstehend als "Quench" bezeichneter Übergang vom Supraleitungszustand in den Normalzustand verhindert werden kann, wenn eine dynamische Störung wie etwa Vibrationen und eine Änderung oder Schwankung eines äußeren Magnet­ felds auf den supraleitenden Magneten einwirken.

Ein Beispiel für einen konventionellen supraleitenden Magneten ist in dem Abstract zu JP 1-115 107 (A) beschrieben. Dieser bekannte supraleitende Magnet ist darauf ausgelegt, eine Verformung eines Wärmestrahlungsschildes im Zeitpunkt des Zusammenbruchs der Supraleitung zu verhindern, wozu wie bisher allgemein üblich in einem Behälter mit flüssigem Helium ein Leiter so angeordnet wird, daß er eine beschlossene Leiterschleife bildet. Dabei besteht der verwendete Magnetspulenbehälter in seiner Gesamtheit aus einem Material mit niedrigem spezifischen Widerstand. Im einzelnen ist ein solcher supraleitender Magnet herkömmlicher Bauart in Fig. 2 veranschaulicht und sein Aufbau soll nachstehend anhand dieser Darstellung näher beschrieben werden. Im einzelnen sind in Fig. 2 eine supraleitende Magnetspule 1, ein nachstehend kurz als 'Magnetspulenbehälter' bezeichneter Behälter 2 für diese Magnetspule, eine Wärmestrahlungsabschirmung 3 für diesen Behälter, ein wärmedämmender Vakuumbehälter 4 und ein Stützteil 5 vorgesehen. Im Be­ trieb wird die supraleitende Magnetspule 1 wird auf die Temperatur von flüs­ sigem Helium gekühlt und erzeugt in den meisten Fällen ein starkes Magnetfeld, wenn ein Konstantstrom durch diese Ma­ gnetspule fließen kann. Der Magnetspulenbehälter 2 nimmt die supraleitende Magnetspule 1 und ein Kühlmittel (flüssiges Helium) auf und haltert die supraleitende Magnetspule 1 gegen eine elektromagnetische Kraft wie etwa eine Umfangskraft, die in der supraleitenden Magnetspule 1 erzeugt wird. Daher besteht der Magnetspulenbehälter 2 im allgemeinen aus einem hochfesten Werkstoff wie rostfreiem Stahl. Die Strahlungswär­ meabschirmung 3 ist vorgesehen, um zu verhindern, daß die Strahlungswärme den auf der Temperatur von flüssigem Helium befindlichen Teil beeinflußt, und ist im Abstand von dem Magnetspulenbehälter 2 und dem wärmedämmenden Vakuumbehälter 4 angeordnet. Die Strahlungswärmeabschirmung 3 besteht aus einem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit wie etwa Alu­ minium. Der wärmedämmende Vakuumbehälter 4 hält seinen Innenraum auf einem Vakuum, um dadurch die Wärme von außen abzuschirmen. Der Vakuumbehälter 4 besteht beispielsweise aus einem hochfesten Werkstoff wie rostfreiem Stahl oder einem dicken Werkstoff, der der Kraft des Vakuums standhalten kann. Die Stützteile 5 haltern den Magnetspulenbehälter 2 zusammen mit der supraleitenden Magnetspule 1 und der Strahlungswärme­ abschirmung 3 in dem wärmedämmenden Vakuumbehälter 4 in auf­ gehängter Lage. Die Stützteile 5 bestehen aus einem hochwär­ medämmenden Material. Wenn bei diesem mit flüssigem Helium gekühlten supraleitenden Magneten die Temperatur der supra­ leitenden Magnetspule 1 aufgrund der Übertragung von äußerer Wärme ansteigt, wird der Supraleitungszustand zerstört oder gequencht, und der von der supraleitenden Magnetspule gehal­ tene Strom wird sehr rasch abgeschwächt (diese Erscheinung ist als "Quench" bekannt). Wenn ein Quench auftritt, kann das Magnetfeld, das der supraleitende Magnet erzeugen soll, nicht aufrechterhalten werden, und ferner werden durch die Schwä­ chung des Stroms der supraleitenden Magnetspule Wirbelströme in den zugehörigen Umfangsteilen wie etwa der Strahlungswär­ meabschirmung induziert, was zu dem Problem führt, daß diese zugehörigen Teile durch eine elektromagnetische Kraft, die durch diese Wirbelströme erzeugt wird, verformt werden. Bei der Konstruktion der supraleitenden Magnetspule ist es daher äußerst wichtig, einen solchen Eintritt bzw. eine Übertragung von Wärme, die zum Quench führen könnte, zu vermeiden und außerdem die zugehörigen Teile unbeeinflußt und unzerstört zu halten, auch wenn der Quench auftritt.

Die Faktoren des Eintritts oder der Übertragung von Wärme in den supraleitenden Magneten sind in statische und dynamische Faktoren unterteilt. Die statischen Faktoren werden als Wär­ mestrahlung und Wärmeleitung infolge der Temperaturdifferenz zwischen dem supraleitenden Magneten und der Umgebung be­ zeichnet, und sie können unter keinen Einsatzbedingungen des Magneten vermieden werden. Der dynamische Faktor wird als die Erzeugung von Wärme durch Wirbelstrom, der durch Störungen wie eine relative Vibration zwischen der supraleitenden Ma­ gnetspule und dem zugehörigen Teil (beispielsweise der Strah­ lungswärmeabschirmung) und eine Änderung oder Schwankung des externen Magnetfeldes induziert wird, bezeichnet. Wenn der supraleitende Magnet sich in einem stationären Zustand be­ findet, kann der Eintritt von Wärme infolge des obigen dyna­ mischen Faktors vernachlässigt werden.

Die oben genannten statischen Faktoren sind für Niedrigtem­ peraturvorrichtungen üblich und werden bei bekannten Tech­ niken ausreichend berücksichtigt. Die Strahlungswärmeabschir­ mung 3 und der wärmedämmende Vakuumbehälter 4 sind die we­ sentlichen Grundelemente zum Verringern des Eintritts von Wärme infolge der Wärmeleitung und der Wärmestrahlung. Bei den konventionellen supraleitenden Magneten werden zusätzlich zum Einsatz dieser Teile verschiedene Mittel angewandt, um den Wärmeeintritt weiter zu verringern und die mechanische Festigkeit der Teile beim Auftreten von Quench zu gewährlei­ sten. Dazu ist bei dem bekannten supraleitenden Magneten ein Material mit niedrigem spezifischem Widerstand über den gesamten Umfang des Behälters 2 befestigt, um eine Verformung einer Strahlungswärmeabschirmung infolge einer beim Auftreten von Quench erzeugten elektromagnetischen Kraft zu verhindern.

Dabei wird jedoch der Wärmeeintritt aufgrund des dynamischen Faktors nicht ausreichend berücksichtigt. Die einzige Möglichkeit, die bisher als Maßnahme gegen diesen Wärmeeintritt ergriffen wurde, war höchstens der Einbau des supraleitenden Magneten an einer Stelle, die keiner Änderung eines externen Magnetfeldes ausgesetzt ist, und die Änderung der Befestigungslage von Einrichtungen wie etwa einer Kühl­ mittelpumpe, so daß mechanische Vibrationen den supraleiten­ den Magneten nicht beaufschlagen. Mit zunehmender Anwendung von supraleitenden Magneten werden diese jedoch nicht immer in einem stationären Zustand verwendet, in dem der supralei­ tende Magnet keinen dynamischen Störungen unterliegt. Ferner ist zu erwarten, daß der supraleitende Magnet in einem freien Raum verwendet wird, in dem sich eine unerwartete Störung ausbilden kann. In einem solchen Fall müssen Gegenmaßnahmen gegen den vorgenannten dynamischen Faktor ergriffen werden. Die einfachste Gegenmaßnahme, die in Betracht gezogen werden kann, besteht in der Steigerung des Kühlvermögens des supra­ leitenden Magneten; die bei dieser Gegenmaßnahme auftretenden Probleme liegen aber in einer Vergrößerung des Magneten und einem erhöhten Verbrauch von elektrischer Energie. Eine wei­ tere mögliche Gegenmaßnahme ist die Verringerung des Wirbel­ stroms, der der Grund für die Wärmeerzeugung ist, oder die Verringerung des spezifischen Widerstands des Behälters des supraleitenden Magneten, so daß die Wärmeerzeugung auch dann nicht auftritt, wenn ein Wirbelstrom fließt. Bei dem gezeigten supraleitenden Magneten wird die Erzeugung von Wärme durch den in dem Behälter 2 der supralei­ tenden Magnetspule 1 fließenden Wirbelstrom dadurch reduziert werden kann, daß das den Magnetspulenbehälter abdeckende Material mit niedrigem spezifischem Widerstand vorgesehen ist.

Bei dieser Methode ergeben sich jedoch die folgenden Probleme, weil der Widerstand des Ma­ gnetspulenbehälters über seinen Gesamtumfang, der über die supraleitende Magnetspule geht, verringert ist. Da der Wir­ belstrom fließt, wenn die supraleitende Magnetspule erregt wird, wird erstens der Strom, der durch die supraleitende Magnetspule zu fließen trachtet, von dem Wirbelstrom unter­ drückt, wodurch die zur Aktivierung des supraleitenden Ma­ gneten erforderliche Anstiegszeit sowie die erforderliche elektrische Energie erhöht werden. Wenn die Energiezufuhr erhöht wird, um die erhöhte Leistung zu liefern und die Anstiegszeit zu verkürzen, erhöht sich zweitens die Wärme­ erzeugung durch den Wirbelstrom noch mehr, so daß die Gefahr besteht, daß ein Quench auftritt.

Ein Magnetspulenaufbau der eingangs erwähnten Art ist im Abstract zu JP 62-165 901 (A) angesprochen. Dort wird ein Magnetspulenbehälter behan­ delt, der darauf ausgelegt ist, einen Wärmedurchgang durch Wärmestrahlung zu vermindern, ohne den Wärmedurchgang durch Wärmeleitung und die Wärmeerzeu­ gung durch Wirbelströme zu vergrößern. Dazu wird mit zwei Materialien unter­ schiedlich hohen spezifischen Widerstandes gearbeitet, indem der Behälter aus einem thermisch und elektrisch schlecht leitenden Metall hergestellt ist und auf seiner dem den Behälter aufnehmenden Vakuumgefäß gegenüberliegenden Oberfläche mit einem elektrisch gut leitenden Metall überzogen wird. Außer­ dem ist eine Abschirmplatte vorgesehen, die einem Eintritt von Wärme durch Wärmestrahlung entgegenwirkt.

Bei einem im Abstract zu JP 63-187 606 (A) behandelten supralei­ tenden Magneten wird, eine gute Strahlungswärmeabsorption durch Strahlungs­ abschrirmungen zur Verminderung exzessiver Verlustströme angestrebt, indem die aus gut wärmeleitendem Material bestehenden Strahlungsabschirmungen zylinderförmig gestaltet und mit schienenförmigen Isolierabschnitten ver­ sehen werden, die sich in axialer Richtung in Winkelbereichen erstrecken, die sich in ihrer Lage in Umfangsrichtung voneinander unterscheiden.

Bei einem aus dem Abstract zu JP 01-74 708 (A) bekannten supraleiten­ den Magneten soll dem ungünstigen Einfluß von Wirbelströmen, die sich durch fluktuierende äußere Magnetfelder ergeben können, dadurch begegnet werden, daß ein das gleichförmige Magnetfeld bildender axialer Kern seitlich mit einem supraleitenden Material versehen wird, wobei die Bildung einer geschlossenen Schleife vermieden wird.

Der Erfindung liegt die doppelte Aufgabe zugrunde, zum einen eine Auf­ heizung der unmittelbaren Magnetspulenumgebung bis zum Zusammenbruch der Supraleitung unter der Einwirkung von durch äußere mechanische Störungen oder Magnetfelder ausgelösten Wirbelströmen im Magnetspulenhälter zu ver­ hindern und zum anderen einen raschen Aufbau des von der Magnetspule erzeugten Magnetfeldes zu ermöglichen.

Nach dem bisherigen Fachwissen ist eine gleichzeitige Erfüllung dieser beiden Forderungen nicht in optimaler Weise zu erreichen, da sie im Grunde einander entgegengesetzte Eigenschaften des Materials für den Magnetspulen­ behälter voraussetzen.

Zur Aufheizungsverhinderung sollte der spezifische Widerstand des Materials entweder groß genug sein, um ein Fließen von Wirbelströmen auf ein Minimum zu begrenzen, oder klein genug, um eine Wärmeerzeugung selbst beim Fließen starker Wirbelströme klein zu halten.

Für die erste Lösungsmöglichkeit kommen als Material nur Dielektrika in Frage, was aus praktischen Gründen ausscheidet. Das in der Praxis bisher üblichste Material ist Edelstahl, dessen spezifischer Widerstand aber weder groß genug noch klein genug ist, um eine unerwünschte Wärmeentwicklung wirk­ sam zu unterdrücken.

Der naheliegendste Gedanke wäre daher der Versuch, den spezifischen Widerstand des Behältermaterials ausreichend klein zu wählen. Die Herstel­ lung des Magnetspulenbehälters aus einem einheitlichen Material mit niedri­ gem spezifischen Widerstand macht es jedoch unmöglich, einen raschen Aufbau des Magnetfeldes der Magnetspule zu erreichen. Wenn nämlich der spezifische Widerstand im Magnetspulenbehälter niedrig ist, fließen darin Wirbelströme erheblicher Größe, die eine rasche Erregung der Magnetspule behindern oder gar unterdrücken. Zur Erzielung eines raschen Magnetfeldaufbaus wurde daher bisher die Verwendung eines Materials von hohem spezifischen Widerstand für notwendig gehalten.

Zur Lösung der oben gestellten Doppelaufgabe wird gemäß der Erfindung ein Magnetspulenaufbau vorgesehen, wie er im Patentanspruch 1 angegeben ist; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Während alle bisher gebauten Magnetspulenbehälter einen mehr oder weni­ ger zufriedenstellenden Kompromiß zwischen zwei einander zuwiderlaufenden Forderungen hinsichtlich der Materialauswahl für den Magnetspulenbehälter darstellen, wird mit der Erfindung erstmalig ein neuartiger Weg beschritten, indem innerhalb des Magnetspulenbehälters eine Art von Substruktur aufgebaut wird. Diesem Weg liegt die Erkenntnis der Anmelderin zugrunde, daß es für einen raschen Aufbau des Magnetfeldes genügt, in dem Magnetspulenbehälter einen lokal begrenzten Bereich aus einem Material von hohem spezifischen Widerstand vorzusehen, der die Magnetspule in einer geschlossenen Schleife umgibt, wie dies in der in der Anlage beigefügten Fig. A dargestellt ist. Darüber hinaus haben die Erfinder erkannt, daß es ausreicht, Material mit hohem spezifischen Widerstand an den Stellen anzuordnen, wo die Größe etwa erzeugter Wirbelströme minimal ist. So genügt es beispielsweise Material von hohem spezifischen Widerstand im Abstützbereich für den Magnetspulenbehälter zu wählen, wo dessen Auslenkung unter der Einwirkung äußerer Kräfte am kleinsten wird. In analoger Weise reicht die Anordnung von Material mit hohem spezifischen Widerstand an den Stellen des Magnetspulenbehälters aus, wo Magnetflußänderungen durch äußere Magnetfelder minimal sind. Im jeweils übrigen Bereich des Magnetspulenbehälters kann als Material dafür ein solches mit niedrigem spezifischen Widerstand gewählt werden, womit die Wärmeentwicklung auch bei Fließen größerer Wirbelströme beherrschbar wird.

In Ausführung der Erfindung wird wenigstens ein Teilbereich des Behäl­ ters für die supraleitende Magnetspule aus einem Material mit einem spezi­ fischem Widerstand hergestellt, der höher ist als der spezifische Widerstand des restlichen Behälters.

Dabei ist der Magnetspulenbehälter so aufgebaut, daß eine Zeitkonstante des Wirbelstroms, der in dem Magnetspulen­ behälter fließt, länger als eine Zeitkonstante einer magne­ tischen Änderung oder einer mechanischen Vibration ist, die von außen auf die Magnetspulenkonstruktion einwirkt.

Dabei hat der Magnetspulenbehälter eine geschlossene Ring­ konstruktion, die aus einem Material mit niedrigem spezifi­ schem Widerstand besteht, der niedriger als derjenige von anderen zugehörigen Teilen ist, und einen geschlossenen Ring in Umfangsrichtung des Magnetspulenbehälters bildet, wobei wenigstens ein Teil der geschlossenen Ringkonstruktion aus einem Material mit hohem spezifischem Widerstand besteht, der höher als derjenige des obigen Materials mit niedrigem spe­ zifischem Widerstand ist.

Gemäß einem bevorzugen Ausführungsbeispiel ist der Teil mit hohem spezifischem Widerstand bzw. der aus dem Material mit hohem spezifischem Widerstand bestehende Teil an einer Posi­ tion vorgesehen, an der eine externe Magnetfeldänderung oder eine relative Vibration zwischen dem Magnetspulenbehälter und weiteren Teilen, in denen ein Wirbelstrom fließt, klein ist.

Ferner ist eine geschlossene Ringkonstruktion, die aus einem Material mit niedrigerem spezifischem Widerstand als der Ma­ gnetspulenbehälter besteht und in Umfangsrichtung dieses Ma­ gnetspulenbehälters einen geschlossenen Ring bildet, zwischen der supraleitenden Magnetspule und einer Strahlungswärmeab­ schirmung vorgesehen, und wenigstens ein Teil der geschlos­ senen Ringkonstruktion besteht aus einem Material, dessen spezifischer Widerstand höher als der des Materials mit niedrigem spezifischem Widerstand ist.

Als nächstes sollen Funktion und Betriebsweise der supraleitenden Magnetkonstruktion gemäß der Erfindung kurz erläutert werden. Während der zum Erregen des supraleitenden Magneten erforder­ lichen Anstiegszeit wird in dem Magnetspulenbehälter in des­ sen Umfangsrichtung ein Wirbelstrom erzeugt. Wenn daher der spezifische Widerstand über den Gesamtumfang erhöht wird, kann der Wirbelstrom unterdrückt werden. Dadurch wird die nachteilige Auswirkung der Unterdrückung des in der supra­ leitenden Magnetspule fließenden Stroms verringert, und somit kann der Anstieg des Stroms beschleunigt werden. Da der Wir­ belstrom unterdrückt werden kann, kann ferner die Wärmeerzeu­ gung verringert werden, um einen Quench zu unterdrücken. Der spezifische Widerstand über den Gesamtumfang kann erhöht wer­ den, indem an einem Teil des Magnetspulenbehälters ein Ab­ schnitt mit hohem spezifischem Widerstand vorgesehen wird. Wenn in diesem Fall der Magnetspulenbehälter Ringform hat, unterbricht der Teil mit hohem spezifischem Widerstand den Wirbelstrom, der entlang einem geschlossenen Ring in Um­ fangsrichtung des Magnetspulenbehälters fließen sollte, sehr wirksam und verringert außerdem sehr wirksam die Wärmeerzeu­ gung. Wenn aber andererseits das von der supraleitenden Ma­ gnetspule erzeugte Magnetfeld an einem Bereich des Magnet­ spulenbehälters durch eine Störung wie etwa eine Vibration geändert wird, nachdem die supraleitende Magnetspule erregt wurde, wird der Wirbelstrom in dem Magnetspulenbehälter lokal erzeugt. Wenn in diesem Fall der spezifische Widerstand dieses lokalen Bereichs so verringert wird, daß der Wirbel­ strom darin in gewissem Umfang fließen kann, kann die Wär­ meerzeugung auf einem niedrigen Wert gehalten werden. Daher ist der Magnetspulenbehälter so ausgelegt, daß er eine ge­ schlossene Ringkonstruktion hat, die aus einem Material besteht, dessen spezifischer Widerstand niedriger als der­ jenige der übrigen Bauteile (zugehörigen Teile) ist, und die in Umfangsrichtung des Magnetspulenbehälters einen geschlos­ senen Ring bildet, und daß wenigstens ein Teil dieser ge­ schlossenen Ringkonstruktion von einem Material mit hohem spezifischem Widerstand gebildet ist, der höher als derjenige des Materials mit niedrigem spezifischem Widerstand ist. Mit dieser Anordnung kann die vorgenannte Aufgabe der Erfindung gelöst werden. Beim Auftreten von Vibrationen wird die Wär­ meerzeugung in dem Teil mit hohem spezifischem Widerstand relativ groß, und wenn dieser Teil daher so gehalten ist, daß die Vibration des Teils mit hohem spezifischem Widerstand unterdrückt wird, kann die Gesamtwärmeerzeugung unterdrückt werden.

Der Betrieb wird nun im einzelnen erläutert. Dabei soll zu­ erst beschrieben werden, wie die Erzeugung von Wärme in dem Magnetspulenbehälter durch den Wirbelstrom verringert wird. Am einfachsten wird der Wirbelstrom in dem Magnetspulenbe­ hälter durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:

LdI(t)/dt + RI(t) + dψ(t)/dt = 0 ... (1)

wobei L = die Selbstinduktivität des Magnetspulenbehälters, R = ein Widerstandswert des Magnetspulenbehälters, I = ein Wert des Wirbelstroms in dem Magnetspulenbehälter und ψ = ein Magnetfluß, der den Magnetspulenbehälter aufgrund einer äußeren Störung kreuzt. Die Gleichung (1) zeigt, daß der Wirbelstrom durch eine Änderung des Magnetflusses (der den Magnetspulenbehälter kreuzt) über die Zeit induziert wird. Die folgende Gleichung (2) wird durch Laplace-Transformation der Gleichung (1) erhalten:

I(s) = sψ(s)/{L(s + 1/τ} ... (2)

wobei τ = L/R.

Das Verhalten des Wirbelstroms in dem Behälter der supralei­ tenden Magnetspule kann durch Betrachtung eines Bode-Dia­ gramms der Gleichung (2) verstanden werden. Dieses Bode- Diagramm ist in Fig. 3 gezeigt. In Fig. 3 bezeichnen die Kurven 6, 7 und 8 drei Fälle, in denen die Widerstandswerte R1 und R2 und R3 voneinander verschieden sind (R1 < R2 < R3).

Jede dieser Kurven 6, 7 und 8 bezeichnet das Verhältnis des Wirbelstroms I zu dem Betrag der Änderung des Magnetflusses ψ aufgrund der Störung in bezug auf die Frequenz f der Störung (die auf der Abszisse aufgetragen ist). In diesen drei Fällen ist die Selbstinduktivität L konstant, und daher ergibt sich in bezug auf ihre Wirbelstrom-Zeitkonstanten τ1 (= L/R1), τ2 (= L/R2) und τ3 (= L/R3) die Beziehung (τ1 < τ2 < τ3). Aus Fig. 3 sieht man, daß der Wirbelstrom mit zunehmender Frequenz der Störung ansteigt, aber wenn diese Frequenz die durch die Wir­ belstrom-Zeitkonstante bestimmte Frequenz 1/2πτ übersteigt, wird der Wirbelstrom auf einem Konstantwert gehalten. Je niedriger der Widerstand, umso niedriger die Frequenz, bei der der Wirbelstrom konstant wird. Die Erzeugung von Wärme W durch diesen Wirbelstrom ist durch die folgende Gleichung (3) wiedergegeben:

W(s) = RI²(s) = (R/L²){s²ψ²(s)/(s + 1/τ)²} ... (3)

Die Frequenzverläufe der Wärmeerzeugung durch den Wirbelstrom (dargestellt durch die Gleichung (3)) sind in Fig. 4 gezeigt. Dabei entspricht die Abszisse derjenigen von Fig. 3, und auf der Ordinate ist das Verhältnis der Joule-Aufheizung W zum Quadrat ψ² des Magnetflusses aufgrund der Störung aufgetra­ gen. 6', 7' und 8' entsprechen in ihrem Widerstandswert 6, 7 und 8 von Fig. 3. Aus Fig. 4 sieht man, daß die Wärmeerzeu­ gung mit dem Anstieg der Frequenz der Störung zunimmt, wie das mit dem Wirbelstrom nach Fig. 3 der Fall ist, und wenn diese Frequenz die durch die Wirbelstrom-Zeitkonstante be­ stimmte Frequenz 1/2πτ übersteigt, wird die Wärmeerzeugung auf einem dem Widerstandswert proportionalen Konstantwert gehalten. Wenn daher der Widerstand so bestimmt ist, daß die Höchstfrequenz fd der Störung, die auf den supraleitenden Magneten wirkt, größer sein kann (wie bei 9 in Fig. 4) als die durch die Wirbelstrom-Zeitkonstante bestimmte Frequenz, dann ist die Wärmeerzeugung durch den Wirbelstrom umso klei­ ner, je niedriger der Widerstand ist. Wenn die obige Störung eine mechanische Schwingung ist, entspricht die Höchstfre­ quenz der Störung einer Frequenz wie etwa der maximalen Re­ sonanzfrequenz des mechanischen Systems. Wenn die Störung eine Magnetfeldänderung ist, entspricht die Höchstfrequenz der Störung einer Frequenz wie der Frequenz der Stromversor­ gung für eine Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes. In beiden Fällen ist die Höchstfrequenz der Störung ohne wei­ teres durch die Einsatzbedingungen des supraleitenden Magne­ ten bekannt, und daher wird die Wärmeerzeugung durch eine fehlerhafte Bestimmung des Widerstands nicht erhöht.

Bei der Erfindung kann also durch Definieren der Beziehung zwischen der Frequenz der Störung und dem Widerstandswert des Magnetspulenbehälters die Situation erhalten werden, in der zwar der Wirbelstrom fließt, aber die Wärmeerzeugung klein ist. Außerdem verringert der in dem Magnetspulenbehälter fließende Wirbelstrom die Schwankung des Magnetfeldes, mit der die supraleitende Magnetspule beaufschlagt wird, und ist daher wirksam zum Erreichen des Ziels der Vermeidung des Auftretens von Quench. Allerdings können nur mit solchen Maßnahmen die übrigen Probleme des Standes der Technik, also die längere Zeitdauer zum Erregen der supraleitenden Magnet­ spule und der erhöhte Energiebedarf nicht gelöst werden. Bei der Erfindung wird daher das Augenmerk darauf gerichtet, daß der zum Zeitpunkt der Erregung erzeugte Wirbelstrom entlang der Umfangsrichtung der supraleitenden Magnetspule fließt, wogegen der Pfad des Wirbelstromflusses infolge der Störung durch die Art der Störung bestimmt ist und keine Präferenz für die Umfangsrichtung der supraleitenden Magnetspule hat. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache ist der Teil mit hohem spezifischem Widerstand an der Stelle vorgesehen, an der die Wahrscheinlichkeit am geringsten ist, daß der Wirbelstrom aufgrund der Störung fließt, und zwar in solcher Weise, daß der Teil mit hohem spezifischem Widerstand über den Pfad des Stromflusses des Wirbelstroms verläuft, der zum Erregungs­ zeitpunkt erzeugt wird. Bei dieser Anordnung bietet der Teil mit hohem spezifischem Widerstand dem bei der Erregung er­ zeugten Wirbelstrom einen hohen Widerstand, und daher fließt weniger Wirbelstrom, so daß die Verlängerung der Zeitdauer, die zur Erregung benötigt wird, sowie der Anstieg des Energieverbrauchs vermieden werden. Andererseits wird dem Wirbelstrom aufgrund der Störung ein geringer Widerstand entgegengesetzt, und somit wird die Wärmeerzeugung durch das Vorhandensein des Teils mit hohem spezifischem Widerstand nicht zu stark erhöht. Die vorgenannte Stelle bzw. die Stellen, an denen die Wahrscheinlichkeit eines Wirbelstrom­ flusses infolge der Störung am geringsten ist, sind die Stel­ len, die einem geringen Einfluß der äußeren Magnetfeldände­ rung unterliegen, oder die Stellen, an denen eine relative Vibration zwischen dem Magnetspulenbehälter und einem anderen Bauelement (durch das der Wirbelstrom fließt) klein ist. Die­ se Stellen können in geeigneter Weise entsprechend der Kon­ struktion des supraleitenden Magneten und seinen Einsatzbe­ dingungen bezeichnet werden.

Vorstehend wurde der Fall bzw. das Ausführungsbeispiel erläu­ tert, bei dem die Erfindung bei dem Behälter der supraleiten­ den Magnetspule angewandt wird. Bei dem supraleitenden Magne­ ten fließt jedoch der Wirbelstrom in denjenigen Teilen, in denen er ohne weiteres fließen kann. Das heißt also, daß bei dem obigen Beispiel der Wirbelstrom ohne weiteres in dem Magnetspulenbehälter fließen kann. Im allgemeinen ist an der Außenseite des Magnetspulenbehälters die Strahlungswärme­ abschirmung vorgesehen, und diese besteht aus einem Material mit niedrigem spezifischem Widerstand, so daß der Wirbelstrom ohne weiteres in der Strahlungswärmeabschirmung fließen kann. In vielen Fällen wird daher wenigstens entweder am Magnet­ spulenbehälter oder an der Strahlungswärmeabschirmung irgend­ eine Einrichtung vorgesehen. Wenn gemäß dem technischen Kon­ zept der Erfindung eine Stelle oder ein Teil, in dem der Wirbelstrom ohne weiteres fließen kann, zwischen der supra­ leitenden Magnetspule und der Strahlungswärmeabschirmung vorhanden ist, können ähnliche Auswirkungen wie bei dem Magnetspulenbehälter durch das Vorsehen gleichartiger Maß­ nahmen an einem solchen Teil erreicht werden. Dabei wird zwischen der supraleitenden Magnetspule und der Strahlungs­ wärmeabschirmung eine geschlossene Ringkonstruktion, die aus einem Material mit niedrigem spezifischem Widerstand besteht, der niedriger als derjenige des Magnetspulenbehälters ist, vorgesehen zur Bildung eines geschlossenen Rings in Umfangs­ richtung, und wenigstens ein Teil der geschlossenen Ring­ konstruktion besteht aus einem Material mit hohem spezifi­ schem Widerstand, der höher als derjenige des genannten Materials mit niedrigem spezifischem Widerstand ist. Wegen des zusätzlichen Materials wird dieser supraleitende Magnet größer als der die supraleitende Magnetspule und die Strah­ lungswärmeabschirmung aufweisende supraleitende Magnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1A eine Draufsicht auf einen Behälter einer supra­ leitenden Magnetspule gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 1B einen Querschnitt IB-IB nach Fig. 1A;

Fig. 2 eine Perspektivansicht einer durchgeschnittenen Hälfte des Aufbaus eines konventionellen supra­ leitenden Magneten;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Auswirkung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei die Beziehung zwischen dem Frequenzgang einer Störung und dem aus der Störung resultierenden Wirbelstrom gezeigt ist;

Fig. 4 eine Diagramm zur Erläuterung der Auswirkung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei die Beziehung zwischen dem Frequenzgang der Störung und der Erzeugung von Wärme durch den Wirbelstrom gezeigt ist;

Fig. 5A Flußwege des Wirbelstroms in dem bekannten Magnet­ spulenbehälter während der Erregungszeit;

Fig. 5B Flußwege des Wirbelstroms in dem Magnetspulenbe­ hälter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung während der Erregungszeit;

Fig. 6A Flußwege des Wirbelstroms in dem bekannten Magnet­ spulenbehälter bei Beaufschlagung mit einer Vibra­ tionsstörung;

Fig. 6B Flußwege des Wirbelstroms in dem Magnetspulenbe­ hälter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung bei Beaufschlagung mit einer Vibrations­ störung;

Fig. 7A und 7B Schnittansichten VII-VII nach Fig. 1A, die jeweils einen Teil mit niedrigem spezifischem Widerstand bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen;

Fig. 8 eine Perspektivansicht eines Magnetspulenbehälters gemäß einem modifizierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 9 eine Perspektivansicht eines Magnetspulenbehälters gemäß einem weiteren modifizierten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung;

Fig. 10 eine Perspektivansicht, die die Beziehung zwischen einem supraleitenden Magneten gemäß einem Aus­ führungsbeispiel der Erfindung und Magnetspulen zeigt;

Fig. 11 eine schematische Darstellung, die die Verteilung der von den Magnetspulen von Fig. 10 erzeugten Magnetflußdichte zeigt;

Fig. 12 eine Perspektivansicht eines Magnetspulenbehälters des supraleitenden Magneten von Fig. 10;

Fig. 13A eine Perspektivansicht eines Magnetspulenbehälters gemäß einem weiteren modifizierten Ausführungs­ beispiel der Erfindung;

Fig. 13B einen Querschnitt XIIIB-XIIIB nach Fig. 13A; und

Fig. 13C einen Querschnitt XIIIC-XIIIC nach Fig. 13A.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1A und 1B wird nun ein bevor­ zugtes Ausführungsbeispiel beschrieben. Diese Figuren zeigen die Konstruktion eines Magnetspulenbehälters, der dem kon­ ventionellen Magnetspulenbehälter 2 von Fig. 2 entspricht. In den Fig. 1A und 1B bezeichnet 10 einen Teil mit niedrigem spezifischem Widerstand, 11 einen Teil mit hohem spezifischem Widerstand und 12 einen Befestigungsteil für ein Tragelement 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der größte Teil des Magnetspulenbehälters aus dem Material mit niedrigem spezi­ fischem Widerstand gebildet, und zwei Teile des Magnetspu­ lenbehälters bestehen aus dem Material 11 mit hohem spezi­ fischem Widerstand. Diese beiden Teile mit hohem spezifischem Widerstand sind an zwei der Befestigungsteile 12 des Trag­ elements diese umgebend vorgesehen. Unter Bezugnahme auf die Fig. 5B und 5B wird der Fluß des Wirbelstroms in dem so auf­ gebauten Magnetspulenbehälter beschrieben.

Fig. 5B zeigt den Fluß des Wirbelstroms, der erzeugt wird, wenn eine supraleitende Magnetspule erregt wird, gegenüber demjenigen nach dem Stand der Technik in Fig. 5A. Pfeile 13 bezeichnen die Flußrichtung des Wirbelstroms. Wenn beim Stand der Technik der Strom der supraleitenden Magnetspule an­ steigt, fließt der Wirbelstrom 13 in eine Richtung entgegen­ gesetzt zur Flußrichtung des Stroms der supraleitenden Ma­ gnetspule, wie Fig. 5A zeigt, wodurch eine EMK erzeugt wird, die die Tendenz hat, die Erhöhung der Stroms der supraleiten­ den Magnetspule zu verhindern. Andererseits fließt bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5B der Wirbelstrom 13 zirku­ lierend im wesentlichen nur in dem Teil 10 mit niedrigem spe­ zifischem Widerstand und fließt kaum in den Teilen 11 mit hohem spezifischem Widerstand. Infolgedessen ist der Betrag des Wirbelstroms, der wie beim Stand der Technik entgegen­ gesetzt zu der Flußrichtung des Stroms der supraleitenden Magnetspule fließt, klein, und somit ist die EMK, die die Tendenz hat, die Erhöhung des Stroms der supraleitenden Ma­ gnetspule zu verhindern, klein. Die Fig. 6A und 6B zeigen den Fluß des Wirbelstroms beim Auftreten einer relativen Schwin­ gung bzw. Vibration zwischen dem Magnetspulenbehälter und einer Strahlungswärmeabschirmung (nicht gezeigt) oder einem wärmedämmenden Vakuumbehälter (nicht gezeigt). Die Entwick­ lung der relativen Vibration ändert sich auf verschiedene Weise in Abhängigkeit von der Art und Weise des Aufbringens einer äußeren Kraft, einer Stützkonstruktion usw. Das ernst­ haft zu betrachtende Problem, wenn ein großer Wirbelstrom fließt, ist jedoch ein Modus niedriger Ordnung wie eine Steifigkeitsverlagerung und eine Biegung niedriger Ordnung. Die Fig. 6A und 6B zeigen den Wirbelstrom, wenn eine relative Verlagerung in einer Richtung entsprechend dem Pfeil 15 bei Erzeugung des Rotationsmodus starrer Körper (ein typisches Beispiel des Modus niedriger Ordnung) in einer Richtung gemäß dem Pfeil 14 auftritt. Bei dem Stand der Technik gemäß Fig. 6A fließt der Wirbelstrom am stärksten an den Teilen 16, an denen die relative Verlagerung Maximum ist, und fließt am schwächsten an den Teilen 17, wo die relative Verlagerung Minimum ist. Andererseits entsprechen bei dem Ausführungsbei­ spiel von Fig. 6B die Teile 11 mit hohem spezifischen Wider­ stand den Teilen 17 der kleinsten relativen Verlagerung, und daher ist der Fluß des Wirbelstroms der gleiche wie beim Stand der Technik nach Fig. 6A. Im allgemeinen ist die re­ lative Verlagerung im Bereich der Trägerelement-Befestigungs­ teile 12 geringer als an den übrigen Teilen, und durch Vor­ sehen des Teils 11 mit hohem spezifischem Widerstand um den Tragelement-Befestigungsteil 12 herum, wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, kann die Wärmeerzeugung durch den Wir­ belstrom infolge der relativen Verlagerung zwischen den Bau­ elementen des supraleitenden Magneten klein gemacht werden. Wie unter Bezugnahme auf die Fig. 5B und 6B beschrieben wurde, kann bei diesem Ausführungsbeispiel der Wirbelstrom beim Erregen der supraleitenden Magnetspule, also bei der Aktivierung des supraleitenden Magneten, klein gemacht wer­ den, und die Anstiegszeit des Stroms auf einen gewünschten Wert wird nicht beeinflußt, und außerdem kann die Wärmeer­ zeugung durch den Wirbelstrom infolge der dynamischen Störung unterdrückt werden.

Die Art der auf den supraleitenden Magneten von außen wir­ kenden mechanischen Vibration sowie der durch eine solche mechanische Vibration bedingte Schwingungsmodus des supralei­ tenden Magneten sind aufgrund der Konstruktion des supralei­ tenden Magneten und seiner Einsatzbedingungen vorher bekannt. Wenn daher die Teile mit hohem spezifischem Widerstand nur um diejenigen der Mehrzahl von Tragelement-Befestigungsteilen herum vorgesehen sind, an denen die Wahrscheinlichkeit einer Verlagerung am geringsten ist, kann die Wärmeerzeugung am wirksamsten vermindert werden.

Wie vorstehend beschrieben, kann bei diesem Ausführungsbei­ spiel auch dann, wenn der supraleitende Magnet unter Bedin­ gungen verwendet wird, in denen die mechanische Vibration auftritt, die Steigerung der Wärmeerzeugung in dem Teil mit sehr niedriger Temperatur auf einen geringen Pegel unter­ drückt werden. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Magneten gesteigert, und außerdem kann die Kapazität einer Kältema­ schine in vorteilhafter Weise klein sein.

In bezug auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel nach Fig. 1A zeigt jede der Fig. 7A und 7B im Querschnitt den Aufbau des Teils 10 mit niedrigem spezifischem Widerstand entlang der Linie VII-VII von Fig. 1A. In Fig. 7A ist der Teil 10 mit niedrigem spezifischem Widerstand aus einem einzigen Material hergestellt. Bei dieser Konstruktion ergibt sich der Vorteil einer leichten Herstellbarkeit. Als das Material mit niedri­ gem spezifischem Widerstand kann Aluminium, Kupfer oder eine Legierung davon verwendet werden. In Fig. 7B besteht der Teil mit niedrigem spezifischem Widerstand aus einem Verbundmate­ rial. Bei diesem Beispiel von Fig. 7B umfaßt der Teil mit niedrigem spezifischem Widerstand ein Material 18 mit hohem spezifischem Widerstand und ein Material 19 mit niedrigem spezifischem Widerstand, das auf die Außenseite des Materials 18 mit hohem spezifischem Widerstand aufplattiert ist. Norma­ lerweise kann als das Material mit hohem spezifischem Wi­ derstand ein hochsteifes Material wie rostfreier Stahl und Inconel (Wz) verwendet werden. Bei diesem Beispiel kann daher in vorteilhafter Weise das Magnetspulenbehältermaterial ins­ gesamt dickenreduziert werden, und zwar wegen der Verwendung des Verbundmaterials. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß dann, wenn das Material 18 mit hohem spezifischem Widerstand das gleiche wie das Material 11 mit hohem spezifischem Wider­ stand ist, die Herstellung des Magnetspulenbehälters einfach ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 8 wird nun ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel erläutert. Fig. 8 zeigt das Aussehen eines Magnetspulenbehälters, der allgemein dem ersten Ausführungs­ beispiel der Fig. 1A und 1B gleicht, sich jedoch davon in­ sofern unterscheidet, als ein Teil 10 mit niedrigem spezifi­ schem Widerstand nicht gleichförmig ist, sondern fensterarti­ ge Ausschnitte aufweist. Der durch die Störung induzierte Wirbelstrom fließt nicht gleichmäßig wie in Fig. 6B, sondern die Teile, in denen der Wirbelstrom stark ist, und die Teile, in denen der Wirbelstrom schwach ist, sind in dem Teil mit niedrigem spezifischem Widerstand vorhanden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ersetzen Teile 11 mit hohem spezifischem Widerstand diejenigen Teile des oben genannten Teils mit niedrigem spezifischem Widerstand, in denen der Wirbelstrom schwach ist. Daher kann bei diesem Ausführungsbeispiel die Fläche des Teils mit niedrigem spezifischem Widerstand ver­ ringert werden, ohne daß die Auswirkung des ersten Ausfüh­ rungsbeispiels verschlechtert wird, und dadurch wird die Herstellung des Magnetspulenbehälters vereinfacht. Obwohl in Fig. 8 nicht gezeigt, sind eine Leitung für flüssiges Helium und Zuleitungen der supraleitenden Magnetspule in dem Ma­ gnetspulenbehälter angeordnet, und häufig müssen, wie bei diesem Ausführungsbeispiel, die Ausschnitte im Bereich dieser Teile vorgesehen werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 9 wird ein weiteres Ausführungsbei­ spiel beschrieben. Fig. 9 zeigt einen Magnetspulenbehälter, der allgemein dem ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1A und 1B gleicht, aber insofern davon verschieden ist, als die Positionen eines Tragelement-Befestigungsteils 12 und von Teilen 11 mit hohem spezifischem Widerstand gegenüber den Fig. 1A und 1B verschieden sind. Bei manchen supraleitenden Magneten ist ein Tragelement nicht direkt an einem Magnet­ spulenbehälter befestigt, sondern ist daran über ein weiteres Tragelement 20 wie im vorliegenden Fall befestigt. In einem solchen Fall stimmt der Abstützpunkt des Magnetspulenbehäl­ ters nicht immer mit der Position der minimalen Verlagerung überein. In diesem Fall wird es bevorzugt, daß Teile 11 mit hohem spezifischem Widerstand an den Positionen der minimalen Verlagerung vorgesehen sind. Wenn jedoch der Abstützpunkt 12 in einem Symmetriezentrum der Magnetspule wie im vorliegenden Fall angeordnet ist, kann die Position der minimalen Verla­ gerung nicht nur durch die Position des Tragelement-Befe­ stigungsteils 12 bestimmt werden. Auch in einem solchen Fall kann die Art der Verlagerung aufgrund der Konstruktion des supraleitenden Magneten und der Art der Störung beispiels­ weise durch eine Strukturanalyse vorher bekannt sein, und da­ durch ist es möglich, die Positionen der minimalen Verlage­ rung zu bezeichnen und dann die Teile mit hohem spezifischem Widerstand dort vorzusehen. Wie oben beschrieben, kann bei diesem Ausführungsbeispiel auch dann, wenn der Tragelement- Befestigungsteil nicht direkt an dem Magnetspulenbehälter vorgesehen ist, die Erzeugung von Wärme durch den Wirbelstrom infolge der Störung vermindert werden.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 10, 11 und 12 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel erläutert. Fig. 10 zeigt die Umgebung, in der ein supraleitender Magnet in einer Kernfusionsanlage ver­ wendet wird, und dies bildet den Hintergrund des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Dabei bezeichnet 4 einen wärmedämmenden Vakuumbehälter, in dem ein Magnetspulenbehälter (nicht ge­ zeigt) enthalten ist. Magnetspulen 21 sind unabhängig von dem supraleitenden Magneten vorgesehen, und Strom fließt in den Magnetspulen 21 in Richtung eines Pfeils 22. Wenn bei dieser Konstruktion der supraleitende Magnet in Betrieb ist, werden Magnetfeldänderungen der Magnetspulen 21 als eine dynamische äußere Störung auf den supraleitenden Magneten aufgebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel soll die durch den Wirbelstrom im Magnetspulenbehälter aufgrund dieser dynamischen Magnet­ feldänderung bewirkte Wärmeerzeugung verringert werden. Die vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele sind zwar so aufgebaut, daß sie die Störung durch Vibration beseitigen, aber sie können den gleichen Effekt in bezug auf die Ma­ gnetfeldstörung erreichen. Bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind jedoch, um die wirbelstrombedingte Wärmeerzeugung möglichst weitgehend zu verringern, die Teile mit hohem spezifischem Widerstand an denjenigen Abschnitten angeordnet, an denen die relative Verlagerung durch die Vibrationsstörung klein ist. Unter diesem Gesichtspunkt ist es also wirksam, die Teile mit hohem spezifischem Widerstand an den Stellen vorzusehen, an denen die Magnetfeldstörung Minimum ist. Fig. 11 zeigt die Dichteverteilung des von den Magnetspulen 21 nach Fig. 10 zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugten Magnetflusses und ist in einer Ebene A, B, C, D von Fig. 10 gezeichnet. In Fig. 11 sind mit 23 Linien gleicher Dichte des Magnetflusses bezeichnet. In Fig. 11 sind die Magnetspulenströme einander gleich, und eine Magnetflußände­ rung ist auf der zwischen A und B verlaufenden Linie Minimum. In Fig. 12 sind auf der Basis dieser Tatsache die Teile 11 mit hohem spezifischem Widerstand an denjenigen Stellen des Magnetspulenbehälters angeordnet, die auf der zwischen A und B verlaufenden Linie liegen. Der Unterschied zwischen dem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1A und 1B und diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 liegt darin, daß in den Fig. 1A und 1B der Teil mit hohem spezifischem Widerstand um den Tragelement-Befestigungsteil herum vorgesehen ist, wogegen in Fig. 12 ungeachtet von Tragelement-Befestigungsteilen 12 die Teile 11 mit hohem spezifischem Widerstand an den Stellen vorgesehen sind, an denen die Magnetfeldstörung Minimum ist. Die Größe der auf den supraleitenden Magneten wirkenden Stö­ rung sowie der aus dieser Störung resultierende Wirbelstrom, der in dem Magnetspulenbehälter fließt, sind durch die Kon­ struktion des Magneten und die Art der Störung bestimmt, und diese können vorher bestimmt werden, wie Fig. 11 zeigt. Daher kann die Position des Teils mit hohem spezifischem Wider­ stand, die die wirbelstrombedingte Wärmeerzeugung am wirk­ samsten vermindert, ohne weiteres bestimmt werden. Wie vor­ stehend beschrieben, kann bei diesem Ausführungsbeispiel bei dem supraleitenden Magneten, der stark von der Magnetfeldstö­ rung beaufschlagt wird, die Erzeugung von Wärme durch den auf die Störung zurückgehenden Wirbelstrom verringert werden, ohne daß die zum Erregen der supraleitenden Magnetspule benö­ tigte Zeit länger wird und ohne daß die Kapazität der Strom­ versorgung erhöht werden muß.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 13A und 13B wird nun ein wei­ teres Ausführungsbeispiel erläutert. Fig. 13A zeigt einen Ma­ gnetspulenbehälter, der allgemein gleich dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel der Fig. 1A und 1B ist und sich davon nur da­ durch unterscheidet, daß ein Teil 11 mit hohem spezifischem Widerstand eine andere Querschnittsform hat. Um das besser zu verdeutlichen, zeigen die Fig. 13B bzw. 13C den Querschnitt eines Teils 10 mit niedrigem spezifischem Widerstand entlang der Linie XIIIB-XIIIB von Fig. 13A bzw. den Querschnitt eines Teils 11 mit hohem spezifischem Widerstand entlang der Linie XIIIC-XIIIC von Fig. 13A. 24 ist ein Abstandselement, und 25 ist eine Kühlmittelströmungsbahn. Eine supraleitende Magnet­ spule 1 ist an dem Magnetspulenbehälter über die Abstandshal­ ter 24 gehalten und wird von einem Kühlmittel wie flüssigem Helium, das in der Kühlmittelströmungsbahn strömt, auf Niedrigtemperatur gehalten. Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Kühl­ mittelströmungsbahn 25 an dem Teil 11 mit hohem spezifischem Widerstand größer als an dem Teil 10 mit niedrigem spezifi­ schem Widerstand ist. Auch wenn der Wirbelstrom in dem Teil 10 mit niedrigem spezifischem Widerstand fließt, kann die Wärmeerzeugung durch Verminderung des spezifischen Wider­ stands auf einen kleinen Wert vermindert werden. Andererseits erzeugt der Teil 11 mit hohem spezifischem Widerstand eine größere Wärmemenge auch bei kleinem Strom gegenüber dem Teil 10 mit niedrigem spezifischem Widerstand. Infolgedessen wird bei diesem supraleitenden Magneten der größte Teil der wir­ belstrombedingten Wärmeerzeugung in dem Magnetspulenbehälter an den Teilen 11 mit hohem spezifischem Widerstand konzen­ triert. Daher ist das Kühlvermögen des Teils mit hohem spe­ zifischem Widerstand größer als dasjenige des Teils mit niedrigem spezifischem Widerstand gemacht, und dadurch kann die Kühlung mit einer kleineren Durchflußmenge des Kühlmit­ tels mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt werden. Andere Mög­ lichkeiten als die des vorliegenden Ausführungsbeispiels, um das Kühlvermögen des Teils mit hohem spezifischem Widerstand höher als das des Teils mit niedrigem spezifischem Widerstand zu machen, sind beispielsweise die Vergrößerung der Zahl von Kühlmittelströmungsbahnen in dem Teil mit hohem spezifischem Widerstand oder das Vorsehen zusätzlicher Strömungsbahnen für Kühlmittel, um nur die Teile mit hohem spezifischem Wider­ stand zu kühlen.

In der vorstehenden Beschreibung bilden die Teile mit hohem spezifischem Widerstand wie etwa bei 11 in Fig. 9 geschlos­ senen Ring in Umfangsrichtung des Magnetspulenbehälters. Die Teile mit hohem spezifischem Widerstand wie bei 11 in Fig. 8 bilden zwar nicht immer den geschlossenen Ring, aber die Auswirkung der Erfindung kann erzielt werden, wenn der spezifische Widerstand über den Gesamtumfang verringert ist.

Der Teil mit hohem spezifischem Widerstand, an dem der Wider­ stand pro Längeneinheit in Umfangsrichtung hoch ist, kann erhalten werden, indem die Dicke des Materials geändert wird, anstatt ein Material zu verwenden, das von dem Teil mit niedrigem spezifischem Widerstand verschieden ist, wobei der Widerstand je Längeneinheit in Umfangsrichtung niedriger als der Teil mit hohem spezifischem Widerstand ist. Im vorlie­ genden Fall hat der Ausdruck "spezifischer Widerstand" die gleiche Bedeutung wie oben.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen werden die Maßnahmen zwar an der Oberfläche des Magnetspulenbehälters angewandt, aber eine gleichartige Auswirkung kann erzielt werden, indem sie an seiner Innenfläche oder im Inneren angewandt werden.

Schließlich fließt bei dem supraleitenden Magneten der Wir­ belstrom in denjenigen Teilen, in denen er ungehindert flie­ ßen kann. Das heißt also, daß bei den obigen Ausführungsbei­ spielen der Wirbelstrom in dem Magnetspulenbehälter ohne weiteres fließen kann. Im allgemeinen ist die Strahlungswär­ meabschirmung außerhalb des Magnetspulenbehälters angeordnet und besteht aus einem Material mit niedrigem spezifischem Widerstand, und der Wirbelstrom kann in der Strahlungswärme­ abschirmung ohne weiteres fließen. Daher wird in vielen Fällen irgendeine Einrichtung entweder an dem Magnetspulenbe­ hälter oder an der Strahlungswärmeabschirmung vorgesehen. Wenn zwischen der supraleitenden Magnetspule und der Strah­ lungswärmeabschirmung eine Stelle oder ein Teil vorhanden ist, in dem der Wirbelstrom ohne weiteres fließen kann, können gemäß dem technischen Konzept der Erfindung gleich­ artige Auswirkungen wie bei dem Magnetspulenbehälter erzielt werden, indem an diesem Teil gleichartige Maßnahmen vorge­ sehen werden. Dabei wird also zwischen der supraleitenden Magnetspule und der Strahlungswärmeabschirmung eine geschlos­ sene Ringkonstruktion eines Materials mit niedrigem spezifi­ schem Widerstand vorgesehen, so daß der Wirbelstrom ohne wei­ teres fließen kann, und wenigstens ein Teil der geschlossenen Ringkonstruktion besteht aus einem Material mit hohem spe­ zifischem Widerstand, der höher als derjenige des Materials mit niedrigem spezifischem Widerstand ist.

Bei der Erfindung umfaßt der Magnetspulenbehälter, der den supraleitenden Magneten bildet, den Teil mit niedrigem spe­ zifischem Widerstand und die Teile mit hohem spezifischem Widerstand, und der auf die dynamische Störung zurückgehende Wirbelstrom fließt in dem Teil mit niedrigem spezifischem Widerstand, und der Wirbelstrom, der bei der Erregung der supraleitenden Spule erzeugt wird, fließt ausnahmslos durch den Teil mit einem hohen spezifischen Widerstand. Bei dieser Anordnung kann die Erzeugung von Wärme durch den auf der dynamischen Störung beruhenden Wirbelstrom verringert werden, ohne daß dadurch die zur Erregung erforderliche Zeit merklich länger und der Energiebedarf höher wird.

Claims (7)

1. Magnetspulenaufbau mit

• 1. einer ringförmigen supraleitenden Magnetspule,
• 2. einem in Form eines Hohlzylinders ausgebildeten und wenigstens einen Abstützpunkt aufweisenden Magnetspulenbehälter aus elektrisch leitendem Material zum Umschließen der Magnetspule und zu ihrer Kühlung auf eine tiefe Temperatur, welcher die Magnetspule toroidförmig umgibt, und
• 3. einer Tragstruktur zum Abstützen des Magnetspulenbehälters in dem wenigstens einen Abstützpunkt,

wobei der Magnetspulenbehälter wenigstens einen Teilbereich aus Material von niedrigem spezifischen Widerstand und wenigstens einen Teilbereich aus Material von den niedrigen spezifischen Widerstand übersteigendem spezifischen Widerstand aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der wenigstens eine Teilbereich (10) aus Material mit niedrigem spe­ zifischen Widerstand den größeren Teil des Magnetspulenbehälters (2) bildet und
daß zu dem wenigstens einen Teilbereich (11) aus Material von hohem spe­ zifischen Widerstand wenigstens ein einen Teilbereich (10) aus Mate­ rial von niedrigem spezifischen Widerstand unterbrechender Abschnitt in Form eines von der supraleitenden Magnetspule (1) durchsetzten und in sich geschlossenen Ringes gehört.

2. Magnetspulenaufbau nach Anspruch 1 für einen Einsatz im Wirkungsbereich äußerer Kräfte, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einen Teilbereich (11) mit niedrigem spezifischen Widerstand unterbrechende Ring an einer Stelle des Magnetspulenbehälters (2) vorgesehen ist, wo dessen mechanische Auslenkung durch die äußeren Kräfte ein Minimum aufweist.

3. Magnetspulenaufbau nach Anspruch 1 für einen Einsatz im Wirkungsbereich eines äußeren Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einen Teilbereich (11) mit niedrigem spezifischen Widerstand unterbrechende Ring an einer Stelle des Magnetspulenbehälters (2) vorgesehen ist, an der die Änderung des Magnetflusses durch das äußere Magnetfeld ein Minimum aufweist.

4. Magnetspulenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Teilbereich (10) des Magnetspulenbehälters (2) mit niedrigem spezifischen Widerstand aus einer inneren Schicht (18) mit höherem spezifischen Widerstand und einer äußeren Schicht (19) mit niedri­ gerem spezifischen Widerstand zusammengesetzt ist.

5. Magnetspulenaufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht (19) wenigstens eine Aussparung enthält.

6. Magnetspulenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Abstützpunkt (12) des Magnetspulenbehälters (2) in einem Teilbereich (11) mit hohem spezifischen Widerstand liegt.

7. Magnetspulenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Teilbereich (11) des Magnetspulenbehälters (2) mit hohem spezifischen Widerstand auf eine größere Kühlmitteldurchflußmenge pro Zeit- und Flächeneinheit ausgelegt ist.