GERHARD, Thomas (Via Bastia 6, Höchberg, 97204, DE)
BOFFO, Christian (Felix-Dahn-Strasse 7a, Würzburg, 97072, DE)
GERHARD, Thomas (Via Bastia 6, Höchberg, 97204, DE)
| Patentansprüche Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Magnetsystem, vorzugsweise für eine Insertion Device zur Erzeugung einer hochintensiven Synchrotronstrahlung, bestehend aus dem Wickelkörper (6), auf dessen Mantelfläche Pole mit dazwischen liegenden Wicklungen angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens ein Hochtemperatur-Supraleitband (23) in eine Richtung auf dem Wickelkörper (6) gewickelt ist und benachbarte HTS-Wickelpakete (13) oder -Sektionen elektrisch miteinander so verbunden sind, dass der Stromfluss jeweils gegenläufig erfolgt. HTS-Magnetsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei HTS-Leitbänder (23) mittels einem Verbindungsteil (20, 16) miteinander verbunden und gewickelt sind. HTS-Magnetsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperatur-Supraleitbänder (23) gleichzeitig gewickelt sind. HTS-Magnetsystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die HTS-Leitbänder (23) gleichzeitig mit einem darunter angeordneten Isolierband (24) parallel auf die Mantelfläche des Wickelkörpers (6) gewickelt sind. HTS-Magnetsystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkörper (6) zylinderförmig und die Pole (21 , 22) coaxial angeordnet sind. HTS-Magnetsystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den coaxialen Polen (22) eine Aussparung für das Verbindungsteil (20) angeordnet ist. HTS-Magnetsystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem fertig gewickelten Wickelkörper (6) ein oberes Verbindungsstück (16) angeordnet ist. |
Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)-Magnetsystem, vorzugweise für einen Insertion Device zur Erzeugung einer hochintensiven Synchrotronstrahlung nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Die Vorrichtung ist aber nicht auf diesen Einsatz beschränkt, sondern kann auch für alle anderen geeigneten Anwendungsfälle eingesetzt werden, wie beispielsweise in einem elektromagnetischen Lager.
In Synchrotronlichtquellen werden sogenannte Insertion Devices, Undulatoren und Wiggler, genutzt, um hoch brillante Strahlung zu erzeugen, die für viele verschiedenartige
Experimente verwendet wird. Diese Vorrichtungen erzeugen ein periodisch alternierendes Magnetfeld auf der Strahlachse wobei die Periodenlänge genau definiert ist. Während die Elektronen das Feld passieren, werden sie durch diese Feldkonfiguration auf eine
oszillierende Trajektorie gezwungen und emittieren so Synchrotronstrahlung. Im speziellen Fall eines Undulators ist die Periodenlänge des Magnetfeldes genau auf die Wellenlänge der Synchrotronstrahlung angepasst. Dies führt zu stimulierter Emission, die kohärentes Licht in einer sehr schmalen Bandbreite erzeugt. Aufgrund der periodischen transversalen Oszillation der Teilchen ist die resultierende spontane Emission hauptsächlich kohärent und von schmaler spektraler Linienbreite, wie das in„Trends in the Development of Insertion devices for a future Synchrotron light source", CS. Hwang, C.H. Chang, NSRRC, Hsinchu, Taiwan, Proceedings IPAC 2010 beschrieben ist.
Undulatoren und Wiggler werden aus Permanentmagneten und Elektromagneten gebaut. Ein Wickelkörper für einen elektromagnetischen Undulator ist in DE 10 2007 010 414 A 1 beschrieben. Dabei werden zwei Joche so zueinander ausgerichtet, daß sie symmetrisch zur Strahlachse des Elektronenstrahls liegen und das gewünschte Feld erzeugen. Der Gebrauch von Permanentmagneten für Undulatoren und Wiggler geht noch auf die ersten Prototypen zurück. Vor allem bei Elektromagneten wird der magnetische Fluss durch die Pole gelenkt, indem man die benachbarten Spulen gegenläufig bestromt. Im Vergleich zu
Elektromagneten sind permanentmagnetische Undulatoren die am meisten verbreitete Lösung, aber in ihrem maximalen Feld begrenzt.
Supraleitende Insertion Devices (SCU) erreichen dagegen höhere Magnetfelder und erlauben so einen höheren Elektronenfluss und/oder höhere Photonenenergien, als die permanent-magnetischen Systeme, was für künftige Experimente gewünscht wird. Mehrere supraleitende Insertion Devices wurden bisher gebaut, ihre Spulen werden aber
standardmäßig aus Niedertemperatursupraleitern (LTS) gefertigt. („Fabrication of the new superconducting undulator for the ANKA Synchrotron light source",C. Boffo, W. Walter, Babcock Noell GmbH, Würzburg, Germany, T. Baumbach, S. Casalbuoni, A. Grau, M.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Hagelstein, D. Seaz de Jauregui, Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany, Proceedings IPAC 2010).
Die Spulen werden meist aneinanderhängend aus möglichst einem durchgehenden Leiter mit nur wenigen Unterbrechungen gewickelt. Dies bedeutet einen hohen Aufwand für den Wickelvorgang, da die Spulen dabei jeweils in verschiedene Richtungen gewickelt werden müssen um das wechselnde Magnetfeld zu erzeugen. Grundsätzlich müssen diese LTS Spulen, die deshalb auch besonders nach außen durch Kälteschilde geschützt werden, auf kryogene Temperaturen um 4 K, typischer Weise mit Kryokühlern gekühlt werden. Sie bilden mit allem was, die tiefste Temperatur in dem Kryostaten hat, die sogenannte„kalte Masse". Kryokühler sind Kältemaschinen mit geschlossenem Kühlkreislauf, durch die das erreichen kryogener Temperaturen möglich ist und durch die eine Badkühlung mit flüssigem Helium umgangen werden kann, was die Verwendung des Magneten stark vereinfacht.
Kommerzielle Systeme bringen bis zu 1 ,5 W Kühlleistung bei einer Temperatur von 4,5 K. Die Kühlleistung hängt stark von der Betriebstemperatur der zu kühlenden Anwendung ab. Je höher die Betriebstemperatur, desto höher die verfügbare Kühlleistung.
Ein Problem, das sich auf die Lösung für Supraleitende Insertion Devices bezieht, ist der Umgang mit dem, durch die Wellenbewegung des Elektronenstrahls erzeugten,
Wärmeeintrag bei kryogenen Temperaturen. Die gesamte Wärmemenge eines Strahls einer Synchrotronquelle der dritten Generation kann nach„Heat load issues of superconducting undulator operated at TPS storage ring", J. C. Jan, C. S. Hwang and P. H. Lin, NSRRC, Hsinchu, Taiwan" Proceedings EPAC 2008" und„Measurements of the beam heat load in the cold bore superconductive undulator installed at ANKA", S. Casalbuoni, A. Grau, M. Hagelstein, R. Rossmanith, Forschungszentrum Karlsruhe, Germany, F. Zimmermann, CERN, Geneva, Switzerland, B. Kostka, E. Mashkina, E. Steffens, University of Erlangen, Germany A. Bernhard, D. Wollmann, T. Baumbach, University of Karlsruhe, Germany, Proceedings PAC 2007 über 10 W betragen.
Zur Zeit wird das Kühlsystem des Magneten, der, um zu funktionieren, zu jeder Zeit unter einer Temperatur von 4,2 K gehalten werden muss, typischerweise von dem Kühlsystem des Strahlrohrs getrennt, um die Anzahl der Kryokühler zu minimieren. Diese Lösung ermöglicht es das Strahlrohr im Vergleich zu dem Magneten auf einer höheren Temperatur zu halten, so daß den Kryokühlern noch ausreichend Kühlleistung zur Verfügung steht, um den
Wärmeeintrag des Strahls auszugleichen. Obwohl sich das als machbare Lösung erwiesen hat, könnten die technischen Schwierigkeiten und die Sicherheit des Magnetsystems sehr verbessert werden, wenn man den Magneten bei der gleichen Temperatur wie das Strahlrohr betreiben könnte. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Magnetsystem für ein Insertion Device zu
entwickeln, bei der kein aufwendiges Wickeln nötig ist und eine aufwendige Kühlung entfällt, wobei Sicherheitsprobleme aufgrund fehlender Kühlung nicht entstehen sollen.
Diese Aufgabe wird durch ein Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Magnetsystem für einen Insertion Device nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.
Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfinder wieder.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht einen Wickelkörper vor, der zylindrisch, oval, rechteckig, viereckig, als Block, aus Platten bestehend u. a. m. ausgeführt sein kann. Auf der Mantelfläche des Wickelkörpers sind coaxiale Pole angeordnet, die verschiedene Formen ähnlich des Wickelkörpers aufweisen können. Zwischen den Polen sind Wicklungen angeordnet, wobei die Wicklung ein HTS-Leitband darstellt.
Mehrere übereinander angeordnete HTS-Leitbänder bilden ein Wickelpaket oder mehrere Wickelpakte eine Wickelsektion. Sowohl die Wickelpakete als auch die Wickelsektionen sind durch ein Verbindungsteil miteinander verbunden. Das obengenannte Problem wird grundsätzlich durch das Ersetzen des
Niedertemperatursupraleiterdrahtes (LTS), wie er in Standard-Magnetsystemen für Insertion Devices verwendet wird, durch ein HTS-Leitband gelöst. Das HTS-Leitband wird bereits bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K) supraleitend und bei einem Betrieb bei tieferen Temperaturen können sich die Leistungsparameter des Leiters signifikant erhöhen. Der Leiter ist allerdings durch seine Geometrie und weitere mechanische Eigenschaften nicht beliebig wickelbar.
Bei der gefundenen Lösung sind mehrere, vorzugsweise jeweils zwei HTS-Leitbänder mittels eines Verbindungsteils so miteinander verbunden, dass in den Verbundenen Spulen ein gegenläufiger Stromfluss (Fig.2und .4) entsteht, um die gewünschte Magnetfeldkonfiguration herzustellen.
Vorteilhaft ist es, das HTS-Leitband gleichzeitig mit einem darunter angeordneten Isolierband parallel auf die Mantelfläche des Wickelkörpers zu wickeln. Das Leitband weist vorzugsweise einen rechteckigen oder ähnlichen Querschnitt auf. Die vorgeschlagene Lösung setzt zwei Erkenntnisse voraus: Ein neues Wickelschema um die geforderte Magnetfeldkonfiguration zu erzeugen und die Nutzung von HTS-Leitband für das Magnetsystem, wie Undulatoren, Wiggler und Insertion Devices. Weiterhin ist es vorteilhaft, den Wickelkörper zylinderförmig auszuführen und coaxiale Pole auf der Mantelfläche anzuordnen. Zwischen den ringförmigen Polen ist eine Aussparung für das Verbindungsteil anzuordnen.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, auf dem fertig gewickelten Wickelkörper ein oberes
Verbindungsstück anzuordnen.
Im Folgenden sollen die Erfindung und der Stand der Technik an einem Ausführungsbeispiel und sechs Figuren näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
Grundprinzip eines Undulators mit magnetischem Süd- und Nordpol, mit Elektronen und emittierten Photonen
Funktionsprinzip eines Insertion Device mit Magnetspulen
Schematische Darstellung eines supraleitenden Insertion Devices mit Kryokühler für Stahlrohr und Magnet
Schematische Darstellung der Wickellagen auf dem Joch des Wickelkörpers von Figur 5, rotationssymmetrisch
Ansicht auf einen Wickelkörper und den Anfang einer Wicklung mit zwei Leitern an einem Verbindungsstück
Ansicht auf einen fertig gewickelten Wickelkörper, auf dem die oberen Verbindungsstücke angebracht wurden.
Die Figur 1 zeigt das Grundprinzip eines Undulators mit einem Elektron 1 auf der
Strahlungsachse 2, wobei ober- und unterhalb der Strahlungsachse 2 Nord- und Südpole 4 des Magnetfeldes angeordnet sind. Die Vorrichtung, die als Ausschnitt gezeigt ist, erzeugt ein periodisch alternierendes Magnetfeld auf die Strahlachse 2, wobei die Periodenlänge genau definiert ist. Während die Elektronen 1 das Feld passieren, werden sie durch diese Feldkonfiguration auf eine oszillierende Trajektorie 3 gezwungen und emittieren so
Synchrotronstahlung 5 des Elektrons. Die Figur 2 zeigt den Ausschnitt von zwei Wickelkörpern 6 eines Magnetsystems mit dem Funktionsprinzip eines Insertion Device mit gegenläufig bestromten Magnetspulen 9,1 1 deren magnetischer Fluß 10,12 sich in den Polen 9, 11 verstärkt. Die Wickelkörper 6 mit Magnetspulen (Pole) 9, 1 1 sind gegenüberliegend angeordnet, wobei die Strahlachse 2 zwischen die Wickelkörper 6 mit Polen 9,1 1 hindurchführt. Der durch die Magnetspulen 9.1 1 erzeugte magnetische Fluß 10, 12 erzeugt ein Magnetfeld für das der jeweils größte
Magnetfeldvektor 7 zwischen den Wickelkörpern 6 eingezeichnet wurde.
Die Figur 3 zeigt die schematische Darstellung eines supraleitenden Insertion Device mit dem Kryokühler 8 am Stahlrohr 14, durch das die Strahlachse 2 führt. Kryostat 15, der Undulatormagnet 17 bestehend aus dem oberen und dem unteren Joch sowie die kalte Masse 18 sind der Figur ebenfalls zu entnehmen. Die Nachteile und die Funktionsweise dieser Vorrichtung wurden bereits beschrieben. Die Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung den Teilschnitt A-A des Wickelkörpers 6 der Figur 5 mit Erhöhungen, wobei HTS-Wickelpakete 13 in einzelnen Lagen 23, 24 bestehend aus HTS-Leitband 23 und Isolierfolie 24 übereinander angeordnet sind. Diese Lagen stellen die felderzeugenden Magnetspulen mit unterschiedlicher Bestromung dar, in die die
Richtung 19 des Stromflusses durch die Spulen eingezeichnet wurde. Das Verbindungsstück 16, 20 ist zwischen den Spulen oben und unten angeordnet, so daß ein Stromfluß erfolgen kann.
Figur 5 zeigt den Wickelkörper 6 für die erfindungsgemäße Lösung in Ansicht mit mehreren durchgehenden Polen 22 mit dem Schnittverlauf A-A. Zwischen den durchgehenden Polen 22 ist das Verbindungsstücke 20 am Anfang der Wicklung in einer Aussparung am Pol 21 zu sehen, wobei das Verbindungsstück 20 zwei HTS-Leitbänder 23 zu einem Paar miteinander verbindet, unter dem sich ein Isolationsfolienpaar 24 befindet. Zwischen den jeweiligen Paaren 23, 24 ist ein Pol 21 mit Aussparung angeordnet. Das in Figur 4 gezeigte und beschriebene neue Wickelschema erlaubt es, alle Spulen in dieselbe Richtung zu wickeln, wie das in Figur 5 zu sehen ist.
Die alternierende Magnetfeldstruktur, die für einen Undulator oder Wicklung typisch ist, entsteht durch das richtige Verbinden der Spulen untereinander, um so den Stromfluß so zu steuern, wie das in Figur 4 dargestellt ist, dass ein gegenläufiger Stromfluss hergestellt wird.
Gemäß dem neuen Wickelschema (siehe Fig. 5) wird das blanke HTS Leitband 23 gleichzeitig mit einem Isolationsband 24 parallel auf den Wickelkörper 6 gewickelt. Vor dem Wickeln werden zwei Leitbänder 23 auf ein HTS-Plättchen 20 gelötet, um sie so elektrisch zu verbinden. Das Plättchen wird auf den Wickelkern 6 geklebt, um so während des
Wickelprozesses Spannung aufbauen zu können. Die beiden Leiter 23 werden gleichzeitig parallel zueinander und mit den Isolationsfolien 24 gewickelt. Wenn der Wickelprozeß der zwei Spulen abgeschlossen ist, wird das Leitband fixiert und abgeschnitten, um zwei neue Spulen zu wickeln. Die Polerhöhungen 21 des Wickelkörpers 6 haben Aussparungen dort, wo eines der unteren Verbindungsstücke 20 liegen muß, und durchgehende Polerhöhungen 22, wo die Wickelsegmente 25 miteinander über ein oben aufliegendes Verbindungsstück elektrisch verbunden werden.
Die Figur 6 zeigt, wie die zwei Spulen mit den zwei vorhergehenden verbunden werden, um den elektrischen Fluss wie in Figur 4 gezeigt, zu erzeugen. Diese Vorgehensweise vereinfacht den Wickelprozess sehr und durch die modulare Anordnung können
gegebenenfalls einzelne Spulenpaare ausgetauscht werden. Das Schema kann auf jede mögliche Konfiguration eines HTS-Magnetsystems eines Insertion Devices angewendet werden, und eignet sich daher auch für die Anwendung in sogenannten Freie Elektronen Lasern und anderen auf Teilchenbeschleunigern basierenden Lichtquellen.
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