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Patent Searching and Data


Title:
SUPERCONDUCTING MAGNET ARRAY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/009009
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a magnet array having a superconducting magnet for generating a homogeneous magnetic field. Furthermore, the magnet array is provided with a shielding device (4, 4a, 4b, 4c, 17) made of ferromagnetic material, arranged at at least one section of the superconducting magnet, where the magnetic field is generated when electric current is applied affecting an edge (3b) of the segment, wherein relative to the edge (3b), the shielding device (4, 4a, 4b, 4c, 17) has a convex or concave cross-sectional shape.

Inventors:
KRUEGER PHILIPP (DE)
Application Number:
PCT/EP2013/002026
Publication Date:
January 16, 2014
Filing Date:
July 10, 2013
Export Citation:
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Assignee:
KARLSRUHER INST TECHNOLOGIE (DE)
International Classes:
G01R33/421; G01R33/3815; H01F6/00
Foreign References:
JP2001224571A2001-08-21
EP0151719A21985-08-21
DE4424580A11996-01-25
US5216568A1993-06-01
DE19922652A12001-01-11
DE102008020107B42011-08-25
Other References:
ALAMGIR A K M ET AL: "Experiment of enhancing critical current and reducing ac loss in pancake coil comprised of Ni-coated Bi-2223/Ag tape", PHYSICA C, NORTH-HOLLAND PUBLISHING, AMSTERDAM, NL, vol. 440, no. 1-2, 1 July 2006 (2006-07-01), pages 35 - 39, XP027979507, ISSN: 0921-4534, [retrieved on 20060701]
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Claims:
ANSPRÜCHE

1. Magnetanordnung, die einen supraleitenden Magneten zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Magnetanordnung eine Abschirmvorrichtung (4, 4a, 4b, 4c, 17) aus ferromagneti- schem Material aufweist, die zumindest an einem Abschnitt des supraleitenden Magneten, an dem bei Anlegen eines elektrischen Stromes das Magnetfeld erzeugt wird, das eine Kante (3b) des Abschnitts tangiert, angeordnet ist, wobei die Abschirmvorrichtung (4, 4a, 4b, 4c, 17) eine relativ zur Kante (3b) konvexe und/oder konkave Querschnittsform aufweist.

2. Magnetanordnung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

der supraleitende Magnet einstückig ist oder aus einer Mehrzahl von Abschnitten (3a) aufgebaut ist.

3. Magnetanordnung nach Anspruchs oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Kante (3b) durch die Abschirmvorrichtung (4, 4a, 4b, 4c, 17) zumindest teilweise umfasst wird.

4. Magnetanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Abschirmvorrichtung (4, 4a, 4b, 4c, 17) als Kappe ausgebildet ist, wobei bevorzugt an beiden Enden des Abschnitts jeweils eine Kappe angeordnet ist.

5. Magnetanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Abschirmvorrichtung (4, 4a, 4b, 4c, 17) ringförmig und/oder als längliches Profil ausgebildet ist.

6. Magnetanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass

die Abschirmvorrichtung (4, 4a, 4b, 4c, 17) im Querschnitt U-förmig und/oder gewinkelt ausgebildet ist, wobei ein Winkel zwischen 60° und 120°,. bevorzugt bei 90° liegt.

7. Magnetanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

der supraleitende Magnet ein Stabmagnet ( 5) ist.

8. Magnetanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

der supraleitende Magnet eine rotationssymmetrisch um eine z-Achse angeordnete, supraleitende Spule (2) ist.

9. Magnetanordnung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

die supraleitende Spule (2) aus einer Mehrzahl an miteinander in Reihe geschalteten Abschnitten in Form von Wicklungssätzen (3a, 7, 8, 9) aufgebaut ist.

10. Magnetanordnung nach Anspruch 8 oder 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

wenigstens zwei supraleitende Spulen (10,11) ineinander angeordnet sind, wobei die Abschirmvorrichtung (4, 4a, 4b, 4c, 17) an den Polen der wenigstens zwei supraleitenden Spulen ( 0, 11 ) angeordnet ist.

11. Magnetanordnung nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der supraleitende Magnet zusammen mit der Abschirmvorrichtung (4 - 4c,, 17) dazu ausgebildet ist, in einem Kryostaten angeordnet zu werden.

12. Magnetanordnung nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der supraleitende Magnet aus einem supraleitenden Material hergestellt ist, das vorzugsweise Niob, insbesondere Nb3Sn und/oder NbTi enthält.

Description:
SUPRALEITENDE MAGNETANORDNUNG

Die Erfindung betrifft eine Magnetanordnung, die einen supraleitenden Magneten zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes aufweist.

Magnetanordnungen der vorgenannten Art sind u. a. in der Forschung sowie in der Medizin im Einsatz. Die Kernspinresonanz (NMR) ist bspw. ein Verfahren zur Untersuchung der Eigenschaften einer Probe, wobei die chemische Zusammensetzung einer Probe analysiert wird, wofür im Allgemeinen besonders homogene, statische Magnetfelder von mehreren Tes- la Stärke benötigt werden, um qualitativ hochwertige Messergebnisse zu erhalten.

Hohe Magnetfeldstärken können mit supraleitenden Magnetspulen erzeugt werden, die in der Regel mit flüssigem Helium in einem Kryostat auf eine typische Betriebstemperatur von T < 4,2 K gekühlt werden. Besonders häufig werden dabei solenoidförmige bzw. zylinderförmige Magnetspulen eingesetzt, die ein kreiszylinderförmiges Untersuchungsvolumen umschließen. Die Magnetfeldcharakteristik einer Spule entspricht der eines Stabmagneten, wobei die Magnetfeldlinien im Inneren der Spule nahezu parallel verlaufen. In den stirnseitigen Randbereichen der Spule, in denen die Magnetfeldlinien radial nach außen um das Spulenende wegfließen, kann aufgrund auftretender nicht-paralleler Komponenten des Magnetfelds magnetischer Fluss in diese Spulenbereiche eindringen. Dieser Effekt tritt bei hohen Feldstärken auf, insbesondere wenn die Spulen aus technischen Supraleitern aufgebaut sind, wie z. B. eine Legierung aus Niob und Zinn (Nb 3 Sn) oder Niob und Titan (NbTi), oder insbesondere sogenannte Bandleiter wie BSCCO, YBCO, wobei Y zumindest teilweise durch mindestens ein anderes Seltenerdmetall ersetzt werden kann. Diese Art supraleitender Materialien, wie z. B., zeigen ab einem kritischen Magnetfeld Bc den Effekt, dass ein Teil des magnetischen Flusses in Form sogenannter Flussschläuche in das supraleitende Material eintritt. Dies führt dazu, dass das supraleitende Material an Stromtragfähigkeit verliert, wobei der Verlust mit der Stärke des Magnetfelds korreliert. Eine Verminderung der Stromtragfähigkeit j in den äußeren Bereichen der Spule beeinflusst zugleich von den Polen entfernte Wicklungen und damit den inneren Bereich der Spule. Kann die Spule nicht mehr genügend Strom„tragen", kann die Magnetfeldspule das eigentlich zu erreichende Magnetfeld nicht in der gewünschten Stärke erreichen. Bei magnetischen Hochfeldspulen, die bis zu 24 Tesla im statischen Betrieb errei-

BESTÄTIGUNGSKOPIE chen, kann dies einen Verlust von einigen Tesla Höchstleistung bedeuten. Der Magnet sollte daher an den betreffenden Stellen abgeschirmt werden.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Abschirmvorrichtungen sind als passive und aktive Feldhomogenisierungssysteme bekannt. Die DE 199 22 652 A1 beschreibt ein passives System, wobei ferromagnetisches Material ringförmig innerhalb der Magnetspule angeordnet wird. Das ferromagnetische Material bewirkt eine Abschirmung von innerhalb der Spule auftretenden Streufeldern. Ein aktive Homogenisierung ist aus der DE 10 2008 020 107 B4 bekannt, wobei zusätzliche gegenläufig betriebene Sekundärspulen der Hauptfeldspule zugeschaltet und beide Magnetfelder überlagert werden. Die vorgenannten Systeme beruhen darauf, dass das Homogenisierungssystem und die Magnetfeldspule zusammen ein homogenes Magnetfeld im Inneren der Hauptfeldspule erzeugen. Zwar werden dadurch Störfelder bzw. fertigungsbedingte Feldinhomogenitäten vermindert, jedoch verhindern diese nicht den Effekt der Verringerung der Stromtragfähigkeit j. Lediglich das Feld eines kleinen Bereiches innerhalb des Untersuchungsvolumens wird beeinflusst.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Magnetanordnung mit einem supraleitenden Magneten zu schaffen, wobei ein Eindringen von magnetischem Fluss in Randbereiche eines supraleitenden Magneten vermindert und eine Stabilisierung der Stromtragfähigkeit j des supraleitenden Magneten ermöglicht wird.

Es ergibt sich die weitere Aufgabe, einen einfachen Aufbau und eine kostengünstige Herstellung der Magnetanördnung zu schaffen.

Die vorgenannte Aufgabe wird durch eine Magnetanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens und der Gegenstände sind in den Unteransprüchen ausgeführt.

Die erfindungsgemäße Magnetanordnung umfasst einen supraleitenden Magneten zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes. Die Magnetanordnung weist eine Abschirmvorrichtung aus ferromagnetischem Material auf, die zumindest an einem Abschnitt des supraleitenden Magneten angeordnet ist, an dem bei Anlegen eines elektrischen Stromes das Magnet- feld erzeugt wird, das eine Kante des Abschnitts tangiert. Dabei hat die Abschirmvorrichtung eine besonders bevorzugt relativ zur Kante konvexe Querschnittsform, um so vorteilhaft auf geeignete Weise die entsprechende Kante des Magneten zu umgeben. In einer alternativen Ausführungsform kann die Abschirmvorrichtung auch eine relativ zur Kante konkave Querschnittsform aufweisen.

Innerhalb des genannten Magneten ist das Feld recht homogen, so dass das Magnetfeld eine parallele Komponente Hu endlicher Größe hat. Die senkrechte Komponente H x des Magnetfeldes ist hier näherungsweise Null. Entlang des Verlaufs der Magnetfeldlinien in der Nähe von Kanten derartiger Abschnitte beinhaltet das Magnetfeld eine zunehmende senkrechte Komponente H ± , womit das Magnetfeld an den Randbereichen der Kante diese berührt und bei steigendem Magnetfeld schließlich eindringt. Besonders vorteilhaft ist daher, dass die Abschirmvorrichtung eine im Querschnitt konvexe Form aufweist, weil so der magnetische Fluss durch diese Form abgelenkt wird, indem die Feldlinien nahezu senkrecht auf die Abschirmvorrichtung treffen und durch sie hindurch führbar sind. Dies wird durch eine konkave Querschnittsform auch hinreichend erfüllt, so dass die Abschirmvorrichtung variabel gestaltet werden kann. Sie ist damit in der Lage magnetischen Fluss vom Supraleiter wegzuführen und kann in den genannten Abschnitten, bevorzugt in den Endbereichen des supraleitenden Magneten, eine höhere Stromtragfähigkeit des supraleitenden Magneten sicherstellen, da die Menge an magnetischem Fluss, der in den Supraleiter eindringt minimal wird. Dies kann vorteilhaft rein passiv erfolgen, da die Magnete durch Variation des Magnetfelds aufgrund ihrer Geometrie als auch ihrer eigenen kritischen Stromdichte in den benannten Bereichen zwar inhomogene Magnetfelder erzeugen, diese Probleme jedoch stets im gleichen Maße auftreten. Mit wenig Aufwand und ohne eine weitere externe Steuerung des supraleitenden Magneten bzw. der Abschirmvorrichtung selbst, kann die Homogenität des Magnetfelds deutlich verbessert werden. Indem die Stromtragfähigkeit der kritischen Bereiche des supraleitenden Magneten verbessert wird, ist ein homogeneres Magnetfeld innerhalb des supraleitenden Magneten insgesamt möglich.

Für einen variablen Einsatz der Abschirmvorrichtung sieht die Erfindung vor, dass der supraleitende Magnet einstückig ist oder aus einer Mehrzahl von Abschnitten aufgebaut ist. Die Abschirmvorrichtung kann jeweils oder vereinzelt an die unterschiedliche Abschnitte ange- ordnet sein, je nach Anforderung an die Magnetanordnung selbst. Bevorzugt sieht die Erfindung vor, dass die Kante des zumindest einen Abschnitts durch die Abschirmvorrichtung zumindest teilweise umfasst wird. Dabei kann sie die Kante des Abschnitts des supraleitenden Magneten auch vollumfänglich umfassen. Dazu sieht die Erfindung bevorzugt vor, dass die Abschirmvorrichtung als Kappe ausgebildet sein kann, wobei bevorzugt an beiden Enden des Abschnitts jeweils eine Kappe angeordnet ist. Dazu kann die Abschirmvorrichtung an wenigstens einem der Polbereiche des supraleitenden Magneten angeordnet sein. Damit werden gerade die kritischen Bereiche umfasst, in denen magnetischer Fluss in den supraleitenden Magneten eindringen kann.

In einer Ausführungsform kann die Abschirmvorrichtung ringförmig sein. Sie kann dann einfach auf die Polbereiche eines zylindrischen Magneten aufgesetzt werden. Alternativ kann die Abschirmvorrichtung als längliches Profil ausgebildet sein, wobei sie im Querschnitt U-förmig oder L-förmig ist. Alternativ kann eine abgerundete Querschnittsform, bspw. halbkreisförmig vorgesehen sein. Vorteilhaft ist die Form jeweils so ausgebildet, dass sie die interessierende Kante des Magneten auf die beschriebene Weise so umgibt, dass das Magnetfeld intrinsisch geführt, also besonders effektiv geführt wird. Die Feldlinien treffen dabei nahezu senkrecht auf die Abschirmvorrichtung und können demgemäß optimal von derselben angezogen werden.

Daher kann auch vorgesehen sein, dass die Abschirmvorrichtung im Querschnitt gewinkelt ausgebildet ist, wobei ein bevorzugter Winkel zwischen 60° und 120° liegt. Ein Winkel von 90° ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, womit die Abschirmvorrichtung besonders einfach herstellbar ist. Die genauen Abmessung der Abschirmvorrichtung, d. h. ihre Breite, bestimmt sich nach den Abmessungen des zu umfassenden Abschnitts. In einer Weiterbildung kann der Winkel auch größer als 120° ausgebildet sein.

Besonders bevorzugt sieht die Erfindung vor, dass der supraleitende Magnet eine rotationssymmetrisch um eine z-Achse angeordnete, supraleitende Spule ist, wobei letztere aus Drähten gewickelt oder aus auf einen Träger aufgedampften Leiterbahnen aufgebaut sein kann. Hierbei kann die supraleitende Spule eine radial innen liegende oder außen liegende Spule sein. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die supraleitende Spule aus einer unstrukturierten Zylinderspule aufgebaut sein kann. Alternativ ist es auch möglich strukturierte Zylinderspulen zu verwenden.

Erfindungsgemäß kann die supraleitende Spule aus einer Vielzahl miteinander in Reihe geschalteten Abschnitten in Form von Wicklungssätzen aufgebaut sein, wobei die Abschirmvorrichtung an wenigstens einem der Wicklungssätze angeordnet ist. Die Wicklungssätze können ggf. durch Abstandshalter wenige Millimeter voneinander getrennt sein, so dass auch hier wieder eine Kante vorliegt, an der magnetischer Fluss in den Wicklungssatz eindringen kann. Bevorzugt kann wenigstens eine Abschirmvorrichtung zu beiden Enden bzw. Stirnseiten des Wicklungssatzes angeordnet sein, um eine funktionstüchtige Abschirmung dieser Bereiche zu erreichen. In einer weiteren Ausführungsform können mehrere Wicklungssätze zusammen derart umfasst werden, wobei nicht nur zwei Abschirmvorrichtungen, sondern eine Mehrzahl einer geraden Anzahl von Abschirmvorrichtungen an den Wicklungssätzen angeordnet werden kann. Die Abschirmvorrichtung ist damit variabel für die jeweiligen Anforderungen einsetzbar.

Je nach Anwendung sind mehrere Spulen ineinander setzbar, wobei die Magnetfeldspule einer bevorzugten Ausführungsform aus zwei, zum Zentrum des inneren Volumens spiegelsymmetrisch angeordneten Zylinderspulen besteht. Die Spulen sind hierbei radial ineinander angeordnet. Alternativ können die Spulen übereinander angeordnet sein und gleichsinnig betrieben werden. Hierbei kann die Abschirmvorrichtung die Polbereiche der wenigstens zwei supraleitenden Spulen umfassen, wobei auch eine abschnittsweise Abschirmung vorgesehen sein kann. Stets sollten beide Polbereiche der umfassten Abschnitte mit einer Abschirmung versehen werden, um die Stromtragfähigkeit der Spule optimal zu stabilisieren.

In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der supraleitende Magnet ein Stabmagnet sein kann, wobei die Abschirmvorrichtung vorzugsweise als längliches Profil ausgebildet ist. Sie kann kappenförmig entlang der Polbereiche angeordnet sein und diese teilweise umfassen, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform die Abschirmvorrichtung im Querschnitt U-förmig ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Magnetanordnung kann daher variabel je nach Art des Einsatzes, wie z. B. in der Forschung oder Medizintechnik, mit geeigneten Magnetvarianten zur Verfügung gestellt werden.

Der zu verwendende Ferromagnet kann z. B. aus Eisen bzw. einer Eisenlegierung mit Kobalt oder Nickel bestehen und kann von wenigen μηι bis zu einigen cm dick sein. Je nach Anforderung kann das Material aufgedampft oder als massive Abschirmung aufgesetzt werden. Die erforderliche Menge bzw. Art von ferromagnetischem Material ist abhängig davon, wie hoch das mit dem supraleitenden Magneten erzeugte Magnetfeld ist. Das ferromagnetische Material sollte daher eine Hysteresekurve aufweist, deren Sättigung erst bei hohen Magnetfeldern eintritt und das eine geringe Verlustfunktion hat. Alternativ kann die Abschirmvorrichtung auch aus einem supraleitenden Material bestehen.

Vorteilhafterweise enthält das supraleitende Material des Magneten Niob, insbesondere in der Zusammensetzung NbsSn oder auch NbTi. Alternativ kann ein supraleitender Magnet auch aus einem Hochtemperatursupraleiter gefertigt sein, wie z. B. BSCCO, YBCO, wobei Y zumindest teilweise durch mindestens ein anderes Seltenerdmetall ersetzt werden kann.

Die Abschirmvorrichtung kann mit herkömmlichen Befestigungsmitteln, wie z. B. Schrauben oder Klemmen am Magneten befestigt werden. Auch kann vorgesehen sein, dass sie einfach auf den Magneten aufgesetzt oder aufgesteckt wird. Dies erleichtert vor allem die Nachrüstung vorhandener Magnetsysteme.

Damit ein ordnungsgemäßer Betrieb der Magnetanordnung gegeben ist, ist die supraleitende Spule zusammen mit der Abschirmvorrichtung dazu ausgebildet, in einem Kryostaten angeordnet zu werden. In diesem Fall wird das ferromagnetische Material der Abschirmvorrichtung mitgekühlt. Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Abschirmvorrichtung außerhalb des Kryostaten auf den Magneten befestigt wird, wodurch die raumtemperaturwarme und leicht zugängliche Abschirmvorrichtung bei Bedarf nachjustiert oder ergänzt werden kann.

Eine Weiterbildung der Ausführungsform sieht vor, dass ein supraleitender Schalter zum Kurzschluss des durch den supraleitenden Magneten gebildeten Stromkreises vorgesehen ist. Damit kann die Magnetanordnung im Dauerbetrieb ohne Spannungsquelle (persistent mode) betrieben werden.

Grundsätzlich sind mit der hier dargestellten Erfindung auch bestehende Magnetfeldanord- nungen erweiterbar bzw. nachrüstbar, die sich damit durch einen kompakten Aufbau und eine kostengünstige Herstellung auszeichnen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Abschirmvorrichtung zum Ausgleichen von Feldinhomogenitäten, die durch Fertigungstoleranzen des supraleitenden Magneten entste- , hen, ausgebildet sein. Dazu wird das Feldprofil des supraleitenden Magneten nach dessen Herstellung und Montage vermessen, und hiernach die Abschirmvorrichtung unter Berücksichtigung der Messergebnisse erstellt und montiert. Dadurch kann eine verbesserte Feldhomogenität und zu erreichende Feldstärke durch eine erhöhte Stromtragfähigkeit j im supraleitenden Magneten erreicht werden.

Die Erfindung findet hierbei ihren Einsatz überall dort, wo hohe, besonders homogene Magnetfelder in Gebrauch sind, wie z. B. in der NMR, die für die Biologie, Medizintechnik, Diagnostik, Materialprüfung sowie Werkstoffkunde immer mehr an Bedeutung gewinnt. Alternativ kann die Abschirmvorrichtung im Bereich von Hochfeldmagneten, die in Bereichen jenseits von 30 Tesla arbeiten, eingesetzt werden.

Weitere Ausführungsformen, sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung deutlich und besser verständlich. Unterstützend hierbei ist auch der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung. Gegenstände öder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder sehr ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein.

Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Magnetanordnung mit einer Abschirmvorrichtung;

Fig. 2 eine alternative, zweite Ausführungsform der Abschirmvorrichtung;

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung;

Fig. 5 einen supraleitenden Stabmagneten mit einer weiteren erfindungsgemäßen Abschirmvorrichtung; und

Fig. 6 ein Beispiel einer Funktionsweise der Abschirmvorrichtung. In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung 1 in einem Längsschnitt schematisch dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine supraleitende Spule 2, die eine Vielzahl an Spulenwicklungen 3 aufweist. Supraleitende Magnete können aus einer einzigen durchgehenden Wicklung von Drähten hergestellt sein, so dass sie einstückig ausgebildet sind. Zumeist sind sie jedoch, wie in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt, in Abschnitten 3a in Form von Wicklungsätzen aufgeteilt, die in Reihe geschaltet werden. Je nach Anforderung sind sie der Länge nach untereinander bzw. ineinander angeordnet. Die Enden dieser Abschnitte 3a weisen Kanten 3b auf, wobei insbesondere die freien Kanten von umfließendem Magnetfeld tangiert werden können. Der besseren Übersicht wegen sind in den Figuren die Kanten 3b nur beispielhaft bezeichnet. Im Prinzip ist jede Kante zu beachten, die an einem Abschnitt 3a der Spule 2 existiert.

Die Erfindung kann in unterschiedlichen Ausführungsformen realisiert werden, wobei allen Abschirmvorrichtungen gemein ist, dass sie in Bezug zu der Kante eine im Querschnitt konvexe Form aufweisen.

Ferner ist in Fig. 1 eine erfindungsgemäße Abschirmvorrichtung 4 dargestellt, die einen U- förmigen Querschnitt aufweist, die auf die Spulenenden in einfacher Weise aufsetzbar ist. In der Gesamtanordnung ist sie als ringförmige Kappe ausgebildet, der in seiner zur Stirnseite der supraleitenden Spule 2 hin weisenden Stirnseite eine Nut 5 aufweist. Diese Nut 5 ist hierbei derart dimensioniert, dass eine Stirnseite und damit die Kanten 3b der supraleitenden Spule 2 von der Abschirmvorrichtung 4 vollumfänglich umfasst ist. Die Breite der Nut 5 entspricht damit der Abmessung der Spulenwicklung 3. Die Abschirmvorrichtung 4 ist in dieser Ausführungsform an beiden Polbereichen der Spule 2 angeordnet, so dass Verluste der Stromtragfähigkeit j zu beiden Enden der Spule 2 ausgeglichen werden können, da gerade an den Polbereichen ein stark inhomogenes Magnetfeld auftritt.

Die Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschirmvorrichtung 4, wobei die Abschirmvorrichtung 4 hier als ringförmiges Winkelelement 6 dargestellt ist. Weitere mögliche Ausführungsformen der Abschirmvorrichtung 4 sind neben rechtwinkligen Ringen auch Konstruktionen, die einen spitzen Winkel aufweisen, wobei deren Spitze vorzugsweise in z-Richtung weisen. Ein Winkel liegt dabei zwischen 60° und 120°; die Magnetfeldlinien soll- ten vorzugsweise senkrecht auf die Abschirmvorrichtung treffen, um eine Führung der Feldlinien zu erreichen. Die Abschirmvorrichtung 4 erfüllt den Zweck, wenn sie im Querschnitt zur Kante 3b hin in einer konvexen Form ausgebildet ist.

Neben einer Anordnung der Abschirmvorrichtung 4 an den Polen des supraleitenden Magneten 2 zeigt Fig. 3, wie ein erster Wicklungssatz 7 mit einer ersten Abschirmvorrichtung 4a zu beiden Enden umfasst wird. Ein zweiter Wicklungssatz 8 sowie ein dritter Wicklungssatz 9 sind mit dem ersten Wicklungssatz 7 in Reihe geschaltet, und werden ihrerseits jeweils zu einem freien Ende von einer zweiten Abschirmvorrichtung 4b umfasst. Dies bewirkt eine besonders zuverlässige Abschirmung, da Zwischenbereiche zwischen Wicklungssätzen nicht von magnetischem Fluss durchströmt werden. Wie viele Wicklungssätze zusammen abschirmbar sind, ist beliebig. Es können auch zwei oder mehr Wicklungssätze übereinander zusammen mit einer Abschirmung 4 versehen werden. Wichtig ist die jeweils stirnseitige Anordnung an den Wicklungssätzen bzw. der kompletten Spule 2. Anstatt der im Querschnitt U- förmigen Abschirmvorrichtungen 4a, 4b ist wiederum eine rechtwinklige Ringkonstruktion nach Fig. 2 möglich.

In der Fig. 4 ist eine Magnetanordnung 1a dargestellt, die aus zwei ineinander angeordneten magnetischen Spulen 10,11 aufgebaut ist, wobei eine erste Spule 10 eine äußere Spule und eine zweite Spule 11 die innen liegende Spule bezeichnet. Auf ihre Kanten 3b ist eine Abschirmvorrichtung 4c angeordnet. Die erste Spule 10 ist hierbei länger ausgebildet als die zweite Spule 11 , wodurch sich eine leicht veränderte Geometrie der Abschirmvorrichtung 4c ergibt. Im Querschnitt wiederum U-förmig ausgebildet, weist sie unterschiedlich lange Schenkel 13, 14 auf, wobei ein äußerer Schenkel 13 kürzer ausgebildet ist als ein innerer Schenkel 14. Der äußere Schenkel 13 überlappt mit einem freien Ende der ersten Spule 10 um einen Abschnitt, der einige Windungen betragen kann. Der innere Schenkel 14 überlappt ebenfalls mit einem Ende der ersten Spule 10, wobei der Überlappungsbereich verglichen mit dem von Schenkel 13 jedoch deutlich größer ist. Mit seinem freien Ende schließt der Schenkel 14 an der inneren Spule 1 stirnseitig an der Kante 3b ab. Eine Anziehung der Magnetfeldlinien durch die ferromagnetische Abschirmvorrichtung 4c ist auch in diesem Fall gewährleistet.

In Fig. 5 ist eine alternative Magnetanordnung mit einem supraleitenden Stabmagneten 15 gezeigt, der in experimenteller Anordnung zur Bestimmung der geometrischen Form der Abschirmvorrichtung verwendbar ist. Der Stabmagnet 15 wurde hierbei so angeschlossen, dass die Magnetfeldlinien um eine schmale Seitenfläche herum fließen. Die Seitenfläche wird durch Kanten 18 begrenzt, die in dieser Ausführungsform vom Magnetfeld tangiert werden können. Dementsprechend ist entlang der beiden Längsseiten 16a, 16b eine Abschirmvorrichtung 17 in Form einer Kappe mit U-förmigen Querschnitt aus ferrpmagnetischem Material, wie zum Beispiel Eisen gelegt. Versuche mit dieser Anordnung haben gezeigt, dass die konvexe Geometrie der Abschirmvorrichtung 17 besonders effektiv die Magnetfeldlinien, sprich den magnetischen Fluss des Stabmagneten 15 aufnimmt, wodurch kein magnetischer Fluss mehr in die Ecken eindringt und die Stromtragfähigkeit j des Supraleiters in diesem Bereich herabsetzt.

Die Abschirmvorrichtungen 4 bis 4c, 17 bestehen aus Eisen bzw. einer Eisenlegierung mit Kobalt oder Nickel oder anderen ferromagnetischen Materialien. Das verwendete Material sollte eine große Hysteresekurve und eine geringe Verlustfunktion aufweisen, so dass eine Gleichrichtung der magnetischen Momente, d. h. eine Sättigung des Ferromagneten, erst zu sehr hohen Magnetfeldstärken auftritt. Das Material soll derart beschaffen sein, dass eine möglichst hohe Flussdichte aufgenommen werden kann, bevor die magnetische Sättigung des Ferromagneten eintritt.

Fig. 6 stellt die Funktionsweise der Abschirmvorrichtung am Beispiel der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 dar. Die Spule 2 ist auf einen Wicklungssatz 3a reduziert dargestellt; um lediglich ein freies Ende des Wicklungssatzes 3a ist die Abschirmvorrichtung 4 angeordnet. Das andere Ende bleibt frei. Die Spule 2 ist in ihrem supraleitenden Zustand und von Strom durchflössen, so dass ein Magnetfeld B (gestrichelt dargestellt) erzeugt wird.

Beispielhaft ist gezeigt, wie an einem nicht abgeschirmten Ende das Magnetfeld B bei hohen Feldstärken über der kritischen Feldstärke des supraleitenden Materials verläuft. Die Feldlinien des Magnetfeldes B, die nahe der unteren Kante des Wicklungssatzes 3a verlaufen, tangieren die Kante 3b bzw. dringen in das supraleitende Material selbst ein. Am gegenteiligen Ende zieht die die Abschirmvorrichtung 4 die Feldlinien an und führt sie um das abgeschirmte Ende des Wicklungssatzes 3a herum. Folglich kann kein magnetischer Fluss in diesem Bereich des Supraleiters eindringen. Hierdurch wird eine Herabsetzung der Stromtragfä- higkeit des supraleitenden Materials effektiv vermieden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 , 1a Magnetanordnung

2 Supraleitende Spule

3 Spulenwicklung

3a Abschnitt

3b Kante

4, 4c Abschirmvorrichtung

4a Erste Abschirmvorrichtung

4b Zweite Abschirmvorrichtung

5 Nut

6 Winkelelement

7 erster Wicklungssatz

8 zweiter Wicklungssatz

9 dritter Wicklungssatz

10 erste Spule

11 zweite Spule

13 Äußerer Schenkel

14 Innerer Schenkel

15 Stabmagnet

16a, 16b Längsseiten

17 Abschirmvorrichtung

18 Kante