Jaarboek no. 87. 2008/2009 - Koninklijke Maatschappij voor ...

46 Diligentia
BOX 2
Het principe van het opwekken van hoge magneetvelden is eenvoudig.
Ieder draadelement dl geeft een bijdrage aan het
magneetveld op de as en het totale magneetveld
van een echte spoel bestaat uit de integraal over
vele van deze elementjes (de stroomverdeling).
De ideale stroomverdeling geeft het hoogste
magneetveld binnen de randvoorwaarden. Voor
stationaire velden is de lokale dissipatie dQ( r )
gelijk aan de koeling. Bij watergekoelde spoelen
zal men daarom ruimte moeten maken voor
koelkanalen, waardoor uiteraard de effectieve
stroomdichtheid afneemt.
Tevens moet de stroomverdeling zo zijn dat de
lokale krachten dF ( r ) door het materiaal van de
stroomdrager opgevangen kunnen worden. De
som van alle radiële krachten vertalen zich in een
tangentiële stress die probeert de stroomdraad
naar buiten te duwen. Deze stress is het grootst
bij de grootste stroomdichtheid en bij het hoogste
Veldopwekking
B tot =∫ v dB
dB= μ .j ( r ) . dl x r
0
4π |r 3 |
veld. Men ziet nu alle problemen van het genereren van hoge velden verschijnen. De grootste bijdrage
aan het totaalveld wordt geleverd door stroom het dichtst bij de as, maar daar heersen dan
tevens de grootste krachten, en bovendien is er daar de minste plaats voor koeling. Om het veld te
verhogen is men dus gedwongen meer stroom naar buiten te verleggen, hetgeen minder effectief
is en bovendien meer vermogen kost.
Een typische opbouw van een resistieve
(Bitter) magneet bestaat uit
koperplaten die gescheiden door
isolatieschijven worden opgestapeld,
zodanig dat de gaten in de platen vertikaal
een kanaal vormen en dat onderbrekingen
in de platen een spiraalvormig
pad voor de stroom vormt. De
stroom loopt van boven naar beneden
door de spoel en koelwater wordt
onder druk door de kanalen geperst.
Een echte magneet bestaat vaak uit
meerdere van dit soort stacks. Een
optimaal spoelontwerp kiest dan de
afmetingen van platen en kanalen, de
keuze van materialen en isolatie en
ook de wijze van segmentering, om
met gegeven vermogen het maximale veld te bereiken.
Met een vermogen van 20 MW en puur resistieve spoelen is dat ongeveer 34 T op dit moment.
Velden tot ongeveer 45-50 T zijn mogelijk door om de resistieve spoel een supergeleidende spoel
te maken (hybride magneet).
dF
dl
r
j ( r )
Krachten dF=j ( r ) dl x B
Zeer hoge magneetvelden: hoe en waarom?
Dissipatie dQ ( r )=ρ( r ).j ( r )