Sistema magnético superconductor de alta temperatura.

Sistema magnético superconductor de alta temperatura (HTS), preferentemente para un dispositivo de inserción para generar una radiación de sincrotrón de gran intensidad,

compuesto por el cuerpo de bobinado (6), sobre cuya superficie lateral se encuentran dispuestos polos con bobinados situados entre los mismos, caracterizado porque

- polos intensificadores del campo (21, 22) se encuentran dispuestos coaxialmente sobre el cuerpo de bobinado (6),

- entre los polos (22), al menos un par de cintas conductoras HTS (23) se encuentra enrollado en una dirección sobre el cuerpo de bobinado (6) formando un paquete de bobinado HTS (13), entre el cual se encuentra dispuesto otro polo (21), y

- paquetes de bobinado HTS (13) contiguos o

- secciones están conectados eléctricamente entre sí, de manera que el flujo de corriente se desarrolla respectivamente en direcciones opuestas.

Sistema magnético superconductor de alta temperatura La presente invención hace referencia a un sistema magnético superconductor de alta temperatura (HTS) , preferentemente para un dispositivo de inserción para generar una radiación de sincrotrón de gran intensidad según las características de la primera reivindicación. No obstante, el dispositivo no se limita a esta utilización, sino que también puede ser empleado en otros casos de aplicación adecuados.

En las fuentes de luz de sincrotrón, los así llamados dispositivos de inserción, onduladores y wigglers, se usan para generar radiación muy brillante, la cual se utiliza para muchos experimentos de diversas clases. Estos dispositivos generan un campo magnético que alterna de forma periódica sobre el eje del haz, donde la longitud del período se encuentra definida de forma precisa. Mientras que los electrones atraviesan el campo, a través de esa configuración del campo, éstos son forzados a una trayectoria oscilante, emitiendo así radiación de sincrotrón (figura 1) . En el caso especial de un ondulador, la longitud del período del campo magnético está adaptada a la longitud de onda de la radiación de sincrotrón. Esto conduce a una emisión estimulada que genera luz coherente en un ancho de banda muy estrecho. Debido a la oscilación transversal periódica de las partículas, la emisión espontánea resultante es principalmente coherente y con un ancho de línea espectral estrecho, tal como se describe en "Trends in the Development of insertion devices for a future synchrotron light source", de C. S. Hwang, C. H. Chang, NSRRC, Hsinchu, Taiwan, Proceedings IPAC 2010.

Los onduladores y los wigglers se construyen en base a imanes permanentes y electroimanes. En la solicitud DE 10 2007 010 414 A1 se describe un cuerpo de bobinado para un ondulador electromagnético, donde en este documento no se aborda la forma de fabricación de una disposición de bobinas magnéticas basada en HTS para generar el campo deseado. En ese caso, dos culatas se orientan una con respecto a otra de manera que las mismas se sitúan de forma simétrica con relación al eje del haz de electrones, generando el campo deseado. El uso de imanes permanentes para onduladores y wigglers se remonta incluso a los primeros prototipos. Ante todo en el caso de los electroimanes el flujo magnético es guiado a través de los polos, aplicando corriente a las bobinas contiguas en direcciones opuestas (figura 2) . En comparación con los electroimanes, los onduladores de imanes permanentes constituyen la solución más difundida, pero están limitados en cuanto a su campo máximo.

Por el contrario, los dispositivos de inserción superconductores (SCU) alcanzan campos magnéticos más elevados, permitiendo así un flujo de electrones más elevado y/o energías de fotones más elevadas que los sistemas magnéticos permanentes, lo cual se considera deseable para futuros experimentos. Hasta el momento fueron construidos varios dispositivos de inserción superconductores, pero sus bobinas se realizaban de forma estándar en base a superconductores de baja temperatura (LTS) de niobio -titanio (NbTi) , ("Fabrication of the new superconducting undulator for the ANKA synchrotron light source", de C. Boffo, W. Walter, Babcock Noell GmbH, Würzburg, Alemania, T. Baumbach, S. Casalbuoni, A. Grau, M. Hagelstein, D. Seaz de Jauregui, Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Alemania, Proceedings IPAC 2010) . Para alcanzar un flujo magnético aún más elevado y, con ello, un campo magnético más elevado, se sugiere la utilización de otros superconductores, como Nb3Sn o HTS. Se realizaron ensayos con piezas de prueba o primeros prototipos reducidos, donde éstos se describen en "Insertion device activities for NSLS-II", de T. Tanabe, D.A. Harder, S. Hulbert, G. Rakowsky, J. Skaritka, National Synchrotron Light Source-II, Brookhaven National Laborator y , Upton, New York, USA, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 582 (2007) , páginas 31 -33.

Por lo general, las bobinas se enrollan de modo que se suspenden unas junto a otras desde un conductor continuo, sólo con pocas interrupciones. Las interrupciones se evitan, ya que en éstas con frecuencia se produce calor, lo cual implica cargas térmicas adicionales para el sistema. Esto implica una gran inversión para el proceso de bobinado, puesto que además las bobinas deben ser enrolladas respectivamente en distintas direcciones para generar el campo magnético alterno. En principio, estas bobinas LTS, las cuales son protegidas por lo tanto también en particular hacia el exterior a través de un escudo térmico, deben ser enfriadas a temperaturas criogénicas, alrededor de 4 K, generalmente con crioenfriadores. Éstas forman la así llamada "masa fría", junto con todo lo que posee la temperatura más baja en el criostato. Los crioenfriadores son máquinas frigoríficas con circuito de refrigeración cerrado, a través de las cuales es posible alcanzar temperaturas criogénicas y a través de las cuales es posible evitar un enfriamiento mediante un baño con helio líquido, lo cual simplifica en alto grado la utilización del imán. Los sistemas comerciales poseen una capacidad de refrigeración de hasta 1, 5 W a una temperatura de 4, 5 K. La capacidad de refrigeración depende en gran medida de la temperatura de servicio de la aplicación a ser refrigerada. Cuanto más elevada es la temperatura de servicio, más elevada es entonces la capacidad de refrigeración disponible.

Un problema que hace referencia a la solución para dispositivos de inserción superconductores es el manejo de la entrada de calor generada a través del movimiento ondulatorio del haz de electrones en el caso de temperaturas criogénicas. La cantidad total de calor de un haz de una fuente de sincrotrón de la tercera generación puede ascender a más de 10 W, según "Heat load issues of superconducting undulator operated at TPS storage ring", de J.

C. Jan, C. S. Hwang y P. H. Lin, NSRRC, Hsinchu, Taiwan" Proceedings EPAC 2008" y "Measurements of the beam

heat load in the cold bore superconductive undulator installed at ANKA", de S. Casalbuoni, A. Grau, M. Hagelstein, R. Rossmanith, Centro de Investigación de Karlsruhe, Alemania, F. Zimmermann, CERN, Geneva, Switzerland, B. Kostka, E. Mashkina, E. Steffens, Universidad de Erlangen, Alemania, A. Bernhard, D. Wollmann, T. Baumbach; Universidad de Karlsruhe, Alemania, Proceedings PAC 2007.

Actualmente, el sistema de refrigeración del imán que, para funcionar, debe ser mantenido siempre a una temperatura inferior a 4, 2 K, es separado generalmente del sistema de refrigeración del canal de paso del haz para minimizar la cantidad de crioenfriadores. Esta solución posibilita mantener el canal de paso del haz a una temperatura más elevada en comparación con el imán, de manera que los crioenfriadores disponen aún de capacidad de refrigeración suficiente para compensar la entrada de calor del haz. Si bien se ha comprobado que ésta es una solución factible, las dificultades técnicas y la seguridad del sistema magnético podrían mejorarse mucho si el imán pudiera operarse a la misma temperatura que el canal de paso del haz.

Por tanto, es objeto de la presente invención desarrollar un sistema magnético para un dispositivo de inserción, en el cual no sea necesario un bobinado costoso y pueda prescindirse de una refrigeración costosa, donde no se presenten problemas de seguridad debido a la ausencia de una refrigeración.

Este objeto se alcanzará a través de un sistema magnético superconductor de alta temperatura (HTS) para un dispositivo de inserción según las características de la primera reivindicación.

En las reivindicaciones dependientes se indican diseños ventajosos de la invención.

La solución acorde a la invención prevé un cuerpo de bobinado que puede estar diseñado en forma cilíndrica, rectangular, cuadrangular, como bloque, compuesto por placas, o que puede estar realizado de otras formas. Sobre la superficie lateral del cuerpo de bobinado se encuentran dispuestos polos con bobinados situados entre los mismos, donde los bobinados representan una cinta conductora HTS.

El problema antes mencionado se soluciona en principio reemplazando el cable superconductor de baja temperatura (LTS) , tal como se utiliza en el sistema magnético estándar para los dispositivos de inserción superconductores, por una cinta conductora HTS. La cinta conductora HTS ya es superconductora a la temperatura del nitrógeno líquido (77 K) y en el caso de un funcionamiento a temperaturas más bajas los parámetros de potencia del conductor pueden incrementarse de forma significativa.

Sin embargo, debido a su geometría y a otras propiedades mecánicas, el conductor no puede enrollarse de... [Seguir leyendo]

1. Sistema magnético superconductor de alta temperatura (HTS) , preferentemente para un dispositivo de inserción para generar una radiación de sincrotrón de gran intensidad, compuesto por el cuerpo de bobinado (6) , sobre cuya 5 superficie lateral se encuentran dispuestos polos con bobinados situados entre los mismos, caracterizado porque -polos intensificadores del campo (21, 22) se encuentran dispuestos coaxialmente sobre el cuerpo de bobinado (6) , -entre los polos (22) , al menos un par de cintas conductoras HTS (23) se encuentra enrollado en una dirección sobre el cuerpo de bobinado (6) formando un paquete de bobinado HTS (13) , entre el cual se encuentra dispuesto otro polo (21) , y -paquetes de bobinado HTS (13) contiguos o -secciones están conectados eléctricamente entre sí, de manera que el flujo de corriente se desarrolla respectivamente en direcciones opuestas.

2. Sistema magnético HTS según la reivindicación 1, caracterizado porque al menos dos pares de cintas conductoras HTS (23) se encuentran conectados unos con otros mediante una pieza de conexión (20, 16) y están 15 enrollados.

3. Sistema magnético HTS según la reivindicación 2, caracterizado porque los pares de cintas conductoras HTS (23) se encuentran enrollados de forma paralela sobre la superficie lateral del cuerpo de bobinado (6) con una cinta aislante (24) que se encuentra dispuesta por debajo.

4. Sistema magnético HTS según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el cuerpo de bobinado (6) 20 presenta una forma cilíndrica.

5. Sistema magnético HTS según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque entre los polos coaxiales (22) se encuentra dispuesta una cavidad para la pieza de conexión (20) .

6. Sistema magnético HTS según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque sobre el cuerpo de bobinado (6) enrollado por completo se encuentra dispuesta una pieza de conexión superior (16) . 25