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Supraleitende Magnetspule Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf supraleitende Magnetspulen, insbesondere auf Einrichtungen zum Schutz einer supraleitenden Magnetspule gegen Ausbrennen und zum Schutze des Gerätes, welches die supraleitende Magnetspule enthält, gegen Explosion, die durch Verdampfen des Spulenkühlmittels mit explosionsartiger Geschwindigkeit hervorgerufen werden kann.
Eine derartige Verdampfung kann durch das plötzliche Freiwerden der im Magnetfeld der supraleitenden Magnetspule gespeicherten Energie bewirkt werden, falls die supra- leitende Magnetspule plötzlich ihre supraleitenden Eigenschaften verliert und normalleitend, d. h. ein elektrischer Widerstand wird.
Die Energie, die im Magnetfeld der supraleiten- den Magnetspule gespeichert ist, ist gegeben durch die Gleichung Wfi = 1/2 - L . Ist, wobei W3 die Energie, L die Induktivität der supraleitenden Magnetspule und IS den Strom bedeuten, der in der supraleitenden Magnetspule fliesst, bevor sie normalleitend wird.
Da eine supraleitende Magnetspule wesensgemäss hohe Induktivität besitzt und einen hohen Strom führt, kann die gespeicherte Energie beträchtlich sein, und es könnte ein Grossteil dieser Energie plötzlich in Form von Wärme frei werden. Daher besteht die Möglichkeit, dass die Magnetspule ausbrennt oder dass das Kühlmittel der Magnetspule mit explosionsärtiger Geschwindigkeit verdampft.
Gegenstand der Erfindung ist eine Magnetspule, bestehend aus einer Anzahl von Windungen aus supraleitfähigem Material, mit Mitteln zur vorzugsweise schrittweisen Vernichtung eines grossen Teiles der beim Übergang der Spule vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand freiwerdenden magnetischen Feldenergie. Die Erfindung besteht darin, dass die Magnetspule mit wenigstens einer kurzgeschlossenen Windung aus elektrisch leitendem, bei der Arbeitstemperatur der Magnetspule nicht supraleitendem Material magnetisch gekoppelt ist und dass die genannte kurzgeschlossene Windung einen kleineren elektrischen Widerstand besitzt als die Magnetspule im normalleitenden Zustand.
Die kurzgeschlossene Windung besitzt bei zweckmässiger Ausbildung die Fähigkeit, einen grossen Teil der magnetischen Feldenergie der Hauptspule als Wärme mit verminderter Geschwindigkeit abzugeben und ,so die Temperaturerhöhung in der Hauptspule und die Geschwindigkeit der Kühlmittel- verdampfung zu erniedrigen.
In einer speziellen Ausführungsform kann der Spulenträger, auf den die supraleitende Magnetspule gewickelt ist, als diese zweite Spule verwendet werden. Der Spulenträger ist so ausgebildet und die Magnetspule ist so gewickelt, dass zwischen der Magnetspule und dem Spulenträger grösstmögliche magnetische Kopplung bewirkt wird. Der Spulenträger ist aus einem Material, beispielsweise aus gut leitendem Kupfer, hergestellt, das bei den in Frage kommenden Temperaturen elektrisch leitend ist, aber nicht supraleitend wird.
Daher wird der Spulenträger einen hohen Widerstand im Vergleich zum Widerstand der supraleitenden Magnetspule besitzen, und der Spulenträger wird den magnetischen Fluss nicht beeinflussen, der durch die Magnetspule erzeugt wird, wenn sie im supraleitenden Zustand betrieben wird. Wenn der Spulenträger supraleitend würde, würde er ein eigenes induziertes Magnetfeld haben, das mit der Zeit nicht verschwinden würde und welches dem Magnetfeld der supralei- tenden Magnetspule entgegengesetzt wäre.
Nur wenn
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die Magnetspule normalleitend wird, ist es erwünscht, dass der Spulenträger elektrischen Strom führt. Daher wird für den Spulenträger ein nicht supraleiten- des Metall verwendet, das eine hohe, aber endliche elektrische Leitfähigkeit bei der Temperatur besitzt, bei der die Magnetspule aufhört, supraleitend zu sein.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die beigegebenen Zeichnungen Bezug genommen. Fig. 1 stellt, teilweise im Schnitt, die Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dar. Fig. 2 zeigt eine Rückansicht des Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in Fig. 1 gezeigt ist.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des nä- herungsweisen Ersatzschaltbildes einer supraleitenden Magnetspule, die erfindungsgemäss mit der schützenden Hilfsspule ausgestattet ist.
Wie man am besten in Fig. 1 sieht, besteht die Magnetspule 12 aus einer Vielzahl von Windungen aus supraleitfähigemMaterial. Diese Windungen liegen auf einem Spulenträger 10, der einen Mittelteil 8 und scheibenförmige Endflanschen 6 besitzt. Ein zylindrischer Teil 14 ist an den Endflanschen 6 befestigt. Der Zylinder 14, der im wesentlichen eine kurzgeschlossene Windung bildet, kann an den scheibenförmigen Endflanschen 6 durch beliebige geeignete Mittel, beispielsweise durch die gezeigte Schraube 16, hinter der supraleitenden Windung 12 auf dem Spulenträger 10 befestigt werden.
Es ist zu bemerken, dass die supraleitende Magnetspule 12 nun innerhalb einer toroidförmigen Anordnung angebracht ist, die dadurch gebildet wird, dass der Zylinder 14 mit dem Spulenträger 10 verbunden wird. Die durch diese Anordnung bedingte Geometrie bewirkt eine grösstmögliche magnetische Kopplung zwischen der Magnetspule 12 und dem einschliessenden, toroid- förmigen Gehäuse.
Der Spulenträger 10 und der Zylinder 14 können aus jedem Material hergestellt werden, das bei Temperaturen, .oberhalb derer die Magnetspule ihre supraleitenden Eigenschaften verliert, hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, aber das nicht selbst supraleitend wird, beispielsweise aus hochleitfähigem Kupfer oder Aluminium. Die supra- leitende Magnetspule 12 ist mit einer Gleichstromquelle 32 verbunden.
Fig. 2 zeigt, wie der Zylinder 14 am End- flansch 6 mittels der genannten Schrauben, beispielsweise mit der genannten Schraube 16, befestigt ist. Im Mittelteil 8 ist eine Öffnung 15 vorgesehen, um den Zugang zum mittleren Teil der Spule zu ermöglichen, wo das Magnetfeld am stärksten ist. Es ist zu bemerken, dass der Mittelteil 8 ebenfalls eine kurzgeschlossene Windung innerhalb der Windungen der Magnetspule bildet.
Fig. 3 stellt ein angenähertes Ersatzschaltbild der Magnetspule und des Spulengehäuses dar, die in Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Der Stromkreis 28 ist eine schematische Darstellung der supraleitenden Magnetspule und der damit verbundenen Gleichstromquelle, beispielsweise der Batterie 32. Der Wi- derstand 18 stellt in zusammengefasster Form den an sich verteilten Widerstand der supraleitenden Windungen der Magnetspule dar.
Die Induktivität 24 ,stellt in zusammengefasster Form die Induktivität der supraleitenden Magnetspule dar. Es ist zu bemerken, dass der Widerstand 18 einen Wert von genau oder nahezu 0 Ohm haben wird, wenn die Magnetspule bis zu der Temperatur abgekühlt wird, bei der sie supraleitend wird. Der Widerstand 18 wird jedoch beträchtlich anwachsen, wenn die Magnetspule aus irgendeinem Grund ihre supraleitenden Eigenschaften verliert. In Fig. 3 stellt il den Strom dar, der auf Grund der angelegten Spannung durch die Magnetspule fliesst. Die konventionelle Stromrichtung vom positiven zum negativen Pol der Batterie wird in dieser Figur benutzt.
Der Ersatzstromkreis 30 stellt in schematischer Form den Stromkreis des toroidförmigen Spulengehäuses dar, welcher in Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Der Widerstand 20 ist der Ersatzwiderstand des toroidförmigen Spu- lengehäuses. Da das Spulengehäuse aus einem Metall besteht, das nicht supraleitend werden kann, ist der Widerstand 20 erheblich grösser als der Widerstand 18 der Magnetspule, wenn die Magnetspule und das zugehörige Spulengehäuse bis zu einer Temperatur gekühlt sind, bei der die Magnetspule supraleitend wird.
Die Induktivität 26 stellt die Induktivität des toroidförmigen Spulengehäuses dar, das in Fig. 1 und 2 abgebildet ist. Die wechselseitige Induktion zwischen der Magnetspule und dem toroidförmigen Spulengehäuse wird durch M dargestellt. Der in dem Spulengehäuse fliessende Strom, der durch eine Änderung des Magnetspulenstromes induziert wird, ist durch i2 dargestellt. Der Strom im Spulengehäuse ist so dargestellt, dass er die gleiche Richtung hat wie der Strom in der supraleitenden Magnetspule.
Wenn ein Teil der im Magnetfeld der Spule gespeicherten Energie wegen einer Vergrösserung des Spulenwiderstandes 18, die dadurch verursacht wird, dass die Magnetspule normalleitend wird, und wegen der damit verbundenen Verkleinerung des Spulenstromes durch Transformatorwirkung auf das Spu- lengehäuse übertragen wird, dann wird die Energie in. Form von Wärme im Widerstand 20 abgegeben. Da aber der Widerstand 20 kleiner ist als der Widerstand: 18 im Falle der Normalleitung, wird die Energie in verminderter Geschwindigkeit durch den zirkulierenden Strom i2 abgegeben.
Dadurch wird die Temperaturerhöhung in der Spule und die Geschwindigkeit der Kühlmittelverdampfung vermindert. Solange sich der Strom i1 in der Magnetspule nicht ändert, wird kein Strom i2 im Spulenghäuse fliessen. Wenn der Strom 11 sich ändert, weil die Magnetspule ihre Supraleitfähigkeit verliert, dann wird der Strom i2 im Spulengehäuse wegen der wechselseitigen Induktion M induziert.
Die Art, in der die Energie von der Magnetspule auf das Spulengehäuse übertragen wird, ist ähnlich der Energieübertragung von der Primär- zur Sekundärwicklung eines Im-
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pulstransformators. Die Magnetspule ist eine Gleichstromanordnung, aber wenn ein plötzlicher Wechsel im Spulenstrom auftritt, wird ein Strom im Spulengehäuse induziert, das analog einer Sekundärwicklung eines Impulstransformators angebracht ist.
Wenn das beschriebene Spulengehäuse nicht vorhanden oder wenn es aus einem Nichtleiter angefertigt ist, muss die Energie, die von der Magnetspule abgegeben wird, wenn der Strom infolge des Überganges in den normalleitenden Zustand abnimmt, allein in Form von Wärme im Widerstand 18 vernichtet werden.
Die Magnetspule gemäss der Erfindung schützt sich also selbst gegen Ausbrennen und explosive Verdampfung des Kühlmittels für den Fall, dass sie in den normalleitenden Zustand übergeht.
Die oben beschriebene Vorrichtung zeigt nur ein Ausführungsbeispiel der Magnetspule gemäss der Erfindung. Es können zahlreiche Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann einer der scheibenförmigen Endflansche 6 weggelassen werden, um eine bessere Kühlmittelzufuhr zu der supraleitenden Spule zu gewährleisten. Es können auch im Spulengehäuse Öffnungen zur Zu- und Abführung von Kühlmittel vorgesehen werden. Ferner können im Spulengehäuse selbst, beispielsweise im Mantel 14 oder im Mittelteil 8, Kühlmittelleitungen vorgesehen ,sein.