DE10033411A1 - Aktiv abgeschirmter supraleitender Magnet mit Schutzeinrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Magnetspulenanordnung mit einem erste und zweite Magnetwicklungen (1, 2, 3 und 4, 5) umfassenden und beispielsweise in Wickelkammern (7, 8, 9 und 10, 11) in Tragekörper (6a, 6b) gewickelten, aktiv abgeschirmten, supraleitenden Primärkreis (21) zur Erzeugung eines starken Magnetfeldes in einem Arbeitsvolumen mit geringem magnetischem Streufeld und einem kurzgeschlossenen, induktiv mit dem Primärkreis (21) gekoppelten, dritte und vierte Magnetwicklungen (13, 14, 15 und 16, 17) enthaltenden Sekundärkreis (22), ist dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwicklungen (13, 14, 15 und 16, 17) des Sekundärkreises (22) für sich näherungsweise eine aktiv abgeschirmte Magnetspule bilden. Dies ermöglicht einen einfachen und robusten Spulenschutz für aktiv abgeschirmte supraleitende Magnete bei einem Quenchvorgang, bei dem die supraleitenden Magnetwicklungen zuverlässig entlastet werden und das magnetische Streufeld der gesamten Anordnung klein bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetspulenanordnung mit einem aus ersten und zweiten Magnetwicklungen bestehenden und beispielsweise in Wickelkammern in einem Tragekörper gewickelten aktiv abgeschirmten supraleitenden Primärkreis zur Erzeugung eines starken Magnetfeldes in einem Arbeitsvolumen mit geringem magnetischen Streufeld und einem kurzgeschlossenen, induktiv mit dem Primärkreis gekoppelten, dritte und vierte Magnetwicklungen enthaltenden Sekundärkreis.

Aktiv abgeschirmte Magnetspulensysteme umfassen i. a. rotationssymmetrische erste und zweite Magnetwicklungen aus supraleitendem Draht zur Erzeugung eines starken Magnetfelds in einem Arbeitsvolumen bzw. zur Minimierung der Stärke des magnetischen Streufelds und eine Einrichtung zum Schutz der Magnetwicklungen gegen Überwärmung, hohe elektrische Spannungen und unkontrollierte mechanische Kräfte im Falle eines, 'Quenchs' (= Übergang der Magnetwicklung vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand).

Derartige Magnetspulensysteme sind aus der Druckschrift F. J. Davies, R. T Elliott, D. G. Hawksworth, IEEE Trans. Magn. 27/2, 1677-1680, 1991 bekannt.

Solche Magnetsysteme werden zur Erzeugung starker Magnetfelder beispielsweise in Magnetresonanzapparaturen oder Fourier-Transformations-Massenspektrometern verwendet.

Die ersten, der Felderzeugung dienenden Magnetwicklungen besitzen einen kleineren Durchmesser als die zweiten, der Streufeldminimierung dienenden Magnetwicklungen. Die Stromrichtung in den zweiten Magnetwicklungen ist zu der Stromrichtung der ersten Magnetwicklungen entgegengesetzt. Die Magnetwicklungen sind beispielsweise auf einem Spulenkörper in Wickelkammern untergebracht und enthalten jeweils eine Vielzahl von Windungen.

Die Anzahl N2 der Windungen der zweiten Magnetwicklungen ist kleiner als die Anzahl N1 der Windungen der ersten Magnetwicklungen. Das Verhältnis der Windungszahlen N2/N1 wird näherungsweise so gewählt, daß das magnetische Dipolmoment der ersten und zweiten Magnetwicklungen zusammen erheblich kleiner als das magnetische Dipolmoment der ersten Magnetwicklungen allein ist.

Die Wicklungen sind elektrisch in einer Reihenschaltung miteinander verbunden und bilden in der Regel einen mit einem supraleitenden Schalter geschlossenen elektrischen Kreis aus supraleitendem Draht. Im normalen Betriebszustand werden alle Windungen von demselben elektrischen Strom durchflossen.

Der supraleitende Draht besitzt im normalen Betriebszustand nur einen verschwindend kleinen elektrischen Widerstand und kann hohe elektrische Stromstärken praktisch ohne elektrische Verluste transportieren. Die elektrische Stromdichte in dem supraleitenden Draht ist von der Größenordnung mehrerer 100 A/mm² und damit um ein Vielfaches größer, als dies mit normalleitenden Drähten beispielsweise aus Kupfer möglich wäre.

Der supraleitende Zustand setzt bei supraleitenden Drähten erst bei sehr niedrigen Temperaturen unterhalb einer kritischen Temperatur ein. Diese kritische Temperatur beträgt bei der in handelsüblichen supraleitenden Drähten vielfach eingesetzten Legierung NbTi etwa 8 K. Die Magnetspulen werden deshalb in der Regel in einem Bad mit flüssigem Helium mit einer Siedetemperatur von 4,2 K betrieben.

Die Magnetwicklungen sind im normalen Betriebszustand eines supraleitenden Magneten erheblichen inneren Kräften, verursacht durch die Lorentzkraft, ausgesetzt. Dabei können sich Zugspannungen im Bereich weit oberhalb von 100 MPa in den Supraleiterdrähten ausbilden.

Ein weiteres physikalisches Merkmal supraleitender Magnetspulen besteht darin, daß bei ihrer typischen Betriebstemperatur von 4,2 K die Wärmekapazität sämtlicher Werkstoffe, also auch des Supraleitermaterials, im Vergleich zu den Werten bei Zimmertemperatur verschwindend klein wird. Infolgedessen können sehr kleine lokale mechanische Relaxationen innerhalb einer Magnetwicklung, die vor dem Hintergrund der großen mechanischen Spannungen sehr leicht auftreten können, zu beträchtlichen lokalen Temperaturerhöhungen von der Größenordnung einiger K führen. Dabei kann die Magnetwicklung örtlich eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur annehmen und wird normalleitend.

Unmittelbar bei Einsetzen der Normalleitung fließt der Betriebsstrom der Magnetspule an dieser Stelle nicht mehr verlustfrei sondern erzeugt in beträchtlichem Maße Wärme, wodurch dieser normalleitende Bereich noch höhere Temperaturen annimmt und sich außerdem räumlich ausdehnt. Dieser als "Quench" bezeichnete Prozeß führt in der Regel zu einer vollständigen Entladung des supraleitenden Magneten. Dabei wird die in dem Magnetfeld gespeicherte Energie in den normalleitend gewordenen Bereichen der Magnetwicklungen vollständig in Wärme umgewandelt.

Diese Energie liegt häufig im Bereich einiger MJ. Als Faustregel kann gelten, daß die gespeicherte magnetische Energie unabhängig von der Größe der Magnetspule ungefähr der mechanischen potentiellen Energie entspricht, die man erhält, wenn man die Magnetspule um einige 100 m gegen die Erdanziehung anhebt.

Wenn nun die normalleitenden Bereiche der Magnetwicklungen im Falle eines Quenchs auf einen geringen Volumenanteil der Magnetwicklungen beschränkt bleiben, wird die gesamte Magnetenergie nur in diesem geringen Volumenanteil in Wärme umgewandelt, wobei es zu einer Überhitzung dieser Bereiche und dadurch zu einer Zerstörung der Magnetspule kommen kann.

Ein weiteres Problem liegt darin, daß während eines Quenchs innerhalb der Magnetwicklungen größere elektrische Spannungen auftreten, die zu elektrischen Durchschlägen und damit ebenfalls zur Zerstörung der Magnetspule führen können.

Zur Vermeidung von Überhitzungen und zu großen elektrischen Spannungen sind elektrische Schutzschaltungen bekannt. Eine Vielzahl solcher Schutzschaltungen ist in der Druckschrift M. N. Wilson, Superconducting Magnets, Clarendon Press Oxford, 1983, Chap. 9 beschrieben. Eine dort beschriebene Methode sieht vor, die Magnetwicklungen in Teilwicklungen zu unterteilen und zu sämtlichen Teilwicklungen ohmsche Schutzwiderstände parallelzuschalten.

Die ohmschen Widerstände werden bei einem geladenen supraleitenden Magneten im Normalbetrieb nicht von Strom durchflossen. Im Falle eines Quenchs in einer Teilwicklung reduziert sich dann der Strom in dieser Teilwicklung und fließt über den parallelgeschalteten ohmschen Widerstand. Durch induktive Kopplung erhöht sich zunächst gleichzeitig der Strom in anderen noch supraleitenden Teilwicklungen.

Diese Art des Spulenschutzes besitzt zwei prinzipielle Vorteile: einerseits wird die, 'erste' Teilwicklung, von der der Quench ausgeht, durch die schnelle Reduzierung des Stroms weniger stark thermisch belastet und andererseits kann durch den Anstieg des Stroms in anderen Teilwicklungen dort der Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand eingeleitet der Quench so auf sämtliche Teilwicklungen verteilt werden. Durch die eher gleichmäßige Erwärmung der gesamten Magnetspule werden dabei unzulässige lokale Temperaturerhöhungen vermieden.

Die Stromreduzierung in der ersten Teilwicklung und die Stromerhöhungen in den anderen Teilwicklungen sind um so größer und erfolgen um so schneller, je kleiner die Widerstandswerte der Schutzwiderstände im Vergleich zu den ohmschen Widerständen der normalleitend gewordenen Bereiche der Teilwicklungen sind. Anstelle von Schutzwiderständen werden häufig auch Dioden verwendet, die bei elektrischen Spannungen oberhalb einiger Volt wie niederohmige Widerstände wirken.

Ein Nachteil derartiger Schutzschaltungen mit Widerständen und Dioden besteht darin, daß die Teilwicklungen während des Quenchs in der Regel von völlig verschiedenen Strömen durchflossen werden. Folglich ist eine solche Schutzschaltung für einen aktiv abgeschirmten supraleitenden Magneten wenig geeignet, weil die gute Streufeldabschirmung nur dann vorliegt, wenn alle Teilwicklungen von demselben Strom durchflossen werden, und dieser Sachverhalt während des Quenchvorgangs nicht gegeben ist.

Ein derartig geschützter Magnet erzeugt während eines Quenchvorgangs ein erhebliches magnetisches Streufeld. Dadurch können erhebliche Sach- und Personenschäden verursacht werden, wie beispielsweise das Löschen von Informationen auf magnetischen Datenträgern in der Nähe des Magneten oder Schäden durch magnetische Gegenstände, die zum Magneten hin katapultiert werden. Nachteilig ist außerdem, daß es bei dieser Art von Spulenschutz zu Stromerhöhungen in den noch supraleitenden Teilwicklungen zum Teil deutlich über den Betriebsstrom hinaus kommt, wobei diese Teilwicklungen mechanisch zu stark belastet werden können.

Mit einer in der Druckschrift F. J. Davies, R. T Elliott, D. G. Hawksworth, IEEE Trans. Magn. 27/2, 1677-1680, 1991 beschriebenen Schutzschaltung sollen diese Nachteile bei Quenchvorgängen vermieden werden. Bei dieser Schutzschaltung wird zwar ebenfalls formal ein ohmscher Widerstand zu einer Teilwicklung parallel geschaltet. Dieser ist jedoch hochohmig im Vergleich mit den in den normalleitenden Bereichen der Magnetwicklungen während eines Quenchvorgangs auftretenden Widerständen des Supraleiterdrahts und trägt dabei nur kleine Ströme im Vergleich mit dem Betriebsstrom des Magneten. Infolgedessen sind die Ströme in den Teilwicklungen des Magneten während eines Quenchvorgangs näherungsweise gleich groß, und der Magnet verliert seine Abschirmwirkung nicht.

Der ohmsche Widerstand ist tatsächlich ein Netzwerk aus parallel und in Serie geschalteten Widerständen, die an verschiedenen Stellen der Magnetwicklungen angebracht sind und im Falle eines Quench als Heizer wirken und die schnelle Ausbreitung des normalleitenden Bereichs auf die gesamte Magnetspule bewirken sollen. Nachteilig ist hier, daß eine schnelle Reduzierung des Stroms in der Magnetwicklung erst dann einsetzt, wenn die Heizer den Quench in den verschiedenen Bereichen der Magnetwicklungen gezündet haben. Außerdem verlangt die optimale Auslegung des Widerstandsnetzwerkes, das sich einerseits schnell erwärmen und den Quench an verschiedenen Stellen der Magnetwicklung schnell auslösen soll, andererseits aber während des vollständigen Quenchvorgangs nicht so stark thermisch belastet werden darf, daß es beschädigt wird, viel Erfahrung und Sorgfalt, und das Risiko von Beschädigungen des Magnetspulensystems bei nicht optimaler Auslegung des Widerstandsnetzwerks ist groß.

Eine alternative Art des Spulenschutzes bei Quenchvorgängen, die ebenfalls in der Druckschrift M. N. Wilson, Superconducting Magnets, Clarendon Press Oxford, 1983, Chap. 9 beschrieben ist, besteht aus einer kurzgeschlossenen, mit der Magnetwicklung induktiv gekoppelten resistiven Sekundärwicklung. Im Falle eines Quench reduziert sich der Strom in der supraleitenden Magnetwicklung relativ schnell, während der Strom in der ursprünglich stromlosen Sekundärwicklung wegen der induktiven Kopplung entsprechend ansteigt und so zu einer Erwärmung der Sekundärwicklung führt. Wenn sich nun die Sekundärwicklung in gutem thermischen Kontakt zu verschiedenen Bereichen der supraleitenden Magnetwicklungen befindet, wird auch dort ein Quench ausgelöst und eine Ausbreitung des normalleitenden Bereichs auf die gesamte Magnetspule erreicht.

Auch ein Spulenkörper aus elektrisch gut leitfähigem Material stellt eine solche induktiv gekoppelte Sekundärwicklung dar und kann als Spulenschutz wirken. Vorteilhaft bei dieser Art des Spulenschutzes ist, daß der Strom wegen der induktiven Kopplung mit der Sekundärwicklung gleich zu Beginn des Quenchvorgangs relativ schnell aus der supraleitenden Magnetwicklung ausgekoppelt wird und stattdessen völlig andere Bereiche, nämlich die resistive Sekundärwicklung, erwärmt werden und außerdem eine schnelle Ausbreitung des normalleitenden Bereichs auf sämtliche Bereiche der Magnetwicklungen bewirkt wird. Im Falle aktiv abgeschirmter Magnete wächst das magnetische Streufeld während des Quenchvorgangs in der Regel jedoch stark an, da in dieser Phase die stromdurchflossene Sekundärwicklung, beispielsweise in Form leitfähiger Spulenkörper, starke Streufelder erzeugen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, einen einfachen und robusten Spulenschutz für aktiv abgeschirmte supraleitende Magnete bei einem Quenchvorgang zu ermöglichen, bei dem die supraleitenden Magnetwicklungen zuverlässig entlastet werden und das magnetische Streufeld der gesamten Anordnung klein bleibt.

Diese Aufgabe wird auf einfache und wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, daß nicht nur die gesamte Magnetspulenanordnung, sondern auch die Magnetwicklungen des Sekundärkreises alleine näherungsweise eine aktiv abgeschirmte Magnetspule bilden. Dadurch wird erreicht, daß unabhängig von der Stärke des bei einem Quenchvorgang in dem Sekundärkreis fließenden Stromes kein magnetisches Streufeld aufgebaut wird. Außerdem ermöglicht diese Anordnung im Quenchfall, daß der Strom durch induktive Kopplung schnell aus dem supraleitenden Primärkreis auskoppelt und dieser dadurch thermisch und mechanisch entlastet wird, daß der Strom in den Sekundärkreis einkoppelt, wodurch lediglich der letztere thermisch und mechanisch belastet wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Magnetwicklungen des Sekundärkreises zum Teil Windungen aus resistivem, nicht-supraleitendem Draht. Auf diese Weise wird während eines Quenchvorgangs in den resistiven Windungen der Magnetwicklungen des Sekundärkreises Wärmeenergie erzeugt. Diese Wärmeenergie kann zum Auslösen des Quenchvorgangs in verschiedenen Bereichen der Magnetwicklungen des Primärkreises genutzt werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung bestehen die Magnetwicklungen des Sekundärkreises vollständig aus resistivem, nicht-supraleitendem Draht. Auf diese Weise ist das Material für die Magnetwicklungen des Sekundärkreises besonders preisgünstig. Außerdem wird so bei einem Quenchvorgang in allen Bereichen der Magnetwicklungen des Sekundärkreises Wärme erzeugt, die sich für die Ausbreitung des Quenchvorgangs in den Magnetwicklungen des Primärkreises nutzen läßt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung bestehen die Magnetwicklungen des Sekundärkreises aus Kupferdraht. Kupferdraht ist als Handelsware leicht verfügbar. Wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer bei den für die Erzeugung des supraleitenden Zustands der Magnetwicklungen des Primärkreises erforderlichen tiefen Temperaturen läßt sich so der elektrische Widerstand des Sekundärkreises relativ klein halten, was sich vorteilhaft auf die Geschwindigkeit auswirkt, mit welcher der elektrische Strom aus dem Primärkreis ausgekoppelt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform befinden sich die Magnetwicklungen des Sekundärkreises und des supraleitenden Primärkreises in einem gut wärmeleitenden Kontakt miteinander. Auf diese Weise wird die in den Magnetwicklungen des Sekundärkreises im Quenchfall erzeugte Wärme im Bereich des wärmeleitenden Kontakts in die angrenzenden Bereiche der Magnetwicklungen des Primärkreises abgeleitet und löst dort ebenfalls einen Quench aus, so daß größere Bereiche der Magnetwicklungen des Primärkreises schneller normalleitend werden und sich die vor dem Einsetzen des Quenchvorgangs vorhandene im Magnetfeld gespeicherte Energie gleichmäßiger in allen Volumenbereichen der Magnetwicklungen des Primärkreises und des Sekundärkreises in Wärme umwandelt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Magnetwicklungen des Primärkreises und des Sekundärkreises in denselben Wickelkammern des Tragekörpers angeordnet. Auf diese Weise kann man einen besonders einfachen und kostengünstigen Tragekörper verwenden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Magnetwicklungen des Sekundärkreises in den Wickelkammern direkt oder nur durch eine dielektrische Isolationsschicht getrennt auf die bereits fertiggestellten Magnetwicklungen des Primärkreises aufgewickelt. Dies ist eine besonders einfache Ausführungsform für den gut wärmeleitenden Kontakt zwischen den Magnetwicklungen des Primärkreises und des Sekundärkreises in den Wickelkammern. Außerdem wirken so die Magnetwicklungen des Sekundärkreises als mechanische Bandage für die im normalen Betriebszustand infolge magnetischer Lorentzkräfte stark auf Zug beanspruchten supraleitenden Magnetwicklungen des Primärkreises und führt zu einer mechanischen Entlastung.

In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält der Sekundärkreis eine kalte, in Durchlaßrichtung bezüglich des im Quenchfall im Sekundärkreis fließenden Stroms geschaltete Diode mit hoher Stromtragfähigkeit. Eine solche kalte Diode sperrt bei den vorliegenden tiefen Temperaturen von 4.2 K auch in Durchlaßrichtung bis zu Spannungen von wenigen Volt. Dies bietet den Vorteil, daß bei den bei solchen Magneten üblichen relativ kleinen elektrischen Spannungen, die man zum Laden benötigt, kein elektrischer Strom im Sekundärkreis fließt, der die Magnetwicklungen des Sekundärkreises und damit indirekt die Magnetwicklungen des Primärkreises erwärmen und einen Quench in den Magnetwicklungen des Primärkreises auslösen könnte. Bei den im Falle eines Quench auftretenden höheren elektrischen Spannungen dagegen feitet die Diode, womit die Schutzwirkung der Anordnung sichergestellt bleibt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung schließlich enthält der Sekundärkreis ohmsche Widerstände. Diese Widerstände erwärmen sich im Quenchfall und können verwendet werden, um supraleitende Bereiche des Magnetwicklungen des Primärkreises oder weitere supraleitende Bauelemente wie beispielsweise supraleitende Schalter in den normalleitenden Zustand übergehen zu lassen. Die supraleitenden Schalter können Bestandteile von Stromkreisen sein, die supraleitende Hilfsspulen wie beispielsweise der Magnetfeldhomogenisierung dienende Shimspulen enthalten.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Zeichnungen und der Beschreibung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß einzeln für sich und zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Magnetspulenanordnung;

Fig. 2 das elektrische Schaltbild einer erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Magnetspulenanordnung nach dem Stand der Technik; und

Fig. 4 das elektrische Schaltbild der Magnetspulenanordnung nach Fig. 3.

Der in Fig. 3 gezeigte Schnitt zeigt wesentliche Bestandteile einer herkömmlichen rotationssymmetrischen Magnetspulenanordnung. In einen zweiteiligen Tragekörper 6a, 6b sind Wickelkammern 7, 8, 9, 10, 11 eingearbeitet. In diese Wickelkammern sind erste Magnetwicklungen 1, 2, 3 und zweite Magnetwicklungen 4, 5 jeweils aus Supraleiterdraht gewickelt. Die ersten Magnetwicklungen 1, 2, 3 dienen hauptsächlich der Erzeugung eines starken Magnetfelds in einem Arbeitsvolumen, das beispielsweise bei Magnetspulenanordnungen für Magnetresonanzapparaturen das Symmetriezentrum der Magnetspulenanordnung umgibt. Die zweiten Magnetwicklungen 4, 5 dienen hauptsächlich der Minimierung des magnetischen Streufelds in der äußeren Umgebung der Magnetspulenanordnung. Die Richtung des elektrischen Stroms in den zweiten Magnetwicklungen ist deshalb gegenläufig zu der Richtung des elektrischen Stroms in den ersten Magnetwicklungen. Damit eine optimale Abschirmwirkung erzielt wird, besitzen die zweiten, radial außenliegenden Wicklungen weniger Windungen als die ersten, radial innenliegenden Wicklungen.

Fig. 4 zeigt die elektrische Serienschaltung der in den verschiedenen Wickelkammern angeordneten Magnetwicklungen 1, 2, 3, 4, 5 im normalen Betriebszustand der Magnetspulenanordnung nach Fig. 3. Sie bilden zusammen mit dem supraleitenden Schalter 12 der Magnetspulenanordnung im normalen Betrieb der Anordnung einen stromdurchflossenen geschlossenen supraleitenden Kreis. Eventuell für den Spulenschutz benötigte, beispielsweise zu den Magnetwicklungen parallelgeschaltete ohmsche Widerstände, sind nicht eingezeichnet. Durch derartige Schutzwiderstände wäre nicht sichergestellt, daß während eines Quenchvorgangs in den zweitem Magnetwicklungen derselbe Strom wie in den ersten Magnetwicklungen fließt. Deshalb wäre es dann nicht mehr gewährleistet, daß das magnetische Streufeld der Magnetspulenanordnung im Quenchfall gering bleibt.

Der in Fig. 1 gezeigte Schnitt zeigt die wesentlichen Bestandteile einer erfindungsgemäßen rotationssymmetrischen Magnetspulenanordnung. Diese geht in diesem Beispiel aus der herkömmlichen Magnetspulenanordnung nach Fig. 3 dadurch hervor, daß außen auf die ersten Magnetwicklungen 1, 2, 3 aus Supraleiterdraht dritte Magnetwicklungen 13, 14, 15 aus normalleitendem Kupferdraht und auf die zweiten Magnetwicklungen 4, 5 aus Supraleiterdraht vierte Magnetwicklungen 16, 17 aus normalleitendem Kupferdraht gewickelt sind. Die Wicklungen 1, 2, 3, 4, 5 aus Supraleiterdraht bilden die Primärwicklung. Die Wicklungen 13, 14, 15, 16, 17 aus Kupferdraht bilden die Sekundärwicklung.

Die Windungszahlen in den dritten (13, 14, 15) und vierten (16, 17) Magnetwicklungen sind bei einer erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung so ausgelegt, daß bei einem anzunehmenden elektrischen Strom in dem Sekundärkreis allein zwar in dem Arbeitsvolumen ein Magnetfeld erzeugt wird, daß jedoch das magnetische Streufeld in der äußeren Umgebung des Sekundärkreises minimal ist. Die Richtung des elektrischen Stroms in den vierten Magnetwicklungen 16, 17 ist deshalb gegenläufig zu der Richtung des elektrischen Stroms ein den dritten Magnetwicklungen 13, 14, 15. Ferner ist deshalb die Windungszahl der radial außenliegenden vierten Magnetwicklungen 16, 17 kleiner als die Windungszahl der radial innenliegenden dritten Magnetwicklungen 13, 14, 15.

Im Falle eines Quenchs in einem Teil der Magnetwicklungen des Primärkreises wird der Strom in dem Primärkreis schnell reduziert. Durch die induktive Kopplung der resistiven Sekundärspule mit der Primärspule wird in der Sekundärspule entsprechend schnell ein Strom induziert. Der in dem Sekundärkreis induzierte Strom erzeugt einen Beitrag zum Magnetfeld der Anordnung, der so gerichtet ist, daß die mit dem schnellen Abklingen des Stromes in dem Primärkreis verbundene Abnahme des Magnetfelds, beispielsweise im Arbeitsvolumen der Magnetanordnung, verlangsamt wird.

Weder der Strom in dem Primärkreis noch der Strom in dem Sekundärkreis erzeugen erfindungsgemäß ein starkes Streufeld in der äußeren Umgebung der Magnetanordnung. Deshalb bleibt das gesamte, durch beide Wicklungen erzeugte Streufeld in der äußeren Umgebung der Magnetanordnung, unabhängig von der sich schnell verändernden Stärke der Strömen in den Magnetwicklungen des Primär- und des Sekundärkreises im einzelnen, gering.

Da die Wicklungen 13, 14, 15, 16, 17 des Sekundärkreises auf die supraleitenden Wicklungen 1, 2, 3, 4, 5 des Primärkreises aufgewickelt sind, wirken sie im normalen Betriebszustand der Magnetspulenanordnung mit vollständig supraleitenden Magnetwicklungen im Primärkreis als mechanische Bandage, welche die ansonsten großen mechanischen Zugspannungen in den Magnetwicklungen des Primärkreises aufgrund von Lorentzkräften reduziert. Außerdem besteht so ein guter thermischer Kontakt zwischen den Magnetwicklungen des Primär- und des Sekundärkreises, so daß die sich im Quenchfall erwärmenden resistiven Teile der Magnetwicklungen des Sekundärkreises an sämtlichen Kontaktflächen in den Magnetwicklungen des Primärkreises einen Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand auslösen.

Fig. 2 schließlich zeigt die elektrische Schaltung der in Fig. 1 dargestellten Magnetwicklungen. Die ersten Magnetwicklungen 1, 2, 3 und die zweiten Magnetwicklungen 4, 5 bilden zusammen mit dem supraleitenden Schalter 12 der Magnetspulenanordnung im normalen Betrieb der Anordnung einen stromdurchflossenen geschlossenen supraleitenden Kreis. Die dritten Magnetwicklungen 13, 14, 15 und die vierten Magnetwicklungen 16, 17 bilden zusammen mit nicht notwendig vorhandenen Dioden 18, 19 und dem Widerstand 20 einen induktiv mit dem Primärkreis 21 gekoppelten nicht vollständig supraleitenden Sekundärkreis 22.

Die hier antiparallel geschalteten kalten Dioden 18, 19 sperren bei der Betriebstemperatur der Magnetspulenanordnung von 4,2 K bis zu elektrischen Spannungen im Bereich weniger Volt völlig und verhindern das Fließen eines elektrischen Stromes im Sekundärkreis beim Laden des aus den supraleitenden Wicklungen 1, 2, 3, 4, 5 bestehenden supraleitenden Magneten völlig, sofern die elektrischen Spannungen zum Laden des Magneten klein genug gewählt sind. Im Quenchfall fließt durch eine der beiden Dioden und durch die Magnetwicklungen 13, 14, 15, 16, 17 des Sekundärkreises ein induktiv erzeugter elektrischer Strom. Dabei erwärmt sich auch der Widerstand 20, der in wärmeleitender Verbindung mit einem Teil der Magnetwicklungen des Primärkreises oder mit supraleitenden Schaltern beispielsweise von nicht gezeichneten supraleitenden Hilfsspulen stehen und dort einen Übergang in den normalleitenden Zustand auslösen kann.

Claims (9)

1. Magnetspulenanordnung mit einem erste und zweite Magnetwicklungen (1, 2, 3 und 4, 5) umfassenden und beispielsweise in Wickelkammern (7, 8, 9 und 10, 11) in einem Tragekörper (6a, 6b) gewickelten, aktiv abgeschirmten, supraleitenden Primärkreis (21) zur Erzeugung eines starken Magnetfeldes in einem Arbeitsvolumen mit geringem magnetischen Streufeld und einem kurzgeschlossenen, induktiv mit dem Primärkreis (21) gekoppelten, dritte und vierte Magnetwicklungen (13, 14, 15 und 16, 17) enthaltenden Sekundärkreis (22), dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwicklungen (13, 14, 15 und 16, 17) des Sekundärkreises (22) für sich näherungsweise eine aktiv abgeschirmte Magnetspule bilden.

2. Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwicklungen (13, 14, 15 und 16, 17) des Sekundärkreises (22) zum Teil Windungen aus resistivem, nicht-supraleitendem Draht enthalten.

3. Magnetspulenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwicklungen (13, 14, 15 und 16, 17) des Sekundärkreises (22) vollständig aus resistivem, nicht- supraleitendem Draht bestehen.

4. Magnetspulenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwicklungen (13, 14, 15 und 16, 17) des Sekundärkreises (22) vollständig aus Kupferdraht bestehen.

5. Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Magnetwicklungen (13, 14, 15 und 16, 17) des Sekundärkreises (22) und die Magnetwicklungen (1, 2, 3 und 4, 5) des supraleitenden Primärkreises (21) in einem gut wärmeleitenden Kontakt miteinander befinden.

6. Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwicklungen (1, 2, 3 und 4, 5) des Primärkreises (21) und die Magnetwicklungen (13, 14, 15 und 16, 17) des Sekundärkreises (22) in denselben Wickelkammern (7, 8, 9 und 10, 11) des Tragekörpers (6a, 6b) angeordnet sind.

7. Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwicklungen (13, 14, 15 und 16, 17) des Sekundärkreises (22) in den Wickelkammern (7, 8, 9 und 10, 11) direkt oder nur durch eine dielektrische Isolationsschicht getrennt auf die bereits fertiggestellten Magnetwicklungen (1, 2, 3 und 4, 5) des Primärkreises (21) aufgewickelt sind.

8. Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärkreis (22) mindestens eine kalte, in Durchlaßrichtung bezüglich des im Quenchfall im Sekundärkreis (22) fließenden Stroms geschaltete Diode (18, 19) mit hoher Stromtragfähigkeit enthält.

9. Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärkreis (22) mindestens einen ohmschen Widerstand (20) enthält.