DE10033411A1 - Aktiv abgeschirmter supraleitender Magnet mit Schutzeinrichtung - Google Patents
Aktiv abgeschirmter supraleitender Magnet mit SchutzeinrichtungInfo
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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.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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