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Die
Erfindung betrifft ein supraleitendes Magnetspulensystem mit einer
Hauptfeldspule, die aus radial ineinander verschachtelten, in Serie
geschalteten Sektionen aufgebaut ist, die Leiter umfassen, wobei
die Leiter der radial inneren Sektionen ein erstes Supraleiter-Material
enthalten und mit einer ersten elektrischen Spannungsisolation versehen
sind, und die Leiter der radial äußeren Sektionen
ein zweites Supraleiter-Material enthalten und mit einer zweiten elektrischen
Spannungsisolation versehen sind, wobei das erste Supraleiter-Material
ein höheres
kritisches Magnetfeld als das zweite Supraleiter-Material aufweist
und die erste Spannungsisolation zumindest bereichsweise weniger
durchschlagsfest als die zweite Spannungsisolation ist, sowie mit
einer zur Hauptfeldspule in Serie geschalteten Abschirmspule, welche
die Hauptfeldspule radial umgibt und Leiter umfasst, die das zweite
Supraleiter-Material enthalten und mit der zweiten elektrischen
Spannungsisolation umgeben sind, wobei die Hauptfeldspule und die
Abschirmspule im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen (persistent
mode) und durch mehrere ohmsche Widerstände und/oder Dioden für den Fall eines
Zusammenbruchs der Supraleitung (Quench) geschützt sind.
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Eine
Magnetanordnung mit einem aktiv abgeschirmten Magnetspulensystem
mit einer radial inneren Hauptfeldspule und einer radial äußeren Abschirmspule,
welche durch Widerstände
geschützt sind,
ist bekannt aus US-A 5,644,233.
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Insbesondere
bei Hochfeldanwendungen von supraleitenden Magnetspulensystemen
wird ein beträchtliches
Streufeld erzeugt, was für
die Umgebung des Magneten ein Gefahrenpotential darstellt. Der Begriff "Streufeld" bezeichnet dabei
das Fernfeld des Magnetspulensystems, das durch den dipolartigen
Feldanteil dominiert wird. Bei aktiv abgeschirmten Magnetspulensystemen
wird das Streufeld im Allgemeinen durch eine Abschirmspule mit zur
Hauptfeldspule gegensinniger Wicklung, also mit bezüglich der
Hauptfeldspule gegensinnigem Dipolmoment, realisiert, so dass das
Gesamtdipolmoment des Magnetspulensystems ungefähr null ist. Während eines Zusammenbruchs
der Supraleitung muss sichergestellt werden, dass das räumlich spezifizierte
Streufeld den dafür
vorgesehenen Grenzwert nicht überschreitet.
So muss beispielsweise das Feld am Ort der spezifizierten 5G-Linie
auch während
eines Quenchs kleiner als 5 Gauß bleiben.
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Bei
Magnetspulensystemen ohne Quenchschutz bleibt im Quenchfall das
Streufeld erhalten. Es treten hierbei jedoch hohe Spannungen auf,
die das Magnetspulensystem schädigen
können.
Man ist daher bestrebt während
eines Quenchs Maßnahmen
zu treffen, damit die Änderung
des Stromes und die damit verbundenen Spannungen keine Schäden am Magnetspulensystem
anrichten.
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Supraleitende
Magnetspulensysteme besitzen daher im Allgemeinen eine Vorrichtung,
welche den Magnetstrom aus den im Verlaufe eines Quenchs resisitv
gewordenen Spulenabschnitten über
Schutzelemente, beispielsweise Widerstände, ableitet.
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Aus
M. N. Wilson "Superconducting
Magnets" (Oxford
University Press) ist es bekannt, dass Spulenabschnitte des Magnetspulensystems
mit ohmschen Widerständen überbrückt werden.
Das Magnetspulensystem wird somit in Maschen zerlegt, die miteinander
in Serie geschaltet sind, wobei jede Masche einen Spulenabschnitt
des Magnetspulensystems und einen Widerstand umfasst. Auf diese Weise werden
Teilbereiche mit einer geringen Eigeninduktivität erzeugt. In diesen Teilbereichen
klingen die Ströme
schnell ab und hohe Spannungen werden vermieden. Allerdings fließen im Quenchfall
in den verschiedenen Maschen aus Schutzwiderständen und Spulenabschnitten
unterschiedlich hohe Ströme, die
zu nicht akzeptablen unkompensierten Streufeldüberhöhungen führen können.
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Aus
EP 0 144 171 B1 ist
ein aktiv abgeschirmtes Magnetspulensystem bekannt, welches ein
Widerstandsnetzwerk zum Schutz vor Spannungsüberhöhungen im Quenchfall umfasst,
bei dem Teile des Magnetspulensystems mit ohmschen Widerständen überbrückt werden.
Jedoch erfährt
auch hier das Streufeld Überhöhungen,
die außerhalb
der Spezifikation liegen können.
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In
US 5,644,233 wird daher
ein Magnetspulensystem vorgeschlagen, bei dem die Hauptfeldspule
und die Abschirmspule in gleich viele Spulenabschnitte zerlegt und
paarweise in Serie geschaltet werden und zusammen mit einem ohmschen
Widerstand eine Masche bilden, wobei die innerhalb einer Masche
in Serie geschalteten Spulenabschnitte aus Hauptfeld- und Abschirmspule
jeweils paarweise betragsmäßig nahezu
das gleiche Diplomoment, jedoch mit verschiedenen Vorzeichen, aufweisen.
Jede Masche umfasst demnach einen Spulenabschnitt der Abschirmspule
und einen Spulenabschnitt der Hauptfeldspule mit entgegengesetzt ähnlich großen Dipolmomenten,
sowie einen Schutzwiderstand, der die beiden Spulenabschnitte überbrückt. Falls
in einem solchen Abschnitt ein Quench ausbricht, ändert sich
das Streufeld nur wenig, da jede Masche näherungsweise dipolmomentenfrei
ist und nur geringfügig
zum Streufeld beiträgt,
unabhängig
davon, welcher Strom in dieser Masche fließt. Der Nachteil dieser Methode
liegt jedoch in dem großen
konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand des paarweisen Verschaltens
radial weit auseinander liegender Spulenabschnitte des Magnetspulensystems,
da jeweils ein Spulenabschnitt der radial innen liegenden Hauptfeldspule
mit einem Spulenabschnitt der radial weiter außen liegenden Abschirmspule
verdrahtet werden muss.
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US 6,563,316 schlägt eine
Magnetanordnung vor, in welcher nicht alle, mit einem Schutzelement überbrückten, Abschnitte
ein verschwindendes Dipolmoment auf weisen. Trotzdem wird mit dieser Anordnung
die Gefahr einer Überhöhung des
Streufeldes im Falle eines Quenchs der Magnetanordnung wesentlich
reduziert. Die bekannte Anordnung weist dazu einen zusätzlichen,
in sich geschlossenen Strompfad auf, welcher eine nicht verschwindende Flächenwindungszahl
aufweist und mit mindestens einem Spulenabschnitt induktive gekoppelt
ist. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt ebenfalls in dem großen konstruktiven
und fertigungstechnischen Aufwand des paarweisen Verschaltens radial
weit auseinander liegender Spulenabschnitte des Magnetspulensystems.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Magnetspulensystem vorzuschlagen,
bei dem mit einem geringen konstruktiven Aufwand ein effektiver Quenchschutz
ohne Streufeldüberhöhung realisiert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die radial inneren Sektionen der Hauptfeldspule durch mindestens
einen zu diesen Sektionen parallel geschalteten ohmschen Widerstand
und/oder eine Diode geschützt
sind, und dass die radial äußeren Sektionen
der Hauptfeldspule gemeinsam mit der Abschirmspule durch einen einzigen
weiteren ohmschen Widerstand und/oder eine einzige Diode geschützt sind.
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Das
erfindungsgemäße Magnetspulensystem
ist so unterteilt, dass in dem Bereich des Magnetspulensystems,
in dem hohe Spannungen schaden können,
eine konventionelle Schutzverdrahtung der Sektionen vorgesehen ist.
Die Sektionen des Magnetspulensystems hingegen, die bezüglich der
Streufeldkompensation entscheidend sind, werden als ein gemeinsamer
Block zusammengefasst und mittels eines einzigen Widerstandes beziehungsweise
einer Diode geschützt.
Die Hauptfeldspule wird dazu in zwei Bereiche, nämlich in radial innere Sektionen
und radial äußere Sektionen,
eingeteilt. Die radial inneren Sektionen der Hauptfeldspule tragen
nur einen geringen Anteil des Gesamtdipolmoments der Hauptfeldspule
und sind mit mindestens einem Widerstand überbrückt. Die äußeren Sektionen der Hauptfeldspule,
die den größten Teil
des Gesamtdipolmoments der Hauptfeldspule trägt, werden mit der Abschirmspule
kurzgeschlossen und mittels eines einzigen Widerstands geschützt. Da
das Dipolmoment der Abschirmspule gleich dem Ge samtdipolmoment der Hauptfeldspule
mit negativen Vorzeichen ist, wird bei dieser Verschaltung im Quenchfall
zwar nicht 100% des Gesamtdipolmoments der Hauptfeldspule kompensiert,
dafür kann
jedoch auf die Vielzahl an aufwändigen
Brückenschaltungen,
wie sie aus
US 5,644,233 bekannt
ist, verzichtet werden. Die nicht ideal kompensierte Strom- und
Dipolmomentenentwicklung im Quenchfall führt zu leichten, aber abschätzbaren
Streufeldänderungen,
die in einem akzeptablen Rahmen liegen. Diese Korrektur kann bei Festlegung
der Streufeldspezifikation berücksichtigt werden.
Die in den äußeren Sektionen
der Hauptfeldspule und in der Abschirmspule auftretenden erhöhten Spannungen
während
eines Quenchs können
jedoch aufgrund der relativ hohen Durchschlagsfestigkeit des zweiten
Supraleiter-Materials in Kauf genommen werden. Das erfindungsgemäße Magnetspulensystem
kann auf diese Weise konstruktiv einfach aufgebaut werden, wobei
im Quenchfall nur geringe Streufeldüberhöhungen auftreten, und hohe Spannungen
nur dort vorkommen, wo sie handhabbar sind.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
das erste Supraleiter-Material Nb3Sn und
die erste Spannungsisolation umfasst eine Glasfaser- oder Keramikfaserisolation.
Die Glasfaser- oder Keramikfaserisolation ist aufgrund der üblicherweise
zugegebenen kohlenstoffhaltigen Schlichte, die der Glasfaser- oder
Keramikfaserisolation Geschmeidigkeit fürs Wickeln gibt und aufgrund
der lockeren Gewebestruktur, gegenüber hohen elektrischen Spannungen nur
wenig durchschlagsfest. Durch die oben beschriebene Schutzverdrahtung
der das erste Supraleiter-Material umfassenden inneren Sektionen
kann jedoch auch bei Verwendung dieser Materialien eine Schädigung der
Sektionen aufgrund von Spannungsüberschlägen verhindert
werden.
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
enthält das
erste Supraleiter-Material einen Hochtemperatursupraleiter(= HTS)
und/oder Nb3Al und die erste Spannungsisolation
umfasst eine Glasfaser- oder Keramikfaserisolation.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems sieht
vor, dass das zweite Supraleiter-Material NbTi enthält und die
zweite Spannungsisolation eine Lackisolierung umfasst. Die Lackisolierung
des zweiten Supraleiter-Materials ist relativ durchschlagsfest,
so dass eventuelle Spannungserhöhungen
im Quenchfall keinen schädigenden
Einfluss auf die radial äußeren Sektionen
oder die Abschirmspule haben. Dieses Supraleiter-Material eignet sich daher besonders
gut für
die mittels eines einzigen Widerstandes oder einer einzigen Diode
erfindungsgemäß überbrückten äußeren
Sektionen der Hauptfeldspule und der Abschirmspule.
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Die
oben beschriebenen Spannungsisolationen und Supraleiter-Materialien
beschreiben lediglich Typen von Spannungsisolationen (Glasfaserisolation
beziehungsweise Lackisolierung) beziehungsweise Supraleiter-Materialien.
So können
sich die Spannungsisolierungen innerhalb der inneren Sektionen beispielsweise
in ihrer Dicke und genauen Zusammensetzung unterscheiden. Ebenso
können
verschiedene innere Sektionen aus verschiedenen ersten Supraleiter-Materialien,
beziehungsweise verschiedene äußere Sektionen
aus verschiedenen zweiten Supraleiter-Materialien bestehen. Ebenso
ist es denkbar, dass eine Sektion der Hauptfeldspule aus mehreren
Leitern unterschiedlicher Supraleiter-Materialien aufgebaut ist.
Entscheidend ist lediglich, dass jedes im Magnetspulensystem vorhandene erste
Supraleiter-Material eine Spannungsisolation besitzt, die weniger
durchschlagsfest ist als die Spannungsisolation des zweiten Supraleiter-Materials.
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Die
Vorteile des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems
kommen besonders gut zur Geltung, wenn das Gesamtdipolmoment der
radial inneren Sektionen der Hauptfeldspule kleiner als 15% des
Gesamtdipolmoments aller Sektionen der Hauptfeldspule ist. Die radial äußeren Sektionen
tragen somit 85% des Gesamtdipolmoments der Hauptfeldspule. Im Quenchfall
werden dementsprechend mindestens 85% des Dipolmoments der Hauptfeldspule kompensiert.
Die inneren Sektionen besitzen lediglich eine kleine, entsprechend
ihres Dipolmoments, nicht ideal kompensierte Streufeldentwicklung.
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
ist jede einzelne radial innere Sektion der Hauptfeldspule jeweils
mit einem ohmschen Widerstand und/oder einer Diode geschützt. Dies
erweist sich bei den meisten Quencharten als vorteilhaft. Prinzipiell
kann die Anzahl und Art der Schutzwiderstände 6, 7 auf
die zu erwartenden Quenchverläufe
abgestimmt werden. Im Allgemeinen liegen die Widerstandswerte der
Widerstände 6, 7 im
Bereich einiger Ohm.
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Das
Magnetspulensystem ist vorzugsweise ein NMR-Magnetspulensystem.
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Besonders
vorteilhaft erweist sich das erfindungsgemäße Magnetspulensystem wenn
das Magnetspulensystem Magnetfeldstärken größer als 9 Tesla vorzugsweise
größer 17 Tesla,
erzeugt.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können
die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder
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.
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Es
zeigen:
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1a einen
schematischen Vertikalschnitt durch eine Hälfte eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems;
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1b ein
Schaltbild eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems
gemäß 1a;
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2a eine
graphische Auftragung des Spannungsverlaufs während eines Quenchs innerhalb
eines Magnetspulensystems ohne Quenchschutz in Abhängigkeit
von der Zeit (Simulation); und
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2b eine
graphische Auftragung des Spannungsverlaufs während eines Quenchs innerhalb
eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems
mit Quenchschutz in Abhängigkeit
von der Zeit (Simulation).
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1a zeigt
ein erfindungsgemäßes Magnetspulensystem
mit einer um eine Achse z angeordneten Hauptfeldspule 1 und
einer Abschirmspule 2, welche die Hauptfeldspule 1 radial
umgibt. In 1b ist ein Schaltbild dieses
Magnetspulen systems dargestellt. Über einen supraleitenden Hauptschalter 8 können die
Hauptfeldspule und sie Abschirmspule kurz geschlossen werden. Die
Hauptfeldspule 1 ist aufgeteilt in radial innere Sektionen 3 und
radial äußere Sektionen 4.
Die Hauptfeldspule 1 und die Abschirmspule 2 sind über eine
elektrische Verbindung 5 miteinander in Serie geschaltet.
Die inneren Sektionen 3 der in 1a und 1b gezeigten
Ausführungsform
sind in drei Bereiche aufgeteilt, die jeweils durch einen ohmschen
Widerstand 6 überbrückt sind.
Auf diese Weise werden Spannungsüberhöhungen im
Bereich der inneren Sektionen 3 vermieden. Die Bereiche
des Magnetspulensystems, die für die
Streufeldkompensation entscheidend sind, nämlich die äußeren Sektionen 4 und
die Abschirmspule 2 werden dagegen gemeinsam durch einen
einzigen weiteren Widerstand 7 geschützt. Hier können im Quenchfall erhöhte Spannungen
auftreten, was jedoch in Kauf genommen werden kann.
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Die
inneren Sektionen 3, welche dem höchsten Feld des Magnetspulensystems
ausgesetzt sind, sind aus einem Leiter gefertigt, welcher üblicherweise
erst nach dem Wickeln bei hohen Temperaturen geglüht wird,
damit er seine supraleitenden Eigenschaften erhält (beispielsweise Nb3Sn, Nb3Al, Hochtemperatursupraleiter
oder eine Kombination hiervon). Die Leiter der inneren Sektionen 3 benötigen daher
eine hitzebeständige
Isolation (Glasfaser- oder Keramikfaserisolation), die aber nur
eine relativ geringe elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweist.
Mit dem erfindungsgemäßen Magnetspulensystem
stellt diese Eigenschaft jedoch kein Problem mehr dar, da im Bereich
der inneren Sektionen 3 Spannungsüberhöhungen vermieden werden können. Gleichzeitig besitzen
die inneren Sektionen 3 aufgrund ihres kleinen Abstands
zur Achse z nur einen geringen Anteil des Dipolmoments der Hauptfeldspule 1.
Die Stromverteilung in den inneren Sektionen 3 beeinflusst
daher das Streufeld im Quenchfall nur wenig.
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Im
Gegensatz dazu sind sowohl die Leiter der radial äußeren Sektionen 4,
die den Hauptanteil des Dipolmoments der Hauptfeldspule 1 tragen,
als auch die Leiter der Abschirmspule 2 vorzugsweise aus
NbTi gefertigt und mit einer Lackisolation von einer deutlich höheren Durchschlagsfestigkeit
umgeben. Die äußeren Sektio nen 4 sind
mit der Abschirmspule 2 in Serie geschaltet und gemeinsam
mit dieser durch einen einzigen ohmschen Widerstand 7 geschützt. Erhöhte Spannungen
im Quenchfall sind in diesen Bereichen besser zu verkraften als
in den inneren Sektionen 3 der Hauptfeldspule 1.
Auf diese Weise werden Streufeldüberhöhungen vermieden.
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Die
Aufteilung der Hauptfeldspule 1 in innere Sektionen 3 und äußere Sektionen 4 kann
je nach Anforderungen an das Streufeld erfolgen. Prinzipiell ist
es sogar denkbar, im Normalbetrieb ein nicht ideales Streufeld einzustellen,
welches dafür
im Quenchfall durch das von den inneren Sektionen 3 erzeugte
zusätzliche
Streufeld eine geringere Überhöhung erfährt. Auch
kann die Anzahl der Schutzwiderstände 6 für die inneren
Sektionen 3 an die zu erwartenden Quenchverläufe angepasst
werden. Typischerweise ist jede innere Sektion 3 mit einem
Widerstand 6 geschützt.
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Auf
diese Weise kann einerseits eine komplexe Brückenverschaltung, wie sie aus
US 5,644,233 bekannt ist,
vermieden und andererseits können
die inneren Sektionen
3, die das erste Supraleiter-Material
enthalten, vor zu großen
Spannungen geschützt
werden.
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In 2a sind
die simulierten maximalen Spannungsverläufe im Quenchfall in den inneren Sektionen 3,
mit Nb3Sn als erstes Supraleiter-Material
(durchgezogene Linie) und in den äußeren Sektionen mit NbTi als
zweites Supraleiter-Material (gestrichelte Linie), dargestellt,
für den
Fall, dass der Magnet keine Schutzverschaltung im Sinne einer Unterteilung
in separat geschützte
Teilbereiche besitzt. Die dargestellten Spannungsverläufe beziehen
sich auf Spulenabschnitte aus dem Nb3Sn-
und dem NbTi-Bereich der Hauptfeldspule 1 des Magnetspulensystems.
Es gibt weitere Spulenabschnitte in diesen Bereichen, deren Spannungsverläufe hier
nicht dargestellt sind, weil die Spannungen niedriger liegen und hier
nur die Maximalwerte interessieren. Man kann erkennen, dass im Nb3Sn-Bereich ein steiler Spannungsanstieg
bis zu einer Maximalspannung von über 3000 V erfolgt. Dieser
enorme Spannungsanstieg kann aufgrund der nur wenig durchschlagfesten Spannungsisolation
des Nb3Sn-Leiters zu Beschädigungen
der inneren Sektionen 3 führen.
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2b zeigt
die simulierten maximalen Spannungsverläufe im Quenchfall im Nb3Sn-Bereich und im NbTi-Bereich der Hauptfeldspule 1,
für den Fall,
dass die inneren Sektionen 3 (Nb3Sn)
der Hauptfeldspule 1 eine Schutzverschaltung im Sinne einer
Unterteilung in separat geschützte
Teilbereiche gemäß der Erfindung
besitzt. Die für
die Simulation verwendeten Parameter entsprechen denen aus der Simulation
zu 2a. Auch hier sind jeweils lediglich die Spulenabschnitte
mit den maximalen Spannungsverläufen
dargestellt. Während
die im NbTi-Bereich auftretenden Spannungen verglichen mit der Simulation
aus 2a in etwa unverändert geblieben sind, konnte
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schutzverdrahtung
der Betrag der im Nb3Sn-Bereich auftretenden
Spannungen um zwei Größenordnungen
gesenkt werden. Die radiale Lage beispielsweise der 5 Gauß-Linie
hat sich bei dieser Simulation während
des Quenchs nur um maximal 13% erhöht.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Magnetspulensystem
kann mit einem geringen konstruktiven Aufwand ein Quenchschutz realisiert
werden, wobei gleichzeitig trotzdem in den relevanten Bereichen des
Magnetspulensystems einer Streufeldüberhöhung entgegen gewirkt werden
kann. Die erfindungsgemäße Verdrahtung
des Magnetspulensystems ist prinzipiell auch für Labormagnete anwendbar.
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- 1
- Hauptfeldspule
- 2
- Abschirmspule
- 3
- innere
Sektionen
- 4
- äußere Sektionen
- 5
- elektrische
Verbindung
- 6
- Widerstand
- 7
- weiterer
Widerstand
- 8
- supraleitender
Hauptschalter