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Vorrichtung zur Erzeugung eines starken Magnetfeldes mit einer supraleitenden
Wicklung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines starken Magnetfeldes
mit einer in ein verflüssigtes Gas in einem Dewargefäß eingetauchten supraleitenden
Wicklung, die mit einer äußeren Gleichstromquelle niedriger Spannung zur Lieferung
des Betriebsstroms verbunden ist, wobei ein in Serie zur Gleichstromquelle geschalteter
veränderlicher Widerstand zur Regelung des der Supraleiterwicklung zugeführten Stroms
vorgesehen ist und der Wicklung ein Widerstand parallel geschaltet ist, welcher,
falls die Wicklung in den normalleitenden Zustand übergeht, die Stromleitung übernimmt.
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Zur Verwendung in supraleitenden Spulen haben sich verschiedene Legierungen
als geeignet erwiesen. Wegen einer Diskussion der Eigenschaften derartiger Legierungen
wird auf den in »Reviews of Modern Physics«, Bd.33, Nr.4, S.501 bis 509, Oktober
1961, erschienenen Artikel »Superconductivity in High Magnetic Fields at High Current
Densities« von J. E. K u n z 1 e r verwiesen. Mit den Zr-Nb-Legierungen wurden die
besten Ergebnisse erzielt, und diese Zr-Nb-Legierungen werden daher für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung vorgezogen. Es sei jedoch betont, daß die vorliegende
Erfindung auch bei Verwendung anderer supraleitender Legierungen Anwendung finden
kann.
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Die Verwendung supraleitender Spulen zur Erzeugung sehr hoher Magnetfelder
ist deshalb sehr verlockend, weil die Kapitalinvestitionen für die Anlage sich bei
Verwendung von Supraleitern an Stelle herkömmlicher Leitermaterialien um einen Faktor
10 bis 100 verringern. Beispielsweise sind bei herkömmlichen Spulen zur Erzeugung
starker Magnetfelder große Motor-Generator-Aggregate und Kühlanlagen sowie große
Drahtmengen erforderlich, was für supraleitende Spulen nicht der Fall ist. Auch
ist die Größe supraleitender Spulen im Vergleich zu herkömmlichen Spulen so erheblich
kleiner, daß mit ihnen viele Anwendungen möglich werden, die früher fast ausgeschlossen
waren.
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Die Verfügbarkeit von supraleitenden Spulen, die mit hohen Feldstärken
arbeiten, wird eine Anzahl praktischer Konsequenzen haben. Beispielsweise können
sie in neuartigen Nachrichtenübermittlungsanlagen, bei welchen hohe Magnetfelder
Anwendung finden, verwendet werden sowie zur Leistungserzeugung, zur magnetischen
Einschließung energiereichen Plasmas und schließlich als Laboratoriums-Elektromagnete
für vielfältige Anwendungszwecke.
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Als typisches Beispiel für eine geringe Größe aufweisende supraleitende
Spule kann eine Spule mit einem Außendurchmesser von 5 cm, einem Innendurchmesser
von 1,25 cm und einer Länge von 3,75 cm dienen. Diese Spule weist 5530 Windungen
mit einem Drahtdurchmesser von 0,28 mm aus einer 251/o Zr-Nb-Legierung auf, die
in flüssiges Helium eingetaucht sind. Sie wird aus einer herkömmlichen 6-Volt-Kraftfahrzeugbatterie
gespeist; ein in der Spule fließender Strom von 18,8 Ampere erzeugt ein Magnetfeld
von 32 500 Gauß über ein Volumen von etwa 2 Kubikzentimeter. Der in diese Spule
gespeicherte Energieinhalt beträgt etwa 80 Joule.
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Eine derartige typische Spule und andere, damit vergleichbare Spulen
werfen jedoch erhebliche Probleme auf, die sich bei ihrem Betrieb ergeben. Es wurde
wiederholt gezeigt, daß der supraleitende Draht der Spule normalleitend wird, d.
h. seine Supraleitereigenschaft verliert, sobald ein kritischer Wert des Stroms
und/oder des Magnetfelds erreicht ist. Für die vorstehend beschriebene Spule stellte
der Strom von 18,8 Ampere den kritischen Strom dar. Sobald der kritische Wert erreicht
wird, erfolgt der Hbergang in den normalleitenden Zustand sehr plötzlich (innerhalb
einiger weniger Millisekunden), was zu einem plötzlichen Freiwerden der gespeicherten
Energie führt. Die Spule wird einer mechanischen Schockbelastung ausgesetzt, und
elektrische Spannungen von mehreren Kilovolt mit nachfolgender
Bogenbildung
können auftreten. Bei Vergrößerung der Spule vervielfachen sich diese Probleme.
Beispielsweise wurde berechnet, daß eine Spule mit einem Durchmesser von 50 cm eine
gespeicherte Energie bis zu mehreren Megajoule besäße. Eine plötzliche Umsetzung
dieser gespeicherten Energie in Wärme würde gewiß zur Verdampfung des gesamten Bads
von flüssigem Helium führen und wahrscheinlich die Spule selbst zerstören. Selbst
in Fällen, wo die Umsetzung der frei werdenden gespeicherten Energie gewöhnlich
keine zerstörende Wirkung hat, führen wiederholte Übergänge in den normalleitenden
Zustand zu einer Störung des supraleitenden Drahts. Aus all dem folgt, daß eine
Vorrichtung zur sicheren Abführung und Unschädlichmachung der frei werden gespeicherten
Energie erwünscht ist.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine supraleitende
Spule zur Erzeugung hoher Magnetfelder zu schaffen, die mit Vorrichtungen zur sicheren
Abführung der beim Übergang des Spulen-Supraleiters in den normalleitenden Zustand
freigesetzten Energie versehen ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art, bei der erfindungsgemäß eine in enger Kopplung mit einer
Supraleitungswicklung gewickelte, normalleitende Sekundärwicklung vorgesehen ist,
die durch einen Schalter über einen einstellbaren Widerstand kurzschließbar ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung; in dieser
zeigt F ig . 1 ein Schaltschema der für die supraleitende Spule gemäß der Erfindung
vorgesehenen Schaltung, F i g. 2 eine Wiedergabe von Oszilloskop-Leuchtspuren, welche
die Änderung des Stroms in der supraleitenden Wicklung bei kurzgeschlossener undbei
geöffneter »Sekundär«-Wicklung sowie die Stromänderung in der Sekundärwicklung,
wenn diese kurzgeschlossen ist, veranschaulichen, F i g. 3 die Wiedergabe einer
Oszilloskop-Leuchtspur, welche die Änderung der Ströme in den Spulenwicklungen vor,
während und nach dem Übergang des Supraleiters in den Normalzustand veranschaulicht.
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Zur Erreichung der obengenannten Ziele ist gemäß der Erfindung eine
»Sekundär«-Wicklung aus einem leitenden Material in der Spule in solcher Anordnung
vorgesehen, daß sie wenigstens mit den meisten Wicklungen des Supraleitungs-Primärwicklungsdrahts
in enger Kopplung steht. Die Sekundärwicklung ist normalerweise kurzgeschlossen,
da die Anordnung mit einer kurzgeschlossenen Sekundärwicklung bei höheren Strömen
arbeitet. Die Verwendung einer Sekundärwicklung hat sich als nützlich bei der Abführung
der beim Übergang der supraleitenden Primärwicklung in den normalleitenden Zustand
freigesetzten Energie erwiesen; sie ermöglicht auch den Betrieb der Anordnung mit
höheren Betriebsströmen als dies ohne die Sekundärwicklung möglich wäre. Für größere
Supraleitungsspulen ist ein hoher Hilfswiderstand vorgesehen, der beim Übergang
in den Normalzustand in den Primärkreis eingeschaltet wird und eine weitere Vorrichtung
zur Abführung der freigesetzten Energie darstellt.
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F i g. 1 zeigt eine typische Spule, bei welcher der Erfindungsgedanke
Anwendung finden kann. Die Spule selbst kann beispielsweise die folgenden Abmessungen
besitzen: Innendurchmesser 1,5 cm, Außendurchmesser 6,3 cm, Länge 3,9 cm. Es sind
60 Schichten von Wicklungen vorgesehen, mit jeweils 2824 Wicklungen aus isoliertem
0,25-mm-Kupferdraht in der Sekundärwicklung S und 0,25-mm-Draht aus einer 25 % Zr-Nb-Legierung
in der Primärwickwicklung P. Primärwicklung und Sekundärwicklung besitzen jede eine
Induktivität von 0,13 H (bei jeweils geöffneter anderer Wicklung). Beim Wickeln
wurde die Spule in einem Epoxydharz vergossen. Die Konzentration des Zirkoniums
in der oben angegebenen Legierung des supraleitenden Drahts kann vorzugsweise im
Bereich von 25 bis 75 % variieren. Das Stromleitungsvermögen der Legierung erreicht
ein Maximum in dem Konzentrationsbereich von 25 bis 35 % Zirkonium in der
Legierung. Gegebenenfalls können andere Legierungen für den supraleitenden Draht
verwendet werden, beispielsweise die in der eingangs erwähnten Veröffentlichung
beschriebenen Legierungen.
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Die Spule ist in ein verflüssigtes Gas, beispielsweise Helium, eingetaucht,
das in dem Behälterraum 10 eines Dewargefäßes 1 angeordnet ist und eine Betriebstemperatur
von beispielsweise 4,2° K ergibt. An Stelle von Helium können gegebenenfalls andere
verflüssigte Gase, wie beispielsweise verflüssigter Wasserstoff, bei Betriebstemperaturen
unterhalb der für die Supraleitfähigkeit der Primärwicklung erforderlichen Temperatur
verwendet werden. Zur Erzielung der besten Ergebnisse soll die Betriebstemperatur
des verflüssigten Gases so niedrig als möglich sein, und sie soll in jedem Fall
unter der Übergangstemperatur der jeweils in der supraleitenden Wicklung verwendeten
besonderen Legierung liegen. Die Spulenenden sind aus dem Dewar herausgeführt und
in der gezeigten Weise angeschlossen. Über der Sekundärwicklung S aus Kupfer liegt
mittels eines Schalters 11 ein Widerstand 9 von 0,01 Ohm. Dieser Widerstand 9 dient
als Meßshunt für das Meßgerät B. Der Widerstand der Kupferwicklung S beträgt bei
der Betriebstemperatur 0,9 Ohm. In dem äußeren Stromkreis der Spule S ist weiter
auch ein regelbarer Widerstand R2 zur Abführung der Energie außerhalb des Dewargefäßes
vorgesehen.
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Über der Supraleiter-Primärwicklung P liegt über einen Schalter 3,
einen regelbaren Widerstand R1, ein Amperemeter 5, einen Handschalter 12 und eine
Relaiswicklung 14 eine herkömmliche 6-Volt-Hochstrombatterie 2. Parallel zu dem
Schalter 12 und Relaiskontakten 13 des Relais 14 liegt ein Widerstand 7. Der Zweck
des Widerstands 7 wird weiter unten noch beschrieben. Im Nebenschluß zu dem Amperemeter
5 liegt ein Widerstand 6 von 0,001 Ohm. Der Widerstand 7 dient für größere Spulen,
was noch näher beschrieben wird; er hat eine Größe von beispielsweise etwa 100 Ohm.
Im Nebenschluß zu der Spule P liegt ein Widerstand 4. Der Widerstand 4 hat eine
Größe von etwa 0,011 Ohm und dient als Notshunt zur Stromleitung, wenn der Supraleiter
der Primärwicklung P in den normalleitenden Zustand übergeht, was der Fall ist,
wenn der kritische Strom durch die Spule fließt. Der Widerstand R, dient zur Regelung
des Stromes durch die Supraleiterspule P.
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In dem Außenstromkreis für die Supraleiterspule wird die Verbindung
zwischen der jeweiligen supraleitenden Leitung und der ihr zugeordneten Kupferleitung
nach folgendem Verfahren hergestellt: Auf
einer Länge von etwa 1,25
cm vom Ende des Supraleiters wird der Oxydüberzug an seiner Oberfläche entfernt.
Sodann wird der Supraleiter in eine axiale Bohrung in dem Kupferleitungsdraht eingeführt
und das Kupfer sodann plastisch verformt, damit es den Supraleiter fest umspannt.
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Bei einer normalen Testung der beschriebenen Spule wird der Schalter
12 geschlossen gehalten, und der Strom durch die Supraleiterspule P wurde allmählich
erhöht, bis der Übergang in den normalleitenden Zustand erfolgte. Dies wurde zuerst
bei kurzgeschlossener und dann bei geöffneter Sekundärwicklung ausgeführt. Strom
und gegebenenfalls auch die Spannung der getrennten Wicklungen wurden gemessen;
die visuelle Beobachtung an einer Kathodenstrahlröhre ermöglichte eine detaillierte
Untersuchung dieser Parameter während des Übergangs. Zur weiteren Analyse wurden
die Leuchtspuren auf der Kathodenstrahlröhre photographiert. Die Spule P wurde wiederholt
zyklisch vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand und zurück übergeführt,
um diese Analysen bei verschiedenen Empfindlichkeiten durchführen zu können.
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Die bei dieser Untersuchung gewonnenen Daten zeigen, daß eine Spule
der beschriebenen Bauart viele vorteilhafte Eigenschaften besitzt, von denen einige
in den F i g. 2 und 3 dargestellt sind. In F i g. 2 zeigt beispielsweise ein Vergleich
der Oszilloskopkurven für den Primärspulenstrom, daß bei kurzgeschlossener Sekundärspule
(Kurve A) der Strom an der Übergangsstelle rascher absinkt als bei offener Sekundärwicklung
(Kurve C). Diese Figur zeigt auch den Strom in der Sekundärspule (Kurve B) im kurzgeschlossenen
Zustand und läßt den Übergang der Energie in die Sekundärwicklung erkennen. Das
Verhältnis der in jeder der beiden Spulen verbrauchten Leistungen ist annähernd
gleich dem Verhältnis der Ströme. Bei kurzgeschlossener Sekundärspule wurde ein
maximaler Strom von etwa 30 Ampere erreicht, bei geöffneter Sekundärspule betrug
das Maximum etwa 20 Ampere.
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F i g. 3 ist eine Darstellung der Oszilloskopspuren, welche die Ströme
in der Primär- und in der Sekundärspule vom Zeitpunkt der Erregung der Supraleiterspule
P bis nach dem Übergang in den normalleitenden Zustand veranschaulichen. Der in
der Sekundärspule induzierte Strom zeigt wiederum, wie die Leistung in sicherer
Weise, ohne Zerstörung der Supraleitungsspule, abgeführt werden kann, wenn der Supraleiter
in den normalleitenden Zustand übergeht. Die hierbei in dem Kupfer erzeugte Wärme
wird ihrerseits in dem flüssigen Gas und/oder über den im Sekundärkreis liegenden
äußeren Widerstand R2 abgeführt.
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Es sei betont, daß die Verwendung einer Sekundärwicklung den Betrieb
der Supraleiterwicklung bei höheren Strömen (30 Ampere) zur Erzeugung eines Magnetfeldes
von etwa 20 000 Gauß gestattet, im Vergleich zu einer Spule mit der doppelten Windungszahl
und ohne Sekundärspule (18,8 Ampere). Die Verwendung einer kurzgeschlossenen Sekundärspule
ist auch ein zuverlässiges und wirksames Mittel zur Abführung der freigesetzten
Energie beim Übergang der supraleitenden Primärwicklung in den normalleitenden Zustand.
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Bei der beschriebenen Spulenanordnung ist ein Verhältnis 1: 1 der
Drahtwindungen für die Primär-und die Sekundärspule vorgesehen, und die Drähte haben
gleichen Durchmesser. Die Spulenanordnung ist nicht notwendigerweise auf diese Werte
des Verhältnisses der Wicklungszahlen und der Drahtgröße beschränkt. Beispielsweise
kann mehr oder weniger Kupfer verwendet werden, um die Energieabführung und die
Zeitkonstante der Schaltung für eine gegebene Spulenanordnung optimal zu gestalten.
Die Sekundärwicklung muß jedoch gleichförmig über die gesamte Primärwicklung verteilt
sein, um die beste Wirkung zu erzielen. Zusätzlich können Durchtritte durch die
Spulenanordnung zum Zutritt von flüssigem Helium (oder irgendeinem anderen Kühlmittel)
vorgesehen sein. Hierdurch würde die Wärmeabfuhr von der Kupferwicklung noch wirksamer.
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Bei dem beschriebenen besonderen Ausführungsbeispiel einer kleinen
Spule sind der Widerstand 7 und die Relaiswicklung 14 für die Wirkungsweise dieser
Spule nicht notwendig und können gegebenenfalls fortfallen; statt des Schalters
12 könnte eine direkte Verbindung zu der Primärwicklung P vorgesehen werden. Bei
größeren Spulen hingegen, beispielsweise mit einem Durchmesser von 50 cm oder mehr,
wo die Anzahl der Windungen und der Wicklungsschichten entsprechend höher ist, ist
der Widerstand der Sekundärwicklung dann entsprechend größer, und beim Übergang
der supraleitenden Primärwicklung in den normalleitenden Zustand wird die in der
Primärwicklung gespeicherte Energie erst dann auf die Sekundärwicklung übertragen,
wenn der Widerstand der Primärwicklung gleich dem der Sekundärwicklung wird. Ist
der Widerstand der Sekundärwicklung verhältnismäßig groß, beispielsweise etwa 60
Ohm, so kann die Primärwicklung möglicherweise ernsthaft Schaden erleiden, bevor
die gespeicherte Energie von der Primärwicklung an die Sekundärwicklung übertragen
wird. Unter diesen Betriebsbedingungen sollte daher vorzugsweise eine zusätzliche
Maßnahme zur Abführung der in der Primärwicklung gespeicherten Energie beim Übergang
in den normalleitenden Zustand vorgesehen werden. Dies kann mit dem Widerstand 7
geschehen.
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Im folgenden soll nun ein Beispiel für die Wirkungsweise und den Betrieb
der Vorrichtung nach F i g. 1 im Falle einer verhältnismäßig großen Spule gegeben
werden. Bei einer derartigen Spule kann der Widerstand der Sekundärwicklung beispielsweise
etwa 60 Ohm betragen. Im Betrieb sind beim Anfahren einer derartigen Spule die Schalter
3, 11, 12
geschlossen. Sobald durch die Primärwicklung P ein Betriebsstrom
fließt, d. h. die Primärwicklung supraleitend ist, wird das Relais 14 unter Schließung
seiner Kontakte 13 betätigt und damit der Widerstand 7 geshunted. Der Widerstand
7 kann einen Wert von beispielsweise etwa 100 Ohm haben. Der Widerstand 7 kann je
nach der Größe des Widerstands der Sekundärwicklung S kleiner oder größer gewählt
werden. Nach Schließung der Relaiskontakte 13 wird sodann der Handschalter 12 geöffnet
und verbleibt in geöffnetem Zustand. Die Schaltung befindet sich nun in einem Zustand,
in welchem sie auf einen Übergang der Supraleiterwicklung P in den normalleitenden
Zustand anspricht. Bei einem derartigen Übergang in den normalleitenden Zustand
sinkt der Strom durch das Relais 14 ab. Der Stromfiuß durch das Relais 14 reicht
dann nicht aus, um die Relaiskontakte 13 in Schließstellung zu halten, und der Widerstand
7 wird somit in Reihe zu der Primärwicklung P eingeschaltet und dient,
ins
ämmen mit der Sekundärwicklung S, als Vorrichtung zur Abführung der in der Primärwicklung
gespeicherten Energie. Das Relais 14 mit seinen Kontakten 13 ist ein herkömmliches
Relais des Typs mit sofortiger Unterbrechung und ist mit bekannten Vorrichtungen
zum Schutz der Kontakte gegen jegliche beträchtliche Bogenbildung, die bei der Öffnung
der Kontakte auftreten könnte, versehen.
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Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß das System
gemäß F i g. 1 sowohl für kleine Spulen (der Schalter 12 normalerweise geschlossen)
als auch für größere Spulen (Schalter 12 anfänglich geschlossen, nach Einsetzen
des Supraleitungsstroms geöffnet) geeignet ist. Für kleine Spulen reicht die Sekundärwicklung
für den gewünschten Schutz aus. Für größere Spulen liefert die Sekundärwicklung
zu-sammen mit dem Widerstand 7, der beim Übergang in den normalleitenden
Zustand eingeschaltet wird, die gewünschte Schutzwirkung für die Spule.