DE1439791A1

DE1439791A1 - Supraleitende Vorrichtung

Info

Publication number: DE1439791A1
Application number: DE19621439791
Authority: DE
Inventors: Wakefield Kenneth Earl; Mills Robert Gail
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1961-09-18
Filing date: 1962-09-18
Publication date: 1969-03-20
Also published as: GB983528A; US3177408A

Description

Die Erfindung betrifft Supraleiter und insbesondere supraleitende Systeme zum Erzeugen von Hagnetfeldern·

Entsprechend des Phänomen der Supraleitfähigkeit» das 19t1 von Kamerlingh-Onnes entdeckt wurde, besitzen einige Materialien bei einer hinreichend geringen Temperatur einen übergangapunkt, bei dem ihr endlicher elektrischer Widerstand Hall wird. Dieses Verhalten der Supraleitfähigkeit wurde beobachtet, wenn beispielsweise folgend· Eleaete auf die ausgeführte Temperaturen abgekühlt wurden·

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Element	*	Niob	kritische Temperatur in
Blei	Grad Kelvin
Vanadium	9,22
Zinn	7,20
Indium	4,3
Aluminium	3,71
Hafnium	3,38
1,15
0,35

Ea wurde beobachtet, daß Legierungen dieser oder anderer Elemente bei ähnlich tiefen' Cemperaturen ebenfalle supraleitend werdenο Im Gegensatz hierzu «eigen andere Elemente wie ZcBo Kupfer,, Silber, Gold, Magnesium, Eisen, Hiekel und Kobalt sowie andere Legierungen, ein normales Verhalten, wenn sie auf Temperetuern von weniger als 0,1 Grad K abgekühlt werden, d.h. sie besitzen auch bei diesen Temperaturen einen bestimmten, aeßbaren spezifischen Widerstand« Materialien, die die Eingenachaft haben, dass si· bei niederen Temperaturen den Widerstand RUH besitsen, d.h. H- 0» werden ale Supraleiter bezeichnet. Der normale speeifisohe Widerstand dieser Materialien stellt eioh spontan wieder ein, wenn ihr· Temperaturen Über einen Punkt erhöht werden, bei dem ei· supraleitend wurden. Es wurde ebenfalls gefunden, daß der normal· spesifieohe 'Widerstand sich spontan «inst eilt, wenn der Supraleiter einem magnetieohen Fold aus-

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geeetzt wird. Je näher die Temperatur des Materials an der übergongetemperatur oder kritieohen Temperatur liegt» desto geringer muß die kritische Magnetfeldstärke H₀ sein« die nötig ist» um den Zustand des Materials zu ändern, wie di· nachfolgend skizzierte parabolische Kurve scheaatisch seigt

Temperatur ' 'max Im allgemeinen hat, sogar bei niederen Temperaturen, das kritische feld H_c einen relativ geringen Wert, gewöhnlich nur einige taueen Gaueβ für die meisten Supraleiter· Der Stromdurohgang durch den Supraleiter erzeugt seihst Magnetfelder mit Stärken, die Oberhalb der kritieohen ?eld*tarke liegen können, wodurch der Supraleiter in den normal*» leitenden Zustand zurückkehrt.

Wegen ihreβ verschwindenden Widerstandes werden Supraleiter vorteilhaft für die ErBeugung von Magnetfeldern verwendet· Solche Leiter haben, da die Oha'sehenVerluste üblioher Wideretandeleiter nicht auftreten, einen größeren Wirkung·* grad bei der Erzeugung von Magnetfeldern· Es wurde jedoch gefunden, das», wenn quellenfreie Magnetfelder mit Supraleitern erzeugt werden, ein großer Anteil der Energie in Fora dee erzeugten, magnetischen Feldes gespeichert wird

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und die Gefahr besteht_f daß diese Energie in Wärme umgewandelt wird, die ausreicht, um den Supraleiter asu schmelzen, verdampfen oder zu zerstäuben· wenn der Supraleiter in den Zustand normaler Leitfähigkeit eurückkehrt, wenn beispielsweise ein Fehler in der Kühlanlage auftritt, oder die Stärke des Magnetfeldes Über die kritische Magnetfeldstärke H₀ des Leiters ansteigt· i£s wirden deshalb Einrichtungen zum Terhindern einer Beschädigung eines solchen Supraleiters als erforderlich angesehen«

Die Erfindung sohafft einen Supraleiter, der in der Lage ist, quellenfreie Magnetfelder «u erzeugen und Einrichtungen» um die Energie des Magnetfeldes, die von den Supraleiter erzeugt wird, su absorbieren, eo daß der Supraleiter von einer Beschädigung bewahrt wird, die durch überhitzung verursacht werden kann, wenn der Supraleiter in den Zustand normaler Leitfähigkeit surUckkehrt. Hierfür sieht die Erfindung Einrichtungen Tor, die bei einem Zusammenbruch des Feldes die Energie aus dem feld entfernen. Schließlich wird gemäß der Erfindung ein auf tiefste Temperaturen gekühlter Elektromagnet vorgesehen, der einen Supraleiter besitzt, welcher ein quellenfreies Magnetfeld erzeugen kann, dessen ?eld-

etärke größer als die kritische Feldstärke des Supra·»

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'letters ist. Hierfür werden Einrichtungen stun Schütze des Supraleiters vor Beschädigung, wenn er in den Zustand normaler Leitfähigkeit zurückkehrt und Einrichtungen zur Aufnahme der Energie aus diesen Felde geschaffen· Insbesondere besitzt eine praktische AusfUhrungsfora nach dieser Erfindung einen Supraleiter, der ein stark·· quellenfreies Hagnetfeld erzeugen kann und Einrichtungen» um die Energie aus diesem Felde zu entfernen, weiche Einrichtungen eine normale Widerstandsspule aufweisen, die elektrisch parallel suä Supraleiter geschaltet, induktiv eng mit dem Nagnetfeld gekoppelt ist und eine größere Masse als der Supraleiter besitzt, so daß die Spule, die Energien aus dem Feld, die in Form von I²R-Verlueten in der Spule auftreten, absorbiert·

Anhand der Figuren wird die Erfindung belspielswel·· näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Teilansioht einer Ausführungsform d«8 erfindungsgemäßen Solenoid·,

Figur 2 zeigt einen Querschnitt längs der Linie IX-XI in Figu? 1, wobei einige Elemente teilweise weggelassen sind.

Figur 3 zeigt einen Teilquerschnitt längs der Linie IXX-XXI in Figur 2·

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Figur 4 zeigt die geometrischen Verhältnisse der in Figur 3 dargestellten Anordnungen«

figur 5 zeigt sohematisch einen Teil des in figur 3 dargestellten Supraleiters, wobei die Feldlinien und dl« magnetischen Equipotentiellinien dargestellt einö, dit bei einer Geometrie, wie sie in Figur 3 geneigt ist, erzeugt werden,

Figur 6 zeigt in sehematiacher Ansicht «inen Teil des in Figur 2 dargestellten Supraleiters·

Figur 7 »eigt in echematiseher Ansicht den elektrieehen Schaltkreis für di® in Figur 2 dargestellte Anordnung.

Figur 8 zeigt schematisch das elektrisch© System unö das Kühlsystem der in Figur 2 dargestellten Anordnung.

Figur 9 zeigt in graphischer Darstellung die Erregung eines erflndungsgeiaäSen Solenoids.

Figur 10 zeigt in graphischer Darstellung die Entladung der erfindungsgeffiäßen Spule Über einen hohen Widerstand.

Figur 11 zeigt in graphischer Darstellung die Entladung einer Üblichen Konäonsatorbatferle über einen hohen Wider«

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Figur 12 zeigt einen Querschnitt einer anderen AusfUhrungsform, der in Figur 2 dargestellten Anordnung·

Bas in Figur 1 dargestellte toroiäförmigt Solenoid 11 kann rorteilhafterweise in einem Stellarator verwendet werden, der ähnlich den Experiment ier-Stellaratoren iet, dJ in "Controlled Thermonuclear Reactions" τοη Glasetone J und LoYberg beschrieben werden, um ein toroidförniges quellenfreies Hagnetfeld fUr die Eingrensung eines Plasmas in einem evakuierten toroidförmigen Bohr aus niohtBagnetisohem Material su bewirken, wie beispielsweise das Rohr 12, das in dtn Figuren 2 und 3 darfestellt ist. Ebenso kann, wie weiter unten ausgeführt werden wird, das Solenoid 11 als Energieepeichereinrichtung zum Erregen eines Widerstandes verwendet werden, wie beispielsweise einer Magnetspule, die in einem Stellarator vorgesehen iet, um ein Hochtemperatur*!««» einzuschließen.

Das Solenoid 11 weist einen Supraleiter 23 auf, der ein starkes Hagnetfeld erzeugt. Bei einer bevorsugten AusfUhrungaform ist das Solenoid um eine Aohse 25 gewickelt, die als kreisförmige Achse in einem toroidförmigen Rohr, beispielaweise dem Rohr 12, dargestellt let. Torteilhafterweiee besitzt der Supraleiter 23

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einen rechteckigen Querschnitt, wie in dan figuren 2 und 3 dargestellt und ist in einem solchen Winkel zur Achse 15 angeordnet, dass die Längsauemessung des Supraleiters größer ist als die Projektion des Jlauaes zwischen den leitern auf die Achse 25 und die Projektion des Supraleiters auf diese selbe Achse 25· Der Querschnitt des Leiters 23 ist um einen Winkel von 10° gegenüber der Achse 25 verdreht, wie in Figur 4 dargestellt· Diese Konfiguration erzeugt eine rlppenfttrnige Stroafläohe, ua die Achse 25» die in Vergleich zu der Hagnetfeldstärke» die durch· einen zylindrischen Leiter na die Achse 25 erzeugt werden würde, die Stärk· dt» pagne* tischen Feldes, das um die Aohse 25 herua «rseugt wird, vergruSert. Diea kommt einer Vergrößerung der Magnetfeldetärke gleich, die durch ein Solenoid ait vielen Lagen um die Achse 25 vergleichsweise su eines Feld erzeugt werden würde, das mit eines eylindriachen Leiter rund um diese Achse erhalten werden würde.

Ein das Feld formender Teil 35 verhindert, daS die rippenfunaige Stromfläche an den Innenseiten des Supraleiters 23 örtlich hohe Felder erzeugt. Ebenfalls bewirkt der Teil 35 ein resultierendes starkes Feld längs der Achse 25, welches stärker als das Feld ist, das tangential zur Oberfl;: ^a des Supraleiters 23 gerlohtet ist. Als Ergebnis hiervon, kann das resultierende Feld

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sogar etärker sein ale der kritischen feldstärke H_Q des Supraleiters 23 entspricht.

Zu diesen Zweck sind Nuten oder Rillen 41 in periodischen Abständen schraubenförmig an der Innenseite des toroid» förmigen, das Feld forstenden Rohre β 35 und koaxial zu der Achse 25 dieses Rohres angeordnet· Wie in Figur 3 dargestellt, besitzen die Rillen oder Nuten 41 kleine Schlitze 44 längs ihren Seiten· Diese Schlitze 44 sind in Abständen periodisch zwischen erhabenen Teilen oder Stegen 45t die duroh die Seitenwandungen der Nuten 41 gebildet werden, und zu der Achse 25 geneigt angeordnet· Me Schlitze 44 sind zahlreich und der Supraleiter 23 ist verglichen zu der Breite der Hüten 41 relativ tief in den Schlitzen eingebettet· Die Feldlinien 46 des Supraleiters werden auf diese Weise von dem Teil 35 so beeinflußt, dass sie parallel zur Oberfläche det Supraleiters verlaufen und in den feldformenden Teil 35 eintreten, vorteilhaft erweise wird die »agnetieche Sfcttlftmg des Teil· 35 nicht überschritten. Figur 5 zeigt einen einzelnen Absohnitt «Ines Schlitz·· Bit Hagnetfeldlinien 46 und au diesen Kagnetfeldlinien ia rechten Vinkel verlaufenden Equi-Potentiallinien. Di· annähernd horizontalen Linien unten in Figur 5 sind Linien konstanten Fluss·· und ihr· Dichte stellt die erzeugt« Magnetfeldet&rk· längs der Achse 25 dar, die,wie oben ausgeführt wurde, die

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kritische Feldstärke E_n des Supraleiters 23 überschreiten kann. Wie dargestellt, formt das Rohr oder der Stil 35 die magnetischen Feldlinien oo, da8 sie sieh heim Eintritt in die Nuten 41 krümmen, so daS die Linien söhn« 11 alt aunehmender Tiefe quer zu den Nuten 41 verlaufen· Aa Ort dee Supraleiters 23 verlaufen die magnetlachen Feldlinien parallel und das Feld besitzt eine nahezu konstante Stärke«

Gemäß den allgemein bekannten Keiee&er~££;fekt, der in Suparfluid erschienen in LoMon» oder in anderen Liter»,-tursteilen beschrieben wird» dringt 1» >«i»Btlioh©Q kein magnetischer Huß in den Supraleiter 23 ein.. Vie aas dta obigen Ausführungen hervorgeht, ist der Teil 55 ei» ^wfield-shaper" der susätelleh alt den Jeldliaien 4β in Wechselwirkung tritt, di« !finge der QbejrfUleh· 46 benachbarter leiterteile erseugt werden·3·? fftil 35 beeinflußt die ]?eldllBi«n 45 so» daß si· «in la w#«eutlich·» gleich» t6ntigt}Q starkes röuulti«r«nd#e H«^n«tftld ISngii der Aohe« 25 erzeugen, ü&u größer lsi als dm· feld liege der Oberfläche 48 des Leiters wi@ in Figur 5 dArgeetel'lt lit« 3Ia starke Felder länge der Achse 25 erzeugt werden, wird der Teil 33 aus einea hinreichend starken und festea Material hergestellt* um den Kräften, die durch die VTeehselwirkung des Stromes und des Feldes erzeugt werden, zu widerstehen.

Der das Feld formende Teil 35 wird vorteilhafterweise auo

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normalem Widerstandsmaterial mit einem hohen magnetischen Sättigungevermögen hergestellt, um als wirksamer Feldformer (field-shaper) zu wirken. Bei der dargestellten Auefüfcrungeform hat eich Bisen mit einer Sättigung von . 22 000 Gaues als geeigent herausgestellt« Jtdooh sind auch andere Materialien geeigent, wie beispieleweise

Materialien	Sättlftunasdlchte 1	i in Qaues
kalt gewalzter Stahl	21,000
4 * Silikonstahl	19,700
4 H Silikonstahl mit orientierten Kristallen	20,000
Permadur	24,500
2 V Permadur	24,000
Öyperco	24,200
Disproslum	25,000
Erbium	25.000
Holmium	40,000

Die gewünschten Verhältnisse der Abmessung dee Teile 21 können entsprechend den in Figur 4 eingetragenen Variablen wie folgt bestimmt werden: Die Feldbedingung ist lediglich eine Neuformulierung der Beziehung

fo H_dl « 4j, nämlich aH_c - (a + b) (sin «) H_Q Die Bedingung für den Fluß berücksichtigt die Erhaltung des Flusses und die Tatsache, daß im wesentlichen kein Fluss in

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den Supraleiter 2? entsprechend dem Meißner-Effekt eintritt, eowie daBS der WLuQ, der die Schlitze 44 passiert, aus dem Lican austritt, ohne die Sättigung dasselben zu überschreiten, oder, b B_fl β H₀. (a+b) cos Q , wobei B. die Sättigungeinduktion dee Biβenβ ist« Die geometrischen Grenzen, die durch die Eigenschaften dee Materials gesetzt sind, können durch Teilung der letzten Gleichung durch die vorletzte beschriebene, nämlich

-2,

^Hc

c b tan β -

Vorteilhafterweise besitzt der Leiter 23 ebene Oberflächen 43, einen rechteckigen Querschnitt und ist aus eine« üblichen, supraleitfähigen! Material, wie z.B. Niob hergestellt, dessen kritische Magnetfeldstärke etwa 6000 Gauss bei 4⁰K 1st· Aber auch andere supraleitende Materi- I allen können verwendet werden« wie beispielsweise dl· Supraleiter, die oben erwähnt werden, eine Legierung von ITiob - 3 und Zinn, eine Legierung aus drei Teilen Viol» und einen Teil Zirkon oder eine Legierung aus Cäsiu«, Gadolinium und Ruthenium· Sie kritisch· Feldstärke einer Mob- 3 Zinnlegierung kann bis zu etwa 100 Kilogaues und *■ betragen und die kritische Feldstärke einer Niob - 3 Zirkoniumlegierung beträgt über 30 000 Gauss bei - 452⁰F, bei welchem FaId ein Strom von 100.000 Amp« cn durch

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den Leiter fließt.

Sine geeignete elektrische Energiequelle 50 erregt den Supraleiter 23· VfIe dargestellt, ist die Energiequelle 50 belepielsweise eine Stromquelle mit einer maximalen Leistung von 20 KV, deren eine Leitung 51 mit dem Supraleiter 23 an der Stelle P und deren ander· Leitung 53 mit dem anderen Ende des Supraleiters 23 an der Stelle P₁ verbunden ist um auf diese Weise den Kreis Über den Supraleiter 23 zu schließen. Zu diesem Zweck ist der Supraleiter 23 in den Nuten 41 in Windungen koaxial aufgewickelt, wobei er in den Schlitzen 44 liegt und längs einer Seite jeder But 41 zuerst in Kreisen mit abnehmenden Durchmessern bis zu einer Verbindungeleitung, z.B. der Leitung 55 und dann längs der Seiten der nächsten Hut in Kreisen mit zunehmenden Durchmesser aufgewickelt 1st, wie in den Figuren 3 und 6 dargestellt· Hierauf verläuft der Supraleiter 23 in koaxialen Windungen, deren Kreisdurchmesser abnimmt, und ist beispielβweis· mit einer anderen Leitung 55 mit den Leitern in den übrigen Hüten 41 und den aufeinanderfolgenden Schlitzen 44 in Reihe geschaltet. Die !Tut 41 verläuft schraubenförmig an der Innenseite des endlosen torusförmigen Rohres 35 zu einer Stelle Pj on der der Supraleiter mit der Leitung 53 und der quelle 50 verbunden fet. Ein geeigneter elektrischer Isolator, z.B. ein Überzug aue Aluminiumoxyd, isoliert den

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Leiter 25 elektrisch von dem Teil 55·

Durch, die Erregung des Supraleiters 25 wird ein Magnetfeld länge der Achse 25 erzeugt, in dem eine große Energiemenge gespeichert ist» Bs wurde gefunden_t daß die Energiespeicherung eine quadratisch» Funktion &·τ feldstärke ist. Wie oben erwähnt» kann der Supraleiter seinen Zustand von der Supraleitfähigkeit su normaler Leitfähigkeit ändern, wenn beispielsweise ein fehler in dem fühleystem vorliegt oder das zu dem Supraleiter 25 verlaufende tangentiale Feld über die kritisch» feldstärke H_Q anwuchst« Dies 1st mit der Gefahr verbunden» daß die Feldenergie in i'.'ärme umgewandelt wird, die hinreichend gross ist» im den Supraleiter zu schmelzen, zu verdampfen oder zu zerstäuben* jedoch wird diese Gefahr durch die »rfindungsgemäßen Maßnahmen verringert, indem eine Schutsüpule 61 In des Magnetfeld, das durch den Supraleiter erzeugt wird« angeordnet ist, sodaß in dieser Spule große Anteil* der Feldenergie in Form von Ofessehen Verlusten absorbiert werden* dl· auftreten* M&sm der Suparlslter von seines supraleitenden Zustand in den nonaalleitendon Zusfaad übergeht·

Sie Spule f *» 1st vorteilhaften*©!®» ©ine die in mehreren Lagen in den Hüten 4t wie beispielsweise in den Figuren 2 und 5 dargestellt ist_e aufgewickelt 1st» sodaß sie eine größere Hasse als die Hasse des Supraleiter»

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23 besitzt. Vorteilhafterweisβ besteht die Spule 61 aus einem Material Bit einer groflen Wärmekapazität und einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, wie das beispielsweise bei Kupfer der Fall ist. Auch andere Materialien! einschliesslich Gold und Silber, sind geeignet· Ebenfalle ist die Spule 61 induktiv eng mit dem Leiter 23 gekoppelt und elektrisch zu diesem parallel geschaltet· Sie Spule ist mit ihren Enden mit einem hohen Widerstand 71 verbunden. Der Kupferdraht 37 besitzt eine geeignete dünn« ™ Isolation beispielsweise aus Aluminiumoxyd, das einen hin» reichend starken überzug bildet, um einen direkten Stromfluß Ton dem Supraleiter 23 zu der Kupferspule 61 zu verhindern. Die Anordnung der Spule 61 ist vorteilhaft, da die Energie eines Magnetfeldes proportional dem Quadrat seiner Intensität ist und eine große Feldstärke in dem Supraleiter 23 ist erforderlieh, um starke Felder zu erzeugen. Wie ebenfalls oben ausgeführt, bringt dee starke Feld die Gefahr mit sich, daß ein Ansteigen der Temperatur j oder eine Änderung des Feldes in dem Leiter 23 eine plötzliche Energiefreigabe bewirkt« die sioh in Form einer Explosion oder einer anderen Beschädigung des Leiters 23 äußert.

Me Spule 61 hält den Supraleiter 23 ebenfalls unter*seiner kritischen Temperatur T, d.h. der Temperatur, unterhalb der der Supraleiter 23 sich im supraleitenden Zustand

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befindet. Zu diesem Zveck ist in Mhe dee Supraleiter« 23 ein hohler Kanal 31 vorgesehen, durch den flüssiges Helium· &UB einer geeigneten Quelle 83 geleitet wird. PlÜeslgee Helium besitzt eine Temperatur von 4⁰K und diese Temperatur ist gut unterhalb der kritischen Temperatur der Meisten Supraleiter, elnschliesslich des oben erwähnten Leiters aus Niob. Niob selbst besitzt beispielsweise eine kritische Temperatur von 9,22⁰K und Niob mit einer Temperatur von 4⁰K besitzt eine kritische Magnetföldetärke von etwa 6000 Gauss ο Ein geeigneter Dewar- oder Isolationsmantel zwischen dem Supraleiter 23 und der (umgebenden Athmoephäre heaat den Wärmestrom aus der Athmosphäre zu des Supraleiter hin« Ebenfalls ist vortellhafterweiee eine Isolation 84 !wischen dem Supraleiter 23 und dem .Rohr 12 vorgesehen«

Ba der Supraleiter 23 den Widerstand Bull besltst, wird keine wärme in dem leiter erzeugt und das beschriebene System let deshalb ausreichend für eine einfache und wirksame Kühlung des Supraleiters 23·

Es v/ird betont, dass wenn die kritische Magnetfeldstärke H_c gering ist, wie beispielsweise bei eines Niob-Leiter 23 Im Vergleich zum Sättigungsfeld B. des ferromagnetisch» Tells 35, dann kann ein resultierendes PeId längs der Achse 25 erhalten werden, das durch folgende Gleichung gegeben lets B^_x * H_c ο cot 0 , wobei Q der Böeobunge-

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winkel der Schlitze 44 in dem Teil 35 bezogen auf die Achse 25 ist (siehe Figur 4). Wenn das kritische PeId H relativ stark ist, wie beispielsweise bei einem Niob-Zinnleiter 23, der eine hohe kritische Feldstärke» beispielsveise über 100 000 Gaues besitzt, wird eine Abechirmung 35 aus Bisen mit einer Sättigungskapasität von B vom 22 000 Qauea ein resultierendes Feld um die Achse 25 von etwa 120 000 Gauss gemäß der Gleiohung

¹W = ^Ho

erzeugt.

^wie dargestellt und beschrieben, besteht das Material dt· Rohre 35 vorzugsweise aus Eisen und ist mit einer Feld» stärke 3_Ä von 22 000 Gauss gesättigt. Der Supraleiter 23 besteht aus Hieb und besitzt eine kritische Feldstärke B₀ von 6 000 Sause. Der winkel θ ist 10° und das erzeugte quellenfreie Feld längs der Achse 25 betrügt 13 000 Gaues. Der Supraleiter 23 besitzt einen Querschnitt, dessen Breit« 0,3 cn und dessen Länge 1,5 em beträgt· Xr ist In Form eines hohlen Solenoids gewickelt, dessen innerer Durchmesser 24 om beträgt. Das Toroid selbst bee J*et einen Innendurchmesser von 72 cm. Die Energiequelle 50 (sieh· figur 7) ist eine Stromquelle mit 20 kW maximaler Leistung, dl· in etwa 10 Sekunden 125 000 Joule Energie in dem Leiter 23 speichern kann. Diese erzeugt ein Feld von etwa 13 000 Gaue» läng· der Achoe 25·

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Die beschriebenes supra !feit «n<£e Vorrichtung hat gegenüber bekannten Systemen den Vorteil, dass der Supraleiter bei Übergang in den ncrmalleitendeix Zustand vor Scheäcm geschützt ist» Ebenso wird_f vde nachfolgend im einseifen erläutert, eine Einrichtung geschaffen, durch die die Energie, die in dem Magnetfeld gespeichert irt, wahlweise und schnell über den Wideretand 7t abgeführt wirde

Im Betrieb pumpt eine geeignet® Pumpe 8§ flüssiges Hellua aus einer Quelle 83 durch die Spule.61 us dtn Leiter 23 in seinen, supraleitenden Zustand überzuführen» während dl· elektrische Isolation 87 den Punpex&^els von &eü supraleitendem elektrischen Kreis isoliert, wi· in Figur 8 dcrgestell^o Mittels Binriehtisngea 50 «i?d der 25 erragt, um ein erstes Magnetfeld tangential «u dta Supraleiter, bel@piel@weise ein F@!& ralt einer Stärk®

ße tmterhalb d@r kritiaohea FeldetKrke H₀ des leiterg au erzeugen« Die In dem Ma^etftld g®speichert· Inergie l©t @shr groB_t da 3i« gw$nieh*r*,m £&ergle alt Quadrat d@r feldstärke läng© der A@h©a 25» stmiMfit« Venn der Supraleiter 23 In seinen n®vmX l«it#nd#n Werstand tibergefesn wird &i@ lüer^ie normal®rw@iae in Olm »ehe Wärme in dem Supraleiter liüuewandelt, wodurch dl® Gefahr der Beschädigung des Leiters gegeben tat» Die Spule 61, die in dem Magnetfeld angeordnet ist, besitzt jedoch einen normalen Widerstand* Wenn der Supraleiter in einen normal-

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leitenden Zustand tibergeht, nimmt das Magnetfeld rasch ab oder bricht völlig zusammen und diese Feld-Änderung bewirkt einen Stromfluß und einen Ohmeeheη Verlust in dieser Spule 61, so daß die Energie des Feldes an die Spule abgegeben wird.

Da die Spule eine große Hasse besitst, welche größer

als die des Supraleiters 1st, aus einem Material mit *

einer hohen spezifischen Wärmekapazität besteht und eine große elektrische Leitfähigkeit aufweist, nimmt diese Spule 61 den Hauptteil aus dem Energiefelde auf und leitet diese Energie in Form von elektrischer Energie zu dem elektrischen Wideretand 71 und verhindert dadurch eine Beschädigung des Supraleiters durch Überhitzung«

Ebenfalls tragt der Fluß des Kühlmedium· in der Opule 61

dazu bei, daß die Spule 61 nicht überhitzt werden kann.

Diese Sicherheitswirkung der Spule 61, dl· darin beeteht, Energie aus dem Magnetfeld in Form von Ofam'eohen Ver- (

lunten aufzunehmen und in einen elektrischen Stromfluß zu dem Widerstand 71 abzuführen, kann ebenfalls selektiv angewandt werden, um die Energie aus dem Feld· abzuziehen.

Zu diesem Zweck werden geeignete Helais und Kontakte» wie

sie in Figur 7 dargestellt sind, verwendet. V/enn der

Druckkontakt 101 herabgedrUckt wird, werden die Anker

105 und 109 geschlossen und kommen mit den Kontakten 111 und 113 in Berührung. Dadurch wird der Supraleiter

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23 mit einer hohen Ladung erregt» beispielsweise wenn er sich in seinem supraleitenden Zustand befindet und wenn der Lastwiderstand 7t von der Schutzspule 61 abgetrennt ist ο Wenn der Druckkontakt 101 freigegeben wird, öffnen eich die Anker 103 und lösen eich von den Kontakten 111 un die Stromquellen 50 von dem Supraleiter 23 au trennen· Ebenfalls öffnet eich* der Anker C und die Anker 109 schließen sich um den Lastwiderstand 71 Mit der Spul· 61 zu verbinden, Weiter schließt eich der Anker B um «inen elektrischen Stromkreis mit den Enden des Solenoid« 11 zu koppeln, das durch den Supraleiter 23 gebildet wird» in dem die hohe ladung und die dadurch erzeugte hohe PaIdstärke verbleibt. Wenn hierauf der Druckkontakt 115 gedrückt wird, öffnet sich der Anker 3 und bewirkt, dass dus Feld, das durch den Supraleiter 23 erzeugt wird, zusammenbricht, wodurch ein elektrischer Strom in der Schutzspule 61 zu dem Belaetungswideretand 71 fließt, während die Spule 61 die ohm'sehen Stromverluste absorbiert. Eine Drosselspule 201 kann verwendet werden, um zu verhindern, dass Übermäßig hohe Ströme au« der Stromquelle 50 fließen, wenn der Druckkontakt 101 freigegeben wird und gleichzeitig der Druckkontakt 115 gedrückt wird. Bie Steuerung 202 regelt die Strommonge durch den Supraleiter

Die Supraleiterspule 11 knmi bie zu dem Zweifachen vergruseert werden, um eine Ladung von 1 000 000 Joule Energi«

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zu enthalten, v/iβ in figur 9 dargestellt« Die Energie In de« Supraleiter kann schnell Über den hohen Widerstand 71 entladen v/erden, wie in Figur 10 dargestellt, sogar schneller ale eine übliche Kondensatorbatterie dies versag, vie durch einen Vergleich der Figuren IO und deutlich wird. Weiter besitzt die Verwendung des Solenoid« 11 für eine Speichervorrichtung, die eich schnell ent-* · lädt, den unerwarteten Vorteil des leichten Gewichtes, der Kompaktheit, der geringen Anschaffungskosten und der Betriebssicherheit gegenüber den üblichen Kondensatorbatterien. Es ist allgemein bekannt» dass eine Kondensatorbatterie zur Speicherung grofier Energiemengen schwer» unhandlich und teuer ist und bei Verwendung üblicher Schmelzsicherung die Gefahr der Explosion besteht. 3el der vergrößerten Aueführungeform sur Aufnahme ten 1 000 000 Joule kann das Feld länge der Achse 15 ttwa 50 000 Gauss betragen und in diese« Fall kann der Supraleiter aus einer Hiob-3 Zinnlegierung bestehen, deseen kritisch· Feldstärke über 50 000 Oauss liegt.

Bei der oben aufgeführten Betriebsweise und bei Verwendung der Vorrichtung sur Energiespeicherung ist die Energie, die in der beschriebenen Supraleitvorrichtung gespeichert wird, in dea durch diese Vorrichtung erseugten Magnetfeld enthalten und beeinflußt nicht direkt die Temperatur der supraleitenden Spule 23 mit Ausnahme der

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Ohm'sehen Verluste, die ati£treten_s w&raa. die Spule 23 nicht supraleitend ist. Eine supraleitende induktive Energieepeiehörvorriühtung die nicht mit einer äuSeren Energiequelle verbunden ist, wird vollgeladea bleiben» wenn der Supraleiter nicht in seinen Romalleitenden 2u« stand zurückkehrt. Wenn sich dies ereigne*.-sollte, bei Abwesenheit der Sehutaspule 61 nacli &©r Erfindung würde die Energie in dem Magnetfeld in YiSn&e in dem Supraleiter 23 umgewandelt werden, was su «ines Ruderst starken (explosiven) Temperaturanstieg in den Supraleiter 23 führen würde·

Sie Schutsspule 61, welche ebenfalls alt dem Magnetfeld! gekoppelt ist» absorbiert den Hsuptteil der Feldenergie in Form von Qfcis-eöäen Terlusten (Wärae) in der 9-hut*- wicklung selbst. Di die Scrutzepula 61 eine groÄ« Masse im Vergleich z-um Supraleiter 23 besitzt, 1st eer· turanstieg der Wicklung 61 kleider und füfevt weder ^u einer übentäBigen Brwärrnimg nooh x&e Explosion· Ein physikalischer Kontakt zwiecfea» der 61 und dem Supraleiter ist nla&t * rf order Ii ob« Insbestmdere müssen kein® Vorkehrtmgen getroffen werden, üb &ie Wärm® von dem Supraleiter zu der dciiutzwicklung 6t abaniaitsm. Da die Sclmtswicklung 61 den größeren feil d©r in äem Magnotfeld geapeicherten Energie absorbiert« tat die won dem Supraleiter 23 bei Zusammenbruch Sos Feldes

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nommene Energie stark reduziert, was zu einem wesentlich kleineren Temperaturanstieg in dem Supraleiter 23 führt und die Verwendung des Supraleiters 23 für die Erseugung starker Felder und die Speicherung grÖBerer Energieaengem bei größerer Sicherheit als bisher möglich war, ermöglicht·

Wenn die kritische feldstärke während des Ladungsvorgangs überschritten vird, steigt die Spannung, die mir Aufrecht erhaltung des Stromes in de» Supraleiter 23 erforderlich ist, an und auf diese Weiss ist sin erhöhter Energiebedarf fUr die Versorgung des Supraleiters 23 erfordernoh. Diese zusätzliche Energie wird von dia - *- Supraleiter 23 in form von Wärme absorbiert, erhöht dessen Temperatur und verringert die kritische feldstärke (siehe die anfange dargestellte Kurve)· Auf dless Weiss kehrt der Supraleiter 23 sehr schnell in seinen normalleitenden Zustand BurUok. Wenn bei diesen gsnsen Verfahren der Strom konstant bleibt, bleibt das feld, das duroh den Strom erzeugt wird, ebenfalls konstant· Alles, «as sieh ändert, 1st dis Eingängeenergieaenge, um diesen Zustand cufreoht zu erhalten. Gewöhnlich vird die Energiequelle 50 jedoch in der Lage sein, diese Energie zu liefern und der Supraleiter 23 wird Energie aus dem Magnetfeld absorbieren, Venn dieses zusammenbricht. Ba jedoch die Schutsspuls 61 parallel zu der supraleitenden Spule 23 gekoppelt ist, fällt der Einsatz dieses Zustandet auf, da der

Strom in der Schui£epo/e flnc+«'«}+· ?<*.st die ge-

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Samte zueätziiche Energie, die das System erfordert, tritt als Wärme in der Schutzspulβ 61 auf, wodurch der beschriebene Vorgang in einem Maße verlängert wird, dass es möglich 1st, den Eingangestroa ao einzuregeln, daß er unter dem Strom bleibt, welcher die kriteche Feldstärke erzeugt, ehe die Temperatur des Supraleitere 23 merklich angestiegen 1st oder das flüssige Helium in der Schutζspule 61 die erzeugte Wärme absorbieren kann.

Bei einer anderen Aueführungefora eines 7eldformers, wie er In Figur 12 dargestellt ist, let der Supraleiter 223 dem Supraleiter 23 materialmäBig ähnlich und besitzt den gleichen Querschnitt, er ist jedoch auf der Aohce de? Puten 41 (Figur 3) in Schlitzen 224 angeordnet, die vie dargestellt,, dadurch gebildet werden» daß sich dl·' in Figur 3 dargestellten Schlitze 44 aufeinander au ausdehnen, bis eie sich gegenseitig schneiden» Einrichtungen die die Haltekräfte übertragen, halten die geelokelten Teile des das Feld verformenden Teiles sueamen· Vorteilhaft erweise bestehen diese Einrichtungen 227 aus eines Harz, beispielsweise aus Polytetrafluoräthylenhar*» Polyesterharz, Epoxydharz, Polygylsidylnovolakhars oder Diepoxydharz, wie ζ·Β· Resorcinol-Diglycidylesther.

Bei dieser Ausführungsform sind gegenüberliegende

supraleitende Teile durch getrennte Leitungen prallel an

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eine gemeinsame Energiequelle, beispielsweise an eine Quelle 50, angeschlossen·

Aus den obigen Ausführungen geht hervor,.daee die Parameter für die bevorzugte Aueführungsfora ale Erläuterungsbeispiele für einen Feldformer aus Eisen und einen Niobhaltigen Supraleiter gegeben wurden und daß die Parameter für andere Materialien von einem Fachmann bei Kenntnis der Erfindung bestimmt werden können. *

Ee wird ebenfalls betont , daß die Kühleinrichtungen einschließlich der Kühlschlangen in dem Eieenteil 35 in Nähe des Supraleiters 23 und eine zirkulierende Kühlflüssigkeit in dem Supraleiter 23 verwendet werden können.

Weiter v/ird die Erfindung mit Vorteil in einer toroidförmigen Anordnung für die Verwendung in Stellaratoren ι benützt. Sine erfindungegemäße Vorrichtung kann Jedooh auch ein gerades Solenoid aufweisen und vorteilhaft für die Erzeugung von Hagnetfeldern oder für ander· Zweck·, wie z.B. die Erzeugung von Feldern in Poletücktn verwendet v/erden, wie in der US-Patent sehr ift Nr* 2 981 894 beschrieben wird.

Ebenfalls kann die Schiftsepule 61 mit irgend einem VeId

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era engenden Supraleiter vervrendet werden unabhängig von der dadurch erzeugten Feldstärke*

Die Erfindung schafft einen Elektromagnet mit einer supraleitenden Vorrichtung, die hohe Magnetfelder erzeugen kann, einochlieoalich Felder um ein hohles Rohr, welches größer ala die kritische Feldstärke dee Supraleiters eindc Außerdem können solche Felder lange Zeit ohne einen großen aufwand an elektrischer Energie aufrecht erhalten v/erden, wenn die Felder einmal erzeugt sindο Gemäß der Erfindung wird der Supraleiter vor einer Beschädigung geschützt, wenn er in seinen normal leitenden Widerstand zurückkehrt. Es wird damit eine wirksame, kompakte und sichere Energiespeichervorrichtung IiIr große Mengen elektrischer Energie geschaffen, und bei einer besonderen Aueführungsform der Erfindung sind Einrichtungen zum Kollabieren des Feldes, das durch den Supraleiter erzeugt wird, und Einrichtungen fsur Aufnahme der Energie aus diesem Feld, wenn es zusammenbricht, vorgesehen»

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Claims

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Patentansprüche

Vorrichtung zum Schutz einer Spule aus supraleitendem Material, die durch entsprechende Einrichtungen auf tiefe Temperaturen gekühlt wird, bei denen dieses Material supraleitend ist, wobei Einrichtungen zum Erregen dieser Spule mit einer großen elektrischen Energiemenge, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, und Einrichtungen, die den Stromfluß durch die Spul· und damit da· magnetische Feld aufrecht erhalten, vorgesehen sind, gekennzeichnet durch eine weiter· Spule aus normalleitfähigem Material und mit einer größeren Masse als die der supraleitenden Spule, welche Spul· induktiv mit dem durch die supraleitende Spul· erzeugten Magnetfeld so gekoppelt ist, dass bei Zusammenbruch dieses Magnetfeldes die Spule aus normalleitfähi- ( gea Material die Energie aus dem Supraleiter in Form von Ohm'sehen Verlusten abführt.

2ο Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus normalleitendem Material bestehende Spule aus Kupfer besteht»

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Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet* dass die aua normalleitendem Material be* stehende Spule parallel su dem Supraleiter geschaltet ist.

4ο Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, dees eine oder beide Spulen hohl auegebildet Bind und von einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise flüssigem Helium durchströmt werden·

5» Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruch·, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des rund um eine Achse gewickelten Supraleiters größer ist als dessen Projektion auf die Achse zuzüglich der Projektion des Zwischenraums ζ v/i sehen den beiden Spulen auf dieser Achse.

6« Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, <

gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Verformen des Magnetfeldes, so daß ein gleichförmiges, magnetisches Feld tangential zu dem Supraleiter und ein stärkeres, magnetisches Feld längs dor Achse des Supraleiters erzeugt wird.

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7ο Auf tiefe Temperaturen gekühlter Elektromagnet Bit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bie 7, gekennzeichnet durch einen, um eine Aohee gewickelten Supraleiter und durch .Einrichtungen, üb wahlweise einen Stromkreis, in dem der Supraleiter liegt» zu schliessen und zu unterbrechen«

3« Elektromagnet nach Anspruch 7 t gekennzeichnet durch mit dem Supraleiter gekoppelte Einrichtungen und ein wellenfurBigee Feld rund ua die Achse ua die der Supraleiter gewickelt ist, zu erzeugen» durch ein toroidföraigee Bohr mit einer hohen aagnetiechen Sättigbarkeit, auf dessen Innenseite der Supraleiter eingebettet 1st, wobei der Supraleiter. Bit der Achse einen Winkel einschließt.

9· Elektromagnet nach Anspruch 7 oder 8, dadaroh gekenn» ( zeichnet, dass die Einrichtungen· die eine none tische S&ttigbarkeit aufweisen, koaxiale Rillen oder Schlitze aufweisen, die Bit windungen versehen sind* in welche der, Supraleiter eingebettet.sind.

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