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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein supraleitende Magnete und
insbesondere eine elektrische Supraleitermagnet-Schaltung, welcher
dessen supraleitende Spulenanordnung vor Beschädigung während eines Verlustes der Supraleitfähigkeit (Quench)
schützt.
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Supraleitende
Magnete sind diejenigen supraleitenden Vorrichtungen, welche eine
supraleitende Spulenanordnung aufweisen und Magnetresonanz-Bildgebungs-(MRI)-Systeme
zur medizinischen Diagnose, supraleitende Rotoren für elektrische
Generatoren und Motoren und magnetische Hebevorrichtungen zum Zugtransport
beinhalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Aus supraleitendem
Material gewickelte Magnete bieten den Vorteil, dass sie erhebliche
elektrische Ströme
führen
können,
ohne irgendeinen Leistungsverlust aufgrund der Tatsache zu erleiden,
dass die supraleitenden Wicklungen dem elektrischen Stromfluss keinen
Widerstand entgegensetzen. Als eine Folge dieser Null-Widerstand-Eigenschaft
ist ein Draht oder ein Band, das ziemlich klein ist, in der Lage,
sehr große
Ströme
in dem supraleitenden Widerstand zu führen. Diese Eigenschaft ist
insbesondere bei der Konstruktion von MRI-Magneten nützlich,
da diese sehr hohe statische Magnetfelder erfordern.
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Bei
der Konstruktion von supraleitenden Magneten muss man jedoch die
Möglichkeit
berücksichtigen,
dass der supraleitende Draht oder das Band seine supraleitenden
Fähigkeiten
an einen gewissen Punkt "verlieren" kann und widerstandsbehaftet
werden kann. Dieser Übergang
von einem supraleitenden Zustand auf einen widerstandsbehafteten
Zustand ist als "Quenching" bekannt. "Quenching" kann beispielsweise
durch den Verlust von Tieftemperaturkühlmitteln (wie z.B. flüssigen Helium)
bewirkt werden, das erforderlich ist, um die Temperatur des supraleitenden
Materials auf oder unter der kritischen Temperatur zu halten, die
für das
Auftreten der Supraleitfähigkeit
erforderlich ist. In dem Falle, dass der supraleitende Draht widerstandsbehaftet
wird, erzeugt der Draht, der normalerweise die großen elektrischen
Ströme
ohne Widerstandserwärmung
leitet, nun sowohl hohe Spannungen als auch hohe Leistungsverluste.
Diese Spannungen und Leistungsverluste können den Magneten ziemlich
beschädigen, wenn
man sie zu groß werden
oder zu lokalisiert bleiben lässt.
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Als
Folge des Vorstehenden werden Magnete so ausgelegt, dass der "Quench" so schnell wie möglich nach
seiner Entstehung verbreitet wird; d.h., dass, wenn ein bestimmter
Bereich der Wicklung einen Quench erfährt, der Magnet so ausgelegt
ist, dass die gesamte Wicklung so schnell wie möglich widerstandsbehaftet wird.
Diese Auslegungskriterien führen
zu niedrigeren Spannungen und niedrigeren Spitzentemperaturen, da
die gespeicherte Energie des Magneten über eine größere Masse verteilt wird. Bekannte
Quench-Schutztechniken beinhalten die Verwendung eines Quench-Detektionssignals
(aus der elektrischen Mitte der supraleitenden Spulenanordnung der
supraleitenden Vorrichtung), das direkt einen Energieabsorptionswiderstand
speist oder direkt ein großflächiges elektrisches
Heizelement betreibt, das in der Nähe der supraleitenden Spulenanordnung
der Supraleitervorrichtung angeordnet ist. Derartige bekannte Techniken
erfordern eine ziemlich lange Zeit, bis sie arbeiten. Es ist auch
bekannt, das Quench-Detektionssignal außerhalb des Kryostaten zu verstärken, wobei
dieses jedoch Probleme bezüglich
der Zuverlässigkeit
und zusätzlicher
Kryostatdurchführungen
mit sich bringt.
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Eine
weitere Lösung
wird durch das U.S. Patent 4,764,837 vorgeschlagen, welches einen
Schaltkreis für
einen Supraleiterschalter beschreibt-, der mit einer oder mehreren
supraleitenden Spulen parallel geschaltete Nebenschlusswiderstände enthält. Erste
und zweite Heizeinrichtungen sind mit einem Schalter versehen. Das
zweite Heizelement ist so angeordnet, dass ein Quench in einer willkürlichen
von den supraleitenden Spulen bewirkt, dass wenigstens ein Abschnitt
des zweiten Heizelementes sich erwärmt und den supraleitenden
Schalter aktiviert.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Schaltkreis zu
schaffen, welcher einen supraleitenden Magneten vor einer Beschädigung während eines
Quenches schützt.
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Der
elektrische Supraleitermagnet-Schaltkreis der Erfindung enthält eine
kryostabile supraleitende Spulenanordnung, einen imprägnierten
Supraleiterschalter-Draht, eine Absorptionswiderstandsanordnung,
eine Fan-in-Heizelementanordnung und eine Fan-out-Heizelementanordnung.
Die ersten und zweiten Zuleitungen des Supraleiterschalter-Drahtes,
der Absorptionswiderstandanordnung, der Fan-in-Heizelementanordnung
und der Fan-out-Heizelementanordnung sind jeweils mit den ersten
und zweiten Zuleitungen der Supraleiterspulenanordnung verbunden.
Die Supraleiterspulenanordnung weist wenigstens vier miteinander
in Reihe geschaltete Spulenabschnitte auf. Die Absorptionswiderstandsanordnung
weist eine Anzahl von in Reihe miteinander geschalteten Absorptionswiderständen auf,
wobei jeder Absorptionswiderstand auch zu einem getrennten Spulenabschnitt
parallel geschaltet ist. Die Fan-in-Heizelementanordnung weist eine
Anzahl von Fan-in-Widerstandsheizelementen auf, die miteinander
in Reihe geschaltet sind, wobei jedes Fan-in-Widerstandsheizelement
ebenfalls zu einem getrennten Spulenabschnitt parallel geschaltet
ist, und wobei jedes Fan-in-Widerstandsheizelement
thermisch unmittelbar an dem Supraleiterschalter-Draht positioniert
ist. Die Fan-out-Heizelementanordnung weist eine Anzahl von Fan-out-Widerstandsheizelementen auf,
welche miteinander parallel geschaltet sind, wobei jedes Fan-out-Widerstandsheizelement
thermisch unmittelbar an einem getrennten Spulenabschnitt positioniert
ist.
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Durch
die Erfindung werden mehrere Vorteile und Vorzüge erhalten. Der elektrische
Supraleitermagnet-Schaltkreis erfordert keine zusätzlichen
Kryostatdurchführungen.
Wenn ein Quench in einem lokalen Bereich eines Spulenabschnittes
auftritt, fließt ein
kleiner Strom durch das zugeordnete Fan-in-Widerstandsheizelement, um den Supraleiterschalter-Draht
rasch zu einem Quench zu veranlassen, welcher bewirkt, dass ein
großer
Strom durch jedes Fan-out-Widerstandsheizelement fließt, um rasch
die gesamte supraleitende Spulenanordnung leitend zu machen, was
eine Spulenbeschädigung
verhindert, die andernfalls auftreten würde, wenn der Quench in dem
lokalen Bereich des einen Spulenabschnittes nicht rasch über diesen
einen gesamten Spulenabschnitt und über alle anderen Spulenabschnitte
verteilt wird. Die Absorptionswiderstände begrenzen die Quench-Spannungen.
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Die
beigefügte
Zeichnung veranschaulicht eine erste bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei:
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Die
Figur ein Schaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform
des elektrischen Supraleitermagnet-Schaltkreises ist, welcher dessen
supraleitende Spulenanordnung vor einer Beschädigung während eines Quenches schützt.
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In
den Zeichnungen stellt 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform
des elektrischen Supraleitermagnet-Schaltkreises 10 der
vorliegenden Erfindung dar. Der elektrische Supraleitermagnet-Schaltkreis 10 enthält eine
kryostabile supraleitende Spulenanordnung 12. "Kryostabil" (manchmal auch als "nicht-imprägniert" bezeichnet) ist
ein üblicher
auf dem Gebiet des Supraleitermagnetfeldes verwendeter Fachausdruck,
um anzuzeigen, dass die supraleitende Spulenanordnung 12 für eine Kühlung durch
einen direkten physikalischen Kontakt mit einem Fluidkühlmittel
(wie z.B. flüssigem
und in der obersten Schicht gasförmigem
Helium mit einer Temperatur von im Wesentlichen 4 Kelvin)
mit dem Supraleiterdraht oder Bandwicklungen ausgelegt ist, welche
die supraleitende Spulenanordnung 12 bilden. Gemäß der Figur
ist die supraleitende Spulenanordnung 12 innerhalb eines
Kryostatgehäuses 13 (in
der Figur in gestrichelter Linie dargestellt) angeordnet. Bevorzugt
ist der Supraleiterdraht oder das Band ein Kupfer-stabilisierter
Nb-Ti-Draht mit einer porösen
elektrischen Isolation (wie z.B. einer herkömmlichen spiralgewickelten
porösen
elektrische Isolation, die auch Spalten zwischen benachbarten spiralförmigen Windungen
hat), und das Fluidkühlmittel
durchdringt die poröse
Isolation, um einen direkten physikalischen Kontakt zu dem Kupfer-stabilisierten
Nb-TI-Draht herzustellen. Die supraleitende Spulenanordnung 12 weist
erste und zweite Zuleitungen (d.h., Anordnungszuleitungen) 14 und 16 auf. Die
supraleitende Spulenanordnung 12 weist wenigstens vier
(und bevorzugt 6 bis 16) Spulenabschnitte 18, 20, 22 und 24 auf,
die miteinander in Reihe geschaltet sind (d.h., zwischen und mit
den ersten und zweiten Zuleitungen 14, 16 der
supraleitenden Spulenanordnung 12 miteinander in Reihe
geschaltet sind) und die bevorzugt vollständig mit einem Fluidkühlmittel 25 in
Kontakt stehen, das innerhalb des Kryostatgehäuses 13 enthalten
ist. In bestimmten MRI-Anwendungen ist ein Spulenabschnitt 18, 20, 22 und 24 als
eine vollständige
Hauptspule (eine Hauptspule ist eine Spule, deren Zweck darin besteht;
zur Erzeugung einer hohen magnetischen Feldstärke in dem Bildgebungsvolumen
des Magneten beizutragen), eine voll-ständige
Kompensationsspule (eine Kompensationsspule ist eine Spule, die Strom
in einer zu den Hauptspulen entgegengesetzten Richtung leitet, welche
so positioniert ist, dass sie ein homogeneres Magnetfeld innerhalb
des Bildgebungsvolumens erzeugt), oder eine vollständige Abschirmungsspule
(eine Abschirmungsspule ist eine Spule, die Strom in eine zu den
Hauptspulen entgegengesetzten Richtung führt, welche so positioniert ist,
dass der Austritt magnetischer Streufelder aus dem Magnet verhindert
wird) gewählt.
In weiteren MRI-Anwendungen kann ein Spulenabschnitt 18, 20, 22 und 24 beispielsweise
ein Viertel einer Hauptspule, eine Hälfte einer Abschirmungsspule
usw. sein.
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Der
elektrische Schaltkreis 10 enthält auch einen imprägnierten
Supraleiterschalter-Draht 26. "Imprägniert" ist ein auf dem
Gebiet von Supraleitermagneten üblicher
Fachbegriff um anzuzeigen, dass der Supraleiterschalter-Draht 26 von
einer undurchlässigen
Beschichtung (z.B. Epoxid) so umgeben ist, dass der Supraleiterschalter-Draht 26 keinen
direkten physikalischen Kontakt mit einem Fluidkühlmittel hat und stattdessen
durch interne Wärmeleitung
entlang des Verlaufs des Supraleiterschalter-Drahtes 26 (und
durch Wärmeleitung
durch das Epoxid zwischen den Wicklungen des Supraleiterschalter-Drahtes 26) gekühlt werden
muss. Gemäß der Figur
ist der Supraleiterschalter-Draht 26 innerhalb des Kryostatgehäuses 13 im
Wesentlichen aufgrund der Imprägnierung
des Supraleiterschalter-Drahtes 26 vollständig ohne
Kontakt mit dem Fluidkühlmittel 25 angeordnet. Bevorzugt
ist der Supraleiterschalter-Draht 26 ein Epoxid-imprägnierter,
Kupfer-stabili sierter Nb-Ti-Supraleiterdraht. Der Supraleiterschalter-Draht 26 weist erste
und zweite Zuleitungen 28 und 30 auf, welche jeweils
mit den ersten und zweiten Zuleitungen 14 und 16 der
supraleitenden Spulenanordnung 12 verbunden sind. Bevorzugt
ist der Supraleiterschalter-Draht 26 ein Stufenschalter-Supraleiter-Draht (wie
es schematisch in der Figur durch den Pfeil dargestellt wird, der
den Supraleiterschalter-Draht 26 schneidet). Ein Stufenschalter-Supraleiter-Draht
ist der Supraleiterschalter-Drahtabschnitt eines herkömmlichen
Stufenschalters, welcher auch einen (aus der Figur zur Verdeutlichung
weggelassenen) Heizelementabschnitt enthält. Wie es dem Fachmann bekannt
ist, ist ein Stufenschalter typischerweise in dem Tieftemperaturfluid
angeordnet und kann durch Ein- und Ausschalten des Heizelementabschnittes
den Supraleiterschalter-Drahtabschnitt zwischen einem widerstandsbehafteten
und einem Supraleiter-Modus umschalten (d.h., den Betriebszustand).
Der Supraleiterschalter wird dazu verwendet, die Supraleiter-Spulenanordnung 12 zwischen
einem ständig
supraleitenden Betriebsmodus und einem nicht-ständig supraleitenden Betriebsmodus
umzuschalten. Typischerweise wird der Supraleiterschalter dazu verwendet,
den Supraleiterbetrieb der Supraleiter-Spulenanordnung 12 zu
starten und gesteuert einen derartigen Supraleiterbetrieb herunterzufahren.
Bevorzugt hat der Supraleiterschalter-Draht 26 weniger
als 1/100 des Volumens der Supraleiter-Spulenanordnung 12.
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Der
elektrische Schaltkreis 10 enthält zusätzlich eine Absorptionswiderstandsanordnung 32 mit
ersten und zweiten Zuleitungen (d.h., Anordnungszuleitungen) 34 und 36,
welche jeweils mit den ersten und zweiten Zuleitungen 14 und 16 der
Supraleiter-Spulenanordnung 12 verbunden sind. Gemäß der Figur
ist die Absorptionswiderstandsanordnung 32 innerhalb des
Kryostatgehäuses 13 angeordnet. Die
Absorptionswiderstandsan ordnung 32 weist mehrere miteinander
in Reihe geschaltete Absorptionswiderstände 38, 40, 42 und 44 (d.h.,
zwischen und mit den ersten und zweiten Zuleitungen 34 und 36 der
Absorptionswiderstandsanordnung 32 in Reihe geschaltet)
auf. Jeder Absorptionswiderstand 38, 40, 42 und 44 ist
auch zu einem der Spulenabschnitte 18, 20, 22 und 24 gemäß Darstellung
in der Figur parallel geschaltet. Bevorzugt sind die Absorptionswiderstände 38, 40, 42 und 44 im
Wesentlichen identische Absorptionswiderstände.
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Der
elektrische Schaltkreis 10 enthält ferner eine Fan-in-Heizelementanordnung 46 mit
ersten und zweiten Zuleitungen (d.h., Anordnungszuleitungen) 48 und 50,
die jeweils mit den ersten und zweiten Zuleitungen 14 und 16 der
supraleitenden Spulenanordnung 12 verbunden sind. Gemäß der Figur ist
die Fan-in-Heizelementanordnung 46 innerhalb des Kryostatgehäuses 13 angeordnet
(und insbesondere innerhalb des Supraleiter-Stufenschalters thermisch unmittelbar
an den Supraleiterschalter-Draht 26). Die Fan-in-Heizelementanordnung 46 weist mehrere
Fan-in-Widerstandsheizelemente 52, 54, 56 und 58 auf,
die miteinander in Reihe geschaltet sind (d.h., miteinander in Reihe
zwischen und mit den ersten Zuleitungen 48 und 50 der
Fan-in-Heizelementanordnung 46). Der Begriff "Fan-in" ist ein von den
Anmeldern verwendeter willkürlicher
Begriff, um diese Widerstandsheizelemente von anderen Widerstandsheizelementen
in dem Schaltkreis zu unterscheiden. Jedes Fan-in-Widerstandsheizelement 52, 54, 56 und 58 ist
auch zu getrennten Spulenabschnitten 18, 20, 22 und 24 parallel
geschaltet, und jedes Fan-in-Widerstandsheizelement 52, 54, 56 und 58 ist zusätzlich thermisch
unmittelbar an dem Supraleiterschalter-Draht 26 gemäß Darstellung
in der Figur angeordnet. Bevorzugt sind die Fan-in-Widerstandsheizelemente 52, 54, 56 und 58 im
Allgemeinen identische Widerstandsheizelemente. In einer ex emplarischen
Konstruktion sind die Fan-in-Heizelementanordnung 46 und
der Supraleiterschalter-Draht 26 als eine (in gestrichelter
Linie in der Figur dargestellte) Einheit 60 zusammengefasst.
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Der
elektrische Schaltkreis 10 enthält ferner eine Fanout-Heizelementanordnung 62 mit
ersten und zweiten Zuleitungen (d.h., Anordnungszuleitungen) 64 und 66,
welche jeweils mit den ersten und zweiten Zuleitungen 14 und 16 der
supraleitenden Spulenanordnung 12 verbunden sind. Gemäß der Figur
ist die Fan-out-Heizelementanordnung 62 innerhalb des Kryostatgehäuses 13 (und
insbesondere thermisch unmittelbar an den Spulenabschnitten 18, 20, 22 und 24 der
supraleitenden Spulenanordnung 12) angeordnet. Die Fan-out-Heizelementanordnung 62 weist
mehrere Fan-out-Widerstandsheizelemente 68, 70, 72 und 74 auf,
die parallel zueinander (d.h., zwischen den ersten und zweiten Zuleitungen 64 und 66 der
Fan-out-Heizelementanordnung 62 parallel) geschaltet sind.
Der Ausdruck "Fan-out" ist ein von den
Anmeldern verwendeter willkürlicher
Ausdruck, um diese Widerstandsheizelemente von anderen Heizelementen
in dem Schaltkreis zu unterscheiden. Jedes Fan-out-Widerstandsheizelement 68, 70, 72 und 74 ist
thermisch unmittelbar an einer getrennten Spulenanordnung 18, 20, 22 und 24 gemäß Darstellung
in der Figur angeordnet. Bevorzugt sind die Fan-out-Widerstandsheizelemente 68, 70, 72 und 74 im
Wesentlichen identische Widerstandsheizelemente.
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Es
wird angemerkt, dass die supraleitende Spulenanordnung 12 und
der Supraleiterschalter-Draht 26 supraleitende Elemente
des elektrischen Schaltkreises 10 sind, und dass die Absorptionswiderstandsanordnung 32,
die Fan-in-Heizelementanordnung 46 und die Fan-out-Heizelementanordnung 62 Widerstandselemente
des elektrischen Schaltkreises 10 sind. Es wird ferner
angemerkt, dass die supraleitende Spulenanordnung 12 und
der Supraleiterschalter-Draht 26 einen Supraleiter-Modus und einen Widerstand
(d.h., ohne Supraleitung)-Modus aufweisen. Bevorzugt sind alle ersten Zuleitungen 14, 28, 34, 48 und 64 der
Supraleiter-Spulenanordnung 12, des Supraleiterschalter-Drahtes 26,
der Absorptionswiderstandsanordnung 32, der Fan-in-Heizelementanordnung 46 und der
Fan-out-Heizelementanordnung 64 miteinander so
verbunden, dass sie im Wesentlichen auf derselben Spannung liegen,
wenn der elektrische Schaltkreis im Widerstandsmodus arbeitet. Ebenso
sind bevorzugt sind alle zweiten Zuleitungen 16, 30, 36, 50 und 66 der
Supraleiter-Spulenanordnung 12, des Supraleiterschalter-Drahtes 26,
der Absorptionswiderstandsanordnung 32, der Fan-in-Heizelementanordnung 46 und
der Fan-out-Heizelementanordnung 64 miteinander so verbunden,
dass sie im Wesentlichen auf derselben Spannung liegen, wenn der
elektrische Schaltkreis im Widerstandsmodus arbeitet.
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Es
wird angemerkt, dass in vielen MRI-Supraleitermagneten der Quench-Schutz
in angenähert zwei
Sekunden nach dem spontanen Beginn des lokalisierten Magnet-Quenches
arbeiten muss. Jedoch nehmen die durch den lokalen Quench der Supraleiter-Spulenanordnung 12 aufgebrachten,
möglicherweise
schädigenden
Temperaturen und Beanspruchungen mit zunehmender Schutzsystem-Betriebszeit
so zu, so dass jede Zehntelsekunde an Beschleunigung in den Schutzsystembetrieb
für einen erheblichen
Vorteil bei der Vermeidung einer Beschädigung der supraleitenden Spulenanordnung 12 sorgt.
Der elektrische Schaltkreis 10 der vorliegenden Erfindung
mit supraleitendem Magnet stellt einen zuverlässigen, schnell wirkenden Quench-Schutz
mit niedriger Auslöseenergie
dar.
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Die
Betriebsweise und die Vorteile der elektrischen Schaltung 10 der
Erfindung bei dem Schutz der supraleitenden Spulenanordnung 12 werden
nun diskutiert. Wenn sich der elektrische Schaltkreis 10 in dem
Supraleiter-Modus befindet, fließt elektrischer Strom im Wesentlichen
nur in der aus der supraleitenden Spulenanordnung 12 und
dem Supraleiterschalter-Draht 26 bestehenden supraleitenden Schleife.
In dem Supraleiter-Modus des elektrischen Schaltkreises 10 fließt kein
elektrischer Strom durch die Absorptionswiderstandsanordnung 32,
die Fan-in-Heizelementanordnung 46, die Fan-out-Heizelementanordnung 62 und
es wird keine Wärme
erzeugt. Unter Bezugnahme auf die Figur werde angenommen, dass ein
Quench in einem lokalen Bereich des Spulenabschnittes 20 beginnt.
Dieses erzeugt eine Spannungsdifferenz in dem Spulenabschnitt 20 und
somit eine Spannungsdifferenz in dem Fan-in-Heizelement 54.
Das Fan-in-Heizelement 54 erwärmt sich, und erzeugt in dem
nahen Supraleiterschalter-Draht 26 einen Quench. Dieses
baut eine Spannungsdifferenz zwischen den ersten und zweiten Leitern 64 und 66 der
Fan-out-Heizelementanordnung 62 und über jedem Fan-out-Heizelement 68, 70, 72 und 74 auf.
Die Fan-out-Heizelemente 68, 70, 72 und 74 heizen
sich alle auf und erzeugen gleichmäßig über dem gesamten Spulenabschnitt 20 sowie den
anderen vollständigen
Spulenabschnitte 18, 22 und 24 einen
Quench. Es wird angemerkt, dass die Absorptionswiderstände 38, 40, 42 und 44,
die von dem elektrischen Schaltkreis 10 während eines Quench-Ereignisses
erfahrenen hohen Spannungen auf Pegel begrenzen, die von der elektrischen
Isolation des elektrischen Schaltkreises 10 ausgehalten werden
können.
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In
einer exemplarischen Ausführungsform schützt der
Schaltkreis 10 auch die supraleitende Spulenanordnung während eines
während
des Hochfahrens auftretenden Quenches. Zu die sem Zweck enthält der elektrische
Schaltkreis 10 bevorzugt eine Energieversorgung 76,
ein Relais 78 (in gestrichelter Linie in der Figur dargestellt),
im Wesentlichen identische erste und zweite Flussschleifen 80 und 82 und
erste und zweite und dritte Differenzverstärker 84, 86 und 88,
welche alle außerhalb
des Kryostatgehäuses 13 gemäß Darstellung
in der Figur angeordnet sind. Die Energieversorgung 76 wird
dazu verwendet, die supraleitende Spulenanordnung 12 hochzufahren,
worauf sie dann aus dem elektrischen Schaltkreis 10 geschaltet
wird (wobei eine derartige Schaltung aus der Figur zur Verdeutlichung
weggelassen ist). Die Energieversorgung 76 weist erste
und zweite Zuleitungen 90 und 92 auf, welche einen
Zuleitungswiderstand enthalten können
(wobei ein derartiger Zuleitungswiderstand aus der Figur zur Verdeutlichung
weggelassen ist). Die erste Zuleitung 90 der Energieversorgung 76 ist
mit der ersten Zuleitung 14 der supraleitenden Spulenanordnung 12 verbunden.
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Das
Relais 78 weist einen (normalerweise offenen) Schalterabschnitt 94 und
einen Betätigungsabschnitt 96 auf.
Der Betätigungsabschnitt 96 ist funktionell
so geschaltet, dass er den Schalterabschnitt 94 öffnet und
schließt.
Der Schalterabschnitt 94 weist eine mit der zweiten Zuleitung 92 der
Energieversorgung 76 verbundene erste Zuleitung 98 und eine
mit der zweiten Zuleitung 16 der supraleitenden Spulenanordnung 12 verbundene
zweite Zuleitung 10 auf.
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Jeder
Differenzverstärker 84, 86 und 88 weist
zwei Eingänge
und einen Ausgang auf und jede Flussschleife 80 und 82 weist
gemäß Darstellung
in der Figur zwei Enden auf. Die zwei Enden der ersten Flussschleife 80 sind
jeweils mit einem von den zwei Eingängen des ersten Differenzverstärkers 84 verbunden.
Die zwei Enden der zweiten Flussschleife 82 sind jeweils mit
einem von den zwei Eingängen
des zweiten Differenzverstärkers 86 verbunden.
Die Ausgänge
der ersten und zweiten Differenzverstärker 84 und 86 sind
jeweils mit einem Eingang von den zwei Eingängen des dritten Differenzverstärkers 88 verbunden.
Der Ausgang des dritten Differenzverstärkers 88 ist mit dem
Betätigungsabschnitt 96 des
Relais 78 verbunden.
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Obwohl
es in der Figur nicht dargestellt ist, sind die Flussschleifen 80, 82 bevorzugt
in der Bohrung des Kryostatgehäuses 13 angeordnet,
weist die supraleitende Spulenanordnung 12 eine sich im
Wesentlichen in Längsrichtung
erstreckende Achse auf und enthält
ein Paar in Längsrichtung äußerster
Abschnitte, und die Flussschleifen 80 und 82 sind
jeweils im Wesentlichen koaxial zu der Achse angeordnet und unmittelbar
an einem von dem Paar der in Längsrichtung äußersten
Abschnitte der Supraleiter-Spulenanordnung 12 angeordnet,
wie es der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen wird. In Betrieb
fährt die
Energieversorgung 76 über
den normalerweise geschlossenen Schalterabschnitt 94 die
supraleitende Spulenanordnung 12 hoch. Wenn ein Quench
in einem lokalen Bereich von einem der Spulenabschnitte 18, 20, 22 und 24 während des
Hochfahrens auftritt, wird dieser durch eine Unsymmetrie in den
Flussschleifen 80 und 82 detektiert, und eine derartige
Unsymmetrie an den dritten Differenzverstärker 88 weitergeleitet,
welcher den Betätigungsabschnitt 96 des
Relais 78 auslöst,
um den Schalterabschnitt 94 des Relais 78 zu öffnen. An
diesem Punkt arbeitet während
des lokalen Quenches der Abschnitt des elektrischen Schaltkreises 10 innerhalb des
Kryostatgehäuses 13 wie
vorstehend diskutiert, um die supraleitende Spulenanordnung zu schützen.
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Es
folgt eine philosophischere Diskussion des elektrischen Schaltkreises 10 der
Erfindung. Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu ersehen, dass der
elektrische Schaltkreis mit supraleitenden Magneten der Erfindung
so konfiguriert ist, dass er eine effiziente Verteilung eines in
einem willkürlichen
Abschnitt des supraleitenden Leiters auftretenden Quenches und somit
eine Verteilung des Quenches auf andere elektrische oder physikalisch
entfernte Abschnitte des gesamten Magneten ermöglicht. Der Zwang in dieser
Aufgabe besteht in einer raschen Verteilung des Quenches, um lokalisierte
Temperaturanstiege zu begrenzen, in begrenzten Spannungsauslenkungen,
um einen elektrischen Durchschlag zu verhindern, und begrenzten
Stromauslenkungen, um eine übermäßige magnetische
Energiespeicherung und Unsymmetrien in der Lorentz-Kraft zu verhindern.
Einige vorstehend präsentierte
effektive Lösungen
bestehen in der Segmentierung der Magnetspulen für eine grobe Gleichmäßigkeit
der Energieverteilung, in der Verwendung von Klemmwiderständen zum
Beschränken
der Spannungen zwischen strategischen Punkten des Schaltkreises,
um eine rasche Destabilisierung des anfänglichen supraleitenden elektrischen
Zustandes zu erreichen, und in der Kopplung passiver Hilfsheizelemente,
um auf entfernte Punkte ohne Quench durch Nutzung von Spannungen
zuzugreifen, welche früh
in dem Quench-Prozess erfasst werden. Es wurde eine bistabile Konstruktion
vorgestellt, welche während
des supraleitenden Betriebs stabil war, und welche während eines
Supraleitfähigkeitverlustes
instabil war.
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Die
Magnetspulensegmentierung ermöglicht im äußersten
Falle die Annäherung
an einen Quench-Zustand mit geringen thermischen Beanspruchungen
und kleinen elektrischen Belastungen, was ein Ideal ist. In der
Praxis ist nur eine eingeschränkte
Zahl von Segmentierungen möglich,
wie z.B. 6 bis 16, wie sie für
eine magnetische Homogenität
erforderlich ist, und die Auslegung des Quench-Schutzes muss die
durch ei ne unzureichende Segmentierung bewirkten Anomalien korrigieren. Für weniger
Segmentierungen oder größere Zellen ist
es schwieriger, den Quench in einer eingeschränkten Zeit über das gesamte Volumen zu
verteilen. Zusätzlich
muss die Möglichkeit
bestehen, den magnetischen Zustand innerhalb einer eingeschränkten Dauer,
wie beispielsweise in 1 Minute aus Sicherheitsgründen zu zerstören, ohne
die Integrität
des Magnetsystems nachteilig zu beeinträchtigen.
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Es
wird angemerkt, dass ein kryostabiler Supraleitermagnet-Betrieb
per Definition ein Zustand ist, der unempfindlicher gegenüber äußeren Störungen ist,
als er unter weniger stabilen Kriterien wäre, welche die Entstehung und
Ausbreitung einer normalen Zone (d.h., ein Quench-Prozess) erlauben. Gleichzeitig
ist es jedoch zwingend, eine Möglichkeit einer
ausreichenden Störung
in der Weise zuzulassen, dass eine Normalzone und damit ein irreversibler
Quench-Prozess in einem kryostabilen Magneten ausgebildet werden.
Die zwei Zustände,
der übliche supraleitende
Betrieb und der normale Widerstandsübergang sind von der Intention
und physikalischen Realisierung her inkompatibel. Ein Kopplungssystem (d.h.,
ein Supraleiterschalter-Draht 26) muss so eingeführt werden,
dass, sobald ein Quench-Zustand erfasst wird, das Kopplungssystem
einen abrupten Übergang
des kryostabilen eingeschwungenen Zustandes in einen stabilen Übergangszustand
zu normalen (d.h., widerstandsbehafteten) Zonen überall in dem supraleitenden
Leiter bewirkt. Ohne das Kopplungssystem würde der anfängliche Quench Energie mit
immer größer werdender
Rate innerhalb eines Volumens des normalen Leiters verbrauchen,
das durch die Kryostabilität
ungehindert nur sehr langsam zunehmen würde. Dieses würde hohe
Wärmedifferenzen,
Wärmebeanspruchungen
und elektrische und magnetische Belastungen erzeugen. Das Ergebnis
ist üblicherweise
katastrophal.
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Es
wird angemerkt, dass herkömmliche
kryostabile Magnete einige erhebliche Einschränkungen in ihrer Konstruktion
aufweisen, um die vollständigen Stabilitätskriterien
einschließlich
des Supraleitungs/Normalwärmegleichgewichts-Übergangs
und noch wichtiger die Möglichkeit
einer Drahtbewegung und ihr zugeordneten Energiedissipation durch Kopplung
an das magnetische Feld zu erfüllen.
Der Draht muss den flüssigen
Kryokältemitteln
gut ausgesetzt sein und er muss mit sehr hoher Zugspannung gewickelt
sein, um eine Drahtbewegung zu verhindern, die durch wechselnde
Magnetkräfte
bewirkt wird, wenn der Magnet im Strom hoch- oder heruntergefahren
wird, sowie während
eines Quenches. Mehrere Heizelemente wurden herkömmlicherweise gleichzeitig
mit der Absicht verwendet, die Quench-Ereignisse auf getrennte Spulenabschnitte zu
verteilen, die einen höheren
Stabilitätsgrad und/oder
eine geringere zugeordnete Masse haben, so dass im Falle eines Quenches
diese Bereiche zusätzlich
vor Überhitzung
geschützt
sind. Jedoch haben sich herkömmliche
[Spule-zu-Spule] Heizelement/ Spulen-Kopplungen in kryostabilen
Konstruktionen aufgrund der langsamen Art der Quench-Ausbreitung
des hoch stabilisierten Supraleiters als vollständig ineffektiv erwiesen, was
zu einer übermäßigen Verzögerung einer
normalen Betätigung
führt. Die
fehlende Komponente in herkömmlichen
Konstruktionen ist die Fähigkeit,
eine rasche und in der Größe einstellbare
Leistungsdichte zu bewirken, um die Spulen sofort in den normalen
(d.h., widerstandsbehafteten) Zustand zu treiben. Wie es vorstehend bei
der Beschreibung des elektrischen Schaltkreises 10 der
Erfindung diskutiert wurde, muss der abrupte Übergang von dem kryostabilen
in den hoch instabilen Quench- oder
stabilen Normalzustand (d.h., den widerstandsbehafteten) durch eine
hoch nicht-lineare Vorrichtung erreicht werden. Die Natur der Kryostabilitätskriterien
besteht darin, soweit wie möglich
die Ohm'sche Erwärmung und
die Kühlung
durch flüssiges
Kühlmittel
in dem normalen (d.h., widerstandsbehafteten) Zustand im Gleichgewicht
zu halten, weshalb durch die Konstruktion des Supraleiters kein großer Überschuss
an Ohmscher Erwärmung
vorhanden ist, um das Quench-Ausbreitungsereignis rasch voranzutreiben.
Obwohl ein beginnendes Quench-Ereignis
eine nicht-lineare Transformation in dem Falle eines durch Kryokühlmittel
an seinem Umfang gut gekühlten
kryostabilen Drahtes sein kann, aber sich trotzdem ausbreitet, ist
er nicht ausreichend schnell in der Ausbreitung, um eine ausreichende
Energieverteilungsrate zu erzeugen und eine Überhitzung der ältesten
Normalzonen während
der Zeit zu vermeiden, in der der größte Teil der magnetischen Energie
aufgebraucht wird. Wie es bei dem elektrischen Schaltkreis 10 zu
sehen war, wird ein System (d.h., ein Supraleiterschalter-Draht 26)
mit geringerer Stabilität
als ein Zwischenelement dergestalt eingeführt, dass dessen rascher Quench
einer Verstärkung
des Effektes des anfänglichen
Quenches entspricht. Ein derartiges Zwischenelement wurde gewählt und
besteht wie vorstehend beschrieben aus dem imprägnierten Supraleiterschalter-Draht 26 mit einem
Supraleiterschalter, der einen schlechten Kühlzugang zu dem flüssigen Kühlmittel
hat, jedoch auch eine wesentlich geringere Wärmekapazität pro Konfigurationsraster
(d.h., Leitereinheitslänge)
als die kryostabilen Spulenabschnitte 18, 20, 22 und 24 hat.
Jeder ein Quench-Ereignis
startender Spulenabschnitt bewirkt, dass der Supraleiterschalter-Draht 26 mittels
der spuleneigenen Heizelementverbindung auf den normalen (d.h.,
widerstandsbehafteten) Modus umschaltet; und anschließend erzeugt
der Supraleiterschalter-Draht 26 rasch eine große Spannung,
die wiederum die mit jedem einzelnen Spulenabschnitt 18, 20, 22 und 24 gekoppelten
Fan-out-Widerstandsheizelemente (68, 70, 72 und 74)
versorgt.
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Kryostabile
Supraleitermagnete bieten verschiedene Möglichkeiten für Herstellungskosteneinsparungen
einschließlich
preiswerterem Draht aufgrund einer effizienteren Supraleiterausnutzung
und weniger Herstellungsablaufschritten (Imprägnierung, Bearbeitung, usw.).
Jedoch ist der kryostabile Zustand zu der Notwendigkeit inkompatibel,
dass dem Magneten ermöglicht
wird, einen Quench bis zum Abschluss sicher zu durchlaufen, da die übermäßige Stabilität des kryostabilen
Zustands mit der effiziente Ausbreitung der an der anfänglichen
Supraleitfähigkeitsstelle
entwickelten Normalzonen interferiert, und es daher nicht ausreicht
ist, sich auf die natürlichen AC-Verlust-Kopplungen
zu verlassen, die dazu neigen, den supraleitenden Draht über den
normalen Übergangspunkt
aufzuheizen, da die Kühlung
auf dem Drahtdurchmesser mehrere Male höher als sie AC-Verluste ist.
Um diese doppelten inkompatiblen Anforderungen zu überwinden,
wurde eine stark nicht-lineare Zwischenvorrichtung, die als ein
Verstärker
mit hohem Verstärkungsfaktor
wirkt, eingeführt.
Die Vorrichtung bestand in einer ersten bevorzugten Ausführungsform
günstigerweise
aus dem Supraleiterschalter-Draht 26 des Stufenschalters
für den
Magneten. Der Schalter ist eine kompakte Draht gewickelte Spule
mit angenähert
zwei Größenordnungen
weniger Material als die Hauptspulen selbst, ist notwendigerweise
imprägniert
(um eine geringere elektrische Dissipation in dem Flüssigkeitsvorrat während des
Hochfahrprozesses zu ermöglichen) und
ist mit Heizelementen versehen, um in der Lage zu sein, bei Bedarf
einen Übergang
auf den Normalzustand zu bewirken. Aufgrund der niedrigeren Wärmekapazität des Schalternetzwerks
(einschließlich der
Epoxidimprägnierung)
im vergleich zu den Spulenabschnitten der kryostabilen Supraleiter-Spulenanordnung 12 (mit
gekoppelter Flüssigkeit)
und aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit
zu dem Kühlmedium
ist der Supraleiterschalter-Draht 26 des Schalters bei
einer fes ten Leistungsdichte im Vergleich zu dem kryostabilen Netzwerk
relativ leichter in den Normalzustand zu bringen. Die kompakte Größe des Schalters
ermöglicht
auch, dass das gesamte Ereignis der Ausbreitung des Quenches innerhalb
des Schalters innerhalb von etwa 0,05 Sekunden mit zusätzlich 0,05
Sekunden zur vollständigen
Entwicklung eines Großteils
des Normalwiderstandes, kompatibel mit dem Parallelwiderstand der
Serienschaltung der Absorptionswiderstände 38, 40, 42 und 44 über den
Magnetspulenabschnitten 18, 20, 22 und 24 erfolgt.
Somit ist der Schalter gegenüber
einem Überstrom
durch die Spulenabsorptionswiderstände geschützt. Die zusätzlichen
Herstellungsanforderungen im Vergleich zu einem standardmäßigen Supraleiterschalter
sind minimal. Sie bestehen darin, dass ein gekoppelter Satz von
Fan-in-Widerstandsheizelementen 52, 54, 56 und 58 in
den Schalter eingebaut ist, wovon jedes durch die über den
entsprechenden Spulenabschnitt-Absorptionswiderstand entwickelte Spannung
betrieben wird, und dass wiederum, elektrisch über den gesamten Schalter ein
zweiter Satz von Fan-out-Widerstandsheizelementen 68, 70, 72 und 74 geschaltet
ist, deren Wärmeerzeugung
in unmittelbarer Nähe
jeden einzelnen Spulenabschnitt 18, 20, 22 und 24 in
einer raschen Abfolge von Ereignissen in den Normalzustand treibt.
Aus Vereinfachungs- und Modularitäts-Gründen ist der Absorptionswiderstand
in gleich große
elektrische Widerstandsanteile segmentiert, obwohl die entsprechenden
Spulensegmente parallel zu jedem einzelnen keine gleiche Selbstinduktivität oder gleiche
zugeordnete Energie haben. Es ist jedoch vernünftig, das Spulen/Absorptions-Netzwerk
so auszulegen, dass man keinen zu breiten Bereich von Eigenwerten, oder
entsprechend, Spulenabfallzeitkonstanten erhält, was keinen zu großen Bereich
von Spuleninduktivitäten
bedeutet.
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Das
Netzwerk zum Zusammenführen
oder Sammeln der einzelnen Signale aus jeder Spulenspannung, Betreiben
eines entsprechenden Heizelementes und Steuern des Supraleiterschalters
in den Normalzustand wird als die Zusammenführungs- oder "Fan-in"-Stufe des Quench-Schutzsystems
bezeichnet. Das Netzwerk zum Streuen oder Verteilen des gemeinsamen
Signals aus der nun normalen Schalterspannung auf die Heizelemente,
wovon jedes unmittelbar mit einer einzelnen Spule gekoppelt ist
und das Steuern der supraleitenden Spule in den Normalbetrieb wird
als eine Streu- oder "Fan-out"-Stufe des Quench-Schutzsystems
bezeichnet. Eine oder mehrere Sollstellen für an Spulenpositionen angebrachte
Heizelemente können
pro Spulenabschnitt in Betracht gezogen werden. Das "Fan-in"- und "Fan-out"-Heizelementnetzwerk
ist global, beinhaltet eine Kopplung zwischen jedem Spulenabschnitt
in Vorwärtsrichtung
auf den Supraleiterdraht des Supraleiterschalters und eine zweite
Kopplung in Vorwärtsrichtung
von dem Supraleiterdraht des Schalters zurück auf jeden Spulenabschnitt.
Der Umstand, dass ein Klemmsatz von Absorptionswiderständen über dem
supraleitenden Draht des Supraleiterschalters vorhanden ist, und
der supraleitende Draht des Supraleiterschalters ermöglichen
eine Auslegung für
die höchste
Spannungsaussetzung der Heizelemente, so dass diese wiederum nicht thermisch überlastet
werden. Experimentell wurde ermittelt, dass eine bestimmte kommerzielle
Heizelementkonstruktion (Minco) wiederholt bis zu 100.000 Watt m–2 (10
Watt/sq.cm) verarbeiten kann. Somit legt die Spezifikation der notwendigen
Fläche
für eine effektive
Heizelement/Spule-Kopplung von etwa 0,002581 m2 (4
sq.in.) die maximale Heizelementausgangsleistung auf etwa 250 Watt
fest. Unter den gegebenen milden Einschränkungen des Vorhandenseins
bestimmter kommerzieller Heizelementwiderstand/Fläche-Kombinationen
kann eine Auswahl getroffen werden, um dieser Auslegungsart zu genügen. Aufgrund
der raschen (0,1 Se kunden) Ausbreitung des Quenches über den
gesamten Schalter ist der Großteil
der 250 Watt innerhalb etwa 0,25 Sekunden nach Betätigung der "Fan-in"-Stufe verfügbar. Die
Kombination des Spulenbetriebsstroms und des Serienabsorptionswiderstandes
erzeugt in der vorliegenden speziellen Auslegung etwa 60 –80 Volt.
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Die
bestehenden kommerziellen Heizelemente erzeugen schon aufgrund einer
Isolationsüberhitzung
nicht einfach mehr als 100.000 Watt m–2 (10
Watt/sq.cm.). Sie sind ferner auf minimale Werte von einigen Ohm
für eine
Voraussetzung von minimal 0,00129 – 0,0194 m2 (2
bis 3 sq.in.) begrenzt. Gemäß einem
gegebenen Quench-Analysecode, der sich im Detail mit der Modellierung
des Quench-Ereignisses, zugeordneter Impedanzen und aller anderen
physikalischen Übergangseigenschaften
bezüglich
des Quenches befasst, kann offensichtlich keine auslösende Spule
eines kryostabilen Typs ausreichend schnell eine ausreichende Normalzone
entwickeln, um die entsprechenden 250 Watt zu erzeugen, die aus
der Schalterspannung des "Fan-out"-Stufe verfügbar sind.
Jedoch führt
für die
meisten Störungsfälle in jedem
supraleitenden Spulenabschnitt ein Spannungsentwicklungsanstieg
normalerweise zu etwa 4,0 Volt in etwa 0,5 Sekunden. Dieses ist,
wenn angenähert
1 Ohm pro Quadrat-Inch vorgegeben ist, der Schwellenwert für die Umschaltung
des Schalternetzwerkmaterials in den normalen Zustand, etwa 1200
Wm–2 (0,12
W/sq.cm.). Durch die vorgegebene quadratischen Art der Ohm'schen Dissipation
würde diese
an ein Widerstandselement einer "Fan-out"-Stufe angelegte
Spannung nur etwa 1% der Energiedichte der "Fan-out"-Stufe selbst ergeben, was unzureichend
ist, um eine normale Zone in den supraleitenden Spulabschnitten
zu erreichen und zu erhalten. Die Auslegung muss auch ein Überleben
des Heizelementes während
der größten Spulenspannungsaussetzung
berücksichtigen, welche tendenziell
einige Sekunden nach dem Beginn des Quenches auftritt.
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Offensichtlich
wurde durch die Transformation der Spulenabschnitte auf die "Fan-in"-Heizelemente des
Supraleiterdrahtes des Supraleiterschalters und der "Fan-out"-Heizelemente auf
die Spulenabschnitte die äquivalente
Impedanz der Heizelemente um etwa zwei Größenordnungen reduziert, oder
in der Auswirkung ein Passivkomponenten-Spannungsverstärker in
die gewünschte
Spulen-Heizelement-Spulen Wärmekopplung
eingefügt. Der äquivalente
passive Verstärker
ist der supraleitende Draht des Supraleiterschalters, dessen physikalischen
Eigenschaften sich vollständig
von denen der Spulenabschnitte unterscheiden.
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Aufgrund
des hohen Verstärkungsfaktoräquivalentes
des "Schaltverstärkers" wird die minimale Normalübergangs-Leistungsdichte der
Spule wenigstens um eine Größenordnung überschritten
und da das Schalter-Quench-Ereignis bis zu 0,1 Sekunden mit einer "Fan-in"-Stufenverzögerung von
0,5 Sekunden schnell ist, ist die Synchronisation zur Initialisierung
sekundärer
Quench-Ereignisse in allen Spulenabschnitten außer den primären Initialisierungsspulenabschnitt
etwa 0,1 Sekunden oder weniger. Es trifft auch zu, dass die "Fan-out"-Stufe den primären Auslösungsspulenabschnitt
selbst an einer wahrscheinlich von der auslösenden Normalzone entfernten
Stelle in den Normalzustand jedoch synchronisiert mit den anderen
Spulenabschnitten treibt.
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Es
ist wichtig anzumerken, dass das Synchronisationsmerkmal des "Fan-in/Fan-out"-(FIFO)-Systems im
Hinblick auf die zum Verteilen des Quenches verwendeten Komponenten
minimal ist. Das FIFO-System beruht auf doppelt so vielen Heizelemen ten
wie Spulenabschnitte vorhanden sind. N sei die Anzahl der Spulen.
Die einzige andere logische Alternative (unter Vermeidung des Schalterzwischenelementes)
ist eine Matrix aus (N-1) elektrisch gekoppelten Heizelementen für jede Spule,
die thermisch mit jeder zweiten Spule gekoppelt ist. Die Anzahl
von Heizelementen in diesem Verfahren ist (N-1)N im Vergleich zu
den zwei N Heizelementen des FIFO-Verfahrens.
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Die
einzelne Spulen-Quench-Ausbreitung hängt von der Stromdichte, dem
Kühlumfang,
dem lokalen magnetischen Feld und AC-Verlusten ab. Die ersten zwei
von diesen haben aufgrund der Spulen-Quench-Synchronisation einen
starken Grund von Spulenabschnitt zu Spulenabschnitt sehr ähnlich zu
sein. Die AC-Verluste werden größtenteils
durch das flüssige
Kühlmittel
dominiert, so dass sie die Spulen-Quench-Ausbreitung nicht merklich
unterschiedlich machen. Das Magnetfeld enthält lokale Abhängigkeiten,
und ist somit der einzige modulierende Term. Aus Homogenitätsgründen sind
in üblichen
Magnetkonstruktionen die Spulenabschnitte vollständige Spulen, die symmetrisch
um eine Mittelebene in axialer Position positioniert sind, und demzufolge
fällt der
Magnetstrom in einer grob axial symmetrischen Weise ab, wenn das
zugeordnete elektrische Netzwerk ebenfalls axial symmetrisch ist
(was der übliche
Fall ist). Dieses ist dahingehend wichtig, dass die durch ähnliche
Spannungen bewirkten Spulenstromänderungen,
durch das übliche
Design gleicher Absorptionswiderstände eine ähnliche Stromspitzen in allen
Spulen erzeugen. Diese Synchronisation ist wichtig, dass sie dazu
tendiert, den maximalen peripheren Feldradius während des Quenches im Vergleich
zu dem supraleitenden Betrieb aufrecht zu erhalten oder nicht weit
zu überschreiten.
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Während des
Hoch- oder Herunterfahrvorgangs des Magneten befindet sich der supraleitende Draht
des Supraleiterschalters in dem normalen (d.h., widerstandsbehafteten)
Zustand. Es muss bei der Auslegung der "Fan-out"-Heizelementenergiedichten für das Hochfahrstadium
darauf geachtet werden, dass die "Fan-out"-Heizelemente keinen Quench in jeder
einzelnen Spule bewirken. Diese Situation wird beherrscht, indem
eine maximale Hochfahrratenspannung so eingestellt wird, dass die
Heizelement-Leistungsdichtenaussetzung der Spule kleiner als 40
Wm–2 (0,004
Watt/sq.cm) ist, welche für ein
Hochfahren bei einem kleineren Feld (bis zu 2/3 des vollen Feldes;
das höchste
Spulenfeld ist lokal 3,5 T) als sicher berechnet wurde. Die Hochfahrrate wird über den
letzteren Teil der Rampe reduziert, um eine erhöhte Empfindlichkeit für einen
Quench aufgrund einer reduzierten Normalübergangsgrenze zu vermeiden.
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Einschränkungen
hinsichtlich der Kryostatauslegung haben ein schwieriges Problem
bei der Auslegung des Quench-Schutzes mit sich gebracht. Die kompakte
Art des Entlüftungssystems,
die Notwendigkeit, dass eine erhebliche Menge an Gaspuffer zur Unterdrucksetzung über der
vorstehenden Flüssigkeit
vorhanden ist, bewirkt, dass ein Teil der Magnetspulen immer in
Gas statt im flüssigen
Kühlmittel
betrieben wird. Die Kryostabilitätsbedingungen sind
für Gas
und Flüssigkeit
vollständig
unterschiedlich. Dieses bewirkt eine Unterscheidung der Quench-Ausbreitung
in den zwei unterschiedlichen Medien und demzufolge unterschiedliche
Schutzanforderungen. Das vorstehend beschriebene System ist so aufgebaut,
dass es das schwierigere Problem der Ausbreitung in Flüssigkeit
beherrscht. Wenn ein Quench im Gas beginnt, ist dessen Ausbreitung schneller,
schaltet der Supraleiterdraht des Supralei terschalters schneller
in den normalen Modus um, und bringt den Effekt der "Fan-out"-Stufe zur Wirkung.
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Schließlich bewirkt
eine angenähert ähnliche Stromspitze
in allen Spulenabschnitten relativ kleine Lorentz-(magnetische)-Kraft-Anomalien
zwischen den verschiedenen Spulenabschnitten, im Gegensatz zu einem
Fall, in welchem ein einzelner Abschnitt abfallen würde und
den Strom in dem Rest der Spulenabschnitte unbeeinflusst ließe. Diese
letztere Situation bewirkt schwere Belastungen in Bezug auf die
magnetische Anomalie der teilweise abgefallenen Spule und das vorliegende
Quench-Schutzsystem verhindert dieses.
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Das
Nettoergebnis dieses Quench-Schutzsystems besteht darin, dass ein
Quench-Ereignis innerhalb von 2 bis 3 Sekunden ab seiner Initialisierung abgeschlossen
wird, der Magnet sicher auf niedrige Energie heruntergefahren wird,
und die magnetischen Kräfte
minimiert werden.
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Aufgrund
der Konfiguration, dass die Energieversorgung im Wesentlichen den
supraleitenden Draht des Supraleiterschalters kurzschließt, während sie
hauptsächlich
während
des Hoch- oder Herunterfahrens damit verbunden ist, war es erforderlich,
einen Schaltkreisunterbrecher in der Form eines normalerweise offenen
Relais 78 hinzuzufügen,
der im Falle eines Quenches den Energieversorgungskreis unterbricht.
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Die
Erfassung des Quench-Beginns wird mittels zwei symmetrisch positionierter
Mehrfachwicklungs-Widerstandsdraht-Flussschleifen 80 und 82 erreicht,
welche den magnetischen Fluss an jedem Ende des Magnetes aufnehmen.
Wenn ein Quench auftritt, erfasst der Differenzverstärker mit
hoher Verstärkung
eine Unsymmetrie in den Flussschleifeneingängen und löst das Relais aus, das den
geschlossenen Energieversorgungskreis unterbricht. Dieses Ereignis
ermöglicht
wiederum, dass der supraleitende Draht des Supraleiterschalters,
der bereits seine Supraleitfähigkeit
verloren hat, wenn er hoch- oder herunterfährt, die volle Spannung entwickelt,
und sofort alle Spulen synchron die Supraleitfähigkeit verlieren lässt. Wenn
sich der Supraleiterschalter-Draht 26 des Supraleiterschalters
bereits im supraleitenden Zustand befindet, gilt die frühere Beschreibung
der Ereignisablauffolge, und nach angenähert einer halben Sekunde in
dem Quench beginnt der sekundäre Quench.
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Es
wird angemerkt, dass die tatsächliche Spulenspannung
erheblich durch die Absorptionswiderstände moduliert und begrenzt
wird, welche dazu dienen, die Spulen, den supraleitenden Draht des Supraleiterschalters
und die Heizelemente vor Überhitzung
zu schützen.
Wie aus der Figur zu ersehen ist, liegen vier Schnittstellenkopplungen
vor, die von elektrisch auf thermisch wechseln. Dieses Verfahren nutzt
den supraleitenden Draht des Supraleiterschalters, welcher als ein
Verstärker
mit hoher Verstärkung wirkt,
der einen Quench überall
in jedem Spulenabschnitt detektiert und wiederum eine Meldung über den
Quench an alle Bereiche in allen Spulenabschnitten meldet.
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Zusammengefasst
wurde ein Quench-Schutzsystem in der Form des elektrischen Schaltkreises 10 für kryostabile
Magnete offenbart, das auf einer Magnetspulensegmentierung und einer elektrischen
Klemmung der einzelnen Segmente durch Absorptionswiderstände beruht.
Um die natürlicherweise
langsame Ausbreitung des Quenches des kryostabilen Magneten zu beschleunigen,
wird ein supraleitender Draht (bevorzugt eines supraleitenden Schalters)
als ein Zwischenelement verwendet, der relativ leicht durch Heizelemente
zu einem Quench gebracht werden kann, deren Eingangsleistung aus
den kleinen und trägen
Spannungen abgeleitet wird, die über
den Magnetspulenabschnitten erzeugt werden. Der supraleitende Draht
(des bevorzugten Supraleiterschalters) dient im normalen Zustand
als die Energiequelle für
einen sekundären Satz
von Heizelementen, die wiederum einen gleichmäßigen Normalübergang über al-le Bereiche jedes einzelnen
Spulenabschnittes bewirken.
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Das
Quench-Schutzsystem in der Form der beschriebenen elektrischen Schaltung 10 wurde
konstruiert, gebaut und erfolgreich in mehreren Versionen für Magnete
mit Mittenfeldern von 1,5 Tesla und 1,0 Tesla und einer Vielfalt
von Anzahlen von Spulensegmentierungen von 8, bis zu 10 und bis
zu 14 Spulenabschnitten getestet.