DE1464416B2 - Supraleitende spule mit einer mehrlagigen wicklung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine supraleitende Spule mit Betrieb in den normalleitenden Zustand überführt

einer aus mehreren, voneinander elektrisch isolier- werden.

ten Lagen bestehenden Wicklung aus einem supra- Wird ein supraleitender Draht zu einer Spule geleitenden Draht, welcher einen Überzug aus einem wickelt, so führt die Spule im allgemeinen nicht dienormalleitenden Metall hat. 5 selbe Strommenge wie der Draht in kurzen Längen.

Die Möglichkeit, Magnetfelder nicht nur von hoher Lange Enden eines Drahtes aus einer 25prozentigen

Stärke, sondern auch über eine längere Zeit hinweg Zirkoniumlegierung mit einem Durchmesser von

erzeugen zu können, ist für die Erforschung der 0,25 mm führen einen Strom von ungefähr 20 Ampere

Physik des festen Aggregatzustandes, des Plasmas bis zu ungefähr 60 000 Gauß, wobei die Stromfüh-

und der Partikel von großer Bedeutung. In den io rungskapazität jedoch nicht erhöht wird, wenn das

meisten Fällen mußten jedoch bisher für die Erzeu- Feld geschwächt wird. Der Unterschied zwischen den

gung von großen Magnetfeldstärken Impulsfelder Stromführungskapazitäten bei langen und kurzen

verwendet werden. Seitdem jedoch neue supra- Drahtenden wird weniger augenfällig, wenn der

leitende Materialien zur Verfügung stehen, entstand Zirkoniumgehalt erhöht wird,

ein erhebliches Interesse an der Entwicklung von 15 Das verwendbare kritische Magnetfeld bei einer

verwertbaren Magneten, die eine große Feldstärke Legierung aus 25 % Zirkonium und 75 % Niobium

erzeugen und Abmessungen aufweisen, die sie für liegt bei ungefähr 60 000 Gauß, bei einer Legierung

Anwendungsgebiete geeignet machen, in denen große mit einem Gehalt von 33 % Zirkonium um ungefähr

Magnetfeldstärken benötigt werden. 5000 bis 10 000 Gauß höher. Es wurde berichtet, daß'

Als Beispiel für die Verwendung solcher Magnete 20 50prozentige Zirkoniumlegierungen noch stärkere

sei die Erzeugung elektrischer Leistung, die Abschir- kritische Felder besitzen.

mung gegen Strahlen geladener Teilchen, Plasmaan- Befindet sich ein Teil eines stromführenden supra-

triebe, physikalische Experimente in großem Maßstab leitenden Drahtes im normalleitenden Zustand, so

erwähnt. Die Erzeugung von beständigen Magnet- fällt an diesem Teil des Drahtes eine Spannung ab,

feldern großer Stärke und innerhalb großer Volumen 25 und es wird Energie verbraucht. Ist dieser Verbrauch

stellt eine bedeutende technische Aufgabe dar. genügend groß, so kann dies zu einer Änderung des

Neuere Entwicklungen auf dem Gebiet der harten supraleitenden Zustandes des Drahtes oder zu einer

Supraleiter zeigten die Möglichkeit, große Feldstär- Zerstörung des Drahtes durch Schmelzen führen. Ist

ken erzeugende supraleitende Feldspulen in Erwä- bei einem isolierten Draht die am normalleitenden Teil

gung zu ziehen. Die Möglichkeit der Verwendung 30 des Drahtes abfallende Spannung genügend hoch,

von Feldspulen mit Supraleitern für die Erzeugung so kann die Isolierung durchschlagen und envinnerer

von Feldstärken von 50 000 Gauß oder mehr bei nur Kurzschluß verursacht werden. Dieser kann zu einer

geringem Leistungsverbrauch für die Kühlung und Funkenbildung und zur Bildung heißer Stellen füh-

ohne Joulesche Verluste bietet offensichtlich Vorteile ren. Ist der Kurzschluß von längerer Dauer, so

für dauernd arbeitende Kraftwerke u. dgl. 35 ändert sich die Stromverteilung in der Spule mit

Die Eigenschaften von Supraleitern wurden ver- der Folge, daß das Magnetfeld in der Spule sich bei

schiedentlich behandelt, z. B. in »Superfluids«, Bd. I, nachfolgenden Erregungen konzentriert. Dies ist un-

von Fritz London, veröffentlicht 1950 in New York erwünscht, da eine örtliche Konzentration des

durch John Wiley & Son, Inc., und »Superconduc- Magnetfeldes eine Leistungsverminderung infolge'

tivity« von D. Shoenberg, veröffentlicht 1952 in 40 der geringeren Stromführungskapazität bei hohen

London durch Cambridge University Press. Feldstärken verursacht.

Ein Supraleiter kann aus einem Metall, einer Le- Besteht andererseits in der Spule ein Kurzschluß,

gierung oder einer Verbindung bestehen. Je nach der sich während des Einschaltens öffnet, so ist dies

Zusammensetzung des Supraleiters tritt der supra- gleichbedeutend mit einem plötzlichen Einschalten

leitende Zustand bei einer bestimmten Temperatur 45 eines zuvor unbenutzten Teiles der Spule. Auf Grund

unterhalb von 18° K ein. Substanzen mit einer höher der engen Verkopplung kann dieser Vorgang dazu

gelegenen Umwandlungstemperatur sind bisher noch führen, daß ein Teil der Spule in den normalleiten-

nicht gefunden worden. Die Temperatur, bei der der den Zustand versetzt wird.

Übergang in den supraleitenden Zustand erfolgt, Die Energie, die in einigen vorgeschlagenen großen

wird als die kritische Temperatur bezeichnet. 50 supraleitenden Spulen gespeichert ist, beträgt mehrere

Die Supraleitfähigkeit eines bestimmten Materials Megajoule. Aus H. KoIm u. a., »High Magnetic

kann zerstört werden durch Einwirkung von Energie Fields«, The MIT Press and John Wiley ,& Sons,'

in Form von Wärme, bei der das Material seine New York 1962, Seiten 361, 362, ist bekannt, daß

kritische Temperatur erreicht, in Form eines Magnet- wegen der großen Energiedichte des Magnetfeldes

feldes, wobei die kritische Feldstärke erreicht wird, 55 die frei werdende Energie des zusammenbrechenden

oder in Form eines elektrischen Stromes, wobei die Feldes bei räumlich stark ausgedehnten Spulen diese

kritische Stromstärke erreicht wird. Die kritische Größenordnung annehmen kann. Danach kann der

Temperatur, das kritische Magnetfeld und die kritische Zusammenbruch des Magnetfeldes beispielsweise

Stromstärke sind sämtlich voneinander abhängig. durch Temperaturerhöhung und damit durch Über-

Bei dem Entwurf von supraleitenden Spulen ist 60 gang zum normalleitenden Zustand des supraleiten-

darauf zu achten, daß für die Spule bei Tempera- den Drahtes erfolgen oder auch durch Bruch des

türen des flüssigen Heliums eine kryogenische Um- Drahtes und damit Unterbrechung des Stromes auf

gebung vorgesehen wird, daß Materialien verwendet diese Weise bewirkt werden. Wegen des sehr großen

werden, die innerhalb der gewünschten Temperatur- Widerstandes R ist die Zeitkonstante LIR des Kreises

bereiche, Stromstärken und Magnetfelder supralei- 65 klein, und der Abbau des Feldes hat explosionsartige

tende Eigenschaften zeigen, und daß ein Schutz für Folgen.

die Wicklung vorgesehen wird, falls ein oder mehrere Aus R. H. Kropschot und V. Arp, »SuperTeile der Spule beim Einschalten oder im normalen conducting Magnets«, Cryogenics, Band 2, Nr. 1, Sep.

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1961, S. 11, ist bekannt, zum Schutz der supra- Fig. 3 ein Diagramm einer supraleitenden Spule

leitenden Spule parallel zu der Spule einen Wider- mit einer Nebenschlußschaltung,

stand zu schalten oder die Spule mit einem Kupfer- F i g. 4 eine etwas andere schematische Darstellung

rohr zu umgeben, das mit der Spule induktiv einer supraleitenden Spule mit der Schutzschaltung

gekoppelt ist und das einen Teil der Energie des 5 nach der Fig. 3,

zusammenbrechenden Magnetfeldes verschluckt. F i g. 5 eine schematische Darstellung einer supra-

Aus der französischen Patentschrift 1 299 456 ist leitenden Spule mit einer induktiven Schutzschaltung,

eine mehrlagige supraleitende Spule bekannt, bei Fig. 6 ein Schnitt durch eine supraleitende Spule,

welcher der supraleitende Draht eine Plattierung aus der die Flußverteilung in einer induktiv geschützten

Gold, einem normalleitenden Metall, aufweist und io Spule zeigt,

bei welcher zwischen den einzelnen Wicklungslagen Fig. 7 eine zum Teil schematische und zum Teil

eine Isolation vorgesehen ist. Die Goldplattierung schaubildliche Darstellung einer supraleitenden Spule,

wirkt für den supraleitenden Draht als Nebenschluß. die einige Merkmale nach der Erfindung aufweist,

Nachteilig an dieser Spule ist, daß die Goldplat- und die

tierung auf dem supraleitenden Draht nur bei ge- 15 Fig. 8 und 9 je eine schematische Darstellung ringen Stromdichten als innerer Nebenschluß wirkt. einer anderen Schaltung zur Schließung des Strom-Ferner ist nachteilig, daß auf Grund des Überzuges kreises einer induktiven Abschirmung,
der Windungen aus dem supraleitenden Draht mit WieausderFig. 1, die eine schematische Darstellung einem einen geringen Widerstand aufweisenden Me- einer herkömmlichen Schaltung zum Erzeugen eines tall die Einschaltzeitkonstante groß wird. 20 beständigen Magnetfeldes ist, zu ersehen ist, ist an

Aus der Druckschrift »High Magnetic Fields«, die Klemmen 12,13 einer supraleitenden Spule 14

S. 335, ist ferner bekannt, daß zwischen den Win- ein Stromnebenschluß 11 angeschlossen, welche bei-

dungen und zwischen den Lagen einer supraleitenden den Elemente in einem Isoliergefäß 15 angeordnet

Spule eine Isolation vorgesehen wird. sind, das z. B. mit flüssigem Helium gefüllt ist,

Aufgabe der Erfindung ist daher, Mittel und Maß- 25 um die erforderlichen tiefen Temperaturen zu ernahmen anzugeben, welche eine Beschädigung einer zeugen. An eine Stromquelle 16 ist ein Strombesupraleitenden Spule mit einer aus mehreren, vonein- grenzungswiderstand 17, ein Schalter 18 und ein um ander elektrisch isolierten Lagen bestehenden Wick- den Stromnebenschluß 11 herumgewundener Heizer lung aus einem supraleitenden Draht, welcher einen 19 angeschlossen. Der Stromnebenschluß 11 besteht Überzug aus normalleitendem Metall hat, durch die 30 aus einem supraleitenden Material. Das Heizejenfent im Magnetfeld der Spule gespeicherte Energie ver- 19 besteht aus einem nicht-supraleitenden Material hindern, falls ein Teil einer derartigen Spule während und verbleibt daher jederzeit im normalleitendeh des Einschaltens oder im Betrieb in den normallei- Zustand. Die Hauptstromquelle 21, ein verändertenden Zustand übergeht. licher Strombegrenzungswiderstand 22 und ein Haupt-Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch ge- 35 schalter 23 sind miteinander in Reihe geschaltet und löst, daß innerhalb jeder Lage zwischen den Windun- mit der die supraleitende Spule 14 und den Stromgen ein Isoliermaterial angeordnet ist, daß die Wick- nebenschluß 11 umfassenden Parallelschaltung,
lung abschnittsweise durch außerhalb der Spule Der erste Schritt bei der Inbetriebsetzung der liegende Widerstände überbrückt ist und daß zwi- supraleitenden Spule 14 besteht in dem Schließen des sehen einigen oder zwischen allen Lagen induktive 40 Schalters 18 für das Heizelement und des Haupt-Abschirmungen in Form von elektrisch gut leitenden schalters 23. Fließt der Strom durch das Heizelement Folien oder Blechen angebracht sind. 19, so wird der Stromnebenschluß 11 über dessen

Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die kritische Temperatur hinaus erwärmt und weist

zwischen den Lagen und zwischen den Windungen daher einen normalen Widerstand auf. Aus diesem

innerhalb der Lagen anzubringende Isolation dadurch 45 Grunde kann der Strom aus der Hauptstromquelle

hergestellt werden, daß auf dem normalleitenden 21 durch die supraleitende Spule 14 fließen und diese

Überzug des supraleitenden Drahtes eine isolierende erregen. Nach der Erregung der Spule 14 wird der

Schicht angeordnet ist. Schalter 18 für das Heizelement geöffnet, so daß der

Durch die Erfindung wird erreicht, das supralei- supraleitende Nebenschluß 11 sich abkühlen kann

tende Spulen in Anwendungsgebieten, in denen große 50 und supraleitend wird. Hiernach wird der Haupte·

Magnetfeldstärken in großen Volumen benötigt wer- schalter 23 geöffnet, wobei der Strom nach wie- vor

den, sicher betrieben werden können, daß die supra- durch die Spule 14 und den Stromnebenschfuß 11

leitenden Spulen keine übermäßig lange Zeit für das fließt. Ist in dem die supraleitende Spule und deren

Einschalten erfordern, daß die Spulenwicklung Stromnebenschluß umfassenden Serienkreis kein

geschützt wird, falls ein Teil der Spule in den nor- 55 Widerstand vorhanden, so fließt der Strom unendlich

malleitenden Zustand zurückkehrt, und daß die lange weiter, und es erfolgt kein Schwinden des

magnetische Energie ohne Beschädigung der Wick- Magnetfeldes. Ist jedoch aus irgend einem Grunde

lung abgeleitet werden kann, wenn die Spule in den ein Widerstand vorhanden, so schwindet der Strom

normalleitenden Zustand überführt wird. und damit das Magnetfeld mit einer Zeitkonstante,

Die Erfindung wird nunmehr an Hand von Aus- ^6o die von dem Gesamtwiderstand des Stromkreises

führungsbeispielen erläutert. In den Zeichnungen ist abhängt. Wenn gewünscht, kann die Stromquelle 16,

Fig. 1 ein Diagramm einer supraleitenden Spule der Widerstand 17, das Heizelement 19 und der

und der zugehörigen herkömmlichen Schaltung zum Stromnebenschluß 11 weggelassen und die Spule 14

Erzeugen eines dauernden Magnetfeldes, aus der Stromquelle 21 beständig mit Strom versorgt

F i g. 2 eine schaubildliche Darstellung eines Teiles ⁶5 werden.

eines mit einem Überzug versehenen supraleitenden Für den Fall einer supraleitenden Spule aus entDrahtes, wobei ein Teil des Überzuges weggeschnit- weder einem überzugslosen supraleitenden Draht ten ist, oder aus einem Draht, der nur einen Überzug aus

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einem einen niedrigen Widerstand aufweisenden besseren Übersichtlichkeit wegen wurden die Strom-Material trägt (keine Isolation), besteht die Ersatz- quellen und die Stromschalter nach der F i g. 1 wegschaltung aus einem Induktor, der durch einen klei- gelassen. Wie aus der F i g. 3 zu ersehen ist, besteht nen Widerstand kurzgeschlossen ist. Die Spule weist die supraleitende Spule 14 nach der Darstellung aus infolgedessen eine sehr große Zeitkonstante auf. 5 den Abschnitten 14 α bis 14 d, zu denen die kleinen Eine solche Spule ist gegen eine Beschädigung wäh- Widerstände 24 bis 27 entsprechend parallel geschalrend des Abschaltens infolge des Auftretens eines tet sind. Die Größe der Abschnitte 14 α bis 14 d kann normalleitenden Bereichs voll geschützt, da sich veränderlich sein, und diese umfassen entweder keine nennenswerten Spannungen entwickeln kön- weniger oder mehr als eine Lage der Spule. Hieraus nen, weil jeder Punkt am Induktor mit jedem anderen io ist zu ersehen, daß die supraleitende Spule 14 in Punkt in Verbindung steht und keine einzelnen, in mehrere Abschnitte aufgeteilt ist, deren Ströme unabsich abgeschlossenen Induktanzen bestehen, die sich hängig wegen des einen jeden Abschnitt nebenin einen Widerstand an diesen entladen müssen. schließenden Widerstandes auf den Wert Null absin-Obwohl während des Abschaltens ein Schutz besteht, ken können. Die Nebenschlußwiderstände teilen die so wird doch wegen der sehr großen Zeitkonstanten 15 Spule so in Abschnitte auf, daß die Energie pro der Spule die erforderliche Einschaltzeit übermäßig Abschnitt einen zulässigen Wert nicht übersteigt, der lang. Die Zeitkonstante ist ungefähr dem Durch- von der Ausführung und den Betriebsbedingungen messer der Spule zur dritten Potenz proportional, der Spule bestimmt wird. Die Anzahl der Abschnitte weshalb die Einschaltzeit selbst für geringe Ver- oder der Nebenschlüsse wird von der pro Abschnitt größerungen des Spulendurchmessers sehr rasch 20 höchstzulässigen Energie bestimmt. Die Anordnung anwächst. der Nebenschlußwiderstände im Innern der Spulen-

Die Maßnahme, den supraleitenden Draht zuerst wicklung ist weniger erwünscht als außerhalb der

mit einem Überzug aus einem einen geringen Wider- Spule wegen der Energievernichtung innerhalb der

stand aufweisenden Material und dann aus einem Wicklung.

einen hohen Widerstand aufweisenden Material zu 25 Die Verwendung einer leitenden oder nebenschlieversehen, weist eindeutige Vorzüge auf. Die Netto- ßenden Schaltung außerhalb der Spule ist befriedieinwirkung auf die an einem normalen Teil erzeug- gend, wenn die Spulenabschnitte induktiv entkoppelt ten Spannungen ist von Nutzen, wenn der Draht sind, als wenn die Spulenwicklung sich auf einer einen Überzug aus einem Material mit einem gerin- Reihe von Spulenkörpern befindet; wenn sich jedoch gen Widerstand aufweist, da der niedrige Widerstand 3° die induktive Verkopplung zwischen den Spulenpro Längeneinheit im normalleitenden Zustand zu abschnitten vergrößert, tritt eine kollektive induktive einer Verlangsamung der Widerstandserhöhung Erscheinung auf. ₍ führt und damit zu einer langsameren Schwundzeit. Diese Erscheinung wird am besten art' Hand der Der Überzug mit einem niedrigeren Widerstand läßt F i g. 4 beschrieben, die schematisch eine Spule 14 ferner zu, daß der Strom im Draht im normalleiten- 35 in Form einer Spirale zeigt, bei der die gleichen den Zustand für eine längere Zeit fließt, als wenn Abschnitte 14 a bis 14 d durch die Nebenschlußder Überzug nicht vorhanden wäre. widerstände 24 bis 27 miteinander verbunden sind,

Der außenliegende Überzug aus einem Material welche Widerstände vorzugsweise außerhalb der mit einem großen Widerstand verbessert die Ein- Spule angeordnet werden. Die Pfeile deuten den, schaltzeiterfordernisse. Wegen der übermäßig langen 40 Stromfluß durch die Spulenwicklung an. Geht ein mit der Verwendung entweder eines blanken (ohne Teil des am weitesten innenliegenden Abschnittes Überzug) supraleitenden Drahtes oder eines solchen 14 α in den normalleitenden Zustand über, so sinkt mit nur einem Überzug aus einem Metall mit einem der durch den Abschnitt 14 α fließende Strom auf geringen Widerstand verbundenen Einschaltzeit den Wert Null ab, und der zuvor durch den können die Vorteile eines supraleitenden Drahtes 45 Abschnitt 14 α fließende Strom wird durch den am mit einem Überzug aus einem Metall mit einem weitesten innenliegenden Nebenschluß 24 wegen desgeringen Widerstand nur ausgenutzt werden, wenn sen geringen Widerstandes im Vergleich zu dem sich das gut leitende Metall mit einem sehr guten Isolier- im normalleitenden Zustand befindenden Teil abgematerial überzogen ist, wie z. B. Nylon und Poly- leitet. Während der Übergangszeit sucht der angrentetrafmoräthylen. 5° zende Abschnitt 14 b mit dem Nebenschluß 25 seinen

Die F i g. 2 zeigt einen supraleitenden Draht 31, Strom infolge der induktiven Verkopplung zwischen

der mit einem Überzug aus einem Metall 32 mit den Abschnitten oder Lagen, je nach Lage des

einem geringen Widerstand versehen ist, der seiner- Falles, zu verdoppeln. Da der Abschnitt 14 b supra-

seits einen Überzug aus einem Isoliermaterial 33 mit leitend ist und sehr wahrscheinlich in def'Nähe des

einem hohen Widerstand trägt. Wird aus dem Draht 55 kritischen Stromwertes betrieben wird, "wird der

31 in der herkömmlichen Weise ein Wickel mit einer durch den Abschnitt 14 b fließende Strom auf den

Anzahl von mehreren Lagen bildenden Windungen kritischen Wert erhöht, so daß der Abschnitt 14 b

hergestellt, und geht ein Abschnitt des Drahtes 31, in den normalleitenden Zustand übergeht. Der dritte

der sich beispielsweise zwischen den unterbrochenen Abschnitt 14 c, der bisher gegen die Vorgänge im

Linien 35 und 36 befinden soll, in den normalleiten- ^6o ersten oder am weitesten innenliegenden Abschnitt

den Zustand über, so stellt der Metallüberzug 32 14 α durch den zweiten Abschnitt 14 b abgeschirmt

unter anderem einen elektrischen Nebenschluß an wurde, muß plötzlich eine dreifache Stromstärke

einem solchen Abschnitt her oder an mehreren führen, um den Fluß konstant zu halten. Unter die-

Abschnitten, wenn dies erforderlich ist. sen Umständen muß der dritte Abschnitt 14 c mit

Die F i g. 3 zeigt eine Schaltung mit Nebenschluß- ⁶5 Notwendigkeit in den normalleitenden Zustand überwiderständen, die vorzugsweise jedoch nicht mit gehen. Dieser kumulative Vorgang wiederholt sich Notwendigkeit außerhalb der Spule und/oder der in allen Abschnitten der Spulenwicklung. Die Lage kryogenischen Umgebung angeordnet werden. Der verschlimmert sich daher zusehends, und in der

Spulenwicklung können viel stärkere Ströme als die ursprünglich fließenden induziert werden mit der Folge, daß höhere Spannungen auftreten und mehr Energie pro Längeneinheit vernichtet wird, als es der Fall wäre, wenn alle Abschnitte nicht induktiv miteinander verkoppelt wären. Wird eine leitende Schutzschaltung benutzt, so muß offenbar sorgfältig darauf geachtet werden, daß die oben beschriebenen kollektiven und induktiven Vorgänge vermieden werden.

Nunmehr sollen die Mittel und Einrichtungen beschrieben werden, die das kollektive und induktive Verhalten verhindern.

Die Fig. 5 zeigt das Prinzip der induktiven Schutzschaltung. In der Fig. 5 ist ein sich im normalleitenden Zustand befindender Bezirk 41 dargestellt, der mit einer supraleitenden Spule 14 in Reihe geschaltet ist, welche Spule induktiv mit einem Schutzkreis 42 verkoppelt ist, der eine mit einem normalleitenden Widerstand 44 in Reihe geschalteten Spule 43 umfaßt. Tritt im supraleitenden Kreis 45 nach der Fig. 5 ein sich im normalleitenden Zustand befindender Bezirk 41 auf, und beginnt der Magnetfluß zu schwinden, so sucht der Schutzkreis 42 den Fluß konstant zu halten, so daß der supraleitende Kreis 45 seine Energie mit geringstem Aufwand abgeben kann. Danach entlädt sich der Schutzkreis 42 mit der Zeitkonstante des Schutzkreises selbst. Das vom Schutzkreis 42 bewirkte Maß des Schutzes hängt von dem Kopplungskoeffizienten zwischen den beiden Kreisen sowie von ihren relativen Zeitkonstanten ab.

Da die Spulen innen und außen leicht zugänglich sind, können ohne Schwierigkeiten induktive Abschirmungen z.B. aus Blechen oder Folien eines nicht magnetisierbaren Materials mit einem geringen Widerstand vorgesehen werden, um die in den Wicklungen selbst verbrauchte Energie auf einem kleinen Wert zu halten. Oder anders ausgedrückt, die Abschirmungen unterbinden ein Anwachsen des Strornflusses in den Spulenwicklungen infolge der induktiven Verkopplung während der Übergangszeiten.

Dieser Effekt ist in der F i g. 6 dargestellt, die als Beispiel eine supraleitende Spule 14 mit einer inneren zylindrischen induktiven Abschirmung 51 und einer äußeren induktiven Abschirmung 52 zeigt, welche Abschirmungen aus einem geeigneten Blech oder einer Folie, z. B. aus Kupfer, bestehen. Die Anfangsflußverteilung für die Spule während des normalen Betriebes ist durch die Vollinie 53 dargestellt. Tritt nun eine Stelle mit normalleitenden Eigenschaften auf, und sinkt der Strom in den Wicklungen rasch auf den Wert Null ab im Vergleich zu der Zeitkonstanten der induktiven Abschirmungen, so verteilt sich der Fluß nach diesem Anfangsübergang nach der unterbrochenen Linie 54. Wie aus der Fig. 6 klar zu ersehen ist, ist die Flußverteilung außerhalb der induktiven Abschirmungen 51 und 52 dieselbe unmittelbar nach dem Anfangsübergang wie während des normalen Betriebes, wohingegen die Flußverteilung durch die Wicklungen hindurch konstant bleibt und sich nicht vergrößert. Für eine Spulenwicklung, deren Außenradius gleich dem Doppelten des Innenradius ist und die induktiv geschützt ist, beträgt die in den Windungen zu vernichtende Energie während des vorgenannten Anfangsüberganges nur 13 % der in der Spulenwicklung gespeicherten Energie.

Dieser Energieverlust kann sogar noch weiter vermindert werden, wenn innerhalb der Wicklung in Abständen noch weitere Abschirmungen vorgesehen werden. Zum Beispiel kann zusätzlich zu der inneren und äußeren Abschirmung zwischen jeder Lage der Spulenwicklung eine induktive Abschirmung angeordnet werden.

Es sei nunmehr noch einmal das kollektive, induktive Verhalten betrachtet, das beim Übergang in den normalleitenden Zustand auftritt, wenn nur die leitende Schutzschaltung nach den Fig. 3 und 4 benutzt wird, wobei besonders auf die Fig. 4 verwiesen wird. Es zeigt sich nun, daß die Hauptschwierigkeit darin liegt, daß bei einem Übergang des ersten Abschnittes 14 α in den normalleitenden Zustand der zweite Abschnitt 14 b seinen Strom verdoppeln muß, um den Fluß konstant zu halten. Wird jedoch zwischen den Abschnitten 14 α und 14 b eine dünne induktive Abschirmung aus einem hochleitenden Material, wie Kupfer, vorgesehen, dann kann die Kupferabschirmung, die aus einem Blech oder aus einer Folie besteht, so bemessen werden, daß sie den größten Teil des Stromzuwachses aufnimmt, der vorher für den zweiten Abschnitt erforderlich war, wobei die akkumulative, induktive Fortpflanzung des sich im normalleitenden Zustand befindlichen Bezirks aufgehalten wird. Da weiterhin die Energie in der Kupferabschirmung in >äeren ■ Volumen gleichmäßig verteilt wird, wird die thermi-

sehe Störung der außenliegenden Abschnitte klein gehalten. Die Fortpflanzung des sich im normalleitenden Zustand befindlichen Bezirks kann vollständig aufgehalten werden, in welchem Falle der übrige Teil der Spule sich über den oder die Nebenschlüsse entlädt, und zwar an dem sich im normalleitenden Zustand befindenden Bezirk mit einer sehr großen Zeitkonstante, die gleich der Gesamtinduktanz der supraleitenden Spule dividiert durch den Widerstandswert des Nebenschlusses am normalleitenden Bezirk ist.

Die Fig. 7 zeigt als Beispiel eine supraleitende Spule, die einige Merkmale nach der Erfindung aufweist. Hiernach sind mehrere (drei) sehr gut leitfähige, nicht-magnetisierbare und zylindrische Abschirmungen 61 bis 63 vorgesehen, z. B. aus Kupfer, die zwischen einer Anzahl von Lagen 64 der supraleitenden Spule angeordnet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden das Isoliergefäß lind der Stromschalter weggelassen. Wie aus der Fig. 7 zu ersehen ist, sind drei Lagen 64 der supraleitenden Spule zwischen angrenzenden induktiven Abschirmungen eingeschlossen. Die Anzahl dieser von den Abschirmungen eingeschlossenen Lagen kann eine bis mehr als drei Lagen betragen. Jede Abschirmung ist so zugeschnitten, daß benachbarte und in der Längsrichtung verlaufende Enden geschaffen werden, die mit den betreffenden Schaltern 65 bis 67 und den Widerständen 71 bis 73 in Reihe geschaltet sind. An die auf Längsabstand stehenden Enden jeder Abschirmung sind die Kurzschlußschalter 74 bis angeschlossen. Zwischen die Lagen der Spulenwicklung sind, wie im Zusammenhang mit der Fig. 3 beschrieben, die Nebenschlußwiderstände 77 bis geschaltet. Wie bereits erläutert, suchen die Abschirmungen 61 bis 63 den Gesamtfluß für eine gegebene Zeitspanne konstant zu halten und die zum Abschalten erforderliche Zeit zu verlangsamen und möglichst groß zu halten. Die Abschaltzeit weist den

größten Wert auf, wenn die Abschirmungen von den Schaltern 74 bis 76 kurzgeschlossen werden, oder wenn diese andererseits nicht durchschnitten sind und daher für den induzierten Strom einen Kurzschlußpfad darstellen. Diese Anordnung führt zur größten Erhitzung der Kupferabschirmungen innerhalb der Spule, die in gewissen Fällen nicht erwünscht sein kann. Es kann daher in anderen Fällen erwünscht sein, die Widerstände 71 bis 73 außerhalb der Spule oder des Isoliergefäßes anzuordnen, wie in der F i g. 7 dargestellt.

Die Verwendung der Widerstände 71 bis 73 erhöht den Widerstand in den induktiven Kreisen und vermindert dabei deren Wirkung. Die in den induktiven Kreisen vorgesehenen Widerstände gestatten jedoch außerhalb der Spule eine Ableitung eines wesentlichen Anteils der in den induktiven Abschirmungen während des Abschaltens induzierten Energie. Der Wert dieses Widerstandes soll hoch sein im Vergleich zu dem der induktiven Abschirmungen, jedoch nicht so hoch, daß der Strom wesentlich begrenzt wird, der in den Abschirmungen fließen kann. Wie bereits bemerkt, kann andererseits der Widerstand in den induktiven Kreisen wegfallen, und die Abschirmungen können einstückig hergestellt v/erden, so daß sie für den induzierten Strom einen Kurzschlußpfad bilden.

Die Wirkung der induktiven Abschirmungen ist von größter Wichtigkeit, wenn das supraleitende Material in der Nähe dessen kritischen Punktes betrieben wird, d. h. desjenigen Punktes, an dem eine kleine Menge zusätzlichen Stromes einen so starken Fluß erzeugt, daß das supraleitende Material in den normalleitenden Zustand übergeht. Auf Grund des in den induktiven Abschirmungen während des Abschaltens induzierten Stromes suchen die Abschirmungen den Gesamtfluß konstant zu halten und verhindern dabei ein Überwechseln des supraleitenden Materials in den normalleitenden Zustand.

Die Anwesenheit der induktiven Abschirmungen erleichtert nicht nur die Abschaltung einer supraleitenden Spule, sondern bewirkt ferner eine thermische Isolation zwischen den Lagen der Spule bei Temperaturen, bei denen der supraleitende Zustand beständig ist. Weiterhin können zusammen mit den induktiven Abschirmungen oder den Nebenschlußwiderständen mit Vorteil Dioden benutzt werden. Wie in der Fig. 8 als Beispiel dargestellt, können die Widerstände und die den induktiven Abschirmungen nach der F i g. 7 zugeordneten Schalter durch Dioden ersetzt werden. Die Fig. 8 zeigt z.B. eine Diode 85, die mit dem Glied 86 in Reihe geschaltet ist, das eine induktive Abschirmung oder einen Abschnitt der Spulenwicklung darstellen soll.

Daher kann jeder induktive Kreis und/oder Nebenschlußwiderstand mit einer oder mit mehreren Dioden ausgestattet sein, die so gepolt sind, daß sie dem Stromfluß während des Abschaltens einen niedrigen Widerstand und während des Einschaltens einen hohen Widerstand entgegensetzen. Dies ist leicht durchzuführen, da der Strom beim Einschalten in der entgegengesetzten Richtung fließt wie beim Abschalten. Wie leicht einzusehen ist, bewirken z. B. Dioden in den induktiven Kreisen selbsttätig und sofort den gewünschten Widerstand in den induktiven Kreisen, ohne daß Schalter, Fühlmittel u. dgl. vorgesehen werden müssen.

An Hand der vorstehenden Ausführungen werden Sachkundige ohne Schwierigkeiten erkennen, daß an Stelle der Dioden ein mechanisches Äquivalent vorgesehen werden kann, wie in der F i g. 9 dargestellt. Hiernach wurde die Diode der Fig. 8 durch einen Schalter 91 ersetzt, der entweder von Hand oder selbsttätig mit Hilfe einer geeigneten Fühlvorrichtung 92 betätigt werden kann, wobei entweder ein kleiner Widerstand 93 oder ein großer Widerstand 94 mit dem Glied 86 je nach den Bedingungen in der Spule und/oder der Stromversorgung der Spule in Reihe geschaltet wird. Die in der Fig. 9 dargestellte Anordnung verdoppelt die Wirkung der Diode in der Fig. 8.

Obwohl eine ziemlich kurze wenn auch endliche Zeitspanne erforderlich ist, damit der Strom in einem schadhaften Abschnitt über einen Nebenschlußwiderstand zum nächsten Abschnitt geleitet wird, so ist bei Fehlen von induktiven Abschirmungen, wenn das ■ auf das schadhafte Segment nächstfolgende Segment sich in der Nähe seines kritischen Wertes befindet, das Anwachsen des Stromflusses so groß, daß dieser Abschnitt in den normalleitenden Zustand überführt wird usf. durch die ganze Spule hindurch. Wie bereits bemerkt, suchen die induktiven Abschirmungen den Gesamtfluß konstant zu halten und las-, sen danach zu, daß der Fluß sich in zulässigem und sicherem Ausmaß vermindert.

Wird die Auslösungszeit bei den induktiven Abschirmungen genügend lang bemessen, und sind zwischen benachbarten Abschirmungen mehrere Abschnitte vorgesehen, wie in der Fig/ 7 dargestellt, zo nimmt jeder Abschnitt (oder *jede Lage) nur einen entsprechenden Anteil des Stromes auf, der anderenfalls in dem oder den Abschnitten fließen würde, die dem beschädigten Abschnitt benachbart sind. Auf diese Weise wird die Möglichkeit, daß ein benachbarter Abschnitt in den normalleitenden Zustand übergeht, wesentlich verringert. Da die' gesamte Spule sich nicht mehr im supraleitenden Zustand befindet, wenn ein normalleitender Bezirk vorhanden ist, muß der Strom durch einen Widerstand fließen (durch den Nebenschlußwiderstand an dem sich im normalleitenden Zustand befindenden Spulenabschnitt), wobei die gesamte Spule in zulässigem Ausmaß ausgeschaltet wird, d. h., daß die Spule weder beschädigt noch zerstört wird.

Während des Abschaltens wird eine kleine Menge der in der Spulenwicklung gespeicherten Energie im supraleitenden Material und dessen Überzug und eine erhebliche Menge Energie im Nebenschlußwiderstand am schadhaften Abschnitt vernichtet,-während der Rest in den induktiven Abschirmungen und/oder irgendwelchen nachgeschalteten_i Widerständen verbraucht wird.

Die von den Schutzmaßnahmen nach der Erfindung auf eine supraleitende Spule ausgeübte Wirkung besteht in der Verlangsamung der Übergangsvorgänge in der Spule. Dies bedeutet, daß die Einschaltzeit verlängert wird, je mehr Schutz geboten Go wird. Die Zeitkonstanten der Spulen nach der Erfindung hängen von dem jeweiligen Aufbau der Spule ab und können daher nicht angegeben werden. Beispielsweise liegt aber die Zeitkonstante für eine Spule mit einem Innendurchmesser von 127 mm, die eine Feldstärke von 50 000 Gauß erzeugt, in der Größenordnung von zehn Sekunden. Die Einschaltzeit einer Spule muß das Mehrfache der Zeitkonstanten der Spule betragen, um die Erzeugung von Wärme in

den Schutzvorrichtungen klein zu halten, wie bereits erläutert. Eine Erhitzung der Schutzvorrichtungen ist doppelt schädlich. Sie bewirkt erstens ein Verdampfen des Heliums und erzeugt zweitens Wärme in der unmittelbaren Nähe der Wicklungen. Da die spezifische Wärme von Materialien bei niedrigen Temperaturen außerordentlich klein ist, kann die Erzeugung selbst einer kleinen Menge Wärme einen Teil der Wicklungen über deren kritische Temperatur hinaus erwärmen, so daß die Spule in den normalleitenden Zustand überführt wird. Die Einschaltzeiten für eine Spule der obengenannten Art und nach der Erfindung können erwartungsgemäß in der Größenordnung von ein oder zwei Stunden oder weniger liegen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Supraleitende Spule mit einer aus mehreren, voneinander elektrisch isolierten Lagen bestehenden Wicklung aus einem supraleitenden Draht, welcher einen Überzug aus normalleitendem Metall hat, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb jeder Lage zwischen den Windun-

gen ein Isoliermaterial angeordnet ist, daß die Wicklung abschnittsweise durch außerhalb der Spule liegende Widerstände (24 bis 27; 77 bis 82) überbrückt ist und daß zwischen einigen oder zwischen allen Lagen induktive Abschirmungen (61 bis 63) in Form von elektrisch gut leitenden Folien oder Blechen angebracht sind.

2. Supraleitende Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven Abschirmungen als geschlossene Zylinderflächen ausgebildet sind.

3. Supraleitende Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede induktive Abschirmung (61 bis 63) als eine längs einer Mantellinie aufgeschnittene Zylinderfläche ausgebildet ist und daß zur Schließung des Stromkreises ein Widerstand vorgesehen ist, welcher ' während eines Flußanstiegs in der Spule einen großen und während eines Flußabbaus einen kleinen Wert annimmt.

4. Supraleitende Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem normalleitenden Überzug (32) des supraleitenden Drahtes (31) eine isolierende Schicht (33) angeordnet ist..

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen