DE1614964B2 - Schutzschaltung für eine supraleitende Magnetspule - Google Patents

Description

Es ist eine Schutzschaltung für eine supraleitende Magnetspule zur Erzeugung eines magnetischen Gleichfeldes aus hintereinandergeschalteten Teilwicklungen, deren Anschlüsse an außerhalb der Spule befindliche Dioden herausgeführt sind, die die einzelnen Teilwicklungen überbrücken und ihrerseits ebenfalls in Reihe geschaltet sind, bekannt (FR-PS 13 63 496).

Bei dieser bekannten Schutzschaltung lassen die Dioden Strom in einer Richtung durch und sperren Strom in der Gegenrichtung. Damit wird erreicht, daß beim Einschalten der Magnetspule mit hoher Spannung gearbeitet werden kann, so daß sich der Spulenstrom schneller auf seinen Endwert aufbaut, ohne daß die Dioden den erwünschten Strom an der Spule vorbeileiten, während andererseits bei abgeschalteter Stromversorgung der Spulenstrom nur den geringen Vorwärtswiderstand der Dioden überwinden muß.

Trotz des Vorhandenseins einer solchen Schutzschaltung aus Dioden wurde beobachtet, daß beim Übergang der Magnetspule in den normalleitenden Zustand Beschädigungen und sogar Zerstörungen an der supraleitenden Spule und/oder der Stromversorgung auftraten.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, diese Beschädigungen zu vermeiden.

Überraschenderweise treten beim Übergang einer supraleitenden Magnetspule aus hintereinandergeschalteten Teilwicklungen in den normalleitenden Zustand trotz des Gleichstrombetriebs Spannungsspitzen entgegengesetzter Polarität auf, die zu den Beschädigungen führen. Die Schutzschaltung muß deshalb unabhängig von der Polarität der Spannungsspitzen arbeiten.

Bisher ist sorgfältig darauf geachtet worden, daß beim Einschalten der Magnetspule ein möglichst hoher Widerstand vorhanden ist, so daß mit hoher Spannung gearbeitet werden kann, um den Einschaltprozeß trotz der hohen Induktivität, die sich beim Aufbau des Magnetfeldes und damit dem es erzeugenden Strom widersetzt, in kurzer Zeit abschließen zu können. So ist es bekannt, zwei Dioden gegensinnig in Reihe zu schalten, die bei hohen Spannungen in Sperrichtung leitend werden. Die bei solchen einander entgegengeschalteten Dioden zu überwindenden Sperrspannungen liegen wesentlich höher als die bei supraleitenden Spulen zulässigen Spannungsspitzen, so daß diese bekannte Schutzschaltung für normale Induktivitäten zur Lösung der Aufgabe nicht geeignet ist (US-PS 29 91 396).

Es ist auch bekannt, zwei Dioden antiparallel zu schalten, die jeweils mit Strombegrenzungswiderständen in Reihe liegen. Bei diesen Dioden handelt es sich jedoch um Dioden, bei denen der Spannungsabfall nur dann einen kleinen Wert annimmt, wenn vorher eine »Öffnungsspannung« aufgetreten ist, deren Absolutwert nur etwas unterhalb des Absolutwertes der Durchbruchspannung (die entgegengesetzte Polarität hat) liegt (»Neues aus der Technik«, 1. März 1961, S. 4). Wegen der Höhe der Öffnungsspannung ist auch diese bekannte Schaltung nicht zur Lösung der Aufgabe geeignet.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß, in Abkehr von der bisherigen Technik für Schutzschaltungen für normalleitende Induktivitäten, bei einer Schutzschaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß jeder Teilwicklung zwei antiparallel angeordnete Dioden parallel geschaltet sind, die bei Spannungen unter einem Schwellwert einen hohen Widerstand und bei Spannungen über dem Schwellwert einen kleinen Widerstand haben.

Damit wird zwar der im bekannten Stand der Technik für wesentlich erachtete Vorteil von Dioden, daß beim Einschalten der Magnetspule mit hoher Spannung gearbeitet werden kann, nicht erreicht, dafür aber der viel wichtigere Vorteil, daß beim Übergang der Spule in den normalleitenden Zustand keine Beschädigungen oder gar Zerstörungen befürchtet werden müssen.

Vorzugsweise liegt die Schwellwertspannung der Dioden zwischen 0,2 und 1,0 V.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung noch näher erläutert werden, in der sie in Verbindung mit einem Spektrometer für gyromagnetische Resonanz als derzeit wichtigstes Anwendungsgebiet dargestellt ist, dessen Aufbau aber kein Teil der Erfindung ist; es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild mit einem schematischen Schnitt durch ein Spektrometer für gyromagnetische Resonanz,

F i g. 2 ein Schaltbild der supraleitenden Magnetspule des Spektrometers nach Fig. 1 mit Schutzschaltung und

Fig.3 die Abhängigkeit des Stromes von der Spannung für in F i g. 2 dargestellte Leistungsdioden.

In Fig. 1 ist schematisch ein Spektrometer für gyromagnetische Resonanz dargestellt, das mit einem supraleitenden Magnetsystem arbeitet. Eine zu untersuchende Materialprobe 1 ist in einer Phiole 2 angeordnet und wird mit dieser im zentralen Teil eines Magnetfeldes Ho positioniert, das von einer supraleitenden Zylinderspule 3 erzeugt wird. Ein Paar Senderspulen 4 sind so angeordnet, daß sie die Probe 1 übergreifen, und ihre Achsen liegen etwa rechtwinklig zur Richtung des Magnetfeldes Ho. Die Senderspulen 4 werden mit hochfrequenter Schwingungsenergie von einem Sender 5 erregt. Eine Detektorspule 6 ist in der Nähe der Materialprobe 1 angeordnet; ihre Achse liegt etwa rechtwinklig zur Achse der Senderspule 4 und zur Richtung des Magnetfeldes Ho. Die Empfängerspule 6 ist an den Eingang eines HF-Empfängers 7 angeschlossen, in dem die empfangenen Signale verstärkt und gleichgerichtet werden, so daß ein Gleichstromsignal am Ausgang entsteht, das einem Schreiber 11 zugeführt und dort aufgezeichnet wird.

Die supraleitende Zylinderspule 3 wird mit einer Stromversorgung 8 über Leitungen 9 erregt und erzeugt ein sehr starkes gleichförmiges magnetisches Gleichfeld

Ho von beispielsweise 55 bis 65 kG in einem Bereich von 1,3 χ 1,3 x 5 cm. Die Schaltung der Stromversorgung 8 mit der supraleitenden Zylinderspule 3 wird später näher erläutert.

Ein Spektrum der gyromagnetischen Resonanzsigna-Ie der analysierten Probe wird dadurch erhalten, daß die Stärke des magnetischen Gleichfeldes Ho durch verschiedene Resonanzen der Gruppen gyromagnetischer Körper in der Probe 1 gewobbelt wird, und zwar mit Hilfe eines Wobbeigenerators 12, der ein Wobbelsignal an die Stromversorgung 8 liefert, die ihrerseits den durch die Zylinderspule 3 fließenden Strom wobbelt. Zusätzlich liefert der Wobbelgenerator ein Signal an den Schreiber 11, so daß das Resonanzsignal in Abhängigkeit vom gewobbelten Feld aufgezeichnet wird. Das Spektrum der gyromagnetischen Resonanzsignale vom Schreiber 11 dient zur chemischen Analyse der untersuchten Probesubstanz 1.

Das supraleitende Magnetsystem weist eine hohlzylindrische Kammer 13 auf, die die Zylinderspule 3 umgibt und mit einem Kühlmittel auf sehr niedriger Temperatur gekühlt ist, beispielsweise 4° K, ein solches Kühlmittel ist typischerweise flüssiges Helium. Die Kammer 13 ist gegen die Umgebungstemperatur mit einer Vielzahl von koaxial ineinander geschachtelten Kammern isoliert, darunter einer Kammer 14, die auf einen sehr tiefen Druck evakuiert ist, beispielsweise 10⁶ Torr, um die Wärmeleitung herabzusetzen. Um die Vakuumkammer 14 liegt eine Kammer 15, die flüssigen Stickstoff bei etwa 77° K enthält. Um die Kammer 15 mit flüssigem Stickstoff liegt wiederum eine zweite Vakuumkammer 16, mit der die Wärmeleitung zwischen der Außenluft und der Stickstoffkammer 15 verringert wird. Die Außenwand der Vakuumkammer 16 bildet die Außenwand der Magnetanordnung und ist auf ihrer Außenfläche atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt.

Ein gläsernes oder metallenes Dewar-Gefäß 17 ist zentral in der supraleitenden Spule 3 angeordnet. Die Außenwand des Dewar-Gefäßes 17 bildet die Innenwand der Kammer 13 mit flüssigem Helium. Das Dewar-Gefäß besteht aus zwei koaxial angeordneten und voneinander entfernten gläsernen oder metallenen Wänden 17'und 18, zwischen denen eine Vakuumkammer 19 liegt. Die innere Koaxialwand 18 bildet eine fingerartige Kammer 21 mit offenem Ende, in der atmosphärische Umgebungsbedingungen herrschen und die sich bis in die Mitte der supraleitenden Zylinderspule 3 erstrecken. Die fingerartige Kammer 21 ist am oberen Ende offen, damit von der Oberseite ein Zugang zum Magnetfeld möglich ist. Bei einer typischen Anlage liefert die supraleitende Spule 3 ein magnetisches Gleichfeld von bis zu 65 kG in der Mitte. Die Spule 3 besteht aus einem geeigneten supraleitenden Werkstoff, beispielsweise NbZr-Draht mit Kupferumhüllung, um im Mittelbereich ein gleichförmiges Feld zu schaffen. Der Bereich gleichförmigen Feldes ist zylindrisch und hat einen Durchmesser von etwa 1,3 cm ('/2") und eine Länge von etwa 5 cm (2").

In Fig. 2 ist die elektrische Schaltung für den supraleitenden Magneten nach Fig. 1 dargestellt. Die Magnetschaltung besteht aus der Wicklung 3 der supraleitenden Spule. Die Wicklung besteht beispielsweise aus 24 bis 37 km (80 000 bis 120 000 Fuß) von NbZr-Draht mit Kupferumhüllung, der zu einer Spule von 31 cm (12") Länge und 15 bis 20 cm (6 bis 8") Durchmesser aufgewickelt ist und eine Induktivität zwischen 50 und 200 Henry hat. Der supraleitende Draht wird gewöhnlich in Längen von 2,5 bis 3 km (8000 bis 10 000 Fuß) geliefert, und die einzelnen Längen sind deshalb mit supraleitenden Verbindungen 23 zusammengefügt, um die Gesamtspule 3 zu bilden. Die Anschlüsse 23 dienen als bequeme Anschlüsse zum Unterteilen der Spule 3 in verschiedene Sektionen oder Segmente von je etwa 10 Henry Induktivität, um einen Schutz für die Spule zu ermöglichen.

Leitungen 24 aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Leiter führen von den Anschlüssen 23 nach außen. Ein Paar Leistungsdioden 25, beispielsweise Silizium-Leistungsdioden Type IN 1193 oder IN 248 A der Firma Motorola, die jede einen Strom von 20 bis 30 Ampere durchlassen können und eine Strom-Spannungs-Kennlinie gemäß Fig.3 haben, sind parallel zueinander in Brücke über die Segmente der Spule 3 geschaltet. Eine Diode 25 jedes Paares ist so geschaltet, daß Strom in der Vorwärtsrichtung über das überbrückte Segment der Wickelung geleitet wird, und die andere Diode 25' ist so geschaltet, daß sie Strom in der Rückwärtsrichtung über das überbrückte Spulensegment leitet. Die Dioden 25 sind über die Anschlüsse des Magneten über ihre eigenen, getrennten Leitungen 10 angeschlossen, so daß die Dioden nicht durch Spannungsabfälle in den Magnet-Strom-Zuleitungen 9 eingeschaltet werden. Diese Zuleitungen 9 könnten aus sehr kräftigem Draht hergestellt werden, um Spannungsabfälle zu verringern, aber wenn das geschieht, würde der Wärmeübergang von der äußeren Umgebung an das Kühlmittel, das flüssige Helium, und die Spule 3 erhöht werden. Es wird deshalb ein Kompromiß benutzt, und als Draht wird beispielsweise wärmeisolierter Kupferdraht Nr. 10(10 gauge) von der Stromversorgung 8 bis zur Temperatur des flüssigen Stickstoffs verwendet, und anschließend wird kupferner Formvar-Draht Nr. 20 (20 gauge) verwendet.

Ein supraleitender Draht 26 ist über die Anschlüsse der Zylinderspule 3 geschaltet. Ein Heizelement 27 liegt in der Nähe des supraleitenden Drahtes 26 auf irgendeinem Punkt seiner Länge. Das Heizelement ist gemeinsam mit dem supraleitenden Draht in ein Dielektrikum 28 eingebettet.

Die Magnetspule 3 wird dadurch erregt, daß Strom von der regulierten Stromversorgung 8 über Leitungen 9 durch die Wicklung 3 geschickt wird. Die Dioden 25 leiten so lange nicht, wie die induktive Spannung von der Spule 3 oder die angelegte Spannung von der Stromversorgung 8 die Reihen-Schwellwertspannung der Reihenschaltung der Dioden 25 übersteigt, die über die Enden der Spule 3 geschaltet sind. Wenn die Wicklung 3 aus n-Segmenten besteht und die Dioden eine charakteristische Schwellwertspannung von Vi haben, ist die maximale angelegte Spannung von der Stromversorgung 8 und/oder die induktive Spannung von der Spule vor Druchbruch der Dioden gleich η Vt. Für die Dioden mit einer Kennlinie gemäß F i g. 3 ergibt sich bei 7 Segmenten der Wicklung 3 eine maximal zulässige Spannung von 3,5 Volt. Das thermische Heizelement 27 wird auch während der Zeit erregt, in der der Magnet 3 erregt wird, um den Widerstand des supraleitenden Drahtes 26 auf etwa 60 Ohm im Normalzustand zu bringen, um den Paralleldraht 26 daran zu hindern, als Kurzschluß für die Spule 3 zu wirken.

Der Strom baut sich in der Primärwicklung 3 auf einen passenden Wert, beispielsweise 20 Ampere, auf. Dann wird das Heizelement 27 gelöscht. Wenn das flüssige Helium den Draht 26 in den supraleitenden Zustand abgekühlt hat, kann der Magnetstrom zum

persistenten Modus abgeschaltet werden. Im persistenten Modus fließt der Magnetstrom von beispielsweise 20 Ampere durch die Primärwicklung und zurück um den Magneten und durch den supraleitenden Kurzschlußdraht 26 ohne Verluste. Der Magnetstrom wird in den persistenten Modus geschaltet, indem allmählich der Strom durch die Stromversorgung 8 herabgesetzt wird. Wenn der durch die Stromversorgung 8 fließende Strom verringert wird, fließt der restliche Teil des gesamten Magnetstromes durch den supraleitenden Draht 26. Wenn der von der Stromversorgung 8 gezogene Strom auf Null herabgesetzt ist, ist der Magnet im voll persistenten Modus, wobei der gesamte Magnetstrom durch den Draht 26 fließt.

Wenn die Wicklung 3 erregt wird, erleidet sie oft unerwartet und sehr schnell, d. h. innerhalb einiger Millisekunden, einen Übergang vom supraleitenden Zustand in den normalen Zustand. Wenn die supraleitende Magnetwicklung 3 in den normalen Leitungszustand kippt, beginnt das normalerweise damit, daß ein kleiner, lokalisierter Bereich des Drahtes in den Normalzustand übergeht. Dieser lokalisierte Bereich wird verlustreich und wird dadurch schnell aufgeheizt. Der aufgeheizte Bereich dehnt sich aus, und wenn diese Ausdehnung nicht angehalten wird, setzt sich der Übergang in den normalen Leitungszustand über die gesamte Länge der Magnetwicklung 3 fort.

Zu der Zeit, zu der der Magnet in den Normalzustand übergeht, können verschiedene Ereignisse eintreten. Wenn der Magnet nicht durch die rückwärts und vorwärts leitenden Dioden 25 geschützt wird, kann das Ergebnis für die Spule 3 und/oder die Stromversorgung 8 katastrophal sein.

Einige der wichtigsten Ereignisse, die beim Übergang in den Normalzustand eintreten, sind folgende: Ein Stromstoß von der Stromversorgung 8, mit dem Leistung an den erwärmten Teil der Wicklung geschickt wird, kann dafür sorgen, daß die Stromversorgung die Verbindung mit dem Magneten 3 öffnet. Wenn der Magnetstrom in der in der Zeichnung dargestellten Richtung führt, werden die Dioden 25' leitend und ermöglichen es dem Magnetstrom, durch die Wicklung zu zirkulieren, ohne daß über den Klemmen der Magnetspule eine große Spannung entwickelt wird.

In einigen Magnetsystemen wird die Magnetspule 3 durch den Zustand Strom Null gewobbelt. Wenn der Strom im Magneten 3 gegen den in der Zeichnung dargestellten umgekehrt wird, was bei einer Wobbelung durch den Wert Null eintritt, und die Stromversorgung öffnet den Kreis zur. Spule als Antwort auf einen Übergang, entsteht über den Anschlüssen der Magnetspule 3 eine sehr hohe Spannungsspitze. Die vorwärts leitenden Dioden 25 verhindern in diesem Falle, daß sich über der Magnetspule 3 große äußere Spannungen entwickeln.

Die rückwärts und vorwärts leitenden Dioden 25 können auch verhindern, daß sich die lokalisierten erwärmten Bereiche der Magnetwicklung fortpflanzen. Es soll angenommen werden, daß Strom in der dargestellten Richtung an den Magneten geliefert wird und daß das erste Endsegment der Wicklung einen lokalisierten Übergang mitmacht. In diesem Falle entwickelt sich über dem ersten Segment der Wicklung 3 ein Spannungsabfall IR. Eine induktive Spannung entgegengesetzter Größe entwickelt sich über dem Rest aller Wicklungen. Damit erscheint über dem ersten Segment nach außen hin eine erhebliche Widerstands-Spannung. Dieser Widerstands-Spannungsabfall wird durch die vorwärts leitende Diode 25 abgeleitet, die den Magnetstrom um die »heiße« Sektion herumleitet. Der Rest des Magneten bleibt im supraleitenden Zustand, bis der kurzgeschlossene erhitzte Teil des ersten Segmentes genügend weit abgekühlt ist, um in den supraleitenden Zustand zurückzukehren. Die parallelen rückwärts und vorwärts leitenden Dioden sind also außerordentlich nützlich, um einen Schaden am Magneten und der zugehörigen Stromversorgung zu vermeiden. Weiter können diese Dioden 25 sogar verhindern, daß die gesamte Magnetspule in den Normalzustand übergeht.

Die vorwärts und rückwärts leitenden Schutzelemente sind zwar als Dioden beschrieben worden, das stellt jedoch nur eine bevorzugte Ausführungsform dar, da gewisse andere Elektronenentladungs- oder Halbleiter-Elemente, die eine Diodenstruktur aufweisen, in Verbindung mit anderen Elektroden oder Kontrollelementen statt der einfachen Dioden verwendet werden können. Alle solche Elemente, die eine Diodenstruktur aufweisen, sollen unter dem hier verwendeten Ausdruck »Diode« verstanden werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schutzschaltung für eine supraleitende Magnetspule zur Erzeugung eines magnetischen Gleichfeldes aus hintereinandergeschalteten Teilwicklungen, deren Anschlüsse an außerhalb der Spule befindliche Dioden herausgeführt sind, die die einzelnen Teilwicklungen überbrücken und ihrerseits ebenfalls in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teil wicklung zwei antiparallel angeordnete Dioden parallel geschaltet sind, die bei Spannungen unter einem Schwellwert einen hohen Widerstand und bei Spannungen über dem Schwellwert einen kleinen Widerstand haben.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden eine Schwellwertspannung zwischen 0,2 und 1,0 V haben.