DE69107180T2 - Supraleitender Magnet mit induktiven Quench-Heizgeräten. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft supraleitende Magnetsysteme mit Vorrichtungen zum Schutz des Magneten, wenn ein Abschnitt quencht oder normal wird. Insbesondere betrifft die Erfindung derartige Systeme, die Heizeinrichtungen haben, die gleichförmig bewirken, daß die gesamte Spule normal wird, um die gespeicherte Energie innerhalb der Spule zu verbrauchen.
• In supraleitenden Magneten gibt es kleine Bereiche der supraleitenden Wicklung, wie beispielsweise gelötete oder geschweißte Verbindungen zwischen supraleitenden Kabeln, Bereiche, die einer Reibungserhitzung oder übermäßiger Beanspruchung ausgesetzt werden, und andere, die während des Magnetbetriebes normale Leiter werden können. Das bedeutet, daß in derartigen Bereichen die Leiter Widerstand erhalten, statt das sie Supraleiter sind, und Widerstandsleistungsverluste werden durch das Hindurchfließen von Strom erzeugt. Im allgemeinen werden Supraleiter derart ausgeführt, daß irgendein kleiner, örtlicher, "normaler" Bereich in seinem Volumen nicht über eine bestimmte Größe hinauswächst oder sich entlang der Wicklung ausbreitet, sondern stattdessen in den supraleitenden Zustand zurückkehrt. Bei gewissen Ereignissen kann jedoch ein derartiger Bereich im Volumen zu wachsen beginnen und/oder sich auszubreiten beginnen, mit immer weiter ansteigenden Widerstandsleistungsverlusten. Ein derartiges Ereignis wird häufig als "Wicklungsquenchung" (coil quench) bezeichnet, und Quencherkennungssysteme werden vorgesehen, um derartige Ereignisse zu erfassen. Es ist sehr wichtig, derartige Bereiche schnell zu erfassen und solche Maßnahmen zum Schutz des Magneten zu treffen, welche am wahrscheinlichsten zu einem Beseitigen der in der Spule gespeicherten Energie führen. Diese Energie muß verhältnismäßig gleichförmig über den Magneten verteilt werden, und nicht in irgendeinen kleinen Bereich, um die in dem Magneten erzeugte Spitzentemperatur und damit die Möglichkeit der Beschädigung der Wicklung zu minimieren.
• Eine Bauart eines supraleitenden Magneten ist diejenige, die für den "Superconducting Supercollider" (SSC) entwickelt wurde. Der SSC verwendet Tausende von supraleitenden Dipolmagneten, um zwei Strahlen von Protonen in geschlossenen Schleifen oder Ringen auszurichten. Gruppen von etwa 400 SSC-Dipolen werden durch eine gemeinsame Gleichstromleistungsversorgung mit Energie versorgt. Dipolmagnete in jeder Gruppe werden zu Zellen von zehn oder zwölf Magneten organisiert, die dann durch gemeinsame Stromschienen mit Energie versorgt werden. Die Zellen werden weiter in Halbzellen aufgeteilt. Jede Halbzelle umfaßt auch einen Vierfachmagneten, der den Protonenstrahl fokussiert.
• Das gegenwärtig erwogene Löschsystem für den SSC-Magneten ist ein aktives System, d. h. es wird angenommen, daß die Magneten sich nicht selbst schützen, sondern außerhalb des Magneten befindliche Einrichtungen werden während des Quenchens aktiviert, um einen quenchenden Magneten zu schützen und nebenzuschließen. Dieses aktive System kombiniert einen schnellen Quenchnebenschlußschaltkreis und ein langsames Stromextraktionssystem. Das langsame Stromextraktionssystem besteht aus Beseitigungswiderständen und Hochleistungselektronik und mechanischen Schaltern, die nach der Erkennung eines Quenchens in den Magnetschaltkreis eingeschaltet werden. Das Quenchkennungssystem besteht aus Spannungsabgriffen an den Anschlüssen von jedem Magneten. Das schnelle Quenchnebenschlußsystem besteht aus Kalt-zu- Warm-Leitern, externen Nebenschlußkabeln und warmen Dioden, die die Halbzelle, die den Quenchmagneten enthalten, nebenschließen. Streifenerhitzer sind innerhalb der Spulen eingebettet, um den Quenchwiderstand zu verteilen und zu vergrößern, was die gespeicherte Energie veranlaßt, gleichförmiger innerhalb der Magnetmasse verteilt zu werden. Bei Ermittlung eines Magnetquenchens werden alle die Erhitzer in den Magneten, die eine Halbzelle umfassen, erregt wobei Kondensatorbänke und elektronische Schalter verwendet werden. Der Magnetstrom kommutiert zu den warmen Nebenschlußdioden und beginnt dann abzufallen, während die Abfallwiderstände in den Schaltkreis eingeschaltet werden.
• Das gegenwärtige Nebenschlußsystem wie nunmehr entwickelt verwendet zwei stark stabilisierte supraleitende Sammelschienen, angeordnet in der kalten Masse, gerade außerhalb und sich erstreckend über die gesamte Länge des Eisens in dem Magneten. Jede Halbzelle von Magneten wird durch unabhängige Nebenschlußschaltkreise außerhalb des Cryostaten geschützt, mit Leitern, die die positiven und negativen Leistungssammelschienen in dem Magneten verbinden. Der grundlegende Nebenschlußschalter besteht aus zwei warmen Dioden, die in Serie miteinander verbunden sind. Wenn aus irgendeinem Grund der Spannungsabfall über der Halbzelle den Wert von etwa einem Volt überschreitet, wird Strom beginnen, in die Dioden zu kommutieren.
• Dieses Schema erfordert die Verwendung von zwei Sicherheitsleitungen bei jeder Vierfachstelle an beiden Ringen, um die warmen Dioden mit der supraleitenden Magnetsammelschiene zu verbinden. Diese Leitungen müssen die zahlreichen Barrieren innerhalb des Cryostaten, in dem die Magnete enthalten sind, durchdringen. Heliumdampfgekühlte Leitungen werden für diese warmen Dioden vorgeschlagen, um für eine schnelle Erholung nach einer Quenchung zu sorgen und die Hitzeleckage zu minimieren. Hitzesenken werden erforderlich für die warmen Dioden, da von diesen erwartet wird, daß sie die während eines Bypassereignisses abgegebene Energie absorbieren, ohne Überhitzung und Versagen.
• Acht Quenchheizleistungsversorgungen werden für jede Magnetzelle benutzt wobei vier der Versorgungen redundant sind. Hunderte von derartigen Leistungsversorgungen werden für den SSC benötigt. Während diese Leistungsversorgungen, von denen jeder einen großen Energiespeicherkondensator enthält, nicht besonders teuer sind, ist ihre reine Zahl für die Zuver- lässigkeit des aktiven Quenchsystems relevant, wegen der Gefahr des falschen Auslösens oder Versagens des Auslösens, wenn dies erforderlich ist.
• Alle diese Leistungsversorgungen müssen voll geladen auf ein Auslösesignal während der Dauer der SSC Strahloperationen warten, d. h., beginnend mit der Strahlbeschleunigung und fortdauernd bis zur Beseitigung des Reststrahles.
• Es ist die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein supraleitendes Magnetsystem mit verbessertem Schutz gegen ein Quenchen zu schaffen, welches die Notwendigkeit für Hunderte von Quencherhitzungsleistungsversorgungen zusammen mit den erforderlichen Überwachungs-, Steuerungs- und Triggerungsschaltungen eliminiert.
• Diese und andere Aufgaben werden gelöst durch die Erfindung geschaffen, die auf ein supraleitendes Magnetsystem gerichtet ist, das einen Schutz gegen Quenchereignisse besitzt und das induktive Heizeinrichtungen umfaßt, bestehend aus langgestreckten geschlossenen Schleifenheizgliedern, angrenzend zu den Magnetspulen. Dieses System umfaßt weiterhin Dioden, vorzugsweise kalte Dioden, die innerhalb des Cryostaten enthalten sind, angeschlossen über den Magnetspulen. Da die kalten Dioden nicht durch den Cryostaten hindurchdringen müssen, kann jede Magnetspule seperat durch eine Diode nebengeschlossen werden.
• Die geschlossene Schleife, gebildet von jedem der langgestreckten Heizglieder, ist derart orientiert, daß eine Änderung im Magnetfluß, erzeugt durch den Magneten, Strom in der Heizschleife erzeugt.
• Die Dioden besitzen einen Vorwärtsabfall, der durch eine Spannung überschritten wird, welche über der Magnetspule von einem Quenchvorfall erzeugt wird. Somit wird ein Quenchvorfall das Leiten der Nebenschlußdiode bewirken und dadurch Strom von der Wicklung des Magneten nebenschließen. Diese Kommutation des Stromes aus dem Magneten heraus veranlaßt eine Änderung in dem Fluß, welche Strom in den Heizern induziert, der ausreicht, um den Rest des Magneten zu veranlassen, normal zu werden, wodurch die gespeicherte Energie innerhalb des gesamten Magneten verbraucht wird. Ein Paar von unabhängigen induktiven Heizern ist für jede Magnetspule aus Redundanzgründen vorgesehen.
• Es ist auch ein Ziel der Erfindung, ein derartiges System zu liefern, welches die Notwendigkeit für warme Dioden beseitigt, wie auch für die dampfgekühlten Leitungen, die für diese Dioden erforderlich sind, um den mehrfach geschichteten Cryostaten zu durchdringen.
• Es ist ein weiters Ziel der Erfindung, ein derartiges System zu schaffen, bei dem jeder Magnet separat gegen ein Quenchen geschützt ist.
• Es ist auch ein anderes Ziel der Erfindung, ein solches System zu liefern, bei dem in dem getrennten Schutz für jeden Magneten Redundanz vorhanden ist.
• Ein volles Verständnis der Erfindung läßt sich durch die folgende Beschreibung der vorzugsweisen Ausführungsform in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen erlangen.
• Es zeigt:
• Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Teils eines supraleitenden "Supercolliders", der die Erfindung umfaßt;
• Fig. 2 eine vertikale Schnittansicht durch einen der Magneten des SSC von Fig. 1;
• Fig. 3 eine Vergrößerung der kalten Massenanordnung, die in Fig. 2 im Schnitt gezeigt ist;
• Fig. 4 ein isometrisches Diagramm, welches schematisch die induktiven Heizer erläutert, welche Teil der Erfindung bilden;
• Fig. 5A und 5B nebeneinander angeordnet ein schematisches Schaltkreisdiagramm einer Zelle des SSC von Fig. 1 gemäß der Erfindung;
• Fig. 6 ein schematisches Schaltkreisdiagramm einer alternativen Ausführungsform eines induktiven Heizers gemäß der Erfindung; und
• Fig. 7 in einer fragmentarischen auseinandergezogenen Ansicht eines Teils der Fig. 3 in vergrößertem Maßstab zur Erläuterung von Details des Heizers gemäß der Erfindung.
• Die Erfindung wird beschrieben wie angewendet bei einem supraleitenden Supercollider, jedoch wird dem Durchschnittsfachmann deutlich werden, daß die Erfindung auch bei anderen supraleitenden Magnetsystemen anwendbar ist.
• In Fig. 1 bildet der supraleitende Supercollider (SSC) 1 einen geschlossenen Weg 3 für einen Strahl aus Protonen. In den gebogenen Abschnitten des Weges 3 umfaßt der SSC eine Serie von Magneten, wie beispielsweise 5a bis 5l, serienweise über Balgen 7 miteinander verbunden. Die Magnete 5a bis 5l sind die Pole, die ein Feld erzeugen, das die Protonen entlang den gewünschten Weg 3 ablenken, (Zur Vereinfachung sind die Vierfachmagneten nicht erläutert.) Der gewünschte Weg 3 ist viele Meilen lang und mehrere Tausend von Magneten 5a bis 5l, jeder von diesen ungefähr 52 Fuß lang, sind erforderlich, um die gebogenen Abschnitte des Weges zu bilden. Die Krümmung ist in Fig. 1 zum Zwecke der Erläuterung übertrieben.
• Figur 2 ist ein Querschnitt durch einen der Dipolmagneten 5. Ein mehrschichtiger Cryostat 9 umfaßt ein Vakuumgefäß 11. Innerhalb des Vakuumgefäßes befindet sich eine 80-Kelvin- Abschirmung 13, welche durch flüssigen Stickstoff gekühlt wird, welcher durch Röhre 15 geliefert wird; eine 20- Kelvin-Abschirmung 17 innerhalb der 80-Kelvin-Abschirmung 13 wird gekühlt durch Helium von 20 Kelvin zirkuliert durch das Rohr 19.
• Eine kalte Massenanordnung 21 wird innerhalb der 20-Kelvin- Abschirmung 17 von dem Cryostaten 9 auf einem Podest 23 gestützt. Flüssiges Helium von 4,35 Kelvin wird durch die kalte Massenanordnung hindurchzirkuliert, wie noch erläutert wird. Die 4,35-Kelvin-Heliumflüssigkeit wird durch das Rohr 25 und das 4,35-Kelvin-Heliumgas durch das Rohr 27 zurückgeführt, welche beiden Rohre innerhalb der 20-Kelvin-Abschirmung 17 liegen.
• Die kalte Massenanordnung 21 ist in Fig. 3 vergrößert dargestellt. Die kalte Massenanordnung 21 umfaßt eine Schale 29 aus rostfreiem Stahl, innerhalb der ein zweistückiges Joch 31 angeordnet ist. Das Joch besitzt axial sich erstreckende Heliumdurchlässe 33, durch die flüssiges Helium von 4,35 Kelvin zirkuliert wird, und Erhitzerdurchlässe 35, durch die sich elektrische Heizer zum Aufwärmen des Magneten während des Abschaltens des SSC hindurcherstrecken. Innerhalb des Joches 31 aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt 31 ist ein magnetisch permeabler Kragen 37 angeordnet, der beispielsweise aus einem Material wie Nitronic 40 bestehen kann. Der Kragen 37 stützt die Wicklung der Dipolmagnetspule 39. Die Magnetspule 39 umfaßt obere und untere äußere Wicklungen 41 bzw. 43, und obere und untere innere Wicklungen 45 und 47, alle in Serie miteinander verbunden. Die Magnetspule umschließt ein Strahlrohr 49, durch welches der Protonenstrahl hindurch, läuft. Die Magnetdipolspule 39 erzeugt ein gleichförmiges vertikales Magnetfeld über dem Strahlrohr 49 mit einer Feldstärke, die so eingestellt wird, daß sie die gewünschte Krümmung des Protonenstrahls bei dem erreichten Energiepegel des Strahles induziert. Heizstreifen 51, 53, 55 und 57 werden an die zwei Hälften der oberen bzw. unteren äußeren Wicklungen der Magnetspule 39 angebracht.
• Wie in Figur 4 gezeigt ist, erstrecken sich die Heizstreifen 51, 53, 55 und 57 longitudinal entlang der vollen Längserstreckung der Magnetspule, schematisch bei 39 angedeutet. Die Heizstreifen 51 und 53 sind an gegenüberliegenden Enden mittels Leitern 59 angeschlossen, um eine geschlossene Schleife zu bilden. In ähnlicher Weise sind die Heizstreifen 55 und 57 in Serie über den Leiter 61 miteinander verbunden. Somit werden zwei getrennte unabhängige Heizkreise 63 und 65 für jede Magnetspule 39 geschaffen.
• Fig. 5A und 5B erläutern schematisch ein Schaltkreisdiagramm für die Zelle von Magneten 67, bestehend aus den Magneten 5a bis 5l. (Zur Vereinfachung, sind die Vierfachmagneten nicht gezeigt.) Eine Gleichstromleistungsversorgung 69 liefert Strom zu etwa 400 der Magnete 5 über ein Paar von parallelen Sammelschienen 71 und 73. Die Magnete 5a bis 5c und 5j bis 5l sind in Serie durch die Sammelschiene 91 miteinander verbunden, während die verbleibenden Magnete in der Zelle 5d bis 5i durch die Sammelschiene 73 miteinander in Serie verbunden sind. Die Sammelschiene 71 und 73 sind an dem Ende 75 miteinander in Serie verknüpft. Wie zu erkennen ist, ist jeder der Magneten 5a bis 5l mit unabhängigen Heizschleifen 63a bis 63l und 65a bis l versehen, die keine externen Leistungsquellen benötigen. Jeder der Magneten 5a bis l ist durch eine kalte Diode 77a bis 77l nebengeschlossen. Mit kalte Diode ist gemeint, daß die Dioden 77 in dem kalten Bereich innerhalb des Cryostaten 9 enthalten sind. Somit sind keine Durchbrüche durch den Cryostaten 9 erforderlich. wie im Falle von warmen Dioden.
• Wie weiter vorstehend schon erläutert wurde, werden die Heizstreifen 51, 53, 55 und 57 gemäß der Erfindung durch Magnetinduktion mit Leistung versorgt. Bei vollem Strom speichert jeder Magnet 5a bis 5l mehr als ein Mega-Joule; es ist lediglich notwendig, einen kleinen Bruchteil dieser Energie während der ersten 25 bis 50 Millisekunden nachfolgend nach der Auslösung des Quenchens zu den Quenchheizstreifen zu liefern, im Bereich von etwa 0,01 bis 0,05 % gleichförmig verteilt, um den gesamten Magneten zu quenchen und eine gleichförmige Energiebeseitigung der gesamten einen Mega-Joule sicherzustellen.
• Bei der Auslösung eines magnetischen Quenchens in einem der Magnete 5a bis 5l steigt die Spannung über den Anschlüssen sehr schnell an. Die kalte Nebenschlußdiode 77, die den Magneten nebenschließt, wird beginnen Strom zu leiten, wenn die Spannung an denk Magnetanschlüssen den Vorwärtsspannungsabfall der Diode überschreitet; d. h., Strom wird aus dem Magneten hinaus und in die Diode kommutieren und der Magnetstrom wird abzufallen beginnen, mit einer Zeitkonstanten in der Größenordnung von 50 bis 500 Millisekunden. Der Vorwärtsabfall einer Diode, die bei 4,35 Kelvin arbeitet, beträgt etwa 2,5 bis 5 Volt. Während jedoch Strom durch die Diode hindurchläuft, erhitzt sich die Diode, der Vorwärtsspannungsabfall wird auf etwa 0,7 bis 1,0 Volt fallen, wodurch der Magnetstrom veranlaßt wird, zu der Diode zu kommutieren. Das Dipolfeld des Magneten 5 wird in Übereinstimmung mit dem Strom vergehen und diese zeitliche Änderung des Magnetflusses wird eine Spannung in den Streifenheizschleifen 63 und 65 erzeugen, die in den Magnetwicklungen eingebettet sind. In den Streifenheizschleifen 63 und 65 wird Stom zu fließen beginnen, in solcher Richtung, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das dem vergehenden Dipolfeld entgegengerichtet ist. Der augenblickliche Strom wird überall entlang der Streifenheizschleife exakt den gleichen Wert haben. Es sollte bemerkt werden, daß sowohl der Widerstand der Heizschleifen 63 und 65 und der induzierte Strom in diesen Schleifen Funktionen der Zeit sind. Der Streifenheizwiderstand ist eine Funktion der Temperatur, und die Temperatur steigt mit der Zeit an, während Energie in dem Heizer abgelagert wird. Der Heizstrom ist eine komplexe Funktion der Zeit; er hängt ab von der Selbstinduktanz der Heizschleifen, der gegenseitigen Induktanz der Heizschleife mit der Dipolwicklung, der Veränderungsrate des Stromes in der Dipolmagnetwicklung, und dem zeitlich sich ändernden Widerstand in der Heizschleife. Basierend auf den bis zum heutigen Tage durchgeführten Arbeiten, bei denen gewisse Annäherungen gemacht worden sind, ist zu erwarten, daß während der ersten 0,1 bis 0,25 der Zeitkonstante des abnehmenden Stromes in dem Dipol nach der Quenchauslösung eine ausreichende Größe von Energie induktiv von der Dipolmagnetwicklung zu den Streifenheizern übertragen werden kann, um den gesamten Magneten relativ gleichförmig zu quenchen.
• Es muß darauf geachtet werden, ob die Induktionsheizer der Erfindung ausreichend auf die Entwicklung von einem kleinen, "eingeschlossenen" normalen Bereich innerhalb des Magneten reagieren können, d. h., ein schmaler Bereich, der quencht, aber dessen Quenchung weder größer wird, noch von seinem Auslösepunkt wegwandert; trotzdem steigt die Temperatur dieses normalen Bereiches schnell auf den Punkt, wo die Wicklung beschädigt wird. Man stelle sich einen einen Meter langen Schnitt einer Spulenwicklung vor, die bei einem Magnetstrom von 2 kA quencht. Bei einer Temperatur von 10 Kelvin beträgt der Widerstand des supraleitenden Dipolkabels etwa 0,40 Mikro-Ohm pro Zentimeter (Feld Null), und der Spannungsabfall über diesem normalen Bereich ist etwa 80 mV. Diese Spannungshöhe ist vermutlich nicht leicht an den Magnetspannungsabgriffen erkennbar, und sie wird nicht bewirken, daß der Strom aus dem Magneten heraus zu der kalten Nebenschlußdiode herauskommutiert. Jedoch wird das Kabel weiter sich erhitzen. Bei Raumtemperatur beträgt sein Widerstand ungefähr 26 Mikro-Ohm pro Zentimeter, mit einem sich ergebenden Spannungsabfall von 5,2 Volt innerhalb des Abschnittes von einem Meter. Wie schon weiter oben erläutert, wird die kalte Diode bei etwa 2,5 bis 5 Volt Vorwärtsabfall zu leiten beginnen, und während sich die Diode erhitzt, wird ihr Vorwärtsabfall auf etwa 0,7 bis 1,0 Volt abfallen, was den Magnetstrom veranlaßt, zu der Diode zu kommutieren. Somit wird eine "eingeschlossene" normale Zone von nur einem Meter Länge sicherlich erkennbar werden, bevor seine Temperatur 300 Kelvin erreicht, bei welcher Temperatur die Kommutierung des Magnetstroms zu der Nebenschlußdiode und die induktive Aktivierung der Quenchheizer bewirkt wird.
• Eine andere Angelegenheit, die überlegt werden muß, ist die Erlangbarkeit von geeigneten Hochleistungssiliziumdioden und die Überlebensfähigkeit von derartigen Dioden bei der Temperatur von flüssigem Helium und der Strahlungsumgebung des SSC, und für die projektierte Lebensdauer von 30 Jahren für den SSC. Die Eigenschaften von Hochstromsiliziumdioden, die bei der Temperatur von flüssigem Helium arbeiten, sind wohl bekannt und sie sind ideal geeignet für diese Anwendung. Der Vorwärtsspannungsabfall der Diode, der in der Größenordnung von 2,5 Volt bei 4,4 Kelvin liegt, ist hoch genug, um Diodenleitung während des Magnetstromanstiegs und der routinemäßigen Betriebsweise des SSC zu verhindern, und doch niedrig genug, um einen quenchenden Magneten zu schützen. Zusätzlich ist der umgekehrte Spannungswert hoch genug, um einen rückwärtigen Durchbruch während des magnetischen Strombeseitigens (ramp-down) zu verhindern. Der primäre Effekt der Diodenbetriebsweise bei 4,4 Kelvin ist es, den Vorwärtsspannungsabfall der Diode zu erhöhen, wie erläutert, und zwar von etwa 0,7 Volt bis etwa 2,5 Volt. Während der Strom durch die Nebenschlußdioden zu fließen beginnt, nachfolgend einem Magnetquenchen, erhitzt sich die Diode und der Vorwärtsabfall verringert sich, wodurch mehr Strom veranlaßt wird, in die Diode hineinzukommutieren Die Diode wirkt somit als ein ausreichend schneller "Schalter", um den quenchenden Magneten nebenzuschließen; jedoch wird die in dem Magneten gespeicherte Energie immer noch innerhalb des Magneten beseitigt. Eine Untersuchung hat ergeben, daß Siliziumleistungsdioden zur Verfügung stehen, wie beispielsweise die Brown-Boveri DS6000 mit dem Nennwert von Ifrms = 14.200 Ampere, Vrrm = 200 Volt, von denen zu erwarten ist, daß sie keinem Systemversagen aufgrund von Strahlungsschäden über den projektierten Lebensdauerbereich von 30 Jahren für den SSC unterliegen werden.
• Es wurden auch Überlegungen hinsichtlich der Menge der Energie angestellt, die in dem Magneten durch die induktiv angetriebenen Quenchheizstreifen während des Stromansteigens (ramp-up) abgeladen wird. Da die Stromanstiegsrate mit nur 6 Ampere pro Sekunde erwartet wird, sollte die Änderungsrate des Flusses während des Ansteigens zumindest drei Größenordnungen geringer sein als die negative Rate der Änderung des Flusses während des Magnetquenchens. Da die Magnettemperatur bei 4,4 Kelvin während des Stromansteigens verbleibt, bleibt die Quenchheizstreifenwiderstandsfähigkeit niedrig und hilft so, die abgeladene Energiemenge zu minimieren. Somit scheint das Stromansteigen kein Problem darzustellen. Wenn es dies tut, könnte eine kalte Diode 79 in der Heizschleife eingeschoben werden, wie beispielsweise in die Schleife 63, umfassend die Heizstreifen 51 und 53, wie in Fig. 6 dargestellt, polarisiert, um den Stromfluß während des Stromanstiegs zu blockieren, jedoch einen Stromfluß in der entgegengesetzten Richtung zu ermöglichen, um den Spulenstrom zu reduzieren.
• Figur 7 erläutert einen Spulenquadranten, um die Anordnung der Heizstreifen angrenzend zu den Spulenwicklungen zu erläutern. Die Heizstreifen wie beispielsweise Streifen 53 sind sandwichartig zwischen Schichten 81 des isolierenden Materials, wie beispielsweise Kapton, angeordnet und gegen die äußere Oberfläche der äußeren Spulen angeordnet, welche durch eine andere Schicht einer Isolierung 83 bedeckt ist, die beispielsweise Teflon sein kann. Ein Streifen 85 aus isolierendem Material, wie beispielsweise Kapton, füllt den Spalt angrenzend zu dem Heizstreifen. Ein Schuh 87 aus rostfreiem Stahl hindert das Faltenwerfen des Kaptons während des Krümmens der Spulenanordnung. Wie bereits vorstehend erwähnt. ist die Menge der von den Heizstreifen wie beispielsweise bei 53 abgeladene Energie eine komplexe Funktion der Widerstandsfähigkeit und des induzierten Stromes, welche beide mit der Zeit sich ändern. Typischerweise kann ein Heizstreifen aus dünnem rostfreien Stahl oder aus einer anderen Legierung oder Metallblech 0,001 bis 0,025 Zoll dick, hergestellt werden, entweder gleichförmig massiv oder mit bestimmten Bereichen des Bleches weggeschnitten um wirksam die Widerstandsweglänge zu erhöhen. Bestimmte Teile des Streifens können mit Kupfer oder Aluminium beschichtet werden, um den Widerstand abzusenken, wo nur eine minimale Erhitzung gewünscht wird.

Claims (10)

1. Ein supraleitendes Magnetsystem, bestehend aus einer supraleitenden Magnetanordnung, die Magnetspuleneinrichtungen (5) aufweist; und einen Cryostaten (9), in welchem die supraleitende Magnetanordnung enthalten und auf eine supraleitende Temperatur von einer cryogenen Flüssigkeit gekühlt ist, wobei das supraleitende Magnetsystem charakterisiert ist durch Heizeinrichtungen (63, 65), umfassend langgestreckte geschlossene Schleifenheizglieder, die sich entlang den Magnetspuleneinrichtungen erstrecken und derartig orientiert sind, daß eine Änderung im Magnetfluß in der Magnetspuleneinrichtung Strom in den Heizgliedern induziert; und Nebenschlußdiodeneinrichtungen (77a-1) angeschlossen über den Magnetspuleneinrichtungen (5), die Strom aus den Magnetspuleneinrichtungen aufgrund eines Spannungsabfalls über den Magnetspuleneinrichtungen herauskommutieren, der sich aufgrund eines Quenchens innerhalb der Magnetspuleneinrichtungen ergibt, um in den Magnetspuleneinrichtungen eine Änderung im Magnetfluß von einer Größenordnung zu erzeugen, um Strom in den Heizgliedern zu induzieren, ausreichend, um einen wesentlichen Teil der Magnetspuleneinrichtungen auf eine Temperatur oberhalb der supraleitenden Temperatur zu erhitzen.

2. Das System nach Anspruch 1 , weiter gekennzeichnet dadurch, daß die Nebenschlußdiodeneinrichtungen (77) vollständig innerhalb des Cryostaten (9) enthalten sind.

3. Das System nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet dadurch, daß die Heizeinrichtungen (77) zumindest zwei unabhängige langgestreckte geschlossene Schleifenheizglieder umfassen, die sich entlang den Magnetspuleneinrichtungen (5) erstrecken.

4. Das System nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet dadurch, daß die Heizeinrichtungen (63, 65) ein Paar von Streifen (51, 53; 55, 57) aus nicht-supraleitendem Material umfassen, die sich im wesentlichen entlang der Länge der Magnetspuleneinrichtungen (5) erstrecken, und Leiter (59, 61) an den Enden der Streifen, die die Streifen zu einer geschlossenen Schleife miteinander verbinden.

5. Das System nach Anspruch 4, weiter gekennzeichnet dadurch, daß die Heizeinrichtungen (63, 65) zumindest zwei Heizglieder umfassen, jeweils umfassend ein Paar von Streifen (51, 53; 55, 57) aus nicht-supraleitendem Material, die sich im wesentlichen entlang der Länge der Magnetspuleneinrichtungen (5) erstrecken, und Leiter (59, 61) am Ende der Streifen von jedem Paar, die jedes derartige Paar von Streifen zu unabhängigen geschlossenen Schleifen verbinden.

6. Das System nach Anspruch 5, weiter gekennzeichnet dadurch, daß die Nebenschlußdiode (77) vollständig innerhalb des Cryostaten (9) enthalten ist.

7. Das System nach Anspruch 4, weiter gekennzeichnet durch eine Blockierdiode (79) in der von den Streifen (51 53; 55, 57) und den Leitern (59, 61) gebildeten Schleife, wobei die Blockierdiode (79) so polarisiert ist, daß sie Strom während des Ansteigens (ramp-up) von Strom in die Magnetspuleneinrichtung hinein (5) blockiert, und Strom, der in den Heizeinrichtungen durch Kommutation von Strom durch die Nebenschlußdiode (77) von der Magnetspuleneinrichtung induziert wird. hindurchläßt.

8. Das System von Anspruch 1, weiter gekennzeichnet dadurch, daß die Magnetanordnung eine Vielzahl von serienweise miteinander verbundenen supraleitenden Magneten (5a-5l) umfaßt, die jeweils eine Magnetspuleneinrichtung besitzen, wobei die Heizeinrichtungen (63, 65) langgestreckte geschlossene Schleifenheizglieder umfassen, die sich entlang einer jeden Magnetspuleneinrichtung erstrecken, und wobei die Nebenschlußdiodeneinrichtungen (77a-77l) eine Nebenschlußdiode umfassen, die über jede vorgewählte Anzahl von Magnetspulen angeschlossen ist.

9. Das System nach Anspruch 8, weiter gekennzeichnet dadurch, daß die vorgewählte Zahl von Magnetspulen eins ist.

10. Das System nach Anspruch 9, weiter gekennzeichnet dadurch, daß die Nebenschlußdiode (77) vollständig innerhalb des Cryostaten (9) enthalten ist.