DE2153562A1 - Vorrichtung zur Ermittlung der Sperrung von supraleitenden Bauelementen - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE tf* O A A

DS/U/C DR-MOLLER-BORe-DaMANITZ-DR-DEUFEL ^{W fc} ^ ^ F 5706 DIPL-ING. FiNSTfIRWALD ■ DIPL-SMQ. GRÄMKOW 2153562

8 MÜNCHEN £2, ROBERT-KOCH-STR. 1 TELEFON 225110

machen, den 27. Okt. 1971

COMPAGNIE "GEKERAI₁E D'ELFCTRICITE 54, Rue La Boe*tie, PARIS (8)_r Prankreich

VORRICHTUNG ZUR ERMITTLUNG DER SPERRUNG VON SUPRALEITENDEN BAUELEMENTEN

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Sperrung von supraleitenden Bauelementen.

Es sind supraleitende Spulen bekannt, die sich dadurch auszeichnen, dass sie im supraleitenden Zustand keinen Widerstand aufweisen. Dieser bei jedem supraleitenden Material veränderliche Zustand kann innerhalb der Grenzen erzielt werden, die von der Temperatur in Fähe des absoluten Nullpunkts, dem magnetischen Feld und der Stärke des durch die Spule fliessenden Stroms gesetzt sind. Ein Supraleiter weist jedoch störende Erscheinungen in Form von Magnetfluss änderungen auf, die eintreten, wenn er hohen magnetischen Feldern ausgesetzt wird, die durch Ströme hoher Stärke erzeugt werden, die beispielsweise während der Ladung der Spule auftreten. Derartige Zustandsänderungen können im Innern des den Supraleiter bildenden diamagnetischen Materials auftreten. In bestimmten

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Teilen dieses Materials treten zeitweilig Bereiche in Erscheinung, die im Zustand der Nichtsupraleitfahigkeit einen hohen Widerstand aufweisen. Infolge der Wärmeabfuhr aufgrund dieses Widerstandes bewirkt der durch die Spule fliessende Strom, dass diese Erscheinung sich verstärk^ und die keine Supraleitfähigkeit aufweisenden Bereiche können sich unter Umsfänden erweitern. Die abgeführte Wärmeenergie, die proportional dem Quadrat dieser Stromstärke und diesem Widerstand ist, kann schliesslich zur völligen Sperrung der Spule und zu deren Beschädigung führen.

Mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung kann die völlige Sperrung der supraleitenden Spule und somit deren Beschädigung dadurch vermieden werden, dass der Ladestrom sofort bei Auftreten der Sperrung unterbrochen wird, ohne das jedoch eine Unterbrechung im Anschluss an eine isolierte Magnetflussänderung erfolgt, wenn diese sich auf den übergang aus dem supraleitenden Zustand in den nichtsupraleitenden Zustand in einem begrenzten Bereich der Spule beschränkt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der Sperrung eines supraleitenden Bauelements, die während der Ladung des Bauelements eintreten kann und auf den unzeitigen Übergang des Bauelements in den nichtsupraleitenden Zustand im Anschluss an Störungen zurückzuführen ist, die Widerstände im Innern des Bauelements auftreten lassen, wobei die Vorrichtung mit einer Versorgungsquelle, die das supraleitende Bauelement über einen Hauptschalter speist, und mit

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einem Entladewiderstand, der in Parallelschaltung zum supraleitenden Bauelement angeordnet ist, sowie mit einem Messwiderstand ausgerüstet ist, der in bezug auf den Entladewiderstand einen sehr hohen Wert aufweist und eine Mittelanzapfung hat, die im wesentlichen das gleiche Potential wie die Mittelanzapfung des Bauelements aufweist, wenn dieses völlig supraleitend ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Vervielfacher aufweist, der das Produkt der zwischen den Mittelanzapfungen abgegriffenen Spannung mal einem Strom herstellt, der proportional dem durch das Bauelement fliessenden Strom ist, wobei ein Integrator die Integration dieses Produkts vornimmt und dem Integrator ein erster Energieschwellenwertauslöser nachgeschaltet ist, der ein Auslösesignal abgibt, das die Öffnung des Hauptschalters gewahrleistet, wenn der Integrator den betreffenden Schwellenweet erreicht.

Nach einem Merkmal der Erfindung betätigt das Auslösesignal ebenfalls einen zweiten Schalter, dessen Ansprechgeschwindigkeit höher ist als diejenige des Hauptschalters, der in der Schaltung angeordnet ist, die die von den Mittelanzapfungen kommende Spannung abgreift, um den Vervielfacher vor den Überspannungen zu schützen, die bei der Öffnung des Hauptschalters im Bauelement auftreten.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung gibt der zweite Spannungsschwellenwertauslöser, der in Nebenschaltung zum Vervielfacher am Stromkreis liegt, welcher die von den Mittelanzapfungen kommende Spannung abgreift, ein Signal auf

den Integrator um das Ergebnis der Integration auf Null zurUckzuführen, wenn die Störeinflüsse einer Spannung entsprechen, die griSsser als der Schwellenwert ist.

Ein AusfUhrungsbeispiel der erfindungsgemassen Vorrichtung wird an Hand der Zeichnung beschrieben, die ein TJbersiolriPschaltbild der Einrichtungen zur Ermittlung der Sperrung der supraleitenden Spule darstellen, die einer supraleitenden Spule zugeordnet sind.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Stromquelle bezeichnet, die die Ladung einer supraleitenden Spule 2 vornimmt. Sobald der Schalter 3 geschlossen ist, erfolgt die Ladung der Spule mit einer Spannung von etwa 6 Vj der abgegebene Strom kann 1 000 A erreichen. Die Ladedauer, die sich nach der Zeitkonstanten der Schaltung richtet, kann zwischen mehreren Sekunden und einigen Minuten schwanken. Die supraleitende Spule 2 ist in einem nicht veranschaulichten, eine tiefe Temperatur aufweisenden Gehäuse untergebracht. Sie muss im supraleitenden Zustand bleiben, um während der Ladung keinen Widerstand aufzuweisen. Wahrend der Ladung treten jedoch schädliche Erscheinungen in Form von Magnetflussanderungen auf, deren Gesamtwirkung eine Sperrung der Spule 2 bewirken kann. Diese gelangt sodann in dm nicht supraleitenden Zustand, wodurch die supraleitende Spule infolge der Umwandlung der induktiven Energie in Wärmeenergie beschädigt werden kann.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung dient zur Ermittlung des Beginns der Sperrung der Spule 2 und zur

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Unterbrechung der Ladung durch Betätigung des Schalters 3» der den Stromkreis im Zeitpunkt des Auftretens der Sperrung der Spule 2 öffnet.

Wenn während der Entladungsphase die Spule 2 in den Normalzustand gebracht wird, wird ebenfalls der Schalter geöffnet, und die supraleitende Spule 2 speist in einen Entladewiderstand 4 ein, der parallel zur Spule 2 angeordnet ist. Dieser Entladewiderstand 4 hat einen Wert, der höher als der Widerstand der Spule 2 im nichtsupraleitenden Zustand ist. Zwei gleiche Widerstände 5 und 6, die in Reihe geschaltet sind und in bezug auf den Entladewiderstand 4 sehr grosse Werte aufweisen, sind ebenfalls an den Klemmen der Spule 2 angeschlossen. Ein Anschluss erfolgt an der Mittelanzapfung 7 der Spule 2, und ein weiterer Anschluss wird am Punkt 8 zwischen den Widerständen 5 bzw« 6 vorgenommen. Wahrend der Ladungsphase ist die Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlusspunkten 7 bzw. 8 Null, wenn die Spule 2 vollkommen supraleitend ist und keine Magnetflusschwankungen vorliegen.

Wenn während der Ladungsphase Magnetflusschawankungen entweder in der einen Hälfte der durch ihre Mittelanzapfung getrennte Spule oder in der anderen Hälfte auftreten, erfolgen Spannungsänderungen zwischen den beiden Anschlusspunkten 7 bzw. 8_#Die Spannungsschwankungen können positiver oder negativer Polarität sein. Die Anschlusspunkte 7 und 8 liegen an einem Verstärker 9, der die Spannungsschwankungen verstärkt. In der Schaltung der Spule 2 liegt ferner ein Nebenwiderstand 10. Die

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am Nebenwiderstand 10 abgenomme Spannung, die proportional dem in der Spule 2 fliessenden Strom ist, wird auf den Verstärker 11 gegeben. Die Ausgange der "beiden Verstarker 9 und 11 sind mit einem Vervielfacher 12 verbunden. Dieser wandelt die Funktion der Spannungsschwankungen sowie die Punktion des Stroms, der durch die Spule 2 fliesst, in logarithmische Punktionen um, addiert die beiden logarithmischen Punktionen, was der logarithmenfunktion eines Produkts zweier Punktionen gleichkommt, und verwandelt die Logarithmenfunktion des Produkts in " eine einfache Punktion, die das Produkt beider Punktionen darstellt.

Am Ausgang des Vervielfachers 12 wird ein Signal erzielt, das eine Punktion der Leistung ist, die von den Magnetflussänderungen abgegeben bzw, aufgenommen wird. Dieses Signal wird auf den Integrator 13 gegeben, der aus einem Verstärker besteht, der eine Widerstandsschaltung und einen parallelgesciialteten Kondensator aufweist, der dazu dient, die vom Vervielfacher 12 abgegebene Leistung zeitlich zu integrieren. Am Ausgang des Integrators wird ein Signal erhalten, das eine Punktion der durch die Magnetflusschwankungen abgegebenen Energie ist.

Es muss vermieden werden, dass eine Suramierung der Energiewerte erhalten wird, die aus den verschiedenen Magnetflusschwankungen bestehen. Daher erfolgt eine Rucksteilung auf Null vor jeder Integration auf folgende Weiseϊ Ein symmetrischer Schwellenwert-Auslöser 14 ist in Nebenschaltung

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zwischen dem Spannungsverstärker 9 und dem Vervielfacher 12 angeschlossen· Dieser Schwellenwertauslöser 14 besteht aus einer doppelten Schmitt-Triggerschaltung» deren eine Schaltung bei positiven Schwellenspannungen und deren andere bei negativen Schwellenspannungen betätigt wird. Die Schmitt-Triggerschaltung gewährleistet einen stabilen Zustand, wenn das Potential einer Elektrode einen bestimmten Schwellenwert passiert und gelangt in einen anderen stabilen Zustand, wenn das Potential der Elektrode beim Absinken den gleichen Schwellenwert erneut passiert. Die Schwellenspannung jeder Schmitt-Triggerschaltung ist derart geregelt, dass auf eine ansteigende Planke eine absteigende Flanke folgt, wenn der Mittelwert der positiven bzw. negativen Spannung einer Magnetflus Schwankung erreicht ist. Die Zacken, die durch die ansteigende Flanke und die auf sie folgende absteigende Flanke erhalten werden, betätigen zwei Relais 15, die den Integrator in die Nullstellung zurückbringen. Hierzu wird der Stromkreis des Widerstandes und des parallel zum Verstärker des Integrators 13 geschalteten Kondensators geöffnet, und der Integrator arbeitet als einfacher Verstärker.

Infolge der Rückstellung auf Null gibt der Integrator 13 Energiewerte ab, die nur unabhängige Erscheinungen berücksichtigen, bei denen es sich entweder um eine isolierte Magnetflusschwankung oder aber um den Beginn einer Sperrung handeln kann.

Am Ausgang des Integrators 13 liegt ein Energieschwellenwert-AuslÖser 16, der wie der Auslöser 14 als

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doppelte Schmitt-Triggerschaltung ausgebildet ist. Die Spannungsschwelle der Triggerschaltung ist derart festgelegt, dass sie einer maximalen Energie entspricht, die den Beginn der Sperrung der Spule darstellt. Der Schwellenwert der Energie ist beispielsweise auf 100 Joule bei einer Energie von 100 Kilo-Joule festgelegt, die in der Spule 2 gespeichert ist. Die durch den Auslöser 16 erzeugte Zackenspannung betätigt ein Relais, das den Schalter 3 öffnete Dieses kann nur dann geschehen, wenn eine Sperrung vorliegt und die durch die Magnetflusschwankung erzeugte Ernergie übermassig stark ist.

Bei Öffnung des Schalters 3 entsteht im Innern der Spule 2 eine Überspannung, die mehrere kV erreichen kann. Um die MesStromkreise vor den Auswirkungen der überspannung zu schützen, wird das von dem Auslöser 16 erzeugte Signal in Hebenschaltung auf das Relais 17 gegeben, das den Eingangsstromkreis des Verstärkers S an Masse legen kann. Auf diese Weise ist der Verstärker 9 geschützt. Bei dem Relais 17 handelt es sich um ein Schnellrelais, beispielsweise ein Quecksilberrelais, das vor dem langsamer betätigten Relais des Hochleistungsschalters 3 ausgelöst wird. Auf diese Weise erfolgt die Ausserbetriebsetzung der Ermittlungsschaltung vor der Öffnung des Schalters 3,

Bei einer abgewandelten Ausführungsart kann hinter dem Integrator 13 und anstelle des Schwellendetektors ein Energiemessgerät angeordnet werden. Mit diesem Gerät wird die Energie gemessen, die bei einer isolierten Magnetflussschwankung entsteht.

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Die erfindungsgemasse Vorrichtung kann in allen Fällen verwendet werden, in denen eine supraleitende Spule MagnetflusSchwankungen hervorrufen kann, durch die bestimmte Teile der supraleitenden Spule in den nicht supraleitenden Zustand gebracht werden können. Sie kann ebenfalls dann Verwendung finden, wenn der übergang in den nicht supraleitenden Zustand der Spule entweder durch eine mechanische Verschiebung der Windungen oder aber durch überschreiten eines kritischen Parameters der supraleitenden Bauelemente bewirkt wird.

Besonders interessante Anwendungen bieten sich auf dem Gebiet der Supraleiter, die zur Plasma- oder Laserblitzr'öhren-Entladung verwendet werden.

-Patentansprttche-

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Claims (4)

1. -PATENT ANSPRÜCHE -

   1 ,J Vorrichtung zur Ermittlung der Sperrung eines supraleitenden Bauelements, die während der Ladung des Bauelements eintreten kann und auf den unzeitigen übergang des Bauelements in den nicht supraleitenden Zustand im Anschluss an Störungen zurückzuführen ist, die Widerstände im Innern des Bauelements auftreten lassen, wobei die Vorrichtung mit einer Versorgungsquelle, die das supraleitende Bauelement über einen Hauptschalter speist, und mit einem Entladewiderstand, der in Parallelschaltung zum supraleitenden Bauelement angeordnet ist, sowie mit einem Messwiderstand ausgerüstet ist, der in bezug auf den Entlade wider stand einen sehr hohen Wert aufweist und eine Mittelanzapfung hat, die im wesentlichen das gleiche Potential wie die Mittelanzapfung des Bauelements aufweist, wenn dieses völlig supraleitend ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Vervielfacher (12) aufweist, der das Produkt der zwischen den Mittelanzapfungen (7,8) abgegriffenen Spannung mal einem Strom herstellt, der proportional dem durch das Bauelement fliessenden Strom ist, wobei ein Integrator (13) die Integration dieses Produkts vornimmt und dem Integrator ein erster Energieschwellenwertauslöser (16) nachgeschaltet ist, der ein Auslösesignal abgibt, das die Öffnung des Hauptschalters (3) ge~ w'ährleistet, wenn der Integrator (13) den betreffenden Schwellenwert erreicht.

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2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslösesignal ebenfalls einen zweiten Schalter (17) betätigt, dessen Ansprechgesehwindigkeit höher ist als diejenige des Hauptsehalters (3), der in der Schaltung angeordnet ist, die die von den Mittelanzapfungen (7,8) kommende Spannung abgreift, um den Vervielfacher (12) vor den Überspannungen zu schützen, die bei der Öffnung des Hauptschalters (3) im Bauelement auftreten.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Sp'annungsschwellenwertauslöser (14), der in Nebenschaltung zum Vervielfacher (12) am Stromkreis liegt, welcher die von den Mittelanzapfungen (7, 8) kommende Spannung abgreift, ein Signal auf den Integrator (13) gibt, um das Ergebnis der Integration auf Null zurückzuführen, wenn die Störeinflüsse einer Spannung entsprechen, die grosser als der Schwellenwert ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenenergie des ersten Auslösers (16) für einen Mittelwert der Energie gilt, die' zu Beginn der Sperrung vorliegt.

   5» Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenspannung des zweiten Auslösers (16) für einen Mittelwert der Spannung gilt, die den Störungen entspricht.

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