Magneetin suojaus ja quench. 1 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Transkriptio

1 DEE Suprajohtavuus Mageeti suojaus ja quech 1 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

2 Quechig The most likely cause of death for a supercoductig maget. Pla The quech process Curret decay time ad temperature rise Propagatio of the resistive zoe Resistace growth Quech protectio schemes 2 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

3 The quech process Resistive regio starts somewhere i the widig at a poit (problem). It grows by thermal coductio. Stored eergy of the maget is dissipated as heat. Highest itegrated heat dissipatio is at a poit where the quech starts. 3 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

4 The quech process (Cot) Iteral voltages are much higher tha termial voltage ( = V cs curret supply). Maximum temperature may be calculated from the curret decay time (adiabatic assumptio). 4 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

5 Persistet Mode Operatio of a supercoductig maget where the geerated magetic field remais virtually costat with time. Usually achieved by meas of a supercoductig switch which shuts the maget, allowig it to become isolated. 5 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

6 Persistet Mode (Cot.) missä aikavakio I I 0 0 I I L L R sw L di L dt dil dt L L L R sw I L( t) I0 1 exp t L 6 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

7 Persistet Mode (Cot.) Ku I L I 0, kytki 2 suljetaa di L dt 0 Mageetti o s. kestovirtatilassa (persistoitu). Virra syöttö voidaa katkaista. Lämpövuodot pieetyvät. 7 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

8 Esimerkki persistoidusta mageetista MRI Case: Miksi MRI mageetit o vaikea toteuttaa HTS materiaaleista? 8 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

9 Suojausfuktio (adiabaattie mageetti) Lämpötasapaioyhtälö dt C( T) dt Itegroidaa ( T ) J 2 ( t ) T max T op C( T ) ( T ) dt t 0 J 2 ( t) dt U ( T max ) Suojausfuktio 9 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

10 Esimerkki suojausfuktiosta GSI 001 dipole widig is 50% copper, 22% NbTi, 16% Kapto ad 3% stailess steel Hot-spot temperature Highest temperature reached i a quechig maget hot-spot temperatures below 150 K are cosidered safe. 10 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

11 Esimerkki Tarkastellaa oheista mageettipiiriä. Mikäli ormaalialuee resistassi r(t) << R D, määritä virta I(t). Käämi o tehty NbTi/Cu teipistä. Jolle Cu:NbTi = 4. Teipi leveys o 10 mm ja paksuus 3 mm. Puolet teipi perimetristä o kosketuksessa esteheliumii ja lämpövirra tiheys johtee pialla q = 0.36 W/cm 2. Määritä virta I op, mikä toteuttaa Stekly kriteeri. Mikä o tällöi jäite V D, mikäli käämi eergia W m o 10 MJ. Maksimilämpötila o 100 K ja kupari RRR-arvo o 50. Mikä o jäite, jos käämi eergia olisi 10-kertaie? 11 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

12 Quechi haittavaikutukset 12 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

13 Normal Zoe Propagatio (NZP) C C s T t T t s x x s T x T x s 13 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe 2 J Koordiaatistomuuos z x V t l

14 NZP (Cot.) z T z t T C J z T z t T C s s s s 2 Koska z T V t z z T t T l dz dt C V dz dt dz d J dz dt V C dz dt dz d s l s s s l 14 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

15 NZP (Cot.) Muutosalueella ja C ~ vakioita Rajapialla z = 0 lämpötilajakautuma lieaarie d 2 T 2 dz 0 V l J C m cd T t m m T 0 15 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

16 Normaalialuee eteemisopeus Koska ormaalialuee geometria ellipsoidi v v v Eteemisopeuksie suhde V V LTS: ~ t l t l 16 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

17 Quech LTS vs HTS E "Critical State Model" E "Power Law Model" LTS J HTS J Edellä kuvattu aalyysi???? 17 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

18 Quech LTS vs HTS 18 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

19 Case Hahmota ratkaisufilosofia a) LTS b) HTS mageeti quech-tapahtumalle 19 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

20 Mageeti suojaus 20 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

21 Exteral Dump Resistor detect the quech electroically ope a exteral circuit breaker force the curret to decay with a time costat t Note: circuit breaker must be able to ope at full curret agaist a voltage V I I o e L = I.R p (expesive) R p where 21 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

22 Coupled secodary 22 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe arrage for the widig to be closely coupled to a short circuited secodary typically the secodary will be the former o which the coil is woud. the short circuited secodary reduces the effective iductace of the primary - hece decay time is reduced i additio, the secodary should be i thermal cotact with the widig so that it queches other regios

23 Quech-back this queches other regios of the maget, effectively forcig the ormal zoe to grow more rapidly higher resistace shorter decay time lower temperature rise at the hot spot 23 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

24 Subdivisio I resistor chai across maget - cold i cryostat curret from rest of maget ca by-pass the resistive sectio effective iductace of the queched sectio is reduced reduced decay time reduced temperature rise curret i rest of maget icreased by mutual iductace effects quech iitiatio i other regios 24 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

25 I t Quech detectio V iteral voltage after quech V IR di L dt Q V cs ot much happes i the early stages - small di /dt small V but importat to act soo if we are to reduce T Q sigificatly so must detect small voltage 25 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe supercoductig magets have large iductace large voltages durig chargig detector must reject V = LdI /dt ad pick up V = IR detector must also withstad high voltage - as must the isulatio

26 Yhteeveto 4.2 K 77 K 26 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

27 Suprajohtavuus sähköverkossa 27 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe

28 Suprajohtavuude potetiaali 28 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkoe