Quench (Supraleitung)

Unter Quench (englisch to quench für abfangen, löschen, tilgen) versteht man den plötzlichen Übergang eines Supraleiters vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand infolge Überschreitung der Sprungtemperatur. Hierbei entstehen auf Grund des nun endlichen Widerstandes hohe Spannungen und sehr viel Wärme, was zu schneller Verdampfung von flüssigem Helium führt. Das dabei entstehende Helium Gas wird auf Grund der enormen Volumenerweiterung über das vorhandene Quenchrohr System nach außen abgeführt.

Ein Quench kann mehrere Ursachen haben:

1. Lösen sich ganze Flussbündel eines Typ-II-Supraleiters aufgrund von Temperaturschwankungen oder Erschütterungen von ihren Haftzentren, wandern sie aufgrund der Lorentzkraft mit hoher Geschwindigkeit durch den Supraleiter. Diese Bewegung und der damit einhergehende Übergang zur Normalleitung innerhalb der Flussbündel führt zu einer großen Wärmeentwicklung. Dies wiederum führt zu einer Ausweitung der normalleitenden Zone, was zu einer weiteren Aufheizung führt. Dabei verdampft das Kühlmittel und die Spule geht sehr schnell vollständig in Normalleitung über.
2. Ein Ausfall der Kühlung führt i.d.r. nicht zu einem Quench, allerdings steigt die Helium-Abdampfrate. Wird jedoch die kritische Temperatur überschritten (auf Grund zu geringen Heliumlevels), so kann das System auch ohne fremden Einfluss quenchen.
3. Bei einer Notabschaltung eines MRT-Gerätes wird der Supraleiter durch Einschalten von Widerständen gestört. An diesen Widerständen wandelt sich die hohe gespeicherte Energie in Wärme, das Magnetfeld baut sich quasi schlagartig ab.
4. Speziell beim Laden von supraleitenden Magneten werden große Kräfte auf die Spule ausgeübt. Dies führt zu einer tonnenförmigen Verbiegung der gesamten Spule, bei der sich mitunter einzelne Drähte sprungartig bewegen. Bei dieser Bewegung im Magnetfeld wird auch im normalleitenden Kupfer ein Stromfluss und damit eine Wärmeentwicklung induziert.

Durch die Beschichtung des Supraleiters mit einer niederohmigen Normalleiterschicht oder entsprechend ausgelegte umgebende Kupferadern können negative Folgen verhindert oder gemildert werden. Tritt bereichsweise Normalleitung auf, wird durch die niederohmige Schicht ein Kurzschluss erzeugt. Die Erwärmung erfolgt langsamer.

Hat ein Quench statt gefunden muss innerhalb kürzester Zeit die Berstscheibe erneuert werden, um zu verhindern, dass der Magnet vereist. Durch Vereisung würde die Sicherungseinrichtung Quenchrohr wirkungslos. Im Magnetgehäuse kann sich Überdruck aufbauen, der mitunter zu einer Schädigung des Magneten führen kann.

Literatur

• Yukikazu Iwasa: Case Studies in Superconducting Magnets: Design and Operational Issues. 2. Auflage. Springer, 2009, ISBN 978-0-387-09799-2.