CN112385001B

CN112385001B - 超导电磁线圈系统

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Publication number: CN112385001B
Application number: CN201980042091.6A
Authority: CN
Inventors: W·弗朗茨; R·卡米纳达; G·诺伊贝斯
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2022-08-26
Anticipated expiration: 2039-07-03
Also published as: WO2020011625A1; DE102018211511A1; US20210210262A1; JP2021524677A; JP7187658B2; CN112385001A

Abstract

本发明涉及一种具有串联的第一和第二电网格的超导电磁线圈系统，第一电网格在第一路径中具有HTS线圈部段和串联的第一主线圈部段并在第二路径中包括跨过HTS线圈部段和第一主线圈部段的串联电路的失超保护元件。第二电网格具有邻近主线圈部段，所述第一主线圈部段和邻近主线圈部段都包括具有超导丝线的导体。邻近主线圈部段在电磁线圈系统内是第一电网格以外的电网格的所有主线圈部段中沿径向向外最靠近第一电网格的第一主线圈部段的主线圈部段。根据本发明，主线圈部段在失超时产生比功率输入，所述第一主线圈部段的导体的比功率输入高于邻近主线圈部段的导体。由此提供了一种使用HTS超导材料的能产生高场强和/或具有小结构尺寸的电磁线圈系统。

Description

超导电磁线圈系统

技术领域

本发明涉及一种超导电磁线圈系统。

背景技术

这种电磁线圈系统由[02]-[04]已知。

在传统的超导NMR磁体中，通常使用NbTi和Nb3Sn线材，目前这将场强限制在约23.5T。为了实现更高的场强或者将具有给定场强的磁体设计得更为紧凑，必须使用替代的导体材料。在这种情况下主要研究HTS带导体、例如REBCO(REBCO＝稀土-钡-铜氧化物)带的使用。这里，磁体不是完全由HTS材料制成；出于成本原因有利的是，仅在最内侧的部分使用HTS带导体，并且背景磁体用传统的“低温超导体”(LTS)技术(NbTi或Nb3Sn)制造。因此，因此，通常是最内侧的磁体部分由HTS带材卷绕而成，并且所述磁体部分与LTS背景磁体串联连接。在例如NMR磁体的常规的失超保护电路中，各个部分或各个部分的各区域与保护电阻并联连接并由此形成保护网络的电网格。不同的网格又串联连接[01]。以这种方式，可以保持失超时长和失超电压较小。但在超导体较晚才触发(跟随失超)的电网格中可能出现电流过高和力过高，所述电流过高和力过高可能使超导体过载。

“失超”是指由于载流超导体的过载电磁线圈自发地从超导状态转换到正常导电状态。这个过程可能伴随着在超导体中出现高电压、电流和力，所述电压、电流和力也可能破坏超导体。

但新的HTS材料对超导磁体的失超保护提出了特殊的要求。通常失超局部和自发地开始并且接下来在几秒内在磁体中传播。在失超情况下，特别是HTS材料的高临界温度(零场：YBCO>80K，相对于常见LTS导体的临界温度：Nb3Sn约为18K、NbTi约为10K)是不利的，这是因为，当在背景磁体的NbTi或Nb3Sn部分中开始失超时，这种高临界温度会在以后导致跟随失超。根据具体的失超保护设计，由此可能导致在HTS部分中出现电流或力过高。此外，HTS材料中缓慢的失超传播会导致出现局部过热，这又可能造成HTS材料被烧毁。

在[02]提出，与共同的网格中的快速或较早失超的线圈部分一起保护在失超(在重要的部分之外)开始之后较晚地同样发生失超的重要的部分(例如HTS部分)。这里，这两个(在一个网格中共同受保护的)线圈区域在电上前后相继地设置。由此在带有HTS部分的否则较晚失超的网格中可以防止出现电流过高并由此也可以防止HTS部分失超。

由[03]已知的是，通过附加的加热加速(特别是在较晚失超的超导体区域中的)失超，以便避免在这些线圈区域中出现电流过高。这可以主动地进行(失超探测以及接着激活加热器)或者被动地进行(用作主动加热器的失超保护电阻热耦合到超导体绕组上)。

所述加热器为此分布在HTS部分中，以便使失超快速地在HTS部分中传播(就是说分配能量)。但这里存在这样的风险，即HTS部分由于加热被破坏。此外，绕组中的加热条降低了可供产生磁场的体积。加热条也可能影响沿径向位于内部HTS绕组的一致性并且由此影响磁场的均匀性。多个加热条的缠绕和布线是复杂的。

在[04]中提出，在失超的情况下生效的加热器布置在两个在一个电网格中受保护的部分之一中，以便加速失超过程。所述加热器通常设计成保护网络中的另一个网格的保护元件。所述加热器安置在超导体具有较低的临界温度的部分中。但为此需要繁琐和复杂的布线。此外，为此所需的对所述部分的绕组的介入会带来很高的风险。

发明内容

本发明的目的是，在使用HTS超导材料的情况下提供一种电磁线圈系统，利用所述电磁线圈系统可以产生特别高的场强和/或所述电磁线圈系统具有小的结构尺寸。

所述目的根据本发明通过一种超导电磁线圈系统来实现，所述电磁线圈系统具有第一电网格和第二电网格，所述电网格相互串联连接，第一电网格在第一路径中具有HTS(高温超导体)线圈部段和与其串联地包括第一主线圈部段并且在第二路径中包括失超保护元件，所述失超保护元件跨过包括HTS线圈部段和第一主线圈部段的串联电路。所述第一主线圈部段包括导体，所述导体具有基质中的超导丝线。第二电网格具有邻近主线圈部段，所述邻近主线圈部段包括导体，所述导体具有基质中的超导丝线。所述邻近主线圈部段在所述电磁线圈系统内部是不同于第一电网格的电网格的所有主线圈部段中沿径向向外最靠近所述第一电网格的第一主线圈部段的主线圈部段。

在根据本发明的电磁线圈系统中，在失超情况下，各主线圈部段的导体分别产生比功率输入P_spez＝(LT/2π)²*1/ρ_M，其中，第一电网格的第一主线圈部段的导体的比功率输入高于第二电网格的邻近主线圈部段的导体的比功率输入。

这里有：

LT＝具有超导丝线的导体的扭绞长度

ρ_M＝导体的基质的比电阻(“基质电阻”)，所述超导丝线埋入所述基质中。

就是说，第一主线圈部段和邻近主线圈部段的导体是绞合的导体，即丝线相互绞合的导体。“扭绞”是指超导线材中的超导丝线的绞合。“扭绞长度”是指线材部段这样的长度，在所述长度之内，超导线材的超导丝线描述一个完整的循环周期。就是说，在具有较大扭绞长度的导体中，与具有较小扭绞长度的导体相比，丝线绞合的程度更弱。

在丝线构成的超导体中，在(例如由于失超)发生磁场变化的情况下，由于丝线之间和经由电阻式基质的电流，会出现功率输入(欧姆热)，丝线埋入所述基质中。在[5]中给出了由于丝线之间的耦合损失/耦合出现的(单位体积的)功率输入的公式：

P/V＝(dB/dt)²*(LT/2π)²*1/ρ_M.＝(dB/dt)²*P_spez

其中，dB/dt＝例如在失超情况下磁通密度随时间的变化。

第一主线圈部段的导体的比功率输入至少以系数1.5(特别是以1.8－9之间的系数)大于邻近主线圈部段的导体的比功率输入。

本发明基于这样的构思，在失超情况下，会生产特别高的、感应产生的“耦合损失”，所述耦合损失确保在HTS材料接入其中的第一电网格中发生快速的失超触发和失超传播，并且由此在这个网格中实现快速的电流消耗。就是说，通过根据本发明在第一电网格中使用具有相对于第二电网格的邻近主线圈部段的导体更高的比功率输入的导体，在第一电网格之外(例如在第二电网格中)开始失超时，可以加速在HTS材料所在的第一电网格中的失超触发和失超传播。由此使得可以在电磁线圈系统、特别是在NMR电磁线圈系统中使用HTS材料，而没有提高的电磁线圈系统发生破坏的风险。由此又可以实现电磁线圈系统降低的结构尺寸和/或提高通过所述电磁线圈系统能产生的场强。

和第一电网格一样，第二电网格也包括第一路径和第二路径，在第一路径中设置邻近主线圈部段，而在第二路径中设置另一个失超保护元件，所述另一个失超保护元件跨过所述邻近主线圈部段以及必要时还有第二电网格的第一路径中的其他主线圈部段。可以设置电阻和/或二极管作为失超保护元件。

主线圈部段是指具有丝线导体的线圈部段，所述线圈部段设置在电磁线圈系统的一个区域中，在这个区域中，在电磁线圈系统的运行中存在B>6T的磁场。所述邻近主线圈部段优选包括由LTS(低温超导体)材料制成的丝线导体。HTS线圈部段相反包括由HTS材料制成的带导体。

这些线圈部段通常缠绕在线圈体上。这里，可以(但不是必须)在一个共同的线圈体上缠绕多个主线圈部段。

所述电磁线圈系统具有纵轴线，线圈部段围绕所述纵轴线同轴地设置。方向表述“沿径向...之外”等涉及电磁线圈系统的纵轴线。在这个意义上，邻近主线圈部段沿径向设置在HTS线圈部段和第一主线圈部段之外(就是说，与HTS部段和第一主线圈部段相比，距离轴线z更远)。邻近主线圈部段优选沿径向与第一主线圈部段相邻。但也可以沿径向在第一主线圈部段和邻近主线圈部段之间设置第一电网格的一个第二主线圈部段。在不是第一网格的一部分的主线圈部段中，所述邻近主线圈部段是最靠近所述第一主线圈部段的。

附加于邻近主线圈部段，可以设有另外的主线圈部段，这些主线圈部段与第二电网格中的邻近主线圈部段这样相互串联连接，使得它们在运行中同向地由电流流动通过，或者在另外的电网格中(但不是在第一网格中)互连。

所述第一主线圈部段是在电磁线圈系统内部在所有的包括由与第一主线圈部段的导体相同的超导材料制成的导体的主线圈部段中产生最高的比功率输入的主线圈部段。

在一个优选的实施形式中，所述第一主线圈部段是在电磁线圈系统内部产生最高的比功率输入(就是说与主线圈部段的导体的材料无关)的主线圈部段。

比功率输入特别是与基质电阻和与导体的扭绞长度相关。根据本发明的电磁线圈系统的一个具体的实施形式设定，所述第一主线圈部段的基质的比电阻低于邻近主线圈部段的基质的比电阻。

所述第一主线圈部段优选是这样的主线圈部段，所述主线圈部段在电磁线圈系统内对于在这个主线圈部段中使用的超导材料具有最低的基质电阻。就是说，第一主线圈部段的基质电阻小于每个具有由与第一主线圈部段的丝线相同的材料制成的丝线的其他主线圈部段的基质电阻。

优选第一主线圈部段的基质电阻小于电磁线圈系统的其他主线圈部段的基质电阻。

对于丝线埋入铜基质的导体，可以通过设置丝线[06]、铜质量(“剩余电阻”)和最后一个成型步骤之后的热处理(“剩余电阻”)来影响基质电阻。NbTi导体具有铜基质，所述铜基质的比电阻(基质电阻)在磁体的工作温度下主要与NbTi导体所处的磁场相关。在4.2K的运行温度下常见的基质电阻是：在9T的磁场中：ρ_M＝0.51nΩ*m或在6T时：0.38nΩ*m。如果将磁体冷却到2K，NbTi可以在最大12T的磁场中工作并且常见的比基质电阻为：0.65nΩ*m。在按照所谓的青铜法制造的Nb3Sn导体中，可以通过青铜基质的合金组成来影响基质电阻。这例如可以通过减少Sn掺杂来实现。对于超导体Sn向青铜中的最大掺入量最高可达16wt-％。低于16wt-％的值因此适于实现较小的基质电阻。对于Nb3Sn超导体的运行，在对超导体进行热处理之后的基质电阻是决定性的。在按照青铜法制造的Nb3Sn导体中例如通过对超导体的热处理明显降低了青铜(CuSn)的基质电阻，因为在这种热处理中Sn原则从CuSn基质中扩散到Nb中并且在这里形成超导的Nb3Sn。由于在这个过程中青铜的Sn含量降低，青铜或青铜基质的比电阻也降低，并且由此可以根据热处理的长度来有目的地改变所述比电阻。

在根据本发明的电磁线圈系统的另一个优选实施形式中，所述第一主线圈部段的导体的扭绞长度大于所述邻近主线圈部段的丝线的扭绞长度。使用具有绞合的丝线的导体是由现有技术已知的，用于提高导体的超导状态的稳定性(绞合程度越高，即扭绞长度越小，则导体的超导状态越稳定)。在失超情况下，丝线之间的耦合导致出现丝线之间并且经由电阻式基质的电流，并且由此导致上面给出的功率输入，超导丝线埋入所述基质中。通过根据本发明使用第一主线圈部段中的丝线较大的扭绞长度，形成特别高的、感应的“耦合损失”，所述耦合损失确保实现在第一主线圈部段中快速的失超触发和失超传播并由此在第一电网格中实现快速的电流消耗。就是说，第一主线圈部段的超导材料的超导丝线的绞合具有针对快速失超传播优化的扭绞长度。

所述第一主线圈部段优选是这样的主线圈部段，所述主线圈部段的丝线在安装在电磁线圈系统内部的主线圈部段中的所有超导丝线中具有最大的扭绞长度。

但第一主线圈部段的导体的扭绞长度不应选择成任意大小，因为在电磁线圈系统的运行中，过大的绞合在失超情况下尽管是有帮助的，但在其他情况下可能是不利的。这样，例如在电磁线圈系统充电时，热输入会随着扭绞长度增大而升高，这在磁体充电时可能会导致不希望的失超。此外，在扭绞长度大时，导体的所谓“固有稳定性”降低，因为在扭绞长度大时对于稳定导体的超导状态单根丝线的小直径不再起作用，而是整个导体的直径起作用[5]。

在一个优选的实施形式中，所述第一主线圈部段的丝线的扭绞长度至少以系数1.5、优选以系数2大于所述邻近主线圈部段的丝线的扭绞长度。对于除了所述邻近主线圈部段还存在其他主线圈部段的情况，特别有利的是，第一主线圈部段的丝线的扭绞长度至少以系数1.5、优选以系数2大于所有其他主线圈部段的丝线的扭绞长度。

根据本发明，扭绞长度选择成，使得失超以足够高的速度进行并且由此电流过高不会超过可能导致导体的临界过载的极限值。但出于上面所述的原因应避免使用过大的扭绞长度。就是说，对于扭绞长度的选择决定性的是，电流过高的极限值或由此导致的力的极限值，所述极限值不应被超过，以及在给磁体充电时最大可承受的热输入，这个热输入不应被超过。此外，在选择扭绞长度时可能还要求，第一主线圈部段的导体应具有最低固有稳定性。

所述第一主线圈部段的丝线的扭绞长度优选在150mm至400mm的范围内，特别是在200mm至400mm的范围内。

所述第一主线圈部段的超导材料优选包括Bi超导材料、特别是Bi2212(Bi₂Sr₂CaCu₂O₈)，或者包括LTS材料，特别是NbTi或Nb3Sn。

当第一主线圈部段包括由Nb3Sn制成的导体时，给第一主线圈部段设置相对于邻近主线圈部段提高的比功率输入是特别有利的，因为Nb3Sn对于LTS丝线导体具有较高的临界温度Tc并且在没有根据本发明的绞合优化的情况下在失超情况下较晚地才跟随失超。Nb3Sn此外具有高度的场兼容性并且因此在电磁线圈系统内部可以沿径向非常远地设置在内部并且由此设置在高磁场中，由此可以提高对失超速度的影响。

利用NbTi也可以既实现高扭绞长度也实现低基质电阻。此外，可以容易地影响NbTi超导体的基质电阻，从而可以容易地实现希望的比功率输入。

在一个具体实施形式中，第一主线圈部段的导体具有增强的Nb3Sn导体。增强的Nb3Sn导体相对于未增强的Nb3Sn导体相对于与电流超高相关联的、沿径向向外指向的力具有更高的耐抗性。

根据本发明的电磁线圈系统的另一个具体的实施形式设定，所述第一电网格包括第二主线圈部段，所述第二主线圈部段包括具有在基质中的超导丝线的导体，所述第二主线圈部段的比功率输入最高与所述第一主线圈部段的导体的比功率输入相等，优选小于所述第一主线圈部段的导体的比功率输入。所述第二主线圈部段的超导材料可以是Bi超导材料、特别是Bi2212，或者是LTS材料，特别是NbTi或Nb3Sn。

第一电网格的三个超导部段可以具有不同的临界磁场和临界温度。例如作为第二主线圈部段的超导材料可以采用Nb3Sn，而对于第一主线圈部段(就是说作为具有提高的比功率输入的主线圈部段)的超导材料可以采用NbTi。这是特别有利的，因为NbTi以其低临界温度能相对较早地跟随失超并且快速减小第一电网格中的电流。

第一和第二主线圈部段可以缠绕在共同的线圈体上。当第一和第二主线圈部段包含相同的超导材料时，这可以特别简单地实现。此时，各导体的区别在于基质电阻和/或在于扭绞长度。

与第二主线圈部段相比，第一主线圈部段可以沿径向更靠外设置。为了降低与过大的扭绞长度相关的风险，第一主线圈部段的具有较大扭绞长度的导体可以用在这样的区域内，在所述区域中，导体负载较小并且由此在充电时出现较少的(例如)附加的热输入。就是说，第二主线圈部段可以用于实现HTS线圈部段与NbTi线圈部段之间较大的径向间距。

HTS主线圈部段和第一主线圈部段可以缠绕在共同的线圈体上。这使得将两个线圈部段共同在一个电网格中互连变得特别简单。这里例如考虑采用用于HTS线圈部段的HTS(径向内部)和用于第一主线圈部段的NbTi(径向外部)的组合。当Nb3Sn材料按所述为反应及卷绕法在缠绕之前获得其反应退火时，第一主线圈部段的缠绕在HTS材料上的LTS导体也可以由Nb3Sn材料制成。如果HTS材料(径向内部)和NbTi材料(沿径向更为靠外)在共同的部分中缠绕时，则NbTi导体可以这样设计尺寸，使得所述NbTi导体用作支承结构，就是说用作机械式箍结构，以便抵消HTS导体中沿径向向外作用的力(“周应力”)并由此使HTS导体稳定。

备选与此，HTS线圈部段和第一主线圈部段在空间上可以是分离的，就是说可以设置在不同的线圈体上，以便例如可以在失超情况下独立于HTS线圈部段加热第一主线圈部段，如果希望这样。

所述HTS线圈部段优选是电磁线圈系统最靠内的线圈部段。

如果HTS线圈部段和第一主线圈部段在空间布置上沿径向是相邻的，则在共同的第一电网格中互连可以特别简单地实现，因为在这种情况下结构和制造技术上的耗费特别低。就是说，HTS线圈部段和第一主线圈部段此时在空间布置上沿径向直接彼此相继。对于这个实施形式，Nb3Sn由于其高场兼容性特别好地适于用作用于第一主线圈部段的超导材料。

优选根据本发明的电磁线圈系统是一种超导NMR电磁线圈系统。

本发明的其他优点有说明书和附图得出。前面所述的并且还将进一步说明的特征根据本发明也可以分别本身单独地或多个任意组合地使用。所示出和所描述的实施形式不能理解为穷尽的列举，而是为了说明本发明而具有示例性的性质。

附图说明

图1示出根据本发明的具有带有Nb3Sn导体的第一主线圈部段的电磁线圈系统的示意图。

图2示出根据本发明的具有带有Nb3Sn导体的第一主线圈部段的电磁线圈系统的示意图，所述第一主线圈部段与第二主线圈部段缠绕在共同的线圈体上。

图3示出根据本发明的具有带有NbTi导体的第一主线圈部段的电磁线圈系统的示意图，所述第一主线圈部段与HTS线圈部段缠绕在共同的线圈体上。

图4示出根据本发明的具有带有Nb3Sn导体的第一主线圈部段和第二主线圈部段的电磁线圈系统的示意图。

图5示出根据本发明的具有带有NbTi导体的第一主线圈部段和带有Nb3Sn导体的第二主线圈部段的电磁线圈系统的示意图。

图6示出条形图，其中按沿径向的顺序绘制根据本发明的电磁线圈系统的各线圈部段的扭绞长度。

图7示出图表，其中与第一主线圈部段的导体的扭绞长度相关地绘制出在另一个网格中开始失超时第一网格内部的电流过高。

具体实施方式

在图1至5中示出根据本发明的带有保护网络的电磁线圈系统的不同实施形式，在所述电磁线圈系统中，多个带有线圈部段的电网格M1、M2、M3串联连接。这里在半剖面中示出了不同网格M1、M2、M3和其线圈部段的电互连以及不同线圈部段或线圈体相对于彼此和相对于电磁线圈系统所示出的轴线的空间布置形式，各线圈部段缠绕在所述线圈体上，所述半剖面包含所述轴线z。

所示出的实施形式的第一网格M1分别包括具有由HTS带导体制成的导体的HTS线圈部段A0和具有丝线导体的第一主线圈部段A1、A1'。HTS线圈部段A0和第一主线圈部段A1、A1'在第一电网格中彼此串联连接，使得它们在运行中同向地由电流流动通过并且共同地由第一失超保护元件Q1跨过/保护。第一主线圈部段A1、A1'包含由超导材料制成的导体，所述导体在电磁线圈系统的任意网格中开始失超的情况下快速地跟随失超。对于第一主线圈部段A1选择由这样的材料制成的导体，所述材料的临界温度低于HTS线圈部段A0的临界温度，所述材料通常是Nb3Sn或NbTi。第一主线圈部段A1的超导材料与由REBCO材料(RE＝稀土)制成的HTS带导体相比具有明显更高的失超传播速度。不同的超导材料在零场(B＝0T)中的常见临界温度是：NbTi为约10K，Nb3Sn约为18K，典型的HTS带导体>80K，[05]。

沿径向在第一主线圈部段A1、A1'之外(就是说沿径向方向r与轴线z隔开更远)设置第二电网格M2的邻近主线圈部段A3。所述邻近主线圈部段A3是不同于第一网格M1的网格M2(就是说其中不存在HTS线圈部段A0)的沿径向最靠近第一主线圈部段A1设置并且由此处于相近大小的磁场中的主线圈部段。沿径向在邻近主线圈部段A3之外可以存在另外的主线圈部段A4。在图1至5中示例性地分别示出一个另外的线圈部段A4。

为了附加地加速失超传播，根据本发明对于第一主线圈部段A1、A1'使用这样的导体，与邻近主线圈部段A3的导体相比，所述导体具有更大的比功率输入。具有较高的功率输入的主线圈部段(第一主线圈部段A1、A1')在图中设有交叉的阴影线。由于提高的功率输入，在上面所述的失超情况下形成特别高的、感应生成的“耦合损失”，这种耦合损失确保在第一主线圈部段A1内部实现快速的失超触发和失超传播。以这种方式，实现了HTS线圈部段A0所在的第一网格M1中快速的电流消耗。对希望的比功率输入的适配调整可以通过第一主线圈部段A1的基质电阻或导体的扭绞长度来进行。

在根据本发明在图1中示出的实施形式中，与HTS线圈部段A0一起在第一网格M中互连的第一主线圈部段A1包括由Nb3Sn制成的丝线导体(未示出)。所述HTS线圈部段A0和第一主线圈部段A1缠绕在分开的线圈体上。特别是当在缠绕之后必须对导体材料执行不同的制造工艺、例如特殊的热处理时，将不同线圈部段缠绕在不同的线圈体上是有利的。

具有相对于其他网格M2、M3的主线圈部段提高的比功率输入的第一主线圈部段A1主要用于，在失超情况下加速第一网格M1中的失超。因此不要求第一主线圈部段A1对磁场有很大贡献。因此，第一主线圈部段A1可以仅包括少数几圈线匝，这些线匝可以与第二主线圈部段A2的线匝一起缠绕在共同的线圈体上。这里，第二主线圈部段可以具有与其他网格M2、M3的主线圈部段A3、A4相近的功率输入。这种实施形式在图2中示出。这里第二主线圈部段A2和第一主线圈部段A1由相同的超导材料(Nb3Sn)制成，并且缠绕在共同的线圈体上，这里，两个主线圈部段A1、A2的区别在于其比功率输入。例如可以使用具有不同扭绞长度的Nb3Sn导体。在当前示例中，第一主线圈部段A1的导体直接缠绕到第二主线圈部段的线匝上(沿径向在第二主线圈部段之外)并且因此与第二主线圈部段A2相比处于第一电网格M1的负载较小的区域内(就是说出于与第一网格M1的其他区域相比磁场较低的区域)。特别是当为了相对于其他网格M2、M3的主线圈部段A3、A4的导体实现根据本发明的提高的比功率输入而采用具有大扭绞长度的导体时，这是有利的，因为由较大的扭绞长度带来的缺点(在充电时提高的热输入)此时仅产生较小的影响。

如果对于第一主线圈部段A1选择由NbTi制成的导体，则第一主线圈部段A1和HTS线圈部段A0可以缠绕在共同的线圈体上，如图3所示。

图4示出一个实施形式，其中第一网格M1具有三个由不同材料制成的线圈部段A0、A1、A2'，这些线圈部段缠绕在分开的线圈体上。除了HTS线圈部段A0和具有Nb3Sn导体的第一主线圈部段A1，沿径向在第一主线圈部段A1之外设置具有NbTi导体的第二主线圈部段A2'。一方面通过第一主线圈部段A1提高的比功率输入(例如由于相对于其他网格M2、M3的主线圈部段A3、A4提高的扭绞长度)以及另一方面通过第二主线圈部段A2的NbTi材料较低的临界温度，在失超情况下在第一网格M1中实现特别快速的失超触发。在这种情况下，邻近主线圈部段A3不是直接与第一主线圈部段A1邻接，因为在第一主线圈部段A1与邻近主线圈部段A3之间设置了第一网格的第二主线圈部段A2'。

图5示出类似的实施形式，其中同样在第一网格M1中三个由不同材料制成的线圈部段A0、A1'、A2互连。但与在图4中示出的实施形式不同，由NbTi制成的主线圈部段是第一主线圈部段A1'，而由Nb3Sn制成的主线圈部段是第二主线圈部段A2。Nb3Sn主线圈部段这里不是用于失超加速，而是仅用作“间距保持器”，以便将NbTi主线圈部段定位在较弱的磁场中。

图6示出条形图，其中按沿径向的顺序绘制出根据本发明的电磁线圈系统的各线圈部段的常见扭绞长度。在作为图6的图表的基础的电磁线圈系统中，第一主线圈部段A1连同第二主线圈部段A2缠绕在共同的线圈体上。此外，沿径向在HTS线圈部段A0和带有第一主线圈部段A1的线圈体之间设置附加的第二主线圈部段A2。第一主线圈部段A1和第二主线圈部段A2分别具有由Nb3Sn制成的导体。邻近主线圈部段A3在当前情况下也具有Nb3Sn导体。在当前示例中，第二主线圈部段A2、邻近主线圈部段A3和沿径向内部的另外的主线圈部段A4的扭绞长度是相同大小的。但这不是必须的。重要的仅是，第一主线圈部段A1的扭绞长度大于邻近主线圈部段A3的扭绞长度。在当前情况下，第一主线圈部段A1的扭绞长度甚至大于所有其他主线圈部段。

图7针对根据本发明实现的电磁线圈系统示出第一电网格M1中的电流过高与为第一主线圈部段A1的导体选择的扭绞长度之间的模拟关系。作为模拟的基础的保护网络包括七个电网格。第一网格包含HTS线圈部段和一个Nb3Sn主线圈部段作为第一主线圈部段A1。对于后者，扭绞长度是变化的。对于这种模拟，失超示例性地在第二或第四网格中开始。对于有现有技术已知的电磁线圈系统中的主线圈部段，通常使用具有100至200mm的扭绞长度的导体。图4清楚地示出，利用较大的扭绞长度、特别是大于200mm的扭绞长度在第一网格中可以实现明显更小的电流过高。

就是说，本发明的构思在于，利用快速失超的并且在保护网络网格(第一网格)中优选空间上直接相邻的(沿径向后面的)主线圈部段共同地保护电磁线圈系统内部重要的HTS线圈部段。这可以利用较少的结构耗费实现。为了附加地加速第一网格中的第一主线圈部段的跟随失超，对于第一主线圈部段使用(相对于其他网格的其他主线圈部段)减小的基质电阻和/或提高的扭绞长度的导体，如果失超在不同于第一网格的其他网格中开始，这确保了快速触发失超。

附图标记列表

A0 线圈部段

A1 具有Nb3Sn导体的第一主线圈部段

A1' 具有NbTi导体的第一主线圈部段

A2 具有Nb3Sn导体的第二主线圈部段

A2' 具有NbTi导体的第二主线圈部段

A3 邻近主线圈部段

A4 另外的主线圈部段

M1 包括HTS线圈部段和第一主线圈部段的第一电网格

M2 包括邻近主线圈部段以及必要时还有另外的主线圈部段的第一电网格

M3 包括另外的主线圈部段的另外的电网格

Q1 第一网格的失超保护元件

Q2 第二网格的失超保护元件

文献列表

[01]Martin N.Wilson

“Superconducting Magnets”

Oxford Science Publications,1989,S.226ff

[02]DE 10 2009 029 379

[03]US-7649720-B2

[04]US 2017/0186520 A1

[05]Peter Komarek

“Hochstromanwendung der Supraleitung”

Teubner Stuttgart 1995

[06]Martin Wilson

“Lecture 2:Magnetization,AC Losses and Filamentary Wires”

Pulsed Superconducting Magnets'CERN Academic Training May 2006

https://indico.cern.ch/event/429134/attachments/923303/1306387/CERN_06_lect_2.pdf。

Claims

1.超导电磁线圈系统，具有第一电网格(M1)和第二电网格(M2)，所述电网格相互串联连接，

第一电网格(M1)在第一路径中具有HTS线圈部段(A0)和与其串联地包括第一主线圈部段(A1；A1')并且在第二路径中包括失超保护元件(Q1)，所述失超保护元件跨过包括HTS线圈部段(A0)和第一主线圈部段(A1；A1')的串联电路，

第一主线圈部段(A1；A1')包括导体，所述导体具有基质中的超导丝线，

第二电网格(M2)具有邻近主线圈部段(A3)，所述邻近主线圈部段包括导体，所述导体具有基质中的超导丝线，所述邻近主线圈部段(A3)在所述电磁线圈系统内部是不同于第一电网格(M1)的电网格的所有主线圈部段中沿径向向外最靠近所述第一电网格(M1)的第一主线圈部段(A1；A1')的主线圈部段，

其特征在于，

在失超情况下，主线圈部段(A1；A1'、A2；A2'、A3)的导体分别产生比功率输入(LT/2π)²*1/ρ_M，其中

LT＝具有超导丝线的导体的扭绞长度

ρ_M＝导体的基质沿横向方向的比电阻，所述超导丝线埋入所述基质中，

第一电网格(M1)的第一主线圈部段的导体的比功率输入高于第二电网格(M2)的邻近主线圈部段(A3)的导体的比功率输入，所述第一主线圈部段(A1；A1')的丝线的扭绞长度至少以系数1.5大于所述邻近主线圈部段(A3)的丝线的扭绞长度。

2.根据权利要求1所述的超导电磁线圈系统，其特征在于，所述第一主线圈部段(A1；A1')是这样的主线圈部段，该主线圈部段在电磁线圈系统内部在所有的包括由与第一主线圈部段的导体相同的超导材料制成的导体的主线圈部段(A4)中产生最高的比功率输入。

3.根据权利要求1所述的超导电磁线圈系统，其特征在于，所述第一主线圈部段(A1；A1')是在电磁线圈系统内部产生最高的比功率输入的主线圈部段。

4.根据权利要求1所述的超导电磁线圈系统，其特征在于，所述第一主线圈部段(A1；A1')的基质的比电阻低于邻近主线圈部段(A3)的基质的比电阻。

5.根据权利要求1所述的超导电磁线圈系统，其特征在于，所述第一主线圈部段(A1；A1')的丝线的扭绞长度至少以系数2大于所述邻近主线圈部段(A3)的丝线的扭绞长度。

6.根据权利要求1所述的超导电磁线圈系统，其特征在于，所述第一主线圈部段(A1；A1')的丝线的扭绞长度在150mm至400mm的范围内。

7.根据权利要求1所述的超导电磁线圈系统，其特征在于，所述第一主线圈部段(A1；A1')的超导材料包括Bi超导材料或者包括LTS材料。

8.根据权利要求1所述的超导电磁线圈系统，其特征在于，所述第一主线圈部段(A1；A1')的导体是增强的Nb3Sn导体。

9.根据上述权利要求之一所述的超导电磁线圈系统，其特征在于，所述第一电网格(M1)包括第二主线圈部段(A2；A2')，所述第二主线圈部段包括具有在基质中的超导丝线的导体，所述第二主线圈部段的导体的比功率输入最高与所述第一主线圈部段(A1；A1')的导体的比功率输入相等。

10.根据权利要求9所述的超导电磁线圈系统，其特征在于，所述第一主线圈部段(A1；A1')比第二主线圈部段(A2；A2')沿径向更远地靠外设置。

11.根据权利要求1所述的超导电磁线圈系统，其特征在于，所述HTS线圈部段(A0)和所述第一主线圈部段(A1；A1')在空间布置上是沿径向相邻的。

12.根据权利要求1所述的超导电磁线圈系统，其特征在于，所述超导电磁线圈系统是超导NMR电磁线圈系统。