DE10065400A1 - Flusspumpe mit Hochtemperatursupraleiter und damit zu betreibender supraleitender Elektromagnet - Google Patents

Abstract

Vorrichtung mit Flusspumpe (2) und mit dieser zu speisendem Elektromagneten (111) für die Erzeugung hochkonstanter Magnetfelder hoher Feldstärke. In der Flusspumpe (2) des Gleichrichtertyps sind als Schalter MOSFETs verwendet, die bei Betriebstemperaturen für HT¶c¶-Supraleitermaterial vorzusehen sind. Insbesondere sind Flusspumpe (2) und Spule (11) des Elektromagneten (111) in ein und demselben Kryostaten-Gehäuse angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flusspumpe des Gleichrichter-Typs mit HT_c (Hochtemperatur) supraleitenden Schaltern und einen mit dieser Flusspumpe zu betreibenden HT_c -supraleitenden Elektromagneten.

Zum Beispiel für die Kernspin-Tomographie sind hohe Magnet­ felder mit dazu auch hoher zeitlicher Konstanz der jeweiligen Magnetfeldstärke erforderlich. Hierfür sind Elektromagnete mit supraleitenden Spulen entwickelt worden. Schon seit Jahr­ zehnten sind solche Spulen bekannt, die aus Tieftemperatur- (LT_c-)Supraleitermaterial wie Niob-Zinn oder Niob-Titan be­ stehen. Zu betreiben sind solche Magnete im Temperaturbereich von etwa 4 K Temperatur.

Seit etwa einem Jahrzehnt sind auch supraleitende Materialien des Hochtemperatur-Typs (HT_c-Supraleiter) bekannt, die bis über Temperaturen der flüssigen Luft, d. h. bei Temperaturen kleiner als 77°K supraleitend sind. Es sind auch bereits Elektromagnete mit HT_c-supraleitender Spule hergestellt wor­ den, die für hohe Magnetfelder z. B. bis zu Temperaturen klei­ ner etwa 40 K verwendbar sind. Diese niedrigere Betriebstem­ peratur beruht darauf, dass die HT_c-Stromtragfähigkeit dafür verwendeter HT_c-Supraleiter-Materialien, z. B. Wismutcuprate wie (Bi, Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ und Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ und Seltenerdcupra­ te RE Ba₂Cu₃O₇ mit RE = Nd, Gd, Sm, Er, Y, nur bis zu einer von der Höhe des herrschenden Magnetfeldes abhängig begrenz­ ten jeweiligen Betriebstemperatur ausreichend ist.

Ein einmal in einer solchen supraleitenden Spule eines Magne­ ten erzeugter und fließender Kurzschluss-Supraleitungsstrom hält im Idealfall andauernd an. Um einen solchen supraleiten­ den Strom in eine Supraleiterspule einzuspeisen, wird z. B. eine als Flusspumpe bekannte Einrichtung verwendet. Eine sol­ che Flusspumpe ist z. B. bekannt aus "Study of Full-Wave Su­ perconducting Rectifier-Type Flux-Pumps" in IEEE Transactions an Magnetics, Vol. 32 (1996) pp. 2699-2702 und aus "On Fully Superconducting Rectifiers and Flux Pumps", Cryogenics, Mai 1991, Seiten 262-275.

Der genannte Stand der Technik bezieht sich ausschließlich auf Supraleiter des Tieftemperatur (LT_c-)Typs, d. h. auf Mate­ rialien, wie z. B. des genannten Niob-Zinns und Niob-Titans. In Fig. 1 eines Beispiels einer Flusspumpe 2 des Gleichrich­ tertyps des Standes der Technik (aus IEEE Transactions . . . wie oben) ist mit 11 die supraleitende Spule mit LT_c-Supra­ leiter eines Elektromagneten 111 bezeichnet, wie er z. B. für die schon erwähnte Kernspin-Tomographie bekanntermaßen ver­ wendet wird. Mit 12 ist eine Stromquelle bezeichnet, die die elektrische Energie liefert, mit der der Aufbau des in der Spule 11 im Betrieb des Elektromagneten fließenden Supralei­ tungsstroms bewirkt wird. Mit 13 ist ein Transformator mit einer Primärspule 113 und bei diesem Beispiel mit 2 in Reihe geschalteten Sekundärspulen 213 und 313 bezeichnet. Mit 15 und 16 sind zwei Schalter für das Schließen und Unterbrechen des im Stromkreis der jeweiligen Sekundärspule 213 bzw. 313 fließenden supraleitenden Stromes bezeichnet. Diese beiden Sekundärspulen und Schalter bestehen im Stand der Technik aus LT_c- und in der noch zu beschreibenden Erfindung jedoch aus HT_c-supraleitendem Material. Um als Transformator 13 wirken zu können, liefert die Stromquelle 12 generell bezeichnet einen Wechselstrom, d. h. einen Strom mit wiederkehrend auf­ einanderfolgend entgegengesetzter Stromrichtung. Entsprechend dem Takt dieser Stromrichtungswechsel werden die Schalter 15 und 16, und zwar jeweils einander entgegengesetzt, geöffnet und geschlossen. Es erfolgt damit eine Gleichrichtung des durch die mit 20 und 21 bezeichneten Leitungen fließenden elektrischen Stromes. Dieser Strom ist der Speisestrom für die Spule 11 des Elektromagneten. Mit 23 ist eine bekannte, hier nicht näher ausgeführte, Sicherungseinrichtung zum Schutz der Flusspumpe 2 bezeichnet. Mit 25 ist ein Steuer­ system für die Steuerung des Taktes der Wechsel des Speise­ stromes der Stromquelle 12 und der Schalter 15 und 16 be­ zeichnet.

In der bekannten Flusspumpe der Fig. 1 sind die Schalter 15 und 16 Tieftemperatur-(LT_c-)Supraleiterschalter. Deren Zu­ stände "Offen" und "Geschlossen" sind durch die Zustände des in ihnen enthaltenen Leitermaterials "supraleitend" oder "normalleitend" gegeben. Der supraleitende Zustand liegt bei entsprechend tief abgekühltem Zustand vor. Durch Erwärmen des jeweiligen Schalterelements wird dieses in den normalleiten­ den Zustand, der einem geöffneten Schalter entspricht, umge­ wandelt. Diese Umwandlung ist reversibel.

In wie bekannter Weise durch periodisches Umschalten der Schalter 15 und 16 kann die Spule 11 des Elektromagneten bzw. deren Stromkreis mit supraleitendem Strom sukzessive aufgela­ den wird, so dass entsprechend sukzessive in der Spule 11 des Elektromagneten ein korrespondierendes Elektromagnet-Gleich­ feld hoher Magnetfeldstärke bzw. hohen Magnetflusses erzeugt wird, das bei aufrechterhaltener Supraleitung permanent ist. In weitem Maße gilt diese Permanenz für die LT_c-Supraleitung und die dafür verwendeten, schon oben angegebenen Materia­ lien. Zum Beispiel ein einmal aufgeladener Supraleiter-Elek­ tromagnet beispielsweise eines Kernspin-Tomographen hält sei­ ne Magnetfeldstärke über lange Zeit so konstant, dass mit diesem Magnetfeld die extrem hohen Anforderungen an Konstanz des Feldes für Kernspin-Tomographie eingehalten werden. Ein Nachladen ist z. B. erst nach etwa 100 Stunden erforderlich, vorausgesetzt dass keine technischen Mängel oder betriebsmä­ ßige Fehler vorliegen.

In anderem Zusammenhang, nämlich für im Kryobereich mit sup­ raleitender Wicklung arbeitende elektrische Speicher für ex­ trem rasch verfügbare elektrische Energie mit gefordert hoher Spitzenleistung ist vorgeschlagen (IEEE, ISPD'99, Toronto 26.-28. Mai 1999, S. 91-94) worden, im elektrischen Steuer­ system solcher Speicher Cool MOSFETs für dort erforderliche Schalter zu verwenden. Es sind dies MOSFETs, die bis 1000 V und bei tiefen Temperaturen um etwa 77 K deshalb vorteilhaft verwendet werden, da diese MOSFETs in diesem Temperaturbe­ reich sehr geringen elektrischen Durchgangswiderstand haben. In ihnen entstehen damit trotz des im Stoßbetrieb hohen Stromdurchflusses nur entsprechend geringe Eigenverluste an elektrischer Energie. Diese MOSFETs dienen in dieser Anwen­ dung damit der Energieeinsparung beim Betrieb solcher Spit­ zenleistungs-Speicher.

Bei der Erfindung befinden sich der Transformator 13 und die MOSFET-Schalter im gekühlten Medium bzw. Raum. Von Vorteil ist hierbei, dass für die auf der Primärseite des Transforma­ tors fließenden kleinen Ströme elektrische Leitungen mit nur lediglich geringem Querschnitt erforderlich sind und diese Leitungen nur entsprechend wenig Wärmeleitvermögen in den kalten Raum hinein haben.

Insbesondere ist es für die Erfindung bedeutsam, diese MOS- FETs im Bereich niedrigst möglichen elektrischen Durchgangs­ widerstandes derselben bei geschlossenem Schalter zu betrei­ ben. Dies deshalb, weil bei der Erfindung der in der Magnet­ spule 11 fließende elektrische Strom fortlaufend auch durch die jeweils geschlossenen Schalter fließt und dort Ohmsche Verluste bewirkt. Diese Verluste vermindern die geforderte hohe Konstanz des Magnetfeldes, das durch die Magnetfeldspule 11 zu erzeugen ist. Die wie erfindungsgemäße Verwendung der MOSFETs bei tiefen Temperaturen als Schalter für das fortlau­ fende Konstanthalten dieses Magnetfeldes ist daher von Vor­ teil für optimierte Lösung der Aufgabenstellung.

Die Grundprinzipien dieser bekannten Flusspumpen haben nur zu einem gewissen Maße für die bei der Erfindung vorgesehene Verwendung von Hochtemperatur-HT_c-Supraleitungs-Materialien Gültigkeit. Es sind für erfindungsgemäße Projekte und Vorrichtungen mit solchen Materialien vielfach besondere oder andersartige Bedingungen und Umstände zu berücksichtigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine erfin­ dungsgemäße Flusspumpe bzw. für die erfindungsgemäße Kombina­ tion einer solchen Flusspumpe und eines Supraleiter-Elektro­ magneten für hochkonstantes Magnetfeld die Maßnahmen anzu­ geben, mit denen die entsprechenden Vorrichtungen mit HT_C- Supraleiter-Material in vorteilhafterweise realisiert werden können.

Insbesondere zur zusätzlichen Erläuterung zu der nachfolgen­ den Beschreibung der Erfindung dienen auch die nachfolgend erörterten Figuren, die auch Offenbarungsinhalt zur Erfindung enthalten.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipbild eines bekannten Schaltungsauf­ baues, wie er auch bei der vorliegenden Erfindung in Betracht kommt.

Fig. 2 zeigt eine Variante zur Gleichrichterschaltung der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in Ansicht und als Schnitt I-I' einen prinzi­ piellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Kombination von Fluss­ pumpe und Elektromagnet in einem gemeinsamen Kryostaten.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform für einen erfindungsgemä­ ßen Schalter der Gleichrichterschaltung einer erfindungsgemä­ ßen Flusspumpe.

Fig. 4A zeigt ein Diagramm.

Fig. 5A und 5B zeigen in Auf- und Seitenansicht ein Aus­ führungsbeispiel für eine MOSFET-Schalteranordnung.

Fig. 6 zeigt ein Betriebsdiagramm.

In der Fig. 1 ist für die Flusspumpe 2 eine auch als Zwei­ weg-Gleichrichtung mit zwei Sekundärspulen bezeichnete Schal­ tung gezeigt. An deren Stelle kann für die Erfindung auch eine ebenfalls als gleichrichtend wirkende Brückenschaltung verwendet werden, wie sie aus der Elektrotechnik, dort mit Dioden, generell bekannt ist und hier als eine vorgesehene Ausführung für die Erfindung in Fig. 2 gezeigt ist. Mit der Fig. 1 wenigstens im wesentlichen übereinstimmende Einzel­ heiten dieser Brückenschaltung der Fig. 2 haben dieselben, bereits definierten Bezeichnungen. Mit 115 und 116 sind die zwei zusätzlichen Schalter der insgesamt vier Schalter umfas­ senden Brückenschaltung bezeichnet. Bei dieser Schaltung be­ darf es nur einer Sekundärspule 213 des Transformators 13.

Eine vorteilhafte Maßnahme der Erfindung ist, wenigstens die supraleitende Spule 11 des Elektromagneten und seine zugehö­ rige Flusspumpe im Vakuumraum eines und desselben Kryostaten 100 anzuordnen. Vorteil dieser Maßnahme ist, dass damit nur eine Kälte-Versorgungseinrichtung und nur ein Kryostatgefäß erforderlich sind.

Für die die oben angegebene Aufgabe lösende vorliegende Er­ findung gemäß Patentanspruch 1 und deren Weiterbildung gemäß den Unteransprüchen ist z. B. eine zu berücksichtigende beson­ dere Bedingung diejenige, dass die erfindungsgemäße Vorrich­ tung mit supraleitender Flusspumpe und supraleitendem Elekt­ romagneten, erfindungsgemäß mit HT_C-Supraleiter-Material für vorteilhafterweise höhere Betriebstemperaturen ausgerüstet ist und dazu derart ausgeführt sein muss, dass mit der Fluss­ pumpe ein Nachladen des Elektromagneten im Abstand von je­ weils wenigen Sekunden ausgeführt werden kann. Dies ist er­ forderlich, weil für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit HT_C-Supraleiter-Material die geforderte Konstanz der Magnet­ feldstärke des Magneten innerhalb der vorgegebenen Toleranz­ grenze nur mit derart kurzfristig aufeinander folgendem Nach­ laden einzuhalten ist. Dies beruht im wesentlichen auf dem Austausch des bekanntermaßen verwendeten LT_C-Supraleiter- Materials gegen das erfindungsgemäß verwendete HT_C-Supralei­ ter-Material. Auch ist zu berücksichtigen, dass bei einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung mit HT_C-Supraleiter-Material die Flusspumpe und der Magnet bei vorteilhafterweise höherer Tem­ peratur, beide aber bei verschiedenen Temperaturen zu betrei­ ben sind, die Flusspumpe z. B. nahe unterhalb 77 K und der E­ lektromagnet im Bereich von etwa 40 K.

Für die erfindungsgemäße Lehre ist vorgesehen, für die eine oder mehreren Sekundärwicklungen des Transformators HT_c- supraleitende Leiter, auf der Basis von Bi2212-, Bi2223- Bandleitern, diese in Silbermatrix ausgeführt, und/oder YBa- CuO-Leiter auf metallischem Trägerband als bevorzugte Bei­ spiele vorzusehen. Es können auch andere HT_c-Supraleiter- Materialien und auch solche als Draht verwendet werden. Für die Primärwicklung des Transformators kann ebenfalls HT_c- Supraleitermaterial verwendet werden, es genügt aber für die­ se Spule auch Kupferdraht, der bei 77 K sogar sehr hohe spe­ zifische Leitfähigkeit hat, jedoch nachteiligerweise Joule'sche Verlustwärme erbringt. Als Windungsverhältnis von Primärspule zu jeweiliger Sekundärspule ist ein Verhältnis sehr viel größer als 1, vorzugsweise größer etwa 100 bis 1000, zu wählen. Der vorzugsweise zu verwendende Transforma­ torkern besteht insbesondere aus geblechtem Eisen, einem an­ deren weichmagnetischen Material oder ist ein Ferrit. Es kann auch ein Trafo mit lediglich Luftspulen verwendet werden.

Die. Fig. 3 zeigt in einem gemeinsamen Kryostaten 100 eine erfindungsgemäße Anordnung, bestehend im wesentlichen aus der supraleitenden Spule 11 des Elektromagneten 111 und der Flusspumpe 2 mit der Schalteranordnung 15, 16 und dem Trans­ formator 13 mit der Primärspule 113 und den Sekundärspulen 213 und 313. Die Primärspule und die Sekundärspulen sind in­ einandergewickelt dargestellt. Das Bezugszeichen 12 weist auf die Speise-Stromquelle hin. Mit 413 ist eine Sondenspule bezeichnet, mit der der Magnetfluss im hier vorgesehenen Kern des Transformators 13 überwacht werden kann.

Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Schaltung der Flusspumpe mit HT_c-supraleitenden Stromleitern und den hier als Schalter der Gleichrichterschaltung verwendeten MOSFET- Elementen. Die Schalter 15 und 16 umfassen je eine Parallel­ schaltung einer Anzahl n von MOSFETs 15 ₁ bis 15 _n bzw. 16 ₁ bis 16 _n. Auf die jeweils parallel geschalteten MOSFETs verteilt sich der zu schaltende elektrische Strom. Letzterer bestimmt, wie groß die Anzahl der jeweils vorzusehenden parallel zu schaltenden MOSFETs zu wählen ist.

Auch die Anschlüsse der Feldeffektelektroden 215 ₁ bis 215 _n sind miteinander parallel geschaltet und mit dem Steuergerät 25 verbunden. Entsprechendes gilt für die MOSFET-Elemente 16 ₁ bis 16 _n und deren Feldeffektanschlüsse 216 ₁ bis 216 _n.

Als derartige MOSFET-Elemente eignen sich besonders diejeni­ gen des Typs BUZ 111S von Siemens/Infineon. Mit der Vielzahl der parallel geschalteten MOSFET-Elemente 15 ₁ bis 15 _n und 16 ₁ bis 16 _n lässt sich ein sehr geringer Durchlasswiderstand für den Strom im Stromkreis der Flusspumpe erreichen. Die Anzahl n der MOSFET-Elemente wird so groß gewählt, dass bei fließen­ dem Nennstrom der Spannungsabfall an den parallel geschalte­ ten MOSFET-Elementen höchstens in der gleichen Größenordnung wie derjenige Spannungsabfall ist, der an der supraleitenden Spule 11 des Elektromagneten 111 messbar vorliegt. Ein sol­ cher Spannungsabfall liegt bei Werten kleiner 1 mV bis zu einigen mV. Es empfiehlt sich, handelsübliche MOSFET-Elemen­ te, z. B. der angegebenen Type, bezüglich ihres Durchlasswi­ derstandes, und zwar des Durchlasswiderstandes bei den tiefen Betriebs-Temperaturen der Flusspumpe, einzeln auszusuchen. Bei Betrieb einer Flusspumpe der vorliegenden Erfindung emp­ fiehlt es sich, diese MOSFET-Elemente bei einer Temperatur zwischen etwa 60 K und 130 K zu betreiben. Die Fig. 4A zeigt, dass in einem solchen Temperaturbereich diese MOSFET- Elemente sogar ein Minimum ihres Durchgangswiderstandes ha­ ben. Dies ist optimal nutzbar für die erfindungsgemäße Fluss­ pumpe.

Die voranstehenden Ausführungen gelten sinngemäß auch für eine Gleichrichterschaltung der Flusspumpe gemäß der Fig. 2 mit Brückenschaltung. In letzterem Falle wird die erfindungs­ gemäße Flusspumpe mittels vier Gruppen 15, 16, 115, 116 je­ weils n-fach parallel geschalteter MOSFET-Elemente betrieben.

Die Fig. 5A und 5B zeigen in Aufsicht und Seitenansicht ein bevorzugtes konstruktives Ausführungsbeispiel eines Schalters 15, 16.

Diese zwei Gruppen 15 ₁ bis 15 _n und 16 ₁ bis 16 _n bzw. für eine Ausführung nach Fig. 2 dann vier Gruppen MOSFET-Elemente der vorliegenden Erfindung sind in gut wärmeleitender Verbindung mit und auf z. B. einer gemeinsamen Basisplatte 51 oder ver­ teilt auf mehreren Basisplatten aus z. B. Kupfer oder einem anderen gut wärmeleitendem Material angeordnet. Eine solche Anordnung ermöglicht es, diese MOSFET-Elemente auf einer mög­ lichst gleichen und/oder konstanten ausgewählten Arbeitstem­ peratur zu halten. Diese Arbeitstemperatur wird über einen Regelkreis mit Temperaturfühler 220 und mit ggf. zusätzlicher Heizung 221 für die Basisplatte und die Transistoren gehal­ ten.

Mit einem ihrer jeweiligen Drain-Anschlüsse (D) sind die pa­ rallel geschalteten MOSFETs 15 ₁ bis 15 _n bzw. 16 ₁ bis 16 _n z. B. mit der elektrisch leitenden Basisplatte 51 elektrisch ver­ bunden. Der jeweils zweite Source-Anschluss (S) dieser MOS- FETs ist mit der Zu- und Verbindungsleitung 315 für die MOS- FETs 15 ₁ bis 15 _n und 316 für die MOSFETs 16 ₁ bis 16 _n elekt­ risch verbunden. Die Anschlüsse der Feldeffekt-Steuer-(Gate- )-Elektroden 215 sind mittels der Verbindungsleitung 1215 miteinander und mit dem Steuersystem 25 verbunden. Entsprechendes gilt für die Feldeffekt-Steuerelektroden 216 und de­ ren Verbindungsleitung 1216.

Es gibt praktische Fälle, in denen die Arbeitstemperatur der Spule 11 des Elektromagneten 111 vorgegeben geringer ist, als die der Basisplatte 51, z. B. bei 4,2 K oder 20 bis 30 K liegt. Für diesen Fall empfiehlt es sich, zwischen diesem Temperaturniveau und dem für die Basisplatte 51 und die MOS- FETs optimalen, vorgesehenen Temperaturniveau solche elektri­ sche Verbindungen 15 ₂ in Fig. 4 als Übergänge zwischen je­ weils den supraleitenden Anschluss-Zuleitungen der supralei­ tenden Spule 11 des Magneten und den Leitungen 20, 21 (siehe auch Fig. 1) zu verwenden, die nur geringe Wärmeübertragung bewirken. Es eignen sich dafür HTS-Supraleiter-Stromzufüh­ rungen nach einer bekannten Bauart. Dies können z. B. solche aus Bi2212- oder YBaCuO-Massivmaterial oder auch Bi2223-Mono- oder Multifilamentleiter in AgAu-Matrix sein. Die Temperatur der MOSFETs wird mit Rücksicht auf in der Schaltung vorgese­ hene supraleitenden Leitungen z. B. 315, 316 unterhalb der Sprungtemperatur T_c dieser Leitungen, also bei etwa 60 bis 80 K liegen.

Die Fig. 5B zeigt eine Seitenansicht zur Fig. 5A mit den für die Fig. 5A verwendeten Bezugszeichen. In Fig. 5B ist eine Ausführungsform dahingehend gezeigt, dass die Basisplat­ te 51 mit hier dargestellt drei mechanischen Verbindungen 52 mit einer Plattform 53 verbunden ist. Diese Ausführungsform ist geeignet, wenn die Plattform 53 z. B. mit einem Magneten mit LT_c-Magnetspule auch thermisch verbunden ist, die auf sehr tiefer Temperatur gehalten ist. Die Verbindungen 52 sind dann auch als definiert bemessener Wärmeübertrager bzw. -bremse ausgelegt, mittels derer die Temperatur der Basis­ platte 51 der MOSFETs auf der voranstehend angegebenen güns­ tigen Temperatur gezielt gehalten werden kann. Es ist auch zu berücksichtigen, dass in den MOSFETs der Schaltung ein gewis­ ses Maß an Verlustwärme auftritt, mit der die Basisplatte, ggf. zusätzlich zu einer vorgesehenen Heizung 221 derselben, auf der gewünscht höheren Temperatur gehalten werden kann. Eine derartige Ausführungsform ist besonders geeignet für in­ tegrierten Aufbau von Schaltung und Supraleitermagneten in einem gemeinsamen Kryostaten-Gehäuse.

Die Dicke und die Summe der Querschnitte der Verbindungen 52 wird so bemessen, dass der über diesen Wärmewiderstand von der Basisplatte in Richtung der Wärmesenke bzw. tieferer Tem­ peratur fließende Wärmestrom etwa gleich oder nur mäßig grö­ ßer ist als derjenige Wärmestrom, den eine Heizung 221 und zusätzlich dazu diejenige Joul'sche Wärme liefert, die in den MOSFETs des jeweils leitenden Schalterzweigs (15 oder 16) bei darin mit maximaler Größe fließendem Strom auftritt. Es ist dies eine gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehene Maßnahme, mit der die Leistung des erwähnten Heizers zur ge­ regelten Aufrechterhaltung konstanter Temperatur der MOSFET- Elemente zu minimieren ist.

Vorzugsweise wird die Wärmeableitung so bemessen, dass sie das 1,5- bis 3-fache der in den MOSFETs erzeugten Joul'schen Wärme ausmacht. Die zur Einhaltung bzw. zum Erreichen der Soll-Temperatur der Basisplatte erforderliche Wärmemenge wird mit der Heizung bereitgestellt.

Zur Bemessung einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind für eine Flusspumpe nach Fig. 5A für einen Magneten ei­ nes Kernspintomographen z. B. 2 × 40 MOSFETs des Typs BUZ111S vorgesehen. Ein solcher MOSFET hat bei 70 K etwa 2,5 mΩ. Je­ weils sind diese MOSFETs auf z. B. einer Basisplatte aus Kup­ fer, wärmemäßig mit dieser in gutem Kontakt, montiert. Bei z. B. einem Nennstrom von 80 Ampere, der in der Summe durch die Gruppe der jeweils parallel geschalteten MOSFET-Elemente fließt, tritt in diesen eine Verlustleistung von etwa 0,4 W auf. Zusammen mit 0,2 W Wärmezufuhr vom Heizer sind also ins­ gesamt 0,6 W von etwa 70 K auf etwa 25 K über z. B. die oben­ erwähnten mechanischen Verbindungen 52 abzuleiten. Dies er­ fordert für eine wie oben erwähnte Verbindung einen Wert von A/d = 4 cm (A = Gesamtquerschnitt; d = Dicke der Verbindung) bei Kunststoffen wie auch GFK (faserverstärkter Kunststoff) oder bei A/d = 0,2 cm bei Edelstahl Stützelemente dieser Ver­ bindung mit beispielsweise einer Höhe von 1 cm bei GFK-Werk­ stoff von 4 cm² und bei Stahl von 0,2 cm² Querschnittsfläche.

Auch bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung einer dem Prin­ zip nach bekannten Flusspumpe kann der Transformator 13 pri­ märseitig mit Sinus- oder mit Rechteck- oder dgl. Spannung mit alternierendem Vorzeichen gespeist werden. Der Sinusfre­ quenz bzw. der Rechteck-Pulsfolge entsprechend erfolgt zeit­ lich koordiniert die Ansteuerung der Steuerelektrode, nämlich der Feldelektroden 215, 216 der als Schalter verwendet elekt­ risch leitend zu öffnenden oder zu sperrenden MOSFET-Elemen­ te. Diese Ansteuerung erfolgt mit Rechteckspannungsimpulsen mit größer/gleich 8 Volt bei wie oben angegebenem oder ähnli­ chem Typ verwendeter MOSFET-Elemente.

Ein großer Vorzug der erfindungsgemäßen Ausführung einer dem Prinzip nach bekannten Flusspumpe mit hier jedoch MOSFET- Elementen als Schalter in der Gleichrichterschaltung der Flusspumpe ist, dass diese MOSFET-Elemente mit Frequenzen bis zu einigen MHz angesteuert werden können. Diese hohe Ansteue­ rungsfrequenz ermöglicht es, den Transformator 13, verglichen mit bekannten Ausführungen, sehr klein auszuführen. Ein für die Erfindung zu verwendender Transformator 13 kann auch mit Ferrit-Kern oder sogar auch kernlos ausgeführt sein. Die se­ kundäre Ausgangsspannung des Transformators kann entsprechend den zulässigen Betriebsspannungen der MOSFET-Elemente, z. B. beim Typ BUZ 111S bis 25 Volt bei einer wie in Fig. 1 dar­ gestellten Zweiwegschaltung oder bis sogar 50 Volt bei einer Brückenschaltung gemäß Fig. 2, gewählt werden. Dieser tech­ nische Vorteil, der mit der Erfindung verbunden ist, ermög­ licht ein erheblich rascheres Aufladen und Wiederentladen des Elektromagneten 111, nämlich verglichen mit einer Ausfüh­ rungsform mit Schaltern mit HT_c-supraleitendem Material.

Als Weiterbildung der Erfindung sind für den Schutz der aus MOSFET-Elementen bestehenden Schalter 15, 16 (115, 116) Halb­ leiter-Dioden vorgesehen, die dem jeweiligen Schalter in Durchlassrichtung gepolt parallel geschaltet sind.

Mittels der Flusspumpe 2 wird der Elektromagnet 111 durch Stromzufuhr aus der Stromquelle 12 aufgeladen. Hierzu sei auch auf die Fig. 6 hingewiesen. Diese zeigt in ihren Zeilen A bis F die nachfolgend beschriebenen Vorgänge. Die Vorgänge der linken Hälfte der Fig. 6 betreffen das vollständige Auf­ laden des Elektromagneten. Die dazu rechte Hälfte der Fig. 6 bezieht sich auf die Vorgänge des Nachladens zur Kompensation zeitlich aufgetretener Verluste, d. h. die Vorgänge zur zeit­ lichen Stabilisierung des Magnetfeldes des Elektromagneten 111.

Die Primärwicklung 113 des Transformators 13 wird wie in Zei­ le A, linke Hälfte, mit insbesondere zeitlich ununterbroche­ nen, vorzugsweise trapezförmigen Spannungs-/Stromimpuisen mit aufeinanderfolgend entgegengesetzten Vorzeichens gespeist. Die Zeile B zeigt die zu den Impulsen der Zeile A gehörenden, zeitlich voneinander beabstandeten Impulse an den Sekundär­ spulen 213 und 313 des Transformators 13. Die Zeile C zeigt dazu den Anstieg der Aufladung der Magnetspule 111.

Die rechte Seite der Fig. 6, die die zeitliche Stabilisie­ rung der Magnetfeldstärke des Elektromagneten 111 betrifft, unterscheidet sich vom Aufladevorgang der linken Hälfte der Fig. 6 darin, dass die Vorzeichenwechsel des Primärstromes bzw. des magnetischen Flusses im Transformator 13 zeitlich gestreckt vorgesehen sind, nämlich so, wie das Wiederaufladen quantitativ erforderlich ist und dies aus der Zeile C, rechte Hälfte, zu ersehen ist.

Das Aufladen des Elektromagneten 111 bzw. das Nachladen des­ selben für zeitliche Konstanz seines Magnetfeldes erfolgt nach Fig. 6 hier durch Einstellen der Impulsfrequenz und/oder der Impulsamplitude und entsprechende Steuerung der Schalter der Gleichrichterschaltung der Flusspumpe. Die Puls­ frequenz kann vorzugsweise durch bzw. mit einem Regelkreis vorgegeben werden.

Der Regelkreis umfaßt z. B. Maßnahmen zur periodischen NMR- Feldmessung im bzw. am Magneten. Festgestellt wird z. B. die Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert der NMR-Frequenz. Die auftretende Differenz wird wieder ausgeglichen durch entspre­ chend proportionale Änderung der Pulsfrequenz, mit der die Flusspumpe am Eingang, d. h. an der Primärspule 113 des Trans­ formators 13 angesteuert wird.

Als alternative Maßnahme zum Erreichen einer Feldstabilisie­ rung kann im Bereich, in dem die erforderliche Tieftemperatur herrscht, diese Abweichung auch durch eine Strommessung oder mit einem Hall-Sensor ermittelt werden und wiederum in korri­ gierte Pulsfrequenz umgesetzt werden.

Entsprechend den dargelegten Vorgängen der Fig. 6 kann ein einmal aufgeladener Elektromagnet 111 in sinngemäß reversib­ ler Weise mittels der Flusspumpe, diese also in umgekehrter Richtung arbeitend, wieder entladen werden. Hierbei wird bei gleichem Pulsschema jeweils der Schalter geöffnet, der beim Aufladen geschlossen war und umgekehrt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, Flusspumpe 2 und Magnet 111 vorteilhafterweise zusammen in einem gemeinsamen Kryostaten anzuordnen. Die Temperatur in diesem Kryostaten kann auf die für den Elektromagneten 111 vorgesehenen Temperaturwert, z. B. den oben genannten Wert T₀ eingestellt werden, nämlich so be­ messen, dass das HT_c-Supraleiter-Material der Spule 11 des Magneten die erforderliche Stromtragfähigkeit im erzeugten Magnetfeld hat. Es kann dann vorgesehen sein, dass die Grund­ platte 46 der Schalteranordnung auch auf einer höheren Tempe­ ratur, diese jedoch unterhalb der Temperatur T₀ des Supralei­ ter-Materials, gehalten werden.

Claims (19)

1. Vorrichtung mit einer Supraleiter-Flusspumpe (2) mit einem Transformator (13) mit sekundärseitig wenigstens einer supra­ leitenden Spule (213, 313) in der sekundärseitigen Gleich­ richterschaltung mit wenigstens zwei steuerbaren (25) Schal­ tern (15, 16; 115, 116), diese Pumpe vorgesehen zur Stromein­ speisung (21, 22) in eine supraleitende Spule (11) eines E­ lektromagneten (111), dadurch gekenn­ zeichnet, dass die jeweilige sekundärseitige Spule (213, 313) aus HT_c-Supraleitermaterial besteht und als steu­ erbare Schalter MOSFETs (15, 16; 115, 116) in der sekundär­ seitigen Gleichrichterschaltung vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Flusspumpe (2) und die supraleitende Spule (11) des Elektromagneten (111) zusammen in einem gemeinsamen Vakuumraum eines Kryostaten (100) ange­ ordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für einen jeweiligen ein­ zelnen Schalter (15, 16; 115, 116) eine Anzahl n mit n = 1, 2, 3, . . . miteinander elektrisch parallel geschaltete MOSFETs (15 ₁ bis 15 _n, 16 ₁ bis 16 _n; 115 ₁ bis 115 _n, 116 ₁ bis 116 _n) vorge­ sehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, dass die verwende­ ten MOSFETs (15 ₁ . . . 116 _n) bezüglich ihres elektrischen Durchlasswiderstandes bei der vorgesehenen tiefen Betriebs­ temperatur so ausgewählt sind, dass nur MOSFETs mit sehr ge­ ringem Durchlasswiderstand in der Gleichrichterschaltung ent­ halten sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, dass die vorgesehenen MOSFETs (15 ₁ . . . 116 _n) auf einer Basisplatte (51) aus gut wärmeleitendem Material angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass für die Basisplatte (51) eine elektrische Heizung (221) für das Einstellen/Einhalten einer vorgegebenen Temperatur dieser Basisplatte (51) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, dass auf der Ba­ sisplatte (51) ein Temperaturfühler (220) für einen Tempera­ tur-Regelkreis für die Betriebstemperatur der MOSFETs vorge­ sehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, dass die Basis­ platte (51) mittels mechanischer Verbindungen (52) mit wärme­ leitender Eigenschaft mit einer vorgesehenen Wärmesenke (53) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Wärmesenke eine Plattform (53) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl und die Bemes­ sung der vorgesehenen mechanischen Verbindungen (52) so aus­ gewählt sind, dass in den MOSFET-Elementen der Schalter (15_{1 .} . . 116_n) erzeugte elektrische Verlustleistung und ggf. vor­ gesehene Heizleistung des Heizers (221)im zeitlichen Gleich­ gewicht sind mit der durch die mechanischen Verbindungen (52) hindurch in die als Wärmesenke wirkende Plattform (53) ab­ fließende Wärmemenge.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgesehenen mechanischen Verbindungen (52) der Basisplatte (51) der Schalter mit den MOSFETs mit der Wärmesenke hinsichtlich ihrer Wärmeablei­ tungen so bemessen sind, dass in bestimmungsgemäßem Betrieb der Vorrichtung deren wärmeableitende Wirkung das 1,5- bis 3- fache der Summe der in den MOSFETs erzeugten Joule'schen Wär­ me erreichen kann.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, dass ein Transfor­ mator (13) mit Ferritkern vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, dass ein kernloser Transformator vorgesehen ist.

14. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeich­ net, dass die Speisung des Transformators (13) der Fluss­ pumpe (2) mit Stromimpulsen (Fig. 6, Zeile A) erfolgt.

15. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisung im Frequenz­ bereich von Netzfrequenz bis MHz ausgeführt wird.

16. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder nach Anspruch 14 oder 15, da­ durch gekennzeichnet, dass die Stromsta­ bilisierung im Elektromagneten (111) durch Regelung (413) der Frequenz der Impulse der Speisung des Transformators (13) der Flusspumpe (2) ausgeführt wird.

17. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder nach Anspruch 14, 15 oder 16, da­ durch gekennzeichnet, dass die Stromsta­ bilisierung im Elektromagneten (111) durch Regelung der primärseitigen Stromamplitude des Transformators (13) der Fluss­ pumpe (2) ausgeführt wird.

18. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass für die MOSFETs der Schalter (15 ₁ . . . 116 _n) eine vorgegebene konstan­ te Temperatur eingehalten wird.

19. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch Re­ gelung der Heizung (221) eine vorgegebene Temperatur der Ba­ sisplatte (51) gegenüber der tieferen Betriebstemperatur der Spule (11) des Elektromagneten (111) eingehalten wird.