DE10065420C2

DE10065420C2 - Flusspumpe mit Hochtemperatursupraleiter und damit zu betreibender supraleitender Elektromagnet

Info

Publication number: DE10065420C2
Application number: DE10065420A
Authority: DE
Inventors: Guenter Ries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: CN1369884A; US20020171521A1; DE10065420A1; KR20020070084A; JP2002217020A; CN1230844C; US7068133B2

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 vorzugsweise von etwa 4 K Temperatur und bis maximal 13 K.

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 E lektromagnete 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 on Magnetics, Vol. 32 (1996) pp. 2699-2702, aus "On Fully Su perconducting Rectifiers and Flux Pumps", Cryogenics, Mai 1991, Seiten 262-275 und aus US 5757257.

Der soweit genannte Stand der Technik bezieht sich aus schließlich auf Supraleiter des Tieftemperatur (LT_c-)Typs, d. h. auf Materialien, wie z. B. des genannten Nion-Zinns und Niob-Titans. In Fig. 1 eines Beispiels einer Flusspumpe 2 des Gleichrichtertyps des Standes der Technik (aus IEEE Transactions oder auch der US 5757257) ist mit 11 die sup raleitende Spule mit LT_c-Supraleiter eines Elektromagneten 111 bezeichnet, wie er z. B. für die schon erwähnte Kernspin- Tomographie bekanntermaßen verwendet wird. Mit 12 ist eine Stromquelle bezeichnet, die die elektrische Energie liefert, mit der der Aufbau des in der Spule 11 im Betrieb des Elekt romagneten fließenden Supraleitungsstroms 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 jeweili gen 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 be schreibenden Erfindung jedoch aus HT_c-supraleitendem Materi al. Um als Transformator 13 wirken zu können, liefert die Stromquelle 12 generell bezeichnet einen Wechselstrom, d. h. einen Strom mit wiederkehrend aufeinanderfolgend entgegenge setzter Stromrichtung. Entsprechend dem Takt dieser Strom richtungswechsel werden die Schalter 15 und 16, und zwar je weils einander entgegengesetzt, geöffnet und geschlossen. Es erfolgt damit eine Gleichrichtung des durch die mit 20 und 21 bezeichneten Leitungen fließenden elektrischen Stromes. Die ser Strom ist der Speisestrom für die Spule 11 des Elektro magneten. Mit 23 ist eine bekannte, hier nicht näher ausgeführte, Sicherungseinrichtung zum Schutz der Flusspumpe 2 be zeichnet. Mit 25 ist ein Steuersystem für die Steuerung des Taktes der Wechsel des Speisestromes der Stromquelle 12 und der Schalter 15 und 16 bezeichnet.

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- Gleichfeld hoher Magnetfeldstärke bzw. hohen Magnetflusses erzeugt wird, das bei aufrechterhaltener Supraleitung perma nent ist. In weitem Maße gilt diese Permanenz für die LT_c- Supraleitung und die dafür verwendeten, schon oben angegebe nen Materialien. Zum Beispiel ein einmal aufgeladener Supra leiter-Elektromagnet beispielsweise eines Kernspin- Tomographen hält seine Magnetfeldstärke über lange Zeit so konstant, dass mit diesem Magnetfeld die extrem hohen Anfor derungen an Konstanz des Feldes für Kernspin-Tomographie ein gehalten werden. Ein Nachladen ist z. B. erst nach etwa 100 Stunden erforderlich, vorausgesetzt dass keine technischen Mängel oder betriebsmäßige Fehler vorliegen.

Für supraleitende Magnetspulensysteme ist auch schon die An wendung von Hochtemperatur-HT_c-Supraleiter-Materialien vorge schlagen worden, so in US 5757257 und in EP 0561552 A2. Bei de Druckschriften beschreiben spezielle Schalter mit derartigem Supraleiter-Material. Es handelt sich dort jedoch - an ders als bei der Erfindung - stets um Kurzschlussschalter, mit denen bei aufgeladener Supraleiter-Magnetspule deren für die Aufrechterhaltung des erzeugten Magnetfeldes notwendiger interner Stromfluss außen kurzgeschlossen wird. Diese Schal ter werden dieser Funktion entsprechend dort nur in großen Zeitabständen (Tagen und länger) jeweils einmal, nämlich zu Anfang und zu Ende des Aufladevorganges der Magnetspule, ge schaltet und bleiben dementsprechend längerzeitig supralei tend und damit auf tiefen Temperaturen gehalten. Diese be kannten Kurzschluss-Schalter sind dort mit Dünnfilmtechnik, d. h. mit einem HT_c-Supraleiter-Dünnfilm, aufgebaut. An ihre dortige bestimmungsgemäße Verwendung angepasst, nämlich der Zeitfolge der Aufladezyklen entsprechend, werden diese durch Wärmezufuhr sperrend zu schaltenden Schalter jeweils nur re lativ kurzzeitig mit Wärmezufuhr beaufschlagt.

Bei diesen bekannten Kurzschluss-Schaltern ist für deren Ein stellung bzw. deren Betriebsverhalten dort als wesentlich die Ausbildung und Bemessung des Gehäuses der Schalterstrecke ausgewählt. Ausgewählt bemessen sind dort insbesondere die im jeweiligen Gehäuse der Schalter vorgesehenen Einlass- und Auslassöffnungen, nämlich für gesteuerten Kühlmitteldurch fluss durch das Innere des Gehäuses bzw. gesteuerte Kühlmit telverdrängung aus diesem Gehäuse. Das Vorhandensein dieses Gehäuses und deren Öffnungen sowie eines Kühlmittelfluids, das durch diese Öffnungen hindurchströmt, ist für diesen be kannten Schalter somit zwingend.

Die Grundprinzipien der bekannten Flusspumpe mit Tieftempera tur-Supraleiter, z. B. Niobzinn, gemäß der obengenannten DE 34 05 310 A1, haben für die bei der Erfindung vorgesehene Verwen dung von Hochtemperatur-Supraleiter-Material nur noch sekun där eingeschränkte Gültigkeit. Es sind für erfindungsgemäße Projekte und Vorrichtungen mit solchen Materialien vielfach besondere oder andersartige Bedingungen und Umstände zu berücksichtigen, die noch aus der weiteren Beschreibung hervor gehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine erfin dungsgemäß verwendete Flusspumpe, und zwar für deren in ra schem Takt zwischen leitend und sperrend und umgekehrt um schaltenden Schaltern, eines Supraleiter-Elektromagneten für hochkonstantes Magnetfeld die Maßnahmen anzugeben, mit denen die entsprechenden Vorrichtungen mit HT_C-Supraleiter-Material in vorteilhafterweise realisiert werden können.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und Weiterbildung geben die Unteransprüche an.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

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 erfindungsgemäß ausgeführten Flusspumpe mit dem Elektromagnet in einem gemeinsamen Kryostaten.

Fig. 4 zeigt im Detail eine Ausführungsform für einen sol chen erfindungsgemäßen Schalter der Gleichrichterschaltung der Flusspumpe.

Fig. 5 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 ei ne 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 Maßnahme der Erfindung ist, wenigstens die supraleitende Spule 11 des Elektromagneten und die zugehörige Flusspumpe mit deren Schaltern im Vakuumraum eines und desselben Kry ostaten 100 anzuordnen. Damit ist nur noch eine Kälte- Versorgungseinrichtung und nur ein Kryostatgefäß erforder lich.

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 auch von jeweils 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- Supraleiter-Material. Auch ist zu berücksichtigen, dass bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit HT_C-Supraleiter- Material die Flusspumpe und der Magnet bei vorteilhafterweise höherer Temperatur, beide aber bei verschiedenen Temperaturen zu betreiben sind, die Flusspumpe z. B. nahe unterhalb 77 K und der Elektromagnet im Bereich von etwa 20 bis 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 tiefen Temperaturen, z. B. bei 77 K, sogar sehr hohe spezifische Leitfähigkeit hat, je doch nachteiligerweise Joul'sche Verlustwärme erbringt. Als Windungsverhältnis von Primärspule zu jeweiliger Sekundärspu le ist ein Verhältnis sehr viel größer als 1, vorzugsweise größer etwa 100 bis 1000, zu wählen. Der vorzugsweise zu ver wendende Transformatorkern besteht insbesondere aus geblech tem Eisen, einem anderen 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.

Ein Ausführungsbeispiel für einen bei der Erfindung verwende ten Schalter zeigt die Fig. 4. Für einen Schalter 15, 16, 115, 116 ist HT_c-Supraleiter-Material, und zwar dieses als vorzugsweise 0,2 bis 2 µm dicker Dünnfilm 41 mit hoher Strom tragfähigkeit von mindestens 10⁶, vorzugsweise größer 10⁷A/cm², vorgesehen. Vorzugsweise geeignete HT_c-Materialien sind REBaCuO mit RE = einem Seltenerdmetall Nd, La, Dd, Eu, Sm etc. oder Yttrium. Ebenso geeignet sind auch Bi2212-, Bi2223- oder LaSr-CuO. Der Dünnfilm 41 ist vorzugsweise bei polykristallinem Substrat auf einer elektrisch isolierenden, kristallin ausgerichteten Pufferschicht 42' aufgebracht. Die se Pufferschicht 42' kann z. B. nach dem bekannten IBAD- Verfahren (Jijima, Appl. Phys. Lett. 60 (1990) S. 769) abge schieden sein. Diese Pufferschicht dient insbesondere der bi axialen kristallinen Ausrichtung bzw. Texturierung des auf ihr abzuscheidenden, oben genannten Dünnfilms 41. Der Dünn film 41 bzw. die Pufferschicht 42', auf der der Dünnfilm 41 abgeschieden wird, ist auf einem z. B. 0,1 bis 0,05 mm dünnen, schlecht wärmeleitenden, elektrisch nicht leitenden Substrat 42 aufgebracht. Hierfür eignet sich polykristallines ZrO, MgO, Glas usw. Bei einkristallinem Substrat, wie z. B. SrTiO₃, MgO, kann die Pufferschicht auch weggelassen werden. Ergän zend kann auf dem Supraleiter-Dünnfilm 41 vorbeschriebener Art noch eine elektrisch-normalleitende Schutz- und/oder Shunt-Schicht 43 aus Au, Ag, Cu usw. aufgebracht sein. Mit 44 sind Anschlüsse bezeichnet, die in einem lateralen Abstand voneinander auf dem z. B. Dünnfilm 41 des HT_c-Supraleiter- Materials, dieses niederohmig, z. B. durch Lotverbindung, kon taktierend, aufgebracht sind. Sie dienen zur Zuführung und Abführung des durch den Schalter, d. h. durch den Dünnfilm in lateraler Richtung zwischen diesen Anschlüssen 44 hindurch fließenden, zu schaltenden elektrischen Stroms.

Ein jeweiliger wie voranstehend beschriebener Aufbau ist für einen jeweiligen Schalter 15, 16, 115, 116, im wesentlichen in lateraler Richtung streifenförmig, ausgeführt. Ein einem jeweiligen Schalter entsprechender solcher streifenförmiger Aufbau 41 bis 44 befindet sich auf einer vorzugsweise für al le vorhandenen Schalter 15, 16, 115, 116 vorgesehenen gemein samen Grundplatte 45. Diese besteht aus einem gut wärmelei tenden Material wie z. B. Kupfer. Vorzugsweise ist aber zwi schen diesem Schichtaufbau 41 bis 43 und dessen Auflagefläche der Grundplatte 45 noch eine Schicht oder ein Belag 46 auf der Grundplatte vorgesehen. Diese Schicht bzw. dieser Belag besteht aus einem hinsichtlich seines Wärmeleitvermögens aus gewähltem und in seiner Dicke bemessenen Material. Dieses Ma terial kann z. B. vorzugsweise faserverstärkter Kunststoff (GFK) oder dgl., jedoch notwendigerweise tieftemperaturbe ständiges, Material sein. Der Aufbau 41 bis 43 kann mittels Kleber oder mittels eines Fettes auf der Grundplatte 45, bzw. dem Belag 46, aufgebracht sein. In allen Fällen ist wichtig, dass ein ausgewählt definiert bemessener Wärmewiderstand zwi schen der Grundplatte 45 und dem darüber liegenden Aufbau 41 bis 43 vorhanden ist, damit das Arbeiten des jeweiligen Schalters gewährleistet ist.

Die Grundplatte 45 wird im Betrieb auf niedriger Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur T_c des für den Dünnfilm 41 vorgesehenen HT_c-Supraleiter-Materials gehalten. Damit wird erreicht, dass dieser HT_c-Dünnfilm 41 ohne weiteres Zutun im supraleitenden Zustand gehalten ist. In diesem Zustand fließt supraleitender Strom zwischen den Anschlüssen 44 durch den Dünnfilm 41, d. h. der betreffende Schalter 15 oder 16, 115, 116 ist "geschlossen".

Dort wo physikalisch im Dünnfilm 41 des Schalters das Schal ten, d. h. das Unterbrechen des andernfalls fließenden Stromes erfolgen soll, ist ein Heizer 48, z. B. in Form einer Folie aus einem für Heizer geeigneten Material, auf dem Dünnfilm 41 bzw. auf der ggf. über dieser befindlichen Shunt-Schicht 43 aufgebracht. Dieser Heizer 46 wird über seine Anschlusslei tungen 47 mit Stromimpulsen gespeist, deren erzeugte Joul'sche Wärme das darunterliegende Supraleitermaterial des Schalters aus dem Zustand der Supraleitung in resistiven, wi derstandsbehafteten Zustand bringt, nämlich wenigstens nahe an oder über die Sprungtemperatur T_c für diejenige Zeitdauer aufheizt, innerhalb derer dieser Schalter geöffnet sein soll.

Die Fig. 4 umfasst noch ein Diagramm. In diesem ist die X- Achse die laterale Richtung in der Dünnschicht 41. Auf der Ordinate ist die Temperatur aufgetragen. Mit T_c ist die Sprungtemperatur des HT_c-Supraleiter-Materials der Dünn schicht 41 eingetragen. Die Betriebstemperatur der Grundplat te 45 liegt etwa auf der Höhe des Wertes T₀. Zum Beispiels ist dies die Betriebstemperatur der Magnetspule im Kryosta ten. Die in der Fig. 4 angegebene Kurve 141 zeigt wenigstens angenähert den Temperaturverlauf innerhalb des HT_c- Supraleiter-Materials des Dünnfilms 41, und zwar in der late ralen Richtung zwischen den beiden Anschlüssen 44 und im Zu stand bzw. der Phase des geöffneten Schalters. Wie ersicht lich, ist in diesem Zustand die Temperatur im Dünnfilm 41 im Bereich unterhalb des Heizers 48 auf Werte oberhalb der Sprungtemperatur T_c erhöht, und zwar durch Wärmezufuhr entge gen der Abkühlung durch die Grundplatte 45. Nach jeweiligem Wiederausschalten des durch den Heizer 46 hindurchfließenden, die Schalterstrecke 146 aufheizenden elektrischen Stromes kann sich die Schalterstrecke 146 wieder auf Temperaturen un terhalb der Sprungtemperatur T_c abkühlen. Es ist dabei zu be rücksichtigen, dass in der Schalterstrecke 146 während der normalleitenden Phase des dort befindlichen supraleitenden Materials des Dünnfilms in diesem Material Joul'sche Wärme eines durch den Schalter hindurchfließenden, dort normallei tenden Ohmschen Stromes erzeugt wird. Diese ist dem Abkühl effekt entgegenwirkend und muss dementsprechend quantitativ berücksichtigt werden.

Für die vorliegende Erfindung wird nachfolgend eine weitere Betriebsart hinsichtlich der Schalter angegeben.

Anstelle wie vorangehend beschrieben, den Heizer 48 während der geöffneten Phase des Schalters andauernd in Betrieb zu halten, ist als Weiterbildung der Erfindung eine alternative Betriebsweise anwendbar. Diese besteht darin, den Heizer 48 nach Art eines Trigger-Vorgangs jeweils mit einem vergleichs weise zur Dauer der Schalterphase nur kurzzeitigen Stromim puls zu beaufschlagen. Die mit einem solchen Stromimpuls im Heizer erzeugte Joul'sche Wärme ist so bemessen, dass diese die Schalterstrecke für entsprechend kurze Zeit auf Tempera turen oberhalb der Sprungtemperatur T_c aufheizt. Im Bereich der Schalterstrecke 146 des Dünnfilms 41 herrscht jetzt zu nächst kurzzeitig von außen extern erzwungene Normalleitung des Materials mit einem Widerstand R, verbunden mit dem Auf treten von Joul'scher Wärme U²/R (U = an dem Bereich 146 an liegende in den Sekundärspulen der Gleichrichterschaltung in duzierte elektrische Spannung), nämlich bewirkt durch den dann weiterhin und abhängig von dieser Spannung noch zwischen den Anschlüssen 44 fließenden Ohm'schen Reststrom. Mit Bemes sung der Wärmeableitung zwischen dem Dünnfilm 41 und der Grundplatte 45 im Bereich des Schalters lässt sich ein Gleichgewicht zwischen Wärmeabfuhr in die Grundplatte und auftretender Joul'scher Wärme des Reststromes im in diesem Falle dann offenen bzw. unterbrochenen Schalters erreichen. Es stellt sich dann ein selbststabilisierter Zustand der Sperrung des ansonsten bei geschlossenem Schalter zwischen den Anschlüssen 44 und durch die Spule 11 hindurch fließenden elektrischen Stromes ein.

Dieser vorteilhaft selbststabilisierte Zustand der Funktion "geöffneter Schalter" wird beendet durch wesentliches Absin ken der Stromstärke des erwähnten Reststromes. Dieser Zustand tritt immer dann ein, wenn auf der Primärseite des Transfor mators 13 die Stromeinspeisung derart ist, dass in dem Trans formatorkern die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses dϕ/dt für ein Zeitintervall τ gegen Null geht, d. h. im Zeit- Intervall konstanter Stromamplitude des Primärstroms in dem Transformator. In diesem Zeitintervall geht auch die im Transformator und in der Gleichrichterschaltung induzierte Sekundärspannung am geöffneten Schalter auf den Wert Null. Dadurch wird der Reststrom und die von ihm in der Schalter strecke erzeugte Joul'sche Wärme so gering, dass jetzt die Wärmeabfuhr überwiegt, womit die Schalterstrecke unter die Sprungtemperatur abkühlt und die Selbststabilisierung ab reißt. Die Schalterstrecke gelangt dadurch wieder in supra leitenden Zustand und der betreffende Schalter ist wieder ge schlossen, nämlich bis ein nächster triggernder Heizimpuls gegeben wird. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist somit außer der für einschlägige Flusspumpen notwendigen Syn chronisation der primärseitigen Stromeinspeisung mit dem Takt des Betriebs der Schalter der Gleichrichterschaltung außerdem noch die Form des primären Wechselstroms bzw. der Wechsel strom-Impulsanregung diesem speziellen Betrieb der Schalter anzupassen. Bezüglich dieser Anpassung sei noch auf die nach folgenden Ausführungen zur Fig. 5 hingewiesen.

Es wird damit das Ziel erreicht, die gespeicherte Energie in und die Wärmeableitung aus der bei Temperaturen oberhalb der Sprungtemperatur widerstands-behafteten Schalterstrecke 146 möglichst klein zu halten bzw. klein zu bemessen, um die Ab kühlzeit vom widerstands-behafteten Zustand in den (wieder) supraleitenden Zustand zu minimieren. Dadurch kann die Fluss pumpe im Zyklus mit hoher Zyklusfrequenz betrieben werden, und zwar dies ohne ein großes Maß solcher thermischer Energie in den kalten Arbeitsbereich des Kryostaten bei Ausführung der wiederholten Schaltvorgänge einzubringen.

Mittels der Flusspumpe 2 wird der Elektromagnet 111 durch Stromzufuhr aus der Stromquelle 12 aufgeladen. Hierzu sei auch auf die Fig. 5 hingewiesen. Diese zeigt in ihren Zeilen A bis F die nachfolgend beschriebenen Vorgänge. Die Vorgänge der linken Hälfte der Fig. 5 betreffen das vollständige Aufladen des Elektromagneten. Die dazu rechte Hälfte der Fig. 5 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 Zeile A der Fig. 5 zeigt einen für eine Flusspumpe der Erfindung beispielhaften zeitlichen Verlauf des durch die Speisung des Transformators 13 in dessen Kern erzeugten Mag netfluss ϕ. Auf der Abszisse ist die Zeit aufgetragen. Eine zeitliche Änderung des Magnetflusses ϕ bewirkt auf der Sekun därseite einen jeweiligen Spannungsimpuls gemäß der Zeile B an der jeweiligen Sekundärspule 213, 313. In dem Stromkreis der Sekundärspule, z. B. 213, mit leitend geschaltetem Schal ter, z. B. Schalter 15, fließt dann ein Strom. Dieser führt zu einem Stromanstieg des Stromes in der Magnetspule 11 gemäß der Stufenkurve der Zeile C. Die in Zeile A darauffolgende zeitliche Flussänderung führt wieder zu einem Spannungsimpuls auf der Sekundärseite des Transformators, und zwar zu einem Impuls mit entgegengesetztem Vorzeichen, wie Zeile B zeigt. Entsprechend der Funktion der Gleichrichterschaltung mit nun mehr geschlossenem Schalter 16 fließt nun ein Strom durch die Sekundärspule 313 und dies führt, wie Zeile C zeigt, zu ei ner weiteren Aufladung des Stromflusses in der Magnetspule 11. Wie für Flusspumpen bekannt, wird dieser Vorgang bis zum endgültigen Aufladen der Magnetspule 11 auf die Stromstärke fortgesetzt, mit der diese Magnetspule 11 ihr vorgegebenes hohes Magnetfeld erreicht.

Im zeitlichen Ablauf der vorangehend dargelegten Vorgänge ist abwechselnd einmal der Schalter 15 des einen Zweiges und ein mal der Schalter 16 des anderen Zweiges der Gleichrichter schalter für Stromdurchfluss geschlossen, d. h. in supralei tendem Zustand. Der z. B. bei Stromdurchfluss durch den Schal ter 15 zeitgleich gesperrte Schalter 16 ist gemäß Zeile D bis auf oder über die Sprungtemperatur T_c des Materials des Dünnfilms 41 erwärmt und damit, bis auf einen erwähnten Reststrom sperrend geschaltet.

Für die Ausführungsform der Erfindung ohne Nutzung des selbststabilisierenden Effekts wird der Heizer 46 für die ge samte Zeitdauer des jeweiligen Impulses der Zeile B, - einmal in dem einen Schalter 15 und einmal in dem anderen Schalter 16 - wie oben ausgeführt mit Heizstrom gespeist, um in dessen jeweiliger Schalterstrecke 146 im Dünnfilm 41 eine die Sprungtemperatur T_c übersteigende Temperatur zu erreichen und für die Dauer des Öffnens des Schalters aufrechtzuerhalten.

Für die Ausführungsvariante der Erfindung mit selbststabili siertem Effekt der Schalter zeigt die Zeile D' der Fig. 5 die Folge der oben erwähnten Stromimpulse für das triggerar tige Ingangsetzen des jeweiligen Öffnen des Schalters 15 bzw. 16. Die einzelnen Stromimpulse der Zeile D' führen jeweils zunächst zu einen Anstieg auf wenigstens die Sprungtemperatur T_c. Dieses führt zu dem oben erwähnten Auftreten des Ohmschen Reststromes mit seiner dann diesen Zustand selbst stabilisierenden Joul'schen Wärme für den weiterhin sperren den Zustand des jeweiligen Schalters. Insbesondere aus den Zeilen A und D ist die Bedeutung des zwischen zwei aufeinan derfolgenden zeitlichen Magnetflussänderungen gemäß Zeile A vorgesehenen Zeitintervalles τ mit wenigstens angenähert kon stantem Magnetfluss ϕ zu ersehen. In diesem Zeitintervall liegt an beiden Sekundärspulen des Transformators praktisch keine elektrische Spannung an und damit ist in diesen - auch bei geschlossenem jeweiligen Schalter 15, 16 - kein induktiv erregter Stromfluss vorhanden. Dies führt zu dem oben be schriebenen zeitlichen Abbruch bzw. Abreißen des durch den geöffneten Schalter fließenden Reststromes und damit des selbststabilisierenden Effekts, durch den der jeweilige Schalter 15, 16 wieder in supraleitenden Zustand des Dünn films 41 zurückkehren, d. h. seine Temperatur auf die Tempera tur T₀ zurückfallen kann, wie dies die Zeile D zeigt.

Mit der Erfindung erreicht man minimale Wärmeabgabe beim Schalten, ohne die Pulsfrequenz des Nachladens unzulässig verringern zu müssen.

Die Zeile E zeigt den Primärstrom im und Zeile F die Primär spannung am Transformator 13 bzw. der Primärspule 113 des Transformators 13.

Die rechte Seite der Fig. 5, die die zeitliche Stabilisie rung der Magnetfeldstärke des Elektromagneten 111 betrifft, unterscheidet sich vom Aufladevorgang der linken Hälfte der Fig. 5 darin, dass die Vorzeichenwechsel des Primärstromes bzw. des magnetischen Flusses im Transformator 13 zeitlich gestreckt vorgesehen sind, nämlich so, wie das Wiederaufladen erforderlich ist, wie 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. 5 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. 5 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 ist 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 T_c des Supralei ter-Materials, gehalten werden. Davon abhängig ist die erfor derliche Heizleistung des Heizers 46 des Schalters (Fig. 4) und die Bemessung des Wärmeübergangsvermögens vom Dünnfilm 41 zur Grundplatte 46.

Bezugszeichenliste

2

Flusspumpe

11

supraleitende Spule

111

Elektromagnet

100

Kryostat

12

Stromquelle

13

Transformator

131

Kern des Transformators

113

Primärspule

213

,

313

Sekundärspule

413

Sondenspule

15

,

16

;

115

,

116

Schalter

20

,

21

Leitungen

23

Sicherungseinrichtung

25

Steuerung

41

Dünnfilm

42

Substrat

42

' Isolatorschicht

43

Schutz-/Shunt-Schicht

44

supraleitende Anschlüsse

45

Grundplatte

141

,

141

' Temperaturkurve

46

Belag

47

Anschlussleitungen

48

Heizer

146

Schalterstrecke
τ Zeitintervall

Claims

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 der Flusspumpe mit wenigstens einem durch Wärmezufuhr steuerbaren (25), supraleitenden Schalter (15, 16; 115, 116), diese Pumpe vorgesehen zur Stromeinspeisung (21, 22) in eine supraleitende Spule (11) eines Elektromagne ten (111), dadurch gekennzeichnet, dass zusammen mit der supraleitenden Spule (11) die Flusspum pe (2) mit ihren Schaltern (15, 16; 115, 116) sich im Vakuum eines Kryostaten (100) befinden und die jeweilige sekundär seitige Spule (213, 313) des Transformators (13) aus einem HT_c-Supraleitermaterial besteht und als jeweiliger in der Flusspumpe vorgesehener Schalter (15, 16; 115, 116) für das Ausführen der Pumptakte der Stromeinspeisung ein solcher vor gesehen ist, dessen Schalterstrecke (146) als Streifen eines Dünnfilms (41) aus ebenfalls einem HT_c-Supraleitermaterial auf einem Belag (46) aus Kunststoffmaterial oder einem Fett, dieser wiederum auf einem Substrat (42) befindlich, ausge führt ist, das wiederum sich auf einer Grundplatte (45), die se aus wie Kupfer gut wärmeleitendem Material bestehend, vor gesehen ist, wobei zu dieser Schalterstrecke (146) in wärme leitendem Kontakt benachbart ein steuerbar (25) zu betreiben der Heizer (48) angeordnet ist und wobei für das Substrat (42) ein vergleichsweise schlecht wärmeleitendes Material, wie polykristallines ZrO2 oder Glas ausgewählt ist, so dass diese gezielte Auswahl des Aufbaus mit Grundplatte (45), Be lag (46), Substrat (42) und deren Bemessungen das für die Flusspumpe erforderliche rasche Umschalten der supraleitenden Schalter (15, 16; 115, 116) der Flusspumpe erforderliche Wär me-Ableitvermögen aus dem Dünnfilm (41) in die Wärmesenke der Grundplatte (45) erzielt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass durch die getroffene Wahl und Bemessung für einen jeweiligen Schalter (15, 16; 115, 116) im gesteuer ten Zustand der Sperrung des Stromflusses in der Schalter strecke (146) jeweils zeitbegrenzt ein durch die getroffene Bemessung dieses Wärmeableitvermögens selbststabilisierter Zustand dieser Sperrung eintritt, der jeweils infolge des Nulldurchgangs der periodischen primären Stromeinspeisung be endet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass dieser Belag (46) aus faserver stärktem Kunststoffmaterial besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dünnfilm (41) im Be reich der Schalterstrecke (146) 0,2 bis 2 µm dick bemessen ist.

5. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizer (48) des jeweiligen Schalters (15, 16; 115, 116) zum jeweiligen Öffnen des Schalters zunächst mit einem zur Zeitdauer dieser Schalterphase vergleichsweise zeitlich kurzen Heizimpuls für nachfolgend selbststabilisierten Schal terzustand angesteuert wird und dieser Zustand erst das durch Absinken des Reststromes beendet wird.