DE102004007340A1 - Driftarmes supraleitendes Hochfeldmagnetsystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Hochfeldmagnetsystem (1) für ein hochauflösendes Spektrometer der magnetischen Resonanz mit einer im Betrieb supraleitend kurzgeschlossenen Magnetspule (4), die im Betrieb ein homogenes, zeitlich stabiles Magnetfeld erzeugen soll, das den Anforderungen zur Aufnahme eines hochauflösenden Spektrums der magnetischen Resonanz genügt. Die Magnetspule (4) besteht aus einer LTS-Teilspule (4b, 4c) und einer HTS-Teilspule (4a, 4d). Die LTS-Teilspule (4b, 4c) kann in einem reinen LTS-Kreis (14b) separat über einen LTS-Schalter (15b) kurzgeschlossen werden und die HTS-Teilspule (4a, 4d) kann in einem reinen HTS-Kreis (14a) separat über einen HTS-Schalter (15a) kurzgeschlossen werden und beide Teilspulen (4a, 4d; 4b, 4c) sind über einen LTS-HTS-Joint (20) verbunden und werden vom selben Netzgerät geladen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Hochfeldmagnetsystem für ein hochauflösendes Spektrometer der magnetischen Resonanz, mit einem im wesentlichen zylinderförmigen Kryostaten mit einer axialen Raumtemperaturbohrung zur Aufnahme einer Probe und eines Hochfrequenz-Sende- und Detektionsystems mit einer im Betrieb supraleitend kurzgeschlossenen Magnetspule, welche sich in einem Bereich innerhalb des Kryostaten auf einem tiefen Temperaturniveau befindet und die Probe in der Raumtemperaturbohrung umgibt und am Probenort im Betrieb ein homogenes, zeitlich stabiles Magnetfeld erzeugen soll, das den Anforderungen zur Aufnahme eines hochauflösenden Spektrums der magnetischen Resonanz genügt.
  • Hochauflösende Kernspinresonanz(=NMR)-Spektrometer müssen neben einer extrem guten Magnetfeldhomogenität über das Probenvolumen auch eine ebenso gute zeitliche Stabilität des Magnetfeldes aufweisen. Zu diesem Zweck ist die supraleitende Hauptspule des Magneten im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen. An die Eigenschaften des supraleitenden Kurzschlussschalters, die Qualität der supraleitenden Drähte der Spule und der supraleitenden Verbindungen (Joints) zwischen einzelnen Drahtabschnitten (Sektionen) der Spule sind daher extreme Anforderungen gestellt. Insgesamt sollen im Kurzschlussbetrieb Abklingzeiten des supraleitenden Spulenstroms bzw. des Magnetfelds am Probenort von mehreren 10000 Jahren gewährleistet werden.
  • Kurzfristige Schwankungen des Magnetfelds am Probenort können durch ein sog. Lock-System ausgeglichen werden. Dazu wird vom Spektrometer, i.a. in einem dafür vorgesehenen Frequenzband ein separates NMR-Signal einer Lock-Substanz (i.a. Deuterium) gemessen und dessen Frequenz über einen Rückkoppelkreis mittels einer kleinen, resistiven Kompensationsspule (Lock-Spule) in der Raumtemperaturbohrung des Magnetsystems stabilisiert.
  • Eine supraleitend kurzgeschlossene Magnetspule hält den magnetischen Fluss durch ihre Bohrung konstant, d.h. der supraleitende Strom ändert sich spontan, wenn z.B. ein externes Störfeld einwirkt, in der Art, dass sich der Gesamtfluss durch die Spule nicht ändert. Dies bedeutet in der Regel nicht, dass das Feld im Arbeitsvolumen absolut homogen und konstant bleibt, da die räumliche Feldverteilung einer Störung und der Hauptmagnetspule nicht übereinstimmen. Es gibt im Stand der Technik Vorschläge, diese Abweichungen durch Auslegung der Hauptspulengeometrie, durch supraleitende Zusatzspulen oder durch aktive Regelmaßnahmen zu kompensieren (US-Patente US-A 4,974,113 , US-A 4,788,502 , US-A 5,278,503 ).
  • In den supraleitenden Magneten der hochauflösenden NMR werden i.a. supraleitende Shimspulensätze verwendet, um in einem ersten Schritt das Feld am Probenort zu homogenisieren. Im Betrieb sind die einzelnen Spulensätze mit einem Korrekturstrom beaufschlagt und supraleitend kurzgeschlossen. Die Shimspulensätze können auch eine sog. B0-Spule mit umfassen, die in der Lage ist, ein hinreichend homogenes, kleines Zusatzfeld am Probenort zu erzeugen. Damit kann, ohne den supraleitenden Stromkreis der Hauptspule zu öffnen, das Feld, bzw. die Protonenfrequenz, exakt auf einen vorgewählten Wert fein eingestellt werden. Darüber hinaus hat man aber bereits früh erkannt, dass über die kurzgeschlossene B0-Spule in gewissen Grenzen auch eine Drift der Hauptspule kompensiert werden kann. Dazu muss die B0-Spule so platziert und dimensioniert sein, dass der Feldabfall der Hauptspule einen Gegenstrom in der B0-Spule induziert, der gerade dazu führt, dass am Probenort das Feld konstant bleibt. Die Grenzen dieses Verfahrens liegen darin, dass der Strom durch die B0-Spule nicht zu groß werden darf. Einerseits kann dies durch den verwendeten Draht begrenzt sein. Auf jeden Fall muss jedoch der Beitrag der (wenig homogenen) B0-Spule so klein bleiben, dass die Feldhomogenität über die Probe nicht beeinträchtigt wird. Zudem kann es durch die notwendige induktive Kopplung der B0-Spule an die Hauptspule im Quenchfall zu einem Überladen der B0-Spule und deren Zerstörung kommen. Dagegen müssen Schutzeinrichtungen eingeführt werden, was aber zusätzlichen Aufwand bedeutet.
  • Die Produktion von supraleitenden Hochfeldmagneten für hochauflösende NMR-Spektrometer (oder auch Ionenzyklotronresonanz(=ICR)-Spektrometer) hat ein sehr hohes Qualitäts- und Zuverlässigkeitsniveau erreicht. Die derzeit verwendeten Drahtmaterialien sind Multifilamentdrähte aus NbTi- bzw. Nb3Sn-Filamenten in einer Kupfermatrix (mit den im Stand der Technik üblichen Abwandlungen). Entsprechende Drähte sind z.B. von der Firma European Advanced Superconductors GmbH & Co KG, Hanau, zu beziehen. Die Probleme der Herstellung der supraleitenden Verbindungen (=Joints) und Schalter zwischen Spulen oder Spulensektionen aus diesen Drähten ist bei den o.g. NMR-Spektrometern ebenfalls gelöst (siehe z.B. EP 0 459 156 B1 ).
  • Für die höchsten angestrebten Magnetfelder – derzeit im Bereich um 23 Tesla – geht man nun dazu über, die herkömmlichen Tieftemperatursupraleiter(=LTS)-Drähte in einer Höchstfeldsektion durch Drähte (Bänder) aus keramischen Hochtemperatursupraleitern (=HTS) zu ersetzen, die (bei tiefer Temperatur um 4 K bzw. 2 K) höhere kritische Feldstärken und Stromdichten zulassen. Das erste Problem, Drähte aus diesen Materialien herzustellen, die den hohen NMR-Anforderungen genügen, scheint inzwischen ebenfalls gelöst. Allerdings bleibt das Problem der supraleitenden Verbindungen (Joints) und Schalter zwischen und mit diesen Drähten bestehen. Es gibt unterschiedliche Lösungsansätze, die allerdings nicht Gegenstand dieser Erfindung sind. Welche sich davon letztlich endgültig durchsetzen werden, ist noch offen. Allerdings ist es grundsätzlich wesentlich einfacher, driftfreie Verbindungen zwischen Drähten desselben Materials oder doch derselben Materialklasse herzustellen als solche zwischen verschiedenen Materialien, insbesondere zwischen HTS- und LTS-Leitern.
  • Eine Höchstfeld-NMR-Magnetspule wird demnach aus einer Reihe von Sektionen bestehen mit NbTi-Draht, solchen mit Nb3Sn-Draht (oder Weiterentwicklungen davon) und mindestens einer mit HTS-Draht (oder Band). Es wäre daher wünschenswert, Joints zu verwenden, die NbTi-Draht mit NbTi-Draht driftfrei verbinden (gelöst), solche zwischen NbTi-Draht und Nb3Sn-Draht (gelöst), solche zwischen Nb3Sn-Draht (und/oder NbTi-Draht) und dem HTS-Leiter (derzeit ungelöst), sowie ggf. zwischen gleichen und/oder unterschiedlichen HTS-Leitern (derzeit im Labormaßstab gelöst und deutlich einfacher). Als HTS-Leiter sind u.a. Wismut-Leiter in der Regel als bandförmiger Multifilamentdraht in einer Silbermatrix, YBCO als „coated conductor" oder Leiter, die nach dem „powder-in-tube-Verfahren" hergestellt wurden in Arbeit, denkbar sind jedoch weitere Varianten, die bisher nur im Labormaßstab vorliegen.
  • Der neu entdeckte Leiter MgB2 könnte sowohl im LTS- als auch im HTS-Kreis eingesetzt werden, vorausgesetzt, die entsprechenden Joints lassen dies zu.
  • U.a. wegen der nur teilweise gelösten Joint-Problematik gibt es derzeit noch keine Magnete für die hochauflösende NMR mit HTS-Teilspulen.
    •
  • Es besteht daher der Bedarf nach einem supraleitenden Magnetsystem der eingangs genannten Art, das es gestattet, höhere Magnetfelder am Probenort zu erzielen und dennoch die NMR-Kriterien, insbesondere die Driftfreiheit oder zumindest hinreichende Driftarmut, einzuhalten.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Magnetspule aus einer tieftemperatursupraleitenden (=LTS)-Teilspule und einer hochtemperatursupraleitenden (=HTS)-Teilspule besteht, dass die LTS-Teilspule in einem reinen LTS-Kreis separat über einen LTS-Schalter kurzgeschlossen werden kann, dass die HTS-Teilspule in einem reinen HTS-Kreis separat über einen HTS-Schalter kurzgeschlossen werden kann und dass beide Teilspulen über einen LTS-HTS-Joint verbunden sind und in Serie vom selben Netzgerät geladen werden können.
  • Nachdem, wie oben angemerkt, die Herstellung von Joints zwischen gleichartigen Leitern wesentlich problemloser ist, driftarme HTS-HTS-Joints bereits hergestellt werden können und davon auszugehen ist, dass in Kürze neben den LTS-LTS-Joints auch praktisch driftfreie HTS-HTS-Joints zur Verfügung stehen, wird dadurch die Aufgabe vollständig gelöst, da im Betriebszustand die supraleitenden Ströme in (nahezu) driftfreien Kreisen fließen können und die Problematik der kritischen LTS-HTS-Verbindung umgangen ist. Jedenfalls sind LTS-LTS-Joints und HTS-HTS-Joints wesentlich driftärmer als LTS-HTS-Verbindungen.
  • Vorzugsweise ist der LTS-Kreis vom HTS-Kreis induktiv entkoppelt, so dass es im Quenchfall nicht zu einer unkontrollierten Aufladung eines der Kreise beim Quench des anderen kommt.
  • Zur induktiven Entkopplung umfasst der HTS-Kreis vorzugsweise auch Spulenbereiche, die räumlich von der eigentlichen HTS-Teilspule beabstandet sind. Dadurch lässt sich die Gegeninduktivität Null präziser einstellen.
  • Alternativ sind die beiden Teilspulen induktiv derart gekoppelt, dass sich für das Magnetfeld am Probenort etwaige doch auftretende Driften der beiden supraleitend kurzgeschlossenen Teilkreise weitgehend kompensieren. Damit kann die Drift eines der beiden Teilkreise durch induktives Aufladen des anderen kompensiert bleiben. Dabei ist zu beachten, dass es sich bei NMR-Magneten um absolut gesehen extrem geringe Driften handelt, also nicht die Gefahr besteht, dass auch über lange Zeiträume der sich weiter aufladende Teilkreis dadurch zulässige Grenzen überschreitet.
  • Wiederum ist es für eine einfache, präzise Einstellung der induktiven Kopplung auf Gesamtfelddrift Null am Probenort hilfreich, wenn der HTS-Kreis auch Spulenbereiche umfasst, die räumlich von der eigentlichen HTS-Teilspule beabstandet sind.
  • Um das Gesamtsystem möglichst variabel zu halten, ist es vorteilhaft, wenn die Magnetspule insgesamt über einen LTS- und/oder einen HTS-Schalter kurzschließbar ist.
  • Die Magnetspule bzw. Teilspulen oder Sektionen derselben können Zuleitungen oder Verbindungen aufweisen, die parallel aus HTS- und LTS-Leitern bestehen. Dies kann zur Herstellung der reinen HTS- bzw. LTS-Kreise notwendig werden, kann aber auch weitere Vorteile bieten bei der Zuführung zu alternativ ausgeführten Joints und/oder Schaltern sowie beim Übergang zu höheren Temperaturniveaus.
  • Bevorzugt ist die Magnetspule insgesamt aktiv abgeschirmt, weil dadurch das Streufeld minimiert wird und auch mechanischen Belastungen im Spulensystem ggf. günstiger ausgelegt werden können.
  • Wenn sowohl die LTS- als auch die HTS-Teilspule jeweils als aktiv abgeschirmtes Spulensystem aufgebaut ist, besitzt jeder der Teilkreise kein Streufeld und die Entstehung eines solchen z.B. im Störfall lässt sich leichter für alle Betriebsbedingungen vermeiden.
  • In die Gesamtkonzeption der Spule können auch ferromagnetische Komponenten einbezogen sein, insbesondere im unmittelbaren Bereich der Magnetspule, d.h. auf tiefer Temperatur. Diese können einen nennenswerten Anteil der Streufeldreduzierung und/oder der Homogenisierung des Magnetfelds im Untersuchungsvolumen bewirken.
  • Dadurch, dass die beiden Teilkreise separat kurzgeschlossen sind, lassen sie sich grundsätzlich auf unterschiedliche Ströme laden, z.B. indem man noch während des Ladevorgangs einen Teilkreis schließt und den anderen weiterlädt. Dadurch gewinnt man einen weiteren Freiheitsgrad bei der Auslegung der Leitermaterialien und -profile. Wenn die Teilkreise induktiv entkoppelt sind, fließen die beim jeweiligen Kurzschlusszeitpunkt vorhandenen Ströme weiter, wenn nicht, muss natürlich berücksichtigt werden, dass über die Gegeninduktivität sich der zuerst geschlossene Kreis beim Laden des noch offenen umlädt.
  • In vorteilhafter Weise weist die Magnetspule mehrere in Serie geschaltete Sektionen auf, die durch eine Netzwerk von Schutzwiderständen und/oder -dioden für den Fall eines unkontrollierten Übergangs in den normalleitenden Zustand geschützt sind.
  • Die LTS-Teilspule kann vorzugsweise Sektionen mit NbTi-Multifilamentdraht und/oder mit A15-Supraleiterdraht, insbesondere Nb3Sn-Multifilamentdraht und/oder MgB2-Draht enthalten.
  • Die HTS-Teilspule kann einen Bandleiter mit Silbermatrix und HTS-Filamenten enthalten und/oder auch einen Leiter, der nach dem „coated-conductor"-Prinzip aufgebaut ist und oder einen Bandleiter, der nach dem „powder-in-tube"-Verfahren hergestellt ist. Dies sind gängige HTS-Leiter, die derzeit vor der Serienreife auch im anspruchsvollen NMR-Magnetbau stehen.
  • Als Materialien kommen u.a. Bi 2212 und/oder Bi 2232 und/oder YBCO und/oder MgB2 in Frage.
  • Die erfinderischen Maßnahmen machen insbesondere im Hochfeldbereich einen Sinn, wo die gängigen Leiter und Schaltungen an Grenzen stoßen. Daher ist es bevorzugt, wenn die Magnetspule bei Betrieb am Probenort ein Magnetfeld von mehr als 15 Tesla, insbesondere mehr als 20 Tesla erzeugt.
  • Obwohl beim erfindungsgemäßen Magnetsystem Hochtemperatursupraleiter verwendet werden, kann es dennoch in vielen Fällen vorteilhaft sein, diese bei Temperaturen zu betreiben, die deutlich unter ihrer Sprungtemperatur liegen. Daher ist es bevorzugt, dass die Magnetspule insgesamt in einem Heliumtank bei etwa 4 K oder auch bei etwa 2 K, was insbesondere für den LTS-Kreis höhere kritische Werte bietet, angeordnet ist.
  • Die vorliegende Erfindung wird vorzugsweise auch in Kombination mit weiteren Maßnahmen aus dem Stand der Technik eingesetzt, die übli che resistive und/oder supraleitende Kompensationsanordnungen vorsehen, die den Einfluss externer Störungen bzw. Driften am Probenort minimieren sollen, wobei immer zu beachten ist, dass die unterschiedlichen Abschirm- und Kompensationsmaßnahmen miteinander wechselwirken. Dies muss entweder partiell unterbunden werden (Kopplung Null) oder man muss das Gesamtverhalten der Apparatur bei der Auslegung explizit berücksichtigen.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
    •
  • Es zeigen:
  • 1: äußerst schematisch den Kryostaten einer Kernspinresonanzapparatur mit einer ersten LTS-Teilspule und einer zweiten HTS-Teilspule im Heliumtank;
  • 2: äußerst schematisch eine Magnetspule mit HTS- und LTS-Teil;
  • 3: ein Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Anordnung.
  • Im einzelnen zeigt 1 schematisch einen Schnitt durch den im wesentlichen rotationszylinderförmigen Kryostaten des supraleitenden Magnetsystems 1 z.B. einer hochauflösenden NMR-Apparatur. In einem Heliumtank 3 des Kryostaten 2 ist die im Betrieb supraleitend kurzgeschlossene Magnetspule 4 angeordnet, die aus zwei Teilbereichen besteht, d.h. aus zwei Teilspulen 4a (erste Teilspule – HTS) und 4b (zweite Teilspule – LTS). Der Kryostat 2 weist entlang seiner Zylin derachse 5 eine Raumtemperaturbohrung 6 auf, innerhalb der im Zentrum der Magnetspule 4 in einem Messbereich 7 eine Probe 8 angeordnet ist, die von einer Hochfrequenz (=HF) – Sende- und Empfangsspulenanordnung 9 (Probenkopf) umgeben ist.
  • Ebenfalls innerhalb der Raumtemperaturbohrung 6, ggf. in den Probenkopf 9 integriert, befindet sich zur Feinkorrektur des Magnetfeldes im Messbereich eine sog. Lockspule 10. Diese Lockspule 10 koppelt mit der Magnetspule 4 entweder gar nicht oder nur schwach. Der Korrekturstrom durch die Lockspule 10 wird bei NMR-Spektrometern i.a. über ein NMR-Locksignal einer der Probe 8 beigemischten Locksubstanz so über die NMR-Konsole 21 geregelt, dass die NMR-Frequenz der Locksubstanz (z.B. Deuterium) und damit das Magnetfeld am Probenort konstant bleibt. Solche Lockanordnungen sind Stand der Technik und sehr präzise. Allerdings ist der verfügbare Hub gering und sie sind für die Korrektur von Schwankungen um den Sollwert ausgelegt und zur Korrektur von anhaltenden Felddriften ungeeignet.
  • Der Heliumtank 3 des Kryostaten 2 ist im Beispiel von einem Stickstofftank 11 umgeben, der ggf. auch durch Refrigeratoren, insbesondere Pulsrohrkühler, ersetzt sein kann.
  • In 2 ist äußerst schematisch eine Magnetspule gezeigt, die aus einem HTS-Kreis 4a, 4d und einem LTS-Kreis 4b, 4c besteht, die jeweils separat supraleitend kurzgeschlossen werden können, wobei im HTS-Kreis alle Spulendrähte, Leitungen, Joints und Schalter HTS-Material enthalten und im LTS-Kreis entsprechend LTS-Material. Die radial innere HTS-Spule 4a wird in der Regel als einfaches Solenoid aufgebaut sein. Die mit dieser im HTS-Kreis kurzgeschlossenen HTS-Zusatzspulen 4d können nun so dimensioniert und platziert werden, dass sie entweder die beiden Kreise induktiv entkoppeln – dann werden sie in der Regel gegenläufige Windungen aufweisen – oder dass die Kreise so gekoppelt sind, dass z.B. der LTS-Kreis durch eine ggf. noch verbleibende Drift des HTS-Kreises derart aufgeladen wird, dass das Feld am Probenort gerade konstant bleibt. Die Gesamtspulenanordnung ist natürlich insgesamt so konfiguriert, dass sie im Untersuchungsvolumen 7 um den Probenort 8 ein für NMR-Zwecke ausreichend homogenes Magnetfeld erzeugt, ggf. in Zusammenwirkung mit (nicht gezeigten) ferromagnetischen Komponenten, insbesondere Ringen um die Achse 5.
  • 3 zeigt das Ersatzschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetspule. In einem reinen LTS-Kreis 14b ist eine tieftemperatursupraleitende LTS-Spule 4b, 4c, die aus mehreren in Serie geschalteten Teilspulen bestehen kann, über LTS-Leitungen und einen LTS-supraleitenden Schalter 15b kurzschließbar. Die LTS-Spule 4b, 4c bzw. Sektionen derselben sind über Schutzwiderstände 18b und/oder Schutzdioden 19b resistiv überbrückt. Der LTS-Kreis 14b ist über einen LTS-HTS-Joint 20 mit einem reinen HTS-Kreis 14a verbunden, der entsprechend eine HTS-Spule 4a, 4d, HTS-Leitungen, einen HTS-Schalter 15a sowie Schutzwiderstände 18a und/oder Schutzdioden 19a umfasst. Beide Kreise 14a, 14b sind über Leitungen 17 an ein gemeinsames Netzgerät (nicht gezeigt) anschließbar. Optional können beide Spulen 4b, 4c; 4a, 4d auch gemeinsam noch im Tieftemperaturbereich über einen weiteren LTS- und/oder HTS-Schalter 16 kurzgeschlossen werden. In den Zuleitungen 17 kann es weitere supraleitende Verbindungen geben, insbesondere LTS-HTS-Joints. Die Zuleitungen 17 werden in der Regel in einer Steckverbindung 22 enden, die mit abziehbaren Stromzuführungen verbindbar sind, die die Verbindung zum Netzgerät außerhalb des Kryostaten 2 herstellen können. Die Leitungen 17 können teilweise oder ganz aus parallel geführten LTS- und HTS-Leitern 17ab bestehen. Grundsätzlich gilt dies auch für die Leitungen vom LTS-HTS-Joint 20 inklusive der Schalter 15a und 15b, die dann auch doppelt ausgeführt sind. Der „reine" HTS- Kreis bedeutet, dass es einen supraleitend kurzgeschlossenen Kreis geben muss, der die HTS-Spule, HTS-Leitungen und HTS-Schalter umfasst und keine HTS-LTS- Verbindung. Entsprechendes gilt für den „reinen" LTS-Kreis. Die resistiven Schutzschaltungen 18a, 19a; 18b, 19b könnten demnach durchaus über HTS-LTS- bzw. LTS-HTS-Joints mit der jeweiligen Spule verbunden sein, oder auch resistiv.
  • Durch Verbinden des externen Netzgeräts mit der Steckverbindung 22 und Öffnen der Schalter 15a und/oder 15b lassen sich die beiden Teilkreise 14a, 14b gemeinsam oder separat laden und entladen. Insbesondere müssen sie im Betriebszustand mit geschlossenen Schaltern nicht denselben Strom tragen, d.h. man kann beim Laden erst einen der beiden Schalter 15a oder 15b schließen und den anderen Kreis noch weiter laden (beim Entladen muss dies natürlich berücksichtigt werden). Der Schalter 16 ist nicht erforderlich, kann jedoch z.B. dazu dienen, bei abgezogenen Stromzuführungen die Ströme in den beiden Teilkreisen exakt gleich zu machen indem man den Schalter 16 schließt (oder geschlossen lässt) und die Schalter 15a und 15b (kurzzeitig) öffnet. Das Ersatzschaltbild lässt sich weiter abwandeln. Wesentlich ist, dass der HTS-Kreis und der LTS-Kreis separat kurzschließbar sind und insgesamt geladen werden können.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern auch in Abwandlungen Verwendung finden kann. Insbesondere lässt sie sich mit der Vielzahl der im Stand der Technik bekannten Kompensationsmaßnahmen für interne Driften und externe Störungen vorteilhaft kombinieren. Insbesondere ist dabei immer die Kopplung der gesteuerten, geregelten oder kurzgeschlossenen Spulenkreise zu beachten.

Claims (17)

  1. Supraleitendes Hochfeldmagnetsystem (1) für ein hochauflösendes Spektrometer der magnetischen Resonanz, mit einem im wesentlichen zylinderförmigen Kryostaten (2) mit einer axialen Raumtemperaturbohrung (6) zur Aufnahme einer Probe (8) und eines Hochfrequenz-Sende- und Detektionsystems (9) mit einer im Betrieb supraleitend kurzgeschlossenen Magnetspule (4), welche sich in einem Bereich innerhalb des Kryostaten (2) auf einem tiefen Temperaturniveau befindet und die Probe (8) in der Raumtemperaturbohrung (6) umgibt und am Probenort im Betrieb ein homogenes, zeitlich stabiles Magnetfeld erzeugen soll, das den Anforderungen zur Aufnahme eines hochauflösenden Spektrums der magnetischen Resonanz genügt, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (4) aus einer tieftemperatursupraleitenden (=LTS)-Teilspule (4b, 4c) und einer hochtemperatursupraleitenden (=HTS)-Teilspule (4a, 4d) besteht, dass die LTS-Teilspule (4b, 4c) in einem reinen LTS-Kreis (14a) separat über einen LTS-Schalter (15b) kurzgeschlossen werden kann, dass die HTS-Teilspule (4a, 4d) in einem reinen HTS-Kreis (14a) separat über einen HTS-Schalter (15a) kurzgeschlossen werden kann und dass beide Teilspulen (4a, 4d; 4b, 4c) über einen LTS-HTS-Joint (20) verbunden sind und in Serie vom selben Netzgerät geladen werden können.
  2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der HTS-Kreis (14a) und der LTS-Kreis (14a) induktiv entkoppelt sind.
  3. Magnetsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur induktiven Entkopplung der HTS-Kreis (14a) Spulenbereiche (4d) umfasst, die räumlich von der eigentlichen HTS-Teilspule (4a) beabstandet sind.
  4. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilspulen (4a, 4d; 4b, 4c) induktiv derart gekoppelt sind, dass sich für das Magnetfeld am Probenort etwaige doch auftretende Driften der beiden supraleitend kurzgeschlossenen Teilkreise (14a, 14b) weitgehend kompensieren.
  5. Magnetsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der induktiven Kopplung der HTS-Kreis (14a) Spulenbereiche (4d) umfasst, die räumlich von der eigentlichen HTS-Teilspule (4a) beabstandet sind.
  6. Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (4) insgesamt über einen LTS-Schalter (15b) und/oder einen HTS-Schalter (15a) kurzschließbar ist.
  7. Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (4) bzw. Teilspulen (4a, 4d; 4b, 4c) oder Sektionen derselben Zuleitungen (17ab) oder Verbindungen aufweisen, die parallel aus HTS- und LTS-Leitern bestehen.
  8. Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (4) insgesamt aktiv abgeschirmt ist.
  9. Magnetsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die LTS- Teilspule (4b, 4c) als auch die HTS-Teilspule (4a, 4d) jeweils als aktiv abgeschirmtes Spulensystem aufgebaut ist.
  10. Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es so ausgelegt ist, dass im Betrieb die beiden Kreise (14a, 14b) auf unterschiedliche Ströme geladen werden.
  11. Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (4) mehrere in Serie geschaltete Sektionen aufweist, die durch eine Netzwerk von Schutzwiderständen (18a, 18b) und/oder Schutzdioden (19a, 19b) für den Fall eines unkontrollierten Übergangs in den normalleitenden Zustand geschützt sind.
  12. Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HTS-Teilspule (4a, 4d) Sektionen mit NbTi-Multifilamentdraht und/oder Sektionen mit A15-Supraleiterdraht, insbesondere Nb3Sn-Multifilamentdraht und/oder MgB2-Draht enthält.
  13. Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HTS-Teilspule (4a, 4d) einen Bandleiter mit Silbermatrix und HTS-Filamenten enthält und/oder einen Leiter, der nach dem „coated-conductor"-Prinzip aufgebaut ist und/oder einen Leiter, der nach dem „powder-in-tube"-Verfahren hergestellt ist.
  14. Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der HTS-Kreis (14a) Leiter enthält, die eines oder mehrere der Materialien Bi 2212, Bi 2232, YBCO, MgB2 enthalten.
  15. Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (4) bei Betrieb am Probenort ein Magnetfeld von mehr als 15 Tesla, insbesondere mehr als 20 Tesla erzeugt.
  16. Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (4) in einem Heliumtank (3) angeordnet ist.
  17. Hochauflösendes magnetisches Resonanzspektrometer mit einem Magnetsystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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