DE102005047938B4

DE102005047938B4 - Supraleitendes Magnetspulensystem mit Quenchschutz

Info

Publication number: DE102005047938B4
Application number: DE102005047938.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Frantz Wolfgang
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2025-10-07
Also published as: GB2431048B; DE102005047938A1; GB0619517D0; GB2431048A; US7330341B2; US20080007375A1

Abstract

Supraleitendes Magnetspulensystem miteiner Hauptfeldspule (1), die aus radial ineinander verschachtelten, in Serie geschalteten Sektionen (3, 4) aufgebaut ist, die Leiter umfassen, wobei die Leiter der radial inneren Sektionen (3) ein erstes Supraleiter-Material enthalten und mit einer ersten elektrischen Spannungsisolation versehen sind, und die Leiter der radial äußeren Sektionen (4) ein zweites Supraleiter-Material enthalten und mit einer zweiten elektrischen Spannungsisolation versehen sind, wobei das erste Supraleiter-Material ein höheres kritisches Magnetfeld als das zweite Supraleiter-Material aufweist und die erste Spannungsisolation zumindest bereichsweise weniger durchschlagsfest als die zweite Spannungsisolation ist, sowie mit einer zur Hauptfeldspule (1) in Serie geschalteten Abschirmspule (2),welche die Hauptfeldspule (1) radial umgibt und Leiter umfasst, die das zweite Supraleiter-Material enthalten und mit der zweiten elektrischen Spannungsisolation umgeben sind,wobei die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen und durch mehrere ohmsche Widerstände (6, 7) und/oder Dioden für den Fall eines Zusammenbruchs der Supraleitung geschützt sind,wobei die radial inneren Sektionen (3) der Hauptfeldspule (1) durch mindestens einen zu diesen Sektionen (3) parallel geschalteten ohmschen Widerstand (6) und/oder eine Diode geschützt sind, undwobei die radial äußeren Sektionen (4) der Hauptfeldspule (1) gemeinsam mit der Abschirmspule (2) durch einen einzigen weiteren ohmschen Widerstand (7) und/oder eine einzige Diode geschützt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Magnetspulensystem mit einer Hauptfeldspule, die aus radial ineinander verschachtelten, in Serie geschalteten Sektionen aufgebaut ist, die Leiter umfassen, wobei die Leiter der radial inneren Sektionen ein erstes Supraleiter-Material enthalten und mit einer ersten elektrischen Spannungsisolation versehen sind, und die Leiter der radial äußeren Sektionen ein zweites Supraleiter-Material enthalten und mit einer zweiten elektrischen Spannungsisolation versehen sind, wobei das erste Supraleiter-Material ein höheres kritisches Magnetfeld als das zweite Supraleiter-Material aufweist und die erste Spannungsisolation zumindest bereichsweise weniger durchschlagsfest als die zweite Spannungsisolation ist, sowie mit einer zur Hauptfeldspule in Serie geschalteten Abschirmspule, welche die Hauptfeldspule radial umgibt und Leiter umfasst, die das zweite Supraleiter-Material enthalten und mit der zweiten elektrischen Spannungsisolation umgeben sind, wobei die Hauptfeldspule und die Abschirmspule im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen (persistent mode) und durch mehrere ohmsche Widerstände und/oder Dioden für den Fall eines Zusammenbruchs der Supraleitung (Quench) geschützt sind.
Eine Magnetanordnung mit einem aktiv abgeschirmten Magnetspulensystem mit einer radial inneren Hauptfeldspule und einer radial äußeren Abschirmspule, welche durch Widerstände geschützt sind, ist bekannt aus US 5 644 233 A .
Insbesondere bei Hochfeldanwendungen von supraleitenden Magnetspulensystemen wird ein beträchtliches Streufeld erzeugt, was für die Umgebung des Magneten ein Gefahrenpotential darstellt. Der Begriff „Streufeld“ bezeichnet dabei das Fernfeld des Magnetspulensystems, das durch den dipolartigen Feldanteil dominiert wird. Bei aktiv abgeschirmten Magnetspulensystemen wird das Streufeld im Allgemeinen durch eine Abschirmspule mit zur Hauptfeldspule gegensinniger Wicklung, also mit bezüglich der Hauptfeldspule gegensinnigem Dipolmoment, realisiert, so dass das Gesamtdipolmoment des Magnetspulensystems ungefähr null ist. Während eines Zusammenbruchs der Supraleitung muss sichergestellt werden, dass das räumlich spezifizierte Streufeld den dafür vorgesehenen Grenzwert nicht überschreitet. So muss beispielsweise das Feld am Ort der spezifizierten 5G-Linie auch während eines Quenchs kleiner als 5 Gauß (= 0,0005 T) bleiben.
Bei Magnetspulensystemen ohne Quenchschutz bleibt im Quenchfall das Streufeld erhalten. Es treten hierbei jedoch hohe Spannungen auf, die das Magnetspulensystem schädigen können. Man ist daher bestrebt während eines Quenchs Maßnahmen zu treffen, damit die Änderung des Stromes und die damit verbundenen Spannungen keine Schäden am Magnetspulensystem anrichten.
Supraleitende Magnetspulensysteme besitzen daher im Allgemeinen eine Vorrichtung, welche den Magnetstrom aus den im Verlaufe eines Quenchs resisitiv gewordenen Spulenabschnitten über Schutzelemente, beispielsweise Widerstände, ableitet.
Aus WILSON, Martin N.: Superconducting Magnets. Oxford: Clarendon Press, 2002 (Monographs on Cryogenics, 2). S. 226 - 231. - ISBN 0-19-854810-9 ist es bekannt, dass Spulenabschnitte des Magnetspulensystems mit ohmschen Widerständen überbrückt werden. Das Magnetspulensystem wird somit in Maschen zerlegt, die miteinander in Serie geschaltet sind, wobei jede Masche einen Spulenabschnitt des Magnetspulensystems und einen Widerstand umfasst. Auf diese Weise werden Teilbereiche mit einer geringen Eigeninduktivität erzeugt. In diesen Teilbereichen klingen die Ströme schnell ab und hohe Spannungen werden vermieden. Allerdings fließen im Quenchfall in den verschiedenen Maschen aus Schutzwiderständen und Spulenabschnitten unterschiedlich hohe Ströme, die zu nicht akzeptablen unkompensierten Streufeldüberhöhungen führen können.
Aus EP 0 144 171 B1 ist ein aktiv abgeschirmtes Magnetspulensystem bekannt, welches ein Widerstandsnetzwerk zum Schutz vor Spannungsüberhöhungen im Quenchfall umfasst, bei dem Teile des Magnetspulensystems mit ohmschen Widerständen überbrückt werden. Jedoch erfährt auch hier das Streufeld Überhöhungen, die außerhalb der Spezifikation liegen können.
In US 5 644 233 A wird daher ein Magnetspulensystem vorgeschlagen, bei dem die Hauptfeldspule und die Abschirmspule in gleich viele Spulenabschnitte zerlegt und paarweise in Serie geschaltet werden und zusammen mit einem ohmschen Widerstand eine Masche bilden, wobei die innerhalb einer Masche in Serie geschalteten Spulenabschnitte aus Hauptfeld- und Abschirmspule jeweils paarweise betragsmäßig nahezu das gleiche Diplomoment, jedoch mit verschiedenen Vorzeichen, aufweisen. Jede Masche umfasst demnach einen Spulenabschnitt der Abschirmspule und einen Spulenabschnitt der Hauptfeldspule mit entgegengesetzt ähnlich großen Dipolmomenten, sowie einen Schutzwiderstand, der die beiden Spulenabschnitte überbrückt. Falls in einem solchen Abschnitt ein Quench ausbricht, ändert sich das Streufeld nur wenig, da jede Masche näherungsweise dipolmomentenfrei ist und nur geringfügig zum Streufeld beiträgt, unabhängig davon, welcher Strom in dieser Masche fließt. Der Nachteil dieser Methode liegt jedoch in dem großen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand des paarweisen Verschaltens radial weit auseinander liegender Spulenabschnitte des Magnetspulensystems, da jeweils ein Spulenabschnitt der radial innen liegenden Hauptfeldspule mit einem Spulenabschnitt der radial weiter außen liegenden Abschirmspule verdrahtet werden muss.
US 6 563 316 B2 schlägt eine Magnetanordnung vor, in welcher nicht alle, mit einem Schutzelement überbrückten, Abschnitte ein verschwindendes Dipolmoment aufweisen. Trotzdem wird mit dieser Anordnung die Gefahr einer Überhöhung des Streufeldes im Falle eines Quenchs der Magnetanordnung wesentlich reduziert. Die bekannte Anordnung weist dazu einen zusätzlichen, in sich geschlossenen Strompfad auf, welcher eine nicht verschwindende Flächenwindungszahl aufweist und mit mindestens einem Spulenabschnitt induktiv gekoppelt ist. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt ebenfalls in dem großen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand des paarweisen Verschaltens radial weit auseinander liegender Spulenabschnitte des Magnetspulensystems.
DE 102 44 406 A1 offenbart eine elektrische Schaltung für eine supraleitende Spulenanordnung, wobei die Hauptspulenabschnitte der Spulenanordnung in Reihe geschaltet sind und eine Hauptspulenreihenschaltung bilden und die Sekundärspulenabschnitte in Reihe geschaltet sind und eine Sekundärspulenreihenschaltung bilden. Als Quenchschutz ist eine Temperaturbegrenzungsschaltung in Form einer Quench-Heizungsschaltung oder einer Quench -Widerstandsschaltung vorgesehen, wobei die Hauptspulenreihenschaltung und die Sekundärspulenreihenschaltung über unterschiedliche Quenchschutzschaltungen geschützt werden.
GB 2 411 477 A beschreibt ein supraleitendes Hochfeldmagnetsystem mit radial ineinander geschachtelten Teilspulen, wobei eine LTS-Teilspule und eine HTS-Teilspule elektrisch in Serie geschaltet sind und über einen LTS-HTS-Joint miteinander verbunden sind, wobei die HTS-Teilspulen und LTS-Teilspulen separat geladen werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Magnetspulensystem vorzuschlagen, bei dem mit einem geringen konstruktiven Aufwand ein effektiver Quenchschutz ohne Streufeldüberhöhung realisiert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die radial inneren Sektionen der Hauptfeldspule durch mindestens einen zu diesen Sektionen parallel geschalteten ohmschen Widerstand und/oder eine Diode geschützt sind, und dass die radial äußeren Sektionen der Hauptfeldspule gemeinsam mit der Abschirmspule durch einen einzigen weiteren ohmschen Widerstand und/oder eine einzige Diode geschützt sind.
Das erfindungsgemäße Magnetspulensystem ist so unterteilt, dass in dem Bereich des Magnetspulensystems, in dem hohe Spannungen schaden können, eine konventionelle Schutzverdrahtung der Sektionen vorgesehen ist. Die Sektionen des Magnetspulensystems hingegen, die bezüglich der Streufeldkompensation entscheidend sind, werden als ein gemeinsamer Block zusammengefasst und mittels eines einzigen Widerstandes beziehungsweise einer Diode geschützt. Die Hauptfeldspule wird dazu in zwei Bereiche, nämlich in radial innere Sektionen und radial äußere Sektionen, eingeteilt. Die radial inneren Sektionen der Hauptfeldspule tragen nur einen geringen Anteil des Gesamtdipolmoments der Hauptfeldspule und sind mit mindestens einem Widerstand überbrückt. Die äußeren Sektionen der Hauptfeldspule, die den größten Teil des Gesamtdipolmoments der Hauptfeldspule tragen, werden mit der Abschirmspule kurzgeschlossen und mittels eines einzigen Widerstands geschützt. Da das Dipolmoment der Abschirmspule gleich dem Gesamtdipomoment der Hauptfeldspule mit negativen Vorzeichen ist, wird bei dieser Verschaltung im Quenchfall zwar nicht 100% des Gesamtdipolmoments der Hauptfeldspule kompensiert, dafür kann jedoch auf die Vielzahl an aufwändigen Brückenschaltungen, wie sie aus US 5 644 233 A bekannt ist, verzichtet werden. Die nicht ideal kompensierte Strom- und Dipolmomentenentwicklung im Quenchfall führt zu leichten, aber abschätzbaren Streufeldänderungen, die in einem akzeptablen Rahmen liegen. Diese Korrektur kann bei Festlegung der Streufeldspezifikation berücksichtigt werden. Die in den äußeren Sektionen der Hauptfeldspule und in der Abschirmspule auftretenden erhöhten Spannungen während eines Quenchs können jedoch aufgrund der relativ hohen Durchschlagsfestigkeit des zweiten Supraleiter-Materials in Kauf genommen werden. Das erfindungsgemäße Magnetspulensystem kann auf diese Weise konstruktiv einfach aufgebaut werden, wobei im Quenchfall nur geringe Streufeldüberhöhungen auftreten, und hohe Spannungen nur dort vorkommen, wo sie handhabbar sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält das erste Supraleiter-Material Nb₃Sn und die erste Spannungsisolation umfasst eine Glasfaser- oder Keramikfaserisolation. Die Glasfaser- oder Keramikfaserisolation ist aufgrund der üblicherweise zugegebenen kohlenstoffhaltigen Schlichte, die der Glasfaser- oder Keramikfaserisolation Geschmeidigkeit fürs Wickeln gibt und aufgrund der lockeren Gewebestruktur, gegenüber hohen elektrischen Spannungen nur wenig durchschlagsfest. Durch die oben beschriebene Schutzverdrahtung der das erste Supraleiter-Material umfassenden inneren Sektionen kann jedoch auch bei Verwendung dieser Materialien eine Schädigung der Sektionen aufgrund von Spannungsüberschlägen verhindert werden.
Bei einer speziellen Ausführungsform enthält das erste Supraleiter-Material einen Hochtemperatursupraleiter(=HTS) und/oder Nb₃Al und die erste Spannungsisolation umfasst eine Glasfaser- oder Keramikfaserisolation.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems sieht vor, dass das zweite Supraleiter-Material NbTi enthält und die zweite Spannungsisolation eine Lackisolierung umfasst. Die Lackisolierung des zweiten Supraleiter-Materials ist relativ durchschlagsfest, so dass eventuelle Spannungserhöhungen im Quenchfall keinen schädigenden Einfluss auf die radial äußeren Sektionen oder die Abschirmspule haben. Dieses Supraleiter-Material eignet sich daher besonders gut für die mittels eines einzigen Widerstandes oder einer einzigen Diode erfindungsgemäß überbrückten äußeren Sektionen der Hauptfeldspule und der Abschirmspule.
Die oben beschriebenen Spannungsisolationen und Supraleiter-Materialien beschreiben lediglich Typen von Spannungsisolationen (Glasfaserisolation beziehungsweise Lackisolierung) beziehungsweise Supraleiter-Materialien. So können sich die Spannungsisolierungen innerhalb der inneren Sektionen beispielsweise in ihrer Dicke und genauen Zusammensetzung unterscheiden. Ebenso können verschiedene innere Sektionen aus verschiedenen ersten Supraleiter-Materialien, beziehungsweise verschiedene äußere Sektionen aus verschiedenen zweiten Supraleiter-Materialien bestehen. Ebenso ist es denkbar, dass eine Sektion der Hauptfeldspule aus mehreren Leitern unterschiedlicher Supraleiter-Materialien aufgebaut ist. Entscheidend ist lediglich, dass jedes im Magnetspulensystem vorhandene erste Supraleiter-Material eine Spannungsisolation besitzt, die weniger durchschlagsfest ist als die Spannungsisolation des zweiten Supraleiter-Materials.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems kommen besonders gut zur Geltung, wenn das Gesamtdipolmoment der radial inneren Sektionen der Hauptfeldspule kleiner als 15% des Gesamtdipolmoments aller Sektionen der Hauptfeldspule ist. Die radial äußeren Sektionen tragen somit 85% des Gesamtdipolmoments der Hauptfeldspule. Im Quenchfall werden dementsprechend mindestens 85% des Dipolmoments der Hauptfeldspule kompensiert. Die inneren Sektionen besitzen lediglich eine kleine, entsprechend ihres Dipolmoments, nicht ideal kompensierte Streufeldentwicklung.
Bei einer speziellen Ausführungsform ist jede einzelne radial innere Sektion der Hauptfeldspule jeweils mit einem ohmschen Widerstand und/oder einer Diode geschützt. Dies erweist sich bei den meisten Quencharten als vorteilhaft. Prinzipiell kann die Anzahl und Art der Schutzwiderstände 6, 7 auf die zu erwartenden Quenchverläufe abgestimmt werden. Im Allgemeinen liegen die Widerstandswerte der Widerstände 6, 7 im Bereich einiger Ohm.
Das Magnetspulensystem ist vorzugsweise ein NMR-Magnetspulensystem.
Besonders vorteilhaft erweist sich das erfindungsgemäße Magnetspulensystem wenn das Magnetspulensystem Magnetfeldstärken größer als 9 Tesla vorzugsweise größer 17 Tesla, erzeugt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
Es zeigen:

1a einen schematischen Vertikalschnitt durch eine Hälfte eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems;
1b ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems gemäß 1a;
2a eine graphische Auftragung des Spannungsverlaufs während eines Quenchs innerhalb eines Magnetspulensystems ohne Quenchschutz in Abhängigkeit von der Zeit (Simulation); und
2b eine graphische Auftragung des Spannungsverlaufs während eines Quenchs innerhalb eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems mit Quenchschutz in Abhängigkeit von der Zeit (Simulation).

1a zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetspulensystem mit einer um eine Achse z angeordneten Hauptfeldspule 1 und einer Abschirmspule 2, welche die Hauptfeldspule 1 radial umgibt. In 1b ist ein Schaltbild dieses Magnetspulensystems dargestellt. Über einen supraleitenden Hauptschalter 8 können die Hauptfeldspule und die sie Abschirmspule kurz geschlossen werden. Die Hauptfeldspule 1 ist aufgeteilt in radial innere Sektionen 3 und radial äußere Sektionen 4. Die Hauptfeldspule 1 und die Abschirmspule 2 sind über eine elektrische Verbindung 5 miteinander in Serie geschaltet. Die inneren Sektionen 3 der in 1a und 1b gezeigten Ausführungsform sind in drei Bereiche aufgeteilt, die jeweils durch einen ohmschen Widerstand 6 überbrückt sind. Auf diese Weise werden Spannungsüberhöhungen im Bereich der inneren Sektionen 3 vermieden. Die Bereiche des Magnetspulensystems, die für die Streufeldkompensation entscheidend sind, nämlich die äußeren Sektionen 4 und die Abschirmspule 2 werden dagegen gemeinsam durch einen einzigen weiteren Widerstand 7 geschützt. Hier können im Quenchfall erhöhte Spannungen auftreten, was jedoch in Kauf genommen werden kann.
Die inneren Sektionen 3, welche dem höchsten Feld des Magnetspulensystems ausgesetzt sind, sind aus einem Leiter gefertigt, welcher üblicherweise erst nach dem Wickeln bei hohen Temperaturen geglüht wird, damit er seine supraleitenden Eigenschaften erhält (beispielsweise Nb₃Sn, Nb₃Al, Hochtemperatursupraleiter oder eine Kombination hiervon). Die Leiter der inneren Sektionen 3 benötigen daher eine hitzebeständige Isolation (Glasfaser- oder Keramikfaserisolation), die aber nur eine relativ geringe elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweist. Mit dem erfindungsgemäßen Magnetspulensystem stellt diese Eigenschaft jedoch kein Problem mehr dar, da im Bereich der inneren Sektionen 3 Spannungsüberhöhungen vermieden werden können. Gleichzeitig besitzen die inneren Sektionen 3 aufgrund ihres kleinen Abstands zur Achse z nur einen geringen Anteil des Dipolmoments der Hauptfeldspule 1. Die Stromverteilung in den inneren Sektionen 3 beeinflusst daher das Streufeld im Quenchfall nur wenig.
Im Gegensatz dazu sind sowohl die Leiter der radial äußeren Sektionen 4, die den Hauptanteil des Dipolmoments der Hauptfeldspule 1 tragen, als auch die Leiter der Abschirmspule 2 vorzugsweise aus NbTi gefertigt und mit einer Lackisolation von einer deutlich höheren Durchschlagsfestigkeit umgeben. Die äußeren Sektionen 4 sind mit der Abschirmspule 2 in Serie geschaltet und gemeinsam mit dieser durch einen einzigen ohmschen Widerstand 7 geschützt. Erhöhte Spannungen im Quenchfall sind in diesen Bereichen besser zu verkraften als in den inneren Sektionen 3 der Hauptfeldspule 1. Auf diese Weise werden Streufeldüberhöhungen vermieden.
Die Aufteilung der Hauptfeldspule 1 in innere Sektionen 3 und äußere Sektionen 4 kann je nach Anforderungen an das Streufeld erfolgen. Prinzipiell ist es sogar denkbar, im Normalbetrieb ein nicht ideales Streufeld einzustellen, welches dafür im Quenchfall durch das von den inneren Sektionen 3 erzeugte zusätzliche Streufeld eine geringere Überhöhung erfährt. Auch kann die Anzahl der Schutzwiderstände 6 für die inneren Sektionen 3 an die zu erwartenden Quenchverläufe angepasst werden. Typischerweise ist jede innere Sektion 3 mit einem Widerstand 6 geschützt.
Auf diese Weise kann einerseits eine komplexe Brückenverschaltung, wie sie aus US 5 644 233 A bekannt ist, vermieden und andererseits können die inneren Sektionen 3, die das erste Supraleiter-Material enthalten, vor zu großen Spannungen geschützt werden.
In 2a sind die simulierten maximalen Spannungsverläufe im Quenchfall in den inneren Sektionen 3, mit Nb₃Sn als erstes Supraleiter-Material (durchgezogene Linie) und in den äußeren Sektionen mit NbTi als zweites Supraleiter-Material (gestrichelte Linie), dargestellt, für den Fall, dass der Magnet keine Schutzverschaltung im Sinne einer Unterteilung in separat geschützte Teilbereiche besitzt. Die dargestellten Spannungsverläufe beziehen sich auf Spulenabschnitte aus dem Nb₃Sn- und dem NbTi-Bereich der Hauptfeldspule 1 des Magnetspulensystems. Es gibt weitere Spulenabschnitte in diesen Bereichen, deren Spannungsverläufe hier nicht dargestellt sind, weil die Spannungen niedriger liegen und hier nur die Maximalwerte interessieren. Man kann erkennen, dass im Nb₃Sn-Bereich ein steiler Spannungsanstieg bis zu einer Maximalspannung von über 3000V erfolgt. Dieser enorme Spannungsanstieg kann aufgrund der nur wenig durchschlagfesten Spannungsisolation des Nb₃Sn-Leiters zu Beschädigungen der inneren Sektionen 3 führen.
2b zeigt die simulierten maximalen Spannungsverläufe im Quenchfall im Nb₃Sn-Bereich und im NbTi-Bereich der Hauptfeldspule 1, für den Fall, dass die inneren Sektionen 3 (Nb₃Sn) der Hauptfeldspule 1 eine Schutzverschaltung im Sinne einer Unterteilung in separat geschützte Teilbereiche gemäß der Erfindung besitzt. Die für die Simulation verwendeten Parameter entsprechen denen aus der Simulation zu 2a. Auch hier sind jeweils lediglich die Spulenabschnitte mit den maximalen Spannungsverläufen dargestellt. Während die im NbTi-Bereich auftretenden Spannungen verglichen mit der Simulation aus 2a in etwa unverändert geblieben sind, konnte mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schutzverdrahtung der Betrag der im Nb₃Sn-Bereich auftretenden Spannungen um zwei Größenordnungen gesenkt werden. Die radiale Lage beispielsweise der 5 Gauß-Linie hat sich bei dieser Simulation während des Quenchs nur um maximal 13 % erhöht.
Mit dem erfindungsgemäßen Magnetspulensystem kann mit einem geringen konstruktiven Aufwand ein Quenchschutz realisiert werden, wobei gleichzeitig trotzdem in den relevanten Bereichen des Magnetspulensystems einer Streufeldüberhöhung entgegen gewirkt werden kann. Die erfindungsgemäße Verdrahtung des Magnetspulensystems ist prinzipiell auch für Labormagnete anwendbar.
Bezugszeichenliste

1: Hauptfeldspule
2: Abschirmspule
3: innere Sektionen
4: äußere Sektionen
5: elektrische Verbindung
6: Widerstand
7: weiterer Widerstand
8: supraleitender Hauptschalter

Claims

Supraleitendes Magnetspulensystem mit einer Hauptfeldspule (1), die aus radial ineinander verschachtelten, in Serie geschalteten Sektionen (3, 4) aufgebaut ist, die Leiter umfassen, wobei die Leiter der radial inneren Sektionen (3) ein erstes Supraleiter-Material enthalten und mit einer ersten elektrischen Spannungsisolation versehen sind, und die Leiter der radial äußeren Sektionen (4) ein zweites Supraleiter-Material enthalten und mit einer zweiten elektrischen Spannungsisolation versehen sind, wobei das erste Supraleiter-Material ein höheres kritisches Magnetfeld als das zweite Supraleiter-Material aufweist und die erste Spannungsisolation zumindest bereichsweise weniger durchschlagsfest als die zweite Spannungsisolation ist, sowie mit einer zur Hauptfeldspule (1) in Serie geschalteten Abschirmspule (2), welche die Hauptfeldspule (1) radial umgibt und Leiter umfasst, die das zweite Supraleiter-Material enthalten und mit der zweiten elektrischen Spannungsisolation umgeben sind, wobei die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen und durch mehrere ohmsche Widerstände (6, 7) und/oder Dioden für den Fall eines Zusammenbruchs der Supraleitung geschützt sind, wobei die radial inneren Sektionen (3) der Hauptfeldspule (1) durch mindestens einen zu diesen Sektionen (3) parallel geschalteten ohmschen Widerstand (6) und/oder eine Diode geschützt sind, und wobei die radial äußeren Sektionen (4) der Hauptfeldspule (1) gemeinsam mit der Abschirmspule (2) durch einen einzigen weiteren ohmschen Widerstand (7) und/oder eine einzige Diode geschützt sind.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Supraleiter-Material Nb₃Sn enthält und die erste Spannungsisolation eine Glasfaser- oder Keramikfaserisolation umfasst.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Supraleiter-Material ein Hochtemperatursupraleiter und/oder Nb₃Al enthält und die erste Spannungsisolation eine Glasfaser- oder Keramikfaserisolation umfasst.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Supraleiter-Material NbTi enthält und die zweite Spannungsisolation eine Lackisolierung umfasst.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtdipolmoment der radial inneren Sektionen (3) der Hauptfeldspule (1) kleiner als 15% des Gesamtdipolmoments aller Sektionen (3, 4) der Hauptfeldspule (1) ist.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede einzelne radial innere Sektion (3) der Hauptfeldspule (1) jeweils mit einem ohmschen Widerstand (6) und/oder einer Diode geschützt ist.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulensystem ein NMR-Magnetspulensystem ist.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulensystem Magnetfeldstärken größer als 9 Tesla vorzugsweise größer 17 Tesla, erzeugt.