DE102005062581B3 - Supraleitende Magnetspule mit einer Schaltung zum Quenchschutz sowie ein MRT-Gerät damit - Google Patents

Supraleitende Magnetspule mit einer Schaltung zum Quenchschutz sowie ein MRT-Gerät damit Download PDF

Info

Publication number
DE102005062581B3
DE102005062581B3 DE102005062581A DE102005062581A DE102005062581B3 DE 102005062581 B3 DE102005062581 B3 DE 102005062581B3 DE 102005062581 A DE102005062581 A DE 102005062581A DE 102005062581 A DE102005062581 A DE 102005062581A DE 102005062581 B3 DE102005062581 B3 DE 102005062581B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
diode
coil
superconducting magnet
magnet coil
quench
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE102005062581A
Other languages
English (en)
Inventor
Gerhard Dr. Bittner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DE102005062581A priority Critical patent/DE102005062581B3/de
Priority to PCT/EP2006/068328 priority patent/WO2007073979A1/de
Priority to CNA2006800490964A priority patent/CN101366163A/zh
Priority to US12/097,807 priority patent/US7969695B2/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102005062581B3 publication Critical patent/DE102005062581B3/de
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/001Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for superconducting apparatus, e.g. coils, lines, machines
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Abstract

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Magnetspule mit einer Schaltung zum Quenchschutz, wobei die Schaltung zumindest eine Diode (7; 7a ... 7f) umfasst, die zu einem Teil (3a, 3b; 3a ... 3f) der supraleitenden Magnetspule (1b ... 1e) parallel angeordnet ist, und wobei die zumindest eine Diode (7; 7a ... 7f) in thermischem Kontakt zur supraleitenden Magnetspule (1b ... 1e) steht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein MRT-Gerät mit einer derartigen supraleitenden Magnetspule (1b ... 1e).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine supraleitende Magnetspule mit einer Schaltung zum Quenchschutz, wie sie insbesondere bei Magnet-Resonanz-Tomographie-Geräten (im Folgenden als MRT-Geräte bezeichnet) eingesetzt wird, sowie ein MRT-Gerät mit einer derartigen Magnetspule.
  • Wie bekannt, kann eine Magnetspule aus einem supraleitenden Material im supraleitenden Zustand betrieben werden, wenn sich die Magnetspule in einer sehr kalten Umgebung, wie beispielsweise in einem mit flüssigem Helium gefüllten Kryotank, befindet. Im supraleitenden Zustand besitzen die Spulendrähte praktisch keinen Widerstand mehr, sodass zur Aufrechterhaltung eines Stromflusses in der Magnetspule und damit auch zur Aufrechterhaltung des von der Magnetspule erzeugten Magnetfeldes keine Energie benötigt wird. Der Stromfluss selbst wird in der Spule vor Inbetriebnahme des Magneten aktiv während eines sogenannten Ladevorganges eingespeist. Derartige Kryomagneten haben weite Verbreitung bei MRT-Geräten gefunden.
  • Ein MRT-Kryomagnet umfasst gewöhnlicherweise mehrere in Serie geschaltete, supraleitende Teilspulen, die räumlich getrennt sind und sich in einem mit flüssigem Helium gefüllten Kryotank befinden. Der Kryotank ist wiederum zwecks Kühlung von Kälteschilden umgeben und in einem Vakuumkessel angeordnet.
  • Unter einem Quench eines supraleitenden Magneten wird ein Vorgang verstanden, bei dem aus verschiedenen Gründen ein Teil der supraleitenden Magnetspule seine supraleitende Eigenschaft verliert und normalleitend wird, d.h. leitend mit einem von null verschiedenen Widerstand.
  • Durch den elektrisch nicht verschwindenden Widerstand ändert sich der Stromfluss in der Magnetspule und das von ihr aufgebaute magnetische Feld bricht zusammen. Der Zusammenbruch des magnetischen Feldes bedingt eine Reihe von Vorgängen, von denen jeder für sich ein Problem mit sich bringt.
  • Zum einen wird durch den Zusammenbruch des Magnetfeldes die darin gespeicherte Energie frei. Praktisch die gesamte Energie wird in thermische Energie umgewandelt, und zwar in den normalleitenden Bereichen der Spulendrähte. Wenn nur ein kleiner Bereich der Magnetspule, beispielsweise nur eine Teilspule, normalleitend wird, kann dies dazu führen, dass die freiwerdende Energie in dem lokal begrenzten Bereich in thermische Energie umgewandelt wird, was wiederum zu einer starken lokalen Überhitzung führt, die Bestandteile des Kryomagneten schädigen kann. Das Risiko einer lokalen Überhitzung wird üblicherweise dadurch verringert, dass bei einem Quench auf kontrollierte Weise die gesamte Magnetspule in den normalleitenden Zustand gebracht wird, sodass sich die thermische Energie auf die gesamte thermische Masse der Magnetspule verteilt.
  • Zum anderen entstehen durch das sich ändernde Magnetfeld in der Magnetspule und in anderen leitenden Bauteilen des MRT-Gerätes Wirbelströme, die wiederum mit dem Magnetfeld wechselwirken, sodass Bauteile des MRT-Gerätes beträchtlichen Kräften ausgesetzt sind. Um seitliche Verschiebungskräfte möglichst gering zu halten, ist man bestrebt, den Abbau des Magnetfeldes bei einem Quench möglichst in symmetrischer Weise erfolgen zu lassen, d.h. die Magnetspule des MRT-Gerätes möglichst symmetrisch zum Quenchen zu bringen.
  • Weiterhin ändert sich der Stromfluss I in kurzer Zeit relativ stark. Dadurch werden hohe Spannungen in der Magnetspule mit einer Induktivität L gemäß dem Zusammenhang L·(∂I/∂t) erzeugt. Ohne weitere Schutzmaßnahmen können diese Spannungsüberhöhungen zu Schäden an der Spule und/oder an der Isolation der Spule führen.
  • Eine Möglichkeit, oben beschriebene Probleme zu vermeiden, ist der Einsatz von Widerständen zur kontrollierten Ausbreitung des Quenches. Hierbei werden über die gesamte Spule – typischerweise im oberen Bereich der Wicklung – Widerstände angebracht, die üblicherweise parallel zu den Leiterspulen geschaltet sind. Bei einem Quench, der mit einer von null verschiedenen Spannung entlang der Leiterdrähte einhergeht, werden die Widerstände von Strom durchflossen. Durch ihre Strahlungswärme bringen sie die jeweils nächsten Wicklungen zum Quenchen. Gleichzeitig reduzieren die Widerstände die bei einem Quench entstehenden hohen Spannungen. Weiterhin wird durch eine geschickte Verschaltung der Widerstände eine möglichst symmetrische Ausbreitung des Quenches erreicht.
  • Die Verwendung von Widerständen löst zwar die Probleme, die bei einem Quench auftreten können; allerdings bringt die Verwendung von Widerständen auch Nachteile, die sich vornehmlich während der Phase des Auf- und Entladens der Magnetspulen zeigen. Beim Aufladen beispielsweise wird zur Induktion des Stromflusses eine Spannung an die Magnetspule angelegt. Ein Teil dieser Spannung induziert einen Stromfluss durch die Widerstände, sodass eine (wenn auch geringe) Erwärmung der Widerstände auftritt, was zu einem Verdampfen eines Teils des Heliums führt. Neben erhöhten Kosten durch das verdampfende Helium können dabei auch Quenche auftreten. Die Erwärmung kann zwar durch Verwendung höherohmiger Widerstände reduziert werden, allerdings birgt die Verwendung höherohmiger Widerstände wiederum die Gefahr höherer Spannungsausschläge bei einem Quench.
  • Bei Kryomagneten vom Typ Helicon, wie sie von der Firma Siemens hergestellt wurden, wird dieses Problem umgangen, indem an Stelle von Widerständen kalte Dioden, die parallel und antiparallel zu den Teilspulen geschaltet sind, verwendet werden. Unter einer kalten Diode wird hierbei eine Diode – beispielsweise eine Siliziumdiode – verstanden, die auch im Temperaturbereich von flüssigem Helium betrieben werden kann.
  • Die dort verwendeten Dioden erfüllen zwar die Aufgabe, den Kryomagneten bei einem Quench vor Spannungsüberhöhungen zu schützen und gleichzeitig bei einem Auf- bzw. Entladen der Magnetspulen die Wärmeerzeugung zu minimieren. Allerdings ist die verwendete Anordnung der Dioden nicht dafür geeignet, einen Quench zu steuern oder in seiner Ausbreitung symmetrisch zu halten.
  • Weiterhin existieren Quenchschutz-Schaltungen, in denen Widerstände und Dioden miteinander kombiniert werden, wie sie z.B. in der US 6,147,844 beschrieben sind. In derartigen Schaltungen sind resistive Heizelemente zusammen mit antiparallelen Dioden jeweils parallel zu Teilspulen geschaltet. Die Heizelemente stehen im thermischen Kontakt zu den Teilspulen, sodass die durch einen Quench in einer Teilspule erzeugte Wärme auch zu anderen Teilspulen übertragen wird. Ein Quench in einer Teilspule kann somit in seiner Ausbreitung auf die gesamte Magnetspule gesteuert werden. Weiterhin werden durch die Diodenschaltungen Kurzschlussströme ermöglicht, sodass die Teilspulen vor Strom- und Spannungsüberhöhungen mit starken lokalen Temperaturanstiegen geschützt sind.
  • In der US 4,689,707 ist eine ähnliche aufgebaute Quenchschutz-Schaltung offenbart, mit der eine supraleitende Magnetspule bzw. deren Shim-Spulen auf sichere Weise gequencht werden können. Auch diese Schaltung umfasst Heizelemente und antiparallele Dioden, die parallel zu Teilspulen angeordnet sind.
  • Beide gezeigten Schaltungen erscheinen jedoch durch die Verwendung unterschiedlicher elektrischer und elektronischer Bauelemente vergleichsweise aufwändig in der Herstellung.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine supraleitende Magnetspule mit einer Schaltung zum Quenchschutz, bei der mit einer einfachen, kostengünstig herzustellenden Schaltung oben geschilderte Probleme bei einem Quench und beim Auf- bzw. Entladen des Magneten vermieden werden können. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, ein MRT-Gerät mit einer derartigen supraleitenden Spule anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine supraleitende Magnetspule mit einer Schaltung zum Quenchschutz gemäß Anspruch 1 sowie durch ein MRT-Gerät gemäß Anspruch 10 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße supraleitende Magnetspule mit einer Schaltung zum Quenchschutz umfasst zumindest eine Diode, die zu einem Teil der supraleitenden Magnetspule parallel angeordnet ist, wobei die zumindest eine Diode in thermischem Kontakt zur supraleitenden Magnetspule steht.
  • Mit einer derartigen Schaltung kann der Teil der supraleitenden Magnetspule, zu dem die Diode parallel geschaltet ist, vor einer Spannungsüberhöhung bei einem Quench geschützt werden. Die Polarität der Diode ist dabei so gewählt, dass der Teil der Magnetspule gegen eine Spannungsüberhöhung, die bei einem abnehmenden Stromfluss in der Magnetspule auftritt, geschützt wird.
  • Wenn in dem Teil der Magnetspule, zu dem die Diode parallel geschaltet ist, ein Quench auftritt, wird dies üblicherweise aufgrund des in relativ kurzer Zeit stark abnehmenden Stromflusses eine Spannung an dem Teil der Spule gemäß L·(∂I/∂t) erzeugen (L ... Induktivität des Teils der Spule, I ... Stromfluss). Diese Spannung ist aufgrund der raschen Abnahme des Stromflusses üblicherweise so groß, dass die Durchbruchspannung der Diode überschritten wird. Dies bedeutet, dass ein großer Teil des Magnetstromes durch die Diode fließt und diese erwärmen wird. Dadurch, dass die Diode in thermischem Kontakt mit der supraleitenden Magnetspule steht, wird die thermische Energie, die beim Durchfließen der Diode entsteht, ausgenutzt, um andere, noch supraleitende Teile der Magnetspule zum Quenchen zu bringen. Ein Quench kann dadurch kontrolliert auf weitere Teile der Magnetspule ausgedehnt werden.
  • Eine Abschätzung, welche Wärmeenergie von einer stromdurchflossenen Diode abgegeben werden kann, findet sich im Ausführungsbeispiel.
  • Aus oben Gesagtem ist ersichtlich, dass unter einem thermischen Kontakt zwischen der zumindest einen Diode und der supraleitenden Magnetspule ein thermischer Kontakt verstanden wird, bei dem die von der stromdurchflossenen Diode zur Magnetspule übertragene Wärmemenge ausreichend ist, sodass Teile der Magnetspule zum Quenchen gebracht werden.
  • Dadurch, dass die Quenchausbreitung nun mit Dioden, anstatt wie bisher üblich, mit resistiven Heizelementen kontrolliert wird, sind darüber hinaus Heliumverluste beim Auf-, Ent- oder Umladen der Magnetspule, die bei Erwärmung der resistiven Heizelemente durch die anliegende Spannung entstehen würde, minimiert.
  • In bevorzugter Weise umfasst die Schaltung zumindest eine weitere Diode, die zu der zumindest einen Diode antiparallel angeordnet ist. Die antiparallele Anordnung zumindest einer weiteren Diode bringt den Vorteil mit sich, dass auch die Teile der Magnetspule vor Spannungsüberhöhungen geschützt werden können, die durch die zumindest eine Diode nicht geschützt wären.
  • Wenn beispielsweise eine erste Diode parallel zu den Teilspulen der Magnetspule geschaltet ist, um die Teilspulen zu schützen, ist ein supraleitender Schalter, der den Stromkreis schließt, sodass Strom durch die Teilspulen zirkulieren kann, durch die erste Diode vor Spannungsüberhöhungen nicht geschützt. Erst durch die Anordnung einer zweiten Diode in antiparalleler Weise ist auch der Teil des Stromkreises, der von der ersten Diode nicht geschützt ist und der den supraleitenden Schalter umfasst, vor Spannungsüberhöhungen geschützt.
  • Durch die zur ersten Diode in antiparalleler Weise angeordnete weitere Diode sind die Spule und gegebenenfalls der supraleitende Schalter auch dann geschützt, wenn die Spule – absichtlich oder versehentlich – mit entgegengesetzter Polarität aufgeladen wurde.
  • Vorteilhafterweise steht die zumindest eine weitere Diode in thermischem Kontakt zur supraleitenden Magnetspule. Dadurch lässt sich eine bessere Kontrolle der Quenchausbreitung bei der Magnetspule erreichen. Ebenso lässt sich ein Quench des supraleitenden Schalters, der ebenso zu einem Zusammenbruch des Magnetflusses führen würde, auf die Magnetspule ausdehnen.
  • Bevorzugterweise ist der thermische Kontakt zwischen Diode und supraleitender Magnetspule dergestalt, dass der thermische Kontakt ein wärmeleitender Kontakt ist. Hierunter wird verstanden, dass der Hauptteil der Wärme, die von der Diode auf die Magnetspule übertragen wird, über eine Wärmeleitung übertragen wird.
  • Bevorzugterweise kontaktieren die zumindest eine Diode und/oder die zumindest eine weitere Diode die supraleitenden Magnetspule über einen elektrischen Isolator. Der elektrische Isolator verhindert, dass bei einem normalleitenden Betrieb der Magnetspule Strom aus dem Stromkreis der Magnetspule in die Diode übertreten würde.
  • Der Isolator kann dabei beispielsweise aus Kunststoff, z.B. aus Polyimid (Kapton®) oder Polytetrafluorethylen (Teflon®) bestehen, oder aber auch aus einer kristallinen Struktur wie z.B. Glimmer.
  • Bevorzugterweise sind die zumindest eine Diode und/oder die zumindest eine weitere Diode scheibenförmig aufgebaut. Derartige Dioden sind flach und haben eine große Querschnittsfläche, über die vergleichsweise große Mengen an Wärmeenergie in kurzer Zeit abgegeben und auf die Magnetspule übertragen wer den können. Zudem können diese Dioden konstruktiv günstig auf der Magnetspule aufgebracht werden.
  • Dementsprechend ist in vorteilhafter Weise auch der elektrische Isolator, über den die Diode die Magnetspule kontaktiert, scheibenförmig ausgebildet. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Wärmeübertragung von einer Diode auf die Magnetspule trotz der sich dazwischen befindlichen Isolatorschicht effizient stattfindet.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform befindet sich zwischen dem Isolator und der supraleitenden Magnetspule eine weitere Schicht aus einem wärmeleitenden Material. Mit Hilfe der Schicht aus wärmeleitendem Material kann nun ein wärmeleitender Kontakt zwischen einer Diode und einem größeren Teil der supraleitenden Magnetspule hergestellt werden. Dies ist besonders nützlich, wenn die Magnetspule – wie üblich – mehrere Teilspulen umfasst. Hier kann die Diode beispielsweise in der Nähe einer Teilspule angebracht werden. Damit die Diode nicht nur diese Teilspule zum Quenchen bringt, sondern auch andere, kann die von der Diode abgegebene Wärme über die Schicht aus wärmeleitendem Material auch zu anderen Teilspulen geleitet werden. Hierfür muss die Schicht aus wärmeleitendem Material lediglich entsprechend groß dimensioniert werden, sodass sie auch andere Teilspulen kontaktiert. Besonders einfach lässt sich dies bewerkstelligen, wenn die Teilspulen räumlich benachbart sind. Aber auch räumlich getrennte Teilspulen lassen sich thermisch miteinander koppeln, wenn die Schicht aus wärmeleitendem Material in einer brückenartigen Konstruktion angebracht wird. Als mögliches wärmeleitendes Material eignet sich z.B. Kupfer.
  • Bevorzugterweise ist die weitere Schicht aus wärmeleitendem Material zumindest teilweise von einem Wärmeisolator umgeben. Der Wärmeisolator kann dabei ein Kunststoff sein, beispielsweise faserverstärktes Epoxydharz oder Polytetrafluorethylen (Teflon®) und bewirkt, dass mit der Schicht aus wärmeleitendem Material im Falle eines Quenches eine bessere Wärmeüber tragung zwischen Teilen der Magnetspule stattfindet, da die Schicht aus wärmeleitendem Material gegenüber dem flüssigem Helium thermisch abgeschirmt ist. An den Kontaktstellen der Schicht aus wärmeleitendem Material zur Magnetspule befindet sich keine Isolierung.
  • Das erfindungsgemäße MRT-Gerät ist mit einer supraleitenden Magnetspule mit einer oben beschriebenen Schaltung zum Quenchschutz ausgestattet.
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden in der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
  • 1 eine aus einer Teilspule bestehende supraleitende Magnetspule mit zwei antiparallel geschalteten Dioden,
  • 2 eine aus zwei Teilspulen bestehende supraleitende Magnetspule mit zwei antiparallel geschalteten Dioden, von denen eine Diode im thermischen Kontakt zu den zwei Teilspulen steht,
  • 3 eine aus zwei Teilspulen bestehende supraleitende Magnetspule mit zwei antiparallel geschalteten Diodenketten, von denen alle Dioden im thermischen Kontakt zu je einer Teilspule stehen,
  • 4 eine aus sechs Teilspulen bestehende supraleitende Spule nach dem in 3 gezeigten Schaltprinzip,
  • 5 einen Ausschnitt aus einer supraleitenden Magnetspule, die mehrere Teilspulen umfasst, mit antiparallelen Diodenketten, von denen die Dioden jeweils mit mehreren Teilspulen im thermischen Kontakt stehen,
  • 6 den Aufbau einer Diode und der Kontaktstelle zu einem Teilspulenelement zur Herstellung eines thermischen Kontaktes, und
  • 7 den Aufbau einer Diode und der Kontaktstelle zu zwei Teilspulenelementen zur Herstellung eines thermischen Kontaktes der Diode zu den zwei Teilspulenelementen.
  • 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer supraleitenden Magnetspule mit zwei antiparallel geschalteten Dioden.
  • Eine nach dem im Folgenden vorgestellten Prinzip arbeitende Diodenschaltung wurde bei dem Kryomagneten vom Typ Helicon der Firma Siemens AG eingesetzt. Diese Magnetspule umfasst zwar im Gegensatz zu dem hier vorgestellten Aufbau mehrere räumlich voneinander getrennte Teilspulen und mehrere hierzu parallel geschaltete Dioden; der prinzipielle Aufbau ist jedoch der gleiche.
  • Hauptbestandteil der Magnetspule 1a ist eine Teilspule 3, mit der das Hauptmagnetfeld erzeugt wird. Wenn sich die Magnetspule 1a in bereits aufgeladenem Zustand befindet, kreist der Strom in den widerstandsfreien, supraleitenden Leiterdrähten ohne Verlust. Der supraleitende Schalter 5 ist dabei, wie hier dargestellt, im geschlossenen Zustand. Die supraleitenden Leiterdrähte bestehen üblicherweise aus einer Niob-Titan-Legierung oder aus einer Niob-Zinn-Legierung mit einer Kupferummantelung, sodass sie bei einer Betriebstemperatur von flüssigem Helium (4,2°K) supraleitend sind.
  • Wenn ein Teil der Magnetspule 1a quencht, d.h. wenn ein Teil der Magnetspule 1a normalleitend mit endlichem Widerstand wird, ändert sich die Stromstärke I relativ stark innerhalb von kurzer Zeit, sodass gemäß L·(∂I/∂t) (L ... Induktivität der Magnetspule) an den Leiterdrähten der Magnetspule 1a eine vergleichsweise hohe Spannung anliegt. Diese Spannungsüberhöhung kann zu einer Beschädigung der Leiterdrähte, insbesondere deren Isolation aus Kupfer, führen.
  • Diesem Problem kann begegnet werden, indem parallel zur Teilspule 3 eine erste Diode 7 geschaltet ist, deren Polarität so gewählt ist, dass sie im Falle eines Zusammenbrechens des Stromflusses die entstehende Spannung begrenzt. Antiparallel zur ersten Diode 7 ist eine zweite Diode 9 geschaltet. Bei einem Quench schützt die zweite Diode 9 den supraleitenden Schalter 5 vor Spannungsüberhöhungen. Durch die antiparallele Anordnung der ersten Diode 7 und der zweiten Diode 9 ist die Magnetspule 1a weiterhin auch dann geschützt, wenn die Magnetspule 1a – versehentlich oder absichtlich – mit einer entgegengesetzten Polarität aufgeladen wurde.
  • Wenn die Magnetspule 1a in Betrieb genommen wird, muss Strom in die supraleitenden Drähte der Magnetspule 1a eingespeist werden, was im Allgemeinen auch als Aufladen der Magnetspule 1a bezeichnet wird. Hierfür wird der supraleitende Schalter 5, der den Stromkreis der Magnetspule 1a im aufgeladenen Zustand schließt, geöffnet und eine externe Stromquelle wird über mechanische Steckverbindungen 11 an die Magnetspule 1a angeschlossen. In analoger Weise kann die Magnetspule 1a entladen oder umgeladen werden.
  • Beim Aufladen wird an die Steckverbindungen 11 eine Spannung definierter Größe gelegt. Die Durchlassspannung der beiden Dioden 7, 9 ist dabei so gewählt, dass sie größer als die angelegte Spannung ist. So wird verhindert, dass der Ladestrom über die Dioden 7, 9 fließt. Würden an Stelle der beiden Dioden 7, 9 Widerstände verwendet, so würden diese zwar auch einen Schutz vor Spannungsüberhöhungen bieten, allerdings würde bei einem Ent-, Um- oder Aufladen der Magnetspule 1a Strom durch die Widerstände fließen und diese erwärmen, was zu einem Kosten verursachenden Verdampfen von Helium führen würde.
  • Der hier vorgestellte Aufbau mit einer parallelen bzw. antiparallelen Schaltung von Dioden erweist sich jedoch als problematisch, wenn die supraleitende Magnetspule mehrere Teilspulen umfasst. Bei einer derartigen Magnetspule kann es mit einer derartigen Schaltung geschehen, dass sich ein Quench einer Teilspule nicht auf die anderen Teilspulen überträgt, sodass einerseits die eine Teilspule einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist, und sich andererseits der Quench unsymmetrisch ausbreiten würde.
  • Anhand von 2 ist das Prinzip der Erfindung an einer supraleitenden Magnetspule 1b mit zwei Teilspulen 3a, 3b erläutert.
  • Die hier gezeigte Magnetspule 1b umfasst zwei räumlich voneinander getrennte, in Serie geschaltete Teilspulen 3a, 3b. Parallel zu den Teilspulen 3a, 3b sind eine erste Diode 7 und eine zweite Diode 9 in antiparalleler Anordnung geschaltet. Die beiden Dioden 7, 9 entsprechen in ihrer Funktionsweise den in 1 beschriebenen Dioden.
  • Im Unterschied hierzu ist die erste Diode 7 jedoch so ausgebildet, dass sie im thermischen Kontakt zu beiden Teilspulen 3a, 3b steht, was in 2 (und auch in 3 bis 5) durch die Doppelpfeile 13 angedeutet ist. Wenn nun beispielsweise die erste Teilspule 3a quencht, wird aufgrund der Änderung des Stromflusses eine Spannung induziert, die bei geeigneter Wahl der ersten Diode 7 so groß ist, dass sie über der Durchbruchspannung liegt. Daraus resultiert ein Stromfluss durch die erste Diode 7. Durch diesen Stromfluss erwärmt sich die erste Diode 7 und überträgt, da sie auch in thermischem Kontakt mit der zweiten Teilspule 3b steht, auch die zweite Teilspule 3b über die Sprungtemperatur.
  • Auf diese Weise lässt sich bei einem Quench der ersten Teilspule 3a auch die zweite Teilspule 3b quenchen und umgekehrt. Zum einen bedeutet dies, dass die Energie des zusammenbrechenden Magnetfeldes sich auf beide Teilspulen 3a, 3b verteilt, was zu einer geringeren thermischen Belastung der beiden Teilspulen 3a, 3b führt. Zum anderen findet der Quench nun auf eine symmetrische Weise statt, was Vorteile bezüglich der Verteilung entstehender Wirbelströme und seitlicher Verschiebungskräfte bedingt.
  • Eine nun folgende Rechnung soll am Beispiel einer Siliziumdiode verdeutlichen, welche Wärmeleistung bei einem Quench von der Siliziumdiode erzeugt werden kann. Wird die Siliziumdiode bei Temperatur von flüssigem Helium betrieben, also bei Temperaturen von 4,2°K, besitzt die Siliziumdiode eine Durchlassspannung von 3 V und mehr. Wenn durch einen Quench die Durchbruchspannung erreicht wird, sodass die Siliziumdiode von Strom durchflossen wird, wird sie schlagartig warm und besitzt dann die bekannte Durchlassspannung von 0,7 V (bei Raumtemperatur). Wenn durch die Magnetspule ein Strom von 100 A fließt, fließt zu Beginn des Quenches dieser Strom auch durch die Siliziumdiode und erzeugt eine Wärme von ca. 70 W (= 0,7 V·100 A). Diese Wärme ist ein Vielfaches der zur Quenchauslösung notwendigen Energie, sodass mit dieser Wärme bei geeigneter konstruktiver Ausführung des thermischen Kontaktes mehrere Teilspulen zum Quenchen gebracht werden können.
  • Ausgestaltungen dieser konstruktiven Anordnung sind später anhand 6 und 7 beschrieben. Der thermische Kontakt, in dem die Teilspulen 3a, 3b mit der Diode 7 stehen, ist dabei ein wärmeleitender Kontakt. Hierunter wird verstanden, dass der Hauptteil der Wärmeenergie, die von einer stromdurchflossenen Diode auf die Magnetspule 1b übertragen wird, mittels Wärmeleitung und nicht durch Wärmestrahlung bzw. durch Konvektion übertragen wird.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaltung bei einer Magnetspule 1c, die zwei Teilspulen 3a, 3b umfasst.
  • Hier sind anstelle der ersten und zweiten Diode 7, 9 aus 2 zwei antiparallel geschaltete Diodenketten 17, 19 angeordnet. Anhand der Verwendung mehrerer Dioden 7a, 7b; 9a, 9b in einer Diodenkette 17; 19 kann die Durchlassspannung erhöht werden, sodass zum Aufladen der Teilspulen 3a, 3b eine höhere Spannung angelegt werden kann.
  • In dem hier gezeigten Beispiel umfasst jede der beiden Diodenketten 17, 19 je zwei Dioden 7a, 7b; 9a, 9b, die jeweils mit einer der beiden Teilspulen 3a, 3b in thermischem Kontakt stehen.
  • Wenn nun beispielsweise die erste Teilspule 3a quencht, wird – falls die entstehende Spannung größer als die Durchbruchspannung der ersten Diodenkette 17 ist – der Magnetstrom durch die erste Diodenkette 17 fließen. Hierbei werden alle Dioden 7a, 7b der ersten Diodenkette 17 erwärmt und bringen die jeweils thermisch verbundenen Teilspulen 3a, 3b zum Quenchen, sodass sich der Quench von der ersten Teilspule 3a auch auf die zweite Teilspule 3b ausbreitet. Gleiches würde geschehen, wenn der Magnetstrom eine Polarität hätte, dass bei einem Quench die zweite Diodenkette 19 vom Magnetstrom durchflossen würde.
  • In 4 ist eine Konstruktion analog zu 3 gezeigt. Die hier gezeigte Magnetspule 1d umfasst sechs Teilspulen 3a ... 3f. Eine derartige Magnetspule 1d wird oft bei einem MRT-Gerät zur Erzeugung eines homogenen Hauptmagnetfeldes eingesetzt. Hier umfassen die beiden Diodenketten 17'; 19' jeweils sechs Dioden 7a ... 7f; 9a ... 9f, von denen jede in thermischem Kontakt mit jeweils einer der Teilspulen 3a ... 3f steht.
  • Wenn nun eine der Teilspulen 3a ... 3f quencht, überträgt sich der Quench analog zu dem bei 3 beschriebenen Mechanismus auf die anderen Teilspulen, sodass die gesamte Magnetspule 1d zum Quenchen gebracht wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass lediglich ein Teil der Magnetspule 1d quencht, was einerseits zu einer höheren thermischen Belastung dieses Teiles führen würde und andererseits aufgrund einer stark unsymmetrischen Induktion von Wirbelströmen zu starken seitlichen Verschiebungskräften führen würde.
  • 5 zeigt eine weitere Möglichkeit der Induktion einer Quenchausbreitung, dargestellt an einem Ausschnitt aus einer mehrere Teilspulen 3b ... 3d umfassenden Magnetspule 1e.
  • Hier stehen die exemplarisch herausgegriffenen Dioden 7c, 9c der beiden Diodenketten 17'', 19'' im Gegensatz zu dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel nicht nur mit einer Teilspule in thermischem Kontakt, sondern mit mehreren Teilspulen 3b ... 3d. Dabei ist die Zahl der Teilspulen 3b ... 3d, mit denen die Dioden 7c, 9c in thermischem Kontakt stehen, nicht notwendigerweise auf drei beschränkt.
  • Günstigerweise stehen die Dioden 7c, 9c in thermischem Kontakt mit jeweils benachbarten Teilspulen 3b ... 3d, da sich dies konstruktiv auf einfache Weise realisieren lässt, wie nachfolgend in 7 beschrieben. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
  • 6 zeigt eine Ausführungsform der thermischen Kontaktstelle zwischen einer Siliziumdiode 21 und einer supraleitenden Spule 23.
  • Die Siliziumschicht 25 der Siliziumdiode 21 ist auf einer Trägerplatte 27 aufgebracht, die beispielsweise aus Molybdän bestehen kann. Auf der Siliziumschicht 25 befindet sich eine Schicht 29 aus Metall, beispielsweise aus Silber, über die eine elektrische Zuleitung 31 die Siliziumdiode 21 kontaktiert. Eine weitere elektrische Zuleitung 33 kontaktiert die Siliziumdiode 21 über die Trägerplatte 27. Gleichzeitig kann über die Schicht 29 Druck ausgeübt werden, sodass die Diode 21 fest auf der Spule 23 aufsitzt. Die elektrischen Zuleitungen 31, 33 zur Siliziumdiode 21 sind normalleitend.
  • Zwischen der Siliziumdiode 21 und der Spule 23 ist eine Schicht aus einem Isolator 35 angeordnet. Der Isolator 35 kann dabei aus einem wärmeleitenden Kunststoff bestehen, beispielsweise aus Polyimid (Kapton®) oder Polytetrafluorethylen (Teflon®) oder aber auch aus kristallinen Strukturen wie z.B. Glimmer.
  • Mit dieser Anordnung wird sichergestellt, dass bei einem Stromfluss durch die Siliziumdiode 21 und einem damit verbundenen Erwärmen der Siliziumdiode 21 die Wärmeenergie zur Spule 23 übertragen wird.
  • 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der thermischen Kontaktstelle, mit der sich Wärmeenergie der Siliziumdiode 21 auf mehr als eine Teilspule 23, 23' übertragen lässt.
  • Hierfür befindet sich zwischen dem Isolator 35 und den Spulen 23, 23' eine weitere Schicht 37 aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise aus Kupfer, die so groß ist, dass sie mehr als eine Spule 23, 23' kontaktiert. Dadurch wird gewährleistet, dass bei einer Erwärmung der Siliziumdiode 21 die Wärmeenergie auf alle Spulen 23, 23' geleitet wird, die von der weiteren Schicht 37 aus wärmeleitendem Material kontaktiert werden.
  • Um die weitere Schicht 37 aus einem wärmeleitenden Material befindet sich ein Wärmeisolator 39. Der Wärmeisolator 39 kann dabei ein Kunststoff sein, beispielsweise faserverstärktes Epoxydharz oder Polytetrafluorethylen (Teflon®) und bewirkt, dass mit der weiteren Schicht 37 aus wärmeleitendem Material im Falle eines Quenches eine bessere Wärmeübertragung zwischen den Teilspulen 23, 23' stattfindet, da die weitere Schicht 37 aus wärmeleitendem Material gegenüber der Umgebung aus kaltem Helium thermisch abgeschirmt ist. An den Kontaktstellen der weiteren Schicht 37 aus wärmeleitendem Material zu den Teilspulen 23 und 23' und zur Siliziumdiode 21 befindet sich keine Isolierung.
  • Besonders einfach lassen sich dabei räumlich benachbarte Spulen kontaktieren. Bei entsprechender konstruktiver Ausgestaltung, beispielsweise über brückenartige Konstruktionen, kön nen aber auch nicht benachbarte Spulen thermisch kontaktiert werden.

Claims (10)

  1. Supraleitende Magnetspule mit einer Schaltung zum Quenchschutz, wobei die Schaltung zumindest eine Diode (7; 7a ... 7f) umfasst, die zu einem Teil (3a, 3b; 3a ... 3f) der supraleitenden Magnetspule (1b ... 1e) parallel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Diode (7; 7a ... 7f) in thermischem Kontakt zur supraleitenden Magnetspule (1b ... 1e) steht.
  2. Supraleitende Magnetspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zumindest eine weitere Diode (9; 9a ... 9f) umfasst, die zu der zumindest einen Diode (7; 7a ... 7f) antiparallel angeordnet ist.
  3. Supraleitende Magnetspule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine weitere Diode (9; 9a ... 9f) in thermischem Kontakt zur supraleitenden Magnetspule (1b ... 1e) steht.
  4. Supraleitende Magnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Kontakt ein wärmeleitender thermischer Kontakt ist.
  5. Supraleitende Magnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Diode (21) und/oder die zumindest eine weitere Diode (21) die supraleitende Magnetspule (23) über einen elektrischen Isolator (35) kontaktiert.
  6. Supraleitende Magnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Diode (21) und/oder die zumindest eine weitere Diode (21) scheibenförmig aufgebaut sind.
  7. Supraleitende Magnetspule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Isolator (35) scheibenförmig aufgebaut ist.
  8. Supraleitende Magnetspule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem elektrischen Isolator (35) und der supraleitenden Magnetspule (23) eine weitere Schicht (37) aus wärmeleitendem Material angeordnet ist.
  9. Supraleitende Magnetspule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schicht (37) aus wärmeleitendem Material zumindest teilweise von einem Wärmeisolator (39) umgeben ist.
  10. MRT-Gerät mit einer supraleitenden Magnetspule (1b ... 1e) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
DE102005062581A 2005-12-27 2005-12-27 Supraleitende Magnetspule mit einer Schaltung zum Quenchschutz sowie ein MRT-Gerät damit Expired - Fee Related DE102005062581B3 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005062581A DE102005062581B3 (de) 2005-12-27 2005-12-27 Supraleitende Magnetspule mit einer Schaltung zum Quenchschutz sowie ein MRT-Gerät damit
PCT/EP2006/068328 WO2007073979A1 (de) 2005-12-27 2006-11-10 Supraleitende magnetspule mit einer schaltung zum quenchschutz sowie ein mrt-gerät damit
CNA2006800490964A CN101366163A (zh) 2005-12-27 2006-11-10 具有猝灭保护电路的超导电磁线圈以及对应的磁共振设备
US12/097,807 US7969695B2 (en) 2005-12-27 2006-11-10 Superconducting magnetic coil with a quench protection circuit, and MRT apparatus embodying same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005062581A DE102005062581B3 (de) 2005-12-27 2005-12-27 Supraleitende Magnetspule mit einer Schaltung zum Quenchschutz sowie ein MRT-Gerät damit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102005062581B3 true DE102005062581B3 (de) 2007-03-01

Family

ID=37667118

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102005062581A Expired - Fee Related DE102005062581B3 (de) 2005-12-27 2005-12-27 Supraleitende Magnetspule mit einer Schaltung zum Quenchschutz sowie ein MRT-Gerät damit

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7969695B2 (de)
CN (1) CN101366163A (de)
DE (1) DE102005062581B3 (de)
WO (1) WO2007073979A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014207130A1 (en) * 2013-06-28 2014-12-31 Cern - European Organization For Nuclear Research Ac-current induced quench protection system
DE102016225700B3 (de) * 2016-12-21 2018-02-08 Siemens Healthcare Gmbh Herunterfahren eines supraleitenden Magneten eines Magnetresonanzgerätes

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008019897A1 (de) * 2008-04-21 2009-12-31 Siemens Aktiengesellschaft Gradientenspule
CN102412047B (zh) 2010-09-21 2014-07-30 通用电气公司 超导磁体及超导磁体系统
US9240681B2 (en) 2012-12-27 2016-01-19 General Electric Company Superconducting coil system and methods of assembling the same
GB2535198B (en) * 2015-02-12 2017-02-08 Siemens Healthcare Ltd Passive adaptive quench propagation circuit
CN106227257B (zh) * 2016-07-01 2018-08-21 沈阳东软医疗系统有限公司 一种温度控制传感器以及保护电路
CN107994544B (zh) * 2017-12-11 2019-02-26 合肥中科离子医学技术装备有限公司 一种超导磁体系统失超保护装置及其工作方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4689707A (en) * 1986-05-27 1987-08-25 International Business Machines Corporation Superconductive magnet having shim coils and quench protection circuits
US6147844A (en) * 1998-12-30 2000-11-14 General Electric Company Quench protection for persistant superconducting magnets for magnetic resonance imaging

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3025416A (en) * 1958-05-15 1962-03-13 Rca Corp Low temperature devices and circuits
US3242418A (en) * 1962-08-31 1966-03-22 Dynatech Corp Low temperature electromechanical transducer
JP2659363B2 (ja) * 1986-09-09 1997-09-30 三菱電機株式会社 緊急消磁装置付き超電導マグネツト装置
EP0808009A3 (de) * 1996-04-19 1998-10-28 Kabushiki Kaisha Y.Y.L. Supraleitendes System

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4689707A (en) * 1986-05-27 1987-08-25 International Business Machines Corporation Superconductive magnet having shim coils and quench protection circuits
US6147844A (en) * 1998-12-30 2000-11-14 General Electric Company Quench protection for persistant superconducting magnets for magnetic resonance imaging

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014207130A1 (en) * 2013-06-28 2014-12-31 Cern - European Organization For Nuclear Research Ac-current induced quench protection system
US10069294B2 (en) 2013-06-28 2018-09-04 CERN—European Organization for Nuclear Research AC-current induced quench protection system
DE102016225700B3 (de) * 2016-12-21 2018-02-08 Siemens Healthcare Gmbh Herunterfahren eines supraleitenden Magneten eines Magnetresonanzgerätes

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007073979A1 (de) 2007-07-05
US20090002902A1 (en) 2009-01-01
CN101366163A (zh) 2009-02-11
US7969695B2 (en) 2011-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102005062581B3 (de) Supraleitende Magnetspule mit einer Schaltung zum Quenchschutz sowie ein MRT-Gerät damit
US7440244B2 (en) Self-triggering superconducting fault current limiter
DE10244406A1 (de) Ausgleichs-Quench-Schutzschaltung
EP2228806B1 (de) Anordnung zur Strombegrenzung
EP0154779B1 (de) Supraleitendes Magnetsystem für den Betrieb bei 13K
EP2284845B1 (de) HTSL-Stromzuleitung zur Verbindung eines supraleitenden Verbrauchersystems mit einem Stromeinspeisepunkt
DE102010007087A1 (de) Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz
DE102009029379B4 (de) Supraleitendes Magnetspulensystem mit Quenchschutz zur Vermeidung lokaler Stromüberhöhungen
WO2017037259A1 (de) Spuleneinrichtung mit dauerstromschalter
DE102012217990A1 (de) Supraleitende Spuleneinrichtung und Herstellungsverfahren
US6809910B1 (en) Method and apparatus to trigger superconductors in current limiting devices
DE102004058006B3 (de) Supraleitungseinrichtung mit Kryosystem und supraleitendem Schalter
DE3402828A1 (de) Schalteinrichtung zum kurzschliessen mindestens einer supraleitenden magnetwicklung
EP0082409A1 (de) Thermisches Verfahren zum schnellen Überführen einer supraleitenden Wicklung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
EP1759426B1 (de) Strombegrenzungseinrichtung mit supraleitendem schaltelement
DE102004057204A1 (de) Supraleitungseinrichtung mit Kryosystem und supraleitendem Schalter
DE3135177A1 (de) Supraleitender schalter
DE102014224363A1 (de) Vorrichtung der Supraleitungstechnik mitSpuleneinrichtungen und Kühlvorrichtung sowie damitausgestattetes Fahrzeug
EP2984680A1 (de) Leistungshalbleitermodul
DE102018215917A1 (de) Rotor mit Rotorwicklung für Betrieb im Dauerstrommodus
DE102006012506A1 (de) Kryostat mit einem Magnetspulensystem, das eine LTS- und eine beheizbare HTS-Sektion umfasst
WO2020011625A1 (de) Supraleitendes magnetspulensystem
WO1999025050A1 (de) Strombegrenzereinrichtung für schaltnetze
DE102018213598A1 (de) Supraleitende Stromzuführung
DE10226393B4 (de) Strombegrenzereinrichtung vom resistiven Typ mit supraleitender Leiterbahn und Shuntteil

Legal Events

Date Code Title Description
8100 Publication of the examined application without publication of unexamined application
8364 No opposition during term of opposition
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20130702