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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beide
gezeigten Schaltungen erscheinen jedoch durch die Verwendung unterschiedlicher
elektrischer und elektronischer Bauelemente vergleichsweise aufwändig in
der Herstellung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
Abschätzung,
welche Wärmeenergie von
einer stromdurchflossenen Diode abgegeben werden kann, findet sich
im Ausführungsbeispiel.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
erfindungsgemäße MRT-Gerät ist mit
einer supraleitenden Magnetspule mit einer oben beschriebenen Schaltung
zum Quenchschutz ausgestattet.
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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:
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1 eine
aus einer Teilspule bestehende supraleitende Magnetspule mit zwei
antiparallel geschalteten Dioden,
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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,
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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,
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4 eine
aus sechs Teilspulen bestehende supraleitende Spule nach dem in 3 gezeigten Schaltprinzip,
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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,
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6 den
Aufbau einer Diode und der Kontaktstelle zu einem Teilspulenelement
zur Herstellung eines thermischen Kontaktes, und
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7 den
Aufbau einer Diode und der Kontaktstelle zu zwei Teilspulenelementen
zur Herstellung eines thermischen Kontaktes der Diode zu den zwei
Teilspulenelementen.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer supraleitenden Magnetspule mit zwei
antiparallel geschalteten Dioden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Anhand
von 2 ist das Prinzip der Erfindung an einer supraleitenden
Magnetspule 1b mit zwei Teilspulen 3a, 3b erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Schaltung bei einer Magnetspule 1c, die zwei Teilspulen 3a, 3b umfasst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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5 zeigt
eine weitere Möglichkeit
der Induktion einer Quenchausbreitung, dargestellt an einem Ausschnitt
aus einer mehrere Teilspulen 3b ... 3d umfassenden
Magnetspule 1e.
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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.
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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.
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6 zeigt
eine Ausführungsform
der thermischen Kontaktstelle zwischen einer Siliziumdiode 21 und
einer supraleitenden Spule 23.
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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.
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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.
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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.
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7 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
thermischen Kontaktstelle, mit der sich Wärmeenergie der Siliziumdiode 21 auf
mehr als eine Teilspule 23, 23' übertragen lässt.
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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.
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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.