DE102006022363A1

DE102006022363A1 - Verfahren zur Überwachung einer kryogenen Umgebung und Leiteranordnung

Info

Publication number: DE102006022363A1
Application number: DE102006022363A
Authority: DE
Inventors: Martino Dr. Leghissa; Marijn Pieter Dr. Oomen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2007-11-15
Also published as: WO2007131840A1

Abstract

Zur Überwachung einer kryogenen Umgebung (2) wird ein TDR-Abfragesignal (S) erzeugt und in eine supraleitende TDR-Leiteranordnung (4) eingespeist, die sich in der kryogenen Umgebung (2) befindet und deren supraleitender Zustand durch eine zu detektierende Einflussgröße (T) beeinflussbar ist. Ein aufgrund des TDR-Abfragesignals (S) in der TDR-Leiteranordnung (4) bewirktes TDR-Antwortsignal (R) wird detektiert. Eine aus dem TDR-Antwortsignal (R) ermittelte Widerstandsverteilung der TDR-Leiteranordnung (4) wird auf eine durch die Einflussgröße (T) hervorgerufene Änderung untersucht. Das Verfahren ermöglicht eine preiswerte und genaue Lokalisierung der Ausgangspunkte von Supraleitungs-Zusammenbrüchen innerhalb der kryogenen Umgebung (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer kryogenen Umgebung und eine Leiteranordnung zur Verwendung bei dem Verfahren.
Ein derartiges Verfahren kommt beispielsweise zur Detektion und Lokalisierung einer Temperaturänderung, insbesondere eines Temperaturanstiegs, in der kryogenen Umgebung zum Einsatz. Eine solche Erfassung ist z.B. dann erforderlich, wenn der Ausgangspunkt eines Zusammenbruchs der Supraleitung (= Quench) in einer supraleitenden Magnetspule ermittelt werden soll. Supraleitende Magnetspulen, die in einer kryogenen Umgebung platziert sind, werden häufig zur Erzeugung des Hintergrundfelds in einem Magnetresonanz(MR)-Tomographen verwendet. Eine lokale Wärmeentwicklung kann in derartigen Spulen zu einem zunächst lokal begrenzten Supraleitungs-Zusammenbruch führen, also zu einem Übergang in den normalleitenden Zustand in einem Teil der Spulenwindungen. Die Normalleitung bedingt eine weitere Wärmeentwicklung und als Folge davon eine Ausdehnung des nicht mehr supraleitenden Bereichs, bis die komplette Spule normalleitend ist.
Die beschriebenen Supraleitungs-Zusammenbrüche kommen oft noch während der Entwicklung oder Fertigung einer neuen Magnetspule oder eines neuen MR-Geräts vor. Sie sind auf Fehler im Design oder im Herstellungsprozess zurückzuführen. Zu deren Behebung werden möglichst genaue Informationen über die Ausgangspunkte der Zusammenbrüche benötigt.
Üblicherweise werden Temperaturänderungen, die auch in der vorliegenden Konstellation ursächlich sein können, mithilfe von Thermometer-Arrays und Infrarot-Erfassungssystemen erfasst.
In supraleitenden Magnetspulen sind Supraleitungs-Zusammenbrüche bislang mittels Spannungsabgriffen über Teilbereichen der Spulenwindungen, mittels inner- oder außerhalb der Spulenwindungen angebrachter Thermometer und mittels Mikrophonen, die auf durch den Zusammenbruch hervorgerufene Ultraschallsignale empfindlich sind, detektiert worden. Die Mikrophon-Anwendung wird beispielsweise von A. Nimomiya et al. in IEEE Transactions on Magnetics 28-1, January 1992, S. 830 beschrieben. Sämtliche der vorstehend aufgeführten Messmethoden sind aber sehr aufwändig und deshalb mit hohen Kosten verbunden.
Eine weitere Messmethode betrifft eine Magnetfeld-Detektion mittels Antennen, die die Umverteilung des Stromflusses während des Zusammenbruchs erfasst. Vorgestellt wurde diese Messmethode von M. A. Tartaglia et al. auf der International Conference on Magnet Technology MT-19, 18.-23. September 2005, Genua, Italien. Dieses Verfahren lässt sich zur Bestimmung des Ausgangspunktes eines Supraleitungs-Zusammenbruchs kaum verwenden, da die bei einem lokalen, d.h. insbesondere auf nur eine einzige Spulenwindung begrenzten Zusammenbruch auftretenden Feldänderungen sehr klein und folglich auch äußerst schwer über Antennen zu messen sind.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art anzugeben, das eine preiswerte Überwachung einer kryogenen Umgebung mit guter lokaler Auflösung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird

a) ein TDR-Abfragesignal erzeugt,
b) das TDR-Abfragesignal in eine supraleitende TDR-Leiteranordnung eingespeist, die sich in der kryogenen Umgebung befindet, und deren supraleitender Zustand durch eine zu detektierende Einflussgröße beeinflussbar ist,
c) ein aufgrund des TDR-Abfragesignals in der TDR-Leiteranordnung bewirktes TDR-Antwortsignal detektiert,
d) aus dem TDR-Antwortsignal eine Widerstandsverteilung der TDR-Leiteranordnung ermittelt, und
e) die Widerstandsverteilung auf eine durch die Einflussgröße hervorgerufene Änderung untersucht.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einem Reflektometrie-Verfahren. Die Abkürzung „TDR" steht für Time Domain Reflektometrie, also eine im Zeitbereich stattfindende Reflektometrie. Das insbesondere hochfrequente TDR-Abfragesignal breitet sich längs der supraleitenden TDR-Leiteranordnung aus. An Stellen, an denen die TDR-Leiteranordnung eine Änderung ihres lokalen Wellenwiderstands aufweist, wird zumindest ein Teil des TDR-Abfragesignals reflektiert und läuft als detektier- und auswertbares TDR-Antwortsignal zurück zu einer TDR-Speise- und Auswerteinheit. Aus letzterem kann unter Berücksichtigung der verschiedenen Laufzeiten und damit Laufweglängen der rückreflektierten Signalanteile eine Widerstandsverteilung (= Widerstandsbelag) in Richtung der Ausbreitung des TDR-Abfragesignals innerhalb der TDR-Leiteranordnung ermittelt werden.
Eine durch die Einflussgröße hervorgerufene lokale Änderung des supraleitenden Zustands der TDR-Leiteranordnung, insbesondere ein Übergang in den normalleitenden Zustand, bewirkt eine abrupte und signifikante Änderung des lokalen Widerstandswerts, die unmittelbar aus der ermittelten Widerstandsverteilung abzulesen ist. Zu entnehmen ist insbesondere auch der Ort in Längsrichtung der TDR-Leiteranordnung. Folglich resultiert eine sehr gute lokale Auflösung für die Überwachung der kryogenen Umgebung.
Darüber hinaus lässt sich die supraleitende TDR-Leiteranordnung als sensitive Komponente ohne weiteres in die zu überwachende kryogene Umgebung einbringen. Ihr Platzbedarf ist gering, da die zu führenden Signale insbesondere leistungsschwach sind. Sie kann auch dauerhaft in der kryogenen Umgebung bleiben. Demgegenüber befindet sich die aufwändigere TDR-Einspeise- und Auswerteeinheit vorteilhafterweise außer halb der kryogenen Umgebung. Sie kann bedarfsorientiert angeschlossen werden und insbesondere zur Überwachung einer Vielzahl mit supraleitenden TDR-Leiteranordnungen versehener kryogener Umgebungen verwendet werden. Insofern ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine vergleichsweise preiswerte Überwachung kryogener Umgebungen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist eine Variante, bei der die kryogene Umgebung eine supraleitende Hauptkomponente umfasst, und die TDR-Leiteranordnung benachbart zu der Hauptkomponente angeordnet wird. Die TDR-Leiteranordnung und die Hauptkomponente sind dabei insbesondere so gekoppelt, dass die Einflussgröße entweder in etwa gleichermaßen auf die TDR-Leiteranordnung und die zu überwachende Hauptkomponente einwirkt, oder die von der zu überwachenden Hauptkomponente beispielsweise aufgrund eines Supraleitungs-Zusammenbruchs hervorgerufene Einflussgröße auf die TDR-Leiteranordnung einwirkt. Die benachbarte Platzierung bewirkt in beiden Fällen eine hohe Messgenauigkeit.
Weiterhin kann die supraleitende TDR-Leiteranordnung außer zu einer Führung des TDR-Abfragesignals und des TDR-Antwortsignals vorzugsweise zu einem anderen Hauptzweck verwendet werden. Die TDR-Leiteranordnung fällt dann mit einer in der kryogenen Umgebung ohnehin vorhandenen und zu überwachenden Hauptkomponente, wie beispielsweise einem supraleitenden Stromkabel zusammen. Dadurch ergibt sich ein besonders geringer Aufwand. Es werden praktisch keine gesondert in die kryogene Umgebung einzubringenden Überwachungskomponenten benötigt.
Gemäß einer anderen bevorzugten Variante wird als Einflussgröße eine Temperatur oder ein Magnetfeld vorgesehen. Dies sind externe Einflussgrößen, die den supraleitenden Zustand der TDR-Leiteranordnung durch eine Einwirkung von außen ver ändern können. Daneben gibt es mit dem Stromfluss durch die TDR-Leiteranordnung auch eine interne Größe, die Einfluss auf den supraleitenden Zustand nehmen kann. Bei der Anwendung, mit zusammenfallender TDR-Leiteranordnung und zu überwachender Hauptkomponente kommt zusätzlich auch der Stromfluss als zu detektierende Einflussgröße in Betracht.
Vorzugsweise werden außerdem aus der Widerstandsverteilung eine Position und insbesondere eine Ausdehnung eines Einwirkungsorts der Einflussgröße ermittelt. Die reflektometrischen Antwortsignale ermöglichen eine sehr genaue Bestimmung dieser wichtigen Ortsparameter. Anhand letzterer lässt sich vorteilhafterweise auch der Ausgangspunkt eines Supraleitungs-Zusammenbruchs bestimmen, der z.B. in einer in der kryogenen Umgebung angeordneten supraleitenden Hauptkomponente auftritt.
Bei einer anderen günstigen Ausgestaltung wird eine Änderung der Einflussgröße zwischen einem unteren und einem oberen Grenzwert überwacht, und die TDR-Leiteranordnung so dimensioniert, dass ein kritischer Wert, bei dem die TDR-Leiteranordnung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht, zwischen dem unteren und dem oberen Grenzwert liegt. Dadurch macht man sich den besonders signifikanten Übergang zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand der TDR-Leiteranordnung zunutze. In diesem Messbereich ändert sich der Widerstandswert besonders stark, sodass das TDR-Antwortsignal ein sehr gut erkennbares Messsignal enthält.
Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der die kryogene Umgebung eine supraleitende Hauptkomponente mit einem ersten kritischer Wert der Einflussgröße für den Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand umfasst, und die TDR-Leiteranordnung so dimensioniert wird, dass ein zweiter kritischer Wert der Einflussgröße, bei dem die TDR-Leiteranordnung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht, kleiner ist als der erste kritische Wert. Damit kann ein sich in der Hauptkomponente anbahnender Supraleitungs-Zusammenbruch noch vor dessen Eintritt erkannt werden.
Als Indikator dient der vorher in der TDR-Leiteranordnung auftretende und problemlos detektierbare Supraleitungs-Zusammenbruch. Eine rechtzeitige Einleitung von Gegenmaßnahmen ist so möglich.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die TDR-Leiteranordnung mittels einer niederohmigen Durchführung durch eine Begrenzungswand der kryogenen Umgebung an eine außerhalb der kryogenen Umgebung angeordnete TDR-Einheit angeschlossen wird. Niederohmig bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass ein Widerstand der Durchführung mindestens um einen Faktor 100 kleiner ist als ein Eingangswiderstand der TDR-Einheit. Letzterer ist üblicherweise durch den Tastkopf des TDR-Oszilloskops gebildet und nimmt einen typischen Wert von 50 Ω an. Der Widerstand der Durchführung ist dann also kleiner als 0,5 Ω, insbesondere kleiner als 0,05 Ω. Aufgrund der niederohmigen Ausgestaltung werden Reflektionen, die ansonsten aufgrund der Widerstandsänderung an der Durchführung auftreten könnten, weitestgehend vermieden. Derartige nicht auf eine zu messende Einflussgröße zurückzuführende Echos müssten ansonsten aus dem TDR-Antwortsignal extrahiert werden. Dieser Zusatzaufwand kann vermieden werden, wenn der Widerstand der Durchführung möglichst niederohmig ist und damit möglichst nahe bei dem im supraleitenden Zustand verschwindenden Widerstand der TDR-Leiteranordnung liegt. Ideal wäre auch eine Anpassung beider Widerstände aneinander. Weiterhin sollte es vorzugsweise am Ort der Durchführung zu keinem, insbesondere zu keinem scharfen Sprung in der Impedanz oder im Impedanzbelag kommen. Auch dies würde zu unerwünschten Reflektionen führen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Leiteranordnung der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die sich zu einer preiswerten Überwachung einer kryogenen Umgebung mit guter lokaler Auflösung einsetzen lässt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 9. Die erfindungsgemäße Leiteranordnung ist zur Ver wendung bei dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt. Sie umfasst mindestens einen supraleitenden Leiter mit mindestens einem in eine normalleitende Matrix eingebetteten supraleitenden Filamentleiter. Außerdem ist der mindestens eine supraleitende Leiter an eine außerhalb einer kryogenen Umgebung angeordnete und ein TDR-Abfragesignal erzeugende TDR-Einheit anschließbar. Die Leiteranordnung ist eine der Hauptkomponenten des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insofern gelten die vorstehend für das Verfahren genannten Vorteile analog auch für die Leiteranordnung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Leiteranordnung ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 9 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist eine Variante, bei der der mindestens eine supraleitende Leiter mit einer elektrischen Isolierung versehen ist. Dadurch werden elektrische Kurzschlüsse mit einem ggf. vorhandenen weiteren supraleitenden Leiter der TDR-Leiteranordnung und/oder mit der zu überwachenden Hauptkomponente vermieden.
Weiterhin können vorzugsweise zwei miteinander verdrillte supraleitende Leiter vorgesehen sein. Die Verdrillung reduziert einen Energieverlust durch Abstrahlung des eingespeisten hochfrequenten TDR-Abfragesignals.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Variante besteht die Matrix aus einem Material mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 10^–7 Ωm. Der spezifische Widerstand der Matrix sollte vorzugsweise groß genug sein, um den Widerstandssprung beim Übergang in den normalleitenden Zustand zu detektieren. Im normalleitenden Zustand, bei dem der Stromfluss hauptsächlich in der Matrix erfolgt, ist ein hoher Widerstand erwünscht, um die erfasste Widerstandsveränderung gegenüber dem supraleitenden Zustand zu maximieren und so ein starkes Messsignal zu erhalten. Beispielsweise besteht die Matrix aus einer Kupfer-Nickel(CuNi)-Legierung. CuNi hat einen spezifischen Wider stand von etwa 4·10^–7 Ωm, wogegen das grundsätzlich für die Matrix ebenfalls geeignete reine Kupfer-Material bei 4,2 K nur einen Wert von < 10^–9 Ωm hat. Deshalb eignet sich eine CuNi-Legierung besonders gut als Matrix-Material für ein supraleitendes Material aus Niobtitan (= NbTi). CuNi/NbTi-Drähte sind außerdem kommerziell verfügbar. Grundsätzlich können aber auch andere Materialien für die Matrix verwendet werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn andere supraleitende Materialien zum Einsatz kommen. Ein gut detektierbarer Widerstandssprung beim Übergang in den normalleitenden Zustand lässt sich auch durch einen kleinen Leiterquerschnitt erreichen. Dies führt zu einem hohen Widerstand pro Einheitslänge des Leiters.
Vorzugsweise ist außerdem ein kombinierter Aufbau mit einer als eine Spule ausgebildeten supraleitenden Hauptkomponente vorgesehen, wobei der mindestens eine supraleitende Leiter auf eine äußere oder innere Umfangsfläche der Spule aufgewickelt ist. Dadurch ist ein enger mechanischer und vor allem thermischer Kontakt gewährleistet. Außerdem ist der so für die Leiteranordnung zusätzlich benötigte Platz sehr gering. Dieser Aufbau erlaubt die Lokalisierung beginnender Supraleitungs-Zusammenbrüche in Richtung der Spulen-Achse und auch in Umfangsrichtung der Spule.
Bei einer günstigen Ausgestaltung ist der supraleitende Leiter mittels einer Deckschicht oder mittels einer Verklebung an der Umfangsfläche befestigt. Dies sichert den Halt des Leiters in der ursprünglich montierten Position. So lassen sich Fehler bei der Lokalisierung von Ausgangspunkten der Supraleitungs-Zusammenbrüche vermeiden, die sich andernfalls aufgrund eines nachträglichen Verschiebens des Leiters ergeben könnten. Außerdem gewährleistet die Fixierung eine enge, insbesondere thermische Kopplung.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Variante, bei der ein kombinierter Aufbau mit einer als eine Spule ausgebildeten supraleitenden Hauptkomponente vorgesehen ist, wobei der mindes tens eine supraleitende Leiter zwischen Windungen der Spule mit eingewickelt ist. Auch mit diesem Aufbau wird ein enger mechanischer und vor allem thermischer Kontakt erreicht. Ebenso ist der zusätzliche Platzbedarf für die eingewickelte Leiteranordnung sehr gering. Neben einer Lokalisierung beginnender Supraleitungs-Zusammenbrüche in Richtung der Spulen-Achse und in Umfangsrichtung der Spule erlaubt dieser Aufbau auch eine Detektion in radialer Spulenrichtung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der supraleitende Leiter in einen Spulenleiter der Spule integriert ist. Dies vereinfacht den Bewicklungsvorgang für die Spule, da der Spulenleiter und der supraleitende Leiter gemeinsam gewickelt werden können. Die Integration führt außerdem zu einer engen Kopplung an jeder Stelle der Spulenwicklung, sodass eine sehr genaue Bestimmung eines Fehlerorts, insbesondere des Ausgangspunkts von Supraleitungs-Zusammenbrüchen, möglich ist.
Weiterhin ist es günstig, wenn ein Drahtquerschnitt des mindestens einen supraleitenden Leiters kleiner ist als ein Drahtquerschnitt eines Spulenleiters der Spule. Ein kleiner Drahtquerschnitt führt zu einem geringen Platzbedarf der Leiteranordnung, sodass sich der supraleitende Leiter problemlos zwischen die Windungen des Spulenleiters mit einwickeln lässt. Außerdem bewirkt ein kleiner Drahtquerschnitt einen hohen Widerstand im normalleitenden Zustand. Wie bereits ausgeführt ist dies vorteilhaft, um ein starkes Messsignal zu erhalten und somit die erzielbare Messgenauigkeit zu erhöhen. Beispielsweise liegt der Drahtdurchmesser im Bereich zwischen 0,025 mm und 0,5 mm, vorzugsweise bei 0,1 mm. Dieser Drahtdurchmesser führt insbesondere bei einem supraleitenden Leiter mit einer CuNi-Matrix zu einem Widerstand von etwa 50 Ω/m. Hat die TDR-Einheit einen Eingangswiderstand von 50 Ω, so liegt die optimal erfassbare Leiterlänge bei etwa 1 m. Es werden also normalleitende Abschnitte einer Länge von etwa 1 m besonders genau detektiert. Wählt man dagegen einen dünneren Drahtdurchmesser, z.B. von 0,025 mm, so steigt der Widerstand pro Leiterlänge und die optimal erfassbare Leiterlänge sinkt auf etwa 1 cm. Umgekehrt sinkt der Widerstand pro Leiterlänge bei einem dickeren Drahtdurchmesser, z.B. von 0,5 mm, und die optimal erfassbare Leiterlänge steigt auf etwa 25 m.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Überwachung einer kryogenen Umgebung mittels einer supraleitenden TDR-Leiteranordnung,
2 ein Ausführungsbeispiel einer supraleitenden Magnetspule, an deren Außenumfang eine supraleitende TDR-Leiteranordnung gemäß 1 angebracht ist,
3 ein Ausführungsbeispiel eines Spulenleiters der Magnetspule gemäß 2 in Querschnittsdarstellung,
4 ein Ausführungsbeispiel eines Spulenleiters der Magnetspule gemäß 2 mit integrierter TDR-Leiteranordnung in Querschnittsdarstellung, und
5 ein Ausführungsbeispiel eines koaxialen supraleitenden Hochstromkabels, dessen Innen- und Außenleiter zugleich als TDR-Leiteranordnung gemäß 1 verwendet werden.
Einander entsprechende Teile sind in 1 bis 5 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung 1 zur Überwachung einer kryogenen Umgebung 2 gezeigt. In der kryogenen Umgebung 2 befindet sich eine zu überwachende supraleitende Hauptkomponente 3, bei der es sich beispielsweise um eine supraleitende Magnetspule oder auch um ein supraleiten des Stromkabel handeln kann. Außerdem ist in der kryogenen Umgebung 2 auch eine supraleitende TDR-Leiteranordnung 4 vorhanden, die unmittelbar benachbart zu der Hauptkomponente 3 angeordnet ist.
Die supraleitende TDR-Leiteranordnung 4 umfasst zwei elektrisch isolierte supraleitende Leiter 5 und 6, die – anders als im Ausführungsbeispiel gemäß 1 aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit dargestellt – miteinander verdrillt sind. Sie haben jeweils einen Drahtdurchmesser von 0,1 mm. Die Leiter 5 und 6 sind mittels nicht näher dargestellter Durchführungen 7 bzw. 8 in den Außenraum der kryogenen Umgebung 2 geführt. Dort ist ein lösbarer Anschluss an eine TDR-Einheit 9 vorgesehen. Die TDR-Einheit 9 umfasst einen Hochfrequenz-Puls-Generator sowie ein TDR-Oszilloskop. Weitere Komponenten, wie beispielsweise eine Speichereinheit können ebenfalls vorgesehen sein.
Am von der TDR-Einheit 9 abgewandten Ende laufen die Leiter 5 und 6 leer. Alternativ können die Leiter 5 und 6 hier auch kurzgeschlossen sein, insbesondere miteinander. Ebenso ist eine Beschaltung mit einem elektrischen Widerstand möglich. Bevorzugt befindet sich dieser Kurzschluss oder diese Widerstandsbeschaltung ebenfalls in der kryogenen Umgebung 2.
Die kryogene Umgebung 2 ist vorzugsweise mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium, wie beispielsweise flüssigem Helium oder Stickstoff gefüllt und befindet sich somit auf einer tiefen Temperatur. Ein ebenfalls vorhandener Kryostat ist bei der vereinfachten Darstellung gemäß 1 nur schematisch als ein die kryogene Umgebung 2 umschließendes Gehäuse angedeutet.
Im Folgenden werden auch unter Bezugnahme auf die beiden Diagramme, die in 1 unterhalb der Anordnung 1 wiedergegeben sind, die Funktionsweise und besondere Vorteile der Anordnung 1 näher beschrieben.
Die TDR-Einheit 9 erzeugt ein hochfrequentes TDR-Abfragesignal S, dessen Hauptfrequenzanteile mindestens bei 1 MHz liegen. Dieses TDR-Abfragesignal S wird in die TDR-Leiteranordnung 4 eingespeist und breitet sich dort in einer Längsrichtung z der Leiter 5 und 6 aus. Trifft das TDR-Abfragesignal S dabei auf eine Stelle mit einer Diskontinuität des (Wellen-) Widerstands, wird ein Teil reflektiert und läuft als ein TDR-Antwortsignal R zurück zur TDR-Einheit 9. Im Rahmen einer dort vorgenommenen Auswertung wird aus dem TDR-Antwortsignal R eine Widerstandsverteilung längs der supraleitenden TDR-Leiteranordnung 4 ermittelt. Eine derartige Widerstandsverteilung ist in dem unteren Diagramm von 1 gezeigt. Aufgetragen ist ein Widerstand R über der Längsrichtung z.
Befindet sich die Leiteranordnung 4 durchgängig in ihrem supraleitenden Zustand, hat sie an jeder Stelle einen praktisch verschwindenden elektrischen Widerstand R. Eine Reflektion des eingespeisten TDR-Abfragesignals S findet dann im Wesentlichen am Leitungsende der Leiteranordnung 4 statt. Das im ungestörten Zustand vorliegende Reflexionsverhalten ist bekannt und insbesondere in der TDR-Einheit 9 als Referenz abgelegt.
Beim in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kommt es in der Hauptkomponente 3 an einer Störstelle 10 zu einem Zusammenbruch der Supraleitung. Aufgrund des normalleitenden Zustands resultiert eine Erwärmung im Bereich der Störstelle 10 (= hot spot). Dieser lokale Anstieg der Temperatur T in der Hauptkomponente 3 wirkt sich ebenso auf die in unmittelbarer Nachbarschaft verlaufende Leiteranordnung 4 aus. Auch in der Leiteranordnung 4 findet im Bereich der Störstelle 10 ein Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand statt. Dies hat einen signifikanten Anstieg des lokalen Widerstands R in der TDR-Leiteranordnung 4 zur Folge.
Die beiden in 1 mit eingetragenen Diagramme geben eine Verteilung der Temperatur T (siehe oberes Diagramm) und des Widerstands R (siehe unteres Diagramm) in der Längsrichtung z der TDR-Leiteranordnung 4 wieder. An Stellen, an denen sich die TDR-Leiteranordnung 4 in ihrem supraleitenden Zustand befindet, liegt eine tiefe Temperatur T₁ und dementsprechend ein verschwindender Widerstand R₁ vor. An der Störstelle 10 steigt die Temperatur T auf einen Wert T₂, der insbesondere über einer kritischen Temperatur T_C liegt. Die kritische Temperatur T_c gibt den Temperaturgrenzwert an, ab dem ein Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand stattfindet. Da dieser Grenzwert im gezeigten Ausführungsbeispiel an der Störstelle 10 überschritten ist, steigt auch der Widerstand R an dieser Stelle auf einen im normalleitenden Zustand geltenden Wert R₂ an.
Diese Widerstandsänderung wird mittels des TDR-Abfragesignals S erfasst, so dass eine Aussage über den genauen Ort der Störstelle 10 getroffen werden kann.
Bei dem tiefen Temperaturwert T₁, also im supraleitenden Zustand, ist ein frequenzabhängiger (Wellen-)Impedanzbelag Z₁ der TDR-Leiteranordnung 4 durch folgende Formelbeziehung gegeben:
Im normalleitenden Zustand, also bei dem höheren Temperaturwert T₂, liegt dagegen ein Impedanzbelag Z₂ gemäß
vor, wobei mit L ein pro Längeneinheit angegebener Induktanzbelag der TDR-Leiteranordnung 4, mit C ein pro Längeneinheit angegebener Kapazitätsbelag der TDR-Leiteranordnung 4, mit G ein pro Längeneinheit angegebener elektrischer Querleitfähigkeitsbelag der Isolation der TDR-Leiteranordnung 4 und mit f eine Frequenz bezeichnet ist. Eine lokale Änderung des (Wel len-)Impedanzbelags Z der TDR-Leiteranordnung 4 verursacht eine charakteristische Reflexion des TDR-Abfragesignals S. Eine Messung der Zeitverzögerung zwischen dem Absenden des TDR-Abfragesignals S und dem Empfangen des rückreflektierten TDR-Antwortsignals R erlaubt eine genaue Bestimmung des Ortes, an dem es zu der störungsbedingten Impedanzänderung gekommen ist. Dieses Verfahren wird als Time Domain Reflectometry (= TDR) bezeichnet.
Das empfangene TDR-Antwortsignal R wird kontinuierlich in der TDR-Einheit 9 gespeichert. Zur Begrenzung des Speichervolumens kann die TDR-Einheit 9 einen Ringspeicher enthalten. Die empfangenen TDR-Antwortsignale R bleiben dann nur für einen begrenzten Zeitraum gespeichert, um danach von jüngeren TDR-Antwortsignalen R überschrieben zu werden. Im Ausführungsbeispiel reicht das Speichervolumen des Ringspeichers zur Speicherung der letzten zehn Sekunden aus. Sobald eine Unregelmäßigkeit erkannt wird, die man auf ähnliche Ursachen wie die in 1 an der Störstelle 10 auftretenden zurückführen könnte, wird das kontinuierliche Einschreiben in den Ringspeicher gestoppt, um eine detailliertere Analyse durchführen zu können.
Beim in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die charakteristische Widerstand- oder Impedanzänderung in der TDR-Leiteranordnung 4 durch einen von der Hauptkomponente 3 verursachten Temperaturanstieg hervorgerufen. Die Einflussgröße ist in diesem Fall also die Temperatur T. Grundsätzlich lässt sich der supraleitende Zustand und damit der Impedanzbelag Z der TDR-Leiteranordnung 4 auch durch andere Einflussgrößen, wie beispielsweise ein externes Magnetfeld, variieren. Die TDR-Leiteranordnung 4 kann also auch zur Detektion dieser anderen Einflussgrößen verwendet werden.
Das beschriebene Detektionsverfahren ist besonders empfindlich, wenn der maßgebliche Grenzwert für den Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand, im vorstehen den Ausführungsbeispiel also die kritische Temperatur T_c, zwischen den Werten liegt, die die Einflussgröße, im Ausführungsbeispiel die Temperatur T, im ungestörten und im gestörten Zustand einnimmt. Dieser Grenzwert lässt sich an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen.
So kann die kritische Temperatur T_C durch die Wahl des supraleitenden Materials, durch die Einprägung eines Vorspann (= Bias)-Stroms oder eines Vorspann (= Bias)-Magnetfelds eingestellt werden. Eine derartige Vorspannung führt zu einer Absenkung der kritischen Temperatur T_C. Auch die Materialwahl beeinflusst den Grenzwert. Mit den reinen, d.h. einelementigen, supraleitenden Metallen Niob (Nb) und Blei (Pb) ergibt sich ein wert der kritischen Temperatur von T_c ≈ 9,5 K bzw. T_C ≈ 7,2 K. Darüber hinaus weisen die folgenden mehrelementigen supraleitenden Materialien die jeweils angegebenen kritischen Temperaturwerte auf: NbTi (T_c ≈ 10 K), NbN (T_C ≈ 16,8 K), V₃Ge (T_C ≈ 14, 5 K), Nb₃Sn (T_C ≈ 18 K), Nb₃Ge (T_C ≈ 21 K), MgB₂ (T_C ≈ 40 K), YBa₂Cu₃O₇ (T_C ≈ 95 K), Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ (T_C ≈ 92 K), Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ (T_C ≈ 110 K).
Wählt man für die Leiter 5 und 6 der TDR-Leiteranordnung 4 ein anderes supraleitendes Material als das für die Hauptkomponente 3 verwendete supraleitende Material, kann für beide supraleitende Komponenten 3 und 4 jeweils eine andere kritische Temperatur T_C1 bzw. T_C2 eingestellt werden. Insbesondere findet der Supraleitungs-Zusammenbruch in der TDR-Leiteranordnung 4 dann bei einer niedrigeren Temperatur statt als in der zu überwachenden Hauptkomponente 3. Die TDR-Überwachung liefert also einen frühzeitigen Hinweis auf einen in der Hauptkomponente 3 drohenden Supraleitungs-Zusammenbruch, so dass noch rechtzeitig Gegenmaßnahmen, wie z.B. Stromabschaltungen, eingeleitet werden können. Beispielsweise wird für die zu überwachende Hauptkomponente 3 ein Material aus BSCCO-2223 mit einer kritischen Temperatur T_C1 von 110 K und für die Leiter 5 und 6 der TDR-Leiteranordnung 4 ein Material aus Bi-2212 mit einer kritischen Temperatur T_C2 von 98 K vorgese hen. Andere Kombinationen von supraleitenden Materialien sind grundsätzlich ebenfalls möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Hauptkomponente 3 ist in 2 gezeigt. Es ist eine Spulenanordnung 11 mit zwei im Wesentlichen baugleichen supraleitenden Magnetspulen 12 und 13, die in einen hohlzylinderförmigen Grundkörper 14 aus Aluminium eingefügt sind. Die Spulenanordnung 11 ist Bestandteil eines nicht näher gezeigten MR-Tomographen. Zur Aufnahme eines zu untersuchenden Patienten hat der Grundkörper 14 einen inneren Hohlraum. Die supraleitenden Magnetspulen 12 und 13 liefern das starke Grund-Magnetfeld des MR-Tomographen.
Die Magnetspulen 12 und 13 sind aus einem in 2 nicht näher gezeigten supraleitenden Spulenleiter hergestellt. Eine äußere Umfangfläche 15 und 16 der Magnetspule 12 bzw. 13 ist jeweils mit einer TDR-Leiteranordnung 17 bzw. 18 spiralförmig bewickelt. Die TDR-Leiteranordnungen 17 und 18 bestehen jeweils aus einem Paar verdrillter und elektrisch isolierter supraleitender Leiter. Sie sind mittels einer Abdeckung 19 und 20, die im Ausführungsbeispiel aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff besteht, in ihrer Lage fixiert.
Beim in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel haben die einzelnen Wicklungen der TDR-Leiteranordnungen 17 und 18 jeweils einen einheitlichen Abstand voneinander. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Ausführungsform möglich, bei der die TDR-Leiteranordnungen 17 und 18 im Bereich besonders kritischer Stellen der zu überwachenden Magnetspulen 12 bzw. 13 eine höhere Windungsdichte aufweisen. Die außen auf die Magnetspulen 12 und 13 aufgewickelten TDR-Leiteranordnungen 17 bzw. 18 gestatten eine Störstellendetektion in Richtung einer Spulenachse 21 und auch in einer Umfangsrichtung der Magnetspulen 12 bzw. 13.
Die TDR-Leiteranordnungen 17 und 18 lassen sich insbesondere zur Typ- oder Stück-Prüfung der Spulenanordnung 11 während des Entwicklungs- oder Fertigungsprozesses verwenden. Sie be nötigen nur wenig Platz und können deshalb auch nach Abschluss der Typ- oder Stück-Prüfung in dem MR-Tomographen bleiben. Sie beeinträchtigen die normale Funktionsweise dieses Geräts nicht. Während des Entwicklungs- und Fertigungsprozesses liefern sie frühzeitig wertvolle Hinweise auf mögliche Schwachstellen, die somit vergleichsweise kostengünstig behoben werden können. Der hierfür erforderliche Zusatzaufwand hält sich in Grenzen. Er betrifft pro MR-Gerät lediglich die TDR-Leiteranordnungen 17 und 18 sowie die in 2 nicht näher gezeigten Durchführungen durch die Wand des Kryostaten. Die außerhalb des Kryostaten auf Raumtemperatur angeordnete elektronische TDR-Einheit 9 wird nur in geringer Stückzahl, beispielsweise nur ein einziges Mal, benötigt. Sie lässt sich mehrfach zur Untersuchung einer Vielzahl von Spulenanordnungen 11 oder anderer Hauptkomponenten 3, die in einer kryogenen Umgebung angeordnet sind, verwenden.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Spulenleiters 22, der zur Herstellung der Wicklung der in 2 gezeigten Magnetspulen 12 und 13 verwendet werden kann, dargestellt. Der Spulenleiter 22 umfasst einen Komposit-Leiter 23 mit rundem Querschnitt, der mehrere in eine Matrix 24 aus Kupfer (Cu) eingebettete Filamentleiter 25 aus NbTi beinhaltet. Der Komposit-Leiter 23 wird deshalb auch als Multi-Filamentleiter bezeichnet. Aus Stabilitätsgründen ist er in einen äußeren Leiter 26 aus Cu mit rechteckigem Querschnitt eingefügt.
Anstelle der in 2 gezeigten äußeren Bewicklung der Magnetspulen 12 und 13 mit den TDR-Leiteranordnungen 17 bzw. 18 ist auch eine Integration in die Magnetspulen selbst möglich. Dabei werden die Leiter der TDR-Leiteranordnung und der Magnetspule gemeinsam gewickelt. Dies ist auch deshalb problemlos möglich, da die Leiter der TDR-Leiteranordnung einen deutlich kleineren Drahtquerschnitt aufweisen als der Spulenleiter 22.
Das gemeinsame Wickeln lässt sich besonders gut mit dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel eines kombinierten Spu len-/TDR-Leiters 27 realisieren. Dieser basiert auf dem Spulenleiter 22 gemäß 3. Zusätzlich ist an der Unterseite eine Ausnehmung 28 vorgesehen, in die ein mit einer elektrischen Isolierung 29 versehener supraleitender Leiter 30 eingesetzt ist. Letzterer enthält einen supraleitenden Filamentleiter 31 aus NbTi, der von einem normalleitenden Mantel 32 umgeben ist. Im Ausführungsbeispiel besteht der Mantel 32 aus CuNi. Diese Legierung hat einen höheren Widerstandswert als reines Kupfer und ist vorteilhaft, da dann beim Übergang in den normalleitenden Zustand ein höheres von der TDR-Einheit 9 zu detektierendes TDR-Antwortsignal R resultiert.
Eine mit dem kombinierten Spulen-/TDR-Leiter 27 hergestellte Magnetspule lässt sich ebenfalls an die TDR-Einheit 9 anschließen, wobei der supraleitende Leiter 30 den einen und der zu überwachende Spulenleiter 22 den anderen Leiter der TDR-Leiteranordnung 4 gemäß 1 bildet. Dadurch resultiert ein besonders kompakter Aufbau, bei dem ein zweiter gesondert ausgeführter supraleitender Leiter eingespart werden kann. Die Funktionsweise der vorstehend beschriebenen TDR-Überwachung ändert sich dadurch nicht.
Eine Magnetspule, die mittels des kombinierten Spulen-/TDR-Leiters 27 hergestellt ist oder bei der eine aus zwei gesonderten Leitern bestehende TDR-Leiteranordnung mit eingewickelt ist, erlaubt die Lokalisierung möglicher Fehlerstellen außer in Umfangsrichtung und in Richtung der Spulenachse 21 zusätzlich auch in radialer Richtung.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines koaxialen supraleitenden Hochstromkabels 33 gezeigt. Es enthält einen aus mehreren Einzelsträngen hergestellten supraleitenden Innenleiter 34 und einen ebenfalls aus mehreren Einzelsträngen hergestellten supraleitenden Außenleiter 35, zwischen denen eine elektrische Isolierung 36 angeordnet ist. Der Innenleiter 34 und der Außenleiter 35 sind gemäß ihrem Hauptbestimmungszweck zur Führung eines hohen Stroms vorgesehen. Darüber hinaus sind die beiden Leiter 34 und 35 aber auch an die TDR- Einheit 9 angeschlossen, um eine Überwachung des Hochstromkabels 33 auf mögliche Supraleitungs-Zusammenbrüche durchzuführen. Die Leiter 34 und 35 bilden somit zugleich auch eine TDR-Leiteranordnung. Sie haben eine Doppelfunktion, wobei aufgrund der verschiedenen Frequenzbereiche eine sichere Trennung beider Funktionen gewährleistet ist. Die Strom- bzw. Energieübertragung erfolgt üblicherweise bei der Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz, wohingegen das TDR-Abfragesignal S ebenso wie das TDR-Antwortsignal R im Frequenzbereich von oberhalb 1 MHz liegen.
In Abwandlung des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels ist es möglich, zwischen den Einzelsträngen des Innenleiters 34 und des Außenleiters 35 die supraleitenden Leiter einer dann wieder gesondert ausgebildeten TDR-Leiteranordnung mit einzuwickeln.
Die Überwachung des Hochstromkabels 33 erfolgt in ähnlicher weise wie bereits im Zusammenhang mit der Hauptkomponente 3 gemäß 1 und der Spulenanordnung 11 gemäß 2 beschrieben.

Claims

Verfahren zur Überwachung einer kryogenen Umgebung (2), wobei a) ein TDR-Abfragesignal (S) erzeugt wird, b) das TDR-Abfragesignal (S) in eine supraleitende TDR-Leiteranordnung (4; 17, 18) eingespeist wird, die sich in der kryogenen Umgebung (2) befindet, und deren supraleitender Zustand durch eine zu detektierende Einflussgröße (T) beeinflussbar ist, c) ein aufgrund des TDR-Abfragesignals (S) in der TDR-Leiteranordnung (4; 17, 18) bewirktes TDR-Antwortsignal (R) detektiert wird, d) aus dem TDR-Antwortsignal (R) eine Widerstandsverteilung der TDR-Leiteranordnung (4; 17, 18) ermittelt wird, und e) die Widerstandsverteilung auf eine durch die Einflussgröße (T) hervorgerufene Änderung untersucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kryogene- Umgebung (2) eine supraleitende Hauptkomponente (3; 11, 12, 13; 33) umfasst, und die TDR-Leiteranordnung (4; 17, 18) benachbart zu der Hauptkomponente (3; 11, 12, 13; 33) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende TDR-Leiteranordnung (4) außer zu einer Führung des TDR-Abfragesignals (S) und des TDR-Antwortsignals (R) zu einem anderen Hauptzweck verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Einflussgröße eine Temperatur (T) oder ein Magnetfeld vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Widerstandsverteilung eine Position und insbesondere eine Ausdehnung eines Einwirkungsorts (10) der Einflussgröße (T) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der Einflussgröße (T) zwischen einem unteren und einem oberen Grenzwert (T₁, T₂) überwacht wird, und die TDR-Leiteranordnung (4; 17, 18) so dimensioniert wird, dass ein kritischer Wert (T_C; T_C2), bei dem die TDR-Leiteranordnung (4; 17, 18) vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht, zwischen dem unteren und dem oberen Grenzwert (T₁, T₂) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kryogene Umgebung (2) eine supraleitende Hauptkomponente (3; 11, 12, 13; 33) mit einem ersten kritischer Wert (T_C1) der Einflussgröße (T) für den Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand umfasst, und die TDR-Leiteranordnung (4; 17, 18) so dimensioniert wird, dass ein zweiter kritischer Wert (T_C2) der Einflussgröße (T), bei dem die TDR-Leiteranordnung (4; 17, 18) vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht, kleiner ist als der erste kritische Wert (T_C1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die TDR-Leiteranordnung (4; 17, 18) mittels einer niederohmigen Durchführung (7, 8) durch eine Begrenzungswand der kryogenen Umgebung (2) an eine außerhalb der kryogenen Umgebung (2) angeordnete TDR-Einheit (9) angeschlossen wird.
Leiteranordnung zur Verwendung bei einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein supraleitender Leiter (5, 6; 30) mit mindestens einem in eine normalleitende Matrix (32) eingebetteten supraleitenden Filamentleiter (31) vorgesehen ist, und der mindestens eine supraleitende Leiter (5, 6; 30) an eine außerhalb einer kryogenen Umgebung (2) angeordnete und ein TDR-Abfragesignal (S) erzeugende TDR-Einheit (9) anschließbar ist.
Leiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine supraleitende Leiter (5, 6; 30) mit einer elektrischen Isolierung (29) versehen ist.
Leiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei miteinander verdrillte supraleitende Leiter (5, 6) vorgesehen sind.
Leiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (32) aus einem Material mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 10^–7 Ωm besteht.
Leiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein kombinierter Aufbau mit einer als eine Spule (12, 13) ausgebildeten supraleitenden Hauptkomponente (11) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine supraleitende Leiter (5, 6) auf eine äußere oder innere Umfangsfläche (15, 16) der Spule (12, 13) aufgewickelt ist.
Leiteranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Leiter (5, 6) mittels einer Deckschicht (19, 20) oder mittels einer Verklebung an der Umfangsfläche (15, 16) befestigt ist.
Leiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein kombinierter Aufbau mit einer als eine Spule (12, 13) ausgebildeten supraleitenden Hauptkomponente (11) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine supraleitende Leiter (30) zwischen Windungen der Spule (12, 13) mit eingewickelt ist.
Leiteranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Leiter (30) in einen Spulenleiter (22) der Spule (12, 13) integriert ist.
Leiteranordnung nach Anspruch 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drahtquerschnitt des mindestens einen sup raleitenden Leiters (5, 6; 30) kleiner ist als ein Drahtquerschnitt eines Spulenleiters (22) der Spule (12, 13).