DE102007013350A1

DE102007013350A1 - Stromzuführung mit Hochtemperatursupraleitern für supraleitende Magnete in einem Kryostaten

Info

Publication number: DE102007013350A1
Application number: DE102007013350A
Authority: DE
Inventors: Concetta Beneduce; Andreas Kraus; Michael Bauernschmitt
Original assignee: Bruker Biospin SAS
Current assignee: Bruker Switzerland AG
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-17
Also published as: DE102007013350B4; EP1970921B1; US20080227647A1; EP1970921A2; EP1970921A3

Abstract

Eine Kryostatenanordnung (1) für eine supraleitfähige Magnetanordnung, mit einem Heliumtank (2) für flüssiges Helium, wobei im Heliumtank (2) die supraleitfähige Magnetanordnung (6) angeordnet ist, mit einem Stickstofftank (3) für flüssigen Stickstoff, wobei der Stickstofftank (3) den Heliumtank (2) umgibt, und mit wenigstens einem Zugangsrohr (4), in dem eine Stromzuführungsanordnung montiert ist, durch die Strom vom raumtemperaturwarmen Bereich des Kryostaten (1) in die supraleitende Magnetanordnung (6) geleitet werden kann, wobei die Stromzuführungsanordnung mindestens eine Stromleitung mit einem normalleitenden Leitungsteil (13) und einem supraleitenden Leitungsteil (14) aus HTSL-Material aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlusspol (12) der mindestens einen Stromleitung, durch den der normalleitende Leitungsteil (13) mit dem supraleitenden Leitungsteil (14) elektrisch verbunden ist, thermisch an eine Wand des Stickstofftanks (3) gekoppelt ist. Damit ist eine einfache und kostengünstige Kühlung des Übergangs von HTSL zum Normalleiter in der Stromzuführung gewährleistet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kryostatenanordnung für eine supraleitfähige Magnetanordnung,
mit einem Heliumtank für flüssiges Helium, wobei im Heliumtank die supraleitfähige Magnetanordnung angeordnet ist,
mit einem Stickstofftank für flüssigen Stickstoff, wobei der Stickstofftank den Heliumtank umgibt,
und mit wenigstens einem Zugangsrohr, in dem eine Stromzuführungsanordnung montiert ist, durch die Strom von raumtemperaturwarmen Bereich des Kryostaten in die supraleitende Magnetanordnung geleitet werden kann,
wobei die Stromzuführungsanordnung mindestens eine Stromleitung mit einem normalleitenden Leitungsteil und einem supraleitenden Leitungsteil aus Hochtemperatursupraleiter(= HTSL)-Material aufweist.
Stromzuführungsanordnungen mit normalleitenden Leitungsteilen und supraleitenden Leitungsteilen aus HTSL-Material zum Laden von supraleitenden Magnetanordnungen in Kryostaten sind bekannt geworden zum Beispiel durch J. R. Hull, IEEE Transanctions an applied superconductivity, Vol. 3, No. 1, March 1993, S. 869–875.
Kryostatenanordnungen der eingangs genannten Art finden beispielsweise Verwendung für Messungen mit Kernspinresonanz (NMR) oder Elektronenspinresonanz (EPR) oder Labormagneten. Die enthaltenen supraleitenden Magnetanordnungen dienen zur Erzeugung starker Magnetfelder, wobei zum Erreichen des supraleitenden Zustands stabile, tiefe Temperaturen herrschen müssen, wie sie in einer solchen Kryostatenanordnung gewährleistet werden können.
Die supraleitende Magnetanordnung (Magnetspulensystem) ist in einem ersten Kryobehälter mit kryogener Flüssigkeit, üblicherweise flüssigem Helium, angeordnet, welcher von Strahlungsschilden, Superisolationsfolien und einem weiteren Kryobehälter mit kryogener Flüssigkeit, üblicherweise flüssigem Stickstoff, umgeben ist. Die Flüssigkeitsbehälter, Strahlungsschilde und Superisolationsfolien sind in einem äußeren Behälter untergebracht, welcher einen Vakuumraum begrenzt (= äußere Vakuumhülle, Außenmantel). Der supraleitende Magnet wird durch das verdampfende, ihn umgebende Helium gekühlt und auf konstanter Temperatur gehalten. Die den Heliumbehälter umgebenden Elemente dienen der Wärmeisolierung des Heliumbehälters, so dass der Wärmeeinfall auf den Heliumbehälter minimiert wird und die Abdampfrate des Heliums klein bleibt.
Der Heliumbehälter ist gewöhnlich an mindestens zwei dünnwandigen Aufhängerohren mit der äußeren Vakuumhülle verbunden. Zum einen wird der Behälter somit mechanisch fixiert, zum anderen bieten die Aufhängerohre Zugang zum Magneten, wie es z. B. beim Laden notwendig ist. Zudem wird das Verlustgas über die Aufhängerohre abgeführt, wodurch die Aufhängerohre wiederum gekühlt werden und im Idealfall der Wärmeeintrag über die Rohrwand komplett kompensiert wird. Ein derartiges System wird beispielsweise in DE 29 06 060 A1 und in der Druckschrift ,Superconducting NMR Magnet Design' (Concepts in Magnetic Resonance, 1993, 6, 255–273) beschrieben.
Das Laden des supraleitenden Magneten erfolgt üblicherweise über eine Stromzuführung, welche stationär eingebaut oder über eine Steckverbindung in eines der Aufhängerohre eingeführt wird. Die Stromzuführung stellt die Verbindung zwischen dem Magnet bei Tieftemperatur und dem Netzgerät bei Raumtemperatur dar.
Ein Typ solcher Stromzuführungen besteht aus Kupfer- oder Messingleitungen, deren Querschnitt für die gegebene Länge und den Magnetstrom optimiert ist und welche über das abströmende Heliumgas gekühlt werden. Eine derartige Zuleitung erreicht ohne Stromfluss einen minimalen Wärmeeintrag in der Größenordnung von 1 mW/A des Auslegungsstroms. Im Falle eines häufigen Lade- und Entladenvorgangs des supraleitenden Magneten steigt der Wärmeintrag zusätzlich infolge der im Leiter erzeugten Jouleschen Wärme.
Eine Möglichkeit zu einer wesentlichen Verringerung des Wärmeeintrags auf den Heliumbehälter besteht in der Verwendung einer zweiteiligen Stromzuführung, wobei der untere Teil von der Temperatur des Heliumbades (ca. 4 K) bis zu einer Temperatur zwischen 20 K und 90 K durch einen HTSL gebildet wird und der obere Teil bis Raumtemperatur durch einen abgasgekühlten Kupferleiter. Der Einsatz der HTSL erlaubt es, hohe elektrische Ströme bei, im Vergleich zum Kupfer/Messing, geringeren Wärmeleitfähigkeiten und Querschnittsflächen zu tragen. Da der Strom im Supraleiter verlustfrei fließen kann, ist der Wärmeeintrag auf das Heliumbad praktisch unabhängig vom Strom und nur durch die Wärmeleitung im Supraleiter bestimmt. Das Vermögen, hohe elektrische Ströme verlustfrei zu transportieren, verbunden mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit, bewirkt eine Reduzierung der He-Verluste und somit der Betriebskosten. Es gibt viele Artikel betreffend das Design der HTSL Stromzuführungen, insbesondere J. R. Hull, IEEE Transactions an Applied Superconductivity, 1993, 3, 869–875; R. Wesche und A. M. Fuchs, Cryogenics, 1994, 34, 145–154.
HTSL und Kupferleiter werden mit einem Übergangsstück durch Weichlöten verbunden. Insbesondere beim Laden des supraleitenden Magneten wird im metallischen Teil der Stromzuführung viel Joulesche Wärme erzeugt, welche den oberen Teil des HTSL über seine kritische Temperatur erwärmen würde. Der Übergang vom HTSL zum Normalleiter wird darum zusätzlich gekühlt, um die Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des HTSL halten zu können. Dies kann durch einen Wärmetauscher erfolgen, durch den Heliumgas oder flüssiger Stickstoff gepumpt wird. Eine solche Anordnung wird beispielsweise in US 5,563,369 oder US 5,166,776 beschrieben. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Übergang durch die Ankoppelung an eine Kältestufe eines Kryokühlers aktiv zu kühlen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in EP 870,307 oder in US 4,895,831 oder in US 5,991,647 beschrieben.
Die beschriebenen Anordnungen haben den Nachteil, dass die Kühlung durch zusätzliche Komponenten bzw. Kühlaggregate erfolgen muss, welche für den normalen Betrieb des Kryostaten nicht erforderlich sind oder den normalen Betrieb sogar stören. Durch die zusätzlichen Komponenten oder Kühlaggregate wird der Aufbau der Anordnungen aufwändig und teuer.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf einfache und kostengünstige Weise eine effiziente Kühlung des Übergangs vom HTSL zum Normalleiter in der Stromzuführung zu gewährleisten.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kryostatenanordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Anschlusspol der mindestens eine Stromleitung, durch den der normalleitende Leitungsteil mit dem supraleitenden Leitungsteil elektrisch verbunden ist, thermisch an eine Wand des Stickstofftanks gekoppelt ist.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Kühlung des mindestens einen Anschlusspols, in dem der Normalleiter-Teil und der HTSL-Teil der Stromleitung verbunden sind (etwa durch Weichlöten) mit Hilfe einer thermischen Kopplung zu dem im Kryostaten vorhandenen Stickstoffbehälter. Dieser Behälter ist unabhängig von der Stromzuführung Teil der Kryostatenanordnung.
Der Übergang vom metallischen Leiter zum HTSL-Leiter wird mit einer bevorzugt lösbaren und thermisch hochleitfähigen Verbindung an den Stickstoffbehälter gekoppelt, wobei und die Verbindung gleichzeitig eine galvanische Trennung gewährleistet. Die Temperatur des Stickstofftanks von ungefähr 77 K erlaubt es, den Übergang vom Normalleiter zum HTSL-Leiter im Temperaturbereich zwischen 81 und 90 K zu betreiben. Der Vorteil der Anordnung besteht auch darin, dass ein einfaches Aufhängerohr des Heliumbehälters mit wenigen Modifikationen für die Aufnahme der Stromzuführung verwendet werden kann.
Die thermische Kopplung wird typischerweise durch eine Festkörper-Verbindung des Anschlusspols zum Stickstofftank hergestellt, insbesondere über Kontaktelemente, Kontaktierungselemente und der gleichen aus gut wärmeleitfähigem Material, bevorzugt Kupfer, Aluminium und/oder Aluminiumnitrid. Ein Material kann in der Regel als gut wärmeleitfähig angesehen werden, wenn die Wärmeleitfähigkeit wenigstens 20 W/(K·m), bevorzugt wenigstens 100 W/(K·m), jeweils gemessen bei Raumtemperatur, beträgt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Eine Variante der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung sieht vor, dass ein gut wärmeleitendes Element, wie ein Wärmeleitblech aus Aluminium, im N₂-Behälter montiert wird. Verbindet dieses Element den Deckel und Boden des Behälters, bleibt selbst bei niedrigem LN₂-Level der Temperaturgradient vom Boden zum Deckel klein. Dieser thermische Kurzschluss erlaubt es somit, die Temperatur des Übergangs zwischen dem Normalleiter und dem HTSL Leiter unabhängig vom LN₂-Level auf einem niedrigeren Wert zu halten, selbst wenn das Kontaktelement thermisch mit dem Deckel des Stickstofftanks gekoppelt ist (d. h. die Verbindung des Anschlusspols zum Deckel des Stickstofftanks eingerichtet ist). Im Rahmen der Erfindung genügt es aber, wenn das Wärmeleitblech in den flüssigen Stickstoff eintaucht.
Bevorzugt besteht der HTSL-Leitungsteil aus Bandleitern. Bei der Temperatur des Übergangs vom Normalleiter zum HTSL-Leiter ist der kritische Strom I_c eines einzigen HTSL-Bandleiters sehr gering. Die Anzahl Bänder wird entsprechend dem Magnetstrom und der Stromtragfähigkeit des Bandes bei der maximalen Betriebstemperatur so gewählt, dass der Strom verlustfrei fließt. Bänder des gleichen Pols werden zu einem Stack zusammengelötet, um einen kompakten Stromleiter zu erhalten.
In einer bevorzugten Ausführung wird ein Multifilament-Bandleiter mit Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x mit einer kritischen Temperatur T_c von 110 K eingesetzt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Variante wird einen anderen HTSL mit einer kritischen Temperatur > 90 K, wie zum Beispiel YBa₂Cu₃O_x (T_c = 93 K) oder Bi₂Sr₂CaCu₂O_x (T_c = 95 K) eingesetzt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, mehrere einzelne und galvanisch getrennte Zuleitungen (Stromleitungen) für unterschiedliche Strombelastungen (etwa Spulensektionen der Magnetanordnung) in einer einzigen Stromzuführung zu integrieren, um unterschiedliche supraleitende Spulen der Magnetanordnung getrennt laden zu können. Dazu wird das warme Ende des HTSL-Teils sowie das kalte Ende des metallischen Teils einer Zuleitung mit einem Anschlusspol aus einem gut leitenden Metall wie z. B. Reinkupfer, verlötet. Die Anschlusspole der unterschiedlichen Zuleitungen sind elektrisch gegeneinander und gegen die Kryostatenanordnung isoliert und mit einem metallischen Kontaktstück (inneres Kontaktelement) durch ein elektrisch isolierendes und gut wärmeleitendes Material verbunden. Dieses Material besteht bevorzugt aus Aluminiumnitrid. In einer bevorzugten Anordnung wird das Aluminiumnitrid mit einem lötbaren Metallfilm beschichtet und durch Löten mit dem Anschlusspol und dem Kontaktstück verbunden.
Als weitere bevorzugte Variante weist jeder Anschlusspol eine elektrisch isolierende und gut wärmeleitende Beschichtung auf. Diese Beschichtung besteht bevorzugt aus einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht (DLC). Der Anschlusspol dieser Variante wird bevorzugt konisch ausgeführt und in eine konische Bohrung des Kontaktstücks (inneres Kontaktelement) gepresst, wodurch eine elektrisch isolierte und gut wärmeleitende Verbindung entsteht.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieser Erfindung wird das Kontaktstück (inneres Kontaktelement) konisch ausgeführt und bei der Montage der Kryostatenanordnung in ein äußeres Kupferteil (äußeres Kontaktelement) gepresst. Diese Verbindung gewährleistet infolge der hohen Flächenpressung einen ausgezeichneten Wärmeübergang kann einfach wieder gelöst werden und ist sehr kompakt. Das Kontaktstück (inneres Kontaktelement) erlaubt durch Öffnungen den Durchfluss von verdampfendem Heliumgas vom Heliumbehälter und damit eine Heliumgaskühlung der Stromzuführung über seine gesamte Länge. Das äußere Kupferteil (äußeres Kontaktelement) wird im Vakuum über ein thermisch gut leitendes Metall mit dem Stickstoffbehälter verbunden. Mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung resultiert ein Wärmewiderstand von weniger als 0.5 K/W zwischen den Anschlusspolen und dem Stickstoffbehälter.
Es ist auch denkbar, eine derartige kompakte Kontaktverbindung dann einzusetzen, wenn die Anschlusspole nicht über eine Ankopplung an den Stickstoffbehälter, sondern mit einer anderen Kältequelle, wie z. B. einem Kryokühler, gekühlt werden. Dies wäre für kryogenfreie Magnetsysteme, aber besonders auch für Magnetsysteme interessant, bei denen der Magnet immer noch mit LHe gekühlt wird (wie beispielsweise in US 2002 002 830 beschrieben) und die Stromzuführung in einem Aufhängerohr des Heliumbehälters montiert ist.
Die erfindungsgemäße Stromzuführung erreicht ohne Stromfluss einen minimalen Wärmeeintrag, welcher 3 bis 4 mal kleiner ist als der Wärmeeintrag einer metallischen Stromzuführung.
Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt den Betrieb der Stromzuleitung bis zu einem Strom von ca. 150 A mit gegenüber dem stromlosen Zustand vergleichbaren Heliumverlusten. Infolge des guten Wärmekontaktes zum Stickstoffbehälter steigen lediglich die Stickstoffverluste stetig mit steigender Stromstärke in der Stromzuleitung. Die maximale Stromstärke in der Stromzuleitung wird durch den kritischen Strom des HTSL-Leiters bei der sich einstellenden Temperatur und bei dem magnetischen Feld am Ort der Anschlusspole limitiert.
Insbesondere für Ladeströme über 150 A in der Stromzuleitung kann die Kühlung an den Anschlusspolen verstärkt werden. In einer weiteren vorteilhaften Anordnung wird die Temperatur des Übergangs Metall-HTSL überwacht, beispielsweise mit einem Temperatursensor. Die Überwachung bzw. eine Steuerung kann im Netzgerät implementiert werden. Falls die Temperatur einen oberen Schwellenwert überschreitet, wird eine Heizung im Helium-Behälter aktiviert, um einen zusätzlichen geringen Heliumverlust zu produzieren. Der zusätzliche Heliumverlust führt zu einer verbesserten Kühlung der Stromzuführung durch vorbeiströmenden, kalten Heliumdampf. Die Heizung wird ausgeschaltet, sobald die Temperatur einen unteren Schwellewert unterschreitet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Zeichnung und detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kryostatenanordnung;
2 eine schematische Darstellung des Zugangsrohrs der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung;
3 eine schematische Darstellung des Bereichs um die Anschlusspole der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung;
4 einen schematischen Querschnitt durch das innere Kontaktelement der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung.
1 zeigt eine Kryostatanordnung mit einem inneren und äußeren Flüssigkeitstank und einer supraleitenden Magnetspule sowie zwei Aufhängerohren.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kryostaten 1 mit einer Magnetanordnung 6. Der Kryostat 1 umfasst einen mit Helium gefüllten Flüssigkeitstank (Heliumtank) 2, der an Aufhängerohren 4 mit einem Außenmantel 9 des Kryostaten 1 verbunden ist und in dem eine supraleitende Magnetanordnung 6 untergebracht ist. Die Aufhängerohre 4 sind gleichzeitig Zugangsrohre 4 für Stromzuführungsanordnungen (siehe 2) zur Magnetanordnung 6. Um den Flüssigkeitstank 2 ist ein weiterer Flüssigkeitstank (Stickstofftank) 3 angeordnet, der Stickstoff bei ca. 77 K enthält und an Aufhängerohren 5 mit dem Außenmantel 9 des Kryostaten 1 verbunden ist. Der Flüssigkeitstank 3 mit Stickstoff ist thermisch mit den Aufhängerohren (Zugangsrohren) 4 kontaktiert. Zwischen den beiden Flüssigkeitstanks 2 und 3 ist ein Strahlungsschild 7 angeordnet, der wiederum mit den Aufhängerohren 4 thermisch kontaktiert ist. Im Flüssigkeitstank 2 ist ein Heizwiderstand (Heizeinrichtung) 11 montiert. Der Flüssigkeitstank (Stickstofftank) 3 enthält ein Wärmeleitelement 10, das mit dem Deckel des Stickstofftanks verschweißt ist.
2 zeigt eine Darstellung des Stromzuführungsturms mit eingesetzter Stromzuführung.
In zumindest einem der Aufhängerohre (Zugangsrohre) 4 ist erfindungsgemäß eine Stromzuführung eingesetzt. Die Stromzuführung umfasst einem metallischen Teil 13 mit mehreren (hier dargestellt zwei) galvanisch getrennten Leitungen (von Raumtemperatur bis zum Anschlusspol 12) und einen HTSL-Teil 14 (vom Anschlusspol 12 bis zum Flüssigkeitstank 2) mit galvanisch getrennten Bandleitern oder Bandleiterstacks. Die Verbindung des metallischen Teils 13 mit dem HTSL-Teil 14 wird durch Anschlusspole 12, welche mit den beiden Leitern 13, 14 verlötet werden, hergestellt. Die Anschlusspole 12 sind innerhalb eines inneren Kontaktkonus (inneres Kontaktelement) 16 angeordnet. Der innere Kontaktkonus 16 liegt formschlüssig innerhalb eines äußeren Kontaktkonus (äußeres Kontaktelement) 15, welcher seinerseits mit einem gut wärmeleitenden Element 8, wie (hier) ein Kontaktierungsrohr oder hochleitfähige Litzen aus Reinkupfer, verschraubt bzw. verflanscht ist. Das Kontaktierungselement 8 ist mit der kalten Fläche 17 des Flüssigkeitstanks (Stickstofftank) 3 verbunden.
3 zeigt eine bevorzugte Anordnung des inneren 16 und äußeren 15 Kontaktkonus. Bei der Montage der Stromzuführung wird der innere Konus 16 mit hoher Flächenpressung gegen den äußeren Konus 15 gepresst. Der Konuswinkel liegt zwischen 1 und 5°. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung kann mit geringer Montagekraft eine lösbare Verbindung mit hoher Flächenpressung und gutem Wärmübergang hergestellt werden. Die lösbare Verbindung erleichtert einen Zugang, etwa für Reparaturzwecke.
4 zeigt eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Kontaktanordnung.
4 zeigt eine bevorzugte Anordnung von (hier dargestellt) beispielsweise sechs getrennten Anschlusspolen 12 innerhalb des inneren Kontaktkonus (inneren Kontaktelements) 16. Zwischen Anschlusspolen 12 und Konus 16 sind dünne Aluminiumnitrid-Plättchen (Kontaktplättchen) 18 eingelötet. Das Aluminiumnitrid gewährleistet die galvanische Trennung bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit. Die metallischen Leiter werden in entsprechende Bohrungen der Anschlusspole 12 eingelötet. In der gezeigten Ausführungsform sind die Anschlusspole 12 mit je zwei benachbarten Seitenflächen in einer Ecke der Durchbruchöffnung 19 über Kontaktelemente 18 aus AlN mit dem inneren Kontaktelement 16 verbunden.
Diese Ausführung erlaubt die kompakte Anordnung unterschiedlicher und galvanisch getrennter Leitungen innerhalb eines standardmäßigen Aufhängerohres mit einem Innendurchmesser von (hier) beispielsweise 29 mm. Die offene Anordnung der Anschlusspole lässt eine genügende Öffnung (Durchbruchöffnung) 19 für das Durchströmen des vom Flüssigkeitstank 2 abdampfenden Heliums. Dies erlaubt die Heliumgaskühlung auf der gesamten Länge der Stromzuführung.
Zusammenfassend beschreibt die Erfindung eine Stromzuführungsanordnung innerhalb einer Kryostatenanordnung, mit der elektrischer Strom von Raumtemperatur in eine supraleitende Magnetanordnung geleitet werden kann. Die Stromzuführung besteht aus einem metallischen Teil und einem Teil mit HTSL, welche innerhalb eines Aufhängerohres montiert sind. Die Anordnung sieht vor, dass die galvanisch getrennten Anschlusspole zwischen dem metallischen Teil und den HTSL-Bändern der Stromzuführung über eine demontierbare konisch formschlüssige Verbindung über einen inneren und äußeren Kontaktkonus mit dem Stickstoffbehälter verbunden sind.

1: Kryostat
2: Heliumtank
3: Stickstofftank
4, 5: Aufhängerohre
4a, 4b: Abschnitte Aufhängerohr 4
6: Supraleitende Magnetanordnung
7: Strahlungsschild
8: Kontaktierungselement
9: Außenmantel des Kryostaten
10: Wärmeleitelement
11: Heizung
12: Anschlusspol
13: Metallische Stromleitungen
14: HTSL Bänder oder Stacks
15: Äußerer Kontaktkonus
16: Innerer Kontaktkonus
17: Wand des Stickstoffbehälters
18: Isolationsplättchen
19: Durchbruchöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2906060 A1 [0005]
- US 5563369 [0009]
- US 5166776 [0009]
- EP 870307 [0009]
- US 4895831 [0009]
- US 5991647 [0009]
- US 2002002830 [0024]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- J. R. Hull, IEEE Transanctions an applied superconductivity, Vol. 3, No. 1, March 1993, S. 869–875 [0002]
- ,Superconducting NMR Magnet Design' (Concepts in Magnetic Resonance, 1993, 6, 255–273) [0005]
- J. R. Hull, IEEE Transactions an Applied Superconductivity, 1993, 3, 869–875 [0008]
- R. Wesche und A. M. Fuchs, Cryogenics, 1994, 34, 145–154 [0008]

Claims

Kryostatenanordnung (1) für eine supraleitfähige Magnetanordnung, mit einem Heliumtank (2) für flüssiges Helium, wobei im Heliumtank (2) die supraleitfähige Magnetanordnung (6) angeordnet ist, mit einem Stickstofftank (3) für flüssigen Stickstoff, wobei der Stickstofftank (3) den Heliumtank (2) umgibt, und mit wenigstens einem Zugangsrohr (4), in dem eine Stromzuführungsanordnung montiert ist, durch die Strom von raumtemperaturwarmen Bereich des Kryostaten (1) in die supraleitende Magnetanordnung (6) geleitet werden kann, wobei die Stromzuführungsanordnung mindestens eine Stromleitung mit einem normalleitenden Leitungsteil (13) und einem supraleitenden Leitungsteil (14) aus HTSL-Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlusspol (12) der mindestens eine Stromleitung, durch den der normalleitende Leitungsteil (13) mit dem supraleitenden Leitungsteil (14) elektrisch verbunden ist, thermisch an eine Wand des Stickstofftanks (3) gekoppelt ist.
Kryostatenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusspol (12) an einem inneren Kontaktelement (16) befestigt ist, dass das innere Kontaktelement (16) an einem äußeren Kontaktelement (15) demontierbar befestigt ist, und dass das äußere Kontaktelement (15) thermisch mit der Wand des Stickstofftanks (3) gekoppelt ist.
Kryostatenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Kontaktelement (16) eine konische Außenfläche aufweist, dass das äußere Kontaktelement (15) eine konische Innenfläche aufweist, und dass die konische Außenfläche und die konische Innenfläche formschlüssig aneinandergrenzen, insbesondere wobei das innere Kontaktelement (16) in das äußere Kontaktelement (15) eingepresst ist.
Kryostatenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Kontaktelement (15) mit einem gut wärmeleitenden Kontaktierungselement (8), insbesondere einem Kontaktierungsrohr oder einer hochleitfähigen Litzenanordnung aus Reinkupfer, am Stickstofftank (3) befestigt ist, insbesondere mittels einer Flanschverbindung.
Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am äußeren Kontaktelement (15) zwei gegenüberliegende Abschnitte des Zugangsrohrs (4a und 4b) befestigt sind.
Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Kontaktelement (16) eine Durchbruchöffnung (19) aufweist, insbesondere wobei die Durchbruchöffnung (19) so ausgebildet ist, dass aus dem Heliumtank (2) verdampfendes Heliumgas durch die Durchbruchöffnung (19) strömt und dabei die Stromzuführungsanordnung auf seiner gesamten Länge kühlt.
Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusspol (12) mittels mindestens einem Kontaktplättchen (18) am inneren Konuselement (16) befestigt ist, insbesondere durch verlöten, wobei das mindestens eine Kontaktplättchen (18) aus elektrisch isolierendem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.
Kryostatenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kontaktplättchen (18) aus Aluminiumnitrid besteht, insbesondere wobei das Kontaktplättchen (18) beidseitig eine Beschichtung aus Metall aufweist, so dass es mit einem Weichlot gelötet werden kann.
Kryostatenanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusspol (12) einen rechteckigen, insbesondere quadratischen, Querschnitt aufweist, dass an zwei benachbarten Seitenflächen des Anschlusspols (12) jeweils ein Kontaktplättchen (18) befestigt ist, dass zwei benachbarte Kontaktplättchen (18) des Anschlusspols (12) in einer Ecke einer Durchbruchöffnung (19) des inneren Kontaktelements (16) befestigt sind, insbesondere durch verlöten, und dass nicht mit Kontaktplättchen (18) versehene Seitenflächen des Anschlusspols (12) vom inneren Kontaktelement (16) beabstandet ist.
Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusspol (12) konisch ausgebildet ist und in eine entsprechende konische Bohrung des inneren Kontaktelements (16) eingepresst ist.
Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusspol (12) eine elektrisch isolierende und gut wärmeleitfähige Beschichtung aufweist, insbesondere wobei die Beschichtung aus einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht (= DLC) besteht.
Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführungsanordnung mehrere galvanisch getrennte Stromleitungen und entsprechend mehrere Anschlusspole (12) aufweist, die am inneren Kontaktelement (16) befestigt sind.
Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Leitungsteil (14) aus Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x-Bandleiter ausgebildet ist.
Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Leitungsteil (14) eine kritische Temperatur Tc > 90 K aufweist, insbesondere wobei der supraleitende Leitungsteil (14) aus YBa₂Cu₃O_x oder Bi₂Sr₂CaCu₂O_x ausgebildet ist.
Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gut wärmeleitendes Element (10) im Stickstofftank (3) vorgesehen ist, insbesondere wobei das gut wärmeleitende Element (10) als Wärmeleitblech ausgebildet ist, wobei das Wärmeleitblech bevorzugt aus Aluminium gefertigt ist.
Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor zur Überwachung der Temperatur des Anschlusspols (12) vorgesehen ist, dass eine Heizeinrichtung (11) im Heliumtank (2) vorgesehen ist, und dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, bei Überschreiten einer Grenztemperatur am Anschlusspol (12) die Heizeinrichtung (11) zu aktivieren.