DE102008056613A1

DE102008056613A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Lokalisierung eines Quench in einem supraleitenden Leiter

Info

Publication number: DE102008056613A1
Application number: DE102008056613A
Authority: DE
Inventors: Robert Baumgartner; Daniel Evers; Martin Glänzer; Marjin Pieter Dr. Oomen; Klaus Dr. Pistor
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2010-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion und Lokalisierung eines Quench eines supraleitenden Leiters. In unmittelbarer Nähe des supraleitenden Leiters ist eine supraleitende Detektorleitung angebracht. Bei einem Quench des Leiters wird die Detektorleitung lokal erwärmt und wird dadurch normalleitend, wodurch sich die Impedanz lokal ändert. Ein in die Detektorleitung eingespeistes Signal wird am Ort der Impedanzänderung teilweise reflektiert. Aus der Laufzeit des Signals zur Impedanzänderung und zurück zu einem Empfänger lässt sich der Quench-Ort bestimmen. Die Frequenz des eingespeisten Signals wird einem bekannten Muster folgend variiert. Aus einem Vergleich der Frequenzen des eingespeisten Signals und des reflektierten Signals lässt sich die Laufzeit des Signals in der Detektorleitung bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion und Lokalisierung eines Quench in einem supraleitenden Leiter.
Bei supraleitenden Leitern wie bspw. bei den supraleitenden Magnetspulen einer Magnetresonanztomographie-Anlage ist nicht auszuschließen, dass die Leiter aufgrund lokaler Wärmeentwicklung punktuell normalleitend werden. Dies führt zu einem zunächst lokal begrenzten Zusammenbruch der Supraleitung, d. h. zu einem Übergang in den normalleitenden Zustand. Einen derartigen Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand bezeichnet man als „Quench”. Die Normalleitung resultiert aufgrund des die normalleitende Stelle durchfließenden Stroms in einer zusätzlichen Wärmeentwicklung. Die entstehende Wärme muss abgeführt werden, was einen erhöhten Bedarf an Kühlmittel bedingt. Nicht ungewöhnlich ist es, dass beim Auftreten eines Quench eine erhebliche Menge des Kühlmittels innerhalb kürzester Zeit verdampft. Darüber hinaus breitet sich der normalleitende Bereich aufgrund der Wärmeentwicklung immer weiter aus, so dass im Endeffekt der komplette Leiter normalleitend wird. Bspw. im Falle einer Anwendung eines supraleitenden Leiters in einem Magneten einer Magnetresonanztomographie-Anlage (MRT) muss der gesamte Magnet beim Auftreten eines Quench abgeschaltet werden. Da sich auch der Magnet aufgrund der beim Quench entstehenden Wärme aufheizt, muss eine gewisse Zeit abgewartet werden, bis der Magnet bzw. das Magnetfeld wieder hochgefahren werden kann.
Ein Quench kann bspw. auftreten, wenn der supraleitende Leiter im Magnetsystem unvorhergesehenen Umständen ausgesetzt ist wie bspw. zu hohen Temperaturen oder Magnetfeldern, unzureichender mechanischer Fixierung etc. Auch kann ein Quench auf Fehler in der Auslegung oder im Herstellungsprozess des supraleitenden Magneten zurückzuführen sein. Um also die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines solchen Ereignisses im fertigen Produkt zu minimieren, ist es beim ersten. Test eines neu entwickelten supraleitenden Magnetsystems von Interesse, den Ort zu kennen, an dem ein Quench aufgetreten ist bzw. seinen Ausgangspunkt hatte. Mit dieser Information kann die Qualität und die Produktivität bei der Produktion erhöht werden. Hierzu sind natürlich auch Daten nützlich, die von einem supraleitenden Leiter gewonnen werden, bei dem nicht schon in der Testphase sondern erst im laufenden Routinebetrieb ein Quench aufgetreten ist.
Ein Verfahren zur Lokalisierung eines Quench wird in der DE 10 2006 022 363 A1 beschrieben. Hier wird ein TDR-Verfahren (Time Domain Reflektometrie, d. h. eine im Zeitbereich stattfindende Reflektometrie) verwendet, bei dem ein gepulstes elektromagnetisches Signal in eine supraleitende TDR-Leiteranordnung gespeist wird. Die TDR-Leiteranordnung befindet sich in unmittelbarer Umgebung eines supraleitenden Leiters, der hinsichtlich des Auftretens eines Quench überwacht werden soll. Tritt in diesem Leiter ein Quench auf, so erwärmt sich der Leiter und mit ihm die supraleitende TDR-Leiteranordnung, resultierend in einer Impedanzänderung. Dies führt dazu, dass ein in die TDR-Leiteranordnung eingespeister elektromagnetischer Puls an der Stelle der Erwärmung aufgrund der veränderten Impedanz zumindest teilweise reflektiert wird. Aus der zeitlichen Differenz zwischen dem Einspeisen des Pulses und dem Empfang der Reflektion an einem Empfänger lässt sich der Ort des Quenches bestimmen.
Der elektromagnetische Puls breitet sich bei leitungsgebundenen Systemen typischerweise mit annähernd 2/3 der Lichtgeschwindigkeit aus, d. h. der Puls legt innerhalb von Ins etwa 0,2 m zurück. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Puls zur Stelle der Impedanzänderung und wieder zurück laufen muss, ist es notwendig, bspw. um eine Entfernungsänderung von 1 m erfassen zu können, das reflektierte Signal mindestens alle 10 ns abzutasten. Dies entspricht einer Abtastfrequenz ei nes Analog-Digital-Wandlers von 10^8 Samples/s. Derart schnelle Analog-Digital-Wandler erfordern eine schnelle digitale Schnittstelle. Sowohl der Wandler als auch die Schnittstelle sind jedoch sehr kostenintensiv.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Quench in einer supraleitenden Leitung mit kostengünstigen und einfachen Mitteln zu lokalisieren.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung zur Lokalisierung eines Quenches in einem supraleitenden Leiter wird die Impedanzänderung einer supraleitenden Detektorleitung genutzt, die dadurch ausgelöst wird, dass aufgrund des Quenches im supraleitenden Leiter auch die Detektorleitung normalleitend wird. Die Detektorleitung ist in unmittelbarer Nähe des supraleitenden Leiters angeordnet, welcher hinsichtlich des Auftretens eines Quenches überwacht werden soll. Quencht der supraleitende Leiter, so wird aufgrund der hierbei erzeugten Wärme und der unmittelbaren Nähe auch die supraleitende Detektorleitung normalleitend. Dies bewirkt, dass sich die Impedanz der Detektorleitung am Ort des Auftretens des Quenches ändert. Da die Detektorleitung derart in unmittelbarer Nähe des supraleitenden Leiters angeordnet ist, dass ein Ort auf der Detektorleitung eindeutig einem Ort auf dem supraleitenden Leiter zugeordnet ist, kann auf den Ort des Auftretens des Quenches in dem supraleitenden Leiter geschlossen werden, indem der Quench-Ort in der Detektorleitung lokalisiert wird.
Zur Detektion und Lokalisierung des Quenches wird mit Hilfe einer Sendeeinrichtung ein elektromagnetisches Signal erzeugt und in die Detektorleitung eingespeist. Am Ort der Impedanzänderung wird das Signal zumindest teilweise reflektiert und gelangt so über die Detektorleitung zurück zu einer Empfangseinrichtung.
Erfindungsgemäß wird die Frequenz des elektromagnetischen Signals in der Sendeeinrichtung nach einem vorgegebenen Muster zeitlich variiert, d. h. es ist zu jedem Zeitpunkt bekannt, mit welcher Frequenz das elektromagnetische Signal in die Detektorleitung eingespeist wurde. Aus einem Vergleich der Frequenz des empfangenen, reflektierten Signals und der Frequenz des zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugten Signals wird schließlich der Ort des Auftretens des Quenches ermittelt.
Dabei wird zur Bestimmung des Quench-Ortes insbesondere die Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des empfangenen, reflektierten Signals und der Frequenz des zu dem bestimmten Zeitpunkt erzeugten Signals ermittelt.
Das empfangene, reflektierte Signal und das in der Sendeeinrichtung erzeugte Signal werden zur Bestimmung der Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des empfangenen, reflektierten Signals und der Frequenz des zu dem bestimmten Zeitpunkt erzeugten Signals in einen Mischer eingespeist und dort gemischt. Die Frequenz des Ausgangssignals des Mischers entspricht dann der Differenzfrequenz.
Aus der Differenzfrequenz wird anhand des vorgegebenen Musters eine Laufzeit des elektromagnetischen Signals und aus der Laufzeit der Ort des Auftretens des Quenches ermittelt.
Bei dem bestimmten Zeitpunkt handelt es sich vorteilhafterweise um denjenigen Zeitpunkt, zu dem ein reflektiertes Signal empfangen wird.
Vorteilhafterweise wird die Frequenz des ausgesendeten Signals einer linearen Frequenzrampe folgend variiert. Dies hat den Vorteil, dass die Genauigkeit der Messung zeitlich konstant ist.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem TDR-Verfahren liegt darin, dass prinzipbedingt eine wesentlich niedrigere Abtastfrequenz ausreicht.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem FMCW- oder einem FSCW-Radar gegenüber dem TDR-Verfahren liegt darin, dass eine an die Sendefrequenz angepasste Leistung ausgesendet werden kann. Bei den verwendeten Detektorleitungen ist üblicherweise die Dämpfung bei zunehmender Frequenz höher. Dies führt dazu, dass hohe Frequenzen nur noch sehr schwach empfangen werden können. Bei einem TDR-System wird nur ein Puls ausgesendet, zu dessen Erzeugung bekanntermaßen ein sehr breites Frequenzspektrum benötigt wird. Wird ein stärkerer Puls ausgesendet, so müssen immer alle Frequenzen verstärkt werden. Da beim FMCW- bzw. beim FSCW-Verfahren die verschiedenen Frequenzen nicht zu ein und demselben Zeitpunkt ausgesendet werden, hat man hier die Möglichkeit, die Verstärkung bzw. Dämpfung des ausgesendeten Signals je nach Frequenz anzupassen. Dadurch wird es möglich, eine höhere Bandbreite für die Messung zu nutzen, was zu einer besseren Auflösung bzw. zu einer höheren Genauigkeit führt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt:
1 eine MRT-Anlage mit einer Vorrichtung zur Quench-Lokalisierung,
2 den zeitlichen Verlauf der Frequenz eines gesendeten und eines empfangenen Signals,
3 einen Transceiver mit einer Sende- und einer Empfangseinrichtung.
In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
Die 1A zeigt eine Anordnung zur Lokalisierung eines Quenches Q in einem supraleitenden Leiter 10. Ausgehend von einem Transceiver 30, der eine Sendeeinrichtung 31 und eine Empfangseinrichtung 32 enthält, erstreckt sich eine supraleitende Detektorleitung 20 über einen Einspeisepunkt A in eine kryogene Umgebung 40, in der sich auch der supraleitende Leiter 10 befindet. Die Detektorleitung 20 kann bspw. eine koaxiale Leitung oder eine symmetrische Wellenleitung sein.
Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem supraleitenden Leiter 10 um die ein magnetisches Grundfeld erzeugende supraleitende Spule 10 einer MRT-Anlage. Die Spule 10 hat die Form eines Hohlzylinders mit einem Außenradius r und einer Länge b. Ein derartiger Hohlzylinder entspricht im Prinzip einer aufgerollten zweidimensionalen ebenen Fläche mit einer Breite 2πr und einer Länge b. Die dritte Dimension, d. h. die Stärke bzw. Dicke der Fläche wird hier nicht betrachtet. Der Ort d1 des Auftretens des Quenches Q ist demnach in zwei Dimensionen zu bestimmen.
Eine Draufsicht auf eine solche supraleitende Spule 10 zeigt die 1B. Die supraleitende Detektorleitung 20 umgibt die Spule 10 spiralförmig in mehreren Wicklungen. In der 1A ist die Detektorleitung 20 aus Gründen der Veranschaulichung beabstandet zu der supraleitenden Spule 10 dargestellt. Tatsächlich wird die Detektorleitung 20 jedoch in unmittelbarer Nähe der supraleitenden Spule 10 angeordnet, d. h. idealerweise direkt auf der Oberfläche der Spule 10.
Wenn in der supraleitenden Spule 10 ein Quench Q auftritt, so erwärmt sich zwangsläufig auch die supraleitende Detektorleitung 20, resultierend in einem lokalen Zusammenbruch der Supraleitung und einer lokalen Impedanzänderung in der Detektorleitung 20. Zur Lokalisierung des Quench Q in der supraleitenden Spule 10 wird zunächst die Impedanzänderung in der Detektorleitung 20 lokalisiert.
Es wird nun bspw. zu einem Zeitpunkt t1 in der Sendeeinrichtung 31 ein Signal S(f(t1)) mit einer Frequenz f(t1) erzeugt und in die Detektorleitung 20 eingespeist. Das Signal S(f(t1)) wandert über eine Strecke x entlang der Detektorleitung 20 bis zum Ort der Impedanzänderung, wobei sich die Strecke x = x0 + x1 aus einer konstanten und bekannten Strecke x0 von der Sendeeinrichtung 31 bis zum Einspeisepunkt A und aus der Strecke x1 vom Einspeisepunkt A zum Querich-Ort zusammensetzt. Am Quench-Ort wird das Signal S(f(t1)) zumindest teilweise reflektiert. Das reflektierte Signal R(f(t1)) mit der Frequenz f(t1) wandert zurück zum Transceiver 30 und wird zu einem Zeitpunkt t2 in der Empfangseinrichtung 32 empfangen. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 ist eine Zeit Δt vergangen, die der Laufzeit Δt des Signals in der Detektorleitung 20 von der Sendeeinrichtung zum Ort der Impedanzänderung und zurück entspricht und die vom Ort des Auftretens des Quenches Q bzw. von der Strecke x = x0 + x1 abhängt.
Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung der Koordinate x bzw. x1 die Frequenz f des elektromagnetischen Signals S nach einem vorgegebenen Muster f(t) zeitlich variiert, d. h. es ist zu jedem Zeitpunkt t bekannt, mit welcher Frequenz f(t) das elektromagnetische Signal S in die Detektorleitung 20 eingespeist wurde.
Die 2 zeigt ein periodisches Muster f(t) für den zeitlichen Verlauf der Frequenz, bei dem sich die Frequenz in aufeinander folgenden identischen Intervallen verändert: Innerhalb eines dieser Intervalle steigt die Frequenz in einem ersten Halbintervall, d. h. in der 2 zwischen den Zeitpunkten ta und tb, von einem Minimalwert fmin auf einen Maximalwert fmax mit der Zeit t an. Im zweiten Halbintervall, d. h. zwischen den Zeitpunkten tb und tc, fällt die Frequenz von fmax auf fmin zurück, um im darauf anschließenden nächsten Halbintervall zwischen tc und td wieder auf fmax anzusteigen.
Die durchgezogene Linie stellt den Verlauf f_S(t) der Frequenz des erzeugten und in die Detektorleitung eingespeisten Signals S dar, während die gestrichelte Linie den Verlauf f_R(t) der Frequenz eines am Ort einer Impedanzänderung teilweise reflektierten und an der Empfangseinrichtung empfangenen Signals R darstellt. Der Frequenzverlauf f_R(t) des Signals R ist gegenüber dem Frequenzverlauf f_S(t) des Signals S um einen Betrag Δt verschoben, der wie bereits erwähnt der Laufzeit entspricht. Die Lokalisierung der Impedanzänderung bzw. die Bestimmung von x lässt sich bei Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals in der Detektorleitung über die Messung der Laufzeit Δt realisieren.
Aus der 2 ist ersichtlich, dass die Laufzeit Δt direkt mit der Differenzfrequenz Δf zwischen der Frequenz f_S(t) des Signals S und der Frequenz f_R(t) des reflektierten, empfangenen Signals R zusammenhängt. Aus einem Vergleich der Frequenzen der Signale S und R bzw. aus der Differenzfrequenz Δf = |f(t1) – f(t2)| lässt sich demnach bei bekannten Verläufen f_S(t) und f_R(t) auf die Laufzeit und so auf den Ort x schließen.
Bspw. wird zum Zeitpunkt t1 ein Signal S(f(t1)) mit der Frequenz f(t1) in die Detektorleitung 20 eingespeist. Dieses Signal wird an der Impedanzänderung teilweise reflektiert, und das reflektierte Signal R(f(t1)) wird zum Zeitpunkt t2 = t1 + Δt an der Empfangseinrichtung 32 empfangen. Zu diesem Zeitpunkt t2 weist das in der Sendeeinrichtung erzeugte Signal S eine Frequenz f(t2) auf, die sich von der Frequenz f(t1) um den Betrag Δf unterscheidet.
Die Messung von Δf erfolgt wie in der 3 dargestellt im Transceiver 30. Die Empfangseinrichtung 32 des Transceivers 30 weist einen an sich bekannten Mischer 33 auf, in den das reflektierte Signal R(f(t1)) und das an der Sendeeinrichtung 31 erzeugte Signal S(f(t)) kontinuierlich eingespeist werden. Zum Zeitpunkt t2, zu dem das reflektierte Signal R(f(t1)) in den Mischer 33 eingespeist wird, erzeugt die Sendeeinrichtung 31 ein Signal S(f(t2)) mit einer Frequenz f(t2), die sich von der Frequenz f(t1) um den Betrag Δf unterscheidet. Das dem Mischer 33 zum Zeitpunkt t2 entnehmbare Signal M weist bekanntermaßen eine Frequenz f_M auf, die der Differenz Δf der Frequenzen der gemischten Signale S(f(t2)), R(f(t1)) entspricht, d. h. die Frequenz f_M des Signals M beträgt f_M = Δf = |f(t1) – f(t2)|.
Das Signal M wird schließlich einer Auswertevorrichtung 34 zugeführt, in der die Differenzfrequenz Δf und aus dieser der Ort d1 des Auftretens des Quenches in dem supraleitenden Leiter bestimmt wird. In der Auswertevorrichtung 34 wird das Signal M(t) bspw. zunächst digitalisiert und in einem digitalen Signalprozessor weiterverarbeitet. Eine spektrale Zerlegung des Signals M(t) mittels einer schnellen Fouriertransformation FFT (Fast Fourier Transformation) zeigt einen Peak bei einer Frequenz f = f_M = Δf.
Aus dem oben beschriebenen Zusammenhang lässt sich dann x aus der Peakposition bestimmen. Hierbei lässt sich aus der Differenzfrequenz Δf = f_M wie in der 2 veranschaulicht die Zeit Δt ermitteln, da der zeitliche Verlauf f_S(t) der Frequenz des erzeugten Signals und damit auch der zu erwartende zeitliche Verlauf f_R(t) der Frequenz des empfangenen Signals bekannt ist. Da Δt eindeutig von x abhängt, kann demnach mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Ort x der Impedanzänderung in der Detektorleitung 20 bestimmt werden. Sämtliche Berechnungen sowie die Fouriertransformation erfolgen mit Hilfe der entsprechenden Software in dem digitalen Signalprozessor der Auswertevorrichtung 34.
Wird mit dem oben beschriebenen Verfahren bspw. ermittelt, dass die Impedanzänderung in der supraleitenden Detektorleitung 20 am Ort x = x0 + x1 aufgetreten ist, so lässt sich mit einfachen mathematischen Mitteln der zweidimensionale Ort d1 des Auftretens des Quenches Q in der supraleitenden Spule 10 bestimmen.
Um im Falle der zylindrisch geformten supraleitenden Spule 10 den Ort d1 anzugeben, wird eine Koordinate in Umfangsrichtung und eine Koordinate in Achsrichtung des Zylinders benötigt. Als Koordinate in Umfangsrichtung bietet sich wie in der 1 angedeutet eine azimutale Winkelkoordinate φ an. Dabei lässt sich φ in [°] berechnen gemäß φ = 360°·x'/2πr mit x' = (x1 mod 2πr), wobei „mod” für die mathematische Modulo-Funktion steht, die den Rest aus der Division zweier Zahlen angibt. Zur Berechnung der Position y in Richtung der Zylinderlängsachse muss neben dem Ort x1 auch bekannt sein, wie dicht die Detektorleitung 20 um die supraleitenden Spule 10 gewickelt ist. Bspw. sei angenommen, dass auf eine Länge von 1 m in Richtung der Zylinderlängsachse 100 Wicklungen aufgebracht sind, einhergehend mit einer Wicklungsdichte n = 100/m. Die Position y Lässt sich dann berechnen gemäß y = (x1/2πr)/n.
Somit lässt aus der eindimensionalen Messung des Quench-Ortes x1 bzw. x auf der Detektorleitung 20 eindeutig der zweidimensionale Quench-Ort d1 mit den Koordinaten φ, y auf der supraleitenden Spule 10 bestimmen.
Andere Verfahren bzw. Koordinatensysteme zur Berechung des Ortes d1 sind natürlich ebenfalls denkbar. Bspw. können auch Koordinaten in einem kartesischen Koordinatensystem zur Beschreibung des Quench-Ortes d1 verwendet werden, wobei zur Umrechnung von x bzw. von x1 in die gewählten Koordinaten entsprechende Formeln verwendet werden müssen.
Alternativ können parallel zueinander mehrere unabhängige Detektorleitungen gewickelt werden, um so bei gleicher Wicklungsdichte n jeder einzelnen Detektorleitung die Genauigkeit in y-Richtung zu erhöhen.
Wie die 2 zeigt führt die Messung der Differenzfrequenz Δf zu jedem beliebigen Zeitpunkt t zum selben Ergebnis Δf. Auch die Differenz zwischen den Frequenzen eines zum Zeitpunkt t3 erzeugten Signals und eines zum Zeitpunkt t4 = t3 + Δt empfangenen Signals beträgt Δf. Voraussetzung hierfür ist natürlich, dass das Signal S(t3) an derselben Impedanzänderung reflektiert wurde.
Es ist nicht zwingend notwendig, dass das zu demjenigen Zeitpunkt t2, zu dem das reflektierte Signal R(f(t1)) empfangen wird, erzeugte Signal S(f(t2)) zum Vergleich der Frequenzen verwendet wird. Im Prinzip kann das reflektierte Signal R(f(t1)) zur Bestimmung von Δf mit einem zu einem beliebigen Zeitpunkt t' erzeugten Signal S(f(t')) verglichen werden. Das dem Mischer 33 entnehmbare Signal weist dann eine Frequenz f_M = Δf' = |f(t1) – f(t')| auf. Da t', t2 und f_S(t) bekannt sind, lässt sich aus Δf' auf Δf schließen. Die Verwendung desjenigen Signals S, das gerade zum Zeitpunkt t2 des Empfangs von R(f(t1)) erzeugt wird, ist jedoch vorteilhaft, da dies zum Einen schaltungstechnisch den wenigsten Aufwand erfordert, da das Signals S direkt ohne Umwege in der Mischer eingespeist werden kann, und da zum Anderen der Schluss von Δf' auf Δf entfällt.
Die Frequenzrampen in den jeweiligen Halbintervallen steigen und fallen idealerweise wie in der 2 linear mit der Zeit. Grundsätzlich ist jedoch auch bspw. ein sinusförmiger oder sonstiger Verlauf der Frequenzrampe denkbar. Voraussetzung ist lediglich, dass die Frequenz in einem ersten Zeitraum streng monoton von fmin auf fmax ansteigt und in einem zweiten Zeitraum ebenfalls streng monoton von fmax auf fmin fällt. Um jedoch eine konstante Genauigkeit der Messung von Δt zu gewährleisten, ist eine lineare Frequenzrampe vorzuziehen, wobei der Betrag der Steigung der Frequenzrampe die Genauigkeit der Messung von Δt bedingt.
Die Sendeeinrichtung kann bspw. als FMCW-Radar (frequency modulated continuous wave) oder als FSCW-Radar (frequency stepped continuous wave) ausgebildet sein. Je nachdem, wie die Sendeeinrichtung ausgebildet ist, wird nun die Frequenzrampe abgefahren.
In dem Fall, in dem die Sendeeinrichtung ein FMCW-Radar ist, soll ein möglichst linearer Frequenzverlauf erzeugt werden. Dies wird in der Regel dadurch erreicht, dass mit Hilfe eines an sich bekannten DDS-Verfahrens (direct digital synthesis bzw. direkte digitale Synthese) eine Frequenzrampe erzeugt wird. Diese Rampe ist jedoch zunächst nicht unbedingt linear, sondern besteht aus vielen kleinen Frequenzsprüngen. Diese Frequenzrampe wird daher einer PLL (phased locked loop bzw. Phasenregelschleife) zugeführt, die anhand dieses Signals einen VCO (voltage controlled oscillator bzw. spannungsgesteuerter Oszillator) regelt. Durch die analoge Regelung des VCO werden die Frequenzschritte in eine lineare Frequenzrampe umgewandelt.
Das FSCW-Radar hat im Vergleich zum FMCW-Radar den Vorteil, dass es weniger komplex ist, da keine lineare Frequenzrampe benötigt wird. Im Unterschied zum FMCW-Radar werden nur verschiedene diskrete Frequenzstufen erzeugt, was bspw. schon alleine mit dem DDS-Verfahren möglich ist, ohne dass eine PLL in Verbindung mit einem VCO benötigt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren beschränkt sich nicht auf die Lokalisierung eines Quench in einer hohlzylindrischen zweidimensionalen supraleitenden Spule einer MRT-Anlage des Ausführungsbeispiels. Das gleiche Prinzip lässt sich auch bei planaren zweidimensionalen sowie bei eindimensionalen supraleitenden Leitern anwenden. Mit entsprechendem Aufwand sind auch quasi-dreidimensionale Messungen möglich.
In einer konkreten Anwendung ist davon auszugehen, dass sich das Ausgangssignal M(t) des Mischers 33 aus einer Vielzahl von Zeitsignalen unterschiedlicher Frequenzen zusammensetzt. Dies resultiert daraus, dass in der Praxis nie nur eine einzelne Impedanzänderung in der Detektorleitung vorliegen wird. Dementsprechend werden in der Empfangseinrichtung und am Mischer mehrere Signale R1, R2 etc. mit unterschiedlichen Frequenzen empfangen, so dass das Ausgangssignal M(t) des Mischers mehrere unterschiedliche Frequenzen f_M1, f_M2 etc. ent sprechend mehreren Differenzfrequenzen hf1, Δf2 etc. aufweist. Das aus der Digitalisierung und der anschließenden FFT resultierende Spektrum weist daher nicht nur einen einzelnen Peak auf, sondern eine Anzahl, die der Anzahl der Impedanzänderungen in der Detektorleitung entspricht. Dabei stellt ein Peak bei einer niedrigen Frequenz eine „nahe” Impedanzänderung dar, während ein Peak bei einer hohen Frequenz einer entfernten Impedanzänderung entspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006022363 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Lokalisierung eines Quenches (Q) in einem supraleitenden Leiter (10), wobei in unmittelbarer Nähe des supraleitenden Leiters (10) eine supraleitende Detektorleitung (20) derart angeordnet wird, dass ein Ort (x) auf der supraleitenden Detektorleitung (20) eindeutig einem Ort (d1) auf dem supraleitenden Leiter (10) zugeordnet ist, wobei bei dem Verfahren – eine Sendeeinrichtung (31) ein elektromagnetisches Signal (S) erzeugt, – das elektromagnetische Signal (S) in die Detektorleitung (20) eingespeist wird, – das eingespeiste elektromagnetische Signal (S) am Ort des Auftretens des Quenches zumindest teilweise reflektiert wird und – das reflektierte Signal (R) in einer Empfangseinrichtung (32) empfangen wird, wobei – die Frequenz (f_S(t)) des erzeugten elektromagnetischen Signals (S) nach einem vorgegebenen Muster (f(t)) zeitlich variiert wird und – der Ort (d1) des Auftretens des Quenches aus einem Vergleich der Frequenz (f_R(t1)) des empfangenen, reflektierten Signals (R) mit der Frequenz (f_S(t2)) des zu einem bestimmten Zeitpunkt (t2) erzeugten Signals (S) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f_S(t)) des erzeugten elektromagnetischen Signals (S) nach Art einer abwechselnd an- und absteigenden Frequenzrampe variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f_S(t)) des erzeugten elektromagnetischen Signals (S) kontinuierlich oder in diskreten Schritten variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort (d1) des Auftretens des Quenches aus der Differenzfrequenz (Δf) zwischen der Frequenz (f(t1)) des empfangenen, reflektierten Signals (R) und der Frequenz (f(t2) des zu einem bestimmten Zeit, Punkt (t2) erzeugten Signals (S) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das empfangene, reflektierte Signal (R) und das in der Sendeeinrichtung (31) erzeugte Signal (S) in einen Mischer (33) eingespeist und dort gemischt werden, wobei die Frequenz (Δf) des Ausgangssignals (M) des Mischers (33) der Differenzfrequenz (Δf) der Frequenzen (f_R(t1), f_S(t2)) der in den Mischer (33) eingespeisten Signale (R, S) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Differenzfrequenz (Δf) anhand des vorgegebenen Musters (f(t)) eine Laufzeit (Δt) des elektromagnetischen Signals (S) und aus der Laufzeit (Δt) der Ort (d1) des Auftretens des Quenches ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort (d1) des Auftretens des Quenches in dem supraleitenden Leiter (10) aus dem Ort (x) des Auftretens des Quenches in der Detektorleitung (20) und der Zuordnung eines Ortes (x1) auf der Detektorleitung (20) zu einem Ort (d1) auf dem supraleitenden Leiter (10) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Zeitpunkt (t2) der Zeitpunkt des Empfangens des reflektierten Signals (R) ist.
Vorrichtung zur Lokalisierung eines Quenches in einem supraleitenden Leiter (10), wobei in unmittelbarer Nähe des supraleitenden Leiters (10) eine supraleitende Detektorleitung (20) derart angeordnet ist, dass ein Ort (x) auf der supra leitenden Detektorleitung (20) eindeutig einem Ort (d1) auf dem supraleitenden Leiter (10) zugeordnet ist, mit – einer Sendeeinrichtung (31) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Signals (S) und zum Einspeisen des eines elektromagnetischen Signals (S) in die Detektorleitung (20), – einer Empfangseinrichtung (32) zum Empfangen eines am Ort des Auftretens des Quenches zumindest teilweise reflektierten Signals (R) und – einer Auswertevorrichtung (34) zum Bestimmen des Ortes (d1) des Auftretens des Quenches, wobei – die Sendeeinrichtung (31) ausgebildet ist, um die Frequenz (f_S(t)) des erzeugten elektromagnetischen Signals (S) nach einem vorgegebenen Muster (f(t)) zeitlich zu variieren, – die Empfangseinrichtung (32) ausgebildet ist, um eine Differenz (Δf) der Frequenzen des reflektierten Signals und eines zu einem bestimmten Zeitpunkt (t2) erzeugten Signals (S) zu ermitteln, und – die Auswertevorrichtung (34) ausgebildet ist, um aus der Differenzfrequenz (Δf) den Ort (d1) des Auftretens des Quenches zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung (32) einen Mischer (33) zum Mischen des erzeugten Signals (S) mit dem empfangenen, reflektierten Signal (R) aufweist, wobei die Frequenz des Ausgangssignals (M) des Mischers (33) der Differenzfrequenz (Δf) zwischen den Frequenzen (f_R(t1), f_S(t2)) der gemischten Signale (R, S) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorleitung (20) mehrfach um den supraleitenden Leiter (10) gewickelt ist.