DE102009029379B4

DE102009029379B4 - Supraleitendes Magnetspulensystem mit Quenchschutz zur Vermeidung lokaler Stromüberhöhungen

Info

Publication number: DE102009029379B4
Application number: DE102009029379A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Frantz; Gerald Neuberth; Gerhard Roth
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2029-09-12
Also published as: GB201014988D0; US8467841B2; DE102009029379A1; GB2473920A; US20110065584A1

Abstract

Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem, umfassend – mehrere, radial ineinander geschachtelte Hauptspulensektionen (1, 2, 3, 4, 5), die derart in Serie miteinander verschaltet sind, dass sie im Betrieb von gleichsinnigem Strom durchflossen werden, wobei eine erste Hauptspulensektion (EHS) radial weiter innen liegt als eine zweite Hauptspulensektion (ZHS), und radial zwischen der ersten untens eine Zwischen-Hauptspulensektion (ZW) angeordnet ist, – und einen supraleitenden Schalter (11), über den alle Hauptspulensektionen (1, 2, 3, 4, 5) seriell supraleitend kurzgeschlossen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hauptspulensektion (EHS) und die zweite Hauptspulensektion (ZHS) in der seriellen elektrischen Verschaltung unmittelbar aufeinander folgen, und dass die erste Hauptspulensektion (EHS) und die zweite Hauptspulensektion (ZHS), nicht jedoch die mindestens eine Zwischen-Hauptspulensektion (ZW), von einem gemeinsamen Quenchschutzelement überbrückt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem, umfassend

– mehrere, radial ineinander geschachtelte Hauptspulensektionen, die derart in Serie miteinander verschaltet sind, dass sie im Betrieb von gleichsinnigem Strom durchflossen werden, wobei eine erste Hauptspulensektion radial weiter innen liegt als eine zweite Hauptspulensektion, und radial zwischen der ersten und der zweiten Hauptspulensektion mindestens eine Zwischen-Hauptspulensektion angeordnet ist,
– und einen supraleitenden Schalter, über den alle Hauptspulensektionen seriell supraleitend kurzgeschlossen werden können.

Ein solches Magnetspulensystem ist aus der DE 10 2005 047 938 A1 bekannt.
Supraleitende Magnetspulensysteme werden insbesondere dazu eingesetzt, große magnetische Feldstärken etwa für NMR-Spektrometer oder MRI-Tomographen zu erzeugen. In entsprechenden supraleitenden Magnetspulen fließen daher im Betrieb in der Regel große elektrische Ströme. Durch die Supraleitung in der Magnetspule ist der Stromfluss dabei nahezu verlustfrei.
Ein supraleitendes Magnetspulensystem wird durch einen plötzlichen Zusammenbruch der Supraleitung (Quench) gefährdet. Im Quenchfall erhöht sich der Widerstand der Magnetspule sehr stark, was dort zu hohen elektrischen Spannungen führt, die den Supraleiter beschädigen können. Baut sich der Strom in der Magnetspule nicht schnell genug ab, so kann durch lokale Wärmeentwicklung der Supraleiter durchbrennen.
In supraleitenden Magnetspulensystemen werden daher im Allgemeinen Maßnahmen getroffen, welche den Magnetstrom aus den im Verlauf eines Quenches resistiv gewordenen Spulenabschnitten über Schutzelemente, beispielsweise Widerstände, ausleiten.
Aus M. N. Wilson „Superconducting Magnets”, Oxford University Press, 1983 ist es bekannt, dass Spulenabschnitte eines Magnetspulensystems mit ohmschen Widerständen überbrückt werden. Das Magnetspulensystem wird somit in Maschen zerlegt, die miteinander in Serie geschaltet sind, wobei jede Masche einen Spulenabschnitt des Magnetsystems und einen den Spulenabschnitt überbrückenden Widerstand umfasst. Auf diese Weise werden Teilbereiche mit einer geringen Eigeninduktivität erzeugt. In diesen Teilbereichen klingen die Ströme schnell ab und auch hohe Spannungen werden vermieden. Allerdings fließen im Quenchfall in den verschiedenen Maschen aus Schutzwiderständen und Spulenabschnitten unterschiedlich hohe Ströme in den Spulenabschnitten. Diese Stromüberhöhungen können zu nichtakzeptablen (Lorentz-)Kraftüberhöhungen führen, die den Leiter mechanisch zerstören. Beim Quenchen eines mit hohem Strom belasteten Supraleiters besteht im Moment des Zusammenbruchs der Supraleitung zudem die Gefahr, dass der nun resistiv fließende Strom soviel Wärme erzeugt, dass der Supraleiter durchbrennt.
Eine weitere Schutzvariante verzichtet auf die Unterteilung des Magnetspulensystems in verschiedene, in Serie verschaltete und getrennt geschützte Teilbereiche und sorgt durch geeignete Maßnahmen zwar für eine schnelle Ausbreitung des Quenches (ebenfalls M. N. Wilson „Superconducting Magnets”, Oxford University Press, 1983), kann aber die hohen Spannungen im Quenchfall nicht vermeiden, die vor allem für Höchstfeldmagnetsysteme in einer nicht akzeptablen Größenordnung liegen würden, da in diesen Systemen Supraleitermaterial eingesetzt wird, das mit einem wenig durchschlagfesten Material (beispielsweise Glasseidengewebe) isoliert werden muss.
In US 5 644 233 A wird, um im Quenchfall eine Streufeldüberhöhung gegenüber dem stationären Betrieb zu vermeiden, ein Magnetspulensystem vorgeschlagen, bei dem die Hauptfeldspule und die Abschirmspule in gleich viele Spulenabschnitte zerlegt und paarweise in Serie geschaltet werden. Jedes Spulenabschnittpaar bildet zusammen mit einem ohmschen Widerstand eine Masche. Die innerhalb einer Masche in Serie geschalteten Spulenabschnitte aus Hauptfeld- und Abschirmspule weisen jeweils paarweise betragsmäßig nahezu das gleiche Dipolmoment auf, jedoch mit verschiedenen Vorzeichen. Diese Methode ist mit großem konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand des paarweisen Verschaltens radial weit auseinander liegender Spulenabschnitte verbunden.
Die DE 10 2005 047 938 A1 beschreibt eine Magnetspulenanordnung, die das paarweise Verschalten radial weit entfernt liegender Spulenabschnitte vermeidet. Die Magnetspulenanordnung enthält mindestens zwei unterschiedliche Supraleitermaterialien, wobei deren Isolationsmaterial unterschiedliche Durchschlagfestigkeiten besitzt. Ein radial außen liegender Hauptspulenabschnitt besitzt näherungsweise das entgegengesetzt gleich große Dipolmoment wie die Abschirmspule. Durch deren gemeinsamen Schutz mit einem ohmschen Widerstand verschwindet näherungsweise das Dipolmoment der Spulenanordnung, unabhängig davon, welcher Strom während eines Quenches in diesem gemeinsam geschützten Bereich fließt. Eine Streufeldüberhöhung während des Quenches kann auf diese Weise vermieden werden. Da in dem gemeinsam geschützten Bereich NbTi-Supraleiter mit durchschlagfester Isolation eingesetzt werden, bereiten die im Quenchfall auftretenden hohen elektrischen Spannungen keine Probleme. Dort, wo hohe Spannungen leicht zu Schäden führen können, nämlich im radial inneren Hauptspulenbereich, der ein Supraleitermaterial (Nb3Sn) mit wenig durchschlagfester Isolation enthält, wird die Spule in mehrere Hauptspulenabschnitte unterteilt, die jeweils getrennt mit Schutzwiderständen überbrückt werden. Etwaige Stromüberhöhungen dort beeinflussen das Streufeld nur in vernachlässigbarer Weise, da die inneren Hauptspulenabschnitte nur ein sehr kleines Dipolmoment besitzen. Jedoch bleiben im radial inneren Hauptspulenbereich Lorenz-Kraftüberhöhungen durch Stromüberhöhungen in den getrennt geschützten Hauptspulenabschnitten problematisch.
In der US 5 739 997 A sind so genannte Split-Coil-Magneten beschrieben, wobei je zwei elektrisch, nicht aber räumlich benachbart liegende Spulen gemeinsam mit Quenchschutzelementen überbrückt werden. Diese räumliche Trennung der Spulen ist, entsprechend dem Split-Coil-Prinzip, eine axiale Trennung. ohne dazwischen liegende Sektionen. Im Rahmen des Quenchschutzes wird hierbei eine starke Stromüberhöhung gefördert, um eine Quenchausbreitung zu beschleunigen.
Die US 2002/0 171 520 A1 beschreibt eine Magnetanordnung mit mehreren, über einen supraleitenden Schalter kurzgeschlossenen supraleitenden Spulen. Zusätzlich sind eine oder mehrere der Spulen jeweils mit einem weiteren supraleitenden Schalter überbrückt. Die Magnetanordnung erreicht im Persistent-Mode ein besonders stabiles Magnetfeld. Eine ähnliche Magnetanordnung ist auch aus der US 6 777 938 B2 bekannt.
Die US 7 368 911 B2 beschreibt ein Verfahren zum Testen von supraleitendem Draht in einem NMR-Magneten. Bei einem über einen supraleitenden Schalter kurzgeschlossenen NMR-Magneten fließt in einem Teilbereich des NMR-Magneten ein zusätzlicher Strom über einen weiteren, supraleitenden Schalter.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Magnetspulensystem vorzuschlagen, bei dem ein Querchschutz realisiert ist, mit dem in Magnetspulenbereichen, in denen die mit einer Stromüberhöhung verbundene Oberhöhung der mechanischen Kraftbelastung zu einer Schädigung des Supraleiters führen würde, eine Stromüberhöhung gezielt verhindert werden kann.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Magnetspulensystem der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Hauptspulensektion und die zweite Hauptspulensektion in der seriellen elektrischen Verschaltung unmittelbar aufeinander folgen, und dass die erste Hauptspulensektion und die zweite Hauptspulensektion, nicht jedoch die mindestens eine Zwischen-Hauptspulensektion, von einem gemeinsamen Quenchschutzelement überbrückt sind.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass ein im Quenchfall durch eine Stromüberhöhung gefährdeter erster Magnetspulenbereich (die erste Hauptspulensektion) gemeinsam mit einem zweiten Magnetspulenbereich (der zweiten Hauptspulensektion) geschützt wird, der keine oder nur eine ausreichend geringe Stromüberhöhung erfährt. Dazu werden diese beiden Magnetspulenbereiche in einer gemeinsamen Masche mit einem Quenchschutzelement geschützt.
Der erste Magnetspulenbereich (die erste Hauptspulensektion) ist beispielsweise aufgrund des dort eingesetzten Supraleitermaterials mechanisch besonders empfindlich, so dass dort Stromüberhöhungen weitestgehend vermieden werden müssen. Der zweite Magnetspulenbereich (die zweite Hauptspulensektion) erfährt im Quenchfall keine oder nur geringe Stromüberhöhungen, weil beispielsweise die Quenchs in diesem zweiten Bereich starten oder die induktive Kopplung zum quenchenden Bereich einen frühen Quench in diesem zweiten Bereich auslöst.
Um diese beiden Magnetspulenbereiche (Hauptspulensektionen) gemeinsam zu schützen, werden sie in einer Masche, mit einem zu beiden Magnetspulenbereichen parallel geschalteten Schutzelement (etwa ein ohmscher Widerstand und/oder eine Schutzdiode), verschaltet. Hierzu ist ein gewisser Verdrahtungsaufwand notwendig, da die beiden gemeinsam zu verschaltenden Magnetspulenbereiche nicht unmittelbar benachbart angeordnet sind. Typischerweise quenchen in einem Magnetspulensystem radial außen liegende Bereiche (Sektionen) aufgrund der dort herrschenden Kräfte zuerst, und radial innen liegende Bereiche (Sektionen) erfahren dann eine Stromüberhöhung. Um den gemeinsamen Schutz dieser räumlich getrennt liegenden Magnetspulenbereiche (Hauptspulensektionen) in einer Masche zu ermöglichen, muss die supraleitende Verbindung, die für die serielle Verschaltung der gemeinsam geschützten Magnetspulenbereiche der Masche eingerichtet ist, andere Magnetspulenbereiche (also eine oder mehrere Zwischen-Hauptspulensektionen), die räumlich zwischen diesen beiden gemeinsam zu verschaltenden Magnetspulenbereichen (Sektionen) liegen, überbrücken. Im Falle eines Quenches dominiert innerhalb dieser Masche der zuerst quenchende zweite Spulenbereich (die zweite Hauptspulensektion) das Abklingverhalten des Stromes. Dadurch ist der in der gleichen Masche liegende erste Spulenbereich (die erste Hauptspulensektion) vor Stromüberhöhungen geschützt, auch wenn dieser selbst nicht quencht.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das gemeinsame Quenchschutzelement einen Quenchschutzwiderstand und/oder eine Quenchschutzdiode. Der mit einem Quenchschutzwiderstand unterteilte Spulenbereich besitzt eine geringere Induktivität als das Gesamtspulensystem, was im Quenchfall eine rasche Abnahme des Magnetstroms innerhalb des Teilspulenbereichs ermöglicht und hohe Spannungen vermeidet. Außerdem übernimmt der parallel zum Teilspulenbereich liegende Quenchschutzwiderstand einen Teil des normalleitenden Spulenstroms. Das Entsprechende gilt auch unter alleiniger Verwendung von gekreuzten Dioden, sobald im Quenchfall deren Durchlassspannung überschritten wird und der Magnetstrom innerhalb des mit gekreuzten Dioden unterteilten Spulenbereichs abklingen kann. Liegen die Dioden in Serie zum Schutzwiderstand, reduziert sich im Ladebetrieb des Magneten der Energieeintrag in das Schutznetzwerk und damit der Energieeintrag in das üblicherweise zum Kühlen einer supraleitender Magnetspule verwendete flüssige Helium. Die oben beschriebene Quenchschutzfunktion des Schutzwiderstandes bleibt hierbei erhalten.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der das supraleitende Hochfeld-Magnetspulensystem eine Abschirmspule umfasst, die mit den Hauptspulensektionen derart in Serie verschaltet ist, dass die Abschirmspule und die Hauptspulensektionen im Betrieb von gegensinnigem Strom durchflossen werden. Die Abschirmspule ermöglicht eine Verringerung des Streufelds des Magnetsystems. Bei Verwendung einer Abschirmspule schließt der supraleitende Schalter die Hauptspulensektionen und die Abschirmspule seriell supraleitend kurz.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die Abschirmspule mit einem eigenen Quenchschutzelement überbrückt. Dadurch wird die Abschirmspule im Quenchfall geschützt. Typische Quenchschutzelemente sind ein ohmscher Widerstand oder eine Schutzdiode.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der das Hochfeld-Magnetspulensystem eine oder mehrere, weitere Hauptspulensektionen aufweist, die radial innerhalb der ersten Hauptspulensektion und/oder radial außerhalb der zweiten Hauptspulensektion angeordnet sind. Die Abfolge der Hauptspulensektionen und deren Schutz kann nach den Erfordernissen des Aufbaus und der Verwendung des Hochfeld-Magnetspulensystems erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Hauptspulensektion die radial innerste Hauptspulensektion des supraleitenden Hochfeld-Magnetspulensystems. Die radial innerste Hauptspulensektion kann – insbesondere bei noch nicht vollständig geladenem Magnetspulensystem – besonders große Stromüberhöhungen ansammeln und ist daher besonders gefährdet. Durch diese Ausführungsform kann gezielt diese Gefährdung minimiert werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die radial innerste Hauptspulensektion des supraleitenden Hochfeld-Magnetspulensystems mit einem eigenen Quenchschutzelement überbrückt ist. Falls die radial innerste Hauptspulensektion, etwa aufgrund der Materialauswahl des Supraleiters, nur wenig durch Stromüberhöhungen gefährdet ist, kann an dieser Stelle ein separates Quenchschutzelement (etwa ein Widerstand) genügen.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die zweite Hauptspulensektion die radial äußerste Hauptspulensektion des supraleitenden Hochfeld-Magnetspulensystems ist. Der in dieser Ausführungsform radial äußerste zweite Hauptspulenbereich quencht aufgrund der dort herrschenden Kräfte typischerweise zuerst, so dass der mit diesem gemeinsam geschützte erste Hauptspulenbereich einen optimalen Schutz erhält.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die radial äußerste Hauptspulensektion des supraleitenden Hochfeld-Magnetspulensystems mit einem eigenen Quenchschutzelement überbrückt. Eine solche Ausgestaltung kann den Aufbau, Insbesondere die Verdrahtung der Hauptspulensektionen, vereinfachen Typische Quenchschutzelemente sind ohmsche Widerstände oder Schutzdioden.
Bei einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen supraleitenden Hochfeld-Magnetspulensystems ist vorgesehen, dass ein erstes supraleitendes Material eines Leiters der ersten Hauptspulensektion ein höheres kritisches Magnetfeld aufweist als ein zweites supraleitendes Material eines Leiters der zweiten Hauptspulensektion. In dieser Ausgestaltung können besonders hohe Magnetfeldstärken vom Magnetspulensystem erzeugt werden. Die stärkere Gefährdung des ersten Materials aufgrund von möglichen größeren Stromüberhöhungen bzw. mechanischen Kräften und lokalen Wärmeentwicklungen können durch die erfindungsgemäße Maschenverschaltung gezielt kompensiert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Hauptspulensektionen eines radial inneren Hauptspulenbereichs jeweils einen Leiter mit dem ersten supraleitenden Material aufweisen, und die Hauptspulensektionen eines radial äußeren Hauptspulenbereichs jeweils einen Leiter mit dem zweiten supraleitenden Material aufweisen. Bei dieser Ausführungsform kann die erste Hauptspulensektion von den anderen Eigenschaften des Leiters der in der gleichen Masche geschützten zweiten Hauptspulensektion des zweiten Hauptspulenbereichs profitieren. Typischerweise gehören in dieser Ausführungsform alle Hauptspulensektionen zu einem dieser beiden Hauptspulenbereiche. Alternativ können aber auch drei oder noch mehr Hauptspulenbereiche mit unterschiedlichen supraleitenden Materialien der Leiter vorgesehen sein.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die zweite Hauptspulensektion die radial innerste Hauptspulensektion des radial äußeren Hauptspulenbereichs. In diesem Fall ist der Verdrahtungsaufwand besonders gering.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der ein erstes supraleitendes Material eines Leiters der ersten Hauptspulensektion Nb3Sn, Nb3Al, MgB2 oder ein keramisches Hochtemperatur-Supraleitermaterial, insbesondere YBCO oder Bi2212 oder B12223, umfasst. Diese Materialien können besonders von der Erfindung profitieren, etwa aufgrund vergleichsweise geringer mechanischer Festigkeit und entsprechend hoher Gefährdung im Quenchfall. Keramische Hochtemperatur-Supraleitermaterialien, die im Rahmen der Erfindung insbesondere eingesetzt werden können, haben eine Sprungtemperatur Tc > 60 K.
Ebenfalls besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der ein zweites supraleitendes Material eines Leiters der zweiten Hauptspulensektion NbTi umfasst. Spulensektionen mit diesem supraleitenden Material quenchen in der Regel früh und zeigen geringe Stromüberhöhungen.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Hauptspulensektionen eines radial inneren Hauptspulenbereichs jeweils einen Leiter mit einem Hochtemperatursupraleiter-Material aufweisen,
dass die Hauptspulensektionen eines radial mittleren Hauptspulenbereichs jeweils einen Leiter mit Nb3Sn aufweisen,
und dass die Hauptspulensektionen eines radial äußeren Hauptspulenbereichs jeweils einen Leiter mit NbTi aufweisen. In diesem Aufbau können insbesondere Hauptspulensektionen der innersten und mittleren Hauptspulensektion jeweils mit einer Hauptspulensektionen der äußersten Hauptspulensektion paarweise gemeinsam effizient geschützt werden. Außerdem können mit diesem Aufbau besonders große Magnetfeldstärken erzeugt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere gemeinsame Quenchschutzelemente, insbesondere Quenchschutzwiderstände, vorgesehen, mit denen

– jeweils eine erste und eine zweite Hauptspulensektion, nicht jedoch jeweils mindestens eine_' radial zwischen der ersten und zweiten Hauptspulensektion liegende Zwischen-Hauptspulensektion gemeinsam überbrückt sind,
– wobei die jeweils erste und zweite Hauptspulensektion in der seriellen elektrischen Verschaltung unmittelbar aufeinander folgen,
– und wobei die jeweils erste Hauptspulensektion radial weiter innen liegt als die jeweils zweite Hauptspulensektion.

Mit anderen Worten, in dieser Ausführungsform werden mehrere, verschiedene Maschen gebildet, in denen jeweils zwei elektrisch benachbarte, aber radial echt benachbarte Hauptspulensektionen gemeinsam durch ein Quenchschutzelement überbrückt werden. Dadurch ist der gezielte Schutz mehrerer, verschiedener (erster) Hauptspulensektionen möglich.
In Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine kritische Magnetfeldstärke eines ersten supraleitenden Materials eines Leiters der jeweils ersten Hauptspulensektion größer ist als eine kritische Magnetfeldstärke eines zweiten supraleitenden Materials eines Leiters der jeweils zweiten Hauptspulensektion. Durch die unterschiedlichen Materialeigenschaften und radialen Positionen kann die Schutzfunktion optimiert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Hauptspulensektionen, die nicht von einem gemeinsamen Quenchschutzelement überbrückt sind, jeweils von einem eigenen Quenchschutzelement überbrückt sind. Dadurch werden auch diese Hauptspulensektionen bzw. deren supraleitenden Leiter vor den Auswirkungen eines Quenchs auf einfache Weise geschützt. Typische Quenchschutzelemente sind ohmsche Widerstände und Schutzdioden.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der das supraleitende Hochfeld-Magnetspulensystem für die Erzeugung eines Magnetfelds mit einer Magnetfeldstärke B₀ ≥ 9 Tesla, bevorzugt B₀ ≥ 17 Tesla, ausgelegt ist. Gerade bei Hochfeld-Magnetspulensystemen und den damit verbundenen großen gespeicherten Energien ist die Gefahr für die Leiter bei einem Quench groß, so dass hier die Erfindung besonders vorteilhaft ist.
In den Rahmen der Erfindung fällt auch eine NMR-Messapparatur, insbesondere NMR-Spektrometer oder MRI-Tomograph, umfassend ein erfindungsgemäßes supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln 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.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Vertikalschnitt durch eine Hälfte eines Magnetspulensystems nach dem Stand der Technik;
2a einen schematischen Vertikalschnitt durch eine Hälfte einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems, mit der innersten und äußersten Hauptspulensektion gemeinsam geschützt;
2b ein Schaltbild des Magnetspulensystems von 2a;
3 einen schematischen Vertikalschnitt durch eine Hälfte einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems, mit der innersten Nb3Sn- und der innersten NbTi-Hauptspulensektion gemeinsam geschützt;
4 einen schematischen Vertikalschnitt durch eine Hälfte einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems, mit der zweitinnersten Nb3Sn- und der innersten NbTi-Hauptspulensektion gemeinsam geschützt;
5 einen schematischen Vertikalschnitt durch eine Hälfte einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems, mit zwei Maschen von gemeinsam geschützten Hauptspulensektionen;
6 einen schematischen Vertikalschnitt durch eine Hälfte einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems, mit in drei Bereichen unterschiedlichen supraleitenden Materialen in der Hauptfeldspule.
1 zeigt ein Magnetspulensystem nach dem Stand der Technik (etwa nach Wilson, aaO.) mit einer um eine Achse z angeordneten Hauptfeldspule, bestehend aus den Hauptspulensektionen 1, 2, 3, 4, und mit einer Abschirmspule 6, welche die Hauptfeldspule radial umgibt Man beachte, dass in der Schnittdarstellung zur Vereinfachung im Wesentlichen nur die rechte Hälfte des Magnetspulensystems dargestellt ist (gilt auch für die weiteren Figuren). Über einen supraleitenden Hauptschalter 11 können die Hauptfeldspule und die Abschirmspule 6 supraleitend kurzgeschlossen werden. Die Hauptfeldspule und die Abschirmspule 6 sind über eine supraleitende elektrische Verbindung 10 miteinander in Serie geschaltet. Die Hauptspulensektionen 1, 2, 3 und 4 sind jeweils getrennt (separat) mit einem Schutzwiderstand 8 geschützt. Ebenso ist die Abschirmspule 6 mit einem eigenen Schutzwiderstand 9 geschützt.
Zumindest die innerste Hauptspulensektion 1 der Hauptfeldspule enthält in supraleitenden Hochfeldmagnetsystemen regelmäßig ein Supraleitermaterial mit geringer mechanischer Festigkeit (beispielsweise Nb3Sn oder keramische Hochtemperatursupraleiter). Startet ein Quench beispielsweise in der radial äußeren Hauptspulensektion 4 der Hauptfeldspule, dann könnte aufgrund der induktiven Kopplung zwischen der äußeren Hauptspulensektion 4 und der inneren Hauptspulensektion 1 im mechanisch empfindlichen Supraleiter der inneren Hauptspulensektion 1 eine Stromüberhöhung entstehen, die mit einer Lorentzkraft verbunden wäre, die den Supraleiter zerstört.
Diese Gefahr der Stromüberhöhung ist besonders groß, wenn der Quench zu einem Zeitpunkt stattfindet, zu dem der Magnetstrom einen großen Abstand zum kritischen Strom (Ic-Wert) des Supraleiters in der inneren Hauptspulensektion 1 besitzt In diesem Fall wird die Zeitspanne zwischen dem Quenchbeginn in der äußeren Hauptspulensektion 4 und der Quenchzündung in der inneren Hauptspulensektion besonders groß, was dazu führt, dass im Supraleiter der inneren Hauptspulensektion 1, aufgrund der Regel zur Flusserhaltung, hohe supraleitende Stromüberhöhungen induziert werden, bevor auch der Leiter der inneren Hauptspulensektion 1 quencht. Eine hohe kritische Temperatur des supraleitenden Materials in der innersten Hauptspulensektion 1 verzögert deren Quenchzündung zusätzlich.
Diese hohen induzierten Ströme führen zum einen zu hohen Lorentzkräften, die den mechanisch empfindlichen Supraleiter im inneren Spulenbereich zerstören können. Außerdem produzieren diese hohen Ströme ab dem Zeitpunkt des Zusammenbruchs der Supraleitung in dieser Hauptspulensektion 1 sehr viel Wärme im normalleitend gewordenen Supraleiter, was zu dessen Durchbrennen führen kann.
2a zeigt in einem schematischen Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Magnetspulensystem mit einer um eine Achse z angeordneten Hauptfeldspule, bestehend aus vier Hauptspulensektionen (oder Hauptspulenabschnitten) 1, 2, 3 und 4, und mit einer Abschirmspule 6, welche die Hauptfeldspule radial umgibt. Mit der Hauptfeldspule wird in einem Probenvolumen 21 ein starkes, statisches Magnetfeld B₀ erzeugt, welches parallel zur Achse z ausgerichtet ist. Die Sektionen 1, 2, 3, 4 sind elektrisch in Serie miteinander verschaltet und werden im Betrieb von gleichsinnigem Strom durchflossen, so dass sich die von den einzelnen Sektionen 1, 2, 3, 4 erzeugten Magnetfeldbeiträge im Probenvolumen 21 addieren. In 2b ist ergänzend ein Schaltbild dieses Magnetspulensystems dargestellt.
Über einen supraleitenden Hauptschalter 11 können die Hauptfeldspule und die Abschirmspule 6 supraleitend kurzgeschlossen werden. Die Hauptfeldspule und die Abschirmspule 6 sind über eine supraleitende elektrische Verbindung 10 miteinander in Serie geschaltet. Die Abschirmspule 6 wird bezüglich der Hauptspule von gegensinnigem Strom durchflossen, so dass das von der Abschirmspule 6 erzeugte magnetische Dipolmoment dem von der Hauptfeldspule erzeugten Dipolmoment entgegen gerichtet ist und so das Streufeld in der Umgebung schwächt.
Die Hauptfeldspule der in 2a und 2b gezeigten Ausführungsform ist auf drei Maschen aufgeteilt; die erste Masche umfasst die Hauptspulensektionen 1 und 4, überbrückt durch einen gemeinsamen ohmschen Quenchschutzwiderstand 7; die zweite Masche umfasst die Hauptspulensektion 2, überbrückt durch einen ohmschen Widerstand 8a; die dritte Masche umfasst die Hauptspulensektion 3, ebenfalls überbrückt durch einen ohmschen Widerstand 8b. Die Abschirmspule 6 ist ebenfalls mit einem Quenchschutzelement, nämlich einem ohmschen Widerstand 9, überbrückt.
Diese Ausführungsform ermöglicht die gezielte Vermeidung von Stromüberhöhungen in der innersten Hauptspulensektion 1.
Die innerste Hauptspulensektion 1 ist in 2a und 2b als erste Hauptspulensektion EHS beispielhaft mit der radial äußersten Hauptspulensektion 4 als zweite Hauptspulensektion ZHS gemeinsam geschützt. Gemeinsamer Schutz heißt, beide Spulenbereiche (Hauptspulensektionen, Hauptspulenabschnitte) 1 und 4 werden in einer gemeinsamen Masche mit einem ohmschen Widerstand 7 geschützt. Zwischen den Sektionen 1 und 4 liegen als Zwischen-Hauptspulensektionen (Zwischen-Hauptspulenabschnitte, Zwischenbereiche) ZW die Sektionen 2 und 3.
Die Hauptspulensektion 4 löst entweder den Quench im Magnetspulensystem aus und erfährt damit prinzipiell keine Stromüberhöhung, oder aber die Stromüberhöhung in der radial äußersten Hauptspulensektion 4 ist (in Hinblick auf etwaige Beschädigungen von Supraleitern in der Hauptfeldspule) unabhängig davon, in welchem Spulenbereich der Quench ausgelost wird, vernachlässigbar klein.
Da die Hauptspulensektionen 1 und 4 in Serie geschaltet sind, und die Stromüberhöhung in der äußeren Hauptspulensektion 4 allenfalls gering ist, bleibt auch die Stromüberhöhung in der inneren Hauptspulensektion 1 gering. Dadurch ist die radial innere Hauptspulensektion – trotz möglicherweise mechanisch empfindlichem supraleitendem Material im Leiter – gut vor mechanischer Kraftbelastung durch Lorentzkräfte geschützt.
3 zeigt eine bevorzugte Variante eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems mit einer um eine Achse z angeordneten Hauptfeldspule, bestehend aus den mit Nb3Sn-Supraleiter gewickelten Hauptspulensektionen 1 und 2 (die einen ersten Hauptspulenbereich 31 mit gleichem Supraleitermaterial bilden) und den mit NbTi-Supraleiter gewickelten Hauptspulensektionen 3, 4 (die einen zweiten Hauptspulenbereich 32 mit gleichem Supraleitermaterial bilden), und mit einer ebenfalls mit NbTi gewickelten Abschirmsektion (Abschirmspule) 6, welche die Hauptfeldspule radial umgibt. Über einen supraleitenden Hauptschalter 11 können die Hauptfeldspule und die Abschirmspule 6 kurzgeschlossen werden. Die Hauptspulensektionen 2 und 4 sind jeweils separat mit einem Schutzwiderstand 8a, 8b geschützt, und ebenso ist die Abschirmsektion 6 mit einem eigenen Schutzwiderstand 9 geschützt. Die Hauptfeldspule und die Abschirmspule 6 sind über eine elektrische Verbindung 10 in Serie geschaltet.
Die innerste Nb3Sn-Hauptspulensektion 1 des ersten Hauptspulenbereichs 31 ist in dieser bevorzugten Variante als erste Hauptspulensektion EHS mit der innersten NbTi-Hauptspulensektion 3 des zweiten Hauptspulenbereichs 32 als zweite Hauptspulensektion ZHS gemeinsam über den Quenchschutzwiderstand 7 geschützt. Radial zwischen den Sektionen 1 und 3 liegt als Zwischen-Hauptspulensektion ZW die Sektion 2.
Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass der innerste NbTi-Leiter in Sektion 3 in einem hohen Magnetfeld nahe an seiner Auslastungsgrenze arbeitet und aufgrund seiner geringen kritischen Temperatur sehr früh quencht, unabhängig davon, ob der Quench ursprünglich in dieser Sektion 3 startet oder in einer weiter außen liegenden NbTi-Sektion (hier Sektion 4). Da diese gemeinsame Verschaltung sicherstellt, dass der Nb3Sn-Leiter der Hauptspulensektion 1 im Quenchfall mit der gleichen geringen Stromüberhöhung belastet wird wie der schnell quenchende Supraleiter in der innersten NbTi-Sektion 3, ohne das die innerste Sektion 1 selbst quenchen muss, trägt der Nb3Sn-Supraleiter in Sektion 1 nur ein geringes Risiko, durch Kraftüberlastung zerstört zu werden.
4 zeigt eine weitere mögliche Variante eines erfindungsgemäßen Magnetspulensystems mit einer um eine Achse z angeordneten Hauptfeldspule, bestehend aus den mit Nb3Sn-Supraleiter gewickelten Sektionen 1, 2 und 3 (die einen ersten Hauptspulenbereich 31 bilden) und den mit NbTi-Supraleiter gewickelten Sektionen 4, 5 (die einen zweiten Hauptspulenbereich 32 bilden), und mit einer ebenfalls mit NbTi gewickelten Abschirmspule (Abschirmsektion) 6, welche die Hauptfeldspule radial umgibt. Über einen supraleitenden Hauptschalter 11 können die Hauptfeldspule und die Abschirmspule 6 kurzgeschlossen werden. Im Unterschied zu den vorherigen Varianten ist in dieser Variante nicht die innerste, sondern die zweitinnerste Nb3Sn-Sektion 2 als erste Hauptspulensektion EHS gemeinsam mit der innersten NbTi-Sektion 4 als zweite Hauptspulensektion ZHS mit einem Schutzwiderstand 7 geschützt. Radial zwischen den Sektionen 2 und 4 liegt als Zwischen-Hauptspulensektion ZW die Sektion 3. Die Sektionen 1, 3 und 5 werden jeweils separat mit Quenchschutzelementen, hier Schutzwiderständen 8a–8c, und die Abschirmsektion 6 separat mit einem Schutzwiderstand 9 geschützt. Die Hauptfeldspule und die Abschirmspule 6 sind über eine elektrische Verbindung 10 in Serie geschaltet.
In 5 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung dargestellt, bei der die Hauptfeldspule vier Hauptspulensektionen 1, 2, 3, 4 umfasst. Die radial weiter innen liegenden Hauptspulensektionen 1, 2 weisen Leiter mit Nb3Sn als supraleitendem Material auf und bilden einen ersten Hauptspulenbereich 31. Die radial äußersten Hauptspulensektionen 3, 4 weisen einen Leiter mit NbTi als supraleitendem Material auf und bilden einen zweiten Hauptspulenbereich 32. Die Magnetspulenanordnung weist weiterhin eine Abschirmspule (Abschirmsektion) 6 auf.
Die Sektionen des Magnetspulensystems sind (beginnend links am Hauptschalter 11) in der Abfolge Sektion 1, Sektion 3, Sektion 2, Sektion 4, Sektion 6 über den Hauptschalter 11 elektrisch (im Regelbetrieb supraleitend) in Serie geschaltet. Die unmittelbar seriell verschalteten Hauptspulensektionen 1 (als eine erste Hauptspulensektion EHS) und 3 (als eine zweite Hauptspulensektion ZHS) werden durch einen gemeinsamen Schutzwiderstand 7a überbrückt, wodurch eine erste Schutz-Masche gebildet wird. Man beachte, dass die Sektion 2 (als eine Zwischen-Hauptspulensektion ZW) räumlich (radial) zwischen den Sektionen 1 und 3 angeordnet ist. Die unmittelbar seriell verschalteten Hauptspulensektionen 2 (als eine weitere, erste Hauptspulensektion EHS) und 4 (als eine weitere, zweite Hauptspulensektion ZHS) werden durch einen gemeinsamen Schutzwiderstand 7b überbrückt, wodurch eine zweite Schutz-Masche gebildet wird. Man beachte, dass die Sektion 3 (als eine weitere Zwischen-Hauptspulensektion ZW) räumlich (radial) zwischen den Sektionen 2 und 4 angeordnet ist.
In dieser Ausführungsform werden also jeweils die Sektionen 1 und 2 als erste Hauptspulensektionen EHS durch die Sektionen 3 und 4 als zweite Hauptspulensektionen ZHS vor den Auswirkungen eines Quenchs geschützt.
Die 6 zeigt schließlich eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung, mit einer Hauptspule, die drei Magnetspulenbereiche 31, 32, 33 ausbildet. Die radial innerste Hauptspulensektion 1 hat einen Leiter, der als supraleitendes Material einen Hochtemperatursupraleiter (HTSL) enthält; hierdurch wird der erste, radial innerste Hauptspulenbereich 31 ausgebildet. Der zweite, radial mittlere Hauptspulenbereich 32 wird durch eine Hauptspulensektion 2 mit einem Leiter basierend auf Nb3Sn ausgebildet. Der dritte, radial äußerste Hauptspulenbereich 33 wird durch zwei Hauptspulensektionen 3 und 4, deren Leiter NbTi enthält, ausgebildet. Die Hauptspulensektionen 1, 2, 3, 4 sind in dieser Abfolge radial ineinander geschachtelt, wobei die Sektion 1 die innerste und die Sektion 4 die äußerste ist. Um die Hauptspule herum ist eine Abschirmspule 6 angeordnet. Hauptspule und Abschirmspule 6 sind über eine elektrische Verbindung 10 seriell verbunden und über einen Hauptschalter 11 supraleitend kurzschließbar. Die Hauptspulensektionen 1, 2, 3, 4 sind untereinander in der Abfolge Sektion 1, Sektion 3, Sektion 2, Sektion 4 elektrisch in Serie verbunden.
In dieser Ausführungsform ist die HTSL-Hauptspulensektion 1 als erste Hauptspulensektion EHS zusammen mit der radial innersten NbTi-Hauptspulensektion 3 des dritten Hauptspulenbereiches als zweite Hauptspulensektion ZHS in einer Masche über den gemeinsamen Schutzwiderstand 7 geschützt. Radial zwischen den Sektionen 1 und 3 liegt als Zwischen-Hauptspulensektion ZW die Sektion 2. Die Sektion 2, 4 und 6 sind über eigene Schutzwiderstände 8a, 8b und 9 geschützt. Hierdurch wird eine gefährliche Stromüberhöhung (oder ein später Quench, der aufgrund eines hohen Tc-Wertes zu erwarten wäre) im HTSL-Leiter der Sektion 1 über die NbTi-Sektion 3 verhindert.
Es wird angemerkt, dass in dieser Ausführungsform zusätzlich auch die Nb3Sn-Hauptspulensektion 2 über beispielsweise die NbTi-Hauptspulensektion 4 durch einen gemeinsamen Schutzwiderstand geschützt werden kann (nicht dargestellt).
Die Materialien von Hochtemperatursupraleitern (insbesondere Bi- oder YBCQ-Leiter) sind besonders für höchste Magnetfelder, also für den innersten Bereich einer Hochfeldmagnetspulenanordnung geeignet. Allerdings sind diese Leiter bei Stromüberhöhungen im Quenchfall besonders gefährdet, da deren mechanische Festigkeit gering ist und nur durch zusätzliches Verstärkungsmaterial erhöht werden kann. Dieses Verstärkungsmaterial trägt allerdings nichts zur Stromtragfähigkeit bei und reduziert daher grundsätzlich den Feldbeitrag dieses Spulenbereichs. Andererseits quenchen diese Hochtemperatursupraleiter aufgrund ihrer hohen kritischen Temperatur erst sehr spät und können dadurch, während eines Quenches im äußeren Spulenbereich, sehr große Stromüberhöhungen aufsammeln, die den Hochtemperatursupraleiter mechanisch zerstören oder auch durchbrennen lassen. Daher eignen sich zum Beispiel die in 2a, 3, 5 und 6 beschriebenen Verschaltungen besonders für Magnetspulensysteme, in deren innerster Spulensektion 1 diese empfindlichen Hochtemperatursupraleiter eingesetzt werden. Als Hochtemperatursupraleiter kommen beispielsweise die Materialien Bi2212 und Bi2223 bzw. YBCO in Frage.
Alle in 1 bis 6 dargestellten Magnetspulenanordnungen dienen der schematischen Darstellung. Beispielsweise besitzen die inneren Sektionen typischerweise eine geringere Länge (in z-Richtung) als die äußeren Sektionen. Auch die Abstände zwischen der Hauptfeldspule und der Abschirmspule sind nicht maßstäblich zu verstehen.

Claims

Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem, umfassend – mehrere, radial ineinander geschachtelte Hauptspulensektionen (1, 2, 3, 4, 5), die derart in Serie miteinander verschaltet sind, dass sie im Betrieb von gleichsinnigem Strom durchflossen werden, wobei eine erste Hauptspulensektion (EHS) radial weiter innen liegt als eine zweite Hauptspulensektion (ZHS), und radial zwischen der ersten und der zweiten Hauptspulensektion (EHS, ZHS) mindestens eine Zwischen-Hauptspulensektion (ZW) angeordnet ist, – und einen supraleitenden Schalter (11), über den alle Hauptspulensektionen (1, 2, 3, 4, 5) seriell supraleitend kurzgeschlossen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hauptspulensektion (EHS) und die zweite Hauptspulensektion (ZHS) in der seriellen elektrischen Verschaltung unmittelbar aufeinander folgen, und dass die erste Hauptspulensektion (EHS) und die zweite Hauptspulensektion (ZHS), nicht jedoch die mindestens eine Zwischen-Hauptspulensektion (ZW), von einem gemeinsamen Quenchschutzelement überbrückt sind.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Quenchschutzelement einen Quenchschutzwiderstand (7; 7a, 7b) und/oder eine Quenchschutzdiode umfasst.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Hochfeld-Magnetspulensystem eine Abschirmspule (6) umfasst, die mit den Hauptspulensektionen (1, 2, 3, 4, 5) derart in Serie verschaltet ist, dass die Abschirmspule (6) und die Hauptspulensektionen (1, 2, 3, 4, 5) im Betrieb von gegensinnigem Strom durchflossen werden.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmspule (5) mit einem eigenen Quenchschutzelement (9) überbrückt ist
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfeld-Magnetspulensystem eine oder mehrere, wettere Hauptspulensektionen (1, 2, 3, 4, 5) aufweist, die radial innerhalb der ersten Hauptspulensektion (EHS) und/oder radial außerhalb der zweiten Hauptspulensektion (ZHS) angeordnet sind.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hauptspulensektion (EHS) die radial innerste Hauptspulensektion (1) des supraleitenden Hochfeld-Magnetspulensystems ist.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innerste Hauptspulensektion (1) des supraleitenden Hochfeld-Magnetspulensystems mit einem eigenen Quenchschutzelement (8a) überbrückt ist.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hauptspulensektion (ZHS) die radial äußerste Hauptspulensektion (4; 5) des supraleitenden Hochfeld-Magnetspulensystems ist.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußerste Hauptspulensektion (4; 5) des supraleitenden Hochfeld-Magnetspulensystems mit einem eigenen Quenchschutzelement (8b; 8c) überbrückt ist.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes supraleitendes Material eines Leiters der ersten Hauptspulensektion (EHS) ein höheres kritisches Magnetfeld aufweist als ein zweites supraleitendes Material eines Leiters der zweiten Hauptspulensektion (ZHS).
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptspulensektionen (1, 2, 3, 4, 5) eines radial inneren Hauptspulenbereichs (31; 32) jeweils einen Leiter mit dem ersten supraleitenden Material aufweisen, und die Hauptspulensektionen (1, 2, 3, 4, 5) eines radial äußeren Hauptspulenbereichs (32; 33) jeweils einen Leiter mit dem zweiten supraleitenden Material aufweisen.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hauptspulensektion (ZHS) die radial innerste Hauptspulensektion (3, 4) des radial äußeren Hauptspulenbereichs (32; 33) ist.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes supraleitendes Material eines Leiters der ersten Hauptspulensektion (EHS) Nb3Sn, Nb3Al, MgB2 oder ein keramisches Hochtemperatur-Supraleitermaterial, insbesondere YBCO oder Bi2212 oder Bi2223, umfasst.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites supraleitendes Material eines Leiters der zweiten Hauptspulensektion (ZHS) NbTi umfasst.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptspulensektionen (1) eines radial inneren Hauptspulenbereichs (31) jeweils einen Leiter mit einem Hochtemperatursupraleiter-Material aufweisen, dass die Hauptspulensektionen (2) eines radial mittleren Hauptspulenbereichs (32) jeweils einen Leiter mit Nb3Sn aufweisen, und dass die Hauptspulensektionen (3, 4) eines radial äußeren Hauptspulenbereichs (33) jeweils einen Leiter mit NbTi aufweisen.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gemeinsame Quenchschutzelemente, insbesondere Quenchschutzwiderstände (7a, 7b), vorgesehen sind, mit denen – jeweils eine erste und eine zweite Hauptspulensektion (EHS, ZHS), nicht jedoch jeweils mindestens eine, radial zwischen der ersten und zweiten Hauptspulensektion (EHS, ZHS) hegende Zwischen-Hauptsputensektion (ZW) gemeinsam überbrückt sind, – wobei die jeweils erste und zweite Hauptspulensektion (EHS, ZHS) in der seriellen elektrischen Verschaltung unmittelbar aufeinander folgen, – und wobei die jeweils erste Hauptspulensektion (EHS) radial weiter innen liegt als die jeweils zweite Hauptspulensektion (ZHS).
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine kritische Magnetfeldstärke eines ersten supraleitenden Materials eines Leiters der jeweils ersten Hauptspulensektion (EHS) größer ist als eine kritische Magnetfeldstärke eines weiten suprateitenden Materials eines Leiters der jeweils zweiten Hauptspulensektion (ZHS).
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptspulensektionen (1, 2, 3, 4, 5), die nicht von einem gemeinsamen Quenchschutzelement überbrückt sind, jeweils von einem eigenen Quenchschutzelement (8a–8c) überbrückt sind.
Supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für die Erzeugung eines Magnetfelds mit einer Magnetfeldstärke B₀ ≥ 9 Tesla, bevorzugt B₀ ≥ 17 Tesla, ausgelegt ist.
NMR-Messapparatur, insbesondere NMR-Spektrometer oder MRI-Tomograph, umfassend ein supraleitendes Hochfeld-Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.