DE102012106211A1

DE102012106211A1 - Superconducting magnet arrangement

Info

Publication number: DE102012106211A1
Application number: DE102012106211.0A
Authority: DE
Inventors: Philipp Krüger
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2014-01-16
Also published as: WO2014009009A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetanordnung, die einen supraleitenden Magneten zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes aufweist. Ferner weist die Magnetanordnung eine Abschirmvorrichtung (4, 4a, 4b, 4c, 17) aus ferromagnetischem Material auf und ist zumindest an einem Abschnitt des supraleitenden Magneten, an dem bei Anlegen eines elektrischen Stromes das Magnetfeld erzeugt wird, das eine Kante (3b) des Abschnitts tangiert, angeordnet, wobei die Abschirmvorrichtung (4, 4a, 4b, 4c, 17) eine relativ zur Kante (3b) konvexe oder konkave Querschnittsform aufweist.The present invention relates to a magnet arrangement which has a superconducting magnet for generating a homogeneous magnetic field. Furthermore, the magnet arrangement has a shielding device (4, 4a, 4b, 4c, 17) made of ferromagnetic material and is at least on a section of the superconducting magnet on which the magnetic field is generated when an electric current is applied, which is an edge (3b) of the Section tangent, arranged, wherein the shielding device (4, 4a, 4b, 4c, 17) has a relative to the edge (3b) convex or concave cross-sectional shape.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetanordnung, die einen supraleitenden Magneten zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes aufweist. The invention relates to a magnet assembly comprising a superconducting magnet for generating a homogeneous magnetic field.

Magnetanordnungen der vorgenannten Art sind u. a. in der Forschung sowie in der Medizin im Einsatz. Die Kernspinresonanz (NMR) ist bspw. ein Verfahren zur Untersuchung der Eigenschaften einer Probe, wobei die chemische Zusammensetzung einer Probe analysiert wird, wofür im Allgemeinen besonders homogene, statische Magnetfelder von mehreren Tesla Stärke benötigt werden, um qualitativ hochwertige Messergebnisse zu erhalten. Magnetic arrangements of the aforementioned type are u. a. in research as well as in medicine in use. Nuclear magnetic resonance (NMR) is, for example, a method of investigating the properties of a sample by analyzing the chemical composition of a sample, which generally requires particularly homogeneous, static magnetic fields of several Tesla thickness in order to obtain high quality measurement results.

Hohe Magnetfeldstärken können mit supraleitenden Magnetspulen erzeugt werden, die in der Regel mit flüssigem Helium in einem Kryostat auf eine typische Betriebstemperatur von T < 4,2 K gekühlt werden. Besonders häufig werden dabei solenoidförmige bzw. zylinderförmige Magnetspulen eingesetzt, die ein kreiszylinderförmiges Untersuchungsvolumen umschließen. Die Magnetfeldcharakteristik einer Spule entspricht der eines Stabmagneten, wobei die Magnetfeldlinien im Inneren der Spule nahezu parallel verlaufen. In den stirnseitigen Randbereichen der Spule, in denen die Magnetfeldlinien radial nach außen um das Spulenende wegfließen, kann aufgrund auftretender nicht-paralleler Komponenten des Magnetfelds magnetischer Fluss in diese Spulenbereiche eindringen. Dieser Effekt tritt bei hohen Feldstärken auf, insbesondere wenn die Spulen aus technischen Supraleitern aufgebaut sind, wie z. B. eine Legierung aus Niob und Zinn (Nb₃Sn) oder Niob und Titan (NbTi), oder insbesondere sogenannte Bandleiter wie BSCCO, YBCO, wobei Y zumindest teilweise durch mindestens ein anderes Seltenerdmetall ersetzt werden kann. Diese Art supraleitender Materialien, wie z. B., zeigen ab einem kritischen Magnetfeld B_C den Effekt, dass ein Teil des magnetischen Flusses in Form sogenannter Flussschläuche in das supraleitende Material eintritt. Dies führt dazu, dass das supraleitende Material an Stromtragfähigkeit verliert, wobei der Verlust mit der Stärke des Magnetfelds korreliert. Eine Verminderung der Stromtragfähigkeit j in den äußeren Bereichen der Spule beeinflusst zugleich von den Polen entfernte Wicklungen und damit den inneren Bereich der Spule. Kann die Spule nicht mehr genügend Strom „tragen“, kann die Magnetfeldspule das eigentlich zu erreichende Magnetfeld nicht in der gewünschten Stärke erreichen. Bei magnetischen Hochfeldspulen, die bis zu 24 Tesla im statischen Betrieb erreichen, kann dies einen Verlust von einigen Tesla Höchstleistung bedeuten. Der Magnet sollte daher an den betreffenden Stellen abgeschirmt werden. High magnetic field strengths can be generated with superconducting magnetic coils, which are usually cooled with liquid helium in a cryostat to a typical operating temperature of T <4.2 K. Solenoid-shaped or cylindrical magnetic coils are particularly frequently used, which enclose a circular-cylindrical examination volume. The magnetic field characteristic of a coil corresponds to that of a bar magnet, wherein the magnetic field lines in the interior of the coil are almost parallel. In the end-side edge regions of the coil, in which the magnetic field lines flow away radially outward around the coil end, due to non-parallel components of the magnetic field occurring, magnetic flux can penetrate into these coil regions. This effect occurs at high field strengths, especially when the coils are constructed of technical superconductors, such. As an alloy of niobium and tin (Nb ₃ Sn) or niobium and titanium (NbTi), or in particular so-called band conductors such as BSCCO, YBCO, wherein Y can be at least partially replaced by at least one other rare earth metal. This type of superconducting materials, such. Example, show from a critical magnetic field B _C the effect that a part of the magnetic flux in the form of so-called flow tubes enters the superconducting material. As a result, the superconducting material loses current carrying capacity, with the loss correlating with the strength of the magnetic field. A reduction in the current carrying capacity j in the outer regions of the coil simultaneously influences windings which are remote from the poles and thus the inner region of the coil. If the coil can no longer "carry" enough current, the magnetic field coil can not reach the actual magnetic field to be reached in the desired strength. With magnetic high field coils, which reach up to 24 Tesla in static operation, this can mean a loss of some Tesla maximum power. The magnet should therefore be shielded at the relevant points.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Abschirmvorrichtungen sind als passive und aktive Feldhomogenisierungssysteme bekannt. Die DE 199 22 652 A1 beschreibt ein passives System, wobei ferromagnetisches Material ringförmig innerhalb der Magnetspule angeordnet wird. Das ferromagnetische Material bewirkt eine Abschirmung von innerhalb der Spule auftretenden Streufeldern. Ein aktive Homogenisierung ist aus der DE 10 2008 020 107 B4 bekannt, wobei zusätzliche gegenläufig betriebene Sekundärspulen der Hauptfeldspule zugeschaltet und beide Magnetfelder überlagert werden. Die vorgenannten Systeme beruhen darauf, dass das Homogenisierungssystem und die Magnetfeldspule zusammen ein homogenes Magnetfeld im Inneren der Hauptfeldspule erzeugen. Zwar werden dadurch Störfelder bzw. fertigungsbedingte Feldinhomogenitäten vermindert, jedoch verhindern diese nicht den Effekt der Verringerung der Stromtragfähigkeit j. Lediglich das Feld eines kleinen Bereiches innerhalb des Untersuchungsvolumens wird beeinflusst. The shielding devices known from the prior art are known as passive and active field homogenization systems. The DE 199 22 652 A1 describes a passive system wherein ferromagnetic material is disposed annularly within the solenoid coil. The ferromagnetic material causes a shielding of stray fields occurring within the coil. An active homogenization is from the DE 10 2008 020 107 B4 known, with additional counter-operated secondary coils of the main field coil switched on and both magnetic fields are superimposed. The aforementioned systems are based on the fact that the homogenization system and the magnetic field coil together produce a homogeneous magnetic field inside the main field coil. Although this reduces interference fields or production-related field inhomogeneities, these do not prevent the effect of reducing the current carrying capacity j. Only the field of a small area within the examination volume is affected.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Magnetanordnung mit einem supraleitenden Magneten zu schaffen, wobei ein Eindringen von magnetischem Fluss in Randbereiche eines supraleitenden Magneten vermindert und eine Stabilisierung der Stromtragfähigkeit j des supraleitenden Magneten ermöglicht wird. Based on this prior art, the present invention is therefore an object of the invention to provide a magnet assembly with a superconducting magnet, wherein a penetration of magnetic flux in edge regions of a superconducting magnet is reduced and stabilizing the current carrying capacity j of the superconducting magnet is made possible.

Es ergibt sich die weitere Aufgabe, einen einfachen Aufbau und eine kostengünstige Herstellung der Magnetanordnung zu schaffen. It results in the further object to provide a simple structure and a cost-effective production of the magnet assembly.

Die vorgenannte Aufgabe wird durch eine Magnetanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens und der Gegenstände sind in den Unteransprüchen ausgeführt. The above object is achieved by a magnet arrangement having the features of independent claim 1. Further developments of the method and the objects are set forth in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Magnetanordnung umfasst einen supraleitenden Magneten zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes. Die Magnetanordnung weist eine Abschirmvorrichtung aus ferromagnetischem Material auf, die zumindest an einem Abschnitt des supraleitenden Magneten angeordnet ist, an dem bei Anlegen eines elektrischen Stromes das Magnetfeld erzeugt wird, das eine Kante des Abschnitts tangiert. Dabei hat die Abschirmvorrichtung eine besonders bevorzugt relativ zur Kante konvexe Querschnittsform, um so vorteilhaft auf geeignete Weise die entsprechende Kante des Magneten zu umgeben. In einer alternativen Ausführungsform kann die Abschirmvorrichtung auch eine relativ zur Kante konkave Querschnittsform aufweisen. The magnet arrangement according to the invention comprises a superconducting magnet for generating a homogeneous magnetic field. The magnet arrangement has a shielding device of ferromagnetic material, which is arranged at least on a portion of the superconducting magnet, on which upon application of an electric current, the magnetic field is generated, which touches an edge of the section. In this case, the shielding device has a particularly preferred relative to the edge convex cross-sectional shape, so advantageous to suitably surround the corresponding edge of the magnet. In an alternative embodiment, the shielding device may also have a concave cross-sectional shape relative to the edge.

Innerhalb des genannten Magneten ist das Feld recht homogen, so dass das Magnetfeld eine parallele Komponente H_ll endlicher Größe hat. Die senkrechte Komponente H_⊥ des Magnetfeldes ist hier näherungsweise Null. Entlang des Verlaufs der Magnetfeldlinien in der Nähe von Kanten derartiger Abschnitte beinhaltet das Magnetfeld eine zunehmende senkrechte Komponente H_⊥, womit das Magnetfeld an den Randbereichen der Kante diese berührt und bei steigendem Magnetfeld schließlich eindringt. Besonders vorteilhaft ist daher, dass die Abschirmvorrichtung eine im Querschnitt konvexe Form aufweist, weil so der magnetische Fluss durch diese Form abgelenkt wird, indem die Feldlinien nahezu senkrecht auf die Abschirmvorrichtung treffen und durch sie hindurch führbar sind. Dies wird durch eine konkave Querschnittsform auch hinreichend erfüllt, so dass die Abschirmvorrichtung variabel gestaltet werden kann. Sie ist damit in der Lage magnetischen Fluss vom Supraleiter wegzuführen und kann in den genannten Abschnitten, bevorzugt in den Endbereichen des supraleitenden Magneten, eine höhere Stromtragfähigkeit des supraleitenden Magneten sicherstellen, da die Menge an magnetischem Fluss, der in den Supraleiter eindringt minimal wird. Dies kann vorteilhaft rein passiv erfolgen, da die Magnete durch Variation des Magnetfelds aufgrund ihrer Geometrie als auch ihrer eigenen kritischen Stromdichte in den benannten Bereichen zwar inhomogene Magnetfelder erzeugen, diese Probleme jedoch stets im gleichen Maße auftreten. Mit wenig Aufwand und ohne eine weitere externe Steuerung des supraleitenden Magneten bzw. der Abschirmvorrichtung selbst, kann die Homogenität des Magnetfelds deutlich verbessert werden. Indem die Stromtragfähigkeit der kritischen Bereiche des supraleitenden Magneten verbessert wird, ist ein homogeneres Magnetfeld innerhalb des supraleitenden Magneten insgesamt möglich. Within the said magnet, the field is quite homogeneous, so that the magnetic field has a parallel component H _{ll of} finite size. The vertical component H _{⊥ of} the magnetic field is approximately zero here. Along the course of the magnetic field lines in the vicinity of edges of such sections, the magnetic field contains an increasing vertical component H _⊥ , with which the magnetic field at the edges of the edge touches them and finally penetrates with increasing magnetic field. It is therefore particularly advantageous that the shielding device has a convex shape in cross-section, because the magnetic flux is thus deflected by this shape in that the field lines strike the shielding device almost perpendicularly and can be guided through it. This is also sufficiently fulfilled by a concave cross-sectional shape, so that the shielding device can be made variable. It is thus able to carry away magnetic flux from the superconductor and can ensure a higher current carrying capacity of the superconducting magnet in the said sections, preferably in the end regions of the superconducting magnet, since the amount of magnetic flux entering the superconductor becomes minimal. This can advantageously be purely passive, since the magnets generate inhomogeneous magnetic fields by varying the magnetic field due to their geometry as well as their own critical current density in the named areas, but these problems always occur to the same extent. With little effort and without further external control of the superconducting magnet or the shielding device itself, the homogeneity of the magnetic field can be significantly improved. By improving the current carrying capacity of the critical regions of the superconducting magnet, a more homogeneous magnetic field within the superconducting magnet as a whole is possible.

Für einen variablen Einsatz der Abschirmvorrichtung sieht die Erfindung vor, dass der supraleitende Magnet einstückig ist oder aus einer Mehrzahl von Abschnitten aufgebaut ist. Die Abschirmvorrichtung kann jeweils oder vereinzelt an die unterschiedliche Abschnitte angeordnet sein, je nach Anforderung an die Magnetanordnung selbst. Bevorzugt sieht die Erfindung vor, dass die Kante des zumindest einen Abschnitts durch die Abschirmvorrichtung zumindest teilweise umfasst wird. Dabei kann sie die Kante des Abschnitts des supraleitenden Magneten auch vollumfänglich umfassen. Dazu sieht die Erfindung bevorzugt vor, dass die Abschirmvorrichtung als Kappe ausgebildet sein kann, wobei bevorzugt an beiden Enden des Abschnitts jeweils eine Kappe angeordnet ist. Dazu kann die Abschirmvorrichtung an wenigstens einem der Polbereiche des supraleitenden Magneten angeordnet sein. Damit werden gerade die kritischen Bereiche umfasst, in denen magnetischer Fluss in den supraleitenden Magneten eindringen kann. For a variable use of the shielding device, the invention provides that the superconducting magnet is in one piece or is constructed from a plurality of sections. The shielding device may be arranged in each case or occasionally on the different sections, depending on the requirements of the magnet arrangement itself. The invention preferably provides that the edge of the at least one section is at least partially enclosed by the shielding device. It may also include the edge of the portion of the superconducting magnet also fully. For this purpose, the invention preferably provides that the shielding device can be designed as a cap, with a cap preferably being arranged at both ends of the section. For this purpose, the shielding device can be arranged on at least one of the pole regions of the superconducting magnet. This includes the critical areas where magnetic flux can penetrate the superconducting magnet.

In einer Ausführungsform kann die Abschirmvorrichtung ringförmig sein. Sie kann dann einfach auf die Polbereiche eines zylindrischen Magneten aufgesetzt werden. Alternativ kann die Abschirmvorrichtung als längliches Profil ausgebildet sein, wobei sie im Querschnitt U-förmig oder L-förmig ist. Alternativ kann eine abgerundete Querschnittsform, bspw. halbkreisförmig vorgesehen sein. Vorteilhaft ist die Form jeweils so ausgebildet, dass sie die interessierende Kante des Magneten auf die beschriebene Weise so umgibt, dass das Magnetfeld intrinsisch geführt, also besonders effektiv geführt wird. Die Feldlinien treffen dabei nahezu senkrecht auf die Abschirmvorrichtung und können demgemäß optimal von derselben angezogen werden. In one embodiment, the shielding device may be annular. It can then simply be placed on the pole regions of a cylindrical magnet. Alternatively, the shielding device may be formed as an elongate profile, wherein it is U-shaped or L-shaped in cross section. Alternatively, a rounded cross-sectional shape, for example. Semicircular can be provided. Advantageously, the mold is in each case designed such that it surrounds the edge of interest of the magnet in the manner described in such a way that the magnetic field is guided intrinsically, that is, is guided particularly effectively. The field lines meet almost perpendicular to the shielding and can therefore be optimally tightened by the same.

Daher kann auch vorgesehen sein, dass die Abschirmvorrichtung im Querschnitt gewinkelt ausgebildet ist, wobei ein bevorzugter Winkel zwischen 60° und 120° liegt. Ein Winkel von 90° ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, womit die Abschirmvorrichtung besonders einfach herstellbar ist. Die genauen Abmessung der Abschirmvorrichtung, d. h. ihre Breite, bestimmt sich nach den Abmessungen des zu umfassenden Abschnitts. In einer Weiterbildung kann der Winkel auch größer als 120° ausgebildet sein. Therefore, it can also be provided that the shielding device is formed angled in cross-section, with a preferred angle between 60 ° and 120 °. An angle of 90 ° is provided in a preferred embodiment, whereby the shielding device is particularly easy to produce. The exact dimension of the shielding device, d. H. their width, determined by the dimensions of the too extensive section. In a development, the angle can also be formed greater than 120 °.

Besonders bevorzugt sieht die Erfindung vor, dass der supraleitende Magnet eine rotationssymmetrisch um eine z-Achse angeordnete, supraleitende Spule ist, wobei letztere aus Drähten gewickelt oder aus auf einen Träger aufgedampften Leiterbahnen aufgebaut sein kann. Hierbei kann die supraleitende Spule eine radial innen liegende oder außen liegende Spule sein. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die supraleitende Spule aus einer unstrukturierten Zylinderspule aufgebaut sein kann. Alternativ ist es auch möglich strukturierte Zylinderspulen zu verwenden. Particularly preferably, the invention provides that the superconducting magnet is a rotationally symmetrical about a z-axis arranged, superconducting coil, the latter can be wound from wires or can be constructed of deposited on a carrier printed conductors. Here, the superconducting coil may be a radially inner or outer coil. An inventive embodiment of the invention provides that the superconducting coil can be constructed from an unstructured cylindrical coil. Alternatively, it is also possible to use structured cylindrical coils.

Erfindungsgemäß kann die supraleitende Spule aus einer Vielzahl miteinander in Reihe geschalteten Abschnitten in Form von Wicklungssätzen aufgebaut sein, wobei die Abschirmvorrichtung an wenigstens einem der Wicklungssätze angeordnet ist. Die Wicklungssätze können ggf. durch Abstandshalter wenige Millimeter voneinander getrennt sein, so dass auch hier wieder eine Kante vorliegt, an der magnetischer Fluss in den Wicklungssatz eindringen kann. Bevorzugt kann wenigstens eine Abschirmvorrichtung zu beiden Enden bzw. Stirnseiten des Wicklungssatzes angeordnet sein, um eine funktionstüchtige Abschirmung dieser Bereiche zu erreichen. In einer weiteren Ausführungsform können mehrere Wicklungssätze zusammen derart umfasst werden, wobei nicht nur zwei Abschirmvorrichtungen, sondern eine Mehrzahl einer geraden Anzahl von Abschirmvorrichtungen an den Wicklungssätzen angeordnet werden kann. Die Abschirmvorrichtung ist damit variabel für die jeweiligen Anforderungen einsetzbar. According to the invention, the superconducting coil may be constructed of a plurality of sections connected in series in the form of winding sets, the shielding device being arranged on at least one of the winding sets. The winding sets may possibly be separated by spacers a few millimeters from each other, so that again there is an edge at the magnetic flux can penetrate into the winding set. Preferably, at least one shielding device can be arranged at both ends or front sides of the winding set in order to provide a functional shielding of the same Reach areas. In another embodiment, multiple sets of windings may be included together such that not only two shielding devices but a plurality of even number of shielding devices may be disposed on the sets of windings. The shielding device can thus be variably used for the respective requirements.

Je nach Anwendung sind mehrere Spulen ineinander setzbar, wobei die Magnetfeldspule einer bevorzugten Ausführungsform aus zwei, zum Zentrum des inneren Volumens spiegelsymmetrisch angeordneten Zylinderspulen besteht. Die Spulen sind hierbei radial ineinander angeordnet. Alternativ können die Spulen übereinander angeordnet sein und gleichsinnig betrieben werden. Hierbei kann die Abschirmvorrichtung die Polbereiche der wenigstens zwei supraleitenden Spulen umfassen, wobei auch eine abschnittsweise Abschirmung vorgesehen sein kann. Stets sollten beide Polbereiche der umfassten Abschnitte mit einer Abschirmung versehen werden, um die Stromtragfähigkeit der Spule optimal zu stabilisieren. Depending on the application, a plurality of coils can be placed into one another, wherein the magnetic field coil of a preferred embodiment consists of two, to the center of the inner volume mirror-symmetrically arranged cylindrical coils. The coils are in this case arranged radially one inside the other. Alternatively, the coils can be arranged one above the other and operated in the same direction. In this case, the shielding device may comprise the pole regions of the at least two superconducting coils, it also being possible for a section-wise shielding to be provided. Always both pole regions of the covered sections should be provided with a shield in order to optimally stabilize the current carrying capacity of the coil.

In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der supraleitende Magnet ein Stabmagnet sein kann, wobei die Abschirmvorrichtung vorzugsweise als längliches Profil ausgebildet ist. Sie kann kappenförmig entlang der Polbereiche angeordnet sein und diese teilweise umfassen, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform die Abschirmvorrichtung im Querschnitt U-förmig ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Magnetanordnung kann daher variabel je nach Art des Einsatzes, wie z. B. in der Forschung oder Medizintechnik, mit geeigneten Magnetvarianten zur Verfügung gestellt werden. In an alternative embodiment it can be provided that the superconducting magnet can be a bar magnet, wherein the shielding device is preferably designed as an elongate profile. It may be arranged in the shape of a cap along the pole regions and partially enclose them, wherein in a preferred embodiment the shielding device has a U-shaped cross-section. The magnet arrangement according to the invention can therefore be varied depending on the nature of the insert, such. B. in research or medical technology, are provided with suitable magnetic variants.

Der zu verwendende Ferromagnet kann z. B. aus Eisen bzw. einer Eisenlegierung mit Kobalt oder Nickel bestehen und kann von wenigen μm bis zu einigen cm dick sein. Je nach Anforderung kann das Material aufgedampft oder als massive Abschirmung aufgesetzt werden. Die erforderliche Menge bzw. Art von ferromagnetischem Material ist abhängig davon, wie hoch das mit dem supraleitenden Magneten erzeugte Magnetfeld ist. Das ferromagnetische Material sollte daher eine Hysteresekurve aufweist, deren Sättigung erst bei hohen Magnetfeldern eintritt und das eine geringe Verlustfunktion hat. Alternativ kann die Abschirmvorrichtung auch aus einem supraleitenden Material bestehen. The ferromagnet to be used can, for. Example of iron or an iron alloy with cobalt or nickel and may be from a few microns to a few cm thick. Depending on the requirements, the material can be vapor-deposited or mounted as a solid shielding. The required amount of ferromagnetic material depends on how high the magnetic field generated by the superconducting magnet is. The ferromagnetic material should therefore have a hysteresis curve whose saturation occurs only at high magnetic fields and which has a low loss function. Alternatively, the shielding device may also consist of a superconducting material.

Vorteilhafterweise enthält das supraleitende Material des Magneten Niob, insbesondere in der Zusammensetzung Nb₃Sn oder auch NbTi. Alternativ kann ein supraleitender Magnet auch aus einem Hochtemperatursupraleiter gefertigt sein, wie z. B. BSCCO, YBCO, wobei Y zumindest teilweise durch mindestens ein anderes Seltenerdmetall ersetzt werden kann. Advantageously, the superconducting material of the magnet contains niobium, in particular in the composition Nb ₃ Sn or else NbTi. Alternatively, a superconducting magnet can also be made of a high-temperature superconductor, such as. B. BSCCO, YBCO, wherein Y can be at least partially replaced by at least one other rare earth metal.

Die Abschirmvorrichtung kann mit herkömmlichen Befestigungsmitteln, wie z. B. Schrauben oder Klemmen am Magneten befestigt werden. Auch kann vorgesehen sein, dass sie einfach auf den Magneten aufgesetzt oder aufgesteckt wird. Dies erleichtert vor allem die Nachrüstung vorhandener Magnetsysteme. The shielding device can with conventional fasteners, such. As screws or clamps are attached to the magnet. It can also be provided that it is simply placed or attached to the magnet. This especially facilitates the retrofitting of existing magnet systems.

Damit ein ordnungsgemäßer Betrieb der Magnetanordnung gegeben ist, ist die supraleitende Spule zusammen mit der Abschirmvorrichtung dazu ausgebildet, in einem Kryostaten angeordnet zu werden. In diesem Fall wird das ferromagnetische Material der Abschirmvorrichtung mitgekühlt. Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Abschirmvorrichtung außerhalb des Kryostaten auf den Magneten befestigt wird, wodurch die raumtemperaturwarme und leicht zugängliche Abschirmvorrichtung bei Bedarf nachjustiert oder ergänzt werden kann. In order to ensure proper operation of the magnet assembly, the superconducting coil together with the shielding device is configured to be disposed in a cryostat. In this case, the ferromagnetic material of the shielding device is also cooled. An alternative embodiment provides that the shielding device is mounted outside the cryostat on the magnet, whereby the space temperature-warming and easily accessible shielding device can be readjusted or supplemented if necessary.

Eine Weiterbildung der Ausführungsform sieht vor, dass ein supraleitender Schalter zum Kurzschluss des durch den supraleitenden Magneten gebildeten Stromkreises vorgesehen ist. Damit kann die Magnetanordnung im Dauerbetrieb ohne Spannungsquelle (persistent mode) betrieben werden. A development of the embodiment provides that a superconducting switch is provided for short circuit of the circuit formed by the superconducting magnet. Thus, the magnet assembly can be operated in continuous operation without voltage source (persistent mode).

Grundsätzlich sind mit der hier dargestellten Erfindung auch bestehende Magnetfeldanordnungen erweiterbar bzw. nachrüstbar, die sich damit durch einen kompakten Aufbau und eine kostengünstige Herstellung auszeichnen. Basically, existing magnetic field arrangements can also be expanded or retrofitted with the present invention, which are thus distinguished by a compact design and cost-effective production.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Abschirmvorrichtung zum Ausgleichen von Feldinhomogenitäten, die durch Fertigungstoleranzen des supraleitenden Magneten entstehen, ausgebildet sein. Dazu wird das Feldprofil des supraleitenden Magneten nach dessen Herstellung und Montage vermessen, und hiernach die Abschirmvorrichtung unter Berücksichtigung der Messergebnisse erstellt und montiert. Dadurch kann eine verbesserte Feldhomogenität und zu erreichende Feldstärke durch eine erhöhte Stromtragfähigkeit j im supraleitenden Magneten erreicht werden. In an advantageous development, the shielding device can be designed to compensate for field inhomogeneities that arise as a result of manufacturing tolerances of the superconducting magnet. For this purpose, the field profile of the superconducting magnet is measured after its manufacture and assembly, and hereafter the shielding device is created and mounted taking into account the measurement results. As a result, improved field homogeneity and field strength to be achieved can be achieved by an increased current carrying capacity j in the superconducting magnet.

Die Erfindung findet hierbei ihren Einsatz überall dort, wo hohe, besonders homogene Magnetfelder in Gebrauch sind, wie z. B. in der NMR, die für die Biologie, Medizintechnik, Diagnostik, Materialprüfung sowie Werkstoffkunde immer mehr an Bedeutung gewinnt. Alternativ kann die Abschirmvorrichtung im Bereich von Hochfeldmagneten, die in Bereichen jenseits von 30 Tesla arbeiten, eingesetzt werden. The invention finds its use everywhere where high, particularly homogeneous magnetic fields are in use, such. B. in NMR, which is becoming increasingly important for biology, medical technology, diagnostics, materials testing and materials science. Alternatively, the shielding device can be used in the range of high-field magnets operating in ranges beyond 30 Tesla.

Weitere Ausführungsformen, sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung deutlich und besser verständlich. Unterstützend hierbei ist auch der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder sehr ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Other embodiments, as well as some of the advantages associated with these and other embodiments, will become apparent and better understood by the following detailed description. Supporting here is the reference to the figures in the description. Items or parts thereof that are substantially the same or very similar may be given the same reference numerals.

Dabei zeigt:Showing:

1 einen Längsschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Magnetanordnung mit einer Abschirmvorrichtung; 1 a longitudinal section through a first inventive magnet arrangement with a shielding device;

2 eine alternative, zweite Ausführungsform der Abschirmvorrichtung; 2 an alternative, second embodiment of the shielding device;

3 eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung; 3 an alternative embodiment of the magnet arrangement according to the invention;

4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung; 4 a further embodiment of the magnet arrangement according to the invention;

5 einen supraleitenden Stabmagneten mit einer weiteren erfindungsgemäßen Abschirmvorrichtung; und 5 a superconducting bar magnet with another shielding device according to the invention; and

6 ein Beispiel einer Funktionsweise der Abschirmvorrichtung. 6 an example of an operation of the shielding device.

In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung 1 in einem Längsschnitt schematisch dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine supraleitende Spule 2, die eine Vielzahl an Spulenwicklungen 3 aufweist. Supraleitende Magnete können aus einer einzigen durchgehenden Wicklung von Drähten hergestellt sein, so dass sie einstückig ausgebildet sind. Zumeist sind sie jedoch, wie in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt, in Abschnitten 3a in Form von Wicklungsätzen aufgeteilt, die in Reihe geschaltet werden. Je nach Anforderung sind sie der Länge nach untereinander bzw. ineinander angeordnet. Die Enden dieser Abschnitte 3a weisen Kanten 3b auf, wobei insbesondere die freien Kanten von umfließendem Magnetfeld tangiert werden können. Der besseren Übersicht wegen sind in den Figuren die Kanten 3b nur beispielhaft bezeichnet. Im Prinzip ist jede Kante zu beachten, die an einem Abschnitt 3a der Spule 2 existiert. In 1 is a first embodiment of a magnet arrangement according to the invention 1 shown schematically in a longitudinal section. This is a superconducting coil 2 that has a variety of coil windings 3 having. Superconducting magnets can be made from a single continuous winding of wires so that they are integrally formed. In most cases, however, they are, as shown in this embodiment, in sections 3a divided in the form of winding sets, which are connected in series. Depending on the requirement, they are arranged lengthwise one below the other or in one another. The ends of these sections 3a have edges 3b on, in particular, the free edges of flowing magnetic field can be affected. For the sake of clarity, the edges are in the figures 3b only exemplified. In principle, every edge is to be considered, which at a section 3a the coil 2 exist.

Die Erfindung kann in unterschiedlichen Ausführungsformen realisiert werden, wobei allen Abschirmvorrichtungen gemein ist, dass sie in Bezug zu der Kante eine im Querschnitt konvexe Form aufweisen. The invention can be implemented in different embodiments, wherein all shielding devices have in common that they have a convex shape in relation to the edge in cross-section.

Ferner ist in 1 eine erfindungsgemäße Abschirmvorrichtung 4 dargestellt, die einen U-förmigen Querschnitt aufweist, die auf die Spulenenden in einfacher Weise aufsetzbar ist. In der Gesamtanordnung ist sie als ringförmige Kappe ausgebildet, der in seiner zur Stirnseite der supraleitenden Spule 2 hin weisenden Stirnseite eine Nut 5 aufweist. Diese Nut 5 ist hierbei derart dimensioniert, dass eine Stirnseite und damit die Kanten 3b der supraleitenden Spule 2 von der Abschirmvorrichtung 4 vollumfänglich umfasst ist. Die Breite der Nut 5 entspricht damit der Abmessung der Spulenwicklung 3. Die Abschirmvorrichtung 4 ist in dieser Ausführungsform an beiden Polbereichen der Spule 2 angeordnet, so dass Verluste der Stromtragfähigkeit j zu beiden Enden der Spule 2 ausgeglichen werden können, da gerade an den Polbereichen ein stark inhomogenes Magnetfeld auftritt. Furthermore, in 1 a shielding device according to the invention 4 shown, which has a U-shaped cross section, which is placed on the coil ends in a simple manner. In the overall arrangement, it is designed as an annular cap, which in its to the end face of the superconducting coil 2 facing end a groove 5 having. This groove 5 is in this case dimensioned such that a front side and thus the edges 3b the superconducting coil 2 from the shielding device 4 is fully encompassed. The width of the groove 5 thus corresponds to the dimension of the coil winding 3 , The shielding device 4 is in this embodiment at both pole regions of the coil 2 arranged so that losses of current carrying capacity j to both ends of the coil 2 can be compensated, since just at the pole areas a highly inhomogeneous magnetic field occurs.

Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschirmvorrichtung 4, wobei die Abschirmvorrichtung 4 hier als ringförmiges Winkelelement 6 dargestellt ist. Weitere mögliche Ausführungsformen der Abschirmvorrichtung 4 sind neben rechtwinkligen Ringen auch Konstruktionen, die einen spitzen Winkel aufweisen, wobei deren Spitze vorzugsweise in z-Richtung weisen. Ein Winkel liegt dabei zwischen 60° und 120°; die Magnetfeldlinien sollten vorzugsweise senkrecht auf die Abschirmvorrichtung treffen, um eine Führung der Feldlinien zu erreichen. Die Abschirmvorrichtung 4 erfüllt den Zweck, wenn sie im Querschnitt zur Kante 3b hin in einer konvexen Form ausgebildet ist. The 2 shows a second embodiment of the shielding device according to the invention 4 , wherein the shielding device 4 here as an annular angle element 6 is shown. Further possible embodiments of the shielding device 4 are in addition to right-angled rings and constructions that have an acute angle, the tip of which preferably point in the z-direction. An angle is between 60 ° and 120 °; the magnetic field lines should preferably strike the shielding device perpendicularly in order to achieve a guidance of the field lines. The shielding device 4 fulfills the purpose when in cross-section to the edge 3b formed in a convex shape.

Neben einer Anordnung der Abschirmvorrichtung 4 an den Polen des supraleitenden Magneten 2 zeigt 3, wie ein erster Wicklungssatz 7 mit einer ersten Abschirmvorrichtung 4a zu beiden Enden umfasst wird. Ein zweiter Wicklungssatz 8 sowie ein dritter Wicklungssatz 9 sind mit dem ersten Wicklungssatz 7 in Reihe geschaltet, und werden ihrerseits jeweils zu einem freien Ende von einer zweiten Abschirmvorrichtung 4b umfasst. Dies bewirkt eine besonders zuverlässige Abschirmung, da Zwischenbereiche zwischen Wicklungssätzen nicht von magnetischem Fluss durchströmt werden. Wie viele Wicklungssätze zusammen abschirmbar sind, ist beliebig. Es können auch zwei oder mehr Wicklungssätze übereinander zusammen mit einer Abschirmung 4 versehen werden. Wichtig ist die jeweils stirnseitige Anordnung an den Wicklungssätzen bzw. der kompletten Spule 2. Anstatt der im Querschnitt U-förmigen Abschirmvorrichtungen 4a, 4b ist wiederum eine rechtwinklige Ringkonstruktion nach 2 möglich. In addition to an arrangement of the shielding device 4 at the poles of the superconducting magnet 2 shows 3 as a first winding set 7 with a first shielding device 4a is included at both ends. A second winding set 8th and a third winding set 9 are with the first winding set 7 in row in turn, each turn to a free end of a second shielding device 4b includes. This causes a particularly reliable shielding, since intermediate areas between winding sets are not flowed through by magnetic flux. How many winding sets can be shielded together is arbitrary. Two or more sets of windings may be stacked together with a shield 4 be provided. Important is the respective end-face arrangement on the winding sets or the complete coil 2 , Instead of the cross-sectionally U-shaped shielding 4a . 4b again is a right-angled ring construction 2 possible.

In der 4 ist eine Magnetanordnung 1a dargestellt, die aus zwei ineinander angeordneten magnetischen Spulen 10, 11 aufgebaut ist, wobei eine erste Spule 10 eine äußere Spule und eine zweite Spule 11 die innen liegende Spule bezeichnet. Auf ihre Kanten 3b ist eine Abschirmvorrichtung 4c angeordnet. Die erste Spule 10 ist hierbei länger ausgebildet als die zweite Spule 11, wodurch sich eine leicht veränderte Geometrie der Abschirmvorrichtung 4c ergibt. Im Querschnitt wiederum U-förmig ausgebildet, weist sie unterschiedlich lange Schenkel 13, 14 auf, wobei ein äußerer Schenkel 13 kürzer ausgebildet ist als ein innerer Schenkel 14. Der äußere Schenkel 13 überlappt mit einem freien Ende der ersten Spule 10 um einen Abschnitt, der einige Windungen betragen kann. Der innere Schenkel 14 überlappt ebenfalls mit einem Ende der ersten Spule 10, wobei der Überlappungsbereich verglichen mit dem von Schenkel 13 jedoch deutlich größer ist. Mit seinem freien Ende schließt der Schenkel 14 an der inneren Spule 11 stirnseitig an der Kante 3b ab. Eine Anziehung der Magnetfeldlinien durch die ferromagnetische Abschirmvorrichtung 4c ist auch in diesem Fall gewährleistet. In the 4 is a magnet arrangement 1a shown, consisting of two nested magnetic coils 10 . 11 is constructed, wherein a first coil 10 an outer coil and a second coil 11 denotes the internal coil. On their edges 3b is a shielding device 4c arranged. The first coil 10 This is longer than the second coil 11 , resulting in a slightly different geometry of the shielding 4c results. In turn, U-shaped in cross section, it has different lengths of leg 13 . 14 on, with an outer leg 13 shorter than an inner leg 14 , The outer thigh 13 overlaps with a free end of the first coil 10 around a section that can be a few turns. The inner thigh 14 also overlaps with one end of the first coil 10 , where the overlap area compared to that of Schenkel 13 However, it is much larger. The thigh closes with its free end 14 on the inner coil 11 frontally on the edge 3b from. An attraction of the magnetic field lines by the ferromagnetic shielding device 4c is also guaranteed in this case.

In 5 ist eine alternative Magnetanordnung mit einem supraleitenden Stabmagneten 15 gezeigt, der in experimenteller Anordnung zur Bestimmung der geometrischen Form der Abschirmvorrichtung verwendbar ist. Der Stabmagnet 15 wurde hierbei so angeschlossen, dass die Magnetfeldlinien um eine schmale Seitenfläche herum fließen. Die Seitenfläche wird durch Kanten 18 begrenzt, die in dieser Ausführungsform vom Magnetfeld tangiert werden können. Dementsprechend ist entlang der beiden Längsseiten 16a, 16b eine Abschirmvorrichtung 17 in Form einer Kappe mit U-förmigen Querschnitt aus ferromagnetischem Material, wie zum Beispiel Eisen gelegt. Versuche mit dieser Anordnung haben gezeigt, dass die konvexe Geometrie der Abschirmvorrichtung 17 besonders effektiv die Magnetfeldlinien, sprich den magnetischen Fluss des Stabmagneten 15 aufnimmt, wodurch kein magnetischer Fluss mehr in die Ecken eindringt und die Stromtragfähigkeit j des Supraleiters in diesem Bereich herabsetzt. In 5 is an alternative magnet arrangement with a superconducting bar magnet 15 shown, which is used in an experimental arrangement for determining the geometric shape of the shielding device. The bar magnet 15 was connected so that the magnetic field lines flow around a narrow side surface. The side surface is defined by edges 18 limited, which can be affected by the magnetic field in this embodiment. Accordingly, along the two long sides 16a . 16b a shielding device 17 in the form of a cap with a U-shaped cross-section made of ferromagnetic material, such as iron. Experiments with this arrangement have shown that the convex geometry of the shielding 17 particularly effective the magnetic field lines, that is the magnetic flux of the bar magnet 15 absorbs, whereby no magnetic flux penetrates more into the corners and reduces the current carrying capacity j of the superconductor in this area.

Die Abschirmvorrichtungen 4 bis 4c, 17 bestehen aus Eisen bzw. einer Eisenlegierung mit Kobalt oder Nickel oder anderen ferromagnetischen Materialien. Das verwendete Material sollte eine große Hysteresekurve und eine geringe Verlustfunktion aufweisen, so dass eine Gleichrichtung der magnetischen Momente, d. h. eine Sättigung des Ferromagneten, erst zu sehr hohen Magnetfeldstärken auftritt. Das Material soll derart beschaffen sein, dass eine möglichst hohe Flussdichte aufgenommen werden kann, bevor die magnetische Sättigung des Ferromagneten eintritt. The shielding devices 4 to 4c . 17 consist of iron or an iron alloy with cobalt or nickel or other ferromagnetic materials. The material used should have a large hysteresis curve and a low loss function, so that a rectification of the magnetic moments, ie a saturation of the ferromagnet, first occurs at very high magnetic field strengths. The material should be such that the highest possible flux density can be recorded before the magnetic saturation of the ferromagnet occurs.

6 stellt die Funktionsweise der Abschirmvorrichtung am Beispiel der ersten Ausführungsform nach 1 dar. Die Spule 2 ist auf einen Wicklungssatz 3a reduziert dargestellt; um lediglich ein freies Ende des Wicklungssatzes 3a ist die Abschirmvorrichtung 4 angeordnet. Das andere Ende bleibt frei. Die Spule 2 ist in ihrem supraleitenden Zustand und von Strom durchflossen, so dass ein Magnetfeld B (gestrichelt dargestellt) erzeugt wird. 6 illustrates the operation of the shielding device using the example of the first embodiment 1 dar. The coil 2 is on a winding set 3a shown reduced; only one free end of the winding set 3a is the shielding device 4 arranged. The other end remains free. The sink 2 is in its superconducting state and current flows through it, so that a magnetic field B (shown in phantom) is generated.

Beispielhaft ist gezeigt, wie an einem nicht abgeschirmten Ende das Magnetfeld B bei hohen Feldstärken über der kritischen Feldstärke des supraleitenden Materials verläuft. Die Feldlinien des Magnetfeldes B, die nahe der unteren Kante des Wicklungssatzes 3a verlaufen, tangieren die Kante 3b bzw. dringen in das supraleitende Material selbst ein. Am gegenteiligen Ende zieht die die Abschirmvorrichtung 4 die Feldlinien an und führt sie um das abgeschirmte Ende des Wicklungssatzes 3a herum. Folglich kann kein magnetischer Fluss in diesem Bereich des Supraleiters eindringen. Hierdurch wird eine Herabsetzung der Stromtragfähigkeit des supraleitenden Materials effektiv vermieden. BEZUGSZEICHENLISTE 1, 1a Magnetanordnung 2 Supraleitende Spule 3 Spulenwicklung 3a Abschnitt 3b Kante 4, 4c Abschirmvorrichtung 4a Erste Abschirmvorrichtung 4b Zweite Abschirmvorrichtung 5 Nut 6 Winkelelement 7 erster Wicklungssatz 8 zweiter Wicklungssatz 9 dritter Wicklungssatz 10 erste Spule 11 zweite Spule 13 Äußerer Schenkel 14 Innerer Schenkel 15 Stabmagnet 16a, 16b Längsseiten 17 Abschirmvorrichtung 18 Kante By way of example, it is shown how, at an unshielded end, the magnetic field B runs at high field strengths above the critical field strength of the superconducting material. The field lines of the magnetic field B, which is near the lower edge of the winding set 3a run, affect the edge 3b or penetrate into the superconducting material itself. At the opposite end pulls the shielding device 4 the field lines and leads them around the shielded end of the winding set 3a around. Consequently, no magnetic flux can penetrate into this region of the superconductor. As a result, a reduction in the current carrying capacity of the superconducting material is effectively avoided. LIST OF REFERENCE NUMBERS 1 . 1a magnet assembly 2 Superconducting coil 3 coil winding 3a section 3b edge 4 . 4c shielding 4a First shielding device 4b Second shielding device 5 groove 6 angle element 7 first winding set 8th second winding set 9 third winding set 10 first coil 11 second coil 13 Outer thigh 14 Inner thigh 15 bar magnet 16a . 16b long sides 17 shielding 18 edge

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19922652 A1 [0004]
DE 102008020107 B4 [0004]

Claims

Magnetic arrangement comprising a superconductive magnet for generating a homogeneous magnetic field, characterized in that the magnet arrangement comprises a shielding device ( 4 . 4a . 4b . 4c . 17 ) made of ferromagnetic material, which at least at a portion of the superconducting magnet, on which upon application of an electric current, the magnetic field is generated, the one edge ( 3b ) of the section is arranged, wherein the shielding device ( 4 . 4a . 4b . 4c . 17 ) one relative to the edge ( 3b ) has convex and / or concave cross-sectional shape.

Magnet arrangement according to claim 1, characterized in that the superconducting magnet is in one piece or consists of a plurality of sections ( 3a ) is constructed.

Magnet arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the edge ( 3b ) through the shielding device ( 4 . 4a . 4b . 4c . 17 ) is at least partially included.

Magnet arrangement according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the shielding device ( 4 . 4a . 4b . 4c . 17 ) is formed as a cap, wherein preferably at both ends of the portion in each case a cap is arranged.

Magnet arrangement according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the shielding device ( 4 . 4a . 4b . 4c . 17 ) is annular and / or formed as an elongate profile.

Magnet arrangement according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the shielding device ( 4 . 4a . 4b . 4c . 17 ) is formed in cross-section U-shaped and / or angled, with an angle between 60 ° and 120 °, preferably at 90 °.

Magnet arrangement according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the superconducting magnet is a bar magnet ( 15 ).

Magnet arrangement according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the superconducting magnet has a rotationally symmetrical about a z-axis arranged superconducting coil ( 2 ).

Magnet arrangement according to claim 8, characterized in that the superconducting coil ( 2 ) of a plurality of sections connected in series in the form of winding sets ( 3a . 7 . 8th . 9 ) is constructed.

Magnet arrangement according to claim 8 or 9, characterized in that at least two superconducting coils ( 10 . 11 ) are arranged one inside the other, wherein the shielding device ( 4 . 4a . 4b . 4c . 17 ) at the poles of the at least two superconducting coils ( 10 . 11 ) is arranged.

Magnet arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the superconducting magnet together with the shielding device ( 4 - 4c . 17 ) is arranged to be arranged in a cryostat.

Magnet arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the superconducting magnet is made of a superconducting material, which preferably contains niobium, in particular Nb ₃ Sn and / or NbTi.