DE102014217249A1

DE102014217249A1 - Supraleitende Spuleneinrichtung mit Dauerstromschalter sowie Verfahren zum Schalten

Info

Publication number: DE102014217249A1
Application number: DE102014217249.7A
Authority: DE
Inventors: Peter Kummeth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-03-03
Also published as: US20160064128A1; US9691530B2

Abstract

Es wird eine Spuleneinrichtung mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung mit supraleitendem Leitermaterial und einem Vakuumbehälter angegeben, der die Spulenwicklung umschließt. Die Spulenwicklung ist Teil eines in sich geschlossenen Stromkreises zur Ausbildung eines Dauerstroms. Der geschlossene Stromkreis weist einen schaltbaren Leiterabschnitt auf, dessen Leiter mittels einer Magnetvorrichtung zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand umschaltbar ist. Die Magnetvorrichtung weist einen innerhalb des Vakuumbehälters angeordneten innenliegenden Teil und einen außerhalb des Vakuumbehälters angeordneten außenliegenden Teil auf. Weiterhin wird ein Verfahren zum Umschalten eines Leiterabschnitts einer solchen Spuleneinrichtung zwischen einem supraleitenden und einem normalleitenden Zustand angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spuleneinrichtung mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung mit supraleitendem Leitermaterial und einem Vakuumbehälter, der die Spulenwicklung umschließt, wobei die Spulenwicklung Teil eines in sich geschlossenen Stromkreises zur Ausbildung eines Dauerstroms ist.
Zur Erzeugung starker, homogener und zeitlich stabiler Magnetfelder werden supraleitende Spulen verwendet, die im Dauerstrom-Modus betrieben werden. Homogene Magnetfelder mit magnetischen Flussdichten zwischen 0.2 T und 20 T werden beispielsweise für die Magnetische Kernresonanz-Spektroskopie (NMR-Spektroskopie) und für die Magnetresonanzbildgebung benötigt. Diese Magnete werden typischerweise über einen äußeren Stromkreis aufgeladen und dann von der äußeren Stromquelle getrennt, da in dem resultierenden Dauerstrom-Modus ein nahezu verlustfreier Stromfluss über die supraleitende Spule stattfindet. Das resultierende, starke Magnetfeld ist zeitlich besonders stabil, da es nicht von den Rauschbeiträgen eines äußeren Stromkreises beeinflusst wird.
Bei Verwendung herkömmlicher supraleitender Spulenwicklungen werden ein oder mehrere supraleitende Drähte auf Tragkörper gewickelt, wobei unterschiedliche Drahtabschnitte über Drahtverbindungen mit möglichst kleinem ohmschen Widerstand oder über supraleitende Verbindungen miteinander kontaktiert werden. Für klassische Niedertemperatursupraleiter wie NbTi und Nb₃Sn mit Sprungtemperaturen unterhalb von 23 K existieren Technologien zur Herstellung supraleitender Kontakte zur Verknüpfung von Drahtabschnitten und zur Verbindung der Wicklungen mit einem sogenannten supraleitenden Dauerstromschalter. Die bekannten supraleitenden Dauerstromschalter sind dabei jeweils Teil des Stromkreises der Spule und werden zur Einspeisung eines äußeren Stromes durch Aufheizen in einen ohmsch leitenden Zustand versetzt. Nach Abschalten der Heizung und Herunterkühlen auf die Betriebstemperatur wird auch dieser Teil der Spule wieder supraleitend.
Hochtemperatursupraleiter oder auch Hoch-T_c-Supraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind besonders attraktiv für die Herstellung von Magnetspulen für die NMR-Spektroskopie und die Magnetresonanzbildgebung, da manche Materialien hohe obere kritische Magnetfelder von über 20 T aufweisen. Durch die höheren kritischen Magnetfelder eignen sich die HTS-Materialien prinzipiell besser als die Niedertemperatursupraleiter zur Erzeugung hoher Magnetfelder von beispielsweise über 3 T oder sogar über 10 T. Unabhängig von der Wahl des Supraleitermaterials als Hochtemperatur- oder Tieftemperatursupraleiter muss jedoch die Spulenwicklung bei ihrem Betrieb mit einem Kühlsystem gekühlt werden und ist dazu zweckmäßig innerhalb eines Vakuumbehälters angeordnet, wodurch die Spulenwicklung gegenüber einer warmen Umgebung thermisch isoliert ist.
Ein Problem bei der Herstellung von HTS-Magnetspulen ist das Fehlen von geeigneten Technologien zur Herstellung supraleitender HTS-Verbindungen, insbesondere für HTS der zweiten Generation, sogenannten 2G-HTS. Die 2G-HTS-Drähte liegen typischerweise in Form von flachen Bandleitern vor. Wenn ohmsche Kontakte zwischen den supraleitenden Bandleitern eingefügt werden, können die Verluste in der Spule nicht mehr vernachlässigt werden, und das erzeugte Magnetfeld fällt in einem Zeitraum von einigen Stunden oder Tagen merklich ab.
In der DE 10 2010 042 598 A1 wird eine supraleitende MR-Magnetanordnung angegeben, die einen supraleitenden Bandleiter aufweist, der in Längsrichtung mit einem Schlitz zwischen den beiden Enden versehen ist, so dass der supraleitende Bandleiter eine den Schlitz umschließende geschlossene Schleife bildet. Der supraleitende Bandleiter ist in der Magnetanordnung zu mindestens einer Doppelspule aus zwei Teilspulen aufgewickelt, die so gegeneinander verdreht angeordnet sind, dass sie in einem Messvolumen einen vorgegebenen Magnetfeldverlauf erzeugen. Bei einem solchen Bandleiter mit zweifach zusammenhängender Topologie ist das nachträgliche Einbringen von supraleitenden Verbindungen nicht nötig. Ein supraleitender Dauerstromschalter kann wiederum durch einen heizbaren lokalen Teilbereichs der Leiterschleife gebildet werden, wobei zur Einspeisung eines Stroms in die Spulenwicklung dieser Teilbereich von zwei Kontakten zur Verbindung mit einem äußeren Einspeise-Stromkreis umgeben ist.
Nachteilig bei einer solchen bekannten Spuleneinrichtung ist, dass der heizbare Bereich des Bandleiters eine Schwachstelle darstellt, an der der Bandleiter besonders empfindlich für Delamination und andere Beschädigungen ist. Wenn beispielsweise bei der Befestigung der Heizung eine Beschädigung auftritt, ist damit der gesamte Bandleiter zerstört, da aufgrund des Prinzips der durchgehenden geschlitzten Leiterschleife auch zur Reparatur keine nachträglichen Kontakte eingebracht werden können. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass für die Heizung weitere Stromzuführungen zur Verbindung mit einem Heiz-Stromkreis nötig sind, die von einer warmen äußeren Umgebung in die auf kryogener Temperatur liegende Umgebung des Supraleiters geführt werden müssen. Durch diese zusätzlichen Stromzuführungen werden zusätzliche Pfade für thermische Verluste geschaffen, so dass die Kühlung des supraleitenden Bandleiters auf seine Betriebstemperatur erschwert wird. Weitere Nachteile sind durch ein relativ träges Schaltverhalten und durch die relativ langen für das thermische Schalten benötigten Leiterbereiche gegeben.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Spuleneinrichtung anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll eine robuste Spuleneinrichtung angegeben werden, bei der der Bandleiter sowohl bei der Herstellung als auch beim Betrieb einer geringen Gefahr der Beschädigung ausgesetzt ist. Weiterhin soll eine einfach aufgebaute und leicht zu kühlende Spuleneinrichtung aufgebaut werden, die keine zusätzlichen Stromzuführungen zur Verbindung des schaltbaren Bereichs mit einem äußeren Heiz-Stromkreis benötigt und bei der auf möglichst einfache Weise ein Umschalten im Inneren des Vakuumbehälters erreicht werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schaltverfahren zum Umschalten eines Leiterabschnitts einer supraleitenden Spuleneinrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Spuleneinrichtung sowie das in Anspruch 12 beschriebene Umschaltverfahren gelöst.
Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine elektrische Spulenwicklung mit supraleitendem Leitermaterial und einen Vakuumbehälter, der die Spulenwicklung umschließt. Die Spulenwicklung ist Teil eines in sich geschlossenen Stromkreises zur Ausbildung eines Dauerstroms. Der geschlossene Stromkreis weist einen schaltbaren Leiterabschnitt auf, dessen Leiter mittels einer Magnetvorrichtung zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand umschaltbar ist. Die Magnetvorrichtung weist einen innerhalb des Vakuumbehälters angeordneten innenliegenden Teil und einen außerhalb des Vakuumbehälters angeordneten außenliegenden Teil auf.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung liegt darin, dass zum Umschalten des Leiterabschnitts keine Heizvorrichtung an diesem Leiterabschnitt angebracht werden muss und dass keine Stromzuführungen für einen Heizstrom in die auf kryogener Temperatur liegende Umgebung des Leiterabschnitts eingeführt werden müssen. Stattdessen wird ein supraleitender Dauerstromschalter durch eine Magnetvorrichtung zur Verfügung gestellt, mittels der im Bereich des schaltbaren Leiterabschnitts ein Magnetfeld erzeugt werden kann, durch das ein Umschalten zwischen normalleitendem Zustand und supraleitendem Zustand ermöglicht wird. Die Magnetvorrichtung kann dazu zweckmäßig so ausgestaltet sein, dass das Magnetfeld am Ort des schaltbaren Leiterabschnitts variierbar ist. Die Stärke des Magnetfeldes im Bereich des schaltbaren Leiterabschnitts ist dabei zwischen mindestens zwei Stufen umschaltbar. Durch eine Erhöhung des Magnetfeldes kann dann ein Umschalten vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand bewirkt werden, beispielsweise durch Überschreiten des kritischen Magnetfeldes. Umgekehrt kann durch eine Erniedrigung des Magnetfeldes ein Umschalten vom normalleitenden Zustand in den supraleitenden Zustand erreicht werden.
Durch die Ausführung der Magnetvorrichtung mit einem im Vakuumbehälter angeordneten innenliegenden Teil und einem zusätzlichen außenliegenden Teil wird erreicht, dass das Magnetfeld im Inneren des Vakuumbehälters und insbesondere im Bereich des umschaltbaren Leiterabschnitts durch eine Änderung im Bereich des außenliegenden Teils variiert werden kann. Durch diese zweiteilige Anordnung wird ein Umschalten des Leiterabschnitts auf relativ einfache Weise möglich, ohne dass im Inneren des Vakuumbehälters komplexe mechanisch bewegliche oder elektrisch schaltbare Komponenten benötigt werden. Stattdessen kann das Umschalten vorteilhaft im außenliegenden Teil der Magnetvorrichtung ausgelöst werden.
Zweckmäßig weist die Spuleneinrichtung wenigstens zwei Kontakte zur Verbindung der Spulenwicklung mit einem äußeren Einspeisestromkreis auf, die zu beiden Seiten des schaltbaren Leiterabschnitts angeordnet sind. Über diesen Einspeisestromkreis kann die Spule beispielsweise mittels einer äußeren Stromquelle aufgeladen werden. Durch die Anordnung des umschaltbaren Leiterabschnitts zwischen den Kontakten wird nach dem Umschalten in den normalleitenden Zustand – durch Erhöhung des Magnetfeldes – eine Einspeisung eines Ladestroms vom Einspeisestromkreis in die Spulenwicklung ermöglicht. Nach diesem Aufladen kann der Leiterabschnitt durch Verringern des Magnetfeldes wieder in den supraleitenden Zustand zurück versetzt werden, so dass anschließend der beim Aufladen eingebrachte Dauerstrom in dem in sich geschlossenen Stromkreis der Spuleneinrichtung fließen kann. Der umschaltbare Leiterabschnitt kann allgemein vorteilhaft kürzer ausgeführt werden als bei einem Leiterabschnitt, der durch Heizen in einen normalleitenden Zustand gebracht wird. Hierdurch kann generell der zwischen den Einspeisekontakten vorliegende Leiterabschnitt kürzer ausgeführt werden, und die insgesamt benötigte Länge an nicht aufgewickeltem Leitermaterial kann geringer ausfallen. Dies ermöglicht eine kompaktere Ausgestaltung der Spuleneinrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Umschalten eines Leiterabschnitts einer Spuleneinrichtung zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand, wobei die Spuleneinrichtung wenigstens eine elektrische Spulenwicklung mit supraleitendem Leitermaterial und einen die Spulenwicklung umschließenden Vakuumbehälter umfasst. Die Spulenwicklung ist Teil eines in sich geschlossenen Stromkreises zur Ausbildung eines Dauerstroms. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch das Erhöhen und/oder Verringern eines durch eine Magnetvorrichtung erzeugten Magnetfeldes im Bereich des Leiterabschnitts, wobei die Magnetvorrichtung einen innerhalb des Vakuumbehälters angeordneten innenliegenden Teil und einen außerhalb des Vakuumbehälters angeordneten außenliegenden Teil aufweist.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dabei analog zu den vorab beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung. Insbesondere kann dabei das Umschalten vorteilhaft im außenliegenden Teil der Magnetvorrichtung ausgelöst werden. Dabei kann das Umschalten zwischen supraleitendem Zustand und normalleitenden Zustand mit dem beschriebenen Verfahren im Allgemeinen schneller erfolgen als durch ein Aufheizen eines umschaltbaren Leiterabschnitts.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 und Anspruch 12 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Spuleneinrichtung und des Umschaltverfahrens vorteilhaft untereinander kombiniert werden.
Der innenliegende Teil der Magnetvorrichtung kann wenigstens ein inneres flussführendes Element aufweisen, und der außenliegende Teil der Magnetvorrichtung kann wenigstens ein äußeres flussführendes Element und wenigstens einen Magneten aufweisen. Mit dieser Ausführungsform kann vorteilhaft auf besonders einfache Weise ein außerhalb des Vakuumbehälters ausgelöstes Umschalten erreicht werden. Zweckmäßig sind das wenigstens eine innere flussführende Element und das wenigstens eine äußere flussführende Element so angeordnet, dass die Magnetvorrichtung insgesamt einen Großteil des vom Magneten erzeugten magnetischen Flusses zum schaltbaren Leiterabschnitt führt. Dazu können die flussführenden Elemente insgesamt eine ringförmige übergeordnete Struktur aufweisen, die zweckmäßig in einem den schaltbaren Leiterabschnitt umgebenden Bereich unterbrochen sein kann. Dazu können das innere flussführende Element und das äußere flussführende Element jeweils als weichmagnetisches Joch ausgebildet sein.
Das wenigstens eine innere flussführende Element kann insbesondere zwei Schenkel aufweisen, zwischen denen der umschaltbare Leiterabschnitt angeordnet sein kann. Mit anderen Worten kann der umschaltbare Leiterabschnitt in einer Öffnung einer übergeordneten U-förmigen Struktur des inneren Teils der Magnetvorrichtung angeordnet sein. Diese Öffnung kann gleichzeitig eine Öffnung in einer übergeordneten ringförmigen Struktur sein, die durch das innere flussführende Element in Kombination mit dem äußeren flussführenden Element gebildet wird. Optional kann auch der außen angeordnete Magnet Teil der übergeordneten ringförmigen Struktur sein.
Vorteilhaft weisen die inneren und äußeren flussführenden Elemente ein weichmagnetisches Material auf oder bestehen aus einem solchen weichmagnetischen Material. Das weichmagnetische Material kann vorteilhaft Eisen und/oder Ferrit und/oder eine Eisen enthaltende Legierung umfassen. Die flussführenden Elemente können jeweils aus einem oder mehreren massiven Körpern gebildet sein, oder sie können jeweils aus einem Stapel gegeneinander elektrisch isolierter weichmagnetischer Bleche gebildet sein oder sie können aus gesintertem oder in eine Vergussmasse eingebettetem Pulver bestehen. Das weichmagnetische Material kann vorteilhaft eine Permeabilitätszahl von wenigstens 4, besonders vorteilhaft wenigstens 30 aufweisen.
Der Magnet kann ein Permanentmagnet sein. Bei dieser Ausführungsform ist der Permanentmagnet zweckmäßig Teil der vorab beschriebenen übergeordneten ringförmigen Struktur, über die die flussführenden Elemente den magnetischen Fluss zum Bereich des umschaltbaren Leiterabschnitts führen. Das Umschalten des Leiterabschnitts zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand kann dann beispielsweise vorteilhaft durch eine Bewegung des Permanentmagneten relativ zu wenigstens einem der flussführenden Elemente erreicht werden. Dazu kann der Permanentmagnet beispielsweise zum Umschalten in den normalleitenden Zustand so bewegt werden, dass er anschließend einen Teil der übergeordneten ringförmigen Struktur bildet. Durch eine Bewegung in diese Position wird der magnetische Fluss, der von der Magnetvorrichtung in das Innere des Vakuumbehälters geleitet wird, deutlich erhöht. Insbesondere bei einer Anordnung des schaltbaren Leiterabschnitts in einer Öffnung der ringförmigen Struktur kann das so ausgebildete Magnetfeld zu einem Zusammenbruch der supraleitenden Eigenschaften führen.
Umgekehrt kann der Permanentmagnet zum Umschalten zurück in den supraleitenden Zustand so bewegt werden, dass er wieder aus der übergeordneten ringförmigen Struktur entfernt wird. Hierdurch kann eine Verringerung des Magnetfeldes im Inneren des Vakuumbehälters und insbesondere am Ort des schaltbaren Leiterabschnitts erreicht werden, wodurch die supraleitenden Eigenschaften wiederhergestellt werden können.
Alternativ kann der Magnet ein Elektromagnet sein. Bei dieser Ausführungsform kann der Magnet beispielsweise eine elektrische Spulenwicklung aufweisen, die um einen weichmagnetischen Kern angeordnet ist. Dieser weichmagnetische Kern kann zweckmäßig einen Teil des äußeren flussführenden Elements bilden, über das das entstehende Magnetfeld in Kombination mit dem geometrisch daran anschließenden inneren flussführenden Element zum Ort des schaltbaren Leiterabschnitts geleitet werden kann. Bei dieser Ausführungsform kann das Umschalten des schaltbaren Leiterabschnitts durch ein Ein- und Ausschalten (oder alternativ auch Erhöhen und Erniedrigen) eines in der elektrischen Spulenwicklung fließenden Stroms bewirkt werden. Bei einer Erhöhung des Stroms wird am Ort des schaltbaren Leiterabschnitts ein größeres Magnetfeld erzeugt, und die supraleitenden Eigenschaften können zum Erliegen kommen. Umgekehrt können die supraleitenden Eigenschaften bei einer Erniedrigung des Stroms durch die resultierende Verringerung des Magnetfelds wiederhergestellt werden. Auch diese Ausführungsform erlaubt ein einfaches Umschalten des im Vakuumbehälter angeordneten Leiterabschnitts, welches außerhalb des Vakuumbehälters ausgelöst wird. Insbesondere können alle für den Elektromagneten benötigten elektrischen Komponenten außerhalb des Vakuumbehälters angeordnet werden, und es werden keine zusätzlichen Stromzuführungen in das Innere des Vakuumbehälters benötigt. Bei dieser Ausführungsform können weiterhin bei der Magnetvorrichtung mechanisch bewegliche Teile sowohl innerhalb als auch außerhalb des Vakuumbehälters vorteilhaft vermieden werden, da für das Umschalten keine mechanische Bewegung, sondern nur ein elektrisches Schalten im außenliegenden Teil benötigt wird.
Der innenliegende Teil der Magnetvorrichtung kann im Vakuumbehälter feststehend angeordnet sein. Diese Ausführungsform ist zweckmäßig, da sowohl bei der Variante mit einem Permanentmagneten als auch bei der Variante mit einem Elektromagneten das Umschalten nicht durch eine mechanische Bewegung im Inneren des Vakuumbehälters ausgelöst werden muss. Somit kann auf mechanisch bewegliche Teile der Magnetvorrichtung im Inneren des Vakuumbehälters vollständig verzichtet werden. Bei der Ausführungsform mit einem Permanentmagneten genügt eine Bewegung des Permanentmagneten oder des äußeren flussführenden Elements (beziehungsweise eines Teils davon), um das Magnetfeld im Bereich des schaltbaren Leiterabschnitts zu verändern. Bei der Ausführungsform mit einem Elektromagneten sind dagegen gar keine mechanischen Bewegungen für das Umschalten nötig.
Der Vakuumbehälter kann wenigstens im Bereich der Magnetvorrichtung eine Außenwand aus einem amagnetischen Material aufweisen. Dies ist besonders vorteilhaft, um den magnetischen Fluss mit möglichst geringer Wechselwirkung mit der Außenwand vom äußeren flussführenden Element in das innere flussführende Element einkoppeln zu können. Unter amagnetischen Materialien sollen hier alle Materialien verstanden werden, die nicht ferromagnetisch oder ferrimagnetisch sind. Auch Materialien mit Permeabilitätszahlen µ_r unterhalb von 4 sollen hierbei allgemein als amagnetisch gelten. Besonders vorteilhaft können amagnetische Materialien mit Permeabilitätszahlen unterhalb von 2 zum Einsatz kommen.
Vorteilhaft kann dabei die Dicke der Außenwand des Vakuumbehälters bei maximal 2 mm liegen, um einen Abstand zwischen innerem flussführenden Element und äußerem flussführenden Element möglichst gering zu halten. Dieser Abstand kann vorteilhaft unterhalb von 3 mm liegen, wobei diese Obergrenze für beide Lücken der übergeordneten ringförmigen Struktur gelten soll, bei denen jeweils inneres und äußeres flussführendes Element in enger räumlicher Nähe angeordnet sind und durch die Außenwand voneinander getrennt sind.
Die Spuleneinrichtung, insbesondere der schaltbare Leiterabschnitt, kann vorteilhaft einen supraleitenden Bandleiter aufweisen. Besonders vorteilhaft kann auch der elektrische Leiter der Spulenwicklung als supraleitender Bandleiter ausgestaltet sein. Insbesondere kann der in sich geschlossene Stromkreis im Wesentlichen aus supraleitendem Bandleitermaterial gebildet sein. Dabei kann der Bandleiter eine hochtemperatursupraleitende Schicht aufweisen, insbesondere eine Verbindung des Typs REBa₂Cu₃O_x, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Alternativ kann die supraleitende Schicht des Bandleiters beispielsweise Magnesiumdiborid umfassen.
Bei einer Ausführungsform mit einem supraleitenden Bandleiter kann die Magnetvorrichtung im Bereich des schaltbaren Leiterabschnitts zur Ausbildung eines Magnetfeldes mit einer Richtungskomponente senkrecht zur Ebene des Bandleiters ausgebildet sein. Das erzeugte Magnetfeld kann in einem Bereich des schaltbaren Leiterabschnitts einen Winkel von weniger als 45 Grad mit der Ebenennormalen aufweisen, insbesondere sogar weniger als 30 Grad. Besonders vorteilhaft kann das Magnetfeld zumindest in einem Teilbereich des umschaltbaren Leiterabschnitts senkrecht oder zumindest nahezu senkrecht zur Bandleiterebene stehen.
Eine derartige Ausführungsform mit einer hohen Richtungskomponente des Magnetfeldes senkrecht zur Bandleiteroberfläche ist besonders vorteilhaft in Kombination mit einem Bandleiter mit einer hochtemperatursupraleitenden Schicht des Typs RE-Ba₂Cu₃O_x. Eine solche Schicht kann eine Kristallstruktur gemäß dem Perowskit-Typ aufweisen, wobei deren kristallographische c-Achse im Wesentlichen senkrecht zur Schichtebene stehen kann oder zumindest eine hohe Richtungskomponente senkrecht zur Schichtebene aufweisen kann. Bei einer Orientierung des Magnetfeldes mit einer hohen Richtungskomponente parallel zur c-Achse kann eine starke Abhängigkeit der supraleitenden Eigenschaften von der Stärke des Magnetfeldes erreicht werden.
Der supraleitende Bandleiter kann ein geschlitzter Bandleiter mit einer zweifach zusammenhängenden Topologie sein. Im Sinne der Definition von „zweifach zusammenhängend“ in der geometrischen Topologie wird hier unter diesem Begriff verstanden, dass der Bandleiter die Topologie einer einfachen Schlaufe mit einem Loch besitzt. Ein solcher zweifach zusammenhängender Bandleiter kann durch Schlitzen eines einfach zusammenhängenden Bandleiters in Längsrichtung erfolgen, wodurch zwei Leiterzweige entstehenden, die an beiden Enden des ursprünglichen Bandes zusammenhängen. Durch mehrfaches Schlitzen in Längsrichtung kann auch ein zweifach zusammenhängender Bandleiter mit mehr als zwei Leiterzweigen gebildet werden und entsprechend verwendet werden. Mit dieser Ausführungsform kann auf einfache Weise ein geschlossener Stromkreis mit durchgehend supraleitendem Material ohne nachträgliche Einbringung von Kontaktstellen zur Verfügung gestellt werden. Der umschaltbare Leiterabschnitt kann beispielsweise besonders vorteilhaft ein Abschnitt im Bereich des ungeschlitzten Leiterendes sein – wenn sich dieser umschaltbare Bereich bis zum Beginn des Schlitzes hin erstreckt – oder er kann ein diesem Leiterende benachbarter Abschnitt des geschlitzten Bandleiters sein.
Durch ein magnetisches Umschalten eines Teilbereichs der zweifach zusammenhängenden Leiterschleife kann auf besonders einfache Weise ein supraleitender Dauerstromschalter zur Verfügung gestellt werden, ebenfalls ohne nachträgliche Kontakte innerhalb des geschlossenen Stromkreises zu benötigen. Es können zweckmäßig zu beiden Seiten des umschaltbaren Bereichs Kontakte zur Verbindung mit einem äußeren Einspeise-Stromkreis angebracht werden. Das Anbringen einer Heizvorrichtung sowie die thermische Belastung bei deren Betrieb kann jedoch vermieden werden, und das typischerweise relativ empfindliche Bandleitermaterial bleibt vor weiteren mechanisch belastenden Prozessschritten verschont.
Die Kontakte zur Verbindung mit einem äußeren Einspeise-Stromkreis sind zweckmäßig zu beiden Seiten des umschaltbaren Bereichs angeordnet, müssen diesem jedoch nicht unmittelbar benachbart sein. Sie können sich vorteilhaft auch an den beiden ungeschlitzten Enden des geschlitzten Leiters befinden. Dort stehen große Leiterflächen für die Kontakte zur Verfügung. Darüber hinaus können die Stromkontakte dort in sicherem Abstand vom geschlitzten Leiter mit geringerer Breite angebracht werden.
Die Spuleneinrichtung kann vorteilhaft einen durchgehend supraleitenden Leiter aufweisen, der sich über den gesamten geschlossenen Stromkreis erstreckt. Mit einem solchen durchgehend supraleitenden Leiter kann die Spuleneinrichtung besonders vorteilhaft im Dauerstrom-Modus betrieben werden, ohne dass der Strom über den Betriebszeitraum signifikant abklingt. Hierzu kann der gesamte ohmsche Widerstand des geschlossenen Stromkreises vorteilhaft bei höchstens 5 nOhm, besonders vorteilhaft bei höchstens 0,05 nOhm liegen. Mit der vorab beschriebenen Topologie mit einem geschlitzten zweifach zusammenhängenden Bandleiter kann ein solcher durchgehend supraleitender Stromkreis auf besonders einfache Weise erreicht werden.
Der schaltbare Leiterabschnitt kann vorteilhaft an einen radial außenliegenden Bereich der Spulenwicklung angrenzen. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn der schaltbare Leiterabschnitt selbst nicht Teil der Spulenwicklung ist. Alternativ kann er sich auch in einem radial außenliegenden Bereich der Spulenwicklung befinden, wenn der schaltbare Leiterabschnitt selbst ein Teil der Spulenwicklung ist. Generell ist eine Anordnung des schaltbaren Leiterabschnitts zumindest in der Nähe von radial außenliegenden Teilen der Spulenwicklung vorteilhaft, um eine möglichst kurze Anbindung des schaltbaren Leiterabschnitts an die Leiterbereiche der eigentlichen Spulenwicklung zu ermöglichen und gleichzeitig einen möglichst freien Zugang zu dem schaltbaren Leiterabschnitt zu gewährleisten. Ein solcher freier geometrischer Zugang zu diesem schaltbaren Leiterabschnitt ist wichtig, beispielsweise um gezielt im Bereich dieses Leiterabschnitts ein Magnetfeld zu erzeugen, von dem der übrige Teil des elektrischen Leiters, insbesondere im Bereich der eigentlichen Spulenwicklung, abgeschirmt beziehungsweise unbeeinflusst bleibt. Die Spulenwicklung kann beispielsweise eine zylindrische Spulenwicklung mit beliebiger (also auch nicht kreisförmiger) Grundfläche sein, bei der die radial außenliegenden Bereiche geometrisch besser für die Verbindung mit einem Dauerstromschalter zugänglich sind als die radial innenliegenden Bereiche.
Das Verfahren zum Umschalten eines Leiterabschnitts kann so ausgestaltet sein, dass das Magnetfeld im außenliegenden Teil der Magnetvorrichtung durch einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten erzeugt wird. Vorteilhaft kann dann das Umschalten im außenliegenden Teil der Magnetvorrichtung ausgelöst werden. Im innenliegenden Teil der Magnetvorrichtung kann dann auf mechanisch bewegliche und/oder elektrisch schaltbare Teile verzichtet werden.
Allgemein kann das Erhöhen des Magnetfeldes in einem ersten Schritt zu einer Erniedrigung der kritischen Stromdichte im supraleitenden Zustand des Leiterabschnitts führen, und in einem folgenden Schritt kann das Einspeisen eines Stroms aus einem äußeren Einspeisestromkreis zum Erreichen des normalleitenden Zustands des Leiterabschnitts führen. Die Stärke des angelegten Magnetfeldes kann also so bemessen sein, dass die Supraleitung durch dieses Magnetfeld noch nicht völlig unterdrückt wird. Beim Anschließen einer äußeren Stromquelle eines Einspeisestromkreises verzweigt sich dann zunächst der Strom, so dass ein Teil durch die supraleitende Spulenwicklung fließt und ein weiterer, nicht zu vernachlässigender Teil durch den umschaltbaren Leiterabschnitt fließt.
Das Magnetfeld kann aber andererseits trotzdem so stark sein, dass die kritische Stromdichte so stark reduziert wird, dass beim Fließen des beschriebenen Teils des Einspeisestroms die Supraleitung durch Überschreiten dieser kritischen Stromdichte in einem zweiten Schritt doch zusammenbricht und während der Einspeisung unter Einfluss des Magnetfeldes ein normalleitender Zustand erreicht wird. Nach Beendigung der Stromeinspeisung und nach folgender Verringerung des Magnetfeldes wird wiederum für den Betrieb im Dauerstrom-Modus erneut der supraleitende Zustand erreicht. Bei dieser beschriebenen Ausführungsform geschieht also das Umschalten zwischen normalleitendem und supraleitendem Zustand durch eine Kombination aus dem Einfluss des geänderten Magnetfeldes und des im umschaltbaren Leiterabschnitt zur jeweiligen Zeit fließenden Stroms.
Das Umschalten des Leiterabschnitts kann bei einer Betriebstemperatur des Leiterabschnitts zwischen 15 K und 77 K (beispielsweise bei einem Leiter auf Basis von Magnesiumdiborid), besonders vorteilhaft zwischen 50 K und 77 K (beispielsweise bei einem oxidkeramischen Hochtemperatursupraleiter) betrieben werden. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da bei solchen relativ hohen Betriebstemperaturen relativ leicht ein Umschalten mittels nicht allzu starker Magnetfelder erreicht werden kann. Bei tieferen Temperaturen dagegen sind stärkere Magnetfelder nötig, um ein Umschalten in einen normalleitenden Zustand zu bewirken. Die durch die Magnetvorrichtung erzeugte magnetische Flussdichte im Bereich des schaltbaren Leiterabschnitts kann allgemein beispielsweise bis zu 3 T betragen. Bei einem Betrieb der Spuleneinrichtung bei höheren Temperaturen kann sie vorteilhaft nur bei Werten im Bereich bis zu 2 T liegen. Die Betriebstemperatur beim nachfolgenden Dauerbetrieb der Spuleneinrichtung kann vorteilhaft niedriger gewählt werden als die Betriebstemperatur beim Umschaltvorgang. So kann zum Umschalten in den normalleitenden Zustand für das Einspeisen des Stroms eine höhere Temperatur, beispielsweise zwischen 50 K und 77 K gewählt werden, um das Umschalten mittels eines Magnetfeldes zu erleichtern. Für den Dauerbetrieb kann dann der Supraleiter insgesamt auf eine tiefere Temperatur heruntergekühlt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, von denen:
1 einen schematischen Längsschnitt einer Spuleneinrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
2 einen schematischen Querschnitt der Spuleneinrichtung im Bereich der Magnetvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels zeigt und
3 einen schematischen Querschnitt der Spuleneinrichtung im Bereich der Magnetvorrichtung eines zweiten Ausführungsbeispiels zeigt.
1 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Spuleneinrichtung 1 nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist eine Anordnung aus zwei elektrischen Spulenwicklungen 3, die elektrisch durch einen in sich geschlossenen Stromkreis 5 miteinander verbunden sind. Die beiden Spulenwicklungen 3 sind in diesem Beispiel jeweils kreiszylindrisch ausgebildet und koaxial angeordnet, so dass sich die durch einen Dauerstrom I₁ im Stromkreis 5 erzeugten Magnetfelder gegenseitig verstärken. Die Spuleneinrichtung kann somit zur Erzeugung eines Magnetfeldes verwendet werden, beispielsweise für Anwendungen in der Magnetresonanzbildgebung oder Magnetresonanzspektroskopie. Im gezeigten Beispiel ist der gesamte geschlossene Stromkreis 5 durch ein durchgehend supraleitendes Leitermaterial gebildet, hier ein Bandleiter 17 mit einer supraleitenden Schicht aus oxidkeramischem Material. Der Bandleiter 17 weist eine zweifach zusammenhängende Topologie auf und kann durch Schlitzen eines einfachen Bandes hergestellt werden, wobei die beiden Endbereiche verbunden bleiben und eine geschlossene Schleife gebildet wird. Bei einer Betriebstemperatur des Bandleiters 17 unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials ist somit ein geschlossener Stromkreis 5 mit einem durchgehend supraleitenden Leiter gegeben, und der gesamte ohmsche Widerstand dieses Stromkreises ist äußerst gering. Wenn dieser Stromkreis mit einem Dauerstrom I₁ beladen ist, kann dieser für eine lange Zeit ohne nennenswertes Abklingen fließen, so dass mit der Spuleneinrichtung 1 ein zeitlich sehr konstantes Magnetfeld erzeugt werden kann.
Die beiden Spulenwicklungen 3 und die diese verbindenden übrigen Teile des Bandleiters 17 sind innerhalb eines thermisch isolierenden Vakuumbehälters 15 angeordnet, wodurch eine Kühlung auf eine Betriebstemperatur des Supraleiters erleichtert wird. Die supraleitenden Leiterteile können mit einer hier nicht näher gezeigten Kühlvorrichtung auf eine tiefkalte Betriebstemperatur gekühlt werden.
Zum Erreichen eines Betriebszustandes der Spuleneinrichtung 1 muss der Stromkreis 5 mit einem Strom beladen werden. Hierzu wird der Stromkreis 5 durch zwei Einspeisekontakte 27 mit einem hier nur schematisch angedeuteten Einspeisestromkreis 29 verbunden. Durch eine Stromquelle 31 wird ein Einspeisestrom I₂ in den Stromkreis 5 eingespeist. Damit sich dieser Strom I₂ nicht gleichmäßig auf die beiden zwischen den Kontakten 27 liegenden Teilzweige verteilt, wird beim Einspeisen ein schaltbarer Leiterabschnitt 7 des Bandleiters 17 in einen normalleitenden Zustand versetzt. Der zweite Teilzweig des Stromkreises 5 bleibt dagegen supraleitend, so dass der Einspeisestrom durch den Widerstandsunterschied im Wesentlichen über die Spulenwicklungen 3 fließt. Nach einem Zurückschalten des schaltbaren Leiterabschnitts 7 in den supraleitenden Zustand ergibt sich ein geschlossener Ringstrom über den gesamten geschlossenen Stromkreis 5. Nach diesem Aufladevorgang kann die Verbindung zu dem Einspeisestromkreis 29 unterbrochen werden.
Bei der Spuleneinrichtung 1 erfolgt das Umschalten zwischen dem supraleitenden Zustand und dem normalleitenden Zustand des Leiterabschnitts 7 durch die Einwirkung eines Magnetfeldes B, das durch eine Magnetvorrichtung 9 erzeugt wird. Der schaltbare Leiterabschnitt 7 ist hierbei dem in Bezug auf die Spulenwicklungen 3 radial außenliegenden Leiterende benachbart angeordnet, da dieser Bereich geometrisch relativ frei zugänglich ist. Weiterhin ist der schaltbare Leiterabschnitt einem der noch verbunden Endstücke des geschlitzten Bandleiters benachbart, da dieses zusammenhängende Endstück nicht mit gewickelt wird und hier ein frei zugänglicher Endbereich verbleibt. Der schaltbare Leiterabschnitt ist allerdings vorteilhaft ein bereits geschlitztes Teilstück mit etwa der Hälfte der Breite des ursprünglichen Bandleitermaterials. Das Umschalten im Bereich eines solchen geteilten Leiterzweiges im Gegensatz zu dem noch zusammenhängenden Endstück ist vorteilhaft, da der normalleitende Zustand bei einem schmaleren Leiter mit geringerer Stromtragfähigkeit leichter erreicht werden kann. Alternativ zum gezeigten Beispiel kann auch der noch verbundene Endbereich des Bandleiters 17 zusammen mit Bereichen seiner zwei benachbarten geschlitzten Teilleiter den schaltbaren Leiterabschnitt bilden. Die Einspeisekontakte 27 werden dann jeweils auf einem Leiterzweig der geschlitzten Bandleiterschleife angebracht.
Die Magnetvorrichtung 9 des in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels besteht aus einem im Inneren des Vakuumbehälters 15 angeordneten innenliegenden Teil 9a und einem außerhalb des Vakuumbehälters 15 angeordneten außenliegenden Teil 9b. Der innenliegende Teil 9a weist ein inneres flussführendes Element 10a auf, und der außenliegende Teil 9b weist ein äußeres flussführendes Element 10b und einen Magneten auf, der in diesem Beispiel als Elektromagnet 13 ausgestaltet ist.
In 2 ist die detaillierte Ausführung der Magnetvorrichtung 9 des ersten Ausführungsbeispiels im schematischen Querschnitt gezeigt. Dieser Querschnitt ist eine Ansicht senkrecht zur Bildebene der 1 und senkrecht zur Außenwand 16 des Vakuumbehälters 15. Der innenliegende Teil 9a der Magnetvorrichtung 9 weist in diesem Beispiel ein flussführendes Element 10a mit zwei flussführenden Schenkeln 21a auf, zwischen denen eine Öffnung 21b vorliegt. Die Schenkel 21a des inneren flussführenden Elements 10a sind aus weichmagnetischem Material gebildet, in diesem Beispiel sind sie als Massivteile aus einer weichmagnetischen Eisenlegierung ausgestaltet.
Die gezeigte Ausführung des inneren flussführenden Elements 10a mit zwei Schenkeln 21a und einer dazwischenliegenden Öffnung 21b ermöglicht eine Konzentration des von der Magnetvorrichtung 9 erzeugten Magnetfeldes B in dieser Öffnung 21b, innerhalb der der Bandleiter des schaltbaren Leiterabschnitts 7 angeordnet ist. Der Bandleiter ist so innerhalb der Öffnung 21b angeordnet, dass das Magnetfeld B im Bereich des Bandleiters im Wesentlichen senkrecht zur Ebene 19 des Bandleiters liegt. Durch diese Orientierung wird ein besonders starker Einfluss des Magnetfeldes auf die supraleitenden Eigenschaften des Leiterabschnitts 7 erreicht.
Wie in 2 detaillierter dargestellt, weist der außenliegende Teil 9b der Magnetvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels eine äußeres flussführendes Element 10b und einen Elektromagneten 13 auf. Der Elektromagnet 13 umfasst eine elektrische Spulenwicklung 13a, die um einen weichmagnetischen Kern 21d gewickelt ist, der selbst einen Abschnitt des äußeren flussführenden Elements 10b darstellt. Dieser weichmagnetische Kern ist zwischen zwei benachbarten Schenkeln 21c angeordnet, mit denen er zusammen eine U-förmige Struktur bildet. Die Spulenwicklung 13a ist mit einer Stromquelle 13b verbunden, so dass bei Stromfluss in der Spulenwicklung im Inneren des Kerns 21d ein Magnetfeld erzeugt wird, welches über die übrigen Teile des äußeren flussführenden Elements 10b und über das innere flussführende Element 10a hin zum Ort des schaltbaren Leiterabschnitts 7 geleitet wird. In diesem Beispiel kann also das Umschalten des schaltbaren Leiterabschnitts 7 auf besonders einfache Weise durch eine Änderung des in der äußeren Magnetspule 13a des Elektromagneten 13 fließenden Stroms erreicht werden, ohne dass mechanisch bewegliche Teile benötigt werden und ohne dass im Inneren des Vakuumbehälters 15 ein elektrisches Schalten benötigt wird. Der außen von dem Elektromagneten 13 erzeugte magnetische Fluss wird lediglich durch das Zusammenspiel vom äußeren flussführenden Element 10b und innerem flussführenden Element 10a in das Innere des Vakuumbehälters 15 weitergeleitet. Nach einem Aufladen des geschlossenen Stromkreises 5 mit einem Dauerstrom I₁ kann beispielsweise die äußere Stromquelle 13b ganz abgeschaltet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der außenliegende Teil 9b der Magnetvorrichtung für den weiteren Betrieb auch ganz oder teilweise von der Spuleneinrichtung 1 entfernt werden.
Um ein möglichst effektives Weiterleiten des magnetischen Flusses zum Ort des schaltbaren Leiterabschnitts 7 zu ermöglichen, sind das innere flussführende Element 10a und das äußere flussführende Element 10b so ausgestaltet, dass sie zusammen eine übergeordnete ringförmige Struktur ausbilden, die in diesem Beispiel nur an zwei Stellen durch die Außenwand 16 des Vakuumbehälters und zusätzlich an einer Stelle durch die Öffnung 21b unterbrochen ist, innerhalb der der Bandleiter angeordnet ist. Um den magnetischen Fluss gut ins Innere des Vakuumbehälters einkoppeln zu können, ist die Außenwand 16 möglichst dünn ausgebildet, beispielsweise mit einer Dicke 16a unterhalb von 2 mm. Die Außenwand 16 ist zumindest in dem gezeigten Bereich, in dem inneres flussführendes Element 10a und äußeres flussführendes Element 10b eng benachbart angeordnet sind, aus einem amagnetischen Material gebildet. Im gezeigten Beispiel handelt es sich um eine amagnetische Stahllegierung. In den beiden Übertrittsbereichen, in denen der magnetische Fluss durch die Außenwand 16 eingekoppelt wird, liegt jeweils eine Lücke 20 zwischen den beiden flussführenden Elementen 10a und 10b vor, deren Breite in diesem Beispiel weniger als 3 mm beträgt.
Im Beispiel der 2 ist das Magnetfeld B so stark, dass die kritische magnetische Flussdichte der supraleitenden Schicht 18 des Bandleiters überschritten wird und die Supraleitung schon ohne einen zusätzlichen Stromfluss zusammenbricht. Durch das Magnetfeld B wird also ein normalleitender Zustand erreicht, und das vorab beschriebene Einspeisen eines Dauerstroms wird ermöglicht. Alternativ kann aber auch das Magnetfeld allein zunächst zu einer Reduktion der kritischen Stromdichte bei einem immer noch supraleitenden Zustand des Bandleiters führen. Durch Verbindung mit einem Einspeisestromkreis 29 und dessen äußerer Stromquelle 31 verteilt sich der Einspeisestrom I₂ zunächst auf den schaltbaren Leiterabschnitt 7 einerseits und den Pfad über die Spulenwicklungen 3 andererseits. Durch den über den Leiterabschnitt 7 fließenden Stromanteil kann die durch das Magnetfeld B reduzierte kritische Stromdichte überschritten werden, was in einem zweiten Schritt zum Erreichen des normalleitenden Zustands des Leiterabschnitts 7 führt und das Einspeisen eines ringförmig fließenden Dauerstroms in die Spuleneinrichtung ermöglicht.
In 3 ist ein ähnlicher schematischer Querschnitt einer Magnetvorrichtung 9 nach einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die übrigen Teile der Spuleneinrichtung 1 sind dabei ähnlich wie bei dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt. Die Magnetvorrichtung 9 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich vor allem dadurch, dass ihr Magnet nicht als Elektromagnet, sondern als Permanentmagnet 11 ausgeführt ist. Auch der Permanentmagnet 11 ist hier außerhalb des Vakuumgefäßes 15 angeordnet. Neben dem Permanentmagneten 11 weist der außenliegende Teil 9b der Magnetvorrichtung noch ein äußeres flussführendes Element auf, das hier aus zwei Schenkeln 21c gebildet ist, die zusammen mit dem Permanentmagneten eine übergeordnete U-förmige Struktur bilden. Der innenliegende Teil 9a der Magnetvorrichtung ist analog zu dem in 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut, so dass das innere flussführende Element das vom Permanentmagneten 11 erzeugte Magnetfeld in analoger Weise nach Einkopplung in das Innere des Vakuumbehälters zum Ort des umschaltbaren Leiterabschnitts 7 weiterleitet.
Das Umschalten zwischen den beiden Zuständen des schaltbaren Leiterabschnitts 7 erfolgt beim zweiten Ausführungsbeispiel nicht durch ein elektrisches Schalten, sondern durch eine Bewegung des Permanentmagneten 11 relativ zu übrigen Teilen der Magnetvorrichtung 9. Hierzu ist der Permanentmagnet 11 im gezeigten Beispiel mit einem Bewegungselement 25 verbunden, über das der Magnet entlang einer Bewegungsrichtung 26 relativ zum ortsfest angeordneten äußeren flussführenden Element 10b bewegt werden kann. Bei der in 3 gezeigten Position ist der Permanentmagnet so angeordnet, dass er zusammen mit den äußeren und inneren flussführenden Elementen 10a und 10b eine übergeordnete ringförmige Struktur ausbildet, die in diesem Beispiel nur durch die beiden Lücken 20 im Bereich der Außenwand 16, durch die Öffnung 21b des inneren flussführenden Elements und durch kleine beidseitige Abstände zwischen dem Permanentmagneten 11 und den angrenzenden Schenkeln 21c unterbrochen wird. Somit ist die übergeordnete ringförmige Struktur geeignet, das vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld effektiv zum Ort des schaltbaren Leiterabschnitts zu leiten. Die in 3 gezeigte Position des Permanentmagneten 11 entspricht daher einem Zustand, bei dem das Magnetfeld B am Ort des Bandleiters stark ist und der umschaltbare Bereich in einem normalleitenden Zustand ist. Nach einer Einspeisung eines Dauerstroms I₁ in den geschlossenen Stromkreis 5 kann der Permanentmagnet 11 mit Hilfe des Bewegungselementes 25 aus dieser übergeordneten ringförmigen Struktur zurückgezogen oder entfernt werden, so dass das Magnetfeld am Ort des schaltbaren Leiterabschnitts 7 schwächer wird und ein supraleitender Zustand erreicht werden kann. Für einen Dauerbetrieb der Spuleneinrichtung 1 nach erfolgter Einspeisung kann dann der Permanentmagnet 11 oder alternativ auch der gesamte äußere Teil 9b der Magnetvorrichtung entfernt werden. Bei alternativen bevorzugten Ausführungsvarianten kann dazu der Permanentmagnet 11 mit dem äußeren flussführenden Element 10b fest verbunden sein und über ein gemeinsames Bewegungselement zusammen mit diesem als Ganzes relativ zum innenliegenden Teil 9a der Magnetvorrichtung bewegt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010042598 A1 [0006]

Claims

Spuleneinrichtung (1) mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung (3) mit supraleitendem Leitermaterial und einem Vakuumbehälter (15), der die Spulenwicklung (3) umschließt, wobei die Spulenwicklung (3) Teil eines in sich geschlossenen Stromkreises (5) zur Ausbildung eines Dauerstroms (I₁) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Stromkreis (5) einen schaltbaren Leiterabschnitt (7) aufweist, dessen Leiter mittels einer Magnetvorrichtung (9) zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand umschaltbar ist, wobei die Magnetvorrichtung (9) einen innerhalb des Vakuumbehälters (15) angeordneten innenliegenden Teil (9a) und einen außerhalb des Vakuumbehälters (15) angeordneten außenliegenden Teil (9b) aufweist.
Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch (1), bei der der innenliegende Teil (9a) der Magnetvorrichtung (9) wenigstens ein inneres flussführendes Element (10a) aufweist und bei der der außenliegende Teil (9b) der Magnetvorrichtung (9) wenigstens ein äußeres flussführendes Element (10b) und wenigstens einen Magneten (11, 13) aufweist.
Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 2, bei der der Magnet ein Permanentmagnet (11) ist.
Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 2, bei der der Magnet ein Elektromagnet (13) ist.
Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der innenliegende Teil (9a) der Magnetvorrichtung (9) im Vakuumbehälter (15) feststehend angeordnet ist.
Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Vakuumbehälter (15) wenigstens im Bereich der Magnetvorrichtung (9) eine Außenwand (16) aus einem amagnetischen Material aufweist.
Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen supraleitenden Bandleiter (17) aufweist.
Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 7, bei der die Magnetvorrichtung (9) im Bereich des schaltbaren Leiterabschnitts (7) zur Ausbildung eines Magnetfeldes (B) mit einer Richtungskomponente senkrecht zur Ebene (19) des Bandleiters (17) ausgebildet ist.
Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei der der supraleitende Bandleiter (17) ein geschlitzter Bandleiter mit einer zweifach zusammenhängenden Topologie ist.
Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem durchgehend supraleitenden Leitermaterial, das sich über den gesamten geschlossenen Stromkreis (5) erstreckt.
Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der schaltbare Leiterabschnitt (7) an einen radial außenliegenden Bereich (3a) der Spulenwicklung (3) angrenzt.
Verfahren zum Umschalten eines Leiterabschnitts (7) einer Spuleneinrichtung (1) zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand, wobei die Spuleneinrichtung (1) wenigstens eine elektrische Spulenwicklung (3) mit supraleitendem Leitermaterial und einen die Spulenwicklung (3) umschließenden Vakuumbehälter (15) umfasst und wobei die Spulenwicklung (3) Teil eines in sich geschlossenen Stromkreises (5) zur Ausbildung eines Dauerstroms (I₁) ist, gekennzeichnet durch das Erhöhen und/oder Verringern eines durch eine Magnetvorrichtung (9) erzeugten Magnetfeldes (B) im Bereich des Leiterabschnitts (7), wobei die Magnetvorrichtung (9) einen innerhalb des Vakuumbehälters (15) angeordneten innenliegenden Teil (9a) und einen außerhalb des Vakuumbehälters (15) angeordneten außenliegenden Teil (9b) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Magnetfeld (B) im außenliegenden Teil (9b) der Magnetvorrichtung (9) durch einen Permanentmagneten (11) oder einen Elektromagneten (13) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem das Anlegen des Magnetfeldes (B) zunächst zu einer Erniedrigung der kritischen Stromdichte in einem noch supraleitenden Zustand des Leiterabschnitts (7) führt und in einem folgenden Schritt das Einspeisen eines Stroms aus einem äußeren Einspeisestromkreis zum Erreichen eines normalleitenden Zustands des Leiterabschnitts (7) führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das Umschalten des Leiterabschnitts (7) bei einer Betriebstemperatur zwischen 15 K und 77 K erreicht wird.