DE102015122879B4

DE102015122879B4 - Supraleitendes Magnetspulensystem und Verfahren zum Betrieb eines supraleitenden Magnetspulensystems

Info

Publication number: DE102015122879B4
Application number: DE102015122879.3A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Frantz; Patrick Wikus
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2035-12-29
Also published as: US10128030B2; GB2545998A; DE102015122879A1; GB201621336D0; US20170186520A1; GB2545998B; JP6676518B2; JP2017168816A

Abstract

Supraleitendes Magnetspulensystem umfassend mindestens einen ersten Hauptspulenabschnitt (1) mit mindestens einem Leiter, der ein erstes supraleitenden Material umfasst, wobei das erste supraleitende Material HTS-Material ist, und mindestens einen zweiten Hauptspulenabschnitt (2) mit einem Leiter, der ein zweites supraleitendes Material umfasst,wobei das erste supraleitende Material eine höhere kritische Temperatur aufweist als das zweite supraleitende Material,wobei der erste und der zweite Hauptspulenabschnitt (1, 2) derart in Serie miteinander verschaltet sind, dass sie im Betrieb von gleichsinnigem Strom durchflossen werden, undwobei der erste Hauptspulenabschnitt (1) und der zweite Hauptspulenabschnitt (2) von einem gemeinsamen ersten Quenchschutzelement (6, 6') überbrückt sind und zusammen mit dem Quenchschutzelement (6, 6') eine erste elektrische Masche bilden,wobei das Magnetspulensystem mindestens einen dritten Hauptspulenabschnitt (3) mit einem Leiter aus einem supraleitenden Material umfasst, der Teil einer zweiten elektrischen Masche ist, wobei die zweite Masche ein zweites Quenchschutzelement (8, 8', 8") umfasst und in Serie zur ersten elektrischen Masche geschalten ist,dadurch gekennzeichnet,dass das Magnetspulensystem mindestens ein erstes Heizelement (9) umfasst, welches zur Reduzierung des Stroms in der ersten Masche mit einer Heizspannung versorgbar ist,wobei von den in Serie geschalteten Hauptspulenabschnitten (1, 2) der ersten Masche sich lediglich der zweite Hauptspulenabschnitt (2) in thermischen Kontakt mit dem ersten Heizelement (9) befindet.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Magnetspulensystem umfassend mindestens einen ersten Hauptspulenabschnitt mit mindestens einem Leiter, der ein erstes supraleitendes Material umfasst, wobei das erste supraleitende Material HTS-Material ist, und mindestens einen zweiten Hauptspulenabschnitt mit mindestens einem Leiter, der ein zweites supraleitendes Material umfasst, wobei das erste supraleitende Material eine höhere kritische Temperatur aufweist als das zweite supraleitende Material, wobei der erste und der zweite Hauptspulenabschnitt derart in Serie miteinander verschaltet sind, dass sie im Betrieb von gleichsinnigem Strom durchflossen werden, und wobei der erste Hauptspulenabschnitt und der zweite Hauptspulenabschnitt von einem gemeinsamen ersten Quenchschutzelement überbrückt sind und zusammen mit dem Quenchschutzelement eine erste elektrische Masche (Schutznetzwerksmasche) bilden, und wobei das Magnetspulensystem mindestens einen dritten Hauptspulenabschnitt mit einem Leiter aus einem supraleitenden Material umfasst, der Teil einer zweiten elektrischen Masche ist, wobei die zweite Masche ein zweites Quenchschutzelement umfasst und in Serie zur ersten Masche geschalten ist.
Ein derartiges Magnetspulensystem ist beispielsweise bekannt aus DE 10 2009 029 379 B4 .
In konventionellen supraleitenden NMR Magnetspulensystemen werden üblicherweise NbTi- und Nb₃Sn-Drähte verwendet, was die Feldstärke des NMR Magnetspulensystems derzeit auf etwa 23.5 T beschränkt. Um höhere Feldstärken zu erreichen oder ein Magnetspulensystemen mit gegebener Feldstärke kompakter zu gestalten, muss auf alternative Leitermaterialien zurückgegriffen werden. Erforscht wird in diesem Zusammenhang hauptsächlich der Einsatz von HTS-Bandleitern (z.B. YBCO-Bänder). Dabei wird das Magnetspulensystem nicht komplett aus HTS-Materialien gefertigt; aus Kostengründen ist es vorteilhaft, nur für die innersten Sektionen HTS-Material heranzuziehen und den Hintergrundmagneten in konventioneller „Low-Temperature-Superconductor“ (LTS) Technologie (NbTi oder Nb₃Sn) zu fertigen.
Die neuen HTS-Materialien stellen an den Quenchschutz eines supraleitenden Magneten jedoch besondere Anforderungen. „Quench“ bezeichnet den spontanen Übergang der Magnetspule vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand durch Überlastung des stromtragenden Supraleiters. Üblicherweise startet der Quench lokal und spontan und breitet sich anschließend in einigen Sekunden im Magneten aus. Dieser Vorgang kann mit hohen elektrischen Spannungen, Strömen und Kräften im Supraleiter verbunden sein, die ihn wiederum zerstören können.
In einer typischen Quenchschutzverschaltung für NMR-Magneten werden einzelne Sektionen bzw. Bereiche einzelner Sektionen mit Schutzwiderständen parallel geschaltet und bilden somit eine Masche eines Schutznetzwerkes. Die verschiedenen Schutznetzwerksmaschen wiederum werden in Serie geschaltet. Auf diese Weise ist es möglich, Quenchdauer und Quenchspannungen klein zu halten. (WILSON, Martin N.: Superconducting Magnets. Oxford Univeristy Press, Kapitel 9.8. S. 226 ff.)
Typische HTS-Eigenschaften wirken sich im Quenchfall jedoch nachteilig aus: die hohe kritische Temperatur des HTS-Materials (Null-Feld: YBCO ca. 90 K, Nb₃Sn ca. 18 K, NbTi ca. 10 K) führt zu einem späten „Mitquenchen“ wenn der Quench im NbTi- oder Nb3Sn-Teil des Hintergrundmagneten startet. Je nach Quenchschutzkonzept (z.B. bei Unterteilung in Schutznetzwerksmaschen) resultiert daraus eine Strom- bzw. Kraftüberhöhung in den HTS-Sektionen. Außerdem führt die langsame Quenchausbreitung in den HTS-Sektionen zur lokalen Überhitzung, was wiederum ein Durchbrennen des Leiters bewirken kann. In Maschen, in denen der Supraleiter erst spät zündet (mitquencht), können daher Strom- und Kraftüberhöhungen auftreten, die den Supraleiter möglicherweise überlasten.
Die gattungsgemäße DE 10 2009 029 379 B4 offenbart ein Magnetspulensystem, bei dem jene Sektion, die erst spät nach Start des Magnetquenches quencht (z.B. HTS), gemeinsam mit einem schnell bzw. früh quenchenden Spulenteil in einer gemeinsamen Masche geschützt wird. Dadurch können Stromüberhöhungen in der sonst spät quenchenden Masche verhindert werden, um Stromüberhöhungen (oder das Durchbrennen) in der sonst sehr spät quenchenden HTS-Sektion zu verhindern.
Aus US 7 649 720 B2 ist bekannt, einen Quench durch zusätzliches Heizen zu starten, um Stromüberhöhungen zu vermeiden. Durch Einsatz vieler ausgedehnter Heizer in der HTS-Wicklung wird eine verbesserte aktive Quenchausbreitung im HTS-Leiter bewirkt. Nachteilig hieran ist jedoch, dass die HTS-Sektion im Quenchfall immer noch das Risiko trägt, zerstört zu werden. Außerdem ist der Fertigungsaufwand beim Wickeln dieser Sektionen mit Zusatzheizern sehr hoch und die Homogenität des durch diese Sektionen erzeugten Magnetfeldes kann durch die Vielzahl an Heizern, und der damit verbundenen Unrundheit der Wicklung, gestört werden.
JP H11 - 102 807 A beschreibt eine Quench-Schutzschaltung für einen supraleitenden Magneten mit einer Kombination von mindesten zwei Typen von Drähten. Es sind verschiedenen Sektionen und mehrere zu den Sektionen parallel geschaltete Schutzkreise vorgesehen, wobei Sektionen aus verschiedenen Drähten zu verschiedenen Schutzkreisen gehören.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Magnetspulensystem mit geringer Baugröße vorzuschlagen, mit dem trotzdem hohe Feldstärken realisiert werden können und welches widerstandsfähig gegenüber Quenchvorfällen ist.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Magnetspulensystem gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 16.
Erfindungsgemäß umfasst das Magnetspulensystem mindestens ein erstes Heizelement, welches zur Reduzierung des Stroms in der ersten Masche, insbesondere im Quenchfall des dritten Hauptspulenabschnitts, mit einer Heizspannung versorgbar ist, wobei von den in Serie geschalteten Hauptspulenabschnitten der ersten Masche sich lediglich der zweite Hauptspulenabschnitt in thermischen Kontakt mit dem ersten Heizelement befindet.
Das erste Heizelement des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems ist also dazu eingerichtet, mit einer Heizspannung versorgt zu werden, wenn der Strom in der ersten Masche reduziert werden soll, insbesondere wenn der dritte Hauptspulenabschnitt quencht.
Aufgrund der höheren kritischen Temperatur des ersten Hauptspulenabschnitts und bei vergleichbarer Leiterauslastung I_Magnet/Ic (wobei Ic den kritischen Strom des Supraleiters bezeichnet und vom Magnetfeld am Ort des Leiters abhängt) breitet sich ein Quench im ersten Hauptspulenabschnitt langsamer aus als im zweiten Hauptspulenabschnitt, was im Quenchfall zu einer Beschädigung des Supraleiters des ersten Hauptspulenabschnitts führen kann. Durch die erfindungsgemäße Verschaltung und Beheizung wird im Quenchfall (unabhängig davon, wo der Quench stattfindet) innerhalb der Serienschaltung von erstem und zweitem Hauptspulenabschnitt lediglich derjenige Hauptspulenabschnitt geheizt, der die niedrigste kritische Temperatur aufweist (also am schnellsten quencht). Der zweite Hauptspulenabschnitt wird also frühzeitig zum Quenchen gebracht, so dass der Strom in der ersten Masche reduziert wird, bevor es in dem ersten Hauptspulenabschnitt zu einer nennenswerten Stromüberhöhung kommen kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Magnetspulensystem wird derjenige Hauptspulenabschnitt mit der höheren kritischen Temperatur (erster Hauptspulenabschnitt) nicht geheizt, da dieser im Quenchfall mit hoher Wahrscheinlichkeit zerstört werden würde, sondern lediglich der in derselben Masche befindliche zweite Hauptspulenabschnitt mit der niedrigeren kritischen Temperatur. Damit kann sich der zweite Hauptspulenabschnitt gemeinsam mit dem ersten Hauptspulenabschnitt schnell entladen, wodurch ein Quench im ersten Hauptspulenabschnitt (aus HTS-Material) vermeidbar oder weniger gefährlich wird (auch wenn die HTS-Sektion quenchen würde, kommt es zu keinem Schaden, wenn der Strom schnell genug abfällt).
Der thermische Kontakt zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Hauptspulenabschnitt wird vorzugsweise durch einen wärmeleitenden Kontakt realisiert. Ein Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann bspw. eine Heizerfolie umfassen, die in ein Wickelpaket zwischen zwei Lagen des zu heizenden Hauptspulenabschnitts eingelegt wird. Dazu kann man z.B. zwischen zwei dünnen Kaptonfolien eine Heizerwicklung aus sehr dünnen Manganindrähten mäanderförmig verlegen und verkleben.
Der erste und der zweite Hauptspulenabschnitt sind vorzugsweise räumlich getrennt (unterschiedliche Spulenkörper), so dass der zweite Hauptspulenabschnitt unabhängig von dem ersten Hauptspulenabschnitt geheizt und gequencht werden kann. Ein Hauptspulenabschnitt kann eine Hauptspulensektion oder ein Teil einer Hauptspulensektion umfassen.
Bevorzugte Ausführungsformen
Vorzugsweise ist der erste Hauptspulenabschnitt derjenige Hauptspulenabschnitt, welcher von allen Hauptspulenabschnitten des Magnetspulensystems die höchste kritische Temperatur aufweist.
Erfindungsgemäß ist das erste supraleitende Material HTS-Material. HTS-Material wird in Magnetspulensystemen insbesondere für den Einsatz in hohen Feldbereichen verwendet, in denen andere Supraleiter keine oder keine nennenswerte Stromtragfähigkeit besitzen. Aber auch im mittleren Feldbereich kann HTS-Material vorteilhaft eingesetzt werden, z.B. um eine kompakte Bauform des Magnetspulensystems zu realisieren. Der Vorteil der Erfindung kommt bei der Verwendung von HTS-Material besonders gut zur Geltung, da sich ein Quench im HTS-Material aufgrund der hohen kritischen Temperatur sehr langsam ausbreitet, und das HTS-Material dadurch bei einem Quench (durch Stromüberhöhung und/oder Überhitzung) leicht beschädigt werden kann, was durch die vorliegende Erfindung verhindert wird.
Aber auch bei Verwendung von LTS-Material als erstes supraleitendes Material hat die Erfindung einen positiven Effekt, wenn das erste Material aufgrund einer höheren kritischen Temperatur (Tc) oder einer besonders geringen Auslastung (sehr kleiner Wert I_Magnet/Ic) langsamer oder später quencht als das zweite Material. So kann bspw. ein gemeinsames Verschalten eines Nb₃Sn-Hauptspulenabschnitts als erster Hauptspulenabschnitt und NbTi-Hauptspulenabschnitts als zweiter Hauptspulenabschnitt in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Heizen des zweiten Hauptspulenabschnitts (NbTi) für den Nb₃Sn-Schutz günstiger sein als ein direktes Heizen des Nb₃Sn-Abschnitts.
Vorzugsweise ist das zweite supraleitende Material LTS-Material, insbesondere NbTi oder Nb₃Sn.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform überbrückt das zweite Quenchschutzelement den dritten Hauptspulenabschnitt. Der dritte Hauptspulenabschnitt umfasst in diesem Fall vorzugsweise LTS-Material, insbesondere NbTi oder Nb₃Sn.
Vorzugsweise folgen der erste Hauptspulenabschnitt und der zweite Hauptspulenabschnitt radial direkt aufeinander. Die beiden benachbarten Hauptspulenabschnitte der ersten Masche können so besonders einfach miteinander verschaltet werden. Alternativ hierzu kann ein Hauptspulenabschnitt der zweiten oder einer weiteren elektrischen Masche radial zwischen dem ersten und dem zweiten Hauptspulenabschnitt angeordnet sein.
Bei einer speziellen Ausführungsform überbrückt das zweite Quenchschutzelement eine Serienschaltung, die den dritten Hauptspulenabschnitt und einen vierten Hauptspulenabschnitt mit einem Leiter aus einem supraleitenden Material umfasst, wobei das supraleitende Material des vierten Hauptspulenabschnitts eine höhere kritische Temperatur aufweist als das supraleitendes Material des dritten Hauptspulenabschnitts. Der dritte und der vierte Hauptspulenabschnitt sind derart in Serie miteinander verschaltet, dass sie im Betrieb von gleichsinnigem Strom durchflossen werden. Vorzugsweise umfassen der erste und der vierte Hauptspulenabschnitt dasselbe (erste) supraleitende Material, (HTS-Material), und der zweite und dritte Hauptspulenabschnitt dasselbe (zweite) supraleitende Material, insbesondere LTS-Material. Bei dieser Ausführungsform ist also das HTS-Material der Magnetspulenanordnung auf zwei Maschen verteilt und innerhalb jeder Masche zusammen mit einem Hauptspulenabschnitt aus LTS-Material geschützt. Indem die HTS-Lagen auf zwei Maschen verteilt werden, lässt sich die Induktivität für jede einzelne Masche und damit die Abklingzeit des Stromes reduzieren, was insbesondere interessant ist, wenn HTS-Sektionen mit vielen Lagen verwendet werden, da diese eine hohe Induktivität aufweisen, was im Quenchfall für eine langsame Abnahme des Stroms in der entsprechenden Masche sorgen würde.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Magnetspulensystem mindestens ein zweites Heizelement, welches zur Reduzierung des Stroms in der zweiten Masche, insbesondere im Quenchfall des zweiten Hauptspulenabschnitts in der ersten Masche, mit einer Heizspannung versorgbar ist, wobei von den in Serie geschalteten Hauptspulenabschnitten der zweiten Masche sich lediglich der dritte Hauptspulenabschnitt in thermischen Kontakt mit dem zweiten Heizelement befindet. Das zweite Heizelement ist also dazu eingerichtet, mit einer Heizspannung versorgt zu werden, wenn der Strom in der zweiten Masche reduziert werden soll, insbesondere wenn der zweite Hauptspulenabschnitt quencht. Analog zu der erfindungsgemäßen Verschaltung des ersten Heizelements wird durch die beschriebene Verschaltung des zweiten Heizelements im Quenchfall innerhalb der Serienschaltung von dritten und vierten Hauptspulenabschnitt lediglich derjenige Hauptspulenabschnitt der zweiten Masche geheizt, der die niedrigste kritische Temperatur aufweist und somit am schnellsten quencht (dritter Hauptspulenabschnitt). Der dritte Hauptspulenabschnitt wird also frühzeitig zum Quenchen gebracht, so dass der Strom in der zweiten Masche reduziert wird, bevor es in dem vierten Hauptspulenabschnitt zu einer Stromüberhöhung kommen kann.
Vorzugsweise dient das zweite Quenchschutzelement als erstes Heizelement. Insbesondere kann das zweite Quenchschutzelement als Widerstand ausgebildet sein, wobei die im Quenchfall am Widerstand abfallende Wärme zum Heizen des zweiten Hauptspulenabschnitts verwendet wird. Analog hierzu kann das erste Quenchschutzelement als zweites Heizelement dienen.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist das erste Heizelement zu dem zweiten Quenchschutzelement parallel geschaltet. Analog hierzu kann das zweite Heizelement zu dem ersten Quenchschutzelement parallel geschaltet sein.
Im Falle eines Quenchs wird das Heizelement desjenigen Hauptspulenabschnitts, der von diesem Heizelement bzw. von dem dem Heizelement parallel geschalteten Quenschschutzelement überbrückt wird, automatisch mit Spannung versorgt.
Es können auch mehrere mit jeweils einem weiteren Quenchschutzelement überbrückte weitere Hauptspulenabschnitte vorhanden sein. Dabei können die weiteren Quenchschutzelemente jeweils als Heizelement für einen Hauptspulenabschnitt mit geringer kritischer Temperatur dienen, der in der gleichen Masche liegt wie ein Hauptspulenabschnitt mit hoher kritischer Temperatur (insbesondere für den zweiten oder dritten Hauptspulenabschnitt) oder ein Heizelement kann zu mindestens einem der weiteren Quenchschutzelemente, vorzugsweise zu allen weiteren Quenchschutzelementen parallel geschaltet sein.
Um während des Ladens/Entladens des Magnetsystems den Wärmeeintrag in den zweiten Hauptspulenabschnitt, der in Wärmekontakt mit dem ersten Heizelement steht, zu vermeiden, könnten (gekreuzte) Dioden verwendet werden. Ein Strom fließt dann erst beim Überschreiten einer Schwellspannung, die oberhalb des Spannungsabfalls während des Ladens/Entladens liegt, die aber im Quenchfall sehr schnell überschritten wird.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems sieht vor,
dass eine Heizsteuereinrichtung vorgesehene ist, die ein Quench-Diagnose-Element umfasst, welches mindestens einen der Hauptspulenabschnitte, insbesondere den ersten Hauptspulenabschnitt, überwacht, wobei die Heizsteuereinrichtung im Falle eines Quenchs des überwachten Hauptspulenabschnitts ein zusätzliches Heizelement mit Spannung versorgt, wobei sich von den in Serie geschalteten Hauptspulenabschnitten der ersten Masche lediglich der zweite Hauptspulenabschnitt in thermischen Kontakt mit dem zusätzlichen Heizelement befindet. Für ein solches „aktives Quench-Management“ ist in erster Linie ein erster Hauptspulenabschnitt aus HTS-Material (HTS-Abschnitt) interessant: Im Falle eines Quenchs im ersten Hauptspulenabschnitt detektiert das Quench-Diagnose-Element vorzugsweise einen Spannungsabfall über dem ersten Quenchschutzelement. Dieses Signal wiederum kann dazu benutzt werden, aktiv das Heizelement im zweiten Hauptspulenabschnitt zu aktivieren und damit den Quench im zweiten Hauptspulenabschnitt zu beschleunigen und den ersten Hauptspulenabschnitt schnell zu entlasten. Wenn also der erste Hauptspulenabschnitt als HTS-Hauptspulenabschnitt ausgebildet ist und selbst (langsam) zu quenchen beginnt, wird der damit verbundene Spannungsanstieg als Trigger für das Quench-Diagnose-Element verwendet, das dann in einem anderen Hauptspulenabschnitt (der gemeinsam mit dem HTS-Hauptspulenabschnitt verschaltet ist) einen schnellen Quench auslösen kann.
Wenn mehrere HTS-Hauptspulenabschnitte in verschiedenen Maschen vorliegen, sind vorzugsweise mehrere Diagnoseabgriffe vorgesehen (für jede Masche mit HTS-Material einer).
Es ist auch möglich einen anderen Hauptspulenabschnitt mittels eines Quench-Diagnose-Elements zu überwachen, welches im Falle eines Quenchs ein Heizelement mit Spannung versorgt, das in thermischen Kontakt mit dem zweiten Hauptspulenabschnitt steht. Ein Quench kann dann bereits detektiert werden, solange die Spannung noch so klein ist, dass sie zum Aktivieren eines als Quenchschutzelement ausgebildeten Heizelements nicht ausreicht, und es kann entsprechend schnell reagiert werden.
Wenn mehrere HTS-Hauptspulenabschnitte vorhanden sind, ist es vorteilhaft, wenn eine zweite Heizsteuereinrichtung vorgesehen ist, die ein zweites Quench-Diagnose-Element umfasst, welches einen der Hauptspulenabschnitte überwacht, wobei die Heizsteuereinrichtung im Falle eines Quenchs der überwachten Hauptspulenabschnitte das erste oder das zweite Heizelement mit Spannung versorgt.
Vorzugsweise sind die Hauptspulenabschnitte radial ineinander verschachtelt, insbesondere als konzentrisch angeordnete Solenoidspulenabschnitte.
Der erste Hauptspulenabschnitt mit der höheren kritischen Temperatur ist vorzugsweise radial weiter innen angeordnet als der zweite Hauptspulenabschnitt. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der erste Hauptspulenabschnitt der innerste Hauptspulenabschnitt der Magnetspulenanordnung.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Heizelement innerhalb des zweiten Hauptspulenabschnitts an der Stelle angeordnet ist, an der im Betrieb des Magnetspulensystems die höchste Auslastung des Supraleiters herrscht. Das Heizelement wird also dort angeordnet, wo innerhalb des zweiten Hauptspulenabschnitts das Verhältnis I_o/I_c von Magnetstrom I₀ zu kritischem Strom I_C am größten ist. Dies wird i.A. jene Position sein, für die der kritische Strom am kleinsten ist. Der kritische Strom wiederum hängt vom Magnetfeld am Ort des Leiters ab: je höher das Magnetfeld umso geringer ist der kritische Strom. Die Höhe des kritischen Stroms hängt aber auch vom Anteil des Supraleitermaterials im Leiter ab. Im Prinzip kann ein Leiter mit wenig Supraleitermaterialanteil in niedrigem Feld eine höhere Ic-Auslastung besitzen als ein Leiter mit sehr viel Supraleitermaterial in einem hohen Feld. Entscheidend ist daher das Verhältnis I_o/I_c für den jeweiligen Supraleiter. Üblicherweise sitzt aber im, für das jeweilige supraleitende Material, höchsten Magnetfeld auch der Leiter mit der höchsten Auslastung.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Magnetspulensystem um ein supraleitendes NMR-Magnetspulensystem. Um höchste Felder erzielen zu können, müssen HTS-Materialen für den innersten Hauptspulenabschnitt verwendet werden, welcher durch die erfindungsgemäße Schutzverschaltung im Falle eines Quenchs vor Überhitzung oder Kraftüberlastung besonders effektiv geschützt werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines zuvor beschriebenen supraleitenden Magnetspulensystems, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Quenchs eines Hauptspulenabschnitts der zweiten elektrischen Masche in der ersten elektrischen Masche ausschließlich der zweite Hauptspulenabschnitt mittels des ersten Heizelements geheizt wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste

1a zeigt einen schematischen Vertikalschnitt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems, bei dem ein Quenchschutzelement der zweiten Masche als Heizelement dient.
1b zeigt ein Schaltbild der Anordnung aus 1a
2 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems, bei dem das Heizelement parallel zum Quenchschutzelement der zweiten Masche verschaltet ist.
3 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems, bei dem ein zusätzliches Heizelement über eine Heizsteuereinrichtung mit einem Quench-Diagnose-Element gesteuert wird.
4 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems, bei dem mehrere Maschen eines Schutznetzwerks mit einem HTS-Hauptspulenabschnitt vorhanden sind.
4b zeigt ein Schaltbild der Anordnung aus 4a.

Die 1a, 1b und 2 zeigen zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung, mit einem ersten Hauptspulenabschnitt 1 aus einem ersten supraleitenden Material (HTS-Hauptspulenabschnitt), einem zweiten Hauptspulenabschnitt 2 aus einem zweiten supraleitenden Material (innerer NbTi-Hauptspulenabschnitt), einem dritten Hauptspulenabschnitt 3 und einem weiteren Hauptspulenabschnitt 4, wobei der weitere Hauptspulenabschnitt 4 Nb₃Sn als supraleitendes Material umfasst und radial zwischen dem ersten Hauptspulenabschnitt 1 und dem zweiten Hauptspulenabschnitt 2 angeordnet ist. Der erste Hauptspulenabschnitt 1 und der zweite Hauptspulenabschnitt 2 sind derart in Serie miteinander verschaltet, dass sie in der seriellen elektrischen Verschaltung unmittelbar aufeinander folgen. Der dritte Hauptspulenabschnitt 3 umfasst NbTi als supraleitendes Material und bildet den radial äußersten Hauptspulenabschnitt einer Hauptspule 5. Der erste Hauptspulenabschnitt 1 und der zweite Hauptspulenabschnitt 2 sind über ein gemeinsames (erstes) Quenchschutzelement 6 geschützt und bilden mit diesem eine Schutznetzwerksmasche (erste elektrische Masche). Der HTS-Hauptspulenabschnitt 1 ist also mit dem inneren NbTi-Hauptspulenabschnitt 2 gemeinsam verschaltet. Der dritte Hauptspulenabschnitt 3 ist über ein zweites Quenchschutzelement 8 und der weitere Hauptspulenabschnitt 4 über ein weiteres Quenchschutzelement 7 geschützt, wobei der dritte Hauptspulenabschnitt 3 mit dem zweiten Quenchschutzelement 8 eine zweite Schutznetzwerksmasche und der weitere Hauptspulenabschnitt 4 mit dem weiteren Quenchschutzelement 7 eine weitere Schutznetzwerksmasche bilden.
Startet ein Magnetquench im inneren NbTi-Hauptspulenabschnitt 2, nimmt der Magnetstrom in der ersten Schutznetzwerksmasche, die den quenchenden NbTi-Hauptspulenabschnitt 2 und den HTS-Hauptspulenabschnitt 1 umfasst, sofort ab. Quencht der äußere NbTi-Hauptspulenabschnitt 3 (oder auch der Nb₃Sn-Hauptspulenabschnitt 4), dann quencht auch der innere NbTi-Hauptspulenabschnitt 2 kurze Zeit später, da dieser typischerweise an seiner Ic-Auslastungsgrenze betrieben wird. Dieser - wenn auch nur kurze - Zeitverzug, kann jedoch dazu führen, dass eine Stromüberhöhung im HTS-Hauptspulenabschnitt 1 auftritt und das HTS-Material des ersten Hauptspulenabschnitts 1 zerstört wird. Um dies zu verhindern, ist erfindungsgemäß ein Heizelement 9 vorgesehen, das ausschließlich den inneren NbTi-Hauptspulenabschnitt 2 heizt, falls in einem anderen Hauptspulenabschnitt (hier im äußeren NbTi-Hauptspulenabschnitt 3) ein Quench stattfindet, so dass der Quench in dem inneren NbTi-Hauptspulenabschnitt 2 beschleunigt wird. Auf diese Weise werden eine Stromüberhöhung und ein Wärmeeintrag und damit eine Quenchgefahr im HTS-Material vermieden.
Der HTS-Hauptspulenabschnitt 1 wird also mit dem NbTi-Hauptspulenabschnitt 2 gemeinsam geschützt, wobei die Quenchausbreitung im zweiten Hauptspulenabschnitt 2, im Falle eines Magnetquenches, erfindungsgemäß durch Heizen des zweiten Hauptspulenabschnitts 2 beschleunigt wird.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform fungiert das (zweite) Quenchschutzelement 8 als erstes Heizelement 9 des äußeren NbTi-Hauptspulenabschnitts 3, so dass im Quenchfall Wärme direkt über das Quenchschutzelement 8 in den zweiten Hauptspulenabschnitt 2 eingeleitet wird. Das entsprechende Schaltbild ist in 1b gezeigt. Es ist jedoch auch möglich, ein Quenchschutzelement 8' für den NbTi-Hauptspulenabschnitt 3 vorzusehen, das nicht als Heizelement dient, welches aber parallel zum Heizelement 9 elektrisch verschaltet ist, wie in 2 gezeigt. Da im Quenchfall der Spannungsabfall am Quenchschutzelement 8' und am Heizelement 9 der gleiche ist, erfolgt auch bei dieser Ausführungsform im Quenchfall sofort ein Wärmeeintrag in den zweiten Hauptspulenabschnitt 2.
Analog hierzu kann auch das weitere Quenchschutzelement 7 als Heizelement dienen oder zu einem Heizelement parallel geschaltet sein (nicht gezeigt), um im Falle eines Quenchs im weiteren Hauptspulenabschnitt 4 den Quench in dem inneren NbTi-Hauptspulenabschnitt 2 zu beschleunigen.
Die erfindungsgemäße Magnetspulenanordnung beschleunigt also die Stromreduzierung im HTS-Hauptspulenabschnitt 1 im Falle eines Quenchs eines Hauptspulenabschnitts 3 der zweiten Masche durch Heizen/Quenchen des gemeinsam mit dem HTS-Hauptspulenabschnitt 1 geschützten NbTi-Hauptspulenabschnitts 2 in der ersten Masche, da der Strom im HTS-Hauptspulenabschnitt 1 dann schneller abnehmen kann, unabhängig von der Quenchausbreitungsgeschwindigkeit im HTS-Hauptspulenabschnitt 1 selbst.
3 zeigt eine Ausführungsform, bei der zusätzlich eine Heizsteuereinrichtung 10 (aktive Elektronik) vorgesehen ist. Mit dieser Ausführungsform kann, falls ein Magnetquench im HTS-Hauptspulenabschnitt 1 startet, deren Quenchspannung als Trigger dafür benutzt werden, den zweiten Hauptspulenabschnitt 2 (aktiv) zu quenchen, wodurch das Entladen in der gemeinsamen ersten Masche beschleunigt wird, so dass die geringe Quenchausbreitungsgeschwindigkeit im HTS-Hauptspulenabschnitt keine Probleme bereitet. Dazu bewirkt die Heizsteuerung 10 im Falle eines Quenchs des ersten (HTS)-Hauptspulenabschnitts 1 über ein zusätzliches Heizelement 11 einen Wärmeeintrag in den zweiten Hauptspulenabschnitt 2. Dazu erfasst ein Quench-Diagnose-Element 12 den Spannungsabfall über dem Quenchschutzelement 6 des HTS-Hauptspulenabschnitts 1. Bei Überschreiten eines Grenzwertes (Quenchfall) aktiviert ein Heizsteuerelement 13 das Heizelement 11. Im Quenchfall wird also die Stromabnahme im quenchenden HTS-Hauptspulenabschnitt 1 beschleunigt und zwar unabhängig von der Quenchausbreitung im HTS-Hauptspulenabschnitt 1 selbst. Ebenso kann im Falle eines Quenchs in einem Hauptspulenabschnitt außerhalb der ersten Schutznetzwerksmasche die am entsprechenden Quenchschutzelement 7, 8 abfallende Spannung als Trigger verwendet werden, um den Quench im zweiten Hauptspulenabschnitt 2 mittels einer Heizsteuereinrichtung zu starten. Das Quench-Diagnose-Element 12 überwacht dann den Spannungsabfall über dem Quenchschutzelement 7, 8 des entsprechenden Hauptspulenabschnitts 3, 4.
Das Beheizen des zweiten Hauptspulenabschnittes 2 kann über ein einziges Heizelement oder über mehrere Heizelemente erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es wenn unterschiedliche Heizelemente durch einen Quench in unterschiedlichen Hauptspulenabschnitten 1, 3, 4 aktiviert werden.
4a, 4b zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung, bei der sowohl die erste Masche als auch die zweite Masche einen HTS-Hauptspulenabschnitt 1 bzw. 14 aufweist. In der ersten Masche wird die Serienschaltung aus erstem Hauptspulenabschnitt 1 (HTS-Hauptspulenabschnitt) und zweitem Hauptspulenabschnitt 2 (NbTi-Hauptspulenabschnitt) von einem ersten Quenchschutzelement 6' überbrück; in der zweiten Masche wird eine Serienschaltung aus einem viertem Hauptspulenabschnitt 14 (HTS-Hauptspulenabschnitt) und dem drittem Hauptspulenabschnitt 3 (NbTi-Hauptspulenabschnitt) von einem zweiten Quenchschutzelement 8" überbrückt. Der HTS-Bereich (erster Hauptspulenabschnitt 1 und vierter Hauptspulenabschnitt 14) ist in dieser Ausführungsform also auf verschiedene Maschen aufgeteilt. Um in beiden Maschen eine Stromüberhöhung im HTS-Material zu verhindern, dienen die beiden Quenchschutzelemente 6', 8" jeweils als Heizelement für den HTS-Hauptspulenabschnitt 1, 14 der jeweils anderen Masche. Die als Heizelemente dienenden Quenchschutzelemente 6', 8" sind lediglich mit dem zweiten bzw. dritten Hauptspulenabschnitt 2, 3 in thermischen Kontakt, so dass die HTS-Hauptspulenabschnitte 1, 14 im Quenchfall einerseits nicht geheizt werden und somit eine Beschädigung der HTS-Hauptspulenabschnitte vermieden wird und andererseits der Strom durch Heizen der LTS-Hauptspulenabschnitte 2, 3 der Strom in den Maschen reduziert wird, bevor es in den HTS-Hauptspulenabschnitten zu einer nennenswerten Stromüberhöhung kommen kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Magnetspulensystem kann (wenn der Quench außerhalb des ersten Hauptspulenabschnitts 1 seinen Ursprung hat) ein Quench im Material des ersten Hauptspulenabschnitts 1 verhindert bzw. (falls der erste Hauptspulenabschnitt 1 selbst quenchen sollte) das Abklingen des Stromes im ersten Hauptspulenabschnitt 1 beschleunigt werden.
Die Erfindung wurde für den Fall beschrieben, dass der erste Hauptspulenabschnitt HTS-Material und der zweite Hauptspulenabschnitt NbTi enthält. Es sind jedoch auch andere Materialkombinationen möglich, solange die kritische Temperatur des ersten Hauptspulenabschnitts größer ist als die des zweiten Hauptspulenabschnitts.
Bezugszeichenliste

1: erster Hauptspulenabschnitt (HTS-Hauptspulenabschnitt der ersten Masche)
2: zweiter Hauptspulenabschnitt (NbTi-Hauptspulenabschnitt der ersten Masche)
3: dritter Hauptspulenabschnitt (NbTi-Hauptspulenabschnitt der zweiten Masche)
4: weiteren Hauptspulenabschnitt (Nb₃Sn-Hauptspulenabschnitt)
5: Hauptspule
6, 6': erstes Quenchschutzelement
7: weiteres Quenchschutzelement
8, 8', 8": zweites Quenchschutzelement
9: erstes Heizelement
10: Heizsteuereinrichtung
11: zusätzliches Heizelement
12: Quench-Diagnose-Element
13: Heizsteuerelement
14: vierter Hauptspulenabschnitt (HTS-Hauptspulenabschnitt der zweiten Masche)

Claims

Supraleitendes Magnetspulensystem umfassend mindestens einen ersten Hauptspulenabschnitt (1) mit mindestens einem Leiter, der ein erstes supraleitenden Material umfasst, wobei das erste supraleitende Material HTS-Material ist, und mindestens einen zweiten Hauptspulenabschnitt (2) mit einem Leiter, der ein zweites supraleitendes Material umfasst, wobei das erste supraleitende Material eine höhere kritische Temperatur aufweist als das zweite supraleitende Material, wobei der erste und der zweite Hauptspulenabschnitt (1, 2) derart in Serie miteinander verschaltet sind, dass sie im Betrieb von gleichsinnigem Strom durchflossen werden, und wobei der erste Hauptspulenabschnitt (1) und der zweite Hauptspulenabschnitt (2) von einem gemeinsamen ersten Quenchschutzelement (6, 6') überbrückt sind und zusammen mit dem Quenchschutzelement (6, 6') eine erste elektrische Masche bilden, wobei das Magnetspulensystem mindestens einen dritten Hauptspulenabschnitt (3) mit einem Leiter aus einem supraleitenden Material umfasst, der Teil einer zweiten elektrischen Masche ist, wobei die zweite Masche ein zweites Quenchschutzelement (8, 8', 8") umfasst und in Serie zur ersten elektrischen Masche geschalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulensystem mindestens ein erstes Heizelement (9) umfasst, welches zur Reduzierung des Stroms in der ersten Masche mit einer Heizspannung versorgbar ist, wobei von den in Serie geschalteten Hauptspulenabschnitten (1, 2) der ersten Masche sich lediglich der zweite Hauptspulenabschnitt (2) in thermischen Kontakt mit dem ersten Heizelement (9) befindet.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hauptspulenabschnitt (1) derjenige Hauptspulenabschnitt ist, welcher von allen Hauptspulenabschnitten (1, 2, 3, 4, 14) des Magnetspulensystems die höchste kritische Temperatur aufweist.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite supraleitende Material LTS-Material ist, vorzugsweise NbTi oder Nb₃Sn.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Quenchschutzelement (8, 8', 8") den dritten Hauptspulenabschnitt (3) überbrückt.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hauptspulenabschnitt und der zweite Hauptspulenabschnitt radial direkt aufeinander folgen.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Quenchschutzelement (8") eine Serienschaltung überbrückt, die den dritten Hauptspulenabschnitt (3) und einen vierten Hauptspulenabschnitt (14) mit einem Leiter aus einem supraleitenden Material umfasst, wobei das supraleitendes Material des vierten Hauptspulenabschnitts (14) eine höhere kritische Temperatur aufweist als das supraleitende Material des dritten Hauptspulenabschnitts (3).
Supraleitendes Magnetspulensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulensystem mindestens ein zweites Heizelement (6') umfasst, welches zur Reduzierung des Stroms in der zweiten Masche mit einer Heizspannung versorgbar ist, wobei von den in Serie geschalteten Hauptspulenabschnitten (3, 14) der zweiten Masche sich lediglich der dritte Hauptspulenabschnitt (3) in thermischen Kontakt mit dem zweiten Heizelement (6') befindet.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Quenchschutzelement (8, 8") als erstes Heizelement (9) dient.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Heizelement (9) zu dem zweiten Quenchschutzelement (8') parallel geschaltet ist.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizsteuereinrichtung (10) vorgesehene ist, die ein Quench-Diagnose-Element (12) umfasst, welches mindestens einen der Hauptspulenabschnitteüberwacht, wobei die Heizsteuereinrichtung (10) im Falle eines Quenchs des überwachten Hauptspulenabschnitts (1) ein zusätzliches Heizelement (11) mit Spannung versorgt, wobei sich von den in Serie geschalteten Hauptspulenabschnitten (1, 2) der ersten Masche lediglich der zweite Hauptspulenabschnitt (2) in thermischen Kontakt mit dem zusätzlichen Heizelement (11) befindet.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Quench-Diagnose-Element (12) den ersten Hauptspulenabschnitt (1), überwacht.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptspulenabschnitte (1, 2, 3, 4, 14) radial ineinander verschachtelt sind.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hauptspulenabschnitt (1) der innerste Hauptspulenabschnitt der Magnetspulenanordnung ist.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (9) innerhalb des zweiten Hauptspulenabschnitts (2) an der Stelle angeordnet ist, an der im Betrieb des Magnetspulensystems die höchste Auslastung des Supraleiters herrscht.
Supraleitendes Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein supraleitendes NMR-Magnetspulensystem handelt.
Verfahren zum Betrieb eines supraleitenden Magnetspulensystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Quenchs eines Hauptspulenabschnitts der zweiten elektrischen Masche in der ersten elektrischen Masche ausschließlich der zweite Hauptspulenabschnitt (2) mittels des ersten Heizelements (9) geheizt wird.