DE102015202638A1

DE102015202638A1 - Power supply for a superconducting coil device

Info

Publication number: DE102015202638A1
Application number: DE102015202638.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Denneler; Marjin Pieter Oomen; Carsten Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2015-12-17
Also published as: WO2015193163A1

Abstract

Es wird eine Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung angegeben, wobei die Stromzuführung wenigstens einen ersten Leitungsteil mit einer supraleitenden Schicht aufweist. Die supraleitende Schicht ist durch Aerosol-Deposition abgeschieden. Weiterhin wird eine supraleitende Spuleneinrichtung mit einer solchen Stromzuführung und einer supraleitenden elektrischen Spulenwicklung angegeben. Schließlich wird ein Verfahren zur Herstellung einer Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung angegeben, wobei die Stromzuführung wenigstens einen ersten Leitungsteil mit einer supraleitenden Schicht aufweist und wobei die supraleitende Schicht durch Aerosol-Deposition hergestellt wird.A power supply for a superconducting coil device is specified, wherein the power supply has at least one first line part with a superconducting layer. The superconductive layer is deposited by aerosol deposition. Furthermore, a superconducting coil device is specified with such a power supply and a superconducting electrical coil winding. Finally, a method for producing a power supply for a superconducting coil device is provided, wherein the power supply has at least a first line part with a superconducting layer and wherein the superconducting layer is produced by aerosol deposition.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung, wobei die Stromzuführung wenigstens einen Leitungsteil mit einer supraleitenden Schicht aufweist. The invention relates to a power supply for a superconducting coil device, wherein the power supply has at least one line part with a superconducting layer.

Viele supraleitende Spuleneinrichtungen benötigen Stromzuführungen, um die typischerweise relativ hohen Ströme aus einem äußeren Stromkreis in eine supraleitende Spule einzuspeisen. Solche Spuleneinrichtungen werden beispielsweise für supraleitende Magnetsysteme, insbesondere für Magnetresonanzmessungen und Teilchenphysikexperimente, sowie für supraleitende Motoren, Generatoren oder magnetische Energiespeicher verwendet. Many superconducting coil devices require power supplies to feed the typically relatively high currents from an external circuit into a superconducting coil. Such coil devices are used, for example, for superconducting magnet systems, in particular for magnetic resonance measurements and particle physics experiments, as well as for superconducting motors, generators or magnetic energy stores.

Da die supraleitenden Spulen zu ihrem Betrieb auf kryogene Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur des Leitermaterials der Spule gekühlt werden müssen, liegen auch die spulenseitigen Enden der Stromzuführungen in diesem kryogenen Temperaturbereich vor. Die gegenüberliegenden Enden der Stromzuführung, die mit dem äußeren Stromkreis verbunden sind, befinden sich dabei typischerweise bei Temperaturen in der Nähe der Raumtemperatur. Um den Kühlaufwand für die supraleitende Spule möglichst gering zu halten, sollte der Wärmeeintrag über die Materialen der Stromzuführung möglichst minimiert werden. Bei klassischen metallischen Leitern steht allerdings die Wärmeleitung nach dem Wiedemann-Franz-Gesetz in einem etwa linearen Zusammenhang mit der elektrischen Leitfähigkeit, so dass vor allem bei hohen benötigten Stromdichten auch hohe Wärmeeinträge auftreten. Since the superconducting coils must be cooled to operate at cryogenic temperatures below the transition temperature of the conductor material of the coil, the coil-side ends of the power supply lines are also present in this cryogenic temperature range. The opposite ends of the power supply connected to the external circuit are typically at temperatures near room temperature. In order to keep the cooling effort for the superconducting coil as low as possible, the heat input should be minimized as possible over the materials of the power supply. In classical metallic conductors, however, the heat conduction according to the Wiedemann-Franz law is in a roughly linear relationship with the electrical conductivity, so that high heat inputs also occur, especially at high current densities required.

Aus dem Stand der Technik sind Stromzuführungen für supraleitende Spuleneinrichtungen bekannt, bei denen die jeweilige Stromzuführung einen supraleitenden Leitungsteil aus einem hochtemperatursupraleitenden (HTS) Material aufweist. Für solche supraleitenden Zuleitungen gilt das Wiedemann-Franz-Gesetz nicht. Entsprechend kann die Stromtragfähigkeit im Verhältnis zur Wärmeleitfähigkeit viel höher sein als bei normalleitenden Materialien. Allerdings muss auch der HTS-Leiter in seinem gesamten Bereich auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur gekühlt werden. Diese Sprungtemperatur kann dabei unter Umständen wesentlich höher sein als die Sprungtemperatur eines Leitermaterials der eigentlichen Spulenwicklung. Beispielsweise sind inzwischen HTS-Materialien mit Sprungtemperaturen bis oberhalb von 130 K bekannt. Es kann also mit einem HTS-Leiters ein Temperaturbereich zwischen der Betriebstemperatur der Spulenwicklung und der maximalen Betriebstemperatur des HTS-Leiters überbrückt werden. Für die Überbrückung der restlichen Temperaturdifferenz zwischen der HTS-Betriebstemperatur und der Außentemperatur kann der HTS-Leiter dann in Serie mit einem zweiten, normalleitenden Leiterteil geschaltet sein. Power supplies for superconducting coil devices are known from the prior art, in which the respective power supply has a superconducting line part made of a high-temperature superconducting (HTS) material. For such superconducting leads the Wiedemann-Franz law does not apply. Accordingly, the current carrying capacity in relation to the thermal conductivity can be much higher than with normal conducting materials. However, the HTS conductor must also be cooled in its entire range to a temperature below its transition temperature. Under certain circumstances, this transition temperature can be significantly higher than the transition temperature of a conductor material of the actual coil winding. For example, HTS materials with transition temperatures above 130 K are now known. It can therefore be bridged with a HTS conductor, a temperature range between the operating temperature of the coil winding and the maximum operating temperature of the HTS conductor. For bridging the remaining temperature difference between the HTS operating temperature and the outside temperature, the HTS conductor can then be connected in series with a second, normally-conductive conductor part.

Eine solche zusammengesetzte Stromzuführung ist beispielsweise in der DE102007013350B4 beschrieben. Hier sind mehrere Stapel von bevorzugt keramischen HTS-Bandleitern untereinander parallelgeschaltet und dann mit einem metallischen Leiter in Serie geschaltet. Such a composite power supply is for example in the DE102007013350B4 described. Here are several stacks of preferred ceramic HTS-band conductors connected in parallel with each other and then connected in series with a metallic conductor.

Eine ähnliche supraleitende Stromzuführung ist in dem Artikel „Design of the HTS Current Leads for ITER“ von A. Ballarino et al. in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 22, No. 3, June 2012 beschrieben. Hier sind mehrere Stapel von HTS-Bandleitern ringförmig um einen zylindrischen Stahlträger angeordnet, in dessen Inneren etwa 50 K kaltes gasförmiges Helium herausströmt. Bei diesem Helium handelt es sich um abdampfendes Gas aus dem Inneren des Kryostaten, mit dem die supraleitende Spulenwicklung auf Temperaturen von etwa 5 K gekühlt wird. Die Spulenwicklung selbst basiert auf einem Tieftemperatursupraleiter (LTS) mit einer Sprungtemperatur unterhalb von 5K. A similar superconducting power supply is in the Article "Design of the HTS Current Leads for ITER" by A. Ballarino et al. in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 22, no. 3, June 2012 described. Here, several stacks of HTS strip conductors are arranged annularly around a cylindrical steel beam, in the interior of which about 50 K of cold gaseous helium flows out. This helium is evaporative gas from the interior of the cryostat, which cools the superconducting coil winding to temperatures of about 5K. The coil winding itself is based on a low temperature superconductor (LTS) with a transition temperature below 5K.

Die bekannten supraleitenden Stromzuführungen weisen jedoch folgende Nachteile auf:

– Bei Bandleitern mit keramischen HTS-Leitern werden die HTS-Schichten typischerweise auf metallischen Substraten abgeschieden und meist auch mit metallischen Deckschichten abgedeckt. Der hierdurch gegebene Metallquerschnitt führt zu einem relativ hohen Wärmeeintrag in die kryogene Umgebung der Spuleneinrichtung.
– Nach dem Stand der Technik sind die Materialquerschnitte der supraleitenden Schichten und der metallischen Trägermaterialien konstant über die Länge des Leiterteils. Hierdurch ist die Stromtragfähigkeit im Bereich des warmen Endes vergleichsweise niedrig. Insgesamt ist aber der Leiterquerschnitt unnötig hoch, so dass der Wärmeeintrag ins Innere der Spuleneinrichtung dadurch erhöht wird.
– Keramische Bandleitermaterialien sind relativ teuer.
– Keramische HTS-Materialien sind spröde und anfällig gegenüber mechanischen Belastungen, beispielsweise gegenüber Vibrationen eines Kühlgeräts.
– Lokale Magnetfelder, insbesondere solche mit einer Orientierung senkrecht zum Leiterstapel des Bandleiters können den kritischen Strom verringern. Durch den teilweise komplexen Verlauf der vorliegenden Magnetfelder können die Leiterstapel nicht immer so orientiert werden, dass senkrechte Magnetfelder für alle Leiterteile vermieden werden.

However, the known superconducting power supply lines have the following disadvantages:

For strip conductors with ceramic HTS conductors, the HTS layers are typically deposited on metallic substrates and usually also covered with metallic cover layers. The resulting metal cross-section leads to a relatively high heat input into the cryogenic environment of the coil device.
According to the prior art, the material cross sections of the superconducting layers and of the metallic carrier materials are constant over the length of the conductor part. As a result, the current carrying capacity in the region of the warm end is comparatively low. Overall, however, the conductor cross-section is unnecessarily high, so that the heat input into the interior of the coil device is thereby increased.
- Ceramic strip conductor materials are relatively expensive.
- Ceramic HTS materials are brittle and susceptible to mechanical stress, for example to vibrations of a refrigerator.
- Local magnetic fields, especially those with an orientation perpendicular to the conductor stack of the strip conductor can reduce the critical current. Due to the sometimes complex course of the present magnetic fields, the conductor stacks can not always be oriented so that perpendicular magnetic fields for all conductor parts are avoided.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine supraleitende Stromzuführung anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll diese Stromzuführung bei vergleichbarer Stromtragfähigkeit einen verringerten Wärmeeintrag aufweisen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine supraleitende Spuleneinrichtung mit einer solchen Stromzuführung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Stromzuführung anzugeben. The object of the invention is to provide a superconducting power supply, which the avoids mentioned disadvantages. In particular, this power supply should have a reduced heat input at comparable current carrying capacity. Another object of the invention is to provide a superconducting coil device with such a power supply and a method for producing such a power supply.

Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Stromzuführung, die in Anspruch 11 beschriebene supraleitende Spuleneinrichtung sowie das in Anspruch 15 beschriebene Herstellungsverfahren gelöst. These objects are achieved by the power supply described in claim 1, the superconducting coil device described in claim 11 and the manufacturing method described in claim 15.

Die erfindungsgemäße Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung weist wenigstens einen ersten Leitungsteil mit einer supraleitenden Schicht auf, wobei die supraleitende Schicht durch Aerosol-Deposition abgeschieden ist. The power supply for a superconducting coil device according to the invention has at least a first line part with a superconducting layer, wherein the superconducting layer is deposited by aerosol deposition.

Ein wesentlicher Vorteil einer solchen supraleitenden Schicht liegt darin, dass eine solche Schicht wesentlich flexibler als die keramische HTS-Schicht eines herkömmlichen Bandleiters auf die Anforderung der hohen Stromtragfähigkeit bei gleichzeitig geringem Wärmeeintrag angepasst werden kann. Diese höhere Flexibilität kann sich beispielsweise in einer breiteren Auswahl an Trägermaterialien, in einer breiteren Auswahl an Beschichtungsgeometrien und/oder in einer gezielten Anpassung der Schichtdicke an die lokalen Anforderungen äußern. An essential advantage of such a superconductive layer is that such a layer can be adapted much more flexibly than the ceramic HTS layer of a conventional strip conductor to the requirement of high current carrying capacity coupled with low heat input. This higher flexibility can be expressed, for example, in a broader selection of carrier materials, in a wider selection of coating geometries and / or in a specific adaptation of the layer thickness to the local requirements.

Unter einer Aerosol-Deposition soll im vorliegenden Zusammenhang die Abscheidung einer Schicht aus einem Aerosol, also aus einer Dispersion von Festkörperteilchen in einem Gas, verstanden werden. Insbesondere kann dazu ein Ausgangsstoff der supraleitenden Schicht als in einem Gas dispergiertes Pulver vorliegen. Eine solche aus einem Pulver-Aerosol abgeschiedene Schicht ist an der Teilchenstruktur des zugrundeliegenden Pulvers leicht von Schichten aus anderen bisher bekannten Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise physikalischer oder chemischer Gasphasenabscheidung, zu unterscheiden. In the present context, the term "aerosol deposition" is understood to mean the deposition of a layer from an aerosol, that is to say from a dispersion of solid particles in a gas. In particular, a starting material of the superconductive layer may be present as a powder dispersed in a gas. Such a powder aerosol-deposited layer is easily distinguished from the particle structure of the underlying powder by layers of other previously known coating methods, such as physical or chemical vapor deposition.

Die erfindungsgemäße supraleitende Spuleneinrichtung weist wenigstens eine erfindungsgemäße Stromzuführung und wenigstens eine supraleitende elektrische Spulenwicklung auf. The superconducting coil device according to the invention has at least one power supply according to the invention and at least one superconducting electrical coil winding.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zu Herstellung einer Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung, wobei die Stromzuführung wenigstens einen ersten Leitungsteil mit einer supraleitenden Schicht aufweist, wird die supraleitende Schicht durch die Aerosol-Deposition hergestellt. In the method according to the invention for producing a power supply for a superconducting coil device, wherein the power supply has at least a first line part with a superconducting layer, the superconducting layer is produced by the aerosol deposition.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung und des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ergeben sich analog zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Stromzuführung. The advantages of the coil device according to the invention and the manufacturing method according to the invention are analogous to the advantages of the power supply according to the invention.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 11 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Stromzuführung, der Spuleneinrichtung sowie des Herstellungsverfahrens vorteilhaft untereinander kombiniert werden. Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims 1 and 11 claims. The described embodiments of the power supply, the coil means and the manufacturing process can be advantageously combined with each other.

Die supraleitende Schicht kann Magnesiumdiborid umfassen. Besonders vorteilhaft kann die supraleitende Schicht als Hauptbestandteil Magnesiumdiborid aufweisen oder sogar im Wesentlichen aus Magnesiumdiborid bestehen. Eine Abscheidung einer Magnesiumdiborid-Schicht aus einem Pulver-Aerosol ist besonders gut möglich, wie beispielswiese in der DE102010031741B4 beschrieben. Das im Aerosol dispergierte und als Ausgangsstoff dienende Pulver kann dabei entweder bereits als Magnesiumdiborid, oder als ein Pulvergemisch aus elementarem Magnesium und Bor oder als ein Gemisch aus allen drei Komponenten Magnesiumdiborid, Magnesium und Bor vorliegen. The superconductive layer may comprise magnesium diboride. Particularly advantageously, the superconducting layer may comprise magnesium diboride as the main constituent or may even consist essentially of magnesium diboride. A deposition of a magnesium diboride layer from a powder aerosol is particularly well possible, as for example in the DE102010031741B4 described. The powder dispersed in the aerosol and used as the starting material may be present either as magnesium diboride or as a powder mixture of elemental magnesium and boron or as a mixture of all three components magnesium diboride, magnesium and boron.

Durch die Aerosol-Deposition kann supraleitendes Magnesiumdiborid in definierten Schichten von beispielsweise 1 µm bis zu 1000 µm hergestellt werden. Solche Schichten unterscheiden sich geometrisch grundsächlich von den nach dem herkömmlichen sogenannten „Powder in Tube“ (PIT) Verfahren hergestellten Leitern. Bei diesem PIT-Verfahren wird ein festes Pulvergemisch des Ausgangsmaterials (wiederum Magnesiumdiborid oder eine Mischung aus elementarem Magnesium und Bor) in einer typischerweise metallischen Reaktionsröhre unter Einwirkung von erhöhtem Druck und/oder Temperatur zu einem zusammenhängenden Draht reagiert. Im Unterschied ist ein durch Aerosol-Deposition abgeschiedener Magnesiumdiborid-Leiter eine flächige Schicht, die auf der Oberfläche eines Trägersubstrats abgeschieden ist. The aerosol deposition can be used to produce superconducting magnesium diboride in defined layers of, for example, 1 μm to 1000 μm. Such layers are geometrically fundamentally different from the ladders produced by the conventional so-called "powder in tube" (PIT) method. In this PIT process, a solid powder mixture of the starting material (again magnesium diboride or a mixture of elemental magnesium and boron) is reacted in a typically metallic reaction tube under the action of elevated pressure and / or temperature to form a continuous wire. In contrast, a magnesium diboride conductor deposited by aerosol deposition is a laminar layer deposited on the surface of a carrier substrate.

Im Unterschied zu den Methoden der Gasphasenabscheidung (wie beispielsweise chemischer Gasphasenabscheidung, Sputtern oder Verdampfen) können über die Aerosol-Deposition auf einfache Weise wesentlich dickere supraleitende Schichten abgeschieden werden. Vorteilhaft ist dabei die Schichtdicke der supraleitenden Schicht des ersten Leitungsteils von wenigstens 2 µm, besonders vorteilhaft sogar wenigstens 20 µm. In contrast to the methods of vapor deposition (such as chemical vapor deposition, sputtering or evaporation) can be deposited via the aerosol deposition in a simple way much thicker superconducting layers. In this case, the layer thickness of the superconducting layer of the first line part of at least 2 μm, particularly advantageously at least 20 μm, is advantageous.

Magnesiumdiborid weist eine Sprungtemperatur von etwa 39 K auf und gilt somit als Hochtemperatursupraleiter, allerdings ist die Sprungtemperatur im Vergleich zu anderen HTS-Materialien eher niedrig. Mit einem auf Magnesiumdiborid basierenden ersten Leitungsteil der Stromzuführung kann also eine erste Temperaturdifferenz überbrückt werden, beispielsweise zwischen der Betriebstemperatur eines Tieftemperatursupraleiters von wenigen Kelvin und einer Temperatur knapp unterhalb der 39 K. Die restliche Temperaturdifferenz zwischen der Betriebstemperatur des Magnesiumdiborids und einer äußeren Umgebungstemperatur kann dann wie weiter unten beschrieben durch weitere Leitungsteile überbrückt werden. Magnesium diboride has a transition temperature of about 39 K and is thus considered as a high-temperature superconductor, but the transition temperature is rather low compared to other HTS materials. With a magnesium diboride based first line part of the power supply can Thus, a first temperature difference can be bridged, for example, between the operating temperature of a low temperature superconductor of a few Kelvin and a temperature just below the 39 K. The remaining temperature difference between the operating temperature of the magnesium diboride and an external ambient temperature can then be bridged by further line parts as described below.

Trotz dieser Einschränkung der relativ geringen überbrückbaren Temperaturdifferenz ist Magnesiumdiborid als Material für den ersten Leitungsteil besonders geeignet, da es sich besonders leicht über eine Aerosol-Deposition abscheiden lässt und somit supraleitende Schichten mit besonders flexibler Wahl der Substratmaterialien, Substratgeometrie und/oder Schichtgeometrie zugänglich werden. Despite this restriction of the relatively small bridgeable temperature difference magnesium diboride is particularly suitable as a material for the first line part, as it can be deposited easily via an aerosol deposition and thus superconducting layers with a particularly flexible choice of substrate materials, substrate geometry and / or layer geometry are accessible.

Der beschriebene erste supraleitende Leitungsteil kann elektrisch in Serie mit einem zweiten Leitungsteil geschaltet sein, der normalleitend ist. Beispielsweise kann der zweite Leitungsteil auf einem metallischen Leiter basieren. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, um mit dem normalleitenden zweiten Leitungsteil zumindest einen Teil der verbleibenden Temperaturdifferenz zwischen der Betriebstemperatur des ersten Leitungsteils und der äußeren Umgebungstemperatur zu überbrücken. Der Querschnitt des normalleitenden Leitungsteils muss dabei ausreichend dimensioniert sein, um den insgesamt benötigten Stromeintrag zu gewährleisten. Hierdurch ergibt sich gleichzeitig ein relativ hoher Wärmeeintrag bis zum kalten Ende des normalleitenden Leiterteils. Andererseits wird aber der gesamte Wärmeeintrag zum Bereich der supraleitenden Spule der Spuleneinrichtung durch die Serienschaltung der zwei oder mehr Leiterteile begrenzt. Wenn die Wärmeleitfähigkeit des ersten Leitungsteils wesentlich geringer ist als die des zweiten Leitungsteils, und wenn die Temperatur im Kontaktbereich beispielsweise durch eine thermische Abfangung unterhalb 39K gehalten wird, kann der Wärmeeintrag bei z.B. 5K im supraleitenden Spulensystem vorteilhaft begrenzt werden. Die höchste Priorität hat die Begrenzung des Wärmeeintrags zur niedrigsten Temperatur im System, weil hier die Kühltechnik am wenigsten effizient ist. The described first superconducting line part may be electrically connected in series with a second line part which is normally conducting. For example, the second conduit part may be based on a metallic conductor. This embodiment is advantageous for bridging at least part of the remaining temperature difference between the operating temperature of the first line part and the outside ambient temperature with the normally conducting second line part. The cross section of the normally conducting line part must be sufficiently dimensioned to ensure the total required current input. This results in a relatively high heat input at the same time up to the cold end of the normal-conducting conductor part. On the other hand, however, the entire heat input to the region of the superconducting coil of the coil device is limited by the series connection of the two or more conductor parts. If the thermal conductivity of the first conductive part is substantially less than that of the second conductive part, and if the temperature in the contact region is kept below 39K, for example by a thermal interception, the heat input can be applied at e.g. 5K are advantageously limited in the superconducting coil system. The highest priority is the limitation of the heat input to the lowest temperature in the system, because the cooling technology is the least efficient.

Der beschriebene erste supraleitende Leitungsteil und der beschriebene zweite normalleitende Leitungsteil können elektrisch in Serie mit einem dritten Leitungsteil geschaltet sein, der supraleitende Eigenschaften und eine Sprungtemperatur oberhalb von 77 K aufweist. Bevorzugt ist dieser dritte Leitungsteil elektrisch zwischen den ersten und den zweiten Leitungsteil geschaltet. Mit einem solchen HTS-Material mit vergleichsweise hoher Sprungtemperatur kann dann vorteilhaft der Temperaturbereich zwischen der oberen Betriebstemperatur des ersten Leiterteils und dem kälteren Ende des zweiten normalleitenden Leiterteils überbrückt werden. Besonders vorteilhaft kann die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials des dritten Leitungsteils sogar oberhalb von 90 K liegen, so dass mit diesem mittleren Leitungsteil eine noch größere Temperaturdifferenz überbrückt werden kann. Diese Ausführungsform mit wenigstens drei in Serie geschalteten Leiterteilen für wenigstens drei verschiedene Temperaturbereiche ist besonders vorteilhaft, da so für jeden der Abschnitte ein besonders guter Kompromiss zwischen hoher Stromtragfähigkeit einerseits und möglichst geringem Wärmeeintrag andererseits eingestellt werden kann. Sowohl der Stromfluss als auch der Wärmefluss wird dabei im Wesentlichen durch das schwächste der drei Transportglieder begrenzt, so dass sich der Aufwand durchaus lohnen kann, ein zusätzliches HTS-Material mit einer vergleichsweise niedrigeren Sprungtemperatur für den kältesten Abschnitt der Stromzuführung zu verwenden, wenn für diesen Abschnitt dann ein besonders niedriger Wärmeeintrag erzielt werden kann. Auch hier können thermische Abfangungen zwischen den Leitungsteilen nötig sein, um deren Supraleitfähigkeit zu gewährleisten. The described first superconducting line part and the described second normal-conducting line part may be electrically connected in series with a third line part having superconducting properties and a junction temperature higher than 77K. Preferably, this third line part is electrically connected between the first and the second line part. With such a HTS material with a comparatively high transition temperature, the temperature range between the upper operating temperature of the first conductor part and the colder end of the second normally-conductive conductor part can advantageously be bridged. Particularly advantageously, the transition temperature of the superconducting material of the third line part can even be above 90 K, so that an even greater temperature difference can be bridged with this middle line part. This embodiment with at least three series-connected conductor parts for at least three different temperature ranges is particularly advantageous, since a particularly good compromise between high current carrying capacity on the one hand and the lowest possible heat input on the other hand can be set for each of the sections. Both the current flow and the heat flow is essentially limited by the weakest of the three transport links, so that the effort can be quite worthwhile to use an additional HTS material with a relatively lower transition temperature for the coldest section of the power supply, if for this Section then a particularly low heat input can be achieved. Again, thermal interventions between the line parts may be necessary to ensure their superconductivity.

Die supraleitende Schicht des ersten Leiterteils der Stromzuführung kann auf einem festen Trägersubstrat aufgebracht sein. Dieses feste Trägersubstrat bestimmt dann im Wesentlichen die mechanischen Eigenschaften sowie die Geometrie des ersten Leiterteils. Wie im Folgenden beschrieben, sind bei der Abscheidung mittels Aerosol-Deposition besonders vorteilhafte Geometrien und Materialien für dieses Substrat möglich. The superconductive layer of the first conductor part of the power supply can be applied to a solid carrier substrate. This solid carrier substrate then essentially determines the mechanical properties and the geometry of the first conductor part. As described below, particularly advantageous geometries and materials for this substrate are possible in the deposition by means of aerosol deposition.

Das Trägersubstrat kann wenigstens teilweise aus einem metallischen Material gebildet sein. Dies kann vorteilhaft sein, um einen normalleitenden Strompfad parallel zur supraleitenden Schicht zur Verfügung zu stellen. Auf diesem Pfad kann der Strom bei Überschreiben der kritischen Temperatur, der kritischen Stromdichte und/oder des kritischen Magnetfeldes zumindest lokal und/oder anteilig transportiert werden. Ein metallisches Trägersubstrat kann weiterhin vorteilhaft sein, um die supraleitende Schicht thermisch an ein Kühlsystem, beispielsweise einen Kaltkopf und/oder ein Kühlmittelreservoir anzukoppeln. Weiterhin können metallische Trägersubstrate sinnvoll sein, um vorgegebene mechanische Eigenschaften zu erfüllen. Geeignete metallische Materialien sind beispielsweise Stahl, Kupfer, Messing oder andere Kupfer enthaltende Legierungen. The carrier substrate may be at least partially formed of a metallic material. This can be advantageous in order to provide a normally conducting current path parallel to the superconducting layer. In this path, the current can be transported at least locally and / or proportionally when overwriting the critical temperature, the critical current density and / or the critical magnetic field. A metallic carrier substrate can furthermore be advantageous for thermally coupling the superconducting layer to a cooling system, for example a cold head and / or a coolant reservoir. Furthermore, metallic carrier substrates may be useful to meet predetermined mechanical properties. Suitable metallic materials are, for example, steel, copper, brass or other copper-containing alloys.

Alternativ kann das Trägersubstrat auch aus einem nicht-metallischen Material, insbesondere einem thermisch schlecht leitenden Material gebildet sein. Beispielsweise kann das Trägersubstrat aus Glas, Keramik oder einem Polymer ausgebildet sein. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials kann vorteilhaft unterhalb von 2 W/m·K liegen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass dann das Trägersubstrat nur wenig zum Wärmetransport entlang der Stromzuführung beiträgt und so der gesamte Wärmeeintrag besonders stark reduziert werden kann. Im Gegensatz zur herkömmlichen Gasphasenabscheidung oxidkeramischer HTS-Leiter wird für die Aerosol-Deposition nicht notwendigerweise ein metallisches Substrat benötigt. Alternatively, the carrier substrate may also be formed from a non-metallic material, in particular a thermally poorly conductive material. By way of example, the carrier substrate may be formed from glass, ceramic or a polymer. The specific thermal conductivity of the Material can advantageously be below 2 W / m · K. This embodiment has the advantage that then the carrier substrate contributes only little to the heat transport along the power supply and so the total heat input can be greatly reduced. In contrast to the conventional vapor deposition of oxide ceramic HTS conductors, the aerosol deposition does not necessarily require a metallic substrate.

Bei dem Substrat kann es sich allgemein vorteilhaft um ein rohrförmiges Substrat handeln. Ein solches rohrförmiges Substrat kann beispielsweise auf seiner Außenseite beschichtet sein. Dabei kann insbesondere eine hohlzylindrische supraleitende Schicht ausgebildet sein. Alternativ kann eine ähnliche hohlzylindrische Schicht auch auf der Innenseite eines rohrförmigen Substrats gebildet werden. Dies kann insbesondere bei relativ dünnwandigen Rohren mit großem Durchmesser vorteilhaft sein. The substrate may generally advantageously be a tubular substrate. Such a tubular substrate may, for example, be coated on its outside. In this case, in particular, a hollow cylindrical superconducting layer can be formed. Alternatively, a similar hollow cylindrical layer may also be formed on the inside of a tubular substrate. This may be advantageous in particular for relatively thin-walled tubes with a large diameter.

Ein wesentlicher Vorteil einer hohlzylindrischen supraleitenden Schicht ist, dass ein externes Magnetfeld nirgends senkrecht zur gesamten supraleitenden Schicht orientiert ist. Auch wenn das supraleitende Material im Verhältnis zur lokalen Substratoberfläche immer einheitlich ausgebildet ist, dann ergeben sich durch die zylindrische Symmetrie immer Teilbereiche, in denen die Leitereigenschaften durch ein äußeres Magnetfeld nicht oder nur wenig beeinträchtigt werden. Der Einfluss eines äußeren Magnetfeldes auf die kritische Stromdichte und somit die Stromtragfähigkeit des ersten Leiterteils wird somit verringert. An essential advantage of a hollow cylindrical superconductive layer is that an external magnetic field is nowhere oriented perpendicular to the entire superconducting layer. Even if the superconducting material is always uniform in relation to the local substrate surface, the cylindrical symmetry always results in partial regions in which the conductor properties are not or only slightly impaired by an external magnetic field. The influence of an external magnetic field on the critical current density and thus the current carrying capacity of the first conductor part is thus reduced.

Ein weiterer Vorteil eines rohrförmigen Trägersubstrates besteht darin, dass innerhalb des Rohrs Kühlmittel transportiert werden kann. Beispielsweise kann flüssiges Kühlmittel von einem Außenbereich bis zum Inneren eines Kryostaten transportiert werden, der die supraleitende Spule der Spuleneinrichtung umgibt. Alternativ oder zusätzlich kann gasförmiges, also bereits verdampftes Kühlmittel aus dem Inneren des Kryostaten wieder herausströmen. In beiden Fällen kann dadurch zusätzlich zu einem möglicherweise ohnehin benötigten Kühlmitteltransport eine Kühlung der supraleitenden Schicht des ersten Leiterteils bewirkt werden. Another advantage of a tubular carrier substrate is that coolant can be transported within the tube. For example, liquid coolant may be transported from an outside area to the inside of a cryostat surrounding the superconducting coil of the coil means. Alternatively or additionally, gaseous, that is already evaporated, coolant can flow out of the interior of the cryostat again. In both cases, a cooling of the superconducting layer of the first conductor part can thereby be effected in addition to a possibly already required coolant transport.

Weiterhin kann gegebenenfalls auch ein in Serie geschalteter normalleitender zweiter Leitungsteil durch denselben Kühlmittelstrom gekühlt werden. Zusätzlich kann gegebenenfalls ein supraleitender Leiter des dritten Leiterteils durch denselben Kühlmittelstrom gekühlt werden. Als Kühlmittel können beispielsweise flüssiges Helium, flüssiges Neon und/oder flüssiger Stickstoff zum Einsatz kommen. Furthermore, if appropriate, a series-connected normal-conducting second line part can also be cooled by the same coolant flow. In addition, if necessary, a superconducting conductor of the third conductor part may be cooled by the same coolant flow. As a coolant, for example, liquid helium, liquid neon and / or liquid nitrogen can be used.

Im Vergleich zu der Anordnung von mehreren vorgefertigten Bandleiterabschnitten auf der Außenfläche eines Rohrs kann die hier vorgeschlagene Direktabscheidung auf einem rohrförmigen Körper wesentlich einfacher durchgeführt werden. Weiterhin kann der in Stromtransportrichtung vorliegende Materialquerschnitt durch eine Direktbeschichtung reduziert werden, da bei einem nachträglichen Aufbringen von Bandleiterstücken auf einem zylindrischen Tragkörper sowohl das Material des Tragkörpers als auch die Trägersubstrate der einzelnen darauf aufgebrachten Bandleiter thermisch wirksam sind. Sowohl der zylindrische Tragkörper als auch das Trägersubstrat von herkömmlichen Bandleitern sind typischerweise aus Metall, so dass gerade hier die Reduktion des Gesamtquerschnitts vorteilhaft ist, um einen unnötigen Wärmeeintrag hin zur supraleitenden Spule zu vermeiden. Ein metallisches Material kann für den rohrförmigen Körper durchaus vorteilhaft sein, um eine gute thermische Ankopplung an im Innenraum fließendes Kühlmittel zu ermöglichen. Dabei sollte jedoch der Gesamtquerschnitt an metallischem Trägermaterial möglichst minimiert werden. Über eine Direktbeschichtung eines möglichst dünnen Rohres kann dies besonders vorteilhaft erreicht werden. Compared to the arrangement of several prefabricated strip conductor sections on the outer surface of a tube, the direct deposition proposed here on a tubular body can be carried out much easier. Furthermore, the present in Stromtransportrichtung material cross-section can be reduced by a direct coating, since in a subsequent application of Bandleiterstücken on a cylindrical support body, both the material of the support body and the substrates of each applied thereto band conductor are thermally effective. Both the cylindrical carrier body and the carrier substrate of conventional strip conductors are typically made of metal, so that it is here in particular the reduction of the total cross section is advantageous to avoid unnecessary heat input to the superconducting coil. A metallic material can be quite advantageous for the tubular body to allow a good thermal coupling to coolant flowing in the interior. However, the total cross section of metallic carrier material should be minimized as far as possible. This can be achieved particularly advantageously by means of a direct coating of the thinnest possible tube.

Die supraleitende Schicht kann auf einem mechanisch flexiblen Substrat aufgebracht sein. Eine solche Ausführungsform hat den Vorteil, dass insbesondere bei einer mechanisch relativ unempfindlichen supraleitenden Schicht ein insgesamt flexibler Aufbau des ersten Leiterteils erreicht werden kann. Gerade die mit Aerosol-Deposition erhaltenen Schichten sind allgemein gegenüber herkömmlichen aus der Gasphase abgeschiedenen keramischen Schichten mechanisch relativ gut belastbar. The superconducting layer may be applied to a mechanically flexible substrate. Such an embodiment has the advantage that, in particular in the case of a mechanically relatively insensitive superconducting layer, an overall flexible construction of the first conductor part can be achieved. Especially the layers obtained by aerosol deposition are generally relatively resilient to mechanical stress compared to conventional vapor deposited ceramic layers.

Die Schichtdicke der supraleitenden Schicht kann über die Länge des ersten Leitungsteils variieren. Insbesondere kann die Schichtdicke am wärmeren, mit einem äußeren Stromkreis verbindbaren Ende des Leitungsteils dicker ausgestaltet werden als in einem mittleren Bereich des ersten Leitungsteils und/oder als am kälteren, spulenseitigen Ende. Vorteilhaft kann die Schichtdicke am wärmeren Ende um wenigstens 50 %, besonders vorteilhaft um wenigstens 200 % dicker ausgebildet sein als in einem der übrigen genannten Bereiche. Durch eine derartige Variation des Querschnitts des ersten Leitungsteils über eine Änderung der Schichtdicke kann die bei der höheren Temperatur verminderte spezifische Stromtragfähigkeit zumindest teilweise ausgeglichen werden. Bei einem konstanten Querschnitt müsste die Dicke über die gesamte Länge hoch genug gewählt werden, um auch in Bereich des warmen Endes einen ausreichenden Stromtransport zu gewährleisten, auch wenn die Temperatur hier nur wenige K unter der kritischen Temperatur der supraleitenden Schicht liegen sollte. Bei einer konstanten Schichtdicke wäre dann aber auch der Wärmetransport über die gesamte Länge des ersten Leitungsteils relativ hoch. Durch eine Anpassung der Schichtdicke an den tatsächlich im jeweiligen Bereich benötigten Querschnitt kann der Wärmeeintrag über die Stromzuführung vorteilhaft verringert werden. Bei einer mittels Aerosol-Deposition abgeschiedenen Schicht kann eine solche variierende Schichtdicke besonders leicht ausgebildet werden, beispielsweise über eine Variation der Beschichtungsdauer in Abhängigkeit von der Substratposition. The layer thickness of the superconducting layer can vary over the length of the first line part. In particular, the layer thickness at the warmer, connectable to an outer circuit end of the line part can be made thicker than in a central region of the first line part and / or as the colder, coil-side end. Advantageously, the layer thickness at the warmer end can be made thicker by at least 50%, particularly advantageously at least 200%, than in one of the remaining regions mentioned. By such a variation of the cross section of the first line part via a change in the layer thickness, the reduced at the higher temperature specific current carrying capacity can be at least partially compensated. With a constant cross section, the thickness over the entire length would have to be selected high enough to ensure sufficient current transport even in the area of the warm end, even if the temperature here should be only a few K below the critical temperature of the superconducting layer. At a constant layer thickness but then the heat transfer over the entire length of the first line part would be relatively high. By adapting the layer thickness to the actually required in the respective area cross section, the heat input via the power supply can be advantageously reduced. In the case of a layer deposited by means of aerosol deposition, such a varying layer thickness can be formed particularly easily, for example via a variation of the coating duration as a function of the substrate position.

Alternativ oder zusätzlich zu einer lokal erhöhten Schichtdicke am warmen Ende des ersten Leitungsteils kann die supraleitende Schicht auch am kalten Ende des ersten Leitungsteils etwas dicker als im mittleren Bereich ausgeführt werden. Dies kann vorteilhaft sein, um einen sicheren Kontakt zur supraleitenden Spule zu gewährleisten, insbesondere wenn dieser Kontakt zumindest über normalleitende Materialien gebildet wird und es hierdurch auch an dem spulenseitigen Ende zu einer lokalen Erwärmung aufgrund von ohmschen Verlusten kommt. As an alternative or in addition to a locally increased layer thickness at the warm end of the first line part, the superconducting layer can also be made somewhat thicker at the cold end of the first line part than in the middle area. This can be advantageous in order to ensure reliable contact with the superconducting coil, in particular if this contact is formed at least via normally conducting materials and, as a result, local heating due to ohmic losses also occurs at the coil-side end.

Alternativ oder zusätzlich zu einer variierenden Schichtdicke der supraleitenden Schicht kann diese Schicht auf einem Trägersubstrat aufgebracht sein, dessen Dicke über die Länge des ersten Leitungsteils variiert. Auch hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn die Substratdicke im Bereich des warmen Endes des ersten Leitungsteils vergleichsweise groß ist, da in diesem Bereich ein Übergang des Stroms von der supraleitenden Schicht in einen normalleitenden Leiter stattfinden muss. In der Nähe eines Kontaktbereichs zwischen supraleitendem ersten Leiter und einem normalleitenden zweiten Leiter kann auch ein normalleitendes Trägersubstrat den Strom wenigstens teilweise tragen und als Verbindungsglied zwischen supraleitender Schicht und dem in Serie geschalteten zweiten Leitungsteil wirken. Gerade bei Schwankungen der Temperatur in diesem Kontaktbereich kann dadurch eine Sicherheitszone geschaffen werden, in der der insgesamt benötigte Strom auf jeden Fall transportiert werden kann und abhängig von tatsächlich vorliegender Temperatur zwischen supraleitender Schicht und dazu parallelgeschaltetem normalleitendem Substrat aufgeteilt wird. Wenn das normalleitende, typischerweise metallische Substrat auf der gesamten Länge des ersten Leitungsteils die hierfür erforderliche Dicke hätte, dann wäre der Wärmeeintrag über das Trägersubstrat unnötig hoch. Ist der Querschnitt des Substrats aber nur in der Nähe des Kontaktbereichs erhöht, dann kann eine hohe Stromtragfähigkeit bei gleichzeitig niedriger Wärmeeinkopplung erreicht werden. Die Aerosol-Deposition eignet sich wiederum besonders gut zur Abscheidung von definierten Schichten auf solchen Substraten mit uneinheitlicher Schichtdicke und möglicherweise auch unebener Oberfläche. As an alternative or in addition to a varying layer thickness of the superconducting layer, this layer may be applied to a carrier substrate whose thickness varies over the length of the first line part. Here, too, it can be advantageous if the substrate thickness in the region of the warm end of the first line part is comparatively large, since in this area a transition of the current from the superconducting layer to a normal-conducting conductor has to take place. In the vicinity of a contact region between the superconducting first conductor and a normally-conductive second conductor, a normally-conductive carrier substrate may at least partially support the current and act as a connecting member between the superconductive layer and the series-connected second conduit part. Especially with fluctuations of the temperature in this contact area, a safety zone can be created in which the total required current can be transported in any case and is divided depending on the actual temperature between the superconducting layer and parallel-connected normalleitendem substrate. If the normal conducting, typically metallic substrate on the entire length of the first line part would have the required thickness, then the heat input via the carrier substrate would be unnecessarily high. However, if the cross-section of the substrate is increased only in the vicinity of the contact region, then a high current-carrying capacity can be achieved with simultaneously low heat input. In turn, the aerosol deposition is particularly well suited for the deposition of defined layers on such substrates with non-uniform layer thickness and possibly also uneven surface.

Ein weiterer Vorteil von aus dem Aerosol abgeschiedenen Schichten liegt allgemein in der einfacheren Herstellungsmethode und somit in niedrigeren Herstellungskosten, vor allem im Vergleich zu cuprat-basierten HTS-Materialien. Another advantage of layers deposited from the aerosol is generally the simpler production method and thus lower manufacturing costs, especially compared to cuprate-based HTS materials.

Zusätzlich zur einfacheren Herstellung der supraleitenden Schicht kann auch eine einfachere Integration der Stromzuführung in das Gesamtsystem der Spuleneinrichtung erreicht werden. Bei herkömmlichen HTS-Stromzuführungen werden mehrere Bandleiter stapelweise gebündelt, und jeder Stapel wird dann typischerweise beidseitig über Kupferkontakte mit den angrenzenden Leitern verlötet. Durch die Aerosol-Deposition kann nun zunächst eine ausreichend dicke Schicht abgeschieden werden, die einen ganzen Stapel an herkömmlichen Bandleitern ersetzen kann. Die Kontaktierung der Bandleiter eines Stapels über ein normalleitendes Kontaktstück kann also in diesen Fällen vollkommen entfallen. Bei der Beschichtung eines beispielsweise rohrförmigen Trägersubstrats in einem Stück kann dann auch das Kontaktieren verschiedener nebeneinander angeordneter Segmente entfallen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der supraleitende Teil des ersten Leitungsteils nur durch eine zusammenhängende supraleitende Schicht gegeben, die an ihren Leiterenden beispielsweise über Lötverbindungen mit angrenzenden Leiterteilen verbunden werden kann. Eine ähnliche äußere Lötverbindung ist bei herkömmlichen Bandleiterstapeln nur sehr schwierig zu implementieren, wenn die einzelnen Bandleiter schon durch Lötverbindungen miteinander verbunden sind, und diese Kontakte den Temperaturen bei einem weiteren Lötprozess nicht standhalten. In addition to simplifying the production of the superconducting layer, a simpler integration of the power supply into the overall system of the coil device can also be achieved. In conventional HTS power supplies, multiple tape conductors are bundled in batches, and each stack is then typically soldered on both sides via copper contacts to the adjacent conductors. Due to the aerosol deposition, it is now possible to first deposit a sufficiently thick layer which can replace a whole stack of conventional strip conductors. The contacting of the band conductor of a stack via a normal-conducting contact piece can therefore be completely eliminated in these cases. In the case of the coating of, for example, a tubular support substrate in one piece, it is then also possible to dispense with contacting different segments arranged next to one another. In a particularly advantageous embodiment of the superconducting part of the first line part is given only by a contiguous superconducting layer, which can be connected at their conductor ends, for example via solder joints with adjacent ladder parts. A similar external solder connection is very difficult to implement in conventional strip conductor stacks, when the individual strip conductors are already connected by solder joints, and these contacts can not withstand the temperatures in another soldering process.

Die supraleitende Spuleneinrichtung kann eine supraleitende Spulenwicklung mit einem tieftemperatursupraleitenden Leitermaterial umfassen. Mit anderen Worten kann die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials der Spule unterhalb von 23 K liegen. Es ist vorteilhaft, wenn die Betriebstemperatur des Materials der Spulenwicklung deutlich niedriger liegt als die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials des ersten Leitungsteils, da nur dann mit diesem ersten Leitungsteil eine deutliche Temperaturdifferenz überbrückt werden kann. Beispielsweise kann die Betriebstemperatur des LTS-Materials der Spule um mindestens 10 K, bevorzugt mindestens 20 K niedriger liegen als die Sprungtemperatur des Materials des ersten Leitungsteils. The superconducting coil means may comprise a superconducting coil winding having a low-temperature superconducting conductor material. In other words, the transition temperature of the superconducting material of the coil may be below 23K. It is advantageous if the operating temperature of the material of the coil winding is significantly lower than the transition temperature of the superconducting material of the first line part, since only with this first line part a significant temperature difference can be bridged. For example, the operating temperature of the LTS material of the coil may be at least 10 K, preferably at least 20 K lower than the transition temperature of the material of the first conduit part.

Die Betriebstemperatur der supraleitenden Spulenwicklung kann beispielsweise im Bereich zwischen 4 K und 10 K liegen, wobei die Kühlung auf diese Temperaturen beispielsweise durch Helium-Badkryostaten oder durch Kryostaten mit geschlossenem Heliumkreislauf erreicht werden kann. The operating temperature of the superconducting coil winding can be, for example, in the range between 4 K and 10 K, wherein the cooling to these temperatures can be achieved, for example, by helium bath cryostats or by cryostats with closed helium circulation.

Die Stromzuführung kann ein erstes kaltes Ende aufweisen, welches mit der supraleitenden Spulenwicklung verbunden ist und ein zweites warmes Ende, welches mit einer äußeren Stromquelle verbunden ist. The power supply may have a first cold end connected to the superconducting coil winding and a second cold end warm end, which is connected to an external power source.

Die supraleitende Spuleneinrichtung kann einen äußeren Vakuumbehälter aufweisen, in dessen Innerem die supraleitende Spulenwicklung angeordnet ist, und die wenigstens ein Zugangsrohr zum Inneren des Vakuumbehälters aufweist, durch das wenigstens eine Stromzuführung verläuft. In dieser Ausführungsform dient der äußere Vakuumbehälter der thermischen Isolation der tiefkalten Spulenwicklung von der warmen äußeren Umgebung. Das Zugangsrohr, in dem die wenigstens eine Stromzuführung angeordnet ist, durchbricht diese thermische Isolation an wenigstens einer Stelle in Form einer Durchführung. Beispielsweise kann ein solches Zugangsrohr ein Aufhängerohr eines weiteren inneren Kryobehälters sein, in dem die supraleitende Spulenwicklung angeordnet ist. Das Zugangsrohr kann zusätzlich für den Zu- und/oder Abfluss von Kühlmittel verwendet werden. The superconducting coil means may comprise an outer vacuum container inside which the superconducting coil winding is disposed and which has at least one access tube to the interior of the vacuum container through which at least one power supply passes. In this embodiment, the outer vacuum container serves to thermally insulate the cryogenic coil winding from the warm external environment. The access tube, in which the at least one power supply is arranged, breaks through this thermal insulation at at least one point in the form of a leadthrough. For example, such an access tube may be a suspension tube of another inner cryogenic container in which the superconducting coil winding is arranged. The access pipe can additionally be used for the inflow and / or outflow of coolant.

Das Verfahren zur Herstellung der supraleitenden Schicht mittels Aerosol-Deposition kann vorteilhaft mit Helium, Stickstoff und/oder Luft als Trägergas durchgeführt werden. Dabei kann das gesamte Trägersubstrat entweder in einem kontinuierlichen Prozess beschichtet werden, oder es können einzelne Abschnitte der supraleitenden Schicht in diskreten Schritten hergestellt werden. Das Beschichtungsverfahren kann bei relativ niedrigen Temperaturen beispielsweise bei Raumtemperatur durchgeführt werden und ermöglich damit die Verwendung von temperatursensitiven Grundträgern. Zusätzlich kann zur gezielten Einstellung der Schichteigenschaften eine auf die Beschichtung folgende thermische Nachbehandlung beispielsweise bei Temperaturen um 600°C stattfinden. The method for producing the superconducting layer by means of aerosol deposition can advantageously be carried out using helium, nitrogen and / or air as the carrier gas. In this case, the entire carrier substrate can either be coated in a continuous process, or individual sections of the superconducting layer can be produced in discrete steps. The coating process can be carried out at relatively low temperatures, for example at room temperature, thus enabling the use of temperature-sensitive base supports. In addition, for the targeted adjustment of the layer properties, a subsequent thermal treatment following the coating can take place, for example, at temperatures around 600 ° C.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: In the following, the invention will be described by means of some preferred embodiments with reference to the appended drawings, in which:

1 einen schematischen Querschnitt einer Spuleneinrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, 1 a schematic cross section of a coil device 1 according to a first embodiment,

2 eine schematische Prinzipdarstellung einer beispielhaften Stromzuführung 3 zeigt, 2 a schematic diagram of an exemplary power supply 3 shows,

3 eine schematische Prinzipdarstellung einer weiteren beispielshaften Stromzuführung 3 zeigt, 3 a schematic diagram of another exemplary power supply 3 shows,

4 einen schematischen Querschnitt eines ersten Leitungsteils 13 mit rohrförmigem Trägersubstrat 19 zeigt, 4 a schematic cross section of a first conduit part 13 with tubular carrier substrate 19 shows,

5 eine schematische Prinzipdarstellung eines weiteren beispielhaften ersten Leitungsteils 13 zeigt. 5 a schematic schematic diagram of another exemplary first line part 13 shows.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Spuleneinrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist eine zylindrische supraleitende Magnetspule 5 aus einem tieftemperatursupraleitenden Material, beispielsweise NbTi. Die Magnetspule 5 ist innerhalb eines Kühlmittelbehälters 11 angeordnet, der in diesem Beispiel als Helium-Badkryostat betrieben wird, um eine Betriebstemperatur der Magnetspule 5 in der Nähe von 5 K zu erreichen. Der Kühlmittelbehälter 11 ist an zwei Aufhängerohren 12 aufgehängt, durch die zwei Stromzuführungen 3 für die supraleitende Magnetspule 5 verlaufen. Um den Kühlmittelbehälter 11 ist ein äußerer Vakuumbehälter 9 angeordnet, durch den der Kühlmittelbehälter 11 gegenüber der warmen Umgebung thermisch isoliert ist. Die Aufhängerohre 12 sind dabei als Durchführungen durch den Vakuumbehälter 9 ausgestaltet. Über die Stromzuführungen 3 ist die Magnetspule 5 mit Versorgungsleitern 7 eines hier nicht gezeigten äußeren Stromkreises verbunden. Jede der Stromzuführungen 3 weist ein kaltes, spulenseitiges Ende 3a auf, dessen Temperatur nahe bei der Betriebstemperatur der Magnetspule 5 liegt und ein davon abgewandtes warmes Ende 3b, dessen Temperatur nahe der äußeren Umgebungstemperatur liegt. 1 shows a schematic cross section of a coil device 1 according to a first embodiment of the invention. Shown is a cylindrical superconducting magnet coil 5 from a low temperature superconducting material, for example NbTi. The magnetic coil 5 is inside a coolant tank 11 arranged, which is operated in this example as a helium bath cryostat to an operating temperature of the solenoid 5 close to 5K. The coolant tank 11 is on two hanger ears 12 suspended by the two power supply lines 3 for the superconducting magnet coil 5 run. To the coolant tank 11 is an external vacuum container 9 arranged through which the coolant tank 11 is thermally insulated from the warm environment. The suspension tubes 12 are doing as passages through the vacuum tank 9 designed. About the power supply lines 3 is the magnetic coil 5 with supply conductors 7 connected to an external circuit, not shown here. Each of the power supply lines 3 has a cold, coil-side end 3a whose temperature is close to the operating temperature of the solenoid coil 5 lies and a warm end facing away from it 3b whose temperature is close to the outside ambient temperature.

In 2 ist eine schematische Prinzipdarstellung einer beispielhaften Stromzuführung 3 gezeigt, wie sie beispielsweise in der Spuleneinrichtung 1 der 1 zum Einsatz kommen kann. Die Stromzuführung 3 weist wiederum ein kaltes Ende 3a auf, das elektrisch mit der Magnetspule 5 verbunden ist und ein warmes Ende 3b, das elektrisch mit einem Versorgungsleiter 7 eines äußeren Stromkreises verbunden ist. Die Stromzuführung 3 umfasst in diesem Beispiel einen ersten supraleitenden Leitungsteil 13 und einen zweiten normalleitenden Leitungsteil 15, die miteinander elektrisch in Serie geschaltet sind. Hierbei ist der supraleitende erste Leitungsteil 13 auf der Seite des kalten Endes 3a angeordnet und der normalleitende zweite Leitungsteil 15 auf der Seite des warmen Endes 3b. Der supraleitende erste Leitungsteil 13 weist eine supraleitende Schicht auf, die hier als eine mittels Aerosol-Deposition abgeschiedene Magnesiumdiborid-Schicht auf einem metallischen Trägersubstrat ausgebildet ist. Das normalleitende metallische Trägersubstrat ist dabei der supraleitenden Schicht elektrisch parallelgeschaltet. In 2 is a schematic diagram of an exemplary power supply 3 shown, for example, in the coil device 1 of the 1 can be used. The power supply 3 again has a cold end 3a on, that electrically with the magnetic coil 5 is connected and a warm end 3b that electrically with a supply conductor 7 an external circuit is connected. The power supply 3 in this example comprises a first superconducting line part 13 and a second normal conductive line part 15 , which are electrically connected in series with each other. Here, the superconducting first line part 13 on the side of the cold end 3a arranged and the normal conducting second line part 15 on the side of the warm end 3b , The superconducting first line part 13 has a superconductive layer which is formed here as a deposited by aerosol deposition magnesium diboride layer on a metallic carrier substrate. The normally conductive metallic carrier substrate is electrically connected in parallel with the superconducting layer.

Das kalte Ende 13a des ersten Leitungsteils 13 weist eine Temperatur in der Nähe der Betriebstemperatur der Magnetspule 5 auf, in diesem Beispiel also in der Nähe von 5 K. Die Temperatur des warmen Endes 13b des ersten Leitungsteils liegt wenige Grad unter der Sprungtemperatur von Magnesiumdiborid, in diesem Beispiel bei etwa 35 K. Die supraleitende Schicht des ersten Leitungsteils 13 ist hier also über die ganze Länge dieses Leitungsteils supraleitend und transportiert den Strom nahezu verlustfrei. Im Kontaktbereich 14 zwischen dem ersten 13 und zweiten 15 Leitungsteil wechselt der Stromfluss von der supraleitenden Schicht auf vollständig normalleitendes Material des zweiten Leitungsteils 15, in diesem Beispiel eine Kupferleitung mit relativ großem Querschnitt. Über die Länge dieses zweiten Leitungsteils 15 wird ein Temperaturgradient zwischen seinem kalten Ende 15a bei etwa 35 K und seinem warmen Ende 15b bei etwa Raumtemperatur aufrechterhalten. The cold end 13a of the first line part 13 indicates a temperature near the operating temperature of the solenoid coil 5 on, in this example so near 5 K. The temperature of the warm end 13b of the first line part is a few degrees below the transition temperature of Magnesium diboride, in this example at about 35 K. The superconducting layer of the first line part 13 So here is superconducting over the entire length of this line part and transports the stream almost lossless. In the contact area 14 between the first 13 and second 15 Line part of the current flow changes from the superconducting layer to completely normal conductive material of the second line part 15 , in this example, a copper pipe with a relatively large cross-section. About the length of this second line part 15 becomes a temperature gradient between its cold end 15a at about 35 K and its warm end 15b maintained at about room temperature.

In 3 ist eine ähnliche schematische Prinzipzeichnung für eine weitere beispielhafte Stromzuführung 3 gezeigt, bei der ein zusätzlicher dritter Leitungsteil 17 in Serie zwischen den ersten 13 und den zweiten 15 Leitungsteil geschaltet ist. Dieser dritte Leitungsteil weist einen Hochtemperatursupraleiter mit einer höheren Sprungtemperatur als Magnesiumdiborid auf, beispielsweise einen oxidkeramischen Cupratsupraleiter mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 77 K. Besonders geeignet sind Verbindungen des Typs REBa₂Cu₃O_x, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Dieser dritte Leiterteil 17 kann die Differenz zwischen der Temperatur von etwa 35K an seinem kalten Ende 17a und einer Temperatur etwas unterhalb der zugehörigen Sprungtemperatur an seinem warmen Ende 17b überbrücken. In 3 is a similar schematic schematic drawing for another exemplary power supply 3 shown in which an additional third line part 17 in series between the first 13 and the second 15 Line part is connected. This third conduit part has a high-temperature superconductor with a higher transition temperature than magnesium diboride, for example an oxide-ceramic cuprate superconductor with a transition temperature above 77 K. Particularly suitable compounds of the type REBa ₂ Cu ₃ O _x , where RE for a rare earth element or a mixture such elements. This third ladder part 17 can be the difference between the temperature of about 35K at its cold end 17a and a temperature slightly below the associated transition temperature at its warm end 17b bridged.

In 4 ist ein schematischer Querschnitt eines ersten Leitungsteils 13 einer Stromzuführung 3 gezeigt, wobei eine supraleitende Schicht 23 auf der Außenfläche eines rohrförmigen Substrats 19 abgeschieden ist. Auch hier ist die supraleitende Schicht mittels Aerosol-Deposition aus Magnesiumdiboridausgebildet. Das Rohr 19 kann ein metallisches Rohr, beispielsweise ein Stahlrohr sein, auf dem die supraleitende Schicht 23 direkt und als eine zusammenhängende Schicht abgeschieden ist. Der erste Leitungsteil 13 umfasst in diesem Beispiel also vorteilhaft nur einen in sich zusammenhängenden Supraleiter 23, der elektrisch parallel mit dem ihn tragenden Substrat 19 geschaltet ist. Im Inneren des Rohrs kann ein Kühlmittel 21 strömen, beispielsweise kann verdampftes Helium aus dem Inneren des Kühlmittelbehälters 11 durch dieses Rohr nach außen strömen und dabei durch die gute thermische Leitfähigkeit des Trägersubstrats 19 auch die supraleitende Schicht auf eine Betriebstemperatur unterhalb ihrer Sprungtemperatur kühlen. In 4 is a schematic cross section of a first line part 13 a power supply 3 shown, wherein a superconducting layer 23 on the outer surface of a tubular substrate 19 is deposited. Again, the superconductive layer is formed by aerosol deposition from magnesium diboride. The pipe 19 may be a metallic tube, for example a steel tube, on which the superconducting layer 23 deposited directly and as a coherent layer. The first line part 13 In this example, therefore, it is advantageous to include only one coherent superconductor 23 which is electrically parallel with the substrate carrying it 19 is switched. Inside the tube can be a coolant 21 For example, vaporized helium may flow from inside the coolant tank 11 flow through this tube to the outside and thereby by the good thermal conductivity of the carrier substrate 19 also cool the superconducting layer to an operating temperature below its transition temperature.

5 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung eines weiteren beispielhaften ersten Leitungsteils 13. Gezeigt ist ein schematischer Längsschnitt eines Ausschnitts des Trägersubstrats 19, der flächig mit einer supraleitenden Schicht 23 beschichtet ist. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Längsschnitt durch eine Wand des in 4 gezeigten rohrförmigen Substrats 19 handeln. Auch in diesem Beispiel ist der gezeigte erste Leitungsteil 13 in seinem kalten Bereich 13a mit der hier nicht gezeigten Magnetspule 5 und in seinem warmen Bereich mit wenigstens einem weiteren Leitungsteil 15 und/oder 17 verbunden. Die Dicke 27 des Substrats ist im Bereich des warmen Endes 13b deutlich höher als im Bereich des kalten Endes 13a. Ebenso ist die Dicke 25 der supraleitenden Schicht 23 im Bereich des warmen Endes 13b deutlich höher als im Bereich des kalten Endes 13a. Die Variation beider Schichtdicken führt zu einer verbesserten Stromtragfähigkeit in der Nähe des warmen Endes 13b. Durch die dickere supraleitende Schicht 23 kann so eine verminderte Stromtragfähigkeit in der Nähe der Sprungtemperatur des Supraleiters ausgeglichen werden. Die erhöhte Dicke des metallischen Substratmaterials 19 dient zur zusätzlichen Sicherheit, falls die Sprungtemperatur und/oder die kritische Stromdichte im Bereich des warmen Endes 13b überschritten wird. In diesem Fall kann das Trägersubstrat 19 durch seinen vergrößerten Querschnitt einen signifikanten Anteil des Gesamtstroms tragen. Durch die im Bereich des kalten Endes 13a verringerte Schichtdicke 25 des Supraleiters und die verringerte Substratdicke 27 kann der Wärmeeintrag in die Spuleneinrichtung 1 trotzdem vorteilhaft gering gehalten werden. 5 shows a schematic schematic diagram of another exemplary first line part 13 , Shown is a schematic longitudinal section of a section of the carrier substrate 19 , which is flat with a superconducting layer 23 is coated. It may be, for example, a longitudinal section through a wall of in 4 shown tubular substrate 19 act. Also in this example, the first line part shown is 13 in his cold area 13a with the magnetic coil, not shown here 5 and in its warm area with at least one other conduit part 15 and or 17 connected. The fat 27 of the substrate is in the area of the warm end 13b significantly higher than in the area of the cold end 13a , Likewise, the thickness 25 the superconducting layer 23 in the area of the warm end 13b significantly higher than in the area of the cold end 13a , The variation of both layer thicknesses leads to an improved current carrying capacity in the vicinity of the warm end 13b , Due to the thicker superconducting layer 23 Thus, a reduced current carrying capacity in the vicinity of the critical temperature of the superconductor can be compensated. The increased thickness of the metallic substrate material 19 is used for additional safety, if the transition temperature and / or the critical current density in the area of the warm end 13b is exceeded. In this case, the carrier substrate 19 carry a significant proportion of the total flow through its enlarged cross-section. By in the area of the cold end 13a reduced layer thickness 25 of the superconductor and the reduced substrate thickness 27 can the heat input into the coil device 1 nevertheless be kept advantageously low.

Alternativ zu den vorab diskutierten Ausführungsbeispielen mit metallischen Trägersubstraten 19 kann das Trägersubstrat für die mittels Aerosol-Deposition hergestellte supraleitende Schicht 23 auch aus einem schlecht wärmeleitfähigen, nicht-metallischen Material, beispielsweise aus Glas, Keramik oder Polymer bestehen. Auch hierbei sind allgemein flächige Substrate, rohrförmige Substrate sowie zahlreiche weitere Ausgestaltungen möglich. As an alternative to the previously discussed embodiments with metallic carrier substrates 19 For example, the carrier substrate for the superconducting layer produced by aerosol deposition 23 also consist of a poor thermal conductivity, non-metallic material, such as glass, ceramic or polymer. Here too, generally flat substrates, tubular substrates and numerous other embodiments are possible.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007013350 B4 [0005]
DE 102010031741 B4 [0017]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Article "Design of the HTS Current Leads for ITER" by A. Ballarino et al. in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 22, no. 3, June 2012 [0006]

Claims

Power supply ( 3 ) for a superconducting coil device ( 1 ), the power supply ( 3 ) at least one first line part ( 13 ) with a superconducting layer ( 23 ), characterized in that the superconducting layer ( 23 ) is deposited by aerosol deposition.

Power supply ( 3 ) according to claim 1, in which the superconducting layer ( 23 ) Magnesium diboride.

Power supply ( 3 ) according to one of claims 1 or 2, in which the first line part ( 13 ) electrically in series with a second line part ( 15 ), which is normally conductive.

Power supply ( 3 ) according to claim 3, wherein the first ( 13 ) and the second ( 15 ) Line part electrically in series with a third line part ( 17 ), which has superconducting properties and a transition temperature above 77K.

Power supply ( 3 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the superconducting layer ( 23 ) on a solid carrier substrate ( 19 ) is applied.

Power supply ( 3 ) according to claim 5, characterized in that the superconducting layer ( 23 ) on a non-metallic substrate ( 19 ) is applied.

Power supply ( 3 ) according to one of claims 5 or 6, characterized in that the superconducting layer ( 23 ) on a tubular substrate ( 19 ) is applied.

Power supply ( 3 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the superconducting layer ( 23 ) on a mechanically flexible substrate ( 19 ) is applied.

Power supply ( 3 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the layer thickness of the superconducting layer ( 23 ) over the length of the first line part ( 13 ) varies.

Power supply ( 3 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the superconducting layer ( 23 ) on a carrier substrate ( 19 ), the layer thickness over the length of the first line part ( 13 ) varies.

Superconducting coil device ( 1 ) with at least one power supply ( 3 ) according to one of the preceding claims and a superconducting electrical coil winding ( 5 ).

Superconducting coil device ( 1 ) according to claim 11, wherein the superconducting coil winding ( 5 ) has a low temperature superconducting conductor material.

Superconducting coil device ( 1 ) according to one of claims 11 or 12, wherein the power supply ( 3 ) a first cold end ( 3a ), which is connected to the superconducting coil winding ( 5 ) and a second warm end ( 3b ), which is connected to an external power source.

Superconducting coil device ( 1 ) according to one of claims 11 to 13, comprising at least one outer vacuum container ( 9 ), in the interior of which the superconducting coil winding ( 5 ), and the at least one access pipe ( 12 ) to the interior of the vacuum container ( 9 ), by the at least one power supply ( 3 ) runs.

Method for producing a power supply ( 3 ) for a superconducting coil device ( 1 ), the power supply ( 3 ) at least one first line part ( 13 ) with a superconducting layer ( 23 ), characterized in that the superconducting layer ( 23 ) is prepared by aerosol deposition.