DE102015218019B4 - Kryostat mit Magnetanordnung, die einen LTS-Bereich und einen HTS-Bereich umfasst - Google Patents

Abstract

Kryostat (20) mit einer Magnetanordnung (1) zur Erzeugung eines Magnetfelds B0,wobei die Magnetanordnung (1) einen LTS-Bereich (2) mit mindestenseiner LTS-Sektion (3, 4, 11, 12) aus einem konventionellen Tieftemperatursupraleiter und einen HTS-Bereich (5) mit wenigstenseiner HTS-Sektion (6) aus einem Hochtemperatursupraleiter umfasst,wobei der HTS-Bereich (5) radial innerhalb des LTS-Bereichs (2) angeordnet ist,wobei der Kryostat (20) dazu ausgebildet ist, den LTS-Bereich (2) und den HTS-Bereich (5) unabhängig voneinander zu temperieren,wobei der HTS-Bereich (5) elektrisch vom LTS-Bereich (2) getrennt ist,und wobei der HTS-Bereich (5) supraleitend kurzgeschlossen ausgebildet ist,dadurch gekennzeichnet,dass der LTS-Bereich (2) wenigstens zwei LTS-Sektionen (3, 4, 11, 12) umfasst, und dass die Magnetanordnung (1) mehrere Ladeanschlüsse (T1, T2, T3) und/oder supraleitende Schalter (8; 14a, 14b) und/oder Netzgeräte (9, 13) aufweist, mit denen die wenigstens zwei LTS-Sektionen (3, 4, 11, 12) unabhängig voneinander mit elektrischem Strom geladen und entladen werden können, wobei bei einer LTS-Abschirmsektion (3) des LTS-Bereichs (2) das Laden mit unterschiedlichen Stromrichtungen möglich ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kryostat mit einer Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds B0,
  wobei die Magnetanordnung einen LTS-Bereich mit mindestens einer LTS-Sektion aus einem konventionellen Tieftemperatursupraleiter und einen HTS-Bereich mit wenigstens einer HTS-Sektion aus einem
  Hochtemperatursupraleiter umfasst,
  wobei der HTS-Bereich radial innerhalb des LTS-Bereichs angeordnet ist, wobei der Kryostat dazu ausgebildet ist, den LTS-Bereich und den HTS-Bereich unabhängig voneinander zu temperieren,
  wobei der HTS-Bereich elektrisch vom LTS-Bereich getrennt ist,
  und wobei der HTS-Bereich supraleitend kurzgeschlossen ausgebildet ist.
• Ein solcher Kryostat ist aus der US 5 764 121 A bekannt geworden.
• Die Kernspinresonanz(=NMR)-Spektroskopie ist ein leistungsfähiges Verfahren der instrumentellen Analytik, das auf der Ausrichtung von Kernspins in einem starken Magnetfeld und deren Verhalten bei Einstrahlung von Hochfrequenzimpulsen basiert. Zur Erzeugung besonders hoher Magnetfeldstärken, die für hohe spektrale Auflösungen benötigt werden, werden üblicherweise NMR-Magnete auf Basis von supraleitenden Spulen eingesetzt.
• Konventionelle NMR-Magnete werden üblicherweise aus TieftemperaturSupraleiter(=LTS)-Drähten, insbesondere NbTi- oder Nb3Sn-Drähten, gefertigt. Durch das kritische Feld von Nb3Sn ergibt sich derzeit eine obere Grenze von etwa 23,5 T für die erreichbare Magnetfeldstärke, was in der NMR einer Protonenresonanzfrequenz von 1000 MHz entspricht.
• Um höhere Feldstärken zu erreichen, oder um einen Magnet gegebener Feldstärke kompakter gestalten zu können, muss auf alternative Leitermaterialien zurückgegriffen werden. Erforscht wird in diesem Zusammenhang hauptsächlich der Einsatz von Hochtemperatursupraleiter(=HTS)-Bandleitern, insbesondere basierend auf YBCO. Mit den HTS-Bandleitern werden üblicherweise solenoidförmige Spulen gewickelt.
• Dabei wird der NMR-Magnet nicht komplett aus HTS-Materialien gefertigt; aus Kostengründen ist es vorteilhaft, nur für die innersten Sektionen HTS heranzuziehen, und den Hintergrundmagneten in konventioneller LTS-Technologie basierend auf NbTi oder Nb3Sn zu fertigen. Üblicherweise wird eine Magnetsektion aus HTS-Bandmaterial gewickelt, und dann mit einem LTS Hintergrundmagnet elektrisch in Serie geschaltet.
• Beispielsweise sind in der DE 10 2006 012 508 B3 , der DE 10 2006 012 509 B3 und in der DE 10 2006 012 511 B3 Kryostaten mit Magnetspulensystemen beschrieben, bei denen jeweils mindestens eine innere HTS-Sektion mit mindestens einer äußeren LTS-Sektion in Serie geschaltet ist.
• HTS-Bandleiter können nur mit begrenzten Längen gefertigt werden, so dass für eine typische NMR-Magnetspule in der Regel supraleitende oder zumindest sehr niederohmige Verbindungsstellen (Joints) von HTS zu HTS nötig sind, was technologisch schwierig ist. Ebenso müssen bei den bekannten Magnetspulensystemen supraleitende oder zumindest sehr niederohmige Verbindungsstellen (Joints) von LTS zu HTS eingerichtet werden, was ebenfalls technologisch schwierig ist. Für die Joints muss im allgemeinen ein Ort mit niedriger Magnetfeldstärke gewählt werden, was oft komplexe Leiterführungen nötig macht. Weiterhin weisen Bandleiter in der Regel über den Querschnitt in gewissem Umfang schwankende Eigenschaften auf, was zu Inhomogenitäten im erzeugten Magnetfeld führt. Ebenso können Abschirmströme in den Bandleitern über die Breite des Bandes zu Inhomogenitäten führen.
• Im Stand der Technik sind auch HTS-Spulen bekannt geworden, die nicht auf gewickelten Bandleitem basieren.
• Die DE 100 33 869 A1 beschreibt ein System aus HTS-Ringen, die mittels Strompulsen durch mit kleinem Abstand in Umfangsrichtung positionierte Verbindungsstücken der Ringe oder durch magnetischen Pulse aus einer normalleitenden Kupferspule geladen werden.
• Die US 6,489,769 B2 beschreibt einen HTS mit einer hohlen, zylindrischen Gestalt, der bei einer ersten, tiefen Temperatur magnetisiert wird und anschließend auf eine zweite, höhere Temperatur, die jedoch unter der Sprungtemperatur des HTS liegt, erwärmt wird; zur Erzeugung eines starken, statischen Magnetfelds soll hierbei kein flüssiges Helium benötigt werden. Ein ähnliches Vorgehen ist auch in der US 6,545,474 B2 beschrieben.
• US 8,061,016 B2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer HTS-Spule durch Abscheiden, Formung und Texturierung von individuellen Spulenwindungen auf einem gekrümmten Formkörper. Aus Maher et al., Supercond. Sci. Tech. 17 (2004), 1440-1445, sind mehrlagig beschichtete Zylinder als eine alternative Methode zur Herstellung von supraleitenden Spulen beschrieben. Ein Verfahren zur Bestimmung einer geeigneten Leiterbahn in einer Dünnschicht auf einem gekrümmten Formkörper für eine supraleitende Spule ist aus der EP 1 604 377 B1 bekannt geworden.
• Kim et al., IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, Vol. 19, No. 3, Juni 2009, Seiten 2273-2276, haben vorgeschlagen, HTS-Ringe aus Vollmaterial in einem äußeren Energetisierungs-Magneten zu laden, und anschließend die HTS-Ringe zur weiteren Verwendung zu entnehmen. Die HTS-Ringe werden mit LN2 oder Helium gekühlt.
• Die DE 10 2006 012 508 B3 beschreibt einen Kryostat mit einem Magnetspulensystem, das sich in einem Tank mit flüssigem Helium befindet. Um die HTS-Sektion(en) des Magnetspulensystems ist eine Kammer eingerichtet, so dass die HTS-Sektion(en) von den LTS-Sektionen abgetrennt sind. Im Heliumtank ist flüssiges Helium enthalten, wohingegen in der Kammer das Helium gasförmig bleibt. Das Innere der Kammer kann mit einem elektrischen Heizer beheizt werden. Die LTS-Sektionen und die HTS-Sektion(en) sind elektrisch in Serie miteinander verbunden.
• Für die serielle Verbindung der LTS-Sektionen und der HTS-Sektion(en) ist eine heliumdichte Durchführung durch die Wand der Kammer erforderlich, was technologisch schwierig einzurichten ist. Zudem besteht bei diesem Kryostaten in Betrieb eine dauerhafte Temperaturdifferenz zwischen Kammer und übrigem Heliumtank, was eine dauerhaft hohe Kühlleistung erfordert bzw. einen hohen Heliumverbrauch mit sich bringt.
• Die US 5 764 121 A beschreibt eine supraleitende Hochfeld-Magnetanordnung, mit einer solenoidförmigen Tieftemperatur-Supraleiterspule und einem darin angeordneten Einsatz mit Wafern aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial. Mit dem HTS-Einsatz auf hoher Temperatur wird zunächst die LTS-Spule abgekühlt, so dass sie supraleitend wird, und über ihren normalen Betriebsstrom hinaus geladen. Anschließend wird auch der HTS-Einsatz abgekühlt, so dass er supraleitend wird. Sodann wird der Strom in der LTS-Spule auf den normalen Betriebsstrom abgesenkt. Aufgrund der Erhaltung des magnetischen Flusses wird dadurch der HTS-Einsatz aufgeladen.
• Aufgabe der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kryostat mit Magnetspulensystem vorzuschlagen, der auf kompaktem Raum eine hohe magnetische Feldstärke ermöglicht und dabei einfach aufgebaut sein kann.
• Kurze Beschreibung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache Weise gelöst durch einen Kryostaten der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der LTS-Bereich wenigstens zwei LTS-Sektionen umfasst, und dass die Magnetanordnung mehrere Ladeanschlüsse und/oder supraleitende Schalter und/oder Netzgeräte aufweist, mit denen die wenigstens zwei LTS-Sektionen unabhängig voneinander mit elektrischem Strom geladen und entladen werden können, wobei bei einer LTS-Abschirmsektion des LTS-Bereichs das Laden mit unterschiedlichen Stromrichtungen möglich ist.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, den HTS-Bereich induktiv über den LTS-Bereich zu laden; der LTS-Bereich verfügt dafür (und auch zum Laden des LTS-Bereichs selbst) über Stromzuführungen zu einem Netzteil oder auch mehreren Netzteilen. Der LTS-Bereich und der HTS-Bereich können dann elektrisch voneinander getrennt werden; es werden keine Durchführungen und keine Joints vom LTS-Bereich zum HTS-Bereich eingerichtet. Ebenso ist es nicht nötig, Stromzuführungen zum HTS-Bereich einzurichten. Dadurch kann ein besonders einfacher und kompakter Aufbau erreicht werden.
• Der HTS-Bereich ist im allgemeinen dauerhaft supraleitend kurzgeschlossen (soweit der HTS-Bereich insgesamt bei einer ausreichend tiefen Temperatur supraleitend ist), so dass der HTS-Bereich einen induzierten Strom im „persistent mode“ dauerhaft tragen kann. Dabei können jeweils einzelne HTS-Sektionen oder auch mehrere seriell verschaltete Sektionen gemeinsam supraleitend kurzgeschlossen sein, oder auch die Leiterstrukturen (wie einzelne HTS-Ringe) einer HTS-Sektionen einzeln oder in Gruppen supraleitend kurzgeschlossen sein. Für eine dauerhaft supraleitend kurzgeschlossene HTS-Sektion können supraleitend geschlossene Strukturen eingesetzt werden, die weniger fehleranfällig und leichter handhabbar sind als beispielsweise verjointete, gewickelte HTS-Bandleiter und oft auch eine höhere Stromtragfähigkeit einrichten können.
• Das induktive Laden des HTS-Bereichs kann dabei über eine geeignete Strombeladung des LTS-Bereichs oder einzelner Sektionen des LTS-Bereichs, und eine Stromübernahme durch den HTS-Bereich durch eine geeignete (vom LTS-Bereich zeitweilig abweichende) Temperierung des HTS-Bereichs erfolgen. Hierbei wird vor allem die Temperatur des HTS-Bereichs von oberhalb der Sprungtemperatur T_c,HTS des HTS nach unterhalb T_c,HTS geändert, wohingegen die Temperatur des LTS-Bereichs meist konstant unterhalb der Sprungtemperatur T_c,LTS des LTS bleibt. Dadurch, dass der HTS-Bereich radial innerhalb des LTS-Bereichs angeordnet ist, kann bei Übernahme von magnetischem Fluss durch den HTS-Bereich eine erhebliche Steigerung der Magnetfeldstärke im Messvolumen in der Raumtemperaturbohrung erreicht werden. Bevorzugt umschließt der LTS-Bereich im Querschnitt (senkrecht zur Richtung des B0-Felds) eine um einen Faktor 2 oder mehr größere Fläche als der HTS-Bereich.
• Die Erfindung sieht vor, dass der LTS-Bereich wenigstens zwei LTS-Sektionen, insbesondere eine LTS-Hauptsektion und eine LTS-Abschirmsektion, umfasst. Durch mehrere LTS-Sektionen kann das erzeugte Magnetfeld optimiert werden, insbesondere bezüglich der Vermeidung oder Minimierung eines Streufelds im Außenbereich und/oder bezüglich der Homogenität im Messvolumen. Eine LTS-Sektion kann ihrerseits mehrere LTS-Untersektionen, die elektrisch in Serie verschaltet sind, umfassen. Bevorzugt sind die wenigstens zwei LTS-Sektionen elektrisch supraleitend in Serie verschaltet oder über einen oder mehrere supraleitende Schalter supraleitend elektrisch in Serie verschaltbar.
• Erfindungsgemäß weist die Magnetanordnung mehrere Ladeanschlüsse und/oder supraleitende Schalter und/oder Netzgeräte auf, mit denen die wenigstens zwei LTS-Sektionen unabhängig voneinander mit elektrischem Strom geladen und entladen werden können. Dadurch kann der Ladevorgang optimiert werden, und auch das erzeugte Magnetfeld kann durch unterschiedliche Ströme in den einzelnen LTS-Sektionen weiter optimiert werden. Erfindungsgemäß ist bei einer LTS-Abschirmsektion das Laden mit unterschiedlichen Stromrichtungen möglich.
• Der Kryostat verfügt in der Regel über mindestens einen Heliumtank (für den LTS-Bereich, oder auch für die gesamte Magnetanordnung), und weiterhin über einen zum Beispiel mit flüssigem Stickstoff (=LN2) gekühlten äußeren Tank bzw. Strahlungsschild. Der Kryostat verfügt typischerweise über eine gemeinsame Außenstruktur (Gehäusestruktur), etwa eine Vakuumbehälterwand, innerhalb derer der LTS-Bereich und der HTS-Bereich dauerhaft angeordnet sind. Bei einer bevorzugten Bauform des Kryostaten wird das Magnetfeld B0 in einem Messvolumen in einer Raumtemperaturbohrung des Kryostaten erzeugt. Der Kryostat kann insbesondere in einem NMR-Spektrometer verbaut sein, um eine Probe im Messvolumen mittels NMR-Spektroskopie zu vermessen.
• In einer LTS-Sektion ist typischerweise mit Nb3Sn-Draht oder NbTi-Draht solenoidförmig gewickelt. In einer HTS-Sektion ist typischerweise YBCO-Material verbaut, typischerweise als Bandleiter oder bevorzugt als geschlossen ringförmige Beschichtung(en) auf einem zylinderförmigen Trägerkörper.
• Der Kryostat weist typischerweise für den HTS-Bereich einen elektrischen Heizer auf, mit dem der HTS-Bereich schnell (und unabhängig vom LTS-Bereich) erwärmt werden kann, insbesondere über die Sprungtempertur T_c,HTS des HTS-Bereichs.
• Im Rahmen der Erfindung können als HTS-Materialien bevorzugt solche mit einer Sprungtemperatur von 40 K oder mehr, insbesondere YBCO und BSCCO, eingesetzt werden. Als LTS-Materialien können bevorzugt solche mit einer Sprungtemperatur von 30 K oder weniger, insbesondere NbTi und Nb3Sn, eingesetzt werden.
• Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten ist der HTS-Bereich ohne Stromzuführungen ausgebildet. Dadurch wird der Aufbau des Kryostaten stark vereinfacht. Da der HTS-Bereich induktiv geladen wird, sind Stromzuführungen zu einem externen Netzteil zur Strombeaufschlagung überflüssig. Der Kryostat ist insbesondere leichter thermisch zu isolieren.
• Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der der LTS-Bereich mittels eines oder mehrerer supraleitender Schalter kurzschließbar ist. Dadurch kann nach Abschluss des Ladevorgangs ein Betrieb im „persistent mode“ ohne angeschlossene Netzteile erfolgen. Die LTS-Sektionen (sofern es mehrere gibt) sind alle zusammen, oder einzeln, oder auch in Gruppen jeweils mittels eines supraleitenden Schalters kurzschließbar.
• Vorteilhafter Weise sieht eine Ausführungsform vor, dass mindestens eine HTS-Sektion einen geschlossenen supraleitenden Zylindermantel oder einen geschlossenen supraleitenden Ring oder mehrere geschlossene supraleitende Ringe in einer radialen Lage umfasst, insbesondere wobei der Zylindermantel oder der Ring oder die Ringe auf einem zylindrischen Trägerkörper aufgebracht sind. Geschlossene Zylindermantel-Strukturen und geschlossene ringförmige Strukturen sind relativ leicht zu fertigen, wobei ein verbleibender ohmscher Widerstand nicht zu befürchten ist, da keine Joints benötigt werden. Entsprechend ist die Drift im Normalbetrieb klein. Mehrere (elektrisch voneinander separate) Ringe in einer radialen Lage vermeiden in axialer Richtung größere, zusammenhängende supraleitende Gebiete für Abschirmströme. Ein Trägerkörper stabilisiert die HTS-Sektion mechanisch und kann auch große Materialdicken unterstützten, so dass auch große Stromstärken getragen werden können. Der Trägerkörper kann insbesondere aus Hastelloy gefertigt sein. Insbesondere können große Kräfte durch axialen Druck und Hoop Stresses, die auf die stromführenden HTS Bahnen wirken, aufgenommen werden.
• Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform sind mehrere radiale Lagen mit jeweils einem geschlossenen supraleitenden Zylindermantel oder einem geschlossenen supraleitenden Ring oder mehrere radiale Lagen mit jeweils mehreren geschlossenen supraleitenden Ringen vorgesehen, insbesondere wobei die radialen Lagen auf einem zylindrischen Trägerkörper aufgebracht sind. Durch die mehreren radialen Lagen wird die Strombelastung einer radialen Einzellage, bei gleichem Feldbeitrag der HTS-Sektion, reduziert. Auf einem Trägerkörper kann für eine Lage von mehreren Ringen YBCO-Material abgeschieden und mit einem Laser ringförmig strukturiert werden. Zwischen den Lagen (und den Ringen in den Lagen) kann SrTiO₃ als Isolationsmaterial angeordnet sein. Zur Fertigung der HTS-Sektion können insbesondere bekannte Abscheide- und Strukturierungsverfahren aus der US 8,061,016 B2 und der EP 1,604,377 B1 angewendet werden.
• Bei einer anderen Ausführungsform umfasst mindestens eine HTS-Sektion eine mit einem Bandleiter solenoidförmig gewickelte Spulensektion, die supraleitend kurzgeschlossen ist. Eine mit Bandleiter solenoidförmig gewickelte Spulensektion kann mit vergleichsweise kleinem Volumen große Magnetfeldstärken erzeugen, bedingt durch die hohe Stromtragfähigkeit des HTS-Materials. Bevorzugt wird ein mit Ausnahme der beiden Endbereiche in Längsrichtung geschlitzter Bandleiter zum Wickeln der Spulensektion eingesetzt. Falls für eine Ausführungsform mindestens ein HTS-HTS-Joint eingerichtet werden muss, erfolgt dies bevorzugt durch Überlappung der zu verbindenden Bandleiterenden über eine große Länge (z.B. 5 m oder länger), insbesondere wobei der Überlappungsbereich nach Art einer Pancake-Spule aufgewickelt ist.
• Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die wenigstens zwei LTS-Sektionen jeweils eine unterschiedliche Magnetfeldcharakteristik erzeugen, insbesondere wobei eine der LTS-Sektionen einen Notch aufweist. Dadurch kann die Homogenität des im Messvolumen erzeugten Magnetfelds optimiert werden. Bevorzugt kann die Magnetanordnung im Messvolumen, das typischerweise wenigstens 10 cm³ umfasst, eine Homogenität von 10 ppm oder besser, bevorzugt 1 ppm oder besser erzeugen.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kryostat für den LTS-Bereich einen ersten, äußeren Heliumtank ausbildet, und für den HTS-Bereich einen zweiten, inneren Heliumtank ausbildet. Dadurch kann eine unterschiedliche Temperierung des HTS-Bereichs und des LTS-Bereichs leicht erfolgen, insbesondere wobei in beiden Heliumtanks Helium mit (zumindest zeitweilig) unterschiedlicher Temperatur und ggf. unterschiedlichen Aggregatszustands enthalten ist. Der erste und der zweite Heliumtank können über ein Ventil verbunden sein, bevorzugt wobei der zweite Heliumtank eine separate Abströmleitung für Helium aufweist.
• Bevorzugt ist eine Weiterbildung zu dieser Ausführungsform, bei der zwischen dem ersten Heliumtank und dem zweiten Heliumtank ein Strahlungsschild, insbesondere ein LN2-gekühlter Strahlungsschild, angeordnet ist. Dadurch kann der Wärmeeintrag in den kälteren Heliumtank (während des Ladens meist der erste Heliumtank) gering gehalten werden, und so die erforderliche Kühlleistung reduziert oder der Heliumverbrauch verringert werden.
• Bei einer anderen, vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen,
  dass der Kryostat für den LTS-Bereich einen Heliumtank ausbildet,
  dass der HTS-Bereich in einem Vakuumraum, der auch den Heliumtank enthält, angeordnet ist,
  und dass der HTS-Bereich über einen Wärmeschalter thermisch an den Heliumtank ankoppelbar und vom Heliumtank abkoppelbar ist,
  insbesondere wobei der Wärmeschalter vom Typ eines Gas-Spalt-Wärmeschalters (gas gap heat switch) ist. Dieser Aufbau ist vergleichsweise einfach einzurichten. Insbesondere wenn während des Normalbetriebs (nach dem Laden) die Temperatur von HTS-Bereich und LTS-Bereich gleich sein sollen, meist bei 4,2K, ist diese Bauform gut geeignet.
• Erfindungsgemäße Ladeverfahren
• In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Laden der Magnetanordnung eines erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Kryostaten,
  mit folgenden Schritten:
1. a) der LTS-Bereich wird unter seine Sprungtemperatur T_c,LTS gekühlt, und der HTS-Bereich wird über seiner Sprungtemperatur T_c,HTS gehalten;
2. b) wenigstens eine erste LTS-Sektion, welche die LTS-Abschirmsektion umfasst, wird auf einen Interimstrom I_IN aufgeladen, wobei der Interimstrom I_IN von einem ersten Betriebsstrom I_B ¹ abweicht;
3. c) der HTS-Bereich wird unter seine Sprungtemperatur T_c,HTS gekühlt;
4. d) der Strom I_LTS ¹ in der wenigstens einen ersten LTS-Sektion wird auf den ersten Betriebsstrom I_B ¹ geändert, wodurch der HTS-Bereich induktiv geladen wird, wobei in Schritt b) der Interimstrom I_IN ein umgekehrtes Vorzeichen wie der erste Betriebsstrom I_B ¹ in Schritt d) hat. Mit dem erfindungsgemäßen Ladeverfahren kann die Magnetanordnung ohne externe Stromzuführungen (Ladeanschlüsse) des HTS-Bereichs und ohne elektrische Verbindungen des HTS-Bereichs zum LTS-Bereichs geladen werden. Dadurch wird ein einfacher und kompakter Aufbau des Kryostaten bzw. der Magnetanordnung möglich. Im Rahmen von Schritt b) wird die wenigstens eine erste LTS-Sektion auf einen Interimstrom I_IN gebracht, der vom späteren Betriebsstrom I_B ¹ abweicht. Hierbei lädt sich der HTS-Bereich noch nicht auf (zumindest nicht merklich), da der HTS-Bereich noch normalleitend ist. Erst nach Schritt c) ist der HTS-Bereich supraleitend und kann Strom übernehmen, was er im Rahmen von Schritt d) zur Erhaltung des gesamten magnetischen Flusses auch tut. Hierbei wird die Differenz von erstem Betriebsstrom I_B ¹ und (erstem) Interimstrom I_IN dazu genutzt, den HTS-Bereich aufzuladen. Man beachte, dass im Rahmen der Erfindung in Schritt b) auch eine oder mehrere weitere LTS-Sektionen mit einem eigenen Interimstrom I_IN ^W beaufschlagt werden können, und im Rahmen von Schritt d) auf einen eigenen Betriebsstrom I_B ^W geändert werden können. In Schritt a) kann beispielsweise der LTS-Bereich auf 4,2 K oder weniger gekühlt werden, und beispielsweise der HTS-Bereich auf 90 K oder mehr gehalten werden. Man beachte weiterhin, dass die Temperatur T_HTS des HTS-Bereichs während Schritt a) je nach HTS-Material auch beispielsweise bei 100 K oder mehr liegen kann. In Schritt c) kann beispielsweise der HTS-Bereich auf 4,2 K oder weniger gekühlt werden. Die LTS-Abschirmsektion koppelt mit negativer Kopplungsinduktivität an die HTS-Sektion. Durch den Interimstrom I_IN in der LTS-Abschirmsektion vergrößert sich zunächst das Streufeld der Magnetanordnung, und das Magnetfeld B0 in der Bohrung bzw. im Messvolumen nimmt leicht zu. Beim Herunterfahren und Invertieren des Stroms in der LTS-Abschirmsektion vergrößert sich das Magnetfeld B0 weiter, nunmehr durch die Umverteilung des magnetischen Flusses von der LTS-Abschirmsektion in die radial kleinere(n) HTS-Sektion(en). In der Regel umfasst die wenigstens eine erste LTS-Sektion hier nur LTS-Abschirmsektion(en). Man beachte, dass der Interimstrom I_IN betragsmäßig größer sein kann als der erste Betriebsstrom I_B ¹ ; jedoch darf ein kritischer Strom der wenigstens einen, ersten LTS-Sektion nicht überschritten werden. Weiterhin muss darauf geachtet werden, dass auch die anderen LTS-Sektionen durch den Interimstrom I_IN in der Abschirmsektion und der damit verbundenen Feldüberhöhung nicht in einen kritischen Bereich gebracht werden. Durch die Vorzeichenumkehr im Strom der ersten LTS-Sektion(en) kann ein besonders großer Strom auf den HTS-Bereich übertragen werden.
• Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in Schritt b) weiterhin wenigstens eine zweite LTS-Sektion auf einen zweiten Betriebsstrom I_B ² geladen wird, und dass in Schritt c) und d) der Strom I_LTS ² der wenigstens einen zweiten LTS-Sektion auf dem zweiten Betriebsstrom I_B ² gehalten wird. Im Rahmen dieser Variante wird der LTS-Bereich (zumindest) zweigeteilt. Die erste(n) LTS-Sektionen erhalten in Schritt b) den Interimstrom I_IN mit einem ersten Netzteil, und die zweite(n) LTS-Sektionen den zweiten Betriebsstrom I_B ² mit einem zweiten Netzteil. In Schritt d) wird dann mit dem ersten Netzteil der Strom von I_IN auf I_B ¹ geändert, und mit dem zweiten Netzteil der Strom I_B ² gehalten. Zumindest während der Schritte b), c) und d) sind also die wenigstens eine erste LTS-Sektion und die wenigstens eine zweite LTS-Sektion nicht vom gleichen Strom durchflossen. Zum Laden der HTS-Sektion wird hier nur ein Teil des LTS-Bereichs verwendet. Wenn während Schritt d) nur die HTS-Sektion und die wenigstens eine erste LTS-Sektion an der Stromumverteilung teilnehmen, vereinfacht dies den Ladevorgang und macht diesen gut vorhersehbar.
• Vorteilhaft ist eine Weiterentwicklung hierzu, wobei die Betriebsströme I_B ¹ und I_B ² unterschiedlich gewählt werden. Hierdurch ist es möglich, das erzeugte B0-Feld zu optimieren, insbesondere bezüglich der Homogenität im Messvolumen.
• Vorteilhaft ist eine Variante, bei der nach Schritt c) der LTS-Bereich und der HTS-Bereich im Wesentlichen auf der gleichen Temperatur gehalten werden, insbesondere wobei diese Temperatur 4,2 K oder weniger beträgt. Wenn keine Temperaturgradienten zwischen LTS-Bereich und HTS-Bereich aktiv unterhalten werden, kann die Kühlleistung besonders effizient genutzt werden. Insbesondere kann ein niedriger Heliumverbrauch erreicht werden. Bei 4,2 K (entspricht dem Siedepunkt von Helium bei Normaldruck) oder weniger weist der HTS-Bereich eine besonders hohe Stromtragfähigkeit auf. Die im Wesentlichen gleiche Temperatur von LTS-Bereich und HTS-Bereich wird typischerweise nicht nur für den Rest des Ladevorgangs, sondern auch für den anschließenden Normalbetrieb (etwa während NMR- oder MRI-Messungen) beibehalten.
• Bei einer besonders bevorzugten Variante wird weiterhin in einem Schritt e) der LTS-Bereich supraleitend kurzgeschlossen. Der LTS-Bereich wird in einem „persistent mode“ betrieben, und Netzgeräte sind nicht mehr erforderlich. In Schritt e) werden die LTS-Sektionen (sofern es mehrere gibt) alle zusammen (gemeinsam), oder jeweils einzeln, oder auch in Gruppen jeweils mittels eines supraleitenden Schalters kurzgeschlossen.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
• Figurenliste
• Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine Schemadarstellung der Magnetanordnung einer Bauform eines Kryostaten zur allgemeinen Erläuterung, mit insgesamt seriell verschaltetem LTS-Bereich;
• 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs eines Ablaufs eines Verfahrens zum Laden der Magnetanordnung von 1 zur allgemeinen Erläuterung;
• 3 eine Schemadarstellung der Magnetanordnung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kryostaten, mit zwei separat aufladbaren und separat kurzschließbaren LTS-Sektionen;
• 4 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs einer Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden der Magnetanordnung von 3;
• 5 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kryostaten in einer zweiten Ausführungsform, mit zwei vollständig separaten Heliumtanks ohne zwischenpositioniertem Strahlungsschild;
• 6 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kryostaten in einer dritten Ausführungsform, mit zwei vollständig separaten Heliumtanks, mit zwischenpositioniertem Strahlungsschild;
• 7 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kryostaten in einer vierten Ausführungsform, mit zwei Heliumtanks, die mit einem Überströmventil miteinander verbunden sind;
• 8 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kryostaten in einer fünften Ausführungsform, mit einem Wärmeschalter;
• 9 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung einer HTS-Sektion für die Erfindung, mit einem zylinderförmigem Trägerkörper, auf welchem mehrere HTS-Zylindermäntel radial übereinander abgeschieden sind;
• 10 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung einer HTS-Sektion für die Erfindung, mit einem zylinderförmigem Trägerkörper, auf welchem mehrere radiale Lagen von HTS-Ringen abgeschieden sind;
• 11 eine schematische Darstellung einer HTS-Sektion für die Erfindung, mit bandförmigem HTS solenoidförmig gewickelt und mit einem HTS-HTS-Joint supraleitend kurzgeschlossen;
• 12 eine schematische Darstellung einer HTS-Sektion für die Erfindung, mit bandförmigem HTS solenoidförmig gewickelt und supraleitend kurzgeschlossen, gefertigt aus einem geschlitzten Bandleiter.
• Überblick
• Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung ist, bei einer Magnetanordnung eines Kryostaten, insbesondere bei einem NMR-Magenten, die HTS-Sektion oder die HTS-Sektionen (insgesamt „HTS-Bereich“, auch „HTS-Spule“) elektrisch und thermisch isoliert von der LTS-Sektion oder den LTS-Sektionen (insgesamt „LTS-Bereich“, auch „Hintergrundmagnet“ oder „LTS-Spule“) anzuordnen. Darüber hinaus ist der Kryostat dazu ausgebildet, die HTS-Sektion(en) induktiv über die LTS-Sektion(en) zu laden. Hierfür können besondere Mittel zum induktiven Laden der HTS-Sektion(en) vorgesehen sein. Dabei ist die Möglichkeit vorgesehen, eine LTS-Abschirmspule entgegengesetzt einer LTS-Hauptspule zu laden.
• Weiterhin kann erfindungsgemäß die HTS-Spule oder eine HTS-Sektion aus Bandmaterial gefertigt sein, oder auch (bevorzugt) als Anordnung eines oder mehrerer supraleitender Ringe oder Zylinder gestaltet sein, in welche beim Ladevorgang induktiv ein Strom eingebracht wird.
• Außerdem wird ein Verfahren zum induktiven Laden der HTS-Spule beschrieben. Für den Ladevorgang wird die LTS-Abschirmsektion so geladen, dass die B0-Komponente des Magnetfelds in der Bohrung des Kryostaten erhöht und das Streufeld vergrößert wird. Nachfolgend wird die HTS-Spule unter die Sprungtemperatur abgekühlt und das Magnetfeld der äußeren LTS-Sektion(en) heruntergefahren, bzw. die LTS-Abschirmsektion so bestromt, dass das Streufeld verkleinert wird.
• Im Rahmen der Erfindung wird die Temperatur der HTS-Spule, die sich beispielsweise in einem von der LTS-Spule getrennten Heliumtank befindet, im Allgemeinen nur für den Ladevorgang geändert; die Supraleitung im HTS wird durch Anheben und Senken der Temperatur über/unter die Sprungtemperatur (kritische Temperatur) des HTS ab- bzw. eingeschaltet. Aus diesem Grund erfolgt die Temperaturänderung auch in einem vergleichsweise großen Rahmen. Die HTS-Spule muss in der Regel zwischen ca. 4 K (oder auch 2 K) und ca. 100 K temperiert werden, was bauliche Unterschiede (z.B. zusätzliche Strahlungsschilde) zu herkömmlichen Kryostaten erforderlich oder zumindest vorteilhaft machen kann.
• Grundtypen von Kryostaten und Ladevorgang
• Die 1 zeigt eine Bauform einer Magnetanordnung 1 eines Kryostaten zur allgemeinen Erläuterung. Die Magnetanordnung 1 umfasst einen LTS-Bereich (Hintergrundmagnet, LTS-Spule) 2, hier mit zwei (ersten) LTS-Sektionen 11, nämlich einer äußeren LTS-Abschirmsektion (Abschirmspule) 3 und einer inneren LTS-Hauptsektion (Hauptspule) 4, und einen HTS-Bereich (HTS-Spule) 5, hier umfassend eine HTS-Sektion 6, nämlich einen supraleitend geschlossenen Zylindermantel. Man beachte, dass die Sektionen 3, 4 und/oder 6 in der Praxis auch jeweils aus mehreren, seriell verschalteten Unterspulensektionen bestehen können.
• Die Magnetanordnung 1 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich einer Spulenachse SA aufgebaut, wobei zur Vereinfachung in der 1 nur der linke Teil des Schnitts der Magnetanordnung 1 dargestellt ist (gilt auch für nachfolgende Figuren).
• Der LTS-Bereich 2 umschließt radial den HTS-Bereich 5. Im Normalbetrieb wird mittels der Magnetanordnung 1 in einem Messvolumen 7, durch das die Spulenachse SA mittig verläuft, ein homogenes Magnetfeld B0 in Richtung der Spulenachse SA erzeugt, in welchem NMR- und/oder MRI-Messungen stattfinden können. Das Messvolumen 7 liegt in der Raumtemperaturbohrung des Kryostaten. Die Homogenität im Messvolumen 7 beträgt typischerweise 10 ppm oder besser.
• In der gezeigten Bauform sind die beiden (ersten) LTS-Sektionen 11 bzw. 3, 4 elektrisch supraleitend in Serie verschaltet und können insgesamt über die externen Stromzuführungen (Ladeanschlüsse) T1, T2 von einem Netzgerät 9 bestromt werden, wobei mit dem Netzgerät 9 der durch die Stromzuführungen T1, T2 fließende Strom kontrolliert und insbesondere verändert werden kann. Zwischen den Ladeanschlüssen T1, T2 kann mittels eines supraleitenden Schalters (Hauptschalter) 8 der LTS-Bereich 2 insgesamt supraleitend kurzgeschlossen werden.
• Der HTS-Bereich 5 besitzt keine externen Stromzuführungen. Der geschlossene Zylindermantel der HTS-Sektion 6 ist stets (eine ausreichend tiefe Temperatur vorausgesetzt) supraleitend kurzgeschlossen, so dass Kreisströme um die Spulenachse SA herum möglich sind.
• Da der HTS-Bereich (die HTS-Spule) 5 keine direkte elektrische Verbindung mit dem LTS-Bereich (dem Hintergrundmagneten) 2 hat, und auch über keinen „Persistent Switch“ verfügt, muss die HTS-Spule 5 induktiv geladen werden. Nachfolgend wird ein solcher Ladevorgang beispielhaft beschrieben:
• - Der Hintergrundmagnet 2 wird abgekühlt und geladen, während die HTS-Spule 5 noch oberhalb ihrer Sprungtemperatur T_c,HTS gehalten wird.
• - Der Hintergrundmagnet 2 wird „überladen“, d.h. ein Strom wird eingestellt, der über dem nominellen Betriebsstrom I_B ¹ liegt. Dies ist bei NMR-Magneten möglich, da im Allgemeinen der Betriebsstrom I_B ¹ sehr viel niedriger als der kritische Strom I_c gewählt wird, um die Magnetdrift klein zu halten. Während des Ladevorgangs ist dies allerdings nicht relevant.
• - Nun wird die Temperatur der HTS-Spule 5 abgesenkt, bis sie supraleitend ist.
• - Der Strom im Hintergrundmagnet 2 wird nun auf den Betriebsstrom I_B ¹ abgesenkt. Dabei wird in der HTS-Spule 5 Strom induziert. Durch geeignete Auslegung der Magnetanordnung 1 ist es möglich, dass das Magnetfeld B0 in der Bohrung bei diesem Vorgang zunimmt.
• - Nun wird der Hauptschalter 8 geschlossen („Persistent Mode“).
• In 2 sind der zeitliche Verlauf des Stroms I_LTS ¹ im Hintergrundmagnet 2, der Temperatur T_HTS der HTS-Spule 5, der Temperatur T_LTS der LTS-Spule 2 und der zeitliche Verlauf des Magnetfelds B0 in der Bohrung jeweils nach oben gegen die Zeit nach rechts aufgetragen.
• In einer ersten Phase zwischen t0 und t1wird der Strom I_LTS ¹ mit dem Netzgerät 9 an den Ladeanschlüssen T1, T2 von „null“ auf einen Interimstrom I_IN gebracht. Dabei steigt das Magnetfeld B0 an. Währenddessen ist bereits die Temperatur T_LTS des LTS-Bereichs 2 unterhalb der (kleinsten) kritischen Temperatur T_c,LTS (bei NbTi ca. 10 K, bei Nb3Sn ca. 15 K), hier bei 4,2 K. Die Temperatur T_HTS des HTS-Bereichs 5 liegt noch oberhalb der Sprungtemperatur T_c,HTS (bei YBCO ca. 92 K), hier bei ca. 100 K.
• Sodann wird zwischen t1 und t2 die Temperatur T_HTS des HTS-Bereichs 5 unter dessen Sprungtemperatur T_c,HTS abgesenkt, hier auf ebenfalls ca. 4,2 K. Der Strom I_LTS ¹ wird dabei mit dem Netzgerät 9 konstant bei I_IN gehalten.
• Schließlich wird zwischen t2 und t3 der Strom I_LTS ¹ im LTS-Bereich 2 vom Netzgerät 9 von I_IN auf I_B ¹ abgesenkt; hierbei wird das Vorzeichen (Stromflussrichtung) des Stroms I_LTS ¹ nicht geändert. Der magnetische Fluss des LTS-Bereichs 2 wird teilweise von der radial kleineren HTS-Spule 5 übernommen, wodurch die Feldstärke B0 im Messvolumen 7 ansteigt.
• Sodann kann der supraleitende Schalter 8 geschlossen werden, und das Netzgerät 9 kann abgeschaltet und/oder entfernt werden.
• Optimierung durch selektives Laden/Entladen bestimmter Sektionen, insbesondere Laden unter Verwendung der Abschirmsektion
• Im Hintergrundmagnet kann eine Spulensektion vom Restmagnet unabhängig geladen werden. Dazu sind eine zusätzliche Stromzuführung, ein zusätzliches Netzgerät und ein zusätzlicher supraleitender Schalter notwendig.
• Die LTS-Spulensektion, die unabhängig geladen werden kann, kann dann so gewählt werden, dass die Kopplung mit der HTS-Spule optimal wird. Auch besteht die Möglichkeit, diese LTS-Spulensektion mit einem Notch auszuführen, und damit am Ende des Ladevorgangs die Homogenität des Magnetfelds B0 im Messvolumen abzustimmen.
• Im Besonderen ist zum induktiven Laden die LTS-Abschirmsektion (die üblicherweise zur Reduktion des Streufelds eingebaut wird) geeignet, da diese mit negativer Kopplungsinduktivität mit der HTS-Spule koppelt.
• Die 3 zeigt schematisch eine entsprechende Magnetanordnung 1 für einen erfindungsgemäßen Kryostaten in einer ersten Ausführungsform; es werden vor allem die Unterschiede zur Bauform von 1 erläutert.
• Der LTS-Bereich 2 umfasst hier als eine erste LTS-Sektion 11 die äußere LTS-Abschirmsektion (Abschirmspule) 3, und als eine zweite LTS-Sektion 12 die innere LTS-Hauptsektion (Hauptspule) 4; beide sind elektrisch in Serie geschaltet. Die erste LTS-Sektion 11 ist über die externen Stromzuführungen T1, T2 mit dem Netzgerät 9 aufladbar und mit dem supraleitenden Schalter 14a supraleitend kurzschließbar. Die zweite LTS-Sektion 12 ist über die externen Stromzuführungen T2 und T3 mit einem Netzgerät 13 aufladbar und über einen supraleitenden Schalter 14b supraleitend kurzschließbar. Der HTS-Bereich (HTS-Spule) 5 ist hier wiederum mit einer einzigen HTS-Sektion 6 ausgebildet.
• Das Laden erfolgt dann beispielhaft nach folgendem Schema:
• - Der Hintergrundmagnet 2 (bestehend aus Hauptspule 4 und Abschirmspule 3) wird abgekühlt, während die HTS-Spule 5 noch oberhalb von T_c,HTS gehalten wird.
• - Nur die Hauptspule 4 des Hintergrundmagneten 2 wird geladen, und für den Rest des Ladevorgangs mit dem Netzgerät 13 auf konstantem Strom gehalten. Das andere Netzgerät 9 hält in diesem Schritt die LTS-Abschirmsektion 3 stromlos.
• - Die Abschirmspule 3 wird in die „falsche“ Richtung geladen, d.h. das Streufeld vergrößert sich zusätzlich, und das Magnetfeld B0 in der Bohrung nimmt leicht zu (ohne die feldreduzierende Wirkung der Abschirmspule 3 wird die Hauptspule 4 überlastet; hier gilt aber das Argument von oben bzgl. des Betriebsstroms).
• - Nun wird die Temperatur T_HTS der HTS-Spule 5 abgesenkt, bis sie supraleitend ist.
• - Die LTS-Abschirmsektion 3 wird nun wieder entladen, und dann in die „richtige“ Richtung geladen. Dabei schrumpft das Streufeld auf seinen Sollwert. Aufgrund des negativen Kopplungskoeffizienten nimmt bei dieser Stromänderung in der LTS-Abschirmsektion 3 auch der Strom in der HTS-Spule 5 zu. Während dieses Vorgangs hält das Netzgerät 13 die Hauptspule 4 bei konstantem Strom und das Magnetfeld B0 in der Bohrung nimmt weiter zu.
• - Nun werden alle supraleitenden Schalter 14a, 14b geschlossen („Persistent Mode“).
• In 4 sind der zeitliche Verlauf des Stroms I_LTS ¹ in der ersten LTS-Sektion 11, des Stroms I_LTS ² in der zweiten LTS-Sektion 12, der Temperatur T_HTS der HTS-Spule 5, der Temperatur T_LTS der LTS-Spule 2 und der zeitliche Verlauf des Magnetfelds B0 in der Bohrung jeweils nach oben gegen die Zeit nach rechts aufgetragen.
• In einer ersten Phase zwischen t0 und t1 wird der Strom I_LTS ² in der zweiten LTS-Sektion 12, also der Hauptspule 4, mit dem Netzgerät 13 an den Ladeanschlüssen T2, T3 von „null“ auf einen zweiten Betriebsstrom I_B ² gebracht. Dabei steigt das Magnetfeld B0 bereits an. Der Strom I_LTS ¹ in der ersten LTS-Sektion 11 wird mit dem Netzgerät 9 bei „null“ gehalten. Währenddessen ist bereits die Temperatur T_LTS des LTS-Bereichs 2 unterhalb der (kleinsten) kritischen Temperatur T_c,LTS (bei NbTi ca. 10 K, bei Nb3Sn ca. 15 K), hier bei 4,2 K. Die Temperatur T_HTS des HTS-Bereichs 5 liegt noch oberhalb der Sprungtemperatur T_c,HTS (bei YBCO ca. 92 K), hier bei 100 K.
• In einer zweiten Phase zwischen t1 und t2 wird nun der Strom I_LTS ¹ in der ersten LTS-Sektion 11 mit dem Netzgerät 9 von „null“ auf den Interimstrom I_IN gebracht. Dieser ist hier negativ, hat also ein umgekehrtes Vorzeichen wie I_B ¹ und I_B ² . Der Strom I_LTS ² wird mit dem Netzgerät 13 bei I_B ² gehalten. Dabei steigt das Magnetfeld B0 leicht an, da sich der „negative“ I_LTS ¹ in der Abschirmspule 3 positiv auf das Magnetfeld B0 auswirkt.
• Sodann wird zwischen t2 und t3 die Temperatur T_HTS des HTS-Bereichs 5 unter dessen Sprungtemperatur T_c,HTS abgesenkt, hier auf ebenfalls ca. 4,2 K. Die Ströme I_LTS ¹ und I_LTS ² werden dabei mit den Netzgeräten 9, 13 konstant gehalten.
• Schließlich wird zwischen t3 und t4 der Strom I_LTS ¹ in der ersten LTS-Sektion 11, also der LTS-Abschirmsektion 3, vom Netzgerät 9 von I_IN auf den positiven ersten Betriebsstrom I_B ¹ geändert; hierbei wird das Vorzeichen (Stromflussrichtung) des Stroms I_LTS ¹ umgedreht. Die Magnetanordnung 1 bzw. das Netzgerät 9 ist also dazu ausgebildet, die LTS-Abschirmsektion 3 wahlweise mit oder entgegengesetzt der LTS-Hauptsektion 4 zu laden. In der gezeigten Variante ist I_B ¹ gleich I_B ² . Der bisherige magnetische Fluss der Abschirmspule 3 wird von der radial kleineren HTS-Spule 5 übernommen, wodurch die Feldstärke B0 im Messvolumen 7 ansteigt; dabei wird der beim schließlich „positivem“ Strom I_LTS ¹ in der Abschirmspule 3 nunmehr negative Feldbeitrag überkompensiert.
• Sodann können die supraleitenden Schalter 14a, 14b geschlossen werden, und die Netzgeräte 9, 13 können abgeschaltet und/oder entfernt werden.
• Unabhängige Temperierung der HTS-Spule
• Für die (zumindest beim Laden) vom Hintergrundmagneten unabhängige Temperierung der HTS-Spule bestehen verschiedene Möglichkeiten. Im Allgemeinen und im Besonderen bei allen im Folgenden vorgestellten Ausführungsformen ist es vorteilhaft, einen Heizer an der HTS-Spule (oder im Tank, in dem die HTS-Spule angeordnet ist) anzubringen, um die Temperatur der HTS-Spule schnell anheben zu können oder auf einem bezüglich der Umgebung höheren Temperaturniveau zu halten.
• Wie in 5 anhand eines schematischen Schnitts durch einen erfindungsgemäßen Kryostaten 20 dargestellt, kann die HTS-Spule 5 in einem separaten, zweiten Heliumtank 22 untergebracht werden, der von einem ersten Heliumtank 21, in dem die LTS-Spule 2 angeordnet ist, unabhängig ist.
• In der gezeigten Ausführungsform umfasst die LTS-Spule (der LTS-Bereich) 2 eine LTS-Abschirmsektion 3 aus NbTi-Draht sowie eine LTS-Hauptsektion 4 mit drei Unterspulensektionen 23a, 23b, 23c, von denen die äußerste aus NbTi-Draht, und die beiden inneren 23b, 23c aus Nb3Sn-Draht gefertigt sind. Beide Heliumtanks 21, 22 sind hier jeweils mit einem Halsrohr zur Befüllung mit Helium und im Falle des ersten Tanks 21 auch für die externen Stromzuführungen (nicht näher dargestellt) ausgebildet. Der zweite Heliumtank 22 ist mit einem elektrischen Heizer 29 versehen. Im gezeigten Zustand des Normalbetriebs sind beide Heliumtanks 21, 22 mit flüssigem Helium bei 4,2 K befüllt; man beachte, das während des Ladens der zweite Heliumtank 22 bzw. die HTS-Spule 5 zeitweise in einen warmen Zustand gebracht werden muss, während dessen Helium im zweiten Heliumtank 22 gasförmig vorliegt (oder nicht vorhanden ist).
• Beide Heliumtanks 21, 22 sind in einem Vakuumbehälter 24 angeordnet, dessen Wände 24a hier gleichzeitig die Außenwand des Kryostaten 20 bilden. Weiterhin ist ein Strahlungsschild 25a vorgesehen, der durch flüssigen Stickstoff (LN2) in einem äußeren Tank 25 gekühlt wird; die Heliumtanks 21, 22 befinden sich auch innerhalb dieses Strahlungsschilds 25a. Eine Begrenzung des Strahlungsschilds 25a zur Raumtemperaturbohrung 26 hin ist hier zur Vereinfachung nicht näher dargestellt.
• In der gezeigten Ausführungsform von 5 sind die Heliumtanks 21, 22 mit geringem Abstand nebeneinander (ohne einen Strahlungsschild) angeordnet, um den Raum nahe der Raumtemperaturbohrung 26 maximal mit Spulen zu befüllen.
• In einer alternativen Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist und weitgehend der Ausführungsform von 5 entspricht, ist zwischen den Heliumtanks 21, 22 im Vakuumbehälter 24 ein zusätzlicher Strahlungsschild 27 angeordnet. Im einfachsten Fall (und bevorzugt) ist dieser thermisch nicht an die Wände des Strahlungsschilds 25a (und auch sonst thermisch nicht an Strukturen des Kryostaten 20) gekoppelt; in diesem Fall stellt sich eine mittlere Temperatur zwischen erstem und zweitem Heliumtank 21, 22 am Strahlungsschild 27 ein, und durch Strahlungsreflektion wird der Wärmeeintrag in den kälteren Heliumtank (beim Laden der erste Heliumtank 21) gegenüber dem Fall ohne Strahlungsschild 27 näherungsweise halbiert. Alternativ ist der Strahlungsschild 27 durch geeignete metallische Verbindungen thermisch an den Strahlungsschild 25a gekoppelt und entsprechend auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffs im Außentank 25 bei ca. 77K.
• Weiterhin kann, wie in 7 dargestellt, bei einem Kryostaten 20 ähnlich wie in 5 vorgestellt, die HTS-Spule 5 auch in einem zweiten Heliumtank 22 angeordnet werden, der über ein Ventil 28 mit dem ersten Heliumtank 21 verbunden werden kann, in dem die LTS-Spule 5 angeordnet ist. Dadurch kann der zweite Heliumtank 22 mit flüssigem Helium aus dem ersten Heliumtank 21 befüllt werden („Überströmventil“). Es ist vorteilhaft, den zweiten Heliumtank 22 der HTS-Spule 5 in diesem Fall zusätzlich mit einer Leitung zu versehen, über die Helium abgepumpt werden kann (nicht näher dargestellt). In diesem Fall benötigt der zweite Heliumtank 22 kein Halsrohr, wie in 7 dargestellt.
• Bei einer Ausführungsform eines Kryostaten 20 von 8, die ähnlich zu der Ausführungsform von 5 ist, ist die HTS-Spule 5 im Vakuumraum 24b des Vakuumbehälters 24 angeordnet. Mittels eines Wärmeschalters 30 („Heat Switch“), z.B. eines Gas Gap Heat Switches, kann die HTS-Spule 5 an den Heliumtank 21 des LTS-Bereichs 2 angekoppelt oder vom Heliumtank 21 abgekoppelt werden.
• HTS-Spulen
• Bevorzugt wird zur Herstellung einer HTS-Spule bzw. HTS-Sektion HTS-Material - im Speziellen YBCO - mittels Dünnfilmabscheidung ringförmig auf zylindrisches Substratmaterial („Trägerkörper“) aufgebracht. Als Substratmaterial wird bevorzugt Hastelloy verwendet. Mit Hilfe von Laserstrukturierung kann ein zunächst durchgehender, abgeschiedener HTS-Zylindermantel in mehrere koaxiale, nebeneinanderliegende Ringe geteilt werden. Die Fabrikation von „Spulen“ (es handelt sich ja eigentlich um eine Ansammlung von Ringen) kann auch mehrlagig erfolgen (d.h. gefertigt werden mehrere koaxiale Ringe oder Ringelagen mit größer werdenden Radien). Dabei kommt bevorzugt SrTiO₃ als Isolator radial zwischen den Ringen oder Ringelagen zur Anwendung.
• Eine auf diese Art gefertigte Spule kann auch für den Bau eines Hochfeld-NMR Magneten verwendet werden. Da die HTS-Ringe durchgehend sind, entfällt die Notwendigkeit, supraleitende Verbindungen zwischen HTS-Leitern herzustellen. Die HTS-Ringe können geometrisch so geformt werden, dass sie ausreichend dünn sind, um die Homogenität des Magnetfelds nicht negativ zu beeinflussen (äquivalent zur Filamentierung in NbTi oder Nb₃Sn Drähten).
• Eine wie oben beschrieben gefertigte HTS-Spule wird elektrisch nicht in Serie mit dem Hintergrundmagneten (bestehend aus Haupt- und Abschirmspule) aus LTS verbunden; die Notwendigkeit, supraleitende HTS-LTS Verbindungen herzustellen, entfällt deshalb. Ebenso entfällt die Notwendigkeit, einen HTS-Bandleiter auf komplizierte Weise aus der Region des höchsten Magnetfelds herauszuführen.
• Die 9 zeigt eine HTS-Sektion 6 für die Erfindung, wobei auf einem zylindrischen Trägerkörper 31 insgesamt fünf geschlossene Zylindermäntel 38 aus HTS-Material, hier YBCO, radial übereinander aufgebracht sind. Die HTS-Sektion 6 weist somit HTS-Material in fünf radialen Lagen 41 auf. Zwischen den Zylindermänteln 38 und auch außen auf dem äußersten Zylindermantel 38 ist jeweils eine elektrische Isolationsschicht 39, hier aus Strontiumtitanat (SrTiO3) abgeschieden. Der Trägerkörper 31 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf und ist hier an den Stirnseiten mit Endscheiben 40 versehen, die die Zylindermäntel 38 und die Isolationsschichten 39 radial überragen.
• In der 10 ist eine weitere HTS-Sektion 6 für die Erfindung dargestellt, ähnlich der HTS-Sektion von 9. Auf dem zylindrischen Trägerkörper 31 sind hier fünf radiale Lagen 41 mit jeweils einer Vielzahl (hier je 25) von in sich geschlossenen, supraleitenden Ringen 32 angeordnet. Zwischen den radialen Lagen 41 und auch auf der äußersten Lage 41 ist jeweils eine Isolationsschicht 39, hier Strontiumtitanat, angeordnet. Ebenso befindet sich das Isolationsmaterial axial zwischen den Ringen 32 einer jeweiligen Lage 41. Alternativ können auch HTS-Spulen oder HTS-Sektionen auf Basis von HTS-Bandleiter gefertigt werden. Der HTS-Bandleiter umfasst typischerweise ein bandförmiges, metallisches Substrat (etwa ein Stahlblechband), auf dem eine oder mehrere Pufferschichten (etwa aus MgO), eine HTS-Schicht (etwa aus YBCO) und gegebenenfalls Shunt- und/oder Schutzschichten (meist aus Cu oder Edelmetallen wie Ag, Au) abgeschieden sind.
• 11 zeigt eine HTS-Sektion 6 für die Erfindung, die mit einem Bandleiter 37 auf einem zylindrischen Trägerkörper (Spulenkörper) 31 solenoidförmig gewickelt ist. Mit dem Bandleiter 37 sind hier mehrere Lagen durchgehend gewickelt. Die innerste Lage und die äußerste Lage sind mit einem HTS-HTS-Joint 36 an einem Spulenende (in 11 dem oberen Ende) miteinander verbunden, sodass die HTS-Sektion 6 insgesamt supraleitend kurzgeschlossen ist. An den Stirnseiten des Trägerkörpers 31 sind jeweils Endscheiben 40 vorgesehen (in 11 ist jedoch die obere Endscheibe für eine bessere Übersicht nicht dargestellt), die über den gewickelten Bandleiter 37 radial hinausragen.
• Die 12 zeigt eine HTS-Sektion 6 für die Erfindung, bei der ein mit Ausnahme seiner beiden Enden 35 geschlitzter HTS-Bandleiter 37 verwendet wurde. Mit einer Hälfte („Halbbband“) des Bandleiters 37 wurde eine innere Lage 33, und mit der anderen Hälfte des Bandleiters 37 wurde eine äußere Lage 34 der HTS-Sektion 6 solenoidförmig gewickelt; mit den Halbbändern können in anderen Ausführungsformen auch noch jeweils weitere Spulenlagen gewickelt werden. An den Enden 35 hängen die Halbbänder zusammen, ohne dass es eines Joints bedürfte. Verfahren zum Wickeln einer solchen HTS-Sektion bzw. HTS-Spule sind beispielsweise in der DE 10 2011 082 652 A1 beschrieben.
• Bezugszeichenliste

1

Magnetanordnung

2

LTS-Bereich (Hintergrundmagnet, LTS-Spule)

3

LTS-Abschirmsektion (Abschirmspule)

4

LTS-Hauptsektion (Hauptspule)

5

HTS-Bereich (HTS-Spule)

6

HTS-Sektion

7

Messvolumen

8

supraleitender Schalter (Hauptschalter)

9

Netzgerät

11

erste LTS-Sektion

12

zweite LTS-Sektion

13

Netzgerät

14a, 14b

supraleitende Schalter

20

Kryostat

21

erster Heliumtank

22

zweiter Heliumtank

23a-23c

Unterspulensektionen

24

Vakuumtank (Vakuumbehälter)

24a

Wand des Vakuumtanks

24b

Vakuumraum

25

äußerer Tank für flüssigen Stickstoff (LN2)

25a

Strahlungsschild des äußeren Tanks für flüssigen Stickstoff

26

Raumtemperaturbohrung

27

Strahlungsschild zwischen den Heliumtanks

28

Ventil

29

elektrischer Heizer

30

Wärmeschalter

31

zylindrischer Trägerkörper (Spulenträger)

32

Ring aus HTS-Material

33

innere Lage

34

äußere Lage

35

Ende des geschlitzten HTS-Bandleiters

36

HTS-HTS-Joint

37

HTS-Bandleiter

38

HTS-Zylindermantel

39

Isolationsschicht

40

Endscheibe

41

radiale Lage

B0

Magnetfeld im Messvolumen, in Richtung der Spulenachse

I_B ¹

erster Betriebsstrom

I_B ²

zweiter Betriebsstrom

I_IN

Interimstrom

I_LTS ¹

Strom in der wenigstens einen ersten LTS-Sektion

I_LTS ²

Strom in der wenigstens einen zweiten LTS-Sektion

SA

Spulenachse

t0-t4

Zeitpunkte

T1, T2, T3

Stromzuführungen (Ladeanschlüsse)

T_HTS

Temperatur des HTS-Bereichs

T_c,HTS

Sprungtemperatur des HTS-Bereichs

T_LTS

Temperatur des LTS-Bereichs

T_c,LTS

Sprungtemperatur des LTS-Bereichs

Claims (17)

1. Kryostat (20) mit einer Magnetanordnung (1) zur Erzeugung eines Magnetfelds B0, wobei die Magnetanordnung (1) einen LTS-Bereich (2) mit mindestens einer LTS-Sektion (3, 4, 11, 12) aus einem konventionellen Tieftemperatursupraleiter und einen HTS-Bereich (5) mit wenigstens einer HTS-Sektion (6) aus einem Hochtemperatursupraleiter umfasst, wobei der HTS-Bereich (5) radial innerhalb des LTS-Bereichs (2) angeordnet ist, wobei der Kryostat (20) dazu ausgebildet ist, den LTS-Bereich (2) und den HTS-Bereich (5) unabhängig voneinander zu temperieren, wobei der HTS-Bereich (5) elektrisch vom LTS-Bereich (2) getrennt ist, und wobei der HTS-Bereich (5) supraleitend kurzgeschlossen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der LTS-Bereich (2) wenigstens zwei LTS-Sektionen (3, 4, 11, 12) umfasst, und dass die Magnetanordnung (1) mehrere Ladeanschlüsse (T1, T2, T3) und/oder supraleitende Schalter (8; 14a, 14b) und/oder Netzgeräte (9, 13) aufweist, mit denen die wenigstens zwei LTS-Sektionen (3, 4, 11, 12) unabhängig voneinander mit elektrischem Strom geladen und entladen werden können, wobei bei einer LTS-Abschirmsektion (3) des LTS-Bereichs (2) das Laden mit unterschiedlichen Stromrichtungen möglich ist.
2. Kryostat (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der HTS-Bereich (5) ohne Stromzuführungen ausgebildet ist.
3. Kryostat (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der LTS-Bereich (2) mittels eines oder mehrerer supraleitender Schalter (8; 14a, 14b) kurzschließbar ist.
4. Kryostat (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine HTS-Sektion (6) einen geschlossenen supraleitenden Zylindermantel (38) oder einen geschlossenen supraleitenden Ring (32) oder mehrere geschlossene supraleitende Ringe (32) in einer radialen Lage (41) umfasst, insbesondere wobei der Zylindermantel (38) oder der Ring (32) oder die Ringe (32) auf einem zylindrischen Trägerkörper (31) aufgebracht sind.
5. Kryostat (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere radiale Lagen (41) mit jeweils einem geschlossenen supraleitenden Zylindermantel (38) oder einem geschlossenen supraleitenden Ring (32) oder mehrere radiale Lagen (41) mit jeweils mehreren geschlossenen supraleitenden Ringen (32) vorgesehen sind, insbesondere wobei die radial Lagen (41) auf einem zylindrischen Trägerkörper (31) aufgebracht sind.
6. Kryostat (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine HTS-Sektion (6) eine mit einem Bandleiter (37) solenoidförmig gewickelte Spulensektion umfasst, die supraleitend kurzgeschlossen ist.
7. Kryostat (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der LTS-Bereich (2) eine LTS-Hauptsektion (4) und die LTS-Abschirmsektion (3) umfasst.
8. Kryostat (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei LTS-Sektionen (3, 4, 11, 12) jeweils eine unterschiedliche Magnetfeldcharakteristik erzeugen.
9. Kryostat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine der LTS-Sektionen (3, 4, 11, 12) einen Notch aufweist.
10. Kryostat (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat (20) für den LTS-Bereich (2) einen ersten, äußeren Heliumtank (21) ausbildet, und für den HTS-Bereich (5) einen zweiten, inneren Heliumtank (22) ausbildet.
11. Kryostat (20) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Heliumtank (21) und dem zweiten Heliumtank (22) ein Strahlungsschild (27), insbesondere ein LN2-gekühlter oder mit einem Pulsrohrkühler gekühlter Strahlungsschild, angeordnet ist.
12. Kryostat (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat (20) für den LTS-Bereich (2) einen Heliumtank (21) ausbildet, dass der HTS-Bereich (5) in einem Vakuumraum (24b), der auch den Heliumtank (21) enthält, angeordnet ist, und dass der HTS-Bereich (5) über einen Wärmeschalter (30) thermisch an den Heliumtank (21) ankoppelbar und vom Heliumtank (21) abkoppelbar ist, insbesondere wobei der Wärmeschalter (30) vom Typ eines Gas-Spalt-Wärmeschalters ist.
13. Verfahren zum Laden der Magnetanordnung (1) eines Kryostaten (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten: a) der LTS-Bereich (2) wird unter seine Sprungtemperatur T_c,LTS gekühlt, und der HTS-Bereich (5) wird über seiner Sprungtemperatur T_c,HTS gehalten; b) wenigstens eine erste LTS-Sektion (11), welche die LTS-Abschirmsektion (3) umfasst, wird auf einen Interimstrom I_IN aufgeladen, wobei der Interimstrom I_IN von einem ersten Betriebsstrom I_B ¹ abweicht; c) der HTS-Bereich (5) wird unter seine Sprungtemperatur T_c,HTS gekühlt; d) der Strom I_LTS ¹ in der wenigstens einen ersten LTS-Sektion (11) wird auf den ersten Betriebsstrom I_B ¹ geändert, wodurch der HTS-Bereich (5) induktiv geladen wird, wobei in Schritt b) der Interimstrom I_IN ein umgekehrtes Vorzeichen wie der erste Betriebsstrom I_B ¹ in Schritt d) hat .
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) weiterhin wenigstens eine zweite LTS-Sektion (12) auf einen zweiten Betriebsstrom I_B ² geladen wird, und dass in Schritt c) und d) der Strom I_LTS ² der wenigstens einen zweiten LTS-Sektion (12) auf dem zweiten Betriebsstrom I_B ² gehalten wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsströme I_B ¹ und I_B ² unterschiedlich gewählt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt c) der LTS-Bereich (2) und der HTS-Bereich (6) im Wesentlichen auf der gleichen Temperatur gehalten werden, insbesondere wobei diese Temperatur 4,2 K oder weniger beträgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin in einem Schritt e) der LTS-Bereich (2) supraleitend kurzgeschlossen wird.

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