DE10225531A1

DE10225531A1 - Supraleitende Hochfeld-Magnetspule mit supraleitenden Übergangsstellen

Info

Publication number: DE10225531A1
Application number: DE10225531A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Schlenga
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-11
Also published as: DE10225531B4; US20040108924A1; GB0312718D0; GB2390761B; US6753748B1; GB2390761A

Abstract

Eine supraleitende Hochfeld-Magnetspule (1; 27; 38) mit mindestens einer radial inneren (2) und mindestens einer radial äußeren Spulensektion (3; 32, 33), wobei mindestens die radial innere Spulensektion (2) mit einem HTS (= Hochtemperatur-Supraleiter)-Bandleiter (14; 20; 36) solenoidförmig gewickelt ist, und wobei mindestens eine supraleitende Verbindung der radial inneren Spulensektion und der radial äußeren Spulensektion vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Verbindung eine erste supraleitende Übergangsstelle (Joint) (5; 39) zwischen zwei HTS-Bandleitern umfasst, an welcher der HTS-Bandleiter der radial inneren Spulensektion derart flächig überlappend mit mindestens einem weiteren HTS-Bandleiter (6; 21, 22; 29; 40) verbunden ist, dass die beiden HTS-Bandleiter einen Winkel zwischen 30 DEG und 150 DEG gegeneinander einschließen, und dass elektrisch in Serie mit der ersten eine zweite supraleitende Übergangsstelle (7; 41) vorgesehen ist, die geometrisch in einem Bereich erheblich niedrigerer Magnetfeldstärke angeordnet ist und die den weiteren HTS-Bandleiter mit dem Leiter der radial äußeren Spulensektion elektrisch leitend verbindet. Dadurch wird eine supraleitende Verbindung von einem spröden HTS-Supraleitermaterial auf ein anderes Supraleitermaterial in einem Hochfeld-Magnetspulensystem möglich, welcher die Leistungsfähigkeit des HTS-Materials im Wesentlichen nicht begrenzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Hochfeld-Magnetspule mit mindestens einer radial inneren und mindestens einer radial äußeren Spulensektion, wobei mindestens die radial innere Spulensektion mit einem HTS (=Hochtemperatur-Supraleiter)-Bandleiter solenoidförmig gewickelt ist, und wobei mindestens eine supraleitende Verbindung zwischen dem HTS-Bandleiter der radial inneren Spulensektion und dem Leiter der radial äußeren Spulensektion vorgesehen ist.

Eine gattungsgleiche Magnetfeld-Spule ist in der US 5,319,333 bekannt geworden. Eine Methode der Kontaktierung zweier bandförmiger Supraleiter wird von A. N. lyer et al. in Supercond. Sci. Technol. 13 (2000), Seiten 187–194 beschrieben.

Kernspinresonanz (NMR)-Messungen werden sowohl in der Strukturaufklärung in der Festkörperphysik und der Chemie als auch bei bildgebenden Verfahren in der medizinischen Diagnostik zur Messung der räumlichen Dichteverteilung von bestimmten Atomen, beispielsweise Protonen, eingesetzt.

Zur Erzielung eines hohen Auflösungsvermögens bei einer NMR-Messung werden möglichst hohe Magnetfeldstärken bei gleichzeitig hoher zeitlicher Stabilität und räumlicher Homogenität angestrebt. Solche Magnetfelder werden durch supraleitende Magnetspulensysteme erzeugt. In den supraleitend kurzgeschlossenen Magnetspulen kreist ein elektrischer Strom von bis zu mehreren hundert Ampere nahezu verlustfrei, wodurch zeitlich stabile Magnetfelder der Größenordnung einiger Tesla erzeugt werden.

Supraleitung tritt nur unterhalb von einer materialabhängigen maximalen Temperatur (Sprungtemperatur T_c), einer maximalen Stromdichte (kritische Stromdichte j_c) und einer maximalen Magnetfeldstärke (kritisches Magnetfeld H_c) auf. Der Maximalwert eines jeweiligen Parameters ist dabei von der momentanen Größe der beiden anderen Parameter abhängig. Bei Überschreitung eines der kritischen Werte geht das Material in den normalleitenden Zustand über.

Sogenannte Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) besitzen, verglichen mit typischen metallischen Supraleitern wie Nb₃Sn oder NbTi, deutlich größere T_c-, j_c- und H_c-Werte. Deshalb besteht großes Interesse daran, diese Materialien bevorzugt für innere Spulensektionen von Hochfeld-Magnetspulen einzusetzen, da auf diese die größten Magnetfeldstärken wirken.

Allerdings besitzen die HTS-Materialien keine nennenswerte Duktilität und eine nur geringe Bruchfestigkeit. Deshalb müssen die spröden, keramischen HTS-Materialien in der Regel in der einzusetzenden Geometrie hergestellt werden. Bewährt hat sich insbesondere eine bandförmige Gestalt, bei der das HTS-Material in eine Matrix, beispielsweise aus Silber, eingebettet ist. Allerdings sind auch dann nur Krümmungen des bandförmigen HTS entlang der Bandrichtung (also etwa ein Anlegen des bandförmigen Supraleiters flach an die Umfangsfläche eines Rades) mit einem gewissen Mindestradius möglich. Starke Biegungen (Knicke) verringern hingegen die Stromtragfähigkeit des bandförmigen HTS erheblich.

Zur Anfertigung komplizierterer Leiteranordnungen ist daher ein Übergang der HTS-Materialien auf einen duktilen metallischen Supraleiter wie etwa NbTi erforderlich. Aufgrund der vergleichsweise geringen H_c-Werte dieser Materialien werden diese bevorzugt im Außenbereich von Spulenanordnungen eingesetzt.

Das Kontaktieren von zwei supraleitenden Teilabschnitten einer Leiteranordnung stellt aber grundsätzlich ein Problem dar. Zur Herstellung eines supraleitenden elektrischen Kontakts wird in der Regel ein Lot eingesetzt, das ein geringeres H_c als das übrige Supraleitermaterial besitzt. Dadurch wird der Einsatz der Supraleiteranordnung durch das Lot beschränkt, oder aber die Kontaktstelle (Joint) muss in einen Bereich verringerter Magnetfeldstärke geführt werden. Zumindest jedoch die räumlichen Anordnungen der beteiligten Materialien im Magnetfeld beschränken jeweils für sich den Einsatz der gesamten Supraleiteranordnung.

Besonders problematisch ist die Situation bei HTS-Materialien: Aufgrund der mechanischen Eigenschaften ist ein Herausführen von Joints aus dem Hochfeldbereich eines radial inneren HTS-Spulenabschnitts kaum möglich, und andererseits würde eine Beschränkung der Magnetfeldstärke durch ein Lot oder das duktile metallische Supraleitermaterial den Einsatz von HTS-Materialien sinnlos machen. Aus diesen Gründen können HTS-Materialien bislang nicht mit ihrem vollen Potential in zeitlich hochstabilen und hochhomogenen NMR-Magneten eingesetzt werden.

Für die Herstellung von Joints zwischen zwei bandförmigen BSCCO-Supraleitern werden nach lyer et al., aaO, auf jeweils einer Seite der zu verbindenden bandförmigen Supraleiter das Matrixmaterial (typischerweise Silber) abgeätzt und die freigelegten Supraleiterflächen aufeinandergepresst und bei hoher Temperatur ausgelagert (Lap Joint). Alternativ stoßen die Stirnenden von freigelegten Supraleiterflächen aneinander und werden sodann thermo-mechanisch behandelt (Butt Joint). Bei beiden Techniken wird der Verlauf der Bandrichtung fortgesetzt. Bei beiden Arten von Joints wurde kein Lot eingesetzt; allerdings wird im Bereich der Joints j_c auf etwa ein Drittel von j_c des bandförmigen Supraleiters reduziert. Ähnliche Joints werden in der US 6,133,814 vorgestellt.

Um in supraleitenden Magnetspulensystemen HTS-Materialien mit vollem Potential einsetzen zu können, müssen die inneren, aus HTS-Materialien aufgebauten Spulensektionen mit den äußeren Spulensektionen, die aus duktilem metallischen Supraleitermaterial bestehen, supraleitend werden, ohne dass die Kontaktpunkte oder das metallische Supraleitermaterial die Leistungsfähigkeit des Magnetspulensystems merklich begrenzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine supraleitende Verbindung von einem spröden HTS-Supraleitermaterial auf ein anderes Supraleitermaterial, insbesondere auf einen metallischen Supraleiter, in einem Hochfeld-Magnetspulensystem vorzuschlagen, die den Einsatz des Magnetspulensystems, insbesondere die Leistungsfähigkeit des HTS-Materials, im Wesentlichen nicht begrenzt.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache, aber wirkungsvolle Weise durch eine supraleitende Magnetfeldspule der eingangs vorgestellten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die supraleitende Verbindung eine erste supraleitende Übergangsstelle (Joint) zwischen zwei HTS-Bandleitern umfasst, an welcher der HTS-Bandleiter der radial inneren Spulensektion derart flächig überlappend mit mindestens einem weiteren HTS-Bandleiter verbunden ist, dass die beiden HTS-Bandleiter einen Winkel zwischen 30° und 150°, vorzugsweise ca. 90°, gegeneinander einschließen, und dass elektrisch in Serie mit der ersten eine zweite supraleitende Übergangsstelle vorgesehen ist, die geometrisch in einem Bereich erheblich niedrigerer Magnetfeldstärke angeordnet ist und die den weiteren HTS-Bandleiter mit dem Leiter der radial äußeren Spulensektion elektrisch leitend verbindet.

Der direkte Übergang HTS-Bandleiter der inneren Spulensektion auf einen Leiter der äußeren Spulensektion wird also ersetzt durch einen ersten hochfeldverträglichen Übergang vom HTS-Bandleiter der inneren Spulensektion auf einen weiteren HTS-Bandleiter, der mit einem Richtungswechsel verbunden ist und daher zur Herausführung eines supraleitenden Materialstranges aus dem Hochfeldbereich geeignet ist, und einen zweiten Übergang vom weiteren HTS-Bandleiter auf den Leiter der äußeren Spulensektion, welcher in einem Niederfeldbereich vorgesehen ist. Statt einem Joint werden also erfindungsgemäß mindestens zwei Joints eingerichtet, um das Potential des HTS-Materials der inneren Spulensektion, insbesondere den hohen H_c-Wert, nutzen zu können.

Im Hochfeldbereich wird nur ein Übergang HTS auf HTS (erster Joint) vorgesehen, wohingegen der Übergang HTS auf den Leiter der äußeren Spulensektion (zweiter Joint), ebenso wie das gesamte Leitermaterial der äußeren Spulensektion, in einem Bereich reduzierter Magnetfeldstärke angeordnet ist. Der HTS-HTS-Kontakt ist grundsätzlich mit hohem H_c- und j_c-Wert herstellbar, und die erfindungsgemäße Geometrie des ersten Joints gestattet das notwendige Wegführen des zweiten Joints aus dem Hochfeldbereich.

Eine Auswahl von HTS-Materialien, die in einer erfindungsgemäßen Hochfeld-Magnetspule eingesetzt werden können, findet sich in der US 6,133,814 , Spalte 5, Zeile 35 bis Spalte 8, Zeile 26.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der supraleitenden Hochfeld-Magnetspule ist dadurch gekennzeichnet, dass der HTS-Bandleiter der radial inneren Spulensektion und der weitere HTS-Bandleiter, die an der ersten supraleitenden Übergangsstelle verbunden sind, das gleiche HTS-Material enthalten. Bei ungünstiger Auswahl der verschiedenen, an der ersten supraleitenden Übergangstelle in Kontakt stehenden HTS-Materialien kann es zu einem übermäßigen Absinken von j_c und/oder H_c in diesem Bereich kommen. Dieses Risiko ist durch Verwendung von gleichen HTS-Materialien im Bandleiter der radial inneren Spulensektion und im weiteren HTS-Bandleiter weitgehend minimiert. Für die Herstellung und die Eigenschaften der ersten supraleitenden Übergangsstelle müssen nur die Charakteristika eines Materials berücksichtigt werden.

Bei einer anderen, besonders bevorzugten Ausführungsform enthält der weitere HTS-Bandleiter und der Leiter der radial äußeren Spulensektion, die an der zweiten supraleitenden Übergangsstelle elektrisch leitend verbunden sind, unterschiedliche supraleitende Materialien, insbesondere enthält der Leiter der radial äußeren Spulensektion metallischen Supraleiter, vorzugsweise Nb₃Sn oder NbTi. Bei dieser Ausgestaltung kommen die Vorteile der Erfindung besonders gut zur Geltung, denn NbTi besitzt gute Duktilität (und somit gute Handhabbarkeit) und wird im Niederfeldbereich von Magnetspulensystemen, insbesondere zum elektrischen Kontakt mit äußeren Stromquellen, standardmäßig eingesetzt.

Weiterhin wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen supraleitenden Hochfeld-Magnetspule bevorzugt, bei der die supraleitende Hochfeld-Magnetspule im Betriebszustand supraleitend kurzgeschlossen ist. Dies stellt die Standardanordnung im NMR-Betrieb dar, bei der sich die hohe zeitliche Stabilität des mit der erfindungsgemäßen Hochfeld-Magnetspule erzeugten Magnetfelds zeigt.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass die radial äußere Spulensektion die radial innere Spulensektion in axialer Richtung überragt. Bei einer solchen Anordnung ist eine gute Homogenität des erzeugten Magnetfelds erreichbar. Weiterhin stellt dies die Standardgeometrie von Magnetspulensystemen dar. Für diese Geometrie sind auch keine anderen Lösungen der Aufgabe der Erfindung bekannt geworden.

Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass an der ersten supraleitenden Übergangsstelle der HTS-Bandleiter der radial inneren Spulensektion mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallel angeordneten, weiteren HTS-Bandleitern verbunden ist. Die vergrößerte Zahl von Kontaktstellen erhöht die Kontaktfläche zwischen den beiden HTS-Bandleitern und somit die absolute Stromtragfähigkeit der beiden supraleitenden Übergangsstellen.

Ebenso bevorzugt wird eine Ausführungsform der supraleitenden Hochfeld-Magnetspule, die dadurch gekennzeichnet ist, dass an der ersten supraleitenden Übergangsstelle der HTS-Bandleiter der radial inneren Spulensektion an zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit weiteren HTS-Bandleitern flächig überlappend verbunden ist. Dies erhöht die mechanische Stabilität des Kontakts und trägt ebenfalls zur Erhöhung der Kontaktfläche zwischen den beiden HTS-Bandleitern und damit zur Erhöhung der absoluten Stromtragfähigkeit der ersten supraleitenden Übergangsstelle bei.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Winkel zwischen dem HTS-Bandleiter der radial inneren Spulensektion und dem weiteren HTS-Bandleiter so gewählt ist, dass der weitere HTS-Bandleiter entlang den axial äußeren Kanten von radial weiter außen gelegenen Spulensektionen, die die innere Spulensektion axial überragen, geführt ist. Dies ist eine platzsparende Anordnung, die eine kompakte Bauweise der Hochfeld-Magnetspule gestattet.

Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen supraleitenden Hochfeld-Magnetspule ist dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Spulensektion auf einem Wickelkörper mit Endflanschen gewickelt ist, und dass die erste supraleitende Übergangsstelle in einer Aussparung eines Endflansches angeordnet ist. Damit wird die radiale Ausdehnung des Magnetspulensystems auf den inneren bzw. äußeren Spulenradius begrenzt, und die erste supraleitende Übergangsstelle ragt nicht in den Bereich der Bohrung oder den Bereich radial weiter außen gelegener Spulensektionen hinein.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ebenso eine supraleitende Übergangsstelle (Joint) zwischen zwei HTS-Bandleitern zum Einsatz in einer supraleitenden Hochfeld-Magnetspule der oben beschriebenen Art dergestalt, dass die beiden HTS-Bandleiter an der supraleitenden Übergangsstelle einen Winkel zwischen 30° und 150°, vorzugsweise ca. 90°, gegeneinander einschließen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten 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.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine erfindungsgemäße Hochfeld-Magnetspule;
2: eine erfindungsgemäße Kontaktierung einer inneren Spulensektion einer Hochfeld-Magnetspule;
3: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Joints zwischen zwei HTS-Bandleitern mit einseitiger Kontaktierung;
4: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Joints zwischen HTS-Bandleitern mit doppelseitiger Kontaktierung;
5: eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochfeld-Magnetspule mit kantennaher Führung eines Bandleiters;
6: eine innere Spulensektion einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochfeld-Magnetspule mit einem Endflansch;
7: eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochfeld-Magnetspule mit vier kontaktierenden Bandleitern.
Alle Figuren stellen die Ausführungsformen der Erfindung jeweils schematisch dar.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Hochfeld-Magnetspule 1 dargestellt. Die Hochfeld-Magnetspule 1 besitzt eine radial innere Spulensektion 2 und eine radial äußere Spulensektion 3, die jeweils koaxial um eine Achse 4 angeordnet sind. In der Darstellung sind beide Spulensektionen 2, 3 aus bandförmigen Supraleitern gewickelt, wobei das Supraleitermaterial der inneren Spulensektion 2 ein HTS-Material ist. An einer ersten supraleitenden Übergangsstelle 5 kontaktiert ein weiterer HTS-Bandleiter 6 den HTS-Bandleiter der inneren Spulensektion 2, wobei die beiden Bandleiter näherungsweise einen Winkel von etwa 90° einschließen. Der HTS-Bandleiter 6 verläuft somit etwa parallel zur Achse 4. Das Material der beiden HTS-Bandleiter ist vorzugsweise identisch. Der weitere HTS-Bandleiter 6 ragt deutlich über die äußere Spulensektion 3 hinaus, so dass das obere Ende des weiteren HTS-Bandleiters 6 in einem Bereich niedriger Magnetfeldstärke, verglichen mit dem Bereich der inneren Spulensektion 2, angeordnet ist. An diesem oberen Ende ist eine zweite supraleitende Übergangsstelle 7 vorgesehen, an der der weitere HTS-Bandleiter 6 mit einem ersten supraleitenden Abschnitt 8 kontaktiert ist. Die zweite supraleitende Übergangsstelle 7 befindet sich also im Niederfeldbereich, so dass herkömmliche Joint-Techniken verwendet werden können, insbesondere eine Lot-Kontaktierung. Der supraleitende Abschnitt 8 besteht aus einem duktilen, metallischen Supraleiter wie NbTi, der leicht zur dritten supraleitenden Übergangstelle 9 geführt werden kann, wo der Bandleiter der äußeren Spulensektion 3 kontaktiert wird. Die gesamte, äußere Spulensektion 3 ist einer im Vergleich zur inneren Spulensektion 2 geringeren Magnetfeldstärke ausgesetzt, so dass hier der gleiche metallische Supraleiter eingesetzt werden kann. Über eine vierte supraleitende Übergangsstelle 10 und einen zweiten supraleitenden Abschnitt 11 wird die äußere Spulensektion 3 an einer fünften supraleitenden Übergangsstelle 12 mit einem dritten HTS-Bandleiter 13 verbunden, welcher wiederum über eine weitere erfindungsgemäße supraleitende Übergangsstelle den elektrischen Kontakt zur inneren Spulensektion 2 herstellt. Damit ist die äußere Spulensektion 3 mit der inneren Spulensektion 2 supraleitend kurzgeschlossen.
2 zeigt noch einmal die Kontakte des weiteren HTS-Bandleiters 6 von 1 im Detail. Der HTS-Bandleiter 14 der inneren Spulensektion 2 überlappt mit dem weiteren HTS-Bandleiter 6 in einem Überlappbereich 15. Die beiden HTS-Bandleiter schließen einen Winkel von etwa 90–100° ein. Aufgrund der identischen HTS-Materialien der beiden HTS-Bandleiter 6, 14, die im Bereich 15 miteinander in direktem Kontakt stehen, ist eine hohe Stromtragfähigkeit trotz der herrschenden hohen Magnetfeldstärke im Überlappbereich 15 erfindungsgemäß zu erzielen.
Eine mögliche erfindungsgemäße Ausgestaltung des Überlappbereichs 15 ist in 3 dargestellt. Am linken Ende des HTS-Bandleiters 14 der inneren Spulensektion 2 ist das Hüllmaterial (Matrixmaterial) 16, typischerweise Silber, teilweise abgeätzt, so dass HTS-Material 17 freiliegt. Gleichfalls ist ein Teil des Hüllmaterials 18 des weiteren HTS-Bandleiters 6 abgeätzt worden, so dass auch hier HTS-Material 19 freiliegt. Zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zwischen den beiden Bandleitern 6, 14 werden die beiden freiliegenden Flächen der HTS-Materialien 17, 19 aufeinandergelegt und aneinandergepresst.
Einen innigeren Kontakt kann eine beidseitige Kontaktierung gewährleisten, die in 4 erläutert ist. Ein Ende eines HTS-Bandleiters 20, z. B. zur inneren Spulensektion 2 gehörig, wurde von der oberen und unteren Bandfläche (in der Figur am HTS-Bandleiter 20 vorne und hinten) aus abgeätzt, so dass tiefer liegende Flächen entstehen, die jeweils Hüllmaterial 23 und HTS-Material 24 darbieten. Weitere HTS-Bandleiter 21, 22 wurden ebenfalls an ihren in der 4 unteren Enden abgeätzt, so dass nur wenig Hüllmaterial 25, aber reichlich HTS-Material 26 freiliegt. Die freiliegenden Flächen des HTS-Bandleiters 20 und der HTS-Bandleiter 21, 22 werden zur Kontaktierung aufeinandergepresst, wobei der beidseitig abgeätzte Bereich des HTS-Bandleiters 20 sandwichartig zwischen den abgeätzten Bereichen der einseitig abgeätzten HTS-Bandleiter 21, 22 angeordnet wird.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochfeld-Magnetspule 27 dargestellt. An einem erfindungsgemäßen supraleitenden Übergang 28 wird der HTS-Bandleiter der inneren Spulensektion 2 mit einem weiteren HTS-Bandleiter 29 kontaktiert. Dieser wird schräg aus dem Inneren der Hochfeld-Magnetspule 27 herausgeführt, und zwar etwa entlang der Kanten 30, 31 der radial äußeren Spulensektionen 32, 33. Durch diese Führung des weitern HTS-Bandleiters 29 kann eine platzsparende Bauweise der Hochfeld-Magnetspule 27 erreicht werden.
6 zeigt eine Ausführungsform einer inneren Spulensektion 2 einer erfindungsgemäßen Hochfeld-Magnetspule. Die innere Spulensektion 2 weist an ihrem oberen Ende einen Flansch 34 auf, der eine Aussparung 35 besitzt. In dieser Aussparung 35 endet der HTS-Bandleiter 36 der inneren Spulensektion 2 an einer ersten supraleitenden Übergangsstelle 5, die den HTS-Bandleiter 36 der inneren Spulenssektion 2 mit dem weiteren bandförmigen Supraleiter 6 verbindet, der eine supraleitende elektrische Verbindung in einen Bereich niedrigerer Magnetfeldstärke herstellt. Durch diese Bauweise kann die Bohrung 37 und auch der radiale Außenbereich der inneren Spulensektion 2 vom weiteren HTS-Bandleiter 6 freigehalten werden, um so eine kompaktere Bauweise oder auch einen besseren Zugang zum Arbeitsvolumen im Inneren der Bohrung 37 zu erhalten.
Eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochfeld-Magnetspule 38 zeigt 7. Der HTS-Bandleiter der inneren Spulensektion 2 wird an vier supraleitenden Übergangsstellen 39 von vier weiteren HTS-Bandleitern 40 kontaktiert. Diese verlaufen etwa parallel zur Achse 4 und enden in vier weiteren supraleitenden Übergangsstellen 41, die über das supraleitende Übergangsstück 42 und die dritte supraleitende Übergangsstelle 9 mit der äußeren Spulensektion 3 verbunden sind. Die Vielzahl von parallel verlaufenden weiteren HTS-Bandleitern 40 erhöht die Stromtragfähigkeit und Zuverlässigkeit der Hochfeld-Magnetspule 38.

Claims

Supraleitende Hochfeld-Magnetspule (1; 27; 38) mit mindestens einer radial inneren (2) und mindestens einer radial äußeren Spulensektion (3; 32, 33), wobei mindestens die radial innere Spulensektion (2) mit einem HTS (=Hochtemperatur-Supraleiter)-Bandleiter (14; 20; 36) solenoidförmig gewickelt ist, und wobei mindestens eine supraleitende Verbindung zwischen dem HTS-Bandleiter (14; 20; 36) der radial inneren Spulensektion (2) und dem Leiter der radial äußeren Spulensektion (3; 32, 33) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Verbindung eine erste supraleitende Übergangsstelle (Joint) (5; 39) zwischen zwei HTS-Bandleitern (14; 20; 36; 6; 21, 22; 29; 40) umfasst, an welcher der HTS-Bandleiter (14; 20; 36) der radial inneren Spulensektion (2) derart flächig überlappend mit mindestens einem weiteren HTS-Bandleiter (6; 21, 22; 29; 40) verbunden ist, dass die beiden HTS-Bandleiter (14; 20; 36; 6; 21, 22; 29; 40) einen Winkel zwischen 30° und 150°, vorzugsweise ca. 90°, gegeneinander einschließen, und dass elektrisch in Serie mit der ersten (5; 39) eine zweite supraleitende Übergangsstelle (7; 41) vorgesehen ist, die geometrisch in einem Bereich erheblich niedrigerer Magnetfeldstärke angeordnet ist und die den weiteren HTS-Bandleiter (6; 21, 22; 29; 41) mit dem Leiter der radial äußeren Spulensektion (3; 32, 33) elektrisch leitend verbindet.
Supraleitende Hochfeld-Magnetspule (1; 27; 38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der HTS-Bandleiter (14; 20; 36) der radial inneren Spulensektion (2) und der weitere HTS-Bandleiter (6; 21, 22; 29; 40), die an der ersten supraleitenden Übergangsstelle (5; 39) verbunden sind, das gleiche HTS-Material (17, 19; 24, 26) enthalten.
Supraleitende Hochfeld-Magnetspule (1; 27; 38) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere HTS-Bandleiter (6; 21, 22; 29; 40) und der Leiter der radial äußeren Spulensektion (3; 32, 33), die an der zweiten supraleitenden Übergangsstelle (7; 41) elektrisch leitend verbunden sind, unterschiedliche supraleitende Materialien enthalten, insbesondere dass der Leiter der radial äußeren Spulensektion (3; 32, 33) metallischen Supraleiter, vorzugsweise Nb₃Sn oder NbTi enthält.
Supraleitende Hochfeld-Magnetspule (1; 27; 38) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Hochfeld-Magnetspule (1; 27; 38) im Betriebszustand supraleitend kurzgeschlossen ist.
Supraleitende Hochfeld-Magnetspule (1; 27; 38) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußere Spulensektion (3; 32, 33) die radial innere Spulensektion (2) in axialer Richtung überragt.
Supraleitende Hochfeld-Magnetspule (1; 27; 38) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten supraleitenden Übergangsstelle (5; 39) der HTS-Bandleiter (14; 20; 36) der radial inneren Spulensektion (2) mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallel angeordneten, weiteren HTS-Bandleitern (40) verbunden ist.
Supraleitende Hochfeld-Magnetspule nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten supraleitenden Übergangsstelle (5; 39) der HTS-Bandleiter (20) der radial inneren Spulensektion (2) an zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit weiteren HTS-Bandleitern (21, 22) flächig überlappend verbunden ist.
Supraleitende Hochfeld-Magnetspule (1; 27; 38) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen dem HTS-Bandleiter (14; 20; 36) der radial inneren Spulensektion (2) und dem weiteren HTS-Bandleiter (29) so gewählt ist, dass der weitere HTS-Bandleiter (29) entlang den axial äußeren Kanten (30, 31) von radial weiter außen gelegenen Spulensektionen (32, 33), die die innere Spulensektion (2) axial überragen, geführt ist.
Supraleitende Hochfeld-Magnetspule (1; 27; 38) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Spulensektion (2) auf einem Wickelkörper mit Endflanschen (34) gewickelt ist, und dass die erste supraleitende Übergangsstelle (5) in einer Aussparung (35) eines Endflansches (34) angeordnet ist.
Supraleitende Übergangsstelle (Joint) (5; 39) zwischen zwei HTS-Bandleitern (14; 20; 36; 6; 21, 22; 29; 40) zum Einsatz in einer supraleitenden Hochfeld-Magnetspule (1; 27; 38) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden HTS-Bandleiter (14; 20; 36; 6; 21, 22; 29; 40) an der supraleitenden Übergangsstelle (5, 39) einen Winkel zwischen 30° und 150°, vorzugsweise ca. 90°, gegeneinander einschließen.