DE10354676A1

DE10354676A1 - Niederresistive Abschirmung

Info

Publication number: DE10354676A1
Application number: DE10354676A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr.-Dipl.-Phys. Westphal
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2003-11-22
Filing date: 2003-11-22
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-11-23
Also published as: GB0425275D0; DE10354676B4; GB2408348A; US7196600B2; GB2408348B; US20050110602A1

Abstract

Eine flächenhafte, mehrlagige Anordnung (1; 1a-1f), von Supraleiterdrähten (4, 5) mit normalleitendem Substrat (17) und mindestens einer mit dem Substrat (17) elektrisch leitend verbundenen, bei vorgegebenen Betriebsbedingungen supraleitenden Faser (16), ist dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleiterdrähte (4, 5) in den jeweiligen Lagen (2, 3; 22, 23) überwiegend kreuzungsfrei angeordnet sind, dass zwischen den Supraleiterdrähten (4, 5) verschiedener Lagen (2, 3; 22, 23) ein resistiver, elektrischer Kontakt besteht, dass sich die Supraleiterdrähte (4, 5) mindestens zweier benachbarter Lagen (2, 3; 22, 23) kreuzen und dass in der Anordnung (1; 1a-1f) keine geschlossenen supraleitenden Schleifen auftreten. Die Anordnung ermöglicht eine Abschirmung des Arbeitsvolumens einer Magnetspulenanordnung, die niederfrequente Störfelder effizient und zuverlässig abschirmen kann.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine flächenhafte, mehrlagige Anordnung von Supraleiterdrähten mit normalleitendem Substrat und mindestens einer mit dem Substrat elektrisch leitend verbundenen, bei vorgegebenen Betriebsbedingungen supraleitenden Faser.

Eine derartige elektrisch leitfähige, flächenhafte Anordnung ist beispielsweise aus der US 5,701,744 bekannt.

Im Bereich von Kernspinresonanz(=NMR)-Spektroskopie oder auch von bildgebenden Verfahren der Magnetresonanz (=MRI) werden starke Magnetfelder angewandt. Diese Magnetfelder werden mittels supraleitender Magnetspulensysteme erzeugt. Optimale Messbedingungen liegen insbesondere dann vor, wenn das Arbeitsvolumen im Inneren des Magnetspulensystems von äußeren, zeitlichen Magnetfeldschwankungen (= Störfeldern) unbeeinflusst bleibt.

Solche Störfelder können insbesondere durch Kühlsysteme auftreten, die die supraleitenden Magnetspulen kühlen. Verbreitete Kühlsysteme arbeiten mit einer periodisch ablaufenden adiabatischen Expansion eines Arbeitsgases wie Helium, wobei ein Störfeld gleicher Periode erzeugt wird. Das Störfeld wird beispielsweise durch einen beweglichen ferromagnetischen Kolben oder eine magnetische Phasenumwandlung in einem Regeneratormaterial erzeugt. Die Kühlsysteme besitzen relativ lange Arbeitsperioden im Bereich einer Sekunde (entsprechend einer niedrigen Arbeitsfrequenz von ca. 1 Hz).

Um den Einfluss von Störfeldern auf das Arbeitsvolumen zu verringern, ist es bekannt, ein periodisches Zusatzfeld mittels Magnetspulen zu erzeugen, um entsprechend periodische Störfelder im Arbeitsvolumen aktiv zu kompensieren. Die Erzeugung eines eine Störung genau kompensierendes Zusatzfeldes ist jedoch sehr schwierig.

Auch ist es bekannt, das Arbeitsvolumen durch einen Kupferzylinder induktiv abzuschirmen. Die Kupferabschirmung arbeitet bei hohen Störfrequenzen effizient. Bei niedrigen Störfrequenzen, insbesondere um 1 Hz, ist diese Abschirmung aber mangelhaft.

Ebenso bekannt ist es, mittels einer supraleitenden Abschirmmanschette, die lokal um die Störquelle angeordnet ist, Störfelder zu neutralisieren, vgl.

US 5,701,744 . Dazu wird ein flächenhafter Supraleiter in der Manschette eingesetzt. Solche flächenhaften Supraleiter neigen aber zu Instabilitäten, da die Strompfade nicht eindeutig definiert sind. Beispielsweise kann bei geringfügigen Temperaturschwankungen die Supraleitung kurzzeitig zusammenbrechen, wodurch starke Magnetfeldstörungen im Arbeitsvolumen auftreten.

Die US 5,701,744 soll im folgenden näher erläutert werden. Darin ist ein Hauptfeldmagnet einer Magnetresonanzapparatur mit supraleitender Hauptfeldspule beschrieben. Dieser hat die Aufgabe, in einem Arbeitsvolumen ein zeitlich und räumlich konstantes Magnetfeld erzeugen. Die Hauptfeldspule befindet sich in einem Kryostaten in einem Bad mit flüssigem Helium. Der Verbrauch an teurem flüssigen Helium wird dadurch vermieden, dass ein Refrigerator mit einem an dem Kryostaten befestigten Kaltkopf verwendet wird. Der in der US 5,701,744 beschriebene Kaltkopf besitzt ein besonders gutes Kühlvermögen, weil in seinem kalten Bereich ein sogenanntes Regeneratormaterial aus Er und Ni oder Ho und Cu verwendet wird, das bei den niedrigen Betriebstemperaturen im Bereich von 3-20 K eine magnetische Phasenumwandlung erfährt. Das bei tiefen Temperaturen in der Regel ferrimagnetische Material magnetisiert sich nun in dem Hintergrundfeld des Hauptfeldmagneten auf. Ein Problem entsteht nun dadurch, dass das magnetisierte Regeneratormaterial bei dem in der US 5,701,744 beschriebenem Typ von Kaltköpfen nach dem Gifford McMahon Prinzip periodisch hin und her bewegt wird und so für das Magnetfeld in dem Arbeitsvolumen eine zeitlich veränderliche magnetische Störquelle darstellt. Bei moderneren Kühlern nach dem Pulsrohr-Prinzip, die beispielsweise von der Firma Cryomech Inc. Syracuse, NY, US hergestellt werden, ist dieses Problem bereits erheblich dadurch reduziert, dass das Regeneratormaterial nicht mehr bewegt wird. Dennoch stellt das Regeneratormaterial auch hier noch eine zeitlich periodische magnetische Störquelle mit reduzierter Stärke deshalb dar, weil sich im Betrieb die Temperatur des Regeneratormaterials und damit der aufmagnetisierte Volumenanteil periodisch ändert. Dies stellt bei Magnetresonanzapparaturen mit besonderen Qualitätsanforderungen immer noch ein Problem dar. Die Frequenz dieser durch den Betrieb von periodisch arbeitenden Refrigeratoren verursachten Störungen liegt zwischen 0,1 Hz und 10 Hz.

In der US 5,701,744 wird als Lösung vorgeschlagen, den sogenannten Kaltfinger des Kaltkopfes, in dem sich das Regeneratormaterial befindet, mit einer Manschette aus einer supraleitenden Wismutlegierung, vorzugsweise Blei-Wismut zu umgeben. In einer solchen Manschette aus einem idealen Supraleiterwerkstoff stellen sich Abschirmströme ein, welche die von dem eingeschlossenen Regeneratormaterial ausgehenden magnetischen Störfelder in ihrer Wirkung außerhalb der Manschette, wo auch das Untersuchungsvolumen der Magnetresonanzapparatur liegt, weitgehend kompensieren. Aus den Abmessungen der Kaltfinger von handelsüblichen Kühlern ergibt sich, dass eine solche Manschette einen Durchmesser von mindestens etwa 0,05 m und eine Länge von mindestens 0,1 m besitzt.

Eine Manschette aus einem Supraleiterwerkstoff schirmt nun prinzipiell nicht nur die von dem umschlossenen Regeneratormaterial ausgehenden magnetischen Störfelder nach außen, sondern auch den von ihr umschlossenen Innenraum gegen das statische Magnetfeld des Hauptfeldmagneten mit entsprechenden Abschirmströmen ab. Problematisch wird dies nun dadurch, dass der Supraleiterwerkstoff der Manschette zwangsläufig flächenhaft mit Querabmessungen von der Größenordnung 0,1 m ausgebildet ist und technische Supraleiter bereits bei Querabmessungen unterhalb 1 mm zu Instabilitäten neigen, bei denen ein plötzlicher Übergang in den normalleitenden Zustand und damit verbunden ein plötzlicher Abfall der Abschirmströme erfolgt. Dies führt zu besonders starken Störungen des Magnetfelds im Arbeitsvolumen der NMR-Apparatur, die es eigentlich zu vermeiden gilt.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, eine Abschirmung für das Arbeitsvolumen einer Magnetspulenanordnung vorzustellen, die niederfrequente Störfelder effizient und zuverlässig abschirmen kann.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Anordnung der eingangs vorgestellten Art dadurch gelöst, dass die Supraleiterdrähte in den jeweiligen Lagen überwiegend kreuzungsfrei angeordnet sind, dass zwischen den Supraleiterdrähten verschiedener Lagen ein resistiver, elektrischer Kontakt besteht, dass sich die Supraleiterdrähte mindestens zweier benachbarter Lagen kreuzen, und dass in der Anordnung keine geschlossenen supraleitenden Schleifen auftreten.

Aus der erfindungsgemäßen, flächenhaften Anordnung kann ein Abschirmkörper oder -zylinder angefertigt werden, der das Arbeitsvolumen umgibt. Alternativ umgibt ein aus einer erfindungsgemäßen flächenhaften Anordnung gefertigter Abschirmkörper oder -zylinder lokal eine Störfeldquelle, etwa den Kühlkopf eines Refrigerators.

Da nun beispielsweise die von Refrigeratoren verursachten magnetischen Störungen zeitlich periodisch sind und damit nur Frequenzanteile oberhalb und einschließlich bestimmter Werte (um 0,1 bis 10 Hz) besitzen, ist es erfindungsgemäß möglich, dass man resistive Abschirmkörper verwendet, in denen anstelle von den bei supraleitenden Körpern theoretisch erwarteten abschirmenden Dauerströmen mit unendlicher Zeitkonstante ebenfalls abschirmende Wirbelströme fließen, die jedoch nur oberhalb einer hinreichend niedrigen Grenzfrequenz hinreichend gutes Abschirmverhalten zeigen. Die elektrische Leitfähigkeit reiner Metalle wie beispielsweise von Kupfer bei tiefen Temperaturen von etwa 5 K ist hier jedoch in der Regel nicht ausreichend.

Die flächenhafte Anordnung weist eine gegenüber Kupfer sehr viel bessere effektive elektrische Leitfähigkeit auf, da die Stromleitung größtenteils widerstandsfrei über supraleitende Fasern erfolgt, und nur über kurze Strecken durch resistives Material wie etwa Kupfer. Da der elektrische Widerstand der erfindungsgemäßen Anordnung nicht verschwindet, kann ein magnetisches Feld im Inneren der Abschirmung aufgebaut werden. Somit kann auch ein von einer erfindungsgemäßen, abschirmenden Anordnung umgebenes Arbeitsvolumen mittels einer Hauptfeldspule problemlos einem starken Magnetfeld beaufschlagt werden, etwa beim Laden der Hauptfeldspule.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird durch eine Mehrzahl einzelner Supraleiterdrähte aufgebaut, wobei die Supraleiterdrähte aufgrund der überwiegenden Kreuzungsfreiheit zumindest abschnittsweise eine bevorzugte Stromflussrichtung vorgeben. Die Strompfade sind insofern ausreichend definiert, so dass eine Instabilität in der Supraleitung, wie sie bei bekannten flächenhaften Supraleitern auftreten kann, ausgeschlossen ist.

Bei dem Transport von elektrischem Strom innerhalb der flächenhaften Anordnung in Richtung der Supraleiterdrähte in der einen oder anderen Lage übernehmen die Supraleiterdrähte in Stromrichtung den Stromtransport ausschließlich, und der elektrische Widerstand verschwindet völlig. Bei dem allgemeinen Fall des Transports von elektrischem Strom innerhalb der flächenhaften Anordnung, der nicht in Richtung der Supraleiterdrähte in der einen oder anderen Lage erfolgt, stellt sich eine Stromverteilung ein, bei der die sich kreuzenden Supraleiterdrähte den Strom proportional zum Kosinus ihrer Richtung zur Stromrichtung ohne Widerstandsbeitrag transportieren. Außerdem erfolgt entsprechend der Kontinuitätsgleichung ein widerstandsbehafteter Stromausgleich zwischen den Lagen transversal zur der Fläche der Anordnung. Dieser Stromausgleich erfolgt nun grundsätzlich über die extrem kleine Distanz t des transversalen Abstands der supraleitenden Fasern der Supraleiterdrähte in den benachbarten Lagen und verteilt sich auf große Übertrittsflächen A von der Größenordnung der Fläche der Anordnung selbst, so dass sich gemäß der Formel R = ρ t/A (ρ: spezifischer elektrischer Widerstand des Substrates) trotz des prinzipiell resistiven Stromausgleichs extrem kleine Widerstände R für den Stromtransport ergeben. Die mindestens eine supraleitende Faser kann auch bandförmig und in diesem Fall nur an einer Seite elektrisch leitend mit dem Substrat verbunden sein. Das Substrat ist bei kommerziellen Supraleiterdrähten häufig Kupfer mit hoher Reinheit und deshalb hoher elektrischer Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen. Ein anderer Substratwerkstoff mit gezielt kleinerer elektrischer Leitfähigkeit ist beispielsweise eine Kupfer-Nickel Legierung.

Die bei einer Abschirmung entstehenden Wirbelströme fließen stets zum Teil in einer zur Faserrichtung nicht parallelen Richtung, so dass sich effektiv stets eine von null verschiedene elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung für den Wirbelstrom einstellt.

Die Supraleiterdrähte bestehen bevorzugt aus einer resistiv leitfähigen Ummantelung (etwa einer Kupferummantelung) sowie mindestens einer supraleitenden Faser, die von der Ummantelung vollständig umgeben wird. In der Regel ist ein Bündel von supraleitenden Fasern von der Ummantelung vollständig umgeben, und die Fasern eines Bündels stehen zumindest teilweise in direktem Kontakt. Insbesondere kann der Supraleiterdraht ein Multifilamentdraht sein. Die Supraleiterdrähte können in ihrer Außengestalt bandförmig oder auch rund ausgebildet sein.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sieht vor, dass die Supraleiterdrähte einer ersten Lage als Kettfäden und die Supraleiterdrähte einer zweiten Lage als Schussfäden ein Gewebe bilden und sich dadurch die beiden Lagen räumlich durchdringen. Ein Vorteil eines solchen Gewebes besteht darin, dass es auch ohne die Verwendung eines Lotes eine biegsame, mechanisch stabile Anordnung darstellt. Um den elektrischen Kontakt zwischen den Lagen zu verbessern und die Dicke der Anordnung gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn man das Gewebe flach walzt. Auf diese Weise erhält man einen sehr niedrigen elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den Lagen, der noch erheblich kleiner ist als bei der Verwendung von Lot, welches als Legierung stets einen bei tiefen Temperaturen relativ großen Kontaktwiderstand verursacht.

Bei einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform bilden die Lagen im Wesentlichen zueinander parallele Flächen, insbesondere zueinander parallele, gekrümmte Flächen. Auf diese Weise wird ein besonders einfaches, erstes Herstellungsverfahren möglich, bei welchem die Lagen einzeln hergestellt werden und anschließend miteinander verbunden werden. Man kann eine Lage beispielsweise aus mit einem Lot beschichteten Supraleiterdraht herstellen, den man zunächst Windung neben Windung dicht auf einen zylindrischen Wickelkörper aufwickelt, und das Lot anschließend durch Erwärmen zum Aufschmelzen bringt, so dass die nebeneinanderliegenden und miteinander verlöteten Windungen einen ersten flächenhaften Körper bilden. Diesen flächenhaften Körper kann man parallel zur Achse des Wickelkörpers aufschneiden und als erste Lage in einer erfindungsgemäßen Anordnung verwenden. Man kann stattdessen auch einen spiralförmig aufgewickelten Supraleiterdraht verwenden. Auch hier ist es hilfreich, wenn der Supraleiter mit einem Lot beschichtet ist und sich nach dem Aufwickeln durch Erwärmen zu einem flächenhaften Körper formen lässt.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der die Supraleiterdrähte mindestens zweier Lagen in der jeweiligen Lage parallel zueinander angeordnet sind und die beiden Lagen miteinander mit einem bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen normalleitenden Lot verlötet sind. Hier ist das einfache Herstellungsverfahren für jede einzelne Lage durch Bewickeln eines zylindrischen Wickelkörpers mit Lot beschichtetem Supraleiterdraht, Verlöten und Aufschneiden möglich, wie bereits im letzten Abschnitt beschrieben. Man kann nun zwei derartige flächenhafte Körper in der Weise aufeinanderlegen, dass die Supraleiterdrähte in beiden Körpern einen endlichen Winkel miteinander bilden und dann beide Körper durch Erwärmen miteinander verlöten. Auf diese Weise wird eine mechanisch stabile, biegsame, erfindungsgemäße flächenhafte Anordnung hergestellt, bei der beide Lagen durch das Löten zuverlässig elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsform sind die Supraleiterdrähte mindestens einer Lage mit einem bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen normalleitenden Lot auf einem flächigen und bei den Betriebsbedingungen normalleitenden Tragekörper aufgelötet. Der Tragekörper ist beispielsweise ein dünnes Blech aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Auf diese Weise lässt sich eine einzelne Lage der erfindungsgemäßen Anordnung biegsam und dennoch mechanisch stabil herstellen. Ferner besteht die Möglichkeit, solche Tragekörper zwischen den Lagen anzuordnen, und durch die Auswahl des Materials des Tragekörpers und/oder seiner elektrischen Leitfähigkeit und/oder seiner Dicke den elektrischen Widerstand der erfindungsgemäßen Anordnung gezielt zu beeinflussen.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der sich die Supraleiterdrähte mindestens zweier Lagen unter Winkeln von mindestens 30° miteinander kreuzen. Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass sich die Supraleiterdrähte zweier Lagen unter einem Winkel von 90° miteinander kreuzen. Auf diese Weise werden Stromrichtungen mit relativ hohem elektrischen Widerstand vermieden.

Vorteilhaft ist weiterhin eine Weiterbildung, bei der Supraleiterdrähte der Lagen mit einem flächigen Tragekörper mittelbar miteinander mit einem bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen normalleitenden Lot miteinander verlötet sind. Auf diese Weise entsteht eine biegsame, mechanisch stabile Anordnung mit zuverlässigem elektrischen Kontakt zwischen den Lagen.

Um die Dicke der flächenhaften Anordnung und außerdem die benötigte Menge an teurem Supraleiterdraht klein zu halten, werden in vielen Fällen Ausführungsformen bevorzugt, bei denen die Superleiterdrähte einen flachen Querschnitt mit großer Breitenausdehnung parallel zur Fläche und geringer Höhenausdehnung senkrecht dazu besitzen.

In einer Vielzahl von Anwendungen werden Ausführungsformen bevorzugt, bei denen die mindestens eine supraleitende Faser in den Supraleiterdrähten mindestens einer Lage ein Tieftemperatursupraleiter ist, der nur bei Temperaturen unterhalb einer kritischen Temperatur, die unterhalb von 30 K liegt, supraleitend ist. Der Vorteil liegt in den relativ niedrigen Herstellungskosten und der einfachen Handhabung von Tieftemperatursupraleitern. Eine gut geeignete Supraleiterlegierung ist hier Niob-Titan. Solche Ausführungsformen haben dann den Vorzug, wenn die erfindungsgemäße Anordnung Teil eines Systems ist, bei dem Betriebstemperaturen unterhalb 30 K aus anderen Gründen erforderlich sind, beispielsweise beim Betrieb von Hauptfeldmagneten von Magnetresonanzapparaturen.

Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass die mindestens eine supraleitende Faser in den Supraleiterdrähten mindestens einer Lage ein Hochtemperatursupraleiter ist, der bei Temperaturen unterhalb einer kritischen Temperatur, die oberhalb von 30 K liegt, supraleitend ist. Hier kann der technische und finanzielle Aufwand zum Kühlen der Anordnung erheblich kleiner als bei der Verwendung von Tieftemperatursupraleitern sein.

Bevorzugt wird weiterhin eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der mindestens zwei Lagen jeweils aus in der Fläche nebeneinander angeordneten Teillagen bestehen, wobei die Teillagen einer Lage jeweils nicht oder nur resistiv direkt elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Grenzen zwischen den Teillagen der beiden Lagen in der Fläche gegeneinander verschoben sind. Dabei überlappen die Teillagen verschiedener Lagen miteinander, und es kann in den überlappenden Bereichen ein widerstandsarmer transversaler Stromtransport erfolgen. Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, größere flächenhafte Anordnungen aus kleineren Teillagen, die miteinander überlappen, aufzubauen. Man kann durch die Wahl der Formen und der Größen der Teillagen auch den elektrischen Widerstand der erfindungsgemäßen Anordnungen von unerwünscht kleinen Werten gezielt auf größere Werte verändern. Benachbarte Teillagen können auch fischschuppenartig oder dachziegelartig überlappen, d.h. eine Teillage liegt an einer ersten Seite flach unter einer benachbarten Teillage, und an einer gegenüberliegenden Seite flach oberhalb einer benachbarten Teillage.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die flächige Anordnung als geschlossene Zylinderoberfläche, insbesondere als Kreiszylinderoberfläche ausgebildet. Zylinderoberflächen teilen ihre Umgebung in zwei Halbräume auf, einen Innenraum und einen Außenraum. Eine elektrisch leitfähige, flächenhafte Anordnung in Form einer geschlossenen Zylinderoberfläche ist grundsätzlich geeignet, den Innenraum gegen zeitlich veränderliche hochfrequente magnetische Störfeldquellen im Außenraum abzuschirmen und umgekehrt den Außenraum gegen hochfrequente magnetische Störquellen im Innenraum. Eine theoretisch ideale Anordnung ist hier ein unendlich langer Zylinder mit unendlicher elektrischer Leitfähigkeit. Die unendliche Länge bewirkt dabei eine vollständige räumliche Trennung zwischen der magnetischen Störquelle und dem abzuschirmenden Bereich. Auf der Oberfläche des Zylinders werden dabei, unabhängig von der geometrischen Form der Störquelle, Abschirmströme mit einer solchen flächenhaften Verteilung induziert, dass das Magnetfeld auf der anderen Seite völlig unverändert bleibt. Wenn nun die elektrische Leitfähigkeit der Anordnung endlich wird, gilt dies immer noch in guter Näherung, jedoch nur für Feldstörungen hinreichend hoher Frequenz. Gemäß der Lehre der Erfindung kann die Leitfähigkeit aber so hoch gewählt werden, dass auch relativ niederfrequente Feldstörungen abgeschirmt werden können, die mit vollständig normalleitenden Abschirmungen nicht abgeschirmt werden könnten.

Eine erfindungsgemäße Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass durch Wahl und Anordnung der Supraleiterdrähte sowie der verwendeten resistiven Materialien die Zeitkonstante eines in Umfangsrichtung des Zylinders fließenden induzierten Stroms auf einen vorgegebenen Wert eingestellt ist, vorzugsweise zwischen 1 Sekunde und 5 Minuten. Auf diese Weise wird es möglich, einerseits auch Störungen mit relativ niedriger Frequenz, beispielsweise im Bereich unter 1 Hz abzuschirmen, man kann jedoch beispielsweise einen supraleitenden Magneten einer Magnetresonanzapparatur, in welchen eine solche Anordnung eingebaut ist und der Lade- und Entladezeiten von einigen Stunden besitzt, noch laden oder entladen. Die Zeitkonstante τ eines in Umfangsrichtung des Zylinders fließenden induzierten Stroms ergibt sich als Quotient aus der mit dem Strom verbundenen Induktivität L und dem mit dem Strom verbundenen elektrischen Widerstand R: τ = L/R.

Dabei kann die Zeitkonstante τ durch den elektrischen Widerstand R und der elektrische Widerstand R durch die Wahl und Anordnung der Supraleiterdrähte in miteinander überlappenden Teillagen und durch die Wahl der verwendeten resistiven Materialien beim Substrat der Supraleiterdrähte und bei den flächigen Tragekörpern und Loten in weiten Grenzen gezielt eingestellt werden. Insbesondere lassen sich mit solchen Anordnungen besonders kleine Widerstände und damit besonders große Zeitkonstanten einstellen.

Bevorzugt wird auch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei der die Supraleiterdrähte bei gezielt vorgegebenen Werten der Strombelastung bei den Betriebsbedingungen durch die Auswahl ihrer supraleitenden Eigenschaften vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergehen. Auf diese Weise besitzen die Anordnungen die gewünschten extrem kleinen elektrischen Widerstände nur bis zu der eingestellten vorgegebenen Strombelastung und nehmen bei größeren Strombelastungen vergleichsweise große Werte für den elektrischen Widerstand an. Man kann dies für unterschiedliche Zwecke vorteilhaft ausnutzen. Beispielsweise erhält man auch bei vergleichsweise kleinen Werten für die vorgegebene Strombelastung gutes Abschirmverhalten gegen zeitlich veränderliche Feldstörungen mit den typischerweise sehr kleinen Abschirmströmen. Andererseits gehen zylindrische Anordnungen, die in die Wicklung eines supraleitenden Hauptfeldmagneten integriert sind, im Falle eines Quenchs des Hauptfeldmagneten frühzeitig in den dann erwünschten widerstandsbehafteten normalleitenden Zustand über, in dem sie keine großen Ströme mehr tragen und infolgedessen keine unerwünschten großen magnetischen Streufelder mehr erzeugen.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Magnetsystem, insbesondere einer NMR-, MRI- oder ICR(=Ion-Cyclotron-Resonance)-Apparatur, die mindestens eine oben beschriebene erfindungsgemäße Anordnung umfasst. Bei solchen Magnetsystemen ist eine besonders große zeitliche Stabilität des von ihnen jeweils in einem Arbeitsvolumen erzeugten Magnetfeldes erforderlich, und die Abschirmung zeitlich veränderlicher Feldstörungen mit den erfindungsgemäßen Anordnungen ist besonders wirkungsvoll.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems mit einer insbesondere in einem Heliumtank eines Kryostaten angeordneten, vorzugsweise aktiv abgeschirmten, supraleitenden Magnetspule, wobei die Anordnung auf einem zylindrischen Tragekörper insbesondere auf einer Wand des Heliumtanks oder auf den äußersten Windungen der supraleitenden Magnetspule oder eines Teils desselben aufgebracht ist. Bevorzugt ist die Magnetspule zylindersymmetrisch. Solche zylindersymmetrischen Magnetspulen zur Erzeugung der großen zeitlich stabilen Magnetfelder in NMR-MRI- oder ICR-Apparaturen sind einerseits in der Herstellung besonders kostengünstig. Andererseits ist der Einbau der bevorzugt zylindrischen erfindungsgemäßen Anordnungen auf den naturgemäß zylindrischen Bauteilen der Magnetspule besonders einfach und Platz sparend möglich. Bei Magnetspulen in einem Heliumtank eines Kryostaten liegt die Betriebstemperatur der Magnetspule und der Anordnung in einem Bereich unterhalb von 5 K. Bei dieser Temperatur können in der Anordnung Supraleiter mit Fasern aus Tieftemperatursupraleiter verwendet werden, die besonders kostengünstig herzustellen sind.

Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform des Magnetsystems sieht vor, dass es eine Refrigeratorkühlung für die supraleitende Magnetspule umfasst und dass die Anordnung der Abschirmung elektromagnetischer Störungen verursacht durch die Refrigeratorkühlung dient, wobei vorzugsweise die Anordnung einen Kaltkopf der Refrigeratorkühlung weitgehend umgibt. Kühlfinger nach dem Stand der Technik umfassen magnetische Werkstoffe mit zeitlich periodisch veränderten magnetischen Eigenschaften oder zeitlich periodisch bewegte magnetische Teile mit Frequenzen im Bereich 0,1 Hz – 10 Hz, die magnetische Feldstörungen mit diesen Frequenzen erzeugen. Diese lassen sich mit den erfindungsgemäßen Anordnungen besonders wirksam abschirmen. Wenn die Anordnung den Kühlfinger beispielsweise in Form eines Bechers weitgehend umgibt, wird eine besonders gute Abschirmwirkung erzielt.

Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Magnetsystem mindestens eine Anordnung umfasst, die Abschirmspulen der supraleitenden Magnetspule umgibt oder in diese integriert ist. In diesem Falle schirmt die Anordnung einerseits das zu stabilisierende Magnetfeld im Zentrum des Magnetsystems gegen alle magnetischen Störquellen ab, die sich radial außerhalb der Anordnung befinden. Andererseits wird auf diese Weise auch das durch die Abschirmspulen sehr niedrig gehaltene magnetische Streufeld in dem Raum außerhalb der Anordnung bei einem Quench, d.h. bei einem Übergang der radial innerhalb der Anordnung liegenden supraleitenden Magnetspule in den normalleitenden Zustand stabilisiert, das heißt, auf den sehr niedrigen Werten gehalten.

Darüber hinaus sieht eine andere Weiterbildung vor, dass das Magnetsystem mindestens eine Anordnung umfasst, die radial innerhalb einer Abschirmspule der supraleitenden Magnetspule angeordnet ist, beispielsweise auf dem Innenrohr des Heliumtanks oder integriert in die Wicklung der Magnetspule. Auf diese Weise lassen sich wegen des kleinen Radius Anordnungen in Form von langen geschlossenen Kreiszylindern mit besonders großem Verhältnis von Länge zu Durchmesser realisieren, die dem für Abschirmungen theoretisch idealen Modell eines unendlich langen Zylinders näher kommen. In vielen Fällen besitzen aktiv abgeschirmte Magnetspulen anstatt einer axial langen Abschirmspule zwei axial getrennte kurze Abschirmspulen, wodurch die Verwendung von Anordnungen in Form langer geschlossener Kreiszylinder im radialen Bereich der Abschirmspulen schlechter zu realisieren ist.

In Ausgestaltung dieser Weiterbildung ist bevorzugt vorgesehen, dass das Magnetsystem mindestens zwei Anordnungen umfasst, wobei die radial äußere Anordnung eine größere Zeitkonstante für einen in Umfangsrichtung des Zylinders fließenden induzierten Strom besitzt als die radial innere Anordnung. In diesem Falle lässt sich die radial innere Anordnung in Form eines langen geschlossenen Zylinders im radialen Bereich der Hauptfeldspule und die radial äußere Anordnung beispielsweise entsprechend der Geometrie der Abschirmspule aufgeteilt in zwei axial getrennte Anordnungen in Form kurzer geschlossener Zylinder im radialen Bereich der Abschirmspulen unterbringen. Die radial innere Anordnung schirmt dann den von ihr umschlossenen Raum mit dem Arbeitsvolumen im Zentrum der Magnetspule gegen zeitlich veränderliche magnetische Feldstörungen von radial außerhalb liegenden Störquellen ab. Bei Abwesenheit der zweiten radial äußeren Anordnung ergäbe sich nun bei einem Quench der Magnetspule folgendes Problem: die radial innere Anordnung würde durch Induktion mit Strom in Umfangsrichtung geladen und für sich allein für eine gewisse Zeit einen nicht aktiv abgeschirmten Magneten darstellen, der ein starkes Streufeld mit großer Ausdehnung besitzt. Das gesamte System bestehend aus der aktiv abgeschirmten supraleitenden Magnetspule und nur einer radial inneren Anordnung würde also im Falle eines Quench der supraleitenden Magnetspule für eine gewisse Zeit ein erhebliches Streufeld besitzen, würde also nicht unter allen Umständen die guten Eigenschaften eines aktiv abgeschirmten Magneten besitzen. Wenn man jedoch außerdem eine radial äußere Anordnung mit einer größeren Zeitkonstanten für in Umfangsrichtung fließende induzierte Ströme verwendet, so schirmen die dort induzierten Ströme auch das von der radial inneren Anordnung verursachte Streufeld nach außen ab und halten das Streufeld der gesamten Anordnung auf kleinen Werten.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems ist vorgesehen, dass das Magnetsystem einen H- oder C-förmigen Polschuh-Magneten umfasst und dass die flächenhafte Anordnung im Wesentlichen eben ist. Bei solchen Magneten befindet sich das Arbeitsvolumen mit zeitlich zu stabilisierendem Magnetfeld zwischen den im wesentlichen ebenen Polschuhen des Magneten. Auch bei solchen Formen von Magneten sind die erfindungsgemäßen Anordnungen in Form ebener Flächen geeignet, das Arbeitsvolumen gegen magnetische Störquellen abzuschirmen, die von dem Arbeitsvolumen aus jenseits der Flächen der Anordnung liegen.

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.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch die verschiedenen Komponenten einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung;
2 schematisch die perspektivische Ansicht derselben Ausführungsform wie 1 in zusammengesetztem Zustand;
3 schematisch die Projektion einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung;
4 schematisch die beiden Lagen einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung;
5 schematisch den Querschnitt eines Kryostaten einer MRI-Apparatur mit einer in einem Heliumtank angeordneten supraleitenden Hauptfeldspule und verschiedenen geometrischen Konfigurationen der erfindungsgemäßen Anordnungen;
6 eine Projektion einer Anordnung nach 2 mit der Breite als Modell zur Berechnung der Stromverteilungen und des elektrischen Widerstandes bei Stromtransport in z-Richtung (oben) sowie den Verlauf des elektrischen Stromes in einem Supraleiterdraht (unten);
7 die perspektivische Darstellung der Anordnung aus 6 zur Veranschaulichung des transversalen Stromverlaufs bei Stromtransport in z-Richtung;
8 eine Projektion eines kreisförmigen Ausschnitts der Anordnung nach 2 mit einem Stromwirbel um ein Zentrum herum;
9 eine aus Teillagen bestehende erfindungsgemäße Anordnung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft elektrisch leitfähige flächenhafte Anordnungen mit besonders niedriger Resistivität, die beispielsweise zum Abschirmen zeitlich veränderlicher magnetischer Störfelder in einem Arbeitsvolumen verwendet werden können.
Die vorliegenden Erfindung realisiert flächenhafte Anordnungen, die elektrische Ströme innerhalb dieser Flächen mit besonders geringem elektrischen Widerstand leiten.
Die Erfindung ermöglicht Abschirmungen räumlicher Bereiche, insbesondere beispielsweise des Arbeitsvolumens von Magnetresonanzapparaturen, gegen zeitlich veränderliche Magnetfelder oberhalb einer niedrigen Grenzfrequenz. Die Erfindung ermöglicht weiterhin Abschirmungen des Arbeitsvolumens von Magnetresonanzapparaturen mit supraleitender Hauptfeldspule mit Kühlung durch einen zyklisch arbeitenden Refrigerator mit einem Kaltkopf, welcher zeitlich veränderliche Magnetfelder erzeugt.
Weitere Einsatzmöglichkeiten der Erfindung bestehen in der Verbesserung des Verhaltens supraleitender Magnetspulen bei einem als Quench bezeichneten Übergang vom supraleitenden Zustand der Magnetspulen in den normalleitenden Zustand. Besonders zu nennen ist hier im Falle von aktiv abgeschirmten Magnetspulen mit geringer Ausdehnung des magnetischen Streufeldes die Begrenzung der räumlichen Ausdehnung des magnetischen Streufeldes bei einem Quench der Magnetspule.
Die bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnungen ist das Abschirmen zeitlich veränderlicher Magnetfelder. Prinzipiell lassen sich Abschirmwirkungen auch bei der Verwendung von normalleitenden Blechen gleicher Form oder auch von Blechen aus Supraleitermaterial erzielen. Gegenüber der Verwendung eines normalleitenden Bleches bieten die erfindungsgemäßen Anordnungen den Vorteil, dass Dank eines erheblich kleineren elektrischen Widerstands hochfrequente Störungen mit erheblich kleinerer Frequenz, beispielsweise im Bereich 1 mHz bis 1 Hz noch wirkungsvoll abgeschirmt werden können. Bei der Verwendung von Blechen aus Supraleitermaterial lassen sich theoretisch sogar statische Magnetfelder abschirmen. Flächenhaft ausgebildete Supraleiter besitzen jedoch den entscheidenden Nachteil, dass die von ihnen getragenen elektrischen Ströme instabil sind, d.h., dass sich bei kleinsten Schwankungen der Betriebstemperatur oder der Stärke eines überlagerten statischen Magnetfeldes plötzlich völlig andere Stromverteilungen einstellen, so dass solche Bleche selbst die Quelle von Störungen von Magnetfeldern sind.
Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Anordnungen können den Figuren entnommen werden. Bei Bezugszeichen mit Schrägstrich bezeichnet die Zahl hinter dem Schrägstrich jeweils die Figurennummer, in der das Bezugszeichen in einem wiederholten Male verwendet wird.
1 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung 1. In einer ersten Lage 2 befinden sich nebeneinander angeordnete erste Supraleiterdrähte 4. In einer zweiten Lage 3 befinden sich ebenfalls nebeneinander angeordnete zweite Supraleiterdrähte 5, die mit den ersten Supraleiterdrähten 4 in der ersten Lage 2 einen Winkel von etwa 90° bilden. Zwischen beiden Lagen 2 und 3 befindet sich ein flächenhafter Tragekörper 6 aus normalleitendem Metall, der auf beiden Seiten mit Schichten 7 und 8 aus einem bei den Betriebsbedingungen normalleitenden Lot beschichtet ist. Jeder Supraleiterdraht 4, 5 enthält mindestens eine Faser 16 aus Supraleiterwerkstoff, die in der Regel in normalleitendes Substrat 17 eingebettet ist.
2 zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung. Hier sind die beiden Lagen 2/2 und 3/2 durch die Lotschichten 7/2 und 8/2 und den metallischen Tragekörper 6/2 elektrisch leitend und mechanisch fest miteinander verbunden und bilden eine elektrisch leitfähige, mechanisch stabile, biegsame flächenhafte Anordnung 1/2. Da die Supraleiterdrähte 4/2 und 5/2 große Bereiche der flächenhaften Anordnung 1/2 kurzschließen, ergibt sich bei Stromtransport innerhalb derflächenhaften Anordnung 1/2 ein extrem kleiner ohmscher Widerstand. Die Breite der Anordnung 1/2 wird mit w bezeichnet, die Dicke des Tragekörpers 6/2 mit den beiden Lotschichten 7/2 und 8/2 mit t. Vorteilhafterweise besitzen die Supraleiterdrähte 4/2, 5/2 einen flachen Querschnitt mit geringer Ausdehnung senkrecht zu der flächenhaften Anordnung 1/2.
7 zeigt ebenfalls dasselbe Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung 1/7. Der Pfeil 19 symbolisiert den Transport eines elektrischen Stromes I in z-Richtung. Die Supraleiterdrähte 4/7 und 5/7 bilden dabei beide einen Winkel von 45° mit der Richtung des elektrischen Stromes I. Wie eine genauere Analyse zeigt, stellt sich dann in allen Supraleiterdrähten 4/7 und 5/7 ein widerstandsfreier elektrischer Strom parallel zur Richtung der Supraleiterdrähte mit einer Komponente in Richtung des elektrischen Stromes I ein. Dies ist durch die Pfeile 17 symbolisiert. Der Strom in den Supraleiterdrähten 4/7, 5/7 ist in der Mitte der Drähte maximal und nimmt zu den seitlichen Begrenzungen der Anordnung 1/7 hin parabolisch auf den Wert 0 ab. Diese Abnahme des Stromes beiderseits der Mitte der Drähte ist durch die unterschiedliche Länge der Pfeile 17 symbolisiert. Bei dieser Stromverteilung in den Supraleiterdrähten 4/7, 5/7 bilden sich in dem normalleitenden Tragekörper 6/7 und den Lotschichten 7/7 und 8/7 transversale Ausgleichsströme aus, symbolisiert durch die Pfeile 18. Diese verschwinden genau in der Mitte der Anordnung 1/7 und nehmen zu den seitlichen Begrenzungen hin linear zu, wie es durch die Länge und Richtung der Pfeile 18 symbolisiert wird. Diese Ausgleichsströme sind zwar resistiv, verursachen jedoch nur einen kleinen ohmschen Widerstand, da sie sich über eine extrem kurze Distanz t von der Größenordnung 0,1 mm erstrecken und über eine große Querschnittsfläche verteilen.
3 zeigt den Blick auf eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 1/3. Hier bilden die Supraleiterdrähte 4/3 und 5/3 miteinander ein Gewebe. Bei einer praktischen Ausführung sollten die dabei entstehenden Lücken 20 möglichst klein sein.
4 zeigt in Aufsicht eine alternative Form von Lagen 2/4 und 3/4 in Form von spiralig angeordneten Supraleiterdrähten 4/4 und 5/4, die zu einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zusammengefügt werden können.
Die in 9 gezeigte erfindungsgemäße Anordnung 1/9 besteht aus zwei Lagen 22 und 23. Beide Lagen 22, 23 bestehen aus nebeneinander angeordneten Teillagen 24 bzw. 25. Die Teillagen 24 der Lage 22 sind normalleitend mit den Teillagen 25 der Lage 23 flächenhaft verbunden. Durch den flächenhaften Stromübertritt über kleine Distanzen zwischen den Teillagen 24, 25 der verschiedenen Lagen 22, 23 ist der Stromtransport innerhalb der flächenhaften Anordnung 1/9 ebenfalls mit sehr geringen ohmschen Widerständen verbunden. Die Teillagen 24, 25 können einerseits erfindungsgemäße Anordnungen sein, die selbst aus mehreren Lagen bestehen, beispielsweise die Anordnungen 1/2 oder 1/3 aus den 2 und 3. Andererseits können die Teillagen 24 der Lage 22 nur aus Lagen 2/2 der 1 und die Teillagen 25 der Lage 23 nur aus Lagen 3/2 der 2 bestehen. Durch die Wahl der Größe und der Anzahl der Teillagen 24, 25 kann man den elektrischen Widerstand bei Stromtransport in der Anordnung 1/9 gezielt beeinflussen. Kleine Teillagen in entsprechend großer Anzahl haben einen relativ großen elektrischen Widerstand zur Folge und umgekehrt.
5 zeigt den Querschnitt eines Magnetsystems 9 einer MRI-Apparatur mit supraleitender Hauptteldspule 10. Diese befindet in einem teilweise mit flüssigem Helium gefüllten Heliumtank 13 und erzeugt in einem Arbeitsvolumen 26 ein Magnetfeld mit extrem hohen Anforderungen an die räumliche und zeitliche Konstanz. Der Heliumtank 13 ist mit hier nicht gezeigten Befestigungen in einem Vakuumtank 14 befestigt. Der Verbrauch von flüssigem Helium wird durch die Verwendung eines Refrigerators mit einem Kaltkopf 15 reduziert oder völlig vermieden. Der Kaltkopf 15 enthält in seinem unteren Bereich Regeneratormaterial 16 mit ferro- ferri- oder antiferromagnetischen Eigenschaften, die sich im Betrieb zeitlich periodisch mit einer Grundfrequenz zwischen etwa 0,1 Hz und 10 Hz verändern. In dem dort vorhandenen Hintergrundfeld der Hauptfeldspule 10 verändert das Regeneratormaterial 16 dabei zeitlich periodisch seine Magnetisierung und stellt damit eine zeitlich periodische magnetische Störquelle für das Magnetfeld in dem Arbeitsvolumen 26 dar. Die Hauptfeldspule 10 ist aktiv abgeschirmt und besitzt Hauptfeldwicklungen 11 und dazu gegensinnig von Strom durchflossene Abschirmwicklungen 12, die das magnetische Feld der Hauptfeldwicklungen 11 in dem Bereich außerhalb des Magnetsystems 9 erheblich verkleinern.
Zur Abschirmung des von dem Regeneratormaterial 16 ausgehenden magnetischen Feldstörung in dem Arbeitsvolumen 26 ist es wichtig, dass die erfindungsgemäßen Anordnungen 1a, 1b eine Form besitzen, welche die Störquelle 16 und das zu schützende Arbeitsvolumen 26 in zwei unterschiedliche, durch die Anordnungen getrennte Halbräume verlagern. Sowohl die Anordnung 1a als auch die alternativ mögliche Anordnung 1b in Form von langen geschlossenen Zylindern erfüllen diesen Zweck. Auch die Anordnung 1f in Form eines das Regeneratormaterial 16 umschließenden Topfes ist gut geeignet, da sich auch hier die Störquelle 16 und das Arbeitsvolumen 26 in durch die Anordnung getrennten unterschiedlichen Halbräumen befinden.
Die Anordnungen 1c und 1d umschließen die Abschirmwicklungen 12 der Hauptfeldspule 10. Sie haben die Aufgabe, das Streufeld der radial innenliegenden Hauptfeldspule 10 im Falle eines Übergangs der Wicklungen 11 und 12 vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand auf kleinen Werten zu halten. Dies geschieht durch Abschirmströme, die sich durch induktive Kopplung in den Anordnungen 1c und 1d einstellen.
Besonders bevorzugt ist eine Kombination der Anordnungen 1a oder 1b mit den Anordnungen 1c und 1d, wobei die Anordnungen 1a oder 1b das Arbeitsvolumen vor Feldstörungen von radial außen liegenden Störquellen schützen und die Anordnungen 1c und 1d das magnetische Streufeld auf kleinen Werten stabilisieren, auch dann, wenn sich bei einem Übergang der Wicklungen 11 und 12 vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand die Anordnungen 1a oder 1b induktiv aufladen und in der Tendenz das Streufeld dabei zu vergrößern.
Die in die Hauptfeldwicklungen 11 integrierten Anordnungen 1e dienen nicht hauptsächlich der Abschirmung von Magnetfeldern. Diese Anordnungen 1e sind durch die Auswahl der verwendeten Supraleiterdrähte beispielsweise so ausgelegt, dass die Supraleiterdrähte bei einem vorbestimmten kritischen Strom vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand übergehen. Eine Anwendung ist wie folgt: bei einem Übergang von Teilen der Wicklungen 11 oder 12 in den normalleitenden Zustand laden sich die Anordnungen 1e induktiv mit Strom auf. Beim Überschreiten des kritischen Stroms erwärmen sich die Anordnungen 1e relativ rasch und lösen so in den angrenzenden Bereichen der Wicklung 11 den Übergang in den normalleitenden Zustand aus. Auf diese Weise dehnt sich der normalleitende Bereich in der Hauptfeldspule 10 besonders schnell aus. Dies ist vorteilhaft, weil auf diese Weise sich die bei diesem Prozess entstehende Wärme auf diesen größeren Bereich verteilt und so eine Überhitzung von zu kleinen normalleitenden Zonen verhindert wird.
Räumliche Stromverteilung und ohmscher Widerstand bei Stromtransport in erfindungsgemäßen Anordnungen
Die Abbildungen 6 und 7 veranschaulichen die Berechnung der Stromverteilung und des elektrischen Widerstands bei Stromtransport durch die Anordnung 1/6 bzw. 1/7. Die Anordnung 1/6, 1/7 besitzt die Breite w in x-Richtung und die Länge l in z-Richtung. Die Dicke der resistiven Schicht (6/7, 7/7, 8/7, 7) zwischen den Lagen 2/6 und 3/6 bzw. 2/7 und 3/7 beträgt t. Der mittlere spezifische Widerstand der resistiven Schicht beträgt ρ_t. Bei einem Stromtransport parallel zu der Richtung der Supraleiterdrähte in den Lagen 2/6 und 3/6 bzw. (6), d. h. parallel zu den Geraden z = +/-x, verschwindet der elektrische Widerstand völlig. Der Widerstand wird ersichtlich maximal bei Stromtransport in z- Richtung, bleibt jedoch auch in diesem Fall im Vergleich mit Stromtransport in normalleitenden Blechen sehr gering, wie gezeigt wird.
Wesentliche Merkmale des physikalischlmathematischen Modells zur Berechnung von Stromverteilung und Widerstand:

• Endeffekte bei z = +/-l/2 werden nicht berücksichtigt. Die Endeffekte werden auch praktisch eliminiert, wenn sich die z- Achse gekrümmt um eine Zylinderoberfläche erstreckt und die „Enden" der Anordnung bei z = +/-l/2 nahtlos zusammengefügt sind. Eine solche Anordnung entspricht beispielsweise den Anordnungen 1a und 1b in 5. Ein Strom in Umfangsrichtung lässt sich induktiv erzeugen.
• Die beiden Lagen 2/6 und 3/6 werden als Schichten mit verschwindender Dicke behandelt. Stromtransport innerhalb einer Schicht sei nur parallel zur Richtung der Supraleiterdrähte der Schicht erlaubt. Tatsächlich vorhandene Stromkomponenten senkrecht zur Richtung der Supraleiterdrähte stellen einen parallelen Mechanismus für den Stromtransport dar, der von dem hier gezeigten Mechanismus praktisch kurzgeschlossen wird und den Gesamtwiderstand noch geringfügig verkleinert.
• Die Stromverteilungen innerhalb einer Lage werden als Linienstromdichten mit den Komponenten j_z(z,x) und j_x(z,x) beschrieben. In z-Richtung findet keine Variation statt. Bei Transport eines Stromes I in +z-Richtung gilt in der Lage 2/6: jz(x) = jx(x)und in Lage 3/6: jz(x) = -jx(x).
• Jede Lage 2/6 und 3/6 transportiert in z-Richtung insgesamt den halben Gesamtstrom I. Es gilt also: ∫j_z(x) dx = I/2. Das Integral erstreckt sich von -w/2 bis +w/2.
• An den seitlichen Rändern bei x = +/-w/2 enden die Supraleiterdrähte, und es ist dort kein Stromtransport in x- Richtung möglich. Es gilt: j_x(x = +/- w/2) = 0.
• Die Stromverteilung in der resistiven Zwischenschicht (6/7, 7/7, 8/7, 7) wird durch eine transversale Flächenstromdichte j_t(x) beschrieben. In z- Richtung findet keine Variation statt.
• Die transversale Stromdichte j_t(x) in der resistiven Zwischenschicht und die Stromdichte in den Lagen 2/6 und 3/6 müssen die Kontinuitätsgleichung erfüllen. Es gilt: d jx(x)/dx = -jt(x).
• Jeder Supraleiterdraht besitzt wegen seiner unendlich großen elektrischen Leitfähigkeit ein konstantes elektrisches Potential V. Supraleiterdrähte der beiden Lagen 2/6 und 3/6, deren Kreuzungspunkt miteinander bei x = 0 liegt, besitzen aus Symmetriegründen dasselbe elektrische Potential. Bei Stromtransport in +z-Richtung nehmen dementsprechend die Potentiale V2 bzw. V3 in der Supraleiterdrähte in beiden Lagen linear mit wachsender z- Position, genauer der jeweiligen Koordinate b des Schnittpunkts des Supraleiterdrahts mit der z- Achse, ab. Die Supraleiterdrähte der Lage 2/6 erstrecken sich längs Geraden der Form z = b + xEin geeigneter Ansatz für das elektrische Potential eines beliebigen Punktes der Lage 2/6 ist damit: V2(z,x) = a (z – x). Dabei ist a eine noch zu bestimmende Konstante, die das Potentialgefälle beschreibt. Längs eines Supraleiterdrahts der Lage 2/6 gilt also: V2(z = b + x, x) = a b.Entsprechend gilt dann für das elektrische Potential eines beliebigen Punktes der Lage 3/6: V3(z,x) = a (z + x).

Berechnung von Stromverteilung und Widerstand

• An einem beliebigen Ort der Anordnung 1/6 mit den Koordinaten (z,x) beträgt die Potentialdifferenz zwischen den Lagen 2/6 und 3/6, die entsprechend dem ohmschen Gesetz die Stromdichte j_t(z,x) erzeugt: V23 (z,x) = V2 (z,x) – V3 (z,x) = -2 ax.Entsprechend dem ohmschen Gesetz gilt für die Stromdichte j,(z,x): jt(z,x) = V23 (z,x)/ρt/t = -2ax/ρt/t.Die transversale Stromdichte jt(z,x) ist also proportional zu x, wie die Pfeile 18 in 7 andeuten.
• Entsprechend der Kontinuitätsgleichung ist bei linearem Verlauf der transversalen Stromdichte jt(z,x) die Stromdichte j_x(z,x) in der Lage 2/6 parabelförmig. Unter Berücksichtigung der Randbedingung bei x = +/w/2 gilt damit: jx(z,x) = –a (w2/4 – x2)/ρt/t = jz(z,x)Dies ist der in 6 unten gezeigte parabolische Verlauf.
• Dabei ist a noch aus der Bedingung zu bestimmen, dass die integrierte Stromdichte gleich dem halben Transportstrom ist. Es gilt: ∫ jz(z,x) dx = I/2.Es folgt: a = -3 I ρ_t t/w³.

Ergebnisse:
Mit der Bestimmung der Konstanten a lässt sich der Verlauf des elektrischen Potentials quantitativ angeben: Es gilt: V2(z,x) = -3 I ρt t (z-x)/w3.
Für den Potentialabfall U in z-Richtung längs einer Anordnung der Länge l gilt: U = V2 (z = -l/2, x) – V2 (z = +l/2, x) = 3 I ρt tl/w3.
Folglich gilt für den elektrischen Widerstand Rx = U/I einer solchen Anordnung: Rx = 3 ρt t l/w3 = 6 π ρt t r/w3.
Die rechte Seite gilt dabei für eine zylindrische Anordnung der Länge l = 2 π r, wie die Anordnung 2/5 in 5.
Zylindrischen Anordnungen kann man für in Umfangsrichtung fließende Ströme näherungsweise Induktivitäten L zuordnen, nämlich: L = μ0 r2 π/w.
Damit ergibt sich eine Zeitkonstante τx = L/Rx , die das Abklingen von in Umfangsrichtung fließenden Wirbelströmen kennzeichnet zu: τx = (μ0 r w2)/(6 ρt t)
Beispiel: w = 1 m
t = 0,001 m
r = 0,2 m
ρ_t = 3,4 × 10^-7 Ω m (relativ hoher spez. Widerstand eines Lotes)
Es folgt: τx = 123,5 s ≈ 2 min.
Zum Vergleich: Für einen normalleitenden Metallzylinder beträgt die Zeitkonstante τm = L/R für in Umfangsrichtung fließende Wirbelströme: τm = (μ0 r tm)/(2ρ). t_m : Blechdicke des Metallzylinders.
Ein Zylinder aus reinem Kupferblech anstelle der Anordnung 1/5 in 5 besitzt bei einer Betriebstemperatur von 4,2 K im Vergleich mit dem Lot der Anordnungen 1/6 und 1/7 einen erheblich kleineren spezifischen Widerstand ρ = 1,7 × 10^-10 Ω m. Dann ergibt sich mit w = 1 m, r = 0,2 m, t_m = 0,001 m eine Zeitkonstante: τm = 0,74 s.
Man erkennt hier aus dem Vergleich der Zeitkonstanten von 2 min bzw. 0,74 s das Potential der erfindungsgemäßen Anordnungen Störungen mit niedrigen Frequenzen abzuschirmen. Man muss beachten, dass hier der Stromtransport in einer besonders ungünstigen Richtung untersucht wurde. Falls Bedarf besteht, kann man den elektrischen Widerstand solcher Anordnungen weiter verkleinern, entweder durch Verkleinern der Dicke t oder durch Verwendung von Anordnungen 1/3 in 3, bei denen kein Lot mit seinem relativ großen spezifischen Widerstand verwendet werden muss, sondern direkter metallischer Kontakt zwischen den Supraleitern 4/3 und 5/3 besteht.
8 zeigt einen kreisförmigen Ausschnitt einer Anordnung 1/8 mit dem Radius c, die ebenfalls wie die Anordnung 1/2 in 2 aufgebaut ist mit in x-Richtung verlaufenden Supraleiterdrähten 4/8 in einer ersten Lage 2/8 und mit in y-Richtung verlaufenden Supraleiterdrähten 5/8 in einer zweiten Lage 3/8. Beispielsweise durch Induktion sei ein wirbelartiger Strom I in Umfangsrichtung φ um ein Zentrum eingeprägt. Die über die gesamte Dicke der Anordnung 1/8 gemittelte Linienstromdichte j_ϕ(r) besitze in diesem Rechenbeispiel die spezielle Form: jϕ (r) = 6 I (cr-r2)/c3.
Die Integration über den Radius r zeigt, dass genau der Strom I in Umfangsrichtung transportiert wird. Die Stromdichte verschwindet bei r = 0, durchläuft parabelförmig ein Maximum bei r = c/2 und verschwindet wieder bei r = c.
Zerlegt man die Stromdichte j_ϕ (r) in ihre x- und y-Komponente, so erhält man: jx (r,ϕ) = -6 I (cr-r2)/c3 sin(ϕ) jy (r,ϕ) = 6 I (cr-r2)/c3 cos(ϕ)
Dabei fließt j_x (r,ϕ) widerstandsfrei in der Lage 2/8 mit den in x-Richtung verlaufenden Supraleiterdrähten und entsprechend j_y (r,ϕ) in der Lage 3/8. Aus der Kontinuitätsgleichung ergibt sich die Flächenstromdichte j_t (r,ϕ) in der Zwischenschicht 6/8, die bedingt durch den spezifischen Widerstand ρ_t einen elektrischen Widerstand Rx verursacht, der diesen Stromwirbel kennzeichnet.
Es gilt: jt (r,ϕ) = d/dy (jx (x,y))und nach einfachen trigonometrischen Umformungen: jt (r,ϕ) = 3 I r sin(2ϕ)/c3.
Den elektrischen Widerstand Rx erhält man aus der mit j_t (r,ϕ) verbundenen elektrischen Leistung Px zu: Px = Rx I2 = ρt t ⇐ dϕ ⇐ r dr jt 2 (r,ϕ).
Damit beträgt der Widerstand Rx: Rx = (9/4) ρr t π/c2.
Ersetzt man die Anordnung 1/8 durch eine normalleitende metallische Scheibe mit derselben über die Dicke t_m gemittelten Linienstromdichte jϕ (r) = 6 I (cr-r²)/c³, so erhält man mit entsprechend für den damit verbundenen Widerstand Rm: Rm = (6/5) μ ρ/tm.
Beispiel: t = 0,0001 m (0,1 mm dicke Lotschicht)
t_m = 0,001 m
r = 0,2m
ρ_t = 3,4 × 10^-7 Ω m (Lot)
ρ = 1,7 × 10^-7 Ω m (reines Kupfer bei tiefen Temperaturen, 4,2 K).
Es folgt:
Rm = 107 Rx.
Man sieht erneut die besonders große elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Anordnungen im Vergleich mit metallischen Blechen. Man kann die Leitfähigkeit weiter vergrößern durch die Verwendung von Anordnungen ohne Lot, beispielsweise die Anordnungen 1/3 in 3.

Claims

Flächenhafte, mehrlagige Anordnung (1; 1a-1f), von Supraleiterdrähten (4, 5) mit normalleitendem Substrat (17) und mindestens einer mit dem Substrat (17) elektrisch leitend verbundenen, bei vorgegebenen Betriebsbedingungen supraleitenden Faser (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleiterdrähte (4, 5) in den jeweiligen Lagen (2, 3; 22, 23) überwiegend kreuzungsfrei angeordnet sind, dass zwischen den Supraleiterdrähten (4, 5) verschiedener Lagen (2, 3; 22, 23) ein resistiver, elektrischer Kontakt besteht, dass sich die Supraleiterdrähte (4, 5) mindestens zweier benachbarter Lagen (2, 3; 22, 23) kreuzen, und dass in der Anordnung (1; 1a-1f) keine geschlossenen supraleitenden Schleifen auftreten.
Anordnung (1; 1a-1f) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleiterdrähte (4) einer ersten Lage (2) als Kettfäden und die Supraleiterdrähte (5) einer zweiten Lage (3) als Schussfäden ein Gewebe bilden und sich dadurch die beiden Lagen (2, 3) räumlich durchdringen.
Anordnung (1; 1a-1f) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (2, 3; 22, 23) im Wesentlichen zueinander parallele Flächen bilden, insbesondere zueinander parallele, gekrümmte Fläche bilden.
Anordnung (1; 1a-1f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleiterdrähte (4, 5) mindestens zweier Lagen (2, 3; 22, 23) in der jeweiligen Lage (2, 3; 22, 23) parallel zueinander angeordnet sind und die beiden Lagen (2, 3; 22, 23) miteinander mit einem bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen normalleitenden Lot verlötet sind.
Anordnung (1; 1a-1f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleiterdrähte (4, 5) mindestens einer Lage (2, 3; 22, 23) mit einem bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen normalleitenden Lot auf einem flächigen und bei den Betriebsbedingungen normalleitenden Tragekörper (6) aufgelötet sind.
Anordnung (1; 1a-1f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Supraleiterdrähte (4, 5) mindestens zweier Lagen (2, 3; 22, 23) unter Winkeln von mindestens 30° miteinander kreuzen.
Anordnung (1; 1a-1f) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Supraleiterdrähte (4, 5) zweier Lagen (2, 3; 22, 23) unter einem Winkel von 90° miteinander kreuzen.
Anordnung (1; 1a-1f) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Supraleiterdrähte (4, 5) der Lagen (2, 3; 22, 23) mit einem flächigen Tragekörper (6) mittelbar miteinander mit einem bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen normalleitenden Lot miteinander verlötet sind.
Anordnung (1; 1a-1f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Superleiterdrähte (4, 5) einen flachen Querschnitt mit großer Breitenausdehnung parallel zur flächenhaften Anordnung (1; 1a-1f) und mit geringer Höhenausdehnung senkrecht zur flächenhaften Anordnung (1; 1a-1f) besitzen.
Anordnung (1; 1a-1f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine supraleitende Faser (16) in den Supraleiterdrähten (4, 5) mindestens einer Lage (2, 3; 22, 23) ein Tieftemperatursupraleiter ist, der nur bei Temperaturen unterhalb einer kritischen Temperatur, die unterhalb von 30 K liegt, supraleitend ist.
Anordnung (1; 1a-1f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine supraleitende Faser (16) in den Supraleiterdrähten (4, 5) mindestens einer Lage (2, 3; 22, 23) ein Hochtemperatursupraleiter ist, der bei Temperaturen unterhalb einer kritischen Temperatur, die oberhalb von 30 K liegt, supraleitend ist.
Anordnung (1; 1a-1f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lagen (22, 23) jeweils aus in der Fläche nebeneinander angeordneten Teillagen (24, 25) bestehen, wobei die Teillagen (24, 25) einer Lage (22, 23) jeweils nicht oder nur resistiv direkt elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Grenzen zwischen den Teillagen (24, 25) der beiden Lagen (22, 23) in der Fläche gegeneinander verschoben sind.
Anordnung (1; 1a-1f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Anordnung (1; 1a-1f) als geschlossene Zylinderoberfläche, insbesondere als Kreiszylinderoberfläche ausgebildet ist.
Anordnung (1; 1a-1f) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wahl und Anordnung der Supraleiterdrähte (4, 5) sowie der verwendeten resistiven Materialien die Zeitkonstante eines in Umfangsrichtung des Zylinders fließenden induzierten Stroms auf einen vorgegebenen Wert eingestellt ist, vorzugsweise zwischen 1 Sekunde und 5 Minuten.
Anordnung (1; 1a-1f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleiterdrähte (4, 5) bei gezielt vorgegebenen Werten der Strombelastung bei den Betriebsbedingungen durch die Auswahl ihrer supraleitenden Eigenschaften vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergehen.
Magnetsystem (9), insbesondere einer NMR-, MRI- oder ICR-Apparatur, die mindestens eine Anordnung (1; 1a-1f) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 umfasst.
Magnetsystem (9) nach Anspruch 16 mit einer insbesondere in einem Heliumtank (13) eines Kryostaten angeordneten, vorzugsweise aktiv abgeschirmten, supraleitenden Magnetspule (10), wobei die Anordnung (1; 1a-1f) auf einem zylindrischen Tragekörper insbesondere auf einer Wand des Heliumtanks (13) oder auf den äußersten Windungen der supraleitenden Magnetpule (10) oder eines Teils desselben aufgebracht ist.
Magnetsystem (9) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Refrigeratorkühlung für die supraleitende Magnetspule (10) umfasst und dass die Anordnung (1; 1a-1f) der Abschirmung elektromagnetischer Störungen verursacht durch die Refrigeratorkühlung dient, wobei vorzugsweise die Anordnung (1; 1f) einen Kaltkopf (15) der Refrigeratorkühlung weitgehend umgibt.
Magnetsystem (9) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Anordnung (1; 1c, 1d) umfasst, die Abschirmspulen (12) der supraleitenden Magnetspule (10) umgibt oder in diese integriert ist.
Magnetsystem (9) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Anordnung (1; 1a, 1b, 1e) umfasst, die radial innerhalb einer Abschirmspule (12) der supraleitenden Magnetspule (10) angeordnet ist.
Magnetsystem (9) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens zwei Anordnungen (1; 1a-1f) umfasst, wobei die radial äußere Anordnung (1; 1a-1f) eine größere Zeitkonstante für einen in Umfangsrichtung des Zylinders fließenden induzierten Strom besitzt als die radial innere Anordnung (1; 1a-1f).
Magnetsystem (9) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es einen H- oder C-förmigen Polschuh-Magneten umfasst und dass die flächenhafte Anordnung (1; 1a-1f) im Wesentlichen eben ist.