DE10358549A1

DE10358549A1 - Supraleitendes Magnetsystem mit kontinuierlich arbeitender Flusspumpe und zugehörige Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE10358549A1
Application number: DE10358549A
Authority: DE
Inventors: Robert Schauwecker; Rolf Dr.sc.nat. Spreiter
Original assignee: Bruker Biospin AG; Bruker Biospin SAS
Current assignee: Bruker Switzerland AG; Bruker Biospin SAS
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-16
Also published as: EP1544872A3; US6946936B2; EP1544872B1; JP4713880B2; DE10358549B4; US20050127915A1; JP2005183971A; EP1544872A2; DE502004011096D1

Abstract

Eine Magnetanordnung mit einem supraleitenden Magnetspulensystem (M), welches im Betriebszustand einen ohmschen Widerstand (R) größer oder gleich Null aufweist, und mit einer Flusspumpe (P), welche mindestens einen supraleitenden Schalter und mindestens zwei supraleitende Sekundärspulen (M1, M2) umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein supraleitender Strompfad vorhanden ist, in welchem das supraleitende Magnetspulensystem (M) oder Teile davon mit mindestens zwei Sekundärspulen (M1, M2) zusammen in Serie geschaltet ist und in welchem mindestens eine Sekundärspule (M2) durch Schließen eines supraleitenden Schalters (S1) supraleitend überbrückt werden kann, und dass mindestens zwei Primäspulen (C1, C2) vorhanden sind, welche unabhängig voneinander mit je einem Strom (I1, I2) gespeist werden können und welche jeweils mit mindestens einer der Sekundärspulen (M1, M2) induktiv gekoppelt sind. Die Flusspumpe kann gut zur Stabilisierung des Magnetfeldes des Magnetspulensystems (M) im Betriebszustand über lange Zeit eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetanordnung mit einem supraleitenden Magnetspulensystem, welches im Betriebszustand einen Ohmschen Widerstand größer oder gleich null aufweist, und mit einer Flusspumpe, welche mindestens einen supraleitenden Schalter und mindestens zwei supraleitende Sekundärspulen umfasst.

Eine solche Magnetanordnung mit einem supralteitenden Magnetspulensystem beschreiben T. P. Bernart et al., Rev. Sci. Instrum., Vol. 46, No. 5, May 1975, Seiten 582–585.

Das supraleitende Magnetspulensystem umfasst eine oder mehrere in Serie geschaltete Magnetspulen, die einen geschlossenen supraleitenden Stromkreis bilden. Das supraleitende Magnetspulensystem ist typischerweise in einem Kryostaten angeordnet. Es kann im Betriebszustand einen Ohmschen Widerstand größer null aufweisen, wenn die verwendeten Supraleiter bis knapp unter den kritischen Strom belastet sind oder wenn sie keinen scharfen Übergang von supraleitend zu normalleitend aufweisen. Das Prinzip einer Flusspumpe besteht darin, durch induktives Einkoppeln von Energie resistive Verluste der Magnetspule auszugleichen oder die Spule zu laden oder zu entladen, ohne dass große Ströme in den Kryostaten geführt werden müssen. Die Erfindung betrifft insbesondere supraleitende Magnetspulensysteme mit einer Flusspumpe, welche mindestens einen supraleitenden Schalter und mindestens zwei supraleitende Sekundärspulen umfasst, in welchen induktiv eine Spannung aufgebaut werden kann. Damit diese Spannung zum Ausgleich resisitiver Verluste oder zum Laden oder Entladen in das supraleitende Magnetspulensystem eingespeist werden kann, müssen die Sekundärspulen supraleitend mit dem Magnetspulensystem in Serie geschaltet sein, was beispielsweise durch Schließen eines supraleitenden Schalters erfolgen kann.

Eine Magnetanordnung mit einer Flusspumpe, welche mindestens zwei supraleitende Sekundärspulen umfasst, ist bekannt aus T.P. Bernat et. al., Rev. Sci. Instrum., Vol. 46, No 5, May 1975, und aus L.J.M. van de Klundert et. al., Cryogenics, May 1981. Diese Flusspumpe basiert darauf, dass das supraleitende Magnetspulensystem mit zwei Strompfaden überbrückt wird, welche je einen Schalter und eine supraleitende Sekundärspule umfassen. In einer Primärspule, deren induktive Kopplung mit den Sekundärspulen je entgegengesetzt gleich groß ist, wird zyklisch Strom ein und wieder ausgefahren. Wenn im gleichen Takt die mit den Sekundärspulen in Serie geschalteten supraleitenden Schalter alternierend geöffnet und geschlossen werden, entsteht über dem Magnetspulensystem eine über den ganzen Zyklus konstante Spannung, abgesehen von Spannungsspitzen beim Öffnen der Schalter.

Das typische Einsatzgebiet von Flusspumpen ist das Laden und Entladen von supraleitenden Magnetspulensystemen. Der Vorteil gegenüber dem direkten Einspeisen des Betriebsstromes in die Spulen besteht darin, dass die Ströme zum Betreiben der Flusspumpe viel schwächer sind als die typischen Magnetströme. Damit können die Stromzuleitungen kleiner dimensioniert und der Wärmeeintrag in den Kryostaten reduziert werden.

Das Einsatzgebiet von supraleitenden Magneten umfasst aber auch Anwendungsfelder, bei denen die Magnetspulen nach dem Ladevorgang über Jahre auf Feld bleiben und dabei eine möglichst geringe Felddrift aufweisen sollen. Dazu gehören insbesondere supraleitende Magnetspulensysteme für Magnetresonanzverfahren. Bei solchen Magnetsystemen ist der Einsatz einer Flusspumpe weniger zum Laden des Magnetsystems von Interesse, sondern zur Stabilisierung des Magnetfeldes im Betriebszustand. Eine effiziente Flusspumpe brächte in dieser Hinsicht verschiedene Vorteile. Es könnten beispielsweise Magnete mit Teilspulen aus Hochtemperatursupraleitern gebaut werden, welche nach heutigem Stand der Technik die Driftspezifikationen für Magnetresonanzanwendungen ohne zusätzliche Maßnahmen nicht erfüllen. Dies würde den Bau von Magneten mit stärkeren als den heute üblichen Feldern ermöglichen. Weiter könnten durch den Einsatz einer Flusspumpe zur Feldstabilisierung die Supraleiter im Magneten höher belastet werden, was den Bau kompakterer und kostengünstigerer Magnete erlauben würde.

Für den Einsatz zur präzisen Feldstabilisierung über große Zeiträume sind die bekannten Flusspumpen nicht geeignet. Zum einen treten jeweils beim Öffnen von supraleitenden Schaltern Spannungsspitzen über dem Magnetspulensystem auf, was für empfindliche Anwendungen wie Magnetresonanzverfahren nicht tolerierbar ist. Zum andern muss in jeder Phase des Pumpzyklus mindestens ein supraleitender Schalter geöffnet sein, damit die in der Sekundärspule induzierte Spannung in das Magnetspulensystem eingespeist werden kann. Bei den gebräuchlichen Schaltern fällt dabei eine Wärmemenge an, welche zu großen Verlusten an Kühlflüssigkeit im Kryostaten führt. Für die Stabilität des Feldes ist auch die thermische Stabilität im Kryostaten sehr wichtig, das heißt bei empfindlichen Anwendungen wie Magnetresonanzverfahren müssen die Wärmeeinträge in den Kryostaten minimiert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Flusspumpe gemäß dem Stand der Technik derart zu verbessern, dass neben dem Laden und Entladen eines supraleitenden Magnetspulensystems auch eine gute Stabilisierung des Magnetfeldes des Magnetspulensystems im Betriebszustand über lange Zeit möglich ist, insbesondere dann, wenn das Magnetspulensystem leicht resisitiv ist und die Anforderungen an die Feldstabilität sehr hoch sind. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass die verbesserte Flusspumpenanordnung ein Betriebsverfahren zulässt, mit welchem eine über alle Zyklen der Flusspumpe konstante Spannung über dem Magnetspulensystem angelegt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Magnetanordnung der eingangs vorgestellten Art dadurch gelöst, dass mindestens ein supraleitender Strompfad vorhanden ist, in welchem das supraleitende Magnetspulensystem oder Teile davon mit mindestens zwei Sekundärspulen zusammen in Serie geschaltet ist und in welchem mindestens eine Sekundärspule durch Schließen eines supraleitenden Schalters supraleitend überbrückt werden kann, und dass mindestens zwei Primärspulen vorhanden sind, welche unabhängig voneinander mit je einem Strom gespeist werden können und welche jeweils mit mindestens einer der Sekundärspulen induktiv gekoppelt sind.

Kurz gesagt sieht die Erfindung vor, dass ein supraleitender Strompfad vorhanden ist, in welchem das supraleitende Magnetspulensystem oder Teile davon mit mindestens zwei Sekundärspulen zusammen in Serie geschaltet ist und in welchem mindestens eine Sekundärspule durch Schließen eines supraleitenden Schalters überbrückt werden kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Sekundärspulen mit je einer eigenen Primärspule induktiv gekoppelt sind.

Diese Anordnung ermöglicht ein Betriebsverfahren der Flusspumpe, bei welchem in einem ersten Schritt eine erste Primärspule, welche mit einer ersten, nicht supraleitend überbrückten Sekundärspule gekoppelt ist, geladen wird, bis in der Primärspule ein maximaler Endstrom erreicht ist. Dadurch kann eine Spannung über dem supraleitenden Magnetspulensystem aufgebaut werden, welche beispielsweise genau der zu kompensierenden resistiven Spannung im Magnetspulensystem entspricht. In einem zweiten Schritt muss die erste Primärspule wieder auf ihren Anfangsstrom entladen werden. Während dieser Phase wird über einer zweiten, zuvor mit einem geschlossenen Schalter supraleitend überbrückten Sekundärspule der supraleitende Schalter geöffnet und in jener Primärspule, welche mit dieser Sekundärspule induktiv koppelt, der Strom hochgefahren, wodurch in dieser Sekundärspule eine Spannung induziert wird. Die Stromrampe in der zweiten Primärspule wird so gewählt, dass durch die in der zweiten Sekundärspule induzierte Spannung sowohl die durch das Entladen der ersten Primärspule in der ersten Sekundärspule induzierte Spannung als auch die resisitve Spannung über dem supraleitenden Magnetspulensystem kompensiert wird. Nachdem die erste Primärspule auf ihrem Anfangsstrom angelangt ist, wird der Schalter über der zweiten Sekundärspule wieder geschlossen und die zweite Primärspule wird – bei geschlossenem Schalter – auf ihren Anfangsstrom zurückgefahren. Der Zyklus kann nun von vorn beginnen.

Der Vorteil einer erfindungsgemäßen Anordnung ist also, dass dank mehreren voneinander unabhängig mit Strom versorgten Primärspulen in verschiedenen Sekundärspulen unterschiedliche Spannungen induziert werden können, welche dank der Serieschaltung dieser Sekundärspulen zu einer Gesamtspannung addiert werden. Die Serieschaltung der Sekundärspulen mit dem supraleitenden Magnetspulensystem erlaubt die Einspeisung dieser Gesamtspannung in das supraleitende Magnetspulensystem. Die große Flexibilität der Anordnung ermöglicht, dass durch geeignete Verfahrensschritte in jeder Phase des Flusspumpen-Zyklus eine gewünschte Spannung über dem supraleitenden Magnetspulensystem aufrechterhalten werden kann.

Es zeigt sich, dass beim oben beschriebenen Betriebsverfahren der Flusspumpe während dem ganzen Zyklus zu keiner Zeit ein supraleitender Kurzschluss über der ersten Sekundärspule bestehen muss. Dies bedeutet, dass erfindungsgemäß von n ≥ 2 Sekundärspulen höchstens n – 1 Sekundärspulen mit einem Schalter überbrückt werden müssen. Im einfachsten Falle von n = 2 wird also nur ein einziger Schalter benötigt, welcher zudem nur während der kurzen Zeit, während welcher der Strom in der ersten Primärspule zurückgesetzt wird, geöffnet sein muss. Dadurch wird die Wärmeleistung durch die Schalterheizer gegenüber einer Flusspumpe nach dem Stand der Technik deutlich reduziert. Diese Ausführungsform der Erfindung ist daher besonders vorteilhaft.

Bevorzugt ist außerdem eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei welcher ein supraleitender Schalter eine Sekundärspule zusammen mit einem Widerstand überbrückt, welcher mit dieser Sekundärspule in Serie geschaltet ist, wobei der Widerstand einen Wert, gemessen in Ohm, zwischen 0 und dem Wert der Induktivität dieser Sekundärspule, gemessen in Henry, aufweist. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass beim Laden und Entladen einer Primärspule, welche mit dieser Sekundärspule induktiv gekoppelt ist, bei geschlossenem supraleitendem Schalter keine unkontrolliert hohen Ströme in der Sekundärspule induziert werden können.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass anstatt des in obiger Ausführungsform verwendeten Widerstandes ein weiterer supraleitender Schalter verwendet wird. Diese Ausführungsform sieht somit vor, dass ein supraleitender Schalter eine Sekundärspule zusammen mit einem weiteren supraleitenden Schalter überbrückt, welcher mit der genannten Sekundärspule in Serie geschaltet ist; siehe auch 3. Dadurch lässt sich durch geeignetes Laden und Entladen der zugehörigen Primärspule sowie durch Öffnen und Schließen des weiteren Schalters der Strom in der Sekundärspule gezielt steuern. Insbesondere kann so verhindert werden, dass vor dem Öffnen des ersten Schalters an einem bestimmten Punkt des Pumpzyklus ein Strom über diesen Schalter fließt. Damit werden Spannungspulse über dem supraleitenden Magnetspulensystem verhindert, was insbesondere bei empfindlichen Anwendungen wie Kernspinresonanzverfahren unumgänglich ist. Außerdem wird im ersten Schalter keine Wärme durch den Abbau von Strom erzeugt, was eine weitere Ersparnis an Kühlflüssigkeit ermöglicht. Diese Anordnung ermöglicht die Anwendung eines Betriebsverfahrens der Flusspumpe, welches eine ungestörte, kontinuierliche Pumpleistung bei einem Minimum an Wärmeeintrag in den Kryostaten garantiert.

In zwei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung werden Sekundärspulen mit je genau einer Primärspule induktiv gekoppelt, oder Sekundärspulen werden voneinander induktiv entkoppelt. Dadurch können die in den Sekundärspulen beim Laden oder Entladen der Primärspulen induzierten Spannungen besser kontrolliert werden und die Verfahren zum Betrieb der Flusspumpe werden vereinfacht.

Besonders vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung, bei welchen Primär- oder Sekundärspulen vom supraleitenden Magnetspulensystem induktiv weitgehend entkoppelt sind oder im Arbeitsvolumen des supraleitenden Magnetspulensystems im wesentlichen kein Feld erzeugen. So werden Störungen des Magnetfeldes im Arbeitsvolumen während dem Betrieb der Flusspumpe verhindert.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Primärspule supraleitend ist. Ein in einer supraleitenden Primärspulen fließender Strom erzeugt im Gegensatz zu normalleitenden Primärspulen keine Wärme. Falls sich die Primärspulen im Kryostaten befinden, können so die Kühlmittelverluste reduziert werden.

Eine weitere Verbesserung hinsichtlich Reduktion der Kühlmittelverluste wird erreicht, wenn auch die Zuleitungen zu den Spulen im Kryostaten oder zu den Schaltern mindestens teilweise supraleitend ausgeführt werden.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass mindestens einer der supraleitenden Schalter durch einen Heizer betätigbar ist, dessen Zuleitungen mindestens teilweise supraleitend sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Abschnitt des supraleitenden Magnetspulensystems supraleitend oder mit einem Widerstand überbrückt ist. Diese Anordnung kann dazu verwendet werden, um die Auswirkung von kleinen Spannungsfluktuationen, etwa beim Öffnen von Schaltern der Flusspumpe, auf das Gesamtfeld des supraleitenden Magnetsystems zu dämpfen. Damit die Dämpfung wirksam ist, darf der Widerstand (in Ohm) die Größenordnung der Induktivität (in Henry) des überbrückten Abschnittes nicht übersteigen.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist besonders dann vorteilhaft, wenn sie Teil einer Apparatur für die magnetische Kernspinresonanz ist. In solchen Magnetanordnungen werden an eine Vorrichtung zur aktiven Feldstabilisierung, als welche die erfindungsgemäße Flusspumpe in diesem Anwendungsgebiet bevorzugt eingesetzt wird, besonders hohe Anforderungen hinsichtlich Konstanz der Stabilisierungsspannung und Minimierung des Wärmeeintrages in den Kryostaten gestellt. Genau diese Kriterien werden in den oben aufgeführten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Flusspumpe besser erfüllt als mit Flusspumpen nach dem Stand der Technik.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst ein supraleitendes Magnetspulensystem, in welchem eine oder mehrere Spulen mit Hochtemperatursupraleitern gewickelt sind. Die potentiell höhere Drift bei Verwendung von Hochtemperatursupraleitern lässt sich mit der erfindungsgemäßen Flusspumpe kompensieren, unter Beibehaltung der Feldstabilität des supraleitenden Magnetspulensystems.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung können nur unter Anwendung von geeigneten Verfahren zum Betrieb der Flusspumpe voll ausgeschöpft werden. Ein erstes Verfahren zeichnet sich durch einen besonders einfachen Zyklus von Laden und Entladen der Primärspulen und Öffnen und Schließen der Schalter aus. Bei diesem Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung mit mindestens einer ersten und einer zweiten supraleitenden Sekundärspule und einem ersten supraleitenden Schalter wird der erste supraleitende Schalter, welcher die zweite Sekundärspule überbrückt, periodisch geöffnet und geschlossen. Bei geschlossenem erstem Schalter wird der Strom in einer ersten Primärspule, welche mit der ersten Sekundärspule induktiv koppelt, von einem Anfangswert auf einen Endwert gefahren. Bei geöffnetem erstem Schalter wird der Strom in dieser Primärspule wieder weitgehend auf den Anfangswert zurückgesetzt. Gleichzeitig wird bei geöffnetem erstem Schalter der Strom in einer zweiten Primärspule, welche mit der zweiten Sekundärspule koppelt, von einem Anfangswert auf einen Endwert gefahren und bei geschlossenem erstem Schalter wieder weitgehend auf den Anfangswert zurückgesetzt.

Ein verbessertes Verfahren unter Verwendung des weiteren, zweiten supraleitenden Schalters zeichnet sich dadurch aus, dass bei geschlossenem erstem Schalter ein zweiter supraleitender Schalter, welcher mit der zweiten Sekundärspule in Serie geschaltet ist und zusammen mit dieser vom ersten supraleitenden Schalter überbrückt wird, mindestens zeitweise geöffnet wird. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass sich die zweite Sekundärspule beim Zurücksetzen des Stromes in der zweiten Primärspule nicht unkontrolliert auflädt.

Besonders vorteilhaft ist es, den Strom in der zweiten Primärspule jeweils wieder auf null zurückzufahren, um weniger Wärme in den Zuleitungen und – im Falle einer normalleitenden zweiten Primärspule – in der Spule selbst zu erzeugen.

Diese Verfahrensvariante kann weiter verbessert werden, indem vor Erreichen des Endstromes von null Ampère in der zweiten Primärspule der Strom in dieser Spule auf einen Betrag von I·L/K gesetzt wird und dass spätestens nach Erreichen dieses Stromes der zweite supraleitende Schalter geöffnet wird, und dass dann während dem Zurücksetzen des Stromes in der zweiten Primärspule auf den Endstrom von null Ampère und bis zum neuerlichen Öffnen des ersten supraleitenden Schalters der zweite supraleitende Schalter supraleitend geschlossen bleibt, wobei I den Strom im supraleitenden Magnetspulensystem, L die Selbstinduktivität der zweiten Sekundärspule und K die induktive Kopplung in Henry zwischen der zweiten Sekundärspule und der zweiten Primärspule bezeichnet. Dieses Verfahren wird im untenstehenden Beispiel genauer beschrieben. Sein besonderer Vorteil ist, dass vor dem Öffnen des ersten supraleitenden Schalters kein Strom über diesen fließt. So werden Spannungsspitzen über dem supraleitenden Magnetspulensystem verhindert, was für den Einsatz der erfindungsgemäßen Flusspumpe zur Feldstabilisierung bei empfindlichen Anwendungen ein wichtiges Kriterium darstellt.

In zwei weiteren vorteilhaften Verfahrensvarianten werden die Schritte der beschriebenen Verfahren zyklisch wiederholt, um das supraleitende Magnetspulensystem entweder zu laden oder zu entladen, oder um den Strom im Magnetspulensystem auf einem Betriebswert genau zu stabilisieren.

Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt auch die Anwendung einer hinsichtlich Reduktion des Wärmeeintrages in den Kryostaten besonders vorteilhaften Verfahrensvariante, bei welcher jene Phase des Pumpzyklus, während welcher kein supraleitender Schalter geöffnet ist, länger dauert als die Phasen mit geöffneten, also geheizten, supraleitenden Schaltern. Demgegenüber müssen bei Flusspumpen nach dem Stand der Technik permanent Schalter geheizt werden.

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.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Verdrahtungsschema einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit einem supraleitenden Magnetspulensystem und einer Flusspumpe;

2 ein Verdrahtungsschema einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit einem supraleitenden Magnetspulensystem und einer Flusspumpe mit einem zusätzlichen Widerstand im Strompfad der Flusspumpe;

3 ein Verdrahtungsschema einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit einem supraleitenden Magnetspulensystem und einer Flusspumpe mit einem zusätzlichen supraleitenden Schalter im Strompfad der Flusspumpe;

4 ein Verdrahtungsschema einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit einem supraleitenden Magnetspulensystem und einer Flusspumpe und einem zusätzlichen Widerstand, welcher einen Abschnitt des supraleitenden Magnetspulensystems überbrückt;

5 die Ströme und Schalterzustände der Flusspumpe sowie die über dem supraleitenden Magnetspulensystem aufgebaute Spannung während mehrerer Pumpzyklen für ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Flusspumpe.

Anhand der 1 wird schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung gezeigt, welche ein supraleitendes Magnetspulensystem M und eine Flusspumpe P umfasst. Das Magnetspulensystem M kann einen Widerstand der Größe R aufweisen. Mit dem Magnetspulensystem M sind zwei weitere supraleitende Spulen M1 und M2 in Serie geschaltet, welche in der Flusspumpe P als Sekundärspulen dienen. In diesen Spulen kann durch Veränderung des Stromes I1 beziehungsweise I2 in den Primärspulen C1 beziehungsweise C2 der Flusspumpe P durch induktive Kopplung eine Spannung induziert werden. Eine der Sekundärspulen, nämlich M2, ist mit einem supraleitenden Schalter S1 überbrückt.

2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung, bei welcher die Sekundärspule M2, welche mit dem supraleitenden Schalter S1 überbrückt wird, mit einem Widerstand R2 in Serie geschaltet ist, derart dass der Schalter S1 sowohl die Spule M2 als auch den Widerstand R2 überbrückt.

3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung wie in 2, mit dem Unterschied, dass anstelle des Widerstandes R2 ein zweiter supraleitender Schalter S2 verwendet wird.

4 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung wie in 1, bei welcher zusätzlich ein Abschnitt des supraleitenden Magnetspulensystems M mit einem Widerstand r überbrückt wird.

5 zeigt für ein Betriebsverfahren der erfindungsgemäßen Flusspumpe nach 3 die Ströme I1 und I2 in den Primärspulen C1 und C2 der Flusspumpe P sowie die Schaltzustände der supraleitenden Schalter S1 und S2, den Strom IS1 im Schalter S1 und die durch die Flusspumpe P über dem supraleitenden Magnetspulensystem M aufgebaute Spannung VMagnet. Nach rechts ist die Zeit t aufgetragen. Das Verfahren ist dahingehend optimiert, die Spannung VMagnet über beliebig viele Pumpzyklen konstant zu halten und keine Spannungsspitzen zu erzeugen. Außerdem wird die Dauer, während der die supraleitenden Schalter geöffnet sind, minimiert.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels erläutert. Die dem Beispiel zu Grunde gelegte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist jene aus 3. Das angewendete Verfahren zum Betrieb der Flusspumpe P ist jenes aus 5. Das Ziel ist es, über einem supraleitenden Magnetspulensystem M eine konstante Spannung VMagnet von 25μV aufrechtzuerhalten. Die Komponenten der Flusspumpe sind folgendermaßen ausgelegt:
LM1 = LM2 = 10^– ⁶H (Induktivität der Sekundärspulen M1 und M2),
KM1C1 = KM2C2 = 10^–4H (induktive Kopplung zwischen der Sekundärspule M1 und der Primärspule C1 beziehungsweise zwischen M2 und C2),
IM = 100A (Betriebsstrom des supraleitenden Magnetspulensystems M).

Alle anderen Kopplungen sind null.

Zu Beginn und während der ersten Phase des Zyklus der Flusspumpe P von t = 0 bis t1 = 8s (siehe 5) sind die beiden Schalter S1 und S2 supraleitend geschlossen und der Betriebsstrom IM des supraleitenden Magnetspulensystems M fließt über den Strompfad M-M1-M2-S2. Der Strom I2 in der zweiten Primärspule C2 ist null und der Strom I1 in der ersten Primärspule C1 wird mit einer kontinuierlichen Rampe von 0.25A/s während 8s von –1A auf +1A geladen. Dadurch wird in der Sekundärspule M1 eine Spannung von 25μV induziert. Weil die Sekundärspule M1 supraleitend mit dem Magnetspulensystem M verbunden ist, ist somit in dieser ersten Phase die Bedingung VMagnet = 25μV bereits erfüllt. Zum Zeitpunkt t1 hat der Strom I1 in der Primärspule C1 den Maximalwert von +1A erreicht und soll bis zum Zeitpunkt t2 = 10s wieder auf den Anfangswert von –1A entladen werden. Die in M1 induzierte Spannung beträgt in dieser Phase –100μV. Um während dieser Phase die Spannung VMagnet konstant auf 25μV zu halten, wird der Schalter S1 geöffnet und der Strom in der zweiten Primärspule C2 von null auf 2.5A gefahren. Dadurch wird in der zweiten Sekundärspule M2 eine Spannung von 125μV induziert. Weil der Schalter S1 geöffnet ist, addieren sich die in M1 und M2 induzierten Spannungen im Strompfad M-M1-M2-S2 zu 25μV, womit auch während dieser Phase die Bedingung VMagnet = 25μV erfüllt wird. Zum Zeitpunkt t2 = 10s wird der Schalter S1 wieder geschlossen und der Ladezyklus der Primärspule C1 beginnt von Neuem.

Damit ist das System aber noch nicht wieder im Anfangszustand, weil der Strom I2 in der zweiten Primärspule C2 nicht null ist. Beim Zurücksetzen von I2 auf null muss außerdem gewährleistet werden, dass der Betriebsstrom IM am Schluss wieder durch die Sekundärspule M2 fließt und nicht über den geschlossenen Schalter S1, das heißt IS1 soll null sein. Falls diese Bedingung nicht erfüllt ist, wird beim neuerlichen Öffnen des Schalters S1 im folgenden Zyklus der Flusspumpe P ein unerwünschter Spannungspuls über dem supraleitenden Magnetspulensystem M erzeugt.

Das Ziel, sowohl I2 als auch IS1 auf null zu bringen, wird dadurch erreicht, dass I2 zwischen t2 und t3 auf den Wert – IM·KM2C2/LM2 gefahren wird, im Beispiel –1A. Dabei ist der Schalter S2 geöffnet, wodurch der Strom in M2 auf null gehalten wird. Zwischen t2 und t3 fließt daher der Magnetstrom IM über den geschlossenen Schalter S1, also IS1 = IM = 100A. Zum Zeitpunkt t3 wird der Schalter S2 wieder geschlossen und anschließend wird bis zum Zeitpunkt t4 der Strom I2 in der zweiten Primärspule C2 auf null zurückgefahren. Dadurch wird in der zweiten Sekundärspule M2 ein Strom des Betrages IM in der Richtung des Betriebsstromes des supraleitenden Magnetspulensystems M induziert, so dass ab dem Zeitpunkt t4 der ganze Betriebsstrom IM wieder über den Strompfad M-M1-M2-S2 fließt. Somit ist die zweite Primärspule C2 und der Strompfad M2-S1-S2 ab dem Zeitpunkt t4 wieder im Ausgangszustand.

Es ist zu beachten, dass die Vorgänge während dem Rücksetzen der zweiten Primärspule C2 und des Strompfades M2-S1-S2 in den Ausgangszustand keinen Einfluss haben auf die Spannung VMagnet, welche über dem supraleitenden Magnetspulensystem M anliegt. Der Grund dafür ist, dass während dieser Phase der Schalter S1 immer supraleitend ist, so dass über den Anschlusspunkten von S1 an den Strompfad M-M1-M2-S2 keine Spannung entstehen kann. Somit ist also während dieser Phase die Spannung VMagnet über dem supraleitenden Magnetspulensystem M einzig durch die in der Sekundärspule M1 induzierte Spannung gegeben, welche durch die Stromrampe in der Primärspule C1 auf den gewünschten Wert von 25μV eingestellt ist.

Anhand des in diesem Beispiel gezeigten Verfahrens zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Flusspumpe P werden die Vorteile dieser Anordnung deutlich. Erstens kann die Spannung über den gesamten Zyklus der Flusspumpe P konstant gehalten werden und es treten keine Spannungsspitzen beim Öffnen von supraleitenden Schaltern auf. Zweitens sind die Schalter nur während einem Bruchteil des Betriebszyklus der Flusspumpe P geöffnet, wodurch der Wärmeeintrag in den Kryostaten durch die Schalter minimal wird.

Gegenüber einer Flusspumpe nach dem Stand der Technik mit nur einer Primärspule müssen in einer erfindungsgemäßen Anordnung mindestens zwei Primärspulen C1 und C2 mit Strom versorgt werden. Dadurch wird der Wärmeeintrag in den Kryostaten durch die Stromzuleitungen der Primärspulen vergrößert. Allerdings wirkt sich dieser Nachteil im gezeigten Beispiel nur geringfügig aus, weil die zweite Primärspule C2 nur während einem Bruchteil des Betriebszyklus der Flusspumpe P Strom trägt, wodurch die Wärmeentwicklung in den Zuleitungen klein gehalten wird.

Falls ein supraleitendes Magnetspulensystem für die magnetische Kernspinresonanz verwendet werden soll, sind die Anforderungen an die zeitliche Stabilität des Magnetfeldes besonders hoch. Typischerweise darf die Gesamtresistivität des Magnetspulensystems höchstens in der Größenordnung von 0.1·10^– ⁹Ohm liegen, damit die Felddrift akzeptabel ist. Mit einer erfindungsgemäßen Flusspumpe nach obigem Beispiel kann dagegen das Feld auch dann noch stabilisiert werden, wenn die Resistivität des supraleitenden Magnetspulensystems in der Größenordnung von VMagnet/IM = 25μV/100A = 250·10^–9Ohm liegt. Die Resistivität des Magnetspulensystems darf also über tausend mal größer sein als bei einer Anordnung ohne die erfindungsgemäße Flusspumpe.

Eine erfindungsgemäße Magnetanordnung umfasst ein supraleitendes Magnetspulensystem M und mindestens zwei supraleitende Sekundärspulen M1, M2, die mit dem Magnetspulensystem in Serie geschaltet sind, sowie einen ersten supraleitenden Schalter S1, der die zweite der Sekundärspulen M2 supraleitend überbrücken kann. Besonders vorteilhaft weist die Magnetanordnung einen zweiten supraleitenden Schalter S2 auf, der in Serie mit der zweiten Sekundärspule M2 geschaltet ist, wobei der erste supraleitende Schalter S1 die Gesamtheit von zweiter Sekundärspule M2 und zweitem supraleitenden Schalter S2 überbrücken kann. Durch induktive Kopplung kann mittels mindestens zwei voneinander unabhängigen Primärspulen C1, C2 eine vorgebbare Spannung in jeder der Sekundärspulen M1, M2 erzeugt werden, unabhängig von der jeweils anderen Sekundärspule. Das System von Sekundärspulen, Primärspulen und supraleitenden Schaltern bildet eine Flusspumpe P für das Magnetspulensystem. Diese Flusspumpe kann gut zur Stabilisierung des Magnetfelds des Magnetspulensystems im Betriebszustand über lange Zeit, das heißt zur Driftkompensation im Magnetspulensystem, eingesetzt werden.

Claims

Magnetanordnung mit einem supraleitenden Magnetspulensystem (M), welches im Betriebszustand einen Ohmschen Widerstand (R) größer oder gleich null aufweist, und mit einer Flusspumpe (P), welche mindestens einen supraleitenden Schalter (S1) und mindestens zwei supraleitende Sekundärspulen (M1, M2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein supraleitender Strompfad vorhanden ist, in welchem das supraleitende Magnetspulensystem (M) oder Teile davon mit mindestens zwei Sekundärspulen (M1, M2) zusammen in Serie geschaltet ist und in welchem mindestens eine Sekundärspule (M2) durch Schließen eines supraleitenden Schalters (S1) supraleitend überbrückt werden kann, und dass mindestens zwei Primärspulen (C1, C2) vorhanden sind, welche unabhängig voneinander mit je einem Strom (I1, I2) gespeist werden können und welche jeweils mit mindestens einer der Sekundärspulen (M1, M2) induktiv gekoppelt sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein supraleitender Strompfad vorhanden ist, in welchem das supraleitende Magnetspulensystem (M) oder Teile davon mit n ≥ 2 Sekundärspulen (M1, M2) zusammen in Serie geschaltet ist, und in welchem mindestens eine, aber höchstens n – 1 Sekundärspule(n) (M2) durch Schließen eines oder mehrerer supraleitender Schalter (S1) supraleitend überbrückt werden können.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein supraleitender Schalter (S1) eine Sekundärspule (M2) zusammen mit einem Widerstand (R2) überbrückt, welcher mit der genannten Sekundärspule (M2) in Serie geschaltet ist, wobei dieser Widerstand (R2) einen Wert, gemessen in Ohm, zwischen 0 und dem Wert der Induktivität der genannten Sekundärspule (M2), gemessen in Henry, aufweist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein supraleitender Schalter (S1) eine Sekundärspule (M2) zusammen mit einem weiteren supraleitenden Schalter (S2) überbrückt, welcher mit der genannten Sekundärspule (M2) in Serie geschaltet ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Sekundärspulen (M1) mit genau einer der Primärspulen (C1) induktiv gekoppelt ist, und dass mindestens eine weitere Sekundärspule (M2) mit genau einer weiteren Primärspule (C2) induktiv gekoppelt ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Sekundärspulen (M1, M2) induktiv voneinander weitgehend entkoppelt sind.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Primärspulen (C1, C2) vom supraleitenden Magnetspulensystem (M) induktiv weitgehend entkoppelt ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Sekundärspulen (M1, M2) vom supraleitenden Magnetspulensystem (M) induktiv weitgehend entkoppelt ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Magnetspulensystem (M) über ein Arbeitsvolumen verfügt und dass mindestens eine der Primärspulen (C1, C2) in diesem Arbeitsvolumen im wesentlichen kein Feld erzeugt.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Magnetspulensystem (M) über ein Arbeitsvolumen verfügt und dass mindestens eine der Sekundärspulen (M1, M2) in diesem Arbeitsvolumen im wesentlichen kein Feld erzeugt.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Primärspulen (C1, C2) supraleitend ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Primärspulen (C1, C2) über mindestens teilweise supraleitende Zuleitungen gespeist wird.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der supraleitenden Schalter (S1, S2) durch einen Heizer betätigbar ist, dessen Zuleitungen mindestens teilweise supraleitend sind.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abschitt des supraleitenden Magnetspulensystems (M) mit einem Widerstand (r) überbrückt ist, wobei dieser Widerstand einen Wert, gemessen in Ohm, zwischen 0 und dem Wert der Induktivität des überbrückten Abschnitts, gemessen in Henry, aufweist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Magnetspulensystem (M) Teil einer Apparatur für die magnetische Kernspinresonanz ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Magnetspulensystem (M) Spulen aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial umfasst.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche mit mindestens einer ersten (M1) und einer zweiten (M2) supraleitenden Sekundärspule und einem ersten supraleitenden Schalter (S1), dadurch gekennzeichnet, dass der erste supraleitende Schalter (S1), welcher die zweite Sekundärspule (M2) überbrückt, periodisch geöffnet und geschlossen wird, wobei bei geschlossenem erstem Schalter (S1) der Strom (I1) in einer ersten Primärspule (C1) von einem Anfangswert auf einen Endwert gefahren wird und bei geöffnetem erstem Schalter (S1) wieder weitgehend auf den Anfangswert zurückgesetzt wird, und dass bei geöffnetem erstem Schalter (S1) der Strom (I2) in einer zweiten Primärspule (C2) von einem Anfangswert auf einen Endwert gefahren wird und bei geschlossenem erstem Schalter (S1) wieder weitgehend auf den Anfangswert zurückgesetzt wird.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 4 mit mindestens einer ersten (M1) und einer zweiten (M2) supraleitenden Sekundärspule und einem ersten (S1) und einem zweiten (S2) supraleitenden Schalter, dadurch gekennzeichnet, dass der erste supraleitende Schalter (S1), welcher die zweite Sekundärspule (M2) überbrückt, periodisch geöffnet und geschlossen wird, wobei bei geschlossenem erstem Schalter (S1) der Strom (I1) in einer ersten Primärspule (C1) von einem Anfangswert auf einen Endwert gefahren wird und bei geöffnetem erstem Schalter (S1) wieder weitgehend auf den Anfangswert zurückgesetzt wird, dass bei geöffnetem erstem Schalter (S1) der Strom (I2) in einer zweiten Primärspule (C2) von einem Anfangswert auf einen Endwert gefahren wird und bei geschlossenem erstem Schalter (S1) wieder weitgehend auf den Anfangswert zurückgesetzt wird, und dass bei geschlossenem erstem Schalter (S1) ein zweiter supraleitender Schalter (S2), welcher mit der zweiten Sekundärspule (M2) in Serie geschaltet ist und zusammen mit dieser vom ersten supraleitenden Schalter (S1) überbrückt wird, mindestens zeitweise geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Endwert des Stromes in der zweiten Primärspule (C2) im wesentlichen 0 Ampère beträgt.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass vor Erreichen des Endstromes von 0 Ampère in der zweiten Primärspule (C2) der Strom in dieser Spule auf einen Betrag von I·L/K gesetzt wird und dass spätestens nach Erreichen dieses Stromes der zweite supraleitende Schalter (S2) geöffnet wird, und dass dann während dem Zurücksetzen des Stromes (I2) in der zweiten Primärspule (C2) auf den Endstrom von 0 Ampère und bis zum neuerlichen Öffnen des ersten supraleitenden Schalters (S1) der zweite supraleitende Schalter (S2) supraleitend geschlossen bleibt, wobei I den Strom im supraleitenden Magnetspulensystem (M), L die Selbstinduktivität der zweiten Sekundärspule (M2)und K die induktive Kopplung in Henry zwischen der zweiten Sekundärspule (M2) und der zweiten Primärspule (C2) bezeichnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch zyklische Wiederholung mindestens eines Teils der Verfahrensschritte der Strom in mindestens einem Teil des supraleitenden Magnetspulensystems (M) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch zyklische Wiederholung mindestens eines Teils der Verfahrensschritte der Strom in mindestens einem Teil des supraleitenden Magnetspulensystems (M) auf einem Wert grösser null weitgehend konstant gehalten wird, insbesondere auch dann, wenn der Ohmsche Widerstand (R) des supraleitenden Magnetspulensystems (M) von null verschieden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Verfahrenszyklus die Zeitdauer, während welcher supraleitende Schalter (S1, S2) geöffnet sind, kürzer ist als die Zeit, während der alle Schalter (S1, S2) geschlossen sind.