DE19549211C1 - Magnetsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetsystem mit einem Netzgerät zum Laden einer supraleitenden Magnetspule.

Supraleitende Magnetspulen, insbesondere für Kernspin­ resonanz-Experimente werden üblicherweise im Dauerstrom- Kurzschluß betrieben. Zur Vorbereitung für den Betrieb eines solchen Magnetsystems wird ein Netz gerät an die Magnetspule angeschlossen, um sie mit Strom zu laden. Danach wird das Netzgerät abgetrennt und entfernt (vgl. etwa M.H. Wilson, Superconducting Magnets, Oxford 1983, Seiten 272-274). Der Ladevorgang einer supraleitenden Magnetspule erfordert Sachkenntnis und Er­ fahrung. Insbesondere muß sehr vorsichtig geladen werden, um ein Quenchen, d. h. einen Zusammenbruch des supraleitenden Zustands in den normalleitenden Zustand, zu vermeiden. Ein solcher Quench-Vorgang kann zu erheblichen Kühlmittelver­ lusten führen und kostet Zeit, da diese vor einem neuen Ladevorgang nachgefüllt werden müssen.

Um einen Quench zu vermeiden, ist es wichtig, einem be­ stimmten Ladeprogramm zu folgen, um die Spule zuverlässig und dennoch zügig aufzuladen. Zudem sind die Eigenschaften einer bestimmten Spule, beispielsweise ihre Feld-Homogenität und -Stabilität, möglicherweise durch den Ladevorgang beein­ flußt. Um die höchstmögliche Homogenität des Feldes einer bestimmten Spule zu erreichen, ist das Laden gemäß einem ge­ nau dieser Spule individuell zugeordneten Verfahren durchzu­ führen. Dies wird überlicherweise anhand eines Ladeproto­ kolls durchgeführt. Dieses bestimmte Ladeverfahren wird per Hand beispielsweise von einem Techniker durchgeführt. Je nach Erfahrung und Zuverlässigkeit des Technikers ist es möglich, daß das Netzgerät so betrieben wird, daß der Magnet nicht optimal geladen wird bzw. daß das Ladeverfahren erheb­ lich längere Zeit in Anspruch nimmt. Zudem ist die Re­ produzierbarkeit des Ladens nicht mit Sicherheit gewähr­ leistet, und ein Quenchen des Magnetsystems ist durch ein falsches Laden der Spule möglich.

Demzufolge ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Netzgerät der obengenannten Art derart weiterzubilden, daß die Sicherheit, Qualität und Schnelligkeit beim Laden der Magnetspule verbessert werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Kontrollmittel zum Einlesen und zum Steuern vorgesehen sind, die Daten eines dem supraleitenden Magneten zugeordneten Speichermediums in das Netzgerät einlesen und die anhand der eingelesenen Daten das Laden der supraleitenden Magnetspule durch das Netzgerät steuern.

Auf diese Weise wird die Aufgabe der Erfindung vollständig gelöst. Das jeweils einer bestimmten Magnetspule zugeordnete Speichermedium enthält wichtige Daten bzw. Steuerparameter, die für diese Spule geeignet sind. Durch die Kommunikation zwischen diesem Speichermedium und den in dem Netzgerät ein­ gebauten Kontrollmitteln wird das Laden durch die Kontroll­ mittel derart durchgeführt, daß jede Spule mit dem für sie optimal geeigneten Aufladeverfahren geladen wird. Auf diese Weise ist ein falsches Laden der Magnetspule unmöglich, und ein optimales Laden kann auch vollautomatisch durchgeführt werden. Der betreuende Techniker ist frei, andere Aufgaben während des Ladevorgangs durchzuführen, und eine sichere und wiederholbare Ladung ist dennoch gewährleistet.

Die supraleitende Magentspule ist in einem Kryostaten ange­ ordnet, und es ist vorteilhaft, wenn das Speichermedium mindestens einen Anschluß aufweist, der außerhalb des Kryo­ staten zugänglich angeordnet ist, und der mit dem Netzgerät, beispielsweise über ein Kabel, verbunden werden kann. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das Speichermedium auch per­ manent außerhalb des Kryostaten angeordnet sein kann, wobei das Speichermedium und der dazugehörige Magnet immer fest miteinander in Verbindung stehen. Dadurch, daß das Speicher­ medium Anschlüsse, die außerhalb des Kryostaten zugänglich angeordnet sind, aufweist, wird eine einfache Verbindung zwischen dem Netzgerät und dem Magnetsystem, beispielsweise über ein Kabel gewährleistet, wobei die in dem Speicher­ medium gespeicherten Ladedaten der supraleitenden Magnet­ spule an das Netzgerät weitergegeben werden können.

Vorteilhafterweise weist das Speichermedium ein EPROM auf. Dies hat den Vorteil eines herkömmlichen und kommerziell zugänglichen Speicherelements.

Ausführungsformen sind auch möglich, bei denen das Speicher­ medium einen Strichcode aufweist. Dies hat den Vorteil, daß eine optische Auslesung der in dem Speichermedium ge­ speicherten Informationen mittels bekannter Techniken statt­ finden kann. Ein Aufkleber mit Strichcode kann besonders einfach am Kryostaten angebracht werden. Er ist unmagnetisch und kann mit einem Lichtgriffel abgelesen werden. Einige Spektrometer weisen bereits Streifencode-Einrichtungen auf.

Es ist vorteilhaft, wenn das Speichermedium ein Steuer­ programm zum kontrollierten Laden der Magnetspule enthält. Dies hat den Vorteil, daß jede Magnetspule ihren individuell optimalen Ladevorgang gewissermaßen physisch bei sich trägt, wobei nur minimale Informationen im Netzgerät gespeichert werden müssen und die für das Laden einer bestimmten Magnetspule notwendigen Anweisungen auf dem der Magnetspule zugeordneten Speichermedium gespeichert und beispielsweise mechanisch mit dem Kryostaten der Spule verbunden sind.

Es ist vorteilhaft, wenn die Kontrollmittel derart ausge­ bildet sind, daß das Laden erst stattfinden kann, nachdem eine elektrische Verbindung zwischen den Kontrollmitteln und dem Speichermedium besteht. Dies hat den Vorteil, daß unbe­ fugtes oder unkorrektes Laden des Magneten unmöglich ist. Auf diese Weise wird das Netzgerät erst steuerbar, nachdem gewisse auf dem Speichermedium gespeicherte Informationen bzw. Befehle oder Grenzwerte von den Kontrollmitteln erfaßt wurden.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Laden völlig auto­ matisch erfolgt. Dies hat den Vorteil, daß ein Techniker den Ladevorgang nicht nachteilig beeinflussen kann. Dies hat auch den Vorteil, daß ein durch menschliches Versehen falsches Laden der Spule nicht möglich ist.

Es ist vorteilhaft, wenn eine elektronische Verriegelung zum Unterbinden des Ladens vorgesehen ist. Dies hat den Vorteil, daß nur ein Laden möglich ist, das durch das Speichermedium bzw. das Kontrollmedium kontrolliert wurde, wobei ein aus Versehen falsches Laden der Spule sicher vermieden wird.

In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Netzge­ rätes ist eine Sperre für unzulässige Ladeschritte vorge­ sehen, die zu einem falschen bzw. schädlichen Laden des Magneten führen könnten.

In einer Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels sind Grenzwerte, beispielsweise für Spannung und/oder Strom vor­ gesehen. Dies hat den Vorteil, daß dem Benutzer eine gewisse Freiheit gelassen wird, in den Ladevorgang einzugreifen. Nur in gewissen Fällen, wo bestimmte Grenzwerte, die mög­ licherweise für das Laden gefährlich oder negativ sein könnten, überschritten werden, springt das Ladeprogramm ein, um solche Schritte zu verbieten.

Es ist möglich, daß die Kontrollmittel mindestens vorzugs­ weise eine Reihe von verschiedenen, jeweils zu einem oder mehreren bestimmten Spulen zugeordneten Ladeprogrammen vor­ gespeichert haben können. Auf diese Weise ist es möglich, für jede Spule ein Speichermedium zu verwenden, das nur eine sehr eingeschränkte Speicherkapazität aufweisen muß. Dadurch ist der erforderliche Speicherplatz auf dem Speichermedium klein, und es ist einfach, das entsprechende Speichermedium dem supraleitenden Magneten permanent zuzuordnen, z. B. am Kryostaten anzubringen.

Es ist vorteilhaft, wenn das Speichermedium permanent mit einem den supraleitenden Magneten enthaltenden Kryostaten verbunden ist. Dies hat den Vorteil, daß das Speichermedium durch eine mechanisch feste Verbindung permanent der be­ stimmten Magnetspule zugeordnet ist.

Es ist vorteilhaft, wenn das Ladeprogramm veränderbar ge­ speichert ist. Dies hat den Vorteil, daß veränderliche Eigenschaften des supraleitenden Magneten berücksichtigt werden können.

Es ist vorteilhaft, wenn das Ladeprogramm durch auf dem Speichermedium gespeicherte Ladeparameter definiert ist. Dies hat den Vorteil, daß die Parameter, die dieses be­ stimmte Protokoll definieren, einen begrenzten Speicherplatz auf dem Speichermedium benötigen.

In einem Ausführungsbeispiel ist ein Ladeprogramm vorge­ sehen, das ein Laden mit sich kontinuierlich und weitgehend stufenlos ändernden Parametern ermöglicht. Dies hat den Vor­ teil, daß ein allmähliches schonendes Laden des Magneten stattfinden kann, ohne daß ein Techniker ständig Schritt für Schritt die Spannung bzw. Stromzufuhr des Netzgerätes ein­ stellen muß.

Es ist vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Magnetsystem zum Laden des Magneten eines Kernresonanzspektrometers verwendet wird. Kernresonanzspektrometer, insbesondere für Hochfeld- bzw. Hochauflösungsanwendungen, benötigen optimale Homogenitäten, wobei das Ladeverfahren besonders sorgfältig durchgeführt werden muß.

Ein Verfahren zum Laden der supraleitenden Magnetspule des erfindungsgemäßen Magnetsystems ist gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

• a) das Netzgerät wird über Stromleitungen mit der supraleitenden Magnetspule verbunden;
• b) vom Speichermedium werden Daten in die Kontroll­ mittel im Netzgerät eingelesen;
• c) der supraleitende Schalter wird geöffnet;
• d) die supraleitende Magnetspule wird entsprechend der in die Kontrollmittel eingelesenen Daten vom Netzgerät automatisch geladen;
• e) der supraleitende Schalter wird geschlossen und der Ladestrom wird vom Netzgerät auf Null reduziert;
• f) die Stromleitungen werden von der supraleitenden Magnetspule abgezogen.

Das Verfahren hat den Vorteil, daß den Eigenschaften des er­ findungsgemäßen Magnetsystems auf eine optimale Art und Weise Rechnung getragen wird, um ein sicheres und wiederhol­ bares Laden der Magnetspule zu gewährleisten.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Magnetsystems;

Fig. 2a eine Spannung-gegen-Ladezeit-Kurve für ein Ladeprogramm; und

Fig. 2b eine entsprechende Magnetfeldstärke-gegen- Ladezeit-Kurve nach Fig. 2a.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetsystem 1. Das Magnetsystem 1 weist ein Netzgerät 2 sowie eine supra­ leitende Magnetspule 3 auf. Die supraleitende Magnetspule 3 ist in einem Kryostaten 8 angeordnet und über Stromkabel 5 leitend während des Stromaufladevorganges mit dem Netzgerät 2 verbunden. Das System 1 weist ein außen am Kryostaten 8 fest angebrachtes Speichermedium 7 sowie in das Netzgerät 2 integrierte Kontrollmittel 4 auf. Die Kontrollmittel 4 und das Speichermedium 7 sind über Kontrollkabel 6 elektronisch miteinander verbunden.

Um die Magnetspule 3 zu laden, wird sie an das Netzgerät 2 über das Stromkabel 5 angeschlossen und das Speichermedium 7 mit den Kontrollmitteln 4 über das Kontrollkabel 6 ver­ bunden. Die Kontrollmittel 4 lesen über das Kontrollkabel 6 die auf dem Speichermedium 7 gespeicherten Befehle bzw. Daten. Durch das Auslesen dieser Daten wird von den Kontrollmitteln 4 erfaßt, welcher bestimmte Ladevorgang für die dem Speichermedium 7 zugeordnete supraleitende Magnet­ spule 3 vorzunehmen ist. Auf diese Weise wird ein bestimmtes Ladeprogramm mittels der Kontrollmittel 4 ausgewählt und die Kontrollmittel 4 steuern die Spannungs- bzw. Stromwerte des Netzgerätes 2, um ein Laden der supraleitenden Magnetspule 3 über Stromkabel 5 auf eine gewünschte Art und Weise durchzu­ führen. Nachdem der Ladevorgang zufriedenstellend abge­ schlossen wurde, wird noch vom Ladeprogramm gesteuert, die supraleitende Magnetspule 3 über Schalter 10 kurzge­ schlossen, der Ladestrom heruntergefahren und dann vom Techniker auf bekannte Art und Weise das Stromkabel 5 sowie das Kontrollkabel 6 vom Magnetsystem bzw. dem Speichermedium 7 entfernt. Der supraleitende Magnet 3 ist demzufolge mit dem richtigen supraleitenden Strom geladen, und das Netz­ gerät 1 steht zum Laden anderer supraleitender Magneten zur Verfügung.

In Fig. 2a ist eine typische Ladekurve gezeigt. Die Spannungswerte U werden über die Ladezeit auf eine kontrollierte Art und Weise geändert. Gemäß dem Stand der Technik werden manuell üblicherweise bestimmte Ladestufen 20 in der Spannung-gegen-Ladezeit-Kurve eingefügt. Mit dem er­ findungsgemäßen Ladesystems ist ein quasi-kontinuierliches Laden des Magneten nach Kurve 21 möglich. Dies kann auch da­ durch erfolgen, daß Stützpunkte 22 beispielsweise im Speichermedium 7 gespeichert werden, und daß die Kontroll­ mittel eine Interpolation zwischen diesen Stützpunkten 22 durchführen. Typische Spannungswerte betragen 3 Volt oder weniger, und typische Ladezeiten können 1-4 Stunden be­ tragen.

Fig. 2b zeigt eine typische Änderung des magnetischen Feldes eines supraleitenden Magneten 3 gegen die Ladezeit, die beispielsweise nach Fig. 2a zustandekommen kann. Nachdem die gewünschte B-Feldstärke erreicht ist, wird der Ladevorgang abgeschlossen.

Claims (18)

1. Magnetsystem mit einem Netzgerät zum Laden einer im Be­ trieb über einen supraleitenden Schalter kurzge­ schlossenen supraleitenden Magnetspule, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Netzgerät (2) Kontrollmittel (4) vor­ gesehen sind, die Daten eines der supraleitenden Magnetspule (3) zugeordneten Speichermediums (7) ein­ lesen, und die anhand der eingelesenen Daten das durch das Netzgerät (2) bewirkte Laden der supraleitenden Magnetspule (3) steuern.

2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Magnetspule (3) in einem Kryo­ staten (8) angeordnet ist, und daß das Speichermedium (7) mindestens einen Anschluß (9) aufweist, der außer­ halb des Kryostaten (8) zugänglich angeordnet ist, und der beispielsweise über ein Kabel (6) mit dem Netzgerät (2) verbunden ist.

3. Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Speichermedium (7) ein EPROM auf­ weist.

4. Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Speichermedium (7) einen Strichcode aufweist.

5. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (7) ein Steuerprogramm zum kontrollierten Laden der Magnetspule (3) enthält.

6. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollmittel (4) der­ art ausgebildet sind, daß der Ladevorgang erst ge­ startet werden kann, nachdem die Daten in die Kontroll­ mittel (4) eingelesen wurden.

7. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Laden nur möglich ist, solange eine elektrische Verbindung zwischen den Kontrollmitteln (4) und dem Speichermedium (7) besteht.

8. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Laden des Magneten (3) völlig automatisch erfolgen kann.

9. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Netzgerät (2) eine elek­ trische Verriegelung zum Unterbinden des Ladens vorge­ sehen ist.

10. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Netzgerät (2) eine Sperre für unzulässige Ladeschritte vorgesehen ist.

11. Magnetsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Netzgerät (2) Grenzwerte für Spannung und/oder Strom vorgesehen sind.

12. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollmittel (4) mindestens ein vollständig vorgespeichertes Lade­ programm enthalten.

13. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Magnet­ spule (3) in einem Kryostaten (8) angeordnet ist, und daß das Speichermedium (7) permanent an der Außenseite des Kryostaten (8) angebracht ist.

14. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (7) be­ schreibbar ist.

15. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladeprogramm durch auf dem Speichermedium (7) gespeicherte Ladeparameter de­ finiert ist.

16. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ladeprogramm ge­ speichert ist, das ein Laden mit einem kontinuier­ lichen, weitgehend stufenlosen Verlauf der Ladespannung ermöglicht.

17. Kernresonanzspektrometer mit einem Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16.

18. Verfahren zum Laden der supraleitenden Magnetspule eines Magnetsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

• a) das Netzgerät (2) wird über Stromleitungen (5) mit der supraleitenden Magnetspule (3) verbunden;
• b) vom Speichermedium (7) werden Daten in die Kontroll­ mittel (4) im Netzgerät (2) eingelesen;
• c) der supraleitende Schalter (10) wird geöffnet;
• d) die supraleitende Magnetspule (3) wird entsprechend der in die Kontrollmittel (4) eingelesenen Daten vom Netzgerät (2) automatisch geladen;
• e) der supraleitende Schalter (10) wird geschlossen und der Ladestrom wird vom Netzgerät (2) auf Null re­ duziert;
• f) die Stromleitungen (5) werden von der supraleitenden Magnetspule (3) abgezogen.