DE19615514A1

DE19615514A1 - Charging a superconducting solenoid

Info

Publication number: DE19615514A1
Application number: DE1996115514
Authority: DE
Inventors: Guenther Prof Dr Laukien; Arne Prof Dipl Phys Dr Kasten
Original assignee: Bruker Analytik GmbH; Bruker Analytische Messtechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 1997-10-23
Also published as: GB9707226D0; GB2312328A; GB2312328B

Abstract

A superconductive magnet comprises a flux pump 3, in the cryogenic region, which is driven by energy transmitted by electromagnetic radiation 90 from a source outside the cryogenic region. The electromagnetic radiation is transmitted in a manner requiring no physical contact. It may be in the form of light pulses from a laser or magnetic energy transferred by inductively linked coils or by movement of a permanent magnet relative to a coil. The superconductive magnet includes superconductive switches 21, 31, 32 which are periodically activated by heating caused by energy supplied to the switches via leads or inductive or optical coupling arrangements.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden einer im Betrieb supraleitend kurzge schlossenen supraleitenden Magnetspule, die auf kryogener Temperatur im Innern eines Kryostaten angeordnet ist, mit Hilfe einer Flußpumpe.The invention relates to a device for loading a super short in operation closed superconducting magnetic coil, which is at a cryogenic temperature inside a Cryostat is arranged using a flow pump.

Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise bekannt aus der DE 34 05 310 A1.Such a device is known for example from DE 34 05 310 A1.

Bei konventionellen Kryostaten, insbesondere von NMR-Spektrometern, wird die Ma gnetspule, die sich innerhalb eines Heliumtanks in flüssigem Helium befindet, über von außen eingeschobene Stromstäbe geladen. Mit den Stromstäben zusammen sind u. a. auch elektrische Leitungen zur Magnetspule im Heliumtank geführt, über die ein an dieser angebrachter supraleitender Kurzschlußschalter beheizt und dadurch resistiv gemacht werden kann. Dadurch ist gewährleistet, daß der Ladestrom in die Spule und nicht über den Schalter fließt. Wenn der Sollstrom erreicht ist, wird die Schalterheizung abgeschal tet, der Schalter dadurch supraleitend und der Strom durch die Stromstäbe kann auf Null reduziert werden, wobei schließlich im Kurzschlußbetrieb der Spule der volle Magnet strom durch den supraleitenden Schalter fließt. Anschließend an endgültige Einstellarbei ten, wie z. B. das Homogenisieren des Magnetfeldes über Zuleitungen zu sog. supralei tenden Shim-Spulen, die sich an der Hauptmagnetspule befinden, können die Stromstäbe zusammen mit allen weiteren elektrischen Verbindungen zur Magnetspule im Heliumtank abgezogen werden. Außer der Aufhängung, die auf extrem geringe Wärmeeinträge in den Heliumtank optimiert ist, bestehen nun keine Verbindungen mehr zwischen Magnet spule und der Außenwelt. Dies hat den Vorteil extrem geringer Kühlmittelverluste und geringer Störungen des thermischen Gleichgewichtzustandes, was sich positiv auf die Stabilität und Homogenität des Magnetfelds im Dauerbetrieb auswirkt.In conventional cryostats, especially NMR spectrometers, the Ma gnet coil, which is inside a helium tank in liquid helium, from inserted electrical sticks loaded. Together with the current bars are u. a. also electrical leads to the solenoid in the helium tank, via which one on it attached superconducting short-circuit switch heated and thereby made resistive can be. This ensures that the charging current in the coil and not over the switch flows. When the target current is reached, the switch heater is switched off tet, the switch is superconducting and the current through the current bars can be zero can be reduced, finally the full magnet in short-circuit operation of the coil current flows through the superconducting switch. After final adjustment work ten such. B. the homogenization of the magnetic field via leads to so-called supralei tendency shim coils, which are located on the main magnet coil, the current rods together with all other electrical connections to the solenoid in the helium tank subtracted from. Except for the suspension, which uses extremely little heat the helium tank is optimized, there are no longer any connections between the magnet coil and the outside world. This has the advantage of extremely low coolant losses and less disturbance of the thermal equilibrium state, which has a positive effect on the Stability and homogeneity of the magnetic field in continuous operation.

Das Einbringen der Stromstäbe ins flüssige Helium, das Laden der Spule mit einigen hundert Ampere aus einem externen Netzgerät und das anschließende Entfernen der Stä be kann nur von speziell geschultem Personal durchgeführt werden. Insbesondere beim Abziehen der Stäbe ist das Personal im Fall eines unbeabsichtigten Quenches mit schlag artigem Verdampfen des Heliums gefährdet, da es sich unmittelbar am Kryostaten aufhal ten muß. Zudem kann aufgrund begrenzter Raumhöhe das Einführen der Stäbe durch die Kryostatentürme stark behindert werden. Es kann durchaus sein, daß allein dadurch an sonsten geeignete Laborräume nicht entsprechend genutzt werden können.Introducing the current bars into the liquid helium, loading the coil with some hundred amps from an external power supply and then removing the bars be can only be carried out by specially trained personnel. Especially when In the event of an unintentional quench, the staff is pulled off with a blow like evaporation of the helium is at risk, since it is located directly on the cryostat must. In addition, due to limited room height, the rods can be inserted through the Cryostat towers are severely hampered. It may well be that just because of that otherwise suitable laboratory rooms cannot be used accordingly.

Die eingangs genannte DE 34 05 310 A1 schlägt daher unter anderem vor, den supralei tenden Magneten über eine sog. Flußpumpe zu laden. Diese Flußpumpe benötigt nur relativ dünne Zuleitungen von Raumtemperatur in den kryogenen Bereich des Kryosta ten hinein, die auch nach dem Ladevorgang im Kryostaten verbleiben, dann allerdings im Dauerbetrieb einen stetigen Wärmeeintrag in den kryogenen Bereich darstellen. Grund sätzlicher Aufbau und Wirkungsweise der Flußpumpe sind in DE 34 05 310 sowie in den dort zitierten Druckschriften Cryogenics 21 (1981) 195-206 und Cryogenics 21 (1981) 267-277 beschrieben. Insbesondere hinsichtlich der Vielzahl möglicher Ausführungsfor men und deren Optimierung wird ausdrücklich auf diese beiden Artikel bezug genom men.The above-mentioned DE 34 05 310 A1 therefore proposes, among other things, the supralei tendency to charge magnets via a so-called flow pump. This flow pump only needs relatively thin supply lines from room temperature into the cryogenic area of the cryosta that remain in the cryostat even after charging, but then in the Continuous operation represent a constant heat input into the cryogenic area. Reason Additional structure and mode of operation of the flow pump are in DE 34 05 310 and in the Cryogenics 21 (1981) 195-206 and Cryogenics 21 (1981) cited therein 267-277. Especially with regard to the large number of possible designs and their optimization is expressly referred to these two articles men.

Die Verwendung der Flußpumpe anstelle von Stromstäben reduziert den Wärmeeintrag in den Kryostaten während des Ladevorgangs. Allerdings verbleiben immer noch die Stromzuleitungen zur Flußpumpe sowie zur Heizung ihrer supraleitenden Schalter.Using the flow pump instead of current bars reduces the heat input in the cryostat during charging. However, they still remain Power supply lines to the flow pump and for heating their superconducting switches.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Wärmeeintrag in den kryogenen Bereich eines Kryostaten, der eine supraleitende Magnetspule enthält, insbesondere eines Kryostaten eines NMR-Spektrometers, im supraleitend kurzgeschlossenen Dauerbetrieb der Ma gnetspule weiter zu vermindern und das umständliche und zeitraubende Einführen von Stromstäben während des Ladevorgangs zu vermeiden. The object of the invention is therefore to reduce the heat input into the cryogenic area Cryostat containing a superconducting magnet coil, in particular a cryostat an NMR spectrometer, in the superconductively short-circuited continuous operation of the Ma to further reduce the magnetic coil and the cumbersome and time-consuming introduction of Avoid power sticks during charging.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß am oder im Kryostaten auf einem Temperatur niveau deutlich oberhalb der Temperatur der supraleitenden Magnetspule mindestens ein getaktet einschaltbarer Sender zum Aussenden elektromagnetischer Energie vorgesehen ist und im Bereich der Flußpumpe und ihrer supraleitenden Schalters auf dem Tempera turniveau der supraleitenden Magnetspule mindestens ein erster Empfänger für die ge taktet ausgesendete elektromagnetische Energie, der die empfangene Energie in einen getakteten Strom umwandelt und diesen der Primärspule der Flußpumpe zuführt, sowie mindestens ein zweiter Empfänger für getaktete elektromagnetische Energie, der diese direkt oder indirekt der Heizung mindestens eines supraleitenden Schalters zuführt, so daß er zeitweise normalleitend wird, derart, daß die Flußpumpe den Strom durch die supraleitende Magnetspule sukzessive erhöht.This object is achieved in that on or in the cryostat at a temperature level significantly above the temperature of the superconducting magnet coil at least one clocked switchable transmitter provided for sending electromagnetic energy is and in the area of the flow pump and its superconducting switch on the tempera level of the superconducting magnet coil at least a first receiver for the ge clocks emitted electromagnetic energy, which converts the received energy into one converts current and converts this to the primary coil of the flow pump, and at least one second receiver for clocked electromagnetic energy, this feeds the heating of at least one superconducting switch directly or indirectly, so that it becomes normally conductive at times, such that the flow pump flows through the superconducting solenoid gradually increased.

Die Aufgabe wird dadurch vollständig gelöst.This completely solves the task.

Die Flußpumpe und die supraleitenden Schalter können von außen jederzeit ohne zeit raubende Vorbereitung betätigt werden und durch die berührungslose Übertragung wird ein ständiger Wärmeeintrag außerhalb der Ladezeiten in den kryogenen Bereich des Kryostaten der Magnetspule vermieden.The flow pump and the superconducting switches can be operated from the outside at any time without time consuming preparation and through the contactless transmission a constant heat input outside the charging times in the cryogenic area of the Cryostat of the solenoid coil avoided.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Sender eine optische oder Infrarotlicht quelle, insbesondere ein Laser, bzw. das Ende eines Lichtleiters, der von einer solchen Lichtquelle kommt und der erste Empfänger mindestens eine Fotozelle zur Umwandlung der empfangenen Strahlungsenergie in elektrischen Strom, der getaktet durch die Pri märwindung(en) der Flußpumpe geschickt wird.In one embodiment of the invention, the transmitter is an optical or infrared light source, in particular a laser, or the end of an optical fiber, which is made of such Light source comes and the first receiver has at least one photocell for conversion the received radiation energy in electrical current, which is clocked by the Pri märwindung (s) is sent to the flow pump.

Das Licht derselben oder von weiteren Lichtquellen kann auch zum getakteten Schalten der supraleitenden Schalter verwendet werden. Die Heizer dieser supraleitenden Schalter werden dabei durch getaktetes Führen der elektromagnetischen Strahlung auf die Heizer berührungslos betätigt. Dies kann analog zu den in der nicht-vorveröffentlichten Pa tentanmeldung DE 44 41 575.3 der Anmelderin beschriebenen Anordnungen und Verfah ren geschehen, auf die hiermit vollinhaltlich bezug genommen wird.The light from the same or from other light sources can also be used for clocked switching of the superconducting switch can be used. The heaters of these superconducting switches are directed to the heater by clocked guidance of the electromagnetic radiation operated without contact. This can be analogous to that in the unpublished Pa Tent registration DE 44 41 575.3 arrangements and procedure described by the applicant other events, to which reference is hereby made in full.

Dies hat den Vorteil, daß die Energie mit an sich bekannten optischen Mitteln in die Um gebung der Flußpumpe und der supraleitenden Schalter geführt werden kann. This has the advantage that the energy in the order with optical means known per se the flow pump and the superconducting switch can be performed.

In einer Ausführungsform der Erfindung besitzen die Heizer der supraleitenden Schalter eine im Frequenzbereich der vom Sender abgestrahlten Energie absorbierende Oberflä che, auf die die Strahlung gerichtet bzw. fokussiert ist, und sind mit dem jeweiligen su praleitenden Schalter wärmeleitend verbunden.In one embodiment of the invention, the heaters have the superconducting switches a surface absorbing in the frequency range of the energy emitted by the transmitter che, on which the radiation is directed or focused, and with the respective su thermally conductive switch connected.

Dies hat den Vorteil, daß ein großer Teil der Strahlungsenergie direkt zur Heizung des Schalters verwendet wird.This has the advantage that a large part of the radiation energy is used directly for heating the Switch is used.

In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die dem Sender zugewandte Oberfläche des Heizers eine Vertiefung, in die die Strahlung fokussiert wird und die als Strahlungs falle wirkt.In a preferred embodiment, the surface facing the transmitter has the heater has a recess into which the radiation is focused and which is called radiation trap works.

In einer alternativen Ausführungsform ist der Heizer eine Photozelle, die mit einem Heizwiderstand zum Heizen des supraleitenden Schalters elektrisch verbunden ist.In an alternative embodiment, the heater is a photocell with a Heating resistor for heating the superconducting switch is electrically connected.

Dies hat den Vorteil, daß wie im konventionellen Stand der Technik eine elektrische Be heizung des Schalters erfolgt, was ggf. keine Umrüstung des Schalteraufbaus erfordert.This has the advantage that, as in the conventional prior art, an electrical loading the switch is heated, which may not require retrofitting the switch assembly.

In einer Weiterbildung der o.g. Ausführungsformen sind der Empfänger und/oder die Heizer selbst oder mit ihm bzw. ihnen verbundene Lichtleiter so weit über die Magnet spule herausgeführt, daß der vom Sender aus zu überbrückende optische Weg auch bei höchstem Füllstand einer die Spule umgebenden kryogenen Flüssigkeit, i.a. Helium, durchweg in Gas bzw. im Lichtleiter und nicht in der kryogenen Flüssigkeit verläuft.In a further education of the above Embodiments are the recipient and / or the Heater itself or light guide connected to it or them so far over the magnet coil led out that the optical path to be bridged from the transmitter highest level of a cryogenic liquid surrounding the coil, i.a. Helium, runs consistently in gas or in the light guide and not in the cryogenic liquid.

Dies hat den Vorteil, daß weniger optische Streuverluste und Absorption auftreten.This has the advantage that less optical scattering losses and absorption occur.

In einer Ausführungsform sind Sender und Empfänger elektrische Spulen, die induktiv gekoppelt sind, die sich aber nicht berühren, wobei die Senderspule über einen Schalter mit einem Wechselspannungsgenerator und die Empfängerspule mit einer Primärwick lung der Flußpumpe elektrisch verbunden sind.In one embodiment, the transmitter and receiver are electrical coils that are inductive are coupled, but do not touch, the transmitter coil via a switch with an AC voltage generator and the receiver coil with a primary winding tion of the flow pump are electrically connected.

An die Stelle einer Senderspule kann auch ein mechanisch bewegter Permanentmagnet treten, dessen Bewegung eine magnetische Flußänderung durch die Empfängerspule bewirkt. Die mechanische Bewegung kann eine Translation oder Rotation sein. Der be wegliche Permanentmagnet kann im oberen Bereich des Heliumtanks angeordnet sein oder auch außerhalb der Kryostaten. Bei entsprechend langsamer Bewegung werden in den Kryostatenstrukturen nur in geringem Umfang Wirbelströme angeworfen. Ggf. müs sen diese durch Maßnahmen wie geeignete Materialwahl, geometrische Anordnung und Schlitzung minimiert werden. Dies trifft auch für die induktive Einkopplung über eine Senderspule zu.A mechanically moved permanent magnet can also be used instead of a transmitter coil occur, the movement of which is a magnetic flux change through the receiver coil causes. The mechanical movement can be a translation or rotation. The be movable permanent magnet can be arranged in the upper region of the helium tank or outside of the cryostat. With a correspondingly slow movement, in Eddy currents are only applied to the cryostat structures to a small extent. Possibly. must these through measures such as a suitable choice of material, geometric arrangement and Slits are minimized. This also applies to inductive coupling via a Transmitter coil too.

Die elektromagnetische Energie wird dabei nicht in Form von Licht sondern in Form eines elektromagnetischen Wechselfeldes induktiv aber berührungslos übertragen. Dies ist sowohl zur Einkopplung elektrischer Energie in die Flußpumpe als auch für die Be heizung der supraleitenden Schalter eine Alternative. Grundsätzlich sind alle Kombina tionen möglich, d. h. die Energie für die Flußpumpe kann optisch über eine oder mehrere Fotozellen eingekoppelt werden bzw. durch Empfang und Gleichrichten elektromagneti scher Strahlung nahezu beliebiger Wellenlänge oder sie kann induktiv eingekoppelt wer den. Entsprechendes gilt für die Beheizung der supraleitenden Schalter, wo sinngemäß abgewandelt alle Varianten der DE 44 41 575.3 einzeln oder in Kombination zum Ein satz kommen können.The electromagnetic energy is not in the form of light but in the form an electromagnetic alternating field is transmitted inductively but without contact. This is both for coupling electrical energy into the flow pump and for loading heating the superconducting switch an alternative. Basically all Kombina possible, d. H. the energy for the flow pump can be optically over one or more Photocells are coupled in or by electromagnetic reception and rectification shear radiation of almost any wavelength or it can be inductively coupled in the. The same applies to the heating of the superconducting switches, where appropriate modified all variants of DE 44 41 575.3 individually or in combination to one sentence can come.

Je nach Auslegung kann die Einkopplung aus der Empfangsspule in die Flußpumpe nicht direkt, sondern über mehrere Transformationsstufen erfolgen. In der einfachsten Variante wird direkt induktiv in die Sekundärspule(n) der Flußpumpe eingekoppelt. Die Primär spule der Flußpumpe kann dann entfallen.Depending on the design, the coupling from the receiving coil into the flow pump cannot directly, but over several transformation levels. In the simplest variant is directly inductively coupled into the secondary coil (s) of the flow pump. The primary The coil of the flow pump can then be omitted.

Bei der induktiven Übertragung muß generell darauf geachtet werden, daß nicht andere Wechselfelder, die beim Betrieb des Spektrometers ggf. entstehen, in eine Empfängerspu le einkoppeln und unerwünschte Wärme erzeugen, bzw. gar einen unbeabsichtigten Quench auslösen. Dies kann durch die sorgfältige Auswahl einer Resonanzfrequenz ge schehen oder durch Kompensationsspulen, die Störfelder kompensieren aber nicht das jenige der Senderspule.In the case of inductive transmission, it must generally be ensured that not others Alternating fields, which may arise during the operation of the spectrometer, into a receiver track Coupling le and generating unwanted heat, or even an unintended Trigger quench. This can be done by carefully selecting a resonance frequency happen or through compensation coils, but the interference fields do not compensate for that that of the transmitter coil.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten 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 erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charak ter.Further advantages of the invention emerge from the description and the attached one Drawing. Likewise, those mentioned above and those which have been elaborated further can be used Features according to the invention individually for themselves or for several in any Combinations are used. The mentioned embodiments are not as to understand the final list, but rather have exemplary character ter.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand konkreter Ausführungs beispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:The invention is shown in the drawing and is based on concrete execution examples described and explained in more detail. Show it:

Fig. 1 schematischer Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungs gemäßen Vorrichtung mit optischer Energieübertragung; Figure 1 shows a schematic structure of a first embodiment of an inventive device with optical energy transfer.

Fig. 2 schematische Detailskizze der Flußpumpe einer erfindungsgemäßen Vor richtung nach Fig. 1; Fig. 2 schematic detailed sketch of the flow pump of an inventive device according to Fig. 1;

Fig. 3 schematischer Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung mit induktiver Energieübertragung; Fig. 3 shows a schematic structure of a second embodiment of an inventive device with inductive energy transfer;

Fig. 4 schematische Detailskizze der Flußpumpe einer erfindungsgemäßen Vor richtung nach Fig. 3; Fig. 4 is a schematic detailed sketch of the flow pump of an inventive device according to Fig. 3;

Fig. 5 schematische Detailskizze der Flußpumpe einer erfindungsgemäßen Vor richtung mit induktiver Einkopplung von einem mechanisch gedrehten Permanentmagneten. Fig. 5 schematic detailed sketch of the flow pump of an inventive device with inductive coupling of a mechanically rotated permanent magnet.

Im einzelnen zeigen die Fig. 1 und 2 sehr schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden einer im Betrieb supraleitend kurzge schlossenen supraleitenden Magnetspule 2, die auf kryogener Temperatur im Innern ei nes Kryostaten 1 angeordnet ist, mit Hilfe einer Flußpumpe 3. Die Zufuhr der elektri schen Energie von außerhalb des Kryostaten 1 zur Flußpumpe 3, die sich im Innern eines Heliumtanks 4 des Kryostaten 1 auf kryogener Temperatur befindet, erfolgt berührungs los mittels Laserlichts 90. Auch das zeitweilige Beheizen der supraleitenden Schalter 31, 32 der Flußpumpe 3 und des supraleitenden Kurzschlußschalters 21 der Magnetspule 2 erfolgt jeweils optisch. In anderen Ausführungsformen kann jedoch das Beheizen der Schalter 31, 32, 21 auch konventionell über dünne Zuleitungsdrähte erfolgen oder auch induktiv wie weiter unten im Zusammenhang mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In detail, FIGS. 1 and 2 very schematically a first embodiment is arranged an inventive device for charging a superconducting short-circuited during operation closed superconducting magnet coil 2 to cryogenic temperature in the interior egg nes cryostat 1 by means of a flow pump. 3 The supply of electrical energy from outside the cryostat 1 to the flow pump 3 , which is located inside a helium tank 4 of the cryostat 1 at cryogenic temperature, is contactless by means of laser light 90 . The temporary heating of the superconducting switches 31 , 32 of the flow pump 3 and of the superconducting short-circuit switch 21 of the magnet coil 2 is also carried out optically. In other embodiments, however, the switches 31 , 32 , 21 can also be heated conventionally via thin lead wires or also inductively, as described below in connection with a further exemplary embodiment of the invention.

Von einer oder mehreren Lichtquellen 6, insbesondere von einem Laser kann getaktet intensives Licht 90 (sichtbar, IR oder UV) über optische Schalt- und Strahlführungsmit tel 7, z. B. über ansteuerbare, bewegliche Spiegel, auf Lichtleiter 81-85 geleitet werden. Diese Lichtleiter 81-85 erstrecken sich von außen durch einen Kryostatenturm 11 in den oberen gaserfüllten Teil des Heliumtanks 4 des Kryostaten 1. Ihnen gegenüber stehen weitere Lichtleiter 91-95, die von unten aus dem Bereich flüssigen Heliums herausragen. Laserlicht 90, das bei Zimmertemperatur zeitweise in einen oder mehrere der Lichtleiter 81-85 eingeleitet wird, überbrückt somit, ggf. mit Hilfe weiterer fokussierender Mittel, z. B. Linsen 61-65 und 71-75, eine heliumgasgefüllte Strecke im Heliumtank 4 und trifft in einen der weiteren Lichtleiter 91-95 ein. Zwei dieser weiteren Lichtleiter 91, 92 führen auf die lichtempfindlichen Oberflächen zweier Photozellen 101, 102, deren maximale Empfindlichkeit auf die Laserwellenlänge abgestimmt ist. Die Photozellen 101, 102 sind jeweils über Dioden 103, 104 mit der supraleitenden Primärspule 33 der Flußpumpe 3 elektrisch verbunden derart, daß Beleuchtung einer der Photozellen 101 in der Primär spule 33 einen positiven Strom bewirkt und Beleuchtung der anderen 102 einen negati ven Strom. Die Flußpumpe 3 wird dadurch betrieben, daß die beiden Photozellen 101, 102 in einem vorgegebenen Takt abwechselnd mit Laserlicht bestrahlt werden, wodurch durch die Primärspule 33 ein in diesem Takt alternierender Strom fließt. In einfacheren Ausführungsformen können die Dioden 103, 104 und eine der Photozellen 102 entfallen.From one or more light sources 6 , in particular from a laser, intense light 90 (visible, IR or UV) can be clocked via optical switching and beam-guiding means 7 , e.g. B. via controllable, movable mirrors on fiber 81-85 . These light guides 81-85 extend from the outside through a cryostat tower 11 into the upper gas-filled part of the helium tank 4 of the cryostat 1 . Opposite them are other light guides 91-95 , which protrude from below from the area of liquid helium. Laser light 90 , which is temporarily introduced into one or more of the light guides 81-85 at room temperature, thus bridges, if necessary with the aid of further focusing means, e.g. B. lenses 61-65 and 71-75 , a helium gas-filled section in the helium tank 4 and arrives in one of the other light guides 91-95 . Two of these further light guides 91 , 92 lead to the light-sensitive surfaces of two photocells 101 , 102 , the maximum sensitivity of which is matched to the laser wavelength. The photocells 101 , 102 are each electrically connected via diodes 103 , 104 to the superconducting primary coil 33 of the flow pump 3 such that illumination of one of the photocells 101 in the primary coil 33 causes a positive current and illumination of the other 102 a negative current. The flow pump 3 is operated in that the two photocells 101 , 102 are alternately irradiated with laser light in a predetermined cycle, as a result of which an alternating current flows through the primary coil 33 . In simpler embodiments, the diodes 103 , 104 and one of the photocells 102 can be omitted.

Die verbleibenden weiteren Lichtleiter 93-95 führen zu supraleitenden Schaltern 31, 32 und 21. Wie an sich bekannt, müssen zum Betrieb der Flußpumpe 3 die Schalter 31 und 32 synchron zur Polarität des Stroms durch die Primärspule 33 im Gegentakt geschaltet werden. Sie schalten abwechselnd eine der beiden Sekundärspulen 34, 35 der Flußpumpe 3 gegensinnig auf die Magnetspule 2. Das getaktete Öffnen der supraleitenden Schalter 31, 32 erfolgt im Ausführungsbeispiel durch direktes Beheizen mittels Laserlicht über die Lichtleiter 83, 84 und die weiteren Lichtleiter 93, 94. Auch der supraleitende Kurz schlußschalter 21 der Magnetspule 2 kann auf diese Weise über Lichtleiter 85 und 95 offengehalten werden. Abwandlungen der Schaltung nach Fig. 2 sind durchaus möglich. Insbesondere sei hierzu nochmals auf die beiden eingangs genannten Übersichtsartikel verwiesen. The remaining further light guides 93-95 lead to superconducting switches 31 , 32 and 21 . As is known per se, the switches 31 and 32 must be switched in synchronism with the polarity of the current through the primary coil 33 in order to operate the flow pump 3 . You alternately switch one of the two secondary coils 34 , 35 of the flow pump 3 in opposite directions to the magnetic coil 2 . The clocked opening of the superconducting switches 31 , 32 takes place in the exemplary embodiment by direct heating by means of laser light via the light guides 83 , 84 and the further light guides 93 , 94 . The superconducting short-circuit switch 21 of the magnet coil 2 can be kept open in this way via light guides 85 and 95 . Modifications to the circuit according to FIG. 2 are quite possible. In particular, reference is again made to the two overview articles mentioned at the beginning.

Die Fig. 3 und 4 zeigen sehr schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung zum Laden einer im Betrieb supraleitend kurzgeschlossenen supraleitenden Magnetspule 202, die auf kryogener Temperatur im Innern eines Kryostaten 201 angeordnet ist, mit Hilfe einer Flußpumpe 203. Die Zufuhr der elektri schen Energie von außerhalb des Kryostaten 201 zur Flußpumpe 203, die sich im Innern eines Heliumtanks 204 des Kryostaten 201 auf kryogener Temperatur befindet, erfolgt berührungslos induktiv. Eine Sendespule 233 im Innern des Heliumtanks 204 kann über Leitungen 281, 281′ mit einem zeitlich veränderlichen Strom beschickt werden. Die Sen despule 233 wirkt als Primärspule der Flußpumpe 203, berührt die Sekundärspulen je doch nicht, d. h. es besteht keine elektrisch oder thermisch leitende Verbindung. Die Flußpumpe 203 ist ansonsten analog zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2 aufgebaut. Sie wird dadurch betrieben, daß von einem externen Netzgerät 206 in einem vorgegebenen Takt abwechselnd der Strom durch die Sendespule 233 erhöht und erniedrigt wird, wo durch auch durch die Primärspule 233 ein in diesem Takt alternierender Strom fließt. Die Sendespule 233 ist direkt induktiv mit der oder den Sekundärspulen 234, 235 der Fluß pumpe 203 gekoppelt. FIGS. 3 and 4 show very schematically a further embodiment of an OF INVENTION to the invention apparatus for charging a superconductingly short-circuited during operation superconducting magnetic coil 202, which is disposed on cryogenic temperature inside a cryostat 201, with the aid of a flow pump 203rd The supply of electrical energy from outside the cryostat 201 to the flow pump 203 , which is located inside a helium tank 204 of the cryostat 201 at cryogenic temperature, is contactless inductive. A transmitter coil 233 inside the helium tank 204 can be charged with a time-varying current via lines 281 , 281 '. The Sen despule 233 acts as the primary coil of the flow pump 203 , but does not touch the secondary coils, ie there is no electrically or thermally conductive connection. The flow pump 203 is otherwise constructed analogously to the exemplary embodiment in FIG. 2. It is operated in that the current through the transmitter coil 233 is alternately increased and decreased by an external power supply unit 206 in a predetermined cycle, where a current alternating in this cycle also flows through the primary coil 233 . The transmitter coil 233 is directly inductively coupled to the secondary coil or coils 234 , 235 of the flux pump 203 .

Es sind weitere Zuleitungen 283-285, 283′-285′ vom Netzgerät 206 zu Sendespulen 263-265 vorgesehen, die induktiv mit Empfangsspulen 293-295 gekoppelt sind und die einer berührungslosen Beheizung der supraleitenden Schalter 231, 232, 221 dienen. Ein für ein Zeitintervall fließender Wechselstrom durch eine der weiteren Sendespulen 263- 265 induziert einen Strom in der entsprechenden Empfangsspule 293-295, der seinerseits den entsprechenden supraleitenden Schalter 231, 232, 221 in diesem Zeitintervall beheizt und dadurch öffnet. Anstelle dieser induktiven Beheizung können aber auch wie in Fig. 1 und 2 Lichtleiter vorgesehen sein, die zu den supraleitenden Schaltern 231, 232 und 221 rühren, so daß diese optisch beheizt werden können. Wie oben besprochen, müssen zum Betrieb der Flußpumpe 203 die Schalter 231 und 232 synchron zur Polarität des induzierten Stroms durch die Primärspule 233 im Gegentakt geschaltet werden. Sie schalten abwechselnd eine der beiden Sekundärspulen 234, 235 der Flußpumpe 203 ge gensinnig auf die Magnetspule 202. Das getaktete Öffnen der supraleitenden Schalter 231, 232 erfolgt im Ausrührungsbeispiel ebenfalls induktiv. Auch der supraleitende Kurz schlußschalter 221 der Magnetspule 202 kann auf diese Weise offengehalten werden. There are further leads 283-285 , 283 '- 285 ' from the power supply unit 206 to transmitter coils 263-265 , which are inductively coupled to receiver coils 293-295 and which are used for contactless heating of the superconducting switches 231 , 232 , 221 . An alternating current flowing through one of the further transmission coils 263-265 for a time interval induces a current in the corresponding reception coil 293-295 , which in turn heats the corresponding superconducting switch 231 , 232 , 221 in this time interval and thereby opens it. Instead of this inductive heating, light guides can also be provided, as in FIGS. 1 and 2, which lead to the superconducting switches 231 , 232 and 221 , so that they can be heated optically. As discussed above, to operate the flow pump 203, the switches 231 and 232 must be switched in push-pull synchronism with the polarity of the induced current through the primary coil 233 . They alternately switch one of the two secondary coils 234 , 235 of the flow pump 203 in the opposite direction to the solenoid 202 . The clocked opening of the superconducting switches 231 , 232 also takes place inductively in the exemplary embodiment. The superconducting short-circuit switch 221 of the solenoid 202 can be kept open in this way.

Abwandlungen der Schaltung nach Fig. 4 sind durchaus möglich. Insbesondere sei hierzu ebenfalls auf die beiden eingangs genannten Übersichtsartikel verwiesen.Modifications of the circuit according to FIG. 4 are quite possible. In particular, reference is also made to the two overview articles mentioned at the beginning.

Das zeitweilige Beheizen der supraleitenden Schalter 231, 232 der Flußpumpe 203 und des supraleitenden Kurzschlußschalters 221 der Magnetspule 202 kann jeweils induktiv erfolgen in Analogie zu einem der entsprechenden Verfahren zum Beheizen des supralei tenden Schalters zur Quenchauslösung in DE 44 41 575.3 aber bevorzugt optisch wie bereits weiter oben im Zusammenhang mit Fig. 2 und einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In anderen Ausführungsformen kann auch in diesem Fall das Beheizen der Schalter 231, 232, 221 konventionell über dünne Zuleitungsdrähte erfol gen.The temporary heating of the superconducting switch 231 , 232 of the flow pump 203 and the superconducting short-circuit switch 221 of the magnetic coil 202 can be done inductively in analogy to one of the corresponding methods for heating the superconducting switch for quenching in DE 44 41 575.3, but preferably optically as already Described above in connection with Fig. 2 and a first embodiment of the invention. In other embodiments, the switches 231 , 232 , 221 can also be conventionally heated via thin lead wires in this case.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 erfolgt die Energieeinkopplung ebenfalls induktiv. Die Sendespule ist jedoch ersetzt durch einen mechanisch beweglichen Permanentmagne ten 306, der sich außerhalb des Kryostaten 301 befinden kann. Die Flußpumpe 303 im Heliumtank 304 enthält keine Primärspule. Der magnetische Fluß des Permanentmagne ten wird direkt in die Sekundärspule(n) 334, 335 der Flußpumpe 303 eingekoppelt und durch mechanische Bewegung des Permanentmagneten 306 wie Translation und/oder Rotation verändert. Im Ausführungsbeispiel werden die supraleitenden Schalter 331, 223 der Flußpumpe 303 und der supraleitende Kurzschlußschalter 321 der Magnetspule 302 in Analogie zum ersten Ausführungsbeispiel mittels eines Lasers 306 über Lichtleiter 383-385, 393-395 synchronisiert mit der Bewegung des Permanentmagneten 306 optisch geschaltet. Selbstverständlich sind jedoch auch wieder die anderen angesprochenen Vari anten der berührungslosen Schalterbetätigung möglich.In the exemplary embodiment according to FIG. 5, the energy is also coupled in inductively. However, the transmitter coil is replaced by a mechanically movable permanent magnet 306 , which can be located outside the cryostat 301 . The flow pump 303 in the helium tank 304 does not contain a primary coil. The magnetic flux of the permanent magnet is directly coupled into the secondary coil (s) 334 , 335 of the flux pump 303 and changed by mechanical movement of the permanent magnet 306 such as translation and / or rotation. In the exemplary embodiment, the superconducting switches 331 , 223 of the flow pump 303 and the superconducting short-circuit switch 321 of the magnetic coil 302 are optically switched in synchronization with the movement of the permanent magnet 306 in a manner analogous to the first exemplary embodiment by means of a laser 306 via light guides 383-385 , 393-395 . Of course, however, the other variants of contactless switch actuation mentioned are also possible.

In allen Abbildungen ist die Anordnung der Komponenten, vor allem der Induktionsspu len und des Permanentmagneten, keinesfalls maßstäblich sondern rein schematisch zu verstehen.The arrangement of the components, especially the induction coil, is shown in all figures len and the permanent magnet, by no means to scale but purely schematically understand.

Es sei noch einmal betont, daß die in Verbindung mit den Fig. 1 bis 5 genannten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die aufgeführten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charak ter.It should be emphasized once again that the features mentioned in connection with FIGS. 1 to 5 are used according to the invention individually or individually or in any combination. The listed embodiments are not to be understood as a final list, but rather have exemplary characters.

Claims

1. Device for charging a superconducting short-circuited superconducting magnet coil, which is arranged at cryogenic temperature inside a cryostat, with the aid of a flow pump, which has at least one secondary coil and a clocked switchable superconducting switch, characterized in that on or in the cryostat at a temperature level well above the temperature of the superconducting magnet coil at least one clocked switchable transmitter is provided for emitting electromagnetic energy and in the area of the flow pump and its superconducting switch at the temperature level of the superconducting magnetic coil at least one first receiver for the clocked emitted electromagnetic energy, which converts the received energy into a clocked current and feeds it to the flow pump, as well as at least one second receiver for clocked electromagnetic energy, which directly or it indirectly supplies a heater to the at least one superconducting switch, so that it temporarily becomes normally conductive, such that the flow pump gradually increases the current through the superconducting magnet coil.

2. Device according to claim 1, characterized in that the flow pump two oppositely wound or switched secondary coils and two clocked switchable has superconducting switches.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the transmitter is at least one optical or infrared light source, in particular a laser, and the Receiver at least one photocell that senses in the spectral range of the light source is.

4. The device according to claim 3, characterized in that the receiver itself or a light guide connected to it so far over the solenoid leads is that the optical path to be bridged from the transmitter even at the highest Fill level of a cryogenic liquid surrounding the coil, in particular helium, runs consistently in gas or in the light guide and not in the cryogenic liquid.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized net that two receivers are provided on the alternating electromagnetic Energy is sent and the ver with a primary coil of the flow pump are switched that they alternately currents of different polarity in the flow pump feed.

6. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the clocked switchable transmitter is a transmitter coil and the first receiver is a receiver coil.

7. The device according to claim 6, characterized in that the first receiver coincides with the secondary coil or coils of the flow pump.

8. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the clocked switchable transmitter at least one mechanically movable magnet and the first Receiver is a receiving coil.

9. The device according to claim 8, characterized in that the mechanically be removable magnet is a permanent magnet.

10. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the me mechanically movable magnet is located outside the cryostat.

11. The device according to one of claims 8 to 10, characterized in that the first receiver matches the secondary coil or coils of the flow pump.

12. Device according to one of the preceding claims, characterized in net that the superconducting solenoid has a separate heatable superconducting short has a closing switch.

13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one heater of one of the superconducting switches ( 31, 32, 21 ) sits in the frequency range of the energy emitted by a transmitter absorbing surface, to which the radiation is directed or is focused, and which is thermally connected to the superconducting switch ( 31, 32, 21 ).

14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the transmitter facing surface of the heater has a recess into which the radiation focus is siert and which acts as a radiation trap.

15. The apparatus according to claim 13, characterized in that the heater consists of egg ner photocell which is electrically connected to a heating resistor for heating the superconducting switch ( 31, 32, 21 ).

16. The apparatus according to claim 13 or 14, characterized in that the heater consists essentially of the superconducting switch itself, to which the radiation is directed or focused.

17. Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that at least one heater of one of the superconducting switches consists of a secondary coil which is electrically connected to a heating resistor for heating the superconducting switch ( 31, 32, 21 ) and which is inductive a primary coil is coupled at a temperature above the temperature of the superconducting magnet coil, through which a clocked, switchable alternating current can flow.

18. Method for charging a supra in operation via a superconducting switch Conductively short-circuited superconducting magnet coil which is at cryogenic temperature in the Is arranged inside a cryostat, with the help of a flow pump, the at least one Secondary coil and a clocked switchable superconducting switch has with a Device according to one of the preceding claims.