DE4019008C2 - Supraleitende Magnetvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Magnetvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der US-PS 4 807 084 ist eine supraleitende Magnetvorrichtung mit einer Notabschalteinheit bekannt. Die dort gezeigte supraleitende Magnetvorrichtung besteht aus einer supraleitenden Magnetspule in deren unmittelbarer Nähe innerhalb eines Kryogefäßes ein Heizelement, welches von einer externen Stromversorgung mit Strom beaufschlagt wird, angeordnet ist. Durch das Strombeaufschlagen des Heizelementes geht die supraleitende Magnetspule in den normalleitenden Zustand.

In einer weiteren dort gezeigten Ausführungsform weist die supraleitende Spule mehrere Spulenabschnitte auf, welche jeweils durch ein Schutzelement überbrückt sind. Jedem dieser Abschnitte ist ein Heizelement zugeordnet. Die einzelnen Heizelemente sind mittels einer Schalteranordnung nacheinander elektrisch aktivierbar, so daß sichergestellt ist das durch zeitdifferenziertes Anregen der Heizelemente die einzelnen Abschnitte der supraleitenden Magnetspule nacheinander in den Quench-Zustand übergehen. Durch diese Maßnahmen soll die Entgasungsgeschwindigkeit des bei Erwärmung in den gasförmigen Zustand übergehenden Kühlmittels verringert werden, wodurch eine explosionsartige Zerstörung des Kryogefäßes verhindert wird.

Die US-PS 4 689 707 zeigt eine gattungsgemäße supraleitende Magnetvorrichtung mit zusätzlichen Trimmspulen. Der Hauptspule und den Trimmspulen sind jeweils Notabschalt-Hauptspulenheizelemente bzw. Notabschalt-Trimmspulenheizelemente zugeordnet, wodurch ein gesteuerter Übergang der jeweiligen Spulen vom supraleitenden Zustand in den Normalleitungszustand möglich wird. Als Problem wird dort herausgestellt, daß beim Übergang der Hauptspulen vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand in den Trimmspulen Ströme induziert werden, welche zu einer Beschädigung der Trimmspulen führen. Zur Lösung dieses Problems wird gemäß US-PS 4 689 707 vorgeschlagen die Hauptspule in einzelne Abschnitte zu unterteilen, wobei Teilstromkreise entstehen, die neben dem jeweiligen Spulenabschnitt ein Schutzelement und ein Heiznetzwerk aufweisen. Mit dem Übergang in den Quench-Zustand wird das in dem jeweiligen Teilstromkreis befindliche Heiznetzwerk aktiviert und den betreffenden Notabschalt- Trimmspulenheizelementen ein Strom zugeführt. Es erfolgt also eine gezielte Umwandlung der in den Abschnitten der Hauptspule gespeicherten Energie in Wärmeenergie der Notabschalt- Hauptspulenheiz- bzw. Notabschalt-Trimmspulenheizelementen durch eine elektrisch gekoppelte Ansteuerung derselben. Eine externe Notabschaltung ist gemäß der Lehre der US-PS 4 689 707 nicht möglich. Des weiteren setzt die Wirkungsweise der dort gezeigten Anordnung ein sich ausbildenden Quench-Zustand in mindestens einem Abschnitt der Hauptspule voraus, wodurch jedoch bereits Induktionsströme in den Trimmspulen entstehen, die zu einer Beschädigung dieser führen können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine supraleitende Magnetvorrichtung anzugeben, welche ein externes Notabschalten, z. B. im Falle einer Havarie oder eines Feuers derart ermöglicht, daß während der Notabschaltung in den Trimmspulen kein solcher Strom fließt, welcher zu einer irreversiblen Beschädigung der Trimmspulen führt.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt in zufriedenstellender Weise mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung zeigen.

Nachfolgend sollen Beispiele der erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetvorrichtung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden.

Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein Schaltbild der supraleitenden Magnetvorrichtung mit einem Notabschaltsystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 2 ein Diagramm, das die Betriebsfolge der Schalter gemäß Fig. 1 erläutert;

Fig. 3 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles der supraleitenden Magnetvorrichtung mit Notabschaltsystem.

Die supraleitende Magnetvorrichtung nach Fig. 1 hat eine supraleitende Hauptspule 1 zur Erzeugung eines im wesentlichen gleichförmigen statischen Magnetfeldes in einem Bereich, der zur Durchführung von kernspin-tomographischen Untersuchungen dient. Ferner ist ein Paar von supraleitenden Trimmspulen 2a und 2b mit der supraleitenden Hauptspule 1 elektromagnetisch ge­ koppelt, um die Gleichförmigkeit des von der Hauptspule erzeugten Magnetfeldes zu erhöhen.

Die supraleitende Magnetvorrichtung hat ferner Dauerstrom­ schalter 3, 4a und 4b, die der supraleitenden Hauptspule bzw. den supraleitenden Trimmspulen 2a und 2b parallelge­ schaltet sind. Der Dauerstromschalter 3 für die Hauptspule hat einen Dauerstromschalter-Supraleiter 5 und ein in dessen Nähe angeordnetes Dauerstromschalter-Heizelement 7. Ebenso haben der Dauerstromschalter 4a bzw. 4b für die Trimmspulen 2a bzw. 2b jeweils einen Supraleiter 6a bzw. 6b und Heizelemente 8a bzw. 8b. Die supraleitende Magnetvor­ richtung umfaßt ferner Schutzelemente 9, 10a und 10b, die entweder Widerstände oder Dioden sind, die den jeweiligen Spulen 1, 2a und 2b parallelgeschaltet sind. Die Schutz­ elemente 9, 10a und 10b haben die Aufgabe, die an den Dau­ erstromschaltern 3, 4a und 4b beim Auftreten des Lösch­ effekts an der supraleitenden Hauptspule 1 und den supra­ leitenden Trimmspulen 2a und 2b erzeugte Spannung zu unter­ drücken.

In der Nähe der supraleitenden Hauptspule 1 ist ein Not­ abschalt-Hauptspulenheizelement 21 zur Entmagnetisierung der Hauptspule 1 vorgesehen, und gleichartige Notabschalt- Trimmspulenheizelemente 22a und 22b sind nahe den supra­ leitenden Trimmspulen 2a und 2b zur Entmagnetisierung der­ selben vorgesehen. Die bis hierher beschriebenen Komponen­ ten sind von einem Kryobehälter 23 umschlossen. Die Trimm­ spulenheizelemente 22a und 22b sind mit einer Heizstromver­ sorgung 24 durch einen ersten Schalter 25 verbunden, und das Hauptspulenheizelement 21 ist mit der Heizstromversor­ gung 24 durch einen zweiten Schalter 26 verbunden. Es ist ersichtlich, daß die Heizeleinente 22a und 22b miteinander in Reihe liegen, aber dem Hauptspulenheizelement 21 paral­ lelgeschaltet sind. Dadurch wird die Aktivierung der Trimm­ spulenheizelemente 22a und 22b durch den ersten Schalter 25 und die Aktivierung des Hauptspulenheizelements 21 durch den zweiten Schalter 26 gesteuert. Der erste und der zweite Schalter 25 und 26 sind mit einer Steuereinheit 27 verbun­ den, so daß ihr Betrieb von dieser in der in Fig. 2 gezeig­ ten Weise steuerbar ist. Die Steuereinheit 27 kann jede geeignete Steuereinheit sein, die den ersten Schalter 25 schließt, um die Heizstromversorgung 24 mit den Trimmspulen­ heizelementen 22a und 22b zu einem ersten Zeitpunkt T1 zu verbinden, und den zweiten Schalter 26 schließt, um die Heizstromversorgung 24 mit dem Hauptspulenheizelement 21 zu einem zweiten Zeitpunkt T2 zu verbinden, der vom ersten Zeitpunkt verschieden ist, wobei zwischen den beiden Zeit­ punkten T1 und T2 ein vorbestimmtes Zeitintervall T liegt. Dieses vorbestimmte Zeitintervall T ist so bemessen, daß die supraleitende Hauptspule 1 zu einem Zeitpunkt T4 erst dann in einen Normalzustand übergeht, wenn die supralei­ tenden Trimmspulen 2a und 2b zu einem Zeitpunkt T3 bereits in den Normalzustand übergegangen sind. Das Zeitdiagramm dieses Betriebs des ersten und des zweiten Schalters 25 und 26 in bezug auf die Zustandsumkehrungen der Hauptspule und der Trimmspulen 2a und 2b ist in Fig. 2 gezeigt. Alter­ nativ kann die Steuereinheit auch so ausgelegt sein, daß sie den zweiten Schalter 26 schließt, um das Hauptspulen­ heizelement 21 an die Stromversorgung 24 anzuschließen, nachdem die supraleitenden Trimmspulen 22a und 22b bereits in ihren Normalzustand übergegangen sind.

Wenn die supraleitende Magnetvorrichtung während des Dauer­ strombetriebs aus irgendeinem Grund sehr schnell zu ent­ magnetisieren ist, wenn z. B. ein Eisenstück an den supra­ leitenden Magneten angezogen wird oder ein Feuer ausbricht, wird die Steuereinheit 27 manuell oder automatisch einge­ schaltet. Wie Fig. 2 zeigt, schließt die Steuereinheit 27 zuerst den ersten Schalter 25 zum Zeitpunkt T1, um die Trimmspulenheizelemente 22a und 22b durch den Strom von der Heizstromversorgung 24 zu aktivieren und zu erhitzen, so daß die supraleitenden Trimmspulen 2a und 2b erhitzt wer­ den. Wenn die Temperatur der Trimmspulen 2a und 2b die jeweils vorbestimmte kritische Temperatur übersteigt, gehen die Trimmspulen 2a und 2b zum Zeitpunkt T3 aus dem Supra­ leiterzustand in den Normalleiterzustand über.

Bei dem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel wird der zweite Schalter 26 zur Aktivierung des Hauptspulenheizelements 21 durch Einwirkung der Steuereinheit 27 zum Zeitpunkt T2 zwi­ schen den Zeitpunkten T1 und T3 geschlossen, d. h. nach dem Schließen des ersten Schalters 25 und vor der Überführung der beiden Trimmspulen 2a und 2b in den Normalleiterzu­ stand. Durch das Schließen des zweiten Schalters 26 wird das Hauptspulenheizelement 21 zu einem Zeitpunkt T4 nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem Schließen des Schalters 26 aktiviert und auf eine vorbestimmte kritische Temperatur erhitzt. Da jedoch die Zeitdauer, bis das Haupt­ spulenheizelement 21 die supraleitende Hauptspule 1 er­ hitzt, allgemein kürzer (T2∼T4) ist als die Zeitdauer, die benötigt wird, bis die Trimmspulenheizelemente 22a und 22b die supraleitenden Trimmspulen 21 und 2b erhitzen (T1∼T3), erreicht die supraleitende Hauptspule 1 ihre kritische Tem­ peratur zum Zeitpunkt T4, nachdem die Trimmspulen 2a und 2b ihre kritischen Temperaturen zum Zeitpunkt T3 erreicht haben, mit nur einem relativ kurzen Zeitintervall (T3∼T4) dazwischen, und zwar auch dann, wenn das Hauptspulenheiz­ element 21 relativ später als die Trimmspulenheizelemente 2a und 2b aktiviert wird, so daß eine vollständige Entma­ gnetisierung bzw. Notabschaltung sehr schnell erreichbar ist.

In den supraleitenden Trimmspulen 2a und 2b wird zwar bei der Entmagnetisierung der supraleitenden Hauptspule 1 ein elektrischer Strom induziert, aber die Stärke des induzier­ ten Stroms ist durch den Widerstand der jetzt normalleitenden Trimmspulen 2a und 2b auf einen relativ kleinen Wert be­ grenzt, der von den normalleitenden Trimmspulen ohne wei­ teres aufgenommen werden kann.

Ferner wird zwar in der supraleitenden Hauptspule 1 ein Strom induziert, während die durch die Trimmspulen 2a und 2b fließenden Ströme sehr schnell abnehmen, wenn die supra­ leitenden Trimmspulen 2a und 2b in den Normalleiterzustand übergehen, aber dieser induzierte Strom in der Hauptspule ist relativ klein, weil die Ströme in den Trimmspulen eben­ so wie die Windungszahlen der Trimmspulen klein sind.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem zwi­ schen die Heizelemente 21, 22a und 22b und die Stromver­ sorgung 24 ein Schalter 28 und ein Verzögerungskreis 29 eingefügt sind. Funktion und Betrieb des Schalters 28 und des Verzögerungskreises 29 entsprechen denen des ersten und des zweiten Schalters 25 und 26 und der Steuereinheit 27 (Fig. 1).

Claims (3)

1. Supraleitende Magnetvorrichtung mit einem Kryobehälter (23) zur Aufnahme einer supraleitenden Hauptspule (1) zur Erzeugung eines gleichförmigen Magnetfeldes, wenigstens einer supraleitenden Trimmspule (2a, 2b), die mit der supraleitenden Hauptspule (1) elektromagnetisch gekoppelt ist und die Gleichförmigkeit des von der Hauptspule (1) erzeugten Magnetfeldes erhöht, einem Notabschalt-Hauptspulenheizelement (21), das nahe der supraleitenden Hauptspule (1) angeordnet ist, um diese zu entmagnetisieren, jeweils einem Notabschalt-Trimmspulenheizelement (22a, 22b), das nahe der wenigstens einen supraleitenden Trimmspule (2a, 2b) angeordnet ist, um diese zu entmagnetisieren, sowie einer Heizstromversorgung (24), die den Heizelementen (21, 22a, 22b) elektrischen Strom zuführt, gekennzeichnet durch eine außerhalb des Kryobehälters (23) angeordnete Schalteinrichtung (25, 26, 27; 28, 29) zur externen Notabschaltung der Trimm- und Hauptspulen (2a, 2b; 1), die zwischen die Heizelemente (21, 22a, 22b) und die Heizstromversorgung (24) geschaltet und derart ausgebildet ist, daß die Heizstromversorgung (24) zu einem ersten Zeitpunkt (T1) mit dem wenigstens einen Trimmspulenheizelement (22a, 22b) und zu einem zweiten späteren Zeitpunkt (T2) mit dem Hauptspulenheizelement (21) verbindbar ist, wobei das Zeitintervall (T) zwischen dem ersten (T1) und dem zweiten Zeitpunkt (T2) vorbestimmt und derart bemessen ist, daß kein Bereich der supraleitenden Hauptspule (1) in den Normalleitungszustand übergeht, bevor die wenigstens eine supraleitende Trimmspule (2a, 2b) in den Normalleitungszustand übergegangen ist.

2. Supraleitende Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (25, 26, 27) einen ersten Schalter (26) zum selektiven Verbinden des Hauptspulenheizelementes (21) mit der Heizstromversorgung (24), einen zweiten Schalter (25) zum selektiven Verbinden des wenigstens einen Trimmspulenheizelementes (22a, 22b) mit der Heizstromversorgung (24) sowie eine Steuereinheit (27) umfaßt, die die Schalter (25, 26) zu unterschiedlichen Zeitpunkten (T1, T2) betätigt.

3. Supraleitende Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (28, 29) einen Schalter (28) und einen Verzögerungskreis (29) umfaßt, wobei der Schalter (28) zwischen Heizstromversorgung (24) und Verzögerungskreis (29) angeordnet und der Verzögerungskreis (29) mit dem Hauptspulenheizelement (21) sowie dem wenigstens einen Trimmspulenheizelement (22a, 22b) verbunden ist.