DE4127909C2 - Supraleitende Magnetvorrichtung mit magnetischer Abschirmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Magnetvorrichtung mit magnetischer Abschirmung, umfassend

• - eine aus mehreren supraleitenden Teilspulen zusammengesetzte supraleitende Feldspule, wobei die supraleitenden Teilspulen, bezogen auf eine der Feldspule und der magnetischen Abschirmung gemeinsame Achse sowie einen Feldspulenmittelpunkt symmetrisch und aufeinander folgend räumlich in Reihe angeordnet sind,
• - einen zwischen die Enden der Feldspule geschalteten Dauer­ stromschalter,
• - eine zwischen die Enden der Feldspule geschaltete Schutz­ schaltung, welche eine vorbestimmte Einschaltspannung zum Schutz der Teilspulen vor einer Überspannung aufweist und
• - einen Kryostaten zur Aufnahme der Feldspule, wobei der Kryostat von der magnetischen Abschirmung umgeben ist.

Eine derartige supraleitende Magnetvorrichtung ist aus der WO 90/03038 bekannt, wobei der supraleitende Magnet bei der dort beschriebenen supraleitenden Magnetvorrichtung in meh­ rere Spulenabschnitte unterteilt ist. Die seitlichen supra­ leitenden Spulen des supraleitenden Magneten sowie die mitt­ leren supraleitenden Spulen sind so gewickelt, daß sie sequentiell miteinander in Reihe geschaltet liegen. Eine zylindrische ferromagnetische Abschirmung ist um den supra­ leitenden Magneten herum vorgesehen. Schutzelemente bzw. Widerstände sind parallel zu den supraleitenden Spulen ge­ schaltet. Dabei verbindet ein Permanentstromschalter jeweils die beiden Enden der äußeren supraleitenden Spulen in der Reihen­ schaltung der supraleitenden Spulen. Sämtliche supraleitenden Spulen und die ferromagnetische Abschirmung sind symmetrisch zueinander angeordnet.

Als Problematik wird in der WO 90/03038 herausgestellt, daß im Falle eines Quenchvorganges eines Teiles der Spulenanord­ nung vom supraleitenden Zustand in den normal leitenden Zu­ stand eine lokale Erhöhung des Spulenstromes stattfindet. Diese führt wiederum zu einer erhöhten elektromagnetischen Kraft mit der Folge, daß die supraleitenden Spulen so aufge­ baut werden müssen, daß sie der erhöhten, unsymmetrisch auf­ tretenden Beanspruchung standhalten.

Um derartige unsymmetrische elektromagnetische Krafteinwir­ kungen während des Quenchvorganges zu verringern, ist in der WO 90/03038 vorgesehen, diejenigen Spulenpaare, die in bezug auf die ferromagnetische Abschirmung symmetrisch angeordnet sind, in Reihe zu koppeln und spezielle Schutzelemente, näm­ lich antiparallel geschaltete Dioden parallel zu diesen Spu­ lenpaaren zu schalten, damit keine übermäßigen lokalen elek­ tromagnetischen Kräfte auftreten.

Bei der herkömmlichen supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der WO 90/03038 tritt jedoch in der Praxis die nachstehende Schwierigkeit auf. Die einzelnen Spulenabschnitte der Magnet­ vorrichtung sind dort räumlich aufeinanderfolgend in Reihe innerhalb der ferromagnetischen Abschirmung angeordnet. Wenn dann aber Spulenpaare durch Reihenschaltung gebildet werden sollen, wobei die Spulenpaare untereinander wiederum in Reihe geschaltet werden müssen, ergeben sich lange Verbindungslei­ tungen mit einer komplizierten Leitungsführung innerhalb der Magnetvorrichtung. Aufgrund der Symmetrieaspekte müssen dort die beiden an den äußeren Enden befindlichen Spulen in Reihe miteinander geschaltet werden, d. h. es ist eine Verbindungs­ leitung erforderlich, die annähernd von dem einen Ende der Magnetvorrichtung zu ihrem anderen Ende führen muß. Aufgrund der Tatsache, daß die betreffenden Verbindungsleitungen sich im normalen Betriebsfall im supraleitenden Zustand befinden, ergeben sich unerwünschte Feldverzerrungen und negative Ein­ flüsse dann, wenn Teile der Verbindungsleitungen in den nor­ malleitenden Zustand übergehen. Das hat zur Folge, daß die langen Verbindungsleitungen mit einer ähnlichen Stabilität und vergleichbarem mechanisch-konstruktiven Aufwand wie die Spulen selbst ausgebildet werden müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine supra­ leitende Magnetvorrichtung anzugeben, wobei die Magnetvor­ richtung mehrere supraleitende Teilspulen und eine magneti­ sche Abschirmung aufweist und wobei sichergestellt ist, daß bei einem normal leitenden Übergangszustand von einer der supraleitenden Teilspulen keine ungleichgewichtige elektro­ motorische Kraft erzeugt wird und daß die Verdrahtung der Teilspulen in einfacher Weise durchführbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine supraleitende Magnetvorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mindestens drei Teilspulen vorgesehen sind, welche ent­ sprechend ihrer aufeinanderfolgenden räumlichen Reihenanord­ nung elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei bezogen auf den Feldspulenmittelpunkt symmetrische elektrische Verbin­ dungspunkte zwischen den jeweiligen Teilspulen entstehen, und daß jeweils zwischen jedes Paar von symmetrischen elektri­ schen Verbindungspunkten eine weitere Schutzschaltung ange­ schlossen ist.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen supraleitenden Magnet­ vorrichtung ist vorgesehen, daß jede Schutzschaltung aus zwei antiparallel geschalteten Schutzdioden besteht, welche je­ weils die vorbestimmte Einschaltspannung aufweisen.

Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetvorrichtung ist vorgesehen, daß die supraleitende Feldspule in eine gerade Anzahl von vier oder mehr supraleitenden Teilspulen unterteilt ist.

Bei einer anderen speziellen Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen supraleitenden Magnetvorrichtung ist vorgesehen, daß die supraleitende Feldspule in eine ungerade Anzahl von drei oder mehr supraleitenden Teilspulen unterteilt ist.

Mit der erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetvorrichtung wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Dabei sind die Teilspulen der erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetvorrichtung entsprechend ihrer aufeinanderfolgenden räumlichen Reihenanordnung elektrisch in Reihe geschaltet. Auf diese Weise sind lediglich die unmittelbar benachbarten Teilspulen durch kurze Leitungen verbunden. Zwischen den Teilspulen der supraleitenden Magnetvorrichtung sind elektri­ sche Verbindungspunkte vorgesehen. Jeweils ein Paar von zu dem Feldspulenmittelpunkt symmetrischen, elektrischen Verbin­ dungspunkten wird dann mit einer Schutzschaltung versehen.

Wenn bei einer derartigen erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetvorrichtung in einer der Teilspulen ein normal leitender Zustand auftreten sollte, dann fließt durch die räumlich-sym­ metrisch angeordnete Spule - bedingt durch die entsprechend angeordnete Schutzschaltung - der gleiche Strom, so daß die Erzeugung einer ungleichgewichtigen elektromotorischen Kraft verhindert wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die bei liegen­ den Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 einen Schaltplan, der ein Ausführungsbeispiel einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Aufbau einer supraleiten­ den Magnetvorrichtung mit einer magnetischen Abschir­ mung; und in

Fig. 3 einen Querschnitt, der die Anordnung der Spulen einer Feldspule zeigt.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau einer supra­ leitenden Magnetvorrichtung mit einer magnetischen Abschir­ mung. Dabei ist eine auf einen Spulenkörper (nicht gezeigt) gewickelte supraleitende Feldspule 1 in einem Kryostaten 2 angeordnet. Eine magnetische Abschirmung 3, die so vorgesehen ist, daß sie den Kryostaten 2 umschließt, weist ein zylindri­ sches Joch 4 und eine Stirnplatte 5 mit einer Mittelöffnung 6 auf.

Da Elektromagnete zum Beispiel für eine Diagnoseeinrichtung mit magnetischer Resonanz ein statisches Magnetfeld mit hoher Gleichmäßigkeit erzeugen müssen, ist die Feldspule 1 norma­ lerweise aus zwei oder mehr geteilten Spulen zusammengesetzt, und ihre Anordnung ist so festgelegt, daß ein Magnet hoher Gleichmäßigkeit dadurch erhalten werden kann, daß die magne­ tische Abschirmung 3 ebenfalls berücksichtigt wird. Die Feld­ spule 1 und die magnetische Abschirmung 3 sind so aufgebaut, daß sie in bezug auf die Axialrichtung der Spule symmetrisch positioniert sind; denn wenn sie in bezug auf den Mittelpunkt O und die Axialrichtung X der Spule unsymmetrisch sind, wird ein Magnetfeld mit einem Gradienten erzeugt, so daß sich da­ durch die Gleichmäßigkeit des Magnetfeldes verschlechtert.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt, der die Anordnung der Spulen der supraleitenden Magnetvorrichtung zeigt, die beispiels­ weise in sechs Abschnitte unterteilt ist. Die Feldspule 1 um­ faßt supraleitende Endspulen 7a und 7f, supraleitende Zwi­ schenspulen 7b und 7e sowie supraleitende Mittelspulen 7c und 7d. Diese supraleitenden Spulen 7a, 7b, 7c, 7d, 7e und 7f sind so gewickelt, daß sie in Reihe angeordnet sind.

Fig. 1 ist ein Schaltplan eines Ausführungsbeispiels der su­ praleitenden Magnetvorrichtung. Dabei sind sechs geteilte su­ praleitende Spulen 7a, 7f, 7b, 7e, 7c und 7d, die eine supra­ leitende Feldspule 1 bilden, in einer räumlichen Anordnung aufeinanderfolgend in Reihe geschaltet, d. h. in der Reihen­ folge 7a, 7f, 7b, 7e, 7c und 7d. Schutzschaltungen 12b und 12c sind zwischen zwei Verbindungspunkte geschaltet, die in bezug auf den Mittelpunkt der Feldspule 1 zueinander symme­ trisch sind, d. h. zwischen einen Verbindungspunkt 11a und einen Verbindungspunkt 11e sowie zwischen einen Verbindungs­ punkt 11b und einen Verbindungspunkt 11d. Die Schutzschaltung 12a und ein Dauerstromschalter 9 sind zwischen beide Enden der vorgenannten in Reihe liegenden Spulengruppe geschaltet, so daß ein geschlossener Kreis gebildet ist. Jede der Schutz­ schaltungen 12a, 12b und 12c weist zwei Schutzdioden 120 und 121 in Antiparallelschaltung auf.

Nachstehend wird der Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Magneten erläutert. Im Normalzustand fließt der Strom in dem supralei­ tenden Magnetkreis durch einen geschlossenen Kreis, und zwar durch den Dauerstromschalter 9 und die supraleitenden geteil­ ten Spulen 7a, 7f, 7b, 7e, 7c und 7d, so daß ein Dauerstrom­ zustand unterhalten wird.

Nachstehend wird der Fall beschrieben, daß in der supralei­ tenden Spule 7a der supraleitenden Magnetvorrichtung ein vorrübergehender Übergang in den nor­ malleitenden Zustand auftritt. Der Strom der supra­ leitenden Endspule 7a nimmt aufgrund des in der Spule 7a auf­ tretenden Widerstands sehr rasch ab. Gleichzeitig werden je­ doch an der Schutzdiode 12b vom einen Ende zum anderen eine durch den Widerstand bewirkte Widerstandsspannung und eine durch Änderungen des Stroms bewirkte induzierte Spannung er­ zeugt. Wenn die Spannung an den Verbindungspunkten 11a bis 11e eine Einschaltspannung der Schutzdioden 120 und 121 des Schutzkreises 12b übersteigt, wird der Schutzkreis 12b einge­ schaltet, so daß die Verbindungspunkte 11a und 11e mit nied­ rigem Widerstand kurzgeschlossen werden. Dieser Kurzschluß ermöglicht die Unterdrückung einer in den supraleitenden Spu­ len erzeugten Spannung, so daß die Spulen gegen eine Über­ spannung geschützt sind.

Andererseits fließt aufgrund der Symmetrie der Schaltung ein Strom, der gleich demjenigen der Spule 7a ist, durch die Spule 7f, die symmetrisch zu der Spule 7a angeordnet ist, in der ein vorrübergehender Übergang in den normalleitenden Zustand aufgetreten ist. Ebenso ist der Strom der supraleitenden Spule 7b gleich demjenigen der Spule 7e; und der Strom der supraleitenden Spule 7c ist gleich demjenigen der Spule 7d.

Da, wie oben beschrieben, die Ströme der geteilten, symme­ trisch angeordneten supraleitenden Spulen zu jeder Zeit und unter allen Bedingungen einander gleich sind und die zwischen den reihengeschalteten supraleitenden Spulen 7a, 7f, 7b, 7e, 7c und 7d und der magnetischen Abschirmung 3 wirksamen elek­ tromagnetischen Kräfte symmetrisch sind, wird auf die reihen­ geschalteten supraleitenden Spulen und die magnetische Ab­ schirmung keine ungleichgewichtige EMK ausgeübt. Somit kann die Tragkonstruktion (nicht gezeigt) vereinfacht werden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zwar eine in sechs Teile unterteilte Spulenkonstruktion beschrieben; die gleiche Auswirkung kann aber auch mit einer Schaltungsanord­ nung erhalten werden, die ähnlich derjenigen des beschriebe­ nen Ausführungsbeispiels ist und auch 3, 4, 5 oder 7 oder mehr Teilspulen haben kann.

Wie vorstehend erläutert, gelangt gemäß der Erfindung auch beim Auftreten eines vorübergehenden Überganges in den normalleitenden Zustand in ei­ ner der supraleitenden Spulen keine ungleichgewichtige EMK zwischen den supraleitenden Spulen und der magnetischen Ab­ schirmung zur Einwirkung, weil bei der supraleitenden Magnet­ vorrichtung mit zwei oder mehr geteilten supraleitenden Spu­ len und magnetischer Abschirmung die supraleitenden Spulen und die Schutzschaltungen in solcher Weise zusammengeschaltet sind, daß die Ströme von miteinander symmetrischen supralei­ tenden Spulen einander gleich sind. Somit wird der Vorteil erzielt, daß eine hochstabile supraleitende Magnetvorrichtung erhalten wird.

Da ferner gemäß der Erfindung die geteilten supraleitenden Spulen in einer räumlichen Anordnung miteinander verbunden sind, liegen in Reihe geschaltete Spulen nebeneinander. Da­ durch sind die bekannten Nachteile beseitigt, daß die Verbin­ dungsleitungen zwischen den Spulen sehr lang und komplex sind.

Claims (4)

1. Supraleitende Magnetvorrichtung mit magnetischer Abschirmung, umfassend

• - eine aus mehreren supraleitenden Teilspulen (7a bis 7f) zusammengesetzte supraleitende Feldspule (1), wobei die supraleitenden Teilspulen (7a bis 7f) bezogen auf eine der Feldspule (1) und der magnetischen Abschirmung (3) gemeinsame Achse (X) sowie einen Feldspulenmittelpunkt (O) symmetrisch und aufeinanderfolgend räumlich in Reihe angeordnet sind,
• - einen zwischen den Enden der Feldspule (1) geschalteten Dauerstromschalter (9),
• - eine zwischen die Enden der Feldspule (1) geschaltete Schutzschaltung (12a), welche eine vorbestimmte Einschaltspannung zum Schutz der Teilspulen (7a bis 7f) vor einer Überspannung aufweist und
• - einen Kryostaten (2) zur Aufnahme der Feldspule (1), wobei der Kryostat (2) von der magnetischen Abschirmung (3) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet,
• - daß mindestens drei Teilspulen (7a bis 7f) vorgesehen sind, welche entsprechend ihrer aufeinanderfolgenden räumlichen Reihenanordnung elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei bezogen auf den Feldspulenmittelpunkt (O) symmetrische elektrische Verbindungspunkte (11a bis 11e) zwischen den jeweiligen Teilspulen (7a bis 7f) entstehen und
• - daß jeweils zwischen jedes Paar von symmetrischen elektrischen Verbindungspunkten (11a, 11e; 11b, 11d) eine weitere Schutzschaltung (12b; 12c) angeschlossen ist.

2. Supraleitende Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schutzschaltung (12a bis 12c) aus zwei antiparallelgeschalteten Schutzdioden (120, 121) besteht, welche jeweils die vorbestimmte Einschaltspannung aufweisen.

3. Supraleitende Magnetvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Feldspule (1) in eine gerade Anzahl von vier oder mehr supraleitenden Teilspulen (7a bis 7f) unterteilt ist.

4. Supraleitende Magnetvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Feldspule (1) in eine ungerade Anzahl von drei oder mehr supraleitenden Teilspulen (7a bis 7f) unterteilt ist.