EP1970921A2 - Stromzuführung mit Hochtemperatursupraleitern für supraleitende Magnete in einem Kryostaten - Google Patents

Stromzuführung mit Hochtemperatursupraleitern für supraleitende Magnete in einem Kryostaten Download PDF

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EP1970921A2
EP1970921A2 EP08004323A EP08004323A EP1970921A2 EP 1970921 A2 EP1970921 A2 EP 1970921A2 EP 08004323 A EP08004323 A EP 08004323A EP 08004323 A EP08004323 A EP 08004323A EP 1970921 A2 EP1970921 A2 EP 1970921A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
arrangement according
cryostat
contact element
power supply
helium
Prior art date
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Application number
EP08004323A
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English (en)
French (fr)
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EP1970921A3 (de
EP1970921B1 (de
Inventor
Concetta Beneduce
Andreas Kraus
Michael Bauernschmitt
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Bruker Biospin SAS
Original Assignee
Bruker Biospin SAS
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Publication date
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Publication of EP1970921A3 publication Critical patent/EP1970921A3/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • H01F6/065—Feed-through bushings, terminals and joints
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04—Cooling

Definitions

  • HTSC high-temperature superconductor
  • Cryostat arrangements of the aforementioned type are used, for example, for measurements with nuclear magnetic resonance (NMR) or electron spin resonance (EPR) or laboratory magnets.
  • NMR nuclear magnetic resonance
  • EPR electron spin resonance
  • the contained superconducting magnet arrangements are used to generate strong magnetic fields, whereby stable, low temperatures must prevail in order to achieve the superconducting state, as can be ensured in such a cryostat arrangement.
  • the superconducting magnet assembly (magnet coil system) is disposed in a cryogenic liquid cryogenic container, usually liquid helium, which is surrounded by radiation shields, superinsulation sheets, and another cryogenic container with cryogenic liquid, usually liquid nitrogen.
  • the superconducting magnet is cooled by the vaporizing surrounding helium and kept at a constant temperature.
  • the elements surrounding the helium container serve to heat-insulate the helium container so that the heat input to the helium container is minimized and the evaporation rate of the helium remains small.
  • the helium container is usually connected to at least two thin-walled hanger ears with the outer vacuum envelope.
  • the container is thus mechanically fixed, on the other hand, the suspension tubes provide access to the magnet, as z. B. when loading is necessary.
  • that will Leakage gas is discharged through the suspension tubes, whereby the suspension tubes are cooled again and ideally the heat input through the tube wall is completely compensated.
  • Such a system is used for example in DE 29 06 060 A1 and in the publication 'Superconducting NMR Magnet Design' ( Concepts in Magnetic Resonance, 1993, 6, 255-273 ).
  • the charging of the superconducting magnet is usually carried out via a power supply, which is installed stationary or introduced via a plug connection in one of the suspension tubes.
  • the power supply is the connection between the magnet at cryogenic temperature and the power supply at room temperature.
  • Such leads is copper or brass leads whose cross-section is optimized for the given length and magnet current and which are cooled by the effluent helium gas.
  • Such a supply line reaches a minimum heat input of the order of magnitude of 1 mW / A of the design current without current flow.
  • the heat input also increases due to the Joule heat generated in the conductor.
  • One way of substantially reducing the heat input to the helium vessel is to use a two-part power supply, the lower part being formed by the temperature of the helium bath (about 4K) to a temperature between 20K and 90K by a HTSC and the upper part to room temperature through an exhaust-cooled copper conductor.
  • the use of HTSC makes it possible to carry high electrical currents at, compared to copper / brass, lower thermal conductivities and cross-sectional areas. Since the current in the superconductor can flow without loss, the heat input to the helium bath is practically independent of the current and only determined by the heat conduction in the superconductor. The The ability to transport high electrical currents lossless, combined with a low thermal conductivity, causes a reduction in He losses and thus the operating costs.
  • HTSC and copper conductors are connected to a transition piece by soldering.
  • the transition from the HTSC to the normal conductor is therefore additionally cooled in order to keep the temperature below the critical temperature of the HTSC.
  • This can be done by a heat exchanger through which helium gas or liquid nitrogen is pumped.
  • a heat exchanger through which helium gas or liquid nitrogen is pumped.
  • Another possibility is to actively cool the transition by coupling to a cold stage of a cryocooler.
  • Such an arrangement is for example in EP 870,307 or in US 4,895,831 or in US 5,991,647 described.
  • the arrangements described have the disadvantage that the cooling must be carried out by additional components or cooling units, which are not required for the normal operation of the cryostat or even interfere with normal operation.
  • additional components or cooling units the structure of the arrangements is complicated and expensive.
  • Object of the present invention is to ensure a simple and inexpensive way efficient cooling of the transition from HTSL to the normal conductor in the power supply.
  • cryostat arrangement of the type mentioned, which is characterized in that a terminal pole of the at least one power line through which the normally conductive line part is electrically connected to the superconducting line part is thermally coupled to a wall of the nitrogen tank.
  • the cooling of the at least one terminal pole in which the normal conductor part and the HTSC part of the current line are connected takes place by means of a thermal coupling to the nitrogen container present in the cryostat.
  • This container is independent of the power supply part of the cryostat arrangement.
  • the transition from the metallic conductor to the HTSC conductor is coupled with a preferably detachable and highly thermally conductive compound to the nitrogen container, and the compound simultaneously ensures a galvanic separation.
  • the temperature of the nitrogen tank of about 77 K allows the transition from the normal conductor to the HTSC conductor in the temperature range between 81 and 90 K to operate.
  • the advantage of the arrangement is also that a simple suspension tube of the helium container can be used with few modifications for receiving the power supply.
  • the thermal coupling is typically produced by a solid state connection of the connection pole to the nitrogen tank, in particular via contact elements, contacting elements and the same made of highly thermally conductive material, preferably copper, aluminum and / or aluminum nitride.
  • a material can generally be regarded as having good thermal conductivity if the thermal conductivity is at least 20 W / (K * m), preferably at least 100 W / (K * m), measured in each case at room temperature.
  • a variant of the cryostat arrangement according to the invention provides that a good heat-conducting element, such as a réelleleitblech made of aluminum, in the N 2 container is mounted. If this element connects the lid and bottom of the container, the temperature gradient from the bottom to the lid remains small even at a low LN 2 level.
  • This thermal short circuit thus makes it possible to keep the temperature of the junction between the normal conductor and the HTSC conductor at a lower level, independently of the LN 2 level, even if the contact element is thermally coupled to the cover of the nitrogen tank (ie the connection of the terminal pole to the Cover of the nitrogen tank is set up). In the context of the invention, however, it is sufficient if the heat conducting plate dips into the liquid nitrogen.
  • the HTSC line part preferably consists of strip conductors. At the temperature of the transition from the normal conductor to the HTSC conductor, the critical current I c of a single HTSC band conductor is very low. The number of bands is chosen according to the magnetic current and the current carrying capacity of the band at the maximum operating temperature so that the current flows lossless.
  • a multifilament ribbon conductor with Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x is used with a critical temperature T c of 110 K.
  • a preferred embodiment of the invention provides for integrating a plurality of individual and galvanically isolated supply lines (current lines) for different current loads (such as coil sections of the magnet arrangement) in a single power supply in order to charge different superconducting coils of the magnet arrangement separately.
  • current lines current lines
  • the warm end of the HTS part and the cold end of the metallic part of a lead to a terminal pole made of a highly conductive metal such. Pure copper, soldered.
  • the terminal poles of the different leads are electrically isolated from each other and against the cryostat assembly and connected to a metallic contact piece (inner contact element) by an electrically insulating and good heat conducting material.
  • This material is preferably made of aluminum nitride.
  • the aluminum nitride is coated with a solderable metal film and connected by soldering to the terminal pole and the contact piece.
  • each terminal pole has an electrically insulating and highly thermally conductive coating.
  • This coating preferably consists of a diamond-like carbon layer (DLC).
  • DLC diamond-like carbon layer
  • the pole of this variant is preferably made conical and pressed into a conical bore of the contact piece (inner contact element), whereby an electrically insulated and good heat-conducting connection is formed.
  • the contact piece (inner contact element) is made conical and pressed during assembly of the cryostat assembly in an outer copper part (outer contact element).
  • This compound ensures excellent heat transfer due to the high surface pressure, can be easily released and is very compact.
  • the contact piece (inner contact element) allows through openings the flow of vaporizing helium gas from the helium container and thus a helium gas cooling of the power supply over its entire length.
  • the outer copper part (outer contact element) is connected in vacuum via a good thermal conductivity metal with the nitrogen tank. With this arrangement according to the invention results in a thermal resistance of less than 0.5 K / W between the terminal poles and the nitrogen tank.
  • connection poles are not cooled via a coupling to the nitrogen tank, but with another cooling source, such as a cryocooler.
  • a cryocooler such as a cryocooler
  • the power supply according to the invention achieves a minimum heat input without current flow, which is 3 to 4 times smaller than the heat input of a metallic power supply.
  • the inventive arrangement allows the operation of the power supply line up to a current of about 150 A with respect to the currentless state comparable helium losses. Due to the good thermal contact with the nitrogen tank, only the nitrogen losses increase steadily with rising Current in the power supply line. The maximum current in the power supply is limited by the critical current of the HTSC conductor at the temperature setting and the magnetic field at the location of the terminal poles.
  • the cooling at the connecting poles can be increased.
  • the temperature of the transition metal - HTSL is monitored, for example with a temperature sensor.
  • the monitoring or a control can be implemented in the power supply unit. If the temperature exceeds an upper threshold, heating in the helium vessel is activated to produce additional low helium loss.
  • the additional helium loss leads to improved cooling of the power supply by passing, cold helium vapor. The heating is switched off as soon as the temperature falls below a lower threshold.
  • Fig.1 shows a Kryostatan extract with an inner and outer liquid tank and a superconducting magnet coil and two suspension tubes.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a cryostat 1 with a magnet assembly 6.
  • the cryostat 1 comprises a filled with helium liquid tank (helium tank) 2, which is connected to suspension tubes 4 with an outer jacket 9 of the cryostat 1 and in which a superconducting magnet assembly 6 is housed.
  • the suspension tubes 4 are simultaneously access tubes 4 for power supply assemblies (see Fig. 2 ) to the magnet assembly 6.
  • a further liquid tank (nitrogen tank) 3 is arranged, which contains nitrogen at about 77 K and is connected to suspension tubes 5 with the outer jacket 9 of the cryostat 1.
  • the liquid tank 3 with nitrogen is thermal with the hanger ears (Access pipes) 4 contacted.
  • a radiation shield 7 is arranged, which in turn is thermally contacted with the suspension tubes 4.
  • a heating resistor (heater) 11 is mounted in the liquid tank 2.
  • the liquid tank (nitrogen tank) 3 contains a heat conducting element 10, which is welded to the lid of the nitrogen tank.
  • Fig.2 shows a representation of the power supply tower with inserted power supply.
  • a power supply is used according to the invention.
  • the power supply comprises a metallic part 13 with a plurality of (shown here two) electrically isolated lines (from room temperature to Anschlußpol 12) and a HTSC part 14 (from Anschlußpol 12 to the liquid tank 2) with galvanically separated strip conductors or strip conductor stacks.
  • the connection of the metallic part 13 to the HTSC part 14 is made by connecting poles 12, which are soldered to the two conductors 13, 14.
  • the connection poles 12 are arranged within an inner contact cone (inner contact element) 16.
  • the inner contact cone 16 is positively within an outer contact cone (outer contact element) 15, which in turn with a good heat conducting element 8, such as (here) a contacting tube or highly conductive strands of pure copper, screwed or flanged.
  • a good heat conducting element 8 such as (here) a contacting tube or highly conductive strands of pure copper, screwed or flanged.
  • the contacting element 8 is connected to the cold surface 17 of the liquid tank (nitrogen tank) 3.
  • Figure 3 shows a preferred arrangement of the inner 16 and outer 15 contact cone.
  • the inner cone 16 When mounting the power supply, the inner cone 16 is pressed with high surface pressure against the outer cone 15.
  • the cone angle is between 1 and 5 °.
  • Fig. 4 shows an illustration of a contact arrangement according to the invention.
  • Figure 6 shows a preferred arrangement of (shown here) six separate terminal poles 12 within the inner contact cone (inner contact element) 16. Between terminal poles 12 and cone 16, thin aluminum nitride (contact) plates 18 are soldered. The aluminum nitride ensures galvanic separation with high thermal conductivity. The metallic conductors are soldered into corresponding holes of the connection poles 12.
  • the connection poles 12 are each connected to the inner contact element 16 with two adjacent side surfaces in a corner of the opening 19 via contact elements 18 made of AIN.
  • This embodiment allows the compact arrangement of different and galvanically isolated lines within a standard suspension tube with an inner diameter of (here), for example, 29 mm.
  • the open arrangement of the connection poles leaves a sufficient opening (opening) 19 for the passage of the evaporating from the liquid tank 2 helium. This allows helium gas cooling over the entire length of the power supply.
  • the invention describes a power supply arrangement within a cryostat arrangement, with which electrical current can be conducted from room temperature into a superconducting magnet arrangement.
  • the power supply consists of a metallic part and a part with HTSL, which are mounted inside a suspension tube.
  • the arrangement provides that the galvanically isolated terminal poles between the metallic part and the HTSL bands of the power supply via a removable conical positive connection via an inner and outer contact cone are connected to the nitrogen tank.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

Eine Kryostatenanordnung (1) für eine supraleitfähige Magnetanordnung, mit einem Heliumtank (2) für flüssiges Helium, wobei im Heliumtank (2) die supraleitfähige Magnetanordnung (6) angeordnet ist, mit einem Stickstofftank (3) für flüssigen Stickstoff, wobei der Stickstofftank (3) den Heliumtank (2) umgibt, und mit wenigstens einem Zugangsrohr (4), in dem eine Stromzuführungsanordnung montiert ist, durch die Strom von raumtemperaturwarmen Bereich des Kryostaten (1) in die supraleitende Magnetanordnung (6) geleitet werden kann, wobei die Stromzuführungsanordnung mindestens eine Stromleitung mit einem normalleitenden Leitungsteil (13) und einem supraleitenden Leitungsteil (14) aus HTSL-Material aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlusspol (12) der mindestens eine Stromleitung, durch den der normalleitende Leitungsteil (13) mit dem supraleitenden Leitungsteil (14) elektrisch verbunden ist, thermisch an eine Wand des Stickstofftanks (3) gekoppelt ist. Damit ist eine einfache und kostengünstige Kühlung des Übergangs von HTSL zum Normalleiter in der Stromzuführung gewährleistet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kryostatenanordnung für eine supraleitfähige Magnetanordnung,
    mit einem Heliumtank für flüssiges Helium, wobei im Heliumtank die supraleitfähige Magnetanordnung angeordnet ist,
    mit einem Stickstofftank für flüssigen Stickstoff, wobei der Stickstofftank den Heliumtank umgibt,
    und mit wenigstens einem Zugangsrohr, in dem eine Stromzuführungsanordnung montiert ist, durch die Strom von raumtemperaturwarmen Bereich des Kryostaten in die supraleitende Magnetanordnung geleitet werden kann,
    wobei die Stromzuführungsanordnung mindestens eine Stromleitung mit einem normalleitenden Leitungsteil und einem supraleitenden Leitungsteil aus Hochtemperatursupraleiter(=HTSL)-Material aufweist.
  • Stromzuführungsanordnungen mit normalleitenden Leitungsteilen und supraleitenden Leitungsteilen aus HTSL-Material zum Laden von supraleitenden Magnetanordnungen in Kryostaten sind bekannt geworden zum Beispiel durch J. R. Hull, IEEE Transanctions on applied superconductivity, Vol. 3, No. 1, March 1993, S. 869-875.
  • Kryostatenanordnungen der eingangs genannten Art finden beispielsweise Verwendung für Messungen mit Kernspinresonanz (NMR) oder Elektronenspinresonanz (EPR) oder Labormagneten. Die enthaltenen supraleitenden Magnetanordnungen dienen zur Erzeugung starker Magnetfelder, wobei zum Erreichen des supraleitenden Zustands stabile, tiefe Temperaturen herrschen müssen, wie sie in einer solchen Kryostatenanordnung gewährleistet werden können.
  • Die supraleitende Magnetanordnung (Magnetspulensystem) ist in einem ersten Kryobehälter mit kryogener Flüssigkeit, üblicherweise flüssigem Helium, angeordnet, welcher von Strahlungsschilden, Superisolationsfolien und einem weiteren Kryobehälter mit kryogener Flüssigkeit, üblicherweise flüssigem Stickstoff, umgeben ist. Die Flüssigkeitsbehälter, Strahlungsschilde und Superisolationsfolien sind in einem äußeren Behälter untergebracht, welcher einen Vakuumraum begrenzt (=äußere Vakuumhülle, Außenmantel). Der supraleitende Magnet wird durch das verdampfende, ihn umgebende Helium gekühlt und auf konstanter Temperatur gehalten. Die den Heliumbehälter umgebenden Elemente dienen der Wärmeisolierung des Heliumbehälters, so dass der Wärmeeinfall auf den Heliumbehälter minimiert wird und die Abdampfrate des Heliums klein bleibt.
  • Der Heliumbehälter ist gewöhnlich an mindestens zwei dünnwandigen Aufhängerohren mit der äußeren Vakuumhülle verbunden. Zum einen wird der Behälter somit mechanisch fixiert, zum anderen bieten die Aufhängerohre Zugang zum Magneten, wie es z. B. beim Laden notwendig ist. Zudem wird das Verlustgas über die Aufhängerohre abgeführt, wodurch die Aufhängerohre wiederum gekühlt werden und im Idealfall der Wärmeeintrag über die Rohrwand komplett kompensiert wird. Ein derartiges System wird beispielsweise in DE 29 06 060 A1 und in der Druckschrift ,Superconducting NMR Magnet Design' (Concepts in Magnetic Resonance, 1993, 6, 255-273) beschrieben.
  • Das Laden des supraleitenden Magneten erfolgt üblicherweise über eine Stromzuführung, welche stationär eingebaut oder über eine Steckverbindung in eines der Aufhängerohre eingeführt wird. Die Stromzuführung stellt die Verbindung zwischen dem Magnet bei Tieftemperatur und dem Netzgerät bei Raumtemperatur dar.
  • Ein Typ solcher Stromzuführungen besteht aus Kupfer- oder Messingleitungen, deren Querschnitt für die gegebene Länge und den Magnetstrom optimiert ist und welche über das abströmende Heliumgas gekühlt werden. Eine derartige Zuleitung erreicht ohne Stromfluss einen minimalen Wärmeeintrag in der Größenordnung von 1 mW/A des Auslegungsstroms. Im Falle eines häufigen Lade- und Entladenvorgangs des supraleitenden Magneten steigt der Wärmeintrag zusätzlich infolge der im Leiter erzeugten Jouleschen Wärme.
  • Eine Möglichkeit zu einer wesentlichen Verringerung des Wärmeeintrags auf den Heliumbehälter besteht in der Verwendung einer zweiteiligen Stromzuführung, wobei der untere Teil von der Temperatur des Heliumbades (ca. 4K) bis zu einer Temperatur zwischen 20K und 90K durch einen HTSL gebildet wird und der obere Teil bis Raumtemperatur durch einen abgasgekühlten Kupferleiter. Der Einsatz der HTSL erlaubt es, hohe elektrische Ströme bei, im Vergleich zum Kupfer/Messing, geringeren Wärmeleitfähigkeiten und Querschnittsflächen zu tragen. Da der Strom im Supraleiter verlustfrei fließen kann, ist der Wärmeeintrag auf das Heliumbad praktisch unabhängig vom Strom und nur durch die Wärmeleitung im Supraleiter bestimmt. Das Vermögen, hohe elektrische Ströme verlustfrei zu transportieren, verbunden mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit, bewirkt eine Reduzierung der He-Verluste und somit der Betriebskosten. Es gibt viele Artikel betreffend das Design der HTSL Stromzuführungen, insbesondere J. R. Hull, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1993, 3, 869-875; R. Wesche und A. M. Fuchs, Cryogenics, 1994, 34, 145-154.
  • HTSL und Kupferleiter werden mit einem Übergangsstück durch Weichlöten verbunden. Insbesondere beim Laden des supraleitenden Magneten wird im metallischen Teil der Stromzuführung viel Joulesche Wärme erzeugt, welche den oberen Teil des HTSL über seine kritische Temperatur erwärmen würde. Der Übergang vom HTSL zum Normalleiter wird darum zusätzlich gekühlt, um die Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des HTSL halten zu können. Dies kann durch einen Wärmetauscher erfolgen, durch den Heliumgas oder flüssiger Stickstoff gepumpt wird. Eine solche Anordnung wird beispielsweise in US 5,563,369 oder US 5,166,776 beschrieben. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Übergang durch die Ankoppelung an eine Kältestufe eines Kryokühlers aktiv zu kühlen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in EP 870,307 oder in US 4,895,831 oder in US 5,991,647 beschrieben.
  • Die beschriebenen Anordnungen haben den Nachteil, dass die Kühlung durch zusätzliche Komponenten bzw. Kühlaggregate erfolgen muss, welche für den normalen Betrieb des Kryostaten nicht erforderlich sind oder den normalen Betrieb sogar stören. Durch die zusätzlichen Komponenten oder Kühlaggregate wird der Aufbau der Anordnungen aufwändig und teuer.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf einfache und kostengünstige Weise eine effiziente Kühlung des Übergangs vom HTSL zum Normalleiter in der Stromzuführung zu gewährleisten.
    • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kryostatenanordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Anschlusspol der mindestens eine Stromleitung, durch den der normalleitende Leitungsteil mit dem supraleitenden Leitungsteil elektrisch verbunden ist, thermisch an eine Wand des Stickstofftanks gekoppelt ist.
  • Gemäß der Erfindung erfolgt die Kühlung des mindestens einen Anschlusspols, in dem der Normalleiter-Teil und der HTSL-Teil der Stromleitung verbunden sind (etwa durch Weichlöten) mit Hilfe einer thermischen Kopplung zu dem im Kryostaten vorhandenen Stickstoffbehälter. Dieser Behälter ist unabhängig von der Stromzuführung Teil der Kryostatenanordnung.
  • Der Übergang vom metallischen Leiter zum HTSL-Leiter wird mit einer bevorzugt lösbaren und thermisch hochleitfähigen Verbindung an den Stickstoffbehälter gekoppelt, wobei und die Verbindung gleichzeitig eine galvanische Trennung gewährleistet. Die Temperatur des Stickstofftanks von ungefähr 77 K erlaubt es, den Übergang vom Normalleiter zum HTSL-Leiter im Temperaturbereich zwischen 81 und 90 K zu betreiben. Der Vorteil der Anordnung besteht auch darin, dass ein einfaches Aufhängerohr des Heliumbehälters mit wenigen Modifikationen für die Aufnahme der Stromzuführung verwendet werden kann.
  • Die thermische Kopplung wird typischerweise durch eine Festkörper-Verbindung des Anschlusspols zum Stickstofftank hergestellt, insbesondere über Kontaktelemente, Kontaktierungselemente und der gleichen aus gut wärmeleitfähigem Material, bevorzugt Kupfer, Aluminium und/oder Aluminiumnitrid. Ein Material kann in der Regel als gut wärmeleitfähig angesehen werden, wenn die Wärmeleitfähigkeit wenigstens 20 W/(K*m), bevorzugt wenigstens 100 W/(K*m), jeweils gemessen bei Raumtemperatur, beträgt.
    • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Eine Variante der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung sieht vor, dass ein gut wärmeleitendes Element, wie ein Wärmeleitblech aus Aluminium, im N2-Behälter montiert wird. Verbindet dieses Element den Deckel und Boden des Behälters, bleibt selbst bei niedrigem LN2-Level der Temperaturgradient vom Boden zum Deckel klein. Dieser thermische Kurzschluss erlaubt es somit, die Temperatur des Übergangs zwischen dem Normalleiter und dem HTSL Leiter unabhängig vom LN2 - Level auf einem niedrigeren Wert zu halten, selbst wenn das Kontaktelement thermisch mit dem Deckel des Stickstofftanks gekoppelt ist (d.h. die Verbindung des Anschlusspols zum Deckel des Stickstofftanks eingerichtet ist). Im Rahmen der Erfindung genügt es aber, wenn das Wärmeleitblech in den flüssigen Stickstoff eintaucht.
  • Bevorzugt besteht der HTSL-Leitungsteil aus Bandleitern. Bei der Temperatur des Übergangs vom Normalleiter zum HTSL-Leiter ist der kritische Strom Ic eines einzigen HTSL-Bandleiters sehr gering. Die Anzahl Bänder wird entsprechend dem Magnetstrom und der Stromtragfähigkeit des Bandes bei der maximalen Betriebstemperatur so gewählt, dass der Strom verlustfrei fließt.
  • Bänder des gleichen Pols werden zu einem Stack zusammengelötet, um einen kompakten Stromleiter zu erhalten.
  • In einer bevorzugten Ausführung wird ein Multifilament-Bandleiter mit Bi2Sr2Ca2Cu3Ox mit einer kritischen Temperatur Tc von 110 K eingesetzt.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Variante wird einen anderen HTSL mit einer kritischen Temperatur > 90 K, wie zum Beispiel YBa2Cu3Ox (Tc = 93 K) oder Bi2Sr2CaCu2Ox (Tc = 95 K) eingesetzt.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, mehrere einzelne und galvanisch getrennte Zuleitungen (Stromleitungen) für unterschiedliche Strombelastungen (etwa Spulensektionen der Magnetanordnung) in einer einzigen Stromzuführung zu integrieren, um unterschiedliche supraleitende Spulen der Magnetanordnung getrennt laden zu können. Dazu wird das warme Ende des HTSL-Teils sowie das kalte Ende des metallischen Teils einer Zuleitung mit einem Anschlusspol aus einem gut leitenden Metall wie z.B. Reinkupfer, verlötet. Die Anschlusspole der unterschiedlichen Zuleitungen sind elektrisch gegeneinander und gegen die Kryostatenanordnung isoliert und mit einem metallischen Kontaktstück (inneres Kontaktelement) durch ein elektrisch isolierendes und gut wärmeleitendes Material verbunden. Dieses Material besteht bevorzugt aus Aluminiumnitrid. In einer bevorzugten Anordnung wird das Aluminiumnitrid mit einem lötbaren Metallfilm beschichtet und durch Löten mit dem Anschlusspol und dem Kontaktstück verbunden.
  • Als weitere bevorzugte Variante weist jeder Anschlusspol eine elektrisch isolierende und gut wärmeleitende Beschichtung auf. Diese Beschichtung besteht bevorzugt aus einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht (DLC). Der Anschlusspol dieser Variante wird bevorzugt konisch ausgeführt und in eine konische Bohrung des Kontaktstücks (inneres Kontaktelement) gepresst, wodurch eine elektrisch isolierte und gut wärmeleitende Verbindung entsteht.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieser Erfindung wird das Kontaktstück (inneres Kontaktelement) konisch ausgeführt und bei der Montage der Kryostatenanordnung in ein äußeres Kupferteil (äußeres Kontaktelement) gepresst. Diese Verbindung gewährleistet infolge der hohen Flächenpressung einen ausgezeichneten Wärmeübergang kann einfach wieder gelöst werden und ist sehr kompakt. Das Kontaktstück (inneres Kontaktelement) erlaubt durch Öffnungen den Durchfluss von verdampfendem Heliumgas vom Heliumbehälter und damit eine Heliumgaskühlung der Stromzuführung über seine gesamte Länge. Das äußere Kupferteil (äußeres Kontaktelement) wird im Vakuum über ein thermisch gut leitendes Metall mit dem Stickstoffbehälter verbunden. Mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung resultiert ein Wärmewiderstand von weniger als 0.5 K/W zwischen den Anschlusspolen und dem Stickstoffbehälter.
  • Es ist auch denkbar, eine derartige kompakte Kontaktverbindung dann einzusetzen, wenn die Anschlusspole nicht über eine Ankopplung an den Stickstoffbehälter, sondern mit einer anderen Kältequelle, wie z.B. einem Kryokühler, gekühlt werden. Dies wäre für kryogenfreie Magnetsysteme, aber besonders auch für Magnetsysteme interessant, bei denen der Magnet immer noch mit LHe gekühlt wird (wie beispielsweise in US 2002 002 830 beschrieben) und die Stromzuführung in einem Aufhängerohr des Heliumbehälters montiert ist.
  • Die erfindungsgemäße Stromzuführung erreicht ohne Stromfluss einen minimalen Wärmeeintrag, welcher 3 bis 4 mal kleiner ist als der Wärmeeintrag einer metallischen Stromzuführung.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt den Betrieb der Stromzuleitung bis zu einem Strom von ca. 150 A mit gegenüber dem stromlosen Zustand vergleichbaren Heliumverlusten. Infolge des guten Wärmekontaktes zum Stickstoffbehälter steigen lediglich die Stickstoffverluste stetig mit steigender Stromstärke in der Stromzuleitung. Die maximale Stromstärke in der Stromzuleitung wird durch den kritischen Strom des HTSL-Leiters bei der sich einstellenden Temperatur und bei dem magnetischen Feld am Ort der Anschlusspole limitiert.
  • Insbesondere für Ladeströme über 150A in der Stromzuleitung kann die Kühlung an den Anschlusspolen verstärkt werden. In einer weiteren vorteilhaften Anordnung wird die Temperatur des Übergangs Metall - HTSL überwacht, beispielsweise mit einem Temperatursensor. Die Überwachung bzw. eine Steuerung kann im Netzgerät implementiert werden. Falls die Temperatur einen oberen Schwellenwert überschreitet, wird eine Heizung im Helium-Behälter aktiviert, um einen zusätzlichen geringen Heliumverlust zu produzieren. Der zusätzliche Heliumverlust führt zu einer verbesserten Kühlung der Stromzuführung durch vorbeiströmenden, kalten Heliumdampf. Die Heizung wird ausgeschaltet, sobald die Temperatur einen unteren Schwellewert unterschreitet.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je 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.
    • Zeichnung und detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig.1 1
    einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kryostatenanordnung;
    Fig.2
    eine schematische Darstellung des Zugangsrohrs der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung;
    Fig.3
    eine schematische Darstellung des Bereichs um die Anschlusspole der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung;
    Fig. 4
    einen schematischen Querschnitt durch das innere Kontaktelement der erfindungsgemäßen Kryostatenanordnung.
  • Fig.1 zeigt eine Kryostatanordnung mit einem inneren und äußeren Flüssigkeitstank und einer supraleitenden Magnetspule sowie zwei Aufhängerohren.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kryostaten 1 mit einer Magnetanordnung 6. Der Kryostat 1 umfasst einen mit Helium gefüllten Flüssigkeitstank (Heliumtank) 2, der an Aufhängerohren 4 mit einem Außenmantel 9 des Kryostaten 1 verbunden ist und in dem eine supraleitende Magnetanordnung 6 untergebracht ist. Die Aufhängerohre 4 sind gleichzeitig Zugangsrohre 4 für Stromzuführungsanordnungen (siehe Fig. 2) zur Magnetanordnung 6. Um den Flüssigkeitstank 2 ist ein weiterer Flüssigkeitstank (Stickstofftank) 3 angeordnet, der Stickstoff bei ca. 77 K enthält und an Aufhängerohren 5 mit dem Außenmantel 9 des Kryostaten 1 verbunden ist. Der Flüssigkeitstank 3 mit Stickstoff ist thermisch mit den Aufhängerohren (Zugangsrohren) 4 kontaktiert. Zwischen den beiden Flüssigkeitstanks 2 und 3 ist ein Strahlungsschild 7 angeordnet, der wiederum mit den Aufhängerohren 4 thermisch kontaktiert ist. Im Flüssigkeitstank 2 ist ein Heizwiderstand (Heizeinrichtung) 11 montiert. Der Flüssigkeitstank (Stickstofftank) 3 enthält ein Wärmeleitelement 10, das mit dem Deckel des Stickstofftanks verschweißt ist.
  • Fig.2 zeigt eine Darstellung des Stromzuführungsturms mit eingesetzter Stromzuführung.
  • In zumindest einem der Aufhängerohre (Zugangsrohre) 4 ist erfindungsgemäß eine Stromzuführung eingesetzt. Die Stromzuführung umfasst einem metallischen Teil 13 mit mehreren (hier dargestellt zwei) galvanisch getrennten Leitungen (von Raumtemperatur bis zum Anschlusspol 12) und einen HTSL-Teil 14 (vom Anschlusspol 12 bis zum Flüssigkeitstank 2) mit galvanisch getrennten Bandleitern oder Bandleiterstacks. Die Verbindung des metallischen Teils 13 mit dem HTSL-Teil 14 wird durch Anschlusspole 12, welche mit den beiden Leitern 13, 14 verlötet werden, hergestellt. Die Anschlusspole 12 sind innerhalb eines inneren Kontaktkonus (inneres Kontaktelement) 16 angeordnet. Der innere Kontaktkonus 16 liegt formschlüssig innerhalb eines äußeren Kontaktkonus (äußeres Kontaktelement) 15, welcher seinerseits mit einem gut wärmeleitenden Element 8, wie (hier) ein Kontaktierungsrohr oder hochleitfähige Litzen aus Reinkupfer, verschraubt bzw. verflanscht ist. Das Kontaktierungselement 8 ist mit der kalten Fläche 17 des Flüssigkeitstanks (Stickstofftank) 3 verbunden.
  • Fig.3 zeigt eine bevorzugte Anordnung des inneren 16 und äußeren 15 Kontaktkonus. Bei der Montage der Stromzuführung wird der innere Konus 16 mit hoher Flächenpressung gegen den äußeren Konus 15 gepresst. Der Konuswinkel liegt zwischen 1 und 5°. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung kann mit geringer Montagekraft eine lösbare Verbindung mit hoher Flächenpressung und gutem Wärmübergang hergestellt werden. Die lösbare Verbindung erleichtert einen Zugang, etwa für Reparaturzwecke.
  • Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Kontaktanordnung.
  • Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Anordnung von (hier dargestellt) beispielsweise sechs getrennten Anschlusspolen 12 innerhalb des inneren Kontaktkonus (inneren Kontaktelements) 16. Zwischen Anschlusspolen 12 und Konus 16 sind dünne Aluminiumnitrid-Plättchen (Kontaktplättchen) 18 eingelötet. Das Aluminiumnitrid gewährleistet die galvanische Trennung bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit. Die metallischen Leiter werden in entsprechende Bohrungen der Anschlusspole 12 eingelötet. In der gezeigten Ausführungsform sind die Anschlusspole 12 mit je zwei benachbarten Seitenflächen in einer Ecke der Durchbruchöffnung 19 über Kontaktelemente 18 aus AIN mit dem inneren Kontaktelement 16 verbunden.
  • Diese Ausführung erlaubt die kompakte Anordnung unterschiedlicher und galvanisch getrennter Leitungen innerhalb eines standardmäßigen Aufhängerohres mit einem Innendurchmesser von (hier) beispielsweise 29 mm. Die offene Anordnung der Anschlusspole lässt eine genügende Öffnung (Durchbruchöffnung) 19 für das Durchströmen des vom Flüssigkeitstank 2 abdampfenden Heliums. Dies erlaubt die Heliumgaskühlung auf der gesamten Länge der Stromzuführung.
  • Zusammenfassend beschreibt die Erfindung eine Stromzuführungsanordnung innerhalb einer Kryostatenanordnung, mit der elektrischer Strom von Raumtemperatur in eine supraleitende Magnetanordnung geleitet werden kann. Die Stromzuführung besteht aus einem metallischen Teil und einem Teil mit HTSL, welche innerhalb eines Aufhängerohres montiert sind. Die Anordnung sieht vor, dass die galvanisch getrennten Anschlusspole zwischen dem metallischen Teil und den HTSL- Bändern der Stromzuführung über eine demontierbare konisch formschlüssige Verbindung über einen inneren und äußeren Kontaktkonus mit dem Stickstoffbehälter verbunden sind.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kryostat
    2
    Heliumtank
    3
    Stickstofftank
    4, 5
    Aufhängerohre
    4a, 4b
    Abschnitte Aufhängerohr 4
    6
    Supraleitende Magnetanordnung
    7
    Strahlungsschild
    8
    Kontaktierungselement
    9
    Außenmantel des Kryostaten
    10
    Wärmeleitelement
    11
    Heizung
    12
    Anschlusspol
    13
    Metallische Stromleitungen
    14
    HTSL Bänder oder Stacks
    15
    Äußerer Kontaktkonus
    16
    Innerer Kontaktkonus
    17
    Wand des Stickstoffbehälters
    18
    Isolationsplättchen
    19
    Durchbruchöffnung

Claims (16)

  1. Kryostatenanordnung (1) für eine supraleitfähige Magnetanordnung, mit einem Heliumtank (2) für flüssiges Helium, wobei im Heliumtank (2) die supraleitfähige Magnetanordnung (6) angeordnet ist, mit einem Stickstofftank (3) für flüssigen Stickstoff, wobei der Stickstofftank (3) den Heliumtank (2) umgibt, und mit wenigstens einem Zugangsrohr (4), in dem eine Stromzuführungsanordnung montiert ist, durch die Strom von raumtemperaturwarmen Bereich des Kryostaten (1) in die supraleitende Magnetanordnung (6) geleitet werden kann,
    wobei die Stromzuführungsanordnung mindestens eine Stromleitung mit einem normalleitenden Leitungsteil (13) und einem supraleitenden Leitungsteil (14) aus HTSL-Material aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Anschlusspol (12) der mindestens eine Stromleitung, durch den der normalleitende Leitungsteil (13) mit dem supraleitenden Leitungsteil (14) elektrisch verbunden ist, thermisch an eine Wand des Stickstofftanks (3) gekoppelt ist.
  2. Kryostatenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Anschlusspol (12) an einem inneren Kontaktelement (16) befestigt ist,
    dass das innere Kontaktelement (16) an einem äußeren Kontaktelement (15) demontierbar befestigt ist,
    und dass das äußere Kontaktelement (15) thermisch mit der Wand des Stickstofftanks (3) gekoppelt ist.
  3. Kryostatenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Kontaktelement (16) eine konische Außenfläche aufweist,
    dass das äußere Kontaktelement (15) eine konische Innenfläche aufweist,
    und dass die konische Außenfläche und die konische Innenfläche formschlüssig aneinandergrenzen,
    insbesondere wobei das innere Kontaktelement (16) in das äußere Kontaktelement (15) eingepresst ist.
  4. Kryostatenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Kontaktelement (15) mit einem gut wärmeleitenden Kontaktierungselement (8), insbesondere einem Kontaktierungsrohr oder einer hochleitfähigen Litzenanordnung aus Reinkupfer, am Stickstofftank (3) befestigt ist, insbesondere mittels einer Flanschverbindung.
  5. Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am äußeren Kontaktelement (15) zwei gegenüberliegende Abschnitte des Zugangsrohrs (4a und 4b) befestigt sind.
  6. Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Kontaktelement (16) eine Durchbruchöffnung (19) aufweist,
    insbesondere wobei die Durchbruchöffnung (19) so ausgebildet ist, dass aus dem Heliumtank (2) verdampfendes Heliumgas durch die Durchbruchöffnung (19) strömt und dabei die Stromzuführungsanordnung auf seiner gesamten Länge kühlt.
  7. Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusspol (12) mittels mindestens einem Kontaktplättchen (18) am inneren Konuselement (16) befestigt ist, insbesondere durch verlöten, wobei das mindestens eine Kontaktplättchen (18) aus elektrisch isolierendem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.
  8. Kryostatenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kontaktplättchen (18) aus Aluminiumnitrid besteht, insbesondere wobei das Kontaktplättchen (18) beidseitig eine Beschichtung aus Metall aufweist, so dass es mit einem Weichlot gelötet werden kann.
  9. Kryostatenanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusspol (12) einen rechteckigen, insbesondere
    quadratischen, Querschnitt aufweist,
    dass an zwei benachbarten Seitenflächen des Anschlusspols (12) jeweils ein Kontaktplättchen (18) befestigt ist,
    dass zwei benachbarte Kontaktplättchen (18) des Anschlusspols (12) in einer Ecke einer Durchbruchöffnung (19) des inneren Kontaktelements (16) befestigt sind, insbesondere durch verlöten,
    und dass nicht mit Kontaktplättchen (18) versehene Seitenflächen des Anschlusspols (12) vom inneren Kontaktelement (16) beabstandet ist.
  10. Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusspol (12) konisch ausgebildet ist und in eine entsprechende konische Bohrung des inneren Kontaktelements (16) eingepresst ist.
  11. Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusspol (12) eine elektrisch isolierende und gut wärmeleitfähige Beschichtung aufweist, insbesondere wobei die Beschichtung aus einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht (=DLC) besteht.
  12. Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführungsanordnung mehrere galvanisch getrennte Stromleitungen und entsprechend mehrere Anschlusspole (12) aufweist, die am inneren Kontaktelement (16) befestigt sind.
  13. Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Leitungsteil (14) aus Bi2Sr2Ca2CU3Ox-Bandleiter ausgebildet ist.
  14. Kryostatenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Leitungsteil (14) eine kritische Temperatur Tc > 90 K aufweist, insbesondere wobei der supraleitende Leitungsteil (14) aus YBa2Cu3Ox oder Bi2Sr2CaCu2Ox ausgebildet ist.
  15. Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gut wärmeleitendes Element (10) im Stickstofftank (3) vorgesehen ist, insbesondere wobei das gut wärmeleitende Element (10) als Wärmeleitblech ausgebildet ist, wobei das Wärmeleitblech bevorzugt aus Aluminium gefertigt ist.
  16. Kryostatenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor zur Überwachung der Temperatur des Anschlusspols (12) vorgesehen ist, dass eine Heizeinrichtung (11) im Heliumtank (2) vorgesehen ist, und dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, bei Überschreiten einer Grenztemperatur am Anschlusspol (12) die Heizeinrichtung (11) zu aktivieren.
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