EP3467852A1 - Magnetanordnung mit kryostat und magnetspulensystem, mit kältespeichern an den stromzuführungen - Google Patents

Magnetanordnung mit kryostat und magnetspulensystem, mit kältespeichern an den stromzuführungen Download PDF

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EP3467852A1
EP3467852A1 EP18198875.9A EP18198875A EP3467852A1 EP 3467852 A1 EP3467852 A1 EP 3467852A1 EP 18198875 A EP18198875 A EP 18198875A EP 3467852 A1 EP3467852 A1 EP 3467852A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
power supply
supply lines
coil system
cryostat
magnet arrangement
Prior art date
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Application number
EP18198875.9A
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English (en)
French (fr)
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EP3467852B1 (de
Inventor
Patrick Wikus
Jörg Hinderer
Marco Strobel
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Bruker Switzerland AG
Original Assignee
Bruker Biospin SAS
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Publication date
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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
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04—Cooling

Definitions

  • the invention relates to a magnet arrangement comprising a cryostat, a superconducting magnet coil system, an active cooling device for the magnet coil system and power supply lines for charging the magnet coil system in the cryostat, wherein the power supply lines comprise at least one normal-conducting area, in particular wherein the power supply lines also comprise an HTS area, wherein a plurality of cold accumulators are thermally coupled to the power supply lines along the normal conducting region of the power supply lines in order to absorb heat arising during charging of the magnetic coil system in the normally-conductive region.
  • Such a magnet arrangement is known from JP H04 23305 A known.
  • NMR nuclear magnetic resonance
  • the superconducting magnet coil systems can carry large electrical losses without loss, with which the strong magnetic field strengths are generated.
  • cooling to cryogenic temperatures below the critical temperature of the superconducting material in the magnetic coil system is necessary for the superconducting state.
  • the superconducting magnet coil systems are therefore arranged in a cryostat.
  • partially active cooling means are used, e.g. Pulse tube coolers with which a cryogenic temperature can be maintained permanently and cost-effectively.
  • the heat load during charging due to several effects (eg operation of the "Persistent Mode Switches" or ohmic dissipation in the Power supply) significantly larger than in normal operation.
  • the active cooling device can be dimensioned so large that the heat load of the store with the cooling device can be compensated.
  • this leads to high production costs and high maintenance costs, to a large size and requirements for cooling and power supply, which must be based on the peak power required during charging. Since charging typically takes only a few hours, but normal operation usually takes many weeks or months, the active cooling device is underutilized most of the time.
  • cryogenic containers filled with a liquid cryogen such as liquid helium
  • a high coolant consumption can easily be accepted during charging, which, however, causes high costs.
  • the power supply lines are tubular, and the heat storage material is disposed in the pipe, wherein the heat storage material is divided in the interior of the tube by layers of a thermally insulating material.
  • the power supply lines are cooled with a helium gas stream.
  • the GB 2 476 716 A and the DE 10 2007 013 350 A1 have been known power supplies, which are cooled with liquid cryogens.
  • the invention has for its object to provide a magnet arrangement in which a reduced cooling capacity is required during charging of the superconducting magnet coil system, and in normal operation, a heat input is reduced in the superconducting magnet coil system.
  • a magnet arrangement of the type mentioned at the outset which is characterized in that the power supply lines in the normally conducting region have a variable cross-sectional area B along their extension direction, wherein the cross-sectional area B decreases from a cold end to a warm end at least over a predominant proportion of the total length of the current feeds in the normally conducting region.
  • the power supply lines in their normal conducting region with a special geometry in order to optimize the current supply for charging requirements on the one hand and in normal operation on the other hand, along the normal conducting region of the power supply lines a plurality of cold storage thermal to the power supply lines are coupled.
  • the invention provides, to the cold end to increase the cross-sectional area (perpendicular to the longitudinal extent or current flow direction), so that the ohmic resistance to the cold end, as far as it is due to the cross-sectional area, is lowered. This also reduces the heat development near the cold end.
  • the cross-sectional area of the power supply leads to the space temperature warm end down, which increases the thermal conductivity resistance, as far as it is caused by the cross-sectional area.
  • the normal-line power supplies typically run from a room temperature (hot end) terminal to the solenoid system or to an HTS area (or HTS section) of the power supplies (cold end); the power supply in the HTS area then continues to the magnetic coil system.
  • the magnet coil system typically has a superconducting short-circuit switch for establishing a persistent mode.
  • the short-circuit switch can be operated with a low heating current or a low heating power, for example with 50 mW or less.
  • LTS low-temperature superconductor
  • the operating current of the magnetic coil system is low in normal operation, about 100 A or less, preferably 70 A or lower.
  • the magnet coil system can be charged with high charging voltages, for example 5 V or more.
  • the active cooling device may in particular be a pulse tube cooler or a Gifford-McMahon cooler.
  • a preferred power consumption of the active cooling device is 2 kW or less, in particular 1.5 kW or less.
  • the active cooling device is operated without cooling water or air-cooled.
  • the cross-sectional area B of the power supply lines in the normal-conducting region typically decreases over the entire length of the normal-conducting region from the cold end to the warm end, or at least over a predominant proportion of the total length of the power supply lines in the normal-conducting region.
  • the reduction in cross section may be continuous or in stages or in a mixed form.
  • connection points usually have a smaller cross-sectional area B ("soldering point"), more rarely a larger cross-sectional area (“soldering bead”) than the surrounding power supply parts.
  • the cross-sectional area B decreases from the cold end to the warm end over a proportion of at least 95%, preferably at least 98%, of the total length of the power supply lines in the normal conducting region within the cryostat.
  • the active cooling device is arranged within a tube which is filled with gas during operation (in particular during charging and in normal operation); then an expansion or replacement of the active cooling device is possible without breaking the isolation vacuum of the cryostat.
  • this tube may be provided for one of the power supply lines; this is available anyway and thus the heat load does not increase further in normal operation.
  • this tube may be the neck tube of the cryostat, in particular wherein one of the power supply lines runs in the neck tube. Any excess cooling power available at a regenerator of the active cooling device may be used to cool the power supply by thermal contact via the gas in the tube.
  • a preferred embodiment of the magnet arrangement according to the invention provides the power supply lines in the normally conducting region each have N successive subsections, with N ⁇ 2, in particular 3 ⁇ N ⁇ 7, the subsections each having a cross-sectional area Bi which is constant within a subsection, and that the cross-sectional areas Bi decrease from the cold end to the warm end.
  • This embodiment is structurally simple to implement;
  • the thermal behavior during a charging process can be simulated relatively easily and the geometry of the power supply lines can be optimized accordingly. Through a large number of sections heat flow and heat development or the temperature distribution in the power supply lines can be set more accurately.
  • this setting can also be further optimized by means of the ratios Bi / Hi, with Hi: length of the subsection i (along the longitudinal direction / current flow direction).
  • N ⁇ 3 or N ⁇ 4 applies.
  • at least one coupled cold storage is provided per subsection.
  • different sections are thermally coupled to different cold storage.
  • the cold storage only one (direct) coupling to one of the sections; a connection to other subsections is made only indirectly via the former subsection. This facilitates the formation of a strong temperature gradient in the power supply lines.
  • the cold stores may each contact the subarea approximately in the middle (with respect to the direction of extension).
  • At least one cold storage is thermally coupled at a transition of two sections at least, in particular wherein also at the cold end of the power supply in the normal conducting area, at least one cold storage thermally coupled is.
  • This is usually structurally very simple.
  • One or more cold stores at the cold end provide a particularly good protection of the superconducting magnet coil system (or an HTS area of the power supply lines).
  • K stages of the thermal coupling are set up in each case along the current supply lines in the normally conducting region, wherein at least one cold accumulator is thermally coupled to the current supply lines at each stage, with K ⁇ 2, in particular 3 ⁇ K ⁇ 7. Also advantageous is K ⁇ 3 or K ⁇ 4. By a greater number of stages of the thermal coupling, the heat flow or the temperature distribution in the power supply lines can be set more accurately.
  • One stage of the thermal coupling corresponds to a contacting of a power supply by one or more cold storage at a certain length position along the power supply; different stages of the thermal coupling contact a power supply in the normal-conducting area so at different length positions.
  • a further development of this embodiment is advantageous in that a heavy mass Mi of cold-storing material in the at least one cold store of a respective stage of the thermal coupling decreases over the steps from the cold end to the warm end.
  • the specific heat capacity of most cold accumulating materials increases strongly with higher temperature (in the cryogenic range), so that at the warm end no such large (absolute) heavy masses are needed.
  • the term "heavy" (ie weight-generating) mass of a cold storage is used here to avoid confusion with the "thermal mass” (ie the absolute heat capacity).
  • An embodiment in which the cryostat is designed as a cryogen-free cryostat is preferred. In this case, an increased heat load during charging can not be compensated by accepting an increased cryogen consumption during charging.
  • the invention in this case allows the use of an active cooling device with a low cooling capacity, which is inexpensive and compact.
  • a cryostat is considered to be cryogen-free if no anticipated operating state (ie not charging or a quench) allows cryogens to escape from the system.
  • the magnetic coil system is typically arranged directly in the vacuum of the vacuum container (and in particular not in a cryogenic liquid cryogenic tank in which the magnetic coil system is immersed).
  • the cold storage is formed as a gas-tight container, wherein a portion of the volume of the gas-tight container is filled with a vaporizable substance.
  • thermal energy can be bound by evaporation of the (at the prevailing temperatures in operation) substance vaporizable.
  • the vaporizable substance may be, for example, nitrogen, krypton or argon, and in a colder range also neon or helium. Note that in this design, the vaporizable (mostly liquid) substance essentially provides the "heavy mass" of the particular cold storage.
  • the container is typically made of poor thermal conductivity material, such as stainless steel or the titanium alloy 15-3-3-3. Typically, several containers are connected in series along the power supply lines.
  • an embodiment is preferred in which at least a part of the containers is thermally coupled to a lower end via a heat-conducting element to a heat sink of the active cooling device, and the boiling point of the substance contained in the container is above the temperature of the heat sink.
  • Heat can be slowly removed from the container (after charging) via the heat-conducting element in order to recondensate the vaporized substance, typically slowly over several hours or even several days.
  • two tanks can be used in series, which are coupled to two different cooling stages of the active cooling device (such as a pulse tube cooler).
  • At least a portion of the cold storage are formed as a metallic body.
  • This design is particularly simple and robust. A good thermal contact between the (metallic) power supplies in normal-conducting area and the metallic bodies is easy to set up directly.
  • An embodiment in which a plurality of cold reservoirs designed as metallic bodies are arranged at a distance from one another in a vacuum region of the cryostat is advantageous. This avoids thermal short circuits of the cold storage in a simple manner, in particular between cold storage of different stages of the thermal coupling.
  • an active auxiliary cooling device which is thermally coupled to a part (portion) of the power supply lines in the normal conducting region, in particular wherein a lowest operating temperature AT help the Auxiliary cooling device is higher than a lowest operating temperature AT mss the active cooling device for the magnetic coil system.
  • the auxiliary cooling means typically has a AT Helpful in a range of -70 ° C to -30 ° C, usually from -60 ° C to -50 ° C, which is relatively easy to achieve (especially low-power); however, AT mss is usually between 4 K and 10 K (-269 ° C to -263 ° C).
  • An auxiliary cooling device or a corresponding cooling coil (associated heat exchanger) is typically arranged in the vacuum container (in vacuum).
  • auxiliary cooling device is further thermally coupled to a radiation shield of the cryostat and / or a vacuum container of the cryostat and / or a tempering device for a sample to be examined.
  • the active cooling device is additionally relieved, in particular during normal operation.
  • the auxiliary cooling device is used to cool the vacuum container of the cryostat below the ambient temperature, it is advantageous to thermally isolate the vacuum container.
  • Particularly suitable for this purpose are e.g. Plastic foams. Thus, e.g. Condensation can be prevented.
  • the cross-sectional area B changes from the cold end to the warm end by at least a factor of 3.
  • a factor of 3 or more can already be achieved a very significant relief of the active cooling device with respect to the heat load during loading.
  • a magnet arrangement according to the invention also falls within the scope of the present invention. wherein the magnetic coil system is charged via the power supply lines and a charging current is selected and the variable cross-sectional area B and / or the cold storage are arranged to load WL for a heat load , which acts on a coldest stage of the power supply lines in the normal conducting area during charging to the maximum , and for a heat load WL gg to this coldest stage in an equilibrium state with charged magnetic coil system: WL load ⁇ 5 * gg WL, WL particular load ⁇ 2 * WL gg.
  • the coldest stage corresponds to the area of the power supply to which the cold storage next cold storage (or cold storage set at the same length position on the power supply lines) is thermally coupled.
  • the stated ratios are well within the scope of the invention, and allow the use of active cooling devices (cryocoolers) with low cooling capacity, which is inexpensive, allows compact construction of the magnet assembly and helps to integrate the system into a customer laboratory as simple as possible.
  • the Fig. 1 1 schematically shows a first embodiment of a magnet arrangement 1 according to the invention. It comprises a cryostat 2, a magnet coil system 3, an active cooling device 4 and here two power supply lines 5a, 5b for charging the magnet coil system 3.
  • the cryostat 3 is here formed with a vacuum container 11, an outer radiation shield 6, a middle radiation shield 7 and an inner radiation shield 8.
  • the vacuum container 11, which simultaneously forms the outer wall of the cryostat 2, is at room temperature (about 20 ° C).
  • the outer radiation shield 6 is at about 213 K (about -60 ° C).
  • the middle radiation shield 7 couples to an upper cooling stage 9 of the active cooling device 4 at about 50 K, and the inner radiation shield 8 couples to a lower cooling stage 10 of the active cooling device at about 3.5 K; the latter also represents the lowest working temperature AT mss of the active cooling device 4.
  • the magnet coil system 3 is arranged in a vacuum, which is superconductingly short-circuitable via a switch 12 of a charging and short circuit 12a.
  • the magnetic field generated by the magnetic coil system 3 can be used in normal operation, for example, for an NMR measurement.
  • the inner radiation shield 8 can also be gas-tight, so that, for example, some gaseous helium can be provided or contained to improve the thermal conductivity, which, however, does not have to be filled during operation (including charging and normal operation) and can not escape ( "cryogenic cryostat").
  • the cryostat 2 can also be designed as a cryogenic cryostat (in US Pat Fig. 1 not shown in detail).
  • a cryocontainer which typically contains liquid cryogen (such as helium) into which the magnet coil system 3 is completely or partially submerged. If necessary, the cryogen in the cryocontainer can be refilled in the cryogenic cryostat during operation, if necessary also during loading.
  • liquid cryogen such as helium
  • the power supply lines 5a, 5b lead from terminals 13a, 13b on the vacuum container 11 through the cryostat 3 to terminals 14a, 14b on the charging and short-circuit circuit 12a.
  • the power supply lines 5a, 5b comprise in the embodiment shown in each case a normal conducting region 15a, 15b (between vacuum container 11 and middle radiation shield 7), an HTS region 16a, 16b (between the middle radiation shield 7 and inner radiation shield 8) and an LTS region (within the inner radiation shield 8).
  • the cross-sectional area B is approximately in the middle (along the longitudinal direction) of the power supply lines 5a, 5b in the normal-conducting region 15a, 15b located.
  • the cross-sectional area B decreases by a factor of approximately 3 (note that the diameter enters the cross-sectional area B in a square fashion, the diameter ratio cold-to-warm here being approximately 1.75).
  • the cross-sectional reduction is set up here over the entire (vertical) length of the power supply leads 5a, 5b in the normally-conductive region 15a, 15b.
  • cold storage 20 are coupled to this.
  • the cold storage 20 are formed here as metallic masses 20a.
  • three stages 21, 22, 23 of the thermal coupling are set up, wherein at each of the stages 21, 22, 23 two cold stores 20 (left and right) at the same length position (the length direction runs in Fig. 1 vertical) are coupled.
  • the cold storage 20 of the coldest stage 21 have a total of a heavy mass M1 which is greater than the entire heavy mass M2 of the cold storage 20 of the middle stage 22, and the entire heavy mass M2 of the cold storage 20 of the middle stage 22 is in turn greater than the entire heavy mass M3 of the cold storage 20 of the warmest stage 23.
  • the cold storage 20 of the different stages 21-23, and here also within the stages 21-23, are spaced from each other in the vacuum region 11a of the vacuum vessel 11, to avoid a thermal short circuit.
  • the power supply lines 5a, 5b are coupled to the central radiation shield 7, so that a certain cooling capacity of the upper cold stage 9 of the active cooling device 4 can be used.
  • the outer radiation shield 6 also contacts the power supply leads 5a, 5b in the normally conducting region 15a, 15b, here between the stages 22 and 23; Alternatively, a non-coupling implementation may be provided on the outer radiation shield 6.
  • the heat load (heat flow "down") in the area of the lowest stage 21 when loading WL load can be limited compared to the heat load in the equilibrium state during normal operation WL gg , so that applies WL load ⁇ 2 * WL gg .
  • the remaining heat load WL can be compensated by the active cooling device 4, so that the superconducting magnet coil system 3 and not the HTS region 16a, 16b of the power supply lines 5a, 5b inadmissible heated (above the respective transition temperature).
  • the Fig. 2 shows a second embodiment of a magnet assembly 1 according to the invention, which largely the design of Fig. 1 corresponds; only the essential differences will be explained below.
  • the cryostat 2 here has only one outer radiation shield 6, which is coupled to the upper cooling stage 9 of the active cooling device 4, and an inner radiation shield 8, which is coupled to the lower cooling stage 10, but not via a central radiation shield.
  • the power supply lines 5a, 5b in the normal-conducting region 15a, 15b each extend here with two cylindrical sections 25, 26, wherein the colder section 25 has a significantly larger cross-sectional area B 1 compared to the cross-sectional area B 2 of the warmer section 26.
  • the lower portion 25 extends substantially in a cold storage 20, which is formed with a gas-tight container 27 and an evaporable substance 28 contained therein.
  • the vaporizable substance 28 is liquid; slightly vaporizable substance 28 is already in the container 27th evaporated.
  • the lower end of the container 27 is coupled via a heat-conducting element 29 with the lower cooling stage 10 of the active cooling device 4.
  • the upper portion 26 extends substantially in a cold storage 20, which is formed with a gas-tight container 30 and an evaporable substance 28 contained therein.
  • the lower end of the container 30 is coupled via a heat-conducting element 29 to the upper cooling stage 9 of the active cooling device 4.
  • the lower container 27 is significantly larger than the upper container 30, and the lower container 27 contains significantly more (based on the heavy mass) vaporizable substance 28 than the upper container 30th
  • the Fig. 3 shows a power supply 5a in the normal conducting region 15a for the invention.
  • the cross-sectional areas B1-B4 decrease from the cold end 18a to the warm end 19a.
  • the different sections 41-44 are coupled to different cold storage 20, here in the form of metallic bodies 20a.
  • the two coupled cold storage 20 of a section 41-44 contact each section 41-44 here approximately centrally relative to the vertical longitudinal direction of the power supply 5a by means of a short bridge element 45.
  • the total heavy mass Mi of the cold storage 20 of the four stages of thermal coupling decreases from the cold end 18a to the warm end 19a out.
  • the ratio Bi / Hi decreases from the cold end 18a to the warm end 19a.
  • Fig. 4 is a further power supply 5a shown in the normal conducting region 15a, which largely the design of Fig. 3 so that only the main differences are explained.
  • the cold storage devices 20 are each coupled at the transitions between the sections 41-44 with short bridge elements 45, and in addition a pair of cold storage 20 is coupled at the lower, cold end 18a of the power supply 5a in the normal conducting region 15a via bridge elements 45.
  • the power supply 5a is hereby made integrally from a single part, e.g. as a metal plate cut into a corresponding shape.
  • the Fig. 5 shows a third embodiment of a magnet assembly 1 according to the invention, which largely the design of Fig. 1 corresponds; only the essential differences will be explained below.
  • an active auxiliary cooling device 50 is also present here, which is coupled to the outer radiation shield 6 via a heat exchanger 51.
  • the outer radiation shield 6 in turn contacts a part (a portion) of the power supply lines 5a, 5b in normal conducting region 15a, 15b, here between the stages 22, 23 of the thermal coupling.
  • the auxiliary cooling device 50 can here a lowest operating temperature AT help of about -60 ° C to achieve.
  • auxiliary cooling device 50 a part of the heat load occurring during charging from the power supply lines 5a, 5b are derived in the normal conducting region 15a, 15b, so that the active cooling device 4 is relieved. It is also possible to support the cooling in normal operation with the auxiliary cooling device 50.
  • the Fig. 6 shows a fourth embodiment of a magnet assembly 1 according to the invention, which largely the design of Fig. 5 so that only the main differences are explained below.
  • the active auxiliary cooling device 50 cools not only the heat exchanger 51 to the outer radiation shield 6, but also a heat exchanger 52, which in turn cools a heat exchanger 53 a temperature control device 54 for a sample 55 to be examined.
  • the sample to be examined 55 is during their measurement by NMR spectroscopy in a non-illustrated held at a constant temperature, wherein the magnetic field generated in the normal operation of the magnetic coil system 3 of the magnet assembly 1 is used.

Landscapes

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

Abstract

Eine Magnetanordnung (1), umfassend einen Kryostaten (2), ein supraleitendes Magnetspulensystem (3), eine aktive Kühleinrichtung (4) für das Magnetspulensystem (3) und Stromzuführungen (5a, 5b) zum Laden des Magnetspulensystems (3) im Kryostaten (2), wobei die Stromzuführungen (5a, 5b) zumindest einen normalleitenden Bereich (15a, 15b) umfassen, insbesondere wobei die Stromzuführungen (5a, 5b) auch einen HTS-Bereich (16a, 16b) umfassen, wobei entlang des normalleitenden Bereichs (15a, 15b) der Stromzuführungen (5a, 5b) mehrere Kältespeicher (20) an die Stromzuführungen (5a, 5b) thermisch gekoppelt sind, um beim Laden des Magnetspulensystems (3) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) entstehende Wärme aufzunehmen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) entlang ihrer Erstreckungsrichtung eine veränderliche Querschnittsfläche B aufweisen, wobei sich zumindest über einen überwiegenden Anteil der gesamten Länge der Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) die Querschnittsfläche B von einem kalten Ende (18a, 18b) zu einem warmen Ende (19a, 19b) hin verringert. Die Erfindung stellt eine Magnetanordnung bereit, bei der während des Ladens des supraleitenden Magnetspulensystems eine verringerte Kühlleistung benötigt wird, und im Normalbetrieb ein Wärmeeintrag in das supraleitende Magnetspulensystem verringert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Magnetanordnung, umfassend einen Kryostaten, ein supraleitendes Magnetspulensystem, eine aktive Kühleinrichtung für das Magnetspulensystem und Stromzuführungen zum Laden des Magnetspulensystems im Kryostaten,
    wobei die Stromzuführungen zumindest einen normalleitenden Bereich umfassen, insbesondere wobei die Stromzuführungen auch einen HTS-Bereich umfassen,
    wobei entlang des normalleitenden Bereichs der Stromzuführungen mehrere Kältespeicher an die Stromzuführungen thermisch gekoppelt sind, um beim Laden des Magnetspulensystems im normalleitenden Bereich entstehende Wärme aufzunehmen.
  • Eine solche Magnetanordnung ist aus der JP H04 23305 A bekannt geworden.
  • Für Kernspinresonanz(=NMR, nuclear magnetic resonance)-Messungen werden starke Magnetfelder benötigt, die mittels supraleitenden Magnetspulensystemen erzeugt werden können. Die supraleitenden Magnetspulensysteme können verlustfrei große elektrische Ströme tragen, mit denen die starken Magnetfeldstärken erzeugt werden. Allerdings ist für den supraleitenden Zustand eine Kühlung auf kryogene Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials im Magnetspulensystem nötig. Die supraleitenden Magnetspulensysteme werden daher in einem Kryostaten angeordnet. Um den Heliumverbrauch des Kryostaten zu minimieren, werden teilweise aktive Kühleinrichtungen verwendet, z.B. Pulsrohrkühler, mit denen eine kryogene Temperatur dauerhaft und kostengünstig unterhalten werden kann.
  • Um ein supraleitendes Magnetspulensystem innerhalb eines Kryostaten mit elektrischem Strom zu laden, verlaufen im Kryostaten von der raumtemperaturwarmen Außenwand des Kryostaten zum Magnetspulensystem Stromzuführungen. Zumindest ein Abschnitt dieser Stromzuführungen ist dabei normalleitend ("normalleitender Bereich"); ein unterer (magnetspulensystemnaher) Abschnitt der Stromzuführungen ist oft auch aus einem Hochtemperatursupraleiter(=HTS)-Material. Während des Ladens fließt durch die Stromzuführungen elektrischer Strom, welcher im normalleitenden Bereich eine ohmsche Wärme erzeugt. Während des Normalbetriebs (auch "steady state" Betrieb genannt) fließt durch die Stromzuführungen typischerweise kein elektrischer Strom ("persistent mode"), jedoch stellen die Stromzuführungen thermische Brücken dar, die Wärme in das Magnetspulensystem einbringen.
  • Typischerweise ist die Wärmelast beim Laden aufgrund mehrerer Effekte (z.B. Betrieb des "Persistent Mode Switches" oder ohmsche Dissipation in den Stromzuführungen) deutlich größer als im Normalbetrieb. Um zu verhindern, dass während des Ladens eine zu hohe, zu einem Quench (Verlust der Supraleitung) führende Temperatur am Magnetspulensystem oder auch im HTS-Bereich der Stromzuführungen entsteht, kann die aktive Kühleinrichtung so groß dimensioniert werden, dass auch die Wärmelast des Ladens mit der Kühleinrichtung kompensiert werden kann. Dies führt aber zu hohen Herstellungskosten und hohen Unterhaltskosten, zu einer großen Baugröße und zu Anforderungen an Kühlung und Stromversorgung, die sich an der beim Laden benötigten Spitzenleistung orientieren müssen. Da das Laden typischerweise nur einige Stunden, der Normalbetrieb aber meist viele Wochen oder Monate dauert, wird die aktive Kühleinrichtung die meiste Zeit nicht ausgelastet.
  • Im Falle von mit einem flüssigen Kryogen (etwa flüssigem Helium) gefüllten Kryobehälter des Kryostaten kann beim Laden einfach ein hoher Kühlmittelverbrauch hingenommen werden, was aber hohe Kosten verursacht.
  • Aus der EP 2 624 262 A2 ist es bekannt, bei einem kryogenfreien Kryokühlersystem eine Stromzuführung an die obere Kühlstufe eines zweistufigen Kühlers zu koppeln, und im Bereich dieser oberen Kühlstufe weiterhin ein thermisches Trägheitselement (thermal inertia member) anzukoppeln. Das thermische Trägheitselement kann einen Temperaturanstieg beim Laden oder Entladen einer gekühlten supraleitenden Spule reduzieren.
  • Aus der JP H04 23305 A sind Stromzuführungen für ein supraleitendes Magnetsystem bekannt geworden, an denen Wärmespeichermaterial angeordnet ist. In einer Ausführungsform sind die Stromzuführungen rohrförmig ausgebildet, und das Wärmespeichermaterial ist in dem Rohr angeordnet, wobei das Wärmespeichermaterial im Inneren des Rohrs durch Schichten eines thermisch isolierenden Materials unterteilt ist. Die Stromzuführungen werden mit einem Heliumgasstrom gekühlt.
  • Aus der GB 2 506 009 A , der US 5 317 296 , der CN 102 360 694 A und der CN 102 592 773 A sind trennbare Stromzuführungen für einen supraleitenden Magneten bekannt geworden. Durch Trennung der Stromzuführungen nach dem Laden kann im Normalbetrieb ein Wärmeeintrag verhindert werden. Dieser Ansatz ist jedoch technisch schwierig und mit hohen Herstellungskosten verbunden.
  • In der US 5 302 928 ist eine Stromzuführung für einen supraleitenden Magneten bekannt geworden, die zwischen dem Interface bei Raumtemperatur und der Magnetspule geteilt ist, und an der Stelle der Teilung an eine Wärmesenke angekoppelt ist. Nachteilig ist der Leitungsfortsatz (lead extension), der in den Strompfad eingebracht wird und durch zusätzliche Kontaktwiderstände zu erhöhtem ohmschen Widerstand führt.
  • In der JP H06 231950 , der GB 2 476 716 A und der DE 10 2007 013 350 A1 sind Stromzuführungen bekanntgeworden, die mit flüssigen Kryogenen gekühlt werden.
  • In der DE 69 324 436 T2 ist ein supraleitendes Magnetsystem bekannt geworden, dessen Stromzuführungen an dem der Spule naheliegenden Ende aus Hochtemperatursupraleitermaterial besteht, und dessen warmes Ende nicht mechanisch befestigt ist.
  • In der US 5 586 437 wird ein MRI-Kryostat mit einem inneren Wärmeschild und einem äußeren Wärmeschild beschrieben, wobei zur Kühlung des äußeren Wärmeschilds eine eigene Kühleinrichtung vorgesehen ist.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Magnetanordnung bereit zu stellen, bei der während des Laden des supraleitenden Magnetspulensystems eine verringerte Kühlleistung benötigt wird, und im Normalbetrieb ein Wärmeeintrag in das supraleitende Magnetspulensystem verringert ist.
    • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache und wirkungsvolle Weise gelöst durch eine Magnetanordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Stromzuführungen im normalleitenden Bereich entlang ihrer Erstreckungsrichtung eine veränderliche Querschnittsfläche B aufweisen,
    wobei sich zumindest über einen überwiegenden Anteil der gesamten Länge der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich die Querschnittsfläche B von einem kalten Ende zu einem warmen Ende hin verringert.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Stromzuführungen in ihrem normalleitenden Bereich mit einer besonderen Geometrie zu versehen, um die Stromzuführungen für die Anforderungen beim Laden einerseits und im Normalbetrieb andererseits zu optimieren, wobei entlang des normalleitenden Bereichs der Stromzuführungen mehrere Kältespeicher an die Stromzuführungen thermisch gekoppelt sind.
  • Beim Laden der supraleitenden Magnetspule ist es wichtig, die ohmsche Wärmeentwicklung vor allem am kalten Ende der Stromzuführungen zu reduzieren. Daher sieht die Erfindung vor, zum kalten Ende hin die Querschnittsfläche (Senkrecht zur Längserstreckung bzw. Stromflussrichtung) zu vergrößern, so dass der ohmsche Widerstand zum kalten Ende hin, soweit er durch die Querschnittsfläche bedingt ist, gesenkt wird. Dadurch wird auch die Wärmeentwicklung nahe dem kalten Ende reduziert.
  • Im Normalbetrieb, aber auch beim Laden, ist es wichtig, den Wärmeeintrag in das supraleitende Magnetspulensystem über die Stromzuführungen als Wärmebrücke zur raumtemperaturwarmen Außenwand des Kryostaten zu reduzieren. Der Wärmeeintrag erfolgt vor allem von der warmtemperaturwarmen Außenwand des Kryostaten her. Daher wird erfindungsgemäß die Querschnittsfläche der Stromzuführungen zum raumtemperaturwarmen Ende hin verkleinert, was den Wärmeleitungswiderstand, soweit er durch die Querschnittsfläche bedingt ist, erhöht.
  • Durch die gleichzeitige Verteilung von mehreren Kältespeichern entlang der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich wird gewährleistet, dass die durch die Geometrie der Stromzuführungen erreichten lokalen Begrenzungen in der Wärmeentwicklung und dem Wärmeeintrag über längere Zeit genutzt werden können, und insbesondere nicht durch Wärmeleitung entlang der Stromzuführungen schnell ausgeglichen werden können. Die Kältespeicher verlangsamen die Ausgleichsprozesse; durch geeignete Dimensionierung der Kältespeicher (und geeignete Geometrie der Stromzuführungen) kann ohne weiteres die Dauer eines vollständigen Ladevorgangs abgepuffert werden.
  • Dadurch ist es möglich, das Laden mit einer vergleichsweise kleinen Kühlleistung während der Dauer des Ladevorgangs zu bewältigen, ohne dass das Magnetspulensystem oder ggf. ein supraleitender Abschnitt der Stromzuführungen zu warm wird und quencht. Entsprechend kann eine kostengünstige aktive Kühleinrichtung mit vergleichsweise geringer Kühlleistung eingesetzt werden, die wenig Bauraum benötigt. Im Falle eines kryogenhaltigen Kryostaten kann der Kryogenverbrauch (Kühlmittelverbrauch) beim Laden minimiert werden. Gleichzeitig kann auch der Wärmeeintrag über die Stromzuführungen im Normalbetrieb gering gehalten werden, so dass auch hierfür nur eine geringe Kühlleistung benötigt wird und im Normalbetrieb nur geringe Betriebskosten anfallen.
  • Die Stromzuführungen im normalleitenden Bereich laufen typischerweise von einem Anschluss bei Raumtemperatur (warmes Ende) bis zum Magnetspulensystem oder bis zu einem HTS-Bereich (oder HTS-Abschnitt) der Stromzuführungen (kaltes Ende); die Stromzuführung im HTS-Bereich führt dann weiter zum Magnetspulensystem.
  • Das Magnetspulensystem hat typischerweise einen supraleitenden Kurzschlussschalter zur Einrichtung eines Dauerstrombetriebs (persistent mode). Bevorzugt kann der Kurzschlussschalter mit einem geringen Heizstrom bzw. einer geringen Heizleistung betrieben werden, etwa mit 50 mW oder weniger. Das Magnetspulensystem ist bevorzugt mit Tieftemperatursupraleiter (=LTS)-Materialien (insbesondere NbTi oder bevorzugt Nb3Sn für höhere Betriebstemperaturen) ausgebildet. Vorteilhafter Weise ist der Betriebsstrom des Magnetspulensystems im Normalbetrieb niedrig, etwa 100 A oder weniger, bevorzugt 70 A oder niedriger. Bevorzugt kann das Magnetspulensystem mit hohen Ladespannungen geladen werden, beispielsweise mit 5 V oder mehr.
  • Die aktive Kühleinrichtung kann insbesondere ein Pulsrohrkühler oder ein Gifford-McMahon-Kühler sein. Eine bevorzugte Leistungsaufnahme der aktiven Kühleinrichtung liegt bei 2 kW oder weniger, insbesondere 1,5 kW oder weniger. Bevorzugt wird die aktive Kühleinrichtung ohne Kühlwasser bzw. luftgekühlt betrieben.
  • Die Querschnittsfläche B der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich verringert sich typischerweise über die gesamte Länge des normalleitenden Bereichs vom kalten Ende hin zum warmen Ende, zumindest aber über einen überwiegenden Anteil der gesamten Länge der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich. Die Querschnittsverringerung kann kontinuierlich oder in Stufen oder in einer gemischten Form erfolgen. Manchmal sind Ausnahmen im Querschnittsflächenverlauf, insbesondere an Verbindungsstellen von Stromzuführungsteilen, nötig und/oder gewünscht. Solche Verbindungsstellen weisen meist eine geringere Querschnittsfläche B ("Lötpunkt"), seltener eine größere Querschnittsfläche ("Lötwulst") auf als die umgebenden Stromzuführungsteile. Diese Ausnahmen machen typischerweise weniger als 5%, meist weniger als 2%, der Gesamtlänge der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich aus, und haben entsprechend nur geringen Einfluss auf die gesamte Wärmeentwicklung in den Stromleitungen beim Laden des Magnetspulensystems oder auf den gesamten Wärmeeintrag vom warmen Ende der Stromzuführungen her. Bevorzugt verringert sich die Querschnittsfläche B vom kalten Ende zum warmen Ende hin über einen Anteil von wenigstens 95%, bevorzugt wenigstens 98%, der gesamten Länge der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich innerhalb des Kryostaten.
  • Bevorzugt ist die aktive Kühleinrichtung innerhalb eines Rohres angeordnet, das im Betrieb (insbesondere beim Laden und im Normalbetrieb) mit Gas gefüllt ist; dann ist ein Ausbau oder Tausch der aktiven Kühleinrichtung möglich, ohne das Isolationsvakuum des Kryostaten zu brechen. Beispielsweise kann dieses Rohr für eine der Stromzuführungen vorgesehen sein; diese ist ohnehin vorhanden und somit erhöht sich die Wärmelast im Normalbetrieb nicht weiter. Ebenso kann dieses Rohr das Halsrohr des Kryostaten sein, insbesondere wobei auch eine der Stromzuführungen im Halsrohr verläuft. Eine etwaige überschüssige Kühlleistung, die an einem Regenerator der aktiven Kühleinrichtung zur Verfügung steht, kann durch einen thermischen Kontakt über das Gas im Rohr für die Kühlung der Stromzuführung verwendet werden.
    • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung sieht vor, dass die Stromzuführungen im normalleitenden Bereich jeweils N aufeinanderfolgende Teilabschnitte aufweisen, mit N≥2, insbesondere 3≤N≤7, wobei die Teilabschnitte jeweils eine innerhalb eines Teilabschnitts konstante Querschnittsfläche Bi aufweisen,
    und dass sich die Querschnittsflächen Bi vom kalten Ende zum warmen Ende hin verringern. Diese Ausführungsform ist baulich einfach zu realisieren; zudem kann das thermische Verhalten während eines Ladevorgangs relativ einfach simuliert und entsprechend die Geometrie der Stromzuführungen gut optimiert werden. Durch eine große Anzahl von Teilabschnitten können Wärmefluss und Wärmeentwicklung bzw. die Temperaturverteilung in den Stromzuleitungen genauer eingestellt werden. Man beachte, dass auch über die Verhältnisse Bi/Hi diese Einstellung weiter optimiert werden kann, mit Hi: Länge des Teilabschnitts i (entlang der Längsrichtung/Stromflussrichtung). Meist gilt auch N≥3 oder N≥4. Typischerweise ist je Teilabschnitt wenigstens ein angekoppelter Kältespeicher vorgesehen. Alternativ ist es auch möglich, die Querschnittsfläche einer Stromzuführung entlang der Erstreckungsrichtung kontinuierlich zu ändern.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform sind unterschiedliche Teilabschnitte an unterschiedliche Kältespeicher thermisch gekoppelt. Bei dieser Bauform haben die Kältespeicher nur jeweils eine (direkte) Kopplung zu einem der Teilabschnitte; eine Verbindung zu anderen Teilabschnitten erfolgt nur indirekt über ersteren Teilabschnitt. Dadurch wird die Ausbildung eines starken Temperaturgradienten in den Stromzuleitungen erleichtert. Die Kältespeicher können die Teilbereich beispielsweise jeweils näherungsweise in der Mitte (bezüglich der Erstreckungsrichtung) kontaktieren.
  • Bei einer anderen Weiterbildung ist jeweils an einem Übergang von zwei Teilabschnitten wenigstens ein Kältespeicher thermisch angekoppelt, insbesondere wobei auch am kalten Ende der Stromzuführung im normalleitenden Bereich wenigstens ein Kältespeicher thermisch angekoppelt ist. Dies ist meist baulich besonders einfach. Ein oder mehrere Kältespeicher am kalten Ende sorgen für einen besonders guten Schutz des supraleitenden Magnetspulensystems (oder eines HTS-Bereichs der Stromzuleitungen).
  • Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der entlang der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich jeweils K Stufen der thermischen Kopplung eingerichtet sind, wobei an jeder Stufe wenigstens ein Kältespeicher an die Stromzuführungen thermisch gekoppelt ist,
    mit K≥2, insbesondere 3≤K≤7. Vorteilhaft ist auch K≥3 oder K≥4. Durch eine größere Zahl von Stufen der thermischen Kopplung kann der Wärmefluss bzw. die Temperaturverteilung in den Stromzuführungen genauer eingestellt werden. Zudem werden die Kältespeicher thermodynamisch effizienter eingesetzt. Bevorzugt ist im Falle von N Teilabschnitten jeweils konstanten Querschnitts Bi weiterhin K=N oder K=N+1. Eine Stufe der thermischen Kopplung entspricht einer Kontaktierung einer Stromzuführung durch einen oder mehrere Kältespeicher bei einer bestimmten Längenposition entlang der Stromzuführung; unterschiedliche Stufen der thermischen Kopplung kontaktieren eine Stromzuführung im normalleitenden Bereich also an unterschiedlichen Längenpositionen.
  • Vorteilhaft ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der eine schwere Masse Mi von kältespeicherndem Material in dem wenigstens einen Kältespeicher einer jeweiligen Stufe der thermischen Kopplung über die Stufen vom kalten Ende zum warmen Ende hin abnimmt. Die spezifische Wärmekapazität der meisten kältespeichernden Materialien (etwa Metallen) nimmt mit höherer Temperatur (im kryogenen Bereich) stark zu, so dass zum warmen Ende hin keine so großen (absoluten) schweren Massen benötigt werden. Der Begriff der "schweren" (also Gewichtskraft erzeugenden) Masse eines Kältespeichers wird hier verwendet, um eine Verwechslung mit der "thermischen Masse" (also der absoluten Wärmekapazität) zu vermeiden. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Kryostat als kryogenfreier Kryostat ausgebildet ist. In diesem Fall kann eine erhöhte Wärmelast während des Ladens nicht durch Inkaufnahme eines erhöhten Kryogenverbrauchs beim Laden ausgeglichen werden. Die Erfindung ermöglicht in diesem Fall die Nutzung einer aktiven Kühlvorrichtung mit kleiner Kühlleistung, die kostengünstig und kompakt ist. Ein Kryostat wird hier als kryogenfrei angesehen, wenn in keinem zu erwartenden Betriebszustand (also auch nicht beim Laden oder bei einem Quench) Kryogene aus dem System entweichen können. Typischerweise ist das Magnetspulensystem hierbei direkt im Vakuum des Vakuumbehälter angeordnet (und insbesondere nicht in einem Kryogentank mit flüssigem Kryogen, in welches das Magnetspulensystem eintaucht).
  • Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der zumindest ein Teil der Kältespeicher als gasdichte Behälter ausgebildet ist, wobei ein Teil des Volumens der gasdichten Behälter mit einer verdampfbaren Substanz gefüllt ist. Bei dieser Bauform kann Wärmeenergie durch Verdampfen der (bei den im Betrieb vorherrschenden Temperaturen) verdampfbaren Substanz gebunden werden. Die verdampfbare Substanz kann zum Beispiel Stickstoff, Krypton oder Argon, und in einem kälteren Bereich auch Neon oder Helium sein. Man beachte, dass bei dieser Bauform die verdampfbare (meist flüssige) Substanz im Wesentlichen die "schwere Masse" des jeweiligen Kältespeichers bereitstellt. Man beachte weiterhin, dass der Behälter typischerweise aus schlecht wärmeleitfähigem Material besteht, etwa aus Edelstahl oder der Titanlegierung 15-3-3-3. Typischerweise sind entlang der Stromzuführungen mehrere Behälter in Serie geschaltet.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Stromzuführungen im normalleitenden Bereich zumindest teilweise innerhalb der Behälter verlaufen. Dadurch kann ein besonders guter Wärmefluss erfolgen. In den Behältern können Leitbleche und Strahlungsschilde (Baffles) angeordnet werden, um den Wärmefluss zwischen dem warmen und kalten Ende des Behälters durch Konvektion und/oder Wärmestrahlung zu minimieren.
  • Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der zumindest ein Teil der Behälter mit einem unteren Ende über ein Wärmeleitelement an eine Wärmesenke der aktiven Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist, und der Siedepunkt der im Behälter enthaltenen Substanz über der Temperatur der Wärmesenke liegt. Über das Wärmeleitelement kann dem Behälter (nach dem Laden) langsam Wärme entzogen werden, um die verdampfte Substanz wieder zu rekondensieren, typischerweise langsam über mehrere Stunden oder auch mehrere Tage. Insbesondere können zwei Behälter in Serie eingesetzt werden, die an zwei unterschiedliche Kühlstufen der aktiven Kühleinrichtung (etwa eines Pulsrohrkühlers) gekoppelt werden.
  • Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der zumindest ein Teil der Kältespeicher als metallische Körper ausgebildet sind. Diese Bauform ist besonders einfach und robust. Ein guter thermischer Kontakt zwischen den (metallischen) Stromzuführungen im normalleitenden Bereich und den metallischen Körpern ist leicht direkt einzurichten.
  • Vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform, bei der mehrere als metallische Körper ausgebildete Kältespeicher voneinander beabstandet in einem Vakuumbereich des Kryostaten angeordnet sind. Dies vermeidet auf einfache Weise thermische Kurzschlüsse der Kältespeicher, insbesondere zwischen Kältespeichern verschiedener Stufen der thermischen Kopplung.
  • Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der weiterhin eine aktive Hilfskühleinrichtung vorhanden ist, die an einen Teil (Teilstück) der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich thermisch gekoppelt ist, insbesondere wobei eine tiefste Arbeitstemperatur AThilf der Hilfskühleinrichtung höher ist als eine tiefste Arbeitstemperatur ATmss der aktiven Kühleinrichtung für das Magnetspulensystem. Mit der Hilfskühleinrichtung kann den Stromzuführungen zusätzlich Wärmeenergie entzogen werden, insbesondere beim Laden; dadurch kann die aktive Kühleinrichtung (die vor allem das Magnetspulensystem kühlen soll) entlastet werden. Die Hilfskühleinrichtung hat typischerweise ein AThilf in einem Bereich von -70°C bis -30°C, meist von -60°C bis -50°C, was relativ einfach (insbesondere mit geringer Leistungsaufnahme) zu erreichen ist; hingegen liegt ATmss meist bei 4 K bis 10 K (-269°C bis -263°C). Eine Hilfskühleinrichtung bzw. eine entsprechende Kühlwendel (zugehöriger Wärmetauscher) ist typischerweise im Vakuumbehälter (im Vakuum) angeordnet.
  • Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Hilfskühleinrichtung weiterhin an einen Strahlungsschild des Kryostaten und/oder einen Vakuumbehälter des Kryostaten und/oder eine Temperiervorrichtung für eine zu untersuchende Probe thermisch gekoppelt ist. Dadurch wird die aktive Kühleinrichtung zusätzlich entlastet, insbesondere im Normalbetrieb. Wird die Hilfskühleinrichtung genutzt, um den Vakuumbehälter des Kryostaten unter die Umgebungstemperatur abzukühlen, ist es vorteilhaft, den Vakuumbehälter thermisch zu isolieren. Besonders geeignet sind dafür z.B. Kunststoffschäume. Damit kann z.B. Kondenswasserbildung vorgebeugt werden.
  • Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform, bei der sich die Querschnittsfläche B vom kalten Ende zum warmen Ende hin um wenigstens einen Faktor 3 verändert. Durch einen Faktor von 3 oder mehr (bezogen auf den überwiegenden Anteil der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich) kann bereits eine sehr deutliche Entlastung der aktiven Kühleinrichtung bezüglich der Wärmelast beim Laden erreicht werden.
  • In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung,
    wobei das Magnetspulensystem über die Stromzuführungen geladen wird und ein Ladestrom so gewählt wird und die veränderliche Querschnittsfläche B und/oder die Kältespeicher so eingerichtet sind, dass für eine Wärmelast WLladen, die auf eine kälteste Stufe der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich während des Ladens maximal einwirkt, und für eine Wärmelast WLgg auf diese kälteste Stufe in einem Gleichgewichtszustand mit geladenem Magnetspulensystem gilt:
    WLladen ≤ 5*WLgg, insbesondere WLladen ≤ 2*WLgg. Die kälteste Stufe (oder Stufe der thermischen Kopplung) entspricht dem Bereich der Stromzuführung, an dem der dem kalten Ende nächste Kältespeicher (oder Kältespeichersatz bei gleicher Längenposition auf den Stromzuführungen) thermisch angekoppelt ist. Die angegebenen Verhältnisse sind im Rahmen der Erfindung gut zu erreichen, und ermöglichen die Nutzung von aktiven Kühleinrichtungen (Kryokühlern) mit geringer Kühlleistung, was kostengünstig ist, einen kompakten Bau der Magnetanordnung ermöglicht und dazu beiträgt, die Integration des Systems in ein Kundenlabor so einfach wie möglich zu gestalten.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der 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 gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
    • Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
  • Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung, mit metallischen Körpern als Kältespeicher;
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung, mit Behältern gefüllt mit verdampfbarer Substanz als Kältespeicher;
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung einer Stromzuführung im normalleitenden Bereich für die Erfindung, mit Teilabschnitten konstanter Querschnittsfläche, mit mittig kontaktierenden Kältespeichern;
    Fig. 4
    eine schematische Darstellung einer Stromzuführung im normalleitenden Bereich für die Erfindung, mit Teilabschnitten konstanter Querschnittsfläche, mit Kältespeichern am Übergang von Teilabschnitten;
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung, mit Hilfskühleinrichtung zur Kühlung des äußeren Strahlungsschilds;
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung, mit Hilfskühleinrichtung zur Kühlung des äußeren Strahlungsschilds und einer Temperiervorrichtung einer zu untersuchenden Probe.
  • Die Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung 1. Diese umfasst einen Kryostaten 2, ein Magnetspulensystem 3, eine aktive Kühleinrichtung 4 und hier zwei Stromzuführungen 5a, 5b zum Laden des Magnetspulensystems 3.
  • Der Kryostat 3 ist hier mit einem Vakuumbehälter 11, einem äußeren Strahlungsschild 6, einem mittleren Strahlungsschild 7 und einem inneren Strahlungsschild 8 ausgebildet. Der Vakuumbehälter 11, der gleichzeitig die Außenwand des Kryostaten 2 bildet, befindet sich auf Raumtemperatur (ca. 20°C). Der äußere Strahlungsschild 6 ist bei ca. 213 K (ca. -60°C). Der mittlere Strahlungsschild 7 koppelt an eine obere Kühlstufe 9 der aktiven Kühlvorrichtung 4 bei ca. 50 K, und der innere Strahlungsschild 8 koppelt an eine untere Kühlstufe 10 der aktiven Kühlvorrichtung bei ca. 3,5 K; letzteres stellt auch die tiefste Arbeitstemperatur ATmss der aktiven Kühleinrichtung 4 dar.
  • Im Inneren des inneren Strahlungsschilds 8 ist im Vakuum das Magnetspulensystem 3 angeordnet, welches über einen Schalter 12 eines Lade- und Kurzschlussstromkreises 12a supraleitend kurzschließbar ist. Das vom Magnetspulensystem 3 erzeugte Magnetfeld kann im Normalbetrieb beispielsweise für eine NMR-Messung verwendet werden. Der innere Strahlungsschild 8 kann auch gasdicht ausgebildet sein, sodass zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit beispielsweise etwas gasförmiges Helium vorgesehen werden bzw. enthalten sein kann, das im Rahmen des Betriebs (einschließlich Laden und Normalbetrieb) allerdings nicht eingefüllt werden muss und auch nicht entweichen kann ("kryogenfreier Kryostat"). Alternativ zum kryogenfreien Kryostat kann der Kryostat 2 auch als kryogenhaltiger Kryostat ausgebildet sein (in Fig. 1 nicht näher dargestellt). In diesem Fall ist anstelle des inneren Strahlungsschilds 8 ein Kryobehälter vorgesehen, welcher typischerweise flüssiges Kryogen (etwa Helium) enthält, in welches das Magnetspulensystem 3 ganz oder teilweise eingetaucht ist. Das Kryogen im Kryobehälter kann beim kryogenhaltigen Kryostaten bei Bedarf im Betrieb nachgefüllt werden, gegebenenfalls auch während des Ladens.
  • Die Stromzuführungen 5a, 5b führen von Anschlüssen 13a, 13b am Vakuumbehälter 11 durch den Kryostaten 3 bis zu Anschlüssen 14a, 14b am Lade- und Kurzschlussstromkreis 12a. Die Stromzuführungen 5a, 5b umfassen dabei in der gezeigten Ausführungsform jeweils einen normalleitenden Bereich 15a, 15b (zwischen Vakuumbehälter 11 und mittlerem Strahlungsschild 7), einen HTS-Bereich 16a, 16b (zwischen mittlerem Strahlungsschild 7 und innerem Strahlungsschild 8) und einen LTS-Bereich (innerhalb des inneren Strahlungsschilds 8).
  • Die Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich 15a, 15b weisen hier jeweils eine sich vom kalten (magnetspulensystemnahen) Ende 18a, 18b zum warmen (Raumtemperatur-anschlussnahen) Ende 19a, 19b hin kontinuierlich verkleinernde Querschnittsfläche B auf, erkennbar an einem sich nach oben hin verkleinernden Durchmesser; beispielshaft ist hier die Querschnittsfläche B etwa in der Mitte (entlang der Längsrichtung) der Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich 15a, 15b eingezeichnet. Die Querschnittsfläche B verringert sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Faktor von ca. 3 (man beachte, dass der Durchmesser quadratisch in die Querschnittsfläche B eingeht, wobei das Durchmesserverhältnis kalt zu warm hier bei ca. 1,75 liegt). Die Querschnittsverringerung ist hier über die gesamte (vertikale) Länge der Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich 15a, 15b eingerichtet. Entlang der Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich 15a, 15b sind Kältespeicher 20 an diese angekoppelt. Die Kältespeicher 20 sind hier als metallische Massen 20a ausgebildet. Im gezeigten Beispiel sind dabei jeweils drei Stufen 21, 22, 23 der thermischen Kopplung eingerichtet, wobei an jeder der Stufen 21, 22, 23 jeweils zwei Kältespeicher 20 (links und rechts) bei der gleichen Längenposition (die Längenrichtung verläuft in Fig. 1 vertikal) angekoppelt sind. Die Kältespeicher 20 der kältesten Stufe 21 haben insgesamt eine schwere Masse M1 die größer ist die die gesamte schwere Masse M2 der die Kältespeicher 20 der mittleren Stufe 22, und die gesamte schwere Masse M2 der Kältespeicher 20 der mittleren Stufe 22 ist wiederum größer als die gesamte schwere Masse M3 der Kältespeicher 20 der wärmsten Stufe 23. Die Kältespeicher 20 der unterschiedlichen Stufen 21-23, und hier auch innerhalb der Stufen 21-23, sind im Vakuumbereich 11a des Vakuumbehälters 11 voneinander beabstandet angeordnet, um einen thermischen Kurzschluss zu vermeiden.
  • Am unteren, kalten Ende 18a, 18b sind die Stromzuführungen 5a, 5b an den mittleren Strahlungsschild 7 gekoppelt, so dass eine gewisse Kühlleistung der oberen Kaltstufe 9 der aktiven Kühleinrichtung 4 genutzt werden kann. Zudem kontaktiert hier auch der äußere Strahlungsschild 6 die Stromzuführungen 5a, 5b in normalleitenden Bereich 15a, 15b, hier zwischen den Stufen 22 und 23; alternativ kann auch eine nicht-koppelnde Durchführung am äußeren Strahlungsschild 6 vorgesehen sein.
  • Beim Laden (oder Entladen) des Magnetspulensystems 3 über die Stromzuleitungen 5a, 5b entsteht Wärme in den Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich 15a, 15b, die die Kältespeicher 20 durch Erwärmen der metallischen Massen 20a zumindest teilweise kompensieren, wodurch ein Wärmeeintrag in den HTS-Bereich 16a, 16b der Stromleitungen 5a, 5b oder gar in das Magnetspulensystem 3 verringert wird. Die sich zum kalten Ende 18a, 18b hin erweiternde Geometrie der Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich 15a, 15b verringert dabei die ohmsche Wärmeentwicklung nahe dem kalten Ende 18a, 18b, und verringert einen Wärmeeintrag vom raumtemperaturwarmen warmen Ende 19a, 19b her. Die Wärmelast (Wärmefluss "nach unten") im Bereich der untersten Stufe 21 beim Laden WLladen kann dabei im Vergleich zur Wärmelast im Gleichgewichtszustand im Normalbetrieb WLgg begrenzt werden, so dass gilt WLladen ≤ 2*WLgg. Die verbleibende Wärmelast WLladen kann durch die aktive Kühleinrichtung 4 kompensiert werden, so dass sich das supraleitende Magnetspulensystem 3 und auch nicht der HTS-Bereich 16a, 16b der Stromzuführungen 5a, 5b unzulässig (über die jeweilige Sprungtemperatur) erwärmt.
  • Die Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung 1, die weitgehend der Bauform von Fig. 1 entspricht; es werden nachfolgend nur die wesentlichen Unterschiede erläutert.
  • Der Kryostat 2 verfügt hier über lediglich einen äußeren Strahlungsschild 6, der an der oberen Kühlstufe 9 der aktiven Kühleinrichtung 4 angekoppelt ist, sowie einen inneren Strahlungsschild 8, der an die untere Kühlstufe 10 angekoppelt ist, nicht jedoch über einen mittleren Strahlungsschild.
  • Die Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich 15a, 15b verlaufen hier jeweils mit zwei zylinderförmigen Teilabschnitten 25, 26, wobei der kältere Teilabschnitt 25 eine deutlich größere Querschnittsfläche B1 im Vergleich zur Querschnittsfläche B2 des wärmeren Teilabschnitt 26 hat.
  • Der untere Teilabschnitt 25 verläuft im Wesentlichen in einem Kältespeicher 20, der mit einem gasdichten Behälter 27 und einer darin enthaltenen, verdampfbaren Substanz 28 ausgebildet ist. Die verdampfbare Substanz 28 liegt flüssig vor; etwas verdampfbare Substanz 28 ist bereits im Behälter 27 verdampft. Das untere Ende des Behälters 27 ist über ein Wärmeleitelement 29 mit der unteren Kühlstufe 10 der aktiven Kühleinrichtung 4 gekoppelt.
  • Der obere Teilabschnitt 26 verläuft im Wesentlichen in einem Kältespeicher 20, der mit einem gasdichten Behälter 30 und einer darin enthaltenen, verdampfbaren Substanz 28 ausgebildet ist. Das untere Ende des Behälters 30 ist über ein Wärmeleitelement 29 mit der oberen Kühlstufe 9 der aktiven Kühleinrichtung 4 gekoppelt.
  • Der untere Behälter 27 ist deutlich größer als der obere Behälter 30, und der untere Behälter 27 enthält deutlich mehr (bezogen auf die schwere Masse) verdampfbare Substanz 28 als der obere Behälter 30.
  • Beim Laden (oder Entladen) des Magnetspulensystems 3 über die Stromzuleitungen 5a, 5b entsteht Wärme in den Behältern 27, 30, die durch Verdampfen von verdampfbarer Substanz 28 (was den Gasdruck in den Behältern 27, 30 erhöht) zumindest teilweise kompensiert, wodurch ein Wärmeeintrag in den HTS-Bereich 16a, 16b der Stromzuführungen 5a, 5b oder gar in das Magnetspulensystem 3 im inneren Strahlungsschild 8 verringert wird. Im Normalbetrieb kann gespeicherte Wärmeenergie über die Wärmeleitelemente 29 an die Kühlstufen 9, 10, die als Wärmesenken wirken, allmählich wieder abgegeben werden, so dass die verdampfte Substanz wieder rekondensieren kann. Bei der Auslegung der Behälter 27, 30 ist zu beachten, dass das Verdampfen und Rekondensieren isochore Prozesse sind, da aus den Behältern 27, 30 im Betrieb keine Substanz entweichen darf. Die Veränderung der latenten Wärme bei steigendem Druck und steigender Temperatur im jeweiligen Behälter 27, 30 muss entsprechend berücksichtigt werden.
  • Die Fig. 3 zeigt eine Stromzuführung 5a im normalleitenden Bereich 15a für die Erfindung. Diese umfasst hier N=4 aufeinanderfolgende Teilabschnitte 41, 42, 43, 44, wobei jeder Teilabschnitt 41-44 eine eigene, einheitliche Querschnittsfläche B1-B4 aufweist. Die Querschnittsflächen B1-B4 nehmen vom kalten Ende 18a zum warmen Ende 19a hin ab.
  • Die unterschiedlichen Teilabschnitte 41-44 sind an unterschiedliche Kältespeicher 20, hier in Gestalt von metallischen Körpern 20a, gekoppelt. Die jeweils zwei gekoppelten Kältespeicher 20 eines Teilabschnitts 41-44 kontaktieren ihren Teilabschnitt 41-44 hier jeweils näherungsweise mittig bezogen auf die vertikale Längsrichtung der Stromzuführung 5a mittels eines kurzen Brückenelements 45. Die Anzahl K der Stufen thermischer Kopplung, hier jeweils ausgebildet durch die Kontaktierung von zwei Kältespeichern 20 an einer gemeinsamen Längenposition, beträgt hier ebenfalls 4, so dass hier K=N=4 ist. Die gesamten schweren Massen Mi der Kältespeicher 20 der vier Stufen der thermischen Kopplung nimmt vom kalten Ende 18a zum warmen Ende 19a hin ab.
  • Man beachte, dass für eine Einstellung eines bestimmten Wärmeflusses oder Temperaturprofils auch das Verhältnis Bi/Hi bei den verschiedenen Teilabschnitten 41-44 variiert werden kann, mit Hi: Länge des Teilabschnitts i, mit i=1 bis 4 für die Teilabschnitte 41-44. Typischerweise nimmt das Verhältnis Bi/Hi vom kalten Ende 18a zum warmen Ende 19a hin ab.
  • In der Fig. 4 ist eine weitere Stromzuführung 5a im normalleitenden Bereich 15a gezeigt, die weitgehend der Bauform von Fig. 3 entspricht, so dass nur die wesentlichen Unterschiede erläutert werden.
  • Die Kältespeicher 20 sind hier jeweils an den Übergängen zwischen den Teilabschnitten 41-44 mit kurzen Brückenelementen 45 angekoppelt, und zusätzlich ist ein Paar Kältespeicher 20 am unteren, kalten Ende 18a der Stromzuführung 5a im normalleitenden Bereich 15a über Brückenelemente 45 angekoppelt.
  • Die Stromzuführung 5a ist hier integral aus einem einzigen Teil gefertigt, z.B. als eine in entsprechender Form zurechtgeschnittene Metallplatte.
  • Die Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung 1, die weitgehend der Bauform von Fig. 1 entspricht; es werden nachfolgend nur die wesentlichen Unterschiede erläutert.
  • Neben der aktiven Kühleinrichtung 4 ist hier auch eine aktive Hilfskühleinrichtung 50 vorhanden, die über einen Wärmetauscher 51 an den äußeren Strahlungsschild 6 gekoppelt ist. Der äußere Strahlungsschild 6 kontaktiert wiederum einen Teil (ein Teilstück) der Stromzuführungen 5a, 5b in normalleitenden Bereich 15a, 15b, hier zwischen den Stufen 22, 23 der thermischen Kopplung. Die Hilfskühleinrichtung 50 kann hier eine tiefste Arbeitstemperatur AThilf von ca. -60°C erreichen.
  • Über die Hilfskühleinrichtung 50 kann ein Teil der beim Laden auftretenden Wärmelast aus den Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich 15a, 15b abgeleitet werden, so dass die aktive Kühleinrichtung 4 entlastet wird. Es ist auch möglich, die Kühlung im Normalbetrieb mit der Hilfskühleinrichtung 50 zu unterstützen.
  • Die Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung 1, die weitgehend der Bauform von Fig. 5 entspricht, so dass nachfolgend nur die wesentlichen Unterschiede erläutert werden.
  • Die aktive Hilfskühleinrichtung 50 kühlt hier nicht nur den Wärmetauscher 51 zum äußeren Strahlungsschild 6, sondern auch einen Wärmetauscher 52, der seinerseits einen Wärmetauscher 53 einer Temperiervorrichtung 54 für eine zu untersuchende Probe 55 kühlt. Die zu untersuchende Probe 55 wird während ihrer Vermessung durch NMR-Spektroskopie in einer nicht näher dargestellten auf konstanter Temperatur gehalten, wobei das im Normalbetrieb vom Magnetspulensystem 3 der Magnetanordnung 1 erzeugte Magnetfeld genutzt wird.
    • Bezuqszeichenliste
    • 1
    Magnetanordnung
    2
    Kryostat
    3
    supraleitendes Magnetspulensystem
    4
    aktive Kühleinrichtung
    5a, 5b
    Stromzuführungen
    6
    äußerer Strahlungsschild
    7
    mittlerer Strahlungsschild
    8
    innerer Strahlungsschild
    9
    obere Kühlstufe (Wärmesenke)
    10
    untere Kühlstufe (Wärmesenke)
    11
    Vakuumbehälter
    11a
    Vakuumbereich
    12
    supraleitender Schalter
    12a
    supraleitender Lade- und Kurzschlussstromkreis
    13a, 13b
    Anschluss (am Vakuumbehälter)
    14a, 14b
    Anschluss (am Lade- und Kurzschlussstromkreis)
    15a, 15b
    normalleitender Bereich
    16a, 16b
    HTS-Bereich
    17a, 17b
    LTS-Bereich
    18a, 18b
    kaltes Ende
    19a, 19b
    warmes Ende
    20
    Kältespeicher
    20a
    metallischer Körper
    21
    kälteste Stufe der thermischen Kopplung
    22
    mittlere Stufe der thermischen Kopplung
    23
    wärmste Stufe der thermischen Kopplung
    25, 26
    Teilabschnitt
    27
    Behälter
    28
    verdampfbare Substanz
    29
    Wärmeleitelement
    30
    Behälter
    41-44
    Teilabschnitt
    45
    Brückenelement
    50
    aktive Hilfskühleinrichtung
    51-53
    Wärmetauscher
    54
    Temperiervorrichtung
    55
    Probe
    B
    Querschnittsfläche
    B1-B4
    Querschnittsfläche (Teilabschnitt)
    H1-H4
    Länge (Teilabschnitt)
    M1-M3
    schwere Massen

Claims (16)

  1. Magnetanordnung (1), umfassend einen Kryostaten (2), ein supraleitendes Magnetspulensystem (3), eine aktive Kühleinrichtung (4) für das Magnetspulensystem (3) und Stromzuführungen (5a, 5b) zum Laden des Magnetspulensystems (3) im Kryostaten (2),
    wobei die Stromzuführungen (5a, 5b) zumindest einen normalleitenden Bereich (15a, 15b) umfassen, insbesondere wobei die Stromzuführungen (5a, 5b) auch einen HTS-Bereich (16a, 16b) umfassen,
    wobei entlang des normalleitenden Bereichs (15a, 15b) der Stromzuführungen (5a, 5b) mehrere Kältespeicher (20) an die Stromzuführungen (5a, 5b) thermisch gekoppelt sind, um beim Laden des Magnetspulensystems (3) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) entstehende Wärme aufzunehmen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) entlang ihrer Erstreckungsrichtung eine veränderliche Querschnittsfläche B aufweisen,
    wobei sich zumindest über einen überwiegenden Anteil der gesamten Länge der Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) die Querschnittsfläche B von einem kalten Ende (18a, 18b) zu einem warmen Ende (19a, 19b) hin verringert.
  2. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) jeweils N aufeinanderfolgende Teilabschnitte (25, 26; 41-44) aufweisen, mit N≥ 2, insbesondere 3≤N≤7,
    wobei die Teilabschnitte (25, 26; 41-44) jeweils eine innerhalb eines Teilabschnitts (25, 26; 41-44) konstante Querschnittsfläche Bi aufweisen, und dass sich die Querschnittsflächen Bi vom kalten Ende (18a, 18b) zum warmen Ende (19a, 19b) hin verringern.
  3. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Teilabschnitte (25, 26; 41-44) an unterschiedliche Kältespeicher (20) thermisch gekoppelt sind.
  4. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils an einem Übergang von zwei Teilabschnitten (25, 26; 41-44) wenigstens ein Kältespeicher (20) thermisch angekoppelt ist, insbesondere wobei auch am kalten Ende (18a, 18b) der Stromzuführung (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) wenigstens ein Kältespeicher (20) thermisch angekoppelt ist.
  5. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) jeweils K Stufen der thermischen Kopplung (21-23) eingerichtet sind, wobei an jeder Stufe (21-23) wenigstens ein Kältespeicher (20) an die Stromzuführungen (5a, 5b) thermisch gekoppelt ist,
    mit K≥2, insbesondere 3≤K≤7.
  6. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine schwere Masse Mi von kältespeicherndem Material in dem wenigstens einen Kältespeicher (20) einer jeweiligen Stufe der thermischen Kopplung (21-23) über die Stufen (21-23) vom kalten Ende (18a, 18b) zum warmen Ende (19a, 19b) hin abnimmt.
  7. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat (2) als kryogenfreier Kryostat (2) ausgebildet ist.
  8. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kältespeicher (20) als gasdichte Behälter (27, 30) ausgebildet ist, wobei ein Teil des Volumens der gasdichten Behälter (27, 30) mit einer verdampfbaren Substanz (28) gefüllt ist.
  9. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) zumindest teilweise innerhalb der Behälter (27, 30) verlaufen.
  10. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Behälter (27, 30) mit einem unteren Ende über ein Wärmeleitelement (29) an eine Wärmesenke (9, 10) der aktiven Kühleinrichtung (4) thermisch gekoppelt ist, und der Siedepunkt der im Behälter (27, 30) enthaltenen Substanz (28) über der Temperatur der Wärmesenke (9, 10) liegt.
  11. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kältespeicher (20) als metallische Körper (20a) ausgebildet sind.
  12. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere als metallische Körper (20a) ausgebildete Kältespeicher (20) voneinander beabstandet in einem Vakuumbereich (11a) des Kryostaten (2) angeordnet sind.
  13. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine aktive Hilfskühleinrichtung (50) vorhanden ist, die an einen Teil der Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) thermisch gekoppelt ist, insbesondere wobei eine tiefste Arbeitstemperatur AThilf der Hilfskühleinrichtung (50) höher ist als eine tiefste Arbeitstemperatur ATmss der aktiven Kühleinrichtung (4) für das Magnetspulensystem (3).
  14. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfskühleinrichtung (50) weiterhin an einen Strahlungsschild (6, 7, 8) des Kryostaten (2) und/oder einen Vakuumbehälter (11) des Kryostaten (2) und/oder eine Temperiervorrichtung (54) für eine zu untersuchende Probe (55) thermisch gekoppelt ist.
  15. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsfläche B vom kalten Ende (18a, 18b) zum warmen Ende (19a, 19b) hin um wenigstens einen Faktor 3 verändert.
  16. Verwendung einer Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei das Magnetspulensystem (3) über die Stromzuführungen (5a, 5b) geladen wird und ein Ladestrom so gewählt wird und die veränderliche Querschnittsfläche B und/oder die Kältespeicher (20) so eingerichtet sind, dass für eine Wärmelast WLladen, die auf eine kälteste Stufe (21) der Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) während des Ladens maximal einwirkt, und für eine Wärmelast WLgg auf diese kälteste Stufe (21) in einem Gleichgewichtszustand mit geladenem Magnetspulensystem (3) gilt:
    WLladen ≤ 5*WLgg, insbesondere WLladen ≤ 2*WLgg.
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