WO2007107238A1 - Kryostat mit einem magnetspulensystem, das eine lts- und eine im vakuumteil angeordnete hts-sektion umfasst - Google Patents

Kryostat mit einem magnetspulensystem, das eine lts- und eine im vakuumteil angeordnete hts-sektion umfasst Download PDF

Info

Publication number
WO2007107238A1
WO2007107238A1 PCT/EP2007/001924 EP2007001924W WO2007107238A1 WO 2007107238 A1 WO2007107238 A1 WO 2007107238A1 EP 2007001924 W EP2007001924 W EP 2007001924W WO 2007107238 A1 WO2007107238 A1 WO 2007107238A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cryostat
section
helium
hts
lts
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/001924
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arne Kasten
Original Assignee
Bruker Biospin Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bruker Biospin Gmbh filed Critical Bruker Biospin Gmbh
Priority to EP07723069A priority Critical patent/EP1997116B1/de
Priority to US12/225,189 priority patent/US7982566B2/en
Publication of WO2007107238A1 publication Critical patent/WO2007107238A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/381—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using electromagnets
    • G01R33/3815—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using electromagnets with superconducting coils, e.g. power supply therefor
    • 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

Definitions

  • Cryostat with a magnetic coil system comprising an LTS and an arranged in the vacuum HTS section
  • the invention relates to a cryostat, comprising a magnetic coil system comprising a superconductive conductor for generating a magnetic field Bo in a measuring volume, with a plurality of radially-nested, electrically series-wound, solenoid-shaped coil sections, of which at least one LTS section comprises a conventional cryogenic superconductor (LTS). and at least one HTS section comprises a high temperature superconductor (HTS), wherein the liquid helium LTS section is in a helium tank of the cryostat at a helium temperature T L.
  • LTS cryogenic superconductor
  • HTS high temperature superconductor
  • LTS low-temperature superconductors
  • NbTi and Nb 3 Sn are relatively easy to process and reliable in use.
  • the conductor of an LTS coil section usually consists of a normally normal conducting metallic matrix (copper), in which superconducting filaments are located, which completely take over the current during normal operation.
  • NbTi these are usually tens to hundreds, in the case of Nb 3 Sn, it may be more than a hundred thousand.
  • the inner structure of the ladder is a bit more complex, but this does not matter in the present context.
  • the coil sections are cooled with liquid helium in a cryostat.
  • the superconducting coil sections dive i.a. at least partially in liquid helium.
  • HTS high-temperature superconductors
  • HTS or even ceramic superconductors are mainly available as W ⁇ smut conductors with HTS filaments in a silver-containing matrix.
  • the ladders are predominantly in the form of ribbons.
  • a cryostat of the type initially presented which is characterized in that the HTS section is arranged radially inside the LTS section in a vacuum part of the cryostat and separated from the LTS section by the room temperature bore facing wall of the helium tank is.
  • the present invention is based on the finding that the ballooning is caused by helium which expands or vaporizes in the interior of the HTS material.
  • helium liquefies at a pressure of less than about 4.2 K under HTS material ceramic and therefore typically has a certain porosity Pores penetrate into the interior of the HTS.
  • the helium in the superfluid state of helium, which is given below the ⁇ -point temperature of about 2.2 K, the helium can penetrate even the smallest column.
  • the helium increases strongly in volume during evaporation. If the heating is too rapid, the vaporizing helium can not escape from the pores in time, and significant pressure builds up in the pores of the HTS. Since HTS is a ceramic and therefore brittle material, the HTS can finally be blown up by this pressure.
  • the HTS section or HTS sections of the magnet coil system is located in the vacuum part of the cryostat between the inner wall of the helium tank and the room temperature bore.
  • the vacuum part of an NMR cryostat is usually in one piece.
  • the HTS section rests, for example, with its outer, circular cylindrical circumference on the likewise circular cylindrical inner wall of the helium tank and is connected by these non-positively with the radially innermost LTS section, which may be applied via small spacers from the helium side to this wall. Since the HTS material of the HTS section (s) in vacuum does not come into contact with liquid helium, it can naturally never come to an evaporation of liquid helium penetrated inside the HTS material. This excludes ballooning of the HTS.
  • the cooling capacity for the HTS section can be transferred from the helium tank wall to the HTS section via thermal contacts, such as copper.
  • the operating temperature of the HTS section may well be slightly higher than that of the LTS sections in the helium tank, since at or below 4 K, the critical current of the HTS conductor depends only very little on the temperature, in contrast to the situation with the LTS -Setationen. This is especially true when the helium is supercooled in the tank at about 2K.
  • the risk of ballooning without the measures according to the invention is particularly great, so that the advantages of the invention come into their own. Since the critical current densities of the conductors of the LTS sections increase with decreasing temperature, the low temperatures permit higher magnetic field strengths B 0 and / or more compact LTS sections.
  • a preferred embodiment of the cryostat according to the invention provides that superconducting leads to the at least one HTS section in the vacuum part, at least as far as the supply lines contain HTS. This will protect all HTS material including the joints from liquid helium.
  • a conductor of conventional superconducting material e.g. a NbTi multifilamentary wire, for a vacuum-tight implementation in the helium tank, preferably in a region in which there is usually no helium liquid in the helium tank, at least no superfluid.
  • the superconducting conductor is passed through this feedthrough so that the full magnet current can pass losslessly from the HTS section to the LTS sections and back.
  • a superconducting switch for lossless continuous current operation is usually located in the helium tank, with a vertically arranged magnet coil above the LTS sections.
  • the feedthroughs preferentially lead from the vacuum to the 4K tank.
  • a further preferred embodiment provides that the LTS section is mechanically rigidly connected to the HTS section, in particular through or over the wall of the helium tank. This makes the magnetic coil system mechanically and thus the magnetic field strength Bo particularly stable.
  • the HTS section thermally coupled to the wall of the helium tank. As a result, the HTS section is cooled sufficiently with little equipment.
  • At least one radiation shield between HTS section and room temperature bore, which is preferably coupled to a helium tank and thereby assumes a temperature of about 4.2 K or below.
  • the radiation shield reduces heat input by radiation from the room temperature hole into the HTS section.
  • thermally shield the leads running in the vacuum part to the HTS section such as by running inside the radiation shield or cooling them by heat conduction, e.g. by parallel, thermally well conductive lines. As a result, a quenching of these lines including any joints can be avoided.
  • sorbents for helium are arranged in the vacuum part, in particular activated carbon. This makes the use of external and / or pumping pumps unnecessary in the long term.
  • a preferred embodiment provides that the magnetic field Bo generated in the measurement volume by the magnet coil system is greater than 20 T, in particular greater than 23 T. These strong magnetic fields are easily accessible by means of HTS section and the cryostat according to the invention. In contrast, with conventional magnet systems based only on LTS sections, the theoretical limit is almost reached at these field strengths, and the critical current density tends toward zero.
  • the coil sections of the magnet coil system can be superconductingly short-circuited during operation.
  • a particularly stable magnetic field B 0 is achieved.
  • the cryostat has a further helium tank with a temperature of the liquid helium contained therein of about 4.2 K, which is connected to the (first) helium tank.
  • the liquid helium in the (first) helium tank has a temperature TL ⁇ 4K.
  • the additional helium tank is arranged above the helium tank about a common vertical room temperature bore.
  • the two tanks can be separated by a vacuum barrier and closed by a narrow, e.g. be coupled gap-shaped connection.
  • the upper tank may be at about normal pressure or slightly above it so that overall refilling of helium can be easier and safer.
  • the Room-temperature bore facing wall of the other helium tank is the same distance radially spaced from the room temperature hole as the room temperature bore facing wall of the helium tank. This allows in particular the simple attachment of a horizontally extending passage on the other helium tank at a height at which normally no liquid helium stands in another helium tank more. This in turn makes the sealing of the passage safer. Also results in a topologically uniform inner bore, as far as it is limited by the helium tanks. This improves the accessibility and use of the bore.
  • the wall of the further helium tank facing the room temperature bore can also be spaced less far from the room temperature bore than the wall of the helium tank facing the room temperature bore, which makes it possible in a simple manner to mount the current feedthrough in the flat bottom plate of the further (upper) helium tank.
  • the volume of the further helium tank can thereby be greater, which increases the helium life.
  • the room temperature bore facing wall of the other helium tank is aligned with the inner bore of the HTS section.
  • 1a shows a first embodiment of a cryostat according to the invention with HTS section in vacuum and associated joints and bushings, in a schematic representation;
  • Fig. 1b a second embodiment of an inventive
  • FIG. 2 shows a third embodiment of a cryostat with HTS section according to the invention in a vacuum, with two helium tanks, in a schematic representation
  • FIG. 3 shows the schematic interconnection of the sections of Fig. 1a;
  • FIG. 4 shows the schematic interconnection of the sections of FIG. 2.
  • FIG. 1a shows a first embodiment of a cryostat 1 according to the invention.
  • the cryostat 1 has a room temperature bore 2 in which a measuring volume 3 for a sample is provided.
  • the measuring volume 3 is located in the center of a magnetic coil system, which here is formed by three solenoid-shaped coil sections 4, 5, 6.
  • the middle coil section 5 is wound with Nb 3 Sn wire and the outermost coil section 6 is wound with NbTi wire.
  • the coil sections 4, 5, 6 are electrically connected in series with one another, by way of example with the two superconducting transition points (joints) 7a and 7b.
  • the HTS material of a lead 4a to the HTS coil section 4 is connected to a junction piece 8 of NbTi, and at the joint 7b, the junction piece 8 is connected to the Nb 3 Sn wire of the LTS section 5.
  • the transition piece 8 occurs at a passage 18 through a Wall 9a of a helium tank 9, in which the LTS sections 5 and 6 are nested one inside the other.
  • the passage 18 is a conventional electrical low-temperature vacuum feedthrough with metallic tubes insulated from one another and against the tank wall, in each of which the conductor of the transition piece 8 is soldered in a vacuum-tight manner.
  • the wall 9a of the helium tank 9 faces the room temperature bore 2.
  • the helium tank 9 is largely filled with liquid helium.
  • the liquid helium in the helium tank 9 has a temperature T L of about 4 K.
  • the helium tank 9 is completely for isolation, in particular radially outward of a
  • Radiation shield 10 surrounded.
  • the radiation shield 10 also extends between the HTS section 4 and the room temperature bore 2.
  • the radiation shield 10 is cooled with liquid nitrogen, which can be filled into container 10a.
  • further radiation shields can be provided, which are usually also cooled by evaporating helium gas.
  • the radiation shields can be battery-cooled, whereby the nitrogen tank 10 can be omitted.
  • the refrigerator can also take over a re-cooling of the evaporating helium, so that the refill intervals are extended for liquid helium or refilling is necessary only after a major accident.
  • the HTS coil section 4 While the LTS coil sections 5, 6 are immersed in the liquid helium, the HTS coil section 4 together with the supply line 4a and the joint 7a is arranged in a vacuum between helium tank 9 and room temperature bore 2. This ensures that no liquid helium can penetrate into HTS material of the HTS coil section 4 or its supply line 4a. As a result, liquid helium can not evaporate inside the HTS material and, by increasing the volume, can burst the HTS material from the inside out.
  • the entirety of the evacuated interior of the cryostat 1 forms the vacuum part 14 of the cryostat 1, and within this vacuum part 14 is According to the invention, the HTS section 4 is arranged. In the vacuum part 14 there is a pressure of less than 10 "5 mbar.
  • the HTS coil section 4 is preferably frictionally against the inner wall 9 a of the helium tank 9. HTS section 4 is cooled via the tank wall 9a. Possibly. Here, too, a good heat conductor such as metallic copper can be used.
  • the LTS section 5 can be non-positively connected, possibly via spacers 11, to the helium tank wall 9a. A small distance to the tank wall 9a allows in a gap 12 helium convection still radially within the section 5. Alternatively, the section 5 also directly adjoins the wall 9a. It can usually be tolerated that the HTS section 4 is slightly warmer than the LTS sections 5 and 6. Between the HTS section 4 and the room temperature bore 2, there is another radiation shield 19 to thermally shield section 4. The radiation shield 19 is cooled by the liquid helium of the helium tank 9. Further radiation shields for shielding the HTS section 4 can be added.
  • FIG. 1b A second embodiment of a cryostat 1 according to the invention is shown in FIG. 1b. This embodiment largely corresponds to the embodiment of Fig. 1a, but a special anchoring of the coil sections 4, 5, 6 is provided.
  • a bottom plate 15 forms with a radially outer part of the lower wall of the helium tank 9.
  • the bottom plate 15 continues radially inward to below the HTS section 4 on.
  • On the bottom plate 15 has two annular flanges 16a, 16b attached.
  • On the radially outer annular flange 16a the LTS section 6 is direct, and the LTS section 5 is attached via a coil support 17a.
  • the bottom plate 15 is preferably formed in one piece. The arrangement described allows simultaneous handling of all coil sections 4, 5, 6 during assembly of the cryostat 1 via the common base plate 15.
  • both helium tanks 9, 21 contain helium of different types Temperature, usually about 2 K at the lower helium tank 9 and about 4 K at the upper, further helium tank 21.
  • Cryostats 1 of this type are mainly used to generate very high magnetic field strengths, especially for high-field NMR systems.
  • Helium tank 21 further inward (toward the room temperature hole 2 to) than the lower helium tank 9, and a passage 18 for the transition piece 8 is disposed in the bottom of the other helium tank 21.
  • the inner wall 21a of the further helium tank 21, which faces the room temperature bore 2, is located at the same radial distance from the room temperature bore 2 as the radiation shield 19; the inner wall 9a of the helium tank 9 is set back. With this arrangement, the space inside the cryostat 1 can be efficiently utilized.
  • the inner wall of the other helium tank may also be reset, wherein it is arranged at the same radial distance from the room temperature bore 2 as the inner wall 9a of the helium tank 9 in Fig. 1 b.
  • This provides space to guide the passage for the superconducting transition piece from the vacuum part into the upper, further helium tank horizontally through the inner wall of the further helium tank.
  • the implementation is arranged above the mirror of liquid helium in another helium tank. This facilitates the secure sealing of the implementation.
  • FIG. 3 shows schematically the electrical interconnection of the coil sections 4, 5, 6 of Fig. 1a.
  • the inner area of the helium tank 9 (helium area) is shown as a dashed block, as well as the area of the vacuum part 14 of the cryostat (vacuum area) is shown as a dashed block.
  • the LTS sections 6 (NbTi) and 5 (Nb3Sn) are located at about 4 K in liquid helium within the helium region 9.
  • the LTS sections 5, 6 are connected in series via a superconducting compound (7b 1 , Joint).
  • LTS section 5 is connected via another superconducting connection 7b "with a
  • Transition piece 8 ' connected, which leads through the vacuum-tight passage 18 from the helium region 9 in the vacuum region 14. There, the transition piece 8 'is connected via a superconducting connection 7a' to the conductor of one side of the HTS section 4, which is located in the vacuum region 14. The HTS conductor of the other side is superconducting connected to a transition piece 8 "in the joint 7a". The transition piece 8 "leads through the vacuum-tight passage 18 back into the helium region 9, where it is connected to the joint 7b '" with one end of a superconducting short-circuit switch 20 for the entire coil assembly 4, 5, 6. The other end of the short-circuit switch 20 is finally connected to the section 6 again via joint 7b "".
  • the sections 4, 5, 6 of the exemplary embodiment according to FIG. 2 are connected correspondingly, which is shown schematically in FIG.
  • the passage 18 opens from the vacuum part 14 in the 4K region 21, in which the superconducting switch 20 is arranged.
  • the LTS sections 5, 6 are located in the 2K area 9.
  • some or all of these components in the 4K range 21 or in the 2K area 9 may be arranged. It is preferred to open the passage 18 into the 4K region 21 where there is no superfluid helium. This increases security. In principle, however, the bushing 18 can also lead directly into the 2K range if tightness against superfluid helium is reliably guaranteed.
  • the cryostats 1 of FIGS. 1a, 1b and 2 are preferably parts of an NMR apparatus, such as an NMR spectrometer or an NMR tomograph, in particular a high-resolution high-field NMR spectrometer with a magnetic field Bo> 20 T, preferably> 23 T.
  • an NMR apparatus such as an NMR spectrometer or an NMR tomograph
  • the magnetic coil system with respect to the homogeneity of the magnetic field Bo in the measurement volume and the time stability of B 0 meets the requirements of high-resolution NMR spectroscopy, which usually requires that the coil sections of the magnetic coil system can be superconductingly short-circuited during operation.
  • the coil axes and the room temperature bore are vertical.
  • the invention also relates to cryostats with horizontal bore, which are preferably used in the imaging area (MRI) or for ion cyclotron resonance spectrometer.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

Ein Kryostat (1), mit einem supraleitfähige Leiter umfassenden Magnetspulensystem zur Erzeugung eines Magnetfelds Bo in einem Messvolumen (3) in einer Raumtemperaturbohrung (2) des Kryostaten (1), mit mehreren, radial ineinander geschachtelt angeordneten, die Raumtemperaturbohrung umgebenden, elektrisch in Serie geschalteten, solenoidförmigen Spulensektionen (4, 5, 6), von denen mindesten eine LTS- Sektion (5, 6) einen konventionellen Tieftemperatursupraleiter (LTS) und mindestens eine HTS-Sektion (4) einen Hochtemperatursupraleiter (HTS) umfasst, wobei sich die LTS-Sektion (5,6) mit flüssigem Helium in einem Heliumtank (9) des Kryostaten (1) bei einer Helium-Temperatur TL befindet, ist dadurch gekennzeichnet, dass die HTS-Sektion (4) radial innerhalb der LTS- Sektion (5, 6) in einem Vakuumteil (14) des Kryostaten (1) angeordnet ist und von der LTS-Sektion (5, 6) durch die der Raumtemperaturbohrung (2) zugewandte Wand (9a) des Heliumtanks (9) getrennt ist. In dem Kryostaten kann die HTS-Spulensektion langfristig und zuverlässig eingesetzt werden.

Description

Kryostat mit einem Magnetspulensystem, das eine LTS- und eine im Vakuumteil angeordnete HTS-Sektion umfasst
Die Erfindung betrifft einen Kryostaten, mit einem supraleitfähige Leiter umfassenden Magnetspulensystem zur Erzeugung eines Magnetfelds Bo in einem Messvolumen, mit mehreren, radial ineinander geschachtelt angeordneten, elektrisch in Serie geschalteten, solenoidförmigen Spulensektionen, von denen mindesten eine LTS-Sektion einen konventionellen Tieftemperatursupraleiter (LTS) und mindestens eine HTS-Sektion einen Hochtemperatursupraleiter (HTS) umfasst, wobei sich die LTS-Sektion mit flüssigem Helium in einem Heliumtank des Kryostaten bei einer Helium- Temperatur TL befindet. Ein solcher Kryostat ist beispielsweise bekannt geworden aus der DE 10 2004 007 340 A1.
Zum Beispiel für Kernspinresonanz-Apparaturen, insbesondere Spektrometer, werden sehr starke, homogene und stabile Magnetfelder benötigt. Je stärker das Magnetfeld, desto besser ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und die spektrale Auflösung der NMR-Messung.
Zur Erzeugung starker Magnetfelder werden supraleitende Magnetspulen- Systeme eingesetzt. Weit verbreitet sind Magnetspulensysteme mit solenoidförmigen Spulensektionen, die ineinander geschachtelt sind und in Serie betrieben werden. Supraleiter können elektrischen Strom verlustfrei tragen. Die Supraleitung stellt sich unterhalb einer materialabhängigen Sprungtemperatur ein. Als Supraleitermaterial werden typischerweise kon- ventionelle Tieftemperatur-Supraleiter (LTS) eingesetzt. Diese Metalllegierungen wie beispielsweise NbTi und Nb3Sn sind verhältnismäßig leicht zu verarbeiten und zuverlässig in der Anwendung. Der Leiter einer LTS-Spulen- sektion besteht in der Regel aus einer gut normalleitenden metallischen Matrix (Kupfer), in der sich supraleitende Filamente befinden, die im Normalbetrieb vollständig den Strom übernehmen. Im Fall von NbTi sind das üblicherweise einige zehn bis hundert, im Fall von Nb3Sn können es mehr als hunderttausend sein. Tatsächlich ist der innere Aufbau der Leiter noch etwas komplexer, was aber im vorliegenden Zusammenhang keine Rolle spielt.
Um die Spulensektionen unter die Sprungtemperatur abzukühlen, werden die Spulensektionen mit flüssigem Helium in einem Kryostaten gekühlt. Die supraleitenden Spulensektionen tauchen dabei i.a. zumindest teilweise in flüssiges Helium ein.
Um die erreichbare Magnetfeldstärke in einem Magnetspulensystem weiter zu steigern, ist es wünschenswert, auch Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) einzusetzen. Bei gleicher Temperatur können Leiter, die HTS enthalten, sehr viel mehr Strom tragen und höhere Magnetfeldstärken erreichen als solche mit LTS. HTS-Material bietet sich somit vor allem als Material für die innersten Spulensektionen eines Magnetspulensystems an.
HTS oder auch keramische Supraleiter gibt es derzeit vor allem als Wϊsmut- Leiter mit HTS-Filamenten in einer silberhaltigen Matrix. Die Leiter haben vorwiegend die Form von Bändchen.
Spulensektionen aus HTS vor allem in unterkühltem Helium haben sich bisher allerdings als kurzlebig und unzuverlässig erwiesen. Eine Untersuchung von ausgefallenen HTS-Sektionen hat ergeben, dass das HTS-Material aufplatzt und die Stromtragfähigkeit des HTS-Leiters damit zerstört wird. Dieser an sich auch in anderen Zusammenhängen bekannte Effekt wird gelegentlich als „ballooning" bezeichnet.
Aufgabe der Erfindung
Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kryostaten bereitzustellen, in dem eine HTS-Spulensektion langfristig und zuverlässig eingesetzt werden kann, und insbesondere kein „ballooning" auftritt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kryostaten der eingangs vorgestellten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die HTS-Sektion radial innerhalb der LTS-Sektion in einem Vakuumteil des Kryostaten angeordnet ist und von der LTS-Sektion durch die der Raumtemperaturbohrung zugewandte Wand des Heliumtanks getrennt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das „ballooning" durch Helium verursacht wird, das im Inneren des HTS-Materials expandiert oder verdampft. Bekanntermaßen verflüssigt sich Helium bei 1 bar Druck unterhalb von ca. 4,2 K. HTS-Material ist keramisch und weist daher typischerweise eine gewisse Porosität auf. Das flüssige Helium kann durch die Poren in das Innere des HTS eindringen. Insbesondere im superflüssigen Zustand des Heliums, der unterhalb der λ-Punkt-Temperatur von ca. 2,2 K gegeben ist, kann das Helium auch durch kleinste Spalte dringen. Im Falle einer späteren Erwärmung über den Siedepunkt des Heliums hinaus nimmt das Helium beim Verdampfen stark an Volumen zu. Erfolgt die Erwärmung zu rasch, so kann das verdampfende Helium nicht rechtzeitig aus den Poren entweichen, und ein erheblicher Druck baut sich in den Poren des HTS auf. Da HTS ein keramisches und damit sprödes Material ist, kann der HTS schließlich von diesem Druck gesprengt werden.
Dies alles kann durch den erfindungsgemäßen Kryostaten verhindert werden. Die HTS-Sektion oder die HTS-Sektionen des Magnetspulensystems, und damit alles HTS-Material, ist im Vakuumteil des Kryostaten zwischen der Innenwand des Heliumtanks und der Raumtemperaturbohrung angeordnet. Im Vakuumteil ist selbstverständlich keinerlei flüssiges Helium vorhanden. Der Vakuumteil eines NMR-Kryostaten ist in der Regel einstückig. Die HTS-Sektion liegt beispielsweise mit ihrem äußeren, kreiszylinderförmigen Umfang an der ebenfalls kreiszylinderförmigen Innenwand des Heliumtanks an und ist durch diese kraftschlüssig mit der radial innersten LTS-Sektion verbunden, die ggf. über kleine Distanzstücke von der Heliumseite her an dieser Wand anliegt. Da das HTS-Material der HTS-Sektion(en) im Vakuum nicht in Kontakt mit flüssigem Helium kommt, kann es naturgemäß auch nie zu einer Verdampfung von eingedrungenem flüssigen Helium im Inneren des HTS-Materials kommen. Dadurch ist ein „ballooning" des HTS ausgeschlossen.
Die Kühlleistung für die HTS-Sektion kann über thermische Kontakte, beispielsweise aus Kupfer, von der Heliumtankwand zur HTS-Sektion übertragen werden. Dabei darf die Betriebstemperatur der HTS-Sektion durchaus etwas höher sein als die der LTS-Sektionen im Heliumtank, da um oder unter 4 K der kritische Strom des HTS-Leiters nur noch sehr wenig von der Temperatur abhängt, im Gegensatz zur Situation bei den LTS-Sektionen. Dies gilt insbesondere, wenn das Helium im Tank unterkühlt bei etwa 2 K vorliegt. Bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten, bei der die Temperatur des flüssigen Heliums TL < 4 K, vorzugsweise < 2,5 K1 insbesondere < 2,2 K ist. Bei diesen niedrigen Temperaturen ist die Gefahr eines Balloonings ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen besonders groß, so dass die Vorteile der Erfindung besonders zur Geltung kommen. Da die kritischen Stromdichten der Leiter der LTS-Sektionen mit sinkender Temperatur zunehmen, gestatten die niedrigen Temperaturen höhere Magnetfeldstärken B0 und/oder kompaktere LTS-Sektionen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten sieht vor, dass auch supraleitende Zuleitungen zur mindestens einen HTS-Sektion im Vakuumteil verlaufen, und zwar mindestens soweit die Zuleitungen HTS enthalten. Dadurch wird alles HTS-Material einschließlich der Joints vor flüssigem Helium geschützt. Ab diesen Joints verläuft dann in der Regel jeweils ein Leiter aus konventionellem Supraleitermaterial, z.B. ein NbTi- Multifilamentdraht, zu einer vakuumdichten Durchführung in den Heliumtank, vorzugsweise in einem Bereich, in dem üblicherweise im Heliumtank kein flüssiges Helium vorliegt, zumindest kein superflüssiges. Der supraleitende Leiter wird durch diese Durchführung durchgeführt, so dass der volle Magnetstrom verlustfrei von der HTS-Sektion zu den LTS-Sektionen und zurück gelangen kann. Ein supraleitender Schalter für den verlustfreien Dauerstrombetrieb (persistent mode) befindet sich in der Regel im Heliumtank, bei vertikal angeordneter Magnetspule oberhalb der LTS-Sektionen. Im Fall von zwei gekoppelten Heliumtanks bei etwa 2 K (mit LTS-Sektionen) und etwa 4 K führen die Durchführungen bevorzugt vom Vakuum in den 4K-Tank.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die LTS-Sektion mit der HTS-Sektion mechanisch starr verbunden ist, insbesondere durch bzw. über die Wand des Heliumtanks. Dies macht das Magnetspulensystem mechanisch und damit auch die Magnetfeldstärke Bo besonders stabil.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die HTS-Sektion thermisch an die Wand des Heliumtanks angekoppelt ist. Dadurch wird die HTS-Sektion mit geringem apparativen Aufwand ausreichend gekühlt.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, gemäß der sich zwischen HTS-Sektion und Raumtemperaturbohrung mindestens ein Strahlungsschild befindet, der vorzugsweise an einen Heliumtank angekoppelt ist und dadurch eine Temperatur von etwa 4.2 K oder darunter annimmt. Der Strahlungsschild reduziert einen Wärmeeintrag durch Strahlung von der Raumtemperaturbohrung in die HTS-Sektion.
Bei Bedarf können auch Maßnahmen getroffen sein, die im Vakuumteil verlaufenden Zuleitungen zur HTS-Sektion thermisch abzuschirmen, etwa dadurch, dass sie innerhalb des Strahlungsschildes verlaufen oder sie über Wärmeleitung zu kühlen, z.B. durch parallel verlaufende, thermisch gut leitende Leitungen. Dadurch kann ein Quenchen dieser Leitungen inklusive etwaiger Joints vermieden werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind in dem Vakuumteil Sorptionsmittel für Helium angeordnet, insbesondere Aktivkohle. Dies macht langfristig den Einsatz externer und/oder fördernder Pumpen entbehrlich.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das im Messvolumen durch das Magnetspulensystem erzeugte Magnetfeld Bo größer als 20 T, insbesondere größer als 23 T ist. Diese starken Magnetfelder sind mittels HTS-Sektion und dem erfindungsgemäßen Kryostaten gut erreichbar. Im Gegensatz dazu wird mit konventionellen Magnetsystemen, die nur auf LTS- Sektionen basieren, bei diesen Feldstärken schon die theoretische Grenze nahezu erreicht, und die kritische Stromdichte strebt gegen null.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die Spulensektionen des Magnetspulensystems im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen werden können. Dadurch wird ein zeitlich besonders stabiles Magnetfeld B0 erreicht. Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Magnetspulensystem bezüglich der Homogenität des Magnetfelds B0 im Messvolumen und der zeitlichen Stabilität von B0 die Anforderungen der hochauflösenden NMR-Spektroskopie erfüllt.
Bevorzugt ist schließlich noch eine Ausführungsform, bei der der Kryostat einen weiteren Heliumtank mit einer Temperatur des darin enthaltenen flüssigen Heliums von etwa 4,2 K aufweist, der mit dem (ersten) Heliumtank verbunden ist. Das flüssige Helium im (ersten) Heliumtank hat eine Temperatur TL < 4K. Durch die Verwendung zweier Heliumtanks können einerseits die LTS-Sektionen bei tieferer Temperatur betrieben werden, was ihre Stromtragfähigkeit erhöht und andererseits das Helium bei etwa Normaldruck aus dem Kryostaten abdampfen und auch bei diesem Druck nachgefüllt werden, was der Wirkungsgrad der Kühlung und die Betriebssicherheit erhöht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Serienschaltung zwischen der LTS-Sektion im Heliumtank und der HTS- Sektion im Vakuumteil über den weiteren Heliumtank verläuft. Die Durchführung von supraleitenden Zuleitungen in den Vakuumteil erfolgt über den weiteren Heliumtank. Insbesondere wenn im (ersten) Heliumtank superflüssiges Helium vorhanden ist, erleichtert dies die sichere Abdichtung der Stromdurchführung.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist der weitere Heliumtank über dem Heliumtank um eine gemeinsame, vertikale Raumtemperaturbohrung angeordnet. Bei diesem Aufbau können die beiden Tanks durch eine Vakuumbarriere getrennt und über eine enge, z.B. spaltförmige Verbindung gekoppelt werden. Der obere Tank kann sich etwa auf Normaldruck oder leicht darüber befinden, so dass insgesamt das Nachfüllen von Helium leichter und sicherer erfolgen kann.
Eine Weiterentwicklung davon sieht vor, dass die der Raumtemperaturbohrung zugewandte Wand des weiteren Heliumtanks radial von der Raumtemperaturbohrung gleich weit beabstandet ist wie die der Raumtemperaturbohrung zugewandte Wand des Heliumtanks. Dies gestattet insbesondere die einfache Anbringung einer horizontal verlaufenden Durchführung am weiteren Heliumtank in einer Höhe, bei der normalerweise kein flüssiges Helium im weiteren Heliumtank mehr steht. Dies macht wiederum die Abdichtung der Durchführung sicherer. Auch ergibt sich eine topologisch einheitliche innere Bohrung, soweit sie durch die Heliumtanks begrenzt wird. Dies verbessert die Zugänglichkeit und Nutzung der Bohrung.
Alternativ kann jedoch auch die der Raumtemperaturbohrung zugewandte Wand des weiteren Heliumtanks radial von der Raumtemperaturbohrung weniger weit beabstandet sein als die der Raumtemperaturbohrung zugewandte Wand des Heliumtanks, was es auf einfache Weise erlaubt, die Stromdurchführung in der ebenen Bodenplatte des weiteren (oberen) Heliumtanks anzubringen. Das Volumen des weiteren Heliumtanks kann dadurch größer sein, was die Heliumstandzeit erhöht. Bevorzugt ist auch, dass die der Raumtemperaturbohrung zugewandte Wand des weiteren Heliumtanks mit der Innenbohrung der HTS-Sektion fluchtet.
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.
Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1a eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kryostaten mit HTS-Sektion im Vakuum und zugehörige Joints und Durchführungen, in schematischer Darstellung;
Fig. 1 b eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Kryostaten mit HTS-Sektion im Vakuum, mit einer gemeinsamen Bodenplatte für die Spulensektionen, in schematischer Darstellung;
Fig. 2 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kryostaten mit HTS-Sektion im Vakuum, mit zwei Heliumtanks, in schematischer Darstellung;
Fig. 3 die schematische Verschaltung der Sektionen von Fig. 1a;
Fig. 4 die schematische Verschaltung der Sektionen von Fig. 2.
Die Figur 1a zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kry- ostaten 1. Der Kryostat 1 weist eine Raumtemperaturbohrung 2 auf, in der ein Messvolumen 3 für eine Probe vorgesehen ist. Das Messvolumen 3 befindet sich im Zentrum eines Magnetspulensystems, das hier von drei solenoid- förmigen Spulensektionen 4, 5, 6 gebildet wird. Die radial innerste Spulensektion 4 ist mit einem Draht aus Hochtemperatursupraleiter(=HTS) gewickelt. Die mittlere Spulensektion 5 ist mit Nb3Sn-Draht gewickelt, und die äußerste Spulensektion 6 ist mit NbTi-Draht gewickelt. Die Spulensektionen 5, 6 stellen somit Tieftemperatursupraleiter(=LTS)-Spulensektionen dar. Die Spulensektionen 4, 5, 6 sind in Serie elektrisch miteinander verbunden, beispielhaft ist dies mit den beiden supraleitenden Übergangsstellen (Joints) 7a und 7b dargestellt. Am Joint 7a wird das HTS-Material einer Zuleitung 4a zur HTS- Spulensektion 4 mit einem Übergangsstück 8 aus NbTi verbunden, und am Joint 7b wird das Übergangsstück 8 mit dem Nb3Sn-Draht der LTS-Sektion 5 verbunden. Das Übergangsstück 8 tritt an einer Durchführung 18 durch eine Wand 9a eines Heliumtanks 9, in dem sich ineinander geschachtelt die LTS- Sektionen 5 und 6 befinden. Die Durchführung 18 ist eine herkömmliche elektrische Tieftemperatur-Vakuumdurchführung mit gegeneinander und gegen die Tankwand isolierten metallischen Röhrchen, in die jeweils der Leiter des Übergangsstücks 8 vakuumdicht eingelötet ist. Die Wand 9a des Heliumtanks 9 ist der Raumtemperaturbohrung 2 zugewandt.
Der Heliumtank 9 ist weitgehend mit flüssigem Helium gefüllt. Das flüssige Helium im Heliumtank 9 hat eine Temperatur TL von etwa 4 K. Der Heliumtank 9 ist zur Isolation vollständig, insbesondere radial außen von einem
Strahlungsschild 10 umgeben. Der Strahlungsschild 10 verläuft auch zwischen der HTS-Sektion 4 und der Raumtemperaturbohrung 2. Der Strahlungsschild 10 wird mit flüssigem Stickstoff gekühlt, der in Behälter 10a eingefüllt werden kann. Zusätzlich können weitere Strahlungsschilde vorgesehen sein, die üblicherweise auch durch abdampfendes Heliumgas gekühlt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Strahlungsschilde refrigeratorgekühlt werden, wodurch der Stickstofftank 10 entfallen kann. Der Refrigerator kann auch eine Rückkühlung des abdampfenden Heliums übernehmen, so dass die Nachfüllintervalle für flüssiges Helium verlängert werden oder Nachfüllen überhaupt nur noch nach einem Störfall nötig ist.
Während die LTS-Spulensektionen 5, 6 in das flüssige Helium eintauchen, ist die HTS-Spulensektion 4 samt der Zuleitung 4a und dem Joint 7a im Vakuum zwischen Heliumtank 9 und Raumtemperaturbohrung 2 angeordnet. Dadurch wird sichergestellt, dass kein flüssiges Helium in HTS-Material der HTS- Spulensektion 4 oder deren Zuleitung 4a eindringen kann. Infolgedessen kann es auch nicht dazu kommen, dass flüssiges Helium im Inneren des HTS- Materials verdampft und durch die Volumenzunahme das HTS-Material von Innen heraus aufsprengen kann.
Die Gesamtheit des evakuierten Innenraums des Kryostaten 1 bildet den Vakuumteil 14 des Kryostaten 1 , und innerhalb dieses Vakuumteils 14 ist erfindungsgemäß die HTS-Sektion 4 angeordnet. Im Vakuumteil 14 herrscht ein Druck von weniger als 10"5 mbar.
Die HTS-Spulensektion 4 liegt vorzugsweise kraftschlüssig an der Innenwand 9a des Heliumtanks 9 an. Über die Tankwand 9a wird HTS-Sektion 4 gekühlt. Ggf. kann hier auch ein guter Wärmeleiter wie metallisches Kupfer eingesetzt werden. Die LTS-Sektion 5 kann kraftschlüssig, ggf. über Distanzstücke 11 mit der Heliumtankwand 9a verbunden sein. Ein kleiner Abstand zur Tankwand 9a erlaubt in einem Spalt 12 Heliumkonvektion noch radial innerhalb der Sektion 5. Alternativ schließt die Sektion 5 ebenfalls unmittelbar an die Wand 9a an. Es kann in der Regel toleriert werden, dass die HTS-Sektion 4 etwas wärmer ist als die LTS-Sektionen 5 und 6. Zwischen der HTS-Sektion 4 und der Raumtemperaturbohrung 2 befinden sich ein weiteres Strahlungsschild 19, um Sektion 4 thermisch abzuschirmen. Der Strahlungsschild 19 wird über das flüssige Helium des Heliumtanks 9 gekühlt. Weitere Strahlungsschilde zur Abschirmung der HTS-Sektion 4 können hinzutreten.
Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kryostaten 1 ist in Figur 1b dargestellt. Diese Ausführungsform entspricht weitgehend der Ausführungsform von Fig. 1a, jedoch ist eine besondere Verankerung der Spulensektionen 4, 5, 6 vorgesehen.
Eine Bodenplatte 15 bildet mit einem radial äußeren Teil die untere Wand des Heliumtanks 9. Die Bodenplatte 15 setzt sich radial nach innen bis unter die HTS-Sektion 4 fort. Auf der Bodenplatte 15 sind zwei Ringflansche 16a, 16b befestigt. Auf dem radial äußeren Ringflansch 16a ist die LTS-Sektion 6 direkt, und die LTS-Sektion 5 über einen Spulenträger 17a befestigt. Auf dem radial inneren Ringflansch 16b ist die HTS-Sektion 4 über einen Spulenträger 17b befestigt. Die Bodenplatte 15 ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Die beschriebene Anordnung gestattet eine gleichzeitige Handhabung aller Spulensektionen 4, 5, 6 bei der Montage des Kryostaten 1 über die gemeinsame Bodenplatte 15. Die dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kryostaten 1 von Figur 2 entspricht weitgehend dem Kryostaten von Figur 1. Der Kryostat 1 von Figur 2 verfügt jedoch neben dem Heliumtank 9 auch noch über einen weiteren, darüber angeordneten Heliumtank 21. Beide Heliumtanks 9, 21 enthalten Helium auf unterschiedlicher Temperatur, in der Regel etwa 2 K beim unteren Heliumtank 9 und etwa 4 K beim oberen, weiteren Heliumtank 21. Kryostaten 1 von diesem Typ werden vorwiegend zur Erzeugung sehr hoher Magnetfeldstärken eingesetzt, insbesondere für Hochfeld-NMR-Systeme.
In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich der weitere
Heliumtank 21 weiter nach innen (auf die Raumtemperaturbohrung 2 zu) als der untere Heliumtank 9, und eine Durchführung 18 für das Übergangsstück 8 ist im Boden des weiteren Heliumtanks 21 angeordnet. Die Innenwand 21a des weiteren Heliumtanks 21 , die der Raumtemperaturbohrung 2 zugewandt ist, befindet sich in gleichem radialen Abstand von der Raumtemperaturbohrung 2 wie der Strahlungsschild 19; die Innenwand 9a des Heliumtanks 9 ist demgegenüber zurückgesetzt. Mit dieser Anordnung kann der Raum innerhalb des Kryostaten 1 effizient genutzt werden.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann die Innenwand des weiteren Heliumtanks auch zurückgesetzt sein, wobei sie in gleichem radialen Abstand zur Raumtemperaturbohrung 2 angeordnet ist wie die Innenwand 9a des Heliumtanks 9 in Fig. 1 b. Dies schafft Raum, um die Durchführung für das supraleitende Übergangsstück vom Vakuumteil in den oberen, weiteren Heliumtank horizontal durch die Innenwand des weiteren Heliumtanks zu führen. Bevorzugt ist die Durchführung dabei oberhalb des Spiegels von flüssigem Helium im weiteren Heliumtank angeordnet. Dies erleichtert die sichere Abdichtung der Durchführung.
Figur 3 zeigt schematisch die elektrische Verschaltung der Spulensektionen 4, 5, 6 aus Fig. 1a. Der Innenbereich des Heliumtanks 9 (Heliumbereich) ist als gestrichelter Block dargestellt, ebenso wie der Bereich des Vakuumteils 14 des Kryostaten (Vakuumbereich) als gestrichelter Block dargestellt ist. Die LTS-Sektionen 6 (NbTi) und 5 (Nb3Sn) befinden sich bei etwa 4 K in flüssigem Helium innerhalb des Heliumbereichs 9. Die LTS-Sektionen 5, 6 sind über eine supraleitende Verbindung (7b1; Joint) in Serie geschaltet. LTS-Sektion 5 ist über eine weitere supraleitende Verbindung 7b" mit einem
Übergangsstück 8' verbunden, das durch die vakuumdichte Durchführung 18 aus dem Heliumbereich 9 in den Vakuumbereich 14 führt. Dort ist das Übergangsstück 8' über eine supraleitende Verbindung 7a' mit dem Leiter einer Seite der HTS-Sektion 4 verbunden, die sich im Vakuumbereich 14 befindet. Der HTS-Leiter der anderen Seite ist supraleitend mit einem Übergangsstück 8" im Joint 7a" verbunden. Das Übergangsstück 8" führt durch die vakuumdichte Durchführung 18 zurück in den Heliumbereich 9, wo es am Joint 7b'" mit einem Ende eines supraleitenden Kurzschlussschalters 20 für die gesamte Spulenanordnung 4, 5, 6 verbunden ist. Das andere Ende des Kurzschlussschalters 20 ist letztlich über Joint 7b"" wieder mit der Sektion 6 verbunden.
Entsprechend verschaltet sind die Sektionen 4, 5, 6 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2, was schematisch in Figur 4 dargestellt ist. Allerdings gibt es hier zwei Heliumbereiche 9 und 21 auf unterschiedlichen Temperaturbereichen (etwa 2 K bzw. etwa 4 K), entsprechend dem Heliumtank 9 (auf 2 K) und dem weiteren Heliumtank 21 (auf 4 K). Weiterhin gibt es den Vakuumbereich 14, entsprechend dem Vakuumteil 14.
Die Durchführung 18 mündet vom Vakuumteil 14 in den 4K-Bereich 21 , in dem auch der supraleitende Schalter 20 angeordnet ist. Die LTS-Sektionen 5, 6 befinden sich im 2K-Bereich 9. Abhängig von den topologischen Gegebenheiten und der Auslegung der Joints 7a, 7b, bzw. des Schalters 20 bezüglich ihrer Temperatur- und Feldverträglichkeiten können einige oder alle dieser Komponenten im 4K-Bereich 21 oder im 2K-Bereich 9 angeordnet sein. Es ist bevorzugt, die Durchführung 18 in den 4K-Bereich 21 münden zu lassen, wo es kein superflüssiges Helium gibt. Dies erhöht die Sicherheit. Grundsätzlich kann die Durchführung 18 aber auch direkt in den 2K-Bereich führen, wenn Dichtigkeit gegen superflüssiges Helium sicher gewährleistet ist.
Die Kryostaten 1 der Figuren 1a, 1b und 2 sind bevorzugt Teile einer NMR- Apparatur, wie etwa eines NMR-Spektrometers oder eines NMR-Tomographen, insbesondere eines hochauflösenden Hochfeld-NMR-Spektrometers mit einem Magnetfeld Bo > 20 T, vorzugsweise > 23 T im Messvolumen, wobei das Magnetspulensystem bezüglich der Homogenität des Magnetfelds Bo im Messvolumen und der zeitlichen Stabilität von B0 die Anforderungen der hochauflösenden NMR-Spektroskopie erfüllt, was in der Regel voraussetzt, dass die Spulensektionen des Magnetspulensystems im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen werden können. In der Regel werden - wie in den gezeigten Ausführungsbeispielen - die Spulenachsen und die Raumtemperaturbohrung vertikal stehen. Die Erfindung bezieht sich aber auch auf Kryostaten mit horizontaler Bohrung, die vorzugsweise im bildgebenden Bereich (MRI) oder auch für lonenzyklotron-Resonanzspektrometer Verwendung finden.

Claims

Patentansprüche
1. Kryostat (1 ), mit einem supraleitfähige Leiter umfassenden Magnetspulensystem zur Erzeugung eines Magnetfelds Bo in einem Messvolumen (3) in einer
Raumtemperaturbohrung (2) des Kryostaten (1), mit mehreren, radial ineinander geschachtelt angeordneten, die Raumtemperaturbohrung umgebenden, elektrisch in Serie geschalteten, solenoidförmigen Spulensektionen (4, 5, 6), von denen mindesten eine LTS-Sektion (5, 6) einen konventionellen
Tieftemperatursupraleiter (LTS) und mindestens eine HTS-Sektion (4) einen Hochtemperatursupraleiter (HTS) umfasst, wobei sich die LTS-Sektion (5,6) mit flüssigem Helium in einem Heliumtank (9) des Kryostaten (1) bei einer Helium-Temperatur TL befindet,
dadurch gekennzeichnet,
dass die HTS-Sektion (4) radial innerhalb der LTS-Sektion (5, 6) in einem Vakuumteil (14) des Kryostaten (1) angeordnet ist und von der
LTS-Sektion (5, 6) durch die der Raumtemperaturbohrung (2) zugewandte Wand (9a) des Heliumtanks (9) getrennt ist.
2. Kryostat (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des flüssigen Heliums TL < 4 K, vorzugsweise < 2,5 K, insbesondere < 2,2 K ist.
3. Kryostat (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auch supraleitende Zuleitungen (4a) zur mindestens einen HTS-Sektion (4) im Vakuumteil (14) verlaufen, und zwar mindestens soweit die Zuleitungen (4a) HTS enthalten.
4. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumteil (14) eine Druckmesseinrichtung aufweist.
5. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LTS-Sektion (5, 6) mit der HTS-Sektion (4) mechanisch starr verbunden ist, insbesondere durch die Wand (9a) des Heliumtanks (9).
6. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HTS-Sektion (4) thermisch an die Wand (9a) des Heliumtanks (9) angekoppelt ist.
7. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen HTS-Sektion (4) und Raumtemperaturbohrung (2) mindestens ein Strahlungsschild (10, 19) befindet.
8. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Vakuumteil (14) Sorptionsmittel für Helium angeordnet sind, insbesondere Aktivkohle.
9. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Messvolumen (3) durch das Magnetspulensystem erzeugte Magnetfeld Bo größer als 20 T, insbesondere größer als 23 T ist.
10. Kryostat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulensektionen (4, 5, 6) des Magnetspulensystems im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen werden können.
11. Kryostat (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulensystem bezüglich der Homogenität des Magnetfelds B0 im
Messvolumen (3) und der zeitlichen Stabilität von Bo die Anforderungen der hochauflösenden NMR-Spektroskopie erfüllt.
12. Kryostat (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass er einen weiteren Heliumtank (21) mit einer
Temperatur des darin enthaltenen flüssigen Heliums von etwa 4,2 K aufweist.
13. Kryostat (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung zwischen der LTS-Sektion (5, 6) im Heliumtank (9) und der HTS-Sektion (4) im Vakuumteil (14) über den weiteren Heliumtank (21) verläuft.
14. Kryostat (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Heliumtank (21) über dem Heliumtank (9) um eine gemeinsame, vertikale Raumtemperaturbohrung (2) angeordnet ist.
15. Kryostat (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die der Raumtemperaturbohrung (2) zugewandte Wand (21a) des weiteren Heliumtanks (21) radial von der Raumtemperaturbohrung (2) gleich weit beabstandet ist wie die der Raumtemperaturbohrung (2) zugewandte Wand (9a) des Heliumtanks (9).
PCT/EP2007/001924 2006-03-18 2007-03-07 Kryostat mit einem magnetspulensystem, das eine lts- und eine im vakuumteil angeordnete hts-sektion umfasst WO2007107238A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP07723069A EP1997116B1 (de) 2006-03-18 2007-03-07 Kryostat mit einem magnetspulensystem, das eine lts- und eine im vakuumteil angeordnete hts-sektion umfasst
US12/225,189 US7982566B2 (en) 2006-03-18 2007-03-07 Cryostat having a magnet coil system, which comprises an LTS section and an HTS section, which is arranged in the vacuum part

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006012509.6 2006-03-18
DE102006012509A DE102006012509B3 (de) 2006-03-18 2006-03-18 Kryostat mit einem Magnetspulensystem, das eine LTS- und eine im Vakuumteil angeordnete HTS-Sektion umfasst

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007107238A1 true WO2007107238A1 (de) 2007-09-27

Family

ID=38008269

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2007/001924 WO2007107238A1 (de) 2006-03-18 2007-03-07 Kryostat mit einem magnetspulensystem, das eine lts- und eine im vakuumteil angeordnete hts-sektion umfasst

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7982566B2 (de)
EP (1) EP1997116B1 (de)
DE (1) DE102006012509B3 (de)
WO (1) WO2007107238A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009074920A1 (en) * 2007-12-10 2009-06-18 Koninklijke Philips Electronics N.V. Superconducting magnet system with cooling system
EP2985769A1 (de) * 2014-07-28 2016-02-17 Bruker BioSpin AG Verfahren zum laden einer supraleitfähigen magnetanordnung mit strom
US20170082707A1 (en) * 2015-09-18 2017-03-23 Bruker Biospin Gmbh Cryostat with magnet arrangement which includes an lts portion and an hts portion

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006012511B3 (de) * 2006-03-18 2007-11-22 Bruker Biospin Gmbh Kryostat mit einem Magnetspulensystem, das eine unterkühlte LTS- und eine in einem separaten Heliumtank angeordnete HTS-Sektion umfasst
JP4468388B2 (ja) * 2007-02-05 2010-05-26 株式会社日立製作所 磁場発生器
DE102013213020A1 (de) * 2013-07-03 2015-01-08 Bruker Biospin Ag Verfahren zum Umrüsten einer Kryostatanordnung auf Umlaufkühlung
DE102013220142A1 (de) 2013-10-04 2015-04-09 Bruker Biospin Gmbh Magnetspulenanordnung umfassend einen HTSL-Bandleiter und einen LTS-Draht, die einen Joint ausbilden
JP2015079846A (ja) * 2013-10-17 2015-04-23 株式会社日立製作所 超電導磁石装置
EP3230756B1 (de) 2014-12-12 2018-11-07 Koninklijke Philips N.V. System und verfahren zur aufrechterhaltung eines vakuums in einem supraleitenden magnetsystem im fall eines kühlungsverlustes
EP3331822A4 (de) 2015-08-07 2019-04-10 North Carolina State University Synthese und verarbeitung von q-kohlenstoff und q-bn sowie direkte umwandlung von kohlenstoff in diamant, bn und c-bn
DE102015122879B4 (de) * 2015-12-28 2022-05-05 Bruker Biospin Gmbh Supraleitendes Magnetspulensystem und Verfahren zum Betrieb eines supraleitenden Magnetspulensystems
JP6546115B2 (ja) * 2016-03-30 2019-07-17 ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 超電導マグネット装置
JP6602716B2 (ja) * 2016-03-30 2019-11-06 ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 超電導マグネット装置
WO2017218801A1 (en) * 2016-06-15 2017-12-21 North Carolina State University Hypersonic aircraft having homopolar motor with graded resistance

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0780698A1 (de) * 1995-12-22 1997-06-25 Spectrospin Ag NMR-Einrichtung mit Pulsrohrkühler
EP0905436A2 (de) * 1997-09-30 1999-03-31 Oxford Magnet Technology Limited Tragende Mittel für NMR-Kryostatsystemen
DE102004007340A1 (de) * 2004-02-16 2005-09-08 Bruker Biospin Gmbh Driftarmes supraleitendes Hochfeldmagnetsystem

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5426366A (en) * 1992-12-11 1995-06-20 U.S. Philips Corporation Magnetic resonance apparatus comprising a superconducting magnet
DE10104365C1 (de) * 2001-02-01 2002-08-22 Bruker Biospin Gmbh Supraleitendes Magnetsystem und magnetisches Resonanzspektrometer sowie Verfahre zu dessen Betrieb
DE20113547U1 (de) * 2001-05-25 2002-02-14 Bruker Analytik Gmbh, 76287 Rheinstetten Supraleitfähige Höchstfeldmagnetspule mit HTS-Spulensektion
US6777938B2 (en) * 2001-11-15 2004-08-17 Bruker Biospin Gmbh NMR magnet coil system with separate superconducting short-circuited regions for drift compensation as well as method for operation thereof
DE102004005744B4 (de) * 2004-02-05 2007-12-20 Bruker Biospin Gmbh Driftkompensiertes supraleitendes Magnetsystem

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0780698A1 (de) * 1995-12-22 1997-06-25 Spectrospin Ag NMR-Einrichtung mit Pulsrohrkühler
EP0905436A2 (de) * 1997-09-30 1999-03-31 Oxford Magnet Technology Limited Tragende Mittel für NMR-Kryostatsystemen
DE102004007340A1 (de) * 2004-02-16 2005-09-08 Bruker Biospin Gmbh Driftarmes supraleitendes Hochfeldmagnetsystem

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009074920A1 (en) * 2007-12-10 2009-06-18 Koninklijke Philips Electronics N.V. Superconducting magnet system with cooling system
EP2985769A1 (de) * 2014-07-28 2016-02-17 Bruker BioSpin AG Verfahren zum laden einer supraleitfähigen magnetanordnung mit strom
US20170082707A1 (en) * 2015-09-18 2017-03-23 Bruker Biospin Gmbh Cryostat with magnet arrangement which includes an lts portion and an hts portion
US9766311B2 (en) * 2015-09-18 2017-09-19 Bruker Biospin Gmbh Cryostat with magnet arrangement which includes an LTS portion and an HTS portion

Also Published As

Publication number Publication date
US7982566B2 (en) 2011-07-19
DE102006012509B3 (de) 2007-10-04
EP1997116A1 (de) 2008-12-03
EP1997116B1 (de) 2009-07-29
US20090045895A1 (en) 2009-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1997116B1 (de) Kryostat mit einem magnetspulensystem, das eine lts- und eine im vakuumteil angeordnete hts-sektion umfasst
EP1999764B1 (de) Kryostat mit einem magnetspulensystem, das eine unterkühlte lts- und eine in einem separaten heliumtank angeordnete hts-sektion umfasst
DE68907278T2 (de) Supraleitender Magnetresonanz-Magnet.
DE102006012508B3 (de) Kryostat mit einem Magnetspulensystem, das eine LTS- und eine gekapselte HTS-Sektion umfasst
DE68907276T2 (de) Stützvorrichtung einer Strahlungsabschirmung in einem Magnetresonanz-Magneten.
DE4013111C2 (de) HF-Empfangsspulenanordnung für NMR-Spektrometer
EP2698794B1 (de) Anordnung mit mindestens einem supraleitfähigen Kabel
DE69333128T2 (de) Stromzuleitung für supraleitendes Magnetsystem ohne flüssiges Helium
EP2901460B1 (de) Magnetspulenanordnung umfassend einen htsl-bandleiter und einen lts-draht, die einen joint ausbilden
WO2003098645A1 (de) Einrichtung der supraleitungstechnik mit einem supraleitenden magneten und einer kälteeinheit
EP2685469B1 (de) Anordnung mit mindestens einem supraleitfähigen Kabel
DE102015218019B4 (de) Kryostat mit Magnetanordnung, die einen LTS-Bereich und einen HTS-Bereich umfasst
EP2383854A1 (de) Anordnung mit einem supraleitfähigen Kabel
EP0154779B1 (de) Supraleitendes Magnetsystem für den Betrieb bei 13K
EP2228806A1 (de) Anordnung zur Strombegrenzung
DE19548272C1 (de) Supraleitende NMR-Magnetanordnung
EP0485395A1 (de) Supraleitende homogene hochfeldmagnetspule.
DE19604805C2 (de) Anlage der Supraleitungstechnik mit einer indirekt zu kühlenden supraleitenden Einrichtung und einer Stromzuführungsvorrichtung
EP2209129B1 (de) Anordnung zur Strombegrenzung
EP2005447B1 (de) Kryostat mit einem magnetspulensystem, das eine lts- und eine beheizbare hts-sektion umfasst
DE2163270B1 (de) Stromzuführung fur elektrische Ein richtungen mit auf Tieftemperatur ge kühlten Leitern
DE102014224363A1 (de) Vorrichtung der Supraleitungstechnik mitSpuleneinrichtungen und Kühlvorrichtung sowie damitausgestattetes Fahrzeug
EP3861573B1 (de) Supraleitende strombegrenzereinrichtung mit stromzuführung
WO2002003401A1 (de) Supraleitungseinrichtung mit einer resistiven strombegrenzereinheit unter verwendung von hoch-tc-supraleitermaterial
EP2587492B1 (de) Vorrichtung zum Kühlen mindestens eines supraleitfähigen Kabels

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07723069

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12225189

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2007723069

Country of ref document: EP