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Die
Erfindung betrifft eine Magnetanordnung mit einem supraleitenden
Magnetspulensystem, welches im Betriebszustand einen Ohmschen Widerstand
größer oder
gleich null aufweist, und mit einer Flusspumpe, welche mindestens
einen supraleitenden Schalter und mindestens zwei supraleitende
Sekundärspulen
umfasst.
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Eine
solche Magnetanordnung mit einem supraleitenden Magnetspulensystem
beschreiben T. P. Bernart et al., Rev. Sci. Instrum., Vol. 46, No.
5, May 1975, Seiten 582–585.
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Das
supraleitende Magnetspulensystem umfasst eine oder mehrere in Serie
geschaltete Magnetspulen, die einen geschlossenen supraleitenden Stromkreis
bilden. Das supraleitende Magnetspulensystem ist typischerweise
in einem Kryostaten angeordnet. Es kann im Betriebszustand einen
Ohmschen Widerstand größer null
aufweisen, wenn die verwendeten Supraleiter bis knapp unter den
kritischen Strom belastet sind oder wenn sie keinen scharten Übergang
von supraleitend zu normalleitend aufweisen. Das Prinzip einer Flusspumpe
besteht darin, durch induktives Einkoppeln von Energie resistive Verluste
der Magnetspule auszugleichen oder die Spule zu laden oder zu entladen,
ohne dass große Ströme in den
Kryostaten geführt
werden müssen. Die
Erfindung betrifft insbesondere supraleitende Magnetspulensysteme
mit einer Flusspumpe, welche mindestens einen supraleitenden Schalter
und mindestens zwei supraleitende Sekundärspulen umfasst, in welchen
induktiv eine Spannung aufgebaut werden kann. Damit diese Spannung
zum Ausgleich resisitiver Verluste oder zum Laden oder Entladen
in das supraleitende Magnetspulensystem eingespeist werden kann,
müssen
die Sekundärspulen
supraleitend mit dem Magnetspulensystem in Serie geschaltet sein,
was beispielsweise durch Schließen
eines supraleitenden Schalters erfolgen kann.
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Die
DE 1 464 944 offenbart eine
Fluss-Pumpenvorrichtung, die umlaufende elektrische Ströme jeder
gewünschten
Stärke
an ein supraleitfähiges Bauelement
liefert, so dass die zur Erzeugung des Flusses erforderlichen starken
Ströme
immer innerhalb der bei niedrigen Umgebungstemperaturen gehaltenen
supraleitfähigen
Umgebung verbleiben, in der die Verluste minimal sind und der Gesamtanordnung
nur kleine Ströme
zugeführt
werden müssen.
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Aus
der
EP 231 746 A1 ist
eine Ladeschaltung für
eine supraleitende Spule bekannt mit einer normal leitenden Primärwicklung
und einer supraleitenden Sekundärwicklung.
Die Elemente des Sekundärkreises
dieser Ladeschaltung weisen extrem geringe Widerstände auf,
wodurch der Wärmeverlust minimiert
wird.
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Eine
Magnetanordnung mit einer Flusspumpe, welche mindestens zwei supraleitende
Sekundärspulen
umfasst, ist bekannt aus T.P. Bernat et. al., Rev. Sci. Instrum.,
Vol. 46, No 5, May 1975, und aus L.J.M. van de Klundert et. al.,
Cryogenics, May 1981. Diese Flusspumpe basiert darauf, dass das
supraleitende Magnetspulensystem mit zwei Strompfaden überbrückt wird,
welche je einen Schalter und eine supraleitende Sekundärspule umfassen.
In einer Primärspule,
deren induktive Kopplung mit den Sekundärspulen je entgegengesetzt
gleich groß ist,
wird zyklisch Strom ein und wieder ausgefahren. Wenn im gleichen
Takt die mit den Sekundärspulen
in Serie geschalteten supraleitenden Schalter alternierend geöffnet und
geschlossen werden, entsteht über
dem Magnetspulensystem eine über
den ganzen Zyklus konstante Spannung, abgesehen von Spannungsspitzen
beim Öffnen
der Schalter.
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Das
typische Einsatzgebiet von Flusspumpen ist das Laden und Entladen
von supraleitenden Magnetspulensystemen. Der Vorteil gegenüber dem direkten
Einspeisen des Betriebsstromes in die Spulen besteht darin, dass
die Ströme
zum Betreiben der Flusspumpe viel schwächer sind als die typischen Magnetströme. Damit
können
die Stromzuleitungen kleiner dimensioniert und der Wärmeeintrag
in den Kryostaten reduziert werden.
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Das
Einsatzgebiet von supraleitenden Magneten umfasst aber auch Anwendungsfelder,
bei denen die Magnetspulen nach dem Ladevorgang über Jahre auf Feld bleiben
und dabei eine möglichst
geringe Felddrift aufweisen sollen. Dazu gehören insbesondere supraleitende
Magnetspulensysteme für Magnetresonanzverfahren.
Bei solchen Magnetsystemen ist der Einsatz einer Flusspumpe weniger
zum Laden des Magnetsystems von Interesse, sondern zur Stabilisierung
des Magnetfeldes im Betriebszustand. Eine effiziente Flusspumpe
brächte
in dieser Hinsicht verschiedene Vorteile. Es könnten beispielsweise Magnete
mit Teilspulen aus Hochtemperatursupraleitern gebaut werden, welche
nach heutigem Stand der Technik die Driftspezifikationen für Magnetresonanzanwendungen
ohne zusätzliche
Maßnahmen
nicht erfüllen.
Dies würde
den Bau von Magneten mit stärkeren
als den heute üblichen
Feldern ermöglichen.
Weiter könnten
durch den Einsatz einer Flusspumpe zur Feldstabilisierung die Supraleiter
im Magneten höher
belastet werden, was den Bau kompakterer und kostengünstigerer
Magnete erlauben würde.
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Für den Einsatz
zur präzisen
Feldstabilisierung über
große
Zeiträume
sind die bekannten Flusspumpen nicht geeignet. Zum einen treten
jeweils beim Öffnen
von supraleitenden Schaltern Spannungsspitzen über dem Magnetspulensystem
auf, was für
empfindliche Anwendungen wie Magnetresonanzverfahren nicht tolerierbar
ist. Zum andern muss in jeder Phase des Pumpzyklus mindestens ein supraleitender
Schalter geöffnet
sein, damit die in der Sekundärspule
induzierte Spannung in das Magnetspulensystem eingespeist werden
kann. Bei den gebräuchlichen
Schaltern fällt
dabei eine Wärmemenge an,
welche zu großen
Verlusten an Kühlflüssigkeit
im Kryostaten führt.
Für die
Stabilität
des Feldes ist auch die thermische Stabilität im Kryostaten sehr wichtig, das
heißt
bei empfindlichen Anwendungen wie Magnetresonanzverfahren müssen die
Wärmeeinträge in den
Kryostaten minimiert werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Flusspumpe gemäß dem Stand
der Technik derart zu verbessern, dass neben dem Laden und Entladen
eines supraleitenden Magnetspulensystems auch eine gute Stabilisierung
des Magnetfeldes des Magnetspulensystems im Betriebszustand über lange
Zeit möglich
ist, insbesondere dann, wenn das Magnetspulensystem leicht resisitiv
ist und die Anforderungen an die Feldstabilität sehr hoch sind. Insbesondere
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass die verbesserte
Flusspumpenanordnung ein Betriebsverfahren zulässt, mit welchem eine über alle
Zyklen der Flusspumpe konstante Spannung über dem Magnetspulensystem
angelegt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe bei einer Magnetanordnung der eingangs vorgestellten Art dadurch
gelöst,
dass mindestens ein supraleitender Strompfad vorhanden ist, in welchem
das supraleitende Magnetspulensystem oder Teile davon mit mindestens
zwei Sekundärspulen
zusammen in Serie geschaltet ist und in welchem mindestens eine Sekundärspule durch
Schließen
eines supraleitenden Schalters supraleitend überbrückt werden kann, und dass mindestens
zwei Primärspulen
vorhanden sind, welche unabhängig
voneinander mit je einem Strom gespeist werden können und welche jeweils mit
mindestens einer der Sekundärspulen
induktiv gekoppelt sind.
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Kurz
gesagt sieht die Erfindung vor, dass ein supraleitender Strompfad
vorhanden ist, in welchem das supraleitende Magnetspulensystem oder
Teile davon mit mindestens zwei Sekundärspulen zusammen in Serie geschaltet
ist und in welchem mindestens eine Sekundärspule durch Schließen eines
supraleitenden Schalters überbrückt werden
kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Sekundärspulen
mit je einer eigenen Primärspule
induktiv gekoppelt sind.
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Diese
Anordnung ermöglicht
ein Betriebsverfahren der Flusspumpe, bei welchem in einem ersten Schritt
eine erste Primärspule,
welche mit einer ersten, nicht supraleitend überbrückten Sekundärspule gekoppelt
ist, geladen wird, bis in der Primärspule ein maximaler Endstrom
erreicht ist. Dadurch kann eine Spannung über dem supraleitenden Magnetspulensystem
aufgebaut werden, welche beispielsweise genau der zu kompensierenden
resistiven Spannung im Magnetspulensystem entspricht. In einem zweiten Schritt
muss die erste Primärspule
wieder auf ihren Anfangsstrom entladen werden. Während dieser Phase wird über einer
zweiten, zuvor mit einem geschlossenen Schalter supraleitend überbrückten Sekundärspule der
supraleitende Schalter geöffnet
und in jener Primärspule,
welche mit dieser Sekundärspule
induktiv koppelt, der Strom hochgefahren, wodurch in dieser Sekundärspule eine
Spannung induziert wird. Die Stromrampe in der zweiten Primärspule wird
so gewählt,
dass durch die in der zweiten Sekundärspule induzierte Spannung
sowohl die durch das Entladen der ersten Primärspule in der ersten Sekundärspule induzierte
Spannung als auch die resistive Spannung über dem supraleitenden Magnetspulensystem
kompensiert wird. Nachdem die erste Primärspule auf ihrem Anfangsstrom
angelangt ist, wird der Schalter über der zweiten Sekundärspule wieder
geschlossen und die zweite Primärspule
wird – bei
geschlossenem Schalter – auf
ihren Anfangsstrom zurückgefahren.
Der Zyklus kann nun von vorn beginnen.
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Der
Vorteil einer erfindungsgemäßen Anordnung
ist also, dass dank mehreren voneinander unabhängig mit Strom versorgten Primärspulen
in verschiedenen Sekundärspulen
unterschiedliche Spannungen induziert werden können, welche dank der Serieschaltung
dieser Sekundärspulen
zu einer Gesamtspannung addiert werden. Die Serieschaltung der Sekundärspulen
mit dem supraleitenden Magnetspulensystem erlaubt die Einspeisung
dieser Gesamtspannung in das supraleitende Magnetspulensystem. Die
große
Flexibilität
der Anordnung ermöglicht,
dass durch geeignete Verfahrensschritte in jeder Phase des Flusspumpen-Zyklus
eine gewünschte
Spannung über
dem supraleitenden Magnetspulensystem aufrechterhalten werden kann.
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Es
zeigt sich, dass beim oben beschriebenen Betriebsverfahren der Flusspumpe
während
dem ganzen Zyklus zu keiner Zeit ein supraleitender Kurzschluss über der
ersten Sekundärspule
bestehen muss. Dies bedeutet, dass erfindungsgemäß von n ≥ 2 Sekundärspulen höchstens n–1 Sekundärspulen mit einem Schalter überbrückt werden
müssen.
Im einfachsten Falle von n = 2 wird also nur ein einziger Schalter
benötigt,
welcher zudem nur während
der kurzen Zeit, während
welcher der Strom in der ersten Primärspule zurückgesetzt wird, geöffnet sein
muss. Dadurch wird die Wärmeleistung
durch die Schalterheizer gegenüber
einer Flusspumpe nach dem Stand der Technik deutlich reduziert.
Diese Ausführungsform
der Erfindung ist daher besonders vorteilhaft.
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Bevorzugt
ist außerdem
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung,
bei welcher ein supraleitender Schalter eine Sekundärspule zusammen
mit einem Widerstand überbrückt, welcher
mit dieser Sekundärspule
in Serie geschaltet ist, wobei der Widerstand einen Wert, gemessen
in Ohm, zwischen 0 und dem Wert der Induktivität dieser Sekundärspule,
gemessen in Henry, aufweist. Der Vorteil dieser Anordnung liegt
darin, dass beim Laden und Entladen einer Primärspule, welche mit dieser Sekundärspule induktiv
gekoppelt ist, bei geschlossenem supraleitendem Schalter keine unkontrolliert hohen
Ströme
in der Sekundärspule
induziert werden können.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung
zeichnet sich dadurch aus, dass anstatt des in obiger Ausführungsform
verwendeten Widerstandes ein weiterer supraleitender Schalter verwendet
wird. Diese Ausführungsform
sieht somit vor, dass ein supraleitender Schalter eine Sekundärspule zusammen
mit einem weiteren supraleitenden Schalter überbrückt, welcher mit der genannten
Sekundärspule
in Serie geschaltet ist; siehe auch 3. Dadurch
lässt sich durch
geeignetes Laden und Entladen der zugehörigen Primärspule sowie durch Öffnen und
Schließen des
weiteren Schalters der Strom in der Sekundärspule gezielt steuern. Insbesondere
kann so verhindert werden, dass vor dem Öffnen des ersten Schalters
an einem bestimmten Punkt des Pumpzyklus ein Strom über diesen
Schalter fließt.
Damit werden Spannungspulse über
dem supraleitenden Magnetspulensystem verhindert, was insbesondere
bei empfindlichen Anwendungen wie Kernspinresonanzverfahren unumgänglich ist.
Außerdem
wird im ersten Schalter keine Wärme
durch den Abbau von Strom erzeugt, was eine weitere Ersparnis an
Kühlflüssigkeit
ermöglicht.
Diese Anordnung ermöglicht die
Anwendung eines Betriebsverfahrens der Flusspumpe, welches eine
ungestörte,
kontinuierliche Pumpleistung bei einem Minimum an Wärmeeintrag in
den Kryostaten garantiert.
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In
zwei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Anordnung
werden Sekundärspulen
mit je genau einer Primärspule
induktiv gekoppelt, oder Sekundärspulen
werden voneinander induktiv entkoppelt. Dadurch können die
in den Sekundärspulen
beim Laden oder Entladen der Primärspulen induzierten Spannungen
besser kontrolliert werden und die Verfahren zum Betrieb der Flusspumpe
werden vereinfacht.
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Besonders
vorteilhaft sind auch Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Anordnung, bei
welchen Primär-
oder Sekundärspulen
vom supraleitenden Magnetspulensystem induktiv weitgehend entkoppelt
sind oder im Arbeitsvolumen des supraleitenden Magnetspulensystems
im wesentlichen kein Feld erzeugen. So werden Störungen des Magnetfeldes im
Arbeitsvolumen während
dem Betrieb der Flusspumpe verhindert.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Anordnung
zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Primärspule supraleitend
ist. Ein in einer supraleitenden Primärspulen fließender Strom
erzeugt im Gegensatz zu normalleitenden Primärspulen keine Wärme. Falls
sich die Primärspulen
im Kryostaten befinden, können
so die Kühlmittelverluste
reduziert werden.
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Eine
weitere Verbesserung hinsichtlich Reduktion der Kühlmittelverluste
wird erreicht, wenn auch die Zuleitungen zu den Spulen im Kryostaten oder
zu den Schaltern mindestens teilweise supraleitend ausgeführt werden.
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Eine
andere Ausführungsform
sieht vor, dass mindestens einer der supraleitenden Schalter durch einen
Heizer betätigbar
ist, dessen Zuleitungen mindestens teilweise supraleitend sind.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung
zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Abschnitt des supraleitenden
Magnetspulensystems supraleitend oder mit einem Widerstand überbrückt ist.
Diese Anordnung kann dazu verwendet werden, um die Auswirkung von
kleinen Spannungsfluktuationen, etwa beim Öffnen von Schaltern der Flusspumpe,
auf das Gesamtfeld des supraleitenden Magnetsystems zu dämpfen. Damit
die Dämpfung
wirksam ist, darf der Widerstand (in Ohm) die Größenordnung der Induktivität (in Henry)
des überbrückten Abschnittes
nicht übersteigen.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
ist besonders dann vorteilhaft, wenn sie Teil einer Apparatur für die magnetische
Kernspinresonanz ist. In solchen Magnetanordnungen werden an eine
Vorrichtung zur aktiven Feldstabilisierung, als welche die erfindungsgemäße Flusspumpe
in diesem Anwendungsgebiet bevorzugt eingesetzt wird, besonders
hohe Anforderungen hinsichtlich Konstanz der Stabilisierungsspannung
und Minimierung des Wärmeeintrages
in den Kryostaten gestellt. Genau diese Kriterien werden in den
oben aufgeführten
Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Flusspumpe
besser erfüllt als
mit Flusspumpen nach dem Stand der Technik.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung
umfasst ein supraleitendes Magnetspulensystem, in welchem eine oder mehrere
Spulen mit Hochtemperatursupraleitern gewickelt sind. Die potentiell
höhere
Drift bei Verwendung von Hochtemperatursupraleitern lässt sich
mit der erfindungsgemäßen Flusspumpe
kompensieren, unter Beibehaltung der Feldstabilität des supraleitenden
Magnetspulensystems.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung
können
nur unter Anwendung von geeigneten Verfahren zum Betrieb der Flusspumpe
voll ausgeschöpft
werden. Ein erstes Verfahren zeichnet sich durch einen besonders
einfachen Zyklus von Laden und Entladen der Primärspulen und Öffnen und Schließen der
Schalter aus. Bei diesem Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung
mit mindestens einer ersten und einer zweiten supraleitenden Sekundärspule und
einem ersten supraleitenden Schalter wird der erste supraleitende
Schalter, welcher die zweite Sekundärspule überbrückt, periodisch geöffnet und geschlossen.
Bei geschlossenem erstem Schalter wird der Strom in einer ersten
Primärspule,
welche mit der ersten Sekundärspule
induktiv koppelt, von einem Anfangswert auf einen Endwert gefahren.
Bei geöffnetem
erstem Schalter wird der Strom in dieser Primärspule wieder weitgehend auf
den Anfangswert zurückgesetzt.
Gleichzeitig wird bei geöffnetem
erstem Schalter der Strom in einer zweiten Primärspule, welche mit der zweiten
Sekundärspule
koppelt, von einem Anfangswert auf einen Endwert gefahren und bei
geschlossenem erstem Schalter wieder weitgehend auf den Anfangswert
zurückgesetzt.
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Ein
verbessertes Verfahren unter Verwendung des weiteren, zweiten supraleitenden
Schalters zeichnet sich dadurch aus, dass bei geschlossenem erstem
Schalter ein zweiter supraleitender Schalter, welcher mit der zweiten
Sekundärspule
in Serie geschaltet ist und zusammen mit dieser vom ersten supraleitenden
Schalter überbrückt wird,
mindestens zeitweise geöffnet
wird. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass sich die zweite Sekundärspule beim
Zurücksetzen
des Stromes in der zweiten Primärspule
nicht unkontrolliert auflädt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, den Strom in der zweiten Primärspule jeweils
wieder auf null zurückzufahren,
um weniger Wärme
in den Zuleitungen und – im
Falle einer normalleitenden zweiten Primärspule – in der Spule selbst zu erzeugen.
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Diese
Verfahrensvariante kann weiter verbessert werden, indem vor Erreichen
des Endstromes von null Ampere in der zweiten Primärspule der Strom
in dieser Spule auf einen Betrag von I·L/K gesetzt wird und dass
spätestens
nach Erreichen dieses Stromes der zweite supraleitende Schalter
geöffnet
wird, und dass dann während
dem Zurücksetzen des
Stromes in der zweiten Primärspule
auf den Endstrom von null Ampere und bis zum neuerlichen Öffnen des
ersten supraleitenden Schalters der zweite supraleitende Schalter
supraleitend geschlossen bleibt, wobei I den Strom im supraleitenden
Magnetspulensystem, L die Selbstinduktivität der zweiten Sekundärspule und
K die induktive Kopplung in Henry zwischen der zweiten Sekundärspule und
der zweiten Primärspule
bezeichnet. Dieses Verfahren wird im untenstehenden Beispiel genauer
beschrieben. Sein besonderer Vorteil ist, dass vor dem Öffnen des
ersten supraleitenden Schalters kein Strom über diesen fließt. So werden
Spannungsspitzen über dem
supraleitenden Magnetspulensystem verhindert, was für den Einsatz
der erfindungsgemäßen Flusspumpe
zur Feldstabilisierung bei empfindlichen Anwendungen ein wichtiges
Kriterium darstellt.
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In
zwei weiteren vorteilhaften Verfahrensvarianten werden die Schritte
der beschriebenen Verfahren zyklisch wiederholt, um das supraleitende
Magnetspulensystem entweder zu laden oder zu entladen, oder um den
Strom im Magnetspulensystem auf einem Betriebswert genau zu stabilisieren.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
erlaubt auch die Anwendung einer hinsichtlich Reduktion des Wärmeeintrages
in den Kryostaten besonders vorteilhaften Verfahrensvariante, bei
welcher jene Phase des Pumpzyklus, während welcher kein supraleitender
Schalter geöffnet
ist, länger
dauert als die Phasen mit geöffneten,
also geheizten, supraleitenden Schaltern. Demgegenüber müssen bei
Flusspumpen nach dem Stand der Technik permanent Schalter geheizt
werden.
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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.
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand eines
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Verdrahtungsschema einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit einem
supraleitenden Magnetspulensystem und einer Flusspumpe;
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2 ein
Verdrahtungsschema einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit einem
supraleitenden Magnetspulensystem und einer Flusspumpe mit einem
zusätzlichen
Widerstand im Strompfad der Flusspumpe;
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3 ein
Verdrahtungsschema einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit einem
supraleitenden Magnetspulensystem und einer Flusspumpe mit einem
zusätzlichen
supraleitenden Schalter im Strompfad der Flusspumpe;
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4 ein
Verdrahtungsschema einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit einem
supraleitenden Magnetspulensystem und einer Flusspumpe und einem
zusätzlichen
Widerstand, welcher einen Abschnitt des supraleitenden Magnetspulensystems überbrückt;
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5 die
Ströme
und Schalterzustände
der Flusspumpe sowie die über
dem supraleitenden Magnetspulensystem aufgebaute Spannung während mehrerer
Pumpzyklen für
ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Flusspumpe.
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Anhand
der 1 wird schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung
gezeigt, welche ein supraleitendes Magnetspulensystem M und eine
Flusspumpe P umfasst. Das Magnetspulensystem M kann einen Widerstand
der Größe R aufweisen.
Mit dem Magnetspulensystem M sind zwei weitere supraleitende Spulen
M1 und M2 in Serie geschaltet, welche in der Flusspumpe P als Sekundärspulen
dienen. In diesen Spulen kann durch Veränderung des Stromes I1 beziehungsweise
I2 in den Primärspulen
C1 beziehungsweise C2 der Flusspumpe P durch induktive Kopplung
eine Spannung induziert werden. Eine der Sekundärspulen, nämlich M2, ist mit einem supraleitenden
Schalter S1 überbrückt.
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2 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung,
bei welcher die Sekundärspule M2,
welche mit dem supraleitenden Schalter S1 überbrückt wird, mit einem Widerstand
R2 in Serie geschaltet ist, derart dass der Schalter S1 sowohl die Spule
M2 als auch den Widerstand R2 überbrückt.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung
wie in 2, mit dem Unterschied, dass anstelle des Widerstandes
R2 ein zweiter supraleitender Schalter S2 verwendet wird.
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4 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung
wie in 1, bei welcher zusätzlich ein Abschnitt des supraleitenden
Magnetspulensystems M mit einem Widerstand R überbrückt wird.
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5 zeigt
für ein
Betriebsverfahren der erfindungsgemäßen Flusspumpe nach 3 die
Ströme
I1 und I2 in den Primärspulen
C1 und C2 der Flusspumpe P sowie die Schaltzustände der supraleitenden Schalter
S1 und S2, den Strom IS1 im Schalter S1 und die durch die Flusspumpe
P über dem
supraleitenden Magnetspulensystem M aufgebaute Spannung VMagnet.
Nach rechts ist die Zeit t aufgetragen. Das Verfahren ist dahingehend
optimiert, die Spannung VMagnet über
beliebig viele Pumpzyklen konstant zu halten und keine Spannungsspitzen
zu erzeugen. Außerdem
wird die Dauer, während
der die supraleitenden Schalter geöffnet sind, minimiert.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels erläutert. Die
dem Beispiel zu Grunde gelegte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung
ist jene aus 3. Das angewendete Verfahren
zum Betrieb der Flusspumpe P ist jenes aus 5. Das Ziel
ist es, über
einem supraleitenden Magnetspulensystem M eine konstante Spannung VMagnet
von 25μV
aufrechtzuerhalten. Die Komponenten der Flusspumpe sind folgendermaßen ausgelegt:
LM1
= LM2 = 10-6H (Induktivität der Sekundärspulen M1
und M2),
KM1C1 = KM2C2 = 10-4H (induktive
Kopplung zwischen der Sekundärspule
M1 und der Primärspule C1
beziehungsweise zwischen M2 und C2),
IM = 100A (Betriebsstrom
des supraleitenden Magnetspulensystems M).
Alle anderen Kopplungen
sind null.
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Zu
Beginn und während
der ersten Phase des Zyklus der Flusspumpe P von t = 0 bis t1 =
8s (siehe 5) sind die beiden Schalter
S1 und S2 supraleitend geschlossen und der Betriebsstrom IM des supraleitenden
Magnetspulensystems M fließt über den
Strompfad M-M1-M2-S2. Der Strom I2 in der zweiten Primärspule C2
ist null und der Strom I1 in der ersten Primärspule C1 wird mit einer kontinuierlichen
Rampe von 0.25A/s während
8s von –1A
auf +1A geladen. Dadurch wird in der Sekundärspule M1 eine Spannung von
25μV induziert.
Weil die Sekundärspule
M1 supraleitend mit dem Magnetspulensystem M verbunden ist, ist
somit in dieser ersten Phase die Bedingung VMagnet = 25μV bereits
erfüllt.
Zum Zeitpunkt t1 hat der Strom I1 in der Primärspule C1 den Maximalwert von
+1A erreicht und soll bis zum Zeitpunkt t2 = 10s wieder auf den
Anfangswert von –1A
entladen werden. Die in M1 induzierte Spannung beträgt in dieser
Phase –100μV. Um während dieser Phase
die Spannung VMagnet konstant auf 25μV zu halten, wird der Schalter
S1 geöffnet
und der Strom in der zweiten Primärspule C2 von null auf 2.5A
gefahren. Dadurch wird in der zweiten Sekundärspule M2 eine Spannung von
125μV induziert.
Weil der Schalter S1 geöffnet
ist, addieren sich die in M1 und M2 induzierten Spannungen im Strompfad M-M1-M2-S2
zu 25μV,
womit auch während
dieser Phase die Bedingung VMagnet = 25μV erfüllt wird. Zum Zeitpunkt t2
= 10s wird der Schalter S1 wieder geschlossen und der Ladezyklus
der Primärspule
C1 beginnt von Neuem.
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Damit
ist das System aber noch nicht wieder im Anfangszustand, weil der
Strom I2 in der zweiten Primärspule
C2 nicht null ist. Beim Zurücksetzen
von I2 auf null muss außerdem
gewährleistet
werden, dass der Betriebsstrom IM am Schluss wieder durch die Sekundärspule M2
fließt
und nicht über
den geschlossenen Schalter S1, das heißt IS1 soll null sein. Falls
diese Bedingung nicht erfüllt
ist, wird beim neuerlichen Öffnen
des Schalters S1 im folgenden Zyklus der Flusspumpe P ein unerwünschter
Spannungspuls über
dem supraleitenden Magnetspulensystem M erzeugt.
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Das
Ziel, sowohl I2 als auch IS1 auf null zu bringen, wird dadurch erreicht,
dass I2 zwischen t2 und t3 auf den Wert – IM·KM2C2/LM2 gefahren wird, im
Beispiel –1A.
Dabei ist der Schalter S2 geöffnet, wodurch
der Strom in M2 auf null gehalten wird. Zwischen t2 und t3 fließt daher
der Magnetstrom IM über den
geschlossenen Schalter S1, also IS1 = IM = 100A. Zum Zeitpunkt t3
wird der Schalter S2 wieder geschlossen und anschließend wird
bis zum Zeitpunkt t4 der Strom I2 in der zweiten Primärspule C2 auf
null zurückgefahren.
Dadurch wird in der zweiten Sekundärspule M2 ein Strom des Betrages
IM in der Richtung des Betriebsstromes des supraleitenden Magnetspulensystems
M induziert, so dass ab dem Zeitpunkt t4 der ganze Betriebsstrom
IM wieder über den
Strompfad M-M1-M2-S2
fließt.
Somit ist die zweite Primärspule
C2 und der Strompfad M2-S1-S2
ab dem Zeitpunkt t4 wieder im Ausgangszustand.
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Es
ist zu beachten, dass die Vorgänge
während
dem Rücksetzen
der zweiten Primärspule
C2 und des Strompfades M2-S1-S2 in den Ausgangszustand keinen Einfluss
haben auf die Spannung VMagnet, welche über dem supraleitenden Magnetspulensystem
M anliegt. Der Grund dafür
ist, dass während
dieser Phase der Schalter S1 immer supraleitend ist, so dass über den
Anschlusspunkten von S1 an den Strompfad M-M1-M2-S2 keine Spannung
entstehen kann. Somit ist also während
dieser Phase die Spannung VMagnet über dem supraleitenden Magnetspulensystem
M einzig durch die in der Sekundärspule
M1 induzierte Spannung gegeben, welche durch die Stromrampe in der
Primärspule
C1 auf den gewünschten
Wert von 25μV
eingestellt ist.
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Anhand
des in diesem Beispiel gezeigten Verfahrens zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Flusspumpe
P werden die Vorteile dieser Anordnung deutlich. Erstens kann die
Spannung über
den gesamten Zyklus der Flusspumpe P konstant gehalten werden und
es treten keine Spannungsspitzen beim Öffnen von supraleitenden Schaltern
auf. Zweitens sind die Schalter nur während einem Bruchteil des Betriebszyklus
der Flusspumpe P geöffnet,
wodurch der Wärmeeintrag
in den Kryostaten durch die Schalter minimal wird.
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Gegenüber einer
Flusspumpe nach dem Stand der Technik mit nur einer Primärspule müssen in
einer erfindungsgemäßen Anordnung
mindestens zwei Primärspulen
C1 und C2 mit Strom versorgt werden. Dadurch wird der Wärmeeintrag
in den Kryostaten durch die Stromzuleitungen der Primärspulen
vergrößert. Allerdings
wirkt sich dieser Nachteil im gezeigten Beispiel nur geringfügig aus,
weil die zweite Primärspule
C2 nur während
einem Bruchteil des Betriebszyklus der Flusspumpe P Strom trägt, wodurch
die Wärmeentwicklung
in den Zuleitungen klein gehalten wird.
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Falls
ein supraleitendes Magnetspulensystem für die magnetische Kernspinresonanz
verwendet werden soll, sind die Anforderungen an die zeitliche Stabilität des Magnetfeldes
besonders hoch. Typischerweise darf die Gesamtresistivität des Magnetspulensystems
höchstens
in der Größenordnung
von 0.1·10-9Ohm liegen, damit die Felddrift akzeptabel
ist. Mit einer erfindungsgemäßen Flusspumpe
nach obigem Beispiel kann dagegen das Feld auch dann noch stabilisiert
werden, wenn die Resistivität
des supraleitenden Magnetspulensystems in der Größenordnung von VMagnet/IM =
25μV/100A
= 250·10-9Ohm liegt. Die Resistivität des Magnetspulensystems
darf also über
tausend mal größer sein als
bei einer Anordnung ohne die erfindungsgemäße Flusspumpe.
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Eine
erfindungsgemäße Magnetanordnung umfasst
ein supraleitendes Magnetspulensystem M und mindestens zwei supraleitende
Sekundärspulen M1,
M2, die mit dem Magnetspulensystem in Serie geschaltet sind, sowie
einen ersten supraleitenden Schalter S1, der die zweite der Sekundärspulen
M2 supraleitend überbrücken kann.
Besonders vorteilhaft weist die Magnetanordnung einen zweiten supraleitenden
Schalter S2 auf, der in Serie mit der zweiten Sekundärspule M2
geschaltet ist, wobei der erste supraleitende Schalter S1 die Gesamtheit
von zweiter Sekundärspule
M2 und zweitem supraleitenden Schalter S2 überbrücken kann. Durch induktive Kopplung
kann mittels mindestens zwei voneinander unabhängigen Primärspulen C1, C2 eine vorgebbare Spannung
in jeder der Sekundärspulen
M1, M2 erzeugt werden, unabhängig
von der jeweils anderen Sekundärspule.
Das System von Sekundärspulen, Primärspulen
und supraleitenden Schaltern bildet eine Flusspumpe P für das Magnetspulensystem. Diese
Flusspumpe kann gut zur Stabilisierung des Magnetfelds des Magnetspulensystems
im Betriebszustand über
lange Zeit, das heißt
zur Driftkompensation im Magnetspulensystem, eingesetzt werden.