[0001] Die Erfindung betrifft eine Magnetanordnung, umfassend einen Kryostaten, ein supraleitendes
Magnetspulensystem, eine aktive Kühleinrichtung für das Magnetspulensystem und Stromzuführungen
zum Laden des Magnetspulensystems im Kryostaten,
wobei die Stromzuführungen zumindest einen normalleitenden Bereich umfassen, insbesondere
wobei die Stromzuführungen auch einen HTS-Bereich umfassen,
wobei entlang des normalleitenden Bereichs der Stromzuführungen mehrere Kältespeicher
an die Stromzuführungen thermisch gekoppelt sind, um beim Laden des Magnetspulensystems
im normalleitenden Bereich entstehende Wärme aufzunehmen.
[0002] Eine solche Magnetanordnung ist aus der
JP H04 23305 A bekannt geworden.
[0003] Für Kernspinresonanz(=NMR, nuclear magnetic resonance)-Messungen werden starke Magnetfelder
benötigt, die mittels supraleitenden Magnetspulensystemen erzeugt werden können. Die
supraleitenden Magnetspulensysteme können verlustfrei große elektrische Ströme tragen,
mit denen die starken Magnetfeldstärken erzeugt werden. Allerdings ist für den supraleitenden
Zustand eine Kühlung auf kryogene Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur des
supraleitenden Materials im Magnetspulensystem nötig. Die supraleitenden Magnetspulensysteme
werden daher in einem Kryostaten angeordnet. Um den Heliumverbrauch des Kryostaten
zu minimieren, werden teilweise aktive Kühleinrichtungen verwendet, z.B. Pulsrohrkühler,
mit denen eine kryogene Temperatur dauerhaft und kostengünstig unterhalten werden
kann.
[0004] Um ein supraleitendes Magnetspulensystem innerhalb eines Kryostaten mit elektrischem
Strom zu laden, verlaufen im Kryostaten von der raumtemperaturwarmen Außenwand des
Kryostaten zum Magnetspulensystem Stromzuführungen. Zumindest ein Abschnitt dieser
Stromzuführungen ist dabei normalleitend ("normalleitender Bereich"); ein unterer
(magnetspulensystemnaher) Abschnitt der Stromzuführungen ist oft auch aus einem Hochtemperatursupraleiter(=HTS)-Material.
Während des Ladens fließt durch die Stromzuführungen elektrischer Strom, welcher im
normalleitenden Bereich eine ohmsche Wärme erzeugt. Während des Normalbetriebs (auch
"steady state" Betrieb genannt) fließt durch die Stromzuführungen typischerweise kein
elektrischer Strom ("persistent mode"), jedoch stellen die Stromzuführungen thermische
Brücken dar, die Wärme in das Magnetspulensystem einbringen.
[0005] Typischerweise ist die Wärmelast beim Laden aufgrund mehrerer Effekte (z.B. Betrieb
des "Persistent Mode Switches" oder ohmsche Dissipation in den Stromzuführungen) deutlich
größer als im Normalbetrieb. Um zu verhindern, dass während des Ladens eine zu hohe,
zu einem Quench (Verlust der Supraleitung) führende Temperatur am Magnetspulensystem
oder auch im HTS-Bereich der Stromzuführungen entsteht, kann die aktive Kühleinrichtung
so groß dimensioniert werden, dass auch die Wärmelast des Ladens mit der Kühleinrichtung
kompensiert werden kann. Dies führt aber zu hohen Herstellungskosten und hohen Unterhaltskosten,
zu einer großen Baugröße und zu Anforderungen an Kühlung und Stromversorgung, die
sich an der beim Laden benötigten Spitzenleistung orientieren müssen. Da das Laden
typischerweise nur einige Stunden, der Normalbetrieb aber meist viele Wochen oder
Monate dauert, wird die aktive Kühleinrichtung die meiste Zeit nicht ausgelastet.
[0006] Im Falle von mit einem flüssigen Kryogen (etwa flüssigem Helium) gefüllten Kryobehälter
des Kryostaten kann beim Laden einfach ein hoher Kühlmittelverbrauch hingenommen werden,
was aber hohe Kosten verursacht.
[0007] Aus der
EP 2 624 262 A2 ist es bekannt, bei einem kryogenfreien Kryokühlersystem eine Stromzuführung an die
obere Kühlstufe eines zweistufigen Kühlers zu koppeln, und im Bereich dieser oberen
Kühlstufe weiterhin ein thermisches Trägheitselement (thermal inertia member) anzukoppeln.
Das thermische Trägheitselement kann einen Temperaturanstieg beim Laden oder Entladen
einer gekühlten supraleitenden Spule reduzieren.
[0008] Aus der
JP H04 23305 A sind Stromzuführungen für ein supraleitendes Magnetsystem bekannt geworden, an denen
Wärmespeichermaterial angeordnet ist. In einer Ausführungsform sind die Stromzuführungen
rohrförmig ausgebildet, und das Wärmespeichermaterial ist in dem Rohr angeordnet,
wobei das Wärmespeichermaterial im Inneren des Rohrs durch Schichten eines thermisch
isolierenden Materials unterteilt ist. Die Stromzuführungen werden mit einem Heliumgasstrom
gekühlt.
[0009] Aus der
GB 2 506 009 A, der
US 5 317 296, der
CN 102 360 694 A und der
CN 102 592 773 A sind trennbare Stromzuführungen für einen supraleitenden Magneten bekannt geworden.
Durch Trennung der Stromzuführungen nach dem Laden kann im Normalbetrieb ein Wärmeeintrag
verhindert werden. Dieser Ansatz ist jedoch technisch schwierig und mit hohen Herstellungskosten
verbunden.
[0010] In der
US 5 302 928 ist eine Stromzuführung für einen supraleitenden Magneten bekannt geworden, die zwischen
dem Interface bei Raumtemperatur und der Magnetspule geteilt ist, und an der Stelle
der Teilung an eine Wärmesenke angekoppelt ist. Nachteilig ist der Leitungsfortsatz
(lead extension), der in den Strompfad eingebracht wird und durch zusätzliche Kontaktwiderstände
zu erhöhtem ohmschen Widerstand führt.
[0012] In der
DE 69 324 436 T2 ist ein supraleitendes Magnetsystem bekannt geworden, dessen Stromzuführungen an
dem der Spule naheliegenden Ende aus Hochtemperatursupraleitermaterial besteht, und
dessen warmes Ende nicht mechanisch befestigt ist.
[0013] In der
US 5 586 437 wird ein MRI-Kryostat mit einem inneren Wärmeschild und einem äußeren Wärmeschild
beschrieben, wobei zur Kühlung des äußeren Wärmeschilds eine eigene Kühleinrichtung
vorgesehen ist.
Aufgabe der Erfindung
[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Magnetanordnung bereit zu stellen,
bei der während des Laden des supraleitenden Magnetspulensystems eine verringerte
Kühlleistung benötigt wird, und im Normalbetrieb ein Wärmeeintrag in das supraleitende
Magnetspulensystem verringert ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
[0015] Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache und wirkungsvolle Weise gelöst durch
eine Magnetanordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
die Stromzuführungen im normalleitenden Bereich entlang ihrer Erstreckungsrichtung
eine veränderliche Querschnittsfläche B aufweisen,
wobei sich zumindest über einen überwiegenden Anteil der gesamten Länge der Stromzuführungen
im normalleitenden Bereich die Querschnittsfläche B von einem kalten Ende zu einem
warmen Ende hin verringert.
[0016] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Stromzuführungen in
ihrem normalleitenden Bereich mit einer besonderen Geometrie zu versehen, um die Stromzuführungen
für die Anforderungen beim Laden einerseits und im Normalbetrieb andererseits zu optimieren,
wobei entlang des normalleitenden Bereichs der Stromzuführungen mehrere Kältespeicher
an die Stromzuführungen thermisch gekoppelt sind.
[0017] Beim Laden der supraleitenden Magnetspule ist es wichtig, die ohmsche Wärmeentwicklung
vor allem am kalten Ende der Stromzuführungen zu reduzieren. Daher sieht die Erfindung
vor, zum kalten Ende hin die Querschnittsfläche (Senkrecht zur Längserstreckung bzw.
Stromflussrichtung) zu vergrößern, so dass der ohmsche Widerstand zum kalten Ende
hin, soweit er durch die Querschnittsfläche bedingt ist, gesenkt wird. Dadurch wird
auch die Wärmeentwicklung nahe dem kalten Ende reduziert.
[0018] Im Normalbetrieb, aber auch beim Laden, ist es wichtig, den Wärmeeintrag in das supraleitende
Magnetspulensystem über die Stromzuführungen als Wärmebrücke zur raumtemperaturwarmen
Außenwand des Kryostaten zu reduzieren. Der Wärmeeintrag erfolgt vor allem von der
warmtemperaturwarmen Außenwand des Kryostaten her. Daher wird erfindungsgemäß die
Querschnittsfläche der Stromzuführungen zum raumtemperaturwarmen Ende hin verkleinert,
was den Wärmeleitungswiderstand, soweit er durch die Querschnittsfläche bedingt ist,
erhöht.
[0019] Durch die gleichzeitige Verteilung von mehreren Kältespeichern entlang der Stromzuführungen
im normalleitenden Bereich wird gewährleistet, dass die durch die Geometrie der Stromzuführungen
erreichten lokalen Begrenzungen in der Wärmeentwicklung und dem Wärmeeintrag über
längere Zeit genutzt werden können, und insbesondere nicht durch Wärmeleitung entlang
der Stromzuführungen schnell ausgeglichen werden können. Die Kältespeicher verlangsamen
die Ausgleichsprozesse; durch geeignete Dimensionierung der Kältespeicher (und geeignete
Geometrie der Stromzuführungen) kann ohne weiteres die Dauer eines vollständigen Ladevorgangs
abgepuffert werden.
[0020] Dadurch ist es möglich, das Laden mit einer vergleichsweise kleinen Kühlleistung
während der Dauer des Ladevorgangs zu bewältigen, ohne dass das Magnetspulensystem
oder ggf. ein supraleitender Abschnitt der Stromzuführungen zu warm wird und quencht.
Entsprechend kann eine kostengünstige aktive Kühleinrichtung mit vergleichsweise geringer
Kühlleistung eingesetzt werden, die wenig Bauraum benötigt. Im Falle eines kryogenhaltigen
Kryostaten kann der Kryogenverbrauch (Kühlmittelverbrauch) beim Laden minimiert werden.
Gleichzeitig kann auch der Wärmeeintrag über die Stromzuführungen im Normalbetrieb
gering gehalten werden, so dass auch hierfür nur eine geringe Kühlleistung benötigt
wird und im Normalbetrieb nur geringe Betriebskosten anfallen.
[0021] Die Stromzuführungen im normalleitenden Bereich laufen typischerweise von einem Anschluss
bei Raumtemperatur (warmes Ende) bis zum Magnetspulensystem oder bis zu einem HTS-Bereich
(oder HTS-Abschnitt) der Stromzuführungen (kaltes Ende); die Stromzuführung im HTS-Bereich
führt dann weiter zum Magnetspulensystem.
[0022] Das Magnetspulensystem hat typischerweise einen supraleitenden Kurzschlussschalter
zur Einrichtung eines Dauerstrombetriebs (persistent mode). Bevorzugt kann der Kurzschlussschalter
mit einem geringen Heizstrom bzw. einer geringen Heizleistung betrieben werden, etwa
mit 50 mW oder weniger. Das Magnetspulensystem ist bevorzugt mit Tieftemperatursupraleiter
(=LTS)-Materialien (insbesondere NbTi oder bevorzugt Nb
3Sn für höhere Betriebstemperaturen) ausgebildet. Vorteilhafter Weise ist der Betriebsstrom
des Magnetspulensystems im Normalbetrieb niedrig, etwa 100 A oder weniger, bevorzugt
70 A oder niedriger. Bevorzugt kann das Magnetspulensystem mit hohen Ladespannungen
geladen werden, beispielsweise mit 5 V oder mehr.
[0023] Die aktive Kühleinrichtung kann insbesondere ein Pulsrohrkühler oder ein Gifford-McMahon-Kühler
sein. Eine bevorzugte Leistungsaufnahme der aktiven Kühleinrichtung liegt bei 2 kW
oder weniger, insbesondere 1,5 kW oder weniger. Bevorzugt wird die aktive Kühleinrichtung
ohne Kühlwasser bzw. luftgekühlt betrieben.
[0024] Die Querschnittsfläche B der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich verringert
sich typischerweise über die gesamte Länge des normalleitenden Bereichs vom kalten
Ende hin zum warmen Ende, zumindest aber über einen überwiegenden Anteil der gesamten
Länge der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich. Die Querschnittsverringerung
kann kontinuierlich oder in Stufen oder in einer gemischten Form erfolgen. Manchmal
sind Ausnahmen im Querschnittsflächenverlauf, insbesondere an Verbindungsstellen von
Stromzuführungsteilen, nötig und/oder gewünscht. Solche Verbindungsstellen weisen
meist eine geringere Querschnittsfläche B ("Lötpunkt"), seltener eine größere Querschnittsfläche
("Lötwulst") auf als die umgebenden Stromzuführungsteile. Diese Ausnahmen machen typischerweise
weniger als 5%, meist weniger als 2%, der Gesamtlänge der Stromzuführungen im normalleitenden
Bereich aus, und haben entsprechend nur geringen Einfluss auf die gesamte Wärmeentwicklung
in den Stromleitungen beim Laden des Magnetspulensystems oder auf den gesamten Wärmeeintrag
vom warmen Ende der Stromzuführungen her. Bevorzugt verringert sich die Querschnittsfläche
B vom kalten Ende zum warmen Ende hin über einen Anteil von wenigstens 95%, bevorzugt
wenigstens 98%, der gesamten Länge der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich
innerhalb des Kryostaten.
[0025] Bevorzugt ist die aktive Kühleinrichtung innerhalb eines Rohres angeordnet, das im
Betrieb (insbesondere beim Laden und im Normalbetrieb) mit Gas gefüllt ist; dann ist
ein Ausbau oder Tausch der aktiven Kühleinrichtung möglich, ohne das Isolationsvakuum
des Kryostaten zu brechen. Beispielsweise kann dieses Rohr für eine der Stromzuführungen
vorgesehen sein; diese ist ohnehin vorhanden und somit erhöht sich die Wärmelast im
Normalbetrieb nicht weiter. Ebenso kann dieses Rohr das Halsrohr des Kryostaten sein,
insbesondere wobei auch eine der Stromzuführungen im Halsrohr verläuft. Eine etwaige
überschüssige Kühlleistung, die an einem Regenerator der aktiven Kühleinrichtung zur
Verfügung steht, kann durch einen thermischen Kontakt über das Gas im Rohr für die
Kühlung der Stromzuführung verwendet werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
[0026] Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung sieht vor,
dass die Stromzuführungen im normalleitenden Bereich jeweils N aufeinanderfolgende
Teilabschnitte aufweisen, mit N≥2, insbesondere 3≤N≤7, wobei die Teilabschnitte jeweils
eine innerhalb eines Teilabschnitts konstante Querschnittsfläche Bi aufweisen,
und dass sich die Querschnittsflächen Bi vom kalten Ende zum warmen Ende hin verringern.
Diese Ausführungsform ist baulich einfach zu realisieren; zudem kann das thermische
Verhalten während eines Ladevorgangs relativ einfach simuliert und entsprechend die
Geometrie der Stromzuführungen gut optimiert werden. Durch eine große Anzahl von Teilabschnitten
können Wärmefluss und Wärmeentwicklung bzw. die Temperaturverteilung in den Stromzuleitungen
genauer eingestellt werden. Man beachte, dass auch über die Verhältnisse Bi/Hi diese
Einstellung weiter optimiert werden kann, mit Hi: Länge des Teilabschnitts i (entlang
der Längsrichtung/Stromflussrichtung). Meist gilt auch N≥3 oder N≥4. Typischerweise
ist je Teilabschnitt wenigstens ein angekoppelter Kältespeicher vorgesehen. Alternativ
ist es auch möglich, die Querschnittsfläche einer Stromzuführung entlang der Erstreckungsrichtung
kontinuierlich zu ändern.
[0027] Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform sind unterschiedliche
Teilabschnitte an unterschiedliche Kältespeicher thermisch gekoppelt. Bei dieser Bauform
haben die Kältespeicher nur jeweils eine (direkte) Kopplung zu einem der Teilabschnitte;
eine Verbindung zu anderen Teilabschnitten erfolgt nur indirekt über ersteren Teilabschnitt.
Dadurch wird die Ausbildung eines starken Temperaturgradienten in den Stromzuleitungen
erleichtert. Die Kältespeicher können die Teilbereich beispielsweise jeweils näherungsweise
in der Mitte (bezüglich der Erstreckungsrichtung) kontaktieren.
[0028] Bei einer anderen Weiterbildung ist jeweils an einem Übergang von zwei Teilabschnitten
wenigstens ein Kältespeicher thermisch angekoppelt, insbesondere wobei auch am kalten
Ende der Stromzuführung im normalleitenden Bereich wenigstens ein Kältespeicher thermisch
angekoppelt ist. Dies ist meist baulich besonders einfach. Ein oder mehrere Kältespeicher
am kalten Ende sorgen für einen besonders guten Schutz des supraleitenden Magnetspulensystems
(oder eines HTS-Bereichs der Stromzuleitungen).
[0029] Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der entlang der Stromzuführungen im
normalleitenden Bereich jeweils K Stufen der thermischen Kopplung eingerichtet sind,
wobei an jeder Stufe wenigstens ein Kältespeicher an die Stromzuführungen thermisch
gekoppelt ist,
mit K≥2, insbesondere 3≤K≤7. Vorteilhaft ist auch K≥3 oder K≥4. Durch eine größere
Zahl von Stufen der thermischen Kopplung kann der Wärmefluss bzw. die Temperaturverteilung
in den Stromzuführungen genauer eingestellt werden. Zudem werden die Kältespeicher
thermodynamisch effizienter eingesetzt. Bevorzugt ist im Falle von N Teilabschnitten
jeweils konstanten Querschnitts Bi weiterhin K=N oder K=N+1. Eine Stufe der thermischen
Kopplung entspricht einer Kontaktierung einer Stromzuführung durch einen oder mehrere
Kältespeicher bei einer bestimmten Längenposition entlang der Stromzuführung; unterschiedliche
Stufen der thermischen Kopplung kontaktieren eine Stromzuführung im normalleitenden
Bereich also an unterschiedlichen Längenpositionen.
[0030] Vorteilhaft ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der eine schwere Masse
Mi von kältespeicherndem Material in dem wenigstens einen Kältespeicher einer jeweiligen
Stufe der thermischen Kopplung über die Stufen vom kalten Ende zum warmen Ende hin
abnimmt. Die spezifische Wärmekapazität der meisten kältespeichernden Materialien
(etwa Metallen) nimmt mit höherer Temperatur (im kryogenen Bereich) stark zu, so dass
zum warmen Ende hin keine so großen (absoluten) schweren Massen benötigt werden. Der
Begriff der "schweren" (also Gewichtskraft erzeugenden) Masse eines Kältespeichers
wird hier verwendet, um eine Verwechslung mit der "thermischen Masse" (also der absoluten
Wärmekapazität) zu vermeiden. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Kryostat
als kryogenfreier Kryostat ausgebildet ist. In diesem Fall kann eine erhöhte Wärmelast
während des Ladens nicht durch Inkaufnahme eines erhöhten Kryogenverbrauchs beim Laden
ausgeglichen werden. Die Erfindung ermöglicht in diesem Fall die Nutzung einer aktiven
Kühlvorrichtung mit kleiner Kühlleistung, die kostengünstig und kompakt ist. Ein Kryostat
wird hier als kryogenfrei angesehen, wenn in keinem zu erwartenden Betriebszustand
(also auch nicht beim Laden oder bei einem Quench) Kryogene aus dem System entweichen
können. Typischerweise ist das Magnetspulensystem hierbei direkt im Vakuum des Vakuumbehälter
angeordnet (und insbesondere nicht in einem Kryogentank mit flüssigem Kryogen, in
welches das Magnetspulensystem eintaucht).
[0031] Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der zumindest ein Teil der Kältespeicher
als gasdichte Behälter ausgebildet ist, wobei ein Teil des Volumens der gasdichten
Behälter mit einer verdampfbaren Substanz gefüllt ist. Bei dieser Bauform kann Wärmeenergie
durch Verdampfen der (bei den im Betrieb vorherrschenden Temperaturen) verdampfbaren
Substanz gebunden werden. Die verdampfbare Substanz kann zum Beispiel Stickstoff,
Krypton oder Argon, und in einem kälteren Bereich auch Neon oder Helium sein. Man
beachte, dass bei dieser Bauform die verdampfbare (meist flüssige) Substanz im Wesentlichen
die "schwere Masse" des jeweiligen Kältespeichers bereitstellt. Man beachte weiterhin,
dass der Behälter typischerweise aus schlecht wärmeleitfähigem Material besteht, etwa
aus Edelstahl oder der Titanlegierung 15-3-3-3. Typischerweise sind entlang der Stromzuführungen
mehrere Behälter in Serie geschaltet.
[0032] Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Stromzuführungen
im normalleitenden Bereich zumindest teilweise innerhalb der Behälter verlaufen. Dadurch
kann ein besonders guter Wärmefluss erfolgen. In den Behältern können Leitbleche und
Strahlungsschilde (Baffles) angeordnet werden, um den Wärmefluss zwischen dem warmen
und kalten Ende des Behälters durch Konvektion und/oder Wärmestrahlung zu minimieren.
[0033] Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der zumindest ein Teil der Behälter
mit einem unteren Ende über ein Wärmeleitelement an eine Wärmesenke der aktiven Kühleinrichtung
thermisch gekoppelt ist, und der Siedepunkt der im Behälter enthaltenen Substanz über
der Temperatur der Wärmesenke liegt. Über das Wärmeleitelement kann dem Behälter (nach
dem Laden) langsam Wärme entzogen werden, um die verdampfte Substanz wieder zu rekondensieren,
typischerweise langsam über mehrere Stunden oder auch mehrere Tage. Insbesondere können
zwei Behälter in Serie eingesetzt werden, die an zwei unterschiedliche Kühlstufen
der aktiven Kühleinrichtung (etwa eines Pulsrohrkühlers) gekoppelt werden.
[0034] Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der zumindest ein Teil der Kältespeicher
als metallische Körper ausgebildet sind. Diese Bauform ist besonders einfach und robust.
Ein guter thermischer Kontakt zwischen den (metallischen) Stromzuführungen im normalleitenden
Bereich und den metallischen Körpern ist leicht direkt einzurichten.
[0035] Vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform, bei der mehrere als metallische Körper
ausgebildete Kältespeicher voneinander beabstandet in einem Vakuumbereich des Kryostaten
angeordnet sind. Dies vermeidet auf einfache Weise thermische Kurzschlüsse der Kältespeicher,
insbesondere zwischen Kältespeichern verschiedener Stufen der thermischen Kopplung.
[0036] Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der weiterhin eine aktive Hilfskühleinrichtung
vorhanden ist, die an einen Teil (Teilstück) der Stromzuführungen im normalleitenden
Bereich thermisch gekoppelt ist, insbesondere wobei eine tiefste Arbeitstemperatur
AT
hilf der Hilfskühleinrichtung höher ist als eine tiefste Arbeitstemperatur AT
mss der aktiven Kühleinrichtung für das Magnetspulensystem. Mit der Hilfskühleinrichtung
kann den Stromzuführungen zusätzlich Wärmeenergie entzogen werden, insbesondere beim
Laden; dadurch kann die aktive Kühleinrichtung (die vor allem das Magnetspulensystem
kühlen soll) entlastet werden. Die Hilfskühleinrichtung hat typischerweise ein AT
hilf in einem Bereich von -70°C bis -30°C, meist von -60°C bis -50°C, was relativ einfach
(insbesondere mit geringer Leistungsaufnahme) zu erreichen ist; hingegen liegt AT
mss meist bei 4 K bis 10 K (-269°C bis -263°C). Eine Hilfskühleinrichtung bzw. eine entsprechende
Kühlwendel (zugehöriger Wärmetauscher) ist typischerweise im Vakuumbehälter (im Vakuum)
angeordnet.
[0037] Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Hilfskühleinrichtung
weiterhin an einen Strahlungsschild des Kryostaten und/oder einen Vakuumbehälter des
Kryostaten und/oder eine Temperiervorrichtung für eine zu untersuchende Probe thermisch
gekoppelt ist. Dadurch wird die aktive Kühleinrichtung zusätzlich entlastet, insbesondere
im Normalbetrieb. Wird die Hilfskühleinrichtung genutzt, um den Vakuumbehälter des
Kryostaten unter die Umgebungstemperatur abzukühlen, ist es vorteilhaft, den Vakuumbehälter
thermisch zu isolieren. Besonders geeignet sind dafür z.B. Kunststoffschäume. Damit
kann z.B. Kondenswasserbildung vorgebeugt werden.
[0038] Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform, bei der sich die Querschnittsfläche B vom
kalten Ende zum warmen Ende hin um wenigstens einen Faktor 3 verändert. Durch einen
Faktor von 3 oder mehr (bezogen auf den überwiegenden Anteil der Stromzuführungen
im normalleitenden Bereich) kann bereits eine sehr deutliche Entlastung der aktiven
Kühleinrichtung bezüglich der Wärmelast beim Laden erreicht werden.
[0039] In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen
Magnetanordnung,
wobei das Magnetspulensystem über die Stromzuführungen geladen wird und ein Ladestrom
so gewählt wird und die veränderliche Querschnittsfläche B und/oder die Kältespeicher
so eingerichtet sind, dass für eine Wärmelast WL
laden, die auf eine kälteste Stufe der Stromzuführungen im normalleitenden Bereich während
des Ladens maximal einwirkt, und für eine Wärmelast WL
gg auf diese kälteste Stufe in einem Gleichgewichtszustand mit geladenem Magnetspulensystem
gilt:
WL
laden ≤ 5*WL
gg, insbesondere WL
laden ≤ 2*WL
gg. Die kälteste Stufe (oder Stufe der thermischen Kopplung) entspricht dem Bereich
der Stromzuführung, an dem der dem kalten Ende nächste Kältespeicher (oder Kältespeichersatz
bei gleicher Längenposition auf den Stromzuführungen) thermisch angekoppelt ist. Die
angegebenen Verhältnisse sind im Rahmen der Erfindung gut zu erreichen, und ermöglichen
die Nutzung von aktiven Kühleinrichtungen (Kryokühlern) mit geringer Kühlleistung,
was kostengünstig ist, einen kompakten Bau der Magnetanordnung ermöglicht und dazu
beiträgt, die Integration des Systems in ein Kundenlabor so einfach wie möglich zu
gestalten.
[0040] Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß
jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden.
Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung
zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
[0041] Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Magnetanordnung, mit metallischen Körpern als Kältespeicher;
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Magnetanordnung, mit Behältern gefüllt mit verdampfbarer Substanz als Kältespeicher;
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung einer Stromzuführung im normalleitenden Bereich für
die Erfindung, mit Teilabschnitten konstanter Querschnittsfläche, mit mittig kontaktierenden
Kältespeichern;
- Fig. 4
- eine schematische Darstellung einer Stromzuführung im normalleitenden Bereich für
die Erfindung, mit Teilabschnitten konstanter Querschnittsfläche, mit Kältespeichern
am Übergang von Teilabschnitten;
- Fig. 5
- eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Magnetanordnung, mit Hilfskühleinrichtung zur Kühlung des äußeren Strahlungsschilds;
- Fig. 6
- eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Magnetanordnung, mit Hilfskühleinrichtung zur Kühlung des äußeren Strahlungsschilds
und einer Temperiervorrichtung einer zu untersuchenden Probe.
[0042] Die
Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung
1. Diese umfasst einen Kryostaten 2, ein Magnetspulensystem 3, eine aktive Kühleinrichtung
4 und hier zwei Stromzuführungen 5a, 5b zum Laden des Magnetspulensystems 3.
[0043] Der Kryostat 3 ist hier mit einem Vakuumbehälter 11, einem äußeren Strahlungsschild
6, einem mittleren Strahlungsschild 7 und einem inneren Strahlungsschild 8 ausgebildet.
Der Vakuumbehälter 11, der gleichzeitig die Außenwand des Kryostaten 2 bildet, befindet
sich auf Raumtemperatur (ca. 20°C). Der äußere Strahlungsschild 6 ist bei ca. 213
K (ca. -60°C). Der mittlere Strahlungsschild 7 koppelt an eine obere Kühlstufe 9 der
aktiven Kühlvorrichtung 4 bei ca. 50 K, und der innere Strahlungsschild 8 koppelt
an eine untere Kühlstufe 10 der aktiven Kühlvorrichtung bei ca. 3,5 K; letzteres stellt
auch die tiefste Arbeitstemperatur AT
mss der aktiven Kühleinrichtung 4 dar.
[0044] Im Inneren des inneren Strahlungsschilds 8 ist im Vakuum das Magnetspulensystem 3
angeordnet, welches über einen Schalter 12 eines Lade- und Kurzschlussstromkreises
12a supraleitend kurzschließbar ist. Das vom Magnetspulensystem 3 erzeugte Magnetfeld
kann im Normalbetrieb beispielsweise für eine NMR-Messung verwendet werden. Der innere
Strahlungsschild 8 kann auch gasdicht ausgebildet sein, sodass zur Verbesserung der
thermischen Leitfähigkeit beispielsweise etwas gasförmiges Helium vorgesehen werden
bzw. enthalten sein kann, das im Rahmen des Betriebs (einschließlich Laden und Normalbetrieb)
allerdings nicht eingefüllt werden muss und auch nicht entweichen kann ("kryogenfreier
Kryostat"). Alternativ zum kryogenfreien Kryostat kann der Kryostat 2 auch als kryogenhaltiger
Kryostat ausgebildet sein (in Fig. 1 nicht näher dargestellt). In diesem Fall ist
anstelle des inneren Strahlungsschilds 8 ein Kryobehälter vorgesehen, welcher typischerweise
flüssiges Kryogen (etwa Helium) enthält, in welches das Magnetspulensystem 3 ganz
oder teilweise eingetaucht ist. Das Kryogen im Kryobehälter kann beim kryogenhaltigen
Kryostaten bei Bedarf im Betrieb nachgefüllt werden, gegebenenfalls auch während des
Ladens.
[0045] Die Stromzuführungen 5a, 5b führen von Anschlüssen 13a, 13b am Vakuumbehälter 11
durch den Kryostaten 3 bis zu Anschlüssen 14a, 14b am Lade- und Kurzschlussstromkreis
12a. Die Stromzuführungen 5a, 5b umfassen dabei in der gezeigten Ausführungsform jeweils
einen normalleitenden Bereich 15a, 15b (zwischen Vakuumbehälter 11 und mittlerem Strahlungsschild
7), einen HTS-Bereich 16a, 16b (zwischen mittlerem Strahlungsschild 7 und innerem
Strahlungsschild 8) und einen LTS-Bereich (innerhalb des inneren Strahlungsschilds
8).
[0046] Die Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich 15a, 15b weisen hier jeweils
eine sich vom kalten (magnetspulensystemnahen) Ende 18a, 18b zum warmen (Raumtemperatur-anschlussnahen)
Ende 19a, 19b hin kontinuierlich verkleinernde Querschnittsfläche B auf, erkennbar
an einem sich nach oben hin verkleinernden Durchmesser; beispielshaft ist hier die
Querschnittsfläche B etwa in der Mitte (entlang der Längsrichtung) der Stromzuführungen
5a, 5b im normalleitenden Bereich 15a, 15b eingezeichnet. Die Querschnittsfläche B
verringert sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Faktor von ca. 3 (man beachte,
dass der Durchmesser quadratisch in die Querschnittsfläche B eingeht, wobei das Durchmesserverhältnis
kalt zu warm hier bei ca. 1,75 liegt). Die Querschnittsverringerung ist hier über
die gesamte (vertikale) Länge der Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich
15a, 15b eingerichtet. Entlang der Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich
15a, 15b sind Kältespeicher 20 an diese angekoppelt. Die Kältespeicher 20 sind hier
als metallische Massen 20a ausgebildet. Im gezeigten Beispiel sind dabei jeweils drei
Stufen 21, 22, 23 der thermischen Kopplung eingerichtet, wobei an jeder der Stufen
21, 22, 23 jeweils zwei Kältespeicher 20 (links und rechts) bei der gleichen Längenposition
(die Längenrichtung verläuft in Fig. 1 vertikal) angekoppelt sind. Die Kältespeicher
20 der kältesten Stufe 21 haben insgesamt eine schwere Masse M1 die größer ist die
die gesamte schwere Masse M2 der die Kältespeicher 20 der mittleren Stufe 22, und
die gesamte schwere Masse M2 der Kältespeicher 20 der mittleren Stufe 22 ist wiederum
größer als die gesamte schwere Masse M3 der Kältespeicher 20 der wärmsten Stufe 23.
Die Kältespeicher 20 der unterschiedlichen Stufen 21-23, und hier auch innerhalb der
Stufen 21-23, sind im Vakuumbereich 11a des Vakuumbehälters 11 voneinander beabstandet
angeordnet, um einen thermischen Kurzschluss zu vermeiden.
[0047] Am unteren, kalten Ende 18a, 18b sind die Stromzuführungen 5a, 5b an den mittleren
Strahlungsschild 7 gekoppelt, so dass eine gewisse Kühlleistung der oberen Kaltstufe
9 der aktiven Kühleinrichtung 4 genutzt werden kann. Zudem kontaktiert hier auch der
äußere Strahlungsschild 6 die Stromzuführungen 5a, 5b in normalleitenden Bereich 15a,
15b, hier zwischen den Stufen 22 und 23; alternativ kann auch eine nicht-koppelnde
Durchführung am äußeren Strahlungsschild 6 vorgesehen sein.
[0048] Beim Laden (oder Entladen) des Magnetspulensystems 3 über die Stromzuleitungen 5a,
5b entsteht Wärme in den Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich 15a, 15b,
die die Kältespeicher 20 durch Erwärmen der metallischen Massen 20a zumindest teilweise
kompensieren, wodurch ein Wärmeeintrag in den HTS-Bereich 16a, 16b der Stromleitungen
5a, 5b oder gar in das Magnetspulensystem 3 verringert wird. Die sich zum kalten Ende
18a, 18b hin erweiternde Geometrie der Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden
Bereich 15a, 15b verringert dabei die ohmsche Wärmeentwicklung nahe dem kalten Ende
18a, 18b, und verringert einen Wärmeeintrag vom raumtemperaturwarmen warmen Ende 19a,
19b her. Die Wärmelast (Wärmefluss "nach unten") im Bereich der untersten Stufe 21
beim Laden WL
laden kann dabei im Vergleich zur Wärmelast im Gleichgewichtszustand im Normalbetrieb WL
gg begrenzt werden, so dass gilt WL
laden ≤ 2*WL
gg. Die verbleibende Wärmelast WL
laden kann durch die aktive Kühleinrichtung 4 kompensiert werden, so dass sich das supraleitende
Magnetspulensystem 3 und auch nicht der HTS-Bereich 16a, 16b der Stromzuführungen
5a, 5b unzulässig (über die jeweilige Sprungtemperatur) erwärmt.
[0049] Die
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung 1, die
weitgehend der Bauform von Fig. 1 entspricht; es werden nachfolgend nur die wesentlichen
Unterschiede erläutert.
[0050] Der Kryostat 2 verfügt hier über lediglich einen äußeren Strahlungsschild 6, der
an der oberen Kühlstufe 9 der aktiven Kühleinrichtung 4 angekoppelt ist, sowie einen
inneren Strahlungsschild 8, der an die untere Kühlstufe 10 angekoppelt ist, nicht
jedoch über einen mittleren Strahlungsschild.
[0051] Die Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich 15a, 15b verlaufen hier jeweils
mit zwei zylinderförmigen Teilabschnitten 25, 26, wobei der kältere Teilabschnitt
25 eine deutlich größere Querschnittsfläche B
1 im Vergleich zur Querschnittsfläche B
2 des wärmeren Teilabschnitt 26 hat.
[0052] Der untere Teilabschnitt 25 verläuft im Wesentlichen in einem Kältespeicher 20, der
mit einem gasdichten Behälter 27 und einer darin enthaltenen, verdampfbaren Substanz
28 ausgebildet ist. Die verdampfbare Substanz 28 liegt flüssig vor; etwas verdampfbare
Substanz 28 ist bereits im Behälter 27 verdampft. Das untere Ende des Behälters 27
ist über ein Wärmeleitelement 29 mit der unteren Kühlstufe 10 der aktiven Kühleinrichtung
4 gekoppelt.
[0053] Der obere Teilabschnitt 26 verläuft im Wesentlichen in einem Kältespeicher 20, der
mit einem gasdichten Behälter 30 und einer darin enthaltenen, verdampfbaren Substanz
28 ausgebildet ist. Das untere Ende des Behälters 30 ist über ein Wärmeleitelement
29 mit der oberen Kühlstufe 9 der aktiven Kühleinrichtung 4 gekoppelt.
[0054] Der untere Behälter 27 ist deutlich größer als der obere Behälter 30, und der untere
Behälter 27 enthält deutlich mehr (bezogen auf die schwere Masse) verdampfbare Substanz
28 als der obere Behälter 30.
[0055] Beim Laden (oder Entladen) des Magnetspulensystems 3 über die Stromzuleitungen 5a,
5b entsteht Wärme in den Behältern 27, 30, die durch Verdampfen von verdampfbarer
Substanz 28 (was den Gasdruck in den Behältern 27, 30 erhöht) zumindest teilweise
kompensiert, wodurch ein Wärmeeintrag in den HTS-Bereich 16a, 16b der Stromzuführungen
5a, 5b oder gar in das Magnetspulensystem 3 im inneren Strahlungsschild 8 verringert
wird. Im Normalbetrieb kann gespeicherte Wärmeenergie über die Wärmeleitelemente 29
an die Kühlstufen 9, 10, die als Wärmesenken wirken, allmählich wieder abgegeben werden,
so dass die verdampfte Substanz wieder rekondensieren kann. Bei der Auslegung der
Behälter 27, 30 ist zu beachten, dass das Verdampfen und Rekondensieren isochore Prozesse
sind, da aus den Behältern 27, 30 im Betrieb keine Substanz entweichen darf. Die Veränderung
der latenten Wärme bei steigendem Druck und steigender Temperatur im jeweiligen Behälter
27, 30 muss entsprechend berücksichtigt werden.
[0056] Die
Fig. 3 zeigt eine Stromzuführung 5a im normalleitenden Bereich 15a für die Erfindung. Diese
umfasst hier N=4 aufeinanderfolgende Teilabschnitte 41, 42, 43, 44, wobei jeder Teilabschnitt
41-44 eine eigene, einheitliche Querschnittsfläche B1-B4 aufweist. Die Querschnittsflächen
B1-B4 nehmen vom kalten Ende 18a zum warmen Ende 19a hin ab.
[0057] Die unterschiedlichen Teilabschnitte 41-44 sind an unterschiedliche Kältespeicher
20, hier in Gestalt von metallischen Körpern 20a, gekoppelt. Die jeweils zwei gekoppelten
Kältespeicher 20 eines Teilabschnitts 41-44 kontaktieren ihren Teilabschnitt 41-44
hier jeweils näherungsweise mittig bezogen auf die vertikale Längsrichtung der Stromzuführung
5a mittels eines kurzen Brückenelements 45. Die Anzahl K der Stufen thermischer Kopplung,
hier jeweils ausgebildet durch die Kontaktierung von zwei Kältespeichern 20 an einer
gemeinsamen Längenposition, beträgt hier ebenfalls 4, so dass hier K=N=4 ist. Die
gesamten schweren Massen Mi der Kältespeicher 20 der vier Stufen der thermischen Kopplung
nimmt vom kalten Ende 18a zum warmen Ende 19a hin ab.
[0058] Man beachte, dass für eine Einstellung eines bestimmten Wärmeflusses oder Temperaturprofils
auch das Verhältnis Bi/Hi bei den verschiedenen Teilabschnitten 41-44 variiert werden
kann, mit Hi: Länge des Teilabschnitts i, mit i=1 bis 4 für die Teilabschnitte 41-44.
Typischerweise nimmt das Verhältnis Bi/Hi vom kalten Ende 18a zum warmen Ende 19a
hin ab.
[0059] In der
Fig. 4 ist eine weitere Stromzuführung 5a im normalleitenden Bereich 15a gezeigt, die weitgehend
der Bauform von Fig. 3 entspricht, so dass nur die wesentlichen Unterschiede erläutert
werden.
[0060] Die Kältespeicher 20 sind hier jeweils an den Übergängen zwischen den Teilabschnitten
41-44 mit kurzen Brückenelementen 45 angekoppelt, und zusätzlich ist ein Paar Kältespeicher
20 am unteren, kalten Ende 18a der Stromzuführung 5a im normalleitenden Bereich 15a
über Brückenelemente 45 angekoppelt.
[0061] Die Stromzuführung 5a ist hier integral aus einem einzigen Teil gefertigt, z.B. als
eine in entsprechender Form zurechtgeschnittene Metallplatte.
[0062] Die
Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung 1, die
weitgehend der Bauform von Fig. 1 entspricht; es werden nachfolgend nur die wesentlichen
Unterschiede erläutert.
[0063] Neben der aktiven Kühleinrichtung 4 ist hier auch eine aktive Hilfskühleinrichtung
50 vorhanden, die über einen Wärmetauscher 51 an den äußeren Strahlungsschild 6 gekoppelt
ist. Der äußere Strahlungsschild 6 kontaktiert wiederum einen Teil (ein Teilstück)
der Stromzuführungen 5a, 5b in normalleitenden Bereich 15a, 15b, hier zwischen den
Stufen 22, 23 der thermischen Kopplung. Die Hilfskühleinrichtung 50 kann hier eine
tiefste Arbeitstemperatur AT
hilf von ca. -60°C erreichen.
[0064] Über die Hilfskühleinrichtung 50 kann ein Teil der beim Laden auftretenden Wärmelast
aus den Stromzuführungen 5a, 5b im normalleitenden Bereich 15a, 15b abgeleitet werden,
so dass die aktive Kühleinrichtung 4 entlastet wird. Es ist auch möglich, die Kühlung
im Normalbetrieb mit der Hilfskühleinrichtung 50 zu unterstützen.
[0065] Die
Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung 1, die
weitgehend der Bauform von Fig. 5 entspricht, so dass nachfolgend nur die wesentlichen
Unterschiede erläutert werden.
[0066] Die aktive Hilfskühleinrichtung 50 kühlt hier nicht nur den Wärmetauscher 51 zum
äußeren Strahlungsschild 6, sondern auch einen Wärmetauscher 52, der seinerseits einen
Wärmetauscher 53 einer Temperiervorrichtung 54 für eine zu untersuchende Probe 55
kühlt. Die zu untersuchende Probe 55 wird während ihrer Vermessung durch NMR-Spektroskopie
in einer nicht näher dargestellten auf konstanter Temperatur gehalten, wobei das im
Normalbetrieb vom Magnetspulensystem 3 der Magnetanordnung 1 erzeugte Magnetfeld genutzt
wird.
Bezuqszeichenliste
[0067]
- 1
- Magnetanordnung
- 2
- Kryostat
- 3
- supraleitendes Magnetspulensystem
- 4
- aktive Kühleinrichtung
- 5a, 5b
- Stromzuführungen
- 6
- äußerer Strahlungsschild
- 7
- mittlerer Strahlungsschild
- 8
- innerer Strahlungsschild
- 9
- obere Kühlstufe (Wärmesenke)
- 10
- untere Kühlstufe (Wärmesenke)
- 11
- Vakuumbehälter
- 11a
- Vakuumbereich
- 12
- supraleitender Schalter
- 12a
- supraleitender Lade- und Kurzschlussstromkreis
- 13a, 13b
- Anschluss (am Vakuumbehälter)
- 14a, 14b
- Anschluss (am Lade- und Kurzschlussstromkreis)
- 15a, 15b
- normalleitender Bereich
- 16a, 16b
- HTS-Bereich
- 17a, 17b
- LTS-Bereich
- 18a, 18b
- kaltes Ende
- 19a, 19b
- warmes Ende
- 20
- Kältespeicher
- 20a
- metallischer Körper
- 21
- kälteste Stufe der thermischen Kopplung
- 22
- mittlere Stufe der thermischen Kopplung
- 23
- wärmste Stufe der thermischen Kopplung
- 25, 26
- Teilabschnitt
- 27
- Behälter
- 28
- verdampfbare Substanz
- 29
- Wärmeleitelement
- 30
- Behälter
- 41-44
- Teilabschnitt
- 45
- Brückenelement
- 50
- aktive Hilfskühleinrichtung
- 51-53
- Wärmetauscher
- 54
- Temperiervorrichtung
- 55
- Probe
- B
- Querschnittsfläche
- B1-B4
- Querschnittsfläche (Teilabschnitt)
- H1-H4
- Länge (Teilabschnitt)
- M1-M3
- schwere Massen
1. Magnetanordnung (1), umfassend einen Kryostaten (2), ein supraleitendes Magnetspulensystem
(3), eine aktive Kühleinrichtung (4) für das Magnetspulensystem (3) und Stromzuführungen
(5a, 5b) zum Laden des Magnetspulensystems (3) im Kryostaten (2),
wobei die Stromzuführungen (5a, 5b) zumindest einen normalleitenden Bereich (15a,
15b) umfassen, insbesondere wobei die Stromzuführungen (5a, 5b) auch einen HTS-Bereich
(16a, 16b) umfassen,
wobei entlang des normalleitenden Bereichs (15a, 15b) der Stromzuführungen (5a, 5b)
mehrere Kältespeicher (20) an die Stromzuführungen (5a, 5b) thermisch gekoppelt sind,
um beim Laden des Magnetspulensystems (3) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) entstehende
Wärme aufzunehmen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) entlang ihrer
Erstreckungsrichtung eine veränderliche Querschnittsfläche B aufweisen,
wobei sich zumindest über einen überwiegenden Anteil der gesamten Länge der Stromzuführungen
(5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) die Querschnittsfläche B von einem
kalten Ende (18a, 18b) zu einem warmen Ende (19a, 19b) hin verringert.
2. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) jeweils N aufeinanderfolgende
Teilabschnitte (25, 26; 41-44) aufweisen, mit N≥ 2, insbesondere 3≤N≤7,
wobei die Teilabschnitte (25, 26; 41-44) jeweils eine innerhalb eines Teilabschnitts
(25, 26; 41-44) konstante Querschnittsfläche Bi aufweisen, und dass sich die Querschnittsflächen
Bi vom kalten Ende (18a, 18b) zum warmen Ende (19a, 19b) hin verringern.
3. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Teilabschnitte (25, 26; 41-44) an unterschiedliche Kältespeicher
(20) thermisch gekoppelt sind.
4. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils an einem Übergang von zwei Teilabschnitten (25, 26; 41-44) wenigstens ein
Kältespeicher (20) thermisch angekoppelt ist, insbesondere wobei auch am kalten Ende
(18a, 18b) der Stromzuführung (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) wenigstens
ein Kältespeicher (20) thermisch angekoppelt ist.
5. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) jeweils
K Stufen der thermischen Kopplung (21-23) eingerichtet sind, wobei an jeder Stufe
(21-23) wenigstens ein Kältespeicher (20) an die Stromzuführungen (5a, 5b) thermisch
gekoppelt ist,
mit K≥2, insbesondere 3≤K≤7.
6. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine schwere Masse Mi von kältespeicherndem Material in dem wenigstens einen Kältespeicher
(20) einer jeweiligen Stufe der thermischen Kopplung (21-23) über die Stufen (21-23)
vom kalten Ende (18a, 18b) zum warmen Ende (19a, 19b) hin abnimmt.
7. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat (2) als kryogenfreier Kryostat (2) ausgebildet ist.
8. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kältespeicher (20) als gasdichte Behälter (27, 30) ausgebildet
ist, wobei ein Teil des Volumens der gasdichten Behälter (27, 30) mit einer verdampfbaren
Substanz (28) gefüllt ist.
9. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) zumindest teilweise
innerhalb der Behälter (27, 30) verlaufen.
10. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Behälter (27, 30) mit einem unteren Ende über ein Wärmeleitelement
(29) an eine Wärmesenke (9, 10) der aktiven Kühleinrichtung (4) thermisch gekoppelt
ist, und der Siedepunkt der im Behälter (27, 30) enthaltenen Substanz (28) über der
Temperatur der Wärmesenke (9, 10) liegt.
11. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kältespeicher (20) als metallische Körper (20a) ausgebildet
sind.
12. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere als metallische Körper (20a) ausgebildete Kältespeicher (20) voneinander
beabstandet in einem Vakuumbereich (11a) des Kryostaten (2) angeordnet sind.
13. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine aktive Hilfskühleinrichtung (50) vorhanden ist, die an einen Teil
der Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden Bereich (15a, 15b) thermisch gekoppelt
ist, insbesondere wobei eine tiefste Arbeitstemperatur AThilf der Hilfskühleinrichtung (50) höher ist als eine tiefste Arbeitstemperatur ATmss der aktiven Kühleinrichtung (4) für das Magnetspulensystem (3).
14. Magnetanordnung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfskühleinrichtung (50) weiterhin an einen Strahlungsschild (6, 7, 8) des Kryostaten
(2) und/oder einen Vakuumbehälter (11) des Kryostaten (2) und/oder eine Temperiervorrichtung
(54) für eine zu untersuchende Probe (55) thermisch gekoppelt ist.
15. Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsfläche B vom kalten Ende (18a, 18b) zum warmen Ende (19a, 19b)
hin um wenigstens einen Faktor 3 verändert.
16. Verwendung einer Magnetanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Magnetspulensystem (3) über die Stromzuführungen (5a, 5b) geladen wird und
ein Ladestrom so gewählt wird und die veränderliche Querschnittsfläche B und/oder
die Kältespeicher (20) so eingerichtet sind, dass für eine Wärmelast WLladen, die auf eine kälteste Stufe (21) der Stromzuführungen (5a, 5b) im normalleitenden
Bereich (15a, 15b) während des Ladens maximal einwirkt, und für eine Wärmelast WLgg auf diese kälteste Stufe (21) in einem Gleichgewichtszustand mit geladenem Magnetspulensystem
(3) gilt:
WLladen ≤ 5*WLgg, insbesondere WLladen ≤ 2*WLgg.