DE4017270A1 - Aktiv geschirmter supraleitender magnet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen aktiv geschirmten, supraleitenden Magneten mit einem Spulensystem, welches sich aus einem in Rei­ he geschalteten inneren und äußeren Spulensystem mit unter­ schiedlicher Magnetfeldrichtung zusammensetzt, wobei die beiden Spulensysteme mit einem supraleitenden Dauerstromschalter über­ brückbar sind, wobei ein supraleitender Strombegrenzer mit ge­ ringem kritischen Strom eines der beiden Spulensysteme über­ brückt und dadurch einen Differenzstrom zwischen innerem und äußerem Spulensystem ermöglicht, und wobei der supraleitende Strombegrenzer bei Überschreitung eines vorbestimmten Diffe­ renzstromes normalleitend wird und dadurch die Stromdifferenz zwischen innerem (1a) und äußerem Spulensystem (1b) begrenzt.

Ein derartiger aktiv geschirmter supraleitender Magnet für Kernspin-Tomographen ist aus der EP-A1-02 99 325 bekannt. Mit der aktiven Schirmung wird das mit den hohen Feldstärken im Inneren des Spulensystem verbundene äußere Streufeld wesent­ lich reduziert, so daß der Sicherheitsabstand um den Magneten wesentlich verringert werden kann. Damit ist auch ein geringe­ rer Raumbedarf für den Kernspin-Tomographen verbunden.

Es muß sichergestellt sein, daß bei einem Quench von nur einem der beiden Spulensysteme das Streufeld nicht in unzulässiger Weise erhöht wird. Daher werden beide Spulensysteme in Serie ge­ schaltet. Beim Quench eines Spulensystems wird der Strom zwangs­ läufig auch im anderen Spulensystem reduziert, so daß die akti­ ve Schirmung erhalten bleibt. Nachteil der Reihenschaltung der beiden Spulensysteme ist, daß äußere Magnetfeldstörungen nicht mehr vom inneren Magnetgrundfeld abgeschirmt werden.

Bei supraleitenden Magneten ohne aktive Schirmung werden zeit­ lich veränderliche äußere Magnetfelder innerhalb des Spulensy­ stems durch Stromänderungen ausgeglichen, weil in einem geschlossenen supraleitenden Stromkreis der magnetische Fluß konstant ist, da das elektrische Feld E keine Komponente ent­ lang des Supraleiters haben kann:

Bei einer aktiv geschirmten Magnetanordnung mit zwei in Reihe geschalteten supraleitenden Spulensystemen bewirken äußere Ma­ gnetfeldänderungen eine Stromänderung, die wegen der Reihen­ schaltung der Spulensysteme nur den magnetischen Fluß im Ring­ spalt zwischen den beiden Spulensystemen konstant hält, weil nur dieser Ringspalt von einem geschlossenen, supraleitenden Stromkreis umgeben ist. Damit ist die erforderliche Konstanz des Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen nicht mehr gewährlei­ stet.

Zur Lösung dieses Problems wird in der bereits genannten EP-A1- 02 99 325 vorgeschlagen, eines der beiden Spulensysteme mit ei­ nem supraleitenden Strombegrenzer mit geringem kritischen Strom zu überbrücken. Diese bekannte Anordnung wird anhand der sche­ matischen Darstellung nach den Fig. 1 und 2 näher erläutert. Ge­ mäß Fig. 1 sind ein inneres Spulensystem 1a und ein äußeres Spu­ lensystem 1b in Reihe geschaltet und mit einem supraleitenden Dauerstromleiter 3 kurzschließbar. Ein Netzgerät 4 ist parallel zum Dauerstromschalter 3 und ein Strombegrenzer 2 parallel zum inneren Spulensystem 1a geschaltet.

Zum Auferregen des Magneten wird die Anordnung vom Netzgerät 4 mit einem stetig ansteigenden Strom beaufschlagt. Solange der im Vergleich zu den Spulensystemen 1a, 1b induktivitätsarme Strombegrenzer 2 supraleitend ist, fällt an ihm praktisch keine Spannung ab, so daß das Spulensystem 1a aufgrund seiner Induk­ tivität zunächst keinen Strom übernehmen kann. Wenn der Strom über den Strombegrenzer 2 den kritischen Wert überschreitet, wird dieser normalleitend und das Spulensystem 1a übernimmt den Strom. Sobald der Strom bei einem konstanten Wert gehalten wird, fällt am Spulensystem 1a keine Spannung mehr ab und der Strombegrenzer wird wieder supraleitend, so daß jedes Spulen­ system 1a, 1b einen eigenen supraleitenden Stromkreis bildet, in dem die Flußerhaltung gilt. Magnetfeldänderungen werden im inneren Spulensystem 1a und im äußeren Spulensystem 1b durch entsprechende Stromänderungen im jeweiligen Stromkreis kompen­ siert. Die dabei entstehenden geringen Stromdifferenzen fließen über den Strombegrenzer 2.

Bei einem Quench-bedingten Stromabbau in einem Spulensystem 1a, 1b überschreitet die Differenz der Ströme im inneren und äuße­ ren Spulensystem 1a, 1b den kritischen Wert des Strombegrenzers 2, der dadurch normalleitend wird und die Stromdifferenz auf einen relativ kleinen Wert begrenzt. Damit ist ein wesentlich erhöhtes Streufeld ausgeschlossen.

Bei supraleitenden Spulensystemen werden meist Quench-Schutzmaß­ nahmen vorgesehen, die beim Quench das gesamte Spulensystem in den normalleitenden Zustand überführen. Damit wird verhindert, daß beim Quench einzelne Spulenteile überlastet werden.

Um eine Zerstörung des Strombegrenzers 2 zu vermeiden, richtet sich der normalleitende Widerstand des Strombegrenzers 2 nach der beim Quench unter Berücksichtigung von Quench-Schutzmaßnah­ men maximal auftretenden Spannung. In der genannten EP-A1-02 99 325 wurde bereits darauf hingewiesen, daß am Strombegrenzer 2 sehr hohe Spannungen abfallen können, wenn dieser Quench-be­ dingt in den normalleitenden Zustand übergeht und die Quench- Schutzmaßnahmen versagen. Unter Umständen kann dies zu einer Zerstörung des Strombegrenzers 2 führen. Sicherheitstechnisch ist dies zwar ohne Auswirkungen, da eine Zerstörung des Strom­ begrenzers 2 lediglich zu einem Verlust der Abschirmung von äußeren Magnetfeldstörungen bezüglich des Untersuchungsvolumens führt. Eine Erhöhung des Streufeldes wird ausgeschlossen, da bei Zerstörung des Strombegrenzers 2 beide Spulensysteme 1a, 1b einen gemeinsamen Stromkreis bilden, in dem derselbe Strom fließt. Die Zerstörung des Strombegrenzers 2 ist aber wegen der dann erforderlichen Reparaturarbeiten trotzdem höchst unange­ nehm.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Spulenanordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ein unzulässiger Spannungsanstieg und damit eine Zerstörung des Strombegrenzers auch im Quench-Fall vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Strombegrenzer mindestens mit einem Teil mindestens eines Spu­ lensystems in gut wärmeleitfähiger Verbindung steht. Eine Er­ wärmung des Strombegrenzers führt damit zu einer Quench-Aus­ breitung auf das gesamte Spulensystem, so daß die umzusetzende induktive Energie sich auf das gesamte Spulensystem verteilt.

Vorteilhafterweise ist der Strombegrenzer auf mindestens einer Teilspule mindestens eines Spulensystems aufgewickelt. Damit wird auf einfache Weise ein thermischer Kontakt hergestellt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht der Strombegren­ zer außerhalb des Bereiches der Teilspulen aus einem supralei­ tenden Draht mit einer elektrisch gut leitenden Matrix und in­ nerhalb des Bereichs der Teilspulen mit einer schlecht leiten­ den Matrix. Damit tritt die Erwärmung hauptsächlich im Bereich der Teilspulen auf, wo ein Quench ausgelöst werden soll.

Eine maximale Erwärmung wird erzielt, wenn der Strombegrenzer im Bereich der Teilspulen ganz ohne Matrix ausgeführt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung wird nachfolgend anhand der Fig. 3 näher erläutert. Fig. 3 zeigt in Schnittdarstellung zwei Teilspulen 1a′, 1a′′ des Spulensystems 2a. Die Teilspulen 1a′, 1a′′ sind in Wicklungskammern eines Wicklungskörpers 5 eingebracht. Auf die Teilspulen 1a′, 1a′′ ist der Leiter des Strombegrenzers 2 aufgewickelt. Zur Unter­ scheidung sind die Windungen der Teilspulen 1a′, 1a′′ durch nicht ausgefüllte Kreise, die Wicklungen des Strombegrenzers 2 durch ausgefüllte Kreise gekennzeichnet. Von Teilspule zu Teil­ spule wird der Leiter des Strombegrenzers 2 durch Nuten im Wicklungskörper geführt. Auf die Wicklung des Strombegrenzers 2 wird die bei allen Wicklungen übliche Bandage 6 aufgebracht.

Beim Quench eines Teiles des Spulensystems wird der kritische Strom des Strombegrenzers 2 überschritten und er wird normal­ leitend. Die auftretenden hohen Spannungen am Strombegrenzer 2 führen zu seiner Erwärmung. Durch die beschriebene Anordnung des Strombegrenzers 2 werden gleichzeitig die mit ihm verbun­ denen Teilspulen 1a′, 1a′′ erwärmt und quenchen. Dies führt zu einem Quench der beiden Spulensysteme 1a, 1b. Dadurch gehen die Spannungen über dem zuerst gequenchten Spulensystem und damit über den Strombegrenzer 2 zurück, so daß die Erwärmung des Strombegrenzers 2 auf einen Wert beschränkt werden kann, der nicht zu dessen Beschädigung, z. B. zum Durchbrennen, führt.

Besonders vorteilhaft ist es, den Strombegrenzer so auszufüh­ ren, daß der Spannungsabfall und damit die Erwärmung haupt­ sächlich im Bereich der mit ihm verbundenen Teilspulen 1a′, 1a′′ auftritt. Dazu wird der supraleitende Draht des Strombe­ grenzers außerhalb der Teilspulen 1a′, 1a′′ mit einer elek­ trisch gut leitenden Matrix versehen. Dies stellt die Standard­ ausführung eines Supraleiters da. Im Bereich der Teilspulen 1a′, 1a′′ dagegen wird der supraleitende Draht mit einer schlecht leitenden Matrix versehen oder die Matrix ganz weg­ gelassen. Eine Verwendung von handelsüblichen Supraleitern wird z. B. dadurch ermöglicht, daß die Matrix dieses Supraleiters in einem Bereich, der später mit den Teilspulen 1a′, 1a′′ in ther­ mischem Kontakt steht, abgeätzt wird.

Wie bereits in der EP-A1-02 99 325 beschrieben, kann der Strom­ begrenzer 2 in Form von bifilaren Wicklungen ausgeführt werden, um einen Einfluß auf das Magnetfeld zu vermeiden.

Claims (4)

1. Aktiv geschirmter, supraleitender Magnet eines Kernspin-To­ mographen mit einem Spulensystem (1), welches sich aus einem in Reihe geschalteten inneren (1a) und äußeren Spulensystem (1b) mit unterschiedlicher Magnetfeldrichtung zusammensetzt, wobei die beiden Spulensysteme (1a, 1b) mit einem supraleitenden Dau­ erstromschalter (3) überbrückbar sind, wobei ein supraleitender Strombegrenzer (2) mit geringem kritischen Strom eines der bei­ den Spulensysteme (1a, 1b) überbrückt und dadurch einen Diffe­ renzstrom zwischen innerem (1a) und äußerem Spulensystem (1b) ermöglicht, und wobei der supraleitende Strombegrenzer (2) bei Überschreitung eines vorbestimmten Differenzstromes normallei­ tend wird und dadurch die Stromdifferenz zwischen innerem (1a) und äußerem Spulensystem (1b) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Strombegrenzer (2) mindestens mit einem Teil mindestens eines Spulensystems (1a, 1b) in gut wärmeleitfähiger Verbindung steht.

2. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strombegrenzer (2) auf mindestens einer Teilspule (1a′, 1a′′) mindestens eines Spulen­ systems (1a, 1b) aufgewickelt ist.

3. Supraleitender Magnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strombegrenzer (2) au­ ßerhalb des Bereiches der Teilspulen (1a, 1b) aus einem supra­ leitenden Draht mit einer gut elektrisch leitenden Matrix und innerhalb des Bereiches der Teilspulen (1a, 1b) mit einer schlecht leitenden Matrix ausgeführt ist.

4. Supraleitender Magnet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strombegrenzer (2) im Bereich der Teilspulen (1a, 1b) ohne Matrix ausgeführt ist.