DE10202372B4

DE10202372B4 - Supraleitfähiges NMR-Hochfeld-Magnetspulensystem mit herausragender innerer Spulensektion

Info

Publication number: DE10202372B4
Application number: DE10202372A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Schlenga; Gerhard Dr. Roth; Arne Dr. Kasten
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2022-01-24
Also published as: US20040135659A1; DE10202372A1; GB2388909A; US6774752B2; GB0301281D0; GB2388909B

Abstract

Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-Hochfeld-Magnetspulensystem zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds B₀ in einem Messvolumen (23) mit mehreren radial ineinander geschachtelt angeordneten, solenoidförmigen Spulensektionen (12, 13; 21; 31), dadurch gekennzeichnet, dass die radial innerste Spulensektion (21; 31) mit einem bandförmigen Supraleiter mit einem Aspektverhältnis > 3 auf einen Spulenträger (41; 51; 61) gewickelt ist, der zumindest an einem axialen Ende das Wickelpaket der radial benachbarten Spulensektion (12) in axialer Richtung überragt, und dass der bandförmige Supraleiter auf dieser Seite tangential nach außen in einen Bereich reduzierter Magnetfeldstärke geführt ist und in mindestens eine elektrische Verbindungsstelle (16) mündet.

Description

Die Erfindung betrifft ein supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR (=Kernspin-Resonanz)-Hochfeld-Magnetspulensystem zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds B₀ in einem Messvolumen mit mehreren radial ineinander geschachtelt angeordneten, solenoidförmigen Spulensektionen.

Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der Handreichung der TU München „Supraleitende Magnete für die NMR-Spektroskopie", http://www.org.chemie.tu-muenchen.de/people/rh/nmrueb/magnet2.pdf (Stand: 21.12.2001) von Rainer Haeßner bekannt.

Ein alternativer Aufbau einer NMR-Hochfeld-Magnetspulenanordnung in Pancake-Anordnung findet sich bei Martin N. Wilson, Superconducting magnets, Oxford University Press, New York, 1983/1997, Seite 318.

Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie hat derzeit große Bedeutung zur Strukturaufklärung in Chemie und Festkörperphysik, aber auch in der medizinischen Diagnostik bei der Messung der räumlichen Dichteverteilung von bestimmten Atomen, z. B. Protonen, in lebendem Gewebe als Ergänzung und Erweiterung der Röntgendiagnostik (Kernspin-Tomographie).

In der Regel werden in der NMR in einem Messvolumen möglichst hohe magnetische Feldstärken bei gleichzeitig bestmöglicher Homogenität und zeitlicher Stabilität angestrebt. Alle diese Faktoren tragen zum Auflösungsvermögen der NMR-Messung entscheidend bei.

Hohe Magnetfeldstärken können durch Verwendung von supraleitenden Magnetspulensystemen erzielt werden. In den supraleitenden Spulen, die im Betriebszustand über eine supraleitende Brücke kurzgeschlossen sind, fließen nahezu verlustfrei elektrische Ströme bis zu einigen hundert Ampere, die Magnetfelder der Größenordnung einiger Tesla erzeugen.

Die Homogenität und Stabilität der Magnetfelder wird einerseits durch zusätzliche äußere Kompensationsspulen, sogenannten Shimspulen, aber auch durch einen möglichst symmetrischen Aufbau der Magnetanordnung andererseits erreicht. Auch die Shimspulen können als Supraleiter ausgestaltet sein.

Bei der Verwendung von Supraleitern ist zu beachten, dass Supraleiter oberhalb gewisser Temperaturen, elektrischer Ströme und magnetischer Feldstärken, die vom verwendeten Material abhängen, in den normal leitenden Zustand übergehen. Das kritische Maximum eines jeweiligen Parameters ist dabei von der Größe der beiden anderen Parameter abhängig.

Die DE 36 88 764 beschreibt einen Supraleitermagneten mit einer Spule aus einem Tieftemperatur-Supraleitermaterial, wobei die Wicklungen auf einen kegelstumpfförmigen Spulenträger angeordnet sind und von radial vorstehenden Schultern umgeben sind, die eine interne Ringebeanspruchung der Wicklungen vermindern.

Seit 1986 sind so genannte Hochtemperatursupraleiter (HTS) verfügbar, die höhere Sprungtemperaturen und höhere kritische Magnetfeldstärken aufweisen als herkömmliche (insbesondere metallische) Supraleiter. In US 5,764,121 ist eine Hybrid-Magnetanordnung beschrieben. Diese umfasst einen Solenoidmagneten aus einem aus einem Tieftemperatur-Supraleitermaterial, welches in der Regel keine Rücksicht auf minimale Krümmungsradien zu nehmen braucht, und einem Einsatz, bestehend aus einem Stapel einzelner Scheiben mit HTS-Beschichtung. In dem Einsatz wird einen Kreisstrom induziert und der magnetischen Fluss sowohl von Einsatz als auch Solenoidmagnet gemeinsam genutzt, um so auf große Magnetfeldstärken zu kommen. Dabei können die Kühlkosten gering gehalten werden, da der Einsatz nur mit Stickstoff gekühlt zu werden braucht. HTS-Materialien werden deshalb gerne für die inneren Spulensektionen von Magnetspulensystemen eingesetzt, da auf diese die größten Magnetfeldstärken wirken.

Allerdings besitzen die HTS-Materialien im Allgemeinen keramische Eigenschaften und sind deshalb aufgrund geringer Duktilität und geringer Bruchfestigkeit schwer zu verarbeiten. In der Regel ist eine Herstellung des HTS in der einzusetzenden Gestalt erforderlich. Problematisch sind insbesondere starke Biegungen (Knicke) in der supraleitenden Struktur, die die Stromtragfähigkeit des Supraleiters erheblich verringern können. Für diese spröden Supraleiter werden daher minimal mögliche Krümmungsradien bestimmt, die in der vorgesehenen Anwendung berücksichtigt werden müssen.

Um die Windungen einer Magnetspule vor zu großer Belastung, beispielsweise aufgrund des starken Magnetfelds, in welchem sich die Magnetspule befindet, zu schützen, schlägt die US 4,808,954 vor, Ausnehmungen im Spulenträger vorzusehen, in denen die Windungen angeordnet sind. Dies bewirkt zwar eine Stabilisierung gegenüber einen potentiellen Verschiebung aufgrund des einwirkenden Magnetfelds, jedoch können auch mit dieser Methode nur Krümmungsradien bis zu einem Minimalwert realisiert werden.

Ein anderes Problem stellt sich beim elektrischen Kontaktieren von Supraleitern, insbesondere beim Verbinden zweier supraleitender Teilabschnitte einer Leiteranordnung. An den Kontaktpunkten, den sogenannten Joints, wird dazu ein supraleitendes Lot eingesetzt, das jedoch meist eine geringere kritische Magnetfeldstärke aufweist als das übrige Supraleitermaterial. Die Einsatzfähigkeit der Anordnung wird dann durch das Lot beschränkt, es sei denn die Joints können in einem Bereich geringerer Magnetfeldstärke angeordnet werden als der Hauptteil der Supraleiteranordnung.

Die WO 01/48767 A1 schlägt daher vor, eine magnetische Abschirmvorrichtung um derartige Joints anzuordnen, so dass die Joints einer geringeren Magnetfeldstärke ausgesetzt sind, was jedoch eine zusätzlichen konstruktiven Aufwand mit sich bringt.

Die von Wilson, aaO, beschriebene Pancake-Magnetspulenanordnung, die auf einer Tape-Wickeltechnik beruht, belässt die Joints im Hochfeldbereich, so dass das Lot die maximal erreichbare Magnetfeldstärke begrenzt und der Einsatz von HTS-Materialien in dieser Anordnung nicht sinnvoll ist.

In der Anordnung von MAGNEX, wie von Haeßner, aaO, beschrieben, werden die Joints der radial ineinander geschachtelt angeordneten, solenoidförmigen Spulensektionen in den Niederfeldbereich herausgezogen. Allerdings ist es in der gezeigten Geometrie erforderlich, den Supraleiter parallel zur Wicklungsachse, d.h. senkrecht zur Wickelrichtung, herauszuführen. Dies bedeutet einen Knick von etwa 90° in der Leiterbahn des Supraleiters, so dass der erforderliche minimal zulässige Biegeradius des Spulenmaterials nicht durch den Spulenradius, sondern durch den Knick in der Leiterbahn bestimmt wird. Dadurch können keramische HTS-Materialien aufgrund ihres zu großen minimalen Biegeradius in dieser Anordnung nicht verwendet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, die Verwendung eines spröden bandförmigen Supraleiters für das innerste Spulensystem zu ermöglichen, der eine solche Biegung über die hohe Kante nicht verträgt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, dass die radial innerste Spulensektion mit einem bandförmigen Supraleiter mit einem Aspektverhältnis (= Breite zu Dicke) > 3 auf einen Spulenträger gewickelt ist, der zumindest an einem axialen Ende das Wickelpaket der radial benachbarten Spulensektion in axialer Richtung überragt, und dass der bandförmige Supraleiter auf dieser Seite tangential nach außen in einen Bereich reduzierter Magnetfeldstärke geführt ist und in mindestens eine elektrische Verbindungsstelle mündet.

Dadurch kann der Supraleiter ohne nennenswerten Knick aus dem Hochfeldbereich der Magnetanordnung geführt werden, und eine Kontaktierung des Supraleiters kann ohne eine Beeinträchtigung der maximalen Magnetfeldstärke durch das Lot erfolgen. Dadurch ist die Magnetanordnung mit radial ineinander geschachtelt angeordneten, solenoidförmigen Spulensektionen auch spröden keramischen Supraleitern leicht zugänglich, zu denen die bekannten HTS-Materialien gehören.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems enthält der bandförmige Supraleiter Hochtemperatur-Supraleiter (= HTS) Material. Dadurch können erheblich größere Magnetfeldstärken erzeugt werden, und das Auflösungsvermögen einer zugehörigen NMR-Messeinrichtung kann erheblich gesteigert werden.

Besonders vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der mindestens eine elektrische Verbindungsstelle, in die der tangential nach außen geführte bandförmige Supraleiter mündet, supraleitend ist. Diese Verbindungsstelle ist einer geringeren Magnetfeldstärke ausgesetzt als der Hauptteil der Spule, so dass das üblicherweise verwendete supraleitende Lot den Einsatzbereich der Anordnung, insbesondere die maximale Magnetfeldstärke, nicht begrenzt.

Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindungsstelle ein supraleitender Schalter ist. Dies erleichtert das Laden der Magnetspulenanordnung.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform des Magnetspulensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der elektrischen Verbindungsstellen unterschiedliche supraleitende Materialien miteinander verbindet. Dadurch wird ein Wechsel des Supraleitermaterials innerhalb des Schaltkreises ermöglicht, insbesondere auf einen leicht zu handhabenden duktilen metallischen Supraleiter.

Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, in der der bandförmige Supraleiter von der elektrischen Verbindungsstelle wieder zur Magnetspule zurückgeführt wird. Dadurch werden mehrere Wicklungslagen bzw. größere Wickellängen und damit höhere Magnetfeldstärken zugänglich.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Magnetspulensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenträger der radial innersten Spulensektion an seinem anderen axialen Ende die Wickelpakete der übrigen Spulensektionen des Magnetspulensystems in axialer Richtung nicht überragt. Dies verringert die Bauhöhe der Anlage und spart Material ein.

Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems ist die radial innerste Spulensektion in axialer Richtung derart unsymmetrisch bezüglich des magnetischen Zentrums der äußeren Spulensektionen gewickelt, dass die für ein NMR-Hochfeld-Magnetspulensystem erforderliche Homogenität des erzeugten Gesamtmagnetfelds erhalten bleibt. Dies vermeidet weitere zusätzliche Korrekturspulen zur Feldhomogenisierung.

Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, wobei bei den Wicklungslagen der radial innersten Spulensektion, bei denen an einem axialen Ende der bandförmige Supraleiter tangential nach außen in einen Bereich reduzierter Magnetfeldstärke geführt ist, die Wicklungsdichte axial variiert. Die dem bekannten Stand der Technik gemäße Magnetspulenanordnung mit jeweils die benachbarten inneren Spulensektionen überragenden äußeren Spulensektionen (vgl. Haeßner, aaO), besitzt den Vorteil hoher Magnetfeldhomogenität im Zentrum der Anordnung. Durch das erfindungsgemäße Überrragen der innersten Spulensektion wird diese Geometrie eingebüßt. Allerdings kann durch die erfindungsgemäße Variation der Wicklungsdichte, insbesondere durch ein Verringern der Wicklungszahl im Überstandbereich, die resultierende Störung gering gehalten werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems sieht vor, dass der bandförmige Supraleiter durch speziell geformte Abstandshalter mit gleicher Höhe wie der bandförmige Supraleiter präzise geführt wird. Dadurch ergibt sich nach einer fertig gewickelten Lage wieder eine gleichmäßige Zylinderoberfläche als Grundlage für eventuelle weitere Wicklungen.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die tangential nach außen in einen Bereich reduzierter Magnetfeldstärke und gegebenenfalls von dort tangential nach innen zurück geführten Teile des bandförmigen Supraleiters durch nutenartige Vertiefungen auf den Oberflächen des Spulenträgers der radial innersten Spulensektion geführt sind. Dadurch ist die Lage des Supraleiters fixiert, so dass durch Kräfte auf den Leiter (etwa durch die Lorentzkräfte in dem Magnetfeld) keine Änderung der Leitergeometrie hervorgerufen wird, die ihrerseits eine Magnetfeldänderung zur Folge hätte.

In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform sind nutenartigen Vertiefungen zur definierten Führung des bandförmigen Supraleiters für die radial innerste Wickelungslage direkt in den Spulenträger integriert. Dies ist besonders einfach und mechanisch sehr stabil.

In einer anderen Weiterbildung sind zwischen den Wicklungslagen des bandförmigen Supraleiters der radial innersten Spulensektion flexible Matten mit Vertiefungen zur definierten Führung der benachbarten Wickellage(n) des bandförmigen Supraleiters angeordnet. Dies ermöglicht die mechanische Fixierung von mehreren Wicklungslagen.

In einer alternativen Weiterbildung sind zwischen den Wicklungslagen des bandförmigen Supraleiters der radial innersten Spulensektion jeweils zwei zusammengelegte Halbschalen mit Vertiefungen zur definierten Führung der benachbarten Wickellage(n) des bandförmigen Supraleiters angeordnet. Auch dies ermöglicht die mechanische Fixierung von mehreren Wicklungslagen.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildungsform, die nutenartigen Vertiefungen auf den Oberflächen des Spulenträgers bzw. der untergelegten Matten oder Halbschalen mit sägezahnartigen Querschnitten aufweist. Dadurch kann der bandförmige Supraleiter trotz Steigung der Spulenwicklung entlang der Spulenachse bei Krafteinwirkung ohne Formänderung in der Führung gehalten werden. Die Krafteinwirkung erfolgt dann größtenteils normal zur Bandebene, so dass mechanische Spannungen des Bands geringst möglich bleiben.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems sieht vor, dass der Querschnitt des Spulenträgers der radial innersten Spulensektion axial variabel, insbesondere konisch verläuft. Auch dies trägt zum Erhalt der Homogenität des zentrumsnahen Magnetfelds bei, welche durch die überragende innerste Spulensektion gestört wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die elektrischen Verbindungsstellen azimutal gleichmäßig verteilt angeordnet. Dadurch werden Störungen des Magnetfelds durch die Verbindungsstellen symmetrisiert, wodurch die Homogenität des Magnetfelds weitgehend gewahrt wird.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind die elektrischen Verbindungsstellen azimutal benachbart angeordnet. Dadurch werden Magnetfeldstörungen durch die Verbindungsstellen auf einen kleinen Raumbereich begrenzt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems ist der minimal zulässige Biegeradius des bandförmigen Supraleiters von der Größenordnung des Radius des Spulenträgers der radial innersten Spulensektion. Dadurch ist die Spulengeometrie bestmöglich an das verwendete spröde Supraleitermaterial angepasst, so dass die Vorteile der Erfindung, insbesondere die Verwendung spröder HTS-Materialien in der erfindungsgemäßen Spulengeometrie zur Erzeugung höchster Magnetfeldstärken, optimal genutzt werden.

Besonders deutlich wird dies in einer vorteilhaften Ausführungsform, bei der das Magnetspulensystem zur Erzeugung einer magnetischen Induktionsstärke > 20 T ausgelegt ist. Dadurch werden einer NMR-Messung noch bessere Auflösungsvermögen zugänglich.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur etwa gleich oder kleiner 4 K, insbesondere etwa 2 K ist. Diese tiefe Betriebstemperatur gestattet die Verwendung hoher Magnetfeldstärken, so dass der Vorteil der erfindungsgemäßen Geometrie, welche unter anderem die Joints in einen Bereich niedriger Magnetfeldstärke führt, voll zur Geltung kommt.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems sieht vor, dass alle Spulensektionen in Serie geschaltet sind. Diese Schaltung ist besonders einfach.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass im Betrieb alle Sektionen im Dauerstrommodus betrieben werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems sind alle Sektionen, die keine HTS enthalten, in Serie geschaltet. Dies fast einen Teil der Spulenanordnung sinnvoll und auf einfache Weise elektrisch zusammen.

Eine Weiterbildung davon ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, um die den HTS enthaltende Sektion mit einem separatem Netzgerät zu betreiben. Dieses Netzgerät kann dann an den Erfordernissen allein dieser Sektion ausgerichtet werden.

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.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen naher erläutert. Es zeigen:
1: die schematische Darstellung eines geschachtelten solenoidförmigen Magnetspulensystems und deren Kontaktierung gemäß dem bekannten Stand der Technik;
2: die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen geschachtelten solenoidförmigen Magnetspulensystems mit beidseitig überstehender innerster Spulensektion;
3: die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen geschachtelten solenoidförmigen Magnetspulensystems mit einseitig überstehender innerster Spulensektion;
4: die schematische Darstellung einer solenoidförmigen Magnetspule mit erfindungsgemäßer veränderlicher Wickeldichte;
5: die schematische Darstellung einer solenoidförmigen Magnetspule mit erfindungsgemäßem veränderlichen Querschnitt des Spulenträgers;
6: die schematische Darstellung einer solenoidförmigen Magnetspule mit erfindungsgemäßen sägezahnförmigen, nutenartigen Vertiefungen zur Führung des bandförmigen Supraleiters;
7 die schematische Darstellung einer solenoidförmigen Magnetspule mit zwei Wickellagen und erfindungsgemäßer Führung des bandförmigen Supraleiters.
In der 1 ist der bekannte Stand der Technik der Kontaktierung von geschachtelten solenoidförmigen Magnetspulensystemen schematisch dargestellt. Eine innerste Spulensektion 11 wird von mehreren äußeren Spulensektionen 12, 13 überragt, wobei die weiter außen liegenden Spulensektionen 12, 13 die jeweils innen benachbarten Spulensektionen 11, 12 überragen. Alle drei Spulensektionen 11–13 sind an einer gemeinsamen Wickelachse 17 ausgerichtet. Zur Kontaktierung der supraleitenden innersten Spulensektion 11 wird eine aus dem Spulenmaterial bestehende supraleitende Leitung 14 aus dem Bereich hoher magnetischer Feldstärken herausgeführt, so dass eine Verbindungsstelle (Joint) 16 zu einem anderen Material nur geringen magnetischen Feldstärken ausgesetzt ist. Dadurch kann dort zur Kontaktierung ein supraleitendes Lot mit geringerer kritischer Magnetfeldstärke als der des Spulenmaterials eingesetzt werden. Die supraleitende Leitung 14 wird dabei parallel zur Wickelachse 17, d.h. senkrecht zur Wickelrichtung, herausgeführt (siehe Haeßner, aaO). Dabei muss eine Biegung des supraleitenden Spulenmaterials um ca. 90° in Kauf genommen werden. Der notwendige minimal zulässige Krümmungsradius des Spulenmaterials wird in diesem Fall durch den Biegeradius am Knick 15 zwischen der Kante der innersten Spulensektion 11 (entlang der die letzte Wickelschlaufe annähernd verläuft) und der supraleitenden Leitung 14 bestimmt.
2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung eines geschachtelten solenoidförmigen Magnetspulensystems, wobei eine innerste Spulensektion 21, welche die höchsten Magnetfeldstärken erfährt, die weiter außen gelegenen Magnetspulensektionen 12, 13 beidseitig überragt. Dadurch kann eine supraleitende Leitung 22 ohne signifikante Biegung gegen die Wickelrichtung der Spule von der innersten Spulensektion 21 weggeführt werden. Der notwendige minimal zulässige Krümmungsradius des Spulenmaterials wird sodann durch den Spulenradius bestimmt. Der bezüglich beider Seiten des Magnetspulensystems symmetrisch vorgesehene Überstand der innersten Spulensektion 21 minimiert die Inhomogenität des Magnetfelds im Zentrum des Magnetspulensystems, insbesondere in einem Probenbereich 23.
In 3 ist eine erfindungsgemäße Variante der Anordnung von 2 gezeigt, wobei eine innerste Spulensektion 31 nur auf einer Seite die äußerste Spule 13 überragt. Diese Bauweise ist platzsparender als die Ausführungsform von 2, bringt aber auch Asymmetrien im Magnetfeld entlang der Spulenachse 17 mit sich.
4 zeigt die schematische Darstellung der innersten Spulensektion 31 einer Magnetanordnung, die zur Kompensation von Magnetfeldasymmetrie entlang der Spulenachse 17 eine erfindungsgemäße veränderliche Wickeldichte aufweist. Die auf einem Wickelkörper 41 aufgewickelten Windungen sind in zwei Bereiche aufgeteilt: In der Nähe des Probenraumes 23 existiert ein Bereich eng gewickelter, gleichmäßiger Windungen 42. Dieser dient der Erzeugung höchster Magnetfelder im Probenraum 23. In Richtung auf Verbindungsstelle 16 geht die Spule in einen Bereich abnehmender Wickeldichte 43 über. Im Bereich abnehmender Wickeldichte 43 wird ein weniger starkes Magnetfeld erzeugt als in einem vergleichbaren Bereich eng gewickelter, gleichmäßiger Windungen 42. Der Bereich abnehmender Wickeldichte 43 kann sich im Extremfall über die gesamte innerste Spulensektion 31 oder zumindest Teilbereiche davon erstrecken. Dadurch wird die Magnetfeldasymmetrie im Probenbereich 23, welche durch den einseitigen Überstand der innersten Spulensektion 31 verursacht wird, minimiert.
5 zeigt die schematische Darstellung der innersten Spulensektion 31 eines Magnetspulensystems, die zur Kompensation von Magnetfeldasymmetrie entlang der Spulenachse 17 einen erfindungsgemäßen axial variablen Querschnitt eines zugehörigen Spulenträgers 51 aufweist. Die im dargestellten Ausführungsbeispiel gleichmäßig dichte Wicklung der Spule verursacht im Bereich des großen Querschnitts des Spulenträgers 51 in der Nähe der Verbindungsstelle 16, also im Bereich des Überstands über die äußerste Spulensektion 13, gemäß dem Biot-Savartschen Gesetz einen kleineren Magnetfeldbeitrag als im Bereich des kleineren Querschnitts in Nähe des Probenraums 23. Dadurch wird die Magnetfeldasymmetrie im Probenbereich 23, welche durch den einseitigen Überstand der innersten Spulensektion 31 verursacht wird, ebenfalls minimiert.
In 6 ist die innerste Spulensektion 31 eines Magnetspulensystems schematisch dargestellt, die entlang der Wickelachse 17 eine veränderliche Wickeldichte aufweist (vgl. 4). Dabei wird im Bereich abnehmender Wickeldichte 43 der bandförmige Supraleiter erfindungsgemäß durch nutenartige, sägezahnförmige Vertiefungen 62 in der Oberfläche des Spulenträgers 61 geführt und fixiert. Die Steilheit des Sägezahnprofils ist dabei der Steigung der Wickelschraube angepasst, so dass der bandförmige Supraleiter stets flach in seiner Führung aufliegt. Dies minimiert die mechanischen Spannungen im Supraleiter im Falle von Krafteinwirkung, z. B. durch die Lorenzkraft.
7 zeigt den schematischen Aufbau der innersten Spulensektion 31 eines Magnetspulensystems, die analog zum Ausführungsbeispiel von 6 einen Bereich veränderlicher Wickeldichte 43 sowie sägezahnförmige Vertiefungen 62 zur Führung des bandförmigen Supraleiters aufweist, aber aus zwei Wickellagen 71 und 72 besteht. In dem Bereich, in dem die innere Wickellage 71 einen Bereich abnehmender Wickeldichte 43 aufweist, sind die sägezahnartigen Vertiefungen 62 durch erfindungsgemäße Zwischenstücke 73 getrennt, die sowohl die sägezahnartigen Vertiefungen 62 begrenzen als auch eine annähernd ebene Auflagefläche für die obere Wickellage 72 bilden. Die obere Wickellage 72 ist ebenfalls mit erfindungsgemäßen Zwischenstücken 74 ausgestattet, die wiederum als Auflagefläche für eine nicht gezeigte dritte Wickellage dienen können. Die Zwischenstücke 73 und 74 können als flexible Matten oder zusammengelegte Halbschalen ausgebildet sein. Wenn die sägezahnförmigen Vertiefungen 62 der inneren Wickellage 71 direkt in den Spulenträger 61 eingearbeitet sind, so können die Zwischenstücke 73 der inneren Wickellage 71 auch ein Teil des Spulenträgers 61 selbst sein.

Claims

Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-Hochfeld-Magnetspulensystem zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds B₀ in einem Messvolumen (23) mit mehreren radial ineinander geschachtelt angeordneten, solenoidförmigen Spulensektionen (12, 13; 21; 31), dadurch gekennzeichnet, dass die radial innerste Spulensektion (21; 31) mit einem bandförmigen Supraleiter mit einem Aspektverhältnis > 3 auf einen Spulenträger (41; 51; 61) gewickelt ist, der zumindest an einem axialen Ende das Wickelpaket der radial benachbarten Spulensektion (12) in axialer Richtung überragt, und dass der bandförmige Supraleiter auf dieser Seite tangential nach außen in einen Bereich reduzierter Magnetfeldstärke geführt ist und in mindestens eine elektrische Verbindungsstelle (16) mündet.
Magnetspulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bandförmige Supraleiter Hochtemperatur-Supraleiter-Material enthält.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine elektrische Verbindungsstelle (16), in die der tangential nach außen geführte bandförmige Supraleiter mündet, supraleitend ist.
Magnetspulensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindungsstelle (16) ein supraleitender Schalter ist.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der elektrischen Verbindungsstellen (16) unterschiedliche supraleitende Materialien miteinander verbindet.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bandförmige Supraleiter von der elektrischen Verbindungsstelle (16) wieder zur Magnetspule zurückgeführt wird.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenträger (41; 51; 61) der radial innersten Spulensektion (21; 31) an seinem anderen axialen Ende die Wickelpakete der übrigen Spulensektionen (12, 13) des Magnetspulensystems in axialer Richtung nicht überragt.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innerste Spulensektion (21; 31) in axialer Richtung derart unsymmetrisch bezüglich des magnetischen Zentrums der äußeren Spulensektionen (13) gewickelt ist, dass die für ein NMR-Hochfeld-Magnetspulensystem erforderliche Homogenität des erzeugten Gesamtmagnetfelds erhalten bleibt.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Wicklungslagen (71, 72) der radial innersten Spulensektion (21; 31), bei denen an einem axialen Ende der bandförmige Supraleiter tangential nach außen in einen Bereich reduzierter Magnetfeldstärke geführt ist, die Wicklungsdichte axial variiert.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bandförmige Supraleiter durch speziell geformte Abstandshalter (73; 74) mit gleicher Höhe wie der bandförmige Supraleiter präzise geführt wird.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tangential nach außen in einen Bereich reduzierter Magnetfeldstärke und gegebenenfalls von dort tangential nach innen zurück geführten Teile des bandförmigen Supraleiters durch nutenartige Vertiefungen (62) auf den Oberflächen des Spulenträgers (41; 51; 61) der radial innersten Spulensektion (21; 31) geführt sind.
Magnetspulensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass nutenartigen Vertiefungen (62) zur definierten Führung des bandförmigen Supraleiters für die radial innerste Wickelungslage (71) direkt in den Spulenträger (41; 51; 61) integriert sind.
Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wicklungslagen (71, 72) des bandförmigen Supraleiters der radial innersten Spulensektion (21; 31) flexible Matten mit Vertiefungen (62) zur definierten Führung der benachbarten Wickellage(n) (71, 72) des bandförmigen Supraleiters angeordnet sind.
Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wicklungslagen (71, 72) des bandförmigen Supraleiters der radial innersten Spulensektion (21; 31) jeweils zwei zusammengelegte Halbschalen mit Vertiefungen (62) zur definierten Führung der benachbarten Wickellage(n) (71, 72) des bandförmigen Supraleiters angeordnet sind.
Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die nutenartigen Vertiefungen (62) auf den Oberflächen des Spulenträgers (41; 51; 61) der untergelegten Matten oder Halbschalen sägezahnartige Querschnitte aufweisen.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Spulenträgers (41; 51; 61) der radial innersten Spulensektion (21; 31) axial variabel, insbesondere konisch verläuft.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungsstellen (16) azimutal gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungsstellen (16) azimutal benachbart angeordnet sind.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der minimal zulässige Biegeradius des bandförmigen Supraleiters von der Größenordnung des Radius des Spulenträgers (41; 51; 61) der radial innersten Spulensektion (21; 31) ist.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulensystem zur Erzeugung einer magnetischen Induktionsstärke > 20 T ausgelegt ist.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur etwa gleich oder kleiner 4 K, insbesondere etwa 2 K ist.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Spulensektionen (12, 13; 21; 31) in Serie geschaltet sind.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb alle Spulensektionen (12, 13; 21; 31) im Dauerstrommodus betrieben werden.
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Spulensektionen (12, 13; 21; 31), die keine Hochtemperatur-Supraleiter enthalten, in Serie geschaltet sind.
Magnetspulensystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, um die den Hochtemperatur-Supraleiter enthaltende Spulensektion (12, 13; 21; 31) mit einem separatem Netzgerät zu betreiben.