Title:
Kryogenfreies Magnetsystem mit magnetokalorischer Wärmesenke
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Eine Kryostatanordnung, die mittels eines Kryokühlers (4) trocken, also ohne Bereitstellung oder Zufuhr von kryogenen Fluiden, auf einer kryogenen Betriebstemperatur gehalten werden kann, wobei in der Kryostatanordnung zumindest im Betrieb eine supraleitende Magnetanordnung (1) sowie eine Wärmesenke-Einrichtung zur Verlängerung der Zeit bis zur Rückkehr der supraleitenden Magnetanordnung in den normalleitenden Zustand (= ”Time-to-Quench”) bei Versagen der aktiven Kühlung vorhanden sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke-Einrichtung magnetokalorisches Material (3) enthält, und dass die Wärmesenke-Einrichtung thermisch leitend mit der supraleitenden Magnetanordnung und/oder mit Teilen der Kryostatanordnung verbunden ist, über welche Umgebungswärme auf die Magnetanordnung fließen kann.
Damit können bei einer „trockenen” Kryostatanordnung mit einfachen technischen Mitteln die Nachteile bekannter gattungsgemäßer Anordnungen vermieden werden. Insbesondere ist die Kryostatanordnung wirklich „kryogenfrei” betreibbar und ermöglicht bei eventuellen Betriebsstörungen eine ausreichend lange „Time-to-Quench”.





Inventors:
Wikus, Patrick, Dr. (Nürensdorf, CH)
Hinderer, Jörg, Dr. (79761, Waldshut-Tiengen, DE)
Application Number:
DE102016208226A
Publication Date:
11/16/2017
Filing Date:
05/12/2016
Assignee:
Bruker BioSpin AG (Fällanden, CH)
International Classes:
H01F6/04; G01R33/3815
Domestic Patent References:
DE102014218773A1N/A2016-03-24
DE19914778B4N/A2012-02-23
DE102006006326A1N/A
Foreign References:
5410286
EP09379531999-08-25
Other References:
Wikus, P. [et al.]: Magnetocaloric materials and the optimization of cooling power density. Cryogenics, 62, 13.04.2014, 150 – 162. sciencedirect.com [online]. DOI: 10.1016/j.cryogenics.2014.04.005, In: sciencedirect
Attorney, Agent or Firm:
Kohler Schmid Möbus Patentanwälte Partnerschaftsgesellschaft mbB, 70563, Stuttgart, DE
Claims:
1. Kryostatanordnung, die mittels eines Kryokühlers (4) trocken, also ohne Bereitstellung oder Zufuhr von kryogenen Fluiden, auf einer kryogenen Betriebstemperatur gehalten werden kann, wobei in der Kryostatanordnung zumindest im Betrieb eine supraleitende Magnetanordnung (1) sowie eine Wärmesenke-Einrichtung zur Verlängerung der Zeit bis zur Rückkehr der supraleitenden Magnetanordnung (1) in den normalleitenden Zustand (= ”Time-to-Quench”) bei Versagen der aktiven Kühlung vorhanden sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmesenke-Einrichtung magnetokalorisches Material (3) enthält,
und dass die Wärmesenke-Einrichtung thermisch leitend mit der supraleitenden Magnetanordnung (1) und/oder mit Teilen der Kryostatanordnung verbunden ist, über welche Umgebungswärme auf die Magnetanordnung (1) fließen kann.

2. Kryostatanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile der Kryostatanordnung, über welche Umgebungswärme auf die Magnetanordnung (1) fließen kann, innerhalb der Kryostatanordnung angeordnete Teile des Kryokühlers (4) und/oder Strahlungsschilde und/oder mechanische Aufhängevorrichtungen (5) für die Magnetanordnung (1) und/oder elektrische Zuleitungen zur Magnetanordnung (1) umfassen.

3. Kryostatanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke-Einrichtung in der Kryostatanordnung relativ zur supraleitenden Magnetanordnung (1) derart angeordnet ist, dass das magnetokalorische Material (3) möglichst magnetfeldfrei gemacht werden kann, so dass sich das magnetokalorische Material am Ende des Entmagnetisierungsprozesses in einem Feld von < 2 Tesla befindet.

4. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur des magnetokalorischen Materials (3) im Normalbetrieb vorhanden ist, die insbesondere ein Thermometer, eine Heizeinrichtung und eine elektronische Wärmeregeleinheit für die Wärmesenke-Einrichtung umfasst.

5. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke-Einrichtung mindestens eine – gegebenenfalls zusätzliche – Magnetspule (2) umfasst.

6. Kryostatanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (2) der Wärmesenke-Einrichtung im Betriebszustand supraleitend kurzgeschlossen ist

7. Kryostatanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (2) der Wärmesenke-Einrichtung mit einer Spule der supraleitenden Magnetanordnung (1) elektrisch verbunden ist.

8. Kryostatanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (2) der Wärmesenke-Einrichtung mit einer Spule der supraleitenden Magnetanordnung (1) elektrisch in Serie geschaltet ist.

9. Kryostatanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (2) der Wärmesenke-Einrichtung und die Spule der supraleitenden Magnetanordnung (1) räumlich so angeordnet und elektrisch derart miteinander verschaltet sind, dass sie gemeinsam eine magnetfelderzeugende Spule bilden.

10. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke-Einrichtung, insbesondere eine Magnetspule (2) in der Wärmesenke-Einrichtung, von einer magnetischen Abschirmung umgeben ist.

11. Kryostatanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die. magnetische Abschirmung der Wärmesenke-Einrichtung eine aktive Abschirm-Magnetspule umfasst.

12. Kryostatanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die. magnetische Abschirmung der Wärmesenke-Einrichtung eine passive Magnetschildanordnung, insbesondere aus supraleitendem Material, aus Weicheisen oder aus einer in sich kurzgeschlossenen Spule aus supraleitendem Draht, umfasst.

13. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Magnetanordnung (1) HTS-Elemente umfasst.

14. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kryostatanordnung Teil einer Magnetresonanz-Apparatur ist.

15. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetokalorische Material (3) der Wärmesenke-Einrichtung GGG (Gadolinium Gallium Garnet), DGG (= Dysprosium Gallium Garnet), GLF (= Gallium Lithium Fluorid”) oder DAG (= Dysprosium Aluminium Garnet) enthält.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Kryostatanordnung, die mittels eines Kryokühlers trocken, also ohne Bereitstellung oder Zufuhr von kryogenen Fluiden, auf einer kryogenen Betriebstemperatur gehalten werden kann, wobei in der Kryostatanordnung zumindest im Betrieb eine supraleitende Magnetanordnung sowie eine Wärmesenke-Einrichtung zur Verlängerung der Zeit bis zur Rückkehr der supraleitenden Magnetanordnung in den normalleitenden Zustand (= ”Time-to-Quench”) bei Versagen der aktiven Kühlung vorhanden sind.

Eine solche Kryostatanordnung, die allerdings immer noch geringe Mengen an flüssigem Kryogen enthält, ist an sich bekannt, etwa aus EP 0 937 953 A1 oder aus DE199 14 778 B4.

Hintergrund der Erfindung

Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung bildet ein kryogenes System zur Kühlung eines supraleitenden Magnetspulensystems, wie es beispielsweise für Anwendungen der Magnetresonanzspektroskopie (= NMR) oder der Magnetresonanztomographie (= MRI) eingesetzt wird. Die Anwendbarkeit der Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Gebiet beschränkt.

Supraleitende Magnete müssen auf kryogene Temperaturen gekühlt werden, um funktionsfähig zu sein. Viele Anwender bevorzugen dabei „kryogenfreie” Magnete, die zur Gänze auf den Einsatz von Kryogenen (z. B. flüssiges Helium und/oder flüssigen Stickstoff) verzichten, und die Betriebstemperatur ausschließlich mit sogenannten „Kryokühlern”, also „trocken” aufrechterhalten. Typischerweise kommen hier Pulsrohr-, Stirling- oder Gifford-McMahonkühler zum Einsatz.

Der Nachteil eines solchen kryogenfreien Magnetsystems besteht in der teilweise sehr kurzen „Time-to-Quench”. Bei einem Ausfall des Kryokühlers (üblicherweise bedingt durch einen Stromausfall, eine Unterbrechung in der Kühlwasserversorgung, oder einen mechanischen Defekt am Kompressor oder Kaltkopf) wärmt sich das Magnetsystem sehr schnell über die zulässige Betriebstemperatur auf und quencht. Das Magnetsystem ist dann für längere Zeit nicht mehr benutzbar, da es wieder abgekühlt und neu geladen werden muss.

Eine Möglichkeit, die ”Time-to-Quench” zu verlängern, besteht darin, geringe Mengen eines Kryogens vorzusehen, dessen Verdampfungswärme die Temperatur des Magnets im Falle eines Kühlerausfalls konstant hält. Diese Technik wird üblicherweise als „Minimum Condensed Volume” bezeichnet. Nachteilig ist, dass auch der Einsatz geringer Mengen eines Kryogens strenggenommen nicht mehr kompatibel mit der Definition „cryogen-free” ist.

Außerdem muss ein System vorgesehen werden, um das Kryogen beim Abkühlen des Magnets kondensieren zu können. Ebenfalls nachteilig ist, dass – bedingt durch die begrenzte Anzahl praktisch einsetzbarer Kryogene – nur einige wenige Betriebstemperaturfenster möglich sind (z. B. ca. 2,5 K–4,5 K für He, ca. 70 K–77 K für LN2, etc).

Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Magnet so auszuführen, dass seine spezifische Wärme maximiert wird. Die spezifische Wärme von Metallen bei tiefen Temperaturen ist allerdings sehr klein – es gibt nur wenige Ausnahmen. Zum Beispiel kommt der Einsatz größerer Mengen Eisens in Frage. Nachteilig an jeder Lösung, die sich ausreichend hohe spezifische Wärme zu Nutze macht, ist, dass es auf jeden Fall zu einem stetigen Temperaturanstieg kommt, sobald die Kühlung ausfällt. Außerdem wirkt sich eine solche Lösung üblicherweise negativ auf Magnetmasse und Magnetvolumen aus.

Spezifischer Stand der Technik

Nach der eingangs zitierten EP 0 937 953 A1 wird die „Time-to-Quench” verlängert, indem kleine Mengen eines Kryogens in einem dafür vorgesehenen Reservoir bevorratet werden. Die Spule selbst liegt innerhalb dieses Reservoirs. Gegenüber einem „gewöhnlichen” Heliumtank ist dieses Reservoir zwar deutlich kleiner ausgebildet, um die Kryogenmenge so klein wie möglich zu halten. Wirklich „trocken” im strengen Sinne ist diese Anordnung allerdings dennoch nicht.

Auch bei der Kryostatanordnung nach der – ebenfalls eingangs zitierten – DE 199 14 778 B4 wird die „Time-to-Quench” dadurch verlängert, dass kleine Mengen eines Kryogens in einem dafür vorgesehenen Reservoir bevorratet werden. Die Spule selbst liegt allerdings im Vakuum, und ist thermisch mit dem Reservoir verbunden.

DE 10 2014 218 773 A1: Auch diese Erfindung hat die Verlängerung der ”Time-to-Quench” zum Ziel. Es wird dort allerdings ein gänzlich anderer Ansatz verfolgt: Anstatt die Wärmekapazität bzw. die zu Verfügung stehende Wärmekapazität zu erhöhen, wird bei einem Ausfall des aktiven Kühlers die thermische Kopplung zwischen Spule und Kühler reduziert.

Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine „trockene” Kryostatanordnung der eingangs beschriebenen Art mit einem supraleitenden Magnetspulensystem mit möglichst einfachen technischen Mitteln dahingehend zu verbessern, dass die oben diskutierten Nachteile bekannter gattungsgemäßer Anordnungen vermieden werden. Insbesondere soll die Kryostatanordnung wirklich „kryogenfrei” betreibbar sein und bei eventuellen Betriebsstörungen eine ausreichend lange „Time-to-Quench” ermöglichen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Weise sowie mit ohne Weiteres zur Verfügung stehenden technischen Mitteln dadurch gelöst, dass die Wärmesenke-Einrichtung magnetokalorisches Material enthält, und dass die Wärmesenke-Einrichtung thermisch leitend mit der supraleitenden Magnetanordnung und/oder mit Teilen der Kryostatanordnung verbunden ist, über welche Umgebungswärme auf die Magnetanordnung fließen kann.

Genaue Wirkungsweise der Erfindung und weitere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung schlägt also eine Kryostatanordnung vor, welche es ermöglicht, eine supraleitende Magnetanordnung wirklich „trocken” zu betreiben, also ohne Zufuhr von kryogenen Fluiden auf einer kryogenen Betriebstemperatur zu halten, und diese Betriebstemperatur auch im Falle des Versagen der aktiven Kühlung für eine signifikante Zeitdauer aufrechtzuerhalten (Verlängerung der „Time-to-Quench”).

Zur effektiven Verlängerung der „Time-to-Quench” macht sich die Erfindung den magnetokalorischen Effekt zunutze, durch den magnetokalorisches Material seiner Umgebung bei annähernd konstanter Temperatur Wärme entzieht, wenn es entmagnetisiert wird. Auch Varianten, bei welchen das Material nicht entmagnetisiert wird, sondern nur ein Magnetfeld angelegt wird, um die spezifische Wärme zu maximieren, sind von der vorliegenden Erfindung umfasst.

Der sogenannte magnetokalorische Effekt beschreibt die thermische Reaktion eines Systems auf eine Änderung des Magnetfelds. Magnetokalorische Materialen – z. B. paramagnetische Salze, einige Oxide und Fluoride seltener Erden oder sogenannte „Laves-Phasen” Materialen – werden unter anderem in magnetischen Kühlern (zum Beispiel in adiabatischen Entmagnetisierungs-Kryostaten) eingesetzt. Diese magnetokalorischen Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass deren Entropie durch Anlegen eines Magnetfelds verändert werden kann.

Beispielhaft ist in 3a ein Entropie-Temperaturdiagramm für das magnetokalorische Material GGG (Gadolinium Gallium Garnet) für drei verschiedene Magnetfelder (B = 1 T, 2 T und 6 T) gezeigt. Die Entropie S wurde auf die ideale Gaskonstante R normiert.

Durch Anlegen eines Magnetfelds von 6 T kann bei einer Temperatur von 5 K die normierte Entropie S/R also auf einen Wert von etwa 0,62 gesenkt werden. Dies ist in der Abbildung durch den Pfeil angedeutet.

Findet in einem isothermen Prozess bei der Temperatur T eine Entropieveränderung ΔS statt, wird eine Wärmemenge Q entweder frei oder adsorbiert: Q = T·ΔS

Wenn die Entropie gesenkt wird (d. h. bei der Magnetisierung des magnetokalorischen Materials), wird Wärme frei, bei der Demagnetisierung wird Wärme adsorbiert.

Diese Eigenschaft kann man sich erfindungsgemäß zu Nutze machen, um in einem kryogenfreien Magnetsystem mit einer supraleitenden Hauptspule die „Time-to-Quench” zu erhöhen. Dafür kann magnetokalorisches Material beispielsweise innerhalb einer supraleitenden Zusatzspule platziert werden.

Beim Abkühlen des Systems wird diese Zusatzspule geladen, die Entropie des magnetokalorischen Materials nimmt ab, und Wärme wird frei. Diese Wärme wird von einem Kryokühler abgeführt. Dann wird die Zusatzspule supraleitend kurzgeschlossen.

Wenn der Kryokühler ausfällt, wird die supraleitende Zusatzspule langsam entladen. Dabei absorbiert das magnetokalorische Material Wärme. Die Entladegeschwindigkeit kann so gewählt werden, dass die Rate, mit der Wärme im magnetokalorischen Material absorbiert wird, der Rate entspricht, mit der Wärme über die mechanische Trägerstruktur bzw. Stromzuleitungen oder Strahlung, sowie den ausgefallenen Kryokühler ins System fließt, d. h. die Hauptspule verändert ihre Temperatur nicht.

GGG hat eine Ionendichte von 1,26E22 cm–3. Für ein Volumen von einem Liter ergeben sich mit der idealen Gaskonstante R = 8,314 J/(mol·K) bei einer Temperatur von 5 K eine Entropie von 332 J/K bei 1 T, und eine Entropie von 109 J/K bei 6 T. Bei einer Temperatur von 5 K können bei einer Entmagnetisierung von 6 T auf 1 T also 1115 J absorbiert werden. Bei einer Wärmelast von 100 mW = 0,1 W verlängert das die „Time-to-Quench” um 11150 Sekunden oder um etwas mehr als drei Stunden.

Ein Volumen von einem Liter kann leicht untergebracht werden. Zum Vergleich: Das entspricht einem Zylinder mit einer Länge von 10 cm und einem Durchmesser von etwa 12 cm. Ein Liter flüssiges Helium würde bei der Verdampfung bei einer Temperatur von 4,2 K etwa eine Wärmemenge von 2625 J abführen. Helium hat also eine höhere volumetrische Effizienz, besonders, da bei der magnetokalorischen Wärmesenke noch das Volumen der Zusatzspule berücksichtigt werden muss.

Da viele Vorrichtungen, die für den Betrieb einer supraleitenden Magnetspule benötigt werden, in einem kryogenfreien Magneten in der Regel schon vorhanden sind (Isolationsvakuum, Stromzuführungen, etc), ist der Einbau einer solchen zusätzlichen Spule verhältnismäßig einfach zu realisieren.

Mögliche magnetokalorische Materialien sind: GGG (Gadolinium Gallium Garnet), Dysprosium Gallium Garnet (DGG), Gallium Lithium Fluorid (GLF), Dysprosium Aluminium Garnet (DAG), etc. Welches Material verwendet werden sollte, hängt stark von der Temperatur ab, bei der der Magnet betrieben wird.

Magnetokalorische Materialien weisen in gewissen Temperaturbereichen auch eine uncharakteristisch hohe spezifische Wärme auf. Diese Maxima der spezifischen Wärme können ebenfalls genutzt werden, um die „Time-to-Quench” zu verlängern:
In 3b ist die spezifische Wärme des magnetokalorischen Materials (Er0.53Ho0.47)Co2 gezeigt (aus: Zhu Y, Asamoto K, Nishimura Y, Kouen T, Abe S, Matsumoto K, et al. Cryogenics 2011; 51: 494).

Die vorliegende Erfindung kann auch dazu genutzt werden, die spezifische Wärme des magnetokalorischen Materials durch Anlegen eines Magnetfelds mit der Zusatzspule so zu verändern, dass sie ideal zur Betriebstemperatur des Magneten passt. Wird der Magnet z. B. bei 60 K betrieben und würde (Er0.53Ho0.47)Co2 als magnetokalorisches Material verwendet, könnte mit der Zusatzspule ein Feld von 4 T–5 T angelegt werden. Die spezifische Wärme des magnetokalorischen Materials ist dann bei der Betriebstemperatur maximal, und im Falle eines Kühlerausfalls wird der Anstieg der Systemtemperatur verlangsamt.

Die hohe Wärmekapazität des magnetokalorischen Materials hat einen weiteren großen Vorteil, nämlich dass dynamische Fluktuationen (z. B. vom Kühler) abgedämpft werden.

Die oben beschrieben Zusatzspule muss so im Magnetsystem angebracht werden, dass das magnetokalorische Material möglichst magnetfeldfrei gemacht werden kann, um die mögliche Entropieänderung zu maximieren.

Das kann z. B. durch geeignete geometrische Positionierung erreicht werden (z. B. möglichst weit weg von der Hauptspule), oder indem ein magnetischer Schild aus z. B. Weicheisen oder einem supraleitenden Material vorgesehen wird. Des Weiteren ist es möglich, das Feld der Hauptspule durch Feldformspulen so zu formen, dass Bereiche mit niedriger Feldstärke entstehen.

Außerdem muss das magnetokalorische Material an einer Stelle angebracht sein, an der das Feld nicht zu groß ist, um zu vermeiden, dass das Material komplett gesättigt ist.

Im Wesentlichen gibt es hier die gleichen Lösungsmöglichkeiten wie bereits oben geschildert: Die Geometrie sollte entsprechend gewählt werden (z. B. weit weg), Einsatz magnetischer bzw. supraleitender Schilde, und Feldformspulen. Der Fachmann kennt diese Möglichkeiten. Es gibt auch recht nahe am Magneten Bereiche mit sehr niedriger Feldstärke. Zum Teil liegen die Feldnullstellen aufgrund der Abschirmung innerhalb der Hauptspule.

Durch geeignete Anordnung und/oder Abschirmung sollte die Feldveränderung, die sich durch Betätigen der Zusatzspule im Zentrum der Hauptspule ergibt, gering gehalten werden.

Auch hier sind die oben genannten Lösungen hilfreich. Es besteht nun allerdings auch die Möglichkeit, die magnetokalorische Einheit selbst aktiv abzuschirmen. Wenn die Zusatzspule als Solenoid ausgeführt ist, kann ein zweiter Solenoid außen um die Feldformeinheit gelegt werden, der gegenläufig stromdurchflossen ist und elektrisch in Serie mit der Zusatzspule geschaltet ist. Dadurch wird das Streufeld der Zusatzspule verkleinert. Dem Fachmann ist bekannt, wie das geht. Alternativ könnte die magnetokalorische Einheit als Ringkernspule ausgeführt werden. Ringkernspulen haben bauartbedingt ein geringes Streufeld.

Im Normalbetrieb muss die Temperatur des magnetokalorischen Materials konstant gehalten werden, damit sich keine Veränderung der Magnetisierung ergibt, die auf das Feld im Zentrum der Hauptspule wirken könnte. Technisch kann das z. B. so realisiert werden, dass die Temperatur des magnetokalorischen Materials ständig gemessen wird (etwa mit einem Widerstandsthermometer) und dann mittels einer PID Regeleinheit ein Heizer betrieben wird, der am magnetokalorischen Material angebracht ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das magnetokalorische Material thermisch so gut zu isolieren (z. B. durch einen Strahlungsschild), dass das Material keinen Störeinflüssen wie beispielsweise einer variablen Wärmelast von außen ausgesetzt ist, und deshalb seine Temperatur nicht ändert. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die magnetokalorische Einheit natürlich in gutem Kontakt mit der Spule oder mit den Aufhängeelementen, die sie im Falle eines PRK Ausfalls kühlen soll, sein muss.

Die Zusatzspule kann auch mit der Hauptspule kombiniert werden – entweder so, dass die Zusatzspule und die Hauptspule in Serie miteinander verschaltet sind, oder so, dass es überhaupt nur eine Spule gibt, und das magnetokalorische Material im Feld der Hauptspule angeordnet ist.

Wenn Zusatzspule und Hauptmagnetspule getrennt voneinander bestromt werden sollen, würde die Verschaltung etwa so aussehen, wie in 2a dargestellt.

Dabei ist besonders darauf zu achten, dass die Leistungsdissipation in den supraleitenden Schaltern bei deren Öffnung klein bleibt. Ein typischer Wert für die Leistungsdissipation in einem supraleitenden Schalter in kryogenfreien Magnetsystemen ist 10 mW.

Um den Aufbau zu vereinfachen, könnte auf einen der beiden Schalter verzichtet werden, wie in 2b dargestellt:
Das Feld in der Hauptspule und in der Zusatzspule könnten dann nicht mehr unabhängig voneinander gewählt werden, d. h. bei einem Ausfall der aktiven Kühlung würde gleichzeitig mit der Zusatzspule auch gleich die Hauptspule entladen. Die oben gezeigte Verschaltung trifft auch zu, wenn es gar keine separate Spule für die magnetokalorische Einheit gibt, sondern wenn das magnetokalorische Material im Feld der Hauptspule positioniert wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Wärmesenke-Einrichtung thermisch leitend mit Teilen der Kryostatanordnung verbunden ist, über welche Umgebungswärme auf die Magnetanordnung fließen kann, und diese Teile innerhalb der Kryostatanordnung angeordnete Teile des Kryokühlers und/oder Strahlungsschilde und/oder mechanische Aufhängevorrichtungen für die Magnetanordnung und/oder elektrische Zuleitungen zur Magnetanordnung umfassen.

Die Wärmesenke wird üblicherweise direkt mit der Spule in thermischen Kontakt gebracht. Da in der Spule selbst aber keine Wärme dissipiert wird, reicht es aus, alle „Wärmepfade”, die zur Spule führen, an die Wärmesenke anzukoppeln, und so Wärme, die entlang dieser Pfade fließt, abzufangen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Wärmesenke bei höherer Temperatur betrieben werden kann, etwa wenn die Wärmesenke für 4 K optimiert ist, der Magnet aber bei 3 K betrieben wird. Dann kann die Wärmesenke mit einer thermisch schlecht leitenden Verbindung an die Spule angekoppelt werden, und einfließende Wärme direkt an den mechanischen Trägerstrukturen, etc. abfangen.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke-Einrichtung in der Kryostatanordnung relativ zur supraleitenden Magnetanordnung derart angeordnet ist, dass das magnetokalorische Material möglichst magnetfeldfrei gemacht werden kann, so dass sich das magnetokalorische Material am Ende des Entmagnetisierungsprozesses in einem Feld < 2 Tesla befindet.

Die Wärmesenke absorbiert bei der Entmagnetisierung Wärme. Das Feld, bei dem der Entmagnetisierungsprozess endet, ist das Hintergrundfeld, das vom Hauptmagnet an der Stelle, an der die Wärmesenke sitzt, erzeugt wird. Je weiter die Wärmesenke entmagnetisiert werden kann, desto höher kann die Entropieänderung im magnetokalorischen Material sein, d. h. desto mehr Wärme kann absorbiert werden. Wenn das magnetokalorische Material komplett feldfrei ist, ist die Wärmeaufnahmekapazität bei gegebenem Startfeld am effizientesten.

In der Praxis bewähren sich auch Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen eine Temperaturregeleinheit des magnetokalorischen Materials im Normalbetrieb vorhanden ist, die insbesondere ein Thermometer, eine Heizeinrichtung und eine elektronische Wärmeregeleinheit für die Wärmesenke-Einrichtung umfasst.

Die Magnetisierung des magnetokalorischen Materials ist temperaturabhängig. Wenn sich die Temperatur des Materials, und damit dessen Magnetisierung ändert, verändert sich das Magnetfeld im Probenvolumen, und die NMR Messung würde beeinflusst. Wenn es keine Temperaturstabilisierung gäbe, würde das magnetokalorische Material seine Temperatur ändern, wenn z. B. die Kühlleistung des Kryokühlers leicht schwankt.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Klasse von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung, bei denen die Wärmesenke-Einrichtung mindestens eine – gegebenenfalls zusätzliche – Magnetspule umfasst.

Für die Entmagnetisierung des magnetokalorischen Materials muss das Magnetfeld am Ort der Wärmesenke verändert werden. Dies ist am einfachsten zu realisieren, wenn die Wärmesenke mit einer eigenen Spule ausgerüstet ist.

Wenn eine eigene Spule verwendet wird, ergibt sich auch die Möglichkeit, das Feld der Spule in der Wärmesenke unabhängig vom Feld des Hauptfeldmagneten zu verändern. Das ist von Vorteil, da im Falle eines Kühlerausfalls erst nur die Spule der Wärmesenke entladen werden kann, bevor der Hauptfeldmagnet „angefasst” werden muss.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Klasse von Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule der Wärmesenke-Einrichtung im Betriebszustand supraleitend kurzgeschlossen ist.

Dann muss kein Strom von einem externen Netzgerät in die Magnetspule eingespeist werden, was die Wärmelast auf das Gesamtsystem verringert (kein ohmsches Heizen in den Zuleitungen zur Magnetspule).

Andere vorteilhafte Weiterbildungen zeichnen sich dadurch aus, dass die Magnetspule der Wärmesenke-Einrichtung mit einer Spule der supraleitenden Magnetanordnung elektrisch verbunden ist.

Damit kann die gleiche Stromzuführung für den Hauptfeldmagnet und die Spule in der Wärmesenke verwendet werden, wodurch sich die Komplexität des Systems verringert, und auch die Wärmelast im Betrieb. Wie aus 2a zu sehen ist, sind dafür dann zwei supraleitende Schalter nötig.

Bei einer bevorzugten Klasse von Varianten ist die Magnetspule der Wärmesenke-Einrichtung mit einer Spule der supraleitenden Magnetanordnung elektrisch in Serie geschaltet.

Hier liegt der größte Vorteil in einer Verringerung der Systemkomplexität. Wie aus 2b zu sehen ist, kann auf diese Weise ein Schalter eingespart werden.

Nachteilig ist, dass natürlich auch die Betriebsweise eingeschränkt ist, da die Wärmesenke nicht mehr unabhängig vom Hauptmagnet gesteuert werden kann.

Besonders kompakt sind Weiterbildungen, bei welchen die Magnetspule der Wärmesenke-Einrichtung und die Spule der supraleitenden Magnetanordnung räumlich so angeordnet und elektrisch derart miteinander verschaltet sind, dass sie gemeinsam eine magnetfelderzeugende Spule bilden.

Das ist die einfachste Anordnung, die die Komplexität so weit wie möglich verringert. Wenn der Kühler ausfällt, wird gleich der Hauptfeldmagnet entladen, und dadurch wird das magnetokalorische Material entmagnetisiert.

Vorteilhaft ist auch eine Klasse von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung, bei denen die Wärmesenke-Einrichtung, insbesondere eine Magnetspule in der Wärmesenke-Einrichtung, von einer magnetischen Abschirmung umgeben ist.

Das bringt gleich mehrere Vorteile: Zum einen ist das Minimalfeld, bis zu dem entmagnetisiert werden kann, kleiner als ohne Abschirmung, was eine erhöhte Effizienz bedeutet. Außerdem werden von der Wärmesenke verursachte Störungen im Probenvolumen – z. B. weil sich die Temperatur des magnetokalorischen Materials verändert, oder weil der Strom in der Spule der Wärmesenke verändert wird – am Ort des Probenvolumens abgeschwächt.

Eine erste vorteilhafte Weiterbildung dieser Klasse von Ausführungsformen ist dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Abschirmung der Wärmesenke-Einrichtung eine aktive Abschirm-Magnetspule umfasst.

Hier gelten die gleichen Vorteile wie oben diskutiert, hauptsächlich aber, dass Änderungen im Strom der Spule in der Wärmesenke nur eine kleine Veränderung des Magnetfelds außerhalb der Wärmesenke hervorrufen. Außerdem sind aktive Abschirmspulen besonders kompakt und effizient.

Alternativ kann aber bei einer anderen Weiterbildung die magnetische Abschirmung der Wärmesenke-Einrichtung eine passive Magnetschildanordnung, insbesondere aus supraleitendem Material, aus Weicheisen oder aus einer in sich kurzgeschlossenen Spule aus supraleitendem Draht, umfassen.

Eine solche Lösung ist besonders preiswert, technisch einfach zu realisieren, und ist sehr gut geeignet, Feldstörungen durch Temperaturänderungen des magnetokalorischen Materials zu unterdrücken.

Bevorzugt sind auch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung, sich dadurch auszeichnen, dass die supraleitende Magnetanordnung HTS-Elemente umfasst.

Der Vorteil beim Einsatz von HTS-Material liegt vor allem darin, dass sich entweder besonders hohe Felder erreichen lassen, oder der Magnet bei vergleichsweise hohen Temperaturen betrieben werden kann, was das Kühlsystem vereinfacht.

Ganz besonders bevorzugt sind auch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung, bei welchen die Kryostatanordnung Teil einer Magnetresonanz-Apparatur ist.

Schließlich ist es auch von erheblichem Vorteil, wenn die erfindungsgemäße Kryostatanordnung das magnetokalorische Material der Wärmesenke-Einrichtung GGG (= Gadolinium Gallium Garnet), DGG (= Dysprosium Gallium Garnet), GLF (= Gallium Lithium Fluorid”) oder DAG (= Dysprosium Aluminium Garnet) enthält.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische vertikale Schnitt-Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung;

2a ein elektrisches Schaltschema einer erfindungsgemäßen magnetokalorischen Zusatzspule parallel zur Hauptfeldspule der supraleitenden Magnetanordnung;

2b ein Schaltschema wie in 2a, jedoch mit elektrisch in Serie geschalteten Spulen;

3a ein Entropie-Temperaturdiagramm für das magnetokalorische Material GGG (Gadolinium Gallium Garnet) für drei verschiedene Magnetfelder (B = 1 T, 2 T und 6 T), wobei die Entropie S auf die ideale Gaskonstante R normiert ist; und

3b die spezifische Wärme von magnetokalorischen Materials (Er0.53Ho0.47)Co2 als Funktion der Temperatur.

Die 1 veranschaulicht sehr schematisch eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung. Diese kann mittels eines Kryokühlers 4 trocken, also ohne Bereitstellung oder Zufuhr von kryogenen Fluiden, auf einer kryogenen Betriebstemperatur gehalten werden,. In der Kryostatanordnung sind zumindest im Betrieb eine supraleitende Magnetanordnung 1 sowie eine Wärmesenke-Einrichtung zur Verlängerung der Zeit bis zur Rückkehr der supraleitenden Magnetanordnung 1 in den normalleitenden Zustand (= ”Time-to-Quench”) bei Versagen der aktiven Kühlung vorhanden.

Erfindungsgemäß zeichnet sich die Kryostatanordnung dadurch aus, dass die Wärmesenke-Einrichtung magnetokalorisches Material 3 enthält, und dass die Wärmesenke-Einrichtung thermisch leitend mit der supraleitenden Magnetanordnung 1 und/oder mit Teilen der Kryostatanordnung verbunden ist, über welche Umgebungswärme auf die Magnetanordnung 1 fließen kann.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Wärmesenke-Einrichtung eine zusätzliche Magnetspule 2. Die Magnetspule 2 der Wärmesenke-Einrichtung kann im Betriebszustand supraleitend kurzgeschlossen und vorzugsweise mit einer Spule der supraleitenden Magnetanordnung 1 elektrisch verbunden sein, wie in den 2a und 2b gezeigt ist.

In 2b ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei welcher die Magnetspule 2 der Wärmesenke-Einrichtung mit einer Spule der supraleitenden Magnetanordnung 1 elektrisch in Serie geschaltet und räumlich so angeordnet, dass sie gemeinsam eine magnetfelderzeugende Spule bilden.

Diejenigen Teile der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung, über welche Umgebungswärme auf die Magnetanordnung 1 fließen kann, umfassen innerhalb der Kryostatanordnung angeordnete Teile des Kryokühlers 4 und/oder Strahlungsschilde und/oder mechanische Aufhängevorrichtungen 5 für die Magnetanordnung 1 und/oder elektrische Zuleitungen zur Magnetanordnung 1.

Die Wärmesenke-Einrichtung in der Kryostatanordnung ist relativ zur supraleitenden Magnetanordnung 1 derart angeordnet, dass das magnetokalorische Material 3 auch im Betrieb möglichst magnetfeldfrei gemacht werden kann, so dass sich das magnetokalorische Material am Ende des Entmagnetisierungsprozesses in einem Feld < 2 Tesla befindet.

Haupt-Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung ist der Einsatz in Magnetresonanzapparaturen.

Bezugszeichenliste

1
supraleitende Magnetanordnung
2
zusätzliche Magnetspule
3
magnetokalorisches Material
4
Kryokühler
5
mechanische Aufhängevorrichtungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • EP 0937953 A1 [0002, 0009]
  • DE 19914778 B4 [0002, 0010]
  • DE 102014218773 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Zhu Y, Asamoto K, Nishimura Y, Kouen T, Abe S, Matsumoto K, et al. Cryogenics 2011; 51: 494 [0028]