Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
POWER SUPPLY FOR A SUPERCONDUCTING COIL DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/193163
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention specifies a power supply (3) for a superconducting coil device (1), wherein the power supply (3) has at least one first conducting part (13) with a superconducting layer (23). The superconducting layer (23) is deposited by aerosol deposition. The invention further specifies a superconducting coil device (1) having a power supply (3) of this kind and a superconducting electrical coil winding (5). The invention finally specifies a method for producing a power supply for a superconducting coil device, wherein the power supply has at least one first conducting part having a superconducting layer, and wherein the superconducting layer is produced by aerosol deposition.

Inventors:
DENNELER, Stefan (Bruderhofstr. 3, München, 81371, DE)
OOMEN, Marijn Pieter (Aschaffenburger Straße 12, Erlangen, 91056, DE)
SCHUH, Carsten (Heideweg 9, Baldham, 85598, DE)
Application Number:
EP2015/063032
Publication Date:
December 23, 2015
Filing Date:
June 11, 2015
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
International Classes:
H01L39/14; H01F6/06; H01L39/24
Foreign References:
DE102010031741A12012-01-26
EP1406272A12004-04-07
EP2284845A12011-02-16
US6153825A2000-11-28
Other References:
B. B. SINHA ET AL: "Fabrication and Properties of MgB2 Coated Superconducting Tapes", JOURNAL OF SUPERCONDUCTIVITY AND NOVEL MAGNETISM, vol. 26, no. 5, 1 May 2013 (2013-05-01), pages 1507 - 1511, XP055210607, ISSN: 1557-1939, DOI: 10.1007/s10948-012-1957-7
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche

1. Stromzuführung (3) für eine supraleitende Spuleneinrichtung (1), wobei die Stromzuführung (3) wenigstens einen ers- ten Leitungsteil (13) mit einer supraleitenden Schicht (23) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht (23) durch Aerosol-Deposition abgeschieden ist. 2. Stromzuführung (3) nach Anspruch 1, bei der die supraleitende Schicht (23) Magnesiumdiborid umfasst.

3. Stromzuführung (3) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der erste Leitungsteil (13) elektrisch in Serie mit einem zweiten Leitungsteil (15) geschaltet ist, der normalleitend ist .

4. Stromzuführung (3) nach Anspruch 3, bei der der erste (13) und der zweite (15) Leitungsteil elektrisch in Serie mit einem dritten Leitungsteil (17) geschaltet sind, der supra¬ leitende Eigenschaften und eine Sprungtemperatur oberhalb von 77 K aufweist.

5. Stromzuführung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht

(23) auf einem festen Trägersubstrat (19) aufgebracht ist.

6. Stromzuführung (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht (23) auf einem nicht- metallischen Substrat (19) aufgebracht ist.

7. Stromzuführung (3) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht (23) auf einem rohrförmigen Substrat (19) aufgebracht ist.

8. Stromzuführung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht (23) auf einem mechanisch flexiblen Substrat (19) aufgebracht ist .

9. Stromzuführung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der supra¬ leitenden Schicht (23) über die Länge des ersten Leitungs¬ teils (13) variiert.

10. Stromzuführung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht

(23) auf einem Trägersubstrat (19) aufgebracht ist, dessen Schichtdicke über die Länge des ersten Leitungsteils (13) va¬ riiert . 11. Supraleitende Spuleneinrichtung (1) mit wenigstens einer Stromzuführung (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche und einer supraleitenden elektrischen Spulenwicklung (5) .

12. Supraleitende Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 11, wo- bei die supraleitende Spulenwicklung (5) ein tieftemperatursupraleitendes Leitermaterial aufweist.

13. Supraleitende Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Stromzuführung (3) ein erstes kaltes Ende (3a) aufweist, welches mit der supraleitenden

Spulenwicklung (5) verbunden ist und ein zweites warmes Ende (3b) aufweist, welches mit einer äußeren Stromquelle verbun¬ den ist. 14. Supraleitende Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, die wenigstens einen äußeren Vakuumbehäl¬ ter (9) aufweist, in dessen Innerem die supraleitende Spulen¬ wicklung (5) angeordnet ist, und die wenigstens ein Zugangs¬ rohr (12) zum Inneren des Vakuumbehälters (9) aufweist, durch das wenigstens eine Stromzuführung (3) verläuft.

Verfahren zur Herstellung einer Stromzuführung (3) für supraleitende Spuleneinrichtung (1), wobei die Stromzu führung (3) wenigstens einen ersten Leitungsteil (13) einer supraleitenden Schicht (23) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Schicht durch Aerosol-Deposition hergestellt wird.

Description:
Beschreibung

Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung Die Erfindung betrifft eine Stromzuführung für eine supralei ¬ tende Spuleneinrichtung, wobei die Stromzuführung wenigstens einen Leitungsteil mit einer supraleitenden Schicht aufweist.

Viele supraleitende Spuleneinrichtungen benötigen Stromzufüh- rungen, um die typischerweise relativ hohen Ströme aus einem äußeren Stromkreis in eine supraleitende Spule einzuspeisen. Solche Spuleneinrichtungen werden beispielsweise für supraleitende Magnetsysteme, insbesondere für Magnetresonanzmes ¬ sungen und Teilchenphysikexperimente, sowie für supraleitende Motoren, Generatoren oder magnetische Energiespeicher verwendet .

Da die supraleitenden Spulen zu ihrem Betrieb auf kryogene Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur des Leitermateri- als der Spule gekühlt werden müssen, liegen auch die spulen- seitigen Enden der Stromzuführungen in diesem kryogenen Temperaturbereich vor. Die gegenüberliegenden Enden der Stromzuführung, die mit dem äußeren Stromkreis verbunden sind, befinden sich dabei typischerweise bei Temperaturen in der Nähe der Raumtemperatur. Um den Kühlaufwand für die supraleitende Spule möglichst gering zu halten, sollte der Wärmeeintrag über die Materialen der Stromzuführung möglichst minimiert werden. Bei klassischen metallischen Leitern steht allerdings die Wärmeleitung nach dem Wiedemann-Franz-Gesetz in einem et- wa linearen Zusammenhang mit der elektrischen Leitfähigkeit, so dass vor allem bei hohen benötigten Stromdichten auch hohe Wärmeeinträge auftreten.

Aus dem Stand der Technik sind Stromzuführungen für supralei- tende Spuleneinrichtungen bekannt, bei denen die jeweilige Stromzuführung einen supraleitenden Leitungsteil aus einem hochtemperatursupraleitenden (HTS) Material aufweist. Für solche supraleitenden Zuleitungen gilt das Wiedemann-Franz- Gesetz nicht. Entsprechend kann die Stromtragfähigkeit im Verhältnis zur Wärmeleitfähigkeit viel höher sein als bei normalleitenden Materialien. Allerdings muss auch der HTS- Leiter in seinem gesamten Bereich auf eine Temperatur unter- halb seiner Sprungtemperatur gekühlt werden. Diese Sprungtemperatur kann dabei unter Umständen wesentlich höher sein als die Sprungtemperatur eines Leitermaterials der eigentlichen Spulenwicklung. Beispielsweise sind inzwischen HTS-Mate- rialien mit Sprungtemperaturen bis oberhalb von 130 K be- kannt . Es kann also mit einem HTS-Leiters ein Temperaturbe ¬ reich zwischen der Betriebstemperatur der Spulenwicklung und der maximalen Betriebstemperatur des HTS-Leiters überbrückt werden. Für die Überbrückung der restlichen Temperaturdifferenz zwischen der HTS-Betriebstemperatur und der Außentempe- ratur kann der HTS-Leiter dann in Serie mit einem zweiten, normalleitenden Leiterteil geschaltet sein.

Eine solche zusammengesetzte Stromzuführung ist beispielswei ¬ se in der DE102007013350B4 beschrieben. Hier sind mehrere Stapel von bevorzugt keramischen HTS-Bandleitern untereinander parallelgeschaltet und dann mit einem metallischen Leiter in Serie geschaltet.

Eine ähnliche supraleitende Stromzuführung ist in dem Artikel „Design of the HTS Current Leads for ITER" von A. Ballarino et al . in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 22, No . 3, June 2012 beschrieben. Hier sind mehrere Sta ¬ pel von HTS-Bandleitern ringförmig um einen zylindrischen Stahlträger angeordnet, in dessen Inneren etwa 50 K kaltes gasförmiges Helium herausströmt. Bei diesem Helium handelt es sich um abdampfendes Gas aus dem Inneren des Kryostaten, mit dem die supraleitende Spulenwicklung auf Temperaturen von etwa 5 K gekühlt wird. Die Spulenwicklung selbst basiert auf einem Tieftemperatursupraleiter (LTS) mit einer Sprungtempe- ratur unterhalb von 5K.

Die bekannten supraleitenden Stromzuführungen weisen jedoch folgende Nachteile auf: - Bei Bandleitern mit keramischen HTS-Leitern werden die HTS- Schichten typischerweise auf metallischen Substraten abgeschieden und meist auch mit metallischen Deckschichten abgedeckt. Der hierdurch gegebene Metallquerschnitt führt zu einem relativ hohen Wärmeeintrag in die kryogene Umgebung der Spuleneinrichtung.

- Nach dem Stand der Technik sind die Materialquerschnitte der supraleitenden Schichten und der metallischen Trägermaterialien konstant über die Länge des Leiterteils. Hier- durch ist die Stromtragfähigkeit im Bereich des warmen En ¬ des vergleichsweise niedrig. Insgesamt ist aber der Leiter ¬ querschnitt unnötig hoch, so dass der Wärmeeintrag ins In ¬ nere der Spuleneinrichtung dadurch erhöht wird.

- Keramische Bandleitermaterialien sind relativ teuer.

- Keramische HTS-Materialien sind spröde und anfällig gegen ¬ über mechanischen Belastungen, beispielsweise gegenüber Vibrationen eines Kühlgeräts.

- Lokale Magnetfelder, insbesondere solche mit einer Orien ¬ tierung senkrecht zum Leiterstapel des Bandleiters können den kritischen Strom verringern. Durch den teilweise komplexen Verlauf der vorliegenden Magnetfelder können die Leiterstapel nicht immer so orientiert werden, dass senk ¬ rechte Magnetfelder für alle Leiterteile vermieden werden. Aufgabe der Erfindung ist es, eine supraleitende Stromzufüh ¬ rung anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll diese Stromzuführung bei vergleichbarer Stromtragfähigkeit einen verringerten Wärmeeintrag aufweisen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine supraleitende Spuleneinrichtung mit einer solchen Stromzuführung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Stromzuführung anzugeben .

Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Stromzuführung, die in Anspruch 11 beschriebene supraleitende Spuleneinrichtung sowie das in Anspruch 15 beschriebene Herstellungsverfahren gelöst. Die erfindungsgemäße Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung weist wenigstens einen ersten Leitungsteil mit einer supraleitenden Schicht auf, wobei die supraleitende Schicht durch Aerosol-Deposition abgeschieden ist.

Ein wesentlicher Vorteil einer solchen supraleitenden Schicht liegt darin, dass eine solche Schicht wesentlich flexibler als die keramische HTS-Schicht eines herkömmlichen Bandlei ¬ ters auf die Anforderung der hohen Stromtragfähigkeit bei gleichzeitig geringem Wärmeeintrag angepasst werden kann.

Diese höhere Flexibilität kann sich beispielsweise in einer breiteren Auswahl an Trägermaterialien, in einer breiteren Auswahl an Beschichtungsgeometrien und/oder in einer gezielten Anpassung der Schichtdicke an die lokalen Anforderungen äußern.

Unter einer Aerosol-Deposition soll im vorliegenden Zusammenhang die Abscheidung einer Schicht aus einem Aerosol, also aus einer Dispersion von Festkörperteilchen in einem Gas, verstanden werden. Insbesondere kann dazu ein Ausgangsstoff der supraleitenden Schicht als in einem Gas dispergiertes Pulver vorliegen. Eine solche aus einem Pulver-Aerosol abge ¬ schiedene Schicht ist an der Teilchenstruktur des zugrunde ¬ liegenden Pulvers leicht von Schichten aus anderen bisher be- kannten Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise physikalischer oder chemischer Gasphasenabscheidung, zu unterscheiden.

Die erfindungsgemäße supraleitende Spuleneinrichtung weist wenigstens eine erfindungsgemäße Stromzuführung und wenigs- tens eine supraleitende elektrische Spulenwicklung auf.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zu Herstellung einer Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung, wobei die Stromzuführung wenigstens einen ersten Leitungsteil mit einer supraleitenden Schicht aufweist, wird die supraleitende

Schicht durch die Aerosol-Deposition hergestellt. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung und des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ergeben sich analog zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Stromzuführung. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 11 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Stromzuführung, der Spuleneinrichtung sowie des Herstellungsverfahrens vorteilhaft untereinander kombiniert wer- den.

Die supraleitende Schicht kann Magnesiumdiborid umfassen. Be ¬ sonders vorteilhaft kann die supraleitende Schicht als Haupt ¬ bestandteil Magnesiumdiborid aufweisen oder sogar im Wesent- liehen aus Magnesiumdiborid bestehen. Eine Abscheidung einer Magnesiumdiborid-Schicht aus einem Pulver-Aerosol ist beson ¬ ders gut möglich, wie beispielswiese in der DE102010031741B4 beschrieben. Das im Aerosol dispergierte und als Ausgangs ¬ stoff dienende Pulver kann dabei entweder bereits als

Magnesiumdiborid, oder als ein Pulvergemisch aus elementarem Magnesium und Bor oder als ein Gemisch aus allen drei Komponenten Magnesiumdiborid, Magnesium und Bor vorliegen.

Durch die Aerosol-Deposition kann supraleitendes

Magnesiumdiborid in definierten Schichten von beispielsweise 1 ym bis zu 1000 ym hergestellt werden. Solche Schichten un ¬ terscheiden sich geometrisch grundsächlich von den nach dem herkömmlichen sogenannten „Powder in Tube" (PIT) Verfahren hergestellten Leitern. Bei diesem PIT-Verfahren wird ein fes- tes Pulvergemisch des Ausgangsmaterials (wiederum

Magnesiumdiborid oder eine Mischung aus elementarem Magnesium und Bor) in einer typischerweise metallischen Reaktionsröhre unter Einwirkung von erhöhtem Druck und/oder Temperatur zu einem zusammenhängenden Draht reagiert. Im Unterschied ist ein durch Aerosol-Deposition abgeschiedener Magnesiumdiborid- Leiter eine flächige Schicht, die auf der Oberfläche eines Trägersubstrats abgeschieden ist. Im Unterschied zu den Methoden der Gasphasenabscheidung (wie beispielsweise chemischer Gasphasenabscheidung, Sputtern oder Verdampfen) können über die Aerosol-Deposition auf einfache Weise wesentlich dickere supraleitende Schichten abgeschieden werden. Vorteilhaft ist dabei die Schichtdicke der supralei ¬ tenden Schicht des ersten Leitungsteils von wenigstens 2 ym, besonders vorteilhaft sogar wenigstens 20 ym.

Magnesiumdiborid weist eine Sprungtemperatur von etwa 39 K auf und gilt somit als Hochtemperatursupraleiter, allerdings ist die Sprungtemperatur im Vergleich zu anderen HTS-Mate- rialien eher niedrig. Mit einem auf Magnesiumdiborid basie ¬ renden ersten Leitungsteil der Stromzuführung kann also eine erste Temperaturdifferenz überbrückt werden, beispielsweise zwischen der Betriebstemperatur eines Tieftemperatursupralei- ters von wenigen Kelvin und einer Temperatur knapp unterhalb der 39 K. Die restliche Temperaturdifferenz zwischen der Betriebstemperatur des Magnesiumdiborids und einer äußeren Umgebungstemperatur kann dann wie weiter unten beschrieben durch weitere Leitungsteile überbrückt werden.

Trotz dieser Einschränkung der relativ geringen überbrückbaren Temperaturdifferenz ist Magnesiumdiborid als Material für den ersten Leitungsteil besonders geeignet, da es sich beson- ders leicht über eine Aerosol-Deposition abscheiden lässt und somit supraleitende Schichten mit besonders flexibler Wahl der Substratmaterialien, Substratgeometrie und/oder Schichtgeometrie zugänglich werden. Der beschriebene erste supraleitende Leitungsteil kann elek ¬ trisch in Serie mit einem zweiten Leitungsteil geschaltet sein, der normalleitend ist. Beispielsweise kann der zweite Leitungsteil auf einem metallischen Leiter basieren. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, um mit dem normalleitenden zweiten Leitungsteil zumindest einen Teil der verbleibenden Temperaturdifferenz zwischen der Betriebstemperatur des ersten Leitungsteils und der äußeren Umgebungstemperatur zu überbrücken. Der Querschnitt des normalleitenden Leitungs- teils muss dabei ausreichend dimensioniert sein, um den ins ¬ gesamt benötigten Stromeintrag zu gewährleisten. Hierdurch ergibt sich gleichzeitig ein relativ hoher Wärmeeintrag bis zum kalten Ende des normalleitenden Leiterteils. Andererseits wird aber der gesamte Wärmeeintrag zum Bereich der supralei ¬ tenden Spule der Spuleneinrichtung durch die Serienschaltung der zwei oder mehr Leiterteile begrenzt. Wenn die Wärmeleit ¬ fähigkeit des ersten Leitungsteils wesentlich geringer ist als die des zweiten Leitungsteils, und wenn die Temperatur im Kontaktbereich beispielsweise durch eine thermische Abfangung unterhalb 39K gehalten wird, kann der Wärmeeintrag bei z.B. 5K im supraleitenden Spulensystem vorteilhaft begrenzt werden. Die höchste Priorität hat die Begrenzung des Wärmeein ¬ trags zur niedrigsten Temperatur im System, weil hier die Kühltechnik am wenigsten effizient ist.

Der beschriebene erste supraleitende Leitungsteil und der be ¬ schriebene zweite normalleitende Leitungsteil können elek ¬ trisch in Serie mit einem dritten Leitungsteil geschaltet sein, der supraleitende Eigenschaften und eine Sprungtempera ¬ tur oberhalb von 77 K aufweist. Bevorzugt ist dieser dritte Leitungsteil elektrisch zwischen den ersten und den zweiten Leitungsteil geschaltet. Mit einem solchen HTS-Material mit vergleichsweise hoher Sprungtemperatur kann dann vorteilhaft der Temperaturbereich zwischen der oberen Betriebstemperatur des ersten Leiterteils und dem kälteren Ende des zweiten normalleitenden Leiterteils überbrückt werden. Besonders vor ¬ teilhaft kann die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials des dritten Leitungsteils sogar oberhalb von 90 K liegen, so dass mit diesem mittleren Leitungsteil eine noch größere Temperaturdifferenz überbrückt werden kann. Diese Ausführungsform mit wenigstens drei in Serie geschalteten Leiterteilen für wenigstens drei verschiedene Temperaturbereiche ist besonders vorteilhaft, da so für jeden der Abschnitte ein besonders guter Kompromiss zwischen hoher Stromtragfähigkeit einerseits und möglichst geringem Wärmeeintrag andererseits eingestellt werden kann. Sowohl der Stromfluss als auch der Wärmefluss wird dabei im Wesentlichen durch das schwächste der drei Transportglieder begrenzt, so dass sich der Aufwand durchaus lohnen kann, ein zusätzliches HTS-Material mit einer vergleichsweise niedrigeren Sprungtemperatur für den kältesten Abschnitt der Stromzuführung zu verwenden, wenn für die- sen Abschnitt dann ein besonders niedriger Wärmeeintrag er ¬ zielt werden kann. Auch hier können thermische Abfangungen zwischen den Leitungsteilen nötig sein, um deren Supraleitfähigkeit zu gewährleisten. Die supraleitende Schicht des ersten Leiterteils der Stromzu ¬ führung kann auf einem festen Trägersubstrat aufgebracht sein. Dieses feste Trägersubstrat bestimmt dann im Wesentli ¬ chen die mechanischen Eigenschaften sowie die Geometrie des ersten Leiterteils. Wie im Folgenden beschrieben, sind bei der Abscheidung mittels Aerosol-Deposition besonders vorteilhafte Geometrien und Materialien für dieses Substrat möglich.

Das Trägersubstrat kann wenigstens teilweise aus einem metal ¬ lischen Material gebildet sein. Dies kann vorteilhaft sein, um einen normalleitenden Strompfad parallel zur supraleitenden Schicht zur Verfügung zu stellen. Auf diesem Pfad kann der Strom bei Überschreiben der kritischen Temperatur, der kritischen Stromdichte und/oder des kritischen Magnetfeldes zumindest lokal und/oder anteilig transportiert werden. Ein metallisches Trägersubstrat kann weiterhin vorteilhaft sein, um die supraleitende Schicht thermisch an ein Kühlsystem, beispielsweise einen Kaltkopf und/oder ein Kühlmittelreservoir anzukoppeln. Weiterhin können metallische Trägersubstrate sinnvoll sein, um vorgegebene mechanische Eigenschaften zu erfüllen. Geeignete metallische Materialien sind beispiels ¬ weise Stahl, Kupfer, Messing oder andere Kupfer enthaltende Legierungen .

Alternativ kann das Trägersubstrat auch aus einem nicht-me- tallischen Material, insbesondere einem thermisch schlecht leitenden Material gebildet sein. Beispielsweise kann das Trägersubstrat aus Glas, Keramik oder einem Polymer ausgebil ¬ det sein. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials kann vorteilhaft unterhalb von 2 W/m-K liegen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass dann das Trägersubstrat nur wenig zum Wärmetransport entlang der Stromzuführung beiträgt und so der gesamte Wärmeeintrag besonders stark reduziert werden kann. Im Gegensatz zur herkömmlichen Gasphasenabschei- dung oxidkeramischer HTS-Leiter wird für die Aerosol-Depo- sition nicht notwendigerweise ein metallisches Substrat benö ¬ tigt . Bei dem Substrat kann es sich allgemein vorteilhaft um ein rohrförmiges Substrat handeln. Ein solches rohrförmiges Sub ¬ strat kann beispielsweise auf seiner Außenseite beschichtet sein. Dabei kann insbesondere eine hohlzylindrische supralei ¬ tende Schicht ausgebildet sein. Alternativ kann eine ähnliche hohlzylindrische Schicht auch auf der Innenseite eines rohr- förmigen Substrats gebildet werden. Dies kann insbesondere bei relativ dünnwandigen Rohren mit großem Durchmesser vorteilhaft sein. Ein wesentlicher Vorteil einer hohlzylindrischen supraleitenden Schicht ist, dass ein externes Magnetfeld nirgends senk ¬ recht zur gesamten supraleitenden Schicht orientiert ist. Auch wenn das supraleitende Material im Verhältnis zur loka ¬ len Substratoberfläche immer einheitlich ausgebildet ist, dann ergeben sich durch die zylindrische Symmetrie immer Teilbereiche, in denen die Leitereigenschaften durch ein äußeres Magnetfeld nicht oder nur wenig beeinträchtigt wer ¬ den. Der Einfluss eines äußeren Magnetfeldes auf die kriti ¬ sche Stromdichte und somit die Stromtragfähigkeit des ersten Leiterteils wird somit verringert.

Ein weiterer Vorteil eines rohrförmigen Trägersubstrates be ¬ steht darin, dass innerhalb des Rohrs Kühlmittel transpor ¬ tiert werden kann. Beispielsweise kann flüssiges Kühlmittel von einem Außenbereich bis zum Inneren eines Kryostaten transportiert werden, der die supraleitende Spule der Spulen ¬ einrichtung umgibt. Alternativ oder zusätzlich kann gasförmiges, also bereits verdampftes Kühlmittel aus dem Inneren des Kryostaten wieder herausströmen. In beiden Fällen kann dadurch zusätzlich zu einem möglicherweise ohnehin benötigten Kühlmitteltransport eine Kühlung der supraleitenden Schicht des ersten Leiterteils bewirkt werden.

Weiterhin kann gegebenenfalls auch ein in Serie geschalteter normalleitender zweiter Leitungsteil durch denselben Kühlmittelstrom gekühlt werden. Zusätzlich kann gegebenenfalls ein supraleitender Leiter des dritten Leiterteils durch denselben Kühlmittelstrom gekühlt werden. Als Kühlmittel können beispielsweise flüssiges Helium, flüssiges Neon und/oder flüssi ¬ ger Stickstoff zum Einsatz kommen.

Im Vergleich zu der Anordnung von mehreren vorgefertigten Bandleiterabschnitten auf der Außenfläche eines Rohrs kann die hier vorgeschlagene Direktabscheidung auf einem rohrför- migen Körper wesentlich einfacher durchgeführt werden. Weiterhin kann der in Stromtransportrichtung vorliegende Materialquerschnitt durch eine Direktbeschichtung reduziert werden, da bei einem nachträglichen Aufbringen von Bandleiterstücken auf einem zylindrischen Tragkörper sowohl das Material des Tragkörpers als auch die Trägersubstrate der einzelnen darauf aufgebrachten Bandleiter thermisch wirksam sind. Sowohl der zylindrische Tragkörper als auch das Trägersubstrat von her ¬ kömmlichen Bandleitern sind typischerweise aus Metall, so dass gerade hier die Reduktion des Gesamtquerschnitts vor ¬ teilhaft ist, um einen unnötigen Wärmeeintrag hin zur supra ¬ leitenden Spule zu vermeiden. Ein metallisches Material kann für den rohrförmigen Körper durchaus vorteilhaft sein, um eine gute thermische Ankopplung an im Innenraum fließendes Kühlmittel zu ermöglichen. Dabei sollte jedoch der Gesamt ¬ querschnitt an metallischem Trägermaterial möglichst mini ¬ miert werden. Über eine Direktbeschichtung eines möglichst dünnen Rohres kann dies besonders vorteilhaft erreicht wer ¬ den .

Die supraleitende Schicht kann auf einem mechanisch flexiblen Substrat aufgebracht sein. Eine solche Ausführungsform hat den Vorteil, dass insbesondere bei einer mechanisch relativ unempfindlichen supraleitenden Schicht ein insgesamt flexibler Aufbau des ersten Leiterteils erreicht werden kann. Gera ¬ de die mit Aerosol-Deposition erhaltenen Schichten sind all- gemein gegenüber herkömmlichen aus der Gasphase abgeschiedenen keramischen Schichten mechanisch relativ gut belastbar.

Die Schichtdicke der supraleitenden Schicht kann über die Länge des ersten Leitungsteils variieren. Insbesondere kann die Schichtdicke am wärmeren, mit einem äußeren Stromkreis verbindbaren Ende des Leitungsteils dicker ausgestaltet wer ¬ den als in einem mittleren Bereich des ersten Leitungsteils und/oder als am kälteren, spulenseitigen Ende. Vorteilhaft kann die Schichtdicke am wärmeren Ende um wenigstens 50 %, besonders vorteilhaft um wenigstens 200 % dicker ausgebildet sein als in einem der übrigen genannten Bereiche. Durch eine derartige Variation des Querschnitts des ersten Leitungsteils über eine Änderung der Schichtdicke kann die bei der höheren Temperatur verminderte spezifische Stromtragfähigkeit zumin- dest teilweise ausgeglichen werden. Bei einem konstanten

Querschnitt müsste die Dicke über die gesamte Länge hoch ge ¬ nug gewählt werden, um auch in Bereich des warmen Endes einen ausreichenden Stromtransport zu gewährleisten, auch wenn die Temperatur hier nur wenige K unter der kritischen Temperatur der supraleitenden Schicht liegen sollte. Bei einer konstanten Schichtdicke wäre dann aber auch der Wärmetransport über die gesamte Länge des ersten Leitungsteils relativ hoch.

Durch eine Anpassung der Schichtdicke an den tatsächlich im jeweiligen Bereich benötigten Querschnitt kann der Wärmeein- trag über die Stromzuführung vorteilhaft verringert werden. Bei einer mittels Aerosol-Deposition abgeschiedenen Schicht kann eine solche variierende Schichtdicke besonders leicht ausgebildet werden, beispielsweise über eine Variation der Beschichtungsdauer in Abhängigkeit von der Substratposition.

Alternativ oder zusätzlich zu einer lokal erhöhten Schichtdicke am warmen Ende des ersten Leitungsteils kann die supra ¬ leitende Schicht auch am kalten Ende des ersten Leitungsteils etwas dicker als im mittleren Bereich ausgeführt werden. Dies kann vorteilhaft sein, um einen sicheren Kontakt zur supraleitenden Spule zu gewährleisten, insbesondere wenn dieser Kontakt zumindest über normalleitende Materialien gebildet wird und es hierdurch auch an dem spulenseitigen Ende zu einer lokalen Erwärmung aufgrund von ohmschen Verlusten kommt .

Alternativ oder zusätzlich zu einer variierenden Schichtdicke der supraleitenden Schicht kann diese Schicht auf einem Trä ¬ gersubstrat aufgebracht sein, dessen Dicke über die Länge des ersten Leitungsteils variiert. Auch hierbei kann es vorteil ¬ haft sein, wenn die Substratdicke im Bereich des warmen Endes des ersten Leitungsteils vergleichsweise groß ist, da in die- sem Bereich ein Übergang des Stroms von der supraleitenden

Schicht in einen normalleitenden Leiter stattfinden muss. In der Nähe eines Kontaktbereichs zwischen supraleitendem ersten Leiter und einem normalleitenden zweiten Leiter kann auch ein normalleitendes Trägersubstrat den Strom wenigstens teilweise tragen und als Verbindungsglied zwischen supraleitender

Schicht und dem in Serie geschalteten zweiten Leitungsteil wirken. Gerade bei Schwankungen der Temperatur in diesem Kontaktbereich kann dadurch eine Sicherheitszone geschaffen werden, in der der insgesamt benötigte Strom auf jeden Fall transportiert werden kann und abhängig von tatsächlich vorliegender Temperatur zwischen supraleitender Schicht und dazu parallelgeschaltetem normalleitendem Substrat aufgeteilt wird. Wenn das normalleitende, typischerweise metallische Substrat auf der gesamten Länge des ersten Leitungsteils die hierfür erforderliche Dicke hätte, dann wäre der Wärmeeintrag über das Trägersubstrat unnötig hoch. Ist der Querschnitt des Substrats aber nur in der Nähe des Kontaktbereichs erhöht, dann kann eine hohe Stromtragfähigkeit bei gleichzeitig nied ¬ riger Wärmeeinkopplung erreicht werden. Die Aerosol-Depo- sition eignet sich wiederum besonders gut zur Abscheidung von definierten Schichten auf solchen Substraten mit uneinheitlicher Schichtdicke und möglicherweise auch unebener Oberflä ¬ che . Ein weiterer Vorteil von aus dem Aerosol abgeschiedenen

Schichten liegt allgemein in der einfacheren Herstellungsmethode und somit in niedrigeren Herstellungskosten, vor allem im Vergleich zu cuprat-basierten HTS-Materialien .

Zusätzlich zur einfacheren Herstellung der supraleitenden Schicht kann auch eine einfachere Integration der Stromzuführung in das Gesamtsystem der Spuleneinrichtung erreicht wer- den. Bei herkömmlichen HTS-Stromzuführungen werden mehrere

Bandleiter stapelweise gebündelt, und jeder Stapel wird dann typischerweise beidseitig über Kupferkontakte mit den angren ¬ zenden Leitern verlötet. Durch die Aerosol-Deposition kann nun zunächst eine ausreichend dicke Schicht abgeschieden wer- den, die einen ganzen Stapel an herkömmlichen Bandleitern ersetzen kann. Die Kontaktierung der Bandleiter eines Stapels über ein normalleitendes Kontaktstück kann also in diesen Fällen vollkommen entfallen. Bei der Beschichtung eines beispielsweise rohrförmigen Trägersubstrats in einem Stück kann dann auch das Kontaktieren verschiedener nebeneinander angeordneter Segmente entfallen. In einer besonders vorteilhaf ¬ ten Ausgestaltungsform ist der supraleitende Teil des ersten Leitungsteils nur durch eine zusammenhängende supraleitende Schicht gegeben, die an ihren Leiterenden beispielsweise über Lötverbindungen mit angrenzenden Leiterteilen verbunden werden kann. Eine ähnliche äußere Lötverbindung ist bei herkömmlichen Bandleiterstapeln nur sehr schwierig zu implementieren, wenn die einzelnen Bandleiter schon durch

Lötverbindungen miteinander verbunden sind, und diese Kontak- te den Temperaturen bei einem weiteren Lötprozess nicht standhalten .

Die supraleitende Spuleneinrichtung kann eine supraleitende Spulenwicklung mit einem tieftemperatursupraleitenden Leiter- material umfassen. Mit anderen Worten kann die Sprungtempera ¬ tur des supraleitenden Materials der Spule unterhalb von 23 K liegen. Es ist vorteilhaft, wenn die Betriebstemperatur des Materials der Spulenwicklung deutlich niedriger liegt als die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials des ersten Leitungsteils, da nur dann mit diesem ersten Leitungsteil eine deutliche Temperaturdifferenz überbrückt werden kann. Beispielsweise kann die Betriebstemperatur des LTS-Materials der Spule um mindestens 10 K, bevorzugt mindestens 20 K niedriger liegen als die Sprungtemperatur des Materials des ersten Leitungsteils .

Die Betriebstemperatur der supraleitenden Spulenwicklung kann beispielsweise im Bereich zwischen 4 K und 10 K liegen, wobei die Kühlung auf diese Temperaturen beispielsweise durch Heli- um-Badkryostaten oder durch Kryostaten mit geschlossenem Heliumkreislauf erreicht werden kann. Die Stromzuführung kann ein erstes kaltes Ende aufweisen, welches mit der supraleitenden Spulenwicklung verbunden ist und ein zweites warmes Ende, welches mit einer äußeren Strom ¬ quelle verbunden ist. Die supraleitende Spuleneinrichtung kann einen äußeren Vakuumbehälter aufweisen, in dessen Innerem die supraleitende Spulenwicklung angeordnet ist, und die wenigstens ein Zu ¬ gangsrohr zum Inneren des Vakuumbehälters aufweist, durch das wenigstens eine Stromzuführung verläuft. In dieser Ausfüh- rungsform dient der äußere Vakuumbehälter der thermischen

Isolation der tiefkalten Spulenwicklung von der warmen äußeren Umgebung. Das Zugangsrohr, in dem die wenigstens eine Stromzuführung angeordnet ist, durchbricht diese thermische Isolation an wenigstens einer Stelle in Form einer Durchfüh- rung. Beispielsweise kann ein solches Zugangsrohr ein Auf ¬ hängerohr eines weiteren inneren Kryobehälters sein, in dem die supraleitende Spulenwicklung angeordnet ist. Das Zugangs ¬ rohr kann zusätzlich für den Zu- und/oder Abfluss von Kühlmittel verwendet werden.

Das Verfahren zur Herstellung der supraleitenden Schicht mittels Aerosol-Deposition kann vorteilhaft mit Helium, Stickstoff und/oder Luft als Trägergas durchgeführt werden. Dabei kann das gesamte Trägersubstrat entweder in einem kontinuierlichen Prozess beschichtet werden, oder es können einzelne Abschnitte der supraleitenden Schicht in diskreten Schritten hergestellt werden. Das Beschichtungsverfahren kann bei rela- tiv niedrigen Temperaturen beispielsweise bei Raumtemperatur durchgeführt werden und ermöglich damit die Verwendung von temperatursensitiven Grundträgern. Zusätzlich kann zur gezielten Einstellung der Schichteigenschaften eine auf die Be- schichtung folgende thermische Nachbehandlung beispielsweise bei Temperaturen um 600°C stattfinden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer Spuleneinrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 2 eine schematische Prinzipdarstellung einer beispiel- haften Stromzuführung 3 zeigt,

Fig. 3 eine schematische Prinzipdarstellung einer weiteren beispielshaften Stromzuführung 3 zeigt, Fig. 4 einen schematischen Querschnitt eines ersten Leitungsteils 13 mit rohrförmigem Trägersubstrat 19 zeigt,

Fig. 5 eine schematische Prinzipdarstellung eines weiteren beispielhaften ersten Leitungsteils 13 zeigt.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Spuleneinrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist eine zylindrische supraleitende Magnetspule 5 aus einem tieftemperatursupraleitenden Material, beispiels- weise NbTi. Die Magnetspule 5 ist innerhalb eines Kühlmittel ¬ behälters 11 angeordnet, der in diesem Beispiel als Helium- Badkryostat betrieben wird, um eine Betriebstemperatur der Magnetspule 5 in der Nähe von 5 K zu erreichen. Der Kühlmit- telbehälter 11 ist an zwei Aufhängerohren 12 aufgehängt, durch die zwei Stromzuführungen 3 für die supraleitende Mag ¬ netspule 5 verlaufen. Um den Kühlmittelbehälter 11 ist ein äußerer Vakuumbehälter 9 angeordnet, durch den der Kühlmit- telbehälter 11 gegenüber der warmen Umgebung thermisch isoliert ist. Die Aufhängerohre 12 sind dabei als Durchführungen durch den Vakuumbehälter 9 ausgestaltet. Über die Stromzuführungen 3 ist die Magnetspule 5 mit Versorgungsleitern 7 eines hier nicht gezeigten äußeren Stromkreises verbunden. Jede der Stromzuführungen 3 weist ein kaltes, spulenseitiges Ende 3a auf, dessen Temperatur nahe bei der Betriebstemperatur der Magnetspule 5 liegt und ein davon abgewandtes warmes Ende 3b, dessen Temperatur nahe der äußeren Umgebungstemperatur liegt. In Fig. 2 ist eine schematische Prinzipdarstellung einer beispielhaften Stromzuführung 3 gezeigt, wie sie beispielsweise in der Spuleneinrichtung 1 der Fig. 1 zum Einsatz kommen kann. Die Stromzuführung 3 weist wiederum ein kaltes Ende 3a auf, das elektrisch mit der Magnetspule 5 verbunden ist und ein warmes Ende 3b, das elektrisch mit einem Versorgungslei ¬ ter 7 eines äußeren Stromkreises verbunden ist. Die Stromzu ¬ führung 3 umfasst in diesem Beispiel einen ersten supraleitenden Leitungsteil 13 und einen zweiten normalleitenden Leitungsteil 15, die miteinander elektrisch in Serie geschaltet sind. Hierbei ist der supraleitende erste Leitungsteil 13 auf der Seite des kalten Endes 3a angeordnet und der normallei ¬ tende zweite Leitungsteil 15 auf der Seite des warmen Endes 3b. Der supraleitende erste Leitungsteil 13 weist eine supra ¬ leitende Schicht auf, die hier als eine mittels Aerosol-Depo- sition abgeschiedene Magnesiumdiborid-Schicht auf einem me ¬ tallischen Trägersubstrat ausgebildet ist. Das normalleitende metallische Trägersubstrat ist dabei der supraleitenden

Schicht elektrisch parallelgeschaltet. Das kalte Ende 13a des ersten Leitungsteils 13 weist eine

Temperatur in der Nähe der Betriebstemperatur der Magnetspule 5 auf, in diesem Beispiel also in der Nähe von 5 K. Die Tem ¬ peratur des warmen Endes 13b des ersten Leitungsteils liegt wenige Grad unter der Sprungtemperatur von Magnesiumdiborid, in diesem Beispiel bei etwa 35 K. Die supraleitende Schicht des ersten Leitungsteils 13 ist hier also über die ganze Län ¬ ge dieses Leitungsteils supraleitend und transportiert den Strom nahezu verlustfrei. Im Kontaktbereich 14 zwischen dem ersten 13 und zweiten 15 Leitungsteil wechselt der Stromfluss von der supraleitenden Schicht auf vollständig normalleitendes Material des zweiten Leitungsteils 15, in diesem Beispiel eine Kupferleitung mit relativ großem Querschnitt. Über die Länge dieses zweiten Leitungsteils 15 wird ein Temperaturgra ¬ dient zwischen seinem kalten Ende 15a bei etwa 35 K und sei ¬ nem warmen Ende 15b bei etwa Raumtemperatur aufrechterhalten.

In Fig. 3 ist eine ähnliche schematische Prinzipzeichnung für eine weitere beispielhafte Stromzuführung 3 gezeigt, bei der ein zusätzlicher dritter Leitungsteil 17 in Serie zwischen den ersten 13 und den zweiten 15 Leitungsteil geschaltet ist. Dieser dritte Leitungsteil weist einen Hochtemperatursupra ¬ leiter mit einer höheren Sprungtemperatur als

Magnesiumdiborid auf, beispielsweise einen oxidkeramischen Cupratsupraleiter mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 77 K. Besonders geeignet sind Verbindungen des Typs REBa 2 Cu30 x , wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Dieser dritte Leiterteil 17 kann die Differenz zwischen der Temperatur von etwa 35K an seinem kalten Ende 17a und einer Temperatur etwas unterhalb der zugehörigen Sprungtemperatur an seinem warmen Ende 17b überbrücken . In Fig. 4 ist ein schematischer Querschnitt eines ersten Leitungsteils 13 einer Stromzuführung 3 gezeigt, wobei eine sup ¬ raleitende Schicht 23 auf der Außenfläche eines rohrförmigen Substrats 19 abgeschieden ist. Auch hier ist die supraleitende Schicht mittels Aerosol-Deposition aus Magnesiumdiborid- ausgebildet. Das Rohr 19 kann ein metallisches Rohr, bei ¬ spielsweise ein Stahlrohr sein, auf dem die supraleitende Schicht 23 direkt und als eine zusammenhängende Schicht abge ¬ schieden ist. Der erste Leitungsteil 13 umfasst in diesem Beispiel also vorteilhaft nur einen in sich zusammenhängenden Supraleiter 23, der elektrisch parallel mit dem ihn tragenden Substrat 19 geschaltet ist. Im Inneren des Rohrs kann ein Kühlmittel 21 strömen, beispielsweise kann verdampftes Helium aus dem Inneren des Kühlmittelbehälters 11 durch dieses Rohr nach außen strömen und dabei durch die gute thermische Leit ¬ fähigkeit des Trägersubstrats 19 auch die supraleitende

Schicht auf eine Betriebstemperatur unterhalb ihrer Sprungtemperatur kühlen.

Fig. 5 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung eines wei ¬ teren beispielhaften ersten Leitungsteils 13. Gezeigt ist ein schematischer Längsschnitt eines Ausschnitts des Trägersub ¬ strats 19, der flächig mit einer supraleitenden Schicht 23 beschichtet ist. Es kann sich dabei beispielsweise um einen

Längsschnitt durch eine Wand des in Fig. 4 gezeigten rohrför- migen Substrats 19 handeln. Auch in diesem Beispiel ist der gezeigte erste Leitungsteil 13 in seinem kalten Bereich 13a mit der hier nicht gezeigten Magnetspule 5 und in seinem war- men Bereich mit wenigstens einem weiteren Leitungsteil 15 und/oder 17 verbunden. Die Dicke 27 des Substrats ist im Be ¬ reich des warmen Endes 13b deutlich höher als im Bereich des kalten Endes 13a. Ebenso ist die Dicke 25 der supraleitenden Schicht 23 im Bereich des warmen Endes 13b deutlich höher als im Bereich des kalten Endes 13a. Die Variation beider

Schichtdicken führt zu einer verbesserten Stromtragfähigkeit in der Nähe des warmen Endes 13b. Durch die dickere supralei ¬ tende Schicht 23 kann so eine verminderte Stromtragfähigkeit in der Nähe der Sprungtemperatur des Supraleiters ausgegli- chen werden. Die erhöhte Dicke des metallischen Substratmate ¬ rials 19 dient zur zusätzlichen Sicherheit, falls die Sprung ¬ temperatur und/oder die kritische Stromdichte im Bereich des warmen Endes 13b überschritten wird. In diesem Fall kann das Trägersubstrat 19 durch seinen vergrößerten Querschnitt einen signifikanten Anteil des Gesamtstroms tragen. Durch die im

Bereich des kalten Endes 13a verringerte Schichtdicke 25 des Supraleiters und die verringerte Substratdicke 27 kann der Wärmeeintrag in die Spuleneinrichtung 1 trotzdem vorteilhaft gering gehalten werden.

Alternativ zu den vorab diskutierten Ausführungsbeispielen mit metallischen Trägersubstraten 19 kann das Trägersubstrat für die mittels Aerosol-Deposition hergestellte supraleitende Schicht 23 auch aus einem schlecht wärmeleitfähigen, nicht ¬ metallischen Material, beispielsweise aus Glas, Keramik oder Polymer bestehen. Auch hierbei sind allgemein flächige Sub- strate, rohrförmige Substrate sowie zahlreiche weitere Ausge ¬ staltungen möglich.