| JP3806177 | IMPROVED MRI MAGNET |
| JP2006261335 | SUPERCONDUCTING MAGNET APPARATUS |
| WO/1998/019317 | SUPERCONDUCTING MAGNETIC DEVICE |
HUBER, Norbert (Sachsenstraße 10, Erlangen, 91052, DE)
OOMEN, Marijn, Pieter (Aschaffenburger Straße 12, Erlangen, 91056, DE)
SIEMENS PLC, MR MAGNET TECHNOLOGY (Wharf Road, Eynsham Witney, Oxon OX29 4BP, GB)
ASTRA, Eugene (15 Merton Close, Oxford OX29 4QE, GB)
HUBER, Norbert (Sachsenstraße 10, Erlangen, 91052, DE)
OOMEN, Marijn, Pieter (Aschaffenburger Straße 12, Erlangen, 91056, DE)
| Patentansprüche 1. Supraleitende Magnetspule (10) mit zumindest einem ersten (100) und einem zweiten Teilbereich (200), wobei die Teilbereiche (100, 200) räumlich voneinander getrennt sind und mit einem Kühlmedium (30) in thermischem Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergang zwischen dem ersten Teilbereich (100) und dem Kühlmedium (30) größer ist als der Wärmeübergang zwischen dem zweiten Teilbereich (200) und dem Kühlmedium (30) . 2. Supraleitende Magnetspule (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübergangskoeffizienten in den Teilbereichen (100, 200) der Magnetspule (10) unterschiedlich sind, wobei der Wärmeübergangskoeffizient im ersten Teilbereich (100) größer ist als der Wärmeübergangskoeffizient im zweiten Teilbereich (200) . 3. Supraleitende Magnetspule (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche (100, 200) der Magnetspule (10) unterschiedliche Wärmeleitungskoeffizienten aufweisen, wobei der Wärmeleitungskoeffizient des ersten Teilbereichs (100) größer ist als der Wärmeleitungskoeffizient des zweiten Teilbereichs (200) . 4. Supraleitende Magnetspule (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (10) im ersten Teilbereich (100) Oberflächenstrukturen (110), insbesondere Riefen, Rippen und/oder Texturen, zur Ver- größerung der Oberfläche der Magnetspule (10) aufweist. 5. Supraleitende Magnetspule (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (10) im zweiten Teilbereich (200) eine Wärmeisolierung (210) aufweist, die die Magnetspule (10) thermisch vom Kühlmedium (30) isoliert. 6. Supraleitende Magnetspule (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (10) im zweiten Teilbereich (200) zur Wärmeisolierung - mit einer Beschichtung (210), insbesondere einer Kunstharz- Beschichtung, ausgestattet oder - mit einem wärmeisolierenden Material (210) umwickelt ist. 7. Supraleitende Magnetspule (10) nach einem der vorher- gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (10) einen Wicklungsträger (12) aufweist, wobei der Wärmeübergangskoeffizient des Wicklungsträgers (12) im ersten Teilbereich (100) der Magnetspule (10) größer ist als der Wärmeübergangskoeffizient des Wicklungsträgers (12) im zweiten Teilbereich (200) der Magnetspule (10) . 8. Supraleitende Magnetspule (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (10) einen Wicklungsträger (12) aufweist, wobei der Wärmeleitungskoeffizient des Wicklungsträgers (12) im ersten Teilbereich (100) der Magnetspule (10) größer ist als der Wärmeleitungskoeffizient des Wicklungsträgers (12) im zweiten Teilbereich (200) der Magnetspule (10) . 9. Supraleitende Magnetspule (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (10) eine Isolierung (13), insbesondere eine elektrische Isolierung, aufweist, wobei die Isolierung (13) im ersten Teilbereich (100) der Magnetspule (10) einen höheren Wärmeleitungskoeffizienten aufweist als die Isolierung (13) im zweiten Teilbereich (200) der Magnetspule (10) . 10. Magnetresonanztomographie-Anlage (MRT) mit einem Kryostaten (20), in dem sich ein Kühlmedium (30) befindet, und mit einer supraleitenden Magnetspule (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetspule (10) in dem Kryostaten (20) angeordnet ist. 11. Magnetresonanztomographie-Anlage (MRT) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium in dem Kryostaten in zumindest zwei Aggregatzuständen vorliegt, insbesondere in einem gasförmigen und in einem flüssigen Zustand. 12. Magnetresonanztomographie-Anlage (MRT) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (10) derart im Kryostaten angeordnet ist, dass der erste Teilbereich (100) der Magnetspule (10) zumindest zum Teil von flüssigem Kühlmedium und der zweite Teilbereich (200) der Magnetspule (10) zumindest zum Teil von gasförmigem Kühlmedium umgeben ist . |
Supraleitende Magnetspule mit Bereichen mit unterschiedlichem Wärmeübergang
Die Erfindung betrifft eine supraleitende Magnetspule und eine Magnetresonanztomographie-Anlage, aufweisend eine erfindungsgemäße supraleitende Magnetspule.
In der Magnetresonanztomographie (MRT) werden zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes, das in einer Größenordnung mehrerer Tesla liegt, bspw. 3T, üblicherweise Magnetspulen mit supraleitenden Spulenwicklungen verwendet, wobei die Spulenwicklung in und/oder auf einem Wicklungsträger platziert ist. Die Magnetspulen sind zur Kühlung in einem Kryostaten angeordnet, der in der Regel mit flüssigem Helium betrieben wird.
Üblicherweise ist der Kryostat zumindest zu einem Teil mit flüssigem Helium gefüllt. Dies ist jedoch zum Einen aus Kos- tengründen und zum Anderen aufgrund der langfristig zur Neige gehenden Heliumvorräte nachteilig.
In einem weiteren Ansatz zur Kühlung der supraleitenden Magnetspule zirkuliert das flüssige Helium in geeigneten Rohr- leitungen. Dieses Kühlsystem ist jedoch aufwändig und damit ebenfalls kostenintensiv.
Die vorliegende Erfindung setzt sich daher zum Ziel, eine kostengünstige und Ressourcen sparende Möglichkeit zur Küh- lung einer supraleitenden Magnetspule einer MRT-Anlage anzugeben .
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Räumliche Begriffe wie unten, unterhalb, oben, oberhalb etc. beziehen sich im Folgenden auf die Vertikale, d.h. die durch die Gravitationskraft vorgegebene Richtung.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis resultiert aus einer CFD-Studie („Computational Fluid Dynamics" bzw. numerische Strömungsdynamik), in der das Strömungsverhalten von gasförmigem Helium bei verschiedenen vorgegebenen Helium-Füllstandshöhen bzw. -Füllniveaus N in einem Kryostaten untersucht wurde, der bspw. in einer MRT-Anlage einzusetzen ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Kry- ostat nur bis zu dem Füllniveau N mit flüssigem Helium gefüllt wird und dass oberhalb des flüssigen Heliums Hei iq eine Helium-Gasphase He gas entsteht. In der Helium-Gasphase stellt sich zusätzlich eine Temperaturschichtung ein. In der Helium- Gasphase He gas herrschen höhere Temperaturen als in der flüssigen Phase Hei iq , so dass bspw. für eine in dem Kryostaten eingebaute Magnetspule die Gefahr eines Quenches, d.h. eines Zusammenbruchs der Supraleitung, nicht auszuschließen ist.
Die Studie hat zu der Erkenntnis geführt, dass der Kryostat für eine ausreichende Kühlung einer im Kryostaten angeordneten supraleitenden Magnetspule, die eine supraleitende Spulenwicklung und einen Wicklungsträger aufweist, tatsächlich nicht vollständig mit flüssigem Helium gefüllt sein muss. Die Temperatur der Magnetspule kann auch mit einem reduzierten Vorrat an flüssigem Helium, d.h. bei niedrigem Helium- Füllniveau N, unter dem für die Supraleitung kritischen Schwellwert gehalten werden.
Konkret zeigt die CFD-Studie, dass bei einem niedrigen Füllniveau N in dem Kryostaten in der Helium-Gasphase, d.h. oberhalb der flüssigen Phase, trotz konvektiver Zirkulationen Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen entstehen, die sich auf die Kühlung der Magnetspule auswirken. Die Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Querschnitt durch einen Kryostaten 20 und eine Magnetspule 10 mit Spulenwicklung 11 und Wicklungsträger 12 sowie die im Kryostaten 20 entstehenden Bereiche A-D mit unterschiedlichen Temperaturen. Im hier gezeigten Querschnitt ist die Spulenwicklung 11 in den Wicklungsträger 12 eingebettet:
— In einem Bereich A des Kryostaten 20 liegt flüssiges Helium Hei iq vor, d.h. hier erfolgt eine ideale Kühlung der Spulenwicklung. Temperaturen der Spulenwicklung sowie des Wicklungsträgers bleiben im Bereich des Helium-Siedepunktes (4,2-4,3K) . Der Bereich A befindet sich aufgrund der Gravitation natürlich „unten" in dem Kryostaten 20. — In einem Bereich B des Kryostaten 20, der sich unmittelbar oberhalb des Bereiches A anschließt, liegt das Helium gasförmig vor (He gas ) • Die Helium-Gastemperatur T He ist niedri ¬ ger als die Temperatur T 00 Ii der Spulenwicklung und des Wicklungsträgers der Magnetspule 10, d.h. T He (B) < T 001 I (B) , so dass auch hier noch eine effektive Kühlung erfolgt.
— Auch in einem Bereich C des Kryostaten 20, der direkt oberhalb von B liegt, liegt gasförmiges Helium He gas vor. Die Helium-Gastemperatur T He und die Temperatur T 001 I der Spulenwicklung und des Wicklungsträgers sind gleich, d.h. T He (C) = T 0011 (C) .
— Auch in einem Bereich D des Kryostaten 20 unmittelbar oberhalb von C liegt gasförmiges Helium He gas vor. Die Gastemperatur T He ist größer als die Temperatur T 001 I der Spulenwicklung und des Wicklungsträgers, d.h. T He (D) > T 001 I (D), da Wärme insbesondere über eine Wandung 21 des Kryostaten 20 eindringt. Dies hat zur Folge, dass die Spulenwicklung im Bereich D direkt durch das Heliumgas und indirekt durch den Wicklungsträger erwärmt wird, so dass in diesem Bereich das Auftreten eines Quenches wahrscheinlicher wird.
Die Ausdehnung der Bereiche A-D in vertikaler Richtung hängt vom Füllniveau N des flüssigen Heliums Hei iq im Kryostaten und von evtl. von außerhalb des Kryostaten eindringender Wärme ab .
Ausgehend von diesen Erkenntnissen wird vorgeschlagen, den Wärmeübergang zwischen der Magnetspule und dem umgebenden Kühlmedium an die jeweils lokal in den verschiedenen Berei- chen A-D herrschenden Bedingungen anzupassen: Teilbereiche der Magnetspule, die in Bereichen liegen, in denen eine Kühlung der Magnetspule erfolgt, da die Temperatur des umgebenden Kühlmediums niedriger ist als die Temperatur der Magnet- spule, werden so ausgestaltet, dass zwischen Magnetspule und Kühlmedium ein großer Wärmeübergang möglich ist. Es kann hier also eine große Wärmemenge zwischen der Magnetspule und dem umgebenden Medium ausgetauscht werden, so dass von der Magnetspule eine große Wärmemenge an das Helium abführbar ist. In obiger Nomenklatur betrifft dies die Bereiche A und B des Kryostaten .
Zusätzlich oder alternativ werden Teilbereiche der Magnetspule, die in Bereichen liegen, in denen die Temperatur des um- gebenden Mediums höher ist als die Temperatur der Magnetspule, so ausgestaltet, dass die Übertragung einer Wärmemenge zwischen Magnetspule und umgebenden Medium erschwert ist, so dass idealerweise keine Wärme vom Kühlmedium zur Magnetspule übertragbar ist. Demzufolge wird die Magnetspule in diesem Bereich nicht oder nur minimal vom umgebenden Medium erwärmt. In obiger Nomenklatur betrifft dies insbesondere den Bereich D.
Erfindungsgemäß wird demnach eine supraleitende Magnetspule mit zumindest einem ersten und einem zweiten Teilbereich vorgeschlagen, wobei die Teilbereiche räumlich voneinander getrennt sind und mit einem Kühlmedium in thermischem Kontakt stehen. Dabei ist der Wärmeübergang zwischen dem ersten Teilbereich und dem Kühlmedium größer als der Wärmeübergang zwischen dem zweiten Teilbereich und dem Kühlmedium.
Vorteilhafterweise wird dies dadurch realisiert dass die Wärmeübergangskoeffizienten in den Teilbereichen der Magnetspule unterschiedlich dimensioniert sind. Der Wärmeübergangskoeffizient im ersten Teilbereich ist größer ist als der Wärmeübergangskoeffizient im zweiten Teilbereich. Durch die so aneinander angepassten Eigenschaften der Magnetspule und des umgebenden Kühlmediums wird erreicht, dass im ersten Teilbereich eine größere Wärmemenge austauschbar ist als im zweiten Teilbereich.
Die Teilbereiche der Magnetspule weisen in einer vorteil- haften Ausgestaltung unterschiedliche Wärmeleitungskoeffizienten auf, wobei der Wärmeleitungskoeffizient des ersten Teilbereichs größer ist als der Wärmeleitungskoeffizient des zweiten Teilbereichs. Die so optimierten Eigenschaften der Magnetspule ermöglichen, dass der erste Teilbereich der Magnetspule geeignet ist, eine große
Wärmemenge an das Kühlmedium abzugeben, während der zweite Teilbereich ausgebildet ist, nur eine vergleichsweise geringe Wärmemenge vom umgebenden Kühlmedium aufzunehmen.
Vorteilhafterweise weist die Magnetspule im ersten
Teilbereich Oberflächenstrukturen, insbesondere Riefen, Rippen und/oder Texturen, zur Vergrößerung der Oberfläche der Magnetspule auf. Damit wird ein erhöhter Wärmeübergang an der Ggrenzfläche zwischen dem ersten Teilbereich und dem Kühlmedium erreicht.
Vorteilhafterweise weist die Magnetspule im zweiten Teilbereich eine Wärmeisolierung auf, die die Magnetspule thermisch vom Kühlmedium isoliert. Damit wird der Wärmeübergang zwischen dem zweiten Teilbereich und dem Kühlmedium reduziert.
Vorteilhafterweise ist die Magnetspule im zweiten Teilbereich zur Wärmeisolierung mit einer Beschichtung, insbesondere ei- ner Kunstharz-Beschichtung, ausgestattet oder mit einem wärmeisolierenden Material umwickelt. Damit wird der Wärmeübergang zwischen dem zweiten Teilbereich und dem Kühlmedium reduziert .
In einer besonderen Ausgestaltung weist die Magnetspule neben der eigentlichen stromführenden Spulenwicklung einen Wicklungsträger auf. Der Wärmeübergangskoeffizient des Wicklungsträgers ist im ersten Teilbereich der Magnetspule größer ist als der Wärmeübergangskoeffizient des Wicklungsträgers im zweiten Teilbereich der Magnetspule.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Wärmeleitungs- koeffizient des Wicklungsträgers im ersten Teilbereich der Magnetspule größer ist als der Wärmeleitungskoeffizient des Wicklungsträgers im zweiten Teilbereich der Magnetspule.
Vorteilhafterweise weist die Magnetspule eine Isolierung, insbesondere eine elektrische Isolierung, auf, wobei die Isolierung im ersten Teilbereich der Magnetspule einen höheren Wärmeleitungskoeffizienten aufweist als die Isolierung im zweiten Teilbereich der Magnetspule.
Eine erfindungsgemäße Magnetresonanztomographie-Anlage weist eine erfindungegemäße supraleitende Magnetspule und einen Kryostaten auf, in dem sich ein Kühlmedium befindet. Die Magnetspule ist dabei in dem Kryostaten angeordnet.
Vorteilhafterweise liegt das Kühlmedium in dem Kryostaten in zumindest zwei Aggregatzuständen vor, insbesondere in einem gasförmigen und in einem flüssigen Zustand.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Magnetspule derart im Kryostaten angeordnet, dass der erste Teilbereich der Magnetspule zumindest zum Teil von flüssigem Kühlmedium und der zweite Teilbereich der Magnetspule zumindest zum Teil von gasförmigem Kühlmedium umgeben ist.
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt:
Figur 1 einen Querschnitt durch einen Kryostaten und eine in diesem befindliche Magnetspule mit Darstellung der sich ausbildenden Temperaturbereiche, Figur 2 eine 3D-Ansicht eines Kryostaten und einer Magnetspule,
Figur 3 einen Querschnitt durch einen Kryostaten und eine in diesem befindliche Magnetspule mit Darstellung der sich ausbildenden Temperaturbereiche und zweier
Teilbereiche der Magnetspule,
Figur 4 einen Querschnitt durch einen Kryostaten und eine in diesem befindliche Magnetspule mit Darstellung der sich ausbildenden Temperaturbereiche und dreier Teilbereiche der Magnetspule zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten.
In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Die Flussrichtungen in Leitungen sind durch Pfeile gekennzeichnet.
Die Figur 2 zeigt exemplarisch eine vereinfachte, anschauliche Darstellung einer zu kühlenden, supraleitenden Magnetspu- Ie 10 sowie einen Kryostaten 20. In der Figur 2 sind Magnetspule 10 und Kryostat 20 voneinander getrennt dargestellt. Im zusammengebauten Zustand, bspw. für eine MRT-Anlage, ist die Magnetspule 10 in den Kryostaten 20 eingesetzt. In den Figuren ist zur Vereinfachung nur eine Magnetspule 10 darge- stellt, die jedoch tatsächlich in der Regel ein System bestehend aus mehreren einzelnen Magnetspulen umfasst.
Die Magnetspule 10 hat die Form eines dickwandigen Hohlzylin- ders mit kreiszylindrischem Querschnitt und besteht in der Regel, hier aber nicht im Detail gezeigt, aus einem Wicklungsträger und einer supraleitenden Spulenwicklung, die ihrerseits aus einer Vielzahl von Windungen eines supraleitenden Leiters besteht. Die Spulenwicklung kann zum Teil in den Wicklungsträger eingebettet und zu einem anderen Teil außen oder innen auf den Wicklungsträger aufgebracht sein. Weiterhin kann die Magnetspule 10 von einer elektrischen Isolierung 13 umgeben sein (dargestellt in der Figur 3), um evtl. Kurzschlüsse und Spannungsüberschläge zu benachbarten Spulen und auf Masse liegenden Bauteilen zu verhindern. Die elektrische Isolierung 13 kann aus div. Kunststoffen und Vergussharzen bestehen, bspw. ein Epoxydharz (z.B. „Stycast") mit einem Aluminiumoxidpulver oder mit Glaskugeln.
Der Kryostat 20 besteht im Prinzip aus zwei ineinander liegenden, koaxial angeordneten Hohlzylindern 21, 22 mit unterschiedlichen Durchmessern. Der Raum zwischen den Mantelflächen der Zylinder 21, 22 ist an den Zylinderstirnseiten abge- schlössen, so dass im Raum ein Kühlmedium, bspw. Helium, gehalten werden kann. Typischerweise beträgt der Durchmesser des äußeren Zylinders 21 etwa 2m, während der Durchmesser des inneren Zylinders 22 etwa Im beträgt. Die Länge der Zylinder beträgt etwa 2m. Zur Untersuchung eines Patienten mit der MRT-Anlage wird dieser innerhalb des inneren Zylinders 22 auf einer nicht dargestellten Patientenliege gelagert.
Um die Supraleitung der Magnetspule 10 bzw. der Spulenwicklung zu gewährleisten, muss diese auf eine entsprechende Tem- peratur herabgekühlt werden. Hierzu befindet sich die Magnetspule 10 in dem Kryostaten 20 im besagten Raum zwischen den Mantelflächen der Zylinder 21, 22. Wie bereits erwähnt befindet sich dort auch das zur Kühlung der Magnetspule 10 und insbesondere der supraleitenden Spulenwicklung benötigte Kühlmittel (Helium) . Die Magnetspule 10 steht in thermischem Kontakt mit dem Helium, so dass ein Wärmeübergang zwischen Magnetspule 10 und Helium gewährleistet ist. Der Raum ist jedoch nicht vollständig mit flüssigem Helium Hei iq gefüllt, sondern nur zu einem Teil, der sich auf Grund der Gravitation unten im Kryostaten in einem Heliumsee ansammelt.
Je nach eingefüllter Menge befindet sich die Oberfläche des Heliumsees auf einem Füllniveau N. Unterhalb des Füllniveaus N bildet sich der einleitend als „Bereich A" bezeichnete Be- reich aus, in dem flüssiges Helium Hei iq vorliegt. Unmittelbar oberhalb des Niveaus N schließt sich an die flüssige Phase Hei iq die Helium-Gasphase H gas an, wobei sich der Bereich B, in dem die Gastemperatur T He geringer ist als die Magnetspulen- temperatur T 00 Ii, ausbildet. Wiederum unmittelbar oberhalb des Bereichs B, d.h. im Bereich C, ist die Gastemperatur T He gleich der Temperatur der Magnetspule T 001I , während in dem darüber liegenden Bereich D die Gastemperatur T He größer ist als die Magnetspulentemperatur T 001 I. Die sich hieraus ergebenden Auswirkungen auf die Kühlung der Magnetspule 10 wurden einleitend zusammengefasst : Ein Teilbereich 100 (vgl. Figur 2 und 3) der Magnetspule 10, der vorteilhafterweise, wenn die Magnetspule 10 in den Kryopstaten 20 eingebaut ist, im Be- reich A und evtl. auch zumindest zum Teil im Bereich B des Kryostaten 20 liegt, kann gekühlt werden, während für einen Teilbereich 200 der Magnetspule 10, der sich im Bereich D befindet, der Nachteil besteht, dass er aufgewärmt wird.
Erfindungsgemäß wird die Magnetspule 10 derart ausgebildet, dass sie zumindest zwei Teilbereiche 100, 200 aufweist, die unterschiedliche Wärmeleitungskoeffizienten bzw. Wärmeübergangskoeffizienten aufweisen. Dementsprechend sind auch die Spulenwicklung 11 und/oder der Wicklungsträger 12 in die zwei Teilbereiche unterteilt.
Der Wärmeleitungskoeffizient ist ein Stoffparameter und wird in der Einheit W/m/K angegeben. Der Wärmeübergangskoeffizient ist im Unterschied zum Wärmeleitungskoeffizienten eine Zahl, die den Wärmestrom zwischen zwei Körpern oder zwischen einem Körper und einem Fluid charakterisiert. Dessen Einheit ist W/m 2 /K. Der Wärmeübergangskoeffizient stellt mit anderen Worten ein Maß für die an einer Grenzfläche zwischen zwei Medien ausgetauschte Wärmemenge bzw. thermische Energie dar, d.h. ein Maß für den Wärmeübergang von einem zum anderen Medium bei gegebenem Temperaturunterschied. Dabei bedeutet ein großer Wärmeübergangskoeffizient, dass bereits bei einem geringen Temperaturunterschied eine große Wärmemenge von einem zum anderen Medium transportiert werden kann. Dies ist gleichbe- deutend damit, dass ein Objekt wie die Magnetspule durch ein Kühlmedium unter der Voraussetzung, dass das Kühlmedium kälter als das Objekt ist, dann effizient zu kühlen ist, wenn ein großer Wärmeübergangskoeffizient vorliegt. Der Wärmeübergangskoeffizient ist zum Einen materialabhängig. Bspw. Wärmeisolierstoffe weisen einen niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten auf. Konkret hängt der Wärmeübergangskoef- fizient von der Temperaturdifferenz zwischen den Medien und von der spezifischen Wärmekapazität, der Dichte und den Wärmeleitungskoeffizienten des wärmeabführenden sowie des wärmeliefernden Mediums ab. Außerdem hängt der Wärmeübergang natürlich von der Größe der Grenzfläche bzw. der Oberfläche zwischen den Medien ab.
Im ersten Teilbereich 100 der Magnetspule 10, der sich, wenn die Magnetspule 10 in den Kryostaten 20 eingebaut ist, bspw. in den Bereichen A, B des Kryostaten 20 befindet, liegt ein großer Wärmeübergangskoeffizient vor. Der große Wärmeübergangskoeffizient gewährleistet einen starken Wärmeübergang zwischen Kühlmedium 30 und Magnetspule 10, so dass von der Magnetspule 10 eine große Wärmemenge an das Kühlmedium 30 abgeführt werden kann bzw. dass bei gegebener abzuführenden Wärmemenge die Spulentemperatur nur geringfügig höher ist als die Temperatur des Kühlmediums.
Der zweite Teilbereich 200 der Magnetspule 10 befindet sich im eingebauten Zustand der Magnetspule 10 im Kryostaten 20 im Bereich D. Im Teilbereich 200 liegt ein niedriger Wärmeübergangskoeffizient vor, so dass nur ein minimaler Austausch von Wärme zwischen der Magnetspule 10 und dem Kühlmedium 30 möglich ist. Der niedrige Wärmeübergangskoeffizient bewirkt, dass die Temperatur der Magnetspule 10 im Teilbereich 200 im Wesentlichen konstant bleibt, da der Wärmeübergang zwischen Magnetspule 10 und Kühlmedium 30 an dieser Stelle minimal ist. Die in Bereich D in der Spule eintretende Wärme muss in Bereich A und B wieder abgeführt werden. Ein geringer Wärmeübergangskoeffizient in Bereich D hilft also wiederum, dafür zu sorgen, dass die Spule nicht viel wärmer wird als das Kühlmedium in Bereich A und B. Durch eine geeignete Materialwahl für die Magnetspule 10, insbesondere für den Wicklungsträger 12, kann demnach der Wärmeübergangskoeffizient nach Bedarf beeinflusst werden. Weiterhin kann der Wärmeübergangskoeffizient durch eine Ver- größerung der Grenzfläche zwischen den Medien, d.h. zwischen der Magnetspule 10 und dem Kühlmedium 30, erhöht werden.
Um den erhöhten Wärmeübergang im Teilbereich 100 zu erreichen, kann die Grenzfläche zwischen Magnetspule 10 und umge- benden Kühlmedium 30 vergrößert werden, bspw. im Vergleich zu einer Magnetspule mit glatter Oberfläche. Hierzu werden in die Oberfläche der Magnetspule 10 Oberflächenstrukturen 110 eingebracht, bspw. Riefen, Rippen oder andere Texturen. Zusätzlich oder alternativ wird für die elektrische Isolierung 13 der Magnetspule 10 ein Material mit hoher Wärmeleitung bzw. mit einem großen Wärmeleitungskoeffizienten gewählt, bspw. Isolationsmaterialien mit Wärmeleitfähigkeiten, die deutlich über einem Wert von 0,2W/m/K. Weiterhin kann auch der Wicklungsträger 12 im Teilbereich 100 aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein. Typischerweise besteht der Wicklungsträger 12 aus einer Aluminiumlegierung. Ebenso geeignet sind aber auch bspw. glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) .
Um den Wärmeübergang im Teilbereich 200 zu minimieren, wird der Teilbereich 200 im einfachsten Fall mit einer Wärmeisolierung 210 mit niedrigem Wärmeübergangskoeffizienten und Wärmeleitungskoeffizienten ausgestattet. Bspw. kann der Teilbereich 200 der Magnetspule 10, bevor sie in den Kryostaten 20 eingebaut wird, in ein Kunstharz-Bad (Resine) getaucht werden, so dass der Teilbereich 200 mit einer zusätzlichen isolierenden Kunstharz-Beschichtung 210 überzogen ist. Alternativ kann diese isolierende Beschichtung 210 bspw. auch aufgesprüht oder aufgestrichen werden. Weiterhin ist es denkbar, den Teilbereich 200 mit einem isolierenden Material 210, bspw. Teflon- oder Kaptonbandagen oder -folien, zu verpacken oder zu umwickeln. Auch kunstharzimprägnierte Wicklungen sind geeignet . Ebenso ist es denkbar, den Wicklungsträger 12 im Teilbereich 200 aus einem Material mit niedrigem Wärmeleitungkoeffizienten herzustellen, während der Wicklungsträger im Teilbereich 100 aus einem Material mit hohem Wärmeleitungkoeffizienten besteht .
Insbesondere für offene Systeme, bei denen die Füllhöhe N mit der Zeit sinkt, ist bei der Festlegung und Dimensionierung der Teilbereiche 100 und 200 der Magnetspule 10 zu beachten, dass das Füllniveau N des flüssigen Heliums 30 nach dem anfänglichen Einfüllen in den Kryostaten 20 im normalen Betrieb mit der Zeit absinken wird. Mit dem Füllniveau N sinken auch die Bereiche B und C relativ zur Magnetspule 10 nach unten, während sich der Bereich D nach unten ausdehnt. Dies kann zur Folge haben, dass ein Bereich, der anfangs bspw. dem Bereich B zugeordnet wurde, nach einiger Zeit dem Bereich C zuzuordnen ist. Dementsprechend wird die Magnetspule dort anfangs noch gekühlt (im Bereich B gilt T He < T 00 Ii ) , später aber, wenn der Bereich C entsprechend weit abgesunken ist, nicht mehr. Im Extremfall sinken das Füllniveau N und die Bereiche B, C so weit ab, dass sich der Bereich D bis in Regionen ausdehnt, in denen anfangs noch eine Kühlung der Magnetspule 10 erfolgte.
Die Magnetspule 10 kann in einer weiteren Ausführungsform einen weiteren Teilbereich 300 aufweisen, der zwischen den Teilbereichen 100 und 200 angeordnet ist. Der Wärmeübergangskoeffizient im Teilbereich 300 weist einen Wert auf, der zwi- sehen den Wärmeübergangskoeffizienten der Teilbereiche 100 und 200 liegt.
Idealerweise werden die Teilbereiche 100, 200, 300 in Abhängigkeit vom anfänglichen Füllniveau N des flüssigen Heliums im Kryostaten 20 dimensioniert. Dabei wird davon ausgegangen, dass von vorne herein bekannt ist, bis zu welchem Füllniveau der Kryostat 20 üblicherweise aufgefüllt wird. Da für den Normalbetrieb des Kryostaten bekannt ist, wie sich das Füll- niveau N und die Lage und Ausdehnung der Bereiche A, B, C, D mit der Zeit entwickeln und bei welchem minimalen Füllniveau N wieder flüssiges Helium nachgefüllt wird, kann die Dimensionierung der Teilbereiche 100, 200, 300 der Magnetspule 10 hinsichtlich dieser Entwicklung optimiert werden.
Bspw. kann die Dimensionierung wie in der Figur 4 angedeutet erfolgen. Die Figur 4A zeigt die Lage und Ausdehnung der Bereiche A, B, C, D zu einem Zeitpunkt tθ unmittelbar nach dem Befüllen des Kryostaten bis zum Füllniveau N. Die Figur 4B zeigt die Bereiche A, B, C, D zu einem späteren Zeitpunkt tl, zu dem der Kryostat 20 üblicherweise wieder mit flüssigem Helium aufgefüllt wird. Die Teilbereiche 100, 200, 300 der Magnetspule 10 können z.B. so dimensioniert werden, dass sich der Teilbereich 300 zum Zeitpunkt tl weitestgehend mit dem
Bereich C überdeckt. Damit ist sichergestellt, dass der vergleichsweise warme Bereich D nicht bis in den Teilbereich 100 der Magnetspule 10 vordringt, in dem ein großer Wärmeübergang zwischen Magnetspule 10 und Kühlmedium 30 möglich ist. Die vorgeschlagene Dimensionierung stellt natürlich nur eine von vielen Möglichkeiten dar. Andere Modelle zur Dimensionierung der Teilbereiche 100, 200, 300 sind ebenfalls denkbar, es ist jedoch grundsätzlich zu beachten, dass sich die Lage und Ausdehnung der Bereiche A, B, C, D mit der Zeit ändert.
Eine noch weiter gehende Anpassung wäre dadurch möglich, dass die Magnetspule 10 mit vier oder mehr Teilbereichen ausgestattet wird.