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    EinMagnetsystem mit einer Magnetanordnung (M), einem Arbeitsvolumen(V) und einem Pulsrohrkühler(P) mit magnetischem Regeneratormaterial (r), ist dadurch gekennzeichnet,dass eine Abschirmung (m) aus magnetischem Material vorgesehen ist,welche das Streufeld der Magnetanordnung am Ort des magentischen Regeneratormaterials(r) reduziert und sich dadurch auszeichnet, dass, wobei mMag für das Dipolmomentdes magnetischen Materials der Abschirmung (m), Δx für die Vibrationsamplitude desmagnetischen Materials der Abschirmung (m), mReg für die Amplitudeder Dipolschwankungen des magnetischen Regeneratormaterials (r)in einem Zyklus ohne magnetische Abschirmung (m), für die Amplitude der Dipolschwankungendes magentischen Regeneratormaterials (r) in einem Zyklus mit magnetischerAbschirmung (m) und R fürden mittleren Abstand des magnetischen Regeneratormaterials (r)zum Arbeitsvolumen (V) steht. Mit einem derartigen Magnetsystem kannein möglichststabiles, zeitlich konstantes Magnetfeld im Arbeitsvolumen (V) realisiertwerden.
    公开号:DE102004023072A1
    申请号:DE200410023072
    申请日:2004-05-11
    公开日:2005-12-08
    发明作者:Pierre-Alain Dr.sc.math. Bovier；Andreas Dr.sc.techn. Kraus；Patrik Dr.sc.nat. Vonlanthen
    申请人:Bruker Biospin AG；Bruker BioSpin SAS；
    IPC主号:F25B9-14
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Magnetsystem mit einer Magnetanordnung, einemArbeitsvolumen und einem Pulsrohrkühler mit magnetischem Regeneratormaterial.
    [0002] DieVerwendung von Pulsrohrkühlernzur Kühlungvon Elementen einer Magnetanordnung ist beispielsweise aus der EP 0 905 434 bekannt. Dortwird der Pulsrohrkühlerdazu verwendet, das Heliumbad auf Temperaturen unter 4.2 K zu bringen.Die sich darin befindenden Magnetspulen können ein höheres Feld als bei 4.2 K erzeugen,da bei tieferer Temperatur höhereStrömedurch den Supraleiter fließenkönnen.
    [0003] Ausder US 6,029,458 isteine Magnetanordnung mit einem Kolbenrefrigerator bekannt, der einen Schieberaus Materialien mit magnetischem Phasenübergang aufweist. Zur Abschirmungder durch die Bewegung des Schiebers auftretenden Störfelderwird eine den Refrigerator umgebende supraleitende Hülse vorgeschlagen,die zwischen dem kalten Ende des Refrigerators und dem Untersuchungsvolumenangeordnet ist. Die supraleitende Hülse umgibt dabei 90° bis 270° des kaltenEndes des Refrigerators. Durch das magnetische Störfeld desRegeneratormaterials wird in der Hülse ein dem Störfeld entgegengesetztes magnetisches Feld induziert, das den magnetischen Flussdurch die Hülsekonstant halten und das Störfeldsomit kompensieren soll. Es hat sich jedoch herausgestellt, dassderartige Anordnungen eine hohe Quenchgefahr bergen, und somit keinezuverlässigeund stabile Abschirmung ermöglichen.Zudem könnenFelder parallel zur Hülse nichtkompensiert werden, weil sich Abschirmströme aufgrund des unvollständigen Umfangsvon 90° bis270° praktischnicht aufbauen können.
    [0004] DesWeiteren ist aus der EP 0 905524 ein Magnetsystem mit einer supraleitenden Magnetanordnung undeinem Pulsrohrkühlerbekannt. In diesem Magnetsystem ist der Pulsrohrkühler ineinem Aufhängerohrdes Systems angeordnet. Er kann eine verdampfende kryogene Flüssigkeitwieder verflüssigen.
    [0005] Pulsrohrkühler weisen,verglichen mit anderen Kühlern,viel weniger Vibrationen auf, was bei störempfindlichen Magnetsystemenein großerVorteil ist. Um die Kühlungvon Tieftemperatursupraleitern zu ermöglichen, sind Temperaturenvon und unter 4.2 K von Interesse. Besonders hohe Kühlleistungenhaben in diesem Temperaturbereich Pulsrohrkühler mit magnetischen Regeneratormaterialien.Insbesondere seltene Erden im Regeneratormaterial eines Pulsrohrkühlers ermög licheneine gute Kühlleistung,sogar bei Temperaturen bis 4.2 K. Diese gute Kühlleistung ist auf die große Wärmekapazität der seltenenErden in der Näheihres magnetischen Phasenübergangszurückzuführen. Aufgrunddieses Phasenübergangswerden die seltenen Erden vom Streufeld der Magnetanordnung magnetisiert.Innerhalb eines Kühlzyklusverändernsich mit der Temperatur auch die magnetischen Eigenschaften desRegeneratormaterials. Seine Magnetisierung im Streufeld der Magnetanordnungverändertsich also periodisch. Diese Schwankung der Magnetisierung bewirkteine zeitlich veränderlicheelektromagnetische Störungim Arbeitsvolumen der Magnetanordnung. Diese Zeitabhängigkeit derMagnetisierung wurde in der Patentschrift EP 0 905 434 übersehen. Vielmehr ging mandort davon aus, dass die Magnetisierung des Regeneratormaterialseine statische Homogenitätsstörung imArbeitsvolumen erzeugt, was unproblematisch wäre.
    [0006] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist es, ein Magnetsystem vorzuschlagen,das mit einem Pulsrohrkühlermit magnetischem Regeneratormaterial ausgestattet ist und trotzdemein möglichststabiles, zeitlich konstantes Magnetfeld im Arbeitsvolumen realisiert.
    [0007] DieseAufgabe wird erfindungsgemäß dadurchgelöst,dass eine Abschirmung aus magnetischem Material vorgesehen ist,welche das Streufeld der Magnetanordnung am Ort des magnetischenRegeneratormaterials reduziert und sich dadurch auszeichnet, dass
    [0008] Durchdie erfindungsgemäße Abschirmungaus magnetischem Material kann das Streufeld der Magnetanordnungam Ort des magnetischen Regeneratormaterials abgeschirmt werden.Somit könnendie Dipolschwankungen des magnetischen Regeneratormaterials reduziertund die daraus resultierenden elektromagnetischen Störungen imArbeitsvolumen der Magnetanordnung effizient unterdrückt werden.Besonders geeignet zur Abschirmung des magnetischen Regeneratormaterialsist weichmagnetisches Material, welches Feldlinien anzieht und sodas Magnetfeld in seinem Inneren abschirmt.
    [0009] Durchdas Streufeld der Magnetanordnung wird das Material des Hohlzylindersmagnetisiert und bildet einen magnetischen Dipol. Obwohl ein Pulsrohrkühler zuden vibrationsärmstenKühlern überhauptgehört, sindkleinere Vibrationen vorhanden, die auf die Abschirmung aus magnetischemMaterial übertragenwerden können.Die erfindungsgemäße Abschirmungaus magnetischem Material kann als vibrierender magnetischer Dipolangesehen werden, welcher im Arbeitsvolumen der Magnetanordnungeine periodische elektromagnetische Störung erzeugt, die unter Umständen größer seinkann als die ursprünglicheStörungdes magnetischen Regeneratormaterials. Um dieses Problem zu vermeiden,muss der Betrag der Feldstörungvom magnetischem Regeneratormaterial und von der magnetischen Abschirmungim Arbeitsvolumen der Magnetanordnung abgeschätzt und die Parameter der Abschirmungentsprechend ausgelegt werden. Wenn die oben aufgeführte Ungleichung
    [0010] EinEinsatzgebiet von Pulsrohrkühlernin dem erfindungsgemäßen Magnetsystemumfasst beispielsweise die Kühlungeiner supraleitenden Magnetanordnung oder Teile eines Kryostaten,in welcher sich die supraleitende Magnetanordnung befindet. Dietiefen Temperaturen sind in einem solchen Magnetsystem aufgrundder supraleitenden Eigenschaften der Drähte nötig. Derartige Magnetsystemewerden beispielsweise zur Erzeugung extrem hoher, homogener Magnetfelderverwendet.
    [0011] Beieinem weiteren Einsatzgebiet des Pulsrohrkühlers wird die Kühlung vonMessvorrichtungen im Arbeitsvolumen der Magnetanordnung angestrebtmit dem Vorteil der Reduktion des thermischen Rauschens im Signal.Insbesondere in der Magnetresonanzspektroskopie reduziert die Kühlung derMessvorrichtung den Rauschpegel im Signal dermaßen, dass erheblich kürzere Messzeitenmöglichwerden.
    [0012] Ineiner besonders bevorzugten Ausführungsformdes Magnetsystems weist das magnetische Material der Abschirmungeine maximale Permeabilität μmax vonmindestens 10000 auf. Die maximale Permeabilität ist der größte Wertder relativen Permeabilität,welche eine Funktion des Feldes ist. Da die relative Permeabilität ein Maß für die Abschirmwirkungist, kann eine magnetische Abschirmung aus einem Material mit hoher maximalerPermeabilitätdas Streufeld der Magnetanordnung am Ort des magnetischen Regeneratormaterials ambesten abschirmen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dassdie magnetische Abschirmung, solange sie nicht in der magnetischenSättigungist, Reststörungen,die im magnetischen Regeneratormaterial eventuell noch entstehen,durch Variationen ihrer Magnetisierung entgegenwirken und so dieStöramplitudeim Arbeitsvolumen noch weiter reduzieren kann.
    [0013] Besondersvorteilhaft ist es, wenn die Sättigungsinduktiondes magnetischen Materials mindestens 1 Tesla, vorzugsweise 2 Teslabeträgt.So kann auch einem relativ starken Streufeld der Magnetanordnungam Ort des magnetischen Regeneratormaterials mit wenig Abschirmmaterialein Gegenfeld aufgebaut werden. Eine hohe Sättigungsinduktion bewirkt auch,dass das magnetische Material nicht leicht in die magnetische Sättigunggetrieben wird. Das magnetische Material schirmt so einerseits dasStreufeld der Magnetanordnung am Ort des magnetischen Regeneratormaterialsimmer noch ab und kann andererseits den eventuell noch im magnetischenRegeneratormaterial entstehenden Störungen durch Variationen seinerMagnetisierung im Arbeitsvolumen entgegenwirken.
    [0014] Ineiner bevorzugten Ausführungsformumfasst die magnetische Abschirmung mindestens einen Hohlzylinder,der das abzuschirmende magnetische Regeneratormaterialumschließt. Da derRegenerator meistens die Geometrie eines Zylinders aufweist, istein Hohlzylinder die einfachst möglicheAusführungsformfür die magnetischeAbschirmung. Typischerweise werden Abschirmmaterialien in Folienhergestellt. Das Aufwickeln von Folie auf einem Zylinderträger führt aufeinfache Weise zur gewünschtenGeometrie.
    [0015] Ineiner besonders bevorzugten Ausführungsformbesteht der innere Teil des Hohlzylinders aus Material mit hoherPermeabilität μmax>10000, während der äußere Teilaus Material mit hoher Sättigungsinduktion >1 Tesla besteht. Durchdie hohe Sättigungsinduktiondes äußeren Materialswird eine starke Reduzierung des Streufelds der Magnetanordnungerreicht, wodurch sich der innere Teil des Hohlzylinders mit derhohen Permeabilitätbereits in einem stark reduzierten Feld befindet, welches dann optimalabgeschirmt werden kann. Insbesondere kann ein starkes Streufeldder Magnetanordnung am Ort des Regenerators gut abgeschirmt und somitdie Entstehung einer elektromagnetischen Störung im magnetischem Regeneratormaterialunterdrückt werden.
    [0016] Vorteilhafterweisesoll der Außendurchmesserdes Hohlzylinders kleiner als das 1,5-fache des Außendurchmessersdes abzuschirmenden magnetischen Regeneratormaterials sein. Je kleinerder Außendurchmesserdes Hohlzylinders ist, desto kleiner ist auch das Dipolmoment desmagnetischen Materials, aus dem der Hohlzylinder besteht, so dassdie geforderte Bedingung, nämlichdass
    [0017] Ineiner bevorzugten Ausführungsformdes erfindungsgemäßen Magnetsystems überragtmindestens ein axiales Ende des Hohlzylinders das abzuschirmendemagnetische Regeneratormaterial um mindestens ein Drittel des Innendurchmessersdes Hohlzylinders. Diese überdie eigentliche Abmessung des abzuschirmenden magnetischen Regeneratormaterialshinausgehende Verlängerungdes Hohlzylinders gewährleistet, dassdas Streufeld der Magnetanordnung am Ort des magnetischen Regeneratormaterialswirklich durch die Abschirmung reduziert wird. An den axialen Endendes Hohlzylinders müssennämlichkonzentrierte Feldlinien das magnetische Material wieder verlassen,was vor allem bei Feldern parallel zur Achse des Zylinders zu lokalenFeldüberhöhungen führt.
    [0018] Ineiner besonders bevorzugten Ausführungsform überragtmindestens ein axiales Ende des Hohlzylinders das abzuschirmendemagnetische Regeneratormaterial um höchstens das Zweifache des Innendurchmessersdes Hohlzylinders. Da mit wachsender Ausdehnung des Hohlzylindersdie Sättigungdes magnetischen Materials schneller erreicht ist, ist es wünschenswert,den Hohlzylinder so kurz wie möglichauszuführen,wobei jedoch bei der Wahl der Abmessung des Hohlzylinders auch diezuvor beschriebenen Randeffekte beachtet werden müssen, umeine befriedigende Abschirmwirkung zu erreichen.
    [0019] Ineiner bevorzugten Ausführungsformdes erfindungsgemäßen Magnetsystemsumfasst das abzuschirmende magnetische Regeneratormaterial lediglichBereiche des Regeneratormaterials, an denen Magnetisierungsschwankungenstattfinden, die mehr als 10% der im Regeneratorbetrieb auftretendenmaximalen Magnetisierungsschwankung innerhalb des gesamten Regeneratormaterialsbetragen. Somit wird das Volumen des magnetischen Materials derAbschirmung auf ein tragbares Minimum reduziert, so dass einerseits Materialkosteneingespart werden können undandererseits die infolge der Vibrationen der Abschirmung auftretendenStörungenminimiert werden.
    [0020] DesWeiteren ist es vorteilhaft, wenn sich im Betrieb zumindest einTeil des magnetischen Materials nicht in der magnetischen Sättigungbefindet, da ein Material in der magnetischen Sättigung einen Teil des Streufeldesder Magnetanordnung nicht abschirmen kann. Auch Störungen,die eventuell im Regeneratormaterial noch entstehen, können durchein Material in der magnetischen Sättigung im Arbeitsvolumen nichtkompensiert werden.
    [0021] Besondersvorteilhaft ist es, wenn die Abschirmung aus magnetischem Materialtemperaturstabilisert, insbesondere wärmeleitend mit einem Strahlungsschild,einer Kältestufedes Pulsrohrkühlersoder einem Behältermit kryogener Flüssigkeitverbunden ist. Dies ist vor allem interessant, wenn sich die Abschirmungnahe am magnetischem Regeneratormaterial befindet, da sich die immagnetischem Regeneratormaterial stattfindenden Temperaturschwankungenauch auf das magnetische Material der Abschirmung übertragenkönnten. Mitihren temperaturabhängigenmagnetischen Eigenschaften wäresonst die magnetische Abschirmung ein zeitabhängiger magnetischer Dipol undwürde imArbeitsvolumen unerwünschteelektromagnetische Störungenerzeugen.
    [0022] Umdie Temperaturschwankungen in der magnetischen Abschirmung zu unterdrücken, kanndie Abschirmung aus magnetischem Material vom magnetischem Regeneratormaterialthermisch isoliert werden. Thermische Isolation beinhaltet die Reduzierungvon Wärmeleitung,Wärmestrahlungund/oder Konvektion.
    [0023] Ineiner weiteren Ausführungsformdes erfindungsgemäßen Magnetsystemsist zusätzlichzur magnetischen Abschirmung auch eine Abschirmung aus elektrischgut leitendem Material um das magnetische Regeneratormaterial vorgesehen.Hierdurch könnendie trotz der magnetischen Abschirmung noch verbleibenden Störungen kompensiertwerden. Auf diese Weise könnenbeispielsweise Vibrationen der magnetischen Abschirmung oder nochvorhandene Dipolschwankungen des magnetischen Regeneratormaterialsdurch den Aufbau eines Gegenfelds durch Abschirmströme im elektrischgut leitenden Material kompensiert werden.
    [0024] Ineiner besonders bevorzugten Ausführungsformder Erfindung weist die Abschirmung aus elektrisch gut leitendemMaterial Teile mit einer Zylindersymmetrie auf, und die Magnetfeldänderungendes magnetischen Regeneratormaterials und/oder der magnetischenAbschirmung am Ort der elektrisch gut leitenden Abschirmung zeigen überwiegendin Richtung der entsprechenden Zylinderachse. Ein Zylinder aus elektrischgut leitendem Material kann nämlichFeldschwankungen parallel zu seiner Achse am besten gegen außen kompensieren,da die Abschirmströmeauf dem Zylinder vor allem in Umfangsrichtung unbehindert fließen können.
    [0025] Beidem elektrisch gut leitenden Material handelt es sich vorteilhafterweiseum einen Tieftemperatursupraleiter. Durch den verschwindenden Widerstandeines Supraleiters werden die Induktionsströme ungehindert aufgebaut. Somitkönnenauftretende Störungenoptimal kompensiert werden. Der Einsatz eines Tieftemperatursupraleitersbedingt aber, dass dieser einer hinreichend tiefen Temperatur ausgesetztist. Diese tiefe Temperatur kann beispielsweise durch thermischeKontaktierung des Supraleiters mit einer Kältestufe des Pulsrohrkühlers odermit einem kalten Behälterim Kryostaten erreicht werden.
    [0026] Dadie zur Erzeugung von Supraleitung mit Hilfe eines Tieftemperatursupraleitersbenötigtentiefen Temperaturen nicht bei allen Verfahren gewährleistetwerden können,ist auch eine Ausführungsformdes erfindungsgemäßen Magnetsystemsdenkbar, bei dem das elektrisch gut leitende Material ein Hochtemperatursupraleiterist. Die dafürnotwendige Temperatur kann beispielsweise durch thermische Kontaktierungdes Supraleiters mit der ersten Stufe eines zweistufigen Pulsrohrkühlers odermit einem kalten Behälterim Kryostaten erreicht werden.
    [0027] Ineiner bevorzugten Ausführungsformder Erfindung besteht das elektrisch gut leitende Material aus Massivmaterial,beispielsweise aus einem zylinderförmigen Block. In dieser Ausführungsformkönnendie Abschirmströmein allen Richtungen fließen,so dass sie elektromagnetische Störungen optimal kompensieren können.
    [0028] Ineiner besonders bevorzugten Ausführungsformbildet das elektrisch gut leitende Material eine Solenoidspule.Da Supraleiter in Form von Bändernoder von Drähtenerhältlichsind, bietet es sich an, damit eine Solenoidspule zu wickeln.
    [0029] Darüber hinausist es vorteilhaft, wenn die supraleitende Magnetanordnung mit Spulenzur Streufeldunterdrückungausgestattet ist. Durch eine derartige aktive Abschirmung wird dasMagnetfeld am Ort des magnetischen Regeneratormaterials und somitdie dadurch auftretenden Störungenreduziert, so dass die zuvor beschriebenen Abschirmvorrichtungenaus magnetischem Materials lediglich ein reduziertes Störfeld kompensierenmüssen.
    [0030] DasMagnetfeld am Ort des magnetischen Regeneratormaterials überschreitetdabei vorzugsweise 10 mT nicht. Ein solches Feld kann mit einervernünftigenMenge an weichmagnetischem Material abgeschirmt werden.
    [0031] DesWeiteren ist es von Vorteil, wenn die supraleitende MagnetanordnungSpulen aufweist, welche die elektromagnetischen Störungen desmagnetischen Regeneratormaterials unterdrücken. Mit derartigen Zusatzspulenkönnendie eventuell noch vorhandenen Störungen des magnetischen Regeneratormaterialsim Arbeitsvolumen kompensiert werden.
    [0032] Durchdie sich periodisch änderndeDruckwelle im Regeneratormaterial entstehen Vibrationen, die sichauf die magnetische Abschirmung übertragenkönnen.Auch der Kompressor des Pulsrohrkühlers oder Bodenvibrationenkönnendie magnetische Abschirmung zum Schwingen bringen. Es ist dahervorteilhaft, wenn die supraleitende Magnetanordnung Spulen aufweist,welche die elektromagnetischen Störungen der vibrierenden magnetischenAbschirmung unterdrücken.
    [0033] Ineiner Ausführungsformdes erfindungsgemäßen Magnetsystemsenthältder Kryostat der supraleitenden Magnetanordnung einen Strahlungsschild,welchen der Pulsrohrkühlerauf seine Betriebstemperatur bringt. Durch die Kühlung des Strahlungsschildeskann der Energieeintrag der warmen Umgebung auf die supraleitendeMagnetanordnung reduziert werden.
    [0034] Ineiner weiteren Ausführungsformdes erfindungsgemäßen Magnetsystemsenthältder Kryostat der supraleitenden Magnetanordnung einen Behälter mitflüssigemStickstoff, welchen der Pulsrohrkühler nach dem Verdampfen mindestensteilweise wieder verflüssigt,was den Verbrauch von flüssigemStickstoff reduziert oder eliminiert.
    [0035] Vorallem bei einer Magnetanordnung mit Supraleitern kann flüssiges Heliumzu deren Kühlungverwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystemswird das verdampfende flüssigeHelium vom Pulsrohrkühlermindestens teilweise wieder verflüssigt. Somit kann der Heliumverbrauchreduziert oder eliminiert werden.
    [0036] Ineiner anderen Ausführungsformder Erfindung wird die Magnetanordnung ohne kryogene Flüssigkeitvom Pulsrohrkühlerauf ihre Betriebstemperatur gebracht und/oder gehalten. Somit wirddas zeit- und kostenaufwändigeHantieren mit kryogenen Flüssigkeitenteilweise oder vollständigvermieden.
    [0037] DieVorteile des erfindungsgemäßen Magnetsystemskommen besonders gut zur Geltung, wenn die supraleitende MagnetanordnungTeil einer Apparatur zur Kernspinresonanz, insbesondere MagneticResonance Imaging (MRI) oder Magnetresonanzspektroskopie (NMR) ist,da bei derartigen Apparaturen ein besonders stabiles Magnetfeldbenötigtwird.
    [0038] DieErfindung beinhaltet darüberhinaus ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetsystems nach einem derAnsprüche17 bis 20, wobei das supraleitende Material der Abschirmung während desLadens der Magnetanordnung induktiv geladen wird. Durch dieses induktiveLaden des supraleitenden Materials während des Ladens der Magnetanordnungwird das Streufeld der Magnetanordnung am Ort des magnetischen Regeneratormaterialskompensiert bzw. reduziert, so dass eine unerwünschte Magnetisierung des magnetischen-Regeneratormaterialsvermieden bzw. eingeschränktwird.
    [0039] WeitereVorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und derZeichnung. Ebenso können dievorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oderzu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigtenund beschriebenen Ausführungsformensind nicht als abschließendeAufzählungzu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung derErfindung.
    [0040] Eszeigen:
    [0041] 1 einerfindungsgemäßes Magnetsystemmit Pulsrohrkühlerund magnetischer Abschirmung in Form eines Zylinders;
    [0042] 2 typischeBH-Kurven eines weichmagnetischen Materials mit hoher maximalerPermeabilitätund eines weichmagnetischen Materials mit hoher maximaler Sättigungsinduktion;
    [0043] 3b eineDarstellung von Flusslinien in der Nähe einer zylindrischen Abschirmungm aus weichmagnetischem Material;
    [0044] 3a einenvergrößerten Ausschnittaus 3b; und
    [0045] Tab.1 zwei Abschirmvarianten, die sich in ihren geometrischer Größen unterscheiden.
    [0046] Umdie durch die Schwankungen der Magnetisierung des magnetischen Regeneratormaterialsr im Arbeitsvolumen V entstehenden elektromagnetischen Störungen zuunterdrücken,kann das Magnetfeld am Ort des magnetischen Regeneratormaterialsr abgeschirmt werden. Besonders geeignet dazu ist weichmagnetischesMaterial, welches Feldlinien anzieht und so das Magnetfeld in seinemInneren abschirmt.
    [0047] 1 zeigtein erfindungsgemäßes MagnetsystemM, in dem sich ein Arbeitsvolumen V befindet, mit einem entferntvom Magnetsystem M angeordneten zweistufigen Pulsrohrkühler P undeiner magnetischer Abschirmung m. Die magnetische Abschirmung mumschließtdas magnetische Regeneratormaterial r der zweiten Stufe des Pulsrohrkühlers Pund ist hier in einer besonders einfachen Ausführungsform, nämlich inForm eines Hohlzylinders, gezeigt. Diese magnetische Abschirmungm kann beispielsweise aus weichmagnetischem Material bestehen. Daweichmagnetisches Material oft in Folienform hergestellt wird, kanneine zylindrische Form durch Aufwickeln einer solchen Folie aufeinen Zylinderträgereinfach erhalten werden. Durch die Wahl der Lagenzahl kann die gewünschte Wandstärke dermagnetischen Abschirmung m erreicht werden. Da die BH-Kurve einesweichmagnetischen Materials temperaturabhängig ist, müssen Temperaturschwankungen dermagnetischen Abschirmung vermieden werden. Zum einen kann eine thermischeIsolationsschicht zwischen weichmagnetischem Material und dem magnetischemRegeneratormaterial r vorgesehen werden, zum anderen kann eine thermischeKontaktierung des weichmagnetischen Materials mit vorhandenen temperaturstabilenTeilen der Anordnung zu diesem Ziel führen. Temperaturstabile Teileder Anordnung könnenzum Beispiel eine kryogene Flüssigkeitoder ein Behälter,der durch solche gekühltwird, sein. Eine andere Möglichkeit bietendie Enden des Pulsrohrkühlers,die im Betriebsfall eine definierte Temperatur aufweisen.
    [0048] Für die folgendeDiskussion wird als Geometrie des weichmagnetischen Materials einHohlzylinder mit Innendurchmesser D, Höhe L und Wandstärke d betrachtet,obwohl andere Geometrien auch zu ähnlichen Resultaten führen würden. DerEinfachheit halber wird fürdas magnetische Regeneratormaterial r die Geometrie eines Vollzylindersmit Durchmesser DReg und Höhe LReg angenommen, wobei dieser Vollzylinderim Hohlzylinder des magnetischen Materials enthalten sein soll.Es soll hier betont werden, dass dieser Vollzylinder nur den Teildes magnetischen Regeneratormaterials r umfasst, in welchem dieTemperaturschwankungen zu nennenswerten Schwankungen der Magnetisierungführen.
    [0049] Für Feldersenkrecht zur Zylinderachse bekommt man im Zentrum des Hohlzylindersden Abschirmfaktor
    [0050] Für Felderparallel zur Zylinderachse ist der Abschirmfaktor
    [0051] 2 zeigttypische BH-Kurven fürweichmagnetische Materialien mit hoher maximaler Permeabilität (gestrichelterGraph) beziehungsweise hoher maximaler Sättigungsinduktion (durchgezogenerGraph). Der sehr steile Anstieg der BH-Kurve für Materialien mit einer großen maximalenPermeabilität μmax beibereits kleinen FeldstärkenH zeigt, dass derartige Materialien zur effizienten Abschirmungvon kleinen Magnetfeldern geeignet sind. Typischerweise ist es aberso, dass solche Materialien auch eine kleine Sättigungsinduktion BS besitzen (hier: 0,8T). Dies hat zur Folge,dass diese Materialien von größeren Magnetfeldernmagnetisch gesättigtwerden. Magnetische Sättigungbedeutet aber, dass ein Teil des Magnetfeldes ins Innere des Hohlzylinderseindringen kann. Um die magnetische Sättigung zu vermeiden, kannentweder die Wandstärkedes Materials verstärkt,oder ein Material mit höhererSättigungsinduktion(aber kleinerer maximaler Permeabilität μmax)verwendet werden. Wie in 2 gezeigt, weist die BH-Kurvevon Materialien mit höhererSättigungsinduktionjedoch einen weniger steilen Anstieg auf, wodurch lediglich eineweniger effektive Abschirmung erreicht werden kann. Bei starkenStreufeldern kann daher im äußeren radialenBereich des Hohlzylinders ein Material mit hoher Sättigungsinduktion,im inneren radialen Bereich des Hohlzylinders ein Material mit hoher maximalerPermeabilitätverwendet werden. Der äußere Bereichwird vom Streufeld der Magnetanordnung nahe an die Sättigunggetrieben, der innere Bereich befindet sich aber bereits in einemstark reduzierten Feld, welches er dann optimal abschirmen kann.
    [0052] 3b zeigteine Darstellung von Flusslinien f in der Nähe einer zylindrischen Abschirmungm aus weichmagnetischem Material. In diesem Beispiel würde dasFeld ohne eine Abschirmung m aus weichmagnetischem Material parallelzur Achse des Zylinders zeigen. Im vergrößerten Ausschnitt in 3a kannman erkennen, dass die konzentrierten Feldlinien f am axialen Randdes Hohlzylinders die Abschirmung m aus magnetischem Material wiederverlassen. Es findet dort sogar eine Feldüberhöhung statt, das Feld wird alsolokal noch größer alses ohne Abschirmung m war. Damit das Magnetfeld am Ort des magnetischenRegeneratormaterials r abgeschirmt wird, muss also die Höhe L derAbschirmung m größer alsdie HöheLreg des magnetischen Regeneratormaterialsr sein. Wenn die hohlzylindrische magnetische Abschirmung m an jedemaxialen Ende um D/3 überden Zylinder des magnetischen Regeneratormaterials hinausragt, wirddas Mag netfeld typischerweise im ganzen Vollzylinder des magnetischenRegeneratormaterials r um mindestens einen Faktor 2 abgeschirmt.Ragt er beidseitig um mehr als 2D über den Zylinder des magnetischenRegeneratormaterials r hinaus, kann die Abschirmwirkung nicht weiterverbessert werden.
    [0053] Jegrößer dieHöhe Lder hohlzylindrischen Abschirmung m ist, desto mehr Feldlinien desMagnetfeldes werden vom magnetischen Material der Abschirmung mangezogen, so dass die Magnetisierung im mittleren axialen Bereichdes Zylinders immer größer wird.Ist die HöheL der hohlzylindrischen Abschirmung m zu groß, wird das magnetische Materialin mittlerer HöheL/2 in die magnetische Sättigunggetrieben. In der Näheder Sättigungsbereichekann das magnetische Material der Abschirmung m keine Feldlinienmehr aufnehmen, so dass ein Teil des Magnetfeldes dort nicht mehrabgeschirmt wird. Dasselbe gilt für einen größer werdenden Durchmesser D.Falls D. zu groß ist,tritt magnetische Sättigungein und ein Teil des Magnetfeldes kann ins Innere der hohlzylindrischenAbschirmung m gelangen. Um magnetische Sättigung zu vermeiden, kannentweder die Wandstärked vergrößert oderdie geometrischen MaßeL oder D der Abschirmung m reduziert werden. Letztere Möglichkeitführt zueiner möglichstkleinen Menge an magnetischem Abschirmmaterial, was aufgrund dernachfolgenden Erläuterungenvorteilhaft ist.
    [0054] Durchdas Streufeld der Magnetanordnung wird das Material der hohlzylindrischenAbschirmung m magnetisiert und bildet einen magnetischen Dipol.Obwohl ein PulsrohrkühlerP zu den vibrationsärmstenKühlern überhauptgehört,sind kleinere Vibrationen vorhanden. Auch bei guter mechanischerEntkopplung der hohlzylindrischen Abschirmung m und des magnetischenRegeneratormaterials r muss mit Vibrationen des Abschirmung m gerechnetwerden. Die hohlzylindrische Abschirmung m kann als vibrierendermagnetischer Dipol angesehen werden, welcher im Arbeitsvolumen derMagnetanordnung M eine periodische elektromagnetische Störung erzeugt,die unter Umständengrößer istals die ursprünglicheStörungdes magnetischen Regeneratormaterials r. Um dieses Problem zu vermeiden,muss der Betrag der Feldstörungvom magnetischen Regeneratormaterial r und von der magnetischenAbschirmung m im Arbeitsvolumen V der Magnetanordnung M abgeschätzt werden.Das magnetische Regeneratormaterial r ist wegen der Temperaturschwankungenein zeitlich veränderlicherDipol. Bei einer mittleren Suszeptibilitätsschwankung mit Amplitude Δχ imVolumen des magnetischen Regeneratormaterials r während einemZyklus ergibt sich eine Dipoländerungmit Amplitude
    [0055] Istdie Vibration hingegen in ρ-Richtung,ergibt sich eine Störungmit Amplitude
    [0056] Mitder AbkürzungR = (ρ2 + z2)1/2 erfüllt dasVerhältnisder beiden Störamplitudenfolgende Ungleichung:
    [0057] Wennalso die Ungleichung
    [0058] Umdiese Ungleichung zu illustrieren, wird nun ein numerisches Beispielangegeben, in welchem das verbleibende Dipolmoment m ~Reg desmagnetischen Regeneratormaterials r verschwindend klein ist. Eswird ein Streufeld von 3 [mTesla] am Ort des magnetischen Regeneratormaterialsr angenommen. Dieses Feld soll parallel zur Achse des Regeneratorzylinderssein. Dieser Zylinder soll die Maße DReg =30 [mm] und LReg = 60 [mm] aufweisen. DieFluktuation der Suszeptibilitätsoll |Δχ|= 0.01 betragen. Aus diesen Daten ergibt sich mit der Formel
    [0059] DerEinfluss der Geometrie der erfindungsgemäßen Abschirmung m aus magnetischemMaterial wird aus folgendem Beispiel deutlich: Tabelle 1 zeigtzwei Abschirmvarianten, die sich durch einen Faktor zwei in allengeometrischen Größen unterscheiden,was zur gleichen Abschirmwirkung auf der Achse der hohlzylindrischenAbschirmung m führt.Unabhängigvon den genauen Materialeigenschaften wird sich die Magnetisierungder hohlzylindrischen Abschirmung m bei hinreichender Permeabilität des Materialsbei beiden Abschirmvarianten so einstellen, dass das Streufeld amOrt des magnetischen Regeneratormaterials r gut kompensiert wird,so dass m ~Reg im Folgenden vernachlässigt werdenkann. Mit numerischen Methoden (z. B. mit der Methode der finitenElemente) kann die Magnetisierung im Material berechnet werden.An beiden axialen Enden des Zylinders des Abschirmmaterials ergibtsich eine Magnetisierung von etwa 2.4·105 [A/m],in der Mitte von etwa 5.6·105 [A/m]. In beiden Fällen kann von einer mittlerenMagnetisierung von etwa 4·105 [A/m] im magnetischen Material der Abschirmungm ausgegangen werden. Multipliziert man die Magnetisierung mit demVolumen des Materials, bekommt man den Wert für das Dipolmoment |mMag|, der in Tabelle 1 eingetragen ist. Nimmtman an, dass sich das magnetische – Regeneratormaterial r ineinem mittleren Abstand R von 600 [mm] vom Arbeitsvolumen befindet,bekommt man fürdas Produkt 1 / 6|mRegR| einen Wert von 10–4 [A·m3]. Die Ungleichung
    [0060] Dieim magnetischem Regeneratormaterial r und im magnetischen Materialder Abschirmung m noch entstehenden Störungen können durch eine gut leitendeAbschirmung (nicht gezeigt), die beide umschließt, noch weiter abgeschirmtwerden. Die gut leitende Abschirmung kann supraleitend oder normalleitend sein. Der Vorteil einer normal leitenden Abschirmung liegtdarin, dass nur Abschirmströmefließenund so keine permanenten Strömevorhanden sind, die die Homogenität im Arbeitsvolumen V oderdas Streufeld der Magnetanordnung M negativ beeinflussen können. Auchkann jede Quenchgefahr bei einer normal leitenden Abschirmung ausgeschlossenwerden.
    [0061] Mitder erfindungsgemäßen Abschirmungist es daher erstmals möglich,ein Magnetsystem zu realisieren, das die Vorteile eines Pulsrohrkühlers ausnutzenkann und gleichzeitig die durch den Pulsrohrkühler hervorgerufenen elektromagnetischenStörungenkompensiert, so dass ein möglichststabiles, zeitlich konstantes Magnetfeld im Arbeitsvolumen realisiertwerden kann.
    Tab.1
    权利要求:
    Claims (30)
    [1] Magnetsystem mit einer Magnetanordnung (M), einemArbeitsvolumen (V) und einem Pulsrohrkühler (P) mit magnetischem Regeneratormaterial(r), dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschirmung(m) aus magnetischem Material vorgesehen ist, welche das Streufeldder Magnetanordnung (M) am Ort des magnetischen Regeneratormaterials(r) reduziert und sich dadurch auszeichnet, dass
    [2] Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Magnetsystem mit einer supraleitenden Magnetanordnung (M)in einem Kryostaten ausgestattet ist und der Pulsrohrkühler (P)zur Kühlungder Magnetanordnung (M) oder Teile des Kryostaten vorgesehen ist.
    [3] Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass der Pulsrohrkühler(P) zur Kühlungeiner Messvorrichtung vorgesehen ist.
    [4] Magnetsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass das magnetische Material der Abschirmung (m) eine maximalePermeabilität μmax vonmindestens 10000 aufweist.
    [5] Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Sättigungsinduktiondes magnetischen Materials mindestens 1 Tesla, vorzugsweise 2 Tesla,beträgt.
    [6] Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die magnetische Abschirmung (m) mindestenseinen Hohlzylinder umfasst, der das abzuschirmende magnetische Regeneratormaterial(r) umschließt.
    [7] Magnetsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,dass der innere Teil des Hohlzylinders aus Material mit hoher Permeabilität μmax>10000 besteht, während der äußere Teilaus Material mit hoher Sättigungsinduktion >1 Tesla besteht.
    [8] Magnetsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,dass der Außendurchmesserdes Hohlzylinders kleiner ist als das 1,5fache des Außendurchmessersdes abzuschirmenden magnetischen Regeneratormaterials (r) ist.
    [9] Magnetsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass mindestens ein axiales Ende des Hohlzylinders das abzuschirmendemagnetische Regeneratormaterial (r) um mindestens ein Drittel desInnendurchmessers des Hohlzylinders überragt.
    [10] Magnetsystem nach einem der Ansprüche 6 bis9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein axiales Ende desHohlzylinders das abzuschirmende magnetische Regeneratormaterial(r) um höchstensdas Zweifache des Innendurchmessers des Hohlzylinders überragt.
    [11] Magnetsystem nach einem der Ansprüche 6 bis10, dadurch gekennzeichnet, dass das abzuschirmende magnetischeRegeneratormaterial (r) lediglich Bereiche des Regeneratormaterialsumfasst, an denen Magnetisierungsschwankungen stattfinden, die mehrals 10% der im Regeneratorbetrieb auftretenden maximalen Magnetisierungsschwankunginnerhalb des gesamten Regeneratormaterials betragen.
    [12] Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass sich im Betrieb zumindest ein Teil des magnetischenMaterials nicht in der magnetischen Sättigung befindet.
    [13] Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Abschirmung (m) aus magnetischen Materialtemperaturstabilisert, insbesondere wärmeleitend mit einem Strahlungsschild,einer Kältestufedes Pulsrohrkühlers(P) oder einem Behältermit kryogener Flüssigkeitverbunden ist.
    [14] Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Abschirmung (m) aus magnetischen Materialvom magnetischem Regeneratormaterial (r) thermisch isoliert ist.
    [15] Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass zusätzlich zurmagnetischen Abschirmung (m) auch eine Abschirmung aus elektrischgut leitendem Material um das magnetische Regeneratormaterial (r)vorsehen ist.
    [16] Magnetsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,dass die Abschirmung aus elektrisch gut leitendem Material Teilemit einer Zylindersymmetrie aufweist, und dass die Magnetfeldänderungendes magnetischen Regeneratormaterials (r) und/oder der magnetischenAbschirmung (m) am Ort der elektrisch gut leitenden Abschirmung überwiegendin Richtung der entsprechenden Zylinderachse zeigen.
    [17] Magnetsystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet,dass das elektrisch gut leitende Material ein Tieftemperatursupraleiterist.
    [18] Magnetsystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet,dass das elektrisch gut leitende Material ein Hochtemperatursupraleiterist.
    [19] Magnetsystem nach Anspruch 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet,dass das elektrisch gut leitende Material aus Massivmaterial besteht.
    [20] Magnetsystem nach Anspruch 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet,dass das elektrisch gut leitende Material eine Solenoidspule bildet.
    [21] Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (M) mit Spulen zur Streufeldunterdrückung ausgestattetist.
    [22] Magnetsystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,dass das Magnetfeld am Ort des magnetischen Regeneratormaterials(r) 10 mT nicht überschreitet.
    [23] Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (M) Spulen aufweist, welchedie elektromagnetischen Störungendes magnetischen Regeneratormaterials (r) unterdrücken.
    [24] Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (M) Spulen aufweist, welchedie elektromagnetischen Störungender vibrierenden magnetischen Abschirmung (m) unterdrückt.
    [25] Magnetsystem nach Anspruch 2 bis 24, dadurch gekennzeichnet,dass der Kryostat einen Strahlungsschild enthält, welchen der Pulsrohrkühler (P)auf seine Betriebstemperatur bringt.
    [26] Magnetsystem nach Anspruch 2 bis 25, dadurch gekennzeichnet,dass der Kryostat einen Behältermit flüssigemStickstoff enthält,welchen der Pulsrohrkühler(P) nach dem Verdampfen mindestens teilweise wieder verflüssigt.
    [27] Magnetsystem nach Anspruch 2 bis 26, dadurch gekennzeichnet,dass die Magnetanordnung (M) mit flüssigem Helium gekühlt wird,welches nach dem Verdampfen vom Pulsrohrkühler (P) mindestens teilweise wiederverflüssigtwird.
    [28] Magnetsystem nach einem der Ansprüche 2 bis25, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Magnetanordnung(M) ohne kryogene Flüssigkeitvom Pulsrohrkühler(P) auf ihre Betriebstemperatur gebracht und/oder gehalten werdenkann.
    [29] Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die supraleitende Magnetanordnung (M) Teileiner Apparatur zur Kernspinresonanz, insbesondere Magnetic Resonance Imaging(MRI) oder Magnetresonanzspektroskopie (NMR) ist.
    [30] Verfahren zum Betrieb eines Magnetsystems nach einemder Ansprüche17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Materialwährenddes Ladens der Magnetanordnung (M) induktiv geladen wird.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
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