supraleitende Magneten

supraleitende Magneten,

 

Elektromagnete, deren Wicklung aus Drähten besteht, die nach besonderen metallurgischen Verfahren aus harten Supraleitern, v. a. NbTi-Legierungen, V₃Ga und Nb₃Sn, in Form sehr vieler, in eine normal leitende »Matrix« aus Kupferlegierungen eingebetteter Filamentbündel hergestellt werden. Als supraleitende Magneten eignen sich nur Supraleiter 2. Art, da nur sie kritische Feldstärken erreichen, die für die Anwendung bedeutsam werden können. Der große Fortschritt der Technologie der supraleitende Magneten liegt in der Eigenschaft des Supraleiters, einen Strom und ein damit verbundenes Magnetfeld verlustfrei zu tragen. Dadurch ist es nicht mehr notwendig, permanent eine elektrische Leistungsquelle in den Magneten einzuspeisen. Allerdings muss zur Aufrechterhaltung der Supraleitung der Magnet auf einer Temperatur von etwa 4 K (= -269 ºC) gehalten werden. Bei Kühlung mit flüssigem Helium auf 4 K fließt in den Drähten des supraleitenden Magneten nach Erregung praktisch völlig widerstandslos ein Dauerstrom, der das Magnetfeld aufrechterhält. Da in ihnen keine joulesche Wärme entsteht, ist nur der Energiebedarf des Heliumverflüssigers aufzubringen. Die erzielten Stromdichten im Magneten sind sehr hoch, sodass die Geräte relativ kompakt bleiben.

 

Das Kupfer verleiht der Konstruktion mechanische Stabilität und nimmt die großen Ströme auf, die frei werden, falls der supraleitende Zustand durch »Magnet-Quenchen« (»Löschung«) verloren geht. Während eines »Quenches« kommt es zu einem »normalleitenden« Kurzschluss. Das kann z. B. dadurch passieren, dass die Kühlflüssigkeit zu weit abgesunken ist.

 

Die heute existierenden supraleitenden Magneten werden noch relativ aufwendig und kostenintensiv mit flüssigem Helium unter ihrer supraleitenden Sprungtemperatur gehalten. In Zukunft hofft man, auf Hochtemperatur-Supraleiter ausweichen und damit auf über 77 K Betriebstemperatur gehen zu können; bei dieser Temperatur ließe sich dann der leichter handhabbare und billige Flüssigstickstoff zur Kühlung nutzen. Für maximale Feldstärken oberhalb von 9 T (Tesla) werden zurzeit noch Nb₃Sn-Drähte benutzt. Sie sind teurer als NbTi-Drähte und das Ausgangsmaterial ist schwieriger in eine Spule zu verarbeiten. Es gibt bereits einige Prototypen aus Hochtemperatur-Supraleitern, die bisher circa 10 T erreichen.

 

Anwendungen:

 

Supraleitende Magneten mit sehr hohen Feldstärken werden heute in Beschleunigern und Speicherringen, in der medizinischen Diagnostik bei Kernspinresonanzspektrometern sowie in der Forschung eingesetzt. Sie übertreffen mit ihrem maximalen Magnetfeld das der klassischen Permanentmagneten bei weitem. So sind heute für den Dauerbetrieb 22-Tesla-Magneten kommerziell erwerbbar, in Pulsexperimenten werden für Millisekunden oder noch kürzere Zeiten Felder bis zu 100 T erzeugt (Zum Vergleich: Je nach Aufenhaltsort auf der Erde schwankt das Erdmagnetfeld zwischen 0.033 und 0.067 mT).

 

Für Kraftflussdichten bis 2 oder 3 Tesla sind heute auch Kernspintomographen mit supraleitenden Magneten ausgestattet. Medizinische Magneten arbeiten meist nicht über 3 T, unterhalb von etwa 1 T lohnt sich oft weiterhin die Verwendung von klassischen Elektromagneten. Allerdings halten supraleitende Magneten das Magnetfeld über lange Anwendungszeiten gesehen stabiler.

 

Außerdem können supraleitende Magneten wegen der möglichen hohen Feldstärken zur Magnetscheidung, d. h. zur Trennung von Stoffen mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften, effizient eingesetzt werden. Ebenso werden Magnetschwebebahnen mit supraleitenden Magneten projektiert. Supraleitende Generatoren, bei denen der Läufer supraleitend ist, werden für hohe Leistungen gebaut; dadurch kann der Generator bei gleicher Leistung wesentlich kleiner ausgelegt werden.

 

Die maximale Feldstärke von supraleitenden Magneten ist temperaturabhängig und bezieht sich im Allgemeinen auf die Temperatur des flüssigen Heliums. Im Falle von NbTi kann man die Feldstärke des Magneten bedeutend erhöhen, wenn man den Dampfdruck des Heliums durch Abpumpen erniedrigt, also die Temperatur der Flüssigkeit erniedrigt. Es ist allerdings Vorsicht geboten, da bis zu circa 50 % mehr Energie in der Spule gespeichert wird und die Standardsicherheitsvorkehrungen des Magnetdesigns im Falle eines Quenches nicht ausreichen dürften, um den Magneten vor der Selbstzerstörung zu schützen.

 

Supraleitende Magneten werden meist als Solenoid ausgelegt. Sollen besonders hohe Felder erzielt werden, wird die Spule oft in Segmente unterteilt, ein äußeres aus NbTi und ein inneres aus Nb₃Sn. Da sich ihre Magnetfelder im Spuleninneren einfach addieren, ist die Wirkung die einer höheren Feldstärke. Für Anwendungen bei der kernmagnetischen Resonanz (NMR) ist eine hohe Homogenität des Magnetfeldes von Bedeutung. Man fügt deshalb zusätzliche Abschirmspulen hinzu, die justierbare Magnetfelder tragen.