包括具有由带有联结带段的超导结构组成的绕组的超导励磁线圈的nmr波谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种匪R(核磁共振)波谱仪，包括NMR励磁线圈，所述NMR励磁线圈在至少一个节段中具有绕组，所述绕组包括由超导结构组成的导体，所述超导结构具有带状超导体的多个带段，其中每个带段都包括基质和沉积在基质上的超导层，并且其中各带段相互连接。
【背景技术】
[0002]超导体可以实际上没有电阻损耗地承载电流。超导体尤其是在需要高的电流强度的场合使用，这样也在励磁线圈中使用。
[0003]超导体只可以临界温度(也称为跃变温度)之下并且在与温度并且必要时也与方向相关的临界磁场强度之下无损耗地传输最高到临界电流密度的电流。在彼此相关的临界电流密度、临界温度和临界磁场强度之上，超导体转变成正常导电的状态。
[0004]可加工成线材的金属的超导材料、如NbTi具有较低的跃变温度、NbTi大约在9K，从而其使用，尤其是涉及必要的冷却方面是相当昂贵的。此外金属的超导体也具有较低的临界磁场，在所述临界磁场上方所述超导体失去其超导特性。
[0005]高温超导体(HTSL)、如钇钡氧化铜(YBCO)具有明显更高的跃变温度，YBCO大约为90K，但由于其陶瓷特性难以加工。如果在显著在其跃变温度之下的温度中使用这种高温超导体，则HTSL可以传输较大的电流强度，即具有高的临界电流密度。此外这种材料以其较高的临界磁场强度也适于在低的工作温度下在大强度磁场中使用，如其例如在NMR波谱仪中希望的，以便实现高的光谱分辨率。
[0006]通常对于技术使用，作为薄层将HTSL沉积在柔性的、带状的、通常为金属的基质上，通常在基质和超导层之间设置一个或多个缓冲层并且将一个或多个金属的封闭层沉积在超导层上。该结构形式也称为带状的超导体；在英语中为此建立了专用术语“coatedconductor” (涂层导体)。
[0007]然而超导层高质量的沉积较为困难。通常需要特述纹理化的基质表面，这种基质表面只能在有限的长度上提供。目前质量良好的带状的超导体的带段限制在最大约100至500m的范围上。由此在例如NMR波谱仪的励磁线圈中的可缠绕的线圈节段的大小也受到限制。带段与在励磁线圈中的接合点的连接在技术上是困难并且原则上提高了励磁线圈的漂移，这特别是在高分辨率的NMR波谱法中是不希望的。
[0008]在EPO 545 608 A2中提出，将仅能在有限的长度上以良好的质量制造的导体件彼此拼接，以便在较长的路程、例如数公里上能够也传输超导的电流。
[0009]由US2005/0173679 Al已知，将带状的超导体的两个带段相互连接，其中相应的基质上的超导层彼此朝向。所述超导层应处于超导接触，并且通过两个多晶的超导层的靠近，应提高有效的结晶分界面并且由此改善临界电流。
[0010]由US6,828,507 BI同样已知，将带状的超导体的两个带段相互连接，其中相应的基质上的超导层彼此朝向。超导层通过一个或多个正常导电的中间层(例如各带段的覆盖层)连接。
[0011]由US6，121，205已知一种超导结构，所述超导结构包括多个搭接连接的超导单元，其中超导单元分别具有由金属氧化物晶体、例如Zr02或MgO组成的基质以及例如由ReBCO材料组成的超导层。在这种超导结构中，超导单元的超导层彼此朝向。
[0012]US 2003/0213611 Al说明一种包括多个由YB⑶实心材料组成的搭接连接的棒形超导体段的超导结构。所述棒形超导件可以尤其是设置在三个相叠地放置平面中并且沿直线的方向连接。在所述实施形式中，超导材料形成单晶的MgO基质上的薄层。
[0013]DE 600 31 784 T2记载了一种两个HTS涂敷的元件的布置结构，其以彼此朝向的HTS层通过金属的覆盖层相互连接。HTS涂敷的元件可以横向于纵向延伸方向彼此略微错开地设置。
【发明内容】
[0014]本发明的任务是，提供一种改善的NMR波谱仪，尤其是波谱仪的励磁线圈可以在样品空间中产生特别高的磁场强度并且是低漂移的。特别是应该提供一种NMR波谱仪，其中励磁线圈在磁场强度高时具有高的载流能力并且在运行中能通过开关短接并且适于在励磁线圈内部的研究空间中产生均匀的、在时间上极度稳定的磁场，即在短路运行中，所产生的磁场由于励磁线圈的导体的、在其节段之间的连接部的和/或开关的剩余电阻引起的漂移例如对于高分辨率的NMR波谱法保持在可容忍的界限内。
[0015]该任务通过一种NMR波谱仪解决，包括NMR励磁线圈，所述NMR励磁线圈在至少一个节段中具有绕组，所述绕组包括超导结构的导体，所述超导结构具有带状的超导体的多个带段，
[0016]其中每个带段具有柔性的基质和在基质上沉积的超导层，其中带段分别具有20m或更大的长度，
[0017]并且各带段相互连接，
[0018]至少一个带段作为联结带段构成，
[0019]并且其中每个联结带段分别与至少两个其他带段这样连接，使得所述其他带段一起与联结带段的总长度的至少95%重叠。所述带段可以是市场上可购得的超导带，如以上说明的超导带。
[0020]超导结构在按照本发明的NMR波谱仪的励磁线圈的至少一个节段中以一个或多个联结带段为基础。在联结的区域中，超导结构具有特别高的载流能力，其可以容忍零散出现的临界电流密度的不均匀性和在励磁线圈的运行电流(通常明显低于临界电流)中与此连接的、局部出现的(总是还非常小的)欧姆的阻抗。电流可以在连接的、彼此对置的平行的带段之间交换。一个所述带段中临界电流密度有不均匀性的情况下(例如在超导层中有正常导电的缺陷区域)，这种不均匀性通过分别对置的带段桥接和反转，从而总体上不会由于通过这种不均匀性出现对超导结构的载流能力明显的影响。这尤其是也适用于最大的这种类型的干扰，即在带段拼接的间隙处出现的干扰。
[0021]此外在对置的带段之间的接触面非常大:在本发明的范围内，通常联结带段的整个长度都可以用于横向的电流交换，由此接触电阻(横向阻抗)非常小。尤其是可以设置一个或多个正常导电的材料的层作为超导层之间的接触部，而不会使欧姆的阻抗由此明显升高。尽管如此，所述正常导电的层应由具有良好的导电性的材料(例如贵金属或铜或这些金属的合金)制造。这些中间层可以简化超导结构的制造过程并且作为热导体和与超导层并联的电流路径有助于稳定超导并且作为失超保护而是有帮助的。尤其是平行的带段也可以通过简单地焊接相应的铜包套连接。通常焊接部沿带方向在大于5m、优选大于20m的长度上延伸。焊接部在所述节段中包围多个线匝。
[0022]在本发明的范围内，也可以在相继地联结较大数量的带段时不形成明显的欧姆导线阻抗。由此本发明也很到地适用于具有大的匝数、例如公里级别的线圈。为了NMR目的，得出在数1nOhm之下的总横向阻抗是期望的并且再高一个数量级也恰好是可接受的。两个带段通过铜包封部的焊接部对于常见的市场上可购得的HTS带导体造成约40n0hm/cm2的横向阻抗。
[0023]两个带段以彼此朝向的(对置的)超导层的连接在本发明的范围内也可以引起超导的或准超导的电接触，从而总体上出现消失的欧姆的阻抗。当带导体的铜包套围绕基质延伸时，所述带也可以堆叠地焊接，即超导层不是必须彼此(镜像地)朝向。这允许，(在横向阻抗提高时)因此单个带的基质层保持沿径向在外面，这降低了由于洛伦兹力使超导层剥离的风险。
[0024]当一个带段与至少两个其他带段连接时，该带段称为联结带段，所述其他带段(沿带段的延伸方向/纵向方向)一起基本上与该带段的整个长度重叠。由此所述其他带段尤其是在联结带段的缺陷区域中作为并联的电流路径提供给联结带段。相反地，联结带段尤其是在所述其他带段之间的间隙(对接部)处作为并联的电流路径提供给所述其他带段。
[0025]与按照本发明的联结带段重叠地连接的所述其他带段中的一个或多个(尤其是也可以是所有其他带段)本身可以是联结带段。由此可以以简单的方式利用按照本发明的超导结构构造实际上任意的绕线长度。此外，在超导结构中的一个带段可以关于一个或多个联结带段作为用作其他带段。
[0026]在沿超导结构的纵向方向彼此跟随的所述其他带段之间构成(尽可能窄的)间隙(对接部、拼接区域)，所述间隙由联结带段桥接。所述其他带段此外通常沿纵向方向分别在一侧突出于联结带段。
[0027]按照本发明的NMR波谱仪的NMR励磁线圈在未勾场(ungeschimmt)的状态下优选在至少I cm3、优选至少I Ocm3的样品空间中具有I OOppm或更好地优选I Oppm或更好地特别优选2ppm或更好的均匀性并且在其中优选产生10特斯拉或更多、尤其是20特斯拉或更多、或23.5特斯拉或更多、例如28.2特斯拉(=1200MHz的质子谐振频率)的磁通密度。超导结构的带段分别具有柔性的、优选金属的例如由钢组成的基质，所述基质可以卷绕，尤其是以便缠绕NMR励磁线圈的一个节段。带段的宽度通常在2_至60_的范围内。带段的厚度通常在25μm至300μηι的范围内。带段的长度为20m或更长、多数为10m或更长。
[0028]在按照本发明的NMR波谱仪的一种优选的实施形式中，超导结构具有至少N个联结带段，其中N 2 5，优选N > 20，尤其是所述N个联结带段彼此相继地这样相互连接，使得每个联结带段的至少一个所述其他带段本身是联结带段。由此可以在利用其优点的情况下以任意的、尤其是也以大的长度利用所述超导结构。对于由相继相互连接的联结带段组成的序列的所有(关于带方向)内部的带段，两个其他带段分别是联结带段，并且对于该序列的两个外部的带段，仅一个所述其他带段是联结带段。所述变型方案的超导结构原则上在至少两个平面(上面的和下面的平面)中具有并联的带段。联结带段在上面的平面中依次设置并且优选以其超导层向下定向，并且联结带段在下面的平面中同样依次地设置并且优选以其超导层向上定向。
[0029]在该实施形式的一种优选的改进方案中，超导结构通过联结带段沿联结带段的延伸方向周期性地构成。这使得结构特别简单;尤其是可以构成具有相同长度的带段。
[0030]—种优选的实施形式设定，在至少一个联结带段中存在至少一个已知的缺陷区域，并且所述其他带段的与该联结带段重叠的至少一个这样选择和/或沿纵向的方向定位，使得该其他带段在已知的缺陷区域周围的第一纵向区域中是无缺陷的，尤其是在到已知的缺陷区域两侧至少1m的第一纵向区域中是无缺陷的。对于一个带段中存在已知的(并且接受的)的缺陷区域的情况，该带段应该与重叠的带段连接，所述重叠的带段这样选择并且必要时沿纵向偏移，使得该重叠的带段分别在第一带段的已知的缺陷位置周围的纵向区域中是无缺陷的，通常在从约1m直至数十米的区域中。这还允许以充分小的欧姆横向阻抗进行电流交换。
[0031]这类似地然尤其是适用于最显著的缺陷区域，即在带段拼接的位置。相应地，这样的实施形式也是优选的，其中，联结带段在围绕与该联结带段重叠地连接的两个其他带段之间的间隙的第二纵向区域中是无缺陷的，尤其是在所述间隙的两侧至少1m的第二纵向区域中是无缺陷的。
[0032]在一种有利的实施形式中设定，所述节段包括在多个径向的缠绕层中的绕组，并且在两个与相同的联结带段重叠地连接的其他带段之间的