Kryomagnetsysteme

Kryomagnete sind in Spulenform gewickelt. Der dafür verwendete Draht ist aus supraleitenden seltenen-Erde-Legierungen gefertigt (bspw. Nb-Zr). Da die Supraleitung jedoch nur bei sehr tiefen Temperaturen stattfindet, muss sich die Spule immer in vollem Umfang in flüssigem Helium befinden.

Als Magnetbehälter dienen daher große, hochevakuierte Doppelmantel-Dewargefäße (ca. 10^-7 Torr), um die Verdampfungsverluste möglichst gering zu halten. Im inneren Dewar, gefüllt mit flüssigem Helium, befindet sich die Magnetspule. Der äußere, den Heliumbereich umschließende Dewar enthält billigeren, flüssigen Stickstoff, um den Kryobereich möglichst gut zu isolieren.

Bei der Installation solch eines Systems muss der Magnet erst einmal "geladen" werden: Die Vakuumkammern werden evakuiert und das System wird stufenweise mit flüssigem Stickstoff und flüssigem Helium auf die Sprungtemperatur für Supraleitung gebracht. Dann wird mit einem Ladegerät die Spule auf die nötige Stromstärke geladen und somit das Magnetfeld hochgefahren. Nach dem Abhängen des Ladegerätes bleibt die Spule wie ein Permanentmagnet auf Feld.

Magnete dieser Art müssen pro Woche einmal mit flüssigem Stickstoff und ca. 2 mal pro Jahr mit flüssigem Helium gefüllt werden, um die Supraleitung und somit das Magnetfeld permanent zu halten.

Verliert der Magnet – sei es durch Heliumverlust oder auch durch andere Störungen wie starke Erschütterung – auch nur partiell die Supraleitung, so entsteht eine Störstelle für die Supraleitung in der Magnetwicklung. An dem sich dadurch bildenden elektrischen Widerstand entlädt sich innerhalb sehr kurzer Zeit der gesamte fließende Strom. Dies ist mit enormer Wärmeentwicklung verbunden, die Flüssiggase verdampfen in kürzester Zeit und die Feldstärke geht verloren („Quench" eines Magneten). Die hohen Kräfte und Belastungen während eines Quenchs können schwere Schäden am Magnetsystem herbeiführen.

Das NMR-Röhrchen befindet sich bei Messungen mit einem Kryomagneten im inneren, zylindrischen Volumen der Spule. Anders als beim Elektromagneten verlaufen die Magnetfeldlinien des H₀-Feldes (z-Achse) längs durch das Röhrchen.

Vorteile von Kryomagneten:

• leichte Bauweise
• keine Wasserkühlung nötig
• einmal auf Feld gebracht, wird kein Strom mehr verbraucht
• große Stabilität
• hohe Feldstärken sind erreichbar: bis 900 MHz Resonanzfrequenz bezogen auf ¹H (2005)

Schematischer Aufbau eines NMR-Kryomagneten