СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КЛЮЧ Российский патент 1995 года по МПК H01L39/16 

Изобретение относится к электротехнике и преимущественно может быть использовано в электрофизических установках, в ускорителях со сверхпроводниковыми магнитами.

Известен сверхпроводящий ключ [1], содержащий токонесущий элемент из тонкой, бифилярно уложенной фольги сверхпроводника второго рода (Nb-Ti) и изоляционные прокладки, уложенные между слоями.

Недостатками сверхпроводящего ключа являются невысокие надежность и стабильность в работе, что объясняется неравномерным возникновением нормальной фазы в объеме его токонесущего элемента.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является сверхпроводящий ключ [2] , содержащий первый и второй токонесущие элементы с изоляционными прокладками, устройство управления фазовым состоянием, дополнительную секцию управления, причем последовательно соединенные второй токонесущий элемент и дополнительная секция управления соединены параллельно с первым токонесущим элементом.

Известный сверхпроводящий ключ не достаточно надежен в работе, что связано с отсутствием защитных цепей от аварийных режимов, появления и распространения нормальной фазы в сверхпроводящих токонесущих элементах ключа.

Целью изобретения является повышение надежности работы сверхпроводящего ключа.

Цель достигается тем, что сверхпроводящий ключ, содержащий устройство управления фазовым состоянием, первый и второй токонесущие элементы, дополнительную секцию управления, соединенную с устройством управления, причем последовательно соединенные второй токонесущий элемент и дополнительная секция соединены параллельно с первым токонесущим элементом, дополнительно содержит первый и второй компенсирующие усилители, первый и второй дифференциальные усилители и защитное сопротивление, причем первый вывод дополнительной секции соединен с первыми входами компенсирующих усилителей, вторые входы которых заземлены, а второй вывод дополнительной секции соединен с первым выводом защитного сопротивления, выходы первого и второго компенсирующих усилителей соединены соответственно с первым входом первого дифференциального усилителя и с первым входом второго дифференциального усилителя, вторые входы дифференциальных усилителей, вторые выводы токонесущих элементов и второй вывод защитного сопротивления являются общими, выходы дифференциальных усилителей соединены с входом устройства управления.

На чертеже представлена принципиальная схема сверхпроводящего ключа.

Сверхпроводящий ключ включает в себя первый токонесущий элемент 1 из сверхпроводниковой фольги, изоляционные прокладки 2 между слоями первого токонесущего элемента, второй токонесущий элемент 7 с изоляционными прокладками 8, подключенный параллельно через дополнительную сверхпроводящую секцию 5 с изоляционными прокладками 6 к первому токонесущему элементу 1, устройство 11 управления, вход которого подключен к выходам дифференциальных усилителей 3, 9, первый компенсирующий усилитель 4, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя 3, а вход - с дополнительной сверхпроводящей секцией 5, причем второй вход дифференциального усилителя 3 соединен с первым токонесущим элементом 1, второй компенсирующий усилитель 10, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя 9, а вход подключен к дополнительной сверхпроводящей секции 5, причем второй вход дифференциального усилителя 9 соединен с вторым токонесущим элементом 7. Выход устройства 11 управления связан со сверхпроводящей дополнительной секцией 5. Защитное сопротивление 12 подключено параллельно к токонесущему элементу 1 и к токонесущему элементу 7 через дополнительную сверхпроводящую секцию 5.

В рабочем режиме транспортный ток I_p сверхпроводящего ключа (разветвляется по двум его секциям I_p1, I_p2). Управление сверхпроводящим ключом осуществляется переводом дополнительной сверхпроводящей секции 5 в нормальное состояние с помощью устройства 11 управления. Появление нормальной фазы на участках первого и второго токонесущих элементов сверхпроводящего ключа приводит к возникновению значительных падений напряжений, обусловленных транспортным током и сопротивлением нормальной фазы. В результате ключ из рабочего режима переходит в аварийный. Участки токонесущих элементов 1, 7 сверхпроводящего ключа, имеющие нормальную проводимость, могут выйти из строя, появятся витковые замыкания, обрывы. Для устранения аномальных явлений в ключе необходимо осуществить переход в нормальное состояние всех остальных сверхпроводящих участков токонесущих элементов 1, 7. Для этого необходимы специальные защитные цепи. В изобретении защитными элементами являются первый и второй дифференциальные усилители 3 и 9, компенсирующие усилители 4, 10 и защитное сопротивление 12. В нормальном рабочем режиме ключа на входы дифференциального усилителя 3 поступают сигналы, обусловленные падением напряжения на сверхпроводящей обмотке первой секции с индуктивностью L₁ и на дополнительной секции 5 с индуктивностью L_д.с. С помощью компенсирующего усилителя 4 эти сигналы приравниваются. Сигнал с дополнительной секции 5 через компенсирующий усилитель 4 является пороговым сигналом для выявления нормальной фазы в сверхпроводящей обмотке 1. На выходе дифференциального усилителя 3 имеется разность указанных сигналов
ΔU=L - K_к.у.·L , где К_к.у - коэффициент усиления компенсирующего усилителя;
i_p1 - транспортный ток через первую секцию 1.

Разность напряжений ΔU в рабочем режиме сверхпроводящего ключа приравнивается нулевому значению. В случае появления и распространения нормальной фазы на одной из сверхпроводящих секций напряжение разбаланса ΔU принимает определенное значение, в результате на вход устройства 11 управления поступает разность потенциалов
ΔU= L + R_н.ф·i-K_к.у.·L , где L=L₁=L₂ - индуктивность одной из сверхпроводящих секций;
i_p' = i_p1 = i_p2 - ток, протекающий в одной из сверхпроводящих секций;
R_н.ф. - сопротивление нормального участка первой сверхпроводящей секции.

Компенсирующие усилители 4, 10 дают возможность получить пороговые сигналы на входах дифференциальных усилителей 3, 9. Датчиком пороговых сигналов является дополнительная сверхпроводящая секция 5. Устpойство 11 управления обеспечивает переход сверхпроводящего ключа в нормальное состояние, и транспортный ток переходит в защитное сопротивление 12.

Таким образом осуществляются защита и повышение надежности работы сверхпроводящего ключа. Аналогичная последовательность включения защитных цепей происходит в случае появления и распространения нормальной фазы во второй сверхпроводящей секции токонесущего элемента 7 ключа.

Устройство 11 управления совместно с дополнительной сверхпроводящей секцией 5, кроме защитных, выполняет специальные функции. Это осуществляется принудительным переводом токонесущего элемента дополнительной секции 5 из сверхпроводящего состояния в нормальное. В качестве устройства управления можно рассматривать обычный управляемый полупроводниковый вентиль или контактор с обмоткой управления и контактами, включенные последовательно в цепях перевода из сверхпроводящего состояния в нормальное.

В предложенном техническом решении устройство 11 управления имеет один общий вход, подключенный одновременно к выходам дифференциальных усилителей 3, 9. Сигнал нормальной фазы от токонесущих элементов 1, 7 через дифференциальные усилители 3, 9 поступает на вход устройства управления. Впоследствии происходит переход в нормальное состояние дополнительной сверхпроводящей секции 5 и коммутация сверхпроводящего ключа.

Материалы токонесущего элемента дополнительной сверхпроводящей секции 5 необходимо выбрать с высокими параметрами по отношению к токонесущим элемента 1, 7, исключающие преждевременное появление нормальной фазы в секции 5.

Предложенный сверхпроводящий ключ по сравнению с прототипом обладает повышенной надежностью, обеспечивает защиту от появления и распространения нормальной фазы в сверхпроводящих секциях ключа. Сверхпроводящий ключ может найти широкое применение в электромагнитных системах со сверхпроводящими элементами, что ведет к повышению КПД их применения.

Использование: в криогенных электрофизических установках. Сущность изобретения: сверхпроводящий ключ содержит первый токонесущий элемент, к которому параллельно подсоединены защитное сопротивление и последовательно соединенные дополнительная секция управления и второй токонесущий элемент. Дополнительная секция управления соединена с устройством управления фазовым состоянием. Сверхпроводящий ключ содержит первый и второй компенсирующие усилители и первый и второй дифференциальные усилители. Первый вывод дополнительной секции соединен с первыми входами компенсирующих усилителей, вторые входы которых заземлены. Второй вывод дополнительной секции соединен с первым выводом защитного сопротивления. Выходы первого и второго компенсирующих усилителей соединены соответственно с первым входом дифференциального усилителя и с первым входом второго дифференциального усилителя. Второй вывод защитного сопротивления, вторые входы дифференциальных усилителей, вторые выводы токонесущих элементов являются общими. Выходы дифференциальных усилителей соединены с входом устройства управления. 1 ил.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КЛЮЧ, содержащий устройство управления фазовым состоянием, первый и второй токонесущие элементы, дополнительную секцию управления, соединенную с устройством управления, причем последовательно соединенные второй токонесущий элемент и дополнительная секция соединены параллельно с первым токонесущим элементом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности сверхпроводящего ключа, он дополнительно содержит первый и второй компенсирующие усилители, первый и второй дифференциальные усилители и защитное сопротивление, причем первый вывод дополнительной секции соединен с первыми входами компенсирующих усилителей, вторые входы которых заземлены, а второй вывод дополнительной секции соединен с первым выводом защитного сопротивления, выходы первого и второго компенсирующих усилителей соединены соответственно с первыми входами первого и второго дифференциальных усилителей соответственно, вторые входы дифференциальных усилителей, вторые выводы токонесущих элементов и второй вывод защитного сопротивления являются общими, выходы дифференциальных усилителей соединены с входом устройства управления.