УЗЕЛ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО МАГНИТА Российский патент 2022 года по МПК G01R33/3815 H01F6/00 H01F6/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к сверхпроводящему магнитному устройству, содержащему узел обмотки возбуждения с витками обмотки, которые при работе являются электрически сверхпроводящими и работают в незатухающем режиме. В частности, изобретение относится к сверхпроводящему магниту для системы магнитно-резонансного исследования.

Уровень техники

Работа сверхпроводящих магнитов в незатухающем режиме рассматривается М. Уилсоном (M. Wilson) в разделе 11.2 его книги «Сверхпроводящие магниты (Superconducting Magnets)», (Oxford University Press, 1983, ISBN 0-19-854805-2).

Работа сверхпроводящих магнитов в незатухающем режиме обеспечивается путем последовательного соединения сверхпроводящего переключателя со сверхпроводящими обмотками возбуждения. Этот переключатель состоит из длины сверхпроводящего провода, намотанного на несущую конструкцию таким образом, что он не вносит вклад в поле магнита. В незатухающем режиме он несет электрический ток полной нагрузки магнита. Нагрев переключателя до температуры, превышающей температуру сверхпроводящего перехода, приводит к тому, что переключатель становится резистивным. Источник питания, подключенный параллельно переключателю, затем можно использовать для изменения электрического тока в обмотках возбуждения.

В патентной заявке Японии JP2004-179413 раскрыт сверхпроводящий магнит со сверхпроводящим переключателем, установленном на переключателе непрерывного тока для включения и выключения режима непрерывного тока. Переключающая обмотка, образующая сверхпроводящий переключатель расположена в основном корпусе переключателя, в то время как сверхпроводящие обмотки магнита, генерирующие магнитное поле, расположены снаружи основного корпуса переключателя.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение сверхпроводящего магнита, который является более дешевым в изготовлении.

Согласно изобретению эта задача решена сверхпроводящим магнитом, содержащим

- узел обмотки возбуждения с витками обмотки, которые при работе являются электрически сверхпроводящими,

- причем узел обмотки возбуждения подключен между портами подключения для подачи напряжения,

- и переключающий модуль для переключения подсекции из витков обмотки узла обмотки возбуждения между ее электрическим сверхпроводящим и электрическим резистивным состояниями, причем указанная подсекция образует переключающую обмотку, находящуюся в цепи между портами подключения.

Работа магнитного устройства согласно изобретению аналогична работе в незатухающем режиме, как описано Уилсоном, за исключением того, что функция сверхпроводящего переключателя выполняется секциями обмотки возбуждения или витками обмотки, которые можно нагреть. Основные отличия от работы согласно уровню техники обусловлены тем фактом, что сверхпроводящий переключатель из уровня техники не генерирует какого-либо значительного поля и не имеет какой-либо значительной индуктивности, тогда как переключающая обмотка вносит свой вклад в поле магнита и имеет значительную индуктивность. Подсекция из витков обмотки узла обмотки возбуждения, которую можно переключать между ее электрическим сверхпроводящим и электрическим резистивным состояниями, образует переключающую обмотку.

Поле магнитного устройства согласно изобретению можно плавно увеличивать путем установки переключающей обмотки в ее резистивное состояние и подключения источника электропитания на переключающую обмотку. Опционально отсоединяемый источник питания может быть подключен к портам подключения для подачи напряжения на переключающую обмотку (переключающие обмотки). Источник питания может быть выполнен с возможностью подачи электрического тока при положительном или отрицательном напряжении на портах подключения.

Подача напряжения на порты подключения вызывает увеличение электрического тока в сверхпроводящей части магнитной цепи со скоростью, пропорциональной напряжению. Теплая, то есть резистивная, переключающая обмотка не несет значительный электрический ток. Когда электрический ток через обмотку (обмотки) возбуждения достигает своего заданного конечного значения, напряжение на порте подключения устанавливается на ноль, переключающая обмотка устанавливается в свое сверхпроводящее состояние, а электрический ток, подаваемый от источника питания, плавно уменьшается до нуля. Когда переключающая обмотка находится в своем сверхпроводящем состоянии, она образует полностью сверхпроводящий замкнутый контур с другими обмотками возбуждения, в которых может циркулировать незатухающий электрический ток. По мере уменьшения электрического тока от источника питания до нуля, электрический ток в переключающей обмотке увеличивается, пока не будет достигнуто конечное состояние, когда все обмотки, то есть обмотки возбуждения, включающие в себя переключающую обмотку, магнита, несут одинаковый электрический ток. В этом конечном состоянии циркулирующий электрический ток в цепи магнита, как правило, будет ниже, чем в то время, когда переключающая обмотка была сверхпроводящей. Чтобы получить требуемый конечный электрический ток, максимальный электрический ток в конце плавного изменения должен быть задан несколько более высоким. После того как электрический ток от источника питания будет уменьшен до нуля, источник питания можно термически и электрически отключить. Отключение выводов электропитания может быть выполнено с помощью релейных переключателей. В рабочем состоянии, когда и переключающая обмотка, и обмотка (обмотки) возбуждения являются сверхпроводящими и несут непрерывный электрический ток, обмотка (обмотки) возбуждения и переключающая обмотка вместе генерируют стационарное магнитное поле. Согласно изобретению эти витки переключения вносят значительный вклад в магнитное поле. Иначе говоря, согласно изобретению витки обмотки узла обмотки возбуждения, которые можно переключать между их электрически сверхпроводящим и резистивным состояниями, образуют переключающую обмотку. Или переключающая обмотка является частью узла обмотки возбуждения и вносит значительный вклад в магнитное поле, генерируемое узлом обмотки возбуждения.

Переключающая обмотка может быть узлом из нескольких переключающих обмоток, соединенных последовательно. Концепция работает лучше всего, если переключающую обмотку (переключающие обмотки) образуют примерно 5-10% провода магнита. Эта длина может составлять одну или несколько полных секций обмотки магнита МРТ (магнитно-резонансной томографии). Альтернативно, это может быть только частью одной секции с полной намоткой. Поддержание конфигурации переключающей и непереключающей обмотки (обмоток) в магнитной системе зеркально-симметричной относительно средней плоскости z=0 является предпочтительным, потому что это позволяет использовать существующие методы обнаружения квенча (потери сверхпроводимости) и защиты от него.

Помимо изменения электрического тока магнита во время плавного выключения внешнего источника питания, процедура приведения магнита в поле и перевода его в незатухающий режим идентична плавному включению магнита в обычном незатухающем режиме, как описано Уилсоном.

Предпочтительно, переключающая обмотка (переключающие обмотки) и обмотка (обмотки) возбуждения геометрически расположены и имеют соответствующее число витков так, что стационарное магнитное поле является пространственно однородным. Это делает систему сверхпроводящих магнитов пригодной для использования в системе для магнитно-резонансных исследований.

Переключающий модуль для переключения (узла) переключающей обмотки между ее электрическим резистивным и сверхпроводящим состояниями может быть реализован в виде переключаемого нагревателя для регулировки температуры витков переключающей обмотки (переключающих обмоток) между значениями, находящимися ниже и выше ее сверхпроводящей критической температуры, соответственно. Альтернативно, к переключающей обмотке (переключающим обмоткам) может быть приложено локальное радиочастотное электромагнитное поле, чтобы переводить переключающую обмотку (переключающие обмотки) из ее (их) сверхпроводящего состояния в ее электрически резистивное состояние. В дополнение к активации нагревателя, предпочтительно подавлять активное охлаждение переключаемой секции (секций) обмотки, чтобы предотвратить перегрузку системы охлаждения магнита. Переключающая обмотка (переключающие обмотки) может быть достаточно термически изолирована от других обмоток, чтобы ее можно было сделать несверхпроводящей без риска потери сверхпроводимости другой обмотки (обмоток) возбуждения. По этой причине эта концепция наиболее подходит для использования в магнитах, где сверхпроводящие обмотки находятся в вакуумном пространстве и охлаждаются с помощью системы охлаждения.

Настоящее изобретение позволяет плавно включать и выключать сверхпроводящее магнитное устройство без необходимости в отдельном переключателе незатухающего тока. Следовательно, не нужно предпринимать шаги, чтобы избежать возмущения стационарного магнитного поля каким-либо полем переключателя незатухающего электрического тока. Напротив, изобретение позволяет переключающей обмотке (переключающим обмоткам) увеличивать напряженность поля и однородность стационарного магнитного поля и/или способствовать активному экранированию окружающей среды от паразитного поля магнита. То есть переключающая обмотка (переключающие обмотки) и обмотка (обмотки) возбуждения работают вместе, чтобы генерировать стационарное магнитное поле. Основным преимуществом использования обмотки возбуждения в качестве переключающего элемента является то, что становится возможным достижение высокорезистивного состояния сопротивления переключающего элемента при сравнительно низких затратах. Рассеяние во время плавного изменения равно квадрату плавно изменяющегося напряжения, деленному на это сопротивление разомкнутого состояния; например чтобы ограничить это рассеяние менее, чем до 1 Вт, это сопротивление составляет порядка 100 Ом для типовых плавно изменяющихся напряжений до 10 В. Разомкнутое сопротивление переключающей обмотки прямо пропорционально длине провода в переключателе. Обычный переключатель незатухающего электрического тока, выполненный как отдельный элемент цепи, не генерирующий поля, потребует большой длины провода переключателя, что просто увеличивает затраты. Дополнительным преимуществом использования провода обмотки для функции переключения является то, что для достижения высокого сопротивления при нормальном состоянии не требуется специального провода переключателя с высокорезистивной матрицей. Переключающая обмотка (переключающие обмотки) может быть намотана (намотаны) на стандартный стабилизированный проводник из чистой меди, что улучшает стабильность магнита при нормальной работе и снижает риск самопроизвольного прерывания сверхпроводимости (квенча).

Процедура плавного включения может быть выполнена в обратном порядке для плавного выключения магнита. После подключения внешнего источника питания, его электрический ток должен быть плавно увеличен, чтобы уменьшить электрический ток в переключающей обмотке (переключающих обмотках) до значения, близкого к нулю. Затем переключающую обмотку (переключающие обмотки) делают несверхпроводящей, и после этого внешний электрический ток медленно уменьшают до нуля. Это требует напряжения на портах подключения (контактных выводах) магнита, противонаправленного потоку электрического тока. Это отрицательное напряжение может быть достигнуто путем подключения рассеивающего элемента (резистора, диода) последовательно с источником питания или путем обхода источника питания с помощью диода и последующего прерывания электрического тока через источник питания. Многие варианты осуществления такого двухквадрантного источника питания известны сами по себе, и любой из таких источников питания, используемых в традиционных магнитах МРТ, будет подходящим для узла магнита согласно изобретению, в котором использована концепция переключения на основании переключающей обмотки (переключающих обмоток).

Если внешний источник питания не может быть включен для уменьшения электрического тока в переключающей обмотке (переключающих обмотках) до нуля (например, в случае сбоя электрического (сетевого) питания), то можно подключить разрядный резистор или диод и активировать в переключающей обмотке нагреватель (с резервным питанием от аккумуляторной батареи). Это может прервать сверхпроводимость переключающей обмотки, но если ее энергосодержание достаточно мало, чтобы это событие не вызвало полного прерывания сверхпроводимости оставшихся секций обмотки, системный магнит автоматически перейдет в свое состояние разряда, и электрический ток уменьшится до нуля.

Эти и другие аспекты изобретения будут дополнительно пояснены со ссылкой на варианты осуществления, определенные в зависимых пунктах формулы изобретения.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления сверхпроводящего магнитного устройства согласно изобретению самоиндуктивность переключающей обмотки (переключающих обмоток) намного меньше, чем индуктивность узла обмотки (обмоток) возбуждения. Предпочтительно, чтобы отношение индуктивности переключающей обмотки (переключающих обмоток) к индуктивности узла обмотки возбуждения находилось в диапазоне от 1/20 до 1/2, предпочтительно - в диапазоне от 0,08 до 0,12, при этом очень хорошие результаты достигаются при соотношении 1/10. Это позволяет ограничить перераспределение электрического тока в конце плавного включения и обеспечивает необходимость относительно небольшого выброса электрического тока на обмотки магнита.

Предпочтительно, чтобы омическое сопротивление переключающей обмотки (переключающих обмоток) в ее резистивном состоянии было выше минимального значения, составляющего приблизительно 10 Ом, что приводит к низким потерям во время плавного включения или выключения. Более подробно, если состояние магнита плавно изменяют, то на портах подключения имеется напряжение, составляющее, например, 10 В. Электрический ток в обмотке (обмотках) возбуждения увеличивается приблизительно пропорционально приложенному напряжению и обратно пропорционален собственной индуктивности обмоток возбуждения. Таким образом, чем выше напряжение, тем более быстрым будет плавное изменение. Приложенное напряжение также вызывает некоторый электрический ток через несверхпроводящую переключающую обмотку (переключающие обмотки). Этот электрический ток пропорционален приложенному напряжению и обратно пропорционален сопротивлению нормального состояния переключающей обмотки. Рассеяние в переключающей обмотке (переключающих обмотках) из-за этого электрического тока является квадратичным с приложенным напряжением и обратно пропорционально ее сопротивлению нормального состояния. Следовательно, низкое рассеяние в переключающей обмотке (переключающих обмотках) требует сопротивления в нормальном состоянии где-то между 10 и 100 Ом (в противном случае напряжение плавного изменения может быть очень низким, что может привести к времени плавного изменения, составляющему многие часы).

Обмотка (обмотки) возбуждения установлены на или удерживаются в заданном положении посредством несущей конструкции, которая может также нести переключающую обмотку (переключающие обмотки). Переключающая обмотка (переключающие обмотки) может (могут) представлять собой одну или более отдельных секций обмотки многосекционного магнита для МРТ. Они могут быть частью набора внутренних обмоток, генерирующих внутреннее магнитное поле, или набора экранирующих обмоток, которые активно подавляют паразитное поле магнита, или частью обоих наборов. Также возможно, что витки переключающей обмотки (переключающих обмоток) находятся в непосредственной близости от других витков, генерирующих поле. Например, крайние слои витков одной или более секций обмотки могут использоваться в качестве переключающих обмоток. В соответствии с одним из аспектов изобретения предусмотрена теплоизоляция между переключающей обмоткой (переключающими обмотками) и другими обмотками возбуждения магнита МРТ, который затем остается сверхпроводящим. Это позволяет достичь того, что, когда переключающая обмотка (переключающие обмотки) нагреваются для увеличения своей температуры выше своей сверхпроводящей критической температуры, отсутствует или имеется только небольшое количество тепла, передаваемого обмотке (обмоткам) возбуждения, так что не требуется более высокой охлаждающей способности для обмотки (обмоток) возбуждения, чтобы поддерживать сверхпроводимость витков обмотки (обмоток) возбуждения. В случае, когда обмотки охлаждают посредством циркулирующего текучего гелия, жидкого или газообразного, может быть предпочтительным уменьшение или прерывание потока гелия к переключающей обмотке в течение периода времени, когда обмотка должна находиться в своем резистивном состоянии. Таким образом, во время плавного изменения магнита энерговклад в систему охлаждения магнита минимизируется.

В другом аспекте изобретения обмотка (обмотки) возбуждения и переключающая обмотка (переключающие обмотки) геометрически выровнены коаксиально вдоль общей продольной оси, в то время как витки обмотки (обмоток) возбуждения, а также переключающей обмотки (обмоток) расположены азимутально вокруг продольной оси. Обмотка (обмотки) возбуждения и переключающая обмотка (переключающие обмотки) могут находиться в параллельных, проходящих радиально (перпендикулярно продольной оси) плоскостях. Каждая из обмотки (обмоток) возбуждения и переключающей обмотки (переключающих обмоток) могут иметь разные или одинаковые радиальные размеры и число витков в соответствии с напряженностью поля и пространственным распределением стационарного магнитного поля. В общем, методы намотки обмоток, используемые для стандартных обмоток возбуждения, также можно использовать для переключающей обмотки (переключающих обмоток).

В другом аспекте изобретения обмотки возбуждения узла обмоток возбуждения и переключающая обмотка (переключающие обмотки) включают в себя витки из высокотемпературного сверхпроводящего материала, критическая температура которого находится в диапазоне 20-80°К. Это позволяет повысить рабочую температуру узла сверхпроводящего магнита. При более высоких температурах охлаждающие механизмы более эффективны для поддержания температуры обмотки (обмоток) возбуждения и переключающей обмотки (переключающих обмоток) ниже критической температуры сверхпроводимости. Подходящим высокотемпературным материалом является MgB₂, имеющий критическую температуру сверхпроводимости при 39°К (при нулевом магнитном поле). Такие высокотемпературные сверхпроводники обычно бывают значительно дороже обычных ниобий-титановых проводников; поэтому исключение необходимости использования сверхпроводящего провода в обычном переключателе, где он не участвует в генерировании поля, может быть особенно выгодным.

В еще одном аспекте изобретения переключающая обмотка может содержать длину сверхпроводящего провода из MgB₂ в диапазоне 1600-2400 м. Такой провод может быть получен с помощью процессов «порошок в трубе» (PIT, powder-in-tube), выполняемых автономно (ex situ) и на месте (in situ). Это количество материала в соответствии с изобретением при работе вносит свой вклад в стационарное магнитное поле.

Краткое описание чертежей

Эти и другие аспекты изобретения будут раскрыты со ссылкой на варианты осуществления, раскрытые ниже, и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

на фиг. 1 показана электрическая принципиальная схема примера узла сверхпроводящего магнита согласно изобретению с подключенным к нему источником питания;

на фиг. 2a и 2b соответственно показаны графические представления динамики электрических величин в процессе плавного включения и выключения узла сверхпроводящего магнита согласно изобретению.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема примера узла 100 сверхпроводящего магнита согласно изобретению с подключенным к нему источником питания. Витки 101 обмотки возбуждения с самоиндуктивностью L1 для простоты здесь показаны как единый элемент, но на практике выполнены в виде узла из нескольких обмоток возбуждения. Переключающая обмотка 102 с самоиндуктивностью L2 показана как единый элемент, но на практике переключающая обмотка может быть выполнена в виде узла из нескольких переключающих обмоток. Переключающая обмотка 102 и обмотка возбуждения вместе образуют сверхпроводящий контур, замкнутый на себя. Не требуется, чтобы секции обмотки, образующие переключающую обмотку, были физически сгруппированы в магните, при этом соединительная проводка секций обмотки должна быть такой, чтобы все секции переключающей обмотки были соединены непосредственно последовательно, без элементов, не относящихся к категории переключения, между ними.

Источник питания подключен через обмотку переключения с помощью электрически и термически разъединяемых контактных выводов 103, которые могут представлять собой реле с дистанционным управлением. Обмотку 101 возбуждения и переключающую обмотку 102 можно охладить до температуры сверхпроводимости посредством криогенной системы (не показана). Целесообразно обеспечить средство для увеличения термического сопротивления и/или уменьшения охлаждающей мощности для переключающих обмоток в то время, когда они должны находиться в резистивном состоянии. Управляемый источник 105 питания подключен к токовым контактным выводам 103. Параллельно источнику 105 питания можно подключить диод или группу диодов 104, чтобы обеспечить возможность циркуляции электрического тока от магнита, даже когда источник питания находится в своем выключенном состоянии.

Изобретение применяют согласно следующей процедуре. Чтобы обеспечить генерирование узлом сверхпроводящего магнита заданного магнитного поля, переключатели замыкают, обмотку 101 возбуждения охлаждают так, чтобы она стала сверхпроводящей, а переключающую обмотку 102 держат в ее резистивном состоянии. Для этого предусмотрен регулируемый нагреватель 106 для рассеяния тепла на переключающую обмотку и увеличения ее температуры выше критической температуры сверхпроводимости. Опционально, охлаждение переключающей обмотки уменьшают или прерывают. Источник питания генерирует напряжение V₀ постоянного тока, что вызывает увеличение электрического тока через сверхпроводящие обмотки 101 возбуждения. Этот электрический ток продолжают увеличивать до тех пор, пока по истечении некоторого времени он не достигнет заданного значения I_set, при котором напряжение от источника питания будет уменьшено до нуля. Во время плавного изменения напряжение на резистивной переключающей обмотке вызывает электрический ток V₀/R_switch через эту обмотку, что вызывает рассеяние V₀²/R_switch. Из-за этого рассеяния, связанного с плавным изменением, мощность нагревателя может ограничивать общее количество тепла, накопленного в переключающей обмотке. После достижения заданного значения тока переключающую обмотку делают сверхпроводящей, например, путем отключения нагревателя 106 и включения охлаждения переключающей обмотки. Требуемое время ожидания для того, чтобы обмотка переключения стала сверхпроводящей, равно отношению количества энергии, рассеиваемой в переключающей обмотке во время плавного изменения, которое равно (L₁.I_set)²/t_ramp.R_switch, и охлаждающей способности системы охлаждения переключающей обмотки. Следует отметить, что ни масса, ни объем обмотки переключающей обмотки не влияют на требуемое время ожидания. Использование относительно большой обмотки в качестве переключателя эффективно, потому что это приводит к большому сопротивлению R_switch. После того, как переключающая обмотка достигнет своего сверхпроводящего состояния, электрический ток от источника питания уменьшают до нуля. Это вызывает увеличение электрического тока в переключающей обмотке 102. Одновременно происходит снижение электрического тока в обмотке 101 возбуждения. В конечном состоянии электрические токи во всех обмотках 101 и 102 будут одинаковыми, и электрический ток больше не будет течь к источнику питания. Затем источник питания можно безопасно отключить. Обмотка возбуждения и переключающая обмотка последовательно проводят одинаковый электрический ток и обе вносят свой вклад в магнитное поле сверхпроводящего магнита.

Подходящее значение для заданного значения I_set электрического тока в конце плавного увеличения, которое необходимо для конечного электрического тока I₀, можно легко вычислить с использованием значений индуктивности L₁ обмоток 101 возбуждения и индуктивности L₂ переключающей обмотки 102, а также взаимной индуктивности M₁₂ между этими двумя обмотками. Как только переключающая обмотка достигнет своего сверхпроводящего состояния, общий магнитный поток в цепи 101-102 сверхпроводящего магнита фиксируется и остается постоянным до тех пор, пока цепь является сверхпроводящей. В конце плавного изменения этот зафиксированный поток будет равен L₁.I_set, тогда как в конечном состоянии он равен L_total.I₀. Здесь L_total - общая индуктивность сверхпроводящего контура, которая равна L₁ + L₂ + 2M₁₂. Таким образом, заданное значение тока должно быть I_set = I₀.(L_total/L₁). Поскольку индуктивности известны очень хорошо, либо путем моделирования, либо путем измерения, требуемый выброс тока является точно предсказуемым. Вышеприведенная формула также показывает, что до тех пор, пока L₂ и M₁₂ намного меньше, чем L₁, величина требуемого выброса тока ограничена.

Для плавного выключения магнита замыкают токовые переключатели 103, включают источник питания, и его электрический ток плавно увеличивают так, чтобы электрический ток в переключающей обмотке 102 уменьшился до небольшого значения. Затем включают нагреватель 106, чтобы повысить температуру переключающей обмотки выше ее критической температуры сверхпроводимости. Обмотка 101 возбуждения остается сверхпроводящей. Подача отрицательного напряжения на обмотки 101 возбуждения вызывает снижение электрического тока до нуля.

На фиг. 2а показано графическое представление динамики электрических величин во время процедуры плавного включения типового примера узла сверхпроводящего магнита согласно изобретению с индуктивностью обмотки возбуждения L₁=20 Гн, индуктивностью переключающей обмотки L₂=2 Гн, взаимной индуктивностью M₁₂=0,1 Гн. В начале плавного включения при t=0 нагреватель 106 включен, так что переключающая обмотка 102 находится в своем резистивном состоянии. Штриховая линия представляет напряжение, подаваемое источником 105 питания. После начального переходного процесса напряжение поддерживается при постоянном значении V₀. Изображенная кривая показывает электрический ток через обмотку 101 возбуждения. Электрический ток со временем увеличивается приблизительно линейно по соотношению V₀/L₁. В момент времени t₁ электрический ток через L₁ достигает своего заданного значения I_set, а напряжение источника питания устанавливается на ноль. Затем, пока электрический ток через обмотку 101 возбуждения остается на своем постоянном уровне I_set, нагреватель переключающей обмотки выключается, и нормальное охлаждение этой обмотки вновь активируется. Система должна поддерживаться в этом состоянии до тех пор, пока обмотка переключателя не станет сверхпроводящей. После времени ожидания, достаточного для того, чтобы переключающая обмотка стала полностью сверхпроводящей, электрический ток от источника питания плавно изменяется до нуля. Это вызывает увеличение электрического тока в переключающей обмотке 102 и уменьшение электрического тока в обмотках 101 возбуждения до тех пор, пока эти два электрических тока не станут равными, а электрический ток, протекающий к источнику питания, не станет равным нулю. Во время перераспределения электрического тока генерируется отрицательное индуктивное напряжение, которое связано с уменьшением энергии в обмотках возбуждения и переключающих обмотках из-за перераспределения электрического тока.

На фиг. 2b показано графическое представление динамики электрических величин во время управляемого плавного выключения типового магнита согласно изобретению. Сначала к магниту прикладывают положительное напряжение, которое вызывает уменьшение электрического тока в переключающей обмотке 102. Одновременно увеличивается электрический ток в обмотках 101 возбуждения. Когда электрический ток от источника питания достигнет значения I_set, ранее использовавшегося во время плавного включения, электрический ток в переключающей обмотке станет равным нулю. В этот момент нагреватель переключающей обмотки может быть включен, и, опционально, охлаждение переключающей обмотки может быть уменьшено или отключено. При подаче отрицательного напряжения на переключающую обмотку электрический ток в обмотках возбуждения уменьшается до нуля.

Сверхпроводящее магнитное устройство содержит узел обмотки возбуждения с витками обмотки, которые при работе являются электрически сверхпроводящими. Узел обмотки возбуждения подключен между портами подключения для подачи напряжения. Переключающий модуль переключает подсекцию из витков обмотки узла обмотки возбуждения между ее электрическим сверхпроводящим и электрическим резистивным состояниями, причем указанная подсекция образует переключающую обмотку, находящуюся в цепи между портами подключения. В рабочем состоянии, когда и переключающая обмотка, и обмотка (обмотки) возбуждения являются сверхпроводящими и несут непрерывный электрический ток, обмотка (обмотки) возбуждения и переключающая обмотка вместе генерируют стационарное магнитное поле. Согласно изобретению витки переключения вносят значительный вклад в магнитное поле. Витки обмотки узла обмотки возбуждения, которые могут переключаться между своим электрически сверхпроводящим и резистивным состояниями, образуют переключающую обмотку. То есть переключающая обмотка является частью узла обмотки возбуждения и вносит значительный вклад в магнитное поле, генерируемое узлом обмотки возбуждения. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сверхпроводящее магнитное устройство, содержащее

- узел обмотки возбуждения с (i) витками обмотки, которые при работе являются электрически сверхпроводящими, и (ii) портами подключения для подачи напряжения,

- причем витки обмотки узла обмотки возбуждения подключены между портами подключения,

- и переключающий модуль для переключения подсекции из витков обмотки узла обмотки возбуждения между ее электрическим сверхпроводящим и электрическим резистивным состояниями, причем указанная подсекция образует переключающую обмотку, подключенную между портами подключения, причем переключающая обмотка имеет длину сверхпроводящего провода в диапазоне 1600-2400 м.

2. Сверхпроводящее магнитное устройство по п. 1, в котором индуктивность переключающей обмотки меньше, чем индуктивность узла обмотки возбуждения.

3. Сверхпроводящее магнитное устройство по любому из предшествующих пунктов и содержащее несущую конструкцию, которая несет узел обмотки возбуждения, причем между переключающей обмоткой и несущей конструкцией предусмотрена теплоизоляция.

4. Сверхпроводящее магнитное устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором переключающая обмотка, когда она находится в своем сверхпроводящем состоянии, подключена последовательно с узлом обмотки возбуждения.

5. Сверхпроводящее магнитное устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором узел обмотки возбуждения включает в себя множество обмоток возбуждения, расположенных коаксиально переключающей обмотке вдоль общей продольной оси, в то время как витки обмоток возбуждения, а также витки переключающей обмотки расположены азимутально вокруг продольной оси.

6. Сверхпроводящее магнитное устройство по п. 2, в котором отношение индуктивности переключающей обмотки к индуктивности узла обмотки возбуждения находится в диапазоне от 1/20 до 1/2, предпочтительно - в диапазоне от 0,08 до 0,12.

7. Сверхпроводящее магнитное устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором обмотки возбуждения узла обмотки возбуждения и переключающая обмотка включают в себя витки из высокотемпературного сверхпроводящего материала, критическая температура которого находится в диапазоне 20-80 K.

8. Сверхпроводящее магнитное устройство по п. 7, в котором высокотемпературный сверхпроводящий материал представляет собой MgB₂.

9. Система магнитно-резонансной томографии, содержащая: сверхпроводящее магнитное устройство по любому из пп. 1-8.

10. Способ плавного включения узла обмотки возбуждения сверхпроводящего магнитного устройства по любому из пп. 1-8, включающий в себя следующие шаги:

- приводят переключающую обмотку в ее резистивное состояние и подключают источник напряжения к портам подключения;

- когда электрический ток через обмотки возбуждения достигнет своего заданного конечного значения, приводят переключающую обмотку в ее сверхпроводящее состояние, и

- отключают источник напряжения.