БЫСТРЫЙ СБРОС ЧАСТИЧНО ИЗОЛИРОВАННОГО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО МАГНИТА Российский патент 2023 года по МПК H01F6/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к магнитам с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), ВТСП-магнитам. В частности, изобретение относится к способу разгружения ВТСП-магнитов, например, в ответ на обнаружение нарушения сверхпроводимости, и устройству, реализующему этот способ.

Предпосылки изобретения

Сверхпроводящие материалы типично делятся на «высокотемпературные сверхпроводники» (ВТСП) и «низкотемпературные сверхпроводники» (НТСП). НТСП-материалы, такие как Nb и NbTi, являются металлами или металлическими сплавами, сверхпроводимость которых может быть описана теорией БКШ (Бардина-Купера-Шриффера). Все низкотемпературные сверхпроводники имеют критическую температуру (температуру, выше которой материал не может быть сверхпроводящим даже в нулевом магнитном поле) ниже примерно 30 К. Поведение ВТСП-материала не описывается теорией БКШ, и такие материалы могут иметь критические температуры выше примерно 30 К (хотя следует отметить, что именно физические различия в работе и составе сверхпроводников, а не критическая температура, определяют ВТСП- и НТСП-материал). Наиболее часто используемыми ВТСП являются «купратные сверхпроводники» - керамика на основе купратов (соединений, содержащих группу оксида меди), таких как BSCCO или ReBCO (где Re - редкоземельный элемент, обычно Y или Gd). Другие ВТСП-материалы включают пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборат магния (MgB₂).

ReBCO типично производят в виде лент со структурой, показанной на фиг. 1. Такая лента 100 обычно имеет толщину приблизительно 100 микрон и включает в себя подложку 101 (типично электрополированный сплав Хастелой толщиной приблизительно 50 микрон), на который нанесена методом ионно-лучевого осаждения (IBAD), магнетронного распыления или другого подходящего метода последовательность буферных слоев, известных как буферный пакет 102, приблизительной толщиной 0,2 микрона. Эпитаксиальный слой 103 ВТСП-ReBCO (нанесенный методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) или другим подходящим методом) покрывает этот буферный пакет и типично имеет толщину 1 микрон. На слой ВТСП методом распыления или другим подходящим методом нанесен 1-2-микронный слой 104 серебра, и на ленту гальваническим методом или другим подходящим методом нанесен стабилизирующий слой 105 меди (медного стабилизатора), который часто полностью инкапсулирует ленту.

Подложка 101 обеспечивает механическую основу, которая может подаваться по производственной линии и позволяет выращивать последующие слои. Буферный пакет 102 требуется для обеспечения биаксиально текстурированного кристаллического шаблона, на котором будет расти слой ВТСП, и предотвращает химическую диффузию элементов из подложки в ВТСП, что нарушает его сверхпроводящие свойства. Слой 104 серебра требуется для обеспечения перехода с низким сопротивлением от ReBCO к стабилизирующему слою, а стабилизирующий слой 105 обеспечивает альтернативный путь тока в случае, когда какая-либо часть ReBCO перестает быть сверхпроводящей (переходит в «нормальное» состояние).

Кроме того, может быть изготовлена «отслоенная» ВТСП-лента, которая не имеет подложки и буферного пакета, а вместо этого имеет слои серебра на обеих сторонах слоя ВТСП. Лента, которая имеет подложку, будет называться ВТСП-лентой «с подложкой».

ВТСП-ленты могут быть скомпонованы в ВТСП-кабели. ВТСП-кабель содержит одну или более ВТСП-лент, которые соединены по своей длине через (электро)проводящий материал (обычно медь). ВТСП-ленты могут быть уложены стопкой (т.е. скомпонованы так, что слои ВТСП являются параллельными), или они могут иметь некоторую другую компоновку лент, которая может изменяться по длине кабеля. Примечательными особыми случаями ВТСП-кабелей являются одиночные ВТСП-ленты и ВТСП-пары. ВТСП-пары содержат пару ВТСП-лент, размещенных так, что слои ВТСП являются параллельными. Когда используется лента с подложкой, ВТСП-пары могут быть типа 0 (со слоями ВТСП, обращенными друг к другу), типа 1 (со слоем ВТСП одной ленты, обращенным к подложке другой) или типа 2 (с подложками, обращенными друг к другу). Кабели, содержащие более 2 лент, могут размещать некоторые или все ленты в ВТСП-парах. Уложенные стопкой ВТСП-ленты могут содержать различные компоновки ВТСП-пар, чаще всего либо пакет пар типа 1, либо пакет пар типа 0 и (или, эквивалентно, пар типа 2). ВТСП-кабели могут содержать смесь лент с подложкой и отслоенных лент.

Вообще говоря, существуют два типа построения магнитных катушек - путем намотки или путем сборки нескольких секций. Намотанные катушки, как показано на фиг. 2, изготавливают путем обматывания ВТСП-кабеля 201 вокруг каркаса 202 в непрерывную спираль. Каркас имеет форму, обеспечивающую требуемый внутренний периметр катушки, и может быть конструктивной деталью конечной намотанной катушки или может быть удален после намотки. Секционные катушки, как показано схематично на фиг. 3, состоят из нескольких секций 301, каждая из которых может содержать несколько кабелей или предварительно формованных шин 311 и будет образовывать дугу общей катушки. Секции соединяют соединениями 302, образуя законченную катушку. В то время как витки катушек на фиг. 2 и 3 показаны разнесенными для ясности, обычно имеется материал, соединяющий витки катушки, например, они могут быть объединены путем заливки эпоксидной смолой.

Фиг. 4 показывает разрез намотанной катушки конкретного типа, известного как «дисковая катушка» (или «галетная» катушка), где ВТСП-кабели 401 наматывают, формируя плоскую катушку, способом, аналогичным бобине ленты. Дисковые катушки могут быть выполнены с внутренним периметром, который имеет любую двухмерную форму. Часто дисковые катушки обеспечивают в виде «двойной дисковой катушки», как показано в разрезе по фиг. 5, которая содержит две дисковые катушки 501, 502, намотанные в противоположном направлении, с изоляцией 503 между дисковыми катушками и с соединенными вместе внутренними выводами 504. Это означает, что для возбуждения тока через витки катушки и создания магнитного поля напряжение должно подаваться только на внешние выводы 521, 522, которые обычно более доступны.

Катушки могут быть «изолированными» - имеющими электроизолирующий материал между витками катушки, или «неизолированными», когда витки катушки электрически соединены радиально, а также вдоль кабелей (например, путем соединения стабилизирующих слоев меди кабелей путем пайки или за счет непосредственного контакта). Также возможны «частично изолированные» катушки, где межвитковое сопротивление меньше сопротивления традиционного изолятора, такого как керамический или органический изолятор, но больше сопротивления между лентами в кабеле катушки, например, в 100-10¹⁵ раз больше сопротивления между лентами в кабеле. Отсутствие изоляции или частичная изоляция между витками замедляет скорость, с которой повышается температура локальной «горячей точки» (нормальной зоны), поскольку это позволяет току распределяться между витками.

Неизолированная ВТСП-катушка может быть смоделирована как имеющая три пути тока - два спиральных пути, которые следуют по ВТСП-лентам (один в ВТСП и один в металлическом стабилизаторе), и радиальный путь сквозь металл (и любой другой резистивный материал), соединяющий неизолированные или частично изолированные витки ВТСП-кабеля между выводами катушки (хотя это может быть смоделировано как единственный путь, в действительности он представляет сумму всех радиальных резистивных путей через магнит). Только ток, протекающий по спиральным путям, создает значительное осевое магнитное поле в центре катушки. Спиральный путь ВТСП может быть смоделирован в виде индукционной катушки, имеющей большую индуктивность и нулевое или пренебрежимо малое сопротивление, когда вся лента является сверхпроводящей. Спиральный путь медного стабилизатора находится параллельно пути ВТСП и имеет ту же самую индуктивность, но значительное сопротивление. По этой причине по нему протекает пренебрежимо малый ток, если только в частях спирального пути ВТСП не начинается нарушение сверхпроводимости. Если это случается, чрезмерный ток выше критического тока Ic спирального пути ВТСП распределяется между спиральным путем стабилизатора и радиальным путем согласно их относительным сопротивлениям и постоянным времени L/R. Радиальный путь тока может быть смоделирован как имеющий пренебрежимо малую индуктивность и гораздо большее сопротивление, чем спиральный путь, в то время как ВТСП является сверхпроводящим на всем протяжении.

Одно потенциальное применение ВТСП-катушек возбуждения существует в плазменных камерах токамака, в частности, для термоядерных реакторов. В WO 2013/030554 описан подход, включающий применение компактного сферического токамака для использования в качестве источника нейтронов или источника энергии. Форма плазмы с небольшим аспектным отношением в сферическом токамаке улучшает время удержания частиц и обеспечивает генерацию полезной эффективной мощности в гораздо меньшей установке. Однако необходима центральная колонна небольшого диаметра, что представляет проблемы для проектирования магнита удержания плазмы. Катушки возбуждения с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП) являются перспективной технологией для таких магнитов.

Другое потенциальное применение ВТСП-катушек возбуждения состоит в устройствах протонно-лучевой терапии. Протонно-лучевая терапия (ПЛТ), также известная как протонная терапия) является разновидностью лучевой терапии заряженными частицами, используемой при лечении злокачественных опухолей (и других состояний, которые реагируют на радиотерапию). В ПЛТ к месту лечения (например, опухоли) направляется пучок протонов.

Другой, аналогичной терапией является терапия с захватом протонов бором (PBCT), в которой бор-11 вводится в целевое место, а пучок протонов используется для инициирования реакции p + ¹¹B → 3α. Одно и то же устройство может быть использовано для подачи пучков протонов либо для ПЛТ, либо для PBCT.

Пучки протонов для ПЛТ и PBCT создают ускорителями частиц, такими как циклотроны или линейные ускорители. Ускорители, типично используемые для ПЛТ и PBCT, типично производят протоны с энергиями в диапазоне 60-250 МэВ, при этом наиболее мощная действующая в настоящее время установка имеет максимальную энергию 400 МэВ.

Существует, вообще говоря, два типа конструкции для устройств ПЛТ, которые обеспечивают возможность изменения угла пучка. В первом типе конструкции, которая проиллюстрирована на фиг. 6, ускоритель 3001 установлен на гентри 3002, которая обеспечивает возможность его вращения вокруг пациента 3003 (обычно вокруг горизонтальной оси). Пациент помещен на подвижное ложе 3004, которое обеспечивает дополнительные степени свободы (например, поступательное движение и вращение вокруг вертикальной оси).

Второй тип конструкции проиллюстрирован на фиг. 7. Ускоритель 4001 является неподвижным, и луч направляется на пациента посредством управляющих магнитов 4002 (обычно включающих и четырехполюсные, и двухполюсные магниты), по меньшей мере некоторые из которых расположены на гентри 4003, так что луч может вращаться вокруг пациента 4004 (например, вокруг горизонтальной оси). Пациент помещен на подвижное ложе 4005.

Любая конструкция требует, чтобы гентри удерживала электромагниты, способные управлять движением протонов с энергией луча, которая может быть вплоть до 400 МэВ. Это требует очень сильных магнитных полей, и, по сути, применение ВТСП-катушек возбуждения может в значительной степени уменьшать массу и размер электромагнитов и гентри, необходимой для их перемещения. ВТСП-катушки возбуждения могут быть использованы в ускорителе, четырехполюсных магнитах для управляющих магнитов или двухполюсных магнитах для управляющих магнитов.

Сущность изобретения

Изобретение охарактеризовано в прилагаемой формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - это схематичное представление ВТСП-ленты;

Фиг. 2 - это схематичное представление намотанной ВТСП-катушки;

Фиг. 3 - это схематичное представление секционной ВТСП-катушки;

Фиг. 4 - это разрез дисковой катушки;

Фиг. 5 - это разрез двойной дисковой катушки;

Фиг. 6 - это схематичное представление первого устройства ПЛТ;

Фиг. 7 - это схематичное представление второго устройства ПЛТ;

Фиг. 8 показывает результаты моделирования частично изолированной катушки;

Фиг. 9 показывает результаты моделирования примерной магнитной системы;

Фиг. 10 показывает графики магнитного поля и температуры для катушки после простого выключения источника питания;

Фиг. 11 показывает напряжения для катушки во время того же процесса, который показан на фиг. 10;

Фиг. 12A и B показывают пример пропускающей (допускающей утечку) изоляции;

Фиг. 13A и B показывают дополнительный пример допускающей утечку изоляции;

Фиг. 14 показывает схему, эквивалентную двухвитковой катушке.

Подробное описание изобретения

Фиг. 8 показывает ток, напряжение и мощность в неизолированной катушке во время нагружения и установившемся режиме работы. Во время нагружения неизолированной катушки ток будет первоначально протекать главным образом по радиальному пути (период A на фиг. 8) и затем стабилизироваться. Величина тока, протекающего по радиальному пути, выше для более быстрых скоростей нагружения (поскольку выше напряжение, развиваемое по спиральному пути, L.dI/dt, это – период B). В конце нагружения dI/dt падает до нуля, и ток будет переходить на спиральный путь ВТСП с постоянной времени L/R (период C). Ток будет, по большей части, переноситься на спиральный путь с несколькими (приблизительно пятью) постоянными времени L/R после окончания нагружения. По сути, постоянная времени должна быть выбрана так, чтобы приводить в результате к разумному времени нагружения, например, постоянная времени 5-10 часов будет приемлемой для TF-катушки (катушки тороидального поля) токамака (давая время нагружения около 1-2 дней).

В большом магните, чтобы избежать повреждения от нарушения сверхпроводимости (либо в изолированной, либо в неизолированной катушке), также может быть реализована активная схема защиты от нарушения сверхпроводимости. В этой схеме накопленная энергия магнита может быть сброшена в некоторый компонент, отличный от области нарушения сверхпроводимости магнита, прежде, чем в области нарушения сверхпроводимости может происходить достаточный рост температуры, вызывающий повреждение. Такой другой компонент может быть внешним сопротивлением или отдельным участком магнита, в котором нарушается сверхпроводимость на большей части холодной массы магнита (тем самым распределяя накопленную энергию магнита по большому объему и снижая общий рост температуры). Однако активный подход требует, чтобы время между возникновением нормальной зоны (также называемой «горячей точкой») и запуском разгружения («сброса») тока магнита было достаточно коротким, чтобы конечная температура горячей точки была меньше температуры, при которой может возникать повреждение катушки, например, около 200 К. Такой подход может также быть использован в небольших магнитах, обеспечивая дополнительную защиту от нарушений сверхпроводимости.

Вышеприведенное, а также обсуждение подходящих конструкций, обеспечивающих желаемую постоянную времени, обсуждается более подробно в находящейся одновременно на рассмотрении заявке GB1818817.7.

Хотя использование PI-катушек (частично изолированных катушек) продлевает время, доступное для сброса тока магнита, все еще важно, чтобы эта операция выполнялась как можно быстрее после обнаружения горячей точки. Было относительно небольшое обсуждение методов сброса тока для PI-катушек, поскольку в литературе PI-катушки, как правило, используются только для более мелких катушек, в которых суммарная энергия катушки является относительно низкой, и нарушение сверхпроводимости будет иметь тенденцию распространяться по всей катушке относительно быстро, означая, что сброс энергии рассеивается через катушку. Кроме того, PI-катушки являются по своей природе устойчивыми по сравнению с изолированными катушками и поэтому могут часто работать без защиты от нарушения сверхпроводимости, поскольку риск является низким. Однако, в больших катушках со значительной накопленной энергией, катушках с геометрией, позволяющей горячей точке охватывать все витки только в относительно небольшой части обмотки катушки, и/или катушках, предназначенных для долговременной работы в неблагоприятных средах (например, в катушках возбуждения поля для термоядерного реактора), важна активная защита от нарушения сверхпроводимости.

Использование PI-катушек обеспечивает дополнительные преимущества при сбросе энергии из магнита. Фиг. 10 показывает графики магнитного поля (пропорционального току спирального пути) и температуры для катушки после простого отключения источника питания (т.е. делающего его разомкнутой цепью). В течение периода A источник питания включен (показано током 1001). В начале периода B источник питания выключается, вынуждая индуктивность катушки генерировать напряжение, которое продолжает возбуждать ток в каждом витке в замкнутом контуре, закорачиваясь обратно на начало витка через межвитковое сопротивление. Это вызывает омический нагрев, который уменьшает критический ток в ВТСП. Этот процесс продолжается в течение периода B (типично несколько секунд, в зависимости от многих факторов, в этом эксперименте – 14 секунд) до тех пор, пока в ВТСП в витке не нарушится сверхпроводимость и не создастся достаточное напряжение, чтобы выпускать ток своего контура в металлический стабилизатор по спиральному пути (период C). Поскольку он имеет гораздо более высокое сопротивление, чем межвитковое сопротивление, энергия магнитного поля витка быстро преобразуется в тепло в стабилизаторе, и температура витка растет равномерно по мере того, как ток спирального пути быстро падает до 0 (<1c).

Однако, для эффективной защиты от нарушения сверхпроводимости, более длительный период B все еще является нежелательным - в случае нарушения сверхпроводимости этот период может быть достаточно длительным для возникновения значительного локального нагрева в локальной горячей точке где-либо еще в магните, приводя в результате к неприемлемо высокой пиковой температуре в этой горячей точке. Кроме того, магнит, такой как TF-магнит в токамаке, может содержать несколько катушек (например, отдельных ветвей), которые являются слабо термически и магнитно связанными. Желательно, чтобы при запуске сброса путем выключения источника питания все катушки испытывали одинаковую задержку перед нарушением сверхпроводимости. Вариации между катушками могут возникать вследствие производственных различий локальной температуры или различий магнитного поля. Если в катушках сверхпроводимость нарушается не одновременно, результирующие очень большие электромагнитные силы между катушками могут вызывать повреждение механической опорной конструкции магнита и/или самих катушек. Чтобы минимизировать это, желательно минимизировать вариации между задержкой между отключением PSU (блока подачи питания) и нарушением сверхпроводимости в каждой катушке, так чтобы любая вариация между продолжительностями задержки тоже минимизируется. Продолжительность этого периода может быть уменьшена путем увеличения сопротивления частично изолирующего слоя (и тем самым увеличения нагрева вследствие прохождения тока по радиальному пути в периоде B), но это будет иметь эффекты домино для других электрических свойств катушки, например, изменение постоянной времени для нагружения катушки, или более трудное обеспечение распределения тока между витками (что повысит вероятность горячей точки, вызывающей глобальное нарушение сверхпроводимости).

Вместо того, чтобы отключать источник питания, предлагается подавать на катушку магнита большой обратный ток (т.е. в противоположном направлении по отношению к току, протекающему через катушку перед разгружением), например, с помощью четырехквадрантного PSU, который способен отводить ток от катушки магнита. Сверхпроводящий путь имеет большую индуктивность, и поэтому такой обратный ток будет протекать главным образом по радиальному пути во всех катушках TF-магнита. Это большое увеличение радиального тока вызывает значительный нагрев всех катушек, быстро «гася» весь магнит (а значит, рассеивая сброс энергии по большой площади).

Хотя подача обратного тока вместо простого отключения PSU может казаться контринтуитивной, важным различием является то, что избыточный радиальный ток будет нагревать весь объем магнита, что означает, что нарушение сверхпроводимости будет быстро распространяться по магниту, и сброс энергии будет рассеиваться по всему объему (или по меньшей мере по значительной доле). Концентрированный сброс энергии, который произойдет без какого-либо вмешательства, вызовет неприемлемые повышения температуры в этой небольшой области, повреждающие ВТСП. Если на значительном участке магнита нарушается сверхпроводимость, одинаковое количество энергии (плюс небольшой вклад от самого обратного тока) рассеивается по всему магниту, что ограничивает рост температуры в ВТСП. Кроме того, более равномерный нагрев магнита предотвращает формирование крутых градиентов температуры в магните. Если градиент температуры слишком высок, то отличающееся тепловое расширение соседних областей магнита вызовет конструктивное повреждение.

В существующих магнитах равномерный нагрев может быть достигнут с помощью «нагревателей для нарушения сверхпроводимости», т.е. нагревательных элементов, уложенных рядом с ВТСП-кабелем, которые могут включаться для подачи тепла катушке. Однако такие нагреватели занимают пространство и по существу уменьшают доступное пространство для ВТСП-проводника или для металлического стабилизатора. Метод «обратного тока» в действительности использует радиальный путь проведения тока в качестве «нагревателя для нарушения сверхпроводимости», что означает, что нагрев равномерно распределяется по катушке, и дополнительные нагревательные элементы не требуются.

Обратный ток может быть ограничен рабочим током магнита или задан на уровне рабочего тока магнита. Таким образом, максимальный нагрев достигается с помощью обратного тока без превышения конструктивных параметров компонентов, внешних по отношению к магниту, по сравнению с тем, что потребуется для нормальной работы магнита.

Вышеприведенное было описано со ссылкой на защиту от нарушения сверхпроводимости, но следует отметить, что вышеописанный метод сброса энергии может также быть применим к другим ситуациям, когда магнит разгружается, например, при выключении магнита в обычных условиях, в отсутствие какого-либо обнаруженного нарушения сверхпроводимости (или условиях, вероятно ведущих к нарушению сверхпроводимости).

Фиг. 9 показывает результаты моделирования примерной частично изолированной катушки во время нагружения, установившегося режима работы и разгружения. В этом случае PSU (источник питания) моделируется как источник тока, т.е. ток, подаваемый PSU, задается в моделировании, а напряжение на PSU вычисляется.

Во время нагружения ток PSU увеличивается устойчиво до 2,2 кА с постоянной скоростью. Напряжение PSU является положительным и составляет порядка 0,1 В. Ток в радиальном пути приблизительно пропорционален напряжению PSU (поскольку радиальный путь может быть смоделирован как простое сопротивление), а ток в спиральном пути увеличивается с постоянной скоростью. В момент времени T1, когда достигается желаемый ток, магнит переключается в установившийся режим работы, PSU устанавливается на неизменный ток, и ток радиального пути уменьшается с постоянной времени L/R_radial, как описано ранее. Напряжение PSU уменьшается до значения порядка нескольких милливольт, когда ток радиального пути затухает, поскольку спиральный путь имеет пренебрежимо малое сопротивление (в этом моделировании он моделируется как имеющий нулевое сопротивление, так что напряжение PSU стремится к нулю. На практике, оно, как правило, будет стабилизироваться около нескольких десятков-сотен милливольт). Во время нагружения и установившегося режима работы температура ВТСП является по существу постоянной ниже 20 К.

В момент времени T2 инициируется сброс магнита (либо в ответ на обнаружение нарушения сверхпроводимости, либо иным образом). PSU подает обратный ток (с быстрым изменением тока, моделируемым в этом случае как изменение тока в сторону понижения в десять раз быстрее первоначального нагружения), который протекает главным образом по радиальному пути. Напряжение PSU является отрицательным во время подачи этого тока, порядка -0,5 В. Температура ВТСП быстро растет. Моделирование заканчивается, когда температура ВТСП достигла приблизительно 55 К, так как во всей катушке будет нарушаться сверхпроводимость, и рост температуры становится слишком быстрым для используемой модели. Однако, в реальности, накопленная энергия магнита будет быстро преобразовываться в тепло, рассеиваться относительно равномерно по магниту, безопасно отключая его.

Обратный ток может подаваться в течение заданного времени или до тех пор, пока не будет достигнуто конкретное условие, например, при обнаружении нарушения сверхпроводимости на значительном участке магнита, обнаружении конкретной температуры на значительном участке магнита или обнаружении того, что ток спирального пути (или создаваемое катушкой магнитное поле) уменьшился(лось) ниже порогового значения.

Скорость разгружения зависит от скорости нарастания обратного тока в PSU.

Желательно иметь возможность управлять скоростью изменения тока как в фазе нагружения магнита, так и в фазе сброса. По этой причине предпочтителен PSU с управляемым по обратной связи выводом тока. Ток PSU может регулироваться на основе тока по спиральному пути, температуры магнита, магнитного поля, создаваемого катушкой, или любого другого подходящего свойства катушки.

Источник питания может содержать несколько блоков подачи питания, каждый из которых подает питание катушке в течение разного периода. В частности, источник питания может содержать первый блок для подачи питания на катушку во время нагружения и установившегося режима работы и второй блок для подачи обратного напряжения на катушку во время разгружения.

Источник питания (или один или более блоков подачи питания источника питания) может быть частично расположен в криостате, содержащем ВТСП-магнит, и может содержать трансформатор, выполненный с возможностью переносить питание через криостат без наличия кабелей, проходящих через криостат, как описано в PCT/GB2018/050337.

Когда разгружение магнита запускается в ответ на обнаружение нарушения сверхпроводимости или условий, вероятно ведущих к нарушению сверхпроводимости, это обнаружение может происходить любым практичным методом. Например:

- обнаружение избыточного напряжения на ВТСП-материале в магните;

- использование вспомогательных ВТСП-лент, которые предусмотрены смежно с основной катушкой и выполнены с возможностью нарушать сверхпроводимость прежде основной катушки, например, как описано в международной патентной заявке PCT/GB2016/052712 или патентной заявке Великобритании GB1812120.2;

- обнаружение температуры, деформации, магнитных полей или других условий в катушке магнита, например, посредством рассеивания Роли в волоконно-оптических кабелях, как описано в международной патентной заявке PCT/GB2017/053066, или посредством других детекторов температуры, деформации или магнитного поля, которые известны в уровне техники.

Важно не подавать обратный ток слишком долго, иначе активный сброс может нагревать магнит выше 200К и вызывать проблемы. В идеале система сброса должна ограничивать суммарную энергию, подаваемую к магниту, энергией, требуемой для повышения температуры всего магнита выше его критической температуры (т.е. превращения всех катушек из сверхпроводящих в нормальные). Это небольшая доля суммарной энергии, необходимой для роста температуры всего магнита до ~200К. По мере того как в катушках начинает нарушаться сверхпроводимость, собственная накопленная энергия магнита будет рассеиваться, вызывая глобальное нарушение сверхпроводимости.

Простым путем подачи правильного количества энергии является разряд батареи конденсаторов в магнит. Это также устраняет необходимость в четырехквадрантном PSU. Одноквадрантный PSU может быть использован для нагружения магнита. Когда необходимо выполнять сброс магнита, он просто отсоединяется с использованием активных переключателей и предварительно заряженной батареи конденсаторов, присоединенной к магниту, чтобы возбуждать обратный радиальный ток. Отметим, что при отсоединении PSU не создаются большие напряжения, поскольку большая индуктивность магнита шунтируется его радиальным сопротивлением.

Большая часть вышеописанного изобретения была сфокусирована на разгружении магнита после обнаружения нарушения сверхпроводимости, когда скорость разгружения имеет критическую важность. Также существуют использующие тот же основополагающий принцип методы, которые применимы к управлению магнитом в условиях, когда время разгружения не является первичным фактором.

В качестве примера, PSU может быть выполнен с возможностью подавать ток разгружения, который меньше тока в магните, но течет в том же направлении. Это побудит проходить по радиальному пути ток, равный разнице между токами магнита и PSU, нагревающий магнит, как и прежде. Это приведет в результате к более медленному разгружению по сравнению с обратным током (или простым отсоединением PSU) и уменьшенному росту температуры в магните.

В качестве дополнительного примера, PSU может быть выполнен с возможностью подавать переменный ток наложенным на постоянный ток, доставляемый к катушке (либо во время установившегося режима, нагружения, либо разгружения). Когда период переменного тока значительно меньше постоянной времени L/R, этот переменный ток будет протекать полностью по радиальному пути. Это приводит в результате к нагреву магнита без иного влияния на ток по спиральному пути (по сравнению со случаем, когда доставляется только постоянный ток).

Наложенный переменный ток может также быть использован в комбинации с любым из предыдущих примеров. Например, комбинация обратного постоянного тока и переменного тока (т.е. когда суммарный ток является синусоидальным током со средним значением, которое противоположно по знаку току катушки, а период меньше постоянной времени магнита) может быть использовано для разгружения катушки с дополнительным нагревом. Альтернативно, переменный ток может быть скомбинирован с постоянным током разгружения, который меньше тока в магните, но протекает в том же направлении (т.е. когда суммарный ток является синусоидальным током со средним значением, которое меньше тока катушки, а период меньше постоянной времени магнита). В качестве дополнительной альтернативы, для разгружения магнита может быть подан чисто переменный ток - это вынудит проходить по радиальному пути ток, равный току магнита, в дополнение к переменному току. В каждом случае, добавление переменного тока приводит в результате к большему току по спиральному пути (и, следовательно, более быстрому разгружению) по сравнению с использованием только постоянного тока.

Удивительной особенностью разгружения частично изолированной катушки, как обсуждалось в вышеприведенных примерах (либо путем отключения PSU, либо путем подачи измененного тока) является то, что межвитковое напряжение катушки остается низким (порядка нескольких вольт, даже для больших катушек) на протяжении всего процесса. Большие изолированные сверхпроводящие катушки требуют усиленной изоляции, которая может выдерживать очень высокие напряжения, но небольшие напряжения, испытываемые частично изолированной катушкой, могут быть эффективно изолированы гораздо более широким множеством материалов (или даже простого вакуумного или воздушного зазора).

Фиг. 11 показывает напряжение на каждой катушке в одном и том же магните, который использован на фиг. 10 (который содержит 6 дисковых катушек с суммарной индуктивностью 0,12 Гн). Пиковые напряжения, которые возникают во время, соответствующее началу глобального нарушения сверхпроводимости (т.е. в конце периода B и начале периода C на фиг. 10), составляют примерно 0,1 В. В отличие от этого, ожидаемое напряжение для эквивалентной изолированной катушки в тех же условиях будет составлять порядка 2 кВ, а ожидаемое напряжение для большой катушки будет составлять по меньшей мере 5 кВ (напряжение может быть вычислено как V=-L dI/dt, где dI/dt является приблизительно током переноса (1,4 кА для исследуемой катушки), деленным на время, затрачиваемое на нарушение сверхпроводимости (0,1 кА для исследуемой катушки)). При частично изолированной катушке катушка может работать с высоким током переноса и индуктивностью без развития особенно высокого напряжения, что является наиболее практичным при работе большой катушки с низкими токами переноса (несколько килоампер по сравнению с типично 50 кА) и высокой индуктивностью (т.е. более высоким числом витков).

Пиковое напряжение, создаваемое между двумя витками частично изолированной катушки во время сброса тока с разомкнутой цепью PSU может быть аппроксимировано как V=I₀R_stab, где I₀ является током переноса, а R_stab является сопротивлением резистивного материала в спиральном пути катушки. Нарушение сверхпроводимости распространяется между катушками за счет взаимной индуктивности, что означает, что пиковое напряжение катушки не превышает пикового напряжения для одиночного витка. Пиковое напряжение не будет превышать 10 В для любой реалистично большой катушки.

Фиг. 14 показывает эквивалентную схему для катушки с 2 витками (и может быть расширена до большего числа витков путем добавления дополнительных катушек последовательно и взаимных индуктивностей между каждой катушкой). На этой фигуре I₀ является током переноса, R_tt является межвитковым сопротивлением (т.е. сопротивлением радиального пути, деленным на число витков), R_stab является сопротивлением резистивного спирального пути, L_turn является индуктивностью каждого витка, а R_HTS является сопротивлением ВТСП в каждом витке (т.е. 0 во время обычной работы и только ненулевым во время нарушения сверхпроводимости или почти нарушения сверхпроводимости). M является взаимной индуктивностью между двумя витками, а K является коэффициентом связи между витками.

Это особенно важно для изоляции катушки, как для изоляции катушки в целом от других компонентов («заземляющая обертка»), так и для конструкций частичной изоляции, которые используют изолирующий материал, имеющий ряд проводящих каналов через него (известна как «допускающая утечку изоляция» и обсуждена более подробно ниже). Низкое напряжение означает, что изоляция не должна быть усиленным материалом, таким как Kapton™ (который используется в традиционных изолированных магнитах), но могут быть использованы более простые материалы, такие как краска, лак или даже бумага, или изолирующий материал может быть заменен воздушным или вакуумным зазором (с подходящими поддерживающими конструкциями, также изоляторами, если требуется).

Изолирующие конструкции могут характеризоваться «напряжением пробоя», выше которого конструкция перестает изолировать, и сопротивление конструкции падает от порядка нескольких мегаОм до порядка нескольких Ом или миллиОм. Для изолированной катушки это напряжение пробоя должно быть по меньшей мере 2 кВ (по меньшей мере 5 кВ для больших катушек, например, с радиусом более 50 см), что серьезно ограничивает материалы, которые могут быть использованы при все еще сохранении изоляции разумно компактной (напряжение пробоя приблизительно пропорционально толщине материала, с константой пропорциональности («диэлектрической постоянной»), зависящей от материала).

Для частично изолированной катушки требуется только напряжение пробоя больше 10 В или около того, что позволит использовать любой материал, который может быть обоснованно назван «изолятором».

Альтернативно, в средах, неблагоприятных для материалов (например, в термоядерном реакторе, где материалы будут подвергаться бомбардировке нейтронами), это обеспечит возможность использования изоляции дольше, прежде чем она разрушится до такой степени, что она больше не будет изолирующей, поскольку бомбардировка нейтронами будет иметь тенденцию вызывать изменения в изоляции, которые будут уменьшать ее диэлектрическую постоянную или привносить физические зазоры.

Пример допускающей утечку изоляции показан на фиг. 12A и B. Металлическая полоса 901 снабжена тонким изолирующим покрытием 902 на по меньшей мере сторонах, обращенных к ВТСП-кабелям, где изолирующее покрытие удалено или отсутствует поверх окон (или «сквозных отверстий») 903 с интервалами на каждой стороне металлической полосы. Окна могут иметь любую форму и могут простираться до кромок ленты. Расположение окон на обеих сторонах металлической полосы является шахматным, как показано на фиг. 12B, что увеличивает сопротивление (по сравнению с неизолированной полосой или с полосой, где окна на каждой стороне были непосредственно напротив друг друга), поскольку ток должен проделывать путь 910 вдоль части длины металлической полосы.

Путем изменения расстояния между окнами так, чтобы они были ближе друг к другу в обратных ветвях («обводах») и дальше друг от друга в сердечнике, может быть достигнута требуемая разница в межвитковом сопротивлении между обратными ветвями и сердечником. Дальнейшая настройка может быть осуществлена путем использования другого металла для металлической полосы в сердечнике по сравнению с обратными ветвями или путем изменения других аспектов геометрии полосы.

Для обеспечения возможности еще более тонкой настройки, вместо сплошной металлической полосы можно использовать слой, имеющий несколько металлических дорожек, фактически формируя изолирующий слой с размещенными в нем проводящими радиальными дорожками, где расстояние между дорожками и их длина определяют сопротивление такого частично изолирующего слоя.

Фиг. 13A-E показывают дополнительный пример слоя допускающей утечку изоляции. Слой допускающей утечку изоляции содержит 5 слоев, которыми представляют собой, по порядку:

- первый металлический соединительный слой 1611;

- первый изолирующий слой 1621;

- электропроводящий слой 1630;

- второй изолирующий слой 1622;

- второй металлический соединительный слой 1612.

Фиг. 13A-C показывают компоновку первого металлического соединительного слоя 1611, электропроводящего слоя 1630 и второго металлического соединительного слоя 1622 соответственно. Фиг. 13D и E являются разрезами по линиям D и E на фиг. 13A-C.

Соединительный слой присутствует, чтобы обеспечить присоединение к ВТСП-кабелям путем низкотемпературной пайки.

В отличие от предыдущего примера, где электропроводящий слой является непрерывной металлической полосой, в этом примере электропроводящий слой разделен на несколько проводящих областей. Эти области бывают двух типов. Квадратные области 1631 (хотя на практике они могут быть любой формы) соединены межслойными соединениями 1606 только с одним из металлических соединительных слоев. Эти области не влияют на электрические свойства частично изолирующего слоя, но обеспечивают путь тепла (тепловой канал) через соответствующий изолирующий слой. Путем изменения размера этих областей и числа соединений между ними и металлическим соединительным слоем независимо от электрических свойств могут быть изменены тепловые свойства частично изолирующего слоя.

Другие области 1632, каждая, соединяют окно 1601 первого изолирующего слоя 1621 с окном 1602 второго изолирующего слоя 1622. Сопротивление между окнами может регулироваться путем изменения геометрии областей 1632, например, когда область 1632 содержит дорожку 1633, которая является вытянутой, как показано на фиг. 13B, увеличение ширины дорожки будет уменьшать сопротивление между окнами, а увеличение длины дорожки (например, за счет обеспечения нелинейной дорожки или за счет перемещения окон) будет увеличивать сопротивление между окнами.

Окна 1601 в первом изолирующем слое образованы просверленными через первый соединительный слой и первый изолирующий слой сквозными отверстиями, которые затем покрывают металлом 1603 (или другим электропроводящим материалом), формируя межслойные соединения между первым соединительным слоем и электропроводящим слоем. Окна 1602 во втором изолирующем слое формируют путем сверления сквозного отверстия 1602 сквозь все слои, которое затем покрывают металлом 1604 (или другим электропроводящим материалом), формируя межслойное соединение. Чтобы предотвращать формирование соединения с первым соединительным слоем через окна 1602 второго изолирующего слоя, первый соединительный слой травят вокруг межслойного соединения 1602, электрически изолируя его, и на конец межслойного соединения 1602 помещают изолирующий колпачок 1605, гарантируя, что замыкание не возникает вследствие пайки или контакта с ВТСП-кабелем.

В качестве альтернативы, окна 1602 могут вместо этого быть просверлены с другой стороны частично изолирующего слоя так, чтобы они проходили сквозь второй соединительный слой, второй изолирующий слой и электропроводящий слой и не проходили сквозь (или не проходили полностью сквозь) первый изолирующий слой. В качестве дополнительной альтернативы, все окна могут быть сформированы из межслойных соединений, которые проходят сквозь все слои, с помощью травления второго соединительного слоя и изолирующего колпачка на втором соединительном слое, используемого для окон 1601 первого изолирующего слоя.

Другим неожиданным преимуществом частично изолированных катушек является то, что дополнительная стабильность нарушения сверхпроводимости обеспечивает возможность большего выбора материалов для несверхпроводящих проводящих элементов в каждом кабеле. В традиционных катушках как стабилизатор ВТСП (т.е. тонкий слой металла или металлической оболочки на каждой ленте), так и любой материал, соединяющий ленты, будет медью, поскольку она имеет очень низкое удельное сопротивление, а материалы с более высоким удельным сопротивлением будут вызывать чрезмерный нагрев. Однако медь также является относительно мягким металлом, так что при высоких давлениях она может выдавливаться из ленты или деформироваться при сдвиговых механических напряжениях, что, вероятно, будет ответственным за повреждение ВТСП-слоев после нарушения сверхпроводимости.

Следовательно, предпочтительно уменьшать или устранять медь из витков катушки и частичной изоляции. Уменьшенное количество меди может составлять, например, менее 10 микрон толщины меди в расчете на каждую ВТСП-ленту в катушке (т.е. уменьшено по сравнению с традиционными ВТСП-лентами) или меньше 5 микрон толщины меди (т.е. менее половины от этого). Металлы или другие электрические проводники, используемые вместо меди, могут иметь одно или более из:

- уменьшенной пластичности по сравнению с медью;

- увеличенного модуля упругости при сдвиге по сравнению с медью;

- увеличенного модуля Юнга по сравнению с медью;

- увеличенного модуля объемной упругости по сравнению с медью;

- увеличенного числа твердости по Бринеллю по сравнению с медью.

Подходящие материалы включают в себя нержавеющую сталь.

Вышеприведенное раскрытие может быть применено к множеству ВТСП-магнитных систем. В дополнение к термоядерному реактору токамак, упомянутому выше в качестве примера, оно может быть применено для ВТСП-катушек в устройствах ядерной магнитно-резонансной томографии (ЯМР/МРТ), манипулирования магнитными устройствами в немагнитной среде посредством магнитных полей (например, роботизированных магнитных навигационных системах для манипулирования медицинскими устройствами внутри пациента) и магнитов для электродвигателей, например, для электронного летательного аппарата. В качестве дополнительного примера, раскрытие может быть применено к устройствам протонно-лучевой терапии (ПЛТ), содержащим ВТСП-магнитные системы, которые включают в себя раскрытые признаки, причем эти ВТСП-магнитные системы используются в ускорителе устройства ПЛТ, четырехполюсных или двухполюсных управляющих магнитах устройства ПЛТ или любом другом магните устройства ПЛТ.

Изобретение относится к магнитной системе с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Система содержит ВТСП-катушку возбуждения и источник питания. ВТСП-катушка возбуждения содержит множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор, а также электропроводящий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через проводящий слой. Источник питания выполнен с возможностью во время нагружения ВТСП-катушки возбуждения подавать первый ток на ВТСП-катушку возбуждения и с возможностью во время разгружения ВТСП-катушки возбуждения подавать второй ток на ВТСП-катушку возбуждения, противоположный по направлению первому току. Техническим результатом является оптимизация управления магнитной системой с высокотемпературным сверхпроводником с возможностью контролируемого разгружения ВТСП-магнитов. 8 н. и 13 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Магнитная система с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), содержащая ВТСП-катушку возбуждения и источник питания, при этом:

ВТСП-катушка возбуждения содержит:

множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор;

электропроводящий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через электропроводящий слой;

источник питания выполнен с возможностью:

во время нагружения ВТСП-катушки возбуждения подавать первый ток на ВТСП-катушку возбуждения;

во время разгружения ВТСП-катушки возбуждения подавать второй ток на ВТСП-катушку возбуждения, противоположный по направлению первому току.

2. Магнитная система с ВТСП по п. 1, содержащая:

систему обнаружения нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью обнаруживать нарушение сверхпроводимости в ВТСП-материале и/или обнаруживать условия, вероятно вызывающие нарушение сверхпроводимости в ВТСП-материале;

при этом источник питания выполнен с возможностью разгружать ВТСП-катушку возбуждения в ответ на обнаружение нарушения сверхпроводимости или условий, вероятно вызывающих нарушение сверхпроводимости, системой обнаружения нарушения сверхпроводимости.

3. Магнитная система с ВТСП по п. 1 или 2, при этом второй ток является постоянным током.

4. Магнитная система с ВТСП по п. 1 или 2, при этом второй ток является комбинацией постоянного и переменного токов, так что ток изменяется синусоидально со средним значением, противоположным по знаку первому току, и периодом меньше постоянной времени ВТСП-катушки возбуждения.

5. Магнитная система с ВТСП по любому предшествующему пункту, при этом источник питания содержит четырехквадрантный блок подачи питания (PSU).

6. Магнитная система с ВТСП по пп. 1, 2 или 3, при этом источник питания содержит одноквадрантный блок подачи питания (PSU) и конденсатор, при этом одноквадрантный PSU выполнен с возможностью подавать первый ток, а конденсатор выполнен с возможностью подавать второй ток.

7. Магнитная система с ВТСП по любому из пп. 1-6, при этом источник питания выполнен с возможностью подавать второй ток до одного из:

обнаружения нарушения сверхпроводимости на предварительно заданном участке ВТСП-катушки возбуждения;

обнаружения конкретной температуры на предварительно заданном участке ВТСП-катушки возбуждения;

обнаружения того, что создаваемое магнитом магнитное поле уменьшилось ниже порогового значения; и

обнаружения того, что ток в ВТСП-материале ВТСП-катушки возбуждения уменьшился ниже порогового значения.

8. Магнитная система с ВТСП по любому предшествующему пункту, при этом источник питания содержит систему обратной связи, выполненную с возможностью управлять подаваемым на магнит током в зависимости от одного или более из:

тока в ВТСП-материале магнита;

температуры ВТСП-катушки возбуждения; и

магнитного поля ВТСП-катушки возбуждения.

9. Магнитная система с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), содержащая ВТСП-катушку возбуждения и источник питания, при этом:

ВТСП-катушка возбуждения содержит:

множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор;

электропроводящий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через электропроводящий слой;

источник питания выполнен с возможностью:

во время нагружения ВТСП-катушки возбуждения подавать первый ток на ВТСП-катушку возбуждения;

во время разгружения ВТСП-катушки возбуждения подавать второй ток на ВТСП-катушку возбуждения, который имеет то же направление, что и первый ток, и меньше тока в ВТСП-материале катушки возбуждения.

10. Магнитная система с ВТСП по п. 9, при этом второй ток является комбинацией постоянного и переменного токов, так что ток изменяется синусоидально со средним значением больше нуля и меньше первого тока и периодом меньше постоянной времени ВТСП-катушки возбуждения.

11. Магнитная система с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), содержащая ВТСП-катушку возбуждения и источник питания, при этом:

ВТСП-катушка возбуждения содержит:

множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор;

электропроводящий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через электропроводящий слой;

источник питания выполнен с возможностью:

подавать постоянный ток на ВТСП-катушку возбуждения; и

подавать переменный ток на ВТСП-катушку возбуждения в дополнение к постоянному току для того, чтобы нагревать катушку возбуждения, причем переменный ток имеет период меньше постоянной времени катушки возбуждения и величину меньше постоянного тока.

12. Токамак, содержащий магнитную систему по любому предшествующему пункту, при этом ВТСП-катушка возбуждения магнитной системы является одной из катушки возбуждения тороидального поля или катушки возбуждения полоидального поля токамака.

13. Устройство протонно-лучевой терапии (ПЛТ), содержащее магнитную систему по любому из пп. 1-10, при этом ВТСП-катушка возбуждения магнитной системы является одной из:

катушки возбуждения ускорителя устройства ПЛТ;

двухполюсного или четырехполюсного магнита системы управления пучком протонов устройства ПЛТ.

14. Способ разгружения катушки возбуждения с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), при этом ВТСП-катушка возбуждения содержит множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор, и электропроводящий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через электропроводящий слой, при этом способ содержит подачу второго тока на ВТСП-катушку возбуждения противоположно первому току, протекающему в ВТСП-материале.

15. Способ по п. 14, при этом второй ток подают в ответ на обнаружение нарушения сверхпроводимости или условий, вероятно вызывающих нарушение сверхпроводимости в ВТСП-катушке возбуждения.

16. Способ по п. 14 или 15, при этом второй ток подают до одного из:

обнаружения нарушения сверхпроводимости на предварительно заданном участке ВТСП-катушки возбуждения;

обнаружения конкретной температуры на предварительно заданном участке ВТСП-катушки возбуждения;

обнаружения того, что создаваемое магнитом магнитное поле уменьшилось ниже порогового значения; и

обнаружения того, что ток в ВТСП-материале ВТСП-катушки возбуждения уменьшился ниже порогового значения.

17. Способ по любому из пп. 14-16, при этом второй ток является комбинацией постоянного и переменного токов, так что ток изменяется синусоидально со средним значением, противоположным по знаку первому току, и периодом меньше постоянной времени ВТСП-катушки возбуждения.

18. Способ разгружения катушки возбуждения с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), при этом ВТСП-катушка возбуждения содержит множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор, и электропроводящий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через электропроводящий слой, причем способ содержит подачу второго тока на ВТСП-катушку возбуждения, который меньше первого тока, протекающего в ВТСП-материале.

19. Способ по п. 18, при этом второй ток является комбинацией постоянного и переменного токов, так что ток изменяется синусоидально со средним значением больше нуля и меньше первого тока и периодом меньше постоянной времени ВТСП-катушки возбуждения.

20. Способ нагрева катушки возбуждения с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), при этом ВТСП-катушка возбуждения содержит множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор, и электропроводящий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через электропроводящий слой, причем способ содержит подачу комбинированного постоянного и переменного тока на ВТСП-катушку возбуждения.

21. Способ по п. 20, при этом постоянный ток равен току в ВТСП-материале ВТСП-катушки возбуждения.