СВЯЗАННАЯ С ВТСП ЧАСТИЧНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ДЛЯ ВТСП-КАТУШЕК ВОЗБУЖДЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК H01F6/06 H01F6/02 H01F27/32 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к ВТСП-катушкам возбуждения.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблема производства термоядерной энергии чрезвычайно сложна. Помимо токамаков предложены многие альтернативные установки, однако же ни одна из них еще не дала никаких результатов, сравнимых с наилучшими эксплуатируемыми в настоящее время токамаками, такими, как JET (термоядерный реактор токамак стран Европейского экономического сообщества).

После начала строительства ITER (Международного термоядерного экспериментального реактора) - самого крупного и самого дорогостоящего (более 15 миллиардов евро) из всех когда либо строившихся токамаков, мировые исследования термоядерного синтеза вошли в новую фазу. Успешный путь к промышленному термоядерному реактору требует стабильной работы с длительным импульсом в сочетании с высокой эффективностью, необходимой для того, чтобы сделать производство электроэнергии экономически выгодным. Эти три условия особенно трудно достижимы одновременно, и запланированная программа потребует многих лет экспериментальных исследований на ITER и других установках термоядерного синтеза, а также теоретических и технологических исследований. Широко распространен прогноз, что промышленный термоядерный реактор, разрабатываемый по этому пути, не будет построен до 2050 г.

Чтобы получить реакции термоядерного синтеза, необходимые для экономически выгодной выработки электроэнергии (т.е. получения отдаваемой мощности, гораздо большей, чем подводимая мощность), традиционный токамак должен быть гигантским (примером чего является ITER), так что время удержания энергии (которое примерно пропорционально объему плазмы) может оказаться достаточно большим, чтобы плазма стала достаточно горячей для прохождения термоядерного синтеза.

В WO 2013/030554 описан альтернативный подход, предусматривающий применение компактного сферического токамака для использования в качестве источника нейтронов или источника энергии. Форма плазмы с низким аспектным отношением в компактном сферическом токамаке увеличивает время удержания частиц и обеспечивает выработку полезной электрической мощности в намного меньшей установке. Вместе с тем, необходима центральная колонна малого диаметра, что вызывает трудности проектирования удерживающего плазму магнита. Перспективная технология для таких магнитов представлена катушками возбуждения с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП-катушками).

Еще одно потенциальное применение ВТСП-катушек возбуждения заключается в установках для протонно-лучевой терапии. Протонно-лучевая терапия (ПЛТ, также известная как протонная терапия) является видом корпускулярной терапии, используемой при лечении раковых заболеваний (и других состояний, которые реагируют на радиотерапию). При ПЛТ к месту лечения (например, опухоли) направляют пучок протонов.

Еще одной - аналогичной - терапией является протон-бор-захватная терапия (ПБЗТ), при которой бор-11 вводят в целевое место и используют пучок протонов для инициирования реакции p+¹¹B → 3α. Тем же аппаратом можно воспользоваться для обеспечения пучков протонов либо для ПЛТ, либо для ПБЗТ.

Пучки протонов для ПЛТ и ПБЗТ генерируются ускорителями частиц, такими, как циклотроны или линейные ускорители. Ускорители, в типичных случаях применяемые для ПЛТ и ПБЗТ, обычно дают протоны с энергиями в диапазоне от 60 до 250 МэВ, при этом наиболее мощная эксплуатируемая в настоящее время установка имеет максимальную энергию 400 МэВ.

Вообще говоря, существуют два типа конструкции установок для ПЛТ, которые позволяют изменять угол пучка. В конструкции первого типа, как изображено на фигуре 1, ускоритель 3001 установлен на гентри 3002, которая позволяет поворачивать его вокруг пациента 3003 (обычно - вокруг горизонтальной оси). Пациента кладут на подвижную кушетку 3004, что обеспечивает дополнительные степени свободы (например, поступательное движение и поворот вокруг вертикальной оси).

Конструкция второго типа изображена на фигуре 2. Ускоритель 4001 неподвижен, а пучок направляют на пациента посредством направляющих магнитов 4002 (в общем случае включающих и квадрупольные, и дипольные магниты), по меньшей мере некоторые из которых находятся на гентри 4003, так что пучок можно поворачивать вокруг пациента 4004 (например, вокруг горизонтальной оси). Пациента кладут на подвижную кушетку 4005.

Любая из этих конструкций требует, чтобы гентри поддерживала электромагниты, способные управлять протонами при энергии пучка, которая может достигать 400 МэВ. Это требует очень сильных магнитных полей, и, по сути, применение ВТСП-катушек возбуждения может значительно снизить массу и размер электромагнитов и гентри, необходимой для их движения. ВТСП-катушки возбуждения можно использовать в ускорителе, квадрупольных магнитах, входящих в состав направляющих магнитов, или дипольных магнитах, входящих в состав направляющих магнитов.

Сверхпроводящее материалы обычно делятся на «высокотемпературные сверхпроводники» (ВТСП) и «низкотемпературные сверхпроводники» (НТСП). Материалы НТСП, такие как Nb и NbTi, представляют собой металлы или сплавы металлов, сверхпроводимость которых можно описать теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Все низкотемпературные сверхпроводники имеют критическую температуру (температуру, выше которой материал не может быть сверхпроводящим даже в нулевом магнитном поле) ниже примерно 30 K. Поведение материала ВТСП не описывается теорией БКШ, и такие материалы могут иметь критические температуры выше примерно 30 K (хотя следует отметить, что именно физические различия в составе и работе в режиме сверхпроводимости, а не критическая температура, определяют материалы ВТСП и НТСП). Наиболее широко применяемыми ВТСП являются «купратные сверхпроводники» - керамика на основе купратов (соединений, содержащих группу оксида меди), такие как BSCCO, или ReBCO (где Re - редкоземельный элемент, обычно Y или Gd). Другие материалы ВТСП включают пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборат магния (MgB₂).

ReBCO обычно изготавливают в виде лент со структурой, показанной на фигуре 3. Такая лента 100 в общем случае имеет толщину приблизительно 100 микрон и включает в себя подложку 101 (обычно - из подвергнутого электрохимической полировке хастеллоя толщиной приблизительно 50 микрон), на которой методом вакуумного осаждения в ассистирующем ионном пучке (IBAD), магнетронного распыления или другим подходящим методом наносят последовательность буферных слоев, известную как «буферный пакет» 102, толщиной приблизительно 0,2 микрона. Поверх буферного пакета расположен эпитаксиальный слой 103 ВТСП-ReBCO (нанесенный методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) или другим подходящим методом), в типичных случаях имеющий толщину 1 микрон. На слое ВТСП распылением или другим подходящим методом нанесен слой 104 серебра толщиной 1-2 микрона, после чего на ленту электролитическим осаждением или другим подходящим методом нанесен слой 105 медного стабилизатора, который зачастую полностью инкапсулирует ленту.

Подложка 101 обеспечивает механическую основу, которую можно подавать по технологической линии и которая 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 слою стабилизатора, а слой 105 стабилизатора обеспечивает альтернативный путь тока в случае, если какая-либо часть ReBCO перестает быть сверхпроводящей (переходит в «нормальное» состояние).

В дополнение, можно изготавливать «отслоенную» ВТСП-ленту, которая не имеет подложки и буферного пакета, а вместо них имеет слои серебра на обеих сторонах слоя ВТСП. Лента, которая имеет подложку, будет именоваться «подложечной» ВТСП-лентой.

ВТСП-ленты можно компоновать в ВТСП-кабели. ВТСП-кабель содержит одну или более ВТСП-лент, которые соединены вдоль своей длины посредством проводящего материала (обычно - меди). ВТСП-ленты можно укладывать одну на другую (т.е. располагать так, что слои ВТСП параллельны), или же они могут иметь некую иную компоновку лент, которая может меняться вдоль длины кабеля. Примечательными особыми случаями ВТСП-кабелей являются одиночные ВТСП-ленты и ВТСП-пары. ВТСП-пары содержат пару ВТСП-лент, расположенных так, что слои ВТСП параллельны. Если используют подложечную ленту, то возможны ВТСП-пары типа 0 (с обращенными друг к другу слоями ВТСП), типа 1 (со слоем ВТСП одной ленты, обращенным к подложке другой) или типа 2 (с обращенными друг к другу подложками). Кабели, содержащие более 2-х лент, могут предусматривать компоновку некоторых или всех лент в ВТСП-парах. Уложенные друг на друга ВТСП-ленты могут иметь различные компоновки ВТСП-пар, чаще всего - либо стопку пар типа 1, либо стопку пар типа 0 и (или, что эквивалентно) пар типа 2. ВТСП-кабели могут содержать сочетание подложечной и отслоенной лент.

При описании катушек в этом документе будут употребляться следующие термины:

«ВТСП-кабель» - кабель, содержащий одну или более ВТСП-лент; в этом определении одиночная ВТСП-лента представляет собой ВТСП-кабель;

«виток» - участок ВТСП-кабеля в катушке, охватывающий внутренность катушки (т.е. виток можно смоделировать как замкнутый контур);

«дуга» - непрерывный отрезок катушки, который меньше, чем вся катушка возбуждения;

«внутренний/внешний радиус» - расстояние от центра катушки до внутренней/внешней поверхности ВТСП-кабелей;

«внутренний/внешний периметр» - расстояние, измеряемое по внутренней/внешней поверхности катушки;

«толщина» - радиальная глубина всех витков катушки, т.е. разность между внутренним и внешним радиусами;

«критический ток» (I_C) - ток, при котором ВТСП становился бы нормальным проводником, при данных температуре и внешнем магнитном поле (причем ВТСП считается «ставшим нормальным» в некоторой характеристической точке перехода в состояние сверхпроводимости, где лента генерирует E₀ вольт на метр; выбор E₀ произволен, но обычно принимают его составляющим 10 или 100 микровольт на метр);

«критическая температура» - температура, при которой ВТСП становился бы нормальным проводником, при данных магнитном поле и токе;

«пиковая критическая температура» - температура, при которой ВТСП становился бы нормальным проводником при условии отсутствия внешнего магнитного поля и при пренебрежимо малом токе.

Вообще говоря, существуют два типа построения ВТСП-катушек возбуждения – путем намотки или путем сборки нескольких секций. Наматываемые катушки, как показано на фигуре 4, изготавливают, обертывая ВТСП-кабель 201 вокруг каркаса 202 непрерывной спиралью. Каркасу придана форма, обеспечивающая требуемый внутренний периметр катушки, и каркас может быть конструктивной частью готовой намотанной катушки или может быть извлечен после намотки. Секционные катушки, как схематически показано на фигуре 5, составлены из нескольких секций 301, каждая из которых может содержать несколько кабелей или предварительно сформированных сборных шин 311 и будет образовывать дугу всей катушки в целом. Секции соединены соединениями 302 с образованием комплектной катушки. Хотя витки катушек на фигурах 2 и 3 для ясности показаны разнесенными, в общем случае будет присутствовать материал, соединяющий витки катушки, например, они могут быть объединены путем заливки эпоксидной смолой.

Катушки могут быть «изолированными» - имеющими электроизолирующий материал между витками катушки, или «неизолированными», и в этом случае витки катушки электрически соединены радиально, а также вдоль кабелей (например, путем соединения слоев медного стабилизатора пайкой или за счет непосредственного контакта). Неизолированные катушки непригодны для создания сильнопольных катушек из-за очень большого времени разгона и склонности к потерям сверхпроводимости (квенчам), проявляющейся в том, что все сечение катушки становится нормально проводящим перед значительной диссипацией энергии из магнита, приводя к тому, что вся энергия магнита сбрасывается в малый объем.

Компромиссным вариантом является «частично изолированная» катушка, где материал между витками имеет сопротивление, промежуточное между сопротивлением традиционного проводника, например, металла, и сопротивлением традиционного изолятора, такого как керамический или органический изолятор, например, имея удельное сопротивление, которое в 100-10¹⁵ раз превышает удельное сопротивление меди или составляет между 10^-6 и 10⁸ Ом∙метр. Частичная изоляция может быть достигнута посредством выбора материалов с надлежащим удельным сопротивлением или посредством обеспечения частично изолирующих конструкций, которые обеспечивают требуемое сопротивление. Такие конструкции подробно описаны в WO 2019/150123 A1, которая включена сюда посредством ссылки.

В простейшем случае, как показано на фигурах 6A и B, частично изолирующая конструкция может быть металлической полосой 601 с изолирующим слоем 602 на каждой стороне, причем каждый изолирующий слой имеет одно или более окон 603, через которые может быть реализован электрический контакт со вторым изолирующим слоем. Смещая окна на каждой стороне полосы и/или изменяя их размер и интервал вдоль полосы, можно управлять эффективным сопротивлением на единицу длины частично изолирующей конструкции (и даже делать его переменным вдоль этой конструкции), меняя путь 610, который ток проходит между окнами. Если такую частично изолирующую конструкцию навивают между витками катушки, в электрическом контакте с ВТСП обоих витков вдоль их длины (например, через их слои металлического стабилизатора), то можно достичь частично изолированной катушки с любым желаемым межвитковым сопротивлением.

В качестве дополнительного примера, показанного на фигурах 7A-C, может быть предусмотрена более сложная конструкция. Эта конструкция содержит 5 слоев в пределах изолирующего тела 701: первый соединительный слой 711 металла; электропроводный слой 730; и второй соединительный слой 712 металла. Первый и второй соединительные слои металла предусмотрены на поверхности изолирующего тела, а электропроводный слой предусмотрен внутри изолирующего тела и электрически соединен с соединительными слоями посредством межсоединений 702. Электропроводный слой разделен на несколько областей, включая дорожки 703, которые обеспечивают токопроводящие пути между двумя соединительными слоями металла через изолирующее тело. Это привносит еще одно средство управления сопротивлением слоя, поскольку ширина и длина каждой «дорожки» будут влиять на сопротивление. Одно преимущество этого заключается в том, что межоконный интервал можно сделать меньшим (т.е. сглаживая сопротивление частично изолирующего слоя), при этом компенсируя потерю сопротивления наращиванием длины дорожек и/или сокращением их ширины.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с первым аспектом предложена высокотемпературная сверхпроводящая, ВТСП, катушка возбуждения. ВТСП-катушка возбуждения содержит множество витков, содержащих материал ВТСП и металлический стабилизатор, и частично изолирующий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через частично изолирующий слой. Частично изолирующий слой содержит изолирующую область и множество электропроводных путей через изолирующую область, при этом ток может распределяться между витками по электропроводным путям. Каждый электропроводный путь содержит ВТСП-мостик, содержащий материал ВТСП, причем ВТСП-мостик расположен последовательно с нормально проводящим материалом электропроводного пути.

Дополнительные варианты осуществления охарактеризованы в пункте 2 и последующих пунктах формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фигуре 1 изображена первая установка для ПЛТ;

на фигуре 2 изображена вторая установка для ПЛТ;

на фигуре 3 изображена структура ленты с ReBCO;

на фигуре 4 представлено схематическое изображение намотанной катушки;

на фигуре 5 представлено схематическое изображение секционной катушки;

на фигурах 6A и 6B показан частично изолирующий слой по WO 2019/150123 A1;

на фигурах 7A-7C показан альтернативный частично изолирующий слой по WO 2019/150123 A1;

на фигуре 8 показаны результаты моделирования для частично изолированной катушки тороидального поля (ТП) во время квенча;

на фигуре 9 представлено сечение на виде сбоку примерного частично изолирующего слоя;

на фигуре 10 представлено изображение дополнительного примерного частично изолирующего слоя;

на фигурах 11A, B, C, D и E изображен еще один дополнительный примерный частично изолирующий слой;

на фигуре 12 представлена принципиальная электрическая схема обобщенного примерного частично изолирующего слоя.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Хотя такие частично изолирующие конструкции, как описанные в разделе «Предпосылки изобретения», пригодны для большинства катушек, было обнаружено, что в тех катушках, где некоторые части катушки работают при более высоком отношении I/I_C, чем другие, по-прежнему может возникать локализованное «горячее пятно». Это горячее пятно возникает не в том месте, где изначально начался квенч, а вместо этого – в части катушки с наибольшим отношением I/I_C. Чтобы объяснить, почему это происходит, полезно сначала объяснить, что происходит во время квенча в частично изолированной катушке возбуждения.

На фигуре 8 показаны результаты моделирования для одиночной частично изолированной D-образной катушки ТП во время квенча. В верхней части фигуры показан (локальный) средний ток ленты в катушке на серии временных промежутков (слева направо, начиная с того момента времени, когда часть катушки становится нормальной), а в нижней части фигуры показана температура в катушке на той же серии временных промежутков. Когда часть одного витка катушки возбуждения становится нормальной (или близкой к нормальной), ток в этом витке быстро упадет до нуля – 801 – поскольку току становится более выгодно проходить по радиальному пути и обходить такой виток (за счет частичной изоляции), чем по спиральному пути (через ВТСП) витка. Это имеет два эффекта: во-первых, температура одного витка и соседних витков начнет расти – 802 – из-за резистивного нагрева от радиального пути, а, во вторых, ток в остальных витках увеличится – 803 – из-за индуктивности катушки, противодействующей изменению магнитного поля. В симметричной катушке увеличение температуры будет исходить от одного витка, заставляя соседние витки становиться нормальными, вследствие чего произойдет увеличение тока на радиальном пути, вызывая дальнейший нагрев, пока вся катушка не станет нормальной. Этот процесс происходит быстро и приведет к практически равномерному рассеянию запасенной энергии по катушке возбуждения.

Однако в асимметричной катушке, т.е. катушке, где отношение I/I_C меняется в разных частях катушки возбуждения, равномерное перераспределение тока и изначально равномерный нагрев катушки возбуждения не вызовут равномерный нагрев катушки по мере того, как она полностью теряет сверхпроводимость. Причина этого заключается в том, что области с меньшим отношением I/I_C, например, центральная колонна 810, будут терять сверхпроводимость раньше областей с более высоким отношением I/I_C, просто потому, что такие области не могут удерживать столь большой ток перед генерированием значительного сопротивления (а значит, и тепла). По сути, области с меньшим отношением I/I_C будут быстрее становиться нормальными, в итоге достигая момента, когда все сечение катушки является резистивным. На этой стадии, аналогично предыдущему описанию квенча в неизолированной катушке возбуждения, резистивная секция катушки будет быстро нагреваться - 804, а ток на спиральном пути станет быстро снижаться - 805, поскольку ток на спиральном пути сбрасывается в резистивную секцию и резистивный радиальный путь. Это вызывает гораздо большее увеличение температуры в области с меньшим отношением I/I_С, чем увеличение температуры остальной части катушки, что потенциально приводит к причинению повреждения катушке в этой секции.

Простыми путями решения таких проблем было бы проектирование катушек таким образом, что I/I_С является практически постоянным по катушке (например, за счет изменения числа ВТСП-лент в разных точках в катушке) или обеспечение дополнительного охлаждения областей с низким I/I_С. Однако во многих применениях такие области возникают из-за недостаточного пространства для большего количества ВТСП-лент или большего охлаждения в этой области ВТСП-катушки (или там, где увеличение требуемого пространства приводило бы к неприемлемым компромиссам). Одним примером является центральная колонна сферического токамака, причем есть стремление сделать диаметр центральной колонны как можно меньшим, поскольку это увеличивает эффективность токамака, и к занятию большей доли центральной колонны частями катушек тороидального поля.

Учитывая преимущества частично изолированных ВТСП-катушек и, в частности, частично изолированных ВТСП-катушек с частично изолирующими слоями, как описано ранее, есть необходимость найти решение проблемы неравномерной потери сверхпроводимости без значительного увеличения толщины ВТСП-катушек (по сравнению с эквивалентной катушкой с частично изолирующим слоем, описанной в разделе «Предпосылки изобретения»).

Этого можно достичь, предусматривая ВТСП-элементы в пределах частично изолирующего слоя, так что имеется ВТСП-элемент, расположенный последовательно с по меньшей мере некоторой долей проводящих путей через частично изолирующий слой. ВТСП-элементы действуют как ограничители тока для радиального пути, поэтому в тех областях, где катушка быстрее становится нормальной, ток, который можно шунтировать по радиальному пути, ограничен (потому что ВТСП-элементы также быстрее становятся нормальными, увеличивая локальное сопротивление частично изолирующего слоя). Это означает, что больший ток будет шунтироваться по радиальному пути в тех областях катушки, которые медленнее становятся нормальными, что увеличит нагрев в этих областях и, следовательно, выровняет скорость потери сверхпроводимости по катушке. В свою очередь, это снизит температуру любого горячего пятна, находящегося в области с высоким I/I_С, так как больше энергии будет сбрасываться в другом месте катушки.

На фигуре 9 показан вид сбоку в разрезе примерного частично изолирующего слоя 900, который содержит изолирующее тело 901 (обычно в виде длинной полосы, предназначенной для намотки совместно с ВТСП-витками, простирающейся влево и вправо, как показано на фигуре), соединительные слои 902 металла и ВТСП-мостики 903. ВТСП-мостики разнесены вдоль изолирующего тела (в этом примере – равномерно, хотя они могут быть разнесены ближе друг к другу в некоторых областях, чем в других) и обеспечивают электрическое соединение между соединительными слоями металла. Как описано выше, ВТСП-мостики будут эффективно действовать в качестве ограничителей тока, поскольку их сопротивление будет быстро увеличиваться по мере достижения радиальным током их критического тока. Критический ток ВТСП-мостиков будет зависеть от внутренних факторов, таких как свойства материала ВТСП и размеры материала ВТСП (в частности, его ширина), и от внешних факторов, таких как локальная температура, локальное магнитное поле и деформация. Определение требуемого критического тока во время работы катушки, содержащей частично изолирующий слой, можно осуществить посредством моделирования, как это принято в данной области техники.

Когда радиальный ток, приходящийся на один ВТСП-мостик, превышает критический ток ВТСП-мостика, ВТСП-мостик станет нормальным, с высоким сопротивлением. По-прежнему возможен путь с умеренным сопротивлением (например, по какому-либо покрытию или подложке ВТСП, по нормально проводящим дорожкам, обеспечиваемым через изолирующее тело, или по другим маршрутам, например, через припой, если катушка залита припоем), а общим эффектом будет значительное увеличение сопротивления частично изолирующего слоя в той области, где ВТСП-мостики стали нормальными. Это отклонит ток в другие части частично изолирующего слоя, обладающие более низким сопротивлением (вызывая больший нагрев в этих частях). Когда токи приблизятся к критическому току, но не превысят его, сопротивление ВТСП-мостиков увеличится по мере увеличения тока. По сути, для частично изолированной катушки с неравномерно построенным частично изолирующим слоем, перераспределение тока продемонстрирует склонность к равновесию, когда радиальный и критический токи ВТСП-мостиков окажутся одинаковыми по катушке. Это происходит потому, что области с более высоким критическим током будут иметь более низкое сопротивление, что вызывает протекание большего тока через эти области, что обуславливает дополнительный нагрев, который понижает критический ток ВТСП-мостиков.

Если часть катушки нагревается (например, из-за высокого отношения I/I_C на спиральном пути этой части катушки, вызывая горячее пятно, как описано выше), то это снизит критический ток ВТСП-мостиков в этой области, приводя к отклонению радиального тока в другие части катушки и, в свою очередь, вызывая их нагрев. По сути, те же эффекты, которые вызывают выравнивание I/I_C в ВТСП-мостиках, также вызовут выравнивание нагрева в ВТСП-витках, когда катушка возбуждения теряет сверхпроводимость, а значит - и более равномерно распределение энергии, сбрасываемой во время квенча.

На фигуре 10 показан примерный частично изолирующий слой, в состав которого введены ВТСП-мостики в конструкцию, аналогичную той, что показана на фигурах 6A и 6B. Как и в случае с фигурой 6B, частично изолирующий слой включает в себя металлическую полосу 1001, имеющую изолирующий слой 1002 на каждой стороне, и множество окон на каждой стороне изолирующего слоя, причем окна смещены друг от друга, обеспечивая путь 1010 тока через частично изолирующий слой. В этом случае частично изолирующий слой также содержит ВТСП-мостики 1003 в пределах окон на одной стороне и соединительные элементы 1004 в пределах окон на другой стороне, соединяющие металлическую полосу с соединительными слоями 1005.

На фигурах 11A-E показан примерный частично изолирующий слой, в состав которого введены ВТСП-мостики в конструкцию, аналогичную той, что показана на фигурах 7A-7C. Такой слой с «протекающей» изоляцией содержит 5 слоев, которые представляют собой, в следующем порядке:

первый соединительный слой 1111 металла;

первый изолирующий слой 1121;

электропроводный слой 1130;

второй изолирующий слой 1122;

второй соединительный слой 1112 металла.

На фигурах 11A-C показана компоновка первого соединительного слоя 1111 металла, электропроводного слоя 1130 и второго соединительного слоя 1122 металла соответственно. На фигурах 11D и E представлены разрезы по линиям D и E на фигурах 11A-C.

Соединительные слои присутствуют для облегчения подсоединения к ВТСП-кабелям посредством пайки. В этом и предыдущих примерах они могут быть исключены или могут содержать несколько меньших областей, которые обеспечивают установление электрического контакта с электрическими соединениями через частично изолирующий слой.

Электропроводный слой разделен на несколько проводящих областей. Эти области подразделяются на два типа. Квадратные области 1131 (хотя на практике они могут быть любой формы) соединены межсоединениями 1106 только с одним из соединительных слоев металла. Эти области не влияют на электрические свойства частично изолирующего слоя, а обеспечивают тепловой путь через соответственный изолирующий слой. Изменяя размер этих областей и число соединений между ними и соединительным слоем металла, можно изменять тепловые свойства частично изолирующего слоя независимо от его электрических свойств.

Каждая из других областей 1132 соединяет окно 1101 первого изолирующего слоя 1121 с окном 1102 второго изолирующего слоя 1122. Каждая из областей 1132 содержит ВТСП-мостик 1107, который соединен последовательно с остальной частью этой области. Сопротивлением между окнами, когда ВТСП является сверхпроводящим, можно управлять, изменяя геометрию областей, например - там, где область 1132 содержит дорожку 1133, которая является удлиненной, как показано на фигуре 11B, при этом увеличение ширины дорожки снизило бы сопротивление между окнами, а увеличение длины дорожки (например, за счет обеспечения нелинейной дорожки или перемещения окон) увеличило бы сопротивление между окнами. Радиальным током, при котором ВТСП перестанет быть сверхпроводящим, можно управлять, изменяя используемый материал ВТСП (например, другие составы или поставщики ReBCO будут в общем случае приводить к другим критическим токам) и/или изменяя размеры (в частности, ширину) ВТСП-мостика, хотя критический ток также будет зависеть от внешних факторов, таких как температура и магнитное поле. Как говорилось ранее, требуемое расположение ВТСП можно определить посредством моделирования, как это принято в проектировании ВТСП-магнитов.

Окна 1101 в первом изолирующем слое образованы просверленными сквозь первый соединительный слой и первый изолирующий слой переходными отверстиями, которые затем покрыты металлом 1103 (или другим электропроводным материалом), чтобы соединить первый соединительный слой и электропроводный слой. Окна 1102 во втором изолирующем слое образованы сверлением переходного отверстия 1102 сквозь все слои, которое затем покрыто металлом 1104 (или другим электропроводным материалом). Чтобы предотвратить формирование соединения с первым соединительным слоем через окна 1102 второго изолирующего слоя, первый соединительный слой стравливают вокруг переходного отверстия 1102, электрически изолируя его, а на конце переходного отверстия 1102 размещают изолирующий колпачок 1105, чтобы гарантировать, что не произойдет шунтирование из-за пайки или контакта с ВТСП-кабелем.

В качестве альтернативы, окна 1102 могут вместо этого быть просверлены с другой стороны частично изолирующего слоя, так что они проходят сквозь второй соединительный слой, второй изолирующий слой и электропроводный слой и не проходят сквозь (или не проходят полностью сквозь) первый изолирующий слой. В качестве дополнительной альтернативы, все окна могут быть образованы из переходных отверстий, которые проходят сквозь все слои, с травлением второго соединительного слоя и изолирующего колпачка на втором соединительном слое, используемых для окон 1101 первого изолирующего слоя.

Как и в предыдущих примерах, некоторые из электрических соединений 1108 через частично изолирующий слой могут не содержать ВТСП-мостиков (т.е. могут быть по существу такими же, как дорожки 703 по фигуре 7B) в целях дополнительного управления верхним пределом сопротивления частично изолирующего слоя, когда ВТСП утратил сверхпроводимость.

На фигуре 12 показана принципиальная электрическая схема обобщенного частично изолирующего слоя, вышеизложенное описание которого обеспечивает конкретные примеры. ВТСП-катушки 1201 соединены двумя наборами сопротивлений. Первый набор – это переменное сопротивление R_ВТСП, соединенное последовательно с сопротивлением R₁. Переменное сопротивление R_ВТСП представляет собой сопротивление ВТСП-мостика и будет зависеть от соотношения I/I_C критического тока ВТСП (т.е. будет очень низким, когда I/I_C меньше, чем примерно 0,8, увеличивающимся для большего I/I_С и очень высоким, когда I/I_C больше 1). R₁ представляет собой сопротивление других проводящих элементов, расположенных последовательно с ВТСП-мостиком.

Второй набор сопротивлений – это сопротивление R₂, которое представляет собой сопротивление путей тока, идущих в обход ВТСП. Это может включать в себя прохождение тока через любые покрытие или подложку ВТСП-мостика (и через любые компоненты, расположенные последовательно с ним), или пути тока, которые проходят через другие электрические соединения сквозь частично изолирующий слой и которые не содержат ВТСП, например, соединение 1108 на фигуре 11B.

Хотя выше приведены различные примеры изоляции в пределах частично изолирующего слоя (например, изолирующего слоя, как на фигуре 10, изолирующего тела, как на фигуре 6B, или изолирующих слоев, как на фигуре 11), следует понимать, что объединенный замысел этих примеров – это частично изолирующий слой, имеющий «изолирующую область», через которую предусмотрено множество проводящих путей. Это может также включать другие примеры, не описанные здесь подробно, например, вакуумные или газовые промежутки (зазоры) в пределах частично изолирующего слоя, или промежутки в частично изолирующем слое, которые впоследствии заполнены эпоксидной смолой (например, когда катушку заливают эпоксидной смолой).

Частично изолирующий слой внедрен в ВТСП-катушку возбуждения таким образом, что он позволяет току распределяться радиально между витками. Например, в намотанной катушке возбуждения частично изолирующий слой может быть намотан совместно с кабелями, а в секционной катушке возбуждения секции могут быть построены из чередующихся слоев частично изолирующих слоев и ВТСП-кабеля (или других токонесущих ВТСП-узлов). Внешние электрические соединения частично изолирующего слоя (например, соединительные слои металла или концы проводящих путей) могут быть соединены с витками посредством припоя, с помощью простого контакта или любым других подходящим способом.

В секционной катушке частично изолирующий слой может продолжаться или не продолжаться в пределах стыков между секциями, т.е. частично изолирующий слой может простираться на всем протяжении до конца секции (для сопряжения с соответствующим слоем еще одной секции на стыке), причем стык может содержать изолированную область, которая предотвращает обход током частично изолирующего слоя в пределах стыка, или же стык может иметь проводник, который позволяет току обходить частично изолирующий слой в пределах стыка.

ВТСП-мостики могут быть распределены по всей катушке возбуждения, или могут быть использованы только в области с высоким значением I/I_C во время нормальной работы магнита (с нормально проводящими путями тока через частичную изоляцию, обеспеченную снаружи этих областей).

ВТСП-мостики могут быть выполнены из материала ВТСП, аналогичного катушкам магнита, или могут быть выполнены из материала ВТСП, имеющего пониженный критический ток и/или повышенную критическую температуру. Наличие ВТСП-мостиков с пониженным критическим током и/или повышенной критической температурой позволяет управлять характеристиками ВТСП-мостиков, в частности, тем, как быстро они станут нормально проводящими, когда это потребуется. Изменение критического тока может быть достигнуто за счет обеспечения ВТСП-мостиков с пониженным сечением ВТСП, например, с пониженной шириной по сравнению с материалом ВТСП, используемым в катушках магнита, за счет обеспечения ВТСП-мостиков, выполненных из материала ВТСП с полосчатостями или иным изменением количества и/или распределения материала ВТСП по сравнению с катушками магнита, или за счет обеспечения ВТСП-мостиков, выполненных из материала ВТСП с изначально более низким критическим током, приходящимся на единицу объема. Изменения критической температуры можно достичь, предусматривая ВТСП-мостики, выполненные из материала ВТСП с изначально более высокой критической температурой, или управляя уровнем оксигенации содержащего материала ВТСП ReBCO, используемого в ВТСП-мостиках, поскольку уровень оксигенации ReBCO непосредственно связан с критической температурой.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в уменьшении неравномерной потери сверхпроводимости без значительного увеличения толщины ВТСП-катушек. Высокотемпературная сверхпроводящая, ВТСП, катушка возбуждения содержит множество витков, содержащих материал ВТСП и металлический стабилизатор, и частично изолирующий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через частично изолирующий слой. Частично изолирующий слой содержит изолирующую область и множество электропроводных путей через изолирующую область, при этом ток может распределяться между витками по электропроводным путям. Каждый электропроводный путь содержит ВТСП-мостик, содержащий материал ВТСП, причем ВТСП-мостик расположен последовательно с нормально проводящим материалом электропроводного пути. 5 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Высокотемпературная сверхпроводящая, ВТСП, катушка возбуждения, содержащая:

множество витков, содержащих материал ВТСП и металлический стабилизатор;

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

причем частично изолирующий слой содержит:

изолирующую область;

множество электропроводных путей через изолирующую область, при этом ток может распределяться между витками по электропроводным путям;

при этом каждый электропроводный путь содержит ВТСП-мостик, содержащий материал ВТСП, причем ВТСП-мостик расположен последовательно с нормально проводящим материалом электропроводного пути.

2. ВТСП-катушка возбуждения по п. 1, в которой каждый ВТСП-мостик содержит металлический стабилизатор и/или подложку, соединенные с материалом ВТСП и подключенные параллельно с материалом ВТСП.

3. ВТСП-катушка возбуждения по любому предыдущему пункту, в которой электропроводные пути равномерно разнесены вдоль частично изолирующего слоя.

4. ВТСП-катушка возбуждения по любому предыдущему пункту, в которой частично изолирующий слой дополнительно содержит множество дополнительных электропроводных путей через изолятор, при этом ток может также распределяться между витками по дополнительным электропроводным путям, причем дополнительные электропроводные пути не содержат материала ВТСП.

5. ВТСП-катушка возбуждения по п. 4, в которой электропроводные пути, содержащие ВТСП-мостики, предусмотрены в пределах первой области катушки возбуждения, а дополнительные электропроводные пути предусмотрены по меньшей мере за пределами первой области, причем первая область катушки возбуждения представляет собой ту область, где соотношение I/I_С между рабочим током катушки возбуждения и критическим током каждого витка катушки возбуждения во время работы магнита является более низким, чем упомянутое соотношение вне первой области.

6. ВТСП-катушка возбуждения по любому предыдущему пункту, в которой материал ВТСП ВТСП-мостиков имеет более низкий критический ток и/или более высокую критическую температуру, чем материал ВТСП множества витков.