传输电流饱和的HTS磁体制造技术

一种高温超导HTS磁体系统。HTS磁体系统包括HTS磁场线圈、温度控制系统、电源和控制器。HTS磁场线圈包括多个匝，该多匝包括HTS材料；以及电阻材料，将匝电连接使得可以经由电阻材料在各匝之间径向地共享电流。温度控制系统被配置为控制线圈的温度，所述温度控制系统至少包括低温冷却系统，该低温冷却系统被配置为将线圈保持在HTS材料的自场临界温度以下。电源被配置为向HTS磁场线圈提供电流。控制器被配置为使电源提供大于所有HTS材料的临界电流的电流。电流。电流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】传输电流饱和的HTS磁体


[0001]本专利技术涉及高温超导HTS磁体。具体地，本专利技术涉及运行这种磁体的方法、以及实施这些方法的磁体。

技术介绍

[0002]超导材料通常分为“高温超导体”(HTS)和“低温超导体”(LTS)。诸如Nb和NbTi的LTS材料，是超导性可以用BCS理论描述的金属或金属合金。所有低温超导体的自场临界温度(即使在零外磁场下材料也不能超导的温度)低于约30K。BCS理论并未描述HTS材料的行为，但此类材料的自场临界温度可能约30K以上(尽管应该注意，组成和超导运行的物理差异而不是自场临界温度，定义HTS和LTS材料)。最常用的HTS是“铜酸盐超导体”——基于铜酸盐(包含氧化铜基团的化合物)的陶瓷，例如BSCCO或ReBCO(其中Re是稀土元素，通常是Y或Gd)。其他HTS材料包括铁磷族元素化物(例如FeAs和FeSe)和二硼酸镁(MgB2)。
[0003]ReBCO通常被制造为条带，其结构如图1所示。这种条带100通常约100微米厚，并且包括基板101(通常是约50微米厚的电抛光哈氏合金)，一系列缓冲层通过IBAD、磁控溅射或其他合适的技术沉积在该基板101上，该一系列缓冲层称为缓冲堆叠102，厚度约0.2微米。外延ReBCO
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HTS层103(通过MOCVD或其他合适的技术沉积)覆盖缓冲堆叠，并且通常是1微米厚。1
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2微米的银层104通过溅射或其他合适的技术沉积在HTS层上，并且铜稳定剂层105通过电镀或其他合适的技术沉积在条带上，铜稳定剂层105通常完全封装条带。
[0004]基板101提供了机械主干，该机械主干可以通过生产线进料并允许后续层的生长。缓冲堆叠102需要提供双轴织构晶体模板，在其上生长HTS层，并防止元素从基板化学扩散到HTS，该化学扩散会损害其超导特性。银层104需要提供从ReBCO到稳定剂层的低电阻界面，并且稳定剂层105在ReBCO的任何部分停止超导(进入“正常”状态)的情况下提供替代的电流路径。
[0005]此外，可以制造“剥离”HTS条带，该“剥离”HTS条带缺少基板和缓冲堆叠而在HTS层的两侧都有银层。具有基板的条带将被称为“基板”HTS条带。
[0006]HTS条带可以布置在HTS电缆中。HTS电缆包括一个或多个HTS条带，经由导电材料(通常为铜)沿其长度连接这些条带。HTS条带可以被堆叠(即布置成使得HTS层平行)，或者它们可以具有一些其他的条带布置，该条带布置可以沿着电缆的长度变化。HTS电缆的显著特例是单个HTS条带和HTS对。HTS对包括一对HTS条带，布置成使得HTS层平行。在使用基板条带的地方，HTS对可以是0型(HTS层彼此面对)、1型(一个条带的HTS层面对另一个条带的基板)或2型(基板彼此面对)。包括超过2个条带的电缆可以将部分或全部条带布置成HTS对。堆叠的HTS条带可以包括各种布置的HTS对，最常见的是一堆1型对或一堆0型对(和或，等效地，2型对)。HTS电缆可以包括基板条带和剥离条带的混合。
[0007]超导磁体通过以下方式形成：将HTS电缆(或单独的HTS条带，出于本说明的目的可被视为单条带电缆)通过缠绕HTS电缆或通过提供由HTS电缆制成的线圈的部分，并将它们连接在一起布置成线圈。HTS线圈分为三大类：
[0008]绝缘的，在匝之间具有电绝缘材料(使得电流只能在“螺旋路径”中通过HTS电缆流动)。
[0009]非绝缘的，其中将各匝径向地电连接，以及沿电缆将匝电连接
[0010]部分绝缘的，其中通过使用具有高电阻(例如与铜相比)的材料或通过在线圈之间提供间歇绝缘，将匝径向连接到受控电阻。
[0011]非绝缘线圈也可以被视为部分绝缘线圈的低电阻情况。
[0012]在以下讨论中，磁体被定义为包括多个串联连接的HTS线圈。线圈之间会有电阻接头。线圈本身可能是完全超导的，或者如果由包括多段串联和并联的单独HTS条带的电缆构成，它们的电阻可能很小但非零。磁体因此将具有电感L，该电感L由其几何形状、存储的能量和匝数、以及剩余电阻R定义。因此，磁体的特征充电时间常数是L/R。
[0013]由于电流可以通过两条路径，要么围绕螺旋高电感路径，要么通过径向低电感路径，非绝缘或部分绝缘的HTS磁体通电或充电比为完全绝缘的线圈通电更复杂。当线圈完全超导时，螺旋路径的电阻可以忽略不计，而径向路径是有电阻的。通电期间(即：通过从电源向端子施加电压以驱动传输电流来使线圈倾斜)，感应电压将驱动电源电流中的一些进入径向路径，该感应电压通过改变螺旋路径中的电流而产生。电流的精确分流可以如本领域已知的那样计算。如果增加斜率，更多的电流流过径向路径，导致产生更多的热量。在大型线圈中，最大斜率将由可用的冷却电力设置，即：在倾斜期间由径向电流流动引起的加热不能导致线圈的温度升高太多以至于变成非超导。
[0014]倾斜后，电源电压下降到仅驱动电流通过磁体的螺旋路径的残余电阻所需的水平。然后磁体进入“稳定阶段”，在此期间磁体维持工作电流足够长的时间以使磁场稳定。
[0015]磁场中的不稳定性源自磁体中感应的寄生电流(除了期望的传输电流之外)，该寄生电流每个都对磁体的磁场有贡献。这些电流分为三种类型：
[0016]“涡流”，这是在非超导(“正常”)组件中感应出的闭环电流。
[0017]“耦合电流”，这是在附近的超导组件中感应出的闭环电流，该超导组件通过正常介质连接——这些电流沿着一个超导元件流动，通过正常介质，然后沿着其他超导元件流动，并返回正常介质以完成循环。
[0018]“屏蔽电流”，也称为“磁滞电流”，它是只在超导材料中流动的闭环电流。
[0019]短语“闭环电流”是指电流完全在指定材料内流动，并且不会在电源或电流引线处开始或终止。
[0020]在“稳态”应用中，由于他们穿过的材料的电阻，磁体的磁场不会快速变化，涡流和耦合电流将快速衰减(指数地，时间常数量级为几秒)。然而，屏蔽电流将无限期地持续存在，并且在长时间内发生变化(时间常数量级为几分钟、几小时甚至几个月)。屏蔽电流还取决于磁体的斜升历史——这是指快速提升的磁体对缓慢提升的同一个磁体将具有不同的屏蔽电流(因此不同的磁场质量)，并且被配置为产生从零电流状态上升的5T的磁体对从先前稳定的3T状态上升的同一个磁体将具有不同的磁场质量。
[0021]因此，由超导磁体产生的磁场取决于其先前的倾斜历史。通过将磁体温度升高到超导转变温度以上，可以将磁体重置为没有屏蔽电流的原始状态。
[0022]由于超导丝的大尺寸允许形成更大的屏蔽电流，屏蔽电流的影响在使用ReBCO或BSCCO条带的HTS磁体中特别明显。由屏蔽电流产生的污染磁场“屏蔽磁场”是现有HTS条带
和线圈技术在需要高磁场均匀性和稳定性的应用中应用的一个严重问题，例如核磁共振(NMR)和磁共振成像(MRI)。
[0023]有多种方法可以减小屏蔽电流的影响。第一种是以振荡的方式使磁体上下倾斜，幅度减小。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种高温超导HTS磁体系统，包括：HTS磁场线圈，包括：多个匝，包括HTS材料；电阻材料，将匝电连接，使得能够经由所述电阻材料在所述各匝之间径向地共享电流；温度控制系统，被配置为控制所述线圈的温度，所述温度控制系统至少包括低温冷却系统，所述低温冷却系统被配置为将所述线圈保持在所述HTS材料的自场临界温度以下；电源，被配置为向所述HTS磁场线圈提供电流；控制器，被配置为：使所述电源提供比所有HTS材料的临界电流大的电流。2.根据权利要求1所述的HTS磁体系统，包括：传感器，被配置为测量所述线圈的温度和/或由所述线圈产生的磁场；其中，所述控制器还被配置为通过以下方式调节所述线圈的磁场强度：监测来自所述传感器的读数以便确定所述线圈的磁场强度；使所述温度控制系统，在所述线圈的所测量的磁场强度小于所述线圈的期望的磁场强度的情况下降低所述线圈的温度，以及在所述线圈的所测量的磁场强度大于所述线圈的期望的磁场强度的情况下升高所述线圈的温度。3.根据权利要求2所述的HTS磁体系统，其中，所述温度控制系统包括所述电源，并且被配置为：通过增大提供给所述HTS磁场线圈的电流来增大所述HTS磁场线圈的温度，以及通过减小提供给所述HTS磁场线圈的电流来减小所述HTS磁场线圈的温度，使得提供的电流维持大于所有HTS材料的临界电流。4.根据权利要求2或3所述的HTS磁体系统，其中所述温度控制系统包括与所述HTS磁场线圈热接触的加热器。5.一种运行高温超导HTS磁场线圈的方法，所述HTS磁场线圈包括多个匝、以及将匝电连接的电阻材料，使得能够经由所述电阻材料在各匝之间径向地共享电流，其中，所述多个匝包括HTS材料；所述方法包括：向所述HTS磁场线圈提供电流，使得所述HTS磁场线圈的传输电流大于所有HTS材料的临界电流；控制所述HTS磁场线圈的温度。6.根据权利要求6所述的方法，还包括：监测以下项之一：所述HTS磁场线圈的温度；由所述HTS磁场线圈产生的磁场；通过以下方式控制所述HTS磁场线圈的磁场强度：根据所述监测的结果来确定所述线圈的磁场强度；当所测量的磁场强度小于所述HTS线圈的期望的磁场强度时，降低所述线圈的温度；当所测量的磁场强度大于所述HTS线圈的期望的磁场强度时，增大所述线圈的温度。7.根据权利要求6所述的方法，其中，增大所述HTS磁场线圈的温度包括以下操作中的一项或多项：增大提供给加热器的电力，所述加热器与所述HTS磁场线圈热接触；
减小由所述HTS磁场线圈的冷却系统提供的冷却；以及增大提供给所述HTS磁场线圈的电流。8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，减小所述HTS磁场线圈的温度包括以下操作中的一项或多项：减小提供给加热器的电力，所述加热器与所述HTS磁场线圈热接触；增大由所述HTS磁场线圈的冷却系统提供的冷却；以及减小提供给所述HTS磁场线圈的电流，使得所述电流在所有HTS材料中维持大于所述HTS材料的临界电流。9.一种HTS磁体系统，包括：HTS磁场线圈，包括：多匝HTS材料，由电阻材料分开，所述电阻材料足够地导电以允许在各匝之间径向地共享电流；温度控制系统，包括冷却系统，所述冷却系统被配置为将所述HTS磁场线圈的温度保持在所述HTS材料的自场临界温度以下；电源，被配置为向所述HTS磁场线圈提供电流；以及控制器，被配置为：使所述电源提供足够高的电流以使所述线圈中的HTS材料饱和，使得所述HTS材料全部以所述HTS材料的临界电流运行；通过增大由所述电源提供的电流来减小由HTS磁场线圈产生的磁场，以及通过减小由所述电源提供的电流来增大由所述HTS磁场线圈产生...

【专利技术属性】
技术研发人员：格雷格，
申请(专利权)人：托卡马克能量有限公司，
类型：发明
国别省市：