高温超导体的磁通泵及由其驱动的超导电磁铁制造技术

整流器型高温超导体磁通泵（２）具有借助一个加热器（４８）、尤其是利用触发脉冲Ｄ’和整流周期内的自稳定进行控制（２５）的开关（１５，１６；１１５，１１６）。所述磁通泵（２）和电磁铁（１１１）的超导线圈（１１）一起设置在一个共用的低温恒温器（１００）的壳体内。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有HTC(高温)超导开关的整流器型磁通泵以及一种由该磁通泵驱动的HTC超导电磁铁。例如对于核自旋层析X射线摄影需要具有在相应磁场强度下高时间稳定性的高磁场。为此开发了具有超导线圈的电磁铁。几十年来已公知这种由低温(LTc)超导材料如铌锡或铌钛制成的线圈。这种磁铁须工作在约4°K温度的温度范围。大约十年以来，高温型超导材料(HTC超导体)也已为公众所知，其温度可达液态空气温度以上，即在低于77°K的温度下具有超导性。此外也已经制成了具有HTC超导线圈的电磁铁，它可用于例如直至温度低于约40°K的高磁场。这种较低的工作温度是基于对此所使用的HTc超导材料，例如铜酸铋(Wismutcuprate)(如(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O10和Bi2Sr2CaCu2O8)及稀土铜酸盐RE Ba2Cu3O7(其中RE＝Nd，Gd，Sm，Er，Y)的HTc电流承载能力，仅在达到与主要磁场强度相关的有限制的工作温度时才能满足。在这样一种电磁铁的超导线圈中产生并流动的短路超导电流在理想情况下将持续存在。为了将这种超导电流馈送到一个超导线圈中，例如要使用一种公知的磁通泵装置。这样一种磁通泵已在“Study of Full-WaveSuperconducting Rectifier-Type Flux-Pumps”in IEEE Transactions onMagnetics，Vol.32(1966)PP.2699-2702(“全波超导整流器型磁通泵研究”，IEEE学报磁学第32卷，1996年，第2699-2702页)和“On FullySuperconducting Rectifiers and Flux Pumps”，Cryogenics，Mai 1991，Seiten262-275(“论全超导整流器及磁通泵”，《低温学》，1991年5月，第262-275页)中公开。以上所述现有技术涉及的仅是低温(LTC)型超导体，即诸如所列举的铌锡和铌钛材料。在附图说明图1中给出了现有技术中一种整流器型磁通泵2的实例(来源于上述IEEE学报)，其中用附图标记11表示一个电磁铁111的具有LTC超导体的超导线圈，该线圈例如以公知方式使用于前面所提到的核自旋层析X射线摄影中。用附图标记12表示一个提供电能的电源，其提供电磁铁工作时流入线圈11的超导电流。用附图标记13表示一个变压器，其具有一个初级线圈113，且在该实例中具有两个串联连接的次级线圈213和313。用附图标记15和16表示两个开关，它们用于导通和切断在各次级线圈213和313的电流回路中流动的超导电流。这两个次级线圈和开关在现有技术中用LTC超导材料制成，在以下所述的本专利技术中则用HTC超导材料制成。为了使变压器13工作，电源12通常供给交流电流，即提供一种电流方向依次交变的电流。对应于这种电流方向交变的周期，开关15和16相互反向打开和闭合。由此就实现了对流过用20及21表示的导线的电流的整流。该电流用作电磁铁线圈11的供电电流。用附图标记23表示一个在此未作详细描述的、用于保护磁通泵2的公知保险装置。用附图标记25表示一个用于控制电源12供电电流的变化周期及开关15及16的换向周期的控制系统。在图1所示的公知磁通泵中，开关15和16是低温(LTC)超导体开关。其“断开”和“导通”状态是通过其中所含导体材料的“超导”或“常规导电”状态实现的。超导状态将在对应的低温冷却状态下出现。通过加热对应的开关元件可以使其转换成常规导电状态，它相当于一个断开的开关。这种转换是可逆的。采用公知的方式，通过周期性地切换开关15和16，电磁铁的线圈11或者其电流回路逐渐由超导电流充电，从而相应在电磁铁的线圈11中逐渐产生一个符合要求的高磁场强度和高磁通的电磁铁直流磁场，它在维持超导的情况下将被保持。此外，这种持续磁场适合于LTC超导及为此采用的上述材料。例如一个核自旋层析X射线摄影中的超导体电磁铁作了一次充电，其在长时间内保持磁场强度恒定，从而该磁场可以满足对核自旋层析X射线摄影磁场稳定性的极高要求。补充充电例如约在100小时以后才需要进行，其前提是无技术上的缺陷或运行上的故障。这种公知磁通泵的基本原理仅在某种程度上对本专利技术所使用的高温HTC超导材料有效。对于本专利技术使用这些材料的方案和装置，要考虑许多特殊的或不同的条件和问题。本专利技术要解决的技术问题是，为本专利技术的磁通泵或者为本专利技术中这种磁通泵与超导电磁铁的组合提供一种高恒定磁场措施，通过该措施可以以有利的方式实现具有HTC超导材料的相应装置。以下结合反映本专利技术公开内容的附图对本专利技术作进一步补充说明。图1表示一个在本专利技术中也予以考虑的、公知电路结构的原理图。图2表示图1所示整流电路的另一种方案。图3表示本专利技术位于一个共用低温恒温器中的磁通泵及电磁铁组合的原理结构正视图及其剖面I-I′。图4为对本专利技术磁通泵整流电路中的开关给出的一种实施方式。图5表示工作曲线图。图1中表示一个用于磁通泵2的、具有两个次级线圈的全波整流电路。对于本专利技术此处也可使用一个同样起整流功能的、在电子学中公知的、在其中采用二极管的桥式电路，且在这里作为本专利技术的一个实施方式表示在图2中。在图2桥式电路中与图1基本一致的元件具有相同的附图标记。用附图标记115及116表示总共包括四个开关的桥式电路的另外两个开关。在该电路中变压器13仅需要一个次级线圈213。本专利技术的一种优选措施是，至少电磁铁的超导线圈11及其所属磁通泵设置在同一个低温恒温器100的真空室中。这种措施的优点是对此只需要一个供冷装置及一个低温恒温容器。对于解决上述技术问题的本专利技术权利要求1的技术方案以及其从属权利要求的进一步改进方案，一个要特别考虑的条件是本专利技术具有超导磁通泵及超导电磁铁的装置按照本专利技术最好使用适用于较高工作温度的HTc超导材料，且对此必需这样进行操作，以各次之间为几秒钟的间隔方式用磁通泵对电磁铁进行再充电。这是需要的，因为对于本专利技术使用HTc超导材料的装置来说仅当采用这种短时相继的充电才能在预定容差界限内维持所要求的磁铁磁场强度的稳定性。这主要是基于公知技术中所使用的LTc超导材料更换为本专利技术使用的HTc超导材料作出的考虑。还应考虑的是，在本专利技术采用HTc超导材料的装置中，处于有利的较高温度的磁通泵及磁铁两者工作在不同的温度上，例如磁通泵工作在稍低于77°K，而电磁铁工作在约20-40°K范围内。本专利技术的机理是，对于变压器的一个或多个次级线圈使用了以银基质Bi2212-，Bi2223-扁带导体为基体的HTc超导体，和/或金属基带上的YBaCuO导体作为优选例。也可使用另外的HTc超导体材料，并将它们作为线材使用。对于变压器初级线圈也可使用HTc超导材料，但对于该线圈使用在低温(如77°K)下具有很高电导率的铜导线也能满足要求，然而不利的是带来了焦耳热损耗。作为初级线圈与相应次级线圈的匝数比应选择远远大于1，最好大于100至1000。优选使用的变压器铁心尤其可由薄铁片、另一种软磁材料制成，或者是铁氧体。也可使用仅具有空心线圈的变压器。图3表示的是在一个共用的低温恒温器100内的本专利技术所述装置，它主要由电磁铁111的超导线圈11以及具有开关装置15、16和变压器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有超导体磁通泵（２）的装置，该磁通泵有一个变压器（１３），其次级侧至少包括一个位于带有至少一个可控（２５）开关（１５，１６；１１５，１１６）的次级整流电路中的超导线圈（２１３，３１３），该磁通泵用于向一个电磁铁（１１１）的超导线圈（１１）供应电流（２１，２２），其特征在于：所述变压器（１３）的各个次级侧线圈（２１３，３１３）由一种ＨＴ↓［Ｃ］超导材料制成，并且作为各开关（１５，１６；１１５，１１６）采用一种这样的开关，其开关段（１４６）采用同样由ＨＴ↓［Ｃ］超导材料制成的扁带，其中在此开关段（１４６）上设置一个与其紧邻并形成热传导接触的受控（２５）驱动的加热器（４８）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：冈特里斯，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]