Ac电流感应式失超保护系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于使超导体的至少一部分失超的装置和方法，更具体地，涉及AC电流感应式失超保护系统。
【背景技术】
[0002]超导性是欧姆电阻在材料冷却至低于临界温度Tc时消失的材料特性，临界温度Tc取决于例如材料。超导性对于涉及超高电流密度的应用，例如对于用于产生强磁场的磁体，起到尤其重要的作用。例如在核磁共振成像(MRI)、核磁共振(NMR)或加速器中，需要这种强磁体来引导带电粒子束。
[0003]为了维持超导态，不仅需要将温度保持在临界值之下。另外，可能的外部磁场以及流经磁体的电流必须低于各自的临界值。因此，在由温度、所施加的磁场和电流密度生成的配置空间内，超导态/常导态之间的转变与表面相关，且横越该表面会导致超导性消失的相变。
[0004]可能发生的是，超导体的具体部分经受至常导态的转变，例如，当温度、电流密度和/或所施加磁场局部急剧变化时。这种情况通常被称为失超。如果失超发生在超导磁体的线圈中，则线圈的常导部由于局部的焦耳加热而变热，并可在热区的温度过度升高的情况下损坏超导体。为了避免这些严重后果，需要如下所述的保护系统:该保护系统探测失超，并且在探测到失超时能够快速地提取存储于磁体中的能量，或者能够加强正常区域(导体的常导部)的传播，从而增加沉积热量且降低热区温度的体积。
[0005]在这种保护系统中，应当考虑两个方面以:(i)限制超导体中的热区温度；以及
(ii)防止对地电压和横穿线圈的电压高。各自的目标限制取决于具体应用。对于加速器磁体，例如，温度目标值可以是400K，但是温度应优选低于300K(或低于100K)以限制线圈中的机械应力。为了防止高压，对地电压将取决于绝缘设计，例如，CERN处的加速器磁体使用以下对地电压:低于5kV且线圈的匝间电压低于500V，并且层间电压等于或小于2kV。取决于应用，这些值也在大范围内变化。在加速器应用中使用的磁体可能需要高达数十kA的电流，该电流必须在几百毫秒中进行放电以限制损坏系统的可能性。
[0006]常规保护系统例如为能量提取系统和失超加热器。能量提取系统的特征在于在探测到失超的情况下打开的开关机构；因而促使磁体电流通过能量提取电阻器，并且以时间常数L/R指数地进行放电，其中，R是外电阻，L是磁体的电感。从探测、确认、电源断开和最终保护系统的激活提取电流所需要的总时间对磁体保护至关重要。提取电阻器的尺寸受允许横穿电阻器的最大电压(U = RT)的限制，因而系统的放电时间常数也受到该最大电压的限制。对于一些磁体，由于电压升得过高而不能提取电流和保护热区，电感对电阻的比率使得其无法通过提取电阻器进行保护。在这种情况下，磁体可由旨在提高失超传播速度从而在磁体线圈上更均匀地沉积热的替代系统来保护。
[0007]该系统的示例为失超加热器，S卩，在超导体外粘接至绝缘层的常导金属带。当探测到失超时，磁体通过对全部失超加热器施加电流来进行保护。通过焦耳加热生成的热例如在相邻的电缆中进行传播，并将该电缆变成常态。目的在于，在尽可能大的线圈体积中引发失超，以使得能量传遍线圈且保持低热区温度。然而，失超加热器依靠横穿绝缘层的热扩散、原本低效的过程，并且可受到高效的氦气冷却的极大影响。
[0008]图5示出了提取电阻器410的示例，电阻器410保护布置在低温区430内的超导磁体的线圈420的能量。另外，电流源440和开关450连接至线圈420，以使得开关450或将电流源440串联地连接至线圈420，或者，如果已探测到失超，则将电阻器410串联地连接至线圈420。因此，如果在线圈420内探测到失超，则开关450断开电流源440的连接并引导电流通过电阻器410，以使得形成的LR-电路使电流呈指数地递减，从而去除存储于磁体中的大比例的能量，以避免磁体退化。在用于给定电感L的这种电路中，较高的电阻R导致更快的电流衰减，但是具有线圈420上的电压升高的缺陷。
[0009]另一方面，内部失超加热器依靠超导磁体本身的加热，从而还开始在超导体的一些其余部分中的转变。
[0010]图6示出了作用于4个线圈421、422、423和424的这种失超加热器的示例。在该示例中，对于每个线圈421、422、...，各自的失超加热器电阻471、472……设置在低温区430内，从而在探测到失超的情况下加热各自的线圈。除失超加热器之外，这些线圈中的每个都还并联地连接至各自的分流二极管461、462、463和464。如果在线圈421、422、...之一中发生失超，则在各自的线圈上的电压降会增加，从而允许电流在分流二极管上流动(因为电压处于二极管的正向电压降之上)，从而旁通各线圈的电流。因此，当磁体失超时，横穿各二极管461、462、...的电压使二极管打开，以连接电阻器并逐节地保护磁体。多个线圈421至424再次布置于低温区430内并串联地连接至电流源440。
[0011]然而，失超加热器通过绝缘层将热量从加热器传递至线圈，该过程可能是过于慢从而不能使大到足以保护磁体的一部分磁体及时地失超。另一问题在于，磁体的电感相对于可用线圈电阻而言可能过大，这是设计问题且不易规避。
[0012]磁体设计中失超加热器是弱点，因为失超加热器需要嵌入通过几微米厚的绝缘层分离的超导线圈中。失超加热器的存在提高了电子故障的可能性，电子故障是超导磁体中损坏的最常见的原因之一。如果失超加热器与磁体线圈之间的绝缘故障，则不易于修理失超加热器且必须更换整个磁体。
[0013]失超加热器并非十分适于保护具体超导磁体(例如，基于Nb3Sn制造过程的超导磁体)。另外，失超加热器仅可容易地置于磁体上的具体位置处，通常在外部区域中，因而不适于传递整个线圈中的热量以及开始磁体中的快速全局失超。另外，试验表明:需要进一步的开发来阻止将来自失超加热器的热量转移至远离线圈的氦浴中。
[0014]又一现有技术方案将放电脉冲使用至磁体中来发展高电流脉冲，从而将电流推至临界值之上。施加至磁体的电流脉冲还改变超导体内的磁场变化，从而产生使热量在超导体中沉积并提高局部温度的丝内和股内耦合损失。
[0015]然而，新一代的高能量超导加速器磁体的特征在于高效的氦气冷却和较高的温度限度。如试验结果，显而易见的是，标准失超保护并非十分适合这种磁体的保护。
[0016]因此，本发明的目的是提供用于使超导体的至少一部分失超的装置和方法，该装置和方法能够在短时间周期内有效地使磁体的大部分失超。
【发明内容】
[0017]通过根据权利要求1所述的用于使超导体的至少一部分失超的装置、根据权利要求6所述的系统以及根据权利要求12所述的用于使超导体的至少一部分失超的方法，来解决上面描述的问题。权利要求2至5和权利要求7至11以及权利要求13、权利要求14具体涉及独立权利要求的主题的有利体现。
[0018]因此，本发明提供用于答复失超信号以触发从超导态到常导态的转变而使超导态中的超导体的至少一部分失超的装置。该装置包括用于向超导体的至少一部分提供具有预定强度和/或预定频率的交变(AC)电流的器件，其中，用于提供AC电流的器件包括配置成接收失超信号的控制终端。用于提供AC电流的器件配置成响应于在控制终端处接受失超信号的接收而激活，以使得AC电流流经超导体的全部或至少一部分。预定强度和/或预定频率被选择成使得触发从超导态到常导态的转变。
[0019]因此，该装置配置成使超导体的至少一部分失超，以使得开始从超导态到常导态的转变。该转变可因为由于丝内和股内耦合损失而引起的温度升高而开始，或者因为进入超导体中的临界电流密度而开始。
[0020]因此，例如可由在用于提供AC电流的器件与彼此耦合的超导体的一部分之间的简单电连接而给出用于提供AC电流的器件和彼此耦合的超导体的一部分。但是，可以或者可以不将电流直接注入超导体的一部分中，其中，在可以不将电流直接注入超导体的一部分中的情况下，将向超导体的一部分传输AC电流。另外，或可由用于提供超导体的完全独立的器件生成AC电流，但是还可由于超导体本身的电感和/或电容而生成AC电流，以使得用于提供AC电流的器件与超导体之间的电容耦合/电感耦合会开始触发转变的AC电流。甚至可仅在超导体的一部分中生成AC电流，例如通过提供各外部变化场而在超导体的一部分内感生AC电流。因此，术语“提供AC电流”将以非常广泛的意义来解释，在广泛的意义中，该术语建立使得生成AC电流的具体耦合。
[0021]在进一步的实施方式中，超导体是一个或多个(至少一个)线圈的一部分，且用于提供AC电流的器件还包括一个或多个电容器，以使得在接收失超信号之后，一个或多个线圈以及一个或多个电容器形成提供通过线圈的AC电流的至少一个LC电路(振荡电路)。
[0022]在该实施方式中，由于一个或多个电容器与一个或多个超导线圈之间的耦合而产生AC电流。该实施方式提供的有益效果在于，之前的单一电容器足以形成LC电