CN101937750B - 用于超导磁体的失超能量消散 - Google Patents
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Abstract
一种用于低温冷却的超导磁体的能量消散装置，该超导磁体包括串联连接的多个超导线圈(10)并且被容纳于低温恒温器(24)之内，该能量消散装置包括：具有与超导线圈(10)串联的超导电流路径(28)的超导开关(25)；和在低温恒温器外部的电阻器(38)，与超导开关(25)的超导电流路径(28)并联电连接。所述超导开关被布置(26，32，30)为，响应于施加于相关联的发热器(26；40)的电流而断开。
Description
技术领域
本发明涉及低温冷却的超导磁体。具体地，本发明涉及用于消散在失超(quench)期间由这样的磁体所释放的能量的装置。
背景技术
如在现有技术中普遍公知的那样，超导磁体典型地由多个超导导线的线圈组成，该线圈被冷却到低温温度，典型地大约4K，在该温度下超导性是可能的。当冷却时，电流被引入到超导线圈中。即使当从外部电源断开时，电流也在线圈中流动，按照所谓的“持久模式”提供磁场。
由于几个原因的任何一个，磁体线圈的一部分可能不再是超导的。例如，在超导导线中的缺陷、电线的部分的突然移动、机械碰撞、或外部热源的作用可能导致磁体线圈的一部分不再是超导，而转换到其“常态”，即电阻性模式。电流连续流动通过线圈，并且在电阻性部分的欧姆发热导致线圈的相邻部分变成电阻性。结果是整个线圈变成电阻性并且变热。通常，设置装置来将失超在磁体内部的所有线圈上扩散，使得没有一个线圈需要消散存储在磁场中的所有能量，否则的话该能量可能由于过热而损坏线圈。
图1示出了包括局部填充了液体制冷剂的低温恒温器12的常规装置。在低温恒温器12内部提供了由多个超导导线的线圈组成的冷却的超导磁体10，该低温恒温器本身被保持在外部真空室(OVC)14之内。超导导线本身典型地由在保护性的铜基体(copper matrix)之内的多个超导导线细丝组成。铜提供了机械保护和并行电流路径，当超导导线细丝处于其“常态”、即电阻性模式时，该并行电流路径携带电流。在低温容器12和外部真空室14之间的真空空间中提供有一个或多个热辐射护罩16。在一些已知的装置中，将制冷器17安装在位于为此提供的台(turret)18中的制冷器套筒(sock)15中，面向低温恒温器一侧。替换地，制冷器17可以被置于入口台19之内，该入口台保持安装在低温恒温器的顶部的入口颈(通风管)20。制冷器17提供有效的制冷作用以冷却在制冷剂容器12内部的气体制冷剂，在一些装置中通过将其冷凝成液体。制冷器17还可以用于冷却辐射护罩16。如图1所示，制冷器17还可以是两级制冷器。第一冷却级热地连接到辐射护罩16，并且提供到第一温度、典型地在80-100K范围的冷却。第二冷却级提供对气体制冷剂的到低得多的温度、典型地在4-10K范围的冷却。
通常将负的电连接(electrical connection)21a穿过低温恒温器的主体提供到磁体10。通常通过穿过通风管20的导体提供正的电连接21。
当超导磁体线圈失超时，随着超导细丝变成电阻性，存储在磁场中的能量被转变成热，并且电流从阻性的超导细丝转入较少阻性的铜基体。
典型地，设置装置来故意地失超所有共享相同的低温恒温器的线圈，当它们中的一个自发地失超时。这被称为“失超传播”，并且保证当一个线圈失超时，整个磁体失超，使得在线圈之间尽可能均匀地扩散磁体能量，并且降低任何一个线圈会由于过热而被损坏的可能性。失超传播通常通过将线圈发热器连接到在磁体的某些线圈之间的取压点(tapping point)而获得。当通过失超线圈而产生阻性或感性电压时，该电压导致在键合到磁体的线圈的发热器中的消散，由此导致所有的线圈失超。在该装置中固有的是，所有存储的磁体能量将作为热被消散到多个导线和导线被缠绕于其上的线圈架(former)，由此保留在低温恒温器内部。
该热快速地汽化液体制冷剂并且从低温恒温器排出。在失超期间产生的热的大部分被铜导线和线圈架吸收，因此保留在低温恒温器内部，即使制冷剂排出。于是，在将磁体恢复到其超导状态之前必须将该热从低温恒温器去除。
通常地，这典型地通过如下来完成：或者重新填充液体制冷剂并通过排出蒸发和汽化的气体制冷剂而去除热，或者通过利用冷的气体制冷剂冲刷。两种处理都是耗时的且耗费制冷剂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，降低在失超期间在低温恒温器内部消散的热的量，而不是去除在失超期间在导线和线圈架内部存储的热。通过降低在制冷剂容器内部消散的热的量，降低了冷却的量，并且可以降低制冷剂的消耗。通过降低在低温恒温器内部消散的热的量，可以降低对线圈的损坏的可能性。
附图说明
本发明的上述和其它目的、特征和优点从以下结合附图对以非限制性例子方式的某些实施例的描述中变得清楚，其中，
图1示意性示出了常规的超导磁体的径向剖面图；并且
图2示出了本发明的示例性实施例的电路图。
具体实施方式
按照本发明，设置用于响应于失超的开始、消散在制冷剂容器外部的磁场中存储的能量的装置。如上提到的那样，由于多个可能的原因中的任何一个，失超可能自发地发生。
图2示出了本发明的实施例的电路图。如通常的那样，多个磁体线圈10被串联，并且被连接到外部电线(current lead)22、22a用于将线圈连接到外部电源。超导开关23跨接在线圈10的串联连接上。一旦电流通过外部电线22、22a被引入到线圈10中，则超导开关23被接通，并且电流按照持久模式流过线圈10和开关23。电流基本上保持不变，除非失超发生。虚线24标出了低温恒温器的边界。
按照本发明的一个方面，添加第二超导开关25。该第二超导开关25由与一段超导导线28相关联的阻性发热元件26组成。超导导线28具有特别的阻性基体而不是铜。这种导线本身是公知的，并且可以利用铜-镍构造。短的该导线通常被用在常规的超导开关23中，该超导开关使得能够进行持久模式操作。然而，按照本发明的该实施例，提供长的该导线，例如缠绕在线轴或圆柱体上使得其‘正常的’电阻在1kΩ数量级。该段导线28被串联置于线圈10和负的电线或‘地’22a之间。示出了阻性发热器26，其被连接在磁体的某些线圈10之间的节点30和负的电线或‘地’22a之间。在替换实施例中，阻性发热器26可以被连接在电相邻的超导线圈之间的选择的节点之间。提供了一对背靠背二极管32，串联在节点30和发热器26之间，以便响应于被施加于磁体线圈10的斜坡电压来阻断阻性发热器26的导电。
从在线圈10和阻性基体超导导线28之间的节点34，到从低温恒温器外部可达的任何合适的类型的电引线(current lead-through)36，提供了电连接33。电引线36必须合适地对于高压绝缘并且能够对于几秒钟携带数百安培的电流。按照本发明的一个方面，非常高的功率电阻38被连接在电引线36和负的电线或‘地’连接22a之间。
在操作中，在任何线圈10中发生的任何失超，将导致电压横跨在发热器26上。该电压通过二极管32的正向电压(forward voltage)被降低，但是将导致发热器26使得阻性基体超导导线28变热，导致其失超。该操作类似于常规的失超传播电路，典型地被用于响应于在一个线圈中的失超，引起在磁体的其它线圈中的失超。一旦超导导线28失超，其电阻增加。因为使用了具有特别的阻性基体材料的长段的导线28，所以其电阻可以在1kΩ数量级。该电阻与外部电阻器38并联，该外部电阻器例如可以具有10Ω的电阻。二极管32引入正向电压，必须克服该正向电压，任何电流才能流过发热器26。该正向电压小，不会阻碍发热器26响应于失超事件有效发热，但是会阻碍电流在斜坡期间通过发热器26被转移，即，通过外部电源将电流继续引入到磁体或从磁体去除。
假定101A的电流流过线圈10，1A将流过电线28，消散I2R＝12×1000＝1kW的热。另一方面，100A将流过外部电阻器38，消散I2R＝1002×10＝100kW的热。显然，通过示例性数值表明，来自磁场的大部分能量在低温恒温器外部被消散。在低温恒温器内部消散的减少的热比常规的装置消耗少得多的制冷剂，在该常规的装置中所有的热都消散在低温恒温器内部。一些能量被消散在失超线圈之内并且相应的热将消散在制冷剂容器之内。
必须确定外部电阻器38的大小来消散大部分的磁体能量。其必须具有使得其在仅几秒种消散或吸收该能量以便保护失超的线圈不会过热的电阻。在失超的线圈内部消散的大多数能量仍将作为热被释放到超导导线的铜基体中并且保留在低温恒温器内部。另一方面，其它线圈不会失超，而是保持超导性。它们不会通过它们的导线的任何欧姆发热被加热。来自磁场的大多数存储的能量将在外部通过电阻器38被消散或吸收。因此，总的磁体能量的大部分将被从低温恒温器中去除并且将明显降低用于后续冷却的要求。
当存储在磁场中的能量已经被消散时，电流将停止流过发热器26，并且导线28将冷却，并且恢复到其超导状态。超导开关23可以被断开，并且电流通过常规的斜坡过程(ramping procedure)再次被引入到磁体中。当斜降完成，超导开关23可以被接通并且磁体恢复到其操作的持久模式。
在该电路中，示例性电数值是：
磁体工作电流：500A
开关25的‘正常’电阻：1kΩ
外部电阻器38的电阻：10Ω
出现在外部电阻器38上的最大电压：5kV
通过外部电阻器38的初始功率消散：2.5MW
磁体电感：25H
初始di/dt：在开关导线28的失超之后：-200A/s。
本发明相应地提供一种系统，其中，在失超期间磁体能量的相当部分消散在磁体系统的低温制冷的部分的外部，从而减少消耗的制冷剂的量并且减小后续冷却下来的时间。
特别地参考了通过部分浸没在液体制冷剂被冷却的磁体描述了本发明，其中，在制冷剂容器内部消散的能量导致液体制冷剂的消耗。然而，本发明可以被应用于其它类型的磁体。例如，一些磁体直接通过低温制冷器通过热传导链接被冷却。在这样的装置中尽管没有液体制冷剂消耗的问题，然而在磁体内部的热消散将导致增加的低温制冷要求、功率消耗和‘停机时间(down time)’，在该停机时间期间磁体不可用。在其它装置中，使用减少了的量的制冷剂。这样的装置包括冷却循环系统，在该系统中少量的制冷剂被包含在小的储液器中，并且被提供给在磁体周围延伸的热传导管。气体制冷剂从磁体吸收热，并且通过低温制冷器被冷却。在磁体和制冷剂之间的热对流保证有效热传递。这样的系统倾向于具有密封的制冷剂系统，并且消散在这样的系统中的附加的热不会导致制冷剂消耗，但是会导致增加的低温制冷要求、功率消耗和‘停机时间’，在该停机时间期间磁体不可用。本发明可以被有用地应用于这些装置的任何一种，并且不限于通过局部浸没在液体制冷剂中被冷却的磁体。
Claims (4)
1.一种用于低温冷却的超导磁体的装置，该超导磁体包括串联连接的多个超导线圈并且被容纳于低温恒温器之内，该装置包括：
-具有串联连接在所述超导线圈的串联安排的端子之间的超导电流路径的第一和第二超导开关；和
-在所述低温恒温器外部的电阻器，其与所述第二超导开关的超导电流路径并联电连接，其中，
所述第二超导开关被布置为，响应于施加于按照与该第二超导开关的超导电流路径热接触地提供的相关联的发热器元件的电流而断开，
其中，所述发热器元件被连接在位于电相邻的超导线圈之间的节点与位于电相邻的超导线圈之间或第一和第二超导开关之间的另一个节点之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述低温恒温器外部的所述电阻器具有比断开时的第二超导开关更低的电阻。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，与所述发热器元件串联地提供一对反并联二极管。
4.一种从低温冷却的超导磁体中去除所存储的能量的方法，该超导磁体包括多个串联连接的多个超导线圈并且被容纳于低温恒温器之内，所述方法包括：
-提供具有串联连接在所述超导线圈的串联安排的端子之间的超导电流路径的第一和第二超导开关和控制该第二超导开关的发热器元件，所述发热器元件被连接在位于电相邻的超导线圈之间的节点与位于电相邻的超导线圈之间或第一和第二超导开关之间的另一个节点之间；
-提供在低温恒温器外部的电阻器，其与所述第二超导开关的超导电流路径并联电连接，并且
响应于在线圈的任何一个中的失超的开始，断开所述第二超导开关，使得将在线圈中流动的电流通过在低温恒温器外部的所述电阻器转移，其中，当失超发生时，所述发热器元件承受电压，但是当磁体操作于持久模式时不承受电压，其中，发热器通过响应于所施加的电压和所产生的通过发热器元件的电流的发热，断开所述第二超导开关。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
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