CN102356437B

CN102356437B - 超导系统

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Publication number: CN102356437B
Application number: CN200980150585.2A
Authority: CN
Inventors: T·A·库姆斯
Original assignee: Magnifye Ltd
Current assignee: Magnifye Ltd
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2029-12-03
Also published as: CN102356437A; GB0901768D0; US20110227677A1; JP2012512525A; JP5878019B2; US8736407B2; EP2359375A1; GB0822901D0; WO2010070319A1

Abstract

本发明涉及用于对超导体进行磁化的方法和设备。我们描述了改变超导体的磁化的方法，通过自动地控制磁体以生成磁通量的波，特别是临近该超导体表面的磁通量的驻波。在该方法的优选实施中，超导体位于包括铁磁体或铁磁材料的磁路中，并且该方法还包括在改变超导体的磁化期间或在改变超导体的磁化后调节磁路。

Description

超导系统

技术领域

本发明主要涉及用来磁化超导体的方法和设备，特别针对磁通泵，以及新型的磁化超导体。

背景技术

超导磁通泵的概念相对来说较为直观：重复施加一弱磁场在超导体内部产生一显著较大的俘获磁场。该磁场受限于超导体的体积以及通过的临界电流，而与施加的励磁磁场无关。只要此超导体一直保持低温状态，磁场就会维持恒定，而无需外加电流。

这里我们描述新的技术，在实施例中促进高强度磁场的产生，例如范围为1特斯拉或以上。不仅如此，在实施例中磁化可以大体垂直于基本平面的磁体。在其它实施例中，磁体可以一系列期望的场特征进行磁化，可选的在时间或空间都变化，例如产生均匀的磁场或是行波磁场。

广泛来说，我们描述的技术的实施例采用媒介，通常为超导体，以“储存”磁场。驱动此媒介以使其磁化，在实施例中，是由可变磁态的材料实现的，例如可由顺磁态转变为铁磁或者逆磁态；当可变磁态材料改变状态时，磁场的改变在超导媒介中产生感应电流以磁化(或者去磁化)超导媒介。我们描述的技术的实施例，例如文中讨论的几何结构或者方法的实施例，具有广泛的潜在用途。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供了一种改变超导体的磁化的方法，通过自动化化地控制磁场以生成超导体的磁通量的波(特别是驻波)，特别是处于或邻近超导体表面的波。

在一些实施中，波的上升时间和下降时间是不同的-例如上升时间可能比下降时间慢。上升和下降时间很重要的原因，是因为磁化是取决于感应电流产生之后的衰减(实践中的实际情况)。磁场强度的改变感应出方向相反的电流(如果没有衰减，这些电流会相互抵消，总的磁化强度在第一个周期后就不会变化)。附加的或者另外的，波施加的时间，与施加波(行波或者驻波)的间隔周期相比而言，差别要大于10％、50％、100％或者是200％。

在一些优选的实施中，使用电磁体，以增加超导体的磁化(磁化超导体，直到磁化过程中超导体表面由超导体产生的磁场强度大于(最大)外加磁场强度)。在此方法的实施例中，外加磁场具有随时间变化的幅度的周期波形，特别是随着时间流逝而减小的幅值。虽然这会导致磁化时间增加，但最终获得的磁化会更大。

在一些优选的实施中，超导体包括磁路的一部分，磁路被控制以控制对生成的磁场的磁化(反磁化)或者退磁。因此在实施例中，磁路包括铁磁体或铁磁材料，通过控制该铁磁体或铁磁材料来实现在磁化过程之中或之后减少损失，或者减少磁化的衰减。在实施例中，调节可通过控制铁磁体或铁磁材料的温度实现(以控制材料的透磁率)；在实施例中调节包括打开磁路，例如通过加热材料至超过它的居里温度。

更具体一些，例如在磁化过程的开始阶段，由于超导体内部的磁化强度很小，磁路就很有利，因为它增强了有效的外加磁场。但随着超导体的“充磁”，它自己本身成为了一个磁场源，因此磁路的存在就不那么重要了。为了减小损耗，将会优选地是打开磁路将超导体切换出磁路。这可以通过使用温度可控的磁体材料制造磁路的部件或元件，从而通过调节该元件的温度来调节磁路来方便的实现。更一般性的，磁路可以类比于电路，磁路中有效的“电阻”可以通过调节磁阻来控制，比方说控制磁路中的磁性元件的透磁率。在实施例中这可以采用机械控制，例如移动磁路的一部分。然而，优选的是磁路中的铁磁体或铁磁材料是通过调节该元件的温度来实现(技术人员会知道即使是在居里点，很多磁性材料也不会展现出突然的状态转变。

上述技术的实施例在磁成像仪器上特别有用，例如核磁共振仪(MRI)机器。在此类设备中超导体磁化强度的低衰减率是很重要的，可以通过控制磁化后的磁路来达成抵消磁化衰减的目的。因此，当磁化强度衰减后，磁路中的磁场可以通过减低磁路中的磁阻来保持。更一般性的，磁路中的磁场通过减少磁路的磁阻来调节。更一般性的，然而，应认识到磁化过程中或者磁化结束后都可以控制磁路。另外，磁路中的磁场强度是超导体磁化和磁路的磁阻的函数，因此可以通过调节磁路来升高或降低它。

也可能希望(彻底地)关掉(打开)磁路的一部分或全部。这是有用的，例如在转子和定子一起构成磁路的电动机中。因为定子受到变化磁场的影响，它是损耗的来源。这种损耗可以通过加热该材料(磁路)到居里点从而关掉磁路的方法来减少和大体消除。

上述的控制磁路特性的技术在下面提到的行波技术中也会用到。

因此本发明的另一方面，提供了一种改变超导体的磁化的方法，通过(自动地)控制磁体，最好是电磁体，来产生磁通量的波。在这种方法中，超导体被置于包含铁磁体或铁磁材料的磁路中，而且该方法包括通过改变铁磁体或铁磁材料的温度来在磁化过程之中或之后调节磁路。在实施例中，磁通量的波可以是行波或者驻波，而在实施例中也可以具有随时间流逝而衰减的幅值。本发明的这一方面也提供包括实现上述方法的装置的。相应的设备。

上述的方法有很广泛的应用，包括之前提及的MRI。例如在同步发电机和电动机，特别是同步机器中，通过降低机器的定子处的磁场，来减少损耗。这种技术在船用的大型电机、以及风力或者潮汐发电等的发电机中会用到。上述技术的其它用途包括对磁性媒介消磁的改进技术，以及对具有不同磁性属性的个体进行磁性分离的技术。

根据本发明的一个相关方面，提供了改变超导体的磁化的设备，包括用于自动地控制磁体来在超导体表面附近产生驻波的装置。

本领域技术人员会知道这样的驻波可以用很多方法来产生，例如采用可控电源来增加和减少线圈中的电流。

根据本发明的另一方面，提供了一种改变超导体的磁化的方法，该方法包括自动地控制磁场来产生通过超导体表面的变化磁通量的波。

优选的，此方法还包括在超导表面重复施加磁通量的行波。这样一来，行波的每一次经过可以逐渐地增加超导体离得磁通量，通过产生持续电流。在实施例中，施加在超导体上的磁场要比超导体的临界磁场强，例如第一类超导体的第一(并且唯一)临界磁场。如果采用第一类超导材料，经过的磁场应该要足够大来保证磁力线会进入超导体，从而磁力线会被扫入超导体内部，例如超导体中心位置。

在此方法的优选实施例中，超导体包括第二类超导体，其磁通量大于超导体的第一临界磁场(HC1)。通常情况下HC1是很小的，在20mT左右，但在此技术的实施例中使得超导体能被磁化，至少在理论上而言，达到第二临界磁场(HC2)附近，第二临界磁场可大于1，5或者10T，甚至到40或者50T。实践中这样大的磁场会对超导体本身施加排斥力(产生于两个平行电流)，会导致很大压力，特别是使用高温超导材料的时候，需要在上述范围的上临界点采用某些机械固定的措施。

本发明可用于超导体的磁化或去磁化，或者动态地改变超导体的磁化，这取决于磁通量的波(也就是行波磁场)是否被施加以增加或减少超导体的磁化。当对超导材料进行磁化时，磁场被控制，从而在磁通量在超导体表面的每次扫描之后，磁通量被俘获在超导体内部，如此一来，数次较弱的磁场扫描便可以在超导体内叠加出相当强的磁场。

当超导体处于变化磁场中时，抵抗外磁场变化的感应电流会产生。超导体不是完全的导体，所以电流会依照与温度相关的一个速度衰减。温度越低，衰减越慢。电流衰减的速度相对于电流产生的速度，加上临界电流，决定了最后超导体的磁化的大小。磁性行波可由一个横向移动的源产生，例如由下面会提到的移动的热波产生，但也可以是通过处于固定横向位置邻近超导体的磁体的开关被打开(或关闭)，或者通过磁体对超导体的相对靠近(或远离)产生。当磁场被打开(或者关闭)，及磁场增加(或者减弱)，超导体会感应到一个变化磁场从而感应出电流。超导体感应到的波由磁波驻波产生，由于磁体被打开(或关闭)或者磁体靠近(或远离)，和/或穿过超导体。这里所说的磁体可以是任何磁场源，例如永磁体、线圈、或者由永磁体或者线圈激励的铁磁体的极。

原则上行波磁场可以由绕组产生，但优选地使用固态方法(solid-stateapproach).因此在优选实施例中磁场的自动控制包括控制超导体表面的可磁化材料层中的磁有序的波。从本领域技术人员会认识到可磁化材料不需要接触表面，而且如以下所述，将可磁化材料和超导体表面分离是有优点的。然而，可磁化材料与超导体表面优选地最好足够接近，从而产生这两者之间的足够的磁通量联系，从而增加效率。可磁化材料层优选地具有与超导体相似的尺寸，并因此可具有厚度由数微米到数毫米不等。在某些优选实施例中，采用厚膜或薄膜技术。

磁有序可以包括任何广为人知的磁有序种类，包括但不限于铁磁性、亚铁磁性、逆磁性等以及这些的变种例如倾角磁性、螺旋磁性、低维磁性和其它类型的磁有序。广泛来说，然而，磁有序的波包括某些类型的磁排列。举例来说，行波磁场可包括磁有序的行进脉波，或在有磁序的材料中的无磁序的脉冲-因为这是磁通量的变化，是希望的。

可磁化材料本身不需具有很大的自发性磁场；反而，本技术的实施例依靠超导体中的外部或单独施加的磁场，而这是通过在可磁化材料中创建降低了的(或等量增加的)区域实现的。因此，磁有序可以包括提供低磁阻通路以局部增加外部施给磁场的顺序。

在某些特别实施例中，在超导体中施加脉冲电流所产生的行波热流可用来加热或冷却)电流导体。导体的特性(阻值、尺寸)和/或施给的电流的幅度被选择，使得对于这个特殊的配置而言，热流可控制磁有序。因此，例如，脉冲电流可以产生通过导体的脉冲热流，而该脉冲热流反过来将有序材料局部加热至超过居里点，籍此在该材料中产生一个磁的无序脉冲。已经了解的是，普鲁士蓝(及其类似物)被认为是适宜本方法的磁性材料之一，虽然本领域技术人员明了还有许多其它的。磁性材料的选择取决于例如热流的幅度和/或超导体变为超导的临界温度等等。在实施例中，然而，磁序发生于一有序温度，而热波在材料内产生温度的变化，按照有序温度从材料的一侧转移至另一侧。

本发明的另一相关方面，提供了一种磁化超导体的方法。该方法包括重复施加大于超导体的临界磁场的磁场到该超导体。

在该方法的某些优选实施例中，超导体被磁化使得它具有至少多于充磁磁场50％的磁矩。然而须明白的是，在重复施加磁场的应用上，超导体内磁矩可达到外部重复充磁磁场的2、5、10甚至100倍以上。

还需明了的是，重复施加具有不同幅度的磁场会导致磁场积累的速度和最终达到的峰值磁场发生改变。举例来说，可能希望在初始阶段施加一个大的磁场以便快速磁化超导体，但是在随后的阶段，施加较小的磁场将使得磁化强度的幅值得到精确的控制，也会增加超导体总体俘获的磁场的最终值。

因此在另一个方面，通过自动地控制邻近超导体的表面的磁通量的波的幅度，本发明提供了一种控制超导体的磁化的变化率的方法。

通过自动控制超导表面磁场波的幅值，本发明也提供了一种控制超导体最大磁化强度的方法。

在上述方法中，优选的是具有不同幅值的磁场在磁化的不同阶段被施加到超导体表面。

发明人研究了一大一小幅值的两种磁场分别对磁化强度的影响。峰值m0对于两者而言理论上是相同的，但仿真结果显示：使用幅值较大的行波磁场充磁的速率较快，但令人吃惊的是，采用幅值较小的行波磁场能产生总体平均值较大的m0。这是因为磁场的峰值是位于周期的中部，而在周期的第二部分m0的绝对值被减少，因为磁场波在减弱。因此最理想的充磁方法是在开始的时候施加幅值大的磁场便于完全穿透超导体，而在结束的时候采用幅值小的磁场去获得可能的最好的M0。

因此在另一个相关方面本发明提供改变超导体的磁化的方法，特别是磁化超导体。该方法包括施加变化磁通量的波，该变化磁通量的波具有随着时间流逝而减小的幅值，特别是连续的变化磁通量的波具有连续减小的幅值。

本发明也提供了控制和改变超导体的磁化的系统，包括实现以上方法的装置。

因此本发明也提供改变超导体的磁化的设备，包括施加变化磁通量的波，该变化磁通量的波具有随着时间流逝而减小的幅值。

在实施中，所述的技术优选地用于磁化一个超导体，而该超导体磁场的变化会用于改变另外的(第二个)超导体。因此在实施例中上述的方法和设备被使用/包括用于磁化一系列物理上相邻的超导体的其中一个的装置，对第一个超导体磁化从而磁通量联接并磁化该系列的第二个超导体。

本发明的另一方面提供用来磁化超导体的系统，该系统包括产生通过超导体表面的变化磁通量的波的装置。

优选地，因此，该装置带有一套控制系统，可控制材料中的磁有序以产生行波。具体的说，此控制系统可被设置为生成行波热流，以产生材料中的磁有序的行波。因此此控制系统可包含，例如，由电流源驱动的电导体以输出电流驱动波形，例如电流驱动脉冲。

在进一步的相关方面本发明提供磁化超导体的系统，此系统包含反复对超导体施加大于该超导体临界磁场大小的磁场的装置。

如上所述，通过控制如普鲁士蓝及类似物等可磁化材料层片内的磁有序，可以重复施加磁场。虽然在优选的实施例中，采用了热流以控制磁化，但某些可磁化材料，包括稍后列出的数种普鲁士蓝的类似物，能够使用例如激光之类的光将其磁化。因此在上述的方法和系统的其它实施例中，变化磁场通过将光的变化样式施加于可磁化材料被施加于超导体，例如以激光扫描该材料。

本发明的另一个方面也提供一种超导磁通泵，该超导磁通泵包括：一层超导材料、一层覆于前述超导材料上的磁性材料，此磁性材料能在两种磁态间进行热转换，且其中至少之一磁态可磁性连结到超导材料层；还包括与磁性材料层热接触的电导体，该导体被配置为对流经该导体的电流的控制能控制磁性材料层的热转换。

优选地，一层间隔材料被置于超导材料层和磁性材料层之间，以提供热绝缘(例如在使用行动温度脉冲生成行波的实现方法)和/或电绝缘(这里电导体被使用以产生温度的行变，取决于磁性材料的传导性和导体的位置)。另外或可替代的，磁性材料和超导材料可以被物理隔开，例如在磁通泵的不同部分或者放置于不同的容器内。例如在磁通泵的实施例中，超导体可以被放置在一个固定器上，例如一个“棒”上，使得可以将超导材料靠近磁性材料从而使得这两者足够靠近以运作磁通泵来实现超导体的磁化和去磁。因此在实施例中，固定器可以被插入一个充磁/去磁单元，该充磁/去磁单元包括比如普鲁士蓝或类似材料、优选的相关的电路、以及优选的磁体或线圈以提供磁场。

因此本发明的另一部分提供一种两部分超导磁通泵设备，该设备包括包括超导材料的第一部分，以及包括用以改变超导体的磁化的充磁/去磁单元的第二部分。此充磁/去磁单元包括至少一个可开关磁性材料和用于开关磁性材料的系统，其中超导体可以被放置或位于可开关的磁性材料的附近，从而通过控制磁性材料的开关来改变超导体的磁化强度。控制磁性材料开关的系统优选地包括用于热切换磁性材料的系统，也可包括磁体或线圈以产生磁场。

优选地超导体包括高温超导体，例如优选所谓的铜氧化物超导体，尤其是钇钡铜氧化物YBCO。

本发明还提供具有多个单元点的超导装置，其中每一单元点均包括一个上述的磁通泵。(本领域技术人员应当了解本文提到的超导装置或超导磁通泵等并不仅限狭义处于超导状态下的装置或超导磁通泵)

在实施例中，一旦第一个单元点被磁化后，周围单元点的外磁场会增加，因此普鲁士蓝的外磁场均会增加；因而在第二个单元点被磁化时，通过磁通泵产生的磁化程度会大于第一个单元点。因此首先被磁化的超导体单元可用来协助第二个超导体单元的磁化，第二个协助第三个，因此类推。

因此本发明还提供了一种磁化一系列物理相邻的超导体的方法，该方法包括磁化系列中的第一个超导体，从而第一个超导体的磁通量联接该系列的第二个超导体，并使用该联接的磁通量磁化所述第二个超导体。

类似地本发明提供磁化一系列物理相邻超导体的系统，该系统包括磁化系列中的第一个超导体，从而第一个超导体的磁通量联接该系列的第二个超导体的装置，以及使用该联接的磁通量磁化第二个超导体的装置。

这样的装置可以用于生成点阵化(pixellated)的磁场，特别是具有垂直于该装置平面的形状的，这可以通过定义每个单元点的磁化而定义。这容许特殊形状磁场的生成，例如在平面上生成一块大体平面的磁场。

因此在进一步的方面本发明亦提供在一个面积上定义磁场的方法，此方法包括：提供一系列的超导磁性元件，以及控制这些超导磁性元件的磁化来定义此面积上的该磁场。

本领域技术人员会理解所谓超导体元件可以全为同一块超导体的一部分，亦即可磁化材料层和/或超导体可以为一层连续材料，例如以单元点图样化(参照后述的图1b和1c)。更进一步的实施例中，可磁化(可开关的磁)层可以包括一连续材料层(如后述图1b)。在某些优选实施例中，间隔材料或热绝缘层被提供于可磁化或可开关的磁层与超导体或超导层之间。但在某些实施例中可以不使用此绝缘层，例如工作于超导体临界温度之下的磁开关层，尤以工作温度远低于临界温度者为佳(例如使用普鲁士蓝或其类似物以及YBCO的状况下)。

在另一相关方面本发明也提供超导磁性装置，此装置包括：超导磁性元件，包括超导体区域以及施加行波磁波于前述超导体区域的系统。

优选的，该超导磁性装置包含多个用来对指定的超导磁性材料编址，驱动系统施加行波磁波，以磁化(或去磁化)编址后的单元的电极。如上所述，优选的该装置包括多个磁性单元点组成。每一个单元点都可以构成一个超导磁通泵，具体的是一个可磁化层被形成单元点，以及相对应的多个超导磁性元件。在实施例中，可磁化或磁开关材料和/或超导体可以是连续层，可选但非必要的，与超导体通过绝缘材料层隔离开。优选的用来施加磁波的系统包括优选可磁化材料区域以磁化(或去磁化)超导体。可选地，该系统进一步包括至少一个电导体，用来施加热行波于可磁化材料，以通过改变磁性材料中的磁有序来产生行波磁波(变化磁场)。

本发明进一步提供一种可磁化超导体，包括超导体，该超导体具有表面，位于此表面上有可磁化材料层，以及介于超导体表面及可磁化材料之间的热绝缘区域。

此热绝缘区域，在实施例中，包括气隙，例如允许可磁化材料层与磁化或去磁化超导体材料彼此分隔开。超导体的表面并不局限于平面。

优选地，可磁化材料层包括在不高于优选100K的温度，并高于所述超导体在无磁场情况失去其超导特性之温度的条件下，磁序会自动排列的材料。例如，铁磁或亚铁磁材料的居里温度优选地相对接近超导材料之临界温度，例如在不超过10K，50K或者100K以上。然而实施例仍可操作于较大温差条件下，例如500K甚至100K，取决于热绝缘的程度。值得一提的是，在某些配置中，热绝缘区域只需提供部分热隔离，或者甚至可以被省略。

另一方面，本发明提供具有表面的已磁化的超导体，以及由垂直于该表面的方向定义的轴；该已磁化超导体在没有外加磁场的情况下，具有随着与前述轴的距离增加而非单调性的变化的磁场。

在某些优选的实施例中，超导体的表面大体是优选平的，而该轴可以定义超导体的对称性。这里提到的磁化方法允许超导体以新的方式被磁化。

另一方面，本发明提供一种已磁化的超导体，具有表面以及由垂直于所述表面的方向所定义的轴。该已磁化的超导体，在没有外加磁场的情况下，具有随着与前述轴的距离增加而非单调性的变化的磁场。

在传统的平面磁体形状种，去磁化防止制造出在其表面具有大体恒定的磁矩的磁铁。传统上，这种形状的磁体其磁矩会向磁体中心下降。相反地，我们描述的本发明的实施例中，例如超导盘的磁矩大体线性地朝向超导体(盘)的中心方向增加。循环电流的配置，在概念上可以视为一组同心的扁平线圈。当这些虚拟的扁平线圈中带有大体相同的电流时，磁场朝向超导体的对称轴增加。当上述的运动磁场为这些电流不同时，朝着对称轴缩减的磁场和朝着对称轴增加的磁场可以被获得，特别是大体平面的磁场(即是垂直于平面的磁矩，至少在平面的中心区域保持大体恒定)。有许多用来建立循环电流的方法可以采用。其中之一是使用缩细导体，从而向超导体之对称轴缩减；另一方法是使用前述之点阵化的可磁化超导体在平面的区域上产生大体恒定的磁场。

因此本发明的进一方面提供一种已磁化超导体，该超导体带有多个大体同心的循环电流，其循环方向相同但相对幅值不同。

在我们所描述的磁化技术的实施例中，一中央环流以相反于同心循环的多个电流群的方向流动。

我们描述的技术允许非常强大的磁场的产生，例如磁矩峰值达到1特斯拉、2.2特斯拉、2.3特斯拉或以上的强磁场(本领域技术人员会理解超导体的磁矩与其磁化程度互为同义)。因此产生的磁场大于由当前的材料中获得的磁场。

本发明还提供一种已磁化超导体，具有大体平面的形状，以及至少为1特斯拉的磁矩。

举例来说，使用一种典型之高温超导体，其带有1010安培每平方米的临界电流密度，要产生1.4特斯拉的磁场在实施例中需采用直径1毫米、厚度90微米的盘形超导；若要采用直径5毫米的盘形超导体产生相同大小的磁场，经计算需要有效厚度约为45微米。此类型的超导体，仅需20毫特斯拉至30毫特斯拉的重复施加的励磁磁场，即可将其磁化至1.4特斯拉。

我们所使用的基本原理是使用热量产生变化磁场。这产生导致电流的电场。如前所述的实施例中，我们在超导体内感生电流，该电流持续并导致持续磁场。事实上，此处所述的技术可以用于任何电导体(不仅是超导体)。在本发明的实施例的方面，所使用的超导体可以被任何能够在装置中担当热引擎而产生电力的传统导体所替换。

因此，此发明亦提供一种热或光引擎，用于由光或者热量产生电力，该引擎包括：将光或温度变化转换为磁场变化的装置；以及将前述的磁场变化转换为电力的方法。

发明人认为相似之概念可被用于高效率太阳能电池的基础。

因此，根据本发明的进一步方面，提供了一种太阳能电池，包括：第一层材料构成可磁性交变光传输的窗口；位于第一层窗口之下的第二层磁开关材料，其具有光响应磁化性；以及位于前述磁性材料生成之磁场中的导体。在工作时，当光投射进第二层磁开关材料中，震荡产生了前述磁化程度之改变，并在导体中感生中电流。

优选的，优选第一层材料包括液晶材料。在实施例中，太阳能电池包括例如永久磁铁的装置，以为磁开关材料产生磁场。

附图说明

由此开始，要进一步举例说明本发明的各个层面，随例参照图说明如下：

图1表示一种超导磁通泵的立面图；

图2表示由多个磁通泵单元组成的超导磁通泵，其中每一个泵单元为图1所表示的类型；

图3表示图1所示的装置俯视图，采用图2装置所表示的泵单元编址范例；

图4显示了一种范例几何结构；

图5至7演示了当磁场扫过超导体中心时，其中发生的系列步骤(由于左右对称，本图仅给出超导体右半部为代表)；

图8描述超导体环中心的俘获磁通(平均磁场相对于超导磁通泵的数量关系)；

图9演示和图7磁化过程相似但互补的磁化过程；

图10描述去磁化过程中，超导体环中心的俘获磁通(平均磁场相对于超导磁通泵的次数关系)；

图11表示一种范例已磁化超导体；

图12描绘磁通累加效应；

图13表示一个太阳能电池的范例；

图14描述一个具体实施本发明说明之各项技术的实验装置；

图15绘出NdFeB的B-H曲线；

图16为一个范例的普鲁士蓝的圆柱对切后的俯视及截面图；

图17为普鲁士蓝之同质性元素在不同温度下的磁滞回线；

图18a及b分别绘出图14所述设备的中心探测点和边远探测点所测加热及冷却过程磁通密度(毫特斯拉)对于温度(开尔文)的关系；

图19描述中心及边缘探测点加热(右侧刻度)及冷却(左侧刻度)过程在临界温度的迈斯纳(Meissner)转换；

图20描述中心及边缘探测点的多个泵周期中，磁通密度(毫特斯拉)相对于温度(开尔文)的关系；

图21表示一个及多个泵循环周期，一中心探测点量测的磁通密度(毫特斯拉)相对于温度(开尔文)的图；不连续现象发生于在超导体失去其超导特性时的过程曲线中；

图22a及b表示无超导体的控制曲线；

图23表示在方波、不对称波、对称波和行波中的分别的磁化过程(相对于完全磁化强度的比例)，在图a至c中体现中施加不同种类的驻波的效果，在图d中体现了施加相同幅值的行波的效果；

图24a中i)至v)对应于图23a，表现了施加方波后5个等分时刻的磁场分布和感应电流分布；同理图24bi)至v)对应于图23b中不对称上升和下降，24ci)至v)对应于图23ci)至v)中对称上升和下降的情况，24d对应图23di)至v)中行波的情况；

图25a表示了幅值大的磁场导致磁化过程比幅值小的磁场快，而在图25b中显示小幅值的磁场能得到更大的最终磁化。

具体实施方式

参照图1，这里显示超导磁通泵的立面图，而图2显示磁通泵的多个泵单元，其中每一个泵单元均为图1中的类型。

在一些优选的实施例中，组成此一系统的元件包括：

超导层

绝缘层

磁开关层

热源/电导层

其几何结构图示于图1及2中。图1表示其中一个元素的立面图；图2为多个元素之俯视图。图1图2两者均仅用来阐述本发明之原理，并非作为最终装置的精确表述。有不同形式的热源，可用其驱动超导体正常以进行急速去磁化，或是为了便于制造，使用图1b所示的连续超导体层和/或图1c所示的连续隔离层。

简述图1之更多细节，在图1a到1c的全部当中，超导层1均与冷却器5(直接)热接触。热绝缘层2覆盖于超导层1上；在图1a中，全面覆盖超导层并与冷却器接触；在图1b中，覆盖超导层之上表面；在图1c中，仅部分覆盖超导层之上表面。在这三个所示的实施例的每一个中，绝缘层2将大部分或全部的磁开关材料层与其下的超导体层隔开(在图1c中，磁开关材料层3部分地与超导层接触，特别是在边缘部分)。第四层4可包括热源及(或)电源或热导体组成，该第四层4优选地优选与磁开关层3直接接触，并可选的与隔离层2直接接触(图1c)，且可和冷却器5接触(图1a)。图1a到1c所示的结构单元可在一个面积内复制，因此一个或者多个超导层、磁开关材料层以及隔离层可以构成一个连续材料层。在所示范例的变体种，层4(导线)可以覆于磁开关材料上而非如图1b所示介于磁开关材料之间。在更进一步的实施例中，隔离层可被省略，例如在磁开关材料(例如普鲁士蓝及其类似物)工作温度低于，优选地明显低于超导体之临界温度时。

图2中网格状导体/热源被视为均匀的。在实际运用以及特殊情况中，若是需要固定的场图形则不在此例。例如将不同磁单元以不同次数开关，或使这些单元具有不同的尺寸，都可产生均匀的磁场分布。图2显示了之单元点分布图，其中所有的单元点具有大体相同的尺寸，但本领域技术人员会理解(在一个装置之内的)单元点可以具有不同的大小。

接着叙述超导磁通泵优选的实施，超导层从下方保持低温并由上方热绝缘层隔热。冷头与磁开关材料热耦合。典型的，层4为导线(或多条导线)，在这之中电流通过以调节顶层(磁性材料层)的温度。这样的配置使得有可能沿磁开关材料送出热脉冲以切换其磁态，由磁性切换至非磁性或反而行之，并由此生成通过超导体之磁波。当此磁波通过超导体时，磁通量会被俘获于超导体中，而总俘获磁通的大小取决于送出脉冲的次数。由此可以产生正确的磁场分布。该磁通可泵至较大值或减降之。磁场分布一旦建立，在超导体温度恒定下，此磁场分布可保持稳定。

图3表示图1所示装置之俯视图，以及图2的装置的磁通泵单元的示范编址，图3绘出三个单位单元。图中的电流被导向中心单元以在磁材料的边缘产生加热区域。开关，一般为晶体管，使电源导轨上的电流可以被导向或导离导体(图中邻接磁性材料层之斜线部分)。

磁性材料

目前用于测试的磁开关层材料为普鲁士蓝类似物。一般来说，此类材料进行由铁磁至亚铁磁磁序转换的温度接近钇钡铜氧化物的临界温度。下表列出一部分此类型材料(由MolecularMagnetismfromMolecularAssembliestotheDevices，Ed.EugenioCoronadoetal)。已被使用至今的材料例如：Ni^II _1.5[Cr^III(CN)₆]以及C₈H₂ONNi^II[Cr^III(CN)₆]；更多的实验细节会在之后详述。然而本领域技术人员应理解任何磁性材料均可能作为磁开关层；本技术亦可被应用于可变逆磁性材料上。唯一的要求是在邻接超导体处感应生成变化磁场。

化合物CsNi^II[Cr^III(CN)₆].2H₂O是有用的，因为钇钡铜氧化物的临界温度(Tc)为93K；化合物Cu^II ₃[Cr^III(CN)₆]₂.15H₂O是有用的，因为其临界温度(66K)接近于氮气于冰点温度(64K)。

普鲁士蓝类似物；F和F1分别表示铁磁及亚铁磁序：

有很多可以采用到本技术的材料，其中金属镓和镝会引起特别的兴趣。镓有23摄氏度的居里点(接近室温)，所以在磁化设备与超导体分离时特别适用。镝的居里点接近YBCO临界温度，因此在冷却环境里适用。

超导体材料

优选的超导体是铜氧化物，例如钇钡铜氧化物，制造于薄膜、厚膜以及块体材料，并具有合理的高的Tc(临界温度)并可产生俘获强磁场；但理论上可以使用任何第二类超导体材料。另外，还有钇钡铜氧化物的变形，其中钇由其它稀土元素如钆(gadolinium)或铷(rubidium)取代(这些通常称为稀土钡铜氧，ReBCO)。其它的替代方案有2212型或2223型之铋系超导体(BSCCO)、二硼化镁(MgB2)，其优点为成本低廉但其具有较低的Tc(为30多度K)。其它还有相当多可使用的材料，例如镧系元素(lanthanides)、铊化合物或汞化合物。

另有许多材料可被描述为有机超导体(organicsuperconductors)，这包括Bechgaard盐、法布尔盐(Fabresalts)等准一维(quasione-dimensional)超导体；准二维超导体如Kappa-BEDT-TTF₂X、lambda-BETS₂X和石墨层间化合物(graphiteintercalationcompounds)；以及三维材料如Alkali-doped富勒烯(fullerenes)。

关于铜氧化物的候选列表可以参照“Superconductingmaterials-atopicaloverview”，Hott，Roland；Kleiner，Reinhold；Wolf，Thomasetal.(2004-08-01)oai：arXiv.org：cond-mat/0408212。它们包含高温超导系：Bi-HTS(Bi-m²(n-1)n，BSCCO)；T1-HTS(T1-m²(n-1)n，TBCCO)；Hg-HTS(Hg-m²(n-1)n，HBCCO)；Au-HTS(Au-m²(n-1)n)；123-HTS(RE-123，RBCO)；Cu-HTS(Cu-m²(n-1)n)；Ru-HTS(Ru-1212)；B-HTS(B-m²(n-1)n)；214-HTS(LSCO”0202”)；(Electron-DopedHTSPCCONCCO)；(“02(n-1)n”)；Infinite-LayerHTS(Electron-DopedI.L.).

发明人建立了模型作为发明原理之佐证，此模型中的磁场依照前述机制由超导环外扫入超导体内。此模型中的几何形状是为了简化计算而采用，本装置在上述之方形几何形状(或任何几何形状)均可良好地工作。

本模型使用之参数：超导体厚度为3.5厘米、Jc(临界电流密度)为10^10安培每平方米；磁体厚度为2厘米、提供强度20-30毫特斯拉垂直于超导表面的磁场。

图4表示范例模型的几何形状。图5描述当磁场扫入超导体中心，其中发生的系列步骤(由于左右对称，本图仅绘出超导体的右半部以为代表)。在本例中，假设磁场是由于左向右移动之小磁体所生成；在每一步骤中，小磁体位于紧挨着的记号500下方。(在步骤2中，502号位置上，来自于步骤1的磁场和新磁体位置生成的磁场并不会完全抵销，因为步骤1中，并非所有的感应磁通量都能被超导体所俘获。)两个泵也逐步的图解于图6中，图7接着描绘了10、50、150、250以及300泵的状态。在这些图中，蓝色区域(B)是流入页面方向的电流，而红色区域(R)是流出页面方向的电流。随着循环次数增加，蓝色区域亦越来越大，当超导体内部布满电流时，即已达到俘获磁场的物理限制。此物理限制取决于超导体的Jc(临界电流密度)以及其体积。

图8的图画显示磁场如何随着泵的数目的增长而增长的关系。因此图8所绘为超导环中心的俘获磁通(平均磁场相对于泵的次数的关系)。

此系统无论在磁体切换为开或关时均工作良好，只不过其具有相反的功用。图9即表示这样的去磁化过程，是与图7互补的。图10则描绘出去磁化过程中，超导环中心的俘获磁通(平均磁场相对于泵的次数的关系)。

图11显示了位于超导体的圆柱形部分的磁通量。其空间分布疏密代表局部磁通量密度，平均分布的磁力线则表示为常数的磁通密度。

图12则表示磁通累加效应。图12a中，弱的外加环境磁场将单元点1磁化(箭头表示磁场方向；其空间分布疏密表示磁通量密度)。图12b邻近单元点除外加磁场之外，还有单元点1磁化后带有的磁场，于是单元点2的泵现在可产生比单元点1上的磁泵更大的生成磁场。

更仔细地说，举例来说，假设单元点1被重复施加的30毫特斯拉的磁场磁化至300毫特斯拉，单元点2和3各分到150毫特斯拉，于是在这些单元点上的有效磁场为180毫特斯拉(150+30毫特斯拉)；由此下去，连续被磁化的单元点或超导体所产生的磁场，将累加以极大地增强磁场(在此例中，若下一步磁化磁场成为1800毫特斯拉，再下一步即成为18特斯拉)。虽然到某程度之后，可磁化材料(普鲁士蓝)将会饱和，但可见使用此种技术可以快速获得非常强的磁场。

以上所述已叙述了超导磁通泵的基本操作，以及提出了模型以展示其原理。图中所描绘的实施例均为最简化的装置示意图，而值得一提的是，理论上可有多个磁性材料层，其中磁体的切换可以按顺序开关以提升泵的速度；或是为了相同的目的，不同磁性材料层具有不同的临界温度，如此一来当某层增加超导体中的俘获磁场时，另一层则减少。

事实上，本发明由两个概念结合而成。第一，使用可在非磁性及磁性态(磁性态可为铁磁性、亚铁磁性或逆磁性)之间转变的材料，生成磁场扫过所谓的「磁场容器」(典型来说为超导体)。此过程可进行任意次数(包括一次)并可用来提升或降低最终的合成磁场。

第二个概念即为“点阵化”磁场以建立磁场图形的原理。此处“点阵化”磁场的目的在于能够局部地改变磁场的密度以及强度。这个重要性的众多原因之一首先可以理解为，假设需要均匀分布之磁场，多个磁化程度相同或是均匀分布于一平面上的单元点是不能达成此目标的。

这个概念之所以意义重大，原因包括：

1)其独特之几何形状(一般状况下是不可能产生与短距离轴平行，亦即与平面垂直的强磁场强磁场)。

2)目前并并没有实际可行的方法，能够不需施加至少等强的磁场就可在超导体中俘获大量的磁场；本方法所使用重复施加的低磁通密度的磁场。

3)量化空间中的磁场及其量值，表示可以生成许多包括静态和动态的场图形；而在实施例中没有线圈的存在，表示此处不需存有电感造成的限制。

上述之概念亦可用于热引擎的制造，如前所言，亦可应用于高效太阳能电池。图13即表示此装置的一个示例，具有三层。第一层由液晶材料组成，在磁场的存在下切换于第一态，优选优选为几乎透明的状态，以及第二态，优选为几乎不透明的状态的之间。适当的液晶材料的一个例子为4-n-pentyl-4’cyanobiphenyl，又称为5CB。此装置的第二层位于第一层之下(在太阳能电池中，沿光入射的方向)，由光响应之磁性材料层构成，例如1，3，5-trithia-2，4，6-triazapentalenyl(TTTA)或其它由光子感应磁化效应的化合物或LIESST。此装置亦包括了由导体组成的第三层。装置工作时，光通过透明态的液晶，切换磁性材料(普鲁士蓝)的磁态以导致磁场的变化。如此一来便在导体内产生感应电动势以及接下来的电流；磁场的变化亦使液晶转为不透明态，使得磁开关层再次处于黑暗状态，另一次的磁场改变及其感应电流便由此而生。当液晶再次成为透明态时，另一个循环即重新开始。

更仔细的讨论图13，其展示处于永久磁体产生的磁场中的范例太阳能电池，并包括当磁开关层(绝大多数)工作在相当低的温度状态下时，一个或多个位于磁开关层下的线圈/导体。

如上所述，有许多可选用的液晶材料，举4-n-pentyl-4’cyanobiphenyl(5CB)为例，其态转换发生于400高斯(或0.04特斯拉)。态转换即为在偏振光照射下由完全不透明态转为完全透明态或反之。(参见”Magnetic-field-inducedFreedericksztransitionandthedynamicresponseofnematicliquid-crystalfilmswithafreesurface”Shyu-MouChenandTing-ChiangHsieh，Phys.RevA43，2848-2857(1991)[Issue6-15March1991])。

有些磁性材料之光态转换(photoshift)发生于室温附近。1，3，5-trithia-2，4，6-triazapentalenyl(TTTA)即为一例，其临界温度为296K且在顺磁态与逆磁态间转换。(H.Matsuzaki，W.Fujita，K.AwagaandH.Okamoto，“Photoinducedphasetransitioninanorganicradicalcrystalwithroom-temperatureopticalandmagneticbistability”，PHSICALREVIEWLETTERS91(1)：Art.No017403JUL42003)。

亦有许多普鲁士蓝的类似物会在低温温度时对光感应，因此可根据在本发明的超导磁通泵的实施例中使用。第一个由Hashimoto的团队所发现的类似物乃钴、铁为基调的化合物如：K0.2Co1.4[Fe(CN)6].6.9H2O和K0.4Co1.3[Fe(CN)6].5H2O(参见Sata，IyodaT.FujishimaA，etal.“Photoinducedmagnetizationofacobalt-ironcyanide”SCIENCE272(5262)：704-705MAY31996；andSatoO，EinagaY，IyodaT，etal.“Reversiblephotoinducedmagnetization”JOURNALOFTHEELECTROCHEMICALSOCIETY144(1)：L11-L13JAN1997)。或以钼元素为基调如CuII2[MoIV(CN8].8H2O(S.Ohkoshieyal.，ChemLett.，4，312(2001)；J.Am.Chem.Soc.，128，270(2006)；T.Hozumietal.，J.Am.Chem.Soc.，127，3684(2005))--然而此化合物在某些应用中可能无法提供足够的磁场。或如Rb0.91Mn1.05[Fe(CN)6].0.6H2O(”Temperature-andphoto-inducedphasetransitioninrubidiummanganesehexacyanoferrate”，Shin-ichiOhkoshi，HirokoTokoroandKazuhitoHashimotoJOURNALOFMATERIALSCHEMISTRY15(32)：3291-32952005)。又或者如Epstein报告于论文”NewBasesforFlexible，light-weight，Low-cost，andScalableElectronics：Organic-basedMagnetismandDopedConductingPolymersforFieldEffectDevices”ArthurJ.Epstein中之锰化合物。

许多(非光态转变)非普鲁士蓝及其类似物的化合物，由于其具备磁序化或无序化的态转换，亦可用于本发明的实施例。这些化合物包括：草酸盐(Oxalate)，例如tris-dithiooxalatosalts，A[M^IICr(C₂S₂O₂)₃]，其中A⁺为PPH4⁺、N(n-C_nH_2n+1)₄ ⁺，n的范围为3到5之间，M^II为锰、铁、钴、镍等。(参见Inorg.Chem.，42(4)，986-996，2003.10.1021/ic02302xS0020-1669(02)00302-6)以及金属草酸盐系磁体如(R₄N)[Mn^IICr^III(C₂O₄)₃]；双氰胺化合物如M^II[N(CN)₂]₂和M^II[N(CN)₂]₂L_x(此处L为pyridine，pyrazine，2，2′-bipyridine，4，4′-bipyridine)。(参见Manson，J.L.；Incarvito，C.D.；Rheingold，A.L.；Miller，J.S.J.Chem.Soc.，DaltonTrans.1998，3705)；trithiatriazapentalenylradical如C₂S₃N₃(McManusGD，RawsonJM，FeederN，etal.“Synthesis，crystalstructures，electronicstructureandmagneticbehaviourofthetrithiatriazapentalenylradical”，C2S3N3JOURNALOFMATERIALSCHEMISTRY11(8)：1992-20032001)；和V(TCNE)₂·0.5CH₂Cl₂(MANRIQUEZJM，YEEGT，MCLEANRS，etal.AROOM-TEMPERATUREMOLECULARORGANICBASEDMAGNETSCIENCE252(5011)：1415-1417JUN71991)。

还有许多磁性材料具有居里点且很有可能这可以通过掺杂将其降至适当的温度。

实验结果

参照图14，其表示试验装置的中线切切面，此装备设计可测试每一元件在绝缘态和共存态下的表现。此组合是模块化的，无论普鲁士蓝的存在与否，不论有否超导体，且霍尔元件紧邻超导体或者。请注意图14并非按比例绘制。

在图中，箭头所标之A、B分别表示磁体的导热路径和普鲁士蓝。另一条介于超导体和普鲁士蓝之间额外的导热路径由纤维垫圈提供。此试验装备位于真空腔内，普鲁士蓝和磁体的上下均有间隙。此试验仪器设备有两个版本，第一个置于黄铜中以提供良好的热传导系数，第二个置于铁中以提供磁通路。图14中所示为置于铁中的版本；绘于图18，19的量测结果即由此版本取得。本实验工作中采用的普鲁士蓝类似物为Ni^II _1.5[Cr^III(CN)₆]，其具有相当低的相对磁导率(约为3)，因此本材料需要使用铁的版本以取得图示的实验结果。本报告亦提出第二种普鲁士蓝类似物，C₈H₂ONNi^II[Cr^III(CN)₆]，的实验结果，此材料的SQUID量测支持接下来叙述的，作为演示范例系统中实际操作之测量结果。

如前所言，可磁化材料(此处为普鲁士蓝)并不需具有大量的自带磁场，仅需集中单独施加的磁场。因此，如图1之实施例所示，磁体或其它磁性材料层可以置于磁开关层3之上。图14的实验装备中，磁场由铷铁硼磁体提供，普鲁士蓝增强了该配置的磁场。

图15表示不同等级之铷铁硼磁体的范例磁化特征曲线。由这些曲线可知，磁场的改变完全是可逆的；使用图14之装备量测磁化程度随温度的变化时发现，当磁体回复室温时，磁化程度并没有完全缩减。是以铷铁硼磁体之热循环可以达到期望的磁场变化，用来磁化超导体。可在图15看到铷铁硼磁体本身进行磁态转变的温度接近于钇钡铜氧化物的临界温度，因此成为磁“开关”材料极好的选择。

普鲁士蓝类似物在溶液中会以粉末状沉淀出且倾向于具有较差的热导系数。一种可行之道为使用金属胶着剂，如silverDag^TM，将其塑形成块体结构，并在不负面影响堆积因数(packingfactor)以至于整块磁矩的情况下增加材料的电及热传导系数。图16即绘出由此法制成的范例普鲁士蓝块材。

图17表示一普鲁士蓝类似物，Ni^II _1.5[Cr^III(CN₆)]，在不同温度下之M-H回线。当外加磁场(X轴)保持恒定，温度的减少会增加整体磁场。此类似物的有效相当磁导率仅有3左右且在40K时，其饱和磁化强度为60毫特斯拉。在强度为2.5*10^5安培每米(0.3特斯拉)，温度改变范围为45K到70K，所生成之磁化强度约为3*10^4安培每米(38毫特斯拉)，模拟结果显示其磁化强度已足以产生20到30毫特斯拉的行波磁波，所以在我们的测试设备中即采用此类似物；然而本领域技术人员应当认知反复的实验可以鉴别更好的化合物。图18a和18b中之回线描述磁场随热循循之变化。此处使用两个霍尔元件，一个位于接近实验仪器中心线处(图18a)，另一元件则位于中心线外。两者量测之图形，上部曲线表示冷却过程、下部曲线则表示加热过程。

图18和19绘出单个泵，图20绘出两个泵，而图21在一张图面上绘出图18和19的数据。

可由图18中看出，当设备被加热时，磁通量的减少代表此时超导体已被磁化。注意在图中，达成加热的过程乃通过关闭提供冷头的压缩机实现，从而使导热路径较可能由图14中之纤维垫圈通过。

解读图18需留意；既然仅仅测量系统中一个位置的温度，且此位置谨慎地且微弱地和超导体热耦合，测量温度和超导体实际温度必然存在温度差。明显的佐证是发生于超导体达其临界温度的迈斯纳转换：在冷却过程中，其发生于实测温度为122K时，而在加热过程中，却发生于实测温度98K时。

尽管如此，以上过程有两个特征对于系统的操作提供相当有利的实验证据。

第一个特征为，随着加热过程进行，整体磁场随着温度升高而降低。(超导体的磁化会对抗励磁磁场因而造成整体磁场的降低)

第二个特征为加热中心探测点图形显示的大的不连续性，其发生于超导体渐失去其超导特性时，亦因此失去其磁化强度。部份的不连续性因迈斯纳磁通排斥，但图19(下)显示并非全部如此。

图19赵忠展示超导态转换的冷却及加热之部份过程，其中需注意之重要现象是，磁通量密度的改变发生于超导体冷却至其临界温度，在迈斯纳磁通排斥发生时，在冷却过程中产生之磁通量密度改变，无论中心探测点或边缘探测点测量之结果，均少于再加热过程中磁通密度的变化。这一现象表示超导体的净磁化量超过单独以迈斯纳效应可解释的范围。

更详细的说，当超导体通过其临界温度时，磁通产生排斥现象；此过程即为迈斯纳效应。此效应可见于图19中当装置被冷却过程中磁通的瞬降。在没有预先磁化的情况下，经过临界温度的加热过程也会在测量磁通量密度造成类似的升高。图19中，在加热时磁通量提升较大表示超导体的磁化是成功的。此结果之所以意义重大在于其展示了一种系统，其无需借助移动元件和导线中的流动电流，即可磁化其它材料。

图20展示出两个循环，演示使用多个泵的可能。图21绘出重复的单循环和双循环。图22a和b表示在没有超导体的情况下实验装备的结果演示了此处并无磁场累积的现象，且当实验装备加热回之前温度时，仅存在微小或不存在有磁滞现象(图22b分别绘出温度和磁通密度在温度循环下之演化过程)。

本范例的限制在于普鲁士蓝本身，当越来越多的泵完成磁化，由普鲁士蓝的角度所见的总磁场也越来越低。因此在图17左(朝y轴方向)所表示的磁场随着温度变化而减少；换句话说，行波磁场的大小降低且有效泵亦随之减少。

然而在多单元情况下这并不构成问题，因为一旦一个单元被磁化后，它将会补强其邻近单元的磁场。此外，本系统显示第一个热波乃由冷却态触发；若相反系统将加热态设置为触发态，超导体会以相反方向磁化并且增强，于是其趋势会向y轴方向离开。(此波可以包括单个扰动或是梯级变化，但若使用周期波，其可以具有任意周期且其后缘(在具有后缘的状况下)可以距离前沿毫秒、数秒甚是数小时)。

驻波

图23显示了不同类型的驻波的效果。图片表明了在不同的驻波作用下磁化强度的发展被不同的饱和磁化分隔开。在图23a)磁场的施加和去除是瞬时的(近似为锯齿波)。在图23b)中磁场被逐渐地施加但瞬时地去除。在图23c)中磁场被逐渐施加和去除。为了参考，期间图23d)给出了施加和a)到c)幅值相同的横向行波得到的磁化。要注意在图23中虽然磁场扰动是周期性的，但磁场上升和下降的间隔时间是不同的(如图中所示)。

图23是计算机模型生成的。在模型中左手边的边缘和下边缘均为对称轴。该模型是作为实例创建的，而该方法也可以使用到没有轴对称性的系统中。图24表明了在图23中所示的在一个周期内不同时刻点的外加磁场以及感应电流。

浅灰色区域(左下)是超导体，流出纸面方向的电流是黑色(上部和右手边缘)，流入纸面方向的电流表示为白色(在灰色和黑色中间)。

驻波可以由很多种方法产生但通常可以采用线圈产生，当线圈中流过的电流从零增加再减小到零。之所以称为行波，是因为磁场的分布不随着电流的增加减小变化，变化的只有磁场的大小。

在驻波中，磁场的幅度上升和下降，而在行波中，磁场的分布也是变化的，通常可以想象为磁场的峰值随着时间在超导表面移动。而在驻波中峰值的位置是固定的。一个波可以被认为是带有不同幅值和频率的行波和驻波的叠加，并且峰值随着时间衰减。在热传导引发的行波中，由于热传导到周围环境中引起的峰值衰减是显而易见的。

图25a)和b)一起表示了改变外加驻波幅值的结果。幅值较大的外磁场会导致快速的充磁，这可以从图a)的M0/Ms看出(M0＝磁化，Ms＝饱和磁化)，此值在5个周期后达到最大值。而在图b)幅值较小的磁场情况下，需要更长的时间达到最大值(大约10周期)，但幅值较小的磁场能产生更大的最终磁化强度。

这种情况的原因是施加到超导体的波有两个方向。从图24中可以看出大部分电流是同一个方向的(白色)，但总有另外一个方向的电流(黑色)随着磁场的变化产生。磁场变化的幅值越小，黑色区域就越少，所以最终的磁化强度越大。因次，优选的操作系统的方法是采用不同幅值的磁场。

适用在上述技术中的材料是铁磁材料，特别是magnanesecopperferrites.具体事例在如下论文中可以找到：Materialletters，Volume57，Issue3，Dec2002，Pages598-603。″SynthesisofCMRmagnanatecompounds：theconsequencesofthechoiceofaprecursormethod″，B.Vertruyena，A.Rulmonta，R.Clootsa，M.Ausloosb，S.DorbolocandP.Vanderbemden；JournalofMagnetismandMagneticMaterials，Volume264，Issues2-3，Aug2003，Pages258-263，″Magneticandelectricalpropertiesoflow-temperaturesinteredMn-dopedNiCuZnferrites″，ZhenxingYue，JiZhou，ZhilunGuiandLongtuLi.

一些很有潜力的材料在“ThecharacteristicsofferritecoreswithlowCurietemperatureandtheirapplication”，Murakami，K.，IEEETransactiononMagnetics，June1965，Volume1，issue2，Pages96-100中提到。这些材料的磁导率和温度曲线有变化缓慢的区域，可以应用在改变磁路透磁率的例子中，也有在居里点附近变化快速的区域，可以应用在磁开关上。

虽然某些上述的实施例仅提及超导体环的使用，普遍也相信圆形或近圆形的几何结构或许是最好的配置；但是本系统的配置并不受限于波的几何形状，其亦可工作于平面波之状况(平面波意指以近似直线行进的波)而非仅有圆形波(圆形波意指由中心向外或由外向内传播的波)。

前述的众多概念中我们已描述方法/系统能够在没有移动元件和导线中流动电流的条件下磁化其它材料。更精确地说，所述此技术能实现高能磁场的产生。目前此技术有相当多潜在的尖端应用，例如在需要高度稳定均匀的磁场应用上，如核磁共振；以及在需要动态行波以及纯磁场变化的领域，如电机、发动机和光电上利用磁开关的液晶。此技术也可应用于磁性挥发性记忆体，甚至应用于磁性CMOS的计算机。

毫无疑问的，技术人员可以想出许多有效的替代方案，但可以理解本发明并不仅限于此处所公开之实施例，本发明涵盖在所附权利要求内任何基于本发明精神实质所修改之实施例。

Claims

1.一种磁化超导体的方法，此方法包括自动地控制磁体以产生磁通量的波，该波临近所述超导体的表面，其中所述波是重复地施加于所述超导体以磁化所述超导体的周期波，并且其中在所述周期波的施加期间，所述波的幅值改变和/或所述波的上升时间和下降时间是不同的，其中所述超导体的所述磁化取决于所述超导体中感应生成的电流在该电流被感应生成之后的衰减，并且所述周期波的幅值小于所述超导体的饱和磁化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述超导被置于包含铁磁体或铁磁材料的磁路中，该方法还包括在所述磁化之中及之后调节磁路。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述调节是通过控制铁磁体或铁磁材料的温度实现的。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述调节还包括打开所述磁路。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述打开磁路是通过将所述铁磁体或铁磁材料加热至超过居里点实现的。

6.根据权利要求1-3中任意一条所述的方法，其中对所述磁体的所述自动地控制，产生临近所述超导体的表面产生磁通量驻波。

7.根据权利要求1-3中任意一条所述的方法，其中所述波的上升和下降时间是不同的。

8.根据权利要求1-3中任意一条所述的方法，其中所述波的施加时间，相对于施加驻波的间隔时间而言，差别大于10％、50％、100％或者200％。

9.根据权利要求1-3中任意一条所述的方法，其中所述磁体是电磁体，且所述超导体的所述磁化通过所述电磁体增加，从而在所述超导体的所述表面上，由该超导体产生的磁场，比在磁化的增加过程中由电磁体施加的最大磁场要强。

10.根据权利要求1-3中任意一条所述的方法，其中所述磁体是电磁体，且所述控制包括控制由该电磁体施加的磁场，从而所述磁场具有随时间变化的幅值的周期波形。

11.根据权利要求10所述的方法，其中幅值是随着时间流逝而减小的。

12.一种在磁场成像系统中控制超导体的磁化的方法，使用前述任意一条权利要求所述的方法。

13.一种磁化超导体的设备，包括用于自动地控制磁体在临近超导体表面处产生磁通量的波的装置，其中所述波是重复地施加于所述超导体以磁化所述超导体的周期波，并且其中在所述周期波的施加期间，所述波的幅值改变和/或所述波的上升时间和下降时间是不同的，其中所述超导体的所述磁化取决于所述超导体中感应生成的电流在该电流被感应生成之后的衰减，并且所述周期波的幅值小于所述超导体的饱和磁化。

14.根据权利要求13所述的设备，还包括磁路，其中所述超导体被置于该磁路中，及其中该设备还包括用于在所述磁化的改变过程之中和之后调节磁路的磁阻的装置。

15.根据权利要求13或14所述的设备，其中所述磁体是电磁体，该设备进一步包含用于控制由该电磁体施加的磁场，从而所述磁场具有随时间变化的幅值的周期波形的装置。

16.根据权利要求13或14所述的设备，其中所述用于自动地控制磁体以产生临近超导体的表面的磁通量的波的装置，包括用于在临近所述超导体的表面处产生磁通量的驻波的装置。

17.包含了权利要求13、14、15或16的设备的磁场成像设备。

18.一种控制超导体的磁化率的方法，通过自动地控制临近超导体表面处的磁通量的波的幅值，其中所述波是重复地施加于所述超导体以磁化所述超导体的周期波，并且其中在所述周期波的施加期间，所述波的幅值改变和/或所述波的上升时间和下降时间是不同的，其中所述超导体的所述磁化取决于所述超导体中感应生成的电流在该电流被感应生成之后的衰减，并且所述周期波的幅值小于所述超导体的饱和磁化。

19.一种控制超导体的最大磁化的方法，通过自动地控制临近超导体表面处的磁通量的波的幅值，其中所述波是重复地施加于所述超导体以磁化所述超导体的周期波，并且其中在所述周期波的施加期间，所述波的幅值改变和/或所述波的上升时间和下降时间是不同的，其中所述超导体的所述磁化取决于所述超导体中感应生成的电流在该电流被感应生成之后的衰减，并且所述周期波的幅值小于所述超导体的饱和磁化。

20.一种改变超导体的磁化的方法，包括如权利要求18或19所述的控制超导体的磁化，其中不同幅值的波在磁化的不同阶段被施加。

21.一种改变超导体的磁化的方法，该方法包括施加变化的磁通量的波，该变化的磁通量的波具有随着时间流逝而减小的幅值，其中所述波是重复地施加于所述超导体以磁化所述超导体的周期波，并且其中在所述周期波的施加期间，所述波的幅值改变和/或所述波的上升时间和下降时间是不同的，其中所述超导体的所述磁化取决于所述超导体中感应生成的电流在该电流被感应生成之后的衰减，并且所述周期波的幅值小于所述超导体的饱和磁化。

22.如权利要求21所述的改变超导体的磁化的方法，其中连续的所述改变的磁通量的波，具有连续减小的幅值。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述超导体的磁化的改变，包括了对所述超导体进行磁化。

24.根据权利要求18到23中任一条所述的方法，其中所述超导体被置于包含铁磁体或铁磁材料的磁路中，该方法还包括超导体的磁化过程之中和之后调节所述磁路。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述调节是通过改变所述铁磁体或铁磁材料的温度实现的。

26.根据权利要求24所述的方法，其中所述调节包括打开所述磁路。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述打开磁路是通过将所述铁磁体或铁磁材料加热到居里点温度以上实现的。

28.一种控制磁场成像设备中的超导体的磁化的方法，使用根据权利要求18到27中任一条所述方法。

29.改变超导体的磁化的设备，包括用于施加变化的磁通量的波的装置，其中所述波是重复地施加于所述超导体以磁化所述超导体的周期波，并且其中在所述周期波的施加期间，所述波的幅值改变和/或所述波的上升时间和下降时间是不同的，所述波的幅值随着时间流逝而减小，其中所述超导体的所述磁化取决于所述超导体中感应生成的电流在该电流被感应生成之后的衰减，并且所述周期波的幅值小于所述超导体的饱和磁化。

30.根据权利要求29所述的设备，还包括磁路，其中超导体被置于包含铁磁体或铁磁材料的磁路中，该设备还包括用于在超导体的磁化改变之中或之后调节磁路的磁阻的装置。

31.包含如权利要求29或30所述的设备的磁场成像设备。