CN105934805B - 用于俘获场磁体的激活的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于在超导材料中激活俘获场磁体的系统，所述系统可以包括：超导材料元件以及被布置成接近超导材料元件的电磁源。电磁源可以被配置成产生足以激活超导材料元件的磁场脉冲。超导材料元件可以被配置成保持基本上等于由磁场脉冲生成的磁场的俘获磁场。

Description

用于俘获场磁体的激活的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年1月22日提交的、标题为“用于俘获场磁体的激活的系统和方法”的美国临时专利申请No.61/929,982的优先权，其全部内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
本公开一般涉及超导俘获场磁体的激活以及相关的方法和系统。本公开还涉及这种磁铁在驱动应用中的使用。
背景技术
本文所用的章节标题仅用于组织的目的，并且不应当被解释为以任何方式限制所描述的主题。
磁体具有许多应用，包括例如将电能转换成机械能而没有显著能量损失的能力。因此，磁体是各种技术(例如，包括电动机和发电机)中的重要部件。创建它们自己的持续磁场的铁磁材料被认为是永磁体。永磁体在它们可以供应的磁场的大小方面是显著受限的。此外，具有最高磁场的永磁体由相对稀少并且有时候仅在全世界有限的地理区域中发现的材料组成。因此，永磁体昂贵并且对于在各种应用中的使用可以是成本高昂的。
此外，常规的永磁体电机和发电机具有功率约束，其中，可以传递的功率的量受到电机/发电机的尺寸和重量的限制。这导致对尺寸和/或重量设计参数的约束，这会是过度限制的。通常，因此永磁体的尺寸的缩减导致功率输出的降低，这是因为磁场强度的降低。因此，当在电机中使用普通的永磁体时，每单位体积的功率(即，功率密度)会显著地受到限制。因此，需要具有产生持续的磁场的潜能的替代材料，诸如不那么昂贵、产生更强的磁场和/或更轻的材料。
已经发现，当超导体展现出大的磁通钉扎力(flux pinning force)时，其可以“俘获(trap)”大的磁场，这可以产生准永磁材料。换句话说，当超导材料被放置在非常高的磁场中时，该材料可以被激活以复制该磁场，由此产生其自己的持续磁场。特别地，高温超导体(HTS)可以被激活以形成俘获场磁体(TFM)，并且当被冷却至可达到的操作温度时，所产生的磁场已经被确定为比它们的永磁体对应物的磁场更强。
虽然研究已增加了对HTS和TFM的理解，但是当前的TFM激活通常有以下限制：1)通过被放置在例如由非常大、昂贵且重的磁体(例如，永磁体或电磁体)生成的非常高的磁场中，并且然后被冷却至它们的操作温度，TFM可以被激活(这个过程被称为“场冷却激活”)；2)TFM可以被冷却并且随后经受高磁场(这个过程被称为“零场冷却激活”)；以及3)零场冷却激活可以通过使用磁场脉冲来进行(这个过程被称为“脉冲零场冷却激活”)。在后两种类型的激活中，TFM需要在激活和操作期间保持非常冷以保持俘获的磁场。
在创建和制造TFM方面仍然需要改进。例如，可能期望提供如下的用于TFM激活的系统和方法：该系统和方法不仅提供实用和有效的TFM激活，而且提供被完全激活的鲁棒的TFM。也可能期望提供依赖于减小的电能和加热的用于TFM激活的系统和方法。
发明内容
本公开解决上述问题中的一个或多个和/或实现上述期望的特征的一个或多个。根据以下的描述，其它的特征和/或优点将变得清楚。
根据本公开的各种示例性实施，用于在超导材料中激活俘获场磁体的系统可以包括超导材料元件和被布置为接近该超导材料元件的电磁源。该电磁源可以被配置成产生足以激活超导材料元件的磁场脉冲。该超导材料元件可以被配置成保持与磁场脉冲生成的磁场基本上相等的俘获磁场。
根据本公开的各种附加示例性实施例，用于在超导材料中激活俘获磁场的方法可以包括在接近于超导材料元件处生成至少一个磁场脉冲。磁场脉冲可以激活超导材料元件中的俘获磁场，该俘获磁场基本上等于由磁场脉冲生成的磁场。
根据本公开的各种其它示例性实施例，俘获场磁体可以包括超导材料元件。超导材料元件可以包括由被配置成激活超导材料元件的磁场脉冲生成的俘获磁场。俘获磁场可以基本上等于由磁场脉冲生成的磁场。超导材料元件还可以包括被配置成将超导材料元件的电流密度提高到阈值电流密度以上的多个钉扎(pinning)机构。
其它的目的和优点将部分地在下面的描述中进行阐述，并且根据该描述该部分将会是清楚的，或者可以通过本教导的实践来学习。本公开的目的和优点中的至少一些可以借助于在所附的权利要求中特别指出的元件和组合来实现和达到。
应该理解的是，前述的一般描述和以下的详细描述均只是示例性的和解释性的，而不是限制本公开和权利要求(包括等价物)。应当理解的是，本公开和权利要求在其最广泛的意义上可以在不具有这些示例性方面和实施例的一个或多个特征的情况下被实践。
附图说明
包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本公开的一些示例性实施例，并且与描述一起用于解释某些原理。在附图中：
图1是根据本公开的用于俘获场磁体(TFM)激活的系统的示例性实施例的图示视图；
图2是在图1的系统中使用的HTS的示例性实施例的放大局部截面视图；
图3示出了说明针对各种电磁电流IEM、作为跨图1的系统中使用的电磁体(EM)的径向位置r的函数的施加的激活磁场BA的图。
图4示出了说明针对各种施加的磁场BA、作为跨图1的系统中的Chem-PC HTS的径向位置r的函数的俘获的磁场BT的图。
图5示出了说明针对各种施加的磁场BA、作为跨图1的系统中的Combo-PC HTS的径向位置r的函数的俘获的磁场BT的图。
图6示出了说明在跨图1的系统中的Chem-PC HTS的各种径向位置r处、作为时间的函数的磁场BHTS，以及相应的作为时间的函数的施加的激活磁场BA的图。
图7示出了说明在跨图1的系统中的Combo-PC HTS的各种径向位置r处、作为时间的函数的磁场BHTS，以及相应的作为时间的函数的施加的激活磁场BA的图。
图8示出了说明针对各种电磁电流IEM、作为跨图1的系统中的Combo-PC HTS的径向位置r的函数的俘获的磁场BT的图。
图9示出了说明在中子照射之后作为用于Combo-PC HTS的U235含量的函数的俘获的磁场BT的图；
图10示出说明针对各种电磁电流IEM、作为跨图1的系统中的具有高的U235含量的HTS的径向位置r的函数的俘获的磁场BT的图；
图11示出了说明在跨图10的HTS的各种径向位置r处、作为时间的函数的俘获的磁场BT，以及相应的作为时间的函数的施加的电磁电流IEM的图；
图12示出了说明针对各种电磁电流、作为跨图1的系统中的具有中间的U235含量的HTS的径向位置r的函数的俘获的磁场BT的图；
图13示出了说明在跨图12的HTS的各种径向位置r处、作为时间的函数的俘获的磁场BT，以及相应的作为时间的函数的施加的电磁电流IEM的图；
图14示出了说明针对各种电磁电流、作为跨图1的系统中的具有低的U235含量的HTS的径向位置r的函数的俘获的磁场BT的图；
图15示出了说明在跨图14的HTS的各种径向位置r处、作为时间的函数的俘获的磁场BT，以及相应的作为时间的函数的施加的电磁电流IEM的图；
图16示出了说明作为针对各种HTS的施加的电流密度JC的函数的在GFL开始时和GFL完成时的俘获的磁场BT的图；
图17是根据本公开的磁电机的示例性实施例的示意视图；以及
图18是在图17的电机中使用的TFM组件的示例性实施例的放大视图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的各种示例性实施例，本公开的示例被示出在附图中。只要可能，相同的附图标记将在整个附图中被用来指代相同或相似的部分。
俘获场磁体(TFM)在许多应用中有很大的取代常规永磁体的潜能，并且当在相当低的温度下操作时，展现出比它们的永磁体对应物更强的磁场。通过示例的方式，TFM电机可以传递与常规的永磁体电机相同量的功率，但尺寸和重量显著减小。虽然研究已增加了对TFM的理解，但是仍然需要改进的TFM激活技术，这样的技术不要求例如将超导材料(即，超导体)暴露到例如由昂贵、大且重的磁体(即，永磁体或电磁体)生成的非常大的、恒定的磁场。这种使用高场电磁体的常规激活技术对于(例如当TFM损失它的磁场时)激活和/或重新激活在除实验室以外的场所中使用的应用内驻留的TFM是不切实际的。换句话说，在各种应用中，可能期望实现在现场或者在原位进行激活或重新激活，并且如果依赖于例如大的、重的永磁体或电磁体来这样做是不切实际的。
使用非常大的恒定磁场进行激活的替代方案是脉冲的磁场激活。脉冲的磁场激活可以使用小得多且轻得多的电磁体来激活TFM。然而，磁场脉冲还可能会生成使得TFM变热的热，使得它们损失其全部或部分的“俘获”场。因此，仍然需要改进的TFM激活技术(包括脉冲的激活技术)，该技术不仅提供实用且有效的激活，而且提供完全激活的TFM。为了实现这些目标，本文所述的用于TFM激活的系统和方法使用非常短的磁场脉冲，其需要较少的电能，并因此需要较小的能量供应，从而引起TFM的较少加热。此外，所需要的激活场的大小被显著地减小，这也减少了被用于生成激活场的磁体的成本和能量使用(因此也减少了由脉冲生成的热量)。
如本文中所使用的，术语“俘获场磁体”、“TFM”或其变体，是指具有显著的“俘获的”磁场的超导材料，从而产生准永磁材料。换句话说，TFM是已经被激活以复制暴露在其中的磁场从而产生TFM自己的持续磁场的超导材料。特别地，作为在液氮的沸腾温度(77K)以上变成超导的材料的高温超导体(HTS)可以被激活以形成TFM。在本公开的各种实施例中，例如，超导材料是块状HTS材料，诸如像钇钡铜氧化物(yttrium barium copper oxide，YBCO)。例如，由YBa2Cu3O7-δ组成的HTS在低于约93K的温度下变为超导。因此，根据本公开的由YBCO制成的TFM可以在低于约93K的温度一直降到约绝对零度的温度下进行操作。此外，在一般情况下，由TFM保持的磁场随着温度的降低而增加。
在各种附加的示例性实施例中，超导材料是HTS材料，诸如像RE1Ba2Cu3O7-δ其中RE选自钇(Y)、钕(Nd)、镧(La)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、铽(Tb)或它们的混合物。在各种其它的实施例中，HTS由Bi2Sr2CaCu2Ox；(Bi,Pb)2Sr2CaCu2Ox；Bi2Sr2Ca2Cu3Ox；(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox；HgBa2Ca2Cu3Oδ；HgBa2CaCu2O6；TICaBa2Cu2Ox；Tl2Ca2Ba2Cu3Ox；或Nd1+xBa2-xCu3Ox组成。然而，本领域的普通技术人员将认识到，本公开构思基于TFM的应用的用于在包括例如各种HTS材料的各种超导材料中激活TFM的系统和方法，并不旨在以任何方式限制到本文公开和要求的示例性材料。此外，本领域的普通技术人员将认识到，TFM的尺寸取决于应用。一般地，由于较大的TFM保持较高磁场的能力，因此较大的TFM是更期望的。在当前的应用中的TFM的直径的大小范围例如从约1.5cm到约10cm。然而，本领域的普通技术人员应该理解的是，也可以通过对激活技术进行适当的修改而使用较大的TFM。
如在本文中所使用的，术语“激活”，“使得激活”“被激活”及其变体是指发生了超导材料由于被暴露到磁场而从惰性材料转变成磁体。换句话说，超导材料可以被激活以变成TFM，并且TFM也可以通过重新激活而被激活，以便在第一次被激活之后维持和/或恢复它的磁场。当超导材料由于所施加的磁场达到其完全磁化潜能并且被认为饱和达到其最大俘获场时，该超导材料被完全激活。当超导材料被磁化但还没有达到其完全磁化潜能时，该超导材料被称为被部分地激活。此外，完全激活的TFM由于已知为蠕变(creep)的过程而逐渐损失其俘获场中的一些。通常，每十天时间蠕变造成场的大约3％到大约7％的损失。例如，在激活后一天具有2特斯拉的俘获场的TFM在激活之后大约十天会损失大约0.08特斯拉(4％)。通常，蠕变损失在一年后可以保持到大约20％的损失，十年后会有另外的4％的损失。TFM也会由于未能暴露到足以维持磁场的冷却而损失磁场强度并变得仅仅被部分地激活。
本公开的各种示例性实施例构思通过将超导材料元件暴露到由电磁源(诸如像电磁体)生成的磁场脉冲而在超导材料中激活俘获场磁体(TFM)的系统和方法。在各种实施例中，例如，超导材料元件(诸如像高温超导材料(HTS)元件)被布置为接近电磁源并且当电流流过电磁源时，该电磁源产生激活超导材料元件的磁场脉冲。与常规观念相反，本公开的各种实施例构思，例如超导材料元件可以保持与电磁源产生的磁场脉冲生成的磁场基本上相等的俘获的磁场。
例如，以Bean模型为代表的公认的理论预测：(1)能够具有最大的俘获场(BT,MAX)的TFM的激活要求二倍于BT,MAX的值或者更大的施加的磁场(BA)，以及(2)俘获场(BT)的大小将随着BA的大小单调递增直到其达到BT,MAX(参见例如,C.P.Bean,“Magnetization of High-Field Superconductors,”Rev.Mod.Phys.36,pp.31-39(1964))。然而，本公开的各种实施例构思，超导材料元件可以通过由电磁源产生的基本上等于BT,MAX的施加的磁场脉冲(BA)而被激活到它的BT,MAX。在各种实施例中，例如，随着施加的脉冲BA的大小增加，还出现非常大的、不连续的场增加(下文中被称为“巨场跳跃”(GFL))，这对于高的俘获场结束于靠近超导材料的完全激活状态BT,MAX时。以这种方式，本公开的系统和方法可以允许以较低的所需要的激活场来完全激活TFM，从而与那些常规用于TFM激活的相比需要较少的能量，基本上更小、更便宜和更轻的激活部件(例如，电磁源)，并且在TFM内产生更少的热。
根据各种实施例，超导材料元件可以包括钉扎中心，或者起到保持或“钉扎”俘获的磁场BT的作用的区域。这样的钉扎中心可以通过损伤元件的区域以创建非超导缺陷而在超导材料元件内人为地形成。在各种实施例中，例如，高能离子可以被用于在超导材料内创建破裂的柱状缺陷(例如，非超导材料的柱)。在各种示例性实施例中，如图2中所示，含铀化合物的沉积物140可以被添加到超导材料元件。然后，该元件可以被暴露于中子照射，这将导致沉积物中的一些U235原子裂变并发射高能离子，当高能粒子移动通过超导材料时创建损伤轨迹150。这些损伤轨迹或破裂的柱状缺陷充当钉扎中心。具有通过这种技术形成的钉扎中心的超导材料元件在本文中被引用为U/n-PC。
在各种附加实施例中，外来化学品的掺杂物可以被用于在超导材料元件内创建化学沉积物，这些化学沉积物也充当钉扎中心。具有通过这种技术形成的钉扎中心的超导材料元件在本文中被引用为Chem-PC。本领域的普通技术人员将理解的是，以上描述的钉扎中心仅仅是示例性的，并且本公开的系统和方法构思使用具有各种类型(即性质)、构造(即，几何结构)、和/或由各种方法和/或技术创建的天然的和人为二者的钉扎中心的组合的超导材料元件。
虽然不希望受特定理论的束缚，但是发明人相信GFL是电流密度Jc和俘获场BT的结果，它们一起在超导材料元件上创建大的内部力(洛伦茨力)，由此迫使磁通量从元件的一个区域朝向另一区域。因此，本发明人相信，在激活期间，当洛伦兹力高时(诸如像当具有高的Jc时，这进而可以产生高的BT)，超导材料元件将展现出GFL(并且因此在BT,MAX≈BA时实现基本上完全激活)。按照这个理论，例如，可以相信超过Jc和BT的最小阈值的任何TFM可以展现出GFL。根据各种实施例，例如，可以相信，超过大于或等于约15000A/cm2的Jc和大约0.5特斯拉的BT的任何TFM可以展现出GFL，并且随着Jc增大，GFL的大小增大。
因为超导材料元件具有诸如像U/n-PC、Chem-PC或者Chem-PC和U/n-PC的组合(在下文中被称为Combo-PC)、起到将超导材料元件的Jc和BT增大到以上的阈值水平之上的钉扎中心，因此它们可以在激活期间展现出GFL。换句话说，如果Jc和BT,MAX的乘积大于或等于大约15000A/cm2×.0.5特斯拉，则具有PC的超导材料元件可以在激活期间展现出GFL。
图1示出了根据本公开的用于TFM激活的系统100的示例性实施例的图示视图。系统100包括布置在两个电磁体104和106之间的超导材料元件102。如图1中所示，在各种示例性实施例中，超导材料具有盘的形状(例如，圆盘形状)并且被定位在电磁体104和106之间，使得在图1的配置中电磁体104在超导材料元件102的第一端之上并且电磁体106在超导材料元件102的相对端的下方。在各种示例性实施例中，超导材料元件102是如上所述的高温超导材料，诸如像钇钡铜氧化物。电磁体104、106可以是具有铁(或其它铁磁)芯的绕线电磁体，包括分裂场磁体。电磁铁104、106被布线以使得它们产生的场在相同的方向上。
在本公开的各种示例性实施例中，超导盘102包括钉扎中心，诸如像U/n-PC类型的破裂柱状钉扎中心150(参见图2)和Chem-PC类型的点钉扎中心(未示出)的组合或者Combo-PC。因此，如上所述，在激活期间，超导盘102可以展现GFL。以这种方式，如在下面针对被建造和测试的原型更详细地描述的(见下面的示例1)，在各种示例性实施例中，由电磁体104、106产生的单磁场脉冲可以基本上完全激活超导盘102以在BT,MAX≈BA时产生基本上完全激活的TFM。在各种示例性实施例中的脉冲持续时间的范围可以从约10ms到约30ms，但更短和更长的脉冲二者也是有效的。在各种实施例中，短脉冲是期望的，因为它使用较少的能量并引起TFM和在相关联的分裂磁体线圈中的较少的加热。
如在图1中进一步示出的，超导盘102的直径比电磁体104和106中的每一个的直径大，并且电磁体104、106被定位成基本上位于超导盘102的中心。因此，如在国际专利申请No.PCT/US2013/063710中描述的(该申请的全部内容通过引用的方式并入本文)，当电流(经由例如脉冲发生器120和/或电容器130)流过电磁体104、106时，电磁体104、106将各自产生仅在比超导盘102的物理横向尺寸小的区域内较大的磁场脉冲。换句话说，由电磁体104、106中的每一个产生的基本上所有磁场处于超导盘102的直径之内。
在本公开的各种示例性实施例中，系统100可以进一步包括将超导盘102维持在足够低的温度以允许TFM激活的机构。例如，系统100可以包括例如在大气压力下用液氮填充的低温恒温器(cryostat)110。超导材料102和电磁体104、106可以被布置在填充的低温恒温器110内以将超导材料102保持在足够低的温度，从而抑制被激活的TFM损失其磁场。冷却剂的较低的温度允许任何给定的TFM保持较高的场。
本领域的普通技术人员将理解，系统100仅是示例性的并且旨在说明根据本公开的用于TFM激活的系统的一个示例性实施例。因此，本领域的普通技术人员将理解，在系统100内利用的超导盘102和电磁体104、106可以例如基于特定的应用和期望的TFM的俘获场强度而具有各种形状、尺寸和/或构造，并且由各种材料形成。此外，虽然系统100利用电磁体104、106，但是根据本公开的系统构思使用本领域的普通技术人员已知的任何电磁源来产生磁场脉冲。此外，虽然系统100包括低温恒温器110以冷却超导材料102，但是根据本公开的系统可以利用本领域的普通技术人员已知的任何冷却装置、设备、结构、方法和/或技术，包括但不限于低温液体的蒸发的冷气体。
单脉冲激活
各种设计考虑以及它们对用于TFM激活的系统(诸如在图1中描述的系统)的操作的影响在下面针对类似于上述的系统100的利用来自电磁体的单磁场脉冲进行的超导材料元件的激活被描述。
示例1
具有根据在图1中图示描绘的示例性系统100的设置的原型被建造和测试以确认和研究所公开的示例性系统的激活能力。每个电磁体104、106是具有芯的绕线分裂场电磁体，其被配置成具有120匝的24规格(gauge)的铜磁体线。电磁体绕组的最外面的直径为约18mm，并且最里面的直径为约12mm(其由每个芯设置)。超导盘102由块状钇钡铜氧化物(YBCO)制成，具有20mm的直径，约8mm的轴向长度，并包含两种不同类型的钉扎中心中的至少一种：(1)Chem-PC，和(2)U/n PC。
如图1中所示，在各种实施例中，霍尔探头阵列108可以被布置在超导盘102和电磁体106之间以从系统100收集数据。在示例1中测试的原型中，霍尔探头阵列108包括7个探头并且被布置在超导盘102和电磁体106之间的1.4mm的间隙中，使得探头阵列108被夹在距离超导盘电磁体106和芯的表面大约0.7mm的地方。各个霍尔探头(未示出)以大约每1.15mm被间隔开以便覆盖超导盘102的10mm半径的从1.7mm到8.6mm的超导盘102的半径。使用AREPOCTM接口和由本发明人创建的接口二者将来自霍尔探头读数的数据记录在数据记录器(即，PC)112上。
两种脉冲类型可用于超导盘102的激活。第一种类型由脉冲发生器(在图1中被标记为120)产生，其驱动快速上升时间电流源(在图1中被标记为122)，该电流源具有20ms的上升时间、100ms的平顶、和20ms的下降时间。然而，如在国际专利申请No.PCT/US2013/063710中讨论的，已经发现在这种脉冲类型激活的情况下，高于40安培(A)的磁场脉冲加热电磁体104、106的线圈。因此，第二种类型的脉冲被用于通过使用来自额定为100伏(V)的0.125法拉(F)的电容器(在图1中被标记为130)的电容放电来生成较高的磁场脉冲(例如，高于40安培)。电路电阻为0.236Ω(±8％)并且电感是可忽略的。因此，电容放电脉冲的RC时间为约29.5ms。
示波器(在图1中被标记为114)被用于读取低电阻分路(在图1中被标记为116)两端的电压以用于校准研究和电流测量。例如，图3示出了当通过电磁体104、106的电流(IEM)在114A和427A之间变化时由电磁体104、106产生的场或者所施加的场(BA)的测量值。
所测试的第一种类型的超导盘102具有由Y2BaCuO5的化学沉积物组成的点钉扎中心(Chem-PC)，该点钉扎中心的直径通常小于一微米，并且在整个HTS样品中随机地分布。这些样品包含0.5wt％铂(Pt)的掺杂并且具有Jc≈11300A/cm2。为了便于说明，具有由化学沉积物形成的点钉扎中心的超导盘102将在以下被称为Chem-PCHTS。芯的存在增加了对于给定的Jc的值的俘获场。因此，当在不存在芯的情况下激活时，当通过激活的场冷却(FC)方法进行测量时，Chem-PC HTS在TFM的中心处具有俘获场的峰值BT,MAX(r＝0mm)≈0.59特斯拉(T)。并且，当在存在芯的情况下被激活时，Chem-PC HTS具有BT,MAX(r＝1.7mm)≈0.95T。
所测试的超导盘102的第二种类型如在第一种类型中一样具有化学沉积物(Chem-PC)，并且除此之外具有破裂的柱状钉扎中心(U/n-PC)。形成破裂的柱状钉扎中心的柱的每一个为几微米长，并且具有约2ξ≈6.2nm的直径，其中ξ是HTS相干长度(coherencelength)。如上所解释，柱由裂变离子形成，裂变离子产生由去氧的YBCO包围的无定形材料的不连续损伤痕迹。如图2中所示，例如，裂变离子被各向同性地发射，这导致高度展开(splayed)的准柱状钉扎中心(破裂的柱状钉扎中心)。如将被本领域的普通技术人员理解的，这样的柱状展开导致缠绕的全磁通，这增加了全磁通阵列的稳定性并造成约45000A/cm2至约50000A/cm2的JC。为了便于说明，具有由化学沉淀物形成的点钉扎中心和破裂的柱状钉扎中心二者的超导盘102将在下面被称为Combo-PC HTS。
当在不存在芯的情况下被激活时，在由激活的FC方法测量时，Combo-PC HTS在TFM的中心处具有俘获场的峰值BT,MAX(r＝0mm)≈2.207T。然而，用于FC激活的电磁体不能提供比这个高得多的测试场。因此，在存在芯的情况下，Combo-PC HTS的俘获场不能通过FC激活来直接地测量。因此，其被间接地估计为具有BT,MAX(r＝1.7mm)≈3.13T。
参考图4和图5，每个TFM的剩余场在所施加的磁脉冲早已完成，并且磁通流已经稳定到蠕变的时间行为特性的时候被研究。针对施加的场(BA)的变化的大小，(对于Chem-PCHTS和Combo-PC HTS二者)使用探头阵列108在脉冲之后两分钟收集关于作为跨超导盘102的径向位置r的函数的俘获的磁场(BT)的数据。
图4示出了针对范围从1.7T变化到2.33T的施加的磁场(BA)、作为跨Chem-PC HTS的径向位置r的函数的俘获的磁场(BT)的结果。如图4中所示，俘获场随着施加的场单调增加。换句话说，随着脉冲大小增加，所得到的俘获场增大而没有任何不连续。当例如用径向位置r和轴向位置z对圆柱形样品的有限轴向长度和所施加的场的变化进行校正时，这种增大以及曲线BT(r)的平滑的形状均与Bean模型一致。
图5示出了针对范围从1.44T到2.68T的施加的磁场(BA)、作为跨Combo-PC HTS的径向位置r的函数的俘获的磁场(BT)的结果。如图5中所示，随着脉冲大小被增加，所得到的俘获场初始非常类似于Chem-PC HTS地增长。然而，对于导致最终的峰值的约15％的俘获场峰值的施加的磁场，在低的r值处具有非常大的不连续性。这个观察到的不连续或巨场跳跃(GFL)与Bean模型相反，如上所述，Bean模型预测了随着BA的增加在趋向r＝0的情况下，BT(r)的峰值平滑上升，同时BA的峰值本身也平滑增加。通过对Combo-PC HTS的反复测试，发现在同一施加的场(即，在相同的线圈电流IEM时)处总是出现GFL，而不造成对YBCO块的任何损伤。此外，在五个类似的YBCO样品中看到基本相同的结果。
在与Bean模型的进一步的比较中，Combo-PC HTS的中心(r＝1.7mm)附近的俘获场的峰值与造成它的脉冲施加的场BA进行比较。如图5中所示，在霍尔探头108处测量的BT,MAX的值为近似2.10T。因此，在校正到表面值之后，确定在最接近Combo-PC HTS的中心(r＝1.7mm)的霍尔探头处的最大俘获场为大约2.73T。如上所述，Bean模型预测能够具有BT,MAX的TFM的激活需要二倍于BT,MAX的值的施加的磁场(BA)。因此，Bean模型预测的实现该激活所需要的最小施加的场是5.46T(即2×2.73T)。然而，与该预测不同，在霍尔探头108处测量的激活场BA为大约2.68，在其校正到表面值之后为约2.50T。因此，对于Combo-PC HTS，BA与BT,MAX的比被确定为大约0.92％，这在实验误差内与1：1的比一致，而不是由Bean模型预测的2：1的比。
如上所述，在存在芯的情况下，当通过激活的FC方法测量时，对于Combo-PC HTS，BT,MAX(r＝1.7mm)的希望的表面值在77K时为大约3.13特斯拉。然而，在原型测试期间达到的表面值是大约2.73T，这仅仅是希望的值的大约87％。然而确定的是，出现了大约3K的温度升高，这贡献了俘获场的13％的降低。
针对没有展现出GFL的Chem-PC HTS，BA与BT,MAX的比被确定为大约1.86，这在试验的误差内与Bean模型预测的≥2：1的比一致。
在施加的场穿透Combo-PC HTS的方面(order)还发现了另外的关于Bean模型的行为异常。Bean模型预测在块的各部分中的电流密度是零或JC。因此，如果HTS是被零场冷却(ZFC)激活的，则随着施加的场BA增加，场穿透和块的携带JC的部分首先开始于大的半径r处，并且朝向小的半径r前进。随着这种穿透出现，BT的峰值从大的r朝向r＝0前进，并且随着它的前进而增加。如图4中所示，对于Chem-PC HTS，这种行为在激活的整个范围上被观察到。然而，对于Combo-PC HTS，可以观察到在GFL之后在从r＝4mm到r＝6mm的区域中存在俘获场的低点或通量欠缺(flux deficit)，该欠缺将在多个施加的脉冲之后被填充。由于Bean模型要求在较低的r值可以被完全激活之前r～5mm被完全激活，因此在中间的r值处的这种通量欠缺被确定为由Combo-PC HTS展现的另一异常现象。
在施加的脉冲场期间这样的异常现象的存在被进一步研究以确定在GFL期间通量穿透的率。参考图6和图7，(对于Chem-PC HTS和Combo-PC HTS二者)使用探头阵列108收集关于在跨超导盘102的各种径向位置r处、作为时间的函数的HTS中的磁场BHTS的数据。还收集了关于相应的作为时间的函数的施加的磁场BA(时间)的数据。图3中所示的施加的场的测量是在YBCO块被移除的情况下进行的，以便将BA和YBCO的屏蔽效果区分开。在图6和图7中，使用如在图3中的数据，根据在YBCO在其适当位置的情况下测量的施加的电流(IEM)来得到(include)BA(时间)，以便确定突然的场改变“标记”可能出现的时间。
图6被包括以用于比较的目的并且示出了对Chem-PC HTS的时间研究；并且图7示出了对Combo-PC HTS(其中观察到GFL)的时间研究。在图6和图7中的每一个中的实线示出了作为时间的函数的施加的磁场BA，而在每个图中的其它线示出了在七个不同霍尔探头位置中的每一个处的作为时间的函数的BHTS。如图7中所示，在大约3ms之后，在屏蔽场中发生快速的非常大的下降，并且在r＝1.7mm和2.85mm的值处施加的场快速穿透HTS，而在4mm处这种变化较小。这样的穿透所需要的时间为约1至2ms。同时，在r＝5.15mm处的场显示出较小的通量跳跃(并且在一些样品中显示出通量减少)。
还如图7中所示的，可以进一步观察到HTS中的快速场改变还影响施加的电流(IEM)(根据其计算图7中所示的BA)，从而恰好在脉冲的峰值之前造成了施加的场的小的不规则性。在(恰好在脉冲的峰值之前的)该区域中的dBA/dt的近似值被用来估计在区域1.7<r<2.85mm中引起的电场，并且确定这个场大大超过HTS被驱动到电阻状态时的～1μV/cm的值。因此，可以确定的是在HTS从电阻状态退出时在非常短的时间段内出现GFL。
如上所述，虽然不希望受特定理论的束缚，但是可以相信GFL是由JC和BT的组合(洛伦兹力)造成的，该组合在HTS上创建大的内部力，该内部力迫使磁通量从HTS的一个区域朝向另一区域。如在图8中所示的，其示出了作为跨Combo-PC HTS的径向位置r的函数的俘获的磁场BT的结果，恰好在GFL之后，在中间r区域(从大约r＝4mm到大约r＝6mm)中的BT较低。根据上述理论，可以相信的是，在r＝4mm到r＝6mm的区域中的通量的小的欠缺发生在一点处，在该点处，在GFL之前Bean模型预测最大的俘获场和JC的逆转。JC的逆转使得洛伦兹力(FL)的方向发生逆转。然而，在Combo-PC HTS的情况下，大的FL似乎将磁通量从中间r区域推动到低r区域并由此创建通量欠缺。因此，可以相信Combo-PC HTS的大的FL可能是产生GFL的因素。如在图8中所看到的，当所施加的场超过GFL的阈值时，磁通欠缺将被填充。
示例2
由于上述的Combo-PC HTS和Chem-PC HTS样品之间的差异，使用在示例1中使用的相同的原型进行了进一步的实验，以便更好地确定用来获得超导材料元件的JC的钉扎中心(PC)几何结构(即，PC的类型和数量)的影响。这些实验的结果和结论在下面进行描述。
为了更好地理解用在超导材料元件中的PC的数量对GFL的影响，25个超导盘102被产生具有变化的U235含量。用于产生盘102的样品的U235的含量以每个样品的重量计从大约0变化到0.3％。然后将样品用热中子照射，基于样品的U235的含量，这产生变化数量的铀裂变，每个铀裂变在对应的样品中创建破裂的柱状损伤轨迹。因此，所产生的超导盘102在PC的数量上具有大的变化，并因此在JC和BT上具有大的变化。图9示出了说明作为样品的U235含量的函数的俘获的磁场BT的图。
每个超导盘102被测试以查看是否出现了GFL，并且如果出现了GFL，则了解出现GFL时的各种变量，包括例如阈值俘获场BThreshold和在GFL结束时的最大俘获场BEnd。如上所述，所有测量均在具有约77K的温度的液氮中并且在大气压力下进行。
图10示出了针对在图1的系统中的具有高U235含量的盘102、在致动脉冲之后两分钟所得到的俘获场BT，并且其展现出大约1.8特斯拉的BT,MAX(这是在这个实验中实现的最高的BT)。图10示出了针对从287安培变化到390安培的电磁电流IEM、作为跨盘102的径向位置r的函数的BT。如上所述，盘102的两个变量被特别指出并被指示在图10上：(1)BThreshold，其是恰好在GFL之前达到的最高场，以及(2)BEnd，其是恰好在GFL之后达到的最高场。图11示出了针对同一个盘102在时间标度上的数据。
以类似的方式，图12和图13示出了针对图1的系统中的具有中U235含量的盘102所得到的俘获场BT(其展现出约1.6特斯拉的BT,MAX)，并且图14和图15示出了针对图1的系统中的具有低U235含量的盘102所得到的俘获场BT(其展现出约1.3特斯拉的BT,MAX)。类似于图10，图12和图14示出了针对各种电磁电流IEM、作为跨每个对应的盘102的径向位置r的函数的BT，并且类似于图11，图13和图15示出了针对同一个对应的盘102在时间标度上的数据。
如在图16中所示，为了更好地理解GFL出现时的变量，针对每个盘102所得到的BThreshold和BEnd然后被绘制成JC的函数。BThreshold的各个实验点的每一个被示出为向上指的三角形，并且BEnd的各个实验点中的每一个被示出为向下指的三角形。如图16中所示，对于BThreshold和BEnd所得到的曲线的每一个形成JC的缓慢变化的函数，其中曲线之间的差代表GFL的大小。换句话说，图16的两条线之间的间隙代表GFL的大小(或者由于GFL造成的俘获场的改变ΔBT)，其被预计(project)随着JC的增加而增加。此外，基于绘制的数据，GFL的大小的粗略近似被发现是：
GFL的大小≡ΔB≈2特斯拉(JC-15000Acm-2)/35000Acm-2 [1]
基于该数据和由图16中的两条线所示的外推函数关系，发明人发现GFL不限于例如具有高的U235含量的非常高的电流的TFM(诸如像Combo-PC HTS)，而是适用于具有大于或等于约15000A/cm2的电流密度JC的任何TFM。但是，如图所示，在图16的外推部分中，对于低电流密度(例如，稍小于约15000A/cm2的JC)，GFL非常小，并因此当JC非常靠近GFL的开始处时难以进行观察。换句话说，由具有15000A/cm2或靠近15000A/cm2的JC的超导材料元件展现出的GFL将会仅仅导致Bean模型预测的非常轻微的失真。
这个发现被来自不具有U235含量的被照射的样品(无-U样品)的实验数据进一步证实。因为这些样品不具有U235含量，因此在照射过程中，当中子撞击这些样品的原子时，不形成柱状PC的阵列。然而，发生了释放出较少能量的若干其它的核相互作用，诸如像Y88+n→Y89+γ。Y89的小的反冲能量留下小尺寸(例如，一般为几nm)的钉扎中心(PC)。具有由这种技术形成的钉扎中心的超导材料元件在此被引用为Y89-PC。如通过实验所表明的，虽然Y89-PC没有由裂变碎片造成的破裂的柱状PC(即U/n-PC)那么有效，但它们也增加了超导材料元件的JC。在被照射的无-U样品中的Y89-PC例如将样品的JC从大约11300A/cm2(其是在以上的示例1中使用的未照射的Chem-PC HTS的特性)增加到大约22600A/cm2。
因此，基于以上发现，被照射的无-U样品的JC落在GFL被希望的区域内，其中希望的GFL大小是大约0.7T(参照图16)。当被照射的无-U盘102被测试时，它们也展现出GFL，其中观测到的大小是大约0.73T，这与预测的大小之间的不同完全在实验误差之内。因此，根据以上的发现，与被照射的U TFM一样，当被照射的无U TFM的特性JC大于约15000A/cm2时，被照射的无U TFM经受GFL。此外，它们的GFL的大小与被照射的U TFM的大小基本上相同。因此，结论是，GFL所需要的条件依赖于JC、BT或它们的组合，而不是依赖于用来获得所需要的最小JC、BT的PC的性质或几何结构。换句话说，结论是，针对满足或超过引起GFL所需要的JC和BT的最小值(即，JC≈15000A/cm2；BT≈0.5T)的任何TFM，GFL将会出现，而不依赖于用于获得JC的PC几何结构。因此，不管使用什么PC几何结构，只要洛伦兹力足够大，对于各种应用都可以获得GFL的益处。
然而，应当注意的是，如图16中所示，GFL所需要的JC和BT的上述最小值涉及通过使用图1的系统被激活的、直径约为2cm，轴向长度为0.8cm的TFM，并且TFM尺寸的变化和激活磁体几何结构也可能影响结果。对于这样的TFM(具有约2cm的直径)，由于GFL，可以发现当由范围从大约1.2T至大约6.6T的磁场脉冲进行激活时，TFM可以具有范围从大约0.6T到大约6.0T的俘获的磁场BT。但是，基于以上的结果，发明人还相信，被建模的GFL似乎表明对于任何尺寸半径r的TFM都会出现GFL，其中对于在上面的实验中使用的样品，洛伦兹力相对于r的导数等于或者大于在开始时洛伦兹力相对于r的导数。
总之，与以Bean模型为代表的公认的理论相矛盾，上述实验测试说明，针对具有高的JC和高的BT以及强的钉扎中心的超导材料元件，可以用具有与超导材料元件的最大俘获场的大小基本上相等的大小的单磁场脉冲将其激活到峰值场的大约87％(峰值通量的95％)。与Bean模型进一步矛盾的是，还观察到随着施加的场增加，俘获场不连续地增加，巨场跳跃(GFL)在靠近超导材料元件的完全激活状态时结束。此外，与Bean模型矛盾的是，在超导材料元件的中间半径区域处在激活期间观察到低点。
多脉冲激活
还使用在示例1和2中使用的相同的原型来进行实验，以确定多脉冲激活的效果，例如以便比较一系列非常短的磁场脉冲的激活能力与单磁场脉冲的激活能力。这些实验的结果和结论在下面进行描述。
示例3
已经发现，以恰好低于GFL的BA的值施加的多脉冲不生成巨场跳跃(GFL)。而根据在国际专利申请No.PCT/US2013/063710中公开的现象法则，多脉冲确实稍微增加了俘获场，但它不引起GFL。因此，可以确定以高于GFL阈值的BA的值的多脉冲可以稍微增加俘获场，如果它尚未被最大化的话。然而，针对BA在水平之上的显著增加以实现BT,MAX，多脉冲可能造成加热，这进而可以少量地降低俘获场，尤其是在低的r值处。如上所述，加热效应也可以导致BT,MAX的减小。
根据本公开的示例性实施例的用于在超导材料中激活俘获的磁场的示例性方法在下面的描述中参考图1的实施例进行阐述。在接近于超导材料元件102的地方至少一个磁场脉冲可以被生成，该超导材料元件102可以例如是固态超导盘或其它构造的形式。根据本公开的各种实施例，在超导元件102中的基本上等于由至少一个磁场脉冲生成的磁场的俘获的磁场被该至少一个磁场脉冲激活。在各种示例性实施例中，该至少一个磁场脉冲足以将超导材料元件102基本上完全激活为TFM。因此，如上面详细讨论的，与以Bean模型为代表的公认的理论不同，在各种实施例中，超导材料元件102中的俘获的磁场可以通过具有与超导元件的最大俘获场的大小基本上相等的大小的单磁场脉冲而被激活到峰值场的大约87％(峰值通量的95％)。
根据各种附加实施例，由至少一个磁场脉冲生成的大部分(例如，基本上所有)的磁场被包含在具有比超导材料元件102小的物理横向尺寸的区域内。参考图1的盘形实施例，例如，基本上所有的磁场处于比超导盘102的直径小的直径范围内。因此，如上所述，该至少一个脉冲磁场以局部的方式被施加到超导材料元件102的一部分，该脉冲磁场的大部分处于元件102的外周围边界之内。
在各种示例性实施例中，超导材料元件102可以被布置成接近电磁源，诸如像电磁体104、106(参见图1)，并且该至少一个磁场脉冲可以由电磁体104、106生成。在各种实施例中，例如，当电流(经由例如脉冲发生器120和/或电容器130)流过电磁体104、106时，电磁体104、106可以生成至少一个磁场脉冲。
在各种示例性实施例中，电磁体104、106可以生成单磁场脉冲，诸如像具有范围从约10ms或更短至约30ms或更长的持续时间的单磁场脉冲。在各种附加实施例中，电磁体104、106可以生成多个磁场脉冲。在各种实施例中，如例如在国际专利申请No.PCT/US2013/063710中公开的，例如，可以基于在超导材料元件102中的俘获的磁场的预测的量来选择生成的多个磁场脉冲。
如上所述，为了使超导材料元件102保持冷却以使得激活的TFM不会损失它的磁场，在各种实施例中，超导材料元件102也可以被冷却以维持足以维持超导材料元件102的激活的温度。在各种实施例中，如上所述，例如，超导材料元件102可以通过容纳超导材料元件102和电磁体104、106的低温恒温器110进行冷却，或者通过在低于大气压力处被维持以便降低其温度的液氮的封闭体积来进行冷却。
如在本文中公开的用于激活TFM的系统和方法具有许多应用，包括例如磁驱动设备，诸如像磁电机，其根据本公开可以在本领域的普通技术人员所熟悉的各种工业应用中使用。这样的应用可以包括但不限于液压泵、钻头和各种附加的旋转驱动轴，诸如像在石油和天然气工业中使用的顶部驱动机构。图17示出了根据本公开的磁电机200的一个示例性实施例。如图17中所示，电机200包括定子201和转子202。定子201具有齿203，在齿203上卷绕有载流线，该载流线被配置为提供电力以驱动电机200。转子202包括至少一个TFM组件，在图17的实施例中示出了八个TFM组件204。如在图18的放大视图中所示的，每个TFM组件204包括TFM 206和第一电磁体208(例如，分裂线圈电磁体的第一半)，其用于激活TFM。如图17中所示，定子201包括至少一个第二电磁体(例如，分裂线圈电磁体的第二半)，在图17的实施例中示出了八个电磁体205。因此，为了激活每个TFM 206，每个第二电磁体205与TFM206对齐(即，使得TFM 206被定位在电磁体205和208之间)，并且然后使得产生脉冲。
因此，利用本文所述的TFM系统的磁电机可以提供紧凑而鲁棒的磁电机，这提供了TFM的板载(onboard)或原位激活和/或重新激活。这样的系统可以例如在操作位于有挑战性和/或不可访问的环境中的工业旋转设备方面特别有利，诸如像在石油钻塔上，在其中尺寸约束常常限制常规永磁体电机的功率输出。然而，本领域的普通技术人员将理解，在图17和图18中示出的永磁电机仅仅是示例性的并且旨在说明本文公开的用于激活TFM的系统和方法的一个应用。因此，在不脱离本公开和权利要求的范围的情况下，本公开的系统和方法可以用在各种类型和/或构造的磁电机中，以及各种其它类型的应用中，包括但不限于浮动轴承、粒子束弯曲和聚焦、X射线和磁场设备、磁粒子分离、红血细胞的分离和/或水的净化。
在上面已经对各种示例性实施例进行了详细描述，然而，本领域的技术人员将容易地认识到，在不实质脱离本公开的情况下，许多修改在示例实施例中是可能的。因此，所有这些修改旨在被包括在下面的权利要求所限定的本公开的范围之内。
应该理解的是，在本文中示出和描述的各种实施例应当被看作示例性的。如在受益于本文的描述之后本领域技术人员将清楚的，元件和材料以及这些元件和材料的布置可以取代本文示出和描述的那些，并且其中的部分可以被颠倒。可以对本文描述的元件进行改变而不脱离本公开和下面的权利要求(包括它们的等价物)的精神和范围。
本领域的普通技术人员将认识到，可以对本文公开的示例性实施例的构造和方法进行各种修改，而不脱离本教导的范围。仅通过示例的方式，超导材料元件和电磁体的截面形状和相对尺寸可以被修改并且可以利用各种截面构造，包括例如圆形或椭圆形截面形状。
本领域的普通技术人员将认识到，相对于本文的一个示例性实施例公开的各种特征可以在进行适当修改的情况下与其它示例性实施例组合使用，即使这样的组合并未在本文中明确公开。
为了本说明书和所附权利要求的目的，除非另外指出，在说明书和权利要求书中使用的表示数量、百分比或比例的所有数字以及其它数值，应当被理解为在所有情况下被术语“大约”修饰。因此，除非有相反的指示，在书面的说明书和权利要求书中阐述的数字参数是可以依赖于本发明寻求获得的期望的性质而变化的近似。最起码，并且并非试图限制等同于权利要求的范围的教义的应用，每个数字参数至少应当根据所报告的有效数位的数量并通过应用普遍的舍入技术进行解释。
应该注意的是，如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非明确且毫不含糊地限制为一个指示物。如本文所使用的，术语“包括”及其语法变体旨在为非限制性的，使得列表中的项目的叙述不排除可以取代或添加到所列项目的其它类似的项目。
对于本领域技术人员将会是清楚的是，在不脱离本公开和所附权利要求的范围的情况下，对本公开的系统和方法可以进行各种修改和变化。对于本领域技术人员，根据在本文中公开的说明书的考虑以及公开内容的实践，本公开的其它实施例将是显而易见的。说明书和示例旨在仅被认为是示例性的。

Claims (29)

1.一种用于在超导材料中激活俘获场磁体的系统，所述系统包括：
超导材料元件；以及
电磁源，所述电磁源被布置成接近所述超导材料元件；
其中所述电磁源被配置成至少产生足以激活所述超导材料元件的单磁场脉冲以保持俘获磁场，以及
其中，响应于通过对超导材料元件施加单磁场脉冲而导致的激活，所述超导材料元件保持具有与由所述单磁场脉冲生成的磁场的量值基本上相等的量值的俘获磁场。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述超导材料是高温超导材料。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述高温超导材料是钇钡铜氧化物。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述超导材料元件包括钉扎中心。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述钉扎中心包括破裂的柱状钉扎中心。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述破裂的柱状钉扎中心由铀裂变发射的高能离子形成。
7.如权利要求4所述的系统，其中，所述钉扎中心包括点钉扎中心。
8.如权利要求1所述的系统，其中，响应于对超导材料元件施加单磁场脉冲，超导材料元件表现出至少15000A/cm2的电流密度。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述超导材料元件是盘形的。
10.如权利要求9所述的系统，其中，由所述单磁场脉冲生成的基本上所有磁场被集中在比超导材料的盘的直径小的直径之内。
11.如权利要求9所述的系统，其中，所述电磁源包括一对电磁体，并且其中超导材料的盘被布置在所述一对电磁体之间。
12.如权利要求11所述的系统，其中，每个电磁体包括具有铁磁材料的芯的绕线分裂场电磁体。
13.如权利要求1所述的系统，其中，所述超导材料元件的温度足以维持所述超导材料元件的激活。
14.如权利要求1所述的系统，还包括低温恒温器，所述超导材料元件和所述电磁源被布置在所述低温恒温器中，所述低温恒温器被配置为将所述超导材料元件保持在足以维持超导材料元件的激活的温度范围内。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述低温恒温器是在低于大气压力下操作的封闭系统。
16.如权利要求1所述的系统，还包括液体的蒸发气体，其中所述超导材料元件被布置在所述液体的蒸发气体中，所述蒸发气体被配置为将所述超导材料元件保持在足以维持超导材料元件的激活的温度范围内。
17.如权利要求1所述的系统，其中，在所述超导材料元件的激活期间，响应于对所述超导材料元件施加单磁场脉冲，所述超导材料元件所表现出的电流密度在所述超导材料元件中产生不连续的场增加。
18.如权利要求17所述的系统，其中，在所述不连续的场增加的结束之处，所述俘获磁场接近所述超导材料元件的最大俘获场。
19.一种用于在超导材料中激活俘获磁场的方法，所述方法包括：
生成单磁场脉冲以创建作用于超导材料元件的磁场，
其中所述单磁场脉冲激活超导材料元件中的俘获磁场，所述俘获磁场的量值基本上等于由所述单磁场脉冲创建的磁场的量值。
20.如权利要求19所述的方法，还包括改变所述超导材料元件的U235含量以及将超导材料元件暴露于中子照射。
21.如权利要求20所述的方法，其中，改变U235含量包括改变所述超导材料元件的电流密度。
22.如权利要求19所述的方法，其中，生成所述单磁场脉冲包括用电磁源生成单磁场脉冲。
23.如权利要求22所述的方法，其中，生成所述单磁场脉冲包括使电流流过所述电磁源以生成所述单磁场脉冲。
24.如权利要求19所述的方法，其中生成所述单磁场脉冲将所述超导材料元件完全激活为俘获场磁体。
25.如权利要求19所述的方法，其中，由所述单磁场脉冲生成的基本上所有磁场被集中在具有比所述超导材料元件小的物理横向尺寸的区域之内。
26.如权利要求19所述的方法，还包括将所述超导材料元件维持在足以维持所述超导材料元件的激活的温度。
27.一种俘获场磁体，包括：
超导材料元件，所述超导材料元件包括：
由足以将所述超导材料元件激活成俘获场磁体的单磁场脉冲生成的俘获磁场，其中所述俘获磁场的量值基本上等于由所述单磁场脉冲生成的磁场的量值，以及
多个钉扎中心，所述多个钉扎中心被配置成，响应于对所述超导材料元件施加单磁场脉冲，将所述超导材料元件的电流密度至少提高到用于在超导材料元件中产生不连续的场增加的阈值电流密度。
28.如权利要求27所述的磁体，其中，所述阈值电流密度为15000A/cm2。
29.如权利要求27所述的磁体，其中，当所述磁场脉冲的范围从1.2特斯拉到6.6特斯拉时，所述俘获磁场的范围从0.6特斯拉到6.0特斯拉。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2904618A4 (en) 2012-10-08 2016-06-01 Nat Oilwell Varco Lp PULSED ACTIVATION OF MAGNETS IN A REMANENT FIELD
CN109872857B (zh) * 2019-02-14 2021-07-27 中国电力科学研究院有限公司 低温背场磁体及高温超导单元交流损耗测量装置

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2275053A1 (fr) 1974-06-17 1976-01-09 Fiz Energet Inst Compensateur synchrone avec refroidissement cryogenique
US4996192A (en) * 1989-07-17 1991-02-26 General Electric Company Y-Ba-Cu-O superconductor containing radioactive dopants
US7667562B1 (en) 1990-02-20 2010-02-23 Roy Weinstein Magnetic field replicator and method
US5087606A (en) * 1990-05-29 1992-02-11 General Electric Company Bismuth-containing superconductors containing radioactive dopants
US5306701A (en) 1991-02-28 1994-04-26 California Institute Of Technology Superconducting magnet and fabrication method
JP3172611B2 (ja) 1992-11-30 2001-06-04 株式会社イムラ材料開発研究所 超電導体の着磁装置
JP3646427B2 (ja) * 1996-08-30 2005-05-11 アイシン精機株式会社 超電導体の着磁方法及び超電導磁石装置
JP3646426B2 (ja) * 1996-08-30 2005-05-11 アイシン精機株式会社 超電導体の着磁方法及び超電導磁石装置
JP3726360B2 (ja) * 1996-06-19 2005-12-14 アイシン精機株式会社 超電導磁石装置
US6111490A (en) 1996-06-19 2000-08-29 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Superconducting magnet apparatus and method for magnetizing superconductor
US6083885A (en) 1997-01-14 2000-07-04 Weinstein; Roy Method of forming textured high-temperature superconductors
US6621395B1 (en) * 1997-02-18 2003-09-16 Massachusetts Institute Of Technology Methods of charging superconducting materials
US6281773B1 (en) 1998-07-17 2001-08-28 Picker International, Inc. Magnetizing magnet
JP2000053419A (ja) * 1998-08-06 2000-02-22 Internatl Superconductivity Technology Center 高電磁力を有する超電導体及びその製造方法
JP3540969B2 (ja) * 1999-10-14 2004-07-07 株式会社イムラ材料開発研究所 超電導体の着磁方法
JP4152898B2 (ja) * 2003-01-09 2008-09-17 国立大学法人福井大学 バルク超電導体の着磁装置、着磁方法及び超電導同期機
WO2004064231A1 (ja) * 2003-01-09 2004-07-29 University Of Fukui 超電導体の着磁装置及び超電導同期機
JP4793801B2 (ja) * 2004-08-30 2011-10-12 国立大学法人東京海洋大学 超電導体への最適化された着磁方法
JP2006332499A (ja) * 2005-05-30 2006-12-07 Iwate Univ バルク超電導体のパルス着磁方法及び超電導磁石装置
US7498915B1 (en) 2005-11-18 2009-03-03 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Application of superconductive permanent magnets
CN103176145B (zh) * 2011-12-20 2015-11-18 北京有色金属研究总院 块状高温超导体俘获磁场测量装置及方法
EP2904618A4 (en) 2012-10-08 2016-06-01 Nat Oilwell Varco Lp PULSED ACTIVATION OF MAGNETS IN A REMANENT FIELD

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Study of Pulsed Activation of Trapped Field Magnets—Part 1: Effects of Pulse Height and Creep;Drew Parks e tal;《IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY》;20130601;1-5
Measurements of flux pumping activation of trapped field magnets;RoyWeinstein e tal;《SUPERCONDUCTOR SCIENCE AND TECHNOLOGY》;20101008;1-7
Production run of 2 cm diameter YBCO trapped field magnets with surface field of 2 T at 77 K;Ravi-Persad Sawh e tal;《SUPERCONDUCTOR SCIENCE AND TECHNOLOGY》;20130827;1-7

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