CN111292914A - 用于给hts匀场装置充电的方法和磁体布置系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于利用充电装置(1)给设置在带有室温孔(4)的低温恒温器(3)中的超导电磁线圈的HTS匀场装置(2)充电的方法，所述HTS匀场装置(2)包括至少一个超导闭合的HTS匀场导体线路(C)和用于在HTS匀场导体线路(C)的一个部段中暂时中断超导状态的匀场开关(S)，其特征在于，所述充电装置(1)包括至少一个具有至少一个常导的充电线圈(P)的初级电路并且所述HTS匀场导体线路(C)构成次级电路，通过由充电线圈(P)产生的穿过由次级电路的磁通量的变化实现次级电路中的电流变化，在第一阶段中按任意的顺序至少暂时断开匀场开关(S)，用于在HTS匀场导体线路(C)的一个部段中中断超导状态，将充电线圈(P)定位到室温孔(4)中，并且至少对初级线圈中的电流进行改变；在第二阶段中，通过闭合所述匀场开关(S)使HTS匀场导体线路(C)超导闭合；并且在第三阶段中，在所述匀场开关(S)闭合的情况下，改变初级线圈中的电流和/或将充电线圈(P)从室温孔(4)中移出。

Description

用于给HTS匀场装置充电的方法和磁体布置系统
技术领域
本发明涉及一种用于利用充电装置给设置在具有室温孔的低温恒温器中的超导电磁线圈系统的HTS(＝高温超导体)匀场装置充电的方法，所述HTS匀场装置具有至少一个超导闭合的HTS匀场导体线路和用于在HTS匀场导体线路的一个部段中暂时中断超导状态的匀场开关。此外，本发明还涉及一种用于执行根据本发明的方法的磁体布置系统。
背景技术
在[03]中记载了一种HTS匀场装置和用于给所述HTS匀场装置充电的方法。
例如由[01]、[02]、[03]和[09]已知超导闭合的HTS线圈，所述HTS线圈可以在电磁线圈系统中作为主磁体或主磁体的部分用于产生主磁场。
为了给作为主磁体在电磁线圈系统中使用的超导线圈充电，已知不同的充电方法。根据[05]、[06]、[07]、[08]和[10]，为了给主磁体充电例如可以使用磁通泵。通过使用磁通泵将充电过程分成多个循环。但这会导致出现高充电时长。
[12]公开了一种用于MRI主磁体的充电方法，其中，初级电路包括第一线圈，所述第一线圈的供电装置与第一开关并联。与第一线圈并联地连接第二线圈，第二线圈可以通过第二开关接通。第一线圈在一个实施形式中可以设置在低温恒温器中。第二线圈总是设置在低温恒温器之外，就是说设置在室温区域中并且与主线圈感应耦合。即使在利用[12]中记载的方法执行多个充电斜坡(Laderampe)之后也可能无法在主磁体中实现明显的电流提高。
由[13]已知一种磁体布置系统，所述磁体布置系统具有主磁体，所述主磁体既具有LTS(＝低温超导体)线圈，也具有HTS线圈，所述HTS线圈通过感应耦合利用LTS线圈充电。
HTS线圈特别是也用作匀场线圈，用于使主磁场均匀化，因为由HTS材料制成的匀场线圈能够改进HTS主磁体的磁场均匀度，其工作场或工作温度不允许将LTS材料用于匀场线圈。特别是由HTS涂层的导体线路[01]、[02]、[03]制成的超导闭合的匀场线圈的优点是，这种匀场线圈能够承载持续的电流，就是说不需要用于保持电流的电源装置。通过直接连接到电源装置上实现给这种线圈充电。为此，中断超导的匀场电流循环，其方式是，断开超导开关。利用与超导开关并联的电源装置直接将电流送入匀场电流循环中。在超导开关闭合之后，电流在匀场电流循环中持续流动并且电源装置的电流降低。由HTS涂层的导体线路组成的持久的匀场线圈由于其较小的电感，与具有多匝绕圈的卷绕的匀场线圈相比，通常需要明显更大的电流用来产生确定的场强。由[03]已知的充电方法因此具有这样的缺点，即，尺寸相应较大的供电线路会将很多热量从外部导入低温恒温器上。此外，在至少部分常导的供电线路中的高电流在充电过程期间附加地产生焦耳热。在浴冷却的低温恒温器中，这会导致低温浴更为快速的蒸发。在主动冷却的低温恒温器中，必须使用具有相应更高冷却功率的低温冷却器。
[11]公开了一种具有匀场线圈的布置系统，所述匀场线圈感应式地由主磁体充电，从而避免了通过供电线路发生的热输入。
由于HTS涂层的导体线路的特殊的拓扑结构(相对于由金属丝绕成的匀场线圈)，实际上无法实现多个这种导体线路之间良好的感应脱耦，因此，多个匀场线圈的充电难以进行。在[04]中公开了一种超导的磁体布置系统和一种充电方法，所述磁体布置系统和充电方法使得可以通过共同的电流供应线路同时给多个感应耦合的匀场线圈充电。但这种电路需要专门的适用于低温的半导体开关(例如MOSFET)以及附加的用于调节最终电流的测量电阻。由于附加的信号和控制线路导致的布线和对匀场线圈的控制非常复杂。此外，精确的电流调整所需的对超导开关时间上精确的切换也很难实现。
发明内容
因此本发明的目的是，提出一种用于给持续的HTS匀场装置充电的方法，其中可以抑制相低温恒温器中的热输入并且利用少量材料消耗就实现了以确定的期望电流对HTS匀场导体线路进行高效充电。此外，应提出一种具有充电装置的磁体布置系统，利用所述充电装置能相应地给HTS匀场装置充电。
根据本发明，所述目的通过根据权利要求1的方法以及通过根据权利要求9的磁体布置系统来实现。
根据本发明，所述充电装置包括常导的充电线圈、至少一个供电装置和供电线路，并且所述充电装置构成至少一个初级电路。所述HTS匀场装置包括HTS匀场导体线路和匀场开关并且构成次级电路。在次级电路中，感应式地通过由充电线圈产生的通过由HTS匀场导体线路包围的面的磁通量的变化实现改变电流(次级电流变化)，在第一阶段中按任意的顺序至少暂时断开匀场开关，以便在HTS匀场导体线路的一个部段中中断超导状态，将充电线圈定位到低温恒温器的室温孔中，并且至少对初级线圈中的电流进行改变。在第二阶段中，通过闭合所述匀场开关使HTS匀场导体线路超导地闭合。在第三阶段中，在所述匀场开关闭合的情况下，改变初级线圈中的电流和/或将充电线圈从室温孔中移出。在第一和第二阶段中初级电路中电流的改变在下面称为初级电流调整。通过所述方法，这样充电的HTS匀场装置的磁场与电磁线圈系统的主磁体的磁场叠加，从而对电磁线圈系统在工作空间中产生的磁场的空间分布和/或空间均匀性进行调整。
根据按本发明的方法，感应式地给HTS匀场装置充电。为此，使用常导的充电线圈，所述充电线圈设置在低温恒温器的室温孔中。由此，除了匀场开关的热量，防止出现向低温恒温器中的热输入。所述充电线圈由供能装置供电，所述供能装置位于低温恒温器之外。将充电线圈定位在室温孔中优选通过在第一阶段中将充电线圈导入室温孔来实现或者这样来实现，即充电线圈在前面的充电过程中没有从室温孔中移出。
在断开匀场开关时，尽管次级电流保持电短接，但在匀场开关的区域中是常导或有电阻的。这例如可以通过在匀场开关的区域中进行温度加载来实现。备选或附加地，也可以使超导的次级电路中断，其方式是，在匀场开关的范围内产生强磁场或电磁交变场。在匀场开关闭合时，次级电路超导闭合。
向次级电路中送入电流、即实际的充电过程在第三阶段中在匀场开关闭合的情况下进行。这里作为改变由充电线圈产生的通过HTS匀场导体线路包围的面的磁通量的结果感应式地调整次级电路中的电流。
第一阶段用于对在第二阶段之后或在第三阶段之前穿过由超导闭合的HTS匀场导体线路包围的面的磁通量进行适配调整。这个磁通量由充电线圈和HTS匀场导体线路之间的互感与在充电线圈中流动的电流(初级电流)的乘积得出。这样，例如可以利用初级电流调整在第一阶段中将磁通量调整到这样的值，所述值在完全消除这个磁通量时(通过充电线圈完全放电和/或从室温孔中移除充电线圈)在第三阶段中在匀场开关闭合时恰好导致在HTS匀场导体线路中感应生成希望的期望电流。必要时，在第一阶段中可以附加地进行初级电流调整，以便检查次级电路的放电(见下文)。
为了在磁体线圈系统中实现希望的磁场分布必须在匀场线圈中流动的期望电流通常如下所述确定。利用磁场传感器(例如霍尔传感器或NMR试样)首先测量在工作空间中由主磁体产生的磁场。然后基于匀场线圈的几何形状计算，以怎样的电流使不同的匀场线圈产生按希望对在工作空间中测得的磁场进行调整或修正的磁场。
优选在第三阶段中使初级电流降低到0和/或将充电线圈完全从室温孔中移出。
在使得次级电路的位置处的磁通量改变(通过向室温孔中引入通电(有电流流过)的充电线圈或通过调整(改变)初级电路中的电路)之前，优选在第一阶段中打孔匀场开关。以这种方式避免的，在第一阶段中就已经在次级电路中感应产生电流，这种电流在断开匀场开关时可能导致散热。
在正常情况下，存在多种沿轴向将充电线圈定位在室温孔中并实现与HTS匀场导体线路足够强的感应耦合的可能性。优选选择这样的位置，在所述位置处，在所述充电方法期间，充电线圈中的初级电流的极性多数情况是这样的，即，充电线圈的杂散磁场与主磁体的线圈的位置处的磁场相反。由此确保了，超导的主磁体在给HTS匀场装置充电期间并不重要，就是说，其超导载流能力不会降低。
优选在充电过程之后将充电线圈重新从室温孔中移出，从而这个位置可以提供给其他要在该装置中执行的测量所需的部件、如例如室温匀场器件或探头。
在根据本发明的方法的一个优选方案中，在第一阶段中，为了建立初级电路中的电流，使初级电路中的电流升高，并且为了适应性调整初级电路中的电流，在第三阶段中使初级电路中的电流降低。特别是如果初级电流在第一阶段从0A开始升高并在第三阶段中降低到0A，从而在充电过程之后充电线圈是无电流的并且不再需要通过供电装置馈电，则这个方案是有利的。
特别有利的是，为了对次级电路进行放电，在第一阶段中，在次级电路超导短路闭合时，这样调整充电线圈中的电流，使得次级电路中的电流降低到0。HTS匀场装置先前的完整放电是有利的，因为否则存储在HTS匀场导体线路中的能量可能通过以后断开的匀场开关的电阻作为热量散发。
这个放电过程优选在匀场开关闭合的第一过程中构成唯一的初级电流调整。
在根据本发明的方法的一个特殊的方案中，在第一阶段中在匀场开关断开之后实现初级电路中的电流的至少一次改变。此时，可以在第三阶段通过正负相反的初级电流调整对次级电路进行充电，特别是通过使初级电路降低到0或通过从室温孔中移除通电(有电流流过)的充电线圈来对次级电路进行充电。
在一个特别优选的变型方案中，所述HTS匀场装置包括n>1个HTS匀场导体线路，这些HTS匀场导体线路分别与一个匀场开关形成一个次级电路，所述次级电路的各所述HTS匀场导体线路感应地相互耦合。
首先确定各次级电路的匀场开关的开关断开和开关闭合的次序和初级电路中的电流变化的次序。此时，在所确定的次序之内次级电路的匀场开关的每个最后一次闭合之后，执行对初级电路中的电流的改变，对于各过程的所确定的顺序，这样来计算在初级电路中进行的电流变化的大小，使得所有通过改变初级电路中的电流和通过开关断开而在每个次级电路中感应产生的电流对应于期望电流，此时对HTS匀场导体线路相互间的感应耦合和充电线圈与HTS匀场导体线路之间的感应耦合加以考虑。
传统上，同时对感应耦合的HTS匀场导体线路进行充电，因为在顺序执行的充电方法中，电流进入一个HTS匀场导体线路也会改变耦合的其他HTS匀场导体线路中的电流。与此相对，根据本发明，按顺序对HTS匀场导体线路进行充电(根据确定的次序进行开关断开、闭合和初级电流调整)，在HTS匀场导体线路中的次级电流变化期间，由于感应耦合，其他HTS匀场导体线路中的电流也发生改变。根据本发明在计算初级电流调整时考虑HTS匀场导体线路相互间的耦合和耦合的HTS匀场导体线路中与此相关的电流变化。这个变型方案特别是允许通过单一的充电线圈给多个次级电路充电。
优选的是，在一个次级电路的匀场开关在所述次序之内最后一次闭合之后，在另一个次级电路的匀场开关在所述次序之内最后一次闭合之前，对初级电路中的电流进行改变。以这种方式确保了，为了计算初级电流调整的大小而要解的方程组有解。
在所述次序之内，优选首先使HTS匀场导体线路与其他HTS匀场导体线路感应耦合最弱的次级电路的匀场开关最后一次闭合。由此使耦合效应最小化。
在一个特殊的方案中，对多个具有m>1个不同的充电线圈的初级电路中的电流进行改变，所述充电线圈与HTS匀场导体线路感应耦合。
本发明还涉及一种磁体布置系统，所述磁体布置系统设置成用于执行前面所述的方法的，所述磁体布置系统包括：具有室温孔的低温恒温器；设置在所述低温恒温器中的超导的电磁线圈系统，所述电磁线圈系统具有主磁体和HTS匀场装置，所述HTS匀场装置具有至少一个用于对由电磁线圈系统在工作空间中产生的磁场的空间分布进行调整和/或用于使由电磁线圈系统在工作空间中产生的磁场均匀化的HTS匀场导体线路，所述HTS匀场导体线路构造成围绕主磁体纵轴线的匝数为0的能超导短接的HTS线圈，所述HTS匀场装置还包括用于在HTS匀场导体线路的一个部段中暂时中断超导状态的匀场开关。根据本发明，所述磁体布置系统包括充电装置，所述充电装置包括：至少一个常导的充电线圈、至少一个供能装置和供电线路，所述充电线圈、供能装置和供电线路一起构成至少一个初级电路，所述充电线圈设置在或能够临时设置在低温恒温器的室温孔中，所述HTS匀场导体线路和所述匀场开关构成次级电路，所述充电线圈和HTS匀场导体线路设置成相互感应耦合。
优选充电线圈与所述匀场开关之间的电流互感比|M/LS|≥0.01，优选≥1，其中M表示充电线圈与HTS匀场导体线路之间的互感，而LS表示HTS匀场导体线路的自感。这个数量级的电流互感比保证了，充电线圈不必以过大的电流工作并且可以使用相应简单的供能装置。
HTS匀场装置的HTS线圈以闭合的HTS匀场导体线路的形式存在，其超导状态能通过超导的匀场开关中断。HTS匀场导体线路包括HTS层并且形成(关于主磁体纵轴线)匝数为0的超导闭合的线圈。
磁体布置系统的低温恒温器如果是浴冷却的，则包括：具有外壳和内管的氦容器，在所述外壳和内管之间是液态氦。所述HTS匀场导体线路优选设置在低温恒温器的氦容器内管的内侧上(即沿径向在氦容器的内部)，从而HTS匀场导体线路处于真空空间中并通过与氦容器接触而得到冷却。
充电线圈可以构造成螺线管线圈。优选所述充电线圈由导电良好的材料、特别是铜丝卷绕而成。
由于充电线圈根据本发明设置在低温恒温器的室温孔中，不需要从室温区域中的供能装置进入低温恒温器的供电线路。由此，完全避免了与此相关的进入低温恒温器的热输入。此外，在低温恒温器中不必设置用于充电线圈和供电线路的位置。
充电线圈具有充电线圈纵轴线，所述充电线圈纵轴线至少在第三阶段中平行于、特别是同轴于主磁体纵轴线(就是说，充电线圈纵轴线＝主磁体纵轴线)定向。这个实施形式是特别有利的，因为当充电线圈和HTS匀场导体线路具有相同的对称性、相同的对称轴线或平行的对称轴线时，可以优化充电线圈和HTS匀场导体线路之间的耦合。这里就是这种情况，因为HTS匀场导体线路通常在具有主磁体纵轴线作为对称轴线的圆柱表面上延伸。由于较强的耦合，此时，充电线圈可以以较小的电流工作。
在一个特殊的实施形式中，所述HTS匀场装置具有多个次级电路，至少两个不同的次级电路的HTS匀场导体线路设置成与相同的充电线圈感应耦合。就是说，所述充电线圈形成共同的用于多个次级电路的充电线圈。优选HTS匀场装置的所有次级电路的HTS匀场导体线路设置成，与相同的充电线圈感应耦合。当室温孔中的位置有限时，使用单一的充电线圈给整个HTS匀场装置充电是特别有利的。
在一个备选实施方案中，所述HTS匀场装置具有多个次级电路，而所述充电装置具有多个充电线圈，不同的充电线圈设置成分别与不同的次级电路的不同的HTS匀场导体线路感应耦合。由此使得能同时给多个次级电路充电。
在一个特殊的实施形式中，所述充电装置具有磁场传感器，所述磁场传感器沿径向设置在充电线圈的内部。优选磁场传感器设置成用于在电磁线圈系统的工作空间中测量磁场。磁场传感器例如可以是霍尔传感器或NMR探头。由此，一方面可以测量HTS匀场装置尚未充电的电磁线圈系统的磁场，以便确定HTS匀场导体线路必要的期望电流。另一方面，可以检查在充电方法期间和之后HTS匀场导体线路对电磁线圈系统的磁场的影响。
在另一个有利的实施形式中，所述匀场开关包括电加热元件，在所述电加热元件中能够通过与低温恒温器的室温孔中的初级线圈的感应耦合而感应生成加热电流。这个实施形式的优点是，匀场开关能够在没有从外部进入低温恒温器的供电线路并且因此没有与此相关的向低温恒温器的热输入的情况下运行。
附图说明
本发明其他的优点由说明书和附图中得出。同样，前面所述的和还将进一步说明的特征根据本发明可以分别本身单独地或者以多个任意的组合使用。所示和所述的实施形式不应理解为穷尽的列举儿，而是更多地具有示例性的特点，用于说明本发明。
图1示出根据本发明的磁体布置系统。
图2示出根据第一实施形式的HTS匀场装置和根据本发明的磁体布置系统的充电线圈的透视图，其中，HTS匀场装置具有单一的次级电路并且同轴于充电线圈设置。
图3示意性示出在第一阶段中次级电路不放电的情况下根据本发明的充电方法的不同方法步骤。
图4示意性示出在第一阶段中次级电路放电的情况下根据本发明的充电方法的不同方法步骤。
图5示出根据一个实施形式的根据本发明的磁体布置系统的HTS匀场装置和充电装置的电路图，其中，所述HTS匀场装置具有多个感应耦合的次级电路，这些次级电路可以通过一个共同的充电线圈充电。
图6示出根据一个实施形式的根据本发明的磁体布置系统的HTS匀场装置和充电装置的电路图，其中，所述HTS匀场装置具有多个感应耦合的次级电路，这些次级电路可以通过多个充电线圈充电。
图7示出在充电线圈(点虚线)和在两个HTS匀场导体线路(虚线和点划线)中的电流分布的示例。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的磁体布置系统。该磁体布置系统包括低温恒温器3，所述低温恒温器具有室温孔4。用于产生主磁场的主磁体5和用于对主磁场进行适配调整或均匀化的HTS匀场装置2位于所述低温恒温器3中，所述主磁体具有主磁体纵轴线z。为了给HTS匀场装置2充电，设有充电装置1，通过所述充电装置可以感应式地给HTS匀场装置2充电。所述充电装置1包括充电线圈P，所述充电线圈可以经由供电线路6由供能装置7通电。充电线圈P为了进行充电过程设置在室温孔4的内部(如图1所示)，从而充电线圈P可以最佳地与HTS匀场装置2耦合。HTS匀场装置2的充电过程感应式地进行。
图2示出HTS匀场装置2与充电线圈P的优选的相对布置结构。低温恒温器3在图2中为了清楚起见没有示出。由图2可见，HTS匀场装置2设计成闭合的HTS匀场导体线路C，所述HTS匀场导体线路设有匀场开关S能够使HTS匀场导体线路C的超导闭合的次级电路断开。充电线圈P具有充电线圈纵轴线a，所述充电线圈纵轴线在充电过程期间优选与主磁体纵轴线z重合。在充电之后可以将充电线圈P从室温孔4(在图2中未示出)中移出。
充电线圈P、供电线路6和供能装置7构成初级电路，而HTS匀场装置2构成次级电路，充电线圈P与HTS匀场导体线路C感应式地耦合。充电线圈P与HTS匀场导体线路C之间的感应耦合与充电线圈P在室温孔4内部的位置无关。
根据本发明的磁体布置系统的HTS匀场装置2通过根据本发明的充电方法来充电。针对图3中(在第一阶段Ph1中次级电路没有放电)和图4中(在第一阶段Ph1中次级电路放电)的HTS匀场导体线路C示意性示出根据本发明的充电方法的各个方法步骤。
首先，为了充电，对所述初级电路和次级电路(第一阶段Ph1)进行准备。为此，将充电线圈P定位在所述电磁线圈系统的室温孔4中(通过管纵向剖视图内部的线圈示出)，并通过供能装置7实施充电线圈P中初级电流变化ΔI1并且必要时还有放电电流变化ΔI0(给充电线圈P通电)在次级电路中，断开匀场开关5(通过带有断开的开关的开关符号来示出)。在图3中示出并用i-vi标注执行第一阶段Ph1的各步骤的不同的可能性。
通过给事先定位在室温孔4中的充电线圈P(i、ii、iv)通电或通过将已经有电流流动通过的充电线圈P引入室温孔4(iii、v、vi)在次级电路的位置处使得磁通量发生改变。如果这在第一阶段Ph1中在次级电路中的匀场开关S闭合时进行，则这可以用于，在匀场开关S断开之前，入图4(ii’、v’)中所示，感应式地使次级电路放电。为了使次级电路完全放电，在匀场开关S断开之前，在充电线圈P中执行放电电流ΔI0，这种放电电流变化使得，次级电路中的电流减小到0。然后，在匀场开关S断开之后，利用第一电流变化ΔI1实现给充电线圈P通电。
如果次级电路的放电是不必要的或不希望的，则在实现磁通量变化之前，优选断开次级电路中的匀场开关S。为此，在匀场开关S断开之后，执行充电线圈P的引入和/或给充电线圈P通电(i、ii、iv、vi)。
在第二阶段Ph2中，匀场开关S闭合(通过带有闭合开关的开关符号示出)，从而次级电路重新超导闭合。
在第三阶段Ph3中，通过使初级电路中的电流变化ΔI2和/或通过从室温孔4中移除充电线圈P(通过管纵向剖视图之外的线圈示出)，通过HTS匀场导体线路C的磁体量改变，从而在次级电路中感应生成电流。充电线圈P中初级电路适配ΔI2的大小根据在充电后应在次级电路中流动的电流以及根据HTS匀场导体线路C与充电线圈P之间的感应耦合确定。在第一阶段Ph1中的第一电流变化ΔI1优选在数值上对应于第三阶段Ph3中的初级电流调整ΔI2，但具有相反的正负号。
替代单一的HTS匀场导体线路C，根据本发明的HTS匀场装置2可以包括多个(n>1)感应耦合的HTS匀场导体线路C1、...、Cn，这些HTS匀场导体线路分别与一个匀场开关S1、...、Sn构成一个次级电路。在充电方法中，可以使用具有单一充电线圈P的充电装置1(图5)或者使用具有多个充电线圈P1、...、Pm的充电装置1’(图6)。
对于每个HTS匀场导体线路C1、...、Cn，依次执行阶段Ph1、Ph2、Ph3(第一、第二和第三阶段)，这里第一阶段Ph1和第三阶段Ph3可以包括多次初级电流调整。第三阶段Ph3的初级电流调整对于HTS匀场导体线路C1、...、Cn是在相应次级电路的匀场开关S1、...、Sn最后一次闭合之后进行的初级电流调整。根据在哪个次级电路中匀场开关S1、...、Sn最后(即在所述次序中随后一次)闭合，确定的初级电流调整对于一个HTS匀场导体线路C1、...、Cn(匀场开关S1、...、Sn最终闭合时)可以属于充电方法的第三阶段Ph3，而对于另一个HTS匀场导体线路C1、...、Cn(当匀场开关S1、...、Sn以后还断开一次时)属于充电方法的第一阶段Ph1。
对于n个耦合HTS匀场导体线路C1、...、Cn如下计算初级电流调整：
1.为了计算用于具有多个次级电路的HTS匀场装置2的初级电流，首先必须确定一个次序(序列)，在所述次序期间，每个次级电路的匀场开关S1、...、Sn至少断开并闭合一次。在所述序列结束时，所有匀场开关S1、...、Sn闭合。总体上在充电线圈P、P1、...、Pm中进行至少n次初级电流调整，在两次初级电流调整之间分别断开或闭合至少一个匀场开关S1、...、Sn。在匀场开关位置不发生改变的情况下，充电线圈P、P1、...、Pm中的两次在时间上错开的电流变化在本发明的范围内视为单一的初级电流调整。
2.对于匀场开关位置的每次改变，根据目前为止执行的初级电流调整计算次级电流变化。
在开关闭合时，次级电路中的电路不发生改变。
在开关断开时，相应HTS匀场导体线路C1、...、Cn中的电路降低到0A，这又在所有在这个时刻闭合的HTS匀场导体线路C1、...、Cn感应导致电流变化。可以作为目前为止进行的初级电流调整的线性函数计算这个电流变化。
在带有断开的匀场开关S1、...、Sn的HTS匀场导体线路C1、...、Cn中，电流保持为0。
在初级电流调整中，所有在这个时刻闭合的HTS匀场导体线路C1、...、Cn感应引发次级电流变化。所述次级电流变化可以作为所述初级电流调整的线性函数计算这个次级电流变化。
3.对于每个HTS匀场导体线路C1、...、Cn，将对于序列内部的所有过程在第2点中计算出的次级电流变化累加并且使其等于这个HTS匀场导体线路C1、...、Cn中的期望电流或最终电流。这样得到n的方程，这些方程对所述至少n个初级电流调整的大小进行求解。如果这些方程无解，则所述序列的选择是不利的。
如果进行了多于n次初级电流调整，则可以将附加的初级电流调整用于，满足初级电路和次级电路中的电流的附加条件。
下面举例示出，可以如何利用具有一个充电线圈P的充电装置1对根据本发明的磁体布置系统的n个HTS匀场导体线路C1、...、Cn进行充电，并且计算必要的初级电流调整，由此，在充电序列结束时，每个HTS匀场导体线路Cj(j＝1、...、n)都承载预先规定的期望电流Ij。首先根据具体的充电方法导出分析公式。此后说明，在一般性的充电序列的计算中得出哪些变化。
图5示出n≥1个感应耦合的HTS匀场导体线路C1、...、Cn的电路图，这些HTS匀场导体线路分别形成自己的超导闭合的电路。所述HTS匀场导体线路C1、...、Cn优选相互同轴设置(在图5中未示出)，这些HTS匀场导体线路不是必须构造成旋转对称的。每个HTS匀场导体线路Cj都装备有一个匀场开关Sj，利用所述匀场开关可以中断超导电路。此外还存在充电线圈P，所述充电线圈由供电装置7供电并且与HTS匀场导体线路C1、...、Cn感应耦合。
充电序列
下面示例性计算的充电序列以n+1个步骤(0)、...、(n)进行：
(0)所有匀场开关S1、...、Sn断开，从而HTS匀场导体线路C1、...、Cn的次级电路不承载电流。充电线圈P中的电流变化为值
Figure BDA0002310936680000141
(i)对于i＝1、...、n，依次执行两个过程：
(a)闭合匀场开关Si(并且在进一步的方法中不再断开)；
(b)使充电线圈P中的电流变化值
Figure BDA0002310936680000142
在过程(b)中，在超导闭合的HTS匀场导体线路C1、...、Cn感应引发次级电流变化。首先作为充电线圈P中的初级电流调整计算这个次级电流变化。此后，确定必须在各单个步骤中进行的初级电流调整，由此在充电方法结束时，每个HTS匀场导体线路Cj都具有希望的期望电流Ij。
感应的电流变化
在这个部分考察一个具体步骤(i)：
通过充电线圈P中的初级电流调整
Figure BDA0002310936680000143
在过程(b)中改变通过带有闭合的匀场开关S1、...、Si的HTS匀场导体线路C1、...、Ci的“外部”的磁通量，这通过磁通量变化矢量来描述：
Figure BDA0002310936680000151
矢量分量L01、...、L0i描述充电电气P与HTS匀场导体线路C1、...、Ci的感应耦合或互感。由于保持磁通量，所述外部的磁通量变化通过在超导闭合的次级电路中感应产生的电流来补偿。磁通量变化与感应产生的次级电流变化之间的关系通过(i×i)的电感矩阵
Figure BDA0002310936680000152
来描述，HTS匀场导体线路C1、...、Ci的自感(j＝k)和互感(j≠k)：
Figure BDA0002310936680000153
这里ΔI(i)＝(ΔI1,...,ΔIi)T是电流变化矢量。通过等式(2)的逆变可以作为充电线圈P中的初级电流调整的函数来表达超导闭合的次级电路中感应产生的电流变化，
Figure BDA0002310936680000154
可以注意到，带有断开的匀场开关Si+1、...、Sn的HTS匀场导体线路Ci+1、...、Cn的次级电路直到步骤(i)结束都不承载电流。
初级电流调整的计算
HTS匀场导体线路C1、...、Cn中的电流在方法结束是一般而言由所有步骤中感应产生的次级电流变化的和得出，
Figure BDA0002310936680000155
并且使HTS匀场导体线路C1、...、Cn的期望电流I1、...、In相等。在n次初级电流调整
Figure BDA0002310936680000156
之后使用方程(3)可以解出n个线性的标度方程。充电线圈P中的
Figure BDA0002310936680000157
的初级电流变化不影响次级线圈中的电流，并且可以选择成，使得充电线圈P中的电流I0在方法结束是等于0：
Figure BDA0002310936680000158
对于这里描述的具体示例，匀场开关Sj直到步骤(j-1)都分别是断开的，并且HTS匀场导体线路Cj直到这个时刻都不承载电流，对于这个示例，公式(4)可以写成：
Figure BDA0002310936680000161
就是说，HTS匀场导体线路Cn中最后的感应次级电流变化必须恰好等于其期望电流
Figure BDA0002310936680000162
公式(3)此时得出充电线圈P中相应必要的初级电流调整的大小
Figure BDA0002310936680000163
可以根据公式(6)以这种方式依次对于每个HTS匀场导体线路Cn-1、Cn-2、...、C1反向计算其他次级电流变化和对此必要的初级电路适配。
多个充电线圈P1、...、Pm
替代单一的充电线圈P，可以在各充电步骤中使用m个不同的充电线圈P1、...、Pm，如图6中示出的那样。在公式(3)中，此时必须相应地利用所使用的充电线圈P1、...、Pm与HTS匀场导体线路C1、...、Cn之间的耦合
Figure BDA0002310936680000164
进行计算。在充电序列的步骤(0)中，在匀场开关S1、...、Sn断开的情况下，这样适配调整每个充电线圈P1、...、Pm中的初级电流，使得初级电路在序列结束时达到确定的值，例如0A，见公式(5)。
附加的开关断开和闭合
Der Shim-Schalter Sj zu einer HTS-Shim-Leiterbahn Cj kann von Anfanggeschlossen sein oder auch in einem Schritt(i<j)geschlossen werden.In derBerechnung der
Figure BDA0002310936680000165
müssen in Gleichung(3)jeweils alle HTS-Shim-Leiterbahnen mit geschlossenen Shim-Schaltern berücksichtigt werden.
属于HTS匀场导体线路Cj的匀场开关S可以从一开始就是闭合的或者在步骤(i<j)也是闭合的。在计算初级电流调整时，在公式(3)必须相应地考虑所有具有闭合的匀场开关的HTS匀场导体线路。
如果匀场开关Sj在一个步骤(i≤j)中重新断开，则HTS匀场导体线路Cj的次级电路中的电流降低到0，由此，感应式地改变其他闭合的次级电路中的电流。可以类似于上面所述的充电线圈P1、...、Pm中的初级电流调整的情况来计算所述次级电流变化，并且在公式(4)中必须作为附加的加数考虑这个次级电流变化。公式的数量以及未知数
Figure BDA0002310936680000171
的数量保持为n，从而在这种情况下也可以求得数学上唯一的解。
附加的电流斜坡
在每次附加地改变开关状态(如前面所述)之前或之后，原则上可以进行附加的初级电流调整，所述初级电流调整影响超导闭合的次级电路中的电流。这实现了解决问题的附加自由度，从而为了达到用于HTS匀场导体线路C1、...、Cn的预先规定的期望电流就是说不仅存在一个初级电流调整的解。这个事实可以用于满足附加的条件。例如附加的初级电流调整可以选择成，使得在一个次级电路的匀场开关断开之前，在该次级电路中感应产生的电流趋向于0。这种附加的初级电流调整可以类似于上面所述的计算进行处理。
具有两个HTS匀场导体线路C1和C2并且匀场开关S1和S2初始闭合的HTS匀场装置2
作为具有附加的开关过程和电流斜坡的一般性充电序列的示例，考察两个耦合的带有初始闭合的匀场开关S1和S2的HTS匀场导体线路C1、...、C2。两个HTS匀场导体线路C1、...、C2中以及充电线圈P的电流在开始时为0。充电如下进行：
1.使带有HTS匀场导体线路C1的次级电路的匀场开关S1断开，使充电线圈P中的初级电流调整调整
Figure BDA0002310936680000172
2.使匀场开关S1闭合，充电线圈P中的初级电流调整调整
Figure BDA0002310936680000173
3.使带有HTS匀场导体线路C2的次级电路的匀场开关S2断开，使充电线圈P中的初级电流调整调整
Figure BDA0002310936680000181
4.使匀场开关S2闭合，充电线圈P中的初级电流调整调整
Figure BDA0002310936680000182
这个序列总共包括四次充电线圈P中的初级电流调整。与这四个自由度相对应可以定义四个条件。
B1:HTS匀场导体线路C1中的最终电流应为I1。
B2:HTS匀场导体线路C2中的最终电流应为I2。
B3:HTS匀场导体线路C2在步骤(3)中断开开关之前应不承载电流。
B4:充电线圈P在序列结束时应不承载电流。
可以注意到，没有B3的情况下，HTS匀场导体线路C2在开关断开时发生到0的次级电流变化，这种次级电路变化又在超导闭合的HTS匀场导体线路C1中感应引发次级电流变化。B1-B4得出以下公式，其中角标涉及在这一段中描述的充电序列：
Figure BDA0002310936680000183
Figure BDA0002310936680000184
Figure BDA0002310936680000185
Figure BDA0002310936680000186
由这个充电序列马上得出
Figure BDA0002310936680000187
和
Figure BDA0002310936680000188
这是因为匀场开关S1在第一步骤中和匀场开关S2在第三步骤中在相应的初级电流调整器件是断开的。感应引发的另外的次级电流变化
Figure BDA0002310936680000189
(j＝1、...、4)可以通过公式(3)用初级电流调整
Figure BDA00023109366800001810
来表达。公式(9-12)因此可以解开：
Figure BDA00023109366800001811
Figure BDA00023109366800001812
Figure BDA0002310936680000191
Figure BDA0002310936680000192
这个充电序列的时间上的电流曲线的一个示例对于期望电流I1＝40A和I2＝100A在图7中示出。在所示的示例中，匀场开关S1在t＝0s时断开并在2.5s时闭合。匀场开关S2在4.5s时断开并在6.5s时闭合。可以容易地看到，所设定的全部四个条件B1-B4都得到满足。
附图标记列表
1、1’ 充电装置
2 HTS匀场装置
3 低温恒温器
4 室温孔
5 主磁体
6 供电线路
7 供能装置
a 充电线圈轴线
C、C1、…、Cn HTS-Shim-导体线路
P、P1、…、Pm 充电线圈
Ph1 第一阶段
Ph2 第二阶段
Ph3 第三阶段
S、S1、…、Sn 匀场开关
z 主磁体纵轴线
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Claims (15)

1.用于利用充电装置(1、1’)给设置在带有室温孔(4)的低温恒温器(3)中的超导电磁线圈的HTS匀场装置(2)充电的方法，所述HTS匀场装置(2)包括至少一个超导闭合的HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)和用于在HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)的一个部段中暂时中断超导状态的匀场开关(S、S1、…、Sn)，
其特征在于，
所述充电装置(1、1’)包括至少一个常导的充电线圈(P、P1、...、Pm)、至少一个供能装置(7)和供电线路(6)并且所述充电装置构成至少一个初级电路，并且所述HTS匀场装置(2)构成至少一个次级电路，
通过由充电线圈(P、P1、...、Pm)产生的穿过由HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)包围的面的磁通量的变化感应式地使次级电路中的电流变化，
在第一阶段(Ph1)中按任意的顺序至少暂时断开所述匀场开关(S、S1、…、Sn)，以便在HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)的一个部段中中断超导状态，将充电线圈(P、P1、...、Pm)定位到低温恒温器(3)的室温孔(4)中，并且至少使初级电路中的电流发生改变；
在第二阶段(Ph2)中，通过闭合所述匀场开关(S、S1、…、Sn)使HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)超导闭合；并且
在第三阶段(Ph3)中，在所述匀场开关(S、S1、…、Sn)闭合的情况下，改变初级线圈中的电流和/或将充电线圈(P、P1、...、Pm)从室温孔(4)中移出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一阶段(Ph1)中，为了调整初级电路中的电流，使初级电路中的电流升高，并且
为了适应性调整初级电路中的电流，在第三阶段(Ph3)中使初级电路中的电流降低。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为了对次级电路进行放电，在第一阶段(Ph1)中，在次级电路超导短路闭合时，这样调整充电线圈(P、P1、...、Pm)中的电流，使得次级电路中的电流降低到0。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在第一阶段(Ph1)中，在匀场开关(S、S1、…、Sn)断开之后实现初级电路中的电流的至少一次改变。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，
所述HTS匀场装置(2)包括n>1个HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)，这些HTS匀场导体线路分别与一个匀场开关(S、S1、…、Sn)形成一个次级电路，所述次级电路的各所述HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)感应式地相互耦合，
确定各次级电路的匀场开关(S、S1、…、Sn)的开关断开和开关闭合的次序和初级电路中的电流变化的次序，在
所确定的次序之内，一个次级电路的匀场开关(S、S1、…、Sn)的每个最后一次闭合之后，执行对初级电路中的电流的改变，
对于各过程的所确定的次序，这样来计算在初级电路中的电流变化的大小，即，使得所有通过改变初级电路中的电流和通过开关断开而在每个次级电路中感应产生的电流对应于期望电流，此时对HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)相互间的感应耦合和充电线圈(P、P1、...、Pm)与HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)之间的感应耦合加以考虑。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在一个次级电路的匀场开关(S、S1、…、Sn)在所述次序之内的最后一次闭合之后，在另一个次级电路的匀场开关(S、S1、…、Sn)在所述次序之内最后一次闭合之前，对初级电路中的电流进行改变。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在所述次序之内，首先使这样的次级电路的匀场开关(S、S1、…、Sn)最后一次闭合，所述次级电路的HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)的与其他HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)感应耦合最弱。
8.根据权利要求5至7之一所述的方法，其特征在于，使多个具有m>1个不同的充电线圈(P、P1、...、Pm)的初级电路中的电流变化，所述充电线圈与HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)感应耦合。
9.用于执行根据上述权利要求之一所述的方法的磁体布置系统，所述磁体布置系统包括：
具有室温孔(4)的低温恒温器(3)；
设置在所述低温恒温器(3)中的超导的电磁线圈系统，所述电磁线圈系统具有主磁体(5)和HTS匀场装置(2)，所述HTS匀场装置具有至少一个用于对由电磁线圈系统在工作空间中产生的磁场的空间分布进行调整和/或用于使由电磁线圈系统在工作空间中产生的磁场在空间上均匀化的HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)，所述HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)构造成围绕主磁体纵轴线(z)的匝数为0的能超导短接的HTS线圈，所述HTS匀场装置还包括用于在HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)的一个部段中暂时中断超导状态的匀场开关(S、S1、…、Sn)；以及
充电装置(1、1’)
其特征在于，所述充电装置(1、1’)包括：
至少一个常导的充电线圈(P、P1、...、Pm)、至少一个供能装置(7)和供电线路(6)，所述充电线圈、供能装置和供电线路一起构成至少一个初级电路，所述充电线圈(P、P1、...、Pm)设置在或能够临时设置在低温恒温器(3)的室温孔(4)中，
并且其特征在于，所述HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)和所述匀场开关(S、S1、…、Sn)构成次级电路，所述充电线圈(P、P1、...、Pm)和HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)设置成相互感应耦合。
10.根据权利要求9所述的磁体布置系统，其特征在于，充电线圈(P、P1、...、Pm)与所述匀场开关(S、S1、…、Sn)之间的电流互感比|M/Ls|≥0.01，优选≥1，其中M表示充电线圈(P、P1、...、Pm)与HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)之间的互感，而LS表示HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)的自感。
11.根据权利要求9或10所述的磁体布置系统，其特征在于，充电线圈(P)具有充电线圈纵轴线(a)，所述充电线圈纵轴线至少在第三阶段中平行于、特别是同轴于主磁体纵轴线(z)定向。
12.根据权利要求9至11之一所述的磁体布置系统，其特征在于，所述HTS匀场装置(2)具有多个次级电路，至少两个不同的次级电路的HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)设置成与相同的充电线圈(P、P1、...、Pm)感应耦合。
13.根据权利要求9至11之一所述的磁体布置系统，其特征在于，所述HTS匀场装置(2)具有多个次级电路，而所述充电装置(1、1’)具有多个充电线圈(P、P1、...、Pm)，不同的充电线圈(P、P1、...、Pm)设置成分别与不同的次级电路的不同的HTS匀场导体线路(C、C1、…、Cn)感应耦合。
14.根据权利要求9至13之一所述的磁体布置系统，其特征在于，所述充电装置(1、1’)具有磁场传感器，所述磁场传感器沿径向设置在充电线圈(P、P1、...、Pm)的内部。
15.根据权利要求9至14之一所述的磁体布置系统，其特征在于，所述匀场开关(S、S1、…、Sn)包括电加热元件，在所述电加热元件中能够通过与低温恒温器(3)的室温孔(4)中的初级线圈的感应耦合而感应生成加热电流。
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