CN113330525A - 部分绝缘超导磁体的快速泄放 - Google Patents

Abstract

一种HTS磁体系统，包括HTS场线圈和电源。HTS场线圈包括：多个线圈匝，所述多个线圈匝包括HTS材料和金属稳定器；导电层，将线圈匝分隔开，使得电流能够经由导电层在线圈匝之间共享。电源被配置为：在HTS场线圈的斜升期间，向HTS场线圈提供第一电流；以及在HTS场线圈的斜降期间，向HTS场线圈提供与第一电流方向相反的第二电流。

Description

部分绝缘超导磁体的快速泄放

技术领域

本发明涉及高温超导(HTS)磁体。具体地，本发明涉及一种用于(例如，响应于淬火(quench)检测)斜降HTS磁体的方法、以及实施该方法的设备。

背景技术

超导材料通常分为“高温超导体”(HTS)和“低温超导体”(LTS)。LTS材料(例如Nb和NbTi)是超导性可以用BCS理论描述的金属或金属合金。所有低温超导体的临界温度(高于该温度，材料不能够超导，即使在零磁场中)低于约30K。BCS理论未描述HTS材料的行为，而且这样的材料可能具有高于约30K的临界温度(但应注意，定义HTS和LTS材料的是在组成和超导操作方面的物理差异而不是临界温度)。最常用的HTS是“铜酸盐超导体”——基于铜酸盐(含有氧化铜基团的化合物)的陶瓷，例如BSCCO或ReBCO(其中Re是稀土元素，通常是Y或Gd)。其他HTS材料包括铁基材料(iron pnictides)(例如FeAs和FeSe)和二硼酸镁(MgB₂)。

ReBCO通常制造为带材，具有如图1所示的结构。这种带材100通常大约100微米厚，并且包括基底101(通常大约50微米厚的电解抛光哈氏合金)，在基底101上通过IBAD、磁控溅射沉积或其他合适的技术沉积一系列厚度约为0.2微米的缓冲层，该缓冲层称为缓冲堆叠102。外延ReBCO-HTS层103(通过MOCVD或其他合适的技术沉积)覆盖缓冲堆叠，并且通常为1微米厚。1微米-2微米的银层104通过溅射或其他合适的技术沉积在HTS层上，并且铜稳定器层105通过电镀或其他合适的技术沉积在带材上，这通常完全封装带材。

基底101提供了机械主干，其可以通过生产线进料并允许后续层的生长。缓冲堆叠102需要设置双轴织构的晶体模板，在该双轴织构的晶体模板上生长HTS层，并且缓冲堆叠102防止元素从基底化学扩散到HTS，这会损害其超导特性。银层104需要设置从ReBCO到稳定器层的低电阻界面，并且稳定器层105在ReBCO的任何部分停止超导(进入“正常”状态)的情况下提供替代电流路径。

此外，可以制造“剥离”HTS带材，其缺少基底和缓冲堆叠，而是在HTS层的两侧都有银层。具有基底的带材将被称为“基底”HTS带材。

HTS带材可以被布置在HTS电缆中。HTS电缆包括一个或多个HTS带材，这些HTS带材通过导电材料(通常为铜)沿它们的长度连接。HTS带材可以被堆叠(即，被布置成使得HTS层平行)，或者它们可以具有可以沿着电缆的长度而变化的一些其他布置的带材。HTS电缆的显著特例是单个HTS带材和HTS对。HTS对包括一对HTS带材，这一对HTS带材布置为使得HTS层平行。在使用基底带材的情况下，HTS对可以是0型(HTS层面向彼此)、1型(一个带材的HTS层面向另一个带材的基底)或2型(基底面向彼此)。包含多于2个带材的电缆可以将部分或全部带材布置在HTS对中。堆叠的HTS带材可以包括HTS对的各种布置，最常见的是1型对的堆叠或0型对和(或等效地，2型对)的堆叠。HTS电缆可以包含基底带材和剥离带材的混合。

广义而言，磁线圈有两种构造——通过缠绕或通过组装几个部分。如图2所示的缠绕线圈是通过将HTS电缆201以连续螺旋的形式卷绕线圈架202而制造的。线圈架成形为提供所需的线圈内周界，并且可以是最终缠绕线圈的结构部分或者可以在缠绕后移除。如图3示意性所示地，分段线圈由若干部分301组成，若干部分301中的每一个可以包含若干电缆或预制母线311并将形成整体线圈的弧。这些部分通过接头302连接以形成完整的线圈。虽然为清楚起见，图2和图3中线圈的线圈匝显示为间隔开，但通常存在连接线圈的线圈匝的材料——例如，线圈匝可以通过用环氧树脂灌封来加固。

图4示出了被称为“扁平线圈”的特定类型缠绕线圈的截面，其中HTS电缆401以类似于带卷的方式卷绕以形成扁平线圈。可以制成扁平线圈以具有任何二维形状的内周界。通常，扁平线圈被设置为“双扁平线圈”，如图5的截面所示，其包括反向缠绕的两个扁平线圈501、502，扁平线圈之间具有绝缘503，并且具有连接在一起的内部端子504。这意味着仅需要向通常更容易接近的外部端子521、522提供电压以驱动电流通过线圈的线圈匝并产生磁场。

线圈可以是“绝缘的”(即，在线圈的线圈匝之间具有电绝缘材料)或“非绝缘的”(其中线圈的线圈匝在径向上并且沿电缆电连接(例如，通过焊接或直接接触而连接电缆的铜稳定层))。“部分绝缘的”线圈也是可能的，其中，匝间电阻小于常规的绝缘体(例如陶瓷或有机绝缘体)的电阻，但大于线圈的电缆中带材之间的电阻——例如，介于电缆中的带材之间的电阻的100倍到10¹⁵倍之间。线圈匝之间没有绝缘或部分绝缘会减慢局部“热点”(正常区域)的温度上升的速率，因为这样允许电流在线圈匝之间共享。

可以将非绝缘的HTS线圈建模为具有三个电流路径：遵循HTS带材(一个在HTS中，一个在金属稳定器中)的两个螺旋路径以及在线圈端子之间的通过对非绝缘或部分绝缘的HTS电缆线圈匝进行连接的金属(和任何其他电阻材料)的径向路径(虽然这可以被建模为单个路径，但其实际上代表了通过磁体的所有径向电阻路径的总和)。只有在螺旋路径中流动的电流才会在线圈中心产生显著的轴向磁场。HTS螺旋路径可以被建模为电感器，当带材全部为超导时，该电感器具有大电感以及为零或可忽略的电阻。铜稳定器螺旋路径与HTS路径平行并且具有相同的电感，但电阻显著。因此，流过铜稳定器螺旋路径的电流可忽略不计，除非部分HTS螺旋路径开始淬火。如果发生这种情况，在螺旋稳定器路径和径向路径之间根据它们的相对电阻和L/R时间常数来分享高于HTS螺旋路径的临界电流Ic的过电流。径向电流路径可以被建模为具有可忽略不计的电感和比螺旋路径的电阻大得多的电阻，同时HTS始终是超导的。

HTS场线圈的一种潜在用途是在托卡马克等离子体室(tokamak plasma chamber)中，特别是用于核聚变反应堆。WO2013/030554描述了一种涉及使用紧凑球形托卡马克作为中子源或能源的方法。球形托卡马克中的低纵横比等离子体形状改善了粒子限制时间，并允许在更小的机器中产生净功率。然而，小直径的中心柱是必要的，这对等离子体约束磁体的设计提出了挑战。高温超导体(HTS)场线圈是用于此类磁体的有前途的技术。

HTS场线圈的另一个潜在用途是在质子束治疗设备中。质子束治疗(PBT，也被称为质子治疗)是一种用于治疗癌症(和对放射治疗有反应的其他病症)的粒子疗法。在PBT中，将一束质子指向治疗部位(例如，肿瘤)。

另一种类似的治疗是质子硼捕获治疗(PBCT)，其中将硼11引入目标位置，并使用质子束启动p+¹¹B→3α反应。可以使用相同的设备为PBT或PBCT提供质子束。

用于PBT和PBCT的质子束由粒子加速器(例如回旋加速器或线性加速器)产生。通常用于PBT和PBCT的加速器通常产生能量在60MeV至250MeV范围内的质子，目前运行的最强大的设施具有400MeV的最大能量。

广义而言，针对PBT设备存在两种类型的设计以允许波束角的变化。在第一种类型的设计中，如图6所示，加速器3001被安装在允许其围绕患者3003(通常围绕水平轴线)旋转的机架3002上。患者被放置在可移动床3004上，这提供进一步的自由度(例如平移运动和绕竖直轴旋转)。

第二种设计类型如图7所示。加速器4001是静止的，并且波束通过转向磁体4002(通常包括四极磁体和偶极磁体)指向患者，转向磁体4002中的至少一些位于机架4003上，使得波束可以围绕患者4004旋转(例如，围绕水平轴线)。患者被放置在可移动床4005上。

这两种设计都要求机架保持能够使质子以可能高达400MeV的束能量转向的电磁体。这需要非常高的磁场，因此使用HTS场线圈可以大大减少需要移动的电磁体和机架的质量和尺寸。HTS场线圈可以在加速器、转向磁体的四极磁体或转向磁体的偶极磁体中使用。

发明内容

本发明在所附权利要求中定义。

附图说明

图1是HTS带材的示意图；

图2是缠绕HTS线圈的示意图；

图3是截面HTS线圈的示意图；

图4是扁平线圈的截面图；

图5为双扁平线圈的截面图；

图6是第一PBT设备的示意性表示；

图7是第二PBT设备的示意性表示；

图8显示了部分绝缘线圈的模拟结果；

图9显示了示例性磁体系统的模拟结果；

图10显示了简单地关断电源后线圈的磁场和温度的曲线图；

图11显示了在与图10所示的相同的过程期间线圈的电压；

图12A和图12B显示了漏绝缘的示例；

图13A和图13B显示了漏绝缘的另一示例；

图14显示了两匝线圈的等效电路。

具体实施例

图8显示了在斜升(ramp-up)和进入稳态操作期间非绝缘线圈中的电流、电压和功率。在非绝缘线圈的斜升期间，电流最初将主要在径向路径中流动(图8中的时间段A)，并然后稳定。对于更快的倾斜速率，径向路径中流动的电流量更高(因为螺旋路径上产生的电压L.dI/dt更高——即，时间段B)。在倾斜结束时，dI/dt降至零，并且电流将以时间常数L/R转移到HTS螺旋路径(时间段C)。在倾斜结束后几个(大约五个)L/R时间常数后，电流将被主要转移到螺旋路径中。因此，应选择时间常数以产生合理的斜升时间，例如，对于托卡马克的TF线圈，5-10小时的时间常数是可以接受的(假设约1-2天的斜升时间)。

在大型磁体中，为了避免淬火造成的损坏(在绝缘或非绝缘线圈中)，还可以实施主动淬火保护方案。在该方案中，在淬火区域出现充分的温度升高以造成损坏之前，磁体存储的能量可以泄放到与磁体的淬火区域不同的某个组件中。该组件可能是外部电阻、或者磁体的单独部分，该磁体的单独部分在较大比例的磁体的冷物质上被淬火(从而将磁体储存的能量分配到大体积上并降低整体温升)。然而，主动方法要求正常区域(也称为“热点”)的启动和磁体电流斜降(“泄放(dump)”)的触发之间的时间足够短，以使得热点的终点温度低于线圈可能发生损坏的温度，例如：大约200K。这种方法也可用于小磁体，以针对淬火提供进一步的保护。

上述内容以及实现所期望的时间常数的合适结构的讨论，在共同在审申请GB1818817.7中进行了更详细的讨论。

尽管使用PI线圈延长了可用于泄放磁体电流的时间，但在检测到热点后尽快完成此操作仍然很重要。针对PI线圈的电流泄放技术的讨论相对较少，因为在文献中PI线圈通常仅用于较小的线圈——其中线圈的总能量相对较低，并且淬火往往会相对较快地传播到整个线圈——这意味着能量泄放通过线圈传播。此外，与绝缘线圈相比，PI线圈本质上是稳定的，并且因此由于风险很低而通常可以在没有淬火保护的情况下操作。然而，在具有大量存储能量的大型线圈、仅占线圈绕组的相对较小比例的具有允许热点覆盖所有线圈匝的几何形状的线圈、和/或旨在恶劣环境中长期操作的线圈(例如用于核聚变反应堆的场线圈)中，主动淬火保护很重要。

当从磁体中泄放能量时，PI线圈的使用提供了进一步的优势。图10显示了简单地关断电源(即，使其成为开路)后线圈的磁场(与螺旋路径电流成正比)和温度的曲线图。在时间段A期间，电源接通(以电流1001表示)。在时间段B的开始，电源被切断，使线圈的电感产生电压，该电压继续驱动呈闭环的每个线圈匝中的电流，通过匝间电阻短路回到线圈匝的起点。这导致使HTS中的临界电流降低的欧姆加热。该过程持续经过时间段B(通常为几秒，取决于许多因素，在本实验中为14秒)，直到线圈匝中的HTS淬火并产生充分的电压以将其回路电流喷射到螺旋路径中的金属稳定器中(时间段C)。由于其具有比匝间电阻高得多的电阻，因此线圈匝的磁场能量在稳定器中迅速转化为热量，并且随着螺旋路径电流迅速降至0(<1s)，线圈匝的温度均匀上升。

然而，对于有效的淬火保护，较长的时间段B仍是不可取的——在淬火的情况下，这个时间段可能是足够长的，以使得在磁体其他地方的局部热点中发生显著的局部加热，导致该热点中的峰值温度高得令人无法接受。此外，磁体(例如托卡马克中的TF磁体)可能包括几个线圈(例如：单独的分支)，这些线圈的热耦合和磁耦合较差。期望的是，当通过关断电源触发泄放时，所有的线圈在淬火前经历相同的延迟。由于磁场差异的局部温度的制造差异，线圈之间可能发生变化。如果线圈非同时淬火，线圈之间产生的非常大的电磁力可能损坏磁体的机械支撑结构和/或线圈本身。为了使这种情况最小化，期望的是将每个线圈中的PSU关断和淬火之间的延迟之间的变化最小化，使得延迟持续时间之间的任何变化也最小化。该时间段的长度可以通过增加部分绝缘层的电阻来减少(从而增加由于在时间段B中电流在径向路径中传播而产生的热量)，但这会对线圈的其他电气特性产生连锁反应，例如，改变用于使线圈斜升的时间常数，或使线圈匝之间的电流共享变得更加困难(这将增加热点引起全局淬火的可能性)。

相反，代替关断电源，本发明提出向磁线圈施加较大的反向电流(即，沿在斜降之前流过线圈的电流的相反方向)，例如通过使用能够从磁线圈吸收电流的四象限(four-quadrant)PSU。超导路径具有较大的电感，因此该反向电流将主要在TF磁体的所有线圈中的径向路径中流动。这种径向电流的大幅增加会导致所有线圈显著发热，从而使整个磁体快速淬火(从而使能量传播以泄放到大面积上)。

虽然施加反向电流而不是简单地关断PSU似乎有悖常理，但重要的区别在于，过量的径向电流会加热整个磁体——这意味着淬火将迅速通过磁体传播，并且能量泄放将散布整个体积(或至少是很大一部分)。在没有任何干预的情况下发生的集中能量泄放会导致该小区域的温度升高到无法接受的程度，从而损坏HTS。如果磁体的很大一部分被淬火，则相同量的能量(加上来自反向电流本身的一小部分贡献)会散布在整个磁体上，这会限制HTS中的温度升高。此外，更均匀地加热磁体可防止在磁体内形成陡峭的温度梯度。如果温度梯度过高，那么磁体附近区域的不同热膨胀将导致结构损坏。

在现有的磁体中，可以通过使用“淬火加热器”(即，放置在HTS电缆附近的加热元件，可以将其接通以使热量传递到线圈)来实现均匀加热。然而，这种加热器占用空间，因此减少了HTS导体或金属稳定器的可用空间。“反向电流”方法实际上使用径向传导路径作为“淬火加热器”，这意味着热量通过线圈均匀分布，而不需要附加的加热元件。

反向电流可以被限制为或被设置为磁体的操作电流。通过这种方式，与正常磁体操作所需相比，通过反向电流实现了最大加热，而不会超过磁体外部组件的设计参数。

上面已经参考淬火保护进行了描述，但应该注意的是，上述能量泄放技术也可以适用于磁体斜降的其他情况——例如，当在正常条件下关断磁体时，没有检测到任何淬火(或可能导致淬火的条件)。

图9显示了示例性的部分绝缘线圈在斜升、稳态操作和斜降期间的模拟结果。在这种情况下，将PSU(电源)建模为电流源，即，在模拟中设置由PSU提供的电流，并计算PSU两端的电压。

在斜升期间，PSU电流以恒定速率稳定增加至2.2kA。PSU电压为正，约为0.1V。径向路径中的电流与PSU电压大致成正比(因为径向路径可以被建模为简单的电阻)，并且螺旋路径中的电流以恒定速率增加。在时间T1，当达到期望电流时，磁体切换到稳态操作——PSU被设置为恒定电流，以及如前所述地，径向路径电流随着时间常数L/R_radial减小。当径向路径电流衰减时，PSU电压降低到约几毫伏的值，因为螺旋路径的电阻可以忽略不计(在该模拟中，它被建模为具有零电阻——因此PSU电压趋于零。在实践中，它通常会稳定在几十到几百毫伏左右)。在斜升和稳态操作期间，HTS温度在20K以下基本恒定。

在时间T2，启动磁体泄放(响应淬火检测或其他方式)。PSU提供反向电流(具有快速电流倾斜，在这种情况下建模为是初始斜升十倍的向下电流倾斜)，该反向电流主要在径向路径中流动。在提供此电流期间，PSU电压为负，约为-0.5V。HTS温度快速上升。当HTS温度达到大约55K时，模拟结束，因为整个线圈将淬火，并且对于所使用的模型，温度上升变得过快。然而，实际上，磁体储存的能量会迅速转化为热量，相对均匀地散布在磁体上，安全地将其关断。

可以提供反向电流达设定的时间，或者直到达到指定的条件——例如，在检测到磁体的主要部分淬火、检测到磁体的主要部分达到指定温度、或检测到螺旋路径电流(或线圈产生的磁场)已降低到阈值以下时。

斜降的速率取决于PSU中反向电流倾斜的速率。

期望的是能够在磁体倾斜阶段和泄放阶段期间控制电流的变化率。为此，优选具有反馈受控电流输出的PSU。可以基于螺旋路径中的电流、磁体的温度、线圈产生的磁场或线圈的任何其他合适的特性来控制PSU电流。

电源可以包括多个电源单元，每个电源单元在不同的时间段期间向线圈供电。具体地，电源可以包括用于在斜升和稳态操作期间向线圈供电的第一单元和用于在斜降期间向线圈提供反向电压的第二单元。

电源(或电源的一个或多个电源单元)可以部分地位于包含HTS磁体的低温恒温器内，并且可以包括布置成在没有电缆穿过低温恒温器的情况下跨低温恒温器传输电力的变压器，如PCT/GB2018/050337中所描述的。

在响应于对淬火或可能导致淬火的条件的检测而触发磁体的斜降时，该检测可以通过任何实用方法进行。例如：

·检测磁体中的HTS材料上的过电压；

·使用次级HTS带材，次级HTS带材被设置为与主线圈相邻并被配置为在主线圈之前淬火，例如，如国际专利申请PCT/GB2016/052712或英国专利申请GB1812120.2中所描述的；

·检测磁线圈内的温度、应变、磁场或其他条件，例如，通过国际专利申请PCT/GB2017/053066中描述的光纤电缆中的瑞利散射(Raleigh scattering)或通过本领域已知的其他温度、应变或磁场检测器。

重要的是不要太长时间施加反向电流，否则主动泄放可能会将磁体加热到200K以上并导致问题。理想情况下，泄放系统应将施加到磁体的总能量限制为将整个磁体的温度升高到其临界温度以上所需的能量(即：将所有线圈从超导状态转为正常状态)。这是将整个磁体升高到～200K所需总能量的一小部分。随着线圈开始淬火，磁体自身储存的能量将被耗散，促使整体淬火。

施加正确量的能量的一种简单方法是使电容器组放电到磁体中。这也避免了对四象限PSU的需要。单象限PSU可以用于使磁体倾斜。当需要泄放磁体时，仅需使用有源开关和跨磁体连接的预充电电容器组就可以将其断开连接，以驱动反向径向电流。应注意的是，对PSU断开连接不会产生大电压，因为磁体的大电感会被其径向电阻分流。

以上公开内容的大部分集中于在淬火检测之后使磁体斜降，其中斜降的速率是至关重要的。还存在使用相同基本原理的一些技术，这些技术适用于在斜降时间不是主要因素的情况下控制磁体。

作为示例，PSU可以被配置为提供比磁体中的电流小、但在相同的方向上的斜降电流。这将导致等于磁体电流和PSU电流之差的电流在径向路径中运行，如前述加热磁体。与反向电流(或简单地对PSU断开连接)相比，这将导致更慢的斜降以及磁体中降低的温度升高。

作为进一步的示例，PSU可以被配置为提供覆盖在输送到线圈的DC上的AC电流(在稳态、斜升或斜降期间)。在AC电流的周期明显小于时间常数L/R的情况下，该AC电流将完全在径向路径中流动。这会导致磁体加热，而不会另外影响螺旋路径中的电流(与仅输送DC电流的情况相比)。

覆盖的AC电流也可以与任何前面的示例结合使用。例如，DC反向电流和AC电流的组合(即，总电流为正弦电流，其平均值与线圈电流的符号相反，周期小于磁体的时间常数)可以用于通过附加加热来使线圈斜降。备选地，AC电流可以与DC斜降电流组合，该DC斜降电流小于磁体中的电流，但方向相同(即，总电流是正弦电流，其平均值小于线圈电流，并且周期小于磁体的时间常数)。作为进一步的备选方案，可以提供纯AC电流来使磁体斜降——这将导致除了AC电流之外，与磁体电流相等的电流也在径向路径中运行。在每种情况下，与仅使用DC电流相比，添加AC电流导致螺旋路径中的电流更大(因此斜降更快)。

如上述示例中讨论的使部分绝缘线圈斜降(通过关断PSU或通过提供修改电流)的一个令人惊讶的特征在于，在整个过程中线圈的匝间电压保持为较低(大约几伏，即使对于大线圈而言)。大型绝缘超导线圈需要重型绝缘，其可以承受非常高的电压——但部分绝缘线圈所经受的小电压可以通过更多种材料(甚至是简单的真空或气隙)有效地绝缘。

图11显示了图10中使用的相同磁体(包含6个扁平线圈，总电感为0.12H)中每个线圈上的电压。峰值电压为约0.1V，该峰值电压在与全局淬火开始的时间相对应的时间(即，图10中的时间段B的结束和时间段C的开始)处出现。相比之下，在相同条件下，等效绝缘线圈的预期电压为约2kV，大线圈的预期电压为至少5kV(电压可以按照V＝-LdI/dt计算，其中，dI/dt大致为传输电流(测试线圈为1.4kA)除以淬火的时间(测试线圈为0.1kA))。在部分绝缘的线圈中，线圈可以在高传输电流和电感下操作，而不会产生特别高的电压——当在低传输电流(几千安，与通常为50kA相比)和高电感(即，更高的匝数)下操作大线圈时，这最实用。

在开路PSU的电流泄放期间，部分绝缘线圈的两个线圈匝之间产生的峰值电压可以近似为V＝I₀R_stab，其中，I₀是传输电流，R_stab是线圈的螺旋路径中的电阻材料的电阻。淬火通过互感在线圈之间传播，这意味着峰值线圈电压不会超过单匝的峰值电压。对于任何实际的大线圈，峰值电压不会超过10V。

图14显示了具有2个线圈匝的线圈的等效电路(并且可以通过添加更多串联线圈以及每个线圈之间的互感来扩展到更多个线圈匝)。在该附图中，I₀为传输电流，R_tt为匝间电阻(即，径向路径电阻除以匝数)，R_stab为电阻螺旋路径的电阻，L_turn为每个线圈匝的感应，而R_HTS是每个线圈匝中的HTS的电阻(即，在正常操作期间为0，在淬火或接近淬火期间仅非零)。M为两个线圈匝之间的互感，K为线圈匝之间的耦合系数。

这对于线圈的绝缘特别重要——对于将线圈作为一个整体与其他组件绝缘(“接地卷绕(ground wrap)”)以及对于部分绝缘的设计，该部分绝缘的设计使用具有多个导电通道的绝缘材料，所述多个导电通道通过绝缘材料(该绝缘材料被称为“漏绝缘”，并在下面更详细地讨论)。低电压意味着绝缘不需要是诸如Kapton^TM这样的重型材料(如在传统绝缘磁体中所使用的)，而是可以使用更简单的材料(例如油漆、清漆或甚至纸)，或者绝缘材料可以由空气或真空间隙代替(使用合适的支撑结构，如果需要还可以使用绝缘体)。

绝缘结构的特征在于“击穿电压”，高于该击穿电压时结构停止绝缘并且结构的电阻从几兆欧的数量级下降到几欧姆或几毫欧的数量级。对于绝缘线圈，这种击穿电压将至少需要为2kV(对于大线圈(例如半径大于50cm)至少为5kV)，这严重限制了可以使用的材料，同时仍保持绝缘合理紧凑(击穿电压大致与材料的厚度成正比，比例常数(“介电常数”)取决于材料)。

对于部分绝缘线圈，仅需要大于10V左右的击穿电压——这将允许使用可以被合理称为“绝缘体”的任何材料。

备选地，在对材料不利的环境中(例如，在材料将受到中子轰击的聚变反应堆中)，这允许绝缘的材料在退化到不再绝缘的程度之前使用更长时间——因为中子轰击将趋于引起绝缘的材料变化(这将降低其介电常数)，或引入物理间隙。

图12A和图12B中示出了漏绝缘的示例。金属条901至少在面向HTS电缆的侧面上设置有薄绝缘涂层902，其中绝缘涂层在金属条的每一侧上在以一定间隔的窗口(或“通孔”)903上被去除或缺失。窗口可以具有任何形状并且可以延伸到带材的边缘。如图12B所示，金属条的任一侧上的窗口的位置交错排列，这增加了电阻(与未绝缘条或每侧上的窗口彼此直接相对的条相比)，因为电流必须采取沿着金属条的长度的一部分的路径910。

通过改变窗口的间距，使得它们在返回分支中靠得更近并且在芯中离得更远，可以实现在返回分支和芯之间所需的匝间电阻差。通过与返回分支中的金属条的金属相比使用不同的金属以用于芯中的金属条，或者通过改变条的几何形状的其他方面，可以实现进一步的调谐。

为了允许进一步调谐，代替实心金属条，可以使用具有多个金属轨道的层——有效地形成绝缘层，该绝缘层具有布置在其中的导电径向轨道，其中轨道的间距和长度确定部分绝缘层的电阻。

图13A至图13E示出了另一个示例漏绝缘层。漏绝缘层包括5层，顺序为：

·第一金属连接层1611；

·第一绝缘层1621；

·导电层1630；

·第二绝缘层1622；

·第二金属连接层1612。

图13A至图13C分别示出了第一金属连接层1611、导电层1630和第二金属连接层1622的布局。图13D和图13E是沿图13A至图13C中的线D和线E的截面。

存在连接层以便于通过焊接附接到HTS电缆。

与导电层是连续金属条的先前示例相反，在该示例中，导电层被分成多个导电区域。这些区域有两种类型。方形区域1631(尽管它们在实践中可以是任何形状)通过过孔1606仅被连接到金属连接层中的一个。这些区域不影响部分绝缘层的电特性，但提供穿过相应绝缘层的热路径。通过改变这些区域的尺寸以及它们与金属连接层之间的连接数量，部分绝缘层的热特性可以独立于电特性而变化。

其他区域1632各自将第一绝缘层1621的窗口1601连接到第二绝缘层1622的窗口1602。窗口之间的电阻可以通过改变区域1632的几何形状来控制——例如，在区域1632包含如图13B所示的细长的轨道1633的情况下，增加轨道的宽度将减少窗口之间的电阻，并且增加轨道的长度(例如，通过设置非线性轨道或通过移动窗口)将增加窗口之间的阻力。

第一绝缘层中的窗口1601由穿过第一连接层和第一绝缘层的钻孔形成，然后钻孔镀有金属1603(或其他导电材料)以连接第一连接层和导电层。第二绝缘层中的窗口1602通过钻通所有层的过孔1602形成，然后过孔1602镀有金属1604(或其他导电材料)。为了防止通过第二绝缘层的窗口1602与第一连接层形成连接，在过孔1602周围蚀刻第一连接层以使其电隔离，并在过孔1602的端部放置绝缘帽1605以确保不会由于焊接或与HTS电缆接触而发生桥接。

作为替代方案，窗口1602可以替代地从部分绝缘层的另一侧钻孔，使得它们穿过第二连接层、第二绝缘层和导电层，并且不穿过(或不完全穿过)第一绝缘层。作为进一步的替代方案，所有窗口可以由穿过所有层的过孔形成，其中，第二连接层的蚀刻和第二连接层上的绝缘帽被用于第一绝缘层的窗口1601。

部分绝缘线圈的另一个意想不到的优点是附加的淬火稳定性允许为每根电缆内的非超导导电元件提供更多的材料选择。在常规线圈中，HTS的稳定器(即，每个带材上的金属薄层或金属包覆层)和连接带材的任何材料都是铜——因为铜具有非常低的电阻率，而较高电阻率的材料会导致过度加热。然而，铜也是一种相对较软的金属，因此在高压下其可能从带材中挤出，或者可能在剪切应力作用下变形，这可能是淬火后HTS层损坏的原因。

因此，优选减少或消除来自线圈的线圈匝和局部绝缘中的铜。经减少的铜可以是例如线圈中每个HTS带材的铜厚度小于10微米(即，与常规HTS带材相比减少)，或铜的厚度小于5微米(即，小于上述的一半)。用于代替铜的金属或其他电导体可以具有以下特征中的一个或多个：

·与铜相比降低的延展性；

·与铜相比增加的剪切模量；

·与铜相比增加的杨氏模量；

·与铜相比增加的体积模量；

·与铜相比增加的布氏硬度值。

合适的材料包括不锈钢。

以上公开可以应用于多种HTS磁体系统。除了上面提到的作为示例的托卡马克聚变反应堆之外，以上公开还可以用于核磁共振成像(NMR/MRI)设备中的HTS线圈、通过磁场操纵非磁性介质内的磁性设备(例如，用于操纵患者体内的医疗设备的机器人磁导航系统)以及用于电动机的磁体，例如用于电子飞行器。作为另一示例，本公开可以应用于包括HTS磁体系统的质子束治疗设备，HTS磁体系统包括所公开的特征，其中，HTS磁体系统用在PBT设备的加速器、PBT设备的四极转向磁体或偶极转向磁体、或PBT设备的任何其他磁体中。

Claims (35)

1.一种高温超导体HTS磁体系统，包括HTS场线圈和电源，其中：

所述HTS场线圈包括：

多个线圈匝，包括HTS材料和金属稳定器；

导电层，将所述线圈匝分隔开，使得电流能够经由所述导电层在所述线圈匝之间共享；

所述电源被配置为：

在所述HTS场线圈的斜升期间，向所述HTS场线圈提供第一电流，

在所述HTS场线圈的斜降期间，向所述HTS场线圈提供与所述第一电流方向相反的第二电流。

2.根据权利要求1所述的HTS磁体系统，并且包括：

淬火检测系统，被配置为检测所述HTS材料中的淬火和/或检测可能导致所述HTS材料中的淬火的条件；

其中，所述电源被配置为：响应于所述淬火检测系统检测到淬火或检测到可能导致淬火的条件而使所述HTS场线圈斜降。

3.根据权利要求1或2所述的HTS磁体系统，其中，所述第二电流是DC电流。

4.根据权利要求1或2所述的HTS磁体系统，其中，所述第二电流是DC电流和AC电流的组合，使得所述电流以符号与所述第一电流的符号相反的平均值正弦地变化，并且变化的周期小于所述HTS场线圈的时间常数。

5.根据前述权利要求中任一项所述的HTS磁体系统，其中，所述电源包括四象限电源单元PSU。

6.根据权利要求1、2或3所述的HTS磁体系统，其中，所述电源包括单象限电源单元PSU和电容器，其中，所述单象限PSU被配置为提供所述第一电流，并且所述电容器被配置为提供所述第二电流。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的HTS磁体系统，其中，所述电源被配置为提供所述第二电流直到以下之一：

检测到所述HTS场线圈的预定部分中的淬火；

检测到所述HTS场线圈的预定部分中的指定温度；

检测到由所述磁体产生的磁场已降低到阈值以下；以及

检测到所述HTS场线圈的HTS材料中的电流已降低到阈值以下。

8.根据前述权利要求中任一项所述的HTS磁体系统，其中，所述电源包括反馈系统，所述反馈系统被配置为根据以下中的一个或多个来控制提供给所述磁体的电流：

所述磁体的HTS材料中的电流；

所述HTS场线圈的温度；以及

所述HTS场线圈的磁场。

9.一种高温超导体HTS磁体系统，包括HTS场线圈和电源，其中：

所述HTS场线圈包括：

多个线圈匝，包括HTS材料和金属稳定器；

导电层，将所述线圈匝分隔开，使得电流能够经由所述导电层在所述线圈匝之间共享；

所述电源被配置为：

在所述HTS场线圈的斜升期间，向所述HTS场线圈提供第一电流，

在所述HTS场线圈的斜降期间，向所述HTS场线圈提供第二电流，所述第二电流与所述第一电流方向相同且小于所述场线圈的HTS材料中的电流。

10.根据权利要求9所述的HTS磁体系统，其中，所述第二电流为DC电流和AC电流的组合，使得所述电流以大于零且小于所述第一电流的平均值正弦地变化，并且变化的周期小于所述HTS场线圈的时间常数。

11.一种高温超导体HTS磁体系统，包括HTS场线圈和电源，其中：

所述HTS场线圈包括：

多个线圈匝，包括HTS材料和金属稳定器；

导电层，将所述线圈匝分隔开，使得电流能够经由所述导电层在所述线圈匝之间共享；

所述电源被配置为：

向所述HTS场线圈提供DC电流；以及

除了所述DC电流之外，还向所述HTS场线圈提供AC电流以加热所述场线圈，所述AC电流的周期小于所述场线圈的时间常数，并且所述AC电流的幅度小于所述DC电流。

12.一种托卡马克，包括根据前述权利要求中任一项所述的磁体系统，其中，所述磁体系统的HTS场线圈是所述托卡马克的环向场线圈或极向场线圈中的一个。

13.一种质子束治疗PBT设备，包括根据权利要求1至10中任一项所述的磁体系统，其中，所述磁体系统的HTS场线圈是以下之一：

所述PBT设备的加速器的场线圈；

所述PBT设备的质子束转向系统的偶极磁体或四极磁体。

14.一种使高温超导体HTS场线圈斜降的方法，其中，所述HTS场线圈包括：多个线圈匝，所述多个线圈匝包括HTS材料和金属稳定器；以及导电层，所述导电层将所述线圈匝分隔开，使得电流能够经由所述导电层在所述线圈匝之间共享，所述方法包括向所述HTS场线圈施加与在所述HTS材料中流动的第一电流相反的第二电流。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，响应于检测到所述HTS场线圈中的淬火或检测到可能导致所述HTS场线圈中的淬火的条件而施加所述第二电流。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，施加所述第二电流直到以下之一：

检测到所述HTS场线圈的预定部分中的淬火；

检测到所述HTS场线圈的预定部分中的指定温度；

检测到由所述磁体产生的磁场已降低到阈值以下；以及

检测到所述HTS场线圈的HTS材料中的电流已降低到阈值以下。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，所述第二电流是DC电流和AC电流的组合，使得所述电流以符号与所述第一电流的符号相反的平均值正弦地变化，并且变化的周期小于所述HTS场线圈的时间常数。

18.一种使高温超导体HTS场线圈斜降的方法，其中，所述HTS场线圈包括：多个线圈匝，所述多个线圈匝包括HTS材料和金属稳定器；以及导电层，所述导电层将所述线圈匝分隔开，使得电流能够经由所述导电层在所述线圈匝之间共享，所述方法包括向所述HTS场线圈施加比在所述HTS材料中流动的第一电流小的第二电流。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第二电流是DC电流和AC电流的组合，使得所述电流以大于零且小于所述第一电流的平均值正弦地变化，并且变化的周期小于所述HTS场线圈的时间常数。

20.一种加热高温超导体HTS场线圈的方法，其中，所述HTS场线圈包括：多个线圈匝，所述多个线圈匝包括HTS材料和金属稳定器；以及导电层，所述导电层将所述线圈匝分隔开，使得电流能够经由所述导电层在所述线圈匝之间共享，所述方法包括向所述HTS场线圈施加组合的DC电流和AC电流。

21.根据权利要求20的方法，其中，所述DC电流等于所述HTS场线圈的HTS材料中的电流。

22.一种高温超导HTS磁体，包括：

高温超导HTS线圈，包括：

多个线圈匝，包括HTS材料和金属稳定器；

导电层，将所述线圈匝分隔开并在所述线圈匝之间提供电连接；

绝缘结构，基本上围绕所述HTS线圈，并且具有小于5kV且大于10V的击穿电压。

23.根据权利要求22的HTS磁体，其中，所述绝缘结构是油漆或清漆的涂层。

24.根据权利要求22或23所述的HTS磁体，其中，所述绝缘结构包括：填充有气体或真空的间隙；以及支撑结构，被配置为在结构上将所述HTS线圈连接到所述磁体的其他组件。

25.根据权利要求22至24中任一项所述的HTS磁体，其中，所述绝缘结构具有小于2kV、小于1kV、小于500V或小于100V的击穿电压。

26.一种高温超导HTS线圈，包括：

多个线圈匝，包括HTS材料和金属稳定器；

分隔所述线圈匝的部分绝缘层，其中，所述部分绝缘层包括：

导电材料，所述导电材料提供相邻线圈匝之间的电路径，以及

绝缘结构，所述绝缘结构对通过所述部分绝缘层的电路径进行限制；

其中，所述绝缘结构的击穿电压小于5kV且大于10V。

27.根据权利要求26所述的HTS线圈，其中，所述绝缘结构包括填充有气体或真空的间隙。

28.根据权利要求26至27中任一项所述的HTS线圈，其中，所述绝缘结构不包括介电常数比5kV除以相邻线圈匝之间的最小间隔大的任何材料。

29.根据权利要求26至28中任一项所述的HTS线圈，其中，所述导电材料形成为：

在每一侧具有所述绝缘结构的导电层；

多个导电链路，所述多个导电链路延伸穿过所述绝缘结构以将所述导电层连接到相应的线圈匝。

30.根据权利要求29所述的HTS线圈，其中，所述导电层被分成由所述绝缘结构的部分分隔的区域，每个区域将与第一线圈连接的导电链路连接到与第二线圈连接的导电链路。

31.一种高温超导HTS线圈，包括：

多个线圈匝，包括HTS材料和金属稳定器；

分隔所述线圈匝的部分绝缘层，其中，所述部分绝缘层包括：

提供相邻的线圈匝之间的电路径的导电材料；

填充有气体或真空的间隙，所述间隙被布置为对通过所述部分绝缘层的电路径进行限制。

32.一种高温超导HTS线圈，包括：

多个线圈匝，包括HTS材料和金属稳定器；

分隔所述线圈匝的部分绝缘层；

其中，所述线圈匝不包含铜，或者所述线圈匝包含铜，铜的总厚度在所述线圈匝中的每个HTS导体中小于10微米。

33.根据权利要求32的HTS线圈，其中，所述部分绝缘层不包含铜。

34.根据权利要求32或33所述的HTS线圈，其中，所述线圈匝和/或所述部分绝缘层包括具有以下一个或多个特征的电导体：

与铜相比降低的延展性；

与铜相比增加的剪切模量；

与铜相比增加的杨氏模量；

与铜相比增加的体积模量；

与铜相比增加的布氏硬度值。

35.根据权利要求34所述的HTS线圈，其中，所述线圈匝和/或所述部分绝缘层包括钢。

Images