CN1230844C - 高温超导体的磁通泵及由其驱动的超导电磁铁 - Google Patents

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Abstract

整流器型高温超导体磁通泵(2)具有借助一个加热器(48)、尤其是利用触发脉冲D’和整流周期内的自稳定进行控制(25)的开关(15，16；115，116)。所述磁通泵(2)和电磁铁(111)的超导线圈(11)一起设置在一个共用的低温恒温器(100)的壳体内。

Description

高温超导体的磁通泵及由 其驱动的超导电磁铁
本发明涉及一种具有HTC(高温)超导开关的整流器型磁通泵以及一种由该磁通泵驱动的HTC超导电磁铁。
例如对于核自旋层析X射线摄影需要具有在相应磁场强度下高时间稳定性的高磁场。为此开发了具有超导线圈的电磁铁。几十年来已公知这种由低温(LTc)超导材料如铌锡或铌钛制成的线圈。这种磁铁须工作在约4°K温度的温度范围。
大约十年以来，高温型超导材料(HTC超导体)也已为公众所知，其温度可达液态空气温度以上，即在低于77°K的温度下具有超导性。此外也已经制成了具有HTC超导线圈的电磁铁，它可用于例如直至温度低于约40°K的高磁场。这种较低的工作温度是基于：对此所使用的HTC超导材料，例如铜酸铋(Wismutcuprate)(如(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O10和Bi2Sr2CaCu2O8)及稀土铜酸盐REBa2Cu3O7(其中RE＝Nd，Gd，Sm，Er，Y)的HTc电流承载能力，仅在达到与主要磁场强度相关的有限制的工作温度时才能满足。
在这样一种电磁铁的超导线圈中产生并流动的短路超导电流在理想情况下将持续存在。为了将这种超导电流馈送到一个超导线圈中，例如要使用一种公知的磁通泵装置。这样一种磁通泵已在“Study of Full-WaveSuperconducting Rectifier-Type Flux-Pumps”in IEEE Transactions onMagnetics，Vol.32(1966)pp.2699-2702(“全波超导整流器型磁通泵研究”，IEEE 学报 磁学 第32卷，1996年，第2699-2702页)和“On FullySuperconducting Rectifiers and Flux Pumps”，Cryogenics，Mai 1991，Seiten262-275(“论全超导整流器及磁通泵”，《低温学》，1991年5月，第262-275页)中公开。
以上所述现有技术涉及的仅是低温(LTC)型超导体，即诸如所列举的铌锡和铌钛材料。在图1中给出了现有技术中一种整流器型磁通泵2的实例(来源于上述IEEE学报)，其中用附图标记11表示一个电磁铁111的具有LTC超导体的超导线圈，该线圈例如以公知方式使用于前面所提到的核自旋层析X射线摄影中。用附图标记12表示一个提供电能的电源，其提供电磁铁工作时流入线圈11的超导电流。用附图标记13表示一个变压器，其具有一个初级线圈113，且在该实例中具有两个串联连接的次级线圈213和313。用附图标记15和16表示两个开关，它们用于导通和切断在各次级线圈213和313的电流回路中流动的超导电流。这两个次级线圈和开关在现有技术中用LTC超导材料制成，在以下所述的本发明中则用HTC超导材料制成。为了使变压器13工作，电源12通常供给交流电流，即提供一种电流方向依次交变的电流。对应于这种电流方向交变的周期，开关15和16相互反向打开和闭合。由此就实现了对流过用20及21表示的导线的电流的整流。该电流用作电磁铁线圈11的供电电流。用附图标记23表示一个在此未作详细描述的、用于保护磁通泵2的公知保险装置。用附图标记25表示一个用于控制电源12供电电流的变化周期及开关15及16的换向周期的控制系统。
在图1所示的公知磁通泵中，开关15和16是低温(LTC)超导体开关。其“断开”和“导通”状态是通过其中所含导体材料的“超导”或“常规导电”状态实现的。超导状态将在对应的低温冷却状态下出现。通过加热对应的开关元件可以使其转换成常规导电状态，它相当于一个断开的开关。这种转换是可逆的。
采用公知的方式，通过周期性地切换开关15和16，电磁铁的线圈11或者其电流回路逐渐由超导电流充电，从而相应在电磁铁的线圈11中逐渐产生一个符合要求的高磁场强度和高磁通的电磁铁直流磁场，它在维持超导的情况下将被保持。此外，这种持续磁场适合于LTC超导及为此采用的上述材料。例如一个核自旋层析X射线摄影中的超导体电磁铁作了一次充电，其在长时间内保持磁场强度恒定，从而该磁场可以满足对核自旋层析X射线摄影磁场稳定性的极高要求。补充充电例如约在100小时以后才需要进行，其前提是无技术上的缺陷或运行上的故障。
这种公知磁通泵的基本原理仅在某种程度上对本发明所使用的高温HTC超导材料有效。对于本发明使用这些材料的方案和装置，要考虑许多特殊的或不同的条件和问题。
本发明要解决的技术问题是，为本发明的磁通泵或者为本发明中这种磁通泵与超导电磁铁的组合提供一种高恒定磁场措施，通过该措施可以以有利的方式实现具有HTC超导材料的相应装置。
以下结合反映本发明公开内容的附图对本发明作进一步补充说明。
图1表示一个在本发明中也予以考虑的、公知电路结构的原理图。
图2表示图1所示整流电路的另一种方案。
图3表示本发明位于一个共用低温恒温器中的磁通泵及电磁铁组合的原理结构正视图及其剖面I-I′。
图4为对本发明磁通泵整流电路中的开关给出的一种实施方式。
图5表示工作曲线图。
图1中表示一个用于磁通泵2的、具有两个次级线圈的全波整流电路。对于本发明此处也可使用一个同样起整流功能的、在电子学中公知的、在其中采用二极管的桥式电路，且在这里作为本发明的一个实施方式表示在图2中。在图2桥式电路中与图1基本一致的元件具有相同的附图标记。用附图标记115及116表示总共包括四个开关的桥式电路的另外两个开关。在该电路中变压器13仅需要一个次级线圈213。
本发明的一种优选措施是，至少电磁铁的超导线圈11及其所属磁通泵设置在同一个低温恒温器100的真空室中。这种措施的优点是：对此只需要一个供冷装置及一个低温恒温容器。
对于解决上述技术问题的本发明权利要求1的技术方案以及其从属权利要求的进一步改进方案，一个要特别考虑的条件是：本发明具有超导磁通泵及超导电磁铁的装置按照本发明最好使用适用于较高工作温度的HTc超导材料，且对此必需这样进行操作，以各次之间为几秒钟的间隔方式用磁通泵对电磁铁进行再充电。这是需要的，因为对于本发明使用HTc超导材料的装置来说仅当采用这种短时相继的充电才能在预定容差界限内维持所要求的磁铁磁场强度的稳定性。这主要是基于公知技术中所使用的LTc超导材料更换为本发明使用的HTc超导材料作出的考虑。还应考虑的是，在本发明采用HTc超导材料的装置中，处于有利的较高温度的磁通泵及磁铁两者工作在不同的温度上，例如磁通泵工作在稍低于77°K，而电磁铁工作在约20-40°K范围内。
本发明的机理是，对于变压器的一个或多个次级线圈使用了以银基质Bi2212-，Bi2223-扁带导体为基体的HTc超导体，和/或金属基带上的YBaCuO导体作为优选例。也可使用另外的HTc超导体材料，并将它们作为线材使用。对于变压器初级线圈也可使用HTc超导材料，但对于该线圈使用在低温(如77°K)下具有很高电导率的铜导线也能满足要求，然而不利的是带来了焦耳热损耗。作为初级线圈与相应次级线圈的匝数比应选择远远大于1，最好大于100至1000。优选使用的变压器铁心尤其可由薄铁片、另一种软磁材料制成，或者是铁氧体。也可使用仅具有空心线圈的变压器。
图3表示的是在一个共用的低温恒温器100内的本发明所述装置，它主要由电磁铁111的超导线圈11以及具有开关装置15、16和变压器13(包括初级线圈113和次级线圈213及313)的磁通泵2组成。所述初级线圈和次级线圈采用彼此内外叠置绕制。附图标记12表示供电电源。用附图标记413表示一个用于监测变压器13铁心内磁通量的测量线圈。
图4给出一种本发明所使用的开关的实施方式。所述开关15、16、115、116采用HTC超导材料制成，优选采用0.2至2微米(μm)厚的薄膜41制成，上述薄膜具有至少为106安/厘米2(A/cm2)的高载流能力，优选为大于107安/厘米2(A/cm2)。优选适用的HTC超导材料是REBaCuO，其中RE为一种稀土金属Nd、La、Dd、Eu、Sm等或者钇。同样也适于采用Bi2212-，Bi2223-或LaSr-CuO。在使用多晶衬底时，薄膜41最好设置在一层电绝缘的晶体取向缓冲层42’上。所述缓冲层42’例如可以按照公知的IBAD方法(Jijima，Appl.Phys.Lett《应用物理通讯》，60(1990)，769页)淀积生成。该缓冲层的作用特别用于使其上面淀积的上述薄膜41实现双轴晶体取向或结构化。所述薄膜41和淀积有薄膜41的缓冲层42’均敷设在一层例如为0.1至0.05毫米(mm)薄、导热差、且不导电的衬底42上。对此适用的材料是多晶ZrO、MgO、玻璃等等。使用单晶衬底，例如SrTiO3、MgO时，还可以省去缓冲层。作为对上述类型的超导薄膜41的补充还可以敷设一层具有常规导电特性且由Au、Ag、Cu等组成的保护层和/或防护层43。用附图标记44表示彼此横向间隔敷设在HTC超导材料薄膜41上的引线，它以低电阻方式，例如通过钎焊连接，与薄膜相接触。该引线的作用是引入和引出流过该开关(即横向流过引线44之间的薄膜)的、要控制通断的电流。
对于各个开关15、16、115、116，一种如上所述的结构基本在横向上是带状的。相应于这样一种带状结构41至44的各个开关位于一个优选为所有开关15、16、115、116设置的共用底板45上。该底板用良导热材料，如铜制成。但是在该层状结构41至43及其底板45的结合面之间最好还设置一层位于底板上的膜层或涂层46。该膜层或该涂层就其导热性和厚度而言，要选择一种合适的材料。这类材料例如优选采用纤维增强塑料(GFK)或者类似的材料，然而必须耐低温。结构41至43可以通过粘合剂或一种油脂敷设在底板45或涂层46上。在所有情况中，重要的是在底板45和位于其上的结构41至43之间具有一个所选择的、确定的热阻，以保证各个开关正常工作。
该底板45在低于薄膜41的HTC超导材料的跃变温度Tc之下的低温中工作。这样可以使该HTC超导材料薄膜41无需其他措施即可维持超导状态。在这种状态下，超导电流流过引线44之间的薄膜41，即相应的开关15、16、115、116被“导通”。
在需要使开关的薄膜41从物理上切换(即切断流通的电流)的地方设置了一个加热器48，它例如采用一种适于作为加热器的薄膜材料，将其敷设在薄膜41或者敷设在薄膜上面的防护层43上面。该加热器48通过其连接导线47供给脉冲电流，其所产生的焦耳热量可将位于其下的开关超导材料从超导状态转换到电阻导电状态，也就是说，将其加热到对该开关应当断开期间所需的至少接近或高于跃变温度Tc的温度。
图4中还包括一个曲线图。在该图中X轴线表示薄膜层41的横向。纵坐标上表示温度。TC表示薄膜41的HTC超导材料的跃变温度。底板45的工作温度大致处于数值T0的高度上。例如该温度是在低温恒温器内的电磁线圈的工作温度。在图4中给出的曲线141至少近似地表示了开关处于断开状态或阶段时两条引线44之间横向上的薄膜41的HTC超导材料内部的温度曲线。如图所示，在这种状态下，位于加热器48下方区域的薄膜41内的温度提高到高于跃变温度TC的数值，并通过输入热量抵销由底板45导致的冷却。重新将流经加热器48、加热开关段146的电流切断后，该开关段146将重新冷却到跃变温度TC以下。其中应当考虑的是，在开关段146内，当此处的薄膜超导材料处在正常导电过程中时，在该材料内将产生焦耳热量，该热量是流经开关的正常导电欧姆电流产生的。这种热量会对冷却效果起相反的作用，所以必须相应地予以定量考虑。
下面对本发明所述开关的其他工作方式加以说明。
上述使加热器48在开关断开阶段持续工作的方案也可以通过本发明的另一种工作方式取代。该工作方式是，加热器48按照一种触发器工作过程得到短时间的电流脉冲，其持续时间和开关阶段相比很短。由这种电流脉冲在加热器内产生的焦耳热量这样来确定：该热量应当将开关段在对应的短时间内加热到高于跃变温度TC的温度。此时在薄膜41的开关段146的区域内，首先存在的是短时间内受外界强制影响使材料进入正常导电状态，其电阻为R，与此相联系产生了焦耳热量U2/R(U为由整流电路次级线圈感应而在区域上146上形成的电压)，也就是说通过此后继续在引线44之间流过、且取决于该电压的欧姆剩余电流起作用。借助于在开关区域的薄膜41和底板45之间的热传导量，能够使底板导走的热量与在这种情况下断开或切断的开关中出现的剩余电流焦耳热量达到平衡。于是出现了一种抑制导通开关时在引线44之间和穿过线圈11流动的电流的自稳定状态。
这种有利的“断开开关”功能的自稳定状态基本上通过降低所述剩余电流的电流强度来结束。这种状态出现的条件是，变压器13的初级侧的供电电流使变压器铁心的磁通量随时间的变化dφ/dt在一个时间间隔τ内接近于零，也就是说，在所述时间间隔内变压器的初级电流要保持恒定的电流幅度。在该时间间隔内，变压器内以及整流电路内感应的次级电压在开关断开时也接近于数值零。通过这种方式，剩余电流以及由该电流在开关段内产生的焦耳热量很小，以致此时热量输出占主导地位，因而开关段冷却到跃变温度以下，并且使自稳定状态消失。所述开关段通过以上步骤重新进入超导状态，将相应的开关重新导通，直到出现下一个触发的加热脉冲。因而在本发明的这个实施方式中，除了对相关磁通泵来说要求初级侧电流馈送和整流电路开关工作周期同步之外，初级交流电或交流脉冲激发的形状还要与这种特定的开关工作方式相匹配。就此匹配而言，可参见以下关于图5的说明。
以上所要达到的目标是，使得向处于高于跃变温度的温度而具有电阻性质的开关段146所供给的能量与从其导走的热量，尽可能保持或确定在很小的数值上，从而使由电阻性质状态进入(重新进入)超导状态的冷却时间最小。这样可以使磁通泵能够以更高的循环频率在循环中运行，而且无需采取措施就可在重复执行开关过程中将这样的热能引入低温恒温器的低温工作区域中。
借助于磁通泵2，可使电磁铁111获得来自电源12的供电。参见图5所示。图中的A至F行表示下面所描述的过程。图5中左半边的过程表示电磁铁的完全充电。图5中的右半边表示用于补偿随时间出现损失的补充充电过程，即电磁铁111磁场的时间稳定过程。
图5中的A行给出一个本发明所述磁通泵对变压器13供电在其铁心内产生的磁通量φ随时间变化曲线的实例。横座标为时间t。磁通量φ随时间的变化可在次级侧起到在各次级线圈213、313上产生如B行所示的各相应电压脉冲的作用。在次级线圈、例如213的电流回路中，导通的开关例如开关15内流通有电流。此导致磁铁线圈11内的电流上升，如C行阶梯曲线所示。在A行中随后发生的磁通量随时间的变化将再次在变压器的次级侧产生一个电压脉冲，而且是一个符号相反的脉冲，如B行所示。相应于整流电路的功能，此时接通的开关16内流通的电流将经过次级线圈313，并且如C行所示使磁铁线圈11内的电流进一步充电。对于磁通泵而言，公知的是该过程一直持续到磁铁线圈11最终完成充电，其电流强度应当能使该磁铁线圈11达到其给定的高强度磁场。
在以上所述过程的时间曲线中，交替地将整流电路的一个支路的开关15和另一个支路的开关16导通一次，也就是说交替地使此两开关进入超导状态。例如在电流流经开关15时被同时抑制的开关16如D行所示被加热到薄膜41材料的跃变温度Tc或高于该温度，直到所述剩余电流截止为止。
在本发明未使用自稳定效应的实施方式中，加热器48在B行相应脉冲(开关15一次，另一开关16一次)的整个时间周期内如上所述供给加热电流，从而在其相应的薄膜41的开关段146内达到一个超过跃变温度Tc的温度，并且在开关断开的周期内保持该温度。
在本发明所述具有开关自稳定效应的实施方式中，图5中D’行表示上述使开关15、16进入断开状态的触发过程的电流脉冲的顺序。D’行的各个电流脉冲首先会导致其至少上升到跃变温度Tc。上升的结果是出现上述欧姆剩余电流及其在该状态自稳定的焦耳热，以继续保持各开关处于抑制状态。特别是从A行和D行可知，位于两次如A行所示先后紧随发生的磁通量变化之间的、具有至少近似恒定磁通量φ的时间间隔τ的重要性。在此时间间隔内，变压器的两个次级线圈上实际上没有电压作用，所以在这种状态下(也就是在接通各开关15、16时)不会存在感应激励电流。其结果是出现上述流经断开的开关的剩余电流在时间上的中断或消失，从而使自稳定效应停止，开关15、16重新返回薄膜41的超导状态，也就是说，其温度回落到温度T0，如D行所示。
采用本发明可实现开关过程的最小散热，而不必降低补充充电的脉冲频率。
E行表示变压器13或者变压器13的初级线圈113的初级电流，F行表示初级电压。
图5中的右侧表示电磁铁111的磁场强度的时间稳定性，它与图5中的左半边所示充电过程的区别是，变压器13内的初级电流或磁通量的符号变化在时间上延长了，也就是说，按照重新充电的要求进行，如C行右半边所示。
电磁铁111的充电或者为使其磁场稳定而作的补充充电如图5所示是通过调整脉冲频率和/或脉冲振幅及相应控制磁通泵整流电路的开关来实现。脉冲频率优选通过一个调节回路预先设定。
所述调节回路例如包括用于对磁铁进行周期性NMR磁场测量的措施。例如确定NMR频率的实际值和额定值之间的差值。所产生的差值将通过相应成比例地改变在变压器13输入端(即初级线圈113)对磁通泵进行控制的脉冲频率而重新平衡。
作为实现磁场稳定的另一种措施，可以在所需要的低温区域内通过电流测量或用一个霍尔传感器来测定温度的偏移，再转换成修正的脉冲频率。
相应于图5表示的过程，作了一次充电的电磁铁111可以以可逆方式借助反向工作的磁通泵重新放电。其中在相同的脉冲图中，充电时是接通的开关被断开，或与此相反。
根据本发明，磁通泵2和电磁铁111优选共同设在一个共用的低温恒温器内。该低温恒温器内的温度可以设定在电磁铁111所需的温度值上，例如上述温度值T0，即这样来确定该温度，使磁铁线圈11的HTC超导材料在所产生的磁场内具有所需的载流能力。因此可以规定，开关装置的底板45也保持在一个较高的温度上，然而低于超导材料的温度Tc。与此相关的是，开关的加热器48(图4)所要求的加热功率以及从薄膜41至底板45的热传导能力所需的尺寸。

Claims (22)

1、一种带有超导体磁通泵(2)的装置，该磁通泵有一个变压器(13)，其次级侧至少包括一个位于带有至少一个可控(25)开关(15，16；115，116)的次级整流电路中的超导变压器线圈(213，313)，该磁通泵用于向一个电磁铁(111)的超导磁线圈(11)供应电流(21，22)，其特征在于：所述变压器(13)的至少一个次级侧变压器线圈(213，313)由一种HTC超导材料制成，并且作为各开关(15，16；115，116)采用一种这样的开关，其开关段(146)采用同样由HTC超导材料制成的扁带，其中在此开关段(146)上设置一个与其紧邻并形成热传导接触的受控(25)驱动的加热器(48)。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述磁通泵(2)和所述电磁铁(111)的超导磁线圈(11)一起设置在一个共用的低温恒温器(100)内。
3、如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述开关段(146)由薄膜(41)构成。
4、如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述薄膜(41)在开关段(146)的区域内具有0.2至2微米的厚度。
5、如权利要求3所述的装置，其特征在于：在开关段(146)的区域内，所述薄膜(41)截面的载流能力至少为106安/厘米。
6、如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述开关(15，16)的HTC超导材料选择RE BaCuO族材料，其中RE是稀土金属Nd、La、Dd、Eu、Sm或者钇中的至少一种。
7、如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述开关(15，16)的材料选择Bi2212或者Bi2223或者LaSr-CuO。
8、如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述薄膜(41)设置在用于薄膜结构化的缓冲层(42’)上。
9、如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述薄膜(41)的衬底(42)采用多晶ZrO、MgO或者玻璃。
10、如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述薄膜(41)的衬底(42)厚度为0.05至0.1毫米。
11、如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述开关(15，16；115，116)安装在用良导热材料制成的底板(45)上。
12、如权利要求11所述的装置，其特征在于：所述底板(45)用铜制成。
13、如权利要求11所述的装置，其特征在于：所述底板(45)的表面至少在开关段(146)的区域内具有一层涂层(46)，其厚度和组成材料可使该涂层(46)在所述底板(45)和薄膜(41)之间具有预先给定的导热能力。
14、如权利要求13所述的装置，其特征在于：所述涂层(46)采用一种塑料材料。
15、如权利要求13所述的装置，其特征在于：所述涂层(46)采用一种油脂。
16、如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述每个开关(15，16；115，116)所使用的材料和尺寸这样来匹配，使得在可控的电流抑制状态下，在开关段(146)内出现该抑制的自稳定状态。
17、一种运行带有超导体磁通泵(2)装置的方法，该磁通泵有一个变压器(13)，其次级侧至少包括一个位于带有至少一个可控(25)开关(15，16；115，116)的次级整流电路中的超导变压器线圈(213，313)，该磁通泵用于向一个电磁铁(111)的超导磁线圈(11)供应电流(21，22)，其中，所述变压器(13)的至少一个次级侧变压器线圈(213，313)由一种HTC超导材料制成，并且作为各开关(15，16；115，116)采用一种这样的开关，其开关段(146)采用同样由HTC超导材料制成的扁带，其中在此开关段(146)上设置一个与其紧邻并形成热传导接触的受控(25)驱动的加热器(48)，其特征在于：对所述磁通泵(2)的变压器(13)的供电采用电流脉冲来实现。
18、如权利要求17所述的运行方法，其特征在于：为将开关相应断开，对所述开关(15，16；115，116)的加热器(48)首先用一个与该开关阶段持续时间相比时间较短的加热脉冲进行控制，以建立随后的自稳定开关状态，并且该状态通过有控制地降低剩余电流才结束。
19、如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述剩余电流的降低是通过变压器(13)的供电时间间隔(τ)实现的，其中在该时间间隔(τ)内变压器内的磁通量(φ)至少接近保持恒定，即在变压器(13)的至少一个次级侧超导变压器线圈(213，313)上实际上没有电压作用。
20、如权利要求17所述的方法，其特征在于：所述电磁铁(111)内的电流稳定是通过磁通泵(2)的变压器(13)的供电调节装置(413)实现的。
21、如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述调节是通过变压器(13)供电脉冲序列的调频实现的。
22、如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述调节是通过变压器(13)供电脉冲序列的调幅实现的。
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