EA040624B1 - MAGNET WITH HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR - Google Patents

MAGNET WITH HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR Download PDF

Info

Publication number
EA040624B1
EA040624B1 EA202191043 EA040624B1 EA 040624 B1 EA040624 B1 EA 040624B1 EA 202191043 EA202191043 EA 202191043 EA 040624 B1 EA040624 B1 EA 040624B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
coil
hts
electrical contact
coils
magnet according
Prior art date
Application number
EA202191043
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Грег Бриттлс
Марсель Круип
Тони Лангтри
Джордж СМИТ
Original Assignee
Токемек Энерджи Лтд
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Токемек Энерджи Лтд filed Critical Токемек Энерджи Лтд
Publication of EA040624B1 publication Critical patent/EA040624B1/en

Links

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к магнитам с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП),The present invention relates to high temperature superconductor (HTSC) magnets,

ВТСП-магнитам. В частности, оно относится к подаче электрического тока в ВТСП-магниты.HTSC magnets. In particular, it relates to the supply of electric current to HTS magnets.

Предпосылки изобретенияBackground of the invention

Сверхпроводящие материалы типично делятся на высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) и низкотемпературные сверхпроводники (НТСП). НТСП-материалы, такие как Nb и NbTi, являются металлами или металлическими сплавами, сверхпроводимость которых может быть описана теорией БКШ (Бардина-Купера-Шриффера). Все низкотемпературные сверхпроводники имеют критическую температуру (температуру, выше которой материал не может быть сверхпроводящим даже в нулевом магнитном поле) ниже примерно 30 К. Поведение ВТСП-материала не описывается теорией БКШ, и такие материалы могут иметь критические температуры выше примерно 30 К (хотя следует отметить, что именно физические различия в работе и составе сверхпроводников, а не критическая температура определяют ВТСП-материал). Наиболее часто используемыми ВТСП являются купратные сверхпроводники - керамика на основе купратов (соединений, содержащих группу оксида меди), таких как BSCCO или ReBCO (где Re - редкоземельный элемент, обычно Y или Gd). Другие ВТСП-материалы включают пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборат магния (MgB2).Superconducting materials are typically divided into high temperature superconductors (HTSC) and low temperature superconductors (LTSC). LTSC materials such as Nb and NbTi are metals or metal alloys whose superconductivity can be described by the BCS (Bardin-Cooper-Schrieffer) theory. All low-temperature superconductors have a critical temperature (the temperature above which a material cannot be superconductive even in zero magnetic field) below about 30 K. The behavior of an HTS material is not described by BCS theory, and such materials may have critical temperatures above about 30 K (although it should be It should be noted that it is the physical differences in the work and composition of superconductors, and not the critical temperature, that determine the HTSC material). The most commonly used HTSCs are cuprate superconductors - ceramics based on cuprates (compounds containing a copper oxide group) such as BSCCO or ReBCO (where Re is a rare earth element, usually Y or Gd). Other HTS materials include iron pnictides (eg FeAs and FeSe) and magnesium diborate (MgB 2 ).

ReBCO типично производят в виде лент со структурой, показанной на фиг. 1. Такая лента 100 обычно имеет толщину приблизительно 100 мкм и включает в себя подложку 101 (типично электрополированный сплав Хастелой толщиной приблизительно 50 мкм), на который нанесена методом ионнолучевого осаждения (IBAD), магнетронного распыления или другого подходящего метода последовательность буферных слоев, известных как буферный пакет 102, приблизительной толщиной 0,2 мкм. Эпитаксиальный слой 103 ВТСП-ReBCO (нанесенный методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) или другим подходящим методом) покрывает этот буферный пакет 102 и типично имеет толщину 1 мкм. На слой ВТСП нанесен 1-2-микронный слой 104 серебра методом магнетронного распыления или другим подходящим методом, и на ленту гальваническим методом или другим подходящим методом нанесен стабилизирующий слой 105 меди (или оболочка), который(ая) часто полностью инкапсулирует ленту. Электрический ток обычно подводится к ленте 100 через оболочку.ReBCOs are typically produced as tapes with the structure shown in FIG. 1. Such tape 100 is typically about 100 µm thick and includes a substrate 101 (typically an electropolished Hastelloy about 50 µm thick) on which is deposited by ion beam deposition (IBAD), magnetron sputtering, or other suitable technique, a series of buffer layers known as buffer package 102, approximately 0.2 µm thick. An HTS-ReBCO epitaxial layer 103 (deposited by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or other suitable method) covers this buffer package 102 and is typically 1 µm thick. The HTS layer is coated with a 1-2 micron silver layer 104 by magnetron sputtering or other suitable method, and a stabilizing copper layer 105 (or sheath) is applied to the tape by electroplating or other suitable method, which often completely encapsulates the tape. Electrical current is typically applied to tape 100 through the sheath.

Подложка 101 обеспечивает механическую основу, которая может подаваться по производственной линии и позволяет выращивать последующие слои. Буферный пакет 102 требуется для обеспечения биаксиально текстурированного кристаллического шаблона, на котором будет расти слой ВТСП, и предотвращает химическую диффузию элементов из подложки в ВТСП, что нарушает его сверхпроводящие свойства. Слой 104 серебра требуется для обеспечения перехода с низким сопротивлением от ReBCO к стабилизующему слою, а стабилизирующий слой 105 обеспечивает альтернативный путь тока в случае, когда какая-либо часть ReBCO перестает быть сверхпроводящей (переходит в нормальное состояние).The substrate 101 provides a mechanical support that can be fed down the production line and allows subsequent layers to be grown. The buffer package 102 is required to provide a biaxially textured crystal template on which the HTS layer will grow, and to prevent chemical diffusion of elements from the substrate into the HTS, which destroys its superconducting properties. The silver layer 104 is required to provide a low resistance transition from the ReBCO to the stabilization layer, and the stabilization layer 105 provides an alternate current path in the event that any portion of the ReBCO ceases to be superconductive (goes to the normal state).

ВТСП-магниты могут быть сформированы посредством намотки ВТСП-ленты, такой как описанная выше ReBCO-лента 100, в катушку. Обычными точками выхода из строя в таких ВТСП-магнитах являются те места, где отдельные ленты или кабель отходят от пакета обмоток в области стыка (т.е. электрического соединения).HTS magnets can be formed by winding an HTS tape, such as the ReBCO tape 100 described above, onto a spool. Common points of failure in such HTS magnets are where individual tapes or cables break away from the winding package at the junction (ie, electrical connection).

Фиг. 2 схематично показывает традиционный электрический стык с катушкой 201, содержащей ВТСП-ленту 100. Внешняя обмотка катушки 201 была частично оттянута от пакета обмоток, чтобы создать свободный конец 202. К свободному концу 202 прижимается крепление 203 электрического стыка для того, чтобы подавать электрический ток на катушку 201.Fig. 2 schematically shows a conventional electrical interface with a coil 201 containing an HTS tape 100. The outer winding of the coil 201 has been partially pulled away from the coil stack to create a free end 202. coil 201.

В стыках со свободным концом, таких как показанные на фиг. 2, ВТСП-ленты повреждаемы из-за циклического перемещения под действием электромагнитных (ЭМ) сил и теплового сжатия, вызывающих их деградацию во время нормальной работы. Часто эти открытые участки ВТСП-ленты также подвержены дополнительному риску, поскольку нет соседних ВТСП-витков (обмоток), с которыми можно было бы поделиться током в случае нарушения критического тока, и это означает, что такие участки не пользуются близостью к главному пакету обмоток для рассеивания тепла и/или тока.In free-end joints, such as those shown in FIG. 2, HTS tapes are damaged due to cycling under electromagnetic (EM) forces and thermal contraction causing degradation during normal operation. Often these exposed sections of the HTS tape are also at additional risk because there are no adjacent HTS turns (windings) to share current with in the event of a critical current failure, meaning that such sections do not enjoy proximity to the main winding stack for dissipation of heat and/or current.

Эти области свободных концов также склонны к повреждению во время процессов намотки и сборки магнита, поскольку отдельные ленты хрупкие и легко сгибаются при неправильном обращении. Кроме того, в схеме со свободным концом приходится изготавливать дорогостоящие, прецизионно обработанные детали для направления и поддержания свободных концов по мере того, как они выходят из пакета обмоток в крепление стыка.These riser regions are also prone to damage during magnet winding and assembly processes, as the individual ribbons are brittle and bend easily if mishandled. In addition, costly, precision-machined parts must be made in a free-end circuit to guide and support the free ends as they exit the winding package into the splice attachment.

Другой проблемой, которая может возникать в сверхпроводящих магнитах, является нарушение сверхпроводимости. Нарушение сверхпроводимости происходит, когда часть сверхпроводящих провода или катушки переходит в резистивное состояние.Another problem that can occur in superconducting magnets is the disruption of superconductivity. Superconductivity breakdown occurs when part of a superconducting wire or coil goes into a resistive state.

Это может происходить вследствие колебаний температуры или магнитного поля, либо физического повреждения или дефектов в сверхпроводнике (например, из-за нейтронного облучения, если магнит используется в термоядерном реакторе). Вследствие высоких токов, присутствующих в магните, когда даже малая часть сверхпроводника становится резистивной, он быстро нагревается. Как упоминалось выше, сверхпроводящие провода снабжены некоторым медным стабилизатором для защиты от наруше- 1 040624 ния сверхпроводимости. Медь обеспечивает альтернативный путь тока, если сверхпроводник становится нормальным. Чем больше меди присутствует, тем медленнее растет температура в горячем пятне, которое образуется вокруг области проводника с нарушенной сверхпроводимостью.This may be due to fluctuations in temperature or magnetic field, or physical damage or defects in the superconductor (for example, due to neutron exposure if the magnet is used in a fusion reactor). Due to the high currents present in the magnet, when even a small part of the superconductor becomes resistive, it quickly heats up. As mentioned above, the superconducting wires are provided with some kind of copper stabilizer to protect them from breaking the superconductivity. Copper provides an alternative current path if the superconductor becomes normal. The more copper is present, the slower the temperature rises in the hot spot that forms around the broken superconductivity region of the conductor.

Следовательно, существует потребность в ВТСП-магните, который устраняет или смягчает некоторые или все эти недостатки.Therefore, there is a need for an HTS magnet that eliminates or alleviates some or all of these disadvantages.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Задачей настоящего изобретения является предоставление ВТСП-магнита, который решает или, по меньшей мере, смягчает описанные выше проблемы.It is an object of the present invention to provide an HTS magnet that solves or at least alleviates the problems described above.

Согласно первому аспекту изобретения предложен ВТСП-магнит. ВТСП-магнит содержит катушку, образованную вложенными концентрическими обмотками, причем каждая обмотка содержит ВТСПматериал; и проводящий элемент, содержащий поверхность электрического контакта, через которую подается электрический ток к участку по меньшей мере одной из обмоток. Эта поверхность обеспечивает электрический контакт между проводящим элементом и осевой кромкой катушки практически по пути упомянутой по меньшей мере одной из обмоток.According to a first aspect of the invention, an HTS magnet is provided. The HTS magnet comprises a coil formed by nested concentric windings, each winding containing an HTS material; and a conductive element comprising an electrical contact surface through which an electrical current is supplied to a portion of at least one of the windings. This surface provides electrical contact between the conductive element and the axial edge of the coil practically along the path of said at least one of the windings.

Каждая обмотка может содержать ВТСП-ленту и оболочку, электрически соединенную с ВТСПлентой, причем электрический контакт обеспечивается с оболочкой.Each winding may comprise an HTS tape and a sheath electrically connected to the HTS tape, electrical contact being made with the sheath.

Поверхность электрического контакта может обеспечивать электрический контакт с осевой кромкой катушки по более чем 20%, более чем 50% или более чем 80% пути упомянутой по меньшей мере одной из обмоток. Поверхность электрического контакта может быть кольцеобразной.The electrical contact surface may provide electrical contact with the axial edge of the coil over more than 20%, more than 50%, or more than 80% of the path of said at least one of the windings. The electrical contact surface may be annular.

ВТСП-магнит может содержать пластину, проходящую по одной или более из других обмоток, причем проводящий элемент выполнен заодно с пластиной или предусмотрен на ней. Проводящий элемент может выступать из лицевой стороны пластины, а пластина дополнительно содержит диэлектрический или электрорезистивный слой для электрической изоляции этой лицевой стороны пластины от участка одной или более из других обмоток.The HTS magnet may include a plate extending along one or more of the other windings, the conductive element integral with or provided on the plate. The conductive element may protrude from the face of the plate, and the plate further comprises a dielectric or electro-resistive layer for electrically isolating that face of the plate from a portion of one or more of the other windings.

Используемый здесь термин электрорезистивный слой означает слой, который имеет электрическое сопротивление больше электрического сопротивления между проводящим элементом и катушкой и электрического сопротивления между витками катушки (т.е. радиального электрического сопротивления катушки). Тем не менее, электрорезистивный слой может быть теплопроводящим, тем самым позволяя более эффективно переносить тепло от катушки (или к ней). Электрорезистивный слой может быть или не быть диэлектрическим слоем. Недиэлектрический, но электрорезистивный слой может быть предпочтительным в случаях, когда диэлектрик был бы подвержен радиационному повреждению, например, когда катушки являются частью термоядерного реактора токамак.As used herein, the term electrical resistive layer means a layer that has an electrical resistance greater than the electrical resistance between the conductive element and the coil and the electrical resistance between the turns of the coil (ie, the radial electrical resistance of the coil). However, the electrical resistive layer may be thermally conductive, thereby allowing more efficient transfer of heat from (or to) the coil. The electrical resistive layer may or may not be a dielectric layer. A non-dielectric but electrically resistive layer may be preferred in cases where the dielectric would be susceptible to radiation damage, such as when the coils are part of a tokamak fusion reactor.

ВТСП-магнит может содержать промежуточный проводящий слой, проходящий по одной или более другим обмоткам, для передачи тепла и/или электрического тока от кромки упомянутой или каждой обмотки. Промежуточный проводящий слой может содержать латунь и/или нержавеющую сталь. Также могут быть использованы и другие паяемые металлы, т.е. металлы, с которыми может сцепляться припой для того, чтобы обеспечить электрический контакт. Промежуточный проводящий слой может быть снабжен рисунком (структурирован) за счет изменения его толщины, например, с получением паутиноподобного рисунка.The HTS magnet may include an intermediate conductive layer passing through one or more other windings to transfer heat and/or electric current from the edge of said or each winding. The intermediate conductive layer may comprise brass and/or stainless steel. Other solderable metals can also be used, i.e. metals that solder can adhere to in order to make electrical contact. The intermediate conductive layer can be patterned (structured) by changing its thickness, for example, to obtain a web-like pattern.

Катушка может содержать электрическую изоляцию между обмотками.The coil may contain electrical insulation between the windings.

ВТСП-магнит может содержать один или более датчиков и/или один или более нагревателей, расположенных между пластиной и катушкой.The HTS magnet may include one or more sensors and/or one or more heaters located between the plate and the coil.

Поверхность электрического контакта может обеспечивать электрический контакт либо с самой внутренней, либо с самой внешней обмоткой катушки. Поверхность электрического контакта может обеспечивать электрический контакт через несплошность (разрыв) в обмотках. Например, если катушка образована из двух отрезков ВТСП-ленты, поверхность электрического контакта может действовать как электрический стык для последовательного соединения лент.The electrical contact surface may provide electrical contact with either the innermost or outermost winding of the coil. The electrical contact surface may provide electrical contact through a discontinuity (discontinuity) in the windings. For example, if the coil is formed from two lengths of HTS tape, the electrical contact surface can act as an electrical interface to connect the tapes in series.

ВТСП-магнит может дополнительно содержать другой проводящий элемент, содержащий поверхность электрического контакта для приема электрического тока от участка другой по меньшей мере одной из обмоток. Эта поверхность обеспечивает электрический контакт с упомянутой или другой осевой кромкой катушки практически по пути другой по меньшей мере одной из обмоток. Поверхности электрического контакта могут обеспечивать электрический контакт с противоположными сторонами (гранями) катушки.The HTS magnet may further comprise another conductive element comprising an electrical contact surface for receiving electrical current from a portion of the other at least one of the windings. This surface provides electrical contact with said or another axial edge of the coil practically along the path of the other at least one of the windings. The electrical contact surfaces may provide electrical contact with opposite sides (faces) of the coil.

ВТСП-магнит может дополнительно содержать одну или более дополнительных катушек, причем упомянутая или каждая дополнительная катушка имеет проводящие элементы для обеспечения электрического контакта с противоположными сторонами (гранями) этой катушки, причем катушки уложены стопкой в осевом направлении и электрически соединены друг с другом через свои соответствующие проводящие элементы. Соседние уложенные стопкой в осевом направлении катушки могут быть намотаны в противоположных направлениях.The HTS magnet may further comprise one or more additional coils, said or each additional coil having conductive elements for providing electrical contact with opposite sides (faces) of this coil, the coils being axially stacked and electrically connected to each other through their respective conductive elements. Adjacent axially stacked coils may be wound in opposite directions.

ВТСП-магнит может содержать две или более концентрически вложенных катушек, каждая из которых имеет соответствующие проводящие элементы, причем каждая катушка электрически соединена с соседней катушкой электрическим соединением между соответствующими проводящими элементамиThe HTS magnet may comprise two or more concentrically nested coils each having respective conductive elements, each coil being electrically connected to an adjacent coil by an electrical connection between the respective conductive elements.

- 2 040624 катушек. Это электрическое соединение может быть гибким, чтобы приспосабливаться к перемещению катушек относительно друг друга. ВТСП-магнит может содержать одну или более промежуточных опор, расположенных между соседними катушками, для пресечения радиальных сил.- 2 040624 coils. This electrical connection may be flexible to accommodate the movement of the coils relative to each other. The HTS magnet may include one or more intermediate supports positioned between adjacent coils to resist radial forces.

Соответствующие ВТСП-ленты соседних катушек могут отличаться по одному или более из толщины; состава; ширины и числа.The respective HTS tapes of adjacent coils may differ in one or more of the thicknesses; composition; width and number.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен ВТСП-магнит, содержащий первую и вторую катушки, причем каждая катушка образована вложенными концентрическими обмотками, а каждая обмотка содержит ВТСП-материал; и первый и второй проводящие элементы, причем каждый проводящий элемент обеспечивает электрическое соединение между катушками. Каждый проводящий элемент содержит первую поверхность электрического контакта, через которую передается электрический ток к и от участка по меньшей мере одной из обмоток первой катушки; и вторую поверхность электрического контакта, через которую передается электрический ток к или от участка по меньшей мере одной из обмоток второй катушки. Каждая поверхность обеспечивает электрический контакт между соответствующим проводящим элементом и осевой кромкой соответствующей катушки практически по пути упомянутой по меньшей мере одной из обмоток.According to a second aspect of the present invention, there is provided an HTS magnet comprising first and second coils, each coil being formed by nested concentric windings, and each winding containing HTS material; and first and second conductive elements, each conductive element providing an electrical connection between the coils. Each conductive element comprises a first electrical contact surface through which electrical current is transmitted to and from a portion of at least one of the windings of the first coil; and a second electrical contact surface through which electrical current is transmitted to or from a portion of at least one of the windings of the second coil. Each surface provides electrical contact between the respective conductive element and the axial edge of the respective coil substantially along the path of said at least one of the windings.

Электрическое сопротивление электрического соединения, обеспечиваемого первым проводящим элементом, деленное на электрическое сопротивление электрического соединения, обеспечиваемого вторым проводящим элементом, может составлять более 1,5, более 3 или более 10. Площади поверхностей электрического контакта второго проводящего элемента могут быть больше площадей поверхностей электрического контакта первого проводящего элемента.The electrical resistance of the electrical connection provided by the first conductive element divided by the electrical resistance of the electrical connection provided by the second conductive element may be greater than 1.5, greater than 3, or greater than 10. The electrical contact surface areas of the second conductive element may be greater than the electrical contact surface areas of the first conductive element.

Первый проводящий элемент может быть расположен радиально снаружи от второго проводящего элемента. Это может позволить разместить первый проводящий элемент в области более низкого магнитного поля.The first conductive element may be positioned radially outward from the second conductive element. This may allow the first conductive element to be placed in a region of lower magnetic field.

Первый или второй проводящий элемент может содержать переменный резистор или переключатель. Переменный резистор или переключатель могут содержать ВТСП-материал.The first or second conductive element may comprise a variable resistor or switch. The variable resistor or switch may comprise HTS material.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен токамак, содержащий описанный выше ВТСП-магнит. ВТСП-магнит выполнен с возможностью обеспечения тороидального магнитного поля или полоидального магнитного поля.According to a third aspect of the present invention, there is provided a tokamak comprising the HTS magnet described above. The HTS magnet is configured to provide a toroidal magnetic field or a poloidal magnetic field.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложен способ создания полунезатухающего тока в описанном выше ВТСП-магните. Способ включает подготовку каждой из катушек в сверхпроводящем состоянии; подключение источника питания параллельно катушкам и отключение источника питания.According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for generating a semi-continuous current in the HTS magnet described above. The method includes preparing each of the coils in a superconducting state; connecting the power supply in parallel with the coils and disconnecting the power supply.

Второй проводящий элемент может содержать ВТСП-материал, а способ может включать после подключения источника питания параллельно катушкам переведение ВТСП-материала из нормального состояния в сверхпроводящее состояние.The second conductive element may comprise an HTS material, and the method may include, after connecting a power source in parallel with the coils, converting the HTS material from a normal state to a superconducting state.

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения предложен способ выполнения электрического соединения с ВТСП-магнитом, содержащим катушку, образованную вложенными концентрическими обмотками, причем каждая обмотка содержит ВТСП-материал. Способ включает нанесение диэлектрического или электрорезистивного слоя для частичного покрытия лицевой стороны катушки; приложение проводящей пластины к диэлектрическому или электрорезистивному слою и формирование электрического контакта между проводящей пластиной и осевой кромкой катушки практически по пути по меньшей мере одной из обмоток.According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for making an electrical connection to a HTS magnet comprising a coil formed by nested concentric windings, each winding containing an HTS material. The method includes applying a dielectric or electro-resistive layer to partially cover the face of the coil; applying the conductive plate to the dielectric or electro-resistive layer and forming an electrical contact between the conductive plate and the axial edge of the coil substantially along the path of at least one of the windings.

Способ может дополнительно включать нанесение промежуточного проводящего слоя между диэлектрическим или электрорезистивным слоем и катушкой, причем промежуточный проводящий слой проходит по одной или более из других обмоток для передачи тепла или электрического тока от кромки упомянутой или каждой обмотки.The method may further include depositing an intermediate conductive layer between the dielectric or electrical resistive layer and the coil, the intermediate conductive layer extending along one or more of the other windings to transfer heat or electric current from an edge of said or each winding.

Согласно шестому аспекту настоящего изобретения предложена проводящая пластина для подачи тока к осевой кромке катушки, образованной вложенными концентрическими обмотками. Проводящая пластина содержит кольцеобразный проводящий элемент, выполненный заодно с пластиной или предусмотренный на ней. Проводящий элемент содержит поверхность электрического контакта для обеспечения электрического контакта между проводящим элементом и катушкой. Проводящий элемент дополнительно содержит диэлектрический или электрорезистивный слой на проводящей пластине для обеспечения электроизолирующего барьера смежно с поверхностью электрического контакта.According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a conductive plate for supplying current to an axial edge of a coil formed by nested concentric windings. The conductive plate contains an annular conductive element integral with the plate or provided on it. The conductive element includes an electrical contact surface to provide electrical contact between the conductive element and the coil. The conductive element further comprises a dielectric or electro-resistive layer on the conductive plate to provide an electrically insulating barrier adjacent to the electrical contact surface.

Проводящая пластина может дополнительно содержать промежуточный проводящий слой, частично или полностью проходящий по диэлектрическому или электрорезистивному слою. Промежуточный проводящий слой выполнен с возможностью передачи тепла или электрического тока от кромки упомянутой или каждой обмотки.The conductive plate may further comprise an intermediate conductive layer partially or completely extending over the dielectric or electro-resistive layer. The intermediate conductive layer is configured to transfer heat or electric current from the edge of said or each winding.

Согласно седьмому аспекту настоящего изобретения предложен способ изготовления проводящей пластины для подачи тока к осевой кромке катушки, образованной вложенными концентрическими обмотками. Способ включает обеспечение кольцеобразного проводящего элемента, выполненного заодно с пластиной или предусмотренного на ней, причем проводящий элемент содержит поверхность электрического контакта для обеспечения электрического контакта между проводящим элементом и катушкой; иAccording to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a conductive plate for supplying current to an axial edge of a coil formed by nested concentric windings. The method includes providing an annular conductive element integral with or provided on the plate, the conductive element comprising an electrical contact surface for providing electrical contact between the conductive element and the coil; And

- 3 040624 отверждение композита волокон и смолы на проводящей пластине с образованием диэлектрического или электрорезистивного слоя на проводящей пластине для обеспечения электроизолирующего барьера смежно с поверхностью электрического контакта.- 3 040624 curing the fiber-resin composite on the conductive plate to form a dielectric or electro-resistive layer on the conductive plate to provide an electrically insulating barrier adjacent to the electrical contact surface.

Отверждение может включать нагрев композита до целевой температуры, поддержание композита при целевой температуре в течение периода времени и охлаждение композита.Curing may include heating the composite to a target temperature, maintaining the composite at the target temperature for a period of time, and cooling the composite.

Скорость нагрева может быть менее 1°С в минуту, предпочтительно менее 0,3°С в минуту. Скорость охлаждения может быть менее 1°С в минуту, предпочтительно менее 0,4°С в минуту. Целевая температура может быть больше или равна 180°С. Период может быть больше 1 ч и предпочтительно больше 2 ч.The heating rate may be less than 1°C per minute, preferably less than 0.3°C per minute. The cooling rate may be less than 1°C per minute, preferably less than 0.4°C per minute. The target temperature may be greater than or equal to 180°C. The period may be greater than 1 hour and preferably greater than 2 hours.

Также здесь описан способ формирования электрического и/или термического (теплового) соединения с поверхностью меди, включающий обеспечение слоя серебра на поверхности меди и обеспечение слоя индия на поверхности серебра, за счет чего электрическое и/или термическое соединение может быть сформировано к слою индия. Также здесь описано электрическое и/или термическое соединение, содержащее поверхность меди, слой серебра и слой индия, причем слой серебра расположен непосредственно между поверхностью меди и слоем индия.Also described herein is a method for forming an electrical and/or thermal (thermal) connection to a copper surface, including providing a silver layer on the copper surface and providing an indium layer on the silver surface, whereby an electrical and/or thermal connection can be formed to the indium layer. Also described here is an electrical and/or thermal connection containing a copper surface, a silver layer and an indium layer, with the silver layer located directly between the copper surface and the indium layer.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1 - схематичный вид в перспективе ВТСП-ленты уровня техники;Fig. 1 is a schematic perspective view of a prior art HTS tape;

фиг. 2 - схематичный вид сверху стыка со свободным концом уровня техники;fig. 2 is a schematic plan view of a joint with a free end of the prior art;

фиг. 3А и 3В - схематичные виды сверху ВТСП-магнитов;fig. 3A and 3B are schematic plan views of HTS magnets;

фиг. 4 - схематичный вид в разрезе ВТСП-магнита;fig. 4 is a schematic sectional view of an HTS magnet;

фиг. 5 - схематичный вид в разрезе ВТСП-магнита;fig. 5 is a schematic sectional view of an HTS magnet;

фиг. 6 - схематичный вид в радиальном разрезе ВТСП-магнита с радиальным стыком;fig. 6 is a schematic view in radial section of a HTS magnet with a radial joint;

фиг. 7 - схематичный вид в радиальном разрезе ВТСП-магнита с множественными уложенными стопкой катушками;fig. 7 is a schematic radial sectional view of an HTS magnet with multiple stacked coils;

фиг. 8 - схематичный вид в разрезе другого ВТСП-магнита;fig. 8 is a schematic sectional view of another HTS magnet;

фиг. 9 - схематичный вид в разрезе ВТСП-магнита по фиг. 8, показывающий электрический ток, протекающий через магнит, когда источник питания подключен параллельно катушкам; и фиг. 10 - схематичный вид в разрезе ВТСП-магнита по фиг. 8 и 9, показывающий электрический ток, протекающий через магнит после отключения источника питания.fig. 9 is a schematic sectional view of the HTS magnet of FIG. 8 showing the electric current flowing through the magnet when the power supply is connected in parallel with the coils; and fig. 10 is a schematic sectional view of the HTS magnet of FIG. 8 and 9 showing the electric current flowing through the magnet after the power supply has been disconnected.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Здесь предлагается решение вышеуказанных проблем, в котором электрическое соединение с катушкой ВТСП-магнита выполняется через осевую кромку катушки так, что электрический ток может подаваться или приниматься через лицевую сторону (грань) катушки. Эта форма соединения позволяет сохранить плотным пакет обмоток ВТСП-ленты, так что ни одна из ВТСП-лент не должна отходить от катушки. Например, электрическое соединение может быть обеспечено проводником в форме кольца, расположенным поверх лицевой стороны катушки, при этом проводник контактирует с обращенной вверх кромкой обмотки по окружности катушки. Такое расположение или кольцевое соединение (кольцевой стык) могут быть использованы для минимизации риска точечных отказов в магните, причем как во время сборки, так и во время эксплуатации. Это также позволяет подавать ток к ВТСПкатушкам или извлекать ток из ВТСП-катушек без потребности в свободных концах, устраняя необходимость во многих вспомогательных деталях, уменьшая стоимость и сложность и упрощая производство ВТСП-магнитов. Такие соединения или стыки могут также улучшать характеристики ВТСП-магнитов, как описано ниже.Here, a solution to the above problems is proposed in which the electrical connection to the coil of the HTS magnet is made through the axial edge of the coil so that electric current can be supplied or received through the face of the coil. This form of connection allows the stack of HTS tape windings to be kept tight, so that none of the HTS tapes must be pulled away from the coil. For example, the electrical connection may be provided by a ring-shaped conductor located over the face of the coil, with the conductor in contact with the upward facing edge of the winding around the circumference of the coil. This arrangement or ring connection (ring joint) can be used to minimize the risk of point failures in the magnet, both during assembly and during operation. It also allows the HTS coils to be energized or current to be drawn from the HTS coils without the need for risers, eliminating the need for many ancillary parts, reducing cost and complexity, and simplifying the manufacture of HTS magnets. Such connections or junctions may also improve the performance of HTS magnets, as described below.

Хотя в этом документе делается ссылка на некоторые направления (например, вверх, вниз) или употребляются относительные термины (например, выше, поверх, ниже и т.д.), следует понимать, что такие термины используются просто с целью предоставления примеров описанных здесь концепций. Аналогично, хотя раскрытие изобретения проиллюстрировано на примере со ссылкой на дисковые катушки (также иногда называемые галетными), т.е. в основном плоские катушки, образованные вложенными концентрическими обмотками, из приведенного ниже обсуждения будет понятно, что раскрытие изобретения не ограничивается такими катушками.Although this document makes reference to certain directions (eg, up, down) or uses relative terms (eg, above, above, below, etc.), it should be understood that such terms are used simply for the purpose of providing examples of the concepts described here. . Likewise, although the disclosure is illustrated by way of example with reference to disk spools (also sometimes referred to as plate spools), i.e. generally flat coils formed by nested concentric windings, it will be understood from the discussion below that the disclosure is not limited to such coils.

Встраивание кольцевых стыков в более крупные конструкции (описанные ниже как пластины электротермического интерфейса, от англ. Electro-Thermal Interface, ETI, plates или ETI-пластины) также позволяет обеспечить в виде единого блока термические соединения, электрическую изоляцию и датчики, которые часто традиционно устанавливаются на магнит отдельно. Это упрощает процесс сборки и позволяет изготавливать эти компоненты независимо от ВТСП-катушки.Incorporating circumferential joints into larger structures (described below as Electro-Thermal Interface, ETI, plates, or ETI-plates) also allows thermal connections, electrical insulation, and sensors, which are often traditionally installed, to be provided in a single unit. magnet separately. This simplifies the assembly process and allows these components to be manufactured independently of the HTS coil.

Фиг. 3А и 3В показывают схематичные виды сверху двух возможных вариантов реализации кольцевого стыка 300А, 300В для дисковой катушки 301.Fig. 3A and 3B show schematic plan views of two possible embodiments of an annular joint 300A, 300B for disc coil 301.

Катушка 301 содержит вложенные концентрические обмотки из ВТСП-ленты 100 в преимущественно плоском расположении. ВТСП-лента 100 намотана лицом к лицу, так что противоположные кромки ленты 100 проецируются вдоль оси 303 катушки. Каждая полная обмотка соответствует одному полному обороту (витку) ВТСП-ленты 100 вокруг оси 303 катушки. Начальная и конечная точки самой внешней обмотки обозначены на фиг. 3А позициями 301А и 301В.Coil 301 contains nested concentric windings of HTS tape 100 in a predominantly flat arrangement. The HTS tape 100 is wound face to face so that opposite edges of the tape 100 are projected along the reel axis 303 . Each complete winding corresponds to one complete revolution (coil) of the HTS tape 100 around the coil axis 303. The start and end points of the outermost winding are indicated in FIG. 3A at 301A and 301B.

- 4 040624- 4 040624

Кольцевые стыки 300А, 300В образованы соответствующими кольцевыми проводниками 304А, 304В. Ради ясности, кольцевые проводники 304А, 340В показаны за катушкой 301 для того, чтобы показать обмотки катушки. Каждый кольцевой проводник 304А, 304В содержит кольцевидную конструкцию или кольцо, выполненные из проводящего материала, предпочтительно металла, такого как медь. Кольцевые проводники 200А, 200В контактируют с верхней или нижней кромкой обмоток для того, чтобы обеспечивать электрический контакт с катушкой 201. Кольцевой проводник 300А расположен на внешнем радиусе катушки 201, в то время как кольцевой проводник 200В расположен на внутреннем радиусе катушки 201. Каждый кольцевой проводник 200А, 200В покрывает только часть обмоток, так что электрический ток может подаваться к одному концу катушки 201 и, тем самым, циркулирует по обмоткам.Circumferential joints 300A, 300B are formed by respective ring conductors 304A, 304B. For the sake of clarity, ring conductors 304A, 340B are shown behind coil 301 to show coil windings. Each ring conductor 304A, 304B comprises a ring-shaped structure or ring made of a conductive material, preferably a metal such as copper. Ring conductors 200A, 200B contact the top or bottom edge of the windings in order to make electrical contact with coil 201. Ring conductor 300A is located on the outer radius of coil 201, while ring conductor 200B is located on the inner radius of coil 201. Each ring conductor 200A, 200B covers only a portion of the windings so that electric current can be supplied to one end of the coil 201 and thereby circulate through the windings.

Поскольку каждый из кольцевых проводников 300А, 300В обеспечивает электрический контакт с разными концами ВТСП-ленты 100, они могут быть использованы в паре для возбуждения электрического тока радиально изнутри наружу катушки 301 (или наоборот). Например, катушка 201 может быть предусмотрена (помещена) между парой кольцевых проводников 304А, 304В так, что ток может подаваться к одной лицевой стороне (грани) катушки 301 (например, верхней) одним кольцевым проводником 304А, проходить через обмотки катушки 301 для того, чтобы создавать магнитное поле, и затем приниматься с другой лицевой стороны (грани) катушки другим кольцевым проводником 304В.Because each of the ring conductors 300A, 300B makes electrical contact with different ends of the HTS tape 100, they can be used in pair to drive an electric current radially from the inside out of the coil 301 (or vice versa). For example, coil 201 may be provided (placed) between a pair of ring conductors 304A, 304B so that current can be supplied to one face (face) of coil 301 (for example, the top) by one ring conductor 304A, pass through the windings of coil 301 in order to to create a magnetic field, and then be received from the other face (face) of the coil by another ring conductor 304B.

Радиальные ширины кольцевых проводников 304А, 304В выбираются так, чтобы обеспечить компромисс сопротивления стыка с числом витков между стыками.The radial widths of the ring conductors 304A, 304B are chosen to compromise the joint resistance with the number of turns between joints.

Сопротивление стыка может быть уменьшено путем выполнения кольцевого проводника 304А, 304В более широким, чтобы покрывать больше витков катушки 301. Однако в результате создаваемое магнитом на единицу тока магнитное поле уменьшается, поскольку уменьшается число витков, несущих полный ток магнита. Если радиальная ширина уменьшается, то справедливо обратное.The resistance of the joint can be reduced by making the ring conductor 304A, 304B wider to cover more turns of the coil 301. However, the result is that the magnetic field produced by the magnet per unit of current is reduced as the number of turns carrying the total current of the magnet is reduced. If the radial width decreases, then the opposite is true.

Поскольку кольцевые стыки могут противолежать на расстоянии порядка длины окружности катушки, стыки с низким сопротивлением типично могут быть выполнены с радиально узкими кольцевыми проводниками 304А, 304В, которые значительно не уменьшают создаваемое магнитом поле. Хотя кольцевые проводники 304А, 304В на фиг. 3А и 3В показаны немного выходящими за внешние/внутренние кромки катушки 301, форма кольцевых проводников может, альтернативно, быть более точно совпадающей с радиальным профилем катушки 301, чтобы минимизировать радиальный отпечаток катушки 301 и кольцевого стыка 300А, 300В.Since the annular joints can be opposed by distances on the order of the circumference of the coil, low resistance joints can typically be made with radially narrow ring conductors 304A, 304B that do not significantly reduce the field produced by the magnet. Although ring conductors 304A, 304B in FIG. 3A and 3B are shown to extend slightly beyond the outer/inner edges of coil 301, the shape of the ring conductors may alternatively be more closely aligned with the radial profile of coil 301 to minimize the radial indentation of coil 301 and ring joint 300A, 300B.

Хотя на фиг. 3А и 3В используются круглые дисковые (галетные) катушки, чтобы проиллюстрировать признаки кольцевых стыков 300А, 300В, будет легко понятно, что стыки этих типов могут быть применены к катушкам других форм, таких как D-образные катушки тороидального поля, такие как используемые в токамаке. В таких случаях кольцевые стыки 300А, 300В не должны быть круглыми и могут быть выполнены с такой формой, чтобы следовать траектории обмоток катушки. Аналогично, не является необходимым, чтобы кольцевые проводники 304А, 304В проходили полностью по всей траектории обмоток катушки, и вместо этого они могут проходить только частично по траектории (пути) обмоток катушки. Например, у магнитов большого радиуса и/или содержащих толстую ВТСП-ленту может оказаться возможным сформировать стык с низким сопротивлением, используя кольцевой проводник, который проходит только на 20%, 50% или 80% пути по траектории обмоток, т.е. так, что кольцевой проводник проходит угол менее 360°. Введение подобного разрыва в кольцевой проводник (из-за его непрохождения полностью по траектории обмоток) может предпочтительно исключить образование контуров паразитных токов в кольцевом проводнике, что может быть полезным в таких прикладных задачах, как ядерный магнитный резонанс (ЯМР) или магнитно-резонансная томография (МРТ). В других приложениях, таких как токамак (см. ниже), например, геометрические ограничения и/или присутствие других компонентов могут делать необходимым такой разрыв.Although in FIG. 3A and 3B use round disc (biscuit) coils to illustrate the features of the ring splices 300A, 300B, it will be readily understood that these types of splices can be applied to other coil shapes such as D-shaped toroidal field coils such as those used in the tokamak. . In such cases, circumferential splices 300A, 300B need not be circular, but may be shaped to follow the path of the coil windings. Likewise, it is not necessary that the ring conductors 304A, 304B follow the entire path of the coil windings, and instead they may only partially follow the path (path) of the coil windings. For example, for magnets with large radii and/or those containing thick HTS tape, it may be possible to form a low resistance joint using a ring conductor that only travels 20%, 50%, or 80% of the way along the path of the windings, i.e. so that the ring conductor passes through an angle of less than 360°. Introducing such a discontinuity into the ring conductor (because it does not travel completely along the path of the windings) can preferably eliminate the formation of stray current loops in the ring conductor, which can be useful in applications such as nuclear magnetic resonance (NMR) or magnetic resonance imaging ( MRI). In other applications such as the tokamak (see below), for example, geometric constraints and/or the presence of other components may necessitate such a break.

Кольцевые стыки могут быть предусмотрены как часть более крупной конструкции, которая может быть названа проводящей пластиной или пластиной электротермического интерфейса (ETI). Такие ETIпластины, в целом, являются составными пластинами металл/изолятор/датчик, которые, как обсуждается ниже, могут быть прикреплены к кромочным граням ВТСП-катушек для выполнения ряда функций:The girth joints may be provided as part of a larger structure, which may be referred to as a conductive plate or an electrothermal interface (ETI) plate. Such ETI plates are generally composite metal/insulator/sensor plates that, as discussed below, can be attached to the edge faces of HTS coils to perform a number of functions:

средство создания электрических стыков с и/или между ВТСП-катушками;means for creating electrical interfaces with and/or between the HTS coils;

средство введения управляемого резистора параллельно с ВТСП-катушкой, чтобы добиться частичной изоляции.means for introducing a controlled resistor in parallel with the HTS coil to achieve partial isolation.

Геометрическая форма резистора может быть выбрана так, чтобы регулировать динамическое электротермическое поведение катушки;The geometry of the resistor can be chosen to control the dynamic electrothermal behavior of the coil;

средство формирования термического интерфейса с ВТСП-катушкой для охлаждения;means for forming a thermal interface with the HTS coil for cooling;

средство введения тонкой электрической изоляции между ВТСП-катушками и механической защиты такой изоляции от повреждения;means for introducing thin electrical insulation between the HTS coils and mechanically protecting such insulation from damage;

средство включения вспомогательных элементов (таких как датчики или нагреватели) в состав ВТСП-магнита без нарушения ВТСП-обмоток.means for incorporating auxiliary elements (such as sensors or heaters) into the HTS magnet without disturbing the HTS windings.

Фиг. 4 показывает сечение примерного магнита 400, содержащего две ETI-пластины 400А, 400В, приложенные к одной дисковой катушке 401. В этом примере катушка 401 содержит два отрезка ВТСПленты 100, намотанных вместе вокруг оси 303 магнита. Ленты 100 заключены в оболочку из меди 101Fig. 4 shows a cross-section of an exemplary magnet 400 comprising two ETI plates 400A, 400B applied to a single disc coil 401. In this example, coil 401 includes two lengths of HTS tape 100 wound together around magnet axis 303. 100 tapes are sheathed in 101 copper

- 5 040624 как пара типа 0 (как описано, например, в WO 2018/078326), так что каждая обмотка включает в себя две ленты. Между обмотками ВТСП-лент 100 предусмотрен изолятор 402, чтобы предотвратить протекание электрического тока между лицевыми сторонами ВТСП-ленты, т.е. так, чтобы электрический ток, вводимый в один конец, был вынужден протекать по обмоткам катушки 401. Каждая из ETI-пластин 400А, 400В содержит соответствующий кольцевой проводник 404А, 404В, образующий кольцевой стык с тем или иным концом ВТСП-лент 100. В этом примере электрический ток подается в катушку 401 через радиально самый внутренний конец ВТСП-лент 100 с использованием нижней ETI-пластины 400В. Ток течет по последовательным обмоткам катушки 301 прежде, чем принимается верхней ETI-пластиной 400А через кольцевой проводник 404А на радиально самом внешнем конце ВТСП-лент 100.- 5 040624 as a type 0 pair (as described, for example, in WO 2018/078326), so that each winding includes two tapes. An insulator 402 is provided between the windings of the HTS tapes 100 to prevent electrical current from flowing between the faces of the HTS tape, i. so that an electrical current injected at one end is forced to flow through the windings of coil 401. Each of the ETI plates 400A, 400B includes a respective ring conductor 404A, 404B forming an annular junction with either end of the HTS tapes 100. In this In this example, electrical current is applied to the coil 401 through the radially innermost end of the HTS tapes 100 using the lower ETI plate 400V. The current flows through the series windings of the coil 301 before being received by the top ETI plate 400A through the ring conductor 404A at the radially outermost end of the HTS tapes 100.

Хотя ETI-пластины 400А, 400В находятся в электрическом контакте с катушкой 401 только через кольцевые проводники 404А, 404В сами пластины проходят радиально по катушке, образуя слой 405А, 405В основного проводника, через который подается ток к кольцевым стыкам (или принимается ток от них) и обеспечивается путь отведения тепла от катушки 301. В этом примере основные проводники 405А, 405В выполнены из меди, хотя могут быть также использованы и другие проводящие материалы (например, металлы). Кольцевые проводники 404А, 404В могут быть выполнены заодно с основными проводниками 405А, 405В или прикреплены к ним, например, пайкой.Although ETI plates 400A, 400B are in electrical contact with coil 401 only through ring conductors 404A, 404B, the plates themselves extend radially through the coil to form a base conductor layer 405A, 405B through which current is supplied to (or received from) the ring joints. and provides a heat conduction path away from the coil 301. In this example, the main conductors 405A, 405B are copper, although other conductive materials (eg, metals) may also be used. Ring conductors 404A, 404B may be integral with or attached to main conductors 405A, 405B, such as by soldering.

При выполнении кольцевых проводников 404А, 404В на ETI-пластинах 400А, 400В (или заодно с ними) они могут быть сделаны очень узкими по своему радиальному размеру (субмиллиметровыми, при необходимости), но при этом все еще легкими в обращении, таким образом, которого было бы трудно добиться, если бы кольцевой проводник был самостоятельным элементом. Большая площадь поверхности, обеспечиваемая основными проводниками 405А, 405В, позволяет эффективно отводить тепло от катушки 401 и обеспечивает большую гибкость в том, где могут быть размещены электрические соединения с магнитом.By making ring conductors 404A, 404B on (or integral with) ETI plates 400A, 400B, they can be made very narrow in their radial size (submillimeter if necessary) yet still easy to handle in a manner that it would be difficult to achieve if the ring conductor were an independent element. The large surface area provided by the main conductors 405A, 405B allows efficient heat dissipation from the coil 401 and provides more flexibility in where the electrical connections to the magnet can be placed.

Основной проводник 405А, 405В в ETI-пластинах 400А, 400В может быть выполнен тонким для того, чтобы минимизировать повышение температуры на нем и гарантировать, что катушки не разнесены слишком далеко друг от друга в осевом направлении, чтобы избежать ослабления напряженности магнитного поля. Альтернативно, тепло может также извлекаться радиально в охлаждающую шину на внешнем или внутреннем диаметре катушки 401, и в таком случае основной проводник 405А, 405В должен быть выполнен достаточно толстым, чтобы удовлетворять требованиям по температуре. ETIпластины 400А, 400В могут также быть сконструированы с возможностью обеспечивать более эффективное охлаждение одной или более из граней катушки 401 (т.е. не полагаясь на теплопроводность к радиальным краям катушки). Например, ETI-пластины 400А, 400В могут включать в себя каналы или трубки, через которые должен протекать газообразный или жидкий хладагент для того, чтобы уносить тепло от катушки 401. Предпочтительно каналы или трубки могут быть предусмотрены на или в одном или более основных проводниках 405А, 405В.The main conductor 405A, 405B in the ETI plates 400A, 400B can be made thin to minimize temperature rise across it and ensure that the coils are not spaced too far apart in the axial direction to avoid weakening the magnetic field. Alternatively, heat can also be extracted radially into the cooling bar at the outer or inner diameter of the coil 401, in which case the main conductor 405A, 405B must be made thick enough to meet the temperature requirements. ETI plates 400A, 400B may also be designed to provide more efficient cooling of one or more of the coil faces 401 (ie, without relying on heat conduction to the coil's radial edges). For example, ETI plates 400A, 400B may include channels or tubes through which gaseous or liquid refrigerant must flow in order to carry heat away from coil 401. Preferably, channels or tubes may be provided on or in one or more main conductors 405A. , 405V.

Использование ETI-пластин 400А, 400В для охлаждения обеспечивает подход, альтернативный таким методам, как использование теплопроводных паст, которые имеют худшую теплопроводность по сравнению с припоем и могут быть труднонаносимыми надлежащим образом тонкими слоями и усложняют процесс производства.The use of ETI 400A, 400B cooling plates provides an alternative approach to methods such as thermal pastes, which have poorer thermal conductivity than solder and can be difficult to apply in thin layers properly and complicate the manufacturing process.

ETI-пластина 400А, 400В также включает в себя диэлектрический слой 406А, 406В, чтобы электрически изолировать кромки ВТСП-ленты 100 от участков основного проводника 405А, 405В пластин. Диэлектрические слои 406А, 406В выполнены из диэлектрического материала, например композита стекловолокна/смолы, такого как препрег.The ETI wafer 400A, 400B also includes a dielectric layer 406A, 406B to electrically isolate the edges of the HTS tape 100 from the base conductor portions 405A, 405B of the wafers. The dielectric layers 406A, 406B are made of a dielectric material, such as a glass fiber/resin composite such as prepreg.

ETI-пластины 400А, 400В дополнительно включают в себя промежуточный проводящий слой 407А, 407В, который может быть припаян к катушке 401 для обеспечения превосходного термического и электрического контакта. Этот слой действует как радиальный резистор для управления термическим и электрическим поведением катушки 401. Такая частичная изоляция, т.е. введение управляемого межвиткового резистора, обеспечивает желаемый баланс между термостойкостью и временем нарастания характеристики катушки в ВТСП-катушках. Промежуточный проводящий слой выполнен из проводящего материала, предпочтительно латуни или нержавеющей стали, поскольку этот материал может быть припаян и имеет намного большее удельное электрическое сопротивление, чем медь, что позволяет ему быть более толстым, а значит иметь легче регулируемую толщину. Такая частичная изоляция (от англ. Partial Insulation, PI), т.е. введение управляемого межвиткового резистора, обеспечивает желаемый баланс между термостойкостью и временем нарастания характеристики катушки в ВТСП-катушках. В частности, использование слоя, проходящего по обмоткам катушки, может устранить необходимость в других видах частичной изоляции, таких как вмотанные слои металлов, таких как нержавеющая сталь.ETI plates 400A, 400B further include an intermediate conductive layer 407A, 407B that can be soldered to coil 401 to provide excellent thermal and electrical contact. This layer acts as a radial resistor to control the thermal and electrical behavior of coil 401. This partial isolation, i. the introduction of a controlled turn-to-turn resistor provides the desired balance between thermal stability and coil rise time in HTS coils. The intermediate conductive layer is made of a conductive material, preferably brass or stainless steel, since this material can be soldered and has a much higher electrical resistivity than copper, allowing it to be thicker and thus more easily adjustable in thickness. Such partial isolation (from the English. Partial Insulation, PI), i.e. the introduction of a controlled turn-to-turn resistor provides the desired balance between thermal stability and coil rise time in HTS coils. In particular, the use of a layer passing through the windings of the coil can eliminate the need for other types of partial insulation, such as embedded layers of metals such as stainless steel.

В некоторых случаях промежуточный проводящий слой 407А, 407В может быть скреплен с диэлектрическим слоем 406А, 406В с помощью клея. Однако клей должен обладать способностью выдерживать температуры пайки, не становясь структурно ослабленным, поскольку в противном случае существует тенденция к отслаиванию этих слоев во время пайки. Одним из способов решения этой проблемы является использование композита из стекловолокна/смолы, такого как препрег, в качестве как диэлектрика, так и связующей среды. Например, может быть использован такой композит, как Prepreg MTC400,In some cases, the intermediate conductive layer 407A, 407B may be bonded to the dielectric layer 406A, 406B with an adhesive. However, the adhesive must be able to withstand soldering temperatures without becoming structurally weakened, otherwise there is a tendency for these layers to peel off during soldering. One way to solve this problem is to use a fiberglass/resin composite such as prepreg as both the dielectric and the bonding medium. For example, a composite such as Prepreg MTC400 can be used,

- 6 040624 производимый компанией SHD Composites. Выполняя относительно длительный процесс отверждения, можно повысить температуру стеклования (Tg) композита выше типичной температуры пайки катушки. Например, композит можно постотверждать (т.е. подвергать последующему отверждению) посредством нагрева со скоростью около 0,3°С/мин до 180°С, выдержки в течение 2 ч и затем охлаждения со скоростью около 0,3°С/мин. Эта процедура может, например, достигать Tg, равной 200°С, что позволяет композиту выдерживать большинство процессов низкотемпературной пайки, которые происходят при более низких температурах. Однако может оказаться невозможным выполнять такую обработку отверждением с ETI-пластиной на месте (in-situ) на катушке, поскольку повышенные температуры и времена привели бы к повреждению катушки (вследствие непрерывной деградации ВТСП-лент, которая происходит в зависимости от температуры и времени) и возможному повреждению или ухудшению любых паяных соединений, которые уже были выполнены.- 6 040624 manufactured by SHD Composites. By performing a relatively long curing process, it is possible to raise the glass transition temperature (Tg) of the composite above the typical coil brazing temperature. For example, the composite can be post-cured (i.e., post-cured) by heating at a rate of about 0.3°C/min to 180°C, holding for 2 hours, and then cooling at a rate of about 0.3°C/min. This procedure can, for example, reach a Tg of 200° C., which allows the composite to withstand most brazing processes that occur at lower temperatures. However, it may not be possible to perform such a curing treatment with an in-situ ETI plate on a spool, because elevated temperatures and times would damage the spool (due to the continuous degradation of HTS tapes that occurs with temperature and time) and possible damage or deterioration of any solder joints that have already been made.

Хотя могут также быть использованы неизолированные катушки, введение изолятора 402 увеличивает эффективность межвиткового сопротивления за счет блокирования альтернативного пути с низким сопротивлением между обмотками через медную оболочку ВТСП-лент 100.Although bare coils can also be used, the introduction of an insulator 402 increases the effectiveness of the turn-to-turn resistance by blocking the alternative low resistance path between the windings through the copper jacket of the HTS tapes 100.

Толщина ETI-пластин 400А, 400В (т.е. полная толщина, включая кольцевой проводник) типично составляет в диапазоне 0,25-1,00 мм, при этом толщина диэлектрического слоя (при его наличии) типично составляет в диапазоне 10-100 мкм, и толщина промежуточного проводника (при его наличии) типично составляет в диапазоне 10-100 мкм.The thickness of ETI plates 400A, 400B (i.e. total thickness including ring conductor) is typically in the range of 0.25-1.00 mm, while the thickness of the dielectric layer (if present) is typically in the range of 10-100 µm , and the thickness of the intermediate conductor (if any) is typically in the range of 10-100 µm.

Припоем, используемым для скрепления промежуточного слоя 407А, 407В с обмотками катушки 401, типично является оловянно-свинцовый (PbSn). Однако этот материал настолько проводящий, что даже тонкое покрытие из PbSn на промежуточном слое 407А, 407В обеспечит путь тока с очень низким сопротивлением, что вынудит электрический ток обходить промежуточный слой 407А, 407В. Чтобы исключить эту проблему, в качестве материала припоя выбирается материал с высоким удельным сопротивлением, предпочтительно такой, который имеет более высокое удельное сопротивление по сравнению с PbSn, например припой, удельное сопротивление которого более чем в 10 раз больше удельного сопротивления PbSn, когда катушка используется в магните, например, при более низкой температуре, чем критическая температура ReBCO-ленты. Например, припой может быть выполнен из PbBi, поскольку этот материал имеет удельное сопротивление, которое примерно в 50 раз больше, чем у PbSn. Аналогично, может также быть использован PbBiSn. Более высокое сопротивление покрытия из свинцововисмутового (PbBi) или оловянно-свинцово-висмутового (PbBiSn) припоя (по сравнению с покрытием из PbSn припоя) означает, что больше тока протекает в промежуточном слое 407А, 407В.The solder used to bond the interlayer 407A, 407B to the coil windings 401 is typically tin-lead (PbSn). However, this material is so conductive that even a thin coating of PbSn on the interlayer 407A, 407B will provide a very low resistance current path, forcing the current to bypass the interlayer 407A, 407B. To eliminate this problem, a high resistivity material is selected as the solder material, preferably one that has a higher resistivity than PbSn, such as solder whose resistivity is more than 10 times that of PbSn when the coil is used in magnet, for example, at a lower temperature than the critical temperature of the ReBCO tape. For example, the solder may be made from PbBi because this material has a resistivity that is about 50 times that of PbSn. Likewise, PbBiSn may also be used. The higher resistance of the lead-bismuth (PbBi) or tin-lead-bismuth (PbBiSn) solder coating (compared to the PbSn solder coating) means that more current flows in the intermediate layer 407A, 407B.

Частично изолирующие ETI-пластины предлагают преимущество, заключающееся в высокой гибкости. Межвитковое сопротивление можно регулировать, изменяя толщину и состав промежуточного проводника. Геометрия слоя промежуточного проводника может быть модифицирована с использованием литографии, например, травлением фрагментированных паутинообразных рисунков, чтобы пресечь радиальные токи на большие расстояния или индуктивные спирали, обеспечивающие импеданс, то и другое из которых может позволить получить баланс между временами зарядки и термоэлектрической устойчивостью.Partially insulating ETI plates offer the advantage of high flexibility. The turn-to-turn resistance can be adjusted by changing the thickness and composition of the intermediate conductor. The geometry of the intermediate conductor layer can be modified using lithography, such as etching fragmented cobweb patterns to cut off long range radial currents or impedance-providing inductive coils, both of which can allow for a balance between charge times and thermoelectric stability.

Тонкая электрическая изоляция между дисковыми катушками желательна для обеспечения необходимых диэлектрических свойств без привнесения слишком большого роста температуры, вызванного протекающим через нее теплом. Однако поскольку многие обычные диэлектрические материалы (такие как полиимидные листы) являются мягкими, они уязвимы к проколу под действием электромагнитных напряжений, встречающихся во время эксплуатации и сборки магнита. За счет встраивания изоляции внутрь ETI-пластины, с металлическими листами, защищающими изоляцию с обеих сторон, риск прокола минимален.Thin electrical insulation between the disk coils is desirable to provide the necessary dielectric properties without introducing too much temperature rise caused by heat flowing through it. However, since many conventional dielectric materials (such as polyimide sheets) are soft, they are vulnerable to puncture from electromagnetic stresses encountered during magnet operation and assembly. By embedding the insulation inside the ETI plate, with metal sheets protecting the insulation on both sides, the risk of puncture is minimal.

Поскольку ETI-пластина является отдельным объектом по отношению к катушке, она может быть заменена для того, чтобы изменить поведение катушки. Например, можно первоначально прикрепить ETI-пластины с толстым промежуточным проводником для безопасной работы катушки и определения ее критического тока. После того как максимальный рабочий ток определен, ETI-пластина может быть заменена на пластину, которая дает возможность более быстро менять характеристику магнита в пределах известного диапазона характеристик магнита.Because the ETI plate is a separate entity from the coil, it can be changed to change the behavior of the coil. For example, you can initially attach ETI plates with a thick intermediate conductor to ensure safe operation of the coil and determine its critical current. Once the maximum operating current is determined, the ETI plate can be replaced with a plate that allows the magnet to be changed more rapidly within a known range of magnet characteristics.

Фиг. 5 показывает сечение магнита 500, содержащего два уложенных стопкой в осевом направлении магнита 400, каждый из которых содержит дисковую катушку 401А, 401В. Термические и электрические стыки между катушками 401А, 401В могут быть выполнены посредством соединения основных медных слоев соседних ETI-пластин 402А, 402В вместе после укладки стопкой. Это может быть выполнено либо посредством осевого прижатия (т.е. по оси 503 магнита) и необязательного добавления податливого проводящего слоя 504, такого как слой индия, между магнитами 400, или посредством пайки (хотя это требует нагрева всего магнита). Также может быть использован метод NanoBond®, в котором вставляют многослойную фольгу между ETI-пластинами 402А, 402В и инициируют химическую реакцию в фольге с выделением тепла, чтобы припаять фольгу к каждой из пластин.Fig. 5 shows a cross section of a magnet 500 comprising two axially stacked magnets 400 each containing a disk coil 401A, 401B. Thermal and electrical connections between coils 401A, 401B can be made by bonding the base copper layers of adjacent ETI plates 402A, 402B together after stacking. This can be done either by axial pressing (i.e., along the axis 503 of the magnet) and the optional addition of a compliant conductive layer 504, such as an indium layer, between the magnets 400, or by soldering (although this requires heating the entire magnet). The NanoBond® method may also be used, in which a laminated foil is inserted between the ETI plates 402A, 402B and a heat generating chemical reaction is initiated in the foil to seal the foil to each of the plates.

Для того чтобы термические и/или электрические стыки между соседними ETI-пластинами 402А,In order for thermal and/or electrical interfaces between adjacent ETI plates 402A,

- 7 040624- 7 040624

402В были эффективными, предпочтительно, чтобы состояние поверхности пластин было хорошим, например чистым от оксидов. Одним способом, которым этого можно добиться, является снабжение основного(ых) медного(ых) слоя(ев) ETI-пластин 402А, 402В слоем (например, покрытием) из благородного металла, такого как серебро. Слой серебра является предпочтительным, поскольку серебро имеет низкое сродство к кислороду, а также химически совместимо с индием, что обеспечивает возможность создания высококачественных прессованных стыков с использованием податливого слоя 504 индия.402B are effective, it is preferable that the surface condition of the plates be good, for example clean of oxides. One way this can be achieved is by providing the base copper layer(s) of the ETI plates 402A, 402B with a layer (eg, coating) of a noble metal such as silver. The silver layer is preferred because silver has a low affinity for oxygen and is also chemically compatible with indium, allowing high quality pressed joints to be created using the compliant indium layer 504.

Дополнительные пластины 505А, 505В, такие как медные пластины, могут быть предусмотрены по оси на том и другом конце магнита 500 для того, чтобы обеспечить дополнительное охлаждение или обеспечить электрические соединения с магнитом 500.Additional plates 505A, 505B, such as copper plates, may be provided axially on either end of magnet 500 to provide additional cooling or electrical connections to magnet 500.

К пластинам 505А, 505В подключается источник питания (не показан) для подачи электрического тока в магнит 500. В этом примере кольцевые стыки с каждой из лицевых сторон (граней) магнита расположены на радиально внешних кромках катушек, в то время кольцевые стыки, соединяющие две катушки, расположены на радиально внутренних кромках катушек. Поэтому электрический ток течет радиально внутрь по обмоткам одной из катушек, затем аксиально между катушками и затем радиально наружу по обмоткам другой катушки. Поскольку ток протекает в противоположных направлениях через каждую катушку, катушки 401А, 401В намотаны в противоположных направлениях (т.е. по часовой стрелке/против часовой стрелки), так что магнитное поле, создаваемое каждым из магнитов 400, имеет одинаковую полярность, тем самым позволяя генерировать очень большие магнитные поля. Например, катушки 401А и 401В могут быть приготовлены идентично (т.е. намотаны в одинаковом направлении), а затем одну из катушек переворачивают относительно другой перед укладкой стопкой с образованием магнита 500. Будет понятно, что таким же образом могут быть уложены стопкой и другие дисковые катушки с дополнительными ETI-пластинами между ними.A power source (not shown) is connected to the plates 505A, 505B to supply electrical current to the magnet 500. In this example, the circumferential joints on each of the faces (faces) of the magnet are located on the radially outer edges of the coils, while the circumferential joints connecting the two coils , located on the radially inner edges of the coils. Therefore, the electric current flows radially inward through the windings of one of the coils, then axially between the coils, and then radially outward through the windings of the other coil. Because current flows in opposite directions through each coil, coils 401A, 401B are wound in opposite directions (i.e., clockwise/counterclockwise) so that the magnetic field generated by each of the magnets 400 has the same polarity, thereby allowing generate very large magnetic fields. For example, coils 401A and 401B may be prepared identically (i.e., wound in the same direction) and then one of the coils is reversed relative to the other before being stacked to form magnet 500. It will be appreciated that others may be stacked in the same manner. disc reels with additional ETI plates between them.

Как обсуждалось выше, ETI-пластины могут включать в себя каналы или трубки, по которым будет протекать газ или жидкость для того, чтобы переносить тепло от катушки(ек). Такой вариант исполнения является особенно эффективным для охлаждения уложенных стопкой в осевом направлении магнитов 400, таких как показанные на фиг. 5. В частности, наличие охлаждающих каналов или трубок в ETIпластинах 402А, 402В, расположенных в промежутке между катушками, обеспечивает более эффективный перенос тепла от тела катушек 401А, 401В.As discussed above, ETI plates may include channels or tubes through which a gas or liquid will flow in order to transfer heat from the coil(s). This embodiment is particularly effective for cooling axially stacked magnets 400, such as those shown in FIG. 5. In particular, the presence of cooling channels or tubes in the ETI plates 402A, 402B located between the coils allows more efficient heat transfer from the body of the coils 401A, 401B.

Кольцевые проводники в ETI-пластинах могут также быть использованы для создания электрических стыков между вложенными/концентрическими дисковыми катушками, т.е. стыков, которые несут ток в радиальном направлении, а не в осевом направлении, как описано выше. Например, дисковая катушка может быть укрупнена посредством намотки вокруг нее второго отрезка ВТСП-ленты, и в таком случае может быть выполнен электрический стык между концами двух ВТСП-лент с использованием кольцевого проводника, предпочтительно в ETI-пластине, т.е. кольцевой проводник используется для обеспечения стыка через несплошность или разрыв в обмотках. Примером того, где это может быть полезно, является снижение механических напряжений в глубоких катушках (таких, у которых внешний радиус, деленный на внутренний радиус, является большим, например больше ~3). В такой ситуации полезно подразделить катушку на множественные вложенные катушки и пресечь силы, создаваемые каждой из них, предотвращая накопление механического напряжения в обмотках. В таком случае может быть выполнен радиальный стык между вложенными катушками с помощью подходящего кольцевого проводника в ETI-пластине.Ring conductors in ETI plates can also be used to create electrical interfaces between nested/concentric disc coils, i.e. joints that carry current in the radial direction rather than in the axial direction as described above. For example, a disk coil can be enlarged by wrapping a second piece of HTS tape around it, and in such a case, an electrical connection can be made between the ends of two HTS tapes using a ring conductor, preferably in an ETI wafer, i. the ring conductor is used to provide a joint through a discontinuity or break in the windings. An example of where this can be useful is to reduce stress in deep coils (those where the outer radius divided by the inner radius is large, eg greater than ~3). In such a situation, it is useful to subdivide the coil into multiple nested coils and cut off the forces generated by each of them, preventing the accumulation of mechanical stress in the windings. In such a case, a radial joint can be made between the nested coils using a suitable ring conductor in the ETI plate.

Фиг. 6 показывает радиальное сечение ВТСП-магнита 600 с двумя кольцевыми проводниками 604А, 604В, обеспечивающими радиальные стыки между внутренней катушкой 601 и внешней катушкой 602. Между внутренней и внешней катушками 601, 602 предусмотрена механическая опора 607, такая как цилиндр, чтобы пресечь (перехватить) радиальные силы между ними.Fig. 6 shows a radial section of an HTS magnet 600 with two ring conductors 604A, 604B providing radial junctions between the inner coil 601 and the outer coil 602. A mechanical support 607, such as a cylinder, is provided between the inner and outer coils 601, 602 to stop (intercept) radial forces between them.

Фиг. 7 показывает радиальное сечение ВТСП-магнита 600, который способен создавать очень сильные магнитные поля компактным, надежным и простым образом.Fig. 7 shows a radial section of an HTS magnet 600 which is capable of generating very strong magnetic fields in a compact, reliable and simple manner.

ВТСП-магнит 700 содержит радиально вложенные стопки 701, 702, 703 описанных выше ВТСПмагнитов 400. Например, радиально самая внешняя стопка содержит ВТСП-магниты 400A-F, расположенные в осевом направлении, при этом соседние магниты электрически соединены через их соответствующие ETI-пластины. Кольцевые стыки, образованные ETI-пластинами, расположены так, что течение тока чередуется между осевым потоком (межу соседними катушками) и радиальным потоком (по обмоткам каждой катушки), как указано стрелками, наложенными на ВТСП-магниты 400A-F на фиг. 6. Что касается ВТСП-магнита 400, описанного со ссылкой на фиг. 4, то катушки соседних магнитов намотаны в противоположных направлениях, так что магнитное поле по оси 704 магнита максимизируется. Другие две вложенные стопки 702, 703 магнитов имеют аналогичную конфигурацию для того, чтобы усилить магнитное поле, создаваемое внешней стопкой 701. Между конечными ETI-пластинами соседних стопок образованы радиальные стыки/соединения 705, 706, чтобы позволить электрическому току вытекать из одной стопки, втекая в следующую. В примере, показанном на фиг. 6, ток подается в магнит 700 через верхнюю ETI-пластину самого верхнего ВТСП-магнита 400А внешней стопки 701. После протекания через стопку 701, как описано выше, ток затем течет радиально через стык 705 во внешнюю вложенную стопку 702. Аналогично, после протекания через эту стопку 702, ток затем течет радиально во внутрен- 8 040624 нюю вложенную стопку 703 через стык 706. Наконец, после протекания через внутреннюю вложенную стопку 703 ток выходит из магнита 700 через нижнюю ETI-пластину самого нижнего ВТСП-магнита внутренней вложенной стопки 703.HTS magnet 700 comprises radially nested stacks 701, 702, 703 of HTS magnets 400 described above. For example, the radially outermost stack contains axially arranged HTS magnets 400A-F, with adjacent magnets electrically connected via their respective ETI plates. The annular junctions formed by the ETI plates are positioned so that current flow alternates between axial flow (between adjacent coils) and radial flow (along the windings of each coil) as indicated by the arrows superimposed on the HTS magnets 400A-F in FIG. 6. With regard to the HTS magnet 400 described with reference to FIG. 4, coils of adjacent magnets are wound in opposite directions so that the magnetic field along magnet axis 704 is maximized. The other two nested stacks 702, 703 of magnets are similarly configured to enhance the magnetic field generated by the outer stack 701. Radial joints/connections 705, 706 are formed between the end plates of ETI stacks 705, 706 to allow electrical current to flow from one stack, flowing in to the next one. In the example shown in FIG. 6, current is applied to magnet 700 through the top ETI plate of topmost HTS magnet 400A of outer stack 701. After flowing through stack 701 as described above, current then flows radially through joint 705 into outer nested stack 702. Similarly, after flowing through this stack 702, the current then flows radially into the inner nested stack 703 through the joint 706. Finally, after flowing through the inner nested stack 703, the current exits the magnet 700 through the lower ETI plate of the lowermost HTS magnet of the inner nested stack 703.

Хотя в примерном магните 700, показанном на фиг. 7, существуют три стопки 701, 702, 703, каждая с 6 ВТСП-катушками, конечно же, может использоваться любое число стопок и/или катушек. Стопки могут также иметь различные количества катушек, чтобы обеспечивать большую гибкость при конструировании магнита.Although the exemplary magnet 700 shown in FIG. 7, there are three stacks 701, 702, 703 each with 6 HTS coils, of course, any number of stacks and/or coils can be used. The stacks may also have varying numbers of coils to provide greater flexibility in magnet design.

Составление ВТСП-магнита 700 из многих более мелких ВТСП-магнитов (подразделение катушки) обеспечивает ряд преимуществ. В частности, как описано ниже, подразделение катушки позволяет преодолеть проблемы с ограничениями механического напряжения ВТСП-лент и обеспечивает более оптимальную конструкцию магнита за счет градации подразделенных катушек в соответствии с их местоположением в магните 700.Composing the HTS magnet 700 from many smaller HTS magnets (coil subdivision) provides a number of advantages. In particular, as described below, coil subdivision overcomes stress limitations of HTS tapes and provides a more optimal magnet design by grading the subdivided coils according to their location in magnet 700.

Учитывая ограничения механического напряжения ВТСП-лент, максимально допустимая прочность на поперечное растяжение ВТСП-лент 100 типично составляет около 10-50 МПа, что предоставляет практический предел по радиальной глубине обмоток, которые могут быть использованы. Однако этой проблемы можно избежать подразделением катушки, разделив катушку на несколько радиально вложенных катушек, как показано на фиг. 7, и вставив между катушками механические опоры 707, 708. Аналогично, осевые силы могут быть пресечены посредством подразделения вдоль оси магнита и вставки осевых опорных конструкций (не показаны).Given the mechanical stress limitations of HTS tapes, the maximum allowable transverse tensile strength of HTS tapes 100 is typically around 10-50 MPa, which provides a practical limit on the radial depth of windings that can be used. However, this problem can be avoided by subdividing the coil by dividing the coil into several radially nested coils, as shown in FIG. 7 and inserting mechanical supports 707, 708 between the coils. Likewise, axial forces can be suppressed by subdividing along the magnet axis and inserting axial support structures (not shown).

С учетом градации подразделенных катушек в сильнопольных магнитах вектор магнитного поля может значительно изменяться в зависимости от радиального и/или осевого местоположения внутри магнита. Для ВТСП-магнитов это означает, что параметры, характеризующие работу магнита как сверхпроводника, такие как критический ток, тоже зависят от местоположения. Поэтому более оптимальная конструкция магнита 700 может быть получена посредством градации ВТСП-ленты 100 согласно тому, где она находится в магните. Например, для достижения наивысшего возможного магнитного поля и для управления нарушением сверхпроводимости желательно максимизировать отношение (гамма) тока к критическому току (I/Ic) повсюду в магните. Градацию можно выполнить, варьируя число ВТСП-лент на виток/обмотку, ширину или толщину ленты, или тип ленты (т.е. производитель или используемые ВТСП-материалы).Given the gradation of subdivided coils in high field magnets, the magnetic field vector can vary significantly depending on the radial and/or axial location within the magnet. For HTS magnets, this means that the parameters that characterize the operation of a magnet as a superconductor, such as critical current, also depend on location. Therefore, a more optimal design of the magnet 700 can be obtained by grading the HTS tape 100 according to where it is in the magnet. For example, to achieve the highest possible magnetic field and to control the breakdown of superconductivity, it is desirable to maximize the ratio (gamma) of current to critical current (I/I c ) throughout the magnet. Grading can be done by varying the number of HTS tapes per turn/winding, the width or thickness of the tape, or the type of tape (ie manufacturer or HTS materials used).

Частым является случай, когда датчики (такие как датчики температуры или деформации) должны быть встроены в ВТСП-магниты в целях мониторинга. Также могут потребоваться другие элементы, такие как нагреватели, в целях защиты от нарушения сверхпроводимости. Желательно, чтобы ВТСПкатушка и вспомогательные элементы были отдельными объектами, так, чтобы их можно было изготовить отдельно и заменять независимо в случае выхода из строя. Подходящим образом приспособленная ETI-пластина может быть выполнена с возможностью размещения в ней многих датчиков или других элементов, которые не нужно встраивать непосредственно в обмотки ВТСП-катушки.It is often the case that sensors (such as temperature or strain sensors) must be embedded in HTS magnets for monitoring purposes. Other elements, such as heaters, may also be required to protect against superconductivity breakdown. It is desirable that the HTS coil and accessories be separate entities so that they can be manufactured separately and replaced independently in the event of failure. A suitably adapted ETI wafer can be configured to accommodate many sensors or other elements that do not need to be built directly into the HTS coil windings.

Фиг. 8 показывает сечение ВТСП-магнита 800, который аналогичен ВТСП-магниту 500, показанному на фиг. 5, за исключением того, что каждая из соседних ETI-пластин 801А, 801В содержит внутренний кольцевой проводник 804А, 804В и внешний кольцевой проводник 805А, 805В.Fig. 8 shows a section through an HTS magnet 800, which is similar to the HTS magnet 500 shown in FIG. 5, except that each of the adjacent ETI plates 801A, 801B includes an inner ring conductor 804A, 804B and an outer ring conductor 805A, 805B.

Как показано на фиг. 9, включение двух кольцевых проводников на каждой пластине обеспечивает два альтернативных пути 908, 909 для протекания тока через магнит 800, когда источник 907 питания подключен к паре катушек. Один путь 908 является таким же, что и путь, описанный со ссылкой на фиг. 4, т.е. ток течет по обмоткам каждой катушки 400 по очереди, через внутренние кольцевые проводники 805А, 805В. Другой путь 909 закорачивает или обходит путь 908, обеспечивая электрическое соединение между внешними обмотками катушек 400. В этом случае ток течет в одну из катушек 400 через ее внешнюю(ие) обмотку(и) и из катушки через внешний кольцевой проводник 804В вместо прохождения по другим обмоткам катушки. Аналогично, ток проходит во внешние обмотки другой катушки через внешний кольцевой проводник 804А, между их осевыми кромками и из катушки, без прохождения по другим обмоткам другой катушки.As shown in FIG. 9, the inclusion of two ring conductors on each plate provides two alternative paths 908, 909 for current to flow through magnet 800 when a power supply 907 is connected to the coil pair. One path 908 is the same as the path described with reference to FIG. 4, i.e. current flows through the windings of each coil 400 in turn, through the inner ring conductors 805A, 805B. Another path 909 shorts or bypasses path 908, providing an electrical connection between the outer windings of the coils 400. In this case, current flows into one of the coils 400 through its outer winding(s) and out of the coil through the outer ring conductor 804B instead of passing through the others. coil windings. Similarly, current flows into the outer windings of the other coil through the outer ring conductor 804A, between their axial edges, and out of the coil, without passing through the other windings of the other coil.

Доля тока, протекающего по каждому пути 908, 909, определяется относительными электрическими сопротивлениями путей, которыми можно управлять, изменяя электрические сопротивления внешних и внутренних кольцевых проводников 804А, 804В, 805А, 805В и/или электрические сопротивления, связанные с электрическими контактами кольцевых проводников с обмотками катушек 400. Более длинный, обходной путь 908 можно сделать предпочтительнее более короткого, более прямого пути 909, так что большая часть тока течет радиально внутрь и из катушек 400, сделав электрическое сопротивление прямого пути 909 намного большим, чем у обходного пути 908. Этого достигают, например, делая площади внешних кольцевых проводников 804А, 804В меньшими, чем площади внутренних кольцевых проводников 805А, 805В. Хотя небольшая величина тока утечки проходит по пути 909 и не вносит вклад в магнитное поле, создаваемое за счет протекания тока по обмоткам катушек 400, катушки 400 могут быть заряжены до полного критического тока на внутренних обмотках, а дополнительный ток утечки может переноситься внешними обмотками, поскольку они имеют более высокий критический ток в этой области более низкого магнитного поля. После того как магнит 800 зарядился, источник 907 питания можетThe proportion of current flowing in each path 908, 909 is determined by the relative electrical resistances of the paths, which can be controlled by varying the electrical resistances of the outer and inner ring conductors 804A, 804B, 805A, 805B and/or the electrical resistances associated with the electrical contacts of the ring conductors with the windings coils 400. The longer, bypass path 908 can be made preferable to the shorter, straighter path 909 so that more of the current flows radially in and out of the coils 400, making the electrical resistance of the straight path 909 much greater than that of the bypass path 908. This is achieved , for example, by making the areas of the outer ring conductors 804A, 804B smaller than the areas of the inner ring conductors 805A, 805B. Although a small amount of leakage current travels along path 909 and does not contribute to the magnetic field created by the current flowing through the windings of coils 400, coils 400 can be charged to full critical current on the internal windings and additional leakage current can be carried by the external windings because they have a higher critical current in this region of lower magnetic field. Once the magnet 800 has been charged, the power supply 907 may

- 9 040624 быть отключен, так что ток течет по катушкам 400 в замкнутом контуре.- 9 040624 be disabled so that current flows through the coils 400 in a closed loop.

Фиг. 10 показывает путь 1010 захваченного тока, протекающего внутри магнита 800 после отключения источника 907 питания. В этом случае ток течет по замкнутому контуру, проходящему через обмотки катушек 400 и через каждый из кольцевых проводников 805В, 805А, 804А, 804В по очереди. Поскольку катушки 400 являются сверхпроводящими, ток способен протекать по пути 1010 в течение длительных периодов до затухания, т.е. циркулирующий ток и создаваемое им магнитное поле являются полунезатухающими.Fig. 10 shows the path 1010 of the trapped current flowing within the magnet 800 after the power supply 907 is turned off. In this case, the current flows in a closed loop through the coil windings 400 and through each of the ring conductors 805B, 805A, 804A, 804B in turn. Because coils 400 are superconductive, current is able to flow along path 1010 for extended periods before decaying, i. the circulating current and the magnetic field it creates are semi-undamped.

Постоянная времени, связанная с затуханием циркулирующего тока, определяется отношением (L/R) магнитной самоиндукции катушки (L) к ее электрическому сопротивлению (R). Рассмотрим, например, магнит, который имеет катушки с внутренним диаметром 50 мм и внешним диаметром 98 мм, самоиндукцией ~2 мГн и электрическими стыками типичного сопротивления ~1-5 нОм в жидком азоте (т.е. расчетное суммарное сопротивление внутренних и внешних электрических стыков ~10 нОм). Постоянная времени L/R этого магнита будет приблизительно равна 200000 с, т.е. 2,3 дня.The time constant associated with the damping of the circulating current is determined by the ratio (L/R) of the magnetic self-induction of the coil (L) to its electrical resistance (R). Consider, for example, a magnet that has coils with an inner diameter of 50 mm and an outer diameter of 98 mm, a self-induction of ~2 mH, and electrical junctions of typical resistance of ~1-5 nΩ in liquid nitrogen (i.e., the calculated total resistance of internal and external electrical junctions ~10 nΩ). The time constant L/R of this magnet will be approximately equal to 200000 s, i.e. 2.3 days.

Большая постоянная времени также связана с большим временем зарядки, т.е. временем до установления устойчивого состояния распределения тока между путями 908, 909, когда источник питания подключен. Чтобы минимизировать время зарядки, полезно увеличить сопротивление пути 908 во время зарядки (т.е. в конфигурации, показанной на фиг. 9). Это может быть достигнуто с помощью переменного резистора или переключателя, встроенного во внешнее электрическое соединение, обеспечиваемое внешними кольцевыми проводниками 804А, 804В. Например, между внешними кольцевыми проводниками 804А, 804В может быть предусмотрен ВТСП-переключатель, содержащий ВТСП-материал. Во время зарядки этот переключатель является выключенным (находится в несверхпроводящем состоянии), обеспечивая большое сопротивление и, следовательно, быстрый заряд. Это достигается, например, посредством нагрева ВТСП-материала выше его критической температуры. Затем переключатель включается (например, больше не нагревается или, скорее, охлаждается), чтобы замкнуть путь 1010 тока, а источник питания отсоединяется.A large time constant is also associated with a large charging time, i.e. the time until a stable state of current sharing between paths 908, 909 is established when the power supply is connected. To minimize charging time, it is beneficial to increase the resistance of path 908 during charging (ie, in the configuration shown in FIG. 9). This can be achieved with a variable resistor or switch built into the external electrical connection provided by the outer ring conductors 804A, 804B. For example, between the outer ring conductors 804A, 804B, an HTS switch containing HTS material may be provided. During charging, this switch is off (in a non-superconducting state), providing high resistance and hence fast charging. This is achieved, for example, by heating the HTS material above its critical temperature. The switch is then turned on (eg no longer heating or rather cooling) to close the current path 1010 and the power supply is disconnected.

Одним важным применением ВТСП-магнитов, таких как описанные выше, является применение в разновидности термоядерного реактора, известной как токамак. Токамак сочетает в себе сильное тороидальное магнитное поле, высокий ток плазмы и обычно большой объем плазмы и значительный вспомогательный нагрев для получения горячей стабильной плазмы. Это позволяет токамакам создавать такие условия, при которых может происходить слияние ядер. Вспомогательный нагрев (например, посредством инжекции пучка в десятки мегаватт нейтральных частиц высокоэнергетического водорода, дейтерия или трития) необходим для увеличения температуры до достаточно высоких значений, требуемых для возникновения ядерного синтеза и/или для поддержания тока плазмы.One important application of HTS magnets, such as those described above, is in a type of fusion reactor known as a tokamak. The tokamak combines a strong toroidal magnetic field, high plasma current and usually large plasma volume, and significant auxiliary heating to produce a hot stable plasma. This allows tokamaks to create conditions under which nuclear fusion can occur. Auxiliary heating (for example, by injecting a beam of tens of megawatts of neutral particles of high energy hydrogen, deuterium or tritium) is necessary to increase the temperature to high enough values required for nuclear fusion to occur and/or to maintain plasma current.

Магнитные катушки на токамаке могут быть разделены на две группы. Катушки полоидального поля представляют собой горизонтальные круглые катушки, намотанные с их центром, лежащим на центральной колонне токамака, и создают полоидальное поле (т.е. поле, которое практически параллельно центральной колонне). Катушки тороидального поля намотаны вертикально через центральную колонну и вокруг внешней части плазменной камеры (так называемые обводы или обратные ветви), чтобы создавать тороидальное поле (т.е. поле, которое является круглым вокруг центральной колонны). Сочетание полоидального и тороидального полей создает спиральное поле внутри плазменной камеры, которое удерживает плазму в ограниченном пространстве.The magnetic coils on a tokamak can be divided into two groups. Poloidal field coils are horizontal circular coils wound with their center lying on the central column of the tokamak and produce a poloidal field (i.e., a field that is substantially parallel to the central column). The coils of the toroidal field are wound vertically through the central column and around the outer part of the plasma chamber (so-called bypasses or reverse branches) to create a toroidal field (ie, a field that is circular around the central column). The combination of poloidal and toroidal fields creates a spiral field inside the plasma chamber, which keeps the plasma in a limited space.

Токи, требуемые для создания тороидального поля, очень велики. Поэтому конструкции токамаков все чаще подразумевают использование сверхпроводящих материалов в катушках возбуждения поля. У компактного сферического токамака диаметр центральной колонны должен быть как можно меньшим. Это предъявляет противоречивые требования, поскольку плотность тока, которая может быть достигнута даже со сверхпроводящими материалами, ограничена.The currents required to create a toroidal field are very high. Therefore, the designs of tokamaks increasingly imply the use of superconducting materials in field excitation coils. For a compact spherical tokamak, the diameter of the central column should be as small as possible. This presents conflicting requirements because the current density that can be achieved even with superconducting materials is limited.

Описанные здесь ВТСП-магниты особенно подходят для применения в токамаках, в частности сферических токамаках, например, для создания одного из полоидального или тороидального полей (или обоих).The HTS magnets described herein are particularly suitable for use in tokamaks, in particular spherical tokamaks, for example, to create one of the poloidal or toroidal fields (or both).

Хотя выше были описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что они были представлены в качестве примера, а не ограничения. Специалистам в данной(ых) области(ях) техники будет очевидно, что могут вноситься различные изменения по форме и деталям без отступления от сущности и объема изобретения. Например, хотя катушки выше были описаны как имеющие ВТСП-ленты 100, расположенные в конфигурации типа 0, могут быть также использованы и другие конфигурации, например, типа 1 и типа 2 (как описано, например, в WO 2018/078326). Аналогично, хотя в описанных выше примерах катушки обычно подключают к источнику питания последовательно, также возможно подключать катушки к источнику питания параллельно. Таким образом, настоящее изобретение не должно ограничиваться какими-либо из вышеописанных примерных вариантов осуществления, а должно определяться только в соответствии с последующей формулой изобретения и ее эквивалентами.Although various embodiments of the present invention have been described above, it should be understood that they have been presented by way of example and not limitation. It will be apparent to those skilled in the art(s) that various changes in form and detail may be made without departing from the spirit and scope of the invention. For example, although the coils above have been described as having HTS tapes 100 arranged in a type 0 configuration, other configurations such as type 1 and type 2 can also be used (as described, for example, in WO 2018/078326). Similarly, although in the examples described above, the coils are usually connected to the power supply in series, it is also possible to connect the coils to the power supply in parallel. Thus, the present invention should not be limited by any of the above-described exemplary embodiments, but should only be determined in accordance with the following claims and their equivalents.

--

Claims (21)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Магнит с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), содержащий катушку, образованную вложенными концентрическими витками, намотанными вокруг оси катушки, причем каждый виток содержит ВТСП-материал; и первый и второй проводящие элементы, каждый из которых содержит соответствующие поверхности электрического контакта, через которые подается электрический ток к или принимается электрический ток от участка соответствующего по меньшей мере одного из витков, причем каждая поверхность электрического контакта обеспечивает электрический контакт между проводящим элементом и осевой кромкой катушки, по меньшей мере частично, по соответствующему по меньшей мере одному из витков, при этом поверхность электрического контакта первого проводящего элемента расположена ближе к оси, чем поверхность электрического контакта второго проводящего элемента, за счет чего электрический ток, подаваемый в катушку через первый проводящий элемент, протекает по последовательным виткам катушки прежде, чем принимается вторым проводящим элементом.1. A high temperature superconductor (HTSC) magnet comprising a coil formed by nested concentric turns wound around a coil axis, each turn containing an HTS material; and first and second conductive elements, each of which contains respective electrical contact surfaces through which electrical current is supplied to or electrical current is received from a portion of the corresponding at least one of the turns, each electrical contact surface providing electrical contact between the conductive element and the axial edge coil, at least partially, along corresponding at least one of the turns, while the electrical contact surface of the first conductive element is located closer to the axis than the electrical contact surface of the second conductive element, due to which the electric current supplied to the coil through the first conductive element , flows through successive turns of the coil before being received by the second conductive element. 2. ВТСП-магнит по п.1, при этом каждый виток содержит ВТСП-ленту и оболочку, электрически соединенную с ВТСП-лентой, а электрические контакты обеспечиваются с оболочкой.2. The HTS magnet according to claim 1, wherein each turn comprises an HTS tape and a sheath electrically connected to the HTS tape, and electrical contacts are made to the sheath. 3. ВТСП-магнит по п.1 или 2, при этом поверхности электрического контакта обеспечивают электрический контакт с одной или более из осевых кромок катушки по более чем 50% или более чем 80% пути соответствующего по меньшей мере одного из витков.3. HTS magnet according to claim 1 or 2, wherein the electrical contact surfaces provide electrical contact with one or more of the axial edges of the coil along more than 50% or more than 80% of the path of the corresponding at least one of the turns. 4. ВТСП-магнит по любому из предшествующих пунктов, при этом одна или более из поверхностей электрического контакта являются кольцеобразными.4. An HTS magnet according to any one of the preceding claims, wherein one or more of the electrical contact surfaces are annular. 5. ВТСП-магнит по любому из предшествующих пунктов, содержащий по меньшей мере одну пластину, проходящую по одному или более из других витков, причем первый или второй проводящий элемент выполнен заодно с пластиной или предусмотрен на ней.5. An HTS magnet according to any one of the preceding claims, comprising at least one plate extending along one or more of the other turns, the first or second conductive element being integral with or provided on the plate. 6. ВТСП-магнит по п.5, при этом первый или второй проводящий элемент выступает из лицевой стороны пластины, а пластина дополнительно содержит диэлектрический или электрорезистивный слой для электрической изоляции лицевой стороны пластины от участка одного или более из других витков.6. The HTS magnet of claim 5, wherein the first or second conductive element protrudes from the face of the wafer, and the wafer further comprises a dielectric or electroresistive layer for electrically isolating the face of the wafer from a portion of one or more of the other turns. 7. ВТСП-магнит по п.6, содержащий промежуточный проводящий слой, проходящий по одному или более другим виткам, для передачи тепла и/или электрического тока от кромки витков.7. The HTS magnet of claim 6, comprising an intermediate conductive layer extending along one or more other turns to transfer heat and/or electric current away from the edge of the turns. 8. ВТСП-магнит по п.7, при этом промежуточный проводящий слой содержит паяемый металл, такой как латунь и/или нержавеющая сталь.8. The HTS magnet according to claim 7, wherein the intermediate conductive layer comprises a solderable metal such as brass and/or stainless steel. 9. ВТСП-магнит по п.7 или 8, при этом промежуточный проводящий слой снабжен рисунком посредством изменения его толщины.9. HTS magnet according to claim 7 or 8, wherein the intermediate conductive layer is patterned by changing its thickness. 10. ВТСП-магнит по любому из пп.7-9, при этом катушка содержит электрическую изоляцию между витками.10. An HTS magnet according to any one of claims 7 to 9, wherein the coil comprises electrical insulation between the turns. 11. ВТСП-магнит по любому из пп.5-10, содержащий один или более датчиков и/или один или более нагревателей, расположенных между пластиной и катушкой.11. HTS magnet according to any one of claims 5 to 10, comprising one or more sensors and/or one or more heaters located between the plate and the coil. 12. ВТСП-магнит по любому из предшествующих пунктов, при этом поверхность электрического контакта первого или второго проводящего элемента обеспечивает электрический контакт либо с самым внутренним, либо с самым внешним витком катушки.12. An HTS magnet according to any one of the preceding claims, wherein the electrical contact surface of the first or second conductive element makes electrical contact with either the innermost or outermost turn of the coil. 13. ВТСП-магнит по любому из предшествующих пунктов, при этом поверхность электрического контакта первого или второго проводящего элемента обеспечивает электрический контакт через несплошность в витках.13. An HTS magnet according to any one of the preceding claims, wherein the electrical contact surface of the first or second conductive element provides electrical contact through a discontinuity in the coils. 14. ВТСП-магнит по любому из предшествующих пунктов, при этом поверхности электрического контакта обеспечивают электрический контакт с противоположными лицевыми сторонами катушки.14. An HTS magnet according to any one of the preceding claims, wherein the electrical contact surfaces provide electrical contact with opposite faces of the coil. 15. ВТСП-магнит по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий одну или более дополнительных катушек, причем упомянутая или каждая дополнительная катушка имеет проводящие элементы для обеспечения электрического контакта с противоположными лицевыми сторонами этой катушки, причем катушки уложены стопкой в осевом направлении и электрически соединены друг с другом через их соответствующие проводящие элементы.15. An HTS magnet according to any one of the preceding claims, further comprising one or more additional coils, said or each additional coil having conductive elements for providing electrical contact with opposite faces of this coil, the coils being axially stacked and electrically connected to each other. with a friend through their respective conductive elements. 16. ВТСП-магнит по п.15, при этом соседние уложенные стопкой в осевом направлении катушки намотаны в противоположных направлениях.16. The HTS magnet of claim 15, wherein adjacent axially stacked coils are wound in opposite directions. 17. ВТСП-магнит по любому из предшествующих пунктов, содержащий две или более концентрически вложенных катушки, каждая из которых имеет соответствующие проводящие элементы, причем каждая катушка электрически соединена с соседней катушкой электрическим соединением между соответствующими проводящими элементами катушек.17. An HTS magnet according to any one of the preceding claims, comprising two or more concentrically nested coils, each having respective conductive elements, each coil being electrically connected to an adjacent coil by an electrical connection between the respective conductive elements of the coils. 18. ВТСП-магнит по п.17, при этом электрическое соединение является гибким.18. The HTS magnet according to claim 17, wherein the electrical connection is flexible. 19. ВТСП-магнит по п.17 или 18, содержащий одну или более промежуточных опор, расположенных между соседними катушками, для пресечения радиальных сил.19. HTS magnet according to claim 17 or 18, containing one or more intermediate supports located between adjacent coils, to suppress radial forces. 20. ВТСП-магнит по любому из пп.17-19, при этом соответствующие ВТСП-ленты соседних катушек отличаются по одному или более из толщины; состава; ширины и числа.20. HTS magnet according to any one of claims 17 to 19, wherein the respective HTS tapes of adjacent coils differ in one or more of thicknesses; composition; width and number. 21. Токамак, содержащий ВТСП-магнит по любому из предшествующих пунктов, при этом ВТСП-21. A tokamak containing an HTS magnet according to any one of the preceding claims, wherein the HTS magnet --
EA202191043 2018-10-15 2019-10-14 MAGNET WITH HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR EA040624B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1816762.7 2018-10-15
GB1900177.5 2019-01-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA040624B1 true EA040624B1 (en) 2022-07-07

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2021240133B2 (en) High temperature superconductor magnet
CN112041947B (en) Partially insulated HTS coil
RU2686524C1 (en) Hts-magnetic sections
US20190267171A1 (en) Cable design in hts tokamaks
Rey et al. HTS dipole insert developments
JP2022527526A (en) High temperature superconducting cable
EA040624B1 (en) MAGNET WITH HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR
US11133120B2 (en) Superconductor cable or superconductor cable-in-conduit-conductor with clocking feature
Solovyov et al. Performance of layer wound epoxy-impregnated coils made from a multifilamentary cable of exfoliated YBCO
WO2024118671A1 (en) High-temperature superconductor magnets with quench damage resiliency
US20230395296A1 (en) High temperature superconductor field coil
US11937519B1 (en) Permanent magnets using high temperature superconductor tapes and methods of charging same
EP4352761A1 (en) Central column for a toroidal field coil of a tokamak plasma chamber
EA039430B1 (en) High temperature superconducting field coil
JPS5868910A (en) Superconductive device