EP2220658B1 - System for creating a magnetic field via a superconducting magnet - Google Patents
System for creating a magnetic field via a superconducting magnet Download PDFInfo
- Publication number
- EP2220658B1 EP2220658B1 EP08850407A EP08850407A EP2220658B1 EP 2220658 B1 EP2220658 B1 EP 2220658B1 EP 08850407 A EP08850407 A EP 08850407A EP 08850407 A EP08850407 A EP 08850407A EP 2220658 B1 EP2220658 B1 EP 2220658B1
- Authority
- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- current
- limiter
- magnet
- resistance
- une
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 claims description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 17
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 14
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 12
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 12
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 12
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 10
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 9
- 229910000570 Cupronickel Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 7
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 7
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 6
- 230000002085 persistent effect Effects 0.000 description 5
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 229910001275 Niobium-titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- RJSRQTFBFAJJIL-UHFFFAOYSA-N niobium titanium Chemical compound [Ti].[Nb] RJSRQTFBFAJJIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 4
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 4
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 4
- 241001080024 Telles Species 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 3
- 238000002595 magnetic resonance imaging Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101100454869 Rattus norvegicus Lhx5 gene Proteins 0.000 description 2
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 238000006842 Henry reaction Methods 0.000 description 1
- 229910020073 MgB2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 1
- PZKRHHZKOQZHIO-UHFFFAOYSA-N [B].[B].[Mg] Chemical compound [B].[B].[Mg] PZKRHHZKOQZHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 235000021183 entrée Nutrition 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000000135 prohibitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
- H01F6/006—Supplying energising or de-energising current; Flux pumps
- H01F6/008—Electric circuit arrangements for energising superconductive electromagnets
Definitions
- the present invention relates to a system for creating a magnetic field via a superconducting magnet for producing said magnetic field.
- a superconducting magnet is formed of a superconducting winding (for example a Niobium-Titanium composite) maintained at a temperature such that the superconducting state of the material constituting the winding is ensured (for example at 4.2 K in a liquid helium bath at atmospheric pressure for a Niobium-Titanium composite subjected to a field typically less than 10 T).
- the zero electrical resistance thus achieved makes it possible to create very high magnetic field intensities within the confines of the transport capacities of the superconducting materials.
- the invention finds a particularly interesting application in the field of nuclear magnetic resonance (NMR) and magnetic resonance imaging (MRI).
- a known configuration consists in using a superconducting magnet short-circuited: this mode of operation, called persistent mode, is achieved by disconnecting the power supply from the coil and the presence of a superconducting switch forming a closed circuit with the coil.
- a superconducting switch formed by a superconducting composite coupled to a heating element (hereinafter referred to indifferently as the heater) is a thermal switch which has a zero resistance when the heater associated with it is turned off, the switch is then said “ closed “and a large resistance in front of the other resistors of the circuit when the heater is energized, the switch is then said" open ".
- the resistance of the switch is that of the resistive matrix of the superconducting composite above a so-called critical temperature, and is almost zero below this temperature.
- the Equivalent electrical circuit thus formed is composed of the inductance of the magnet, typically several hundred henrys, the resistance of the magnet and the resistance of the short circuit formed by the superconducting switch.
- the resistances of the circuit be extremely low, typically less than 1 n ⁇ for a 100 H magnet. .
- the residual resistance of the magnet may be greater than the value that makes system operation possible in persistent mode.
- the three branches are connected in parallel.
- the value of the resistance R 1 is in a ratio of 10 to 1000 times the value of the resistance R 2 .
- the magnet can locally lose its superconducting properties and transit in a dissipative mode (We speak of "Quench" of the magnet).
- a dissipative mode implies that the latter is protected on itself (ie that the resistance developed in the magnet during the transition is sufficient to discharge the current in the magnet at such a speed that the heating of the conductor remains limited) .
- the very high energy stored in the magnet typically above 100 MJ
- the Joule effect that is generated could then lead to an abnormal heating of the magnet and thus to a permanent deterioration of its superconducting properties.
- the cutoff member S 2 is open (and possibly S 3 ) so that the coil L discharges into the resistor R 3 whose value is optimized to obtain a fast discharge without degradation of the magnet.
- the decay rate of the current is then determined by the value of the protection resistor.
- the superconducting switch S 1 in series with R 1 must be closed, ie with low impedance in comparison with the other resistors of the circuit, in normal operation with stabilized current.
- this same switch S 1 must be open (ie with high impedance in comparison with the other resistances of the circuit (R 1 , R 2 , R 3 )) during the charge / discharge of the coil L and during the protection of the magnet (fast discharge of the coil L in R 3 ).
- the resistance R 1 must be such that the Joule power dissipated in the stabilization regime remains low, typically less than a few milliwatts.
- the present invention aims to provide a system for creating a magnetic field to overcome the three difficulties mentioned above while ensuring an effective charge of the coil, a very small drift of the magnetic field in the time and fast discharge without degradation of the magnet in case of quenching.
- the limiter must have the lowest possible inductance, firstly to ensure the stabilizing function as described in the patent US6624732 and on the other hand to minimize the transition time between the "closed” state and the "open” state. With the experimental devices used, it is of the order of some microhenry.
- the superconducting material is selected such that its critical temperature is greater than the temperature of the medium in which it is placed.
- T max a maximum value
- T max the temperature at which the superconducting properties of the superconducting wire chosen are not degraded, for example around 300 ° C. for NbTi. In the choice of this value, it is sometimes necessary to take into account the effect of the mechanical deformation related to the expansion of the materials. In order to overcome this effect, T max is sometimes chosen to be less than 100 K because below this value, most materials no longer deform under the effect of a temperature variation.
- a superconducting limiter is understood to mean a device based on the transition of superconductors between a non-dissipative state (almost zero resistance) and a dissipative state (non-zero resistance). This transition of the superconductors is characterized in particular by the presence of a critical current beyond which the device switches into the dissipative state.
- the limiter according to the invention differs from the limiters intended for electrical distribution networks where the current limiting requirements only last for a few hundred milliseconds. In contrast, in the context of the invention, the operation in limitation must be able to last several minutes or even several hours. Thermal exchanges that were neglected in this type of application are of great importance here.
- the superconducting switch controlled by a heating system is advantageously replaced by a superconductive limiter requiring no external control to switch to resistive mode when charging or discharging the coil or its fast discharge.
- a superconductive limiter requiring no external control to switch to resistive mode when charging or discharging the coil or its fast discharge.
- Such a configuration has a considerable advantage in terms of operational safety insofar as the efficiency of the fast discharge in case of quench is no longer conditioned by the opening of the switch controlled by its external control; the limiter according to the invention intrinsically allows to switch from its on state to its resistive state during the three operating modes that are the charging or discharging of the coil, the normal operating mode and the rapid discharge of the coil in the resistor protection when detecting a quench of the magnet.
- the method according to the invention comprises a step of generating a current slot that follows the step of generating said current pulse, the value of the current of this slot being equal to the sum of the current flowing in said protection resistor and the current flowing in said limiter when it is in its high resistance state.
- the superconducting limiter 106 is composed of a superconducting wire formed by a plurality of superconducting elementary filaments integrated in a resistive matrix, the superconducting wire may also consist of the deposition of a superconductive material on a resistive substrate; we will return in the following description on the choice of material for the realization of the resistive matrix.
- the limiter 106 is characterized by two currents: the tripping current of the limitation I o and the recovery current I r .
- the trip current represents the current beyond which the limiter develops a significant resistance that limits the current. This current is close to the critical current I c characteristic of the superconducting material and is defined by the current for which the driver develops a given electric field (10 ⁇ V / m or 100 ⁇ V / m).
- the recovery current is the thermal balance current of the driver with his environment. This current is reached after a long enough time (of the order of a few seconds) and is not a conventional parameter of a limiter. It is defined by the characteristics of the conductor, in particular its resistance per unit length, and the cooling conditions (thickness of insulation surrounding the limiter and thermal conductivity of the limiter).
- the limiter 106 in the liquid helium causes the limiter to consist, for example, of a superconducting wire formed by a plurality of niobium-titanium elementary filaments (NbTi) whose transition temperature is equal to 9. , 5K if it is subjected to a zero magnetic induction and whose diameter is preferably less than 120 microns integrated in a resistive matrix.
- the resistive matrix is preferably highly resistive so as to reduce the length of wire (as mentioned above, the maximum wire length is inversely proportional to the resistivity of the wire and its matrix): a highly resistive matrix allows therefore reduce the size of the limiter.
- the matrix may for example be made of cupronickel (CuNi).
- the limiter is also possible to place the limiter at a higher temperature and use in this case a superconducting material of the high Tc (higher critical temperature) type such as magnesium diboride (MgB 2 ) or a ceramic superconductor, such as YBaCuO for example.
- a superconducting material of the high Tc (higher critical temperature) type such as magnesium diboride (MgB 2 ) or a ceramic superconductor, such as YBaCuO for example.
- the presence of the current limiter 106 near the magnet 102 which aims to be as stable as possible requires the limiter to have the lowest inductance possible so that the current variations flow well in the limiter branch. and not in the magnet.
- the lower the inductor of the limiter 106 will be the faster the current limitation.
- the length of the wire must therefore be arranged in such a way that the inductance of the limiter 106 is as small as possible in order to have a reduced response time, not to induce overvoltages and to ensure good stabilization.
- One solution is to use a winding in two layers, the two layers being wound in the opposite direction (two coils of the same length nested one inside the other and separated by an insulator to prevent dielectric breakdown between the two coils).
- this configuration is interesting because it distributes the voltage over a large distance (the distance between the two ends) and avoids dielectric breakdown.
- the two layers are put in series.
- the invention applies both to a configuration in which the magnet 102 and the limiter 106 are in the same cryogenic bath as to a configuration in which the magnet 102 and the limiter 106 are in baths. separated; in the latter case, one possible application consists in using two helium baths, one containing superfluid helium at a temperature of between 1.7 and 2.2 K (of the order of 1.8 K) for the purpose of the magnet 102 and the other containing 4.2 K liquid helium, the two baths being interconnected by a channel of reduced section according to the principle of "Bain Claudet". Such a configuration allows easier access to the limiter 106 separated from the magnet 102.
- a first solution is to add a heater to temporarily put the limiter in "open” mode, without degrading the safety related to the intrinsic operation of the limiter.
- a second solution consists in injecting, via the current leads of the magnet (into the coil of the magnet and the protection branches situated in parallel between the breaking members 104 and 105), a sinusoidal or impulsive alternating current which superimposes itself on the operating current.
- the frequency of this current is chosen high enough that the alternating current is blocked by the inductance L 'of the coil, so that the latter does not receive a thermal energy capable of passing it out of the superconducting state.
- the frequency may for example be chosen so that more than 99.9% of this alternating current passes through the limiter.
- the transition of the limiter from its low impedance state to its high impedance state is obtained either by the temperature rise caused by the circulation of the alternating current (elevation created by the losses induced by the alternating current) or because the rms value of the current alternative exceeds the value of the tripping current of the limiter.
- a frequency equal to or greater than 50 Hz is sufficient for known applications.
- This alternating current can be generated by specific internal circuits designed for this purpose, or externally to the supply by a secondary power supply located from preferably in parallel with the main power supply. However, it is not contrary to the invention to provide this secondary supply by a device placed in series with the main power supply.
- An example of a system 200 for creating a magnetic field according to the invention incorporating a control device 201 generating such a signal is illustrated in FIG. figure 4 .
- the system 200 is identical to the system 100 of the figure 3 with the difference that it comprises the control device 201 forming means for the tilting of the limiter 106 from its low resistance state to its high resistance state by enabling the generation of a sinusoidal current signal able to switch the limiter 203 and it does not include a second redundancy cutoff member 105.
- the control device 201 With the switch 203 closed, the control device 201 is put into operation by the closing of the switch 202 (connection to the 230V / 50Hz network).
- the autotransformer 204 is set to the voltage of 230 V.
- the limiter 106 transits because the short circuit current Icc (corresponding to the rms value of the sinusoidal current supplied by the TBT transformer 205) is greater than the tripping current required to pass the limiter 106.
- Icc short circuit current supplied by the TBT transformer 205
- the limiter 106 being resistive, the current passing through it is low (a few tens of mA) and the voltage necessary to maintain the transient limiter 106 is thus a few volts (about 1 V at the output of the autotransformer 205) .
- This voltage will circulate a current of about 2 A in the discharge resistor R ' 3 and a very low alternating current in the mesh of the coil inversely proportional to its inductance L'. This alternating current does not modify the main DC current in the coil.
- a third phase it is possible to increase (or decrease) the main current in the coil by modifying the current supplied by the power supply 103.
- the switch 203 is either closed to keep the limiter 106 open or open (in in this case, the current which keeps the limiter 106 open is supplied by the power supply 103 for the time necessary for the modification of the current).
- the open switch 203 makes it possible to make current adjustments without being disturbed by the alternating signals.
- the limiter 106 becomes again superconducting following the opening of the switch 203.
- the limiter 106 finds the temperature of the cryogenic bath typically after a few seconds. The return time in the closed state depends above all on the level of thermal insulation between the limiter and the cryogenic bath.
- main power supply 103 It is also possible to directly use the main power supply 103 to generate a current pulse of a few milliseconds at a current value greater than the tripping current of the limiter 106 sufficient to make the latter pass therethrough.
- the figure 5 illustrates the implementation of such a command on a circuit 300 substantially identical to the circuit 100 of the figure 3 (With the difference that it does not have a switch 105).
- Circuit 300 presented in figure 5 is composed of a superconducting magnet of 0.68 H inductance giving a nominal magnetic field of 7 T for a current I 2 of 400 A.
- the resistor R ' 2 simulating the resistive connections of the superconducting magnet and connected in series with the coil L 'has a value of 10 ⁇ .
- a current regulated power supply 103 (1000A - 10V) is connected to the load by closing the switch 104.
- the resistor R ' 3 (of a value here equal to 0.5 ⁇ ) is connected in parallel with the branch of the magnet.
- the resistor R ' 3 is inside the cryostat C.
- the switch 104 is open causing the fast discharge of the energy of the magnet in the resistor protection R ' 3 .
- the limiter 106 and the stabilizing resistor R ' 1 (here equal to 1 m ⁇ ) are connected in parallel to the magnet.
- the power supply 103 comprises means for generating a current pulse for a sufficient duration (here> 5 ms) and amplitude I p (here> 40 A) greater than the tripping current making it possible to switch the limiter 106 from its low resistance state to its high resistance state.
- a sufficient duration here> 5 ms
- I p here> 40 A
- One solution for generating this pulse is to intervene in the control loop of the power supply 103. It is also possible to use an auxiliary power supply for generating this pulse.
- the power supply 103 regulated current generates a current ramp (with a di / dt here chosen between 2 and 10 A / s).
- a minimum ramp value is imposed so that the voltage U c at the terminals of the magnet is sufficient to maintain the limiter 106 in its resistive mode.
- the delay is important (about 3 seconds) between the beginning of the ramp and the pulse; this delay is only intended to illustrate the operating principle but can be reduced to zero.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
- Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
- Audible-Bandwidth Dynamoelectric Transducers Other Than Pickups (AREA)
- Hard Magnetic Materials (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Abstract
Description
La présente invention concerne un système de création d'un champ magnétique via un aimant supraconducteur destiné à produire ledit champ magnétique. Un aimant supraconducteur est formé d'un bobinage supraconducteur (par exemple un composite de Niobium-Titane) maintenu à une température telle que l'état supraconducteur du matériau constituant le bobinage soit assuré (par exemple à 4.2 K dans un bain d'hélium liquide à pression atmosphérique pour un composite de Niobium-Titane soumis à un champ typiquement inférieur à 10 T). La résistance électrique nulle ainsi atteinte permet de créer des intensités de champ magnétique très élevées dans les limites des capacités de transport des matériaux supraconducteurs. L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine de la résonance magnétique nucléaire (RMN) et de l'imagerie par résonance magnétique (IRM).The present invention relates to a system for creating a magnetic field via a superconducting magnet for producing said magnetic field. A superconducting magnet is formed of a superconducting winding (for example a Niobium-Titanium composite) maintained at a temperature such that the superconducting state of the material constituting the winding is ensured (for example at 4.2 K in a liquid helium bath at atmospheric pressure for a Niobium-Titanium composite subjected to a field typically less than 10 T). The zero electrical resistance thus achieved makes it possible to create very high magnetic field intensities within the confines of the transport capacities of the superconducting materials. The invention finds a particularly interesting application in the field of nuclear magnetic resonance (NMR) and magnetic resonance imaging (MRI).
Les applications dans le domaine de la RMN et de l'IRM nécessitent des champs magnétiques intenses (pouvant atteindre plusieurs dizaines de teslas) et stables dans le temps.Applications in the field of NMR and MRI require intense magnetic fields (up to several tens of teslas) and stable over time.
Une configuration connue consiste à utiliser un aimant supraconducteur mis en court-circuit : ce mode de fonctionnement, appelé mode persistant, est réalisé par la déconnexion de l'alimentation électrique de la bobine et la présence d'un interrupteur supraconducteur formant un circuit fermé avec la bobine. Un interrupteur supraconducteur formé par un composite supraconducteur couplé à un élément chauffant (désigné indifféremment dans la suite par le terme chaufferette) est un interrupteur thermique qui a une résistance nulle lorsque la chaufferette qui lui est associée est éteinte, l'interrupteur est alors dit « fermé » et une résistance grande devant les autres résistances du circuit lorsque la chaufferette est sous tension, l'interrupteur est alors dit « ouvert ». La résistance de l'interrupteur est celle de la matrice résistive du composite supraconducteur au-dessus d'une température dite critique, et est quasi nulle en dessous de cette température. Le circuit électrique équivalent ainsi formé est composé de l'inductance de l'aimant, typiquement de plusieurs centaines d'henrys, de la résistance de l'aimant et de la résistance du court-circuit formé par l'interrupteur supraconducteur.A known configuration consists in using a superconducting magnet short-circuited: this mode of operation, called persistent mode, is achieved by disconnecting the power supply from the coil and the presence of a superconducting switch forming a closed circuit with the coil. A superconducting switch formed by a superconducting composite coupled to a heating element (hereinafter referred to indifferently as the heater) is a thermal switch which has a zero resistance when the heater associated with it is turned off, the switch is then said " closed "and a large resistance in front of the other resistors of the circuit when the heater is energized, the switch is then said" open ". The resistance of the switch is that of the resistive matrix of the superconducting composite above a so-called critical temperature, and is almost zero below this temperature. The Equivalent electrical circuit thus formed is composed of the inductance of the magnet, typically several hundred henrys, the resistance of the magnet and the resistance of the short circuit formed by the superconducting switch.
Cette solution présente cependant certaines difficultés.This solution presents some difficulties, however.
En effet, pour que la dérive du champ magnétique dans le temps soit faible, typiquement de moins de 0,05 ppm/h, il est nécessaire que les résistances du circuit soient extrêmement faibles, typiquement inférieures à 1 nΩ pour un aimant de 100 H.Indeed, for magnetic field drift over time to be low, typically less than 0.05 ppm / h, it is necessary that the resistances of the circuit be extremely low, typically less than 1 nΩ for a 100 H magnet. .
Or pour des raisons liées à la technologie de l'aimant (utilisation de supraconducteur à haute température critique), ou des causes accidentelles (défaut sur une jonction à l'intérieur du bobinage de l'aimant), la résistance résiduelle de l'aimant peut être supérieure à la valeur rendant possible un fonctionnement du système en mode persistant.However, for reasons related to the magnet technology (use of superconductor at high critical temperature), or accidental causes (fault on a junction inside the winding of the magnet), the residual resistance of the magnet may be greater than the value that makes system operation possible in persistent mode.
Une solution connue à ce problème est décrite dans le document
- Une première branche comportant un
électroaimant 2 supraconducteur modélisé par une inductance L de bobinage en série avec une résistance R2 représentant la résistance résiduelle de l'aimant empêchant le fonctionnement en mode persistant, - une deuxième branche formée par un interrupteur supraconducteur thermique S1 en série avec une résistance R1.
- une troisième branche formée par une source d'alimentation en
courant 3.
- A first branch comprising a
superconducting electromagnet 2 modeled by an inductance L of winding in series with a resistor R 2 representing the residual resistance of the magnet preventing operation in persistent mode, - a second branch formed by a superconducting thermal switch S 1 in series with a resistor R 1 .
- a third branch formed by a
power supply source 3.
Les trois branches sont montées en parallèle.The three branches are connected in parallel.
La valeur de la résistance R1 est comprise dans un rapport de 10 à 1000 fois la valeur de la résistance R2.The value of the resistance R 1 is in a ratio of 10 to 1000 times the value of the resistance R 2 .
Le circuit 1 fonctionne suivant les deux modes de fonctionnement suivants :
- un mode de charge de l'aimant : lorsque l'injection de courant par la
source 3 dans la bobine L de l'aimant commence, l'interrupteur supraconducteur S1 est ouvert ; - un mode de fonctionnement normal (ou mode nominal) : lorsque le courant dans la bobine de l'aimant a atteint sa valeur nominale (courant stabilisé), l'interrupteur supraconducteur S1 est fermé ; après fermeture de cet interrupteur S1, au lieu de déconnecter la source d'alimentation 3, on la laisse connectée à la bobine L de l'aimant pour compenser les pertes; le courant est injecté dans l'interrupteur S1, jusqu'à la stabilisation du champ produit par l'aimant à la valeur souhaitée.
- a charging mode of the magnet: when the injection of current by the
source 3 into the coil L of the magnet begins, the superconducting switch S 1 is open; - a normal mode of operation (or nominal mode): when the current in the coil of the magnet has reached its nominal value (stabilized current), the superconducting switch S 1 is closed; after closing this switch S 1 , instead of disconnecting the
power source 3, it is left connected to the coil L of the magnet to compensate for the losses; the current is injected into the switch S 1 , until the stabilization of the field produced by the magnet to the desired value.
Pour limiter la dérive temporelle due à la source d'alimentation en courant 3, la première branche résistive formée par R1 est donc rajoutée de sorte que toutes les pulsations de l'alimentation passeront dans cette branche, et le courant dans la bobine sera parfaitement continu. Si on désigne par Iop le courant de fonctionnement nominal de l'aimant et ΔI le courant circulant dans la résistance R1, la stabilisation est obtenue par la relation :
Cependant, la mise en oeuvre du circuit tel que décrit dans le document
Ainsi, l'aimant peut perdre localement ses propriétés supraconductrices et transiter dans un mode dissipatif (On parle de « Quench » de l'aimant). Une telle transition implique que ce dernier soit protégé sur lui-même (i.e. que la résistance développée dans l'aimant lors de la transition soit suffisante pour décharger le courant dans l'aimant à une vitesse telle que l'échauffement du conducteur reste limité). Toutefois, pour des raisons technologiques comme l'énergie très élevée stockée dans l'aimant (typiquement au dessus de 100 MJ) il est parfois difficile d'appliquer ce type de protection. L'effet Joule qui est généré pourrait alors conduire à un échauffement anormal de l'aimant et ainsi a une détérioration définitive de ses propriétés supraconductrices.Thus, the magnet can locally lose its superconducting properties and transit in a dissipative mode (We speak of "Quench" of the magnet). Such a transition implies that the latter is protected on itself (ie that the resistance developed in the magnet during the transition is sufficient to discharge the current in the magnet at such a speed that the heating of the conductor remains limited) . However, for technological reasons such as the very high energy stored in the magnet (typically above 100 MJ) it is sometimes difficult to apply this type of protection. The Joule effect that is generated could then lead to an abnormal heating of the magnet and thus to a permanent deterioration of its superconducting properties.
Une solution à ce problème consiste à ajouter une branche additionnelle aux bornes de l'aimant et de l'alimentation constituée d'une résistance de protection : un tel circuit 10 est illustré en
Le circuit électrique 10 comporte (les éléments communs au circuit 1 de la
- Une première branche comportant un
électroaimant 2 modélisé par une inductance L de bobinage en série avec une résistance R2 représentant la résistance résiduelle de l'aimant empêchant le fonctionnement en mode persistant, - une deuxième branche formée par un interrupteur supraconducteur thermique S1 en série avec une résistance R1,
- une troisième branche formée par une source d'alimentation en
courant 3 montée en série avec un organe de coupure S2 (et éventuellement un organe de coupure de redondance S3), - une quatrième branche formée par une résistance R3, dite résistance de protection, qui peut se situer aussi bien dans l'enceinte du cryostat de l'aimant qu'à l'extérieur à température ambiante.
- A first branch comprising an
electromagnet 2 modeled by a winding inductance L in series with a resistor R 2 representing the residual resistance of the magnet preventing operation in persistent mode, - a second branch formed by a superconducting thermal switch S 1 in series with a resistor R 1 ,
- a third branch formed by a
current supply source 3 connected in series with a cut-off device S 2 (and possibly a redundancy cut-off device S 3 ), - a fourth branch formed by a resistor R 3 , said protection resistor, which can be located both inside the cryostat chamber of the magnet and outside at room temperature.
En cas de quench, l'organe de coupure S2 est ouvert (et éventuellement S3) de sorte que la bobine L se décharge dans la résistance R3 dont la valeur est optimisée pour obtenir une décharge rapide sans dégradation de l'aimant. La vitesse de décroissance du courant est alors déterminée par la valeur de la résistance de protection.In case of quench, the cutoff member S 2 is open (and possibly S 3 ) so that the coil L discharges into the resistor R 3 whose value is optimized to obtain a fast discharge without degradation of the magnet. The decay rate of the current is then determined by the value of the protection resistor.
Comme nous l'avons évoqué plus haut, l'interrupteur supraconducteur S1 en série avec R1, doit être fermé, i.e. à impédance faible en comparaison des autres résistances du circuit, en fonctionnement normal avec courant stabilisé.As mentioned above, the superconducting switch S 1 in series with R 1 must be closed, ie with low impedance in comparison with the other resistors of the circuit, in normal operation with stabilized current.
En revanche, ce même interrupteur S1 doit être ouvert (i.e. à impédance élevée en comparaison des autres résistances du circuit (R1, R2, R3)) lors de la charge/décharge de la bobine L et lors de la protection de l'aimant (décharge rapide de la bobine L dans R3).On the other hand, this same switch S 1 must be open (ie with high impedance in comparison with the other resistances of the circuit (R 1 , R 2 , R 3 )) during the charge / discharge of the coil L and during the protection of the magnet (fast discharge of the coil L in R 3 ).
En effet, pour que le procédé de stabilisation fonctionne, il faut utiliser une résistance R1 présentant une valeur bien inférieure à la résistance de protection R3 et une valeur supérieure à celle de R2 (comprise dans un rapport de 10 à 1000 fois la valeur de la résistance R2 comme nous l'avons déjà mentionné plus haut). Pour limiter les pertes thermiques, la résistance R1 doit être telle que la puissance Joule dissipée en régime de stabilisation reste faible, typiquement inférieure à quelques milliwatts.Indeed, for the stabilization process to work, it is necessary to use a resistor R 1 having a value much lower than the protection resistor R 3 and a value greater than that of R 2 (included in a ratio from 10 to 1000 times the value of the resistance R 2 as we already mentioned above). To limit heat losses, the resistance R 1 must be such that the Joule power dissipated in the stabilization regime remains low, typically less than a few milliwatts.
En cas de décharge rapide (mode de protection), le courant de l'aimant doit s'écouler dans R3, car c'est la seule résistance dimensionnée pour recevoir une forte énergie et c'est elle qui pilote la vitesse de décroissance du courant pour protéger l'aimant : l'interrupteur S1 doit donc impérativement être ouvert.In case of fast discharge (protection mode), the current of the magnet must flow in R 3 , because it is the only resistance dimensioned to receive a high energy and it is it which controls the speed of decay of the current to protect the magnet: switch S 1 must therefore be open.
La mise en oeuvre de la configuration 10 de la
- Première difficulté : l'interrupteur supraconducteur S1 a maintenant un rôle prépondérant dans la sécurisation du fonctionnement de l'aimant car en l'absence d'ouverture, le courant dans l'aimant ne décroît pas à la vitesse attendue. Or ce retard peut causer un échauffement anormal du bobinage conduisant à une détérioration irréversible de ses propriétés supraconductrices,
- Deuxième difficulté : en cas de décharge de l'aimant, la tension aux bornes de l'interrupteur supraconducteur S1 peut être de plusieurs centaines voire milliers de volts. L'énergie déposée lors de la décharge dans l'interrupteur S1 est donc très grande. Afin d'éviter une détérioration de l'interrupteur S1, la masse de ce dernier doit donc être telle que son échauffement reste limité à typiquement moins de 100 K. L'interrupteur supraconducteur S1 présente donc une grande difficulté de réalisation par rapport aux interrupteurs de l'état de l'art (qui supportent 1000 A sous quelques volts) et est nécessairement volumineux et lourd.
- Troisième difficulté : lors des opérations de charge et décharge en courant de l'aimant, l'interrupteur S1 doit être maintenu dans l'état résistif à l'aide de sa chaufferette électrique (usuellement quelques centaines de milliwatt). Or, du fait de la taille imposée par la forte tension de décharge, la puissance nécessaire pour le maintenir ouvert est de quelques watts, ce qui est très sollicitant pour les systèmes cryogéniques assurant la régulation de la température de l'aimant.
- First difficulty: the superconducting switch S 1 now has a preponderant role in securing the operation of the magnet because in the absence of opening, the current in the magnet does not decrease at the expected speed. But this delay can cause an abnormal heating of the winding leading to an irreversible deterioration of its superconducting properties,
- Second difficulty: in case of discharge of the magnet, the voltage across the superconducting switch S 1 can be several hundred or even thousands of volts. The energy deposited during the discharge in the switch S 1 is very large. In order to avoid a deterioration of the switch S 1 , the mass of the latter must therefore be such that its heating remains limited to typically less than 100 K. The superconducting switch S 1 therefore presents a great difficulty of realization with respect to State-of-the-art switches (which support 1000 A at a few volts) and are necessarily bulky and heavy.
- Third difficulty: during current charging and discharging operations of the magnet, the switch S 1 must be maintained in the resistive state using its electric heater (usually a few hundred milliwatt). However, because of the size imposed by the high discharge voltage, the power required to keep it open is a few watts, which is very demanding for cryogenic systems providing the regulation of the temperature of the magnet.
Une solution connue consiste à remplacer l'interrupteur supraconducteur thermique par un interrupteur mécanique. Une configuration de ce type est décrite dans le document
Dans ce contexte, la présente invention vise à fournir un système de création d'un champ magnétique visant à s'affranchir des trois difficultés mentionnées ci-dessus tout en assurant une charge efficace de la bobine, une très faible dérive du champ magnétique dans le temps et une décharge rapide sans dégradation de l'aimant en cas de quench.In this context, the present invention aims to provide a system for creating a magnetic field to overcome the three difficulties mentioned above while ensuring an effective charge of the coil, a very small drift of the magnetic field in the time and fast discharge without degradation of the magnet in case of quenching.
A cette fin, l'invention propose un système de création d'un champ magnétique incluant :
- une première branche comportant un aimant supraconducteur destiné à produire ledit champ magnétique, ledit aimant étant modélisé par une inductance de bobinage en série avec une résistance résiduelle ;
- une deuxième branche comportant une résistance, dite résistance de protection,
- une troisième branche comportant une source d'alimentation ;
ledit système présentant au moins trois modes de fonctionnement :
- un premier mode de fonctionnement, dit mode de charge ou de décharge de l'aimant, dans lequel :
- o ladite source d'alimentation est reliée au dit aimant de façon à augmenter ou diminuer le courant dans l'aimant,
- o ledit limiteur de courant est dans son état à résistance haute ;
- un deuxième mode de fonctionnement, dit mode normal de fonctionnement, dans lequel :
- o ladite source d'alimentation est reliée au dit aimant,
- o ledit limiteur est dans son état à résistance basse ;
- un troisième mode de fonctionnement, dit mode de décharge rapide de l'aimant dans ladite résistance de protection, dans lequel :
- o ladite source d'alimentation est déconnectée dudit aimant,
- o ledit limiteur est dans son état à haute résistance ;
- a first branch comprising a superconducting magnet for producing said magnetic field, said magnet being modeled by a series winding inductance with a residual resistance;
- a second branch comprising a resistor, called a protection resistor,
- a third branch having a power source;
said system having at least three modes of operation:
- a first mode of operation, said mode of charge or discharge of the magnet, wherein:
- said source of power is connected to said magnet so as to increase or decrease the current in the magnet,
- said current limiter is in its high resistance state;
- a second mode of operation, called normal operating mode, in which:
- said source of power is connected to said magnet,
- o said limiter is in its low resistance state;
- a third mode of operation, said fast discharge mode of the magnet in said protection resistor, wherein:
- said source of power is disconnected from said magnet,
- o said limiter is in its high-resistance state;
Le limiteur doit avoir une inductance la plus faible possible, d'une part pour assurer la fonction de stabilisation telle décrite dans le brevet
Le matériau supraconducteur est choisi tel que sa température critique soit supérieure à la température du milieu dans lequel il est placé.The superconducting material is selected such that its critical temperature is greater than the temperature of the medium in which it is placed.
Au cours de la phase de décharge rapide de l'aimant dans la résistance de protection, la température du fil supraconducteur formant ledit limiteur passe par une valeur maximale appelée Tmax. Cette valeur doit être telle que le limiteur ne soit pas détérioré si le fil supraconducteur le constituant atteint, localement ou en totalité, la valeur Tmax. Cette valeur Tmax doit au moins être inférieure à la température à partir de laquelle les propriétés supraconductrices du fil supraconducteur choisi ne sont pas dégradées, par exemple autour de 300°C pour du NbTi. Dans le choix de cette valeur, il est parfois nécessaire de tenir compte de l'effet de la déformation mécanique liée à la dilatation des matériaux. Afin de s'affranchir de cet effet, on choisit parfois Tmax inférieure à 100 K car en-dessous de cette valeur, la plupart des matériaux ne se déforment plus sous l'effet d'une variation de température.During the rapid discharge phase of the magnet in the protection resistor, the temperature of the superconducting wire forming said limiter passes through a maximum value called T max. This value must be such that the limiter is not damaged if the superconducting wire constituting it reaches, locally or in totality, the value T max . This value T max must be at least lower than the temperature at which the superconducting properties of the superconducting wire chosen are not degraded, for example around 300 ° C. for NbTi. In the choice of this value, it is sometimes necessary to take into account the effect of the mechanical deformation related to the expansion of the materials. In order to overcome this effect, T max is sometimes chosen to be less than 100 K because below this value, most materials no longer deform under the effect of a temperature variation.
On entend par limiteur supraconducteur un dispositif basé sur la transition des supraconducteurs entre un état non dissipatif (résistance quasi nulle) et un état dissipatif (résistance non nulle). Cette transition des supraconducteurs se caractérise notamment par la présence d'un courant critique au-delà duquel le dispositif bascule dans l'état dissipatif. Le limiteur selon l'invention se distingue des limiteurs destinés aux réseaux de distribution électrique où les nécessités de limitation en courant ne durent que quelques centaines de millisecondes. A l'opposé, dans le cadre de l'invention, le fonctionnement en limitation doit pouvoir durer plusieurs minutes ou même plusieurs heures. Les échanges thermiques qui étaient négligés dans ce type d'application prennent ici une grande importance.A superconducting limiter is understood to mean a device based on the transition of superconductors between a non-dissipative state (almost zero resistance) and a dissipative state (non-zero resistance). This transition of the superconductors is characterized in particular by the presence of a critical current beyond which the device switches into the dissipative state. The limiter according to the invention differs from the limiters intended for electrical distribution networks where the current limiting requirements only last for a few hundred milliseconds. In contrast, in the context of the invention, the operation in limitation must be able to last several minutes or even several hours. Thermal exchanges that were neglected in this type of application are of great importance here.
En effet, ces conditions temporelles ont une influence directe sur les échanges entre le supraconducteur et le refroidisseur (fluide cryogénique ou point froid). Ces échanges sont presque négligeables dans le cas d'un limiteur d'un réseau (régime pratiquement adiabatique) alors que les échanges prennent une grande importance dans l'invention et permettent d'optimiser le dimensionnement du limiteur. On notera en outre que les limiteurs utilisés dans les réseaux de distribution limite le courant à une valeur crête ; inversement, le rôle du limiteur selon l'invention est bien d'abaisser (et non d'écrêter) le courant lorsque celui-ci atteint une valeur critique.Indeed, these temporal conditions have a direct influence on the exchanges between the superconductor and the cooler (cryogenic fluid or cold point). These exchanges are almost negligible in the case of a network limiter (practically adiabatic regime) while the exchanges are of great importance in the invention and allow to optimize the dimensioning of the limiter. It should also be noted that the limiters used in the distribution networks limit the current to a peak value; conversely, the role of the limiter according to the invention is to lower (not clipping) the current when it reaches a critical value.
Grâce à l'invention, l'interrupteur supraconducteur commandé par un système à chaufferette selon l'état de l'art est avantageusement remplacée par un limiteur supraconducteur ne nécessitant aucune commande extérieure pour basculer en mode résistif lors de la charge ou la décharge de la bobine ou de sa décharge rapide. Une telle configuration présente un avantage considérable en termes de sécurité de fonctionnement dans la mesure où l'efficacité de la décharge rapide en cas de quench n'est plus conditionnée par l'ouverture de l'interrupteur commandé par sa commande externe ; le limiteur selon l'invention permet intrinsèquement de basculer de son état passant à son état résistif lors des trois modes de fonctionnement que sont la charge ou la décharge de la bobine, le mode de fonctionnement normal et la décharge rapide de la bobine dans la résistance de protection à la détection d'un quench de l'aimant.Thanks to the invention, the superconducting switch controlled by a heating system according to the state of the art is advantageously replaced by a superconductive limiter requiring no external control to switch to resistive mode when charging or discharging the coil or its fast discharge. Such a configuration has a considerable advantage in terms of operational safety insofar as the efficiency of the fast discharge in case of quench is no longer conditioned by the opening of the switch controlled by its external control; the limiter according to the invention intrinsically allows to switch from its on state to its resistive state during the three operating modes that are the charging or discharging of the coil, the normal operating mode and the rapid discharge of the coil in the resistor protection when detecting a quench of the magnet.
Les avantages d'un limiteur de courant par rapport à un interrupteur supraconducteur commandé sont donc les suivants:
- le limiteur ne perturbe pas la charge ou la décharge de l'aimant car il réagit intrinsèquement sans action extérieure ; les pertes dans le limiteur dans ces régimes peuvent être maintenues à un niveau faible par un dimensionnement adapté du limiteur,
- le limiteur en limitant naturellement et automatiquement le courant lors d'une décharge rapide de l'aimant ne modifie pas la protection de l'aimant,
- le fonctionnement du limiteur est automatique, il ne nécessite ni circuit de détection ni de donneur d'ordre.
- the limiter does not disturb the charge or the discharge of the magnet because it reacts intrinsically without external action; the losses in the limiter in these regimes can be kept at a low level by a suitable dimensioning of the limiter,
- the limiter by naturally and automatically limiting the current during a fast discharge of the magnet does not modify the protection of the magnet,
- the operation of the limiter is automatic, it does not require a detection circuit or a client.
Le système selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- ledit limiteur est formé par un fil supraconducteur comportant une pluralité de filaments élémentaires supraconducteurs intégrés dans une matrice résistive ;
- le fil supraconducteur peut aussi être constitué du dépôt ou de plusieurs dépôts d'un matériau supraconducteur sur un substrat résistif (par exemple un matériau supraconducteur fait à partir de céramiques tel qu'YBaCuO par exemple) ;
- la résistivité de ladite matrice résistive est supérieure à 10-7 Ω.m ;
- ladite matrice résistive est réalisée en CuNi ;
- lesdits filaments élémentaires sont réalisés en NbTi ou dans un matériau dit « haut Tc » tel que le MgB2 ;
- ladite résistance montée en série avec ledit limiteur présente une valeur 10 à 1000 fois supérieure à celle de la résistance résiduelle de l'aimant ;
- le fil supraconducteur formant ledit limiteur est choisi de sorte de son courant critique soit supérieur à (R'2/R'1)Iop où R'2 désigne la valeur de ladite résistance résiduelle dudit aimant, R'1 désigne ladite deuxième résistance montée en série avec ledit limiteur et Iop désigne le courant circulant dans ladite première branche lors dudit mode normal de fonctionnement ;
- la longueur du fil supraconducteur formant ledit limiteur est déterminée de sorte que la température dudit fil supraconducteur reste toujours inférieure ou égale à une valeur maximale de température prédéterminée Tmax ;
- ladite longueur dudit fil supraconducteur est inférieure à une longueur I déterminée par
où S, Cp et ρ sont respectivement la section, la chaleur spécifique volumique et la résistivité dudit fil avec ses brins supraconducteurs et sa matrice, THe désigne la température initiale du bain cryogénique dudit limiteur, U0 désigne la tension initiale aux bornes dudit aimant avant ladite décharge rapide dans ladite résistance de protection et τ désigne une constante de temps donnée par le rapport L'/R'3, L' représentant ladite inductance de bobinage et R'3 représentant ladite résistance de protection ; - ledit limiteur est formé par un fil supraconducteur entouré par une couche isolante dont l'épaisseur est déterminée de sorte que la puissance déposée dans le bain cryogénique dudit limiteur soit inférieure à une valeur prédéterminée ;
- ledit limiteur et ledit aimant sont localisés dans des bains cryogéniques séparés ;
- ledit limiteur est formé par un bobinage en deux couches, les deux couches étant bobinées en sens inverse et étant mises soit en parallèle soit en série, ceci dans le but d'obtenir un limiteur avec la plus faible inductance possible;
- le système selon l'invention comporte des moyens de commande pour faire basculer ledit limiteur de son état à résistance basse vers son état à résistance haute ;
- lesdits moyens de commande sont formés par un élément chauffant ;
- lesdits moyens de commande comportent des moyens pour générer un signal de courant alternatif circulant dans ledit limiteur de sorte que ledit limiteur bascule de son état à résistance basse vers son état à résistance haute, notamment sous l'effet de l'élévation de la température entraînée par la circulation dudit courant alternatif ;
- lesdits moyens pour générer un signal de courant alternatif comportent des moyens transformateurs de tension recevant en entrée la tension du réseau électrique et fournissant en sortie une tension abaissée à la même fréquence que la tension du réseau électrique ;
- la fréquence f dudit signal de courant alternatif est choisie suffisamment élevée pour que le courant alternatif soit bloqué par l'inductance de la bobine ;
- lesdits moyens de commande comportent des moyens pour générer un courant supérieur au dit courant de déclenchement permettant de faire basculer ledit limiteur ;
- lesdits moyens pour générer un courant supérieur au dit courant de déclenchement permettant de faire basculer ledit limiteur sont formés par des moyens générant une impulsion de courant d'intensité et de durée suffisante pour faire basculer ledit limiteur ;
- lesdits des moyens pour générer un courant supérieur au dit courant de déclenchement permettant de faire basculer ledit limiteur sont intégrés à ladite source d'alimentation.
- said limiter is formed by a superconducting wire having a plurality of superconducting elementary filaments embedded in a resistive matrix;
- the superconducting wire may also consist of the deposit or several deposits of a superconductive material on a resistive substrate (for example a superconductive material made from ceramics such as YBaCuO for example);
- the resistivity of said resistive matrix is greater than 10 -7 Ω.m;
- said resistive matrix is made of CuNi;
- said elementary filaments are made of NbTi or a so-called "high Tc" material such as MgB 2 ;
- said resistor connected in series with said limiter has a
value 10 to 1000 times higher than that of the residual resistance of the magnet; - the superconducting wire forming said limiter is chosen so that its critical current is greater than (R ' 2 / R' 1 ) I op where R ' 2 denotes the value of said residual resistance of said magnet, R' 1 denotes said second resistance mounted in series with said limiter and I op designates the current flowing in said first branch during said normal mode of operation;
- the length of the superconducting wire forming said limiter is determined so that the temperature of said superconducting wire always remains less than or equal to a predetermined maximum temperature value T max ;
- said length of said superconducting wire is less than a length I determined by
where S, C p and ρ are respectively the cross section, the volume specific heat and the resistivity of said wire with its superconducting wires and its matrix, T He denotes the initial temperature of the cryogenic bath of said limiter, U 0 denotes the initial voltage across said magnet before said rapid discharge in said protection resistor and τ denotes a time constant given by the ratio L '/ R' 3 , L 'representing said winding inductance and R' 3 representing said protection resistor; - said limiter is formed by a superconducting wire surrounded by an insulating layer whose thickness is determined so that the power deposited in the cryogenic bath of said limiter is less than a predetermined value;
- said limiter and said magnet are located in separate cryogenic baths;
- said limiter is formed by a two-layer winding, the two layers being wound in opposite directions and being put in parallel or in series, this in order to obtain a limiter with the lowest possible inductance;
- the system according to the invention comprises control means for switching said limiter from its low resistance state to its high resistance state;
- said control means is formed by a heating element;
- said control means comprise means for generating an alternating current signal flowing in said limiter so that said limiter switches from its low resistance state to its high resistance state, in particular under the effect of the elevation of the driven temperature by the circulation of said alternating current;
- said means for generating an AC signal comprises voltage transformer means receiving as input the voltage of the electrical network and outputting a voltage lowered at the same frequency as the voltage of the electrical network;
- the frequency f of said alternating current signal is chosen high enough so that the alternating current is blocked by the inductance of the coil;
- said control means comprises means for generating a current greater than said tripping current for tilting said limiter;
- said means for generating a current greater than said tripping current for flipping said limiter is formed by means generating a current pulse of intensity and duration sufficient to switch said limiter;
- said means for generating a current greater than said tripping current for tilting said limiter are integrated with said power source.
La présente invention a également pour objet un procédé d'ajustement du courant dans un aimant compris dans un système selon l'invention comportant les étapes suivantes considérées dans un ordre quelconque:
- génération d'une rampe de courant avec une consigne fixée à la nouvelle valeur de courant à atteindre dans l'aimant ;
- génération d'une impulsion de courant dont la durée et l'intensité sont telles que ledit limiteur bascule dans son état à haute résistance.
- generation of a current ramp with a set point set to the new current value to be reached in the magnet;
- generating a current pulse whose duration and intensity are such that said limiter switches to its high-resistance state.
Avantageusement, le procédé selon l'invention comporte une étape de génération d'un créneau en courant qui suit l'étape de génération de ladite impulsion de courant, la valeur du courant de ce créneau étant égale à la somme du courant circulant dans ladite résistance de protection et du courant circulant dans ledit limiteur lorsque celui-ci est dans son état haute résistance.Advantageously, the method according to the invention comprises a step of generating a current slot that follows the step of generating said current pulse, the value of the current of this slot being equal to the sum of the current flowing in said protection resistor and the current flowing in said limiter when it is in its high resistance state.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la
figure 1 est une représentation schématique d'un premier circuit selon l'art antérieur; - la
figure 2 est une représentation schématique d'un second circuit selon l'art antérieur; - la
figure 3 est une représentation schématique d'un système selon l'invention ; - la
figure 4 est une représentation schématique d'un système selon l'invention incorporant des moyens de commande pour faire basculer le limiteur de son état à résistance basse vers son état à résistance haute selon un premier mode de réalisation ; - la
figure 5 est une représentation schématique d'un système selon l'invention incorporant des moyens de commande pour faire basculer le limiteur de son état à résistance basse vers son état à résistance haute selon un deuxième mode de réalisation ; - la
figure 6 représente respectivement l'évolution du courant de l'alimentation, le courant dans l'aimant et le courant dans le limiteur en fonction du temps en utilisant un système tel que représenté enfigure 5 .
- the
figure 1 is a schematic representation of a first circuit according to the prior art; - the
figure 2 is a schematic representation of a second circuit according to the prior art; - the
figure 3 is a schematic representation of a system according to the invention; - the
figure 4 is a schematic representation of a system according to the invention incorporating control means for switching the limiter from its low resistance state to its high resistance state according to a first embodiment; - the
figure 5 is a schematic representation of a system according to the invention incorporating control means for switching the limiter from its low resistance state to its high resistance state according to a second embodiment; - the
figure 6 represents respectively the evolution of the current of the power supply, the current in the magnet and the current in the limiter as a function of time using a system as represented in FIG.figure 5 .
Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence.
- Les
figures 1 et 2 ont déjà été décrites en référence à l'état de la technique. - La
figure 3 est une représentation schématique d'un système 100 de création d'un champ magnétique selon l'invention.
- The
figures 1 and2 have already been described with reference to the state of the art. - The
figure 3 is a schematic representation of asystem 100 for creating a magnetic field according to the invention.
Le système 100 comporte :
- Une première branche comportant un électroaimant supraconducteur 102 modélisé par une inductance L' de bobinage en série avec une résistance R'2 représentant la résistance résiduelle de l'aimant empêchant le fonctionnement en mode persistant,
- une deuxième branche formée par une résistance de protection R'3 localisée dans l'enceinte du cryostat de l'aimant ou à l'extérieur de l'enceinte à température ambiante
- une troisième branche formée par une source d'alimentation en
courant 103 montée en série avec un organe de coupure 104 (et éventuellement un organe de coupure de redondance 105), - une quatrième branche formée par un limiteur de courant supraconducteur 106 en série avec une résistance R'1.
- A first branch comprising a
superconductive electromagnet 102 modeled by an inductance L 'of winding in series with a resistance R ' 2 representing the residual resistance of the magnet preventing operation in persistent mode, - a second branch formed by a protection resistor R ' 3 located in the chamber of the cryostat of the magnet or outside the chamber at room temperature
- a third branch formed by a
current supply source 103 connected in series with a cut-off member 104 (and possibly a redundancy cut-off member 105), - a fourth branch formed by a superconducting
current limiter 106 in series with a resistor R ' 1 .
Le limiteur supraconducteur 106 est composé d'un fil supraconducteur formé par une pluralité de filaments élémentaires supraconducteurs intégrés dans une matrice résistive, le fil supraconducteur peut aussi être constitué du dépôt d'un matériau supraconducteur sur un substrat résistif ; nous reviendrons dans la suite de la description sur le choix du matériau pour la réalisation de la matrice résistive.The
Le limiteur 106 est caractérisé par deux courants : le courant de déclenchement de la limitation Io et le courant de récupération Ir.The
Le courant de déclenchement représente le courant au-delà duquel le limiteur développe une résistance importante qui limite le courant. Ce courant est proche du courant critique Ic caractéristique du matériau supraconducteur et est défini par le courant pour lequel le conducteur développe un champ électrique donné (10 µV/m ou 100 µV/m).The trip current represents the current beyond which the limiter develops a significant resistance that limits the current. This current is close to the critical current I c characteristic of the superconducting material and is defined by the current for which the driver develops a given electric field (10 μV / m or 100 μV / m).
Le courant de récupération est le courant d'équilibre thermique du conducteur avec son environnement. Ce courant est atteint après un temps assez long (de l'ordre de quelques secondes) et n'est pas un paramètre classique d'un limiteur. Il est défini par les caractéristiques du conducteur, en particulier sa résistance par unité de longueur, et les conditions de refroidissement (épaisseur d'isolant entourant le limiteur et conductivité thermique du limiteur).The recovery current is the thermal balance current of the driver with his environment. This current is reached after a long enough time (of the order of a few seconds) and is not a conventional parameter of a limiter. It is defined by the characteristics of the conductor, in particular its resistance per unit length, and the cooling conditions (thickness of insulation surrounding the limiter and thermal conductivity of the limiter).
On peut distinguer trois phases de fonctionnement du limiteur pour l'application concernée :
- La charge (ou décharge) lente de l'aimant 102 constitue un premier mode de fonctionnement qui peut être très long (plusieurs heures). Pendant ce mode de fonctionnement, les organes de coupure 104
et 105 sont fermés. Au début de ce fonctionnement, le limiteur 106 transite vers son état haute résistance et le courant s'établit rapidement à son courant de récupération Ir. La puissance dissipée dans le limiteur est égale à |Vo|Ir où Vo est la tension de charge ou de décharge. Le dimensionnement du limiteur, en particulier son isolation thermique permet d'adapter son courant de récupération et d'ajuster la puissance dissipée dans les phases de montée et de descente du courant. A titre d'exemple, en considérant un aimant présentant une inductance de L'=300 H sous une tension de Vo=10V et si on souhaite atteindre un courant nominal IN=1500A, on a en faisant l'approximation que la montée en courant dans l'aimant est linéaire:
Durant cette période, il est important que le limiteur 106 n'échange pas trop d'énergie avec le bain d'hélium du cryostat dans lequel il se trouve. - Une deuxième phase de fonctionnement est formée par le mode nominal ou mode normal de fonctionnement. Dans ce cas, les organes de coupure 104
et 105 sont fermés et ce mode de fonctionnement correspond au régime établi de courant dans l'aimant 102. La source d'alimentation 103, reste connectée à l'aimant 102. Le courant ΔI qui traverse le limiteur 106 est une faible fraction du courant opérationnel Iop traversant la bobine L'. Ce courant ΔI est fonction du rapport R'2/R'1. En première approximation, on a ΔI= (R'2/R'1)Iop. Bien entendu, ΔI doit être inférieur au courant de déclenchement Io du limiteur 106 pour que le limiteur 106 présente une résistance basse. - Le troisième mode de fonctionnement concerne la décharge rapide de l'aimant, en cas de transition du type quench. Cette phase assure la protection de l'aimant lorsqu'on vide l'aimant de son courant dans la résistance de protection R'3. Dans ce cas, l'un au moins des organes de coupure 104
ou 105 est ouvert. Ce mode est caractérisé par une tension élevée (plusieurs centaines à milliers de Volts) aux bornes de l'aimant pour décharger rapidement le courant et ainsi limiter la montée en température du conducteur supraconducteur qui se trouve à l'état normal. L'aimant se décharge alors dans la résistance de protection R'3. Durant cette phase, le limiteur 106 développe automatiquement et naturellement une résistance élevée et limite le courant dans la quatrième branche comportant la résistance R'1 à une valeur bien inférieure au courant qui circule dans la résistance de protection R'3. Cette phase est sensible car la protection de l'aimant en dépend. Le limiteur 106 présente une caractéristique très sûre de ce point de vue puisque le pire défaut pour le limiteur est sa destruction qui conduit à une résistance équivalente infinie et donc à une protection de l'aimant. Même si le temps de décharge est ici beaucoup plus court (de l'ordre de quelques minutes) que le temps de charge mentionné plus haut en référence au premier mode de fonctionnement, la tension appliquée aux bornes du limiteur 106 est beaucoup haute et entraîne une température du limiteur 106 beaucoup plus élevée que dans le mode de charge.
- The slow charging (or discharging) of the
magnet 102 constitutes a first mode of operation that can be very long (several hours). During this operating mode, the breaking 104 and 105 are closed. At the beginning of this operation, themembers limiter 106 transits to its high resistance state and the current is rapidly established at its recovery current I r . The power dissipated in the limiter is equal to | V o | I r where V o is the charging or discharging voltage. The dimensioning of the limiter, in particular its thermal insulation, makes it possible to adapt its recovery current and to adjust the power dissipated in the rise and fall phases of the current. By way of example, considering a magnet having an inductance of L '= 300 H under a voltage of V o = 10V and if it is desired to achieve a nominal current I N = 1500A, it is approximated that the rise when running in the magnet is linear:
During this period, it is important that thelimiter 106 does not exchange too much energy with the helium bath of the cryostat in which it is located. - A second phase of operation is formed by the nominal mode or normal mode of operation. In this case, the cut-off
104 and 105 are closed and this mode of operation corresponds to the established current regime in themembers magnet 102. Thepower source 103 remains connected to themagnet 102. The current ΔI which passes through thelimiter 106 is a small fraction of the operational current I op through the coil L '. This current ΔI is a function of the ratio R ' 2 / R' 1 . As a first approximation, we have ΔI = (R ' 2 / R' 1 ) I op . Of course, ΔI must be lower than the tripping current I o of thelimiter 106 so that thelimiter 106 has a low resistance. - The third mode of operation concerns the fast discharge of the magnet, in case of transition of the quench type. This phase ensures the protection of the magnet when the magnet is emptied of its current into the protection resistor R ' 3 . In this case, at least one of the
104 or 105 is open. This mode is characterized by a high voltage (several hundreds to thousands of volts) at the terminals of the magnet to quickly discharge the current and thus limit the rise in temperature of the superconducting conductor which is in the normal state. The magnet then discharges into the protection resistor R ' 3 . During this phase, theorgans cutoff limiter 106 automatically and naturally develops a high resistance and limits the current in the fourth branch comprising the resistor R ' 1 to a much lower value than the current flowing in the protection resistor R' 3 . This phase is sensitive because the protection of the magnet depends on it. Thelimiter 106 has a very reliable characteristic from this point of view since the worst fault for the limiter is its destruction which leads to an infinite equivalent resistance and therefore to a protection of the magnet. Even if the discharge time here is much shorter (of the order of a few minutes) than the charging time mentioned above with reference to the first mode of operation, the voltage applied across thelimiter 106 is very high and leads to limitertemperature 106 much higher than in the charging mode.
Les trois modes de fonctionnement décrits ci-dessus permettent de définir un procédé de dimensionnement du limiteur 106 comportant les étapes suivantes :
- Etape 1 : on définit la valeur de la résistance R'1 en fonction de la valeur de la résistance résiduelle R'2 de l'aimant dans un rapport de 10 à 1000.
- Etape 2 : de façon à ne pas faire transiter le limiteur 106 vers une impédance haute lors du mode de fonctionnement normal, on choisit un fil supraconducteur présentant un courant critique Ic supérieur à (R'2/R'1)Iop.
- Etape 3 : comme nous l'avons déjà mentionné plus haut, la température maximale Tmax vue par le limiteur 106 se produit pendant la phase de décharge rapide de l'aimant 102 dans la résistance de protection R'3. Le dimensionnement du limiteur 106 implique le choix de cette température maximale admissible, Tmax, sur le limiteur 106 en cas de décharge de l'aimant 102.
- Etape 4 : Il est important que le limiteur 106 n'échange pas trop d'énergie avec le bain d'hélium, notamment pendant les opérations de chargement et déchargement de l'aimant 102
avec l'alimentation 103. Dès lors, le dimensionnement du limiteur 106 implique également le choix de la puissance maximale admissible sur le bain cryogénique, Wmax, lors des opérations de chargement et déchargement de l'aimant. - Etape 5 : Cette étape vise à calculer la longueur de fil strictement nécessaire pour maintenir le fil à une température inférieure à la température Tmax fixée à l'étape 3 (lors de la décharge rapide de l'aimant 102). La tension aux bornes de l'aimant 102, U(t), et donc du limiteur 106, est fournie par la relation suivante :
où I, S, Cp et ρ sont respectivement la longueur, la section, la chaleur spécifique volumique et la résistivité du fil avec ses brins supraconducteurs et sa matrice. Ainsi, si on néglige de façon très conservative l'échange thermique entre le bain d'hélium et le limiteur 106, la longueur maximale de fil qu'il est avantageux de donner au limiteur est donnée par la formule suivante (obtenue en intégrant la relation précédente) :
Il convient bien entendu de noter que le calcul précédent donne une valeur maximale de la longueur de fil (liée à l'hypothèse adiabatique) ; une longueur de fil plus faible permet donc également de répondre aux exigences en température. Une longueur plus importante est également possible du point de vue technique, mais peu intéressante du point de vue économique. - Etape 6 : cette étape vise à déterminer l'isolation thermique nécessaire sur le limiteur 106 pour limiter la puissance déposée sur le bain. Cette isolation est caractérisée par le flux thermique par unité de longueur de fil, wisolation, entre le bain d'hélium et le limiteur 106 une fois le régime stationnaire établi. Lors des charges et décharges de l'aimant 102, la tension aux bornes du limiteur est constante et imposée
par l'alimentation 103, UAlim. L'équilibre thermique entre le bain et le limiteur s'écrit donc
où Rlim est la résistance par unité de longueur de fil et Itrans est la longueur de fil transité dans le limiteur une fois l'équilibre thermique atteint. Pour une tension d'alimentation fixée, la longueur de fil transité est donc imposée par l'isolation. La nature et l'épaisseur de l'isolation peuvent donc être ajustées de sorte que la puissance déposée sur le bain soit inférieure à Wmax.
- Step 1: the value of the resistance R ' 1 is defined as a function of the value of the residual resistance R' 2 of the magnet in a ratio of 10 to 1000.
- Step 2: so as not to pass the
limiter 106 to a high impedance in the normal operating mode, we choose a superconducting wire having a critical current I c greater than (R ' 2 / R' 1 ) I op . - Step 3: As already mentioned above, the maximum temperature T max seen by the
limiter 106 occurs during the rapid discharge phase of themagnet 102 in the protection resistor R ' 3 . The dimensioning of thelimiter 106 implies the choice of this maximum permissible temperature, T max , on thelimiter 106 in the event of discharge of themagnet 102. - Step 4: It is important that the
limiter 106 does not exchange too much energy with the helium bath, especially during the loading and unloading operations of themagnet 102 with thefeed 103. Therefore, the dimensioning of thelimiter 106 also implies the choice of the maximum permissible power on the cryogenic bath, W max , during the loading and unloading of the magnet. - Step 5: This step aims to calculate the length of wire strictly necessary to maintain the wire at a temperature below the temperature T max set in step 3 (during the rapid discharge of the magnet 102). The voltage at the terminals of the
magnet 102, U (t), and therefore of thelimiter 106, is provided by the following relation:limiter 106 and the helium bath is neglected, the heat produced by joule effect is absorbed by the wire itself. Moreover, assuming that the speed of the resistive edge that passes the superconducting wire is infinite, we obtain the following relation:
where I, S, C p and ρ are respectively the length, the section, the volume specific heat and the resistivity of the wire with its superconducting strands and its matrix. Thus, if the thermal exchange between the helium bath and thelimiter 106 is very conservatively neglected, the maximum length of wire which it is advantageous to give to the limiter is given by the following formula (obtained by integrating the relationship previous) :
It should of course be noted that the above calculation gives a maximum value of the length of yarn (related to the adiabatic hypothesis); a shorter wire length therefore also meets the requirements in temperature. A longer length is also possible from the technical point of view, but unattractive from an economic point of view. - Step 6: This step aims to determine the necessary thermal insulation on the
limiter 106 to limit the power deposited on the bath. This insulation is characterized by the thermal flux per unit length of wire, w insulation , between the helium bath and thelimiter 106 once the steady state established. During the charges and discharges of themagnet 102, the voltage across the limiter is constant and imposed by thesupply 103, U Alim . The thermal equilibrium between the bath and the limiter is therefore written
where R lim is the resistance per unit length of wire and I trans is the length of wire passed through the limiter once thermal equilibrium is reached. For a fixed supply voltage, the transited wire length is therefore imposed by the insulation. The nature and thickness of the insulation can therefore be adjusted so that the power deposited on the bath is less than W max .
Cette relation montre également que c'est la tension fournie par l'alimentation qui maintient le limiteur ouvert, Itrans non nul, lors des opérations de charge et décharge.This relationship also shows that it is the voltage supplied by the power supply that keeps the limiter open, I trans non-zero, during charging and discharging operations.
Le fait de placer le limiteur de courant 106 dans l'hélium liquide entraîne que le limiteur est par exemple composé d'un fil supraconducteur formé par une pluralité de filaments élémentaires en niobium-titane (NbTi) dont la température de transition est égale à 9,5K si il est soumis à une induction magnétique nulle et dont le diamètre est préférentiellement inférieur à 120 µm intégrés dans une matrice résistive. La matrice résistive est de préférence fortement résistive de façon à diminuer la longueur de fil (comme nous l'avons mentionné plus haut, la longueur maximale de fil est inversement proportionnelle à la résistivité du fil et de sa matrice) : une matrice fortement résistive permet donc de réduire l'encombrement du limiteur. La matrice peut par exemple être réalisée en cupronickel (CuNi). Le fait de choisir une matrice fortement résistive permet en outre d'accélérer la transition supraconductrice et d'avoir une grande résistance après transition. En effet comme la résistivité du cupronickel est très élevée (environ 0,4.10-6 Ω.m) en comparaison d'une matrice en cuivre (10-10 Ω.m à 4.2 K) par exemple, la limitation s'en trouvera améliorée.Placing the
On peut également placer le limiteur à plus haute température et utiliser dans ce cas un matériau supraconducteur du type haut Tc (à plus haute température critique) tel que le diborure de magnésium (MgB2) ou un supraconducteur de type céramique, tel qu'YBaCuO par exemple.It is also possible to place the limiter at a higher temperature and use in this case a superconducting material of the high Tc (higher critical temperature) type such as magnesium diboride (MgB 2 ) or a ceramic superconductor, such as YBaCuO for example.
La présence du limiteur de courant 106 à proximité de l'aimant 102 qui a pour objectif d'être le plus stable possible impose au limiteur d'avoir une inductance la plus faible possible afin que les variations de courant circulent bien dans la branche du limiteur et non dans l'aimant. De plus, plus l'inductance du limiteur 106 sera faible plus rapide sera la limitation de courant. La longueur de fil doit donc être disposée de telle sorte que l'inductance propre du limiteur 106 soit la plus faible possible pour avoir un temps de réponse réduit, ne pas induire des surtensions et assurer une bonne stabilisation. Une solution consiste à utiliser un bobinage en deux couches, les deux couches étant bobinées en sens inverse (deux bobines de même longueur imbriquées l'une dans l'autre et séparées par un isolant pour éviter le claquage diélectrique entre les deux bobines).The presence of the
Selon une première configuration, les deux couches sont mises en parallèle à chaque extrémité : cette configuration est intéressante car elle répartit la tension sur une distance importante (la distance entre les deux extrémités) et permet d'éviter le claquage diélectrique.In a first configuration, the two layers are paralleled at each end: this configuration is interesting because it distributes the voltage over a large distance (the distance between the two ends) and avoids dielectric breakdown.
Selon une deuxième configuration, les deux couches sont mises en série.According to a second configuration, the two layers are put in series.
Nous allons appliquer dans ce qui suit le procédé de dimensionnement décrit ci-dessus à un aimant supraconducteur produisant un champ de 7 teslas formé d'un bobinage supraconducteur de Niobium-Titane (intégré dans une matrice de cuivre) baigné dans de l'hélium liquide à pression atmosphérique (i.e. à une température de 4,2K). Les valeurs numériques suivantes (données à la température de 4,2 K) utilisées sont données dans le tableau 1 suivant :
En déroulant les six étapes mentionnées plus haut :
- Etape 1 : Choix de la résistance de stabilisation R'1 à 1 mΩ pour assurer un rapport R1/
R2 de 100. - Etape 2 : Choix d'un fil supraconducteur de diamètre 0,2 mm non isolé composé de filaments supraconducteurs en NbTi de 30 µm de diamètre dans une matrice en CuNi avec 30% de Ni en poids. Le rapport de la section de Cu sur la section de NbTi est de 1.2 ce qui permet d'assurer un courant critique supérieur à (R'2/R'1)Iop, soit 4 A.
- Etape 3 : Choix de la température maximale admissible Tmax à 100 K.
- Etape 4 : Choix de la puissance maximale admissible sur le bain cryogénique Wmax à 1 W.
- Etape 5 : En appliquant la
relation 1, on trouve une longueur maximale de fil nécessaire d'environ 250 m. Comme nous l'avons déjà précisé, cette valeur est fortement majorée ; ainsi, des essais démontrent qu'une longueur 50 m est suffisante. - Etape 6 : Le limiteur est isolé du bain hélium par exemple avec une résine isolante (d'époxy par exemple) présentant une épaisseur de 1 mm. Si cela est nécessaire, l'épaisseur de la couche isolante peut être augmentée afin de diminuer la puissance dissipée à une valeur inférieure à la valeur seuil Wmax souhaitée en régime stationnaire avec le limiteur dans son état haute impédance.
- Step 1: Choice of the stabilizing resistor R ' 1 to 1 mΩ to ensure a ratio R1 / R2 of 100.
- Step 2: Choice of an uninsulated 0.2 mm diameter superconducting wire composed of NbTi superconducting filaments of 30 μm diameter in a CuNi matrix with 30% Ni by weight. The ratio of the Cu section to the NbTi section is 1.2, which makes it possible to ensure a critical current greater than (R ' 2 / R' 1 ) I op , ie 4 A.
- Step 3: Choice of the maximum permissible temperature T max at 100 K.
- Step 4: Choice of the maximum permissible power on the cryogenic bath W max at 1 W.
- Step 5: Applying the
relation 1, we find a maximum length of wire required of about 250 m. As we have already stated, this value is strongly increased; thus, tests demonstrate that a length of 50 m is sufficient. - Step 6: The limiter is isolated from the helium bath for example with an insulating resin (epoxy for example) having a thickness of 1 mm. If necessary, the thickness of the insulating layer may be increased in order to reduce the power dissipated to a value lower than the desired threshold value W max in steady state with the limiter in its high impedance state.
On notera que l'invention s'applique à la fois à une configuration dans laquelle l'aimant 102 et le limiteur 106 sont dans le même bain cryogénique qu'à une configuration dans laquelle l'aimant 102 et le limiteur 106 sont dans des bains séparés ; dans ce dernier cas, une application possible consiste à utiliser deux bains d'hélium, l'un contenant de l'hélium superfluide à une température comprise entre 1,7 et 2,2 K (de l'ordre de 1,8 K) pour les besoins de l'aimant 102 et l'autre contenant de l'hélium liquide à 4,2 K, les deux bains étant reliés entre eux par un canal de section réduite selon le principe du « Bain Claudet ». Une telle configuration permet un accès plus facile au limiteur 106 séparé de l'aimant 102.It should be noted that the invention applies both to a configuration in which the
Dans le cas de certaines applications en IRM ou RMN, il peut être parfois nécessaire d'ouvrir de façon commandée le limiteur par exemple pour ajuster le courant circulant dans l'aimant. Avec un limiteur sans commande d'ouverture, cet ajustement pourrait causer un problème car il serait nécessaire d'augmenter le courant dans le limiteur jusqu'au courant de limitation seuil qui se retrouve alors injecté dans l'aimant, puis d'ajuster la valeur du courant une fois le limiteur ouvert. Pour des aimants dimensionnés très proche de leurs valeurs critiques, ou dont la protection est sensible aux variations rapides du courant, une telle contrainte peut s'avérer rédhibitoire.In the case of certain applications in MRI or NMR, it may sometimes be necessary to open the limiter in a controlled manner, for example to adjust the current flowing in the magnet. With a limiter without opening control, this adjustment could cause a problem because it would be necessary to increase the current in the limiter to the limit limiting current which is then injected into the magnet, then adjust the value current once the limiter is open. For magnets sized very close to their critical values, or whose protection is sensitive to rapid changes in the current, such a constraint can be prohibitive.
Une première solution consiste à ajouter une chaufferette permettant de mettre temporairement le limiteur en mode « ouvert », sans pour autant dégrader la sécurité liée au fonctionnement intrinsèque du limiteur.A first solution is to add a heater to temporarily put the limiter in "open" mode, without degrading the safety related to the intrinsic operation of the limiter.
Avantageusement, une seconde solution consiste à injecter via les amenées de courant de l'aimant (dans la bobine de l'aimant et les branches de protection situés en parallèle entre les organes de coupure 104 et 105), un courant alternatif sinusoïdal ou impulsif qui se superpose au courant de fonctionnement. La fréquence de ce courant est choisie suffisamment élevée pour que le courant alternatif soit bloqué par l'inductance L' de la bobine, de sorte que cette dernière ne reçoive pas une énergie thermique susceptible de la faire transiter hors de l'état supraconducteur. La fréquence peut par exemple être choisie pour que plus de 99,9% de ce courant alternatif passe à travers le limiteur. La transition du limiteur de son état basse impédance à son état haute impédance est obtenue soit par l'élévation de température entraînée par la circulation dudit courant alternatif (élévation créée par les pertes induites par le courant alternatif) soit parce que la valeur efficace du courant alternatif dépasse la valeur du courant de déclenchement du limiteur. En pratique, une fréquence égale ou supérieure à 50 Hz suffit pour les applications connues. Ce courant alternatif peut être généré par des circuits internes spécifiques conçus à cet effet, ou encore de manière externe à l'alimentation par une alimentation secondaire située de préférence en parallèle avec l'alimentation principale. Il n'est cependant pas contraire à l'invention de réaliser cette alimentation secondaire par un dispositif placé en série avec l'alimentation principale. Un exemple de système 200 de création d'un champ magnétique selon l'invention incorporant un dispositif de commande 201 générant un tel signal est illustré en
Le système 200 est identique au système 100 de la
Le dispositif de commande 201 comporte :
- un transformateur abaisseur de tension TBT (Très Basse Tension) 205 dont le courant de court circuit Icc est supérieur au courant nécessaire pour faire transiter le limiteur 106 et la tension de sortie suffisante pour maintenir le limiteur 106 dans l'état résistif compte tenu des résistances des lignes (Icc = 38 A avec Ucc = 0,80 V),
- un autotransformateur variable 204 permettant d'ajuster la tension du réseau (230 V) pour obtenir ces deux valeurs de courant de court-circuit et de tension de sortie suffisante pour maintenir le limiteur 106 dans son état résistif,
un interrupteur 203 permettant de connecter le dispositif de commande 201 au circuit de l'aimant pendant la phase opératoire.- un interrupteur 202 permettant de connecter le dispositif de commande 201 au réseau électrique 230V/50Hz (ou 115V/60Hz) pour sa mise en service.
- a voltage-reducing transformer TBT (Very Low Voltage) 205 whose short-circuit current Isc is greater than the current required to pass the
limiter 106 and the output voltage sufficient to maintain thelimiter 106 in the resistive state given the resistors lines (Icc = 38 A with Ucc = 0.80 V), - a
variable autotransformer 204 for adjusting the mains voltage (230 V) to obtain these two values of short circuit current and sufficient output voltage to maintain thelimiter 106 in its resistive state, - a
switch 203 for connecting thecontroller 201 to the circuit of the magnet during the operating phase. - a switch 202 for connecting the
control device 201 to the 230V / 50Hz mains (or 115V / 60Hz) for commissioning.
Nous allons illustrer le fonctionnement du dispositif de commande 201 dans le cas d'un aimant supraconducteur d'inductance L'=0,68 H donnant un champ magnétique nominal de 7 T pour un courant de 400 A. Une résistance R'2 de 10 µΩ (résistance simulant les connexions résistives d'un aimant supraconducteur) est montée en série avec la bobine L'.We will illustrate the operation of the
L'interrupteur 203 étant fermé, le dispositif de commande 201 est mis en service par la fermeture de l'interrupteur 202 (connexion au réseau 230V/50Hz).With the
Dans une première phase, l'autotransformateur 204 est réglé à la tension de 230 V.In a first phase, the
Comme 2πfL' est bien supérieur à la résistance du limiteur 106, le courant circule seulement dans la maille du limiteur 106 jusqu'à la transition de ce dernier. On notera que dans l'exemple cité ici, le limiteur 106 transite car le courant de court circuit Icc (correspondant à la valeur efficace du courant sinusoïdal fourni par le transformateur TBT 205) est supérieur au courant de déclenchement nécessaire pour faire transiter le limiteur 106. Toutefois, on peut également commander l'ouverture du limiteur 106 si on choisit une tension fourni par le transformateur TBT 205 telle que le courant circulant dans le limiteur entraîne, non pas un dépassement du courant de déclenchement, mais une élévation de température allant au-delà de la température critique permettant de faire basculer le limiteur 106 : une telle solution nécessite de travailler à des fréquences de fonctionnement plus élevées.Since 2πfL 'is much greater than the resistor of the
Dans une deuxième phase, le limiteur 106 étant résistif, le courant le traversant est faible (quelques dizaines de mA) et la tension nécessaire pour maintenir le limiteur 106 transité est donc de quelques volts (1 V environ en sortie de l'autotransformateur 205). Cette tension fera circuler un courant d'environ 2 A dans la résistance de décharge R'3 et un très faible courant alternatif dans la maille de la bobine inversement proportionnel à son inductance L'. Ce courant alternatif ne modifie pas le courant continu principal dans la bobine.In a second phase, the
Dans une troisième phase, on peut augmenter (ou diminuer) le courant principal dans la bobine en modifiant le courant fourni par l'alimentation 103. Pendant cette phase, l'interrupteur 203 est soit fermé pour maintenir le limiteur 106 ouvert soit ouvert (dans ce cas, le courant qui maintient le limiteur 106 ouvert est fourni par l'alimentation 103 pendant le temps nécessaire à la modification du courant). L'interrupteur 203 ouvert permet d'effectuer les ajustements en courant sans être perturbé par les signaux alternatifs.In a third phase, it is possible to increase (or decrease) the main current in the coil by modifying the current supplied by the
Dans une quatrième phase, dés que les ajustements nécessaires ont été effectués, le limiteur 106 redevient supraconducteur suite à l'ouverture de l'interrupteur 203. En effet, sans apport d'énergie extérieur, le limiteur 106 retrouve la température du bain cryogénique typiquement au bout de quelques secondes. Le temps de retour à l'état fermé dépend avant tout du niveau d'isolation thermique entre le limiteur et le bain cryogénique.In a fourth phase, as soon as the necessary adjustments have been made, the
On notera que l'exemple ci-dessus concerne un signal sinusoïdal mais que d'autres types de signaux alternatifs (carré - triangulaire - à impulsions,...) peuvent également être utilisés.It should be noted that the example above relates to a sinusoidal signal but that other types of alternative signals (square - triangular - pulsed, ...) can also be used.
On peut également utiliser directement l'alimentation principale 103 pour générer une impulsion de courant de quelques millisecondes à une valeur de courant supérieure au courant de déclenchement du limiteur 106 suffisante pour faire transiter ce dernier.It is also possible to directly use the
La
Le circuit 300 présentée en
Comme nous l'avons déjà expliqué en référence à la
L'alimentation 103 comporte des moyens pour générer une impulsion de courant pendant une durée suffisante (ici >5ms) et d'amplitude Ip (ici >40 A) supérieure au courant de déclenchement permettant de faire basculer le limiteur 106 de son état basse résistance à son état haute résistance. Une solution pour générer cette impulsion consiste à intervenir dans la boucle d'asservissement de l'alimentation 103. On peut également utiliser une alimentation auxiliaire permettant de générer cette impulsion.The
L'alimentation 103 régulée en courant, génère une rampe en courant (avec un di/dt ici choisie entre 2 et 10 A/s). Une valeur de rampe minimale est imposée afin que la tension Uc aux bornes de l'aimant soit suffisante pour maintenir le limiteur 106 dans son mode résistif.The
En régime établi on peut écrire la relation suivante :
où R'1O ≈ 10 Ω désigne la résistance du limiteur supraconducteur 106 dans son état haute résistance.In steady state we can write the following relation:
where R ' 1 O ≈ 10 Ω designates the resistor of the
On obtient donc, pour une valeur de di/dt de 2 A/s, les valeurs suivantes :
Il convient de noter que, juste après le basculement du limiteur 106 dans son état résistif, le courant va essentiellement basculer dans la résistance R'3. Dès lors, la montée en courant I2 dans l'aimant s'établit avec une rampe de constante de temps proche de L'/R'3 (i.e. il y a un certain délai avant que le courant I2 dans l'aimant ne rattrape la rampe de courant délivrée par l'alimentation 103). De même, à la fin de la rampe, le courant finit de s'établir dans l'aimant avec la même constante de temps. Un tel comportement du courant, I2 peut entraîner deux inconvénients :
- d'une part des phases transitoires de durées d'autant plus importantes que l'inductance L' de l'aimant est élevée et,
- d'autre part le risque que la tension Uc soit trop faible pendant les premières secondes pour maintenir le limiteur 106 en mode résistif et ce particulièrement pour des aimants de grande inductance.
- on the one hand, transient phases of durations which are all the more important because the inductance L 'of the magnet is high and,
- on the other hand the risk that the voltage U c is too low during the first seconds to maintain the
limiter 106 in resistive mode and particularly for magnets of high inductance.
Une solution efficace pour palier à ces inconvénients consiste à faire générer un créneau en courant Ic par l'alimentation 103 immédiatement après l'impulsion Ip de basculement du limiteur 106, la valeur de Ic étant choisie telle que Ic = I3 + I1. Ce créneau en courant aura la même durée que la rampe de montée (i.e. correspondant au temps d'ajustement de l'aimant).An effective solution to overcome these drawbacks is to generate a current slot Ic through the
Deux autres solutions peuvent également être utilisées :
- réaliser le chargement de l'aimant avec une tension constante aux bornes de l'aimant avec une alimentation régulée en tension et une valeur de di/dt inférieure à 10 A/s. Cette solution nécessite une alimentation spécifique pour le chargement et n'est pas particulièrement adaptée à des petits ajustements en courant.
- monter une diode en opposition en série avec R'3 ce qui permet d'annuler le courant I3. Dans ce cas, le circuit électrique n'est plus symétrique et ne fonctionne pour des descentes en courant.
- perform the charging of the magnet with a constant voltage across the magnet with a regulated voltage supply and a value of di / dt less than 10 A / s. This solution requires a specific power supply for charging and is not particularly suitable for small adjustments in current.
- to mount a diode in opposition in series with R ' 3 which makes it possible to cancel the current I 3 . In this case, the electric circuit is no longer symmetrical and does not work for current descents.
Nous allons décrire dans ce qui suit les étapes permettant le passage (i.e. ajustement) d'un courant de 400 A à un courant de 410 A dans l'aimant, la rampe de courant étant toujours de 2 A/s :
- on commence par annuler le courant de stabilisation I1 en passant la consigne de l'alimentation 103 à 400 A ;
- après quelques secondes (typiquement 2 s), on fixe une nouvelle consigne de courant de 410 A ;
- on génère impulsion de 40 A pendant quelques millisecondes (
typiquement 10 ms) pour rendre le limiteur 106 résistif ; - on génère immédiatement après l'impulsion un créneau en courant à une valeur de courant Ic telle que Ic = I3 + I1 = 2,72 + 0,14 = 2,86 A
- dès que le courant de l'alimentation 103 atteint 410 A (typiquement après 5 s), on arrête le créneau de courant (Ic = 0). Le courant dans l'aimant est alors de 410 A et les courants I1 et I3 sont quasiment nuls (< 10 mA). Le limiteur 106 se refroidit et redevient supraconducteur en quelques secondes, recouvrant ainsi son état basse résistance.
- après quelques secondes, on injecte un courant de stabilisation I1 égal à 4,1 A dans la résistance R '1 choisi de sorte que R '1I1 = R '2I2, l'injection se faisant par une nouvelle consigne donnée à l'alimentation à 414,1 A.
- the stabilizing current I 1 is first canceled by passing the setpoint of the
supply 103 to 400 A; - after a few seconds (typically 2 s), a new current set point of 410 A is set;
- a pulse of 40 A is generated for a few milliseconds (typically 10 ms) to make the
limiter 106 resistive; - immediately after the pulse is generated a current slot at a current value Ic such that Ic = I 3 + I 1 = 2.72 + 0.14 = 2.86 A
- as soon as the current of the
supply 103 reaches 410 A (typically after 5 s), the current slot (Ic = 0) is stopped. The current in the magnet is then 410 A and currents I 1 and I 3 are almost zero (<10 mA). Thelimiter 106 cools and becomes superconductive again in a few seconds, thus covering its low resistance state. - after a few seconds, a stabilization current I 1 equal to 4.1 A is injected into the resistor R ' 1 selected so that R' 1 I 1 = R ' 2 I 2 , the injection being done by a new instruction given at the feed at 414.1 A.
A titre illustratif, une montée de 0 à 30 A (le principe serait identique en passant de 400 à 410 A) a été réalisée expérimentalement en appliquant les étapes exposées ci-dessus (sans l'étape de génération de créneau). Cette montée est illustrée sur la
- 1. à t=2s (valeur purement illustrative correspondant au départ de la rampe), on fixe une consigne de chargement de 30 A à l'alimentation : on observe donc le démarrage d'une rampe de courant pour la courbe d'alimentation.
- 2. Le limiteur étant passant, il a l'impédance la plus faible du circuit ; le courant s'écoule donc dans sa branche et la courbe du limiteur suit la rampe de courant de l'alimentation.
- 3. On envoie alors une impulsion de courant (35 A) sur l'alimentation qui dépasse le courant de déclenchement du limiteur. On observe que l'impulsion est également vue par le limiteur.
- 4. Le limiteur passe en mode résistif et le courant bascule essentiellement dans la résistance de protection R'3. La montée en courant dans l'aimant s'établit avec une rampe de constante de temps proche de L'/R'3. Cette phase transitoire peut être évitée en utilisant un créneau de courant tel qu'évoqué plus haut. Le courant dans l'aimant rattrape ensuite la rampe de courant délivrée par l'alimentation.
- 5. Durant toute la poursuite de la rampe de courant, le limiteur reste en mode résistif car une tension est maintenue à ses bornes et le chargement de l'aimant se poursuit donc normalement.
- 6. Une fois arrivé à la consigne de courant souhaitée dans l'aimant, le limiteur redevient passant (non représenté sur la
figure 6 ).
- 1. at t = 2s (purely illustrative value corresponding to the start of the ramp), a charging setpoint of 30 A is set at the power supply: the start of a current ramp for the supply curve is thus observed.
- 2. The limiter being passing, it has the weakest impedance of the circuit; the current flows in its branch and the limiter curve follows the current ramp of the power supply.
- 3. A current pulse (35 A) is then sent to the supply which exceeds the trip current of the limiter. It is observed that the pulse is also seen by the limiter.
- 4. The limiter goes into resistive mode and the current switches essentially into the protection resistor R ' 3 . The rise in current in the magnet is established with a ramp of time constant close to L '/ R' 3 . This transient phase can be avoided by using a current slot as discussed above. The current in the magnet then catches up with the current ramp delivered by the power supply.
- 5. During the entire current ramp, the limiter remains in resistive mode because a voltage is maintained at its terminals and the charging of the magnet therefore continues normally.
- 6. Once arrived at the desired current setpoint in the magnet, the limiter turns on again (not shown on the
figure 6 ).
Le bruit observé sur la mesure du courant dans l'aimant est lié au bruit de mesure du fait de la très faible valeur de résistance (R2=10µΩ) utilisée pour la mesure de ce courant.The noise observed on the current measurement in the magnet is related to the measurement noise due to the very low resistance value (R 2 = 10μΩ) used for the measurement of this current.
On notera que, dans l'exemple donné, le délai est important (environ 3 s) entre le début de la rampe et l'impulsion ; ce délai vise uniquement à illustrer le principe de fonctionnement mais peut être réduit à zéro.Note that in the example given, the delay is important (about 3 seconds) between the beginning of the ramp and the pulse; this delay is only intended to illustrate the operating principle but can be reduced to zero.
Claims (16)
- A system (100) for creating a magnetic field including:- a first branch comprising a superconducting magnet (102) intended to produce said magnetic field, said magnet being formed by a coil inductance (L') in series with a residual resistance (R'2);- a second branch comprising a resistance (R'3), said protection resistance,- a third branch comprising a power supply (103);said system being characterized in that it comprises a fourth branch formed by a resistance (R'1) mounted in series with a current-limiting superconducting device (106) switching from a low-resistance state to a high-resistance state when the current passing therethrough exceeds a breaking current, said superconducting device (106) having an inductance at least 105 times less than that of the coil (L'), and said first, second, third and fourth branches being mounted in parallel,
said system (100) presenting at least three modes of operation:- a first mode of operation, known as charge mode or discharge mode of the magnet, in which:o said power source (103) is connected to said magnet (102) so as to increase or reduce the current in the magnet, ○ said current limiter (106) is in its high-resistance state;- a second mode of operation, known as normal mode of operation, in which:o said power source (103) is connected to said magnet (102),o said limiter (106) is in its low-resistance state; - a third mode of operation, known as the rapid discharge mode of the magnet in said protection resistance (R'3), in which:o said power source (103) is disconnected from said magnet (102),o said limiter (106) is in its high-resistance state; Activation of the state of said limiter (106) in said three operation modes is done in a passive manner without resorting to an external command. - The system (100) according to the previous claim characterized in that said resistance (R'1) mounted in series with said limiter (106) presents a value 10 to 1000 times greater than that of the residual resistance of the magnet (R'2).
- The system (100) according to one of the previous claims characterized in that the superconductor wire forming said limiter (106) is chosen such that its critical current is greater than (R'2/R'1)Iop where R'2 designates the value of said residual resistance of said magnet, R'1 designates said resistance mounted in series with said limiter (106) and Iop designates the current circulating in said first branch during said normal operation mode.
- The system (100) according to one of the previous claims characterized in that the length of the superconductor wire forming said limiter (106) is determined such that the temperature of said superconductor wire always remains less than or equal to a predetermined maximum temperature value Tmax.
- The system according to one of the previous claims characterized in that said limiter is formed by a superconductor wire surrounded by an insulating layer whose thickness is determined such that the power deposited in the cryogenic bath of said limiter is less than a predetermined value.
- The system according to one of the previous claims characterized in that said limiter is formed by a coil in two layers, the two layers being wound in opposing directions and being placed either in parallel or in series.
- The system (200) according to one of the previous claims characterized in that the system comprises control means (201) to cause said limiter (106) to switch from its low-resistance state to its high-resistance state.
- The system according to the previous claim characterized in that said control means are formed by a heating element.
- The system (200) according to claim 7 characterized in that said control means (201) comprise means (202, 203, 204, 205) for generating a signal of alternating current circulating in said limiter (106) such that said limiter (106) switches from its low-resistance state to its high-resistance state.
- The system (200) according to claim 9 characterized in that said means (202, 203, 204, 205) to generate an alternating current signal comprise voltage transformer means (204, 205) receiving in input the voltage from the electrical network and providing in output a lowered voltage at the same frequency as the voltage of the electrical network.
- The system (200) according to one of claims 9 or 10 characterized in that the frequency f of said alternating current signal is chosen sufficiently high so that said alternating current is blocked by the coil inductance (L').
- The system according to claim 7 characterized in that said control means comprise means for generating a current greater than said breaking current enabling said limiter to be caused to switch.
- The system according to claim 12 characterized in that said means for generating a current greater than said breaking current enabling said limiter to be caused to switch are formed by means generating a current pulse of a sufficient intensity and duration to cause said limiter to switch.
- The system according to one of claims 12 or 13 characterized in that said means for generating a current greater than said breaking current enabling said limiter to be caused to switch are integrated into said power source.
- A method of adjusting the current in a magnet included in a system according to one of claims 13 or 14 comprising the following steps, considered in any order:- generation of a current ramp with a setting set to the new current value to be reached in the magnet;- generation of a current pulse in which the duration and intensity are such that said limiter switches in its high-resistance state.
- The method according to the previous claim characterized in that the method comprises a step of generating a current slot that follows the step of generating said current pulse, the value of the current in this slot being equal to the sum of the current circulating in said protection resistance and of the current circulating in said limiter when it is in its high-resistance state.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR0758969A FR2923648B1 (en) | 2007-11-12 | 2007-11-12 | SYSTEM FOR CREATING A MAGNETIC FIELD VIA A SUPER-CONDUCTIVE MAGNET |
PCT/FR2008/051937 WO2009063150A1 (en) | 2007-11-12 | 2008-10-27 | System for creating a magnetic field via a superconducting magnet |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EP2220658A1 EP2220658A1 (en) | 2010-08-25 |
EP2220658B1 true EP2220658B1 (en) | 2011-04-13 |
Family
ID=39735185
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EP08850407A Active EP2220658B1 (en) | 2007-11-12 | 2008-10-27 | System for creating a magnetic field via a superconducting magnet |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US8174803B2 (en) |
EP (1) | EP2220658B1 (en) |
AT (1) | ATE505801T1 (en) |
DE (1) | DE602008006265D1 (en) |
FR (1) | FR2923648B1 (en) |
WO (1) | WO2009063150A1 (en) |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102171582B (en) * | 2008-06-20 | 2014-04-23 | 温伯格医学物理有限公司 | Apparatus and method for decreasing bio-effects of magnetic gradient field gradients |
US9612308B2 (en) | 2008-06-20 | 2017-04-04 | Weinberg Medical Physics Inc | Ultra-fast magnetic field for electron paramagnetic resonance imaging used in monitoring dose from proton or hadron therapy |
US9411030B2 (en) | 2008-06-20 | 2016-08-09 | Weinberg Medical Physics Llc | Apparatus and method for decreasing bio-effects of magnetic gradient field gradients |
JP6262417B2 (en) * | 2012-07-31 | 2018-01-17 | 川崎重工業株式会社 | Magnetic field generator and superconducting rotating machine equipped with the same |
US9726738B2 (en) | 2013-06-21 | 2017-08-08 | Weinberg Medical Physics Inc. | Energy-saving method of generating time-varying magnetic gradients for use in MRI |
US9638774B2 (en) * | 2013-08-05 | 2017-05-02 | Shahin Pourrahimi | Discharge controlled superconducting magnet |
US9852831B2 (en) * | 2013-11-15 | 2017-12-26 | Hitachi, Ltd. | Superconducting magnet |
US10564238B2 (en) * | 2014-12-17 | 2020-02-18 | General Electric Company | Systems and methods for energizing magnets of magnetic resonance imaging (MRI) systems |
CN105118606B (en) * | 2015-09-11 | 2017-05-31 | 浙江大学 | For the demagnetization circuit and method of online elimination electromagnetic current transducer remanent magnetism |
JP6794146B2 (en) * | 2016-06-13 | 2020-12-02 | 株式会社東芝 | High-temperature superconducting magnet device |
CN206498192U (en) * | 2017-02-27 | 2017-09-15 | 华中科技大学 | A kind of hybrid DC superconducting current limiter based on energy fast transfer |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1238098B (en) * | 1964-06-19 | 1967-04-06 | Siemens Ag | Method for exciting a superconducting magnet coil |
FR2613493B1 (en) * | 1987-03-30 | 1989-06-23 | Alsthom | DEVICES FOR DETECTING TRANSITIONS TO THE NORMAL STATE IN A SUPERCONDUCTING WINDING, ESPECIALLY AN ELECTRIC GENERATOR, AND FOR PROTECTING SUCH A WINDING |
EP0299325B1 (en) * | 1987-07-17 | 1991-12-18 | Siemens Aktiengesellschaft | Actively shielded supraconducting magnet of a nuclear spin tomographic apparatus |
FR2661775B1 (en) * | 1990-05-04 | 1994-03-04 | Telemecanique | CONTACTOR-CIRCUIT-BREAKER. |
US5210674A (en) * | 1990-05-31 | 1993-05-11 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Superconducting coil protective system |
GB9506096D0 (en) * | 1995-03-24 | 1995-05-10 | Oxford Instr Public Limited Co | Current limiting device |
GB0121846D0 (en) * | 2001-09-10 | 2001-10-31 | Oxford Instr Superconductivity | Superconducting magnet assembly and method |
DE10156234C1 (en) * | 2001-11-15 | 2003-02-13 | Bruker Biospin Gmbh | Superconductive nuclear magnetic resonance magnetic coil system, uses superconductive switches for short-circuiting respective parts of magnetic coil system winding for drift compensation |
US6925316B2 (en) * | 2002-04-08 | 2005-08-02 | Christopher M. Rey | Method of forming superconducting magnets using stacked LTS/HTS coated conductor |
US6960914B2 (en) * | 2003-06-27 | 2005-11-01 | Ge Medical Systems Global Technology Company, Llc | Methods and apparatus for imaging systems |
DE102005020690B4 (en) * | 2005-05-03 | 2007-08-30 | Bruker Biospin Ag | Magnet arrangement with device for damping voltage peaks of a feed |
DE102005034837B4 (en) * | 2005-07-26 | 2017-12-21 | Bruker Biospin Gmbh | Superconducting magnet arrangement with switch |
-
2007
- 2007-11-12 FR FR0758969A patent/FR2923648B1/en not_active Expired - Fee Related
-
2008
- 2008-10-27 WO PCT/FR2008/051937 patent/WO2009063150A1/en active Application Filing
- 2008-10-27 EP EP08850407A patent/EP2220658B1/en active Active
- 2008-10-27 US US12/742,296 patent/US8174803B2/en active Active
- 2008-10-27 AT AT08850407T patent/ATE505801T1/en not_active IP Right Cessation
- 2008-10-27 DE DE602008006265T patent/DE602008006265D1/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20100295641A1 (en) | 2010-11-25 |
EP2220658A1 (en) | 2010-08-25 |
FR2923648B1 (en) | 2009-12-18 |
DE602008006265D1 (en) | 2011-05-26 |
ATE505801T1 (en) | 2011-04-15 |
WO2009063150A1 (en) | 2009-05-22 |
US8174803B2 (en) | 2012-05-08 |
FR2923648A1 (en) | 2009-05-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2220658B1 (en) | System for creating a magnetic field via a superconducting magnet | |
EP3105845B1 (en) | Dc voltage supply system configured to precharge a smoothing capacitor before supplying a load | |
EP2320535B1 (en) | Current-limiting circuit breaker, electrical distribution device equipped with such a limiting circuit breaker and current-limiting method | |
FR2677503A1 (en) | Current limiter | |
US20120014030A1 (en) | Superconducting coil, superconducting magnet, and method of operating superconducting magnet | |
JP5383651B2 (en) | Apparatus for quench protection and damping stabilization in quasi-permanent superconducting magnets. | |
EP3232526A1 (en) | Device for detecting a fault current | |
EP3363093A1 (en) | Interconnection equipment for a high-voltage dc grid | |
FR2600206A1 (en) | ALTERNATING CURRENT LIMITER | |
US10069294B2 (en) | AC-current induced quench protection system | |
WO2007083048A1 (en) | Controlling a mos transistor | |
FR3006515A1 (en) | ELECTRICAL PROTECTION USING A SEMICONDUCTOR SWITCH. | |
FR3000321A1 (en) | ELECTRICAL MACHINE WITH SUPERCONDUCTING COILS | |
FR2807882A1 (en) | Photovoltaic module cell hot spot protection mechanism having mechanism detecting module characteristic and where abnormal function detected preventing current circulation. | |
EP1139361B1 (en) | Electrical circuit for the transmitting the status information, particularly for railway material, and system incorporating such a circuit | |
FR2956518A1 (en) | SUPERCONDUCTING COIL TRANSITION DETECTOR | |
EP3568894A1 (en) | Device for protecting electrical equipment | |
EP2345158A1 (en) | Segmental electronic circuit breaker and installation comprising same | |
FR2643743A1 (en) | CUTTING DEVICE FOR HIGH VOLTAGE CONTINUOUS CURRENT | |
FR2972866A1 (en) | CURRENT SERIES LIMITER BY MAGNETIC CIRCUIT WITH HOLES AND WINDOWS | |
EP0539301A1 (en) | Coupling device of an external power supply to an aircraft on the ground | |
EP3389076A1 (en) | Method and device for controlling an actuator, and electrical protection unit comprising such a device | |
WO2023017221A1 (en) | Device and method for disconnecting a high-voltage direct electric current with a fuse, and oscillating-current overload system | |
Prost et al. | Fast liberation of energy stored using superconductors | |
BE1014436A3 (en) | Detection system cable pull in medium voltage networks and method of modification of an existing system. |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PUAI | Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012 |
|
17P | Request for examination filed |
Effective date: 20100607 |
|
AK | Designated contracting states |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR |
|
AX | Request for extension of the european patent |
Extension state: AL BA MK RS |
|
GRAP | Despatch of communication of intention to grant a patent |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1 |
|
DAX | Request for extension of the european patent (deleted) | ||
GRAS | Grant fee paid |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3 |
|
GRAA | (expected) grant |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210 |
|
AK | Designated contracting states |
Kind code of ref document: B1 Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: GB Ref legal event code: FG4D Free format text: NOT ENGLISH |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: CH Ref legal event code: EP |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: IE Ref legal event code: FG4D Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: FRENCH |
|
REF | Corresponds to: |
Ref document number: 602008006265 Country of ref document: DE Date of ref document: 20110526 Kind code of ref document: P |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: DE Ref legal event code: R096 Ref document number: 602008006265 Country of ref document: DE Effective date: 20110526 |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: NL Ref legal event code: T3 |
|
LTIE | Lt: invalidation of european patent or patent extension |
Effective date: 20110413 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: PT Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110816 Ref country code: SE Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 Ref country code: NO Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110713 Ref country code: HR Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 Ref country code: LT Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: IE Ref legal event code: FD4D |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: CY Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 Ref country code: ES Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110724 Ref country code: IS Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110813 Ref country code: LV Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 Ref country code: SI Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 Ref country code: FI Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 Ref country code: AT Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 Ref country code: GR Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110714 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: EE Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 Ref country code: IE Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 Ref country code: CZ Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 |
|
PLBE | No opposition filed within time limit |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261 |
|
STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: DK Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 Ref country code: RO Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 Ref country code: PL Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 Ref country code: SK Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 |
|
26N | No opposition filed |
Effective date: 20120116 |
|
BERE | Be: lapsed |
Owner name: CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (C.N Effective date: 20111031 Owner name: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES Effective date: 20111031 |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: DE Ref legal event code: R097 Ref document number: 602008006265 Country of ref document: DE Effective date: 20120116 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: MC Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20111031 Ref country code: IT Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: BE Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20111031 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: MT Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: LU Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20111027 |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: CH Ref legal event code: PL |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: BG Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110713 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: LI Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20121031 Ref country code: CH Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20121031 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: TR Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: HU Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20110413 |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: FR Ref legal event code: PLFP Year of fee payment: 9 |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: FR Ref legal event code: PLFP Year of fee payment: 10 |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: FR Ref legal event code: PLFP Year of fee payment: 11 |
|
PGFP | Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: NL Payment date: 20231023 Year of fee payment: 16 |
|
PGFP | Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: GB Payment date: 20231025 Year of fee payment: 16 |
|
PGFP | Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: FR Payment date: 20231023 Year of fee payment: 16 Ref country code: DE Payment date: 20231018 Year of fee payment: 16 |