KR101812030B1

KR101812030B1 - 열 방사 실드들을 갖는 초전도 자석들

Info

Publication number: KR101812030B1
Application number: KR1020137030701A
Authority: KR
Inventors: 시몬 칼버트; 마르셀 크루입; 로드리고 오르메노; 마이클 심프킨스
Original assignee: 지멘스 헬스케어 리미티드
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2018-01-25
Also published as: JP5855228B2; CN103620436A; US20160172089A1; GB2490478B; JP2014512682A; GB2490478A; EP2699925B1; WO2012143172A1; US9543066B2; GB201106660D0; US9293253B2; EP2699925A1; US20140274722A1; CN103620436B; KR20140025477A

Abstract

코일들과 기계적 접촉하는 냉각된 표면(15)을 통한 열 전도에 의한 냉각을 위해 배열된, 초전도 와이어의, 복수의 축방향으로-정렬된 환형 코일들(10)을 포함하는 실린더형 초전도 자석이 개시된다. 상기 코일들은 그들의 방사상 내측 표면과 그들의 축 사이에 열 방사 실드(24)를 갖는다. 상기 열 방사 실드는 상기 냉각된 표면과 열 접촉하는 금속층을 포함한다.

Description

열 방사 실드들을 갖는 초전도 자석들 {SUPERCONDUCTING MAGNETS WITH THERMAL RADIATION SHIELDS}

본 발명은 복수의 축방향으로 정렬된, 초전도 와이어의 코일들을 포함하는 실린더형 초전도 자석들을 위한 방사 실드들을 제공한다. 특히, 본 발명은, 액체 한제(cryogen) 내 담금(immersion)에 의해서는 냉각되지 않지만, 코일들과 기계적 접촉하는 냉각된 표면을 통한 열 전도에 의한 냉각을 위해 배열되는 초전도 자석들에 관한 것이다.

실린더형 초전도 자석들은 일반적으로 자기 공명 이미징(MRI) 시스템들 내에서 이용된다. 강한, 균질한 배경(background) 자기장이 초전도 자석들에 의해 제공되고, 그레디언트 코일 어셈블리는 통상적으로 초전도 자석의 보어(bore) 내부에 제공되고, 그리고 3개의 직교 차원들에서 급속하게-변화하는 자기장 그레디언트들을 발생시킨다.

초전도 자석은 극저온의 온도들로 냉각되며, 자석이 중공 실린더형 외측 진공 챔버(OVC) 내부에 하우징되고, 하나 또는 그 초과의 중공 실린더형 열 방사 실드들이 초전도 자석과 OVC 사이에 위치되는 것이 통상적이다. 통상적으로, 열 방사 실드, 또는 하나보다 많은 수가 존재하는 경우에는 외측 열 방사 실드가 대략 50K의 온도로 냉각된다. 그러므로, 어셈블리는 자석의 보어 내에 적어도 2개의 밀접하게-스택된(closely-stacked) 실린더형 튜브들을 포함한다.

MRI 이미징 시퀀스 동안 그레디언트 코일들에 적용된 시변(time-varying) 전류들은, 그레디언트 코일들에 작용하는 로렌츠 힘(Lorentz force)들을 야기하기 위해 균질한 배경 자기장과 상호작용하여, 그레디언트 코일 어셈블리의 진동을 초래한다.

그레디언트 코일들에 의해 발생된 시변 자기장들은 열 방사 실드(들) 및 OVC의 보어 튜브들과 같은 전도성 표면들 가까이의 물질 내에 와전류(eddy current)들을 유도한다. 보어 튜브들의 저항 물질을 통해 흐르는 이들 와전류들은, 코일 온도의 상승으로 인한 자석 ??치(quench)의 위험이 있을 수 있는 가열을 야기한다. 4K의, 실린더형 초전도 자석들의 통상의 동작 온도에서, 고체 물질들의 매우 낮은 열 용량으로 인해, ??치를 야기하기 위해서는 작은 열 에너지가 요구된다.

더욱이, 전도성 보어 튜브들 내에 유도된 와전류들은, 로렌츠 힘들이 보어 튜브들에 작용하도록 야기하기 위해 균질한 배경 자기장과 상호작용할 것이며, 보어 튜브들의 진동을 초래한다. 이들 진동들은 균질한 배경 자기장과 상호작용하고, 보어 튜브들 내에 추가의 (2차) 와전류 발생을 야기하며, 차례로, 가열을 야기하고, 2차 자기장들의 발생을 통해 이웃하는 전도성 표면들에 추가의 (3차) 와전류들을 유도한다. 차례로, 3차 와전류들은 3차 자기장들을 생성할 것이다. 이미 기술된 달갑지 않은 가열에 부가하여, 진동들은, 이미징을 위해 자석의 보어 내에 위치된 환자들에게 불쾌한 잡음을 야기한다.

OVC 보어 튜브의 물질 내에서 생성된 와전류들은, 열 방사 실드의 보어 튜브를 그레디언트 코일들로부터의 스트레이(stray) 자기장들로부터 실드하는 것을 도울 것이다.

액체 한제 배쓰(bath) 냉각된 자석에서, 헬륨과 같은 액체 한제는 와전류들의 결과로서 발생하는 ??치를 방지하기 위해 코일들의 충분한 냉각을 제공한다. 그러나, 보다 최근의 초전도 자석들 설계들은 액체 한제 내 담금에 의해 냉각되는 코일들을 갖지 않는다. 오히려, 코일들은, 코일들과 기계적 접촉하는 냉각된 표면을 통한 열 전도에 의한 냉각을 위해 배열된다. 냉각은 한제-충전된 열사이펀을 이용하여, 또는 냉각된 표면에 열적으로 링크된 극저온의 냉장고에 의해 제공될 수 있다. 이러한 낮은-한제 인벤토리 자석들에서, 원하지 않는 그레디언트 코일 유도 가열(GCIH; gradient coil induced heating)의 문제는 위급한데, 그 이유는 코일과 냉각된 표면 사이의 열 저항은, 이전의 액체 한제 냉각된 자석들에서 보다 상당히 더 높기 때문이다.

따라서, 본 발명은, 열 방사 실드 보어 튜브로부터의 흑체(black body) 방사로부터의 실딩 및 스트레이 자기장들로부터의 실딩을 제공하는 것의 링크된 문제점들을 해결한다. 본 발명은, 첨부된 청구범위에서 규정된 바와 같은 실린더형 초전도 자석들 및 상기 실린더형 초전도 자석들의 제조를 위한 방법들을 제공함으로써, 이들 문제점들을 해결한다.

다음의 특허 공보들은 일반적으로, 잡음 및 진동의 감소 및 그레디언트 코일 상호작용에 관한 것이다: DE 10 2006 000 923 B4; US 7,535,225 B2; JP 2005279187 A; 및 US 2006/0266053 A1.
US5179338은 초전도 코일들의 방사상 외측 표면 상에 장착되는, 초전도 코일들로부터 열적으로 절연된 열 방사 실드 및 통합된 그레디언트 코일들을 갖는 초전도 자석 어레인지먼트를 기술한다.

본 발명은 임의의 건식, 또는 최소-한제 자석, 예를 들어, 이른바 'A2-본딩된 자석(A2-bonded magnet)'에 적용될 수 있으며, 여기서 수지-함침된(resin-impregnated) 코일들은 그들의 방사상 외측 표면에 의해, 지지 구조체에 부착된다. 다양한 자립형(self-supporting) 수지 함침된 구조체들과 같은, 자석들의 다른 어레인지먼트들이 또한 본 발명으로부터 이익을 취할 수 있다.

본 발명의 상기, 그리고 추가의 목적들, 특징들 및 이점들은, 첨부 도면들과 관련하여, 본 발명의 특정 실시예들의 아래 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

도 1a 내지 도 1gb는 본 발명의 실시예들의 하나의 시리즈의 여러 뷰들을 도시하고,
도 2a 내지 도 2cb는 본 발명의 실시예들의 다른 시리즈의 여러 뷰들을 도시하고, 그리고
도 3은 진동이, 다양한 길이들의 알루미늄 튜브들의 공명 주파수들인 것을 도시한다.

본 발명은, 종래의 열 방사 실드의 보어 튜브와 자석의 코일들 사이에 개재되고, 한제 온도로 냉각된 전기 전도성 실드를 제공함으로써, 건식 또는 최소-한제 인벤토리 냉각 어레인지먼트들을 갖는 초전도 자석들을 위해, 열 방사 실드 보어 튜브로부터의 흑체 방사로부터의 실딩 및 스트레이 자기장들로부터의 실딩을 제공하는 것의 문제점들을 해결한다. 이러한 방식에서, GCIH(그레디언트 코일 유도 가열)의 영향들은 코일들로부터 실딩된다. 헬륨-냉각된 초전도 자석 시스템 내의 종래의 방사 실드는 통상적으로 약 50K의 온도로 냉각되는 반면, 본 발명의 실드는 대략 한제 온도, 예를 들어 약 4K로 냉각된다. 이러한 이유로, 그리고 설명의 명료함 및 간결성을 위해, 본 발명의 실드는 아래의 설명에서 "4K 실드"로 지칭될 것인 반면, 종래의 열 실드는 단순히 "열 실드"로 지칭될 것이다.

함침된 코일들 및 그들의 지지 구조체의 조합은, 초전도 동작을 가능하게 하기 위해, 약 4K와 같은 극저온의 온도들로 냉각된다. 그러므로, 자석 코일들 및 그의 지지 구조체의 어셈블리는 아래의 설명에서 "콜드 매스(cold mass)"로 지칭될 것이다.

실시예들의 제 1 시리즈가, GCI의 바람직하지 않는 영향들로부터 자석을 실드하기 위해, 콜드 매스에 기계적으로 장착된, 냉각된 튜브형 4K 실드의 예들을 도시하는 도 1a 내지 도 1gb에 의해 예시된다.

도 1a는 A2-본딩된 자석을 포함하는 MRI 시스템의 부분 축방향 단면을 도시한다. 수지-함침된 초전도 코일들(10)은 자신들의 방사상 외측 표면들(12)에 의해, 코일들보다 더 큰 직경의 튜브형 지지 구조체(15)에 본딩된다. 전기 절연 필러(filler) 층(16)은 코일들(10)과 지지 구조체(15) 사이에 개재될 수 있다. 예시된 어레인지먼트에서, 지지 구조체는, 도면에 예시되지 않은 유지 수단에 의해 적소에(in position) 축방향으로 정렬되고 유지되는 다수의 링들(15a)로 이루어진다. 그러나, 단일 연속형 튜브와 같은 다른 지지 구조체들이 제공될 수 있다.

예시된 어레인지먼트에서, 지지 구조체(15)는, 지지부 둘레에 원주방향으로 이어지는 냉각 채널들(22)과 함께, 예를 들어 알루미늄으로 이루어진 고체의, 열적으로-전도성의, 기계적 지지부를 포함한다. 이들 채널들은 냉각 루프 어레인지먼트에 의한 냉각을 제공하기 위해 한제를 액체 및/또는 가스 상태로 운반할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 지지 구조체(15)를 극저온의 냉장고(예시되지 않음)에 접속시키는, 구리 또는 알루미늄 스트랩(strap) 또는 브레이드(braid)와 같은 고체 열 전도체가 제공될 수 있다.

초전도 자석 구조체의 많은 유형들에서 통상적인 바와 같이, 코일들은 외측 진공 챔버(OVC)(18) 내에 밀봉되고, 열 방사 실드(20)는 자석 구조체와 OVC 사이에 개재된다. 그레디언트 코일 어셈블리(30)가 또한 예시된다. 고체 열 절연, 이를 테면 알루미늄 처리된(aluminised) 폴리에스터의 층들(25)이 열 실드(20)와 OVC(18) 사이의 공간 내에 제공될 수 있다.

본 발명의 이러한 실시예에 따라, 열적으로 전도성의 튜브(24)를 콜드 매스 상으로 장착함으로써 4K 실드가 제공된다. 예시된 실시예에서, 이는, 열적으로 전도성의 너트들, 볼트들, 및 스페이서들을 이용하여 달성된다. 이들은, 튜브(24)와 지지 구조체(15) 사이에 어느 정도의 열 전도성 및 기계적으로 단단한 장착 포인트들(26)을 제공한다. 4K 실드는 환형 단부 피스들(28)에 의해 완성되며, 상기 환형 단부 피스들(28)은 알루미늄과 같은 열적으로 전도성의 물질의 아크들로 구성되거나, 용접되거나, 볼팅되거나, 또는 그렇지 않으면 튜브(24) 및 지지 구조체(15)에 열적으로 그리고 기계적으로 부착될 수 있다. 장착 포인트들(26)은 코일 지지부(15)의 각각의 단부로부터 단일 축방향 거리(axial distance)(d)에서, 튜브 둘레의 원주 간격들로 제공될 수 있다. 대안적으로, 추가의 장착 포인트들(26a)은 코일 지지부(15)의 각각의 단부로부터 다른 거리들의 축방향 거리(d)로 제공될 수 있다. 다양한 축방향으로 위치된 장착 포인트들은 특정 원주 위치들에 정렬될 수 있거나, 또는 아래에서 설명될 이유들로 오정렬(misaligned) 될 수 있다.

장착 포인트들이, 고주파 주기적인 힘들을 받는 튜브(24)의 모션에 저항할 필요가 있기 때문에, 장착 포인트들은, 그러한 힘들, 그리고 결과적인 튜브의 진동의 결과로서 상기 장착 포인트들이 헐거워지지(loose) 않는 방식으로 구성되어야 한다. 예를 들어, 장착 포인트들(26), 튜브(24), 그리고 지지 구조체(15) 사이의 접합부(joint)들은 예시된 방식으로 볼팅 및 글루잉될 수 있다. 대안적으로, 이러한 접합부들은, 용접 또는 유사한 프로세스, 이를 테면 브레이징(brazing) 또는 솔더링(soldering)에 의해 형성될 수 있다. 이러한 접합부들은, 상기 접합부들이 본 발명의 실시예들에서 마주칠 수 있는 고주파 저진폭 진동들에 저항력이 있을 것으로 여겨진다. 다양한 컴포넌트들의 상이한 열수축(thermal contraction)으로 인해 접합부들이 헐거워지지 않도록, 수반되는 다양한 컴포넌트들, 이를 테면 볼트들, 장착 포인트들, 및 튜브(24)는 열적으로 매칭되어야 한다.

그 다음으로 코일들(10)은 실질적으로, 열 실드(20)로부터의 흑체 방사로부터 실드된다. 4K 실드의 물질의 전기 전도성은, 상기 4K 실드가, 그레디언트 코일들(30)에 의해 발생된 자기장들로부터 코일들을 또한 실드할 것이라는 것을 의미한다.

동작시, 4K 실드(24, 28)는 이러한 예에서, 5K 미만의 공칭 온도에서 유지된다. 상기 4K 실드(24, 28)는, 예를 들어, 냉각된 한제가 채널들(22)을 통해 순환하도록 야기하는 냉각 루프에 의해 약 4K로 냉각되는 지지 구조체(22)와 열 접촉된다. 대안적인 어레인지먼트에서, 구리 또는 알루미늄 스트랩들 또는 브레이드들과 같은 전도체는, 예를 들어, 액체 헬륨에 의해 약 4K로 냉각되는 다른 표면 또는 극저온의 냉장고와 지지 구조체(15) 사이에서 접속될 수 있다.

도 1b는 도 1a의 어레인지먼트의 변형의 상세화된 부분-축방향 단면도를 도시한다. 이러한 변형에서, 열 링크(32), 예를 들어, 구리 또는 알루미늄의 라미네이트 또는 브레이드, 또는 고체 알루미늄 또는 구리 스트랩은 콜드 매스의 지지 구조체(15)와 튜브(24) 사이에서 열적으로 접속된다. 열 링크의 각각의 단부는, 접합부(35)에서 예를 들어, 예시된 바와 같이 스크류들, 너트들, 및 볼트들에 의해 그의 각각의 컴포넌트에 열적으로 전도성의 방식으로 접속된다. 용접, 브레이징, 솔더링, 클램핑, 또는 크림핑과 같은 다른 열적으로 전도성의 접속 수단이 이용될 수 있다. 고주파 주기적인 힘들을 받는 튜브(24)의 모션에도 불구하고, 이러한 접합부들(35)은 온전하게 유지될 필요가 있으며, 접합부들은, 그러한 힘들, 그리고 결과적인 튜브의 진동의 결과로서 상기 접합부들이 헐거워지지 않는 방식으로 구성되어야 한다. 예를 들어, 접합부들(35)은 예시된 방식으로 볼팅 및 글루잉될 수 있다. 대안적으로, 이러한 접합부들은 용접 또는 유사한 프로세스, 이를 테면 브레이징 또는 솔더링에 의해 형성될 수 있다. 이러한 접합부들은, 상기 접합부들이 본 발명의 실시예들에서 마주칠 수 있는 고주파 저진폭 진동들에 저항력이 있을 것으로 여겨진다. 다양한 컴포넌트들의 상이한 열수축으로 인해 접합부들이 헐거워지지 않도록, 수반되는 다양한 컴포넌트들, 이를 테면 볼트들, 지지 구조체(15), 및 튜브(24)는 열적으로 매칭되어야 한다.

이러한 어레인지먼트에서, 4K 실드의 환형 단부 피스(28)가 튜브(28)와 직접적인 열적 또는 기계적 접촉될 필요는 없다. 알루미늄 처리된 폴리에스터 시트들과 같은 고체 절연체의 층(34)들이 코일들(10)과 튜브(24) 사이에 위치될 수 있다. 이는, 코일들(10)에 도달하는, 튜브(24)로부터의 임의의 흑체 방사를 감소시키도록 기능한다.

도 1c는 도 1a 또는 도 1b에 따른 구조체에서의 열 전도의 간단한 모델을 도시한다. 흑체 방사 및/또는 GCIH로 인한 열 부하(Q)는, 4K 실드의 튜브(24) 상에 입사된다. 열 부하는, 열 링크(32), 환형 단부-피스(28), 및 장착 포인트들(26) 중 하나 또는 그 초과일 수 있는 열적으로 전도성의 경로(28, 26, 32)를 통해 지지 구조체(15)로 통과한다. 지지 구조체는 냉각 채널들(22), 또는 극저온의 냉장고(예시되지 않음)로의 고체 전도체 같은 동등한 냉각 방법에 의해 냉각된다. 따라서, 열 부하(Q)는 냉각 방법에 의해 상기 구조체로부터 제거된다.

적합한 방사 실드로서 기능하기 위해, 4K 실드에 도달하는 열을 운반하기(carry away) 위해 충분한 열 전도성을 갖는 것에 부가하여, 튜브(24)는 낮은 방사율(emissivity)을 갖는 방사상 외측 표면(즉, 코일들(10)과 면하는 표면)을 또한 가져야 한다. 낮은 방사율 요건은, 열 실드의 물질의 적합한 선택 및 준비에 의해 달성될 수 있지만, 대안적으로 접착성 알루미늄 테이프, 또는 도 1b에 도시된 알루미늄 처리된 폴리에스터 시트(34)와 같은 표면에 높은 반사율 포일을 부착함으로써 달성될 수 있다.

스트레이 자기장들을 실드하도록 기능하기 위해, 튜브(24)는 양호한 전기 전도성 및 방사상 두께(t)를 가져야 하며, 상기 방사상 두께(t)는 튜브의 물질 내 자기장의 표피 깊이보다 충분히 더 크다. 바람직하게, 튜브의 두께(t)는 표피 깊이의 적어도 2배이다.

효율적인 자기 및 열 실딩을 제공하기 위해, 본 발명자들은 튜브가 '스티프(stiff)'인 것을 요구한다. 튜브의 공명 주파수들은 MRI 스캐너의 그레디언트 코일들의 동작 주파수들보다 더 높을 필요가 있다. 튜브(24) 구조체를 이용하는 4K 실드들의 바람직한 피처는, 그것이 매우 '튜닝가능(tuneable)'하다는 것이고, 그리고 이를 가능하게 할 수 있는 몇몇 피처들은 도면들에서 도시되고, 아래에서 기술될 것이다. 이러한 피처들은 배경 자기장 내에서의 튜브의 발진을 감소시킬 것이고, 그리고 따라서, 연관된 가열 및 잡음을 갖는 2차 및 3차 와전류들의 발생을 감소시킬 것이다.

통상적으로, 그레디언트 코일들(30)은 임상(clinical) 애플리케이션들에서, 50 내지 약 3000㎐의 범위의 주파수들에서 동작된다. 튜브의 진동 모드들이, 3000㎐보다 더 높은 주파수들에 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 특정 양상들은, 이러한 조건이 충족된다는 것을 보장하기 위해 전념된다.

단부에서 방사상으로 클램핑되는 푸아송 비율(Poisson ratio)(μ), 영률(Young's modulus)(E), 밀도(ρ), 방사상 두께(t), 평균 반지름(a), 및 길이(L)를 갖는 튜브의 공명 주파수는 ("Vibration of Shells and Plates", Werner Soedel, 방정식 6.12.3)에 의해 주어진다:

여기서, m은 모드수(mode number)이다.

본 발명의 예시 실시예에서, 튜브(24)는 450㎜의 반경 및 3㎜의 두께(t)를 갖는 알루미늄 튜브일 수 있다. 이러한 튜브들의 상이한 길이들에 대한 방사상의 방향에서의 원주방향 팽창 및 수축에 의한 발진에 대한 공명 주파수들은 도 3에 도시된다. 도 3은 더 높은 축방향 공명 모드들에서의 원주방향 팽창 및 수축에 의한 발진이, 1400㎜의, 긴(long) 튜브에 대한 기본 주파수에서 유지된다는 것을 도시하는 반면, 더 높은 축방향 모드들에서의 발진은 더 짧은 튜브들에 대해 급속히 증가하는 주파수들에서 발생하고, 이러한 경우에서, 축방향 길이 200㎜의 가장 짧은 튜브들의 경우에서 특히 확연하다.

자석의 통상적인 길이는 1400㎜이다. 도 3은 공명 주파수들이, 공명 모드들 사이에서 현저하게 변화하지 않는다는 것을 도시한다. 300㎜ 미만의 튜브 길이와 같은 더 짧은 튜브 길이들에 대해, 더 높은 모드들에 대한 공명 주파수들의 현저한 상방향 시프트(upward shift)가 존재한다.

그 다음으로, 본 발명의 맥락에서, 1400㎜ 길이의 하나의 긴 튜브보다는, 예를 들어 각각이 200 내지 300㎜ 길이인, 여러 개별적으로 장착된 짧은 튜브들로 튜브(24)를 형성함으로써, 튜브(24)의 공명 주파수가 증가될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.

도 1da는 단일 튜브(24)의 발진을 개략적으로 예시한다. 명료함을 위해 이러한 진동들의 진폭이 과장되지만, 튜브의 표면은 파복(antinode)들(60)에서 발진한다는 것이 확인될 수 있다. 이것이 배경 자기장에서 발생할 때, 본 발명의 자석 시스템들과 마찬가지로, 와전류들 및 가열은 튜브의 물질 내에서 유도될 것이다.

도 1db는 4K 실드의 튜브(24)가 축방향으로 다수의 부분들(24a)로 분할되는 개선된 상황을 개략적으로 예시한다. 상기 논의된 바와 같이, 이들 더 짧은 튜브들 각각은 더 높은 공명 주파수들을 가질 것이며, 장착 포인트들의 적합한 어레인지먼트들은, 이미징 시스템의 그레디언트 코일들의 동작 주파수들에서 공명하지 않는 것을 용이하게 보장할 수 있다.

튜브가 축방향으로 분할되는 어레인지먼트들 내에서 발진의 진폭은 감소된다. 글루잉된 볼트들, 용접 또는 유사한 것을 이용함으로써, 그리고 볼트들과 같은 임의의 고정된 컴포넌트들이 인접한 고정된 컴포넌트들에 열적으로 매칭된다는 것을 보장함으로써, 장착 포인트들이 진동에 의해 헐거워지는 것에 저항하는 것은 특히 중요하다.

다수의 분리된, 개별적으로 장착된, 짧은 튜브들(24a)을 제공하기보다는, 유사한 간격들로, 예를 들어 200 내지 300㎜의 축방향 간격들로 튜브에 방사상의 제약(constraint)을 제공함으로써, 공명 주파수를 증가시키는 거의 동일한 효과가 달성된다. 가장 단순히, 그리고 도 1a를 참조하면, 이는, 200 내지 300㎜의 축방향 간격들로 튜브(24)의 원주 둘레에 이격된 장착 포인트들(26)의 세트를 제공함으로써 달성될 수 있다. 튜브가 매(every) 200 내지 300㎜ 마다 억제되기 때문에, 장착 포인트들의 세트들 사이의 튜브의 그러한 부분들은, 길이 200 내지 300㎜의 제약된 튜브로서 발진되고, 그리고 따라서, 튜브는, 자석의 길이에 걸쳐 이어지는 단일 튜브를 이용하는 경우에서보다 다소 더 높은 공명 주파수들 세트를 갖는다. 컴포넌트들의 진동 및/또는 상이한 열수축에 의해 장착 포인트들이 헐거워지는 것에 저항한다는 것을 보장하는 것과 관련하여 이전의 단락에서와 동일한 언급이 적용된다.

상기 방정식으로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 튜브의 공명 주파수를 증가시키는 다른 방식은, 상기 튜브의 두께(t)를 증가시키는 것일 것이지만, 이는, 와이어 비용 및 물질의 비용을 치러야 할 것인데, 그 이유는, 유용한 보어 직경을 감소시키지 않으면서 튜브(24)의 증가된 두께를 수용하기 위해서는 코일들(10)의 직경이 그에 따라 증가되어야 할 것이기 때문이다.

요구되는 실딩을 제공하기 위해 3㎜ 두께 알루미늄 튜브가 적절한 것으로 확인되었다. 튜브가, 이를 테면 Al1200으로 알려진, 상업적으로 "순수한(pure)" 등급의 알루미늄으로 이루어진다면, 1000㎐에서의 표피 깊이는 0.6㎜이다. 이는 비교적 저렴한 옵션이며, 현저한 제조 이점들을 갖는다. 1000의 RRR(잔류 저항력 비율(Residual Resistivity Ratio))을 갖는 매우 순수한 등급의 알루미늄에 대해, 1000㎐에서의 표피 깊이는 0.1㎜이다. 구어체로(colloquially), "파이브-나인스(five-nines)" 또는 5N 순도(purity)로 알려진 이러한 물질은 99.999% 순수할 수 있다. 고순도 알루미늄에서의 방산은 현저히 더 적을 것이며, 이는, 와전류들의 크기, 그리고 따라서 그들에 의해 발생되는 자기장들은 오히려 더 클 것이지만, 튜브 내 와전류들은 훨씬 더 적은 열을 발생시킬 것이라는 것을 의미한다.

도 1e는 도 1a의 실시예의 다른 변형을 도시한다. 이러한 어레인지먼트에서, 예를 들어, 용접, 솔더링, 또는 브레이징에 의해 튜브(24) 및 지지 구조체(15)에 열적으로 그리고 기계적으로 부착된 전도성 오메가-섹션 튜브들(36)에 의해, 한제-채워진 냉각 루프들이 제공된다. 이들은, 지지 구조체(15) 및 튜브(24) 양측 모두를 냉각시키도록 기능하여, 튜브(24)와 지지 구조체(15) 사이의 열 전도에 대한 필요성을 감소시킨다. 별개의 냉각 루프들이 지지 구조체(15) 및 튜브(24)를 위해 제공될 수 있거나, 또는 도 1e에 도시된 오메가-섹션 튜브들(36) 양측 모두를 포함하는 단일 냉각 루프가 제공될 수 있다.

도 1f는 상술된 실시예들 중 임의의 실시예에서 이용될 수 있는 변형을 예시한다. 이러한 변형에서, 환형 단부 피스(28)는 지지 구조체(15) 및 튜브(24) 양측 모두에 용접된다(38). 이러한 변형에서, 양호한 열 전도가 용접부들(38) 및 환형 단부 피스들(28)을 통해 제공된다.

도 1ga는 상기와 같이, Al1200과 같은 상업적 등급의 알루미늄으로 형성된 튜브(24)가 매우 높은(예를 들어, 5N) 순도 등급의 알루미늄의 층(40)으로 클래딩되는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 고순도 물질의 고비용 때문에, 그의 두께는, 상업적 등급의 알루미늄의 튜브(24)에 의해 제공되는 기계적 지지로 인해, 약 0.5㎜로 제한될 수 있다. 이러한 구성은, 상업적 등급의 튜브의 구조체적인 세기 및 5N 클래딩의 높은 전도성으로 인해, ??치 동안 로렌츠 힘들 및 스트레스들을 제한하는 이점을 갖는다.

도 1gb는 상기와 같이, Al1200과 같은 상업적 등급의 알루미늄으로 형성된 튜브(24)가 배스킷-위브(basket-weave) 어레인지먼트 내 초전도 와이어(42)의 길이들로 클래딩되는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 튜브(24)가 초전도 와이어의 전이 온도 아래로 냉각될 것이기 때문에, 그 다음으로 와이어(42)는, 스트레이 그레디언트-코일 발생된 자속을 코일들의 주변으로부터 배제할 매우 낮은 전기 저항의 층을 형성하지만, 상기 구조체는 폐쇄된 전기 경로들 내에 적합한 전기 저항을 가질 것이기 때문에, 큰 와전류들의 발생에 또한 저항한다.

도 2a 내지 도 2cb는, 자석 코일들에 본딩된 또는 그렇지 않으면 직접적으로 고정된 전도성 클래딩의 형태로 4K 실드를 포함하는, 본 발명의 실시예들의 추가의 시리즈를 예시한다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 이러한 실시예는 적어도, 이러한 실시예가, 코일들(10)의 방사상 외측 표면들(12) 상에서, 냉각 채널들(22)을 포함하는 지지 구조체(15)에 본딩된 코일들(10)을 포함한다는 점에서, 도 1a의 실시예와 닮았다. 예시된 바와 같이, 선택적인 전기 절연층(16)이 코일들의 방사상 외측 표면과 기계적인 지지 구조체(15) 사이에 제공된다. OVC(18), 열 실드(20), 및 그레디언트 코일 어셈블리(30)는 상술된 바와 같다.

본 발명의 이러한 실시예에 따라, 각각의 코일(10)과 기계적 접촉하는, 밀접하게-커플링된(closely-coupled) 4K 실드(100)가 제공된다. 밀접하게-커플링된 4K 실드는 고순도 알루미늄 포일, 또는 초전도 포일로 제조될 수 있다. 이는 바람직하게, 예를 들어 수지-함침된 유리 섬유 직물(cloth)의 전기적으로 그리고 열적으로 절연층(102)에 의해, 연관된 코일(10)로부터 전기적으로 그리고 열적으로 절연된다.

이러한 실시예는, 도 1a 내지 도 1gb의 4K 실드보다 훨씬 더 적은 공간을 점유하고, 기계적으로 스티프 콜드 매스(10, 15)에 직접적으로 접속되는 것에 의해 훨씬 더 높은 공명 주파수를 갖는, 훨씬 더 얇은 4K 실드(100)를 이용하는 이점을 갖는다.

도 1a의 실시예에서보다 도 2a의 실시예에서, 실드(100)와 코일들(10) 사이의 열적 임피던스가 필연적으로 더 낮을 것이기 때문에, 근접한 주변부 내에 있는 코일들의 허용가능하지 않은 가열을 방지하기 위해 실드 내에서의 방산은 매우 낮은 레벨로 감소되어야 한다. 밀접-커플링된 4K 실드가 낮은 전기 저항력을 갖는다는 것을 보장함으로써, 요구되는 낮은 방산이 달성될 수 있다. 이는, NbTi 포일과 같은 초전도 물질의, 또는 (예를 들어, 제로 필드에서 RRR > 1500을 갖는) 고순도 알루미늄 클래딩의 밀접-커플링된 4K 실드를 형성함으로써 달성될 수 있다.

도 2a는, 각각의 코일 위에 클래딩으로서 형성된, 밀접-커플링된 4K 실드(100)가, 바람직하게 4K 실드와 같은 알루미늄으로 제조되는 지지 구조체(15)에 용접되는(104) 실시예를 더 구체적으로 예시한다. 초전도 물질을 지지 구조체에 용접하기 어렵다는 것이 확인될 수 있다. 예시된 바와 같이, 용접 단계를 돕기 위해, 지지 구조체의 물질 내에 립(lip)(106)을 형성하는 것이 유익하다는 것이 확인될 수 있다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 밀접-커플링된 4K 실드의 하나의 에지는 지지 구조체에 용접(104) 될 수 있는 반면, 다른 에지(107)는 접착제에 의해 부착될 수 있다. 예를 들어, STYCAST 상표 하에 Emerson and Cuming에 의해 판매되는 다양한 수지 접착제들이 적합한 것으로 확인될 수 있다. 4K 실드(100)로부터 지지 구조체(15)로의 1차 열 경로는 용접부(104)를 관통할 것이어서, 다른 단부(107)에서의 접착 접합부들보다 더 낮은 열 임피던스를 갖는다. 그럼에도 불구하고, 107에서의 접착 접합부의 허용가능한 열 임피던스 및 더 큰 표면 영역은, 유용한 정도의 열 전도가 접착 접합부들을 통해 또한 발생한다는 것을 의미한다. ??치의 경우에서 전기 절연이 파괴되지 않는다는 것을 보장하기 위해, 전기 절연층들(16, 102)은 5kV 또는 그 초과의 전압들을 견뎌야 한다.

도 2b는 도 2a의 구조체의 단순한 열적 모델을 예시한다. 전기 절연층들(16, 102)은 열 임피던스들로서 표시된다. 예시된 바와 같이, 열 부하(Q)는 열 실드(20)로부터 코일들(10)을 향하여 흑체 방사에 의해 제공된다. 이러한 열 부하는 밀접-커플링된 4K 실드(100)에 의해 인터셉트된다. 예시된 모델에서, 밀접-커플링된 4K 실드의 에지들 양측 모두는 동등한 열 전도성을 갖는 지지 구조체(15)에 부착되고, 그리고 에지들은 동등한 온도의 냉각 채널들(22)로부터 동등한 거리들로 지지 구조체에 접합되는 것으로 가정된다. 이들 조건들에서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 열 부하(Q)는, 밀접 커플링된 4K 실드(100)의 2개의 방사상-지향된 부분들 사이에서 동등하게 분할될 것이며, Q/2의 열 부하는 각각을 따라 흐를 것이다.

도 2ca는 도 2a에 도시된 바와 같은 구조체를 제조하는 방법의 중간 스테이지를 도시한다. 수지-함침된 코일들의 형성에서 통상적인 바와 같이, 몰드는 저널 표면(journal surface)(108)과 2개의 환형 유지 플레이트들(110)로 형성된다. 고순도 알루미늄 또는 초전도 포일의 압축된 채널 피스들(112)은 몰드 내부에 위치되어서, 적어도 실질적으로, 저널 표면(108) 및 환형 유지 플레이트들(110)에 의해 형성된 몰드의 내부 표면들을 커버한다. 축방향으로-확장된 갭(114)은 인접한 채널 피스들(112), 또는 그들 중 적어도 몇몇 사이에 남겨질 수 있다. 이러한 갭들은 램핑 및 ??치 동안 와전류들을 감소시킬 것이지만, 일부 열 부하가 코일들에 도달하는 것을 허용할 것이다. 대안적인 어레인지먼트에서, 이웃하는 채널 피스들(112)은, 하나의 채널 피스와 다음(next) 채널 피스 사이의 전기 전도를 방지하기 위해 그들 사이에 위치된 전기 절연 층과 오버랩하도록 위치될 수 있다. 유리 섬유 직물과 같은 다공성(porous) 전기 절연 물질(116)의 층은 채널 피스들(112)의 내측 표면들 위에 제공된다.

이러한 방식으로 준비된 몰드를 이용하여, 코일은 통상의 방식으로 몰드 내로 감겨진다. 일단 코일을 감는 것이 완료되면, 120에서 실체없이(in phantom) 도시된 몰드의 방사상 외측 부분은 몰드 캐버티를 완성하기 위해 코일들 위에 위치된다. 통상적인 바와 같이, 몰드의 방사상 외측 부분(120)의 방사상 내측 표면과 코일의 방사상 외측 표면 사이에서, 유리 비드(bead)들의 크러스트 층이 몰드 캐버티 내에 제공될 수 있거나 또는 유리 직물의 크러스트(crust) 층이 몰드 캐버티 내에서 코일 위에 감겨질 수 있다. 그 다음으로, 통상적인 바와 같이, 코일, 전기 절연층(116), 및 크러스트 층(16)은 경화된(cured) 수지로 함침된다. 전기 절연층(116)은 도 2a에 도시된 바와 같이 전기 절연층(102)이 된다. 도 2a에 도시된 바와 같은 어레인지먼트들에서, 몰드의 방사상 외측 부분(120)은 지지 구조체의 섹션일 수 있다. 이러한 경우에, 몰드의 방사상 외측 부분(120)의 방사상 내측 표면은, 코일의 수지와 지지 구조체의 섹션 사이에 양호한 본드를 제공하도록 처리될 수 있다. 다른 어레인지먼트들에서, 몰드의 방사상 외측 부분(120)의 방사상 내측 표면은, 그것이 코일의 수지에 본딩되지 않는다는 것을 보장하기 위해 릴리즈 컴파운드(release compound)를 이용하여 처리될 수 있고, 그 다음으로 그와 같이 형성된 수지 함침된 코일은 별개의 본딩 단계에서 다른 지지 구조체에 본딩될 수 있다.

바람직하게, 그리고 도 2ca에 예시된 바와 같이, 각각의 채널 피스(112)의 하나의 에지(118)는 몰드로부터 돌출되고, 함침 단계 동안 수지의 레벨 위로 유지된다. 이는, 도 2a의 104에서 도시된 바와 같이, 그러한 에지들이 용이하게 용접될 수 있도록, 그러한 에지들이 깨끗하게 유지되는 것을 보장한다.

도 2ca를 참조하여 기술된 방법은, "단일 단계" 프로세스로 지칭될 수 있는데, 그 이유는, 코일들이 형성되고, 함침되고, 그리고 밀접-커플링된 4K 실드(100)를 갖는 것 모두가 동일한 프로세싱 단계 내에 있기 때문이다.

대조적으로, 도 2cb는 도 2a에 도시된 바와 같은 구조체를 제조하는 "2-단계" 방법의 중간 스테이지를 도시한다. 이러한 방법에서, 코일들(10)은 임의의 편리한, 통상의 방법에 의해 감겨지고, 함침되고, 그리고 지지 구조체(15)에 본딩된다. 예를 들어, 코일은 도 2ca에 도시된 것과 유사한 몰드 내로 감겨지고, 그리고 함침 단계 동안 지지 구조체(15)에 본딩될 수 있거나, 또는 개별적으로 함침되고, 그리고 별개의 단계에서 지지 구조체에 본딩될 수 있다. 도 2ca의 116에서와 같이, 전기 절연층은 감는 단계 및 함침 단계 동안 코일들에 적용될 수 있다. 대안적으로, 어떠한 이러한 층도 그러한 스테이지에서 적용되지 않을 수 있다.

이러한 방법의 제 2 단계에서, 채널 피스들(112)은 코일들(10)의 축방향 및 방사상 내측 표면들을 커버하기 위해 부착된다. 이는, 에폭시 수지 접착제의 층을 적용함으로써 달성될 수 있으며, 예를 들어, STYCAST 상표 하에 Emerson and Cuming에 의해 판매되는 다양한 수지 접착제들 중 임의의 접착제들이 적합한 것으로 확인될 수 있다. 대안적으로, 그리고 감는 단계 및 함침 단계 동안 어떠한 전기 절연층도 코일 상에 제공되지 않는다면, 채널 피스들(112)의 내측 표면들은, 유리 섬유 직물과 같은 비경화된(uncured) 수지-함침된 전기 절연층(116)으로 커버될 수 있다. 그 다음으로, 채널 피스들(112)을 코일들 상으로 본딩하기 위해, 채널 피스들(112)이 경화된, 수지-함침된 전기 절연층(116) 및 코일에 적용된다.

도 2ca의 실시예에서와 같이, 에지들(118)은, 용접 단계(104)와 간섭하지 않도록, 수지 없이 유지되어야 한다. 다른 실시예들에서와 같이, 전도성 채널 피스들(112)은 지지 구조체(15)에 용접되거나 또는 접착식으로 본딩될 수 있다.

상술된 바와 같이, 채널 피스들은 바람직하게, 5N 순도 알루미늄과 같은 고순도 알루미늄, 또는 NbTi 포일과 같은 초전도 포일이다. 다른 물질들이 이용될 수 있지만, 고순도 알루미늄이 현재, 용이하게 이용가능하고, 비교적 저렴하고, 그리고 높은 전도성인 것으로 확인되었다.

모든 경우들에서, ??치 동안 절연파괴(electrical breakdown)를 방지하기 위해, 그리고 절연층(102)의 열 저항을 통해 코일들(10)로 전달되는 열의 양을 제한하기 위해, 강인한 전기 절연, 그리고 현저한 열 절연(102)이, 4K 실드를 형성하는 채널 피스들(112)과 코일들(10) 사이에 위치되는 것이 중요하다. 자석의 램핑 동안 4K 실드(100)의 과도한 와전류 가열을 방지하기 위해 채널 피스들(112) 사이에 브레이크들(114)을 포함하는 것이 또한 바람직하다.

따라서, 본 발명은, 건식 또는 최소-한제 자석 시스템들의 초전도 코일들 내에서 ??칭을 야기할 수 있는 스트레이 자기장들 또는 유도 가열에 의한, 그레디언트 코일 상호작용의 위험을 감소시키는데 유용한 4K 실드를 제공한다. 실드는 또한, 이러한 자석 시스템 내 4K에서 그레디언트 코일 유도 가열(GCIH)을 감소시키도록 기능한다.

실시예들의 하나의 그룹에서, 4K 실드는, 코일들 그 자체들을 통한 루트보다는 4K 실드로부터 냉각 어레인지먼트로 열 흐름에 대해 더 적은 임피던스를 제공하는 방식으로, 코일들로부터 멀리 이격되지만, 콜드 매스에 장착되는 냉각된 튜브를 포함한다. 4K 실드의 메인 공명 주파수들이 이미징 동안 여기된 것들보다 더 높도록, 실드 지지부들이 배열될 수 있다. 일 실시예에서, 4K 실드는, 냉각 시스템에 대한 열-부하를 최소화하기 위해 높은 전도성 물질과 면한다. 이러한 실시예의 특정 이점들은, 제조의 용이함, 요구되는 전기 절연 완전성을 달성하는 것의 용이함, 코일과 실드 사이의 양호한 열적 분리, 그리고 실드 시스템의 동적 튜닝을 위한 매우 양호한 범위이다.

실시예들의 다른 그룹에서, 코일들은, 코일들에 밀접하게 기계적으로 커플링된, 냉각된 높은 전도성 클래딩을 갖는다. 이들 실시예들은 더 적은 방사상의 공간을 차지하고, 스티프 콜드-매스에 고정되는 것에 의해 높은 공명 주파수(>3000㎐)의 요건을 용이하게 달성한다. 이러한 어레인지먼트들의 주요한 도전은, 밀접하게 커플링된 실드로부터 코일에 전도되는 열을 최소화하는 것이다. 이는, 코일들과 클래딩 사이의 절연층의 주의깊은 선택 및 높은 전도성 물질들의 이용에 의해 달성될 수 있다.

냉각된 튜브를 이용하는 실시예들의 제 1 그룹은, 요구되는 5kV 전압 절연을 달성하는 것의 상대적 용이함 그리고 제조하는 것의 용이함의 이점들을 갖는다.

본 발명에 의해 제공된 4K 실드들은 코일들을 위해 흑체 방사 실딩을 제공하고, 그리고 코일들을 위해 자기 실딩을 제공하여서, GCIH로 인한 코일 온도 증가가, 자석 ??치를 일으키는 임계치 아래로 유지한다. 이러한 목적들은, 본 발명에 따라, 최소 가능 방사상의 공간으로 구현될 수 있고, 자석 코일들과 접지 전위 사이의 요구되는 전압 절연을 달성하는, 제조하기 용이한 방식으로 그리고 냉각된 컴포넌트들 내에서의 열의 최소 방산과 함께 달성될 수 있다.

Claims

초전도 와이어의 복수의 수지-함침된(resin-impregnated) 축방향으로-정렬된 환형 코일들(10) 및 상기 코일들보다 더 큰 직경의 튜브형 지지 구조체(15)를 포함하는 실린더형 초전도 자석 구조체로서, 상기 축방향으로-정렬된 환형 코일들은 자신의 방사상 외측 표면들(12)에 의해 상기 코일들보다 더 큰 직경의 상기 튜브형 지지 구조체(15)에 본딩되고, 상기 실린더형 초전도 자석 구조체는 상기 튜브형 지지 구조체에 접속된, 극저온의 온도로 냉각하기 위한 수단을 더 포함하고,
상기 코일들은 자신의 방사상 내측 표면과 자신들의 축 사이에 열 방사 실드(shield)를 갖고,
상기 열 방사 실드는, 금속의 실린더(24)와 상기 튜브형 지지 구조체(15) 사이의 열 저항이, 상기 코일들 각각과 상기 튜브형 지지 구조체 사이의 각각의 개별 열 저항보다 더 적도록, 낮은 열 저항을 갖는 구조체들에 의해 상기 튜브형 지지 구조체에 열적으로 링크되고(26; 32; 28), 축방향 및 원주방향 간격들에서 상기 튜브형 지지 구조체에 기계적으로 접합되는 상기 금속의 실린더(24)를 포함하는,
실린더형 초전도 자석 구조체.
제 1 항에 있어서,
상기 금속의 실린더(24)는 축방향으로 복수의 실린더들(24a)로 분할되고, 상기 복수의 실린더들(24a) 각각은 상기 튜브형 지지 구조체에 기계적으로 그리고 열적으로 접합되는,
실린더형 초전도 자석 구조체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 금속의 실린더(24)는 0.3m 또는 그 미만의 축방향 및 원주방향 간격들에서, 상기 튜브형 지지 구조체(15)에 기계적으로 그리고 열적으로 접합되는,
실린더형 초전도 자석 구조체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 열 방사 실드는, 상기 튜브형 지지 구조체(15)에 기계적으로 그리고 열적으로 접합된 제 1 전기 전도성의 제 1 금속의 실린더(24)를 포함하고, 상기 실린더(24)는 상기 실린더(24)의 상기 방사상 내측 표면에 적용된, 상기 제 1 전기 전도성보다 더 큰 제 2 전기 전도성의 제 2 금속의 클래딩(cladding)(40)을 갖는,
실린더형 초전도 자석 구조체.
제 4 항에 있어서,
상기 제 2 금속의 클래딩(40)은 적어도 99.999% 순도의 알루미늄을 포함하는,
실린더형 초전도 자석 구조체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 열 방사 실드는, 상기 실린더의 상기 방사상 내측 표면에 적용된 초전도 와이어들(42)의 패턴을 갖는, 상기 튜브형 지지 구조체(15)에 기계적으로 그리고 열적으로 접합된 금속의 실린더를 포함하는,
실린더형 초전도 자석 구조체.
초전도 와이어의, 복수의 축방향으로-정렬된 환형 코일들(10)을 포함하는 실린더형 초전도 자석 구조체로서, 상기 코일들(10)은 상기 코일들의 방사상 외측 표면과 기계적 접촉하는 튜브형 지지 구조체(15)를 통한 열 전도에 의한 냉각을 위해 배열되고,
상기 코일들은, 자신들의 방사상 내측 표면과 자신들의 축 사이에 열 방사 실드를 갖고,
상기 열 방사 실드는 상기 튜브형 지지 구조체(15)와 열 접촉하는 금속 포일 층(100)을 포함하고,
상기 금속 포일 층(100)은 컨포멀(conformal) 부분을 포함하고, 전기적 및 열적 절연 층(102)이 상기 코일들 각각과 상기 금속 포일 층(100) 사이에 개재되고,
상기 금속 포일 층(100)의 컨포멀 부분은 또한 각각의 코일의 축방향으로-지향된 표면들 위에 적용되고, 상기 전기적 및 열적 절연 층(102)은 또한 상기 축방향으로-지향된 표면들 상의 각각의 코일과 대응하는 금속 포일 층 사이에 개재되어, 각각의 금속 포일 층과 상기 튜브형 지지 구조체 사이의 열 저항이, 각각의 개별 코일과 상기 튜브형 지지 구조체 사이의 열 저항보다 더 적은,
실린더형 초전도 자석 구조체.
제 7 항에 있어서,
상기 금속 포일 층(100)은 전기 전도성에 있어서의 브레이크(break)들(114)을 갖는,
실린더형 초전도 자석 구조체.
제 8 항에 있어서,
상기 전기 전도성에 있어서의 브레이크들은 상기 축에 평행한 방향으로 지향됨으로써, 상기 금속 포일 층(100)의 원주방향 전도성을 제한하는,
실린더형 초전도 자석 구조체.
제 7 항에 따른 실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법으로서,
상기 코일들 각각에 대해, 저널(journal) 표면(108) 및 2개의 환형 유지 플레이트들(110)을 포함하는 몰드를 제공하는 단계;
금속 포일 층들을 형성하기 위해, 상기 저널 표면(108) 및 상기 환형 유지 플레이트들(110)에 의해 형성된 상기 몰드의 내부 표면들을 적어도 실질적으로 커버하는 전기 전도성 채널 피스들(112) ― 상기 전기 전도성 채널 피스들(112) 각각은 방위각 범위(azimuthal extent)가 제한됨 ― 을, 각각의 코일에 대해, 상기 몰드 내부에 위치시키는 단계;
각각의 코일에 대해, 상기 채널 피스들(112)의 상기 내측 표면들 위에 다공성(porous) 전기 절연 물질의 층(116)을 제공하는 단계;
각각의 코일들(10)을 상기 채널 피스들 내의 상기 다공성 전기 절연 물질 내에 감는 단계;
각각의 몰드 캐버티(cavity)들을 완성하기 위해 상기 코일들 위에 튜브형 지지 구조체(15)를 위치시키는 단계;
수지로 상기 코일들, 그리고 상기 다공성 전기 절연 물질의 층(116)을 함침하는 단계 ― 상기 수지는 그 후에 경화됨 ―; 및
상기 저널 표면(108) 및 상기 환형 유지 플레이트들(110)을 제거하는 단계
를 포함하는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 전기 전도성 채널 피스들은 고순도 알루미늄 또는 초전도 포일로 구성되는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
축방향으로-연장하는 갭(114)은 인접한 채널 피스들(112), 또는 상기 인접한 채널 피스들(112) 중 적어도 일부 사이에 남겨지는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
이웃하는 채널 피스들(112)은, 하나의 채널 피스와 다음(next) 채널 피스 사이의 전기 전도를 방지하기 위해, 상기 이웃하는 채널 피스들 사이에 위치되는 전기 절연 층과 오버랩하도록 위치되는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
유리 직물(cloth)의 크러스트 층은, 상기 몰드 캐버티 내에서 상기 코일의 방사상 외측 표면과 상기 몰드의 방사상 외측 부분(120)의 방사상 내측 표면 사이에서 상기 코일 위에 감겨지고,
상기 크러스트 층은 상기 함침하는 단계 동안 수지로 함침되는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
유리 비드(bead)들의 크러스트 층은, 상기 몰드 캐버티 내에서 상기 코일의 방사상 외측 표면과 상기 몰드의 방사상 외측 부분(120)의 방사상 내측 표면 사이에 제공되고,
상기 크러스트 층은 상기 함침하는 단계 동안 수지로 함침되는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 몰드의 방사상 외측 부분(120)은 상기 지지 구조체의 섹션이고, 상기 몰드의 방사상 외측 부분(120)의 방사상 내측 표면은, 상기 수지와 상기 지지 구조체의 섹션 사이에 양호한 본드를 제공하도록 처리되는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 몰드의 방사상 외측 부분(120)의 방사상 내측 표면은, 그것이 상기 코일의 상기 수지에 본딩되지 않는다는 것을 보장하기 위해 릴리즈 컴파운드(release compound)를 이용하여 처리되고,
그와 같이 형성된 상기 수지 함침된 코일은 별개의 본딩 단계에서 다른 지지 구조체에 본딩되는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
각각의 채널 피스(112)의 에지(114)는 상기 몰드로부터 돌출되고, 상기 함침하는 단계 동안 상기 수지의 레벨 위로 유지되는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 7 항에 따른 실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법으로서,
초전도 코일들(10)을, 열적으로 전도성의 튜브형 지지 구조체(15)에 감고, 함침하고, 그리고 본딩하는 단계;
상기 코일들의 축방향 및 방사상 내측 표면들 위에 전기 절연 층(102; 116)을 적용하는 단계;
금속 포일 층을 형성하고 상기 코일들의 상기 축방향 및 방사상 내측 표면들을 커버하기 위해, 상기 전기 절연층 위에 채널 피스들(112)을 부착하는 단계
를 포함하는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 채널 피스들은 에폭시 수지 접착제의 층에 의해 부착되는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
상기 감고, 함침하고, 그리고 본딩하는 단계 동안,
상기 전기 절연층은, 전기 절연 필러(filler) 층(116)으로 몰드를 라이닝하여, 상기 필러 층 내에 상기 코일을 감고, 그리고 상기 코일을 함침하는 단계 동안 수지로 상기 필러 층을 함침함으로써, 적용되는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 20 항에 있어서,
상기 전기 절연 층을 적용하는 단계 및 상기 채널 피스들을 부착하는 단계는,
상기 채널 피스들을 상기 코일들 상으로 본딩하기 위해, 비경화된 수지-함침된 전기 절연층(116)으로 상기 채널 피스들의 내측 표면들을 커버하는 단계, 상기 채널 피스들을 상기 코일에 적용하는 단계, 및 상기 수지-함침된 전기 절연층을 경화시키는 단계를 포함하는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 10 항, 제 11 항, 제 19 항, 제 20 항 또는 제 22 항에 있어서,
상기 채널 피스들을 상기 지지 구조체에 용접하는 단계를 더 포함하는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
제 10 항, 제 11 항, 제 19 항, 제 20 항 또는 제 22 항에 있어서,
상기 채널 피스들을 상기 지지 구조체에 접착식으로 본딩하는 단계를 더 포함하는,
실린더형 초전도 자석 구조체를 제조하는 방법.
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