KR101891596B1 - 초전도 자석 충전 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

컨테이너로부터 자석에의 액화 헬륨의 유동을 제어하기 위해 기체 헬륨을 사용함으로써, 초전도 자석을 충전하는 방법 및 장치가 개시된다. 액화 헬륨의 컨테이너 내의 기체 헬륨의 압력을 측정함으로써, 액화 헬륨의 유동을 정지시켜야 할 시기를 결정할 수 있다. 이는 듀어로부터 초전도 자석에의 액체 헬륨의 전달 중에 발생할 수 있는 켄치 및 헬륨 손실을 저감할 수 있다.

Description

초전도 자석 충전 방법 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR FILLING SUPERCONDUCTIVE MAGNETS}

초전도 자석을 충전하는 방법이 개시된다. 크라이오스탯(cryostat: 저온 유지 장치)(듀어(dewar))으로부터의 액체 헬륨을 초전도 자석에 충전할 때 켄치(qhenches: 냉각)를 저감하는 장치 및 방법이다. 상기 방법은 상기 듀어로부터 상기 초전도 자석에의 액체 헬륨의 전달 중에 발생할 수 있는 헬륨 손실을 저감하게 된다.

초전도 자석 또는 다른 유형의 자석을 사용하는 자기 공명 영상(MRI) 및 핵자기 공명 영상(NMR) 시스템은 의료 진단 등의 분야에서 채용된다. 상기 초전도 자석은 헬륨 저장기에 내포된 액체 헬륨에 적어도 부분적으로 담궈지는 메인 코일을 갖는 코일 어셈블리를 포함한다. 상기 저장기는 진공 엔클로저(vacuum enclosure)에 의해 둘러싸이는 이중 열 차폐물에 의해 둘러싸이는 것이 보통이다. Nb-Ti 초전도 코일은 대략 4켈빈(Kelvin)의 온도에서 작동하는 것이 보통이며, Nb-Sn 초전도 코일은 대략 10켈빈의 온도에서 작동하는 보통이다. 상기 코일 에셈블리는 상기와 같은 온도로 냉각될 때 초전도성으로 되며, 자기장 강도는 현저한 추가 에너지 입력 없이 유지된다.

초전도 자석의 작동에 필요한 것은 냉각제의 존재이다. 이 냉각제는 상기 자석 코일의 재료를 초전도 상태에 이르게 하는데 필요한 저온을 달성할 수 있는 액체 헬륨일 수 있다. 저온에 대한 이러한 필요성은 상기 자석 내의 저장기가 상기 자석 코일을 초전도성으로 되게 할 정도의 냉온에서 충분한 양의 액체 헬륨으로 충전되어야만 한다는 것을 필요하게 만든다. 상기 자석은 상기 초전도 코일이 여기될 수 있기 전에 액체 냉각제로 충전되어야 한다.

이들 자석을 충전하는데 있어서의 통례는 상기 듀어로부터 휘파람 소리가 들릴 때까지 액체 헬륨을 내포하고 있는 듀어 내로 푸시 가스(push gas)를 전달하는 것이다. 이 휘파람 소리는, 냉간 기체 헬륨이 침적관(dip tube)에 진입하고 있음을 나타내는 한편, 액체 헬륨이 상기 듀어로부터 더 이상 취출될 수 없음을 나타낸다. 상기 휘파람 소리가 들리면, 상기 액체 헬륨의 전달은 즉시 중단되며, 현재 비어 있는 듀어에 원하는 레벨의 액체 헬륨이 달성되어 있지 않으면, 새로운 충만 듀어(full dewar)가 연결된다.

듀어는 레벨계(level meters)에 내장되어 이용될 수 있지만, 이들 듀어는 매우 고가일 수 있으며, 그 레벨계는 종종 부정확하다.

상기 휘파람 소리는, 냉간 기체 헬륨이, 또는 냉간 기체 헬륨과 액체 헬륨의 이상 유동(two phase flow)이 상기 자석의 크라이오스탯에 진입하고 있음을 또한 나타낸다. 이는 상기 냉간 기체 헬륨이 초전도 자석에 켄치를 야기할 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 상기 냉간 기체 헬륨은 상기 초전도 자석의 크라이오스탯에서 액체로서 수집되지 않는다. 상기 가스는 상기 자석의 배기/릴리프 밸브 또는 바이패스 밸브를 통해 대기에 배출됨으로써, 전달 프로세스 시스템으로부터 이 헬륨의 완전한 손실을 초래한다.

듀어로부터 초전도 자석의 크라이오스탯에 액체 헬륨을 전달할 때 발생할 수 있는 다른 문제점은 느린 충전(slow filling)이다. 이 경우에, 액체 헬륨의 전달 속도는, 통상 상기 듀어에서 전달되는 분당 6-9리터(6-9 lpm)인 정상 전달 속도보다 느리다.

느린 충전은 전달 시스템에서의 비정상 상태의 지표이다. 상기와 같은 상태는 전달 라인에서의 진공의 손실, 불충분한 듀어 압력, 상기 전달 라인 또는 자석 입구에서의 차가운 공기 또는 냉기의 형성, 또는 상기 초전도 자석의 배기/압력 릴리프 밸브의 고장으로 될 수 있다.

느린 충전이 관찰되면, 일련의 교정 동작이 즉시 취해져야만 하며, 그렇지 않으면 켄치 발생의 위험이 증가하고, 잦은 느린 충전은 액체 헬륨의 과도한 손실을 초래한다.

따라서, 전달 프로세스가 개시된 후에 가급적 신속하게 느린 충전을 검출하는 것이 바람직하다.

통상적으로 느린 충전은 특정 시간, 일반적으로 5분 내지 10분에 걸쳐 초전도 자석 레벨계의 증가를 관찰함으로써 검출되지만, 이 방법의 단점은 상기 관찰의 신뢰도가 상기 초전도 자석 레벨계의 정밀도 및 자석 유형마다 상이한 상기 크라이오스탯의 총 용량에 의존한다는 점이다. 이 부정확은 상기 느린 충전의 진단시에 에러를 유발할 수 있으며, 켄치 및 헬륨의 손실을 초래할 수 있다.

일 실시형태에 있어서, 기체 헬륨을 액화 헬륨의 컨테이너에 공급하는 단계; 액화 헬륨을 상기 자석에 공급하는 단계; 상기 컨테이너에의 상기 기체 헬륨의 유량을 측정하는 한편, 상기 컨테이너 내의 상기 기체 헬륨의 압력을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 압력이 정점 값에 이르러 강하하기 시작할 때 상기 액화 헬륨의 유동을 정지시키는 단계를 포함하는, 자석을 충전하는 방법이 개시되어 있다.

다른 실시형태에 있어서, 기체 헬륨을 액화 헬륨을 내포하는 듀어에 공급하는 단계; 액화 헬륨을 자석에 공급하는 단계; 상기 기체 헬륨의 유량을 측정하는 단계; 상기 듀어 내의 상기 기체 헬륨의 압력을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 압력이 정점 값에 이르러 강하하기 시작할 때 상기 액화 헬륨의 유동을 정지시키는 단계를 포함하는, 충전 프로세스를 정지시키는 방법이 개시되어 있다.

상이한 실시형태에 있어서, 듀어로부터 초전도 자석의 크라이오스탯에의 액체 헬륨의 느린 전달(slow transfer)을 검출하는 방법으로서, 기체 헬륨을 액화 헬륨의 컨테이너에 공급하는 단계; 액화 헬륨을 상기 자석에 공급하는 단계; 상기 컨테이너로부터 상기 기체 헬륨의 유량을 측정하는 한편, 상기 컨테이너에서 푸시된 액화 헬륨의 양을 측정하는 단계; 및 상기 기체 헬륨의 유량 대 상기 컨테이너에서 푸시된 액화 헬륨의 양의 비가 6 또는 7 대 1과 상이할 때 상기 기체 헬륨의 유동을 정지시키는 단계를 포함하는 방법이 개시되어 있다.

기체 헬륨의 컨테이너; 액화 헬륨의 컨테이너; 상기 기체 헬륨의 컨테이너를 상기 액화 헬륨의 컨테이너와 연결하는 유체 연결 수단; 상기 기체 헬륨의 유량을 측정하는 수단; 및 상기 액화 헬륨의 컨테이너 내의 상기 기체 헬륨의 압력을 측정하는 수단을 포함하는 장치가 또한 개시되어 있다.

자기 공명 영상(MRI) 장치와 같은 디바이스에 존재하는 초전도 자석의 크라이오스탯은, 일반적으로 듀어인 액화 헬륨의 컨테이너로부터의 액체 헬륨으로 충전된다. 가스 실린더 또는 가스 배관 등의 외부 공급원으로부터의 기체 헬륨은 상기 듀어를 가압하는데 사용된다. 이 가압은 상기 듀어로부터 크라이오스탯에 액체 헬륨을 전달하는데 필요한 압력으로 된다.

상기 기체 헬륨은 "푸시 가스(push gas)"로서 인용되며 압력 조정기(pressure regulator)를 사용하여 상기 듀어의 두부 공간(head space)에 도입된다. 상기 압력 조정기는 상기 듀어 내의 압력을 상대적으로 일정하게 유지하게 된다. 상기 푸시 가스에 의해 제공된 과압(overpressure)은 상기 듀어 내측에 설치된 침적관을 통해 상기 듀어에서 상기 액체 헬륨을 푸시한다. 상기 침적관은 상기 듀어의 저부 근처에 위치된 입구 연결부를 갖는 한편, 상기 듀어 외측에 위치된 출구 연결부를 갖는다.

상기 침적관 출구는 상기 자석 내의 크라이오스탯의 입구 터릿(inlet turret)에 연결되는 액체 헬륨 전달 라인에 연결된다. 상기 듀어로부터 휘파람 소리가 들릴 때까지 상기 푸시 가스를 듀어 내로 전달하는 것이 통례이다. 이 휘파람 소리는 냉간 기체 헬륨이 상기 침적관에 진입하고 있음을 나타내는 한편, 액체 헬륨이 상기 듀어로부터 더 이상 취출될 수 없음을 나타낸다. 휘파람 소리가 들리면, 상기 액체 헬륨의 전달은 즉시 중단되며, 현재 비어 있는 듀어에 원하는 레벨의 액체 헬륨이 달성되어 있지 않으면 새로운 충만 듀어가 연결된다.

상기 휘파람 소리가 들리면, 이는, 냉간 기체 헬륨이, 또는 냉간 기체 헬륨과 액체 헬륨의 이상 유동이 상기 자석의 크라이오스탯에 진입하고 있음을 나타낸다. 이는 상기 냉간 기체 헬륨이 초전도 자석에 켄치를 야기할 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 상기 냉간 기체 헬륨은 상기 초전도 자석의 크라이오스탯에서 액체로서 수집되지 않는다. 상기 가스는 상기 자석의 배기/릴리프 밸브 또는 바이패스 밸브를 통해 대기에 배출됨으로써, 전달 프로세스 시스템으로부터 이 헬륨의 완전한 손실을 초래한다.

본 발명은 액체 헬륨의 전달이 중단되어야 하는 시점을 상기 듀어의 휘파람 소리 전에 결정한다. 이 시점은 상기 컨테이너 내의 기체 헬륨의 측정된 압력이 정점 또는 최대값에 이르러 압력이 내려가기 시작하는 시기이다. 충전 기구는 즉시 정지되고 충전 작업을 멈춘다. 이는 상기 자석의 켄치의 발생 가능성뿐만 아니라 상기 전달 프로세스 시스템으로부터의 기체 헬륨의 손실을 감소시키게 된다.

상기 방법은 도너 크라이오스탯(donor cryostat)을 가압하기 위한 푸시 가스의 사용에 의해 액체 헬륨이 하나의 크라이오스탯에서 다른 크라이오스탯에 전달되는 임의의 시스템에 채용될 수 있다. 이는 듀어로부터 MRI 초전도 자석에의 전달; 듀어로부터 NMR 초전도 자석에의 전달; 및 ISO 등의 이동식 저장 탱크로부터 MRI 또는 NMR 초전도 자석에의 전달을 포함한다.

액체 헬륨의 느린 전달이 또한 문제가 되며, 이는 충전 장비 또는 충전 프로세스에서의 문제점을 나타낼 수 있다. 느린 충전은 상기 기체 헬륨의 유량 대 상기 컨테이너에서 푸시된 액화 헬륨의 양의 비가 6 또는 7 대 1보다 작을 때로서 규정되는 것이며, 느린 충전 속도가 존재하면 충전 작업은 신속하게 중단되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 헬륨 충전 시스템의 개요도.
도 2는 듀어에 헬륨을 충전하기 위한 시간에 대한 듀어 압력을 나타내는 그래프.
도 3은 듀어 충전 작업을 위한 충전 시간에 대한 헬륨의 푸시 가스 유동을 나타내는 그래프.

도 1을 참조하면, 액체 헬륨 충전 프로세스의 개요도가 도시된다. 헬륨 가스 실린더(A)는 유체 연결 수단(2)에 의해 액화 헬륨 듀어에 연결된다. 기체 헬륨은 기체 헬륨의 압력을 조절하는데 사용될 수 있는 2단 압력 조정기(two-stage pressure regulator)(1)를 통해 계량된다. 유체 연결 수단(2)은 호스일 수 있다.

전달 감시 및 제어 유닛(D)은, 유체 연결 수단(2)에서의 기체 헬륨의 유량(F1)을 측정하는 한편, 이 데이터를 상기 제어 유닛(D)에 전송할 수 있는 라인(4)을 통해 유체 연결 수단(2)에 연결된다. 유체 연결 수단(2)은 액화 헬륨을 내포하는 상기 듀어(B)에의 입력과 연결되고, 상기 액화 헬륨은 상기 듀어(B) 내의 탱크(7)에 존재한다. 침적관(6)은 MRI 스캐너와 같이 자석을 에워싸는 디바이스(C)의 자석에 헬륨을 전달할 수 있는 라인(3)에 탱크(7) 내의 헬륨을 연결한다. 라인(5)은 액체 헬륨 컨테이너(B)와 제어 유닛(D)을 연결하는 한편, 상기 탱크(7)의 상부에서의 헬륨 가스의 압력에 관한 데이터를 전송한다.

상기 제어 유닛(D)은 유체 연결 수단(2) 내의 헬륨 가스의 유량뿐만 아니라 액체 헬륨을 유지하는 탱크(7)의 목부 또는 상부에서의 그 압력을 측정하게 되는 프로그램가능 논리 제어(PLC: programmable logic control) 디바이스일 수 있다. 상기 제어 유닛(D)은 상기 탱크(7) 내의 압력이 특정한 미리 결정된 값을 초과하는 시기를 측정하고, 상기 헬륨 가스 실린더(A)에 신호를 송신하여 유체 연결 수단(2)을 통한 헬륨 가스의 유동을 정지시키게 된다. 이렇게, 상기 디바이스(C)의 자석 내의 크라이오스탯의 충전은 휘파람 소리가 발생하기 전에 및 켄치 및 헬륨의 손실이 발생하기 전에 정지되게 된다.

도 2는 액체 헬륨을 듀어에 공급하는 시간(초)에 대한 듀어의 압력(mbar(g))을 묘사하는 그래프를 나타낸다. 상기 듀어의 압력은 헬륨의 충전을 정지해야 하는 시기를 결정하는 기존의 기술 하에서 듀어가 휘파람 소리를 내기 전 대략 13분에 상승하기 시작한다. 이 압력 상승은 상기 압력 조정기의 작동을 통해서보다는 오히려 충전 프로세스 자체에 기인한다. 압력 증가는 정점까지 가속되고 나서 급강하한다. 충전 작업은 상기 듀어 내의 기체 헬륨의 압력이 정점에 이르러 감소하기 시작할 때 정지해야 한다. 그렇지 않으면, 헬륨이 상기 크라이오스탯에 진입하고 그 결과 해로운 켄치를 야기할 수 있다.

상기 듀어 내의 헬륨 가스의 압력은 임의의 종래의 수단에 의해 측정될 수 있으며, 압력이 정점에 이르러 감소하기 시작할 때, 상기 제어 유닛에 상기 충전 작업을 정지하라는 신호가 송신될 수 있다. 따라서, 도 1에 따른 작업을 참조하면, 압력 변환기 및 인디케이터(P1)가 상기 듀어 내의 기체 헬륨의 압력이 정점에 이르러 강하하기 시작하는 것을 표시할 때, 신호가 라인(5)을 통해 상기 전달 감시 및 제어 유닛(D)에 송신되게 된다. 상기 가스 실린더(A)로부터의 기체 헬륨의 유동은 상기 전달 감시 및 제어 유닛(D)에 의해 정지되게 된다.

도 3에 있어서의 그래프는 시간(초)에 대한 푸시 가스의 유량(분당 정상 리터(Nl/min))을 도시한다. 이 그래프에서 주지된 바와 같이, 듀어 압력이 안정화되면, 푸시 가스 유량은 거의 일정해진다. 상기 듀어 내로의 헬륨 푸시 가스 유동과 상기 듀어 외부로 (그리고 자석의 크라이오스탯 내로) 푸시된 액체 헬륨의 양과의 비는 약 6 내지 7 대 1로 일정하다. 이 상수는 상기 자석 및 상기 듀어의 내용물; 자석 유형; 및 상기 자석 및 상기 듀어의 압력과 같은 주요 프로세스 변수와 관계없이 드러나 있다.

이후, 작업시에, 푸시 가스 유동 대 액체 헬륨의 양의 비가 6 또는 7 대 1의 비로부터 표유(漂遊)할 때, 상기 충전 작업은 가급적 유효하게 진행되지 않고, 이는 느린 또는 부적절한 충전이 계속되고 있음을 나타낼 수 있다.

따라서, 도 1에 관한 기재를 참조하면, 상기 전달 감시 및 제어 유닛(D)은 유량계(F1) 데이터를 라인(4)을 통해 데이터로서 수신하는 한편, 라인(3)을 통해 듀어(B)를 나가는 액체 헬륨의 용적을 P1 및 라인(5)을 통해 데이터로서 수신하게 된다. 상기 전달 감시 및 제어 유닛(D)은 이 데이터에 의거하여 상기 헬륨 푸시 가스의 유량 대 상기 듀어에서 푸시된 액화 헬륨의 양의 비를 계산하게 된다. 이 값이 6 또는 7 대 1로부터 표유하면, 상기 유량계에 경보가 송신되고, 기체 헬륨 유동이 정지된다. 이후, 상기 충전 작업의 조작자는, 상기 비를 6 또는 7 대 1로부터 표유하게 하는 느린 충전 상태가 존재하거나, 또는 몇몇 다른 상태가 존재하는지를 조사할 수 있다. 이는 결과적으로 헬륨의 손실로 되는 켄칭 상황의 발생을 막을 수 있다.

본 발명이 그 특정 실시형태에 관하여 기술되었지만, 본 발명의 다수의 다른 형태 및 변경이 당업자에게 자명할 것임은 명백하다. 본 발명에 첨부된 특허청구범위는 일반적으로 발명의 정신 및 범위 내에서의 모든 자명한 형태 및 변경을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

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19. 듀어로부터 초전도 자석의 크라이오스탯(cryostat)에의 액체 헬륨의 느린 전달(slow transfer)을 검출하는 방법에 있어서,
    기체 헬륨을 액화 헬륨의 컨테이너에 공급하는 단계;
    액화 헬륨을 상기 자석에 공급하는 단계;
    상기 컨테이너로부터 상기 기체 헬륨의 유량을 측정하는 한편, 상기 컨테이너에서 푸시된 액화 헬륨의 양을 측정하는 단계; 및
    상기 기체 헬륨의 유량 대 상기 컨테이너에서 푸시된 액화 헬륨의 양의 비가 6 또는 7 대 1과 상이할 때 상기 기체 헬륨의 유동을 정지시키는 단계를 포함하는
    액체 헬륨의 느린 전달 검출 방법.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 컨테이너는 듀어인
    액체 헬륨의 느린 전달 검출 방법.
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 기체 헬륨은 상기 듀어의 상부에 공급되는
    액체 헬륨의 느린 전달 검출 방법.
22. 제 20 항에 있어서,
    상기 측정된 압력은 상기 듀어에서 측정되는
    액체 헬륨의 느린 전달 검출 방법.
23. 제 19 항에 있어서,
    상기 액화 헬륨의 유동은 상기 기체 헬륨의 유동에 의해 제어되는
    액체 헬륨의 느린 전달 검출 방법.
24. 제 19 항에 있어서,
    상기 액화 헬륨의 유동은 상기 기체 헬륨의 유동을 정지시킴으로써 정지되는
    액체 헬륨의 느린 전달 검출 방법.
25. 제 19 항에 있어서,
    상기 자석은 초전도 자석인
    액체 헬륨의 느린 전달 검출 방법.
26. 제 19 항에 있어서,
    상기 액화 헬륨의 유동은 유량계에 의해 측정되는
    액체 헬륨의 느린 전달 검출 방법.
27. 제 19 항에 있어서,
    상기 상이한 비는 6 또는 7 대 1보다 작은
    액체 헬륨의 느린 전달 검출 방법.
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