KR102471164B1

KR102471164B1 - 진단 픽업 코일을 가진 부분 절연체

Info

Publication number: KR102471164B1
Application number: KR1020217035654A
Authority: KR
Inventors: 로드 베이트맨; 로버트 슬레이드; 눅테렌 바스 판
Original assignee: 토카막 에너지 리미티드
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2022-11-25
Also published as: CN113994218A; AR118535A1; US20220148778A1; EP3948308B1; US11398329B2; GB201904528D0; MX2021011888A; EA202192674A1; SG11202110797YA; AU2020250877B2; JP7161070B2; WO2020201316A1; AU2020250877A1; BR112021019662A2; CA3135813A1; KR20210144877A; EP3948308A1; JP2022526797A; TW202042257A; IL286707A

Abstract

HTS 자석 코일에 사용하기 위한 부분 절연층이 개시된다. 부분 절연층은 내부에 링크 트랙들의 세트 및 픽업 트랙들의 세트를 가진 절연 동체(401)를 포함한다. 각각의 링크 트랙은 전기 도전성이며, 부분 절연층의 제 1 표면과 제 2 표면 사이에 전기 경로를 제공하기 위해 부분 절연 층의 제 1 및 제 2 표면에 전기적으로 연결된다. 각각의 픽업 트랙은 전기 도전성이고 개별의 링크 트랙에 유도 결합되며, 제 1 및 제 2 표면으로부터 전기적으로 격리된다. 각각의 픽업 트랙은 개별의 링크 트랙에 흐르는 전류의 변화에 의해 픽업 트랙에 유도된 전류를 측정하기 위해 전류 측정 장치에 연결되도록 구성된다.

Description

진단 픽업 코일을 가진 부분 절연체

본 발명은 고온 초전도(HTS) 자석에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 부분적으로 절연된 HTS 자석에 사용하기 위한 부분적으로 절연된 층에 관한 것이다.

초전도 재료는 전형적으로 "고온 초전도체"(HTS)와 "저온 초전도체"(LTS)로 나뉜다. Nb 및 NbTi 와 같은 LTS 재료는 BCS 이론으로 초전도성이 설명될 수 있는 금속 또는 금속 합금이다. 모든 저온 초전도체는 약 30K 미만의 임계 온도(0 자기장에서도 물질이 임계 온도보다 높은 온도에서 초전도성을 가질 수 없는 온도)를 가진다. (비록 HTS와 LTS 물질을 정의하는 것은 임계 온도라기 보다는 조성과 초전도 작동에서의 물리적 차이라는 점에 주목해야할지라도) HTS 물질의 거동은 BCS 이론에 의해 설명되지 않으며 그러한 물질은 약 30K 보다 높은 임계 온도를 가질 수 있다. 가장 공통적으로 사용되는 HTS는 컵레이트(cuprates)(구리 산화물 그룹을 포함하는 화합물들)에 기반한 세라믹인 "컵레이트 초전도체(cuprate superconductor)"로서, BSCCO 또는 ReBCO 와 같은 것이다 (여기서 Re는 희토류 원소, 일반적으로 Y 또는 Gd). 다른 HTS 물질은 철 프닉타이드(iron pnictides)(예를 들어, FeAs 및 FeSe) 및 이붕산마그네슘(MgB2)을 포함한다.

ReBCO는 일반적으로 도 1 과 같은 구조를 가지고 테이프로 제조된다. 이러한 테이프(100)는 일반적으로 두께가 약 100 마이크론이고, 기판(101)(전형적으로 전해연마된 하스텔로이(hastelloy)로서 대략 50미크론 두께)을 포함하며, 상기 기판(101)에는 IBAD, 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 또는 다른 적절한 기술에 의해 버퍼 스택(102)으로 알려진 일련의 버퍼 층(buffer layer)들을 증착하며, 버퍼 층의 두께는 대략 0.2 마이크론이다. 에피택셜 ReBCO-HTS 층(103)(MOCVD 또는 다른 적절한 기술에 의해 증착됨)은 버퍼 스택을 덮고 전형적으로 1 마이크론 두께이다. 1 내지 2 마이크론의 은(silver) 층(104)은 스퍼터링 또는 다른 적절한 기술에 의해 HTS 층상에 증착되고, 구리 스태빌라이저 층(105)은 종종 테이프를 완전히 엔캡슐레이션(encapsulation)시키는 전기도금 또는 다른 적절한 기술에 의해 테이프상에 증착된다.

기판(101)은 제조 라인을 통해 공급될 수 있고 후속 층의 성장을 허용할 수 있는 기계적인 척추(mechanical backbone)를 제공한다. 버퍼 스택(buffer stack, 102)은 HTS 층이 성장하는 2 축 텍스처 결정 템플릿(biaxially textured crystalline template)을 제공할 필요가 있고, 초전도 특성을 손상시키는 기판으로부터 HTS 로의 원소의 화학적 확산을 방지할 필요가 있다. 은 층(sliver layer, 104)은 ReBCO 로부터 스태빌라이저 층으로의 낮은 저항의 인터페이스를 제공할 필요가 있고, 스태빌라이저 층(105)은 ReBCO의 임의의 부분이 초전도 작용을 중단하는 경우 ("정상" 상태로 들어가는 경우) 대안의 전류 경로를 제공한다.

또한 "박리된(exfoliated)" HTS 테이프를 제조할 수 있는데, 이것은 기판과 버퍼 스택이 결여되고, 대신 HTS 층의 양면에 은 층(silver layers)이 있다. 기판을 가진 테이프는 "기판이 있는(substrated)" HTS 테이프로 지칭된다.

HTS 테이프들은 HTS 케이블로 구성될 수 있다. HTS 케이블은 도전성 재료(일반적으로 구리)에 의해 길이를 따라 연결된 하나 이상의 HTS 테이프를 포함한다. HTS 테이프는 적층될 수 있거나 (즉, HTS 층이 평행하도록 구성될 수 있음) 또는 테이프들의 어떤 다른 구성을 가질 수 있으며, 이것은 케이블의 길이를 따라서 변화될 수 있다. HTS 케이블의 주목할만한 특별한 경우는 단일 HTS 테이프 및 HTS 쌍(pair)이다. HTS 쌍은 HTS 층이 평행하도록 배치된, 한 쌍의 HTS 테이프를 포함한다. 기판화된 테이프(substrated tape)가 사용되는 경우, HTS 쌍은 (HTS 층이 서로를 향하는) 유형-0, (하나의 테이프의 HTS 층이 다른 테이프의 기판을 향하는) 유형-1, 또는 (기판들이 서로를 향하는) 유형-2 일 수 있다. 2 개 보다 많은 테이프들을 포함한 케이블들은 HTS 쌍으로 테이프들의 일부 또는 전부를 배치할 수 있다. 스택(stack)이 이루어진 HTS 테이프는 HTS 쌍들의 다양한 구성을 포함할 수 있으며, 가장 일반적으로 유형-1 쌍의 스택 또는 유형-0 쌍의 스택 (또는 동등하게 유형-2 쌍의 스택)을 포함할 수 있다. HTS 케이블은 기판화된 테이프(substrated tape)와 박리된 테이프(exfoliated tape)의 혼합을 포함할 수 있다.

HTS 케이블들을 감거나 또는 HTS 케이블들로부터 만들어진 코일의 섹션들을 제공하여 이들을 함께 접합하는 것에 의하여, HTS 케이들을 (또는 설명의 목적을 위해서 단일 테이프 케이블로서 처리될 수 있는, 개별의 HTS 테이프들을) 코일로 구성함으로써 초전도 자석이 형성된다. HTS 코일들은 3 가지의 광범위한 부류(class)로 제공된다.

* (전류가 HTS 케이블을 통해 "나선 경로"에서만 흐를 수 있도록) 회선(turns)들 사이에 전기 절연 재료를 가진, 절연.

*(예를 들어, HTS 케이블의 구리 스태빌라이저 층들을 연결함으로써) 회선들이 반경 방향으로 연결될 뿐만 아니라 케이블들을 따라서 연결되는, 비절연.

*(예를 들어 구리에 비교하여) 높은 저항을 가진 재료를 사용하거나, 또는 코일들 사이에 간헐적인 절연을 제공함으로써, 제어된 저항을 가지고 반경 방향으로 회선들이 연결된, 부분 절연.

비절연 코일들은 부분적으로 절연된 코일들의 낮은 저항(low-reistance)의 경우로 간주될 수도 있다.

회선(turns)들 사이에 절연이 없거나 부분적인 절연이 있으면 국부적인 "핫스팟(hotspot)"(normal zone)의 온도가 상승하는 속도가 느려진다. HTS 자석에서 노멀 영역(normal zone)(저항 HTS)의 성장(공간 전파) 속도는 많은 파라미터들에 의존하지만, 전형적으로는 축 방향에서 (예를 들어, 케이블을 따라) 100mm/s 미만이고, 횡방향에서 (즉, 인접한 회선들 사이에서) 대략 2 내지 100 배로 더 느리다. 각각의 방향에서 노멀 영역의 정확한 전파 속도는 사용된 케이블 구조와 재료의 열적 및 전기적 특성에 의존한다. 특히, 횡방향 전파 속도는 회선(turns)들 사이의 재료의 열적 특성에 영향을 받는다.

(미터의 선형 치수를 가지고, 코일 단면 치수는 가장 큰 전체 코일 치수보다 작은(즉, ~10 배 작음)) 대형 자석에서, 횡방향 전파는 코일의 전체 단면이 코일 주위의 작은 부분(small fraction)을 덮는 영역에서 노멀(normal)이 될 수 있게 하며, 결과적으로 모든 회선들의 전체 전류는 노멀 섹션 안의 금속 스태빌라이저에서만 흐른다. 노멀 영역 밖에서 도전체들은 여전히 초전도성이다. 이러한 노멀 영역(normal zone)의 저항은 자석의 전류를 신속하게 강하시키기에는 충분하지 않지만, 전체 자석의 저장된 자기 에너지를 이러한 작은 노멀(저항) 체적으로 덤핑시키는 결과를 가져오며, 이것은 코일 주위 둘레에서 느리게 성장할 뿐이다. 이러한 상황을 신속하게 감지하여 자석의 저장된 에너지가 코일 외부의 저항으로 덤핑될 수 있도록 하지 않으면, 노멀 영역의 온도는 매우 빠르게 상승하며, 이것은 정상 영역 내의 도전체들에 현저한 손상을 일으킬 수 있다.

HTS 자석들의 한 가지 용도는 토카막 핵융합로(tokamak fusion reactors)와 플라즈마 챔버에서이며, 특히 구형 토카막(spherical tokamaks)에서 사용된다. 토카막에는 2 세트의 자석들이 있다. 즉, 폴로이드 필드를 생성하도록 정렬되고 전체적으로 원형인 폴로이드 필드 코일(poloidal field coil)과, 중심 칼럼 및 복수의 복귀 가지(return limbs)을 포함하고 토로이드 필드를 생성하도록 배치된 토로이달 필드 코일(toroidal field coil)이다. HTS 자석들은 양쪽 세트의 필드 코일들에 사용될 수 있지만, 특히 소형 토카막의 토로이드 필드 코일에 특히 유용한데, 왜냐하면 그러한 필드 코일들은 HTS 의 개선된 전류 밀도 및/또는 감소된 냉각 요건들이 크게 도움이 될 수 있는 빈틈 없는(tight) 공간 제한을 가지기 때문이다.

HTS 자석의 또 다른 잠재적 용도는 양성자 비임 치료 장치(proton beam therapy devices)에 있다. 양성자 비임 요법(양성자 요법으로서 알려진, PBT)은 암의 치료(및 방사선 요법에 반응하는 다른 상태의 치료)에 사용되는 입자 요법(particle therapy)의 유형이다. PBT에서, 양성자 비임은 치료 위치(예를 들어, 종양)를 향하여 지향된다.

또 다른 유사한 치료법은 보론-11 이 표적 위치로 도입되고, 양성자 비임이 사용되어 p+¹¹B → 3α 반응이 개시되는, 양성자 보론 포착 요법(proton boron capture therapy, PBCT)이다. 동일한 장치를 사용하여 PBT 또는 PBCT에 대한 양성자 비임을 제공할 수 있다.

PBT 및 PBCT 용 양성자 비임은 사이클로트론(cyclotrons) 또는 선형 가속기(linear accelerators)와 같은 입자 가속기에 의해 발생된다. 일반적으로 PBT 및 PBCT에 사용되는 가속기는 보통 60 내지 250MeV 범위의 에너지로 양성자를 생성하며, 현재 운영 중인 가장 강력한 시설은 최대 에너지가 400MeV 이다.

PBT 또는 PBCT 장치들의 설계에는, 비임 에너지에서 양성자를 조향할 수 있는 전자석을 유지하기 위한 갠트리(gantry)가 필요하다. 이것은 매우 높은 자기장을 필요로 하며, 따라서 HTS 자석을 사용하면 전자석을 움직이는 데 필요한 갠트리와 전자석의 질량과 크기를 상당히 감소시킬 수 있다. HTS 자석은 가속기, 조향 자석의 사중극자 자석(quadrupole magnets), 또는 조향 자석의 쌍극자 자석(dipole magnets) 내에서 사용될 수 있다.

본 발명의 목적은 HTS 자석 코일에서 사용되는 부분 절연층을 제공하는 것이다.

제 1 양상에 따르면, HTS 자석 코일에서 사용하기 위한 부분 절연층이 제공된다. 부분 절연층은 그 내부에 링크 트랙(linking track)들의 세트 및 픽업 트랙(pickup track)들의 세트를 가진 절연 동체(401)를 포함한다. 각각의 링크 트랙은 전기 도전성이며, 상기 제 1 표면과 제 2 표면 사이에 전기 경로를 제공하기 위해, 부분 절연 층의 제 1 표면 및 제 2 표면에 전기적으로 연결된다. 각각의 픽업 트랙은 전기 도전성이고, 개별의 링크 트랙에 유도 결합(inductively couple)되며, 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 전기적으로 격리된다. 각각의 픽업 트랙은, 개별의 링크 트랙에 흐르는 전류에서의 변화에 의해 픽업 트랙에 유도된 전류를 측정하기 위해, 전류 측정 장치에 연결되도록 구성된다.

제 2 양상에 따르면, HTS 자석 코일에 사용하기 위한 부분 절연층이 제공된다. 부분 절연층은 그 내부에 링크 트랙들의 세트 및 픽업 트랙들의 세트를 가진 절연 동체(701)를 포함한다. 각각의 링크 트랙은 전기 도전성이며, 상기 제 1 표면과 제 2 표면 사이에 전기 경로를 제공하기 위해, 부분 절연 층의 제 1 표면 및 제 2 표면에 전기적으로 연결된다. 픽업 트랙은 전기 도전성이고, 부분 절연층의 길이를 따라 연장되며, 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 전기적으로 격리된다. 픽업 트랙은, HTS 자석 코일의 HTS 도전체에서의 전류 변화에 의해 픽업 트랙에 유도된 전압을 측정하기 위해, 전압 측정 장치에 연결되도록 구성된다.

제 3 양상에 따르면, 하나 이상의 HTS 케이블 및 하나 이상의 부분 절연층을 포함하는 고온 초전도 HTS 필드 코일이 제공되며, 여기에서 하나 이상의 HTS 케이블은 회선(turn)을 형성하도록 배치되고, 하나 이상의 부분 절연층은 회선들을 반경 방향으로 연결하도록 배치되고, 부분 절연층들은 제 1 또는 제 2 양상에 따른 부분 절연층들이다.

제 4 양상에 따르면, 제 3 양상에 따른 HTS 필드 코일인 토로이달 필드 코일(toroidal field coil)을 포함하는 토카막(tokamak)이 제공된다.

제 5 양상에 따르면, 제 3 양상에 따른 HTS 필드 코일을 포함하는 양성자 비임 요법(proton beam therapy, PBT) 장치가 제공되는데, 여기에서 HTS 필드 코일은:

PBT 장치의 가속기의 필드 코일;

PBT 장치의 양성자 비임 조향 시스템의 쌍극자 또는 사중극자 자석중 하나이다.

도 1 은 HTS 테이프의 개략도이다.
도 2a 내지 도 2e는 HTS 코일에 대한 부분 절연층을 도시한다.
도 3은 예시적인 부분 절연층의 원리를 예시하는 회로도를 도시한다.
도 4a 내지 도 4f 는 예시적인 부분 절연층을 도시한다.
도 5 는 대안의 코일 구조를 도시한다.
도 6a 및 도 6b 는 다른 대안의 코일 구조를 도시한다.
도 7a 및 도 7b 는 부분 절연층의 대안의 구성을 도시한다.

도 2a 내지 도 2e 는 HTS 케이블들을 반경 방향으로 연결하도록 HTS 케이블들 사이에 적용될 수 있는 부분 절연층을 도시한다.

부분 절연 층은 5 개의 층을 포함하며, 순서는 다음과 같다.

·제 1 금속 연결층(211);

·제 1 절연층(221);

·전기 도전층(230);

·제 2 절연층(222);

·제 2 금속 연결층(212).

도 2c 내지 도 2e 는 각각 제 1 금속 연결층(211), 전기 도전층(230) 및, 제2 금속 연결층(222)의 레이아웃을 도시한다. 도 2a 및 도 2b 는 도 2c 내지 도 2e 의 A 선 및 B 선을 따른 단면도이다.

연결 층은 HTS 케이블에 대한 우수한 전기 연결을 제공하기 위해 존재한다(납땜 또는 직접 접촉을 통해 연결된다).

전기 도전층은 몇개의 도전 영역으로 나뉜다. 이러한 영역들은 2 가지 유형으로 제공된다. (실제로는 그 어떤 형상일 수도 있을지라도) 정사각형 영역(231)들은 도전성 링크(206)들에 의해 금속 연결 층들 중 하나에만 연결된다. 이러한 영역들은 부분 절연층의 전기적 특성에 영향을 미치지 않지만, 개별의 절연층을 통한 열 경로(thermal path)를 제공한다. 이들 영역들의 크기 및, 이들과 금속 연결 층 사이의 연결들 수를 변화시킴으로써, 부분 절연 층의 열적 특성들은 전기적 특성과 독립적으로 변화될 수 있다.

다른 영역(232)들은 제 1 절연층(221) 및 제 2 절연층(222)의 윈도우(201, 202)를 각각 통해서, 제 1 금속 연결층(211)을 제 2 금속 연결층(212)에 연결한다. 윈도우들 사이의 저항은 영역(232)들의 기하 형상을 변화시킴으로써 제어될 수 있다-- 예를 들어 영역(232)이 도 2b 에 도시된 바와 같이 신장된 트랙(233)을 포함하는 경우, 트랙의 폭을 증가시키면 윈도우들 사이의 저항이 감소하고, (예를 들어, 비선형 트랙을 제공하거나 또는 윈도우들을 움직임으로써) 트랙 길이를 증가시키면 윈도우들 사이의 저항은 증가한다. 전체적인 부분 절연 층의 저항은, 윈도우들 사이의 각각의 연결의 저항을 변경함으로써, 그리고 부분 절연 층을 따라서 그러한 연결들의 수를 변경함으로써, 제어될 수 있다.

제 1 절연층의 윈도우(201)는 제 1 연결층 및 제 1 절연층을 통한 드릴 가공된 구멍들에 의해 형성되며, 이들은 이후에 금속(203)(또는 다른 전기 도전성 재료)으로 도금되어 제 1 연결층(211)과 전기 도전층(230)을 연결한다. 제 2 절연층의 윈도우(202)들은 모든 층을 통해 구멍(202)을 드릴링함으로써 형성되고, 이들은 이후에 금속(204)(또는 다른 전기 도전성 재료)으로 도금된다. 제 2 절연층의 윈도우(202)들을 통한 제 1 연결층과의 연결이 형성되는 것을 방지하기 위하여, 윈도우(202) 둘레에 제 1 연결층이 에칭되어 전기적으로 그것을 격리시키고, 윈도우(202)의 단부에 절연 캡(205)이 배치되어 HTS 케이블과의 접촉 또는 솔더링(soldering)으로 인한 브리지(bridge)의 발생이 없을 것을 보장한다.

대안으로서, 윈도우(202)들은 부분 절연층의 다른 측으로부터 드릴될 수 있어서, 이들은 제 2 연결층, 제 2 절연층 및, 전기 도전층을 통과하고, 제 1 절연층을 통과하지 않는다 (또는 제 1 절연층을 완전히 통과하지 않는다). 다른 대안으로서, 모든 윈도우들는 모든 층들을 관통하는 구멍들로부터 형성될 수 있되, 제 2 연결층의 에칭 및 제 2 연결층 상의 절연 캡은 제 1 절연층의 윈도우(201)들을 위해 사용된다. 이것의 구현예 및 관련된 예는 함께 출원중인 PCT/GB2019/050275에 더 설명되어 있다.

부분 절연을 사용하면, 동등한 비절연 코일과 비교할 때, ??칭(quenching)을 검출하도록 사용될 수 있는 시간이 현저하게 연장된다. 그러나 자석에 대한 손상이 불가피해지기 전에 대책을 사용할 수 있도록, 코일에 형성되는 핫스팟(hotspot)을 적시에 검출할 정도로 충분히 빠른 ??칭 검출 방법(quench detection methods)이 여전히 필요하다.

코일의 HTS 케이블의 부분에서의 전류가 HTS 케이블의 임계 전류에 접근할 때, 전류의 일부는 HTS 를 떠나고 케이블의 스태빌라이저 층(stabilizer layer)을 통해 흐르기 시작한다. 이 시점에서 전류는 HTS 회선들 사이에 부분 절연을 형성하는 저항성 및 유도성 링크들(resistive and inductive links)을 통해 흐르기 시작한다. PCB 제조의 부분적인 절연은 링크 트랙(linking track)들의 정확한 레이아웃 및 디자인을 용이하게 하여, 회선 대 회선(turn-to-turn)의 저항 및 링크 트랙 인덕턴스(linking track inductance)를 정밀하게 설정할 수 있다.

본 발명의 개시는 상기 전류 흐름을 검출하고, 그 검출을 사용하여 전류의 공유(current sharing)가 HTS 자석에서 발생하기 시작할 때를 검출하는데 초점을 맞추고 있다. 이러한 전류 공유 모드(current sharing mode)의 검출은 ??칭(quenching)(또는 잠재적인 ??칭 - 여기에서 사용되는 "??칭 검출"은 ??칭을 일으킬 것 같은 조건 또는 임박한 ??칭의 검출을 포함한다)의 고급 경고(advanced warning)로서 사용될 수 있다.

도 3 에 개략적으로 원리가 도시되어 있으며, 이것은 부분 절연층을 나타내는 회로도이다. 부분 절연 층은 제 1 트랙 또는 "링크 트랙"(301)을 가지며, 이것은 부분 절연 층(도 2 의 트랙(233)들과 등가이다)의 양측에 있는 HTS 케이블(311, 312)을 연결한다. 부분 절연층은 또한 제 2 트랙 또는 "픽업 트랙"(302)을 가지는데, 이것은 HTS 케이블(311, 312)로부터 전기적으로 절연되고 제 1 트랙(변압기(303)로 표시됨)에 유도 결합된다. 제2 트랙(302)은 전류 모니터(304)에 연결된다. 저항(resistor) 및 변압기(transformer)는 도 3 에 별도로 표시되어 있지만, 아래의 예에서 저항 및 유도 결합은 트랙 자체의 길이와 형상으로 인해 발생된다- 즉, 저항과 변압기를 별도의 구성 요소들로서 제공할 필요는 없다.

제 1 트랙과 제 2 트랙 사이의 유도 결합에 기인하여, 제 1 트랙의 전류의 그 어떤 변화라도(예를 들어, ??칭으로 인한 변화라도) 제 2 트랙의 전류에서의 상응하는 변화를 야기할 것이다. 이것은 다음에 전류 모니터에 의해 검출될 수 있고, 전류 모니터의 측정값들은 자석의 컨트롤러에 의해 ??칭을 검출하도록 사용될 수 있다.

??칭 검출의 감도를 향상시키기 위해 다양한 변경이 사용될 수 있다. 예를 들어, 링크 트랙 및 픽업 트랙들은 더 큰 유도 결합을 제공하도록 형상화될 수 있으며, 예를 들어 공통 축을 공유하는 코일과 같이 형상화된다. (분리된 링크 트랙에 각각 대응하는) 다중의 픽업 트랙들이 제공될 수 있고, 서로 병렬로 그리고 전류 모니터에 연결됨으로써, 전류 모니터는 모든 픽업 트랙들에서 유도된 총 전류를 측정한다.

도 4a 내지 도 4f 는 도 3 의 회로를 구현하는 예시적인 부분 절연층을 도시한다. 부분 절연층은 11 개의 층을 포함하고, 상기 층들중에서 전기 도전성 요소를 포함하는 6 개의 층이 있으며, 각각은 절연층(401)에 의해 분리된다(절연층은, 전기 도전성 층들이 인쇄되는 절연체, 예를 들어 kapton™ 테이프이거나, 또는 절연 접착제(insulating adhesive)일 수 있다). 전기 도전성 요소들을 포함하는 층들은 순서대로 다음과 같다:

·도 4b 에 도시된 제 1 금속 연결층(410).

·도 4c 에 도시된 링크 트랙 층(420).

·도 4d 에 도시된 픽업 트랙 층(430).

·도 4e 에 도시된 픽업 트랙 연결 층(435).

·도 4f 에 도시된 제 2 금속 연결 층(440).

도 4a 는 도 4b 내지 도 4f 의 A-A 선을 따른 단면도이다.

제 1 및 제 2 금속 연결 층(410, 440)들은 이전 예의 것과 실질적으로 동일하다- 즉, HTS 케이블과의 전기 연결을 용이하게 하기 위해 제 위치에 있다.

링크 트랙 층은 이러한 예에서 꼬리(423)를 가진 나선(422)들로 형성된 여러개의 링크 트랙(421)들을 포함한다. 나선(422)의 중심은 링크 트랙(421)을 제 1 금속 연결 층에 연결하기 위해 절연층을 통해 연장된 도전성 링크(402)에 연결되고, 꼬리(423)의 대향하는 단부는 링크 트랙(421)을 제 2 금속 연결 층에 연결하는 도전성 링크(403)에 연결된다. 도전성 링크들은 이전 예에서와 같이 금속으로 코팅된 구멍들로서 형성될 수 있다.

픽업 트랙 층(430)는 링크 트랙(421)들의 각각에 대응하는 픽업 트랙(431)을 포함한다. 각각의 픽업 트랙은 대응하는 링크 트랙(421)과 동일한 치수들의 나선(spiral)이고, 그 바로 아래에 위치한다. 각각의 픽업 트랙은 나선의 외측에서 레일(432)에 연결되고, 나선의 내측을 경유하여 레일(433)에 연결되는데, 이것은 픽업 트랙 연결 층(435)에서 나선의 내측을 트랙(436)에 연결하는 도전성 링크(404)를 통해서, 그리고 트랙(436)을 레일(433)에 연결하는 도전성 링크(405)를 통해서 이루어진다.

레일(432, 433)에 대한 픽업 트랙(431)의 연결은 픽업 트랙(431)이 병렬로 연결되는 것을 보장한다. 이것은 레일(432, 433)이 전류계(current meter)를 통해 연결될 때(도시되지 않았지만, 레일들은 층의 가장자리로 연장된 패드(434)들을 가져서 부분 절연층의 다른 섹션들의 레일들에 대한 연결 또는 전류계에 대한 연결을 허용한다), 전류계에 의해 측정된 전류가 픽업 트랙들에서의 전류의 합일 것을 의미한다.

링크 트랙 층과 제 2 금속 연결 층 사이의 도전성 링크(403)들은 또한 픽업 트랙 층 및 픽업 트랙 연결 층을 통과하지만, 이러한 층들에서 다른 요소들에 전기적으로 연결되지 않는다.

간섭을 회피하기 위하여, 링크 트랙 및 픽업 트랙은 자석의 자기장에 현저하게 결합되지 않도록 구성되어야 하며, 예를 들어 국부적인 자기장에 직각인 무시할 수 있을 정도의 단면을 가진다. 이것은 위의 예에서 보여진 바와 같이 부분 절연층의 평면에 그것들을 가짐으로써 달성될 수 있지만, 다른 방위(orientations)들도 가능하다.

도 5 는 링크 트랙에 대한 대안의 구성을 도시한다(픽업 트랙에도 적용될 수 있다). 도 4c 에서와 같이 만곡된 나선형 코일을 제공하는 대신에, 링크 트랙 층(520))(이것은 디자인에서 링크 트랙 층(420)을 대신할 수 있다)에 있는 링크 트랙들이 정사각형 코일(squre coils, 522)로서 제공된다.

도 6a 및 도 6b 는 링크 트랙들을 위한 또 다른 대안의 구성을 도시한다. 도 4a 의 링크 트랙 층(420)은 제 1 및 제 2 링크 트랙 층(620, 625)에 의해 대체된다. 링크 트랙들은 "8 자형" 패턴의 "버터리 코일(butterly coils)"로서 형성된다. 트랙들이 교차하는 영역을 포함하는 이러한 패턴으로 인해, 단락(short)을 방지하기 위해 2 개의 층들로 배치되어야 한다- 하나의 그러한 배치는 도 6a 및 도 6b 에 도시되어 있는데, 버터리 코일(butterly coil, 622)의 주요 부분은 층(620)에 제공되고, 교차 트랙(crossing track, 626)들은 분리 층(625)에 제공되며, 교차 트랙들과 버터리 코일의 주요 부분 사이에 도전성 링크(627)가 있다. 단락을 회피하는 다른 구성들이 가능하고, 당업자에 의해 쉽게 구상될 수 있다.

도 4 내지 도 6 의 코일 설계는 단지 예시일 뿐이다. 픽업 트랙들이 링크 트랙들의 전류 변화에 민감하게 되는(즉, 링크 트랙들에 직접적으로 결합된) 그 어떤 구성이라도 부분 절연층을 통한 전류 누출을 감지하도록 이용될 수 있다.

대안의 디자인은 도 7a 및 도 7b 에 도시되어 있다. 도 7 은 다음을 포함하는 부분 절연층(701)을 도시한다:

·제 1 금속 연결 층(도 2a 내지 도 2e 의 층(211)과 동일);

·링크 트랙 층(도 2a 내지 도 2e 의 층(230)과 동일);

·픽업 트랙 층(710); 및,

·제 2 금속 연결 층(도 2a 내지 도 2e 의 층(212)과 동일).

층들은 이전 예에서와 같이 절연층(701)에 의해 분리된다.

픽업 트랙 층(710)은 HTS 자석의 나선형 경로와 결합하기 위해 코일을 따라 연장되는 픽업 트랙(711) 및, (픽업 트랙에 연결하지 않으면서) 링크 트랙 층을 외부 인터페이스 층에 연결하는 도전성 링크(712)들을 포함한다. 픽업 트랙(711)은 각각의 단부에 연결 패드(712)들을 가지며, 이들은 전압계에 연결된다. 픽업 트랙(711)은 코일 도전체(coil conductor)에 매우 근접하고, 코일 전도체와 유도 결합될 것이다. 코일을 가로질러 나타나는 전압은 이것의 함께 감긴 트랙에도 나타날 것이며, 전압계에 의해 검출될 것이다. 부분 절연층의 길이를 따라 다른 연결 패드들이 제공될 수 있어서, 쉽게 대량으로 만들 수 있고 다음에 자석에 필요한 길이로 절단될 수 있다 (즉, HTS 코일의 크기가 어떠하든, 부분 절연층의 끝에서 연결 패드를 사용할 수 있는 것이 보장된다).

위에서 설명된 부분 절연층은 가요성 PCB 제조 공정을 이용하여 만들어질 수 있는데, 즉, 절연층들 중 하나로 시작하여, 그것의 상부 표면 및 하부 표면에 구리를 도포하고, 구리를 에칭하여 2 개의 인접한 전기 도전층을 형성함으로써 만들어진다. 다른 절연층들 및 구리 층들을 스택(stack)에 적용하고 (여기에서 절연층은 다음의 구리층을 스택에 접합하는데 사용된 접착제일 수 있다) 다음에 에칭함으로써, 또는 (예를 들어, 구리-절연체-구리-접착제-구리-절연체-구리 구조를 형성하도록) 다른 구리-클래드 및 에칭된 절연층들을 함께 접함함으로써, 다른 층들이 추가될 수 있다. 비아(vias)는 적절한 구리 및 절연 층을 통해 드릴링될 수 있고 다음에 구리로 코팅될 수 있어서 구리 층들 사이에 연결(즉, 위의 예에서 도전성 링크)을 제공한다. 만약 비아가 전기적으로 연결되지 말아야 하는 층을 통과한다면, 층의 전기 도전성 구성 요소들과 비아 사이의 명확한 절연 공간을 보장하기 위해 비아 주변의 층 영역이 에칭될 수 있다. 이러한 것이 외부 층(예를 들어, 금속 연결 층(410, 440))에서 발생하는 경우, HTS 케이블에 대한 연결 또는 납땜으로 인한 단락(shorts)을 방지하기 위해, 절연 캡이 비아의 끝에 고정될 있다.

위의 내용은 코일에 대한 단일의 "부분 절연 층"을 언급하지만, 이것은 픽업 트랙 층들 사이의 연결로써, 또는 픽업 트랙 층의 각각의 섹션에 대한 분리된 전류 검출기로써 (또는 어떤 조합으로, 예를 들어, N 개 섹션들 마다의 전류 검출기로써), 끝과 끝이 연결된 몇개의 섹션들로 만들어질 수 있다는 점이 이해될 것이다.

부분 절연층은 HTS 테이프와 동일한 폭을 가질 수 있다. HTS 팬케이크 코일(pancake coil)을 감는 방법은, 코일로 모이는 여러 테이프의 "케이블"을 형성하기 위해, 다수의 스풀로부터 HTS 테이프를 인출하는것을 포함할 수 있다. 부분 절연 층은 다중 테이프 케이블(multi-tape cable)과 함께 공급되어 권선의 일부를 형성한다. 그 결과 코일 구조는 부분적 절연층이 끼워진 다중 테이프 케이블이 된다. 테이프와 부분 절연층 외부 면들은 플럭스(flux)로 미리 습윤된(pre-wet) 다음에, 권취된 팩(wound pack)은 솔더(solder)로 범람시켜서 굳혀진다. 코일 면은 이후에 세척되어, 부분 절연 층들이 회선으로부터 회선으로 솔더 브리지에 의해 우회(by pass)되지 않는 것을 보장한다.

코일의 외측 직경에 있는 부분 절연층의 단부는, 일단 감겨지고 굳어졌다면, 다시 뒤로 약간 벗겨져서 한 쌍의 미세한 와이어들이 픽업 코일 층의 단부에 있는 접촉 패드에 부착될 수 있다. 와이어들의 이러한 트위스트된 쌍은 전류 트랜스듀서(current transducer)에 연결되는데, 이것은 누설 절연체에 흐르는 전류 신호를 검출하는데 사용된다.

위의 예는 본 개시의 원리 (즉, HTS 코일에 유도 결합된 픽업 트랙 또는 부분 절연층을 통한 저항 경로의 제공)에서 벗어나지 않고 간단한 방식으로 변경될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 예를 들어, 부분 절연층의 외부 표면에 있는 연결 층들은 생략될 수 있고, 부분 절연층, 또는 도전성 링크들을 통해 직접 만들어진 HTS 케이블과 링크 트랙 층 사이의 연결은, 위에 제시된 다층 구조보다는, 고체 절연 동체 안에 배치된 링크 트랙 및 픽업 트랙을 가질 수 있다.

211. 제 1 금속 연결 층 221. 제 1 절연층
230. 전기 도전층 222. 제 2 절연층
212. 제 2 금속 연결 층 233. 신장된 트랙

Claims

고온 초전도(HTS) 자석 코일용 전류 운반 어셈블리(current carrying assembly)로서, 상기 전류 운반 어셈블리는 부분 절연층 및 제 1 HTS 케이블과 제 2 HTS 케이블을 포함하고;
상기 부분 절연층은 절연 동체(401)를 포함하고, 상기 절연 동체는 내부에:
링크 트랙(421)들의 세트로서, 각각의 링크 트랙은 전기 도전성이고, 부분 절연층의 제 1 표면과 제 2 표면 사이에 전기 경로를 제공하기 위하여 부분 절연층의 제 1 표면 및 제 2 표면에 전기적으로 연결되는, 링크 트랙(421)들의 세트;
픽업 트랙(431)들의 세트로서, 각각의 픽업 트랙은 전기 도전성이고 개별의 링크 트랙에 유도 결합되며, 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 전기적으로 격리되는, 픽업 트랙(431)들의 세트;를 가지고,
제 1 HTS 케이블 및 제 2 HTS 케이블은 부분 절연층의 개별의 제 1 표면 및 제 2 표면상에 있고,
픽업 트랙들 각각은 제 1 표면 및 제 2 표면이 아닌 부분 절연층의 표면들상의 전기 접촉부들에 전기적으로 연결되는, 전류 운반 어셈블리. .
제 1 항에 있어서, 픽업 트랙들의 세트는 병렬로 연결되고, 전류 측정 장치에 병렬로 연결되도록 구성되는, 전류 운반 어셈블리.
제 2 항에 있어서, 부분 절연층이 동일한 다른 부분 절연층에 끝에서 끝으로(end-to-end) 연결될 때, 양쪽 부분 절연층들 상의 픽업 트랙들은 전기 접촉부를 통해 서로에 대하여 그리고 전류 측정 장치와 병렬로 연결되도록 픽업 트랙들이 구성되는, 전류 운반 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 각각의 픽업 트랙 및 각각의 링크 트랙은 나선형(spiral)인 섹션을 가지는, 전류 운반 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 각각의 픽업 트랙 및 각각의 링크 트랙은 버터플라이 코일(butterfly coil)인 섹션을 가지는, 전류 운반 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 각각의 링크 트랙은 전기 도전체로 코팅된 비아(via)들에 의해 상기 제 1 표면 및 제 2 표면에 전기적으로 연결되는, 전류 운반 어셈블리.
고온 초전도(HTS) 자석 코일용 전류 운반 어셈블리(current carrying assembly)로서, 상기 전류 운반 어셈블리는 부분 절연층 및 제 1 HTS 케이블과 제 2 HTS 케이블을 포함하고;
상기 부분 절연층은: 절연 동체(701)를 포함하고, 상기 절연 동체 내부에:
링크 트랙(231)들의 세트로서, 각각의 링크 트랙은 전기 도전성이고, 부분 절연층의 제 1 표면과 제 2 표면 사이에 전기 경로를 제공하기 위해 부분 절연층의 제 1 표면 및 제 2 표면에 전기적으로 연결되는, 링크 트랙(231)들의 세트;
픽업 트랙(711)으로서, 상기 픽업 트랙은 전기 도전성이고, 부분 절연층의 길이를 따라 연장되고, 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 전기적으로 격리되는, 픽업 트랙(711);이 구비되고,
제 1 HTS 케이블 및 제 2 HTS 케이블은 부분 절연층의 개별의 제 1 표면 및 제 2 표면상에 있고,
픽업 트랙은 제 1 표면 및 제 2 표면이 아닌 부분 절연층의 표면들상의 전기 접촉부들을 구비하는, 전류 운반 어셈블리.
제 7 항에 있어서, 부분 절연층이 동일한 다른 부분 절연층에 단부-대-단부 방식(end-to-end)으로 연결될 때, 양쪽의 부분 절연층들 상의 픽업 트랙들은 서로 그리고 전압 측정 장치와 직렬로 전기 접촉부들을 통해 연결되도록 픽업 트랙들이 배치되는, 전류 운반 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 부분 절연층은 복수의 층들로서 형성되고, 각각의 층은 절연 재료에 의해 분리되고, 상기 층들은:
내부에 링크 트랙들을 가진 링크 트랙 층; 및,
내부에 픽업 트랙들을 가진 픽업 트랙 층;을 포함하고,
링크 트랙들과 제 1 표면 및 제 2 표면 사이의 전기적 연결은 절연 재료를 통한 비아(via)들에 의해 달성되고, 상기 비아들은 전기 도전성 재료를 포함하는, 전류 운반 어셈블리.
제 1 항에 있어서, 제 1 표면 및 제 2 표면 각각에, 일측에서 링크 트랙들에 전기적으로 연결되고 다른 측에서 개별의 HTS 케이블에 전기적으로 연결된 전기 도전성 연결 층을 포함하는, 전류 운반 어셈블리.
제 1 항에 따른 하나 이상의 전류 운반 어셈블리들을 포함하는 고온 초전도(HTS) 필드 코일로서, HTS 케이블들은 회선(turns)들을 형성하도록 배치되고, 부분 절연층들은 회선들을 반경 방향으로 연결하도록 배치되는, 고온 초전도(HTS) 필드 코일.
제 11 항에 있어서, 하나 이상의 HTS 케이블들 및 하나 이상의 부분 절연층들은 연속적으로 권취되어 회선(turns)들을 형성하는, 고온 초전도(HTS) 필드 코일.
제 11 항에 있어서, 하나 이상의 HTS 케이블들 및 하나 이상의 부분 절연층은 조인트들에 의해 연결된 복수의 섹션들로 배치되는, 고온 초전도(HTS) 필드 코일.
제 11 항에 따른 고온 초전도(HTS) 필드 코일인 토로이달 필드 코일(toroidal field coil)을 포함하는 토카막.
제 11 항에 따른 고온 초전도(HTS) 필드 코일을 포함하는 양성자 비임 요법(proton beam therapy; PBT) 장치로서,고온 초전도(HTS) 필드 코일은:
PBT 장치의 가속기(accelerator)의 필드 코일(field coil);
PBT 장치의 양성자 비임 조향 시스템(proton beam steering system)의 쌍극자 또는 사중극자 자석;중 하나인, 양성자 비임 요법 장치.
제 7 항에 있어서, 부분 절연층은 복수의 층들로서 형성되고, 각각의 층은 절연 재료에 의해 분리되고, 상기 층들은:
내부에 링크 트랙들을 가진 링크 트랙 층; 및,
내부에 픽업 트랙들을 가진 픽업 트랙 층;을 포함하고,
링크 트랙들과 제 1 표면 및 제 2 표면 사이의 전기적 연결은 절연 재료를 통한 비아(via)들에 의해 달성되고, 상기 비아들은 전기 도전성 재료를 포함하는, 전류 운반 어셈블리.
제 7 항에 있어서, 제 1 표면 및 제 2 표면 각각에서, 일측에서는 링크 트랙들에 전기적으로 연결되고 다른 측에서는 개별의 HTS 케이블에 전기적으로 연결되는 전기 도전성 연결 층을 포함하는, 전류 운반 어셈블리.
제 7 항에 따른 하나 이상의 전류 운반 어셈블리들을 포함하는 고온 초전도(HTS) 필드 코일로서, 고온 초전도(HTS) 케이블들은 회선(turns)들을 형성하도록 배치되고, 부분 절연층들은 회선들을 반경 방향으로 연결하도록 배치되는, 고온 초전도(HTS) 필드 코일.
제 18 항에 따른 고온 초전도(HTS)필드 코일인 토로이달 코일을 포함하는, 토카막.
제 18 항에 따른 고온 초전도(HTS) 필드 코일을 포함하는 양성자 비임 요법(proton beam therapy; PBT) 장치로서, 고온 초전도(HTS) 필드 코일은:
PBT 장치의 가속기(accelerator)의 필드 코일(field coil);
PBT 장치의 양성자 비임 조향 시스템(proton beam steering system)의 쌍극자 또는 사중극자 자석;중 하나인, 양성자 비임 요법 장치.