KR20020070084A

KR20020070084A - 고온 초전도체를 갖춘 유속 펌프 및 상기 유속 펌프에의해 작동되는 초전도 전자석

Info

Publication number: KR20020070084A
Application number: KR1020010085964A
Authority: KR
Inventors: 귄터 리이스
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2002-09-05
Also published as: US7068133B2; JP2002217020A; CN1230844C; CN1369884A; DE10065420C2; DE10065420A1; US20020171521A1

Abstract

본 발명은 가열기(48)를 이용하여, 특히 트리거 임펄스(D') 및 자기 안정화에 의해 정류기 클록 내에서 제어되는(25), 고온 초전도체를 갖춘 정류기 타입의 유속 펌프(2), 상기 유속 펌프(2)의 장치 및 상기 장치에 의해 공급되는, 공통 크라이오스탯(cryostat, 100)-하우징 내 초전도 전자석(111)에 관한 것이다.

Description

고온 초전도체를 갖춘 유속 펌프 및 상기 유속 펌프에 의해 작동되는 초전도 전자석{FLUX PUMP WITH HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR AND SUPERCONDUCTIVE ELECTROMAGNET OPERATED BY THE FLUX PUMP}

본 발명은 HT_c(고온)-초전도 스위치를 갖춘 정류기 타입의 유속 펌프 및 상기 유속 펌프에 의해 작동되는 HT_c-초전도 전자석에 관한 것이다.

예컨대 핵스핀-단층 촬영의 경우 각각의 자계 강도의 높은 시간 상수를 갖는 강한 자계가 필요하다. 이를 위해 초전도 코일을 가진 전자석이 고안되었다. 니오브-주석 또는 니오브-티탄과 같은 저온(LT_c)-초전도 재료로 이루어진 코일은 이미 수십년 전에 공지되었다. 이러한 자석은 약 4 K의 온도 범위 내에서 작동된다.

약 10년 전에는 액체 공기의 온도 이상까지, 즉 77°K 미만의 온도에서 초전도 현상을 나타내는 고온 타입의 초전도 재료(HT_c-초전도체)도 공지되었다. 또한강한 자계의 경우 예컨대 약 40 K 미만의 온도까지 사용될 수 있는, HT_c-초전도 코일을 갖춘 전자석도 이미 제조되었다. 이러한 더 낮은 동작 온도는, 이 경우 사용되는 HT_c-초전도체 재료, 예컨대 (Bi, Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀및 Bi₂Sr₂CaCu₂O₈과 같은 비스무트 구리산염 및 희토류 구리산염 RE Ba₂Cu₃O₇(RE = Nd, Gd, Sm, Er, Y)의 HT_c-전류 전송 용량이 우세한 자계의 강도에 따라 제한되는 각각의 동작 온도까지만 충분히 유지된다는 점에서 기인한다.

자석의 이러한 초전도 코일 내에서 한번 생성되어 흐르는 단락 초전도 전류는 이상적인 경우에 지속적으로 멈춘다. 이러한 초전도 전류를 초전도 코일 내로 공급하기 위해서는 예컨대 유속 펌프로서 공지된 장치가 사용된다. 이러한 유속 펌프는 예컨대 IEEE Transactions on Magnetics, 제 32권(1996)의 2699-2702 페이지에 실린 "Study of Full-Wave Superconducting Rectifier-Type Flux-Pumps" 및 Cryogenics, 1991, 5월, 262-275 페이지에 실린 "On Fully Superconducting Rectifiers and Flux Pumps"에 공지되어 있다.

언급된 종래 기술은 단지 저온 (LT_c) 타입의 초전도체, 예컨대 언급된 니오브-주석 및 니오브-티탄과 같은 재료에만 관련된다. 종래 기술(전술한 IEEE Transactions...)의 정류기 타입의 유속 펌프(2)에 대한 예인 도 1에서 전자석(111)의 LT_c초전도체를 갖는 초전도 코일은 도면 부호 (11)로 표기되며, 상기 LT_c초전도체는 이미 언급된 핵스핀 단층 촬영을 위해 공지된 방식으로 사용된다. 전기 에너지를 공급하는 전원은 도면 부호 (12)로 표기되어있으며, 상기 전원에 의해 전자석의 동작시 코일(11) 내에서 흐르는 초전도 전류의 구조가 영향을 받게 된다. 1차 코일(113)을 갖는 트랜스포머는 도면 부호 (13)으로 표기되어있고, 이 예에서 도면 부호 (2)는 직렬 연결된 2차 코일(213 및 313)을 나타낸다. 도면 부호 (15) 및 (16)은 각각의 2차 코일(213 및 313)의 회로 내에서 흐르는 초전도 전류의 차단 및 단속을 위한 2 개의 스위치를 표시한다. 이러한 양 2차 코일 및 스위치는 종래 기술에서는 LT_c초전도 재료로 이루어지지만, 본 발명에서는 HT_c초전도 재료로 이루어진다. 트랜스포머(13)로 작용하기 위해서 상기 전원(12)은 통상적으로 말하는 교류, 즉 흐름의 방향이 주기적으로 변하는 전류를 공급한다. 이러한 반복된 흐름 방향의 교체에 상응하여 스위치(15 및 16)가, 더 정확히 말해서 서로 교체되면서 개방 및 폐쇄된다. 따라서, 도면 부호 (20) 및 (21)로 표기된 라인을 통해 흐르는 전류의 정류가 이루어진다. 상기 전류는 전자석의 코일(11)을 위한 공급 전류이다. 도면 부호 (23)은, 여기서는 자세히 구현되지 않은, 유속 펌프(2)의 보호를 위한 공지된 안전 장치를 표시한다. 도면 부호 (25)는 전원(12) 및 스위치(15 및 16)의 공급 전류의 반복된 교체를 제어하기 위한 제어 시스템을 표시한다.

도 1의 공지된 유속 펌프에서 스위치(15 및 16)는 저온(LT_c) 초전도 스위치이다. 상기 스위치들의 "개방" 및 "폐쇄" 상태는 상기 스위치 내에 함유된 전도 재료의 상태에 의해 "초전도" 상태이거나 "정상 전도" 상태이다. 상기 초전도 상태는 이에 상응하게 저온 냉각된 상태에서 존재한다. 상기 냉각 상태는 개별 스위치 소자의 가열에 의해 개방된 스위치에 상응하는 정상 전도 상태로 전환된다. 이러한 전환은 가역적이다.

공지된 방식과 같이 스위치(15 및 16)가 주기적으로 전환되면 전자석의 코일(11) 및 상기 코일(11)의 회로는 초전도 전류로 연속해서 충전됨으로써, 이에 상응하여 전자석의 코일(11) 내에서 높은 자계 강도 또는 높은 자속의 전자석 연속 필드가 연속적으로 생성되며, 상기 연속 필드는 초전도 상태가 유지되는 동안 영구적이다. 더 광범위하게 볼 때 이러한 영구성은 LT_c초전도 및 상기 LT_c초전도를 위해 사용된, 이미 위에 언급된 재료에도 적용된다. 예컨대 핵스핀 단층 촬영의 1 회 충전된 초전도 전자석은, 그의 자계에 의해 핵스핀 단층 촬영을 위한 필드의 지속성에 대한 매우 높은 조건이 준수되도록 일정하게 오랫동안 자신의 자계 강도를 유지한다. 기술적 결함 또는 동작에 따른 오류가 없다는 것을 전제로 할 때, 재충전은 예컨대 대략 100 시간 후에야 요구된다.

공지된 유속 펌프의 기본 원리는 본 발명에서 제공된 고온 HT_c초전도 재료의 용도에 어느 정도 적합하다. 이에 따라, 본 발명에 따른 프로젝트 및 상기 재료들을 갖는 장치에 있어서 훨씬 특수한 또는 상이한 조건과 상황이 고려될 수 있다.

본 발명의 목적은, 본 발명에 따른 유속 펌프 및 상기 유속 펌프와 매우 일정한 자계를 위한 초전도 전자석의 본 발명에 따른 결합에 있어서, 이에 상응하는 HT_c초전도 재료를 갖는 장치가 바람직하게 구현될 수 있게 하는 조치들을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에서도 사용되는 공지된 회로 구성의 원리도이다.

도 2는 도 1의 정류기 회로의 변형예이다.

도 3은 본 발명에 따라 공통 크라이오스탯 내에서 유속 펌프와 전자석이 결합된 원리 구조를 절단선 I-I'로서 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 유속 펌프의 정류기 회로의 본 발명에 따른 스위치의 실시예를 나타낸 도면이다.

도 5는 작동 다이어그램이다.

* 도면의 주요 부호 설명*

2: 유속 펌프11: 초전도 코일

111: 전자석100: 크라이오스탯(cryostat)

12: 전원13: 트랜스포머

131: 트랜스포머의 코어113: 1차 코일

213, 313: 2차 코일413: 픽업 코일

15, 16; 115, 116: 스위치20, 21: 라인

23: 안전 장치25: 제어 시스템

41: 박막42: 기판

42': 절연층43: 보호-/분로(shunt)층

44: 초전도 단자45: 베이스 플레이트

141, 141': 온도 특성곡선46: 코팅층

47: 접속 라인48: 가열기

146: 스위치 구역T: 시간

τ: 시간 간격

특히 하기의 본 발명의 명세서에 대한 부가 설명을 위해, 본 발명의 공개 내용도 포함하고 있는 하기의 도면이 사용된다.

도 1에는 유속 펌프(2)를 위해 2 개의 2차 코일을 갖춘 양방향 정류기로도 표기되는 회로가 도시되어있다. 상기 회로의 위치에서는 본 발명을 위해 마찬가지로 정류 작용을 하는 브리지 회로도 사용될 수 있으며, 전자 공학에서는 (다이오드를 포함하는 것으로) 일반적으로 알려져있는 상기 브리지 회로는 여기서는 도 2에 본 발명의 한 실시예로서 도시되어있다. 도 2의 상기 브리지 회로의 개별 부품들 중 도 1과 적어도 일치하는 것들은 도 1에서 이미 정해진 동일한 도면 부호를 갖는다. 총 4 개의 스위치를 포함하는 브리지 회로의 2 개의 추가 스위치가 도면부호 (115) 및 (116)으로 표시되어있다. 상기 회로에서는 트랜스포머(13)의 2차 코일(213)이 단 1 개만 필요하다.

본 발명의 바람직한 조치는 적어도 전자석의 초전도 코일(11) 및 그의 종속 유속 펌프를 하나의 동일한 크라이오스탯(100)의 진공 챔버 내에 배치하는 것이다. 상기 조치의 장점은 단 1 개의 냉각 설비 및 단 1 개의 크라이오스탯 용기만 필요하다는 것이다.

전술한 목적을 해결하는 청구항 제 1항에 따른 본 발명 및 종속항에 따른 본 발명의 개선예의 경우 예컨대 고려되는 특별 조건은, 본 발명에 따른 장치가 초전도 유속 펌프 및 초전도 전자석, 본 발명에 따라 바람직하게 높은 동작 온도를 위한 HT_c-초전도체-재료를 구비하고, 이를 위해 상기 유속 펌프에 의해 각각 수 초의 간격으로 전자석의 재충전이 실시될 수 있는 방식으로 상기 장치가 구현되어야 한다는 점이다. 이는 HT_c초전도 재료를 갖는 본 발명에 따른 장치에 있어서 미리 제공된 허용치 내에서 자석의 자계 강도의 요구된 상수가 상기와 같이 단기적으로 연속 실시되는 재충전에 의해서만 유지될 수 있기 때문에 필요하다. 이는 공지된 방식으로 사용된 LT_c초전도 재료를 본 발명에 따라 사용된 HT_c초전도 재료로 교체하는데 기인한다. 그러나 HT_c초전도 재료를 갖는 본 발명에 따른 장치에서 유속 펌프 및 바람직하게 높은 온도에서의 자석은 모두 상이한 온도에서, 즉 유속 펌프는 거의 77K 이하, 전자석은 대략 20 내지 40K의 범위 내에서 동작될 수 있다는 것도 고려되어야 한다.

본 발명에 따른 이론에 있어서, 트랜스포머의 하나 또는 다수의 2차 코일을 위해 Bi2212-스트립 도체, Bi2223-스트립 도체를 기재로 하는 HT_c초전도 도체가 실버 매트릭스로 구현되거나 및/또는 금속 지지 밴드 위에 있는 YBa-CuO 도체가 바람직한 예로서 제공될 수 있다. 또한 다른 HT_c초전도 재료도 코일로서 사용될 수 있다. 트랜스포머의 1차 코일에도 마찬가지로 HT_c초전도 재료가 사용될 수 있지만,이러한 코일을 위해서는 매우 낮은 온도, 예컨대 77 K에서 매우 높은 비전도성을 가지면서도, 불리하게 줄(Joule)의 손실열을 발생시키는 구리선도 충분하다. 1차 코일 대 각각의 2차 코일의 수축비는 1 보다 훨씬 크게, 바람직하게는 대략 100 내지 1000까지 더 크게 선택될 수 있다. 바람직하게 사용되는 트랜스포머 코어는 특히 래미네이팅된 철, 다른 연자성 재료로 이루어지거나 페라이트이다. 또한 단지 공심 코일을 갖는 트랜스포머도 사용될 수 있다.

도 3은 공통 크라이오스탯(100) 내에서 1차 코일(113) 및 2차 코일(213 및 313)을 포함하는 트랜스포머(13), 그리고 스위치 장치(15, 16)를 갖는 전자석(111) 및 유속 펌프(2)의 초전도 코일(11)로 이루어진 본 발명에 따른 장치를 나타낸다. 상기 1차 코일 및 2차 코일은 서로 뒤섞여 감겨있다. 도면 부호(12)는 공급 전원을 나타낸다. 도면 부호 (413)은 픽업 코일을 표시한 것이며, 상기 픽업 코일에 의해 여기에 제공된 트랜스포머(13)의 코어 내 자속이 모니터링될 수 있다.

도 4는 본 발명에 사용된 한 스위치의 실시예를 나타낸 것이다. 스위치(15, 16, 115, 116)를 위해 HT_c-초전도 재료가 제공되며, 상기 HT_c-초전도 재료는 바람직하게는 적어도 10⁶의 높은 전류 전송 용량, 바람직하게는 10⁷보다 큰 전류 전송 용량을 갖는, 0.2 내지 2㎛ 두께의 박막(41)으로서 형성된다. 매우 적절한 HT_c-재료는 REBaCuO(RE = 희토류 금속 Nd, La, Dd, Eu, Sm 등 또는 이트륨)이다. Bi2212-CuO, Bi2223-CuO 또는 LaSr-CuO도 역시 적절하다. 박막(41)은 바람직하게는 다결정 기판에서 전기 절연된 결정 방향성 버퍼층(42') 위에 적층된다. 상기버퍼층(42')은 예컨대 공지된 IBAD-공정(Jijima, Appl. Phys. Lett. 60(1990) 769p.)에 따라 증착될 수 있다. 상기 버퍼층은 특히 이축 결정 배향(biaxial crystal orientation) 또는 상기 버퍼층 위에 증착되는 전술한 박막(41)의 텍스쳐링에 사용된다. 박막(41) 또는 상기 박막(41)이 증착되는 버퍼층(42')은 예컨대 0.1 내지 0.05 mm의 얇은, 열전도성이 좋지 않고 전기적으로 절연되지 않은 기판(42) 위에 적층된다. 상기 기판으로는 다결정 ZrO, MgO, 유리 등이 적합하다. 예컨대 SrTiO₃와 같은 단결정 기판의 경우 버퍼층이 생략될 수도 있다. 보완적으로 전술한 방식의 초전도체-박막(41) 위에 Au, Cu 등으로 이루어진 또 하나의 정상 도전성 보호층 및/또는 분로(shunt)층(43)이 적층될 수 있다. 도면 부호 (44)는 예컨대 납땜 연결에 의해 로우 임피던스로 접촉되는 HTc-초전도 재료의 박막(41) 위에 서로 횡간격을 두고 디포짓된 단자들을 나타낸다. 상기 단자들은 스위치를 통해, 즉 박막을 통해 횡방향으로 상기 단자들(44)을 통과하는 스위칭될 전류의 공급 및 방출을 위해 사용된다.

전술한 각각의 구조는 각각의 스위치(15, 16, 115, 116)를 위해 횡방향으로 스트립 형태로 형성된다. 각 스위치에 상응하는 이러한 스트립 형태의 구조(41 내지 44)는 바람직하게는 제공된 모든 스위치(15, 16, 115, 116)를 위한 공통 베이스 플레이트(45) 위에 형성된다. 상기 베이스 플레이트(45)는 예컨대 구리와 같이 열전도성이 좋은 재료로 이루어진다. 그러나 바람직하게는 상기 층 구조(41 내지 43)와 그의 베이스 플레이트 (45) 지지면 사이에 또 하나의 층이 제공되거나 또는베이스 플레이트 상에 코팅층(46)이 제공된다. 상기 층 또는 코팅층은 열전도력의 고려 하에 선택되고 두께가 정해진 재료로 이루어진다. 상기 재료는 예컨대 바람직하게는 섬유강화 플라스틱(GFK) 또는 그와 유사한 재료일 수 있다. 그러나 반드시 저온에서 안정적인 재료여야 한다. 상기 구조(41 내지 43)는 접착제 또는 그리스(grease)를 이용하여 베이스 플레이트(45) 내지는 코팅층(46) 위에 적층될 수 있다. 어떤 경우든지 베이스 플레이트(45)와 그 위에 놓인 구조(41 내지 43) 사이에 선택되어 정해진 열저항이 존재하는 것이 중요하며, 이로써 각 스위치의 작동이 보증된다.

베이스 플레이트(45)는 작동시 박막(41)을 위해 제공된 HT_c-초전도 재료의 전이 온도 이하의 낮은 온도를 유지한다. 따라서 상기 HT_c-박막(41)은 별도의 조치 없이도 초전도 상태로 유지될 수 있다. 이러한 상태, 즉 관련 스위치(15 또는 16, 115, 116)가 "폐쇄된" 상태에서는 초전도 전류가 박막(41)을 통해 단자들(44) 사이에서 흐른다.

스위치의 박막(41) 내에서 스위칭, 즉 상기와 다른 경우에 흐르는 전류의 차단이 물리적으로 이루어져야 하는 그곳에서는 가열기(48)가 예컨대 가열기에 적합한 재료로 이루어진 시이트의 형태로 상기 박막(41) 또는 경우에 따라 상기 박막(41) 위에 존재하는 분로층(43) 위에 제공된다. 상기 가열기(48)에는 그의 접속 라인(47)을 통해 전류 임펄스가 공급되고, 상기 가열기에서 발생한 줄의 열이 그 밑에 놓인 스위치의 초전도 재료를 초전도 상태로부터 저항을 받는 상태로 옮겨놓는다. 즉, 상기 초전도 재료는 상기 스위치가 개방되어야 하는 지속 시간동안 적어도 거의 전이 온도(T_c)로 또는 그 이상으로 가열된다.

도 4는 하나의 다이어그램도 포함하고 있다. 상기 다이어그램에서 X-축은 박막(41)에서의 횡방향이다. Y-축에는 온도가 기입되어있다. T_c는 박막(41)의 HT_c-초전도 재료의 전이 온도를 나타낸다. 베이스 플레이트(45)의 동작 온도는 대략 T₀의 값의 높이에 놓인다. 예컨대 상기 동작 온도는 크라이오스탯 내 자석 코일의 동작온도이다. 도 4에 제시된 곡선(141)은 횡방향으로 두 단자(44) 사이 및 개방된 스위치의 상태 내지는 위상에서 박막(41)의 HT_c-초전도 재료 내부의 온도 변화를 적어도 대략적으로 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 상태에서는 박막(41) 내 온도가 가열기(48) 하부의 영역에서는 전이 온도(T_c) 이상으로 상승된다. 더 정확히 말하면 베이스 플레이트(45)를 통한 냉각에 대응하는 열 공급에 의해 온도가 상승된다. 가열기(48)를 통해 흐르는, 스위치 구역(146)을 가열하는 전류가 재차단될 때마다 상기 스위치 구역(146)이 다시 전이 온도(T_c) 이하의 온도로 냉각될 수 있다. 이 경우 상기 스위치 구역(146) 내에서는 거기에 존재하는 박막의 초전도 재료의 정상 도전 상태동안 상기 재료 내에 스위치를 통해 흐르는 정상 도전 상태의 옴의 전류의 줄의 열이 발생한다는 점이 고려되어야 한다. 이는 냉각 효과에 대응하여 적절하게 정량적으로 고려되어야 한다.

본 발명을 위해 하기에는 스위치와 관련하여 또 다른 동작 방식이 기술된다.

본 발명의 개선예로서, 전술한 것처럼 스위치가 개방된 상태동안 가열기(48)가 계속 동작 상태를 유지하도록 하는 대신에 대안적인 동작 방식이 응용될 수 있다. 즉, 트리거 과정의 방식에 따라 각각 스위치 상태의 지속을 위해 상기 가열기(48)에 단지 비교적 단시간의 전류 임펄스를 가하는 것이다. 이러한 전류 임펄스에 의해 가열기 내에 발생한 줄의 열은, 스위치 구역을 상응하게 짧은 시간동안 전이 온도(T_c) 이상의 온도로 가열시키도록 정해진다. 이제 박막(41)의 스위치 구역(146)의 범위 내에서는 줄의 열(U²/R, U = 상기 영역(146)에 인가되어 정류기 회로의 2차 코일에 유도되는 전기 전압)의 발생과 결합하여, 즉, 그 이후에 계속해서 상기 전압에 따라 단자들(44) 사이에도 흐르는 옴의 잔류 전류에 의해 우선 단시간동안 저항(R)을 가진 재료의, 외부에 의한 극도로 강제적인 정상 도전 상태가 우세하다. 스위치 구역 내에서 박막(41)과 베이스 플레이트(45) 사이의 열 전도를 측정함으로써 이러한 경우 개방되거나 차단되는 스위치 내 잔류 전류의 줄의 열과 베이스 플레이트으로의 열 방출 사이의 평형이 달성될 수 있다. 그러면 스위치가 폐쇄된 경우 단자들(44) 사이 및 코일(11)을 통해 흐르는 전류의 차단의 자기 안정화 상태가 초래된다.

"개방된 스위치" 기능의 이러한 바람직한 자기 안정화 상태는 전술한 잔류 전류의 전류 강도가 현저히 감소됨으로써 종료된다. 트랜스포머(13)의 일차측에서 전류 공급이, 시간 간격(τ)동안의 트랜스포머 코어 내 자속(dφ/dt)의 시간에 따른 변동이 대략 "0"에 가깝도록, 즉 트랜스포머 내 일차 전류의 일정한 전류 진폭의 시간 간격 내에서 이루어지는 경우에는 항상 그러한 상태가 나타난다. 상기 시간 간격 내에서는 스위치가 개방된 경우 트랜스포머 내 및 정류기 회로 내에 유도된 2차 전압도 값 "0"에 놓인다. 그로 인해 잔류 전류 및 상기 잔류 전류에 의해 스위치 경로 내에 발생한 줄의 열이 매우 감소하기 때문에, 이제 열 방출이 과도화되고, 그럼으로써 스위치 구역이 전이 온도 미만으로 냉각되며 자기 안정화 상태가 파괴된다. 그로 인해 상기 스위치 구역은 다시 초전도 상태로 전환되고, 관련 스위치는 다시, 즉, 추후 트리거되는 가열 임펄스까지 폐쇄된다. 따라서 본 발명의 이러한 실시예에서는 관련 유속 펌프를 위해 필요한, 정류기 회로의 스위치의 동작 주기에 따른 일차측 전류 공급의 동기화 외에도, 일차 교류 내지는 교류-펄스 여기의 형태가 스위치의 상기와 같은 특수한 동작에 매칭된다. 상기 매칭과 관련하여 도 5에 대한 하기의 실시예에서 더 자세히 설명된다.

저항을 받는 상태로부터 (다시) 초전도 상태로의 냉각 시간을 최소화하기 위해, 전이 온도보다 높은 온도에서 저항을 받는 스위치 구역(146) 내에 축적된 에너지 및 상기 구역으로부터의 열 방출이 가능한 한 작게 유지되거나 작게 정해짐으로써 상기 목적이 달성된다. 그로 인해 유속 펌프가 높은 사이클 주파수를 갖는 사이클 내에서 동작될 수 있고, 게다가 상기 펌프는 그러한 많은 양의 열 에너지 없이도 반복되는 스위칭 과정의 수행시 크라이오스탯의 냉각 동작 범위로 이행된다.

상기 유속 펌프(2)를 사용하여 전자석(111)이 전류원(12)으로부터의 전류 공급에 의해 충전된다. 이에 대해서는 도 5에도 나타나있다. 도 5는 하기에 기술되는 과정을 행 (A) 내지 (F)로 나타내고 있다. 도 5의 좌측 절반부의 과정은 전자석의 완전한 충전과 관련된다. 이에 대해 도 5의 우측 절반부는 시간에 따라 발생하는 손실을 보상하기 위한 재충전 과정, 즉 전자석(111)의 자계의 시간에 따른 안정화를 위한 과정에 관련된 것이다.

도 5의 행 (A)는 본 발명의 유속 펌프의 경우 트랜스포머(13)의 전류 공급에 의해 그의 코어에 발생한 자속(φ)의 시간적 파형의 예를 나타낸다. 가로축에는 시간(t)이 기입되어있다. 자속(φ)의 시간에 따른 변동은 2차측에서 행 (B)에 따라 각각의 2차 코일(213, 313)에 각각 전압 펄스를 야기시킨다. 그렇게 되면 2차 코일, 예컨대 (213)의 회로 내에서는 도전 접속된 스위치, 예컨대 스위치 (15)에 의해 전류가 흐른다. 상기 전류는 행 (C)의 단계적 곡선에 따라 자석 코일(11) 내 전류의 전류 상승을 일으킨다. 행 (A)를 뒤따르는 시간적 유속 변동은 다시 트랜스포머의 2차측에서 전압 펄스를 일으키고, 또한 행 (B)가 나타내는 것처럼, 반대되는 부호를 갖는 펄스를 일으킨다. 정류기 회로의 기능에 상응하게 이제 폐쇄된 스위치(16)에 의해 전류가 2차 코일(313)을 통해 흐르고, 이는 행 (C)가 나타내듯이, 자석 코일(11) 내 전류 흐름의 추가 충전을 야기한다. 유속 펌프에 관련하여 공지된 바와 같이, 상기 과정은, 자석 코일(11)이 사전 설정된 높은 자계에 도달할 수 있게 해주는 전류 강도로 상기 자석 코일(11)이 최종 충전될 때까지 계속된다.

앞서 상술한 과정의 시간적 순차에서 한 번은 전류 관류용 정류기 스위치의 한 분기의 스위치(15)가, 한 번은 다른 분기의 스위치(16)가 교대로 폐쇄된다. 즉 초전도 상태를 나타낸다. 예컨대 스위치(15)에 의한 관류시 동시에 차단된스위치(16)는 행 (D)에 따라 박막(41) 재료의 전이 온도(T_c)까지 또는 그 이상으로 가열되고, 그럼으로써 전술한 잔류 전류가 남을 때까지 차단되도록 접속된다.

자기 안정화 효과를 이용하지 않는 본 발명의 실시예의 경우 가열기(48)는 행 (B)의 각각의 임펄스의 전체 지속 시간동안, - 한 번은 스위치 (15)에서, 또 한 번은 다른 스위치(16)에서 - 위에서 기술한 것처럼 가열 전류를 공급받음으로써, 상기 가열기의 박막(41) 내 각각의 스위치 구역(146)에서는 전이 온도(T_c)를 초과하는 온도에 도달되고, 스위치의 개방이 지속되는 동안 그 상태가 유지된다.

스위치의 자기 안정화 효과를 이용하는 본 발명의 실시예의 경우 도 5의 행 (D')가 스위치(15 또는 16)의 각각의 개방의 트리거식 스타팅을 위한 전술한 전류 임펄스의 시퀀스를 보여준다. 행 (D')의 개별 전류 임펄스는 각각 먼저 적어도 전이 온도(T_c)의 상승을 일으킨다. 전이 온도의 상승은, 그런 다음 상기 상태를 자기 안정화시키는 줄의 열을 갖는 옴의 잔류 전류가 이후 각 스위치의 차단 상태동안 발생하게 한다. 특히 행 (A) 및 (D)로부터, 행 (A)에 따라 시간적으로 연속하는 2 개의 자속 변동 사이에 존재하는, 적어도 거의 일정한 자속(φ)을 갖는 시간 간격(τ)을 볼 수 있다. 상기 시간 간격 내에서는 트랜스포머의 양측 2차 코일에 실제로 전기 전압이 인가되지 않기 때문에, 상기 시간 간격 내에서는 - 각각의 스위치(15, 16)가 폐쇄된 경우에도 - 유도성 여기 전류 흐름이 존재하지 않는다. 이로써 위에서 기술한, 개방된 스위치를 통해 흐르는 잔류 전류의 일시적인 차단 및 그에 따른 자기 안정화 효과의 중단이 야기되고, 그로 인해 각각의 스위치(15,16)가 다시 박막(41)의 초전도 상태로 되돌아간다. 즉, 행 (D)가 나타내는 것처럼 스위치의 온도가 T₀까지 떨어질 수 있다.

본 발명에 의해 스위칭시 재충전의 펄스 주파수를 부적절하게 감소시키지 않고도 최소의 열손실을 달성할 수 있다.

행 (E)는 트랜스포머(13) 내 일차 전류를, 행 (F)는 트랜스포머(13) 내지는 상기 트랜스포머(13)의 일차 코일(113)에서의 일차 전압을 나타낸다.

전자석(111)의 자계 강도의 시간에 따른 안정화에 관한 도 5의 우측 측면은, 트랜스포머(13) 내에서의 자기 흐름 내지는 1차 전류의 부호 교체가 시간적으로 확장된다는 점에서, 다시 말해 행 (C)의 우측 절반부에서와 같이 재충전이 필요한 것으로 보인다는 점에서 도 5의 좌측 절반부의 충전 과정과 구별된다.

전자석(111)의 충전 및 상기 전자석(111)의 자계의 시간 상수에 대한 재충전은 도 5에 따라 펄스 주파수 및/또는 펄스 진폭의 제어, 그리고 이에 상응하는 유속 펌프의 정류기 회로의 스위치의 제어에 의해 이루어진다. 펄스 주파수는 바람직하게 제어 회로에 의해, 또는 제어 회로와 함께 사전 설정될 수 있다.

상기 제어 회로는 예컨대 자석 내 또는 자석에서의 주기적인 NMR 필드 측정을 위한 조치를 수행한다. 예컨대 NMR 주파수의 실제값과 목표값 간의 차이가 검출된다. 이때 나타나는 차이는 재차 이에 비례하는 펄스 주파수의 변동에 의해 보상되는데, 상기 펄스 주파수에 의해 유속 펌프의 입력부, 즉 트랜스포머(13)의 1차 코일(113)이 제어된다.

필드 안정화를 달성하기 위한 대안적인 조치로서, 요구되는 저온이 나타나는 영역 내에서 상기 편차가 전류 측정에 의해 또는 홀 센서에 의해서도 검출되어, 다시 보정된 펄스 주파수로 변환될 수 있다.

도 5의 과정에 상응하여 1회 충전된 전자석(111)은 연속해서 가변되는 방식으로 역 방향으로 동작되는 유속 펌프에 의해 다시 방전될 수 있다. 여기서, 동일한 펄스 다이어그램에서 충전시 폐쇄되었거나 전환된 각각의 스위치가 개방된다.

본 발명에 따라, 유속 펌프(2) 및 자석(111)은 바람직하게 공통 크라이오스탯 내에 함께 배치될 수 있다. 상기 크라이오스탯 내의 온도는 전자석(111)을 위해 제공된 온도값, 예컨대 위에 언급된 값(T₀)으로 조절될 수 다. 즉, 자석의 코일(11)의 HT_c초전도 재료는 발생한 자계에서 필요한 전류 전송량을 갖도록 정해진다. 그렇게 되면 회로 장치의 베이스 플레이트(45)는 더 높은 온도로, 그러나 초전도 재료의 온도(T_c) 보다는 낮은 온도로 유지될 수 있다. 그에 따라 스위치의 가열기(48)의 요구되는 가열 능력(도 4) 및 베이스 플레이트(45)에 대한 박막(41)의 열전도력이 좌우된다.

본 발명을 통해, 본 발명에 따른 유속 펌프 및 상기 유속 펌프와 매우 일정한 자계를 위한 초전도 전자석의 본 발명에 따른 결합에 있어서, 이에 상응하는 HT_c초전도 재료를 갖는 장치가 바람직하게 구현될 수 있게 하는 조치들을 제공하는 것이 보증된다.

Claims

전자석(111)의 초전도 코일(11) 내로 전류를 공급하기 위해 제공된 펌프로 형성된, 적어도 1 개의 제어 가능한(25) 스위치(15, 16; 115, 116)를 갖는 2차측 정류기 회로 내에 제공된 적어도 하나의 2차측 초전도 코일(213, 313)을 포함하는 트랜스포머(13)를 갖는 초전도 유속 펌프(2)를 갖는 장치에 있어서,

상기 각각의 2차측 코일(213, 313)은 HT_c초전도 재료로 이루어지고, 각각의 스위치(15, 16; 115, 116)로서 역시 HT_c초전도 재료로 이루어진 스트립 형태로 형성된 스위치 구역(146)을 갖는 스위치가 제공되며, 상기 스위치 구역(146)에는 제어 가능하게(25) 동작되는 가열기(48)가 열 전도성 접촉되도록 인접 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서,

상기 전자석(111)의 초전도 코일(11) 및 유속 펌프(2)는 하나의 공통 크라이오스탯(100) 내에 함께 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항 또는 2항에 있어서,

상기 스위치 구역(146)이 박막(41)으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3항에 있어서,

상기 스위치 구역(146)의 범위 내에서 상기 박막(41)은 0.2 내지 2 ㎛ 두께로 정해지는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3항 또는 4항에 있어서,

상기 스위치 구역(146)의 범위 내에서 상기 박막(41)의 횡단면의 전류 전도성은 적어도 10⁶A/cm²으로 정해지는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스위치(15, 16)를 위해 HTc 초전도 재료로서 RE BaCuO 그룹 중에서 선택되고, RE는 적어도 하나의 희토류 금속(Nd, La, Dd, Eu, Sm 또는 이트륨)인 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스위치(15, 16)를 위한 재료로서 Bi2212 또는 Bi2223 또는 LaSr-CuO가 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 박막(41)은 상기 박막의 텍스쳐링을 위한 버퍼층(42') 위에 적층되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 박막(41)을 위한 기판(42)으로서 다결정 ZrO, MgO 또는 유리가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9항에 있어서,

상기 박막(41)의 기판(42)의 두께는 0.05 내지 0.1 mm로 정해지는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스위치(15, 16; 115, 116)는 하나의 베이스 플레이트(45) 상에서 열전도성이 좋은 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 11항에 있어서,

상기 베이스 플레이트(45)가 구리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
제 11항 또는 12항에 있어서,

적어도 스위치 구역(146)의 범위 내 상기 베이스 플레이트(45)의 표면에는임의의 두께 및 재료로 이루어진 코팅층이 제공됨에 따라, 상기 코팅층(46)이 베이스 플레이트(45)와 박막(41) 사이의 사전 설정 가능한 열전도력을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 13항에 있어서,

상기 코팅층(46)을 위해 플라스틱 재료가 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 13항에 있어서,

상기 코팅층(46)으로서 그리스(grease)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 재료들과 각각의 스위치(15, 16; 115, 116)를 위해 사용된 재료의 비율은, 상기 스위치 구역(146) 내 전류 흐름의 차단이 제어된 상태에서 상기 차단의 자기 안정화 상태가 야기되도록 검량되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항 내지 16항 중 어느 한 항에 따른 장치를 동작시키기 위한 방법에 있어서,

상기 유속 펌프(2)의 트랜스포머(13)의 전류 공급이 전류 임펄스에 의해 실시되는(도 5, 행 (E)) 것을 특징으로 하는 방법.
제 2항 내지 16항 중 어느 한 항 및/또는 제 17항에 따른 장치를 작동시키기 위한 방법에 있어서,

상기 각 스위치(15, 16; 115, 116)의 가열기(48)가 상기 스위치의 각각의 개방을 위해 먼저 상기 스위치 위상의 지속 시간에 비해 비교적 짧은, 후속하여 자기 안정화되는 스위치 상태를 위한 가열 임펄스에 의해 제어되고, 상기 상태는 잔류 전류의 제어된 감소에 의해 비로소 종료되는(도 5, 행 (D')) 것을 특징으로 하는 방법.
제 18항에 있어서,

상기 잔류 전류의 각각의 감소는 상기 트랜스포머(13)의 전류 공급의 각각의 시간 간격(τ)을 통해 야기되고, 상기 시간 간격(τ) 내에서는 트랜스포머(13)의 자속(φ)이 적어도 거의 일정하게(dφ/dτ0) 유지되는(도 5, 행 (A)) 것을 특징으로 하는 방법.
제 17항 내지 19항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전자석(111) 내에서의 전류 안정화는 상기 유속 펌프(2)의 트랜스포머(13)의 전류 공급의 제어(413)를 통해 구현되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20항에 있어서,

상기 제어는 상기 트랜스포머(13)의 전류 공급의 임펄스 시퀀스의 주파수 제어를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20항에 있어서,

상기 제어는 상기 트랜스포머(13)의 전류 공급의 임펄스의 진폭 제어를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.