KR20090091111A - 자석 보호를 위한 유도성 켄치 - Google Patents

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메사츄세츠 인스티튜트 어브 테크놀로지
스틸 리버 시스템즈, 아이엔씨.
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Abstract

고성능 초전도성 자석을 균일하게 켄칭함으로써, 내부 에너지 덤핑을 제공하기 위해 초전도성 자석을 유도성 가열하기 위한 코일 시스템. 켄치 유도 시스템은 무시할만한 리액티브 전력을 요구하는 AC 자기장을 사용한다. 상기 시스템은 건식 초전도성 자석에서 비교적 균일한 켄치를 유도하기에 특히 적합하다.

Description

자석 보호를 위한 유도성 켄치{INDUCTIVE QUENCH FOR MAGNET PROTECTION}
이 출원은 2006년 9월 7일자 US 출원 제11/517,490호 “Inductive Quench For Magnet Protection”로부터 우선권을 주장한다. 이 출원의 전체 내용은 본원에서 참조로서 인용된다.
본 발명은 초전도성 자석을 보호하기 위한 켄치 시스템(quench system)에 대한 것이다. 고성능 초전도성 자석은 높은 전류 밀도에서 0, 또는 0에 가까운 저항에서 동작한다. 높은 전류 밀도와 0(또는 0에 가까운) 저항은 자석 권선의 크기를 최소화하여, 보다 컴팩트한 자석과 증가된 자기장을 가능하게 한다.
초전도체의 일부 영역에서 온도, 또는 장(field), 또는 전류가 너무 높은 경우, 상기 영역에서 초전도성 속성이 손실되어, 저항성, 즉 정상 상태가 된다. 정상 상태의 초전도체는 구리보다 훨씬 더 저항성을 갖는 것이 일반적이다. 보통 초전도체를 션트하는 높은 전도성 금속(일반적으로 구리, 또는 알루미늄)에서 전류가 흐른다. 초전도성 물질이 자신의 초전도성 기능을 손실하기 때문에 상전도성(normal conducting) 물질에서 전기 전류가 흐르게 되는 권선의 영역을 켄치 존(quench zone), 또는 정상 존(normal zone)이라고 일컫는다. 상기 정상 존에서는, 권선이 저항성이 되고, 이를 통과하는 전류로 인해 열이 발생한다. 많은 경우에서, 이러한 발열은 전도체에 국소적인 손상을 초래할 수 있다. 초전도성 권선에서 초전도체를 션트하는 상전도성 물질(가령, 구리나 알루미늄)이 존재할지라도, 켄치 존이 너무 국소화된 경우, 고성능 자석이 이러한 상전도성 물질에서 열을 많이 발생시킬 수 있다. 권선에서의 강력한 국소 발열로 인한 자석의 파괴를 방지하기 위해, 자석에서 축적된 자기 에너지를 빨리 제거하여, 초기 정상 존의 피크 온도를 최소화하는 것이 필요하며, 이러한 축적된 자기 에너지 제거는, 상기 축적된 자기 에너지를 외부 저항기, 또는 외부 전기 에너지 축적 유닛에 버림(dumping)으로써, 또는 전체 자석에 걸쳐 에너지를 비교적 균일하게 축적함으로써, 이뤄진다.
고성능 자석은 그 밖의 다른 초전도성 자석에 비해 더 높은 전류, 전류 밀도뿐 아니라, 보다 높은 피크 필드(peak field), 힘(force) 및 축적된 에너지로서 특징지워진다. 고성능 자석에 있어서, 필요한 높은 전압 때문에, 자석에서 에너지를 충분히 빨리 제거하는 것이 어렵다. 높은 전압은 자석을 빨리 방전시키기 위한 필요의 결과이다. 자석 권선 자체의 체적의 실질적인 조각으로 자기 에너지를 소산시키는 것이 더 바람직하다. 전도체에서 초전도-상전도 전이(superconducting-to-normal transition)를 이루기 위해 요구되는 단위 체적 당 발열 에너지는 자석의 속성에 따라 좌우된다. 액체 He와 직접 접촉하는 시스템은 1J/㎤ 수준의 높은 에너지 투입을 요구한다. 그러나 냉간 앵커(가령, 저온냉동기(cryocooler))로의 직접 열 전도에 의해, 액체 한제(liquid cryogen)없이 냉각되는 건식 자석(dry magnet)은 단위 체적 당 훨씬 더 적은 열에너지, 일반적으로 100mJ/㎤ 이하를 필요로 한다.
초전도성 권선은, 어떤 영역은 큰 안정성을 갖고, 나머지는 그렇지 않도록, 상기 권선 위에 장의 분포(distribution of field)를 가질 수 있다. 이러한 예에서, 권선의 일부분은 상전도 상태가 될 수 있으며, 나머지 부분은 초전도 상태로 유지되며, 결과적으로, 자석의 작은 부분에서만 열이 발생된다. 이러한 경우에서, 권선에 걸쳐서 큰 온도 차이가 존재할 수 있으며, 이는 가열된 영역과 가열되지 않은 영역 간의 열 팽창도의 차이로부터의 기계적 스트레스의 구축으로 인한 손상을 초래한다. 이러한 경우에서, 권선에도 역시 손상을 입힐 수 있는 이러한 스트레스를 피하기 위해 신속하게 상전도 상태로 갈 수 있는 자석의 안정적인 차가운 영역을 만드는 것이 필요하다.
자석 체적의 실질적인 조각에서의 축적된 자기 에너지의 내부적인 소산(덤핑)을 이루기 위해, 전류의 자연적인 감쇠 시간에 비교할 때 작은 시간 내에, 전도체 권선의 큰 조각의 온도를 공유 전류 온도(current sharing temperature: 상전도성 물질에서 전류가 흐르기 시작하는 온도) 이상으로 능동적으로 상승시키는 것이 필요하다. 가열에 의해 초전도체는 상전도 상태가 되며, 이로 인해, 전류는 초전도체를 션트하는 상전도성 물질로 강제로 이동되며, 벌크 권선에서 실질적인 열 소산이 야기되고, 추가적으로 전체 온도가 증가하게 된다. 이러한 프로세스에 의해, 보다 균일한 온도가 권선 체적에 걸쳐 존재하게 되며, 또한 자석이 방전된 후에 권선의 피크 온도가 감소된다.
과거에는 전도체 권선의 가열이, (외부 전력 공급기에 의해) 능동적으로 에너지를 공급받거나, (메인 필드(main field)에 유도성 결합되며, 메인 자석에서의 전류 감소에 의해 에너지를 공급받거나, 내부 변압기에 의해 구동되는 내부 루프에 의해) 내부적으로 생성되는 로컬 주울 가열기(Joule heater)에 의해, 이뤄졌다.
저성능 자석에서, 켄치를 위해 허용되는 시간이 비교적 길기 때문에, 코일 권선 팩의 표면을 가열하는 것이 충분하다. 코일 덤프 시간 척도에 비해 짧은 시간 척도로 코일의 단면의 충분한 부분의 가열을 가능하게 하기 위해, 전도체 층과 절연체를 통과하는 열 확산은 충분히 높다.
고성능 자석에서, 코일 및/또는 가열 소자의 단락(short-circuiting) 가능성을 최소화하기 위해, 상기 주울 가열 소자는 코일 권선 팩의 표면 상에 위치된다. 보통 상기 가열 소자는 직접적인 기계적 부하의 경로에 있지 않도록 위치된다. 이러한 고성능 자석에서, 축적된 에너지의 덤핑에 대하여 허용된 시간은 너무 작아서, 보통, 전도체 층을 가로질러 이뤄지는 열 전도, 또는 코일 권선의 비교적 균일한 온도를 제공하기 위해 전도체를 따라 이뤄지는 열 전도에만 의존하는 것이 불가능하다.
초전도성 상태일 때, 전도체 권선은 AC 손실(AC 자기장의 존재로 인한 손실)에 의해 가열될 수 있음은 잘 알려져 있다. 몇 가지 AC 손실 메커니즘이 초전도성 권선에서 발생한다고 알려져 있으며, 가령, 에디 전류 손실, 히스테레시스 손실, 결합 손실이 있다. 에디 전류 손실은 상전도성 물질(비-초전도성 부분)을 통과하는 자기장 확산(magnetic field diffusion)에 의해 발생된다. 히스테레시스 손실은, AC장이 초전도체의 표면을 관통함에 따른 상기 초전도성 물질에서의 자화 효과(magnetization effect)로 인해 발생된다. 결합 손실은 비틀린 초전도체를 통과 하는 쇄교자속(flux linkage)으로 인한 초전도체/상전도성 물질의 경계부에서의 손실로 인한 것이다.
메인 자기장의 잔물결의 발진에 의한 AC 손실을 이용하여 코일을 가열하는 것의 문제점은 장(field)을 변화시키기 위해 요구되는 전력이 너무 높다는 것이다. IDC가 메인 자기장을 발생시키는 전류이고, IAC가 AC 전류인 경우, 메인 자기장의 에너지에 대한 AC 자기장의 에너지의 비는 IAC/IDC이며, 이러한 비는 외부에서 구동되는 AC 자기장에서 매우 높은 전력이 요구되는 결과를 초래한다.
본 발명의 하나의 목적은, 자석을 파괴로부터로 보호하기 위해 큰 리액티브전력(reactive power)을 필요로 하지 않고, 비-전도성 프로세스를 통해 초전도성 자석의 전도체의 실질적인 부분을 가열하는 것이다.
본 발명의 하나의 양태에서, 자석 보호를 위한 켄치 시스템은 DC 초전도성 코일과, 상기 DC 초전도성 코일의 인접부에 위치하여, AC 자기장을 발생시키기 위한 AC 코일 시스템을 포함한다. 상기 AC 자기장은 DC 코일을 가열하여, DC 초전도성 코일의 부분에 걸쳐 초전도에서 상전도로의 변환을 발생시킨다. 바람직한 실시예에서, DC 초전도성 코일과 AC 코일 간의 상호 인덕턴스가 0에 수렴하도록 상기 DC 초전도성 코일과 AC 코일 시스템이 배열된다. DC 초전도성 코일과 AC 코일 시스템의 자기장은 서로 직교하여, 낮은 상호 인덕턴스를 제공할 수 있다. 요구조건은 AC 장이 메인 코일에 잘 연결되어 (히스테레시스, 결합, 또는 에디 전류 가열로 인한) 충분한 AC 손실을 도출하는 것뿐이다,
AC 코일 시스템은 복수 개의 코일을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 각각의 코일에서 발생되는 내부 전압을 감소시키기 위해 복수 개의 코일 사이에 루프, 또는 동일한 개수의 루프로 구성된 세트를 인터리빙함으로써, AC 코일 시스템이 감긴다. AC 코일 시스템의 각각의 코일은 DC 초전도성 코일에 대하여 상호 인덕턴스 0으로 수렴될 수 있다. 대안적으로, 전체 AC 코일 시스템은 DC 코일에 대하여 상호 인덕턴스 0으로 수렴할 수 있지만, 상기 AC 코일 시스템의 복수 개의 코일 중 각각의 개별적인 코일은, DC 초전도성 코일에 대하여 유한 상호 인덕턴스를 갖는다. 바람직한 실시예는 AC 코일 시스템과 DC 초전도성 코일 사이에서 높은 전압 절연체를 포함한다.
또 하나의 실시예에서, 상기 시스템은 DC 초전도성 코일을 둘러싸는 전기 전도성 열 담요를 포함한다. 열 담요는 (액체 냉각제가 없는) 건식 자석에서, 형편없이 냉각된 코일 섹션에서 냉각 회로로 효과적으로 열을 전달하기 위한 수단으로서 사용된다. 상기 열 담요는 상기 열 담요 내 유도된 전류가 AC 코일 시스템에 의해 DC 초전도성 코일로부터 생성된 AC 자기장을 차폐하는 것을 방지하기 위한 갭을 포함한다.
AC 자기장의 적합한 주파수는 100㎐ 내지 10㎑이다. AC 자기장의 적합한 크기는 50 내지 300G이다.
도 1은 본 발명의 유도성 켄치 시스템의 하나의 실시예의 단면도이다.
도 2는 갭을 갖는 열 담요를 포함하는 도 1의 실시예의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따르는 켄치 시스템의 또 다른 실시예의 투시도이다.
도 4는 루프를 인터리빙함으로써 감기는 코일 시스템을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 다르는 켄치 시스템의 또 다른 실시예의 투시도이다.
본 발명의 목적은, 메인 초전도성 코일의 큰 부분에 걸쳐 켄치(quench)가 짧은 시간 간격 동안 발생되도록 초전도성 권선을 충분히 가열하면서 AC 자기장을 구동하기 위해 요구되는 리액티브 전력을 감소시키는 것이다.
이하에서 설명되는 본 발명의 실시예는 자기장과 상호인덕턴스(mutual inductance) 중 하나의 관점으로 해석될 수 있다. 메인 DC 초전도성 자석을 가열하기 위해 사용되는 AC 자기장에서 요구되는 에너지를 감소시키기 위해, 일부 실시예에서, 상기 AC 자기장은 정상 상태의 메인 자기장에 수직으로 배향된다. 그 후, 이러한 설계에 의해, 메인 DC 자기장의 에너지에 대한 AC 자기장의 에너지의 비가 (IAC/ISC)2로 스케일링되며, 이때, IAC와 ISC는 각각, AC 코일의 전류와 메인 초전도성 코일의 전류이다. 비 IAC/ISC가 1보다 훨씬 작기 때문에, 이러한 구조에서의 에너지는 종래의 유도성 가열기(inductive heater)에서보다 훨씬 더 작으며, 이때, 메인 자기장의 잔물결 발진(rippling oscillation )이 사용되어, AC 자기장이 확립될 수 있고, 앞서 언급된 바와 같이, 에너지는 IAC/ISC로서 스케일링된다. 상호인덕턴스의 관점에서, AC 켄치-유도성 코일과 DC 코일 간의 상호인덕턴스가 M인 경우, LAC와 LSC는 각각 AC 켄치-유도성 코일 자체의 인덕턴스와 제인 초전도성 코일 자체의 인덕턴스이고, DC 메인 자기장 에너지에 대한 AC 자기장 에너지는
(MIACISC+LACIAC 2)/LSCISC 2
와 같이 주어진다.
M이 0이 아닌 경우, 이 비는 MIAC/LSCISC가 되지만, M이 0인 경우, 이 비는 LACIAC 2/LSCISC 2~(IAC/ISC)2이 된다. 따라서 M이 0인 경우, 리액티브 에너지(reactive energy)와 정상 상태 메인 자기장 에너지 간의 비는 훨씬 더 작게 만들어질 수 있으며, 이는 자석 켄치를 개시하도록 요구되는 전력을 감소시킨다.
메인 초전도성 코일 세트로부터의 DC 자기장과 켄치-유도성 코일로부터의 AC 자기장이 서로 직교한다는 사실은, 2개의 코일 세트 간의 상호 인덕턴스가 0이라는 전기적 속성을 갖는다. 2개의 코일 세트 간에 순 쇄교 자속(net magnetic flux linkage)은 존재하지 않으며, 하나의 세트에 전력을 공급하는 것이, 상호(mutually) 결합되었을 경우 요구되는 리액티브 전력을 피하게 한다. 그 후, 리액티브 전력은 거의 사용하지 않으면서, 초전도성 자석을 켄칭하기 위해 사용될 수 있는 코일의 기하학적 형태를 생성하기 위해 이러한 기준이 사용될 수 있다.
도 1에서 나타나는 바와 같은, (수직 방향으로 정렬된 축(10)을 갖는 메인 초전도성 코일에 대한) 수직방향으로 방사형의 장을 생성하는 솔레노이드 권선 형 태의 메인 DC 초전도성 코일(8)의 경우, 장을 토로이달 방향(toroidal direction)으로 (솔레노이드 권선의 형태에서 메인 초전도성 코일의 권선과 동일한 방향으로) 발생시키는 AC 켄치 유도성 코일 배열이 0 상호 인덕턴스의 요구조건을 만족시킨다. 이러한 장은 도 1에서 도시된 바와 같이, 초전도성 솔레노이드 권선(14)을 둘러싸는 토로이달 권선(12)을 사용함으로써 발생될 수 있다. 구조적 지지부(16)가 DC 코일(8)을 보강한다.
M=0이라는 조건의 이점은, AC 토로이달 켄치 유도 코일(12)과 메인 초전도성 권선(14) 사이에 동작하는 어떠한 힘도 존재하지 않는다는 것이다. AC 켄치 유도 코일(12)은 단지 자기 부하(self-loads)로 인해서만 지지될 필요가 있다.
이러한 권선 배열의 이점은 AC 코일(또는 코일 세트)(12)이 DC 자기장을 생성하는 메인 초전도성 권선(또는 권선 세트)(14)과 접촉할 필요가 없다는 것이다. 메인 초전도성 코일의 인접부에 위치하는 것으로 충분하다. 이와 반대로, 종래 기술의 주울 가열기는, 복사 열 전달은 너무 느리기 때문에, 열전도를 통해 열이 전달되도록, 메인 초전도성 코일 세트와 긴밀하게 접촉할 필요가 있다. AC 켄치-유도 코일 세트(12)는 메인 초전도성 권선 세트(14)와 긴밀하게 접촉할 필요가 없다는 사실은 메인 초전도성 권선(또는 권선 세트)(14)과 AC 켄치-유도 코일(또는 코일 세트)(12) 간의 단락(short)의 가능성뿐 아니라, 코일 세트에서, 또는 2개의 코일 세트 간에 발생되는 높은 전압으로 인한 고장(breakdown), 또는 메인 구조적 부하 경로 중에 존재하는 켄치 유도 소자로 인한 기계적 손상의 가능성까지 최소화시킨다.
권선(12)의 AC 자기장은 초전도성 권선(14)을 관통할 필요가 있다. 도 1의 솔레노이드 자석의 경우, 차폐 전류가 폴로이달 방향(즉, 토로이달 AC 켄치-유도 권선(12)에서의 전류 흐름의 방향과 동일한 방향)으로 차단되지 않고 흐를 수 있게 해주는 전기 전도성 소자가 존재하지 않는 한, 장이 메인 초전도성 권선(또는 권선 세트)(14)을 완전히 관통한다. 이러한 전도성 브레이크(conducting brake)는 참조번호(20)로 나타난다.
열을 제거, 또는 확산시키기 위해, 초전도성 자석을 열 담요(thermal blanket)로 감싸는 것이 유용하다. 열 담요를 사용하는 것은, 자석 둘레의 모든 표면에 접촉하는 액체 헬륨 냉각제 없는 건식 초전도성 자석의 경우에 특히 유용하다. 또한 이러한 열 담요는 바람직한 전기 전도체일 수 있다.
도 2를 참조하여, 상세한 분석에 의해, 메인 초전도성 권선(또는 권선 세트)(14)을 감싸는 열 담요(18)의 경우에서, 켄치-유도 코일 세트(12)로부터의 AC 자기장이 초전도성 권선(또는 권선 세트)(14)을 관통하도록 하게 하기 위해, 폴로이달 전류가 상기 열 담요(18)에서 흐르는 것을 방지하는 갭(gap, 20)만 요구됨을 판단했다. 갭(20)이 없다면, 열 담요(18)에 흐르는 에디 전류가 AC 자속을 차폐할 것이다.
또 다른 타입의 자석에 대하여 동일한 접근법이 사용될 수 있다. 메인 초전도성 코일 세트가 그 자체로 토로이달 자석인 경우, AC 켄치-유도 코일 세트는 상기 토로이달 필드 코일을 균일하게 감싸는 권선일 수 있다. 대안적으로, 수직 및 방사 방향으로 장을 발생시키는 폴로이달 필드 코일의 세트는 거의 0인 상호 인덕 턴스를 야기할 것이다.
쌍극자(dipole)/4중극자(quadrupole) 자석의 경우에서도 동일한 구조가 유용하며, 이때, AC 켄치-유도 코일 세트가 상기 쌍극자/4중극자 자석의 각각의 레그(leg)를 둘러싼다.
앞의 기재는 직교(수직) 자기장을 이용함으로써, 코일 세트 간의 상호 결합을 제거하는 것에 대한 것이었다. AC 자기장이 메인 자기장에 수직이어야 한다는 요구조건을 부담시키지 않고, AC 켄치-유도 코일과 메인 초전도성 코일 간의 상호 인덕턴스 결합을 감소시키거나 제거하기 위한 몇 가지 수단이 존재한다.
도 3은 전체 상호 인덕턴스가 0이지만, 각각의 짝을 이루지 않는 안장 켄치-유도 코일은 메인 초전도성 권선(또는 권선 세트)(14)에 대하여 0이 아닌 인덕턴스를 갖는 안장 켄치-유도 코일(saddle quench-inducing coil, 22 및 24)의 구성을 도시한다. 각각의 안장 코일(22, 24)을 통과하는 전류 흐름의 방향이 나타난다. 기하학적 형태는, 상부 안장 코일(22)에서 유도되는 전압이 하부 안장 켄치-유도 코일(24)에서 유도되는 전압과 크기는 동일하지만 극성은 반대 극성을 갖도록, 정해져서, 메인 초전도성 권선(또는 권선 세트)(14)과 상부 안장 켄치 유도 코일(22) 간의 상호 인덕턴스가 메인 초전도성 권선(또는 권선 세트)(14)과 하부 안장 코일(24) 간의 상호 인덕턴스의 부호의 반대 부호를 가질 수 있다. 이러한 경우, 메인 초전도성 권선(또는 권선 세트)(14)의 리드(lead)를 통하는 전압이 낮을 것이다. 그러나 높은 내부 전압이 존재할 수 있다.
각각의 코일(22, 24)이 따로 따로 구동될 경우, 각각의 코일은 많은 리액티 브 전력과 단자에 걸리는 높은 전압을 필요로 할 것이다. 그러나 직렬로 구동되는 경우, 하나의 코일 시스템의 것과 반대 상(phase)을 갖는 다른 코일 시스템의 리액티브 전력이 낮은 전력을 야기할 것이다. 왜냐하면 전체 상호 인덕턴스가 0이기 때문이다. 이러한 배열은 AC 켄치 유도 코일에서 내부 전압을 발생시키며, 이러한 내부 전압은 코일이 메인 초전도성 권선(또는 권선 세트)(14)과 접촉할 필요가 없기 때문에, 조작될 수 있으며, 따라서 적정하게 절연될 수 있다.
도 3의 경우, 2개의 코일 간의 순수 힘(net force)이 0일지라도, 상기 코일들 간에서 발생되는 토크(torque)가 존재하게 된다. 이들 토크는 지원될 필요가 있다.
예를 들어 도 3에서 나타난 것과 같은 AC 유도성 코일(22, 24)의 높은 내부 전압은, 도 4에서 나타나는 바와 같이, 루프를 교대(alternating)시킴으로써, 최소화될 수 있다. 상부 안장 켄치-유도 코일(22)에서의 루프, 또는 루프의 세트(26)의 상호 인덕턴스로 인한 전압은 하부 안장 켄치-유도 코일(24)에서의 루프(또는 루프의 세트)(28)의 상호 인덕턴스와 반대 극성을 갖는다. 상부나 하부 안장 코일에서의 루프는, 솔레노이드 자석 권선(14)에 대하여 동일한 크기의, 반대 부호의 인덕턴스를 갖는다. 권선이 분로(shunt) 중 하나에 의해, 하부 안장 켄치-유도 코일(24)의 루프, 또는 루프 세트(28)로 전기적으로 연결되는 상부 안장 켄치-유도 코일(22)의 루프, 또는 루프의 세트(26)로 구성되도록 권선을 인터리빙(interleave)함으로써, 낮은 전압이 획득될 수 있다. 상부 안장 켄치 코일과 하부 안장 켄치 코일 간의 분로의 개수와 둘 중 하나의 코일의 총 개수에 따라, 최대 전압이 감소된다. 층에 걸리는 최소 전압은 단일 루프의 전압이다.
도 5의 실시예에서, 각각의 안장 켄치-유도 코일(32)을 통해, 메인 초전도성 권선 세트(14)로부터 0의 순수 자속을 갖도록, 상기 안장 유도 코일(32)의 형태를 설계하는 것이 가능하다. 이는, AC 켄치 유도 코일(32)의 일부 전류 섹션이 토로이달 방향에 위치하고, 그 밖의 다른 소자가 자기장 방향(10)으로 정렬되는 경우, 자동으로 만족된다.(이들 각각의 섹션 중 2개의 섹션은 도 5에서 각각의 AC 유도 코일(32)에서 도시됨) 이 경우에서, 메인 초전도성 권선(14)과 안장 코일(32) 간의 상호 인덕턴스가 0이고, 각각의 안장 켄치-유도 코일(32)이 큰 리액티브 전력 없이 따로 따로 구동될 수 있다. 그러나 도 5에서 나타나는 배열에 의해, 설계에 포함될 필요가 있는 메인 초전도성 권선(14)에서 발생되는 전압이 도출된다. 덧붙여, 각각의 안장에 적용되는 어떠한 순수 힘도 존재하지 않지만, 켄치-유도 코일(32)로 적용되는 순수 토크가 존재하며, 상기 순수 토크는 지원될 필요가 있다.
본원에서 공개되는 AC 켄치-유도 시스템의 주파수는 리액티브 전력 당 발열(heat per reactive power)을 최대화하도록 최적화될 수 있다. 한 가지 선택사항은 전도체로의 에디-전류 관통 시간에 부합(match)하는 시스템의 주파수를 선택하는 것이다. 이들 전도체는 복잡하고, 복수 개의 부분 절연된 소선(strand), 또는 구리, 또는 그 밖의 다른 다양한 형태의 매트릭스 물질을 갖고, 밀리초(millisecond) 수준인 에디 전류 관통 시간(약 1㎑에 대응하는 주파수)을 갖는 초전도체 및 땜납부(solder)이다. 전도체로의 최적의 결합은 AC 장의 주기(period)가 에디 전류 관통 시간에 필적할 때, 발생한다. 저주파수에서, 유도된 전류가 감 소하며, 반면에, 고주파수에서, 전류는 관통하지 않는다. 반면에, 열이 주로 히스테레시스 때문인 경우, 가열 전력은 주파수에 따라서 단조롭게 증가한다.
바람직한 실시예는 약 100㎐ 내지 약 10㎑의 주파수를 사용할 것이다. 통상적으로, 50-300Gauss 수준의 AC 자기장은 약 100ms 내에 초전도체를 상전도체로 가열하기에 충분할 것이다.
본 발명은 비-켄칭 존에 의해 격리되는 다수의 이산 켄칭 사이트를 생성하는 가능성을 도시한다. 각각의 유도된 켄칭 사이트에서의 켄치는 켄칭된 존의 가열에 의해 전파된다. 이러한 방식으로, 켄치를 구동하기 위해 요구되는 전력이 감소되며, 메인 자석에서 저장된 에너지에 의해, 전체 메인 자석을 켄치하기 위해 요구되는 충분한 양의 에너지가 제공된다. 도 5는 복수 개의 AC 코일이 메인 자석의 작은 존에서 켄치를 발생시키고, 상기 켄치가 자석의 나머지 부분으로 전파되는 방식을 도시한다.
2개의 전력 공급기가 고려되었다. 첫 번째 것은 요망 주파수에서 AC 켄치-유도 코일의 인덕턴스를 갖고 공진하는 완전히 충전된 커패시터 뱅크이다. 커패시터에 의해 구동되는 회로는 자석을 켄칭하기 위해 요구되는 에너지를 저장하기 위해, 이하에서 설명되는 구동 경우에서보다 더 높은 자기장을 발생시킬 필요가 있다. 두 번째 것은 구동되는 전력 공급기(driven power supply)이다. 약 0.1㎥의 전도체 체적을 갖는 코일에 대하여 요구되는 전력은 약 100ms 동안 10㎾ 수준이다.
본원에서 공개된 구성의 또 다른 이점은 시스템의 또 다른 구조물, 가령, 도 1, 3 및 5의 구조적 지지부(16)가 요구되는 리액티브 에너지를 최소화하는 차폐 전 류를 갖는다는 것이다. 상기 구조적 지지부의 전기저항율이 전도체의 구리의 전도저항률보다 훨씬 더 높을지라도, 비교적 큰 크기 때문에, 구조물의 벌크에 걸친 장을 차단한다.
본원에서 기재된 시스템이 DC 메인 초전도성 자석을 가질지라도, 저주파수, 또는 펄스된 자석/변압기에서 동일한 컨셉을 사용하는 것이 가능하다. 따라서 1㎐에서 동작하는 시스템은, 100-1000㎐의 주파수의 AC 자기장에 의해 켄칭될 것이다. 동일할 방식으로, 펄스된 코일은 펄스 지속시간의 역보다 훨씬 더 큰 주파수에서 동작하는 AC 자기장 켄칭 시스템에 의해 보호될 수 있다. 마찬가지로, AC 자기장이 가져야 할 주기는 펄스된 자석의 펄스 지속시간보다 짧다.
AC 코일은 상전도성이거나, 초전도성일 수 있다.

Claims (14)

  1. 자석 보호를 위한 켄치 시스템(quench system)에 있어서, 상기 시스템은
    DC 초전도성 코일과,
    AC 자기장을 발생시켜서, DC 코일을 가열하여, 상기 DC 초전도성 코일의 부분에 걸쳐 초전도성에서 상전도성으로의 변환을 야기하기 위해, 상기 DC 초전도성 코일에 인접하게 위치하는 AC 코일 시스템
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 DC 초전도성 코일과 AC 코일 간의 상호 인덕턴스(mutual inductance)가 0에 수렴하도록, 상기 DC 초전도성 코일과 AC 코일 시스템이 배열되는 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 DC 초전도성 코일과 AC 코일 시스템의 자기장은 서로 직교하는 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 AC 코일 시스템은 복수 개의 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 각각의 코일에서 발생되는 내부 전압을 감소시키기 위해, 복수 개의 코일들 사이에 루프, 또는 동일한 개수의 루프들로 구성된 세트를 인터리빙(interleave)함으로써, 상기 AC 코일 시스템이 감기는 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 AC 코일 시스템에서의 각각의 코일은 DC 초전도성 코일에 대하여 상호 인덕턴스 0으로 수렴하는 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서, 전체 AC 코일 시스템은 DC 코일에 대하여 상호 인덕턴스 0으로 수렴하지만, 상기 AC 코일 시스템의 복수 개의 코일 중 각각의 개별적인 코일은 DC 초전도성 코일에 대하여 유한 상호 인덕턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서, 복수 개의 코일에 의해 켄칭되는 복수 개의 존(zone)은 메인 자석의 작은 부분이며, 축적된 에너지를 감소시킴에 따른 켄칭된 존의 가열을 통해, 켄치는 자석의 나머지로 전파되며, 이때 자석을 켄칭하기 위해 요구되는 에너지가 감소되는 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, AC 코일 시스템과 DC 초전도성 코일 간의 높은 전압 절연부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    DC 초전도성 코일을 둘러싸는 전기 전도성 열 담요(thermal blanket)
    를 더 포함하며, 이때, 상기 열 담요는, 상기 열 담요 내에서 유도된 전류가 AC 코일 시스템에 의해 DC 초전도성 코일로부터 발생된 AC 자기장을 차폐하는 것을 방지하기 위한 하나 이상의 갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 AC 자기장의 주파주는 100㎐ 내지 10㎑인 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 AC 자기장의 크기는 50 내지 300G인 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 메인 초전도성 자석은 엄격한 DC는 아니며, AC 켄칭 시스템보다 훨씬 더 낮은 주파수에서 동작하는 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 메인 초전도성 자석은 엄격한 DC는 아니며, AC 켄칭 시스템의 주기보다 훨씬 더 큰 펄스 폭으로 동작하는 것을 특징으로 하는 켄치 시스템.
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