KR20210093983A

KR20210093983A - 부분적으로 절연된 초전도 자석의 빠른 덤프

Info

Publication number: KR20210093983A
Application number: KR1020217018786A
Authority: KR
Inventors: 로버트 슬레이드; 누그테렌 바스 반
Original assignee: 토카막 에너지 리미티드
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-07-28
Also published as: EP3884505B1; US20220016442A1; JP2022508189A; WO2020104807A1; CN113330525A; EP4318506A2; AU2019382966A1; CN117219392A; EP3884505A1; CA3120822A1; CN113330525B

Abstract

HTS 필드 코일과 전원 공급 장치로 구성된 HTS 자석 시스템. 상기 HTS 필드 코일은 HTS 재료 및 금속 스태빌라이저를 포함하는 복수의 턴들; 및 전류가 전도층을 통해 턴들 사이에서 공유될 수 있도록 턴들을 분리하는 전기 전도층을 포함한다. 상기 전원 공급 장치는, 상기 HTS 필드 코일의 램프-업 동안, 상기 HTS 필드 코일에 제1전류를 제공; 및 상기 HTS 필드 코일의 램프-다운 동안, 상기 제1전류와 반대 방향으로 상기 HTS 필드 코일에 제2전류를 제공하도록 구성된다.

Description

부분적으로 절연된 초전도 자석의 빠른 덤프

본 발명은 고온 초전도(HTS; high temperature superconducting) 자석에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 예를 들어 급냉(quench) 검출에 응답하여 HTS 자석을 램프 다운(ramping down)하는 방법 및 방법을 구현하는 장치에 관한 것이다.

초전도 재료는 일반적으로 "고온 초전도체"(HTS)와 "저온 초전도체"(LTS)로 나뉜다. Nb 및 NbTi와 같은 LTS 재료는 BCS 이론으로 초전도성을 설명할 수 있는 금속 또는 금속 합금이다. 모든 저온 초전도체는 약 30K 미만의 임계 온도(자기장이 없는 상태에서조차 재료가 초전도를 수행할 수 없는 온도)를 가지고 있다. HTS 재료의 거동은 BCS 이론에 의해 설명되지 않으며, 그러한 재료는 약 30K가 넘는 임계 온도를 가질 수 있다. (단, HTS 및 LTS 재료를 정의하는 임계 온도가 아니라 조성 및 초전도 작동의 물리적 차이라는 점에 유의해야 한다.) 가장 일반적으로 사용되는 HTS는 BSCCO 또는 ReBCO(여기서 Re는 희토류 원소, 일반적으로 Y 또는 Gd)와 같은 구리 산염 (산화 구리 그룹을 포함하는 화합물)을 기반으로하는 세라믹인 "컵레이트(cuprate) 초전도체"이다. 다른 HTS 재료로는 철 프닉티드(iron pnictides) (예를 들어, FeAs 및 FeSe) 및 이붕화 마그네슘(MgB₂)이 있다.

ReBCO는 일반적으로 도 1과 같은 구조를 갖는 테이프로 제조된다. 이러한 테이프(100)는 일반적으로 두께가 약 100 미크론이고, 기판(101)(전형적으로 두께가 약 50 미크론인 전기 연마된 하스텔로이(hastelloy)) 및 그 위에 IBAD, 마그네트론 스퍼터링, 또는 다른 적절한 기술에 의해 증착된 약 0.2 미크론 두께의 버퍼 스택(102)으로 알려진 일련의 버퍼층을 포함한다. (MOCVD 또는 다른 적절한 기술에 의해 증착된) 에피택셜 ReBCO-HTS 층(103)은 버퍼 스택을 덮으며, 일반적으로 1 미크론 두께이다. 1-2 미크론의 은(silver) 층(104)은 스퍼터링 또는 다른 적절한 기술에 의해 HTS 층 상에 증착되고, 구리 스태빌라이저 층(105)은 종종 테이프를 완전히 캡슐화하는 전기 도금 또는 다른 적절한 기술에 의해 테이프 상에 증착된다.

기판(101)은 제조 라인을 통해 공급될 수 있고 후속 층의 성장을 허용할 수 있는 기계적 백본(backbone)을 제공한다. 버퍼 스택(102)은 HTS 층을 성장시킬 2축 텍스처 결정 템플릿을 제공하고, 기판으로부터 HTS로의 초전도 특성을 손상시키는 원소의 화학적 확산을 방지하기 위해 필요하다. 은 층(104)은 ReBCO로부터 스태빌라이저 층으로의 낮은 저항 인터페이스를 제공하기 위해 필요하고, 스태빌라이저 층(105)은 ReBCO의 임의의 부분이 초전도를 중단하는 경우("정상"상태로 진입) 대체 전류 경로를 제공한다.

또한, 기판과 버퍼 스택이 없이 대신 HTS 층의 양면에 은 층이 있는 "박리된(exfoliated)" HTS 테이프를 제조할 수도 있다. 기판이 있는 테이프를 "기재된(substrated)" HTS 테이프라고 한다.

HTS 테이프는 HTS 케이블에 배열될 수 있다. HTS 케이블은 전도성 재료(일반적으로 구리)를 통해 길이를 따라 연결되는 하나 이상의 HTS 테이프로 구성된다. HTS 테이프는 적층(즉, HTS 층이 평행하도록 배열)되거나 케이블 길이를 따라 변할 수 있는 다른 배열의 테이프를 가질 수 있다. HTS 케이블의 주목할만한 특별한 경우는 단일 HTS 테이프와 HTS 쌍이다. HTS 쌍은 HTS 층이 평행하도록 배열된 한 쌍의 HTS 테이프로 구성된다. 기재된 테이프가 사용되는 경우, HTS 쌍은 유형-0(HTS 층이 서로 마주보고 있음), 유형-1(한 테이프의 HTS 층이 다른 테이프의 기판을 향함) 또는 유형-2(서로 마주보는 기판 포함)일 수 있다. 2개 이상의 테이프로 구성된 케이블은 테이프의 일부 또는 전부를 HTS 쌍으로 배열할 수 있다. 적층형 HTS 테이프는 HTS 쌍의 다양한 배열을 포함할 수 있으며, 가장 일반적으로 유형-1 쌍의 스택 또는 유형-0 쌍 (또는 동등하게 유형-2 쌍)의 스택이다. HTS 케이블은 기재된 또는 박리된 테이프의 혼합으로 구성할 수 있다.

일반적으로, 자기 코일에는 권선 또는 여러 섹션의 조립에 의한 두 가지 유형의 구조가 있다. 권선형 코일은 도 2에 도시된 바와 같이 연속적인 나선형으로 포머(former, 202) 주위에 HTS 케이블(201)을 감쌈으로써 제조된다. 포머는 코일의 필요한 내부 둘레를 제공하도록 형상화되고 최종 권선 코일의 구조적 부분이 되거나 권선 후 제거될 수 있다. 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이 섹션 코일은 여러 섹션(301)으로 구성되며, 각 섹션은 여러 케이블 또는 미리 형성된 버스바(311)를 포함할 수 있으며 전체 코일의 원호를 형성한다. 섹션은 조인트(302)에 의해 연결되어 완전한 코일을 형성한다. 도 2 및 도 2에서 코일의 턴(turns)은 명확성을 위해 이격되어 표시되지만 일반적으로 코일의 턴을 연결하는 재료가 있을 수 있다. 예를 들어 에폭시로 포팅(potting)하여 통합할 수 있다.

도 4는 "팬케이크 코일"로 알려진 특정 유형의 권선 코일의 단면을 나타내며, 여기서 HTS 케이블(401)은 리본 스풀(spool)과 유사한 방식으로 편평한 코일을 형성하기 위해 감겨져 있다. 팬케이크 코일은 2차원 형태의 내부 둘레로 만들어질 수 있다. 종종, 팬케이크 코일은 도 5의 단면에 도시된 바와 같이 "이중 팬케이크 코일"로 제공되며, 팬케이크 코일 사이의 절연체(503) 및 함께 연결된 내부 단자(504)를 갖는 반대 방향으로 감긴 두 개의 팬케이크 코일(501, 502)로 구성된다. 이는 코일의 턴을 통해 전류를 구동하고 자기장을 생성하기 위해 일반적으로 더 접근 가능한 외부 단자(521, 522)에만 전압이 공급되어야 함을 의미한다.

코일은 "절연"될 수 있다. 코일의 턴 사이에 전기 절연 재료를 사용하거나 코일의 턴이 케이블을 따라 (예를 들어, 납땜 또는 직접 접촉을 통해 케이블의 구리 스태빌라이저 층을 연결함으로써) 방사형으로 전기적으로 연결되는 "비 절연"일 수 있다. "부분적으로 절연된" 코일도 가능하며, 여기서 턴투턴 저항(turn to turn resistance)은 세라믹 또는 유기 절연체와 같은 기존 절연체의 저항보다 작지만 코일 케이블의 테이프 사이의 저항보다 크다. 예를 들어, 케이블의 테이프 사이의 저항의 100배 내지 10¹⁵이다. 턴 사이에 절연이 없거나 부분적으로 절연되어 있으면 턴간에 전류를 공유할 수 있기 때문에 로컬 "열점(hotspot)"(정상(normal) 영역)의 온도가 상승하는 속도가 느려진다.

비-절연 HTS 코일은 HTS 테이프를 따르는 2개의 나선형 경로(HTS에 1개, 금속 스태빌라이저에 1개)와 코일 단자 사이에서 비절연 또는 부분 절연 HTS 케이블을 연결하는 금속 (및 기타 저항성 재료)를 통과하는 방사형 경로의 3개의 전류 경로를 갖는 것으로 모델링할 수 있다. (단일 경로로 모델링할 수 있지만 실제로는 자석을 통한 모든 방사형 저항 경로의 합을 나타낸다.) 나선형 경로에 흐르는 전류만이 코일 중앙에 상당한 축 방향 자기장을 생성한다. HTS 나선형 경로는 테이프가 모두 초전도인 경우 큰 인덕턴스와 0 또는 무시할 수 있는(negligible) 저항을 갖는 인덕터로 모델링될 수 있다. 구리 스태빌라이저 나선형 경로는 HTS 경로와 평행하며 동일한 인덕턴스를 갖지만 상당한 저항을 갖는다. 이러한 이유로 HTS 나선형 경로의 일부가 급냉(quench)을 시작하지 않는 한 무시할 수 있는 전류가 흐른다. 이 경우 HTS 나선형 경로의 임계 전류 Ic를 초과하는 초과 전류는 상대 저항 및 시간 상부 L/R에 따라 나선형 스태빌라이저 경로와 방사형 경로 사이를 공유한다. 방사형 전류 경로는 매우 작은 인덕턴스와 나선형 경로보다 훨씬 더 큰 저항을 갖는 것으로 모델링될 수 있으며 HTS는 전체적으로 초전도이다.

HTS 필드 코일의 잠재적인 용도 중 하나는 토카막(tokamak) 플라즈마 챔버, 특히 핵융합 원자로에 사용되는 것이다. WO 2013/030554는 중성자 소스 또는 에너지 소스로 사용하기 위한 소형의 구형 토카막의 사용을 포함하는 접근법을 설명한다. 구형 토카막의 낮은 종횡비 플라즈마 형태는 입자 구속 시간을 개선하고 훨씬 더 작은 기계에서 순 발전을 가능하게 한다. 그러나 작은 직경의 중앙 기둥이 필요하며, 이는 플라즈마 가둠 자석의 설계를 위한 문제점으로 제시된다. 고온 초전도(HTS) 필드 코일은 이러한 자석에 대한 유망한 기술이다.

HTS 필드 코일의 또 다른 잠재적 용도는 양성자 빔 치료 장치이다. 양성자 빔 요법(PBT, 양성자 요법이라고도 함)은 암 (및 방사선 요법에 반응하는 기타 상태) 치료에 사용되는 입자 요법의 한 유형이다. PBT에서 양성자 빔은 치료 위치(예를 들어, 종양)를 향한다.

또 다른 유사한 치료법은 양성자 붕소 포획 요법(PBCT)으로, 붕소-11이 표적 위치에 도입되고 양성자 빔을 사용하여 p+¹¹B → 3α 반응을 시작한다. 동일한 장치를 사용하여 PBT 또는 PBCT에 양성자 빔을 제공할 수 있다.

PBT 및 PBCT의 양성자 빔은 사이클로트론 또는 선형 가속기와 같은 입자 가속기에 의해 생성된다. 일반적으로 PBT 및 PBCT에 사용되는 가속기는 일반적으로 60 내지 250MeV 범위의 에너지를 가진 양성자를 생성하며 현재 운영 중인 가장 강력한 시설은 최대 에너지가 400MeV이다.

일반적으로 빔 각도를 변경할 수 있는 PBT 장치 설계에는 두 가지 유형이 있다. 제1 유형의 설계에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 가속기(3001)는 갠트리(3002)에 장착되어 환자(3003) 주위로 (일반적으로 수평 축에 대해) 회전할 수 있다. 환자는 이동 가능한 침대(3004)에 위치하며, 이는 추가적인 자유도 (예를 들어, 병진 운동 및 수직축에 대한 회전)를 제공한다.

제2유형의 설계는 도 7에 도시되어 있다. 가속기(4001)는 고정되어 있고 빔은 조향 자석(4002)(일반적으로 사중극 및 쌍극 자석을 모두 포함)을 통해 환자에게 향한다. 이들 중 적어도 일부는 갠트리(4003)에 위치하여 빔이 환자(4004) 주위에서 (예를 들어, 수평축에 대해) 회전할 수 있다. 환자는 이동 가능한 침대(4005) 위에 위치한다.

어떤 설계이든 갠트리는 빔 에너지에서 양성자를 조향할 수 있는 전자석을 보유해야 하며, 이는 400MeV에 달할 수 있다. 이를 위해서는 매우 높은 자기장이 필요하므로 HTS 필드 코일을 사용하면 전자석 및 전자석을 이동하는 데 필요한 갠트리의 질량과 크기를 상당히 줄일 수 있다. HTS 필드 코일은 가속기, 조향 자석의 사중극 자석 또는 조향 자석의 쌍극 자석 내에서 사용될 수 있다.

본 발명은 고온 초전도(HTS; high temperature superconducting) 자석, 특히 급냉(quench) 검출에 응답하여 HTS 자석을 램프 다운(ramping down)하는 방법 및 방법을 구현하는 장치하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 첨부된 청구 범위에서 정의된다.

본 발명은 고온 초전도(HTS; high temperature superconducting) 자석, 특히 급냉(quench) 검출에 응답하여 HTS 자석을 램프 다운(ramping down)하는 방법 및 방법을 구현하는 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 HTS 테이프의 개략도이다.
도 2는 권선된 HTS 코일의 개략도이다.
도 3은 섹션 HTS 코일의 개략도이다.
도 4는 팬케이크 코일의 단면이다.
도 5는 이중 팬케이크 코일의 단면이다.
도 6은 제1 PBT 장치의 개략도이다.
도 7은 제2 PBT 장치의 개략도이다.
도 8은 부분적으로 절연된 코일의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 9는 예시적인 자석 시스템의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 10은 단순히 전원 공급 장치를 차단한 후의 코일의 자기장 및 온도의 그래프를 나타낸다.
도 11은 도 10과 동일한 과정에서의 코일의 전압을 나타낸다.
도 12a 및 도 12b는 누수 절연의 예를 나타낸다.
도 13a 및 도 13b는 누수 절연의 추가적인 예를 나타낸다.
도 14는 2턴 코일에 대한 등가 회로를 나타낸다.

도 8은 램프-업(ramp-up) 및 정상 상태 작동 중 비-절연 코일의 전류, 전압 및 전력을 나타낸다. 비-절연 코일의 램프-업 동안, 전류는 초기에 주로 방사형 경로(도 8의 주기 A)로 흐른 다음 안정화된다. 방사형 경로에 흐르는 전류의 양은 (나선 경로를 가로질러 발생하는 전압 L.dI/dt가 더 높기 때문에 - 이 주기은 B임) 더 빠른 램프 속도를 위해 더 많다. 램프가 끝나면 dI/dt가 0으로 떨어지고 전류가 시간 상수 L/R을 갖는 HTS 나선형 경로(주기 C)로 전달된다. 전류는 대부분 램프가 끝난 후 몇몇(약 5) L/R 시간 상수의 나선형 경로로 전달된다. 따라서 시간 상수는 합리적인 램프-업 시간을 야기하도록 선택해야 하며, 예를 들어 (약 1-2일의 램프-업 시간을 제공하는) 토카막의 TF 코일에 대해 5-10 시간의 시간 상수가 허용된다.

대형 자석에서는, (절연 또는 비-절연 코일에서) 급냉으로 인한 손상을 방지하기 위해 능동 급냉 보호 체계를 구현할 수도 있다. 이 방식에서 자석의 저장된 에너지는 충분한 온도 상승이 급냉 영역에서 발생하여 손상을 일으키기 전에 자석의 급냉 영역이 아닌 다른 부품으로 덤프될 수 있다. 다른 구성 요소는 외부 저항이거나 자석의 차가운 질량의 더 큰 비율에 걸쳐 급냉되는 자석의 별도 부분이 될 수 있다. (따라서, 자석의 저장된 에너지를 큰 부피에 분배하고 전체 온도 상승을 감소시킨다.) 그러나, 능동적 접근 방식은 정상 영역("열점(hot spot)"이라고도 함)의 시작과 자석 전류 램프-다운("덤프")의 트리거링 사이의 시간이 열점의 터미널 온도가 코일 손상이 발생할 수 있는 온도(예를 들어, 약 200 K) 미만이도록 충분히 짧을 것을 요구한다. 이러한 접근 방식은 급냉에 대한 추가 보호를 제공하기 위해 소형 자석에도 사용될 수 있다.

위의 내용과 원하는 시간 상수를 얻기 위한 적절한 구성에 대한 논의는 공동 계류중인 출원 GB1818817.7에서 더 상세히 설명한다.

PI 코일을 사용하면 자석 전류를 덤프하는 데에 사용할 수 있는 시간이 연장되지만, 이러한 동작은 열점 감지 후 가능한 한 빨리 수행하는 것이 여전히 중요하다. PI 코일에 대한 전류 덤핑 기술에 대한 논의는 상대적으로 거의 없었으며, 문헌에서 PI 코일은 일반적으로 코일의 총 에너지가 상대적으로 낮고 급냉이 전체 코일을 통해 상대적으로 빨리 전파하는, 즉 에너지 덤프가 코일을 통해 확산되는 경향이 있는 더 작은 코일에만 사용된다. 또한, PI 코일은 절연 코일과 비교할 때 본질적으로 안정적이므로 위험이 낮기 때문에 급냉 보호없이 종종 작동할 수 있다. 그러나 열점이 코일 권선의 상대적으로 작은 부분만에 걸쳐 모든 턴들을 커버할 수 있는 기하학적 구조의 코일 및/또는 열악한 환경에서 장주기 동작(long term operation)을 하도록 의도된 코일(예를 들어, 핵융합로의 필드 코일)과 같은 상당한 저장 에너지가 있는 대형 코일에서, 능동적 급냉 보호가 중요하다.

PI 코일을 사용하면 자석에서 에너지를 덤핑할 때 더 많은 이점을 얻을 수 있다. 도 10은 단순히 전원 공급 장치를 차단한 후 (즉, 개방 회로로 만듦) 코일의 (나선 경로 전류에 비례하는) 자기장 및 온도에 대한 그래프를 나타낸다. 주기 A 동안, (전류(1001)에 의해 나타낸 바와 같이) 전원 공급 장치가 켜진다. 주기 B가 시작될 때, 전원 공급 장치가 차단되어 코일의 인덕턴스가 폐쇄 루프에서 각 턴마다 전류를 지속적으로 구동하기 위한 전압을 생성하여 턴-턴 저항(turn-turn resistance)을 통해 턴 시작으로 다시 단락시킨다. 이것은 HTS의 임계 전류를 감소시키는 옴 가열을 유발한다. 이러한 프로세스는 턴에서 HTS가 나선형 경로(주기 C)에서 금속 스태빌라이저로 루프 전류를 방출할 수 있는 충분한 전압을 생성하고 급냉할 때까지 (많은 요소에 의존하며, 일반적으로 몇 초, 이 실험에서는 14초인) 주기 B를 통해 계속된다. 이것은 턴투턴 저항보다 훨씬 더 높은 저항을 갖기 때문에 턴의 자기장 에너지는 스태빌라이저에서 빠르게 열로 변환되고 나선형 경로 전류가 빠르게 0 (<1s)으로 떨어지면 턴 온도가 균일하게 상승한다.

그러나 효과적인 급냉 보호를 위해, 더 긴 주기 B는 여전히 바람직하지 않으며, 급냉이 발생한 경우 이 주기는 자석의 다른 곳인 국부적인 열점에서 상당한 국부 가열이 발생하여 열점에서 허용될 수 없을 정도로 높은 피크를 초래할 수 있을만큼 충분히 길 수 있다. 또한, 토카막의 TF 자석과 같은 자석은 열적으로 및 자기적으로 제대로 결합되지 않은 여러 코일 (예를들어, 분리된 림(limbs))을 포함할 수 있으며, 전원 공급 장치를 차단하여 덤프를 트리거할 때 모든 코일은 급냉 전에 동일한 지연을 경험한다. 자기장 차이의 국부적 온도 차이로 인해 코일 간의 편차가 발생할 수 있다. 코일이 비동시적으로 급냉되면 코일 사이의 매우 큰 전자기력이 자석의 기계적 지지 구조 및/또는 코일 자체에 손상을 줄 수 있다. 이를 최소화하려면 각 코일에서 PSU 오프와 급냉 사이의 지연 사이의 변동을 최소화하여 지연 주기 사이의 변동도 최소화하는 것이 바람직한다. 이러한 주기의 길이는 부분 절연층의 저항을 증가시켜 (따라서 주기 B에서 방사형 경로를 따라 이동하는 전류로 인해 가열을 증가시킴으로써) 감소시킬 수 있지만, 이것은 코일의 다른 전기적 특성에 녹온(knock-on) 효과를 줄 수 있다. 예를 들어 코일을 램핑 업(ramping up)하기 위해 시간 상수를 변경하거나 턴 사이의 전류 공유를 더 어렵게 만들 수 있다. (이는 전역(global) 급냉을 야기하는 열점의 가능성을 증가시킬 것이다.)

전원 공급 장치를 차단하는 대신, 예를 들어 자석 코일에서 전류를 싱크할 수 있는 4 사분면 PSU를 사용함으로써 자석 코일에 큰 역전류(즉, 램프 다운 이전에 코일을 통해 흐르는 전류와 반대 방향의 전류)를 적용하는 것이 제안된다. 초전도 경로는 큰 인덕턴스를 가지므로 이 역전류는 주로 TF 자석의 모든 코일에서 방사형 경로로 흐른다. 방사형 전류의 이러한 큰 증가는 모든 코일의 상당한 가열을 유발하여 전체 자석을 빠르게 급냉시킨다. (따라서 에너지 덤프를 넓은 영역에 퍼뜨림)

단순히 PSU를 종료하는 것보다 역방향 전류를 적용하는 것이 직관적이지 않은 것처럼 보일 수 있지만, 중요한 차이점은 과도한 방사형 전류가 자석 전체를 가열한다는 것이다. 즉, 급냉이 자석을 통해 빠르게 확산되며 에너지 덤프가 전체 체적 (또는 적어도 상당 부분)을 통해 확산될 것임을 의미한다. 어떠한 개입없이 발생하는 집중된 에너지 덤프는 그 작은 영역에서 용인할 수 없는 정도의 온도 상승을 유발하여 HTS를 손상시킨다. 자석의 상당 부분이 급냉되면 동일한 양의 에너지(역전류 자체의 작은 기여도 포함)가 자석 전체에 퍼져서 HTS의 온도 상승을 제한한다. 또한 자석을 더 고르게 가열하면 자석 내부에 가파른 온도 변화가 형성되는 것을 방지할 수 있다. 온도 구배가 너무 높으면 자석 주변 영역의 다른 열 팽창으로 인해 구조적 손상이 발생한다.

기존 자석의 경우 "급냉 히터"(즉, 코일에 열을 전달하기 위해 켜질 수 있는 HTS 케이블에 인접하게 놓인 가열 요소)를 사용하여 가열이 가능한다. 그러나 이러한 히터는 공간을 차지하므로 HTS 도체 또는 금속 스태빌라이저에 사용할 수 있는 공간이 줄어든다. 사실상 "역전류" 방법은 방사형 전도 경로를 "급냉 히터"로 사용한다. 즉, 가열이 코일을 통해 균등하게 분배되고 추가 가열 요소가 필요하지 않음을 의미한다.

역전류는 자석의 동작 전류로 제한되거나 설정될 수 있다. 이러한 방식으로, 정상적인 자석 작동에 필요한 것과 비교하여 자석 외부 부품의 설계 매개 변수를 초과하지 않고 역전류에 의해 최대 가열이 달성된다.

위의 내용은 급냉 보호와 관련하여 설명되었지만 위에 설명된 에너지 덤핑 기술은 자석이 램프 다운되는 다른 상황, 예를 들어 어떠한 검출된 급냉 (또는 급냉을 야기할 수 있는 조건)의 부재시 일반적인 조건 하에서 자석을 종료할 때에도 적용 할 수 있다.

도 9는 램프 업, 정상 상태 작동 및 램프 다운 동안 예시적인 부분 절연 코일의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 이 경우, PSU(전원 공급 장치)는 전류 소스로 모델링된다. 즉, PSU가 공급하는 전류가 시뮬레이션에서 설정되고 PSU의 전압이 계산된다.

램프 업 동안 PSU 전류는 일정한 속도로 2.2kA까지 꾸준히 증가한다. PSU 전압은 양이며 0.1V 정도이다. (방사형 경로는 단순 저항으로 모델링할 수 있으므로) 방사형 경로의 전류는 PSU 전압에 거의 비례하며, 나선형 경로의 전류는 일정한 속도로 증가한다. 시간 T1에서, 원하는 전류에 도달하면 자석이 정상 상태 작동으로 전환된다. 즉, PSU는 정전류로 설정되고 방사형 경로 전류는 이전에 설명한대로 시간 상수 L/R_radial에 따라 감소한다. 나선형 경로에 무시할 수 있는 저항이 있기 때문에 방사형 경로 전류가 감소하면 PSU 전압이 몇 밀리 볼트 정도의 값으로 감소한다. (이 시뮬레이션에서는 저항이 0인 것으로 모델링되어 PSU 전압이 0이 되는 경향이 있다.) 실제로는 일반적으로 수 10s~ 100s 밀리볼트 정도에 안착된다. 램프 업 및 정상 상태 작동 중에, HTS 온도는 20K 미만으로 거의 일정하다.

시간 T2에서 (급냉 검출 또는 기타 중 어느 하나에 응답하여) 마그넷 덤프가 시작된다. PSU는 주로 방사형 경로로 흐르는 역전류(빠른 전류 램프, 이 경우 초기 램프 업보다 10배 빠른 하향 전류 램프로 모델링됨)를 공급한다. 이 전류를 공급하는 동안 PSU 전압은 -0.5V 정도의 음의 값을 갖는다. HTS 온도가 빠르게 상승한다. 전체 코일이 급냉되고 사용된 모델에 비해 온도 상승이 너무 빨라지므로 HTS 온도가 약 55K에 도달하면 시뮬레이션이 종료된다. 그러나 실제로 자석의 저장된 에너지는 빠르게 열로 변환되어 자석 위에 비교적 균일하게 퍼져 안전하게 차단된다.

역전류는 설정된 시간 동안 또는 지정된 조건에 도달할 때까지 공급될 수 있다. 예를 들어 지정된 조건은 자석의 상당 부분에서 급냉 검출, 자석의 상당 부분에서 지정된 온도 검출 또는 나선형 경로 전류 (또는 코일에 의해 생성된 자기장)이 임계값 미만으로 감소된 것일 수 있다.

램프 다운 속도는 PSU의 역전류 램프 속도에 따라 달라진다.

마그넷 램핑 단계와 덤프 단계 모두에서 전류 변화율을 제어할 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 이유로 피드백 제어 전류 출력이 있는 PSU가 선호된다. PSU 전류는 나선형 경로의 전류, 자석의 온도, 코일에 의해 생성된 자기장, 또는 코일의 다른 적절한 특성을 기반으로 제어될 수 있다.

전원 공급 장치는 여러 전원 공급 장치를 포함할 수 있으며, 각 전원 공급 장치는 서로 다른 주기 동안 코일에 전원을 제공한다. 특히, 전원은 램프 업 및 정상 상태 동작 동안 코일에 전력을 공급하기 위한 제1n유닛, 및 램프 다운 동안 코일에 역전압을 공급하기 위한 제2 유닛을 포함할 수 있다.

전원 공급 장치 (또는 전원 공급 장치의 하나 이상의 전원 공급 유닛)는 HTS 자석을 포함하는 저온 유지 장치 내에 부분적으로 위치할 수 있으며, PCT/GB2018/050337에서 설명된 바와 같이 저온 유지 장치를 통과하는 케이블없이 저온 유지 장치를 통해 전력을 전달하도록 배열된 변압기를 포함할 수 있다.

급냉 또는 급냉을 야기할 수 있는 조건의 검출에 응답하여 자석의 램프 다운이 트리거되는 경우, 이 검출은 임의의 실제적인 방법에 의해 수행될 수 있다. 예를 들면:

· 자석의 HTS 재료에 걸친 과잉 전압 검출;

· 예를 들어 국제 특허 출원 PCT/GB2016/052712 또는 영국 특허 출원 GB1812120.2에 설명된 대로 메인 코일에 인접하여 제공되고 메인 코일 전에 급냉되도록 구성된 2차 HTS 테이프의 사용

· 예를 들어, 국제 특허 출원 PCT/GB2017/053066에 설명된 광섬유 케이블의 레일리(Rayleigh) 산란을 통해 또는 종래에 알려진 다른 온도, 변형 또는 자기장 검출기를 통한 자석 코일 내의 온도, 변형, 자기장 또는 기타 조건의 검출

역전류를 너무 오래 가하지 않는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 액티브 덤프가 자석을 200K 이상으로 데워 문제를 일으킬 수 있다. 이상적으로 덤프 시스템은 전체 자석의 온도를 임계 온도 이상으로 높이는 데 필요한 전체 에너지로 자석에 적용되는 총 에너지를 제한해야 한다. (예를 들어, 모든 코일을 초전도에서 정상으로 전환) 이것은 전체 자석을 ~200K로 올리는 데 필요한 총 에너지의 작은 부분이다. 코일이 급냉되기 시작하면, 자석 자체에 저장된 에너지가 소멸되어 전역 급냉이 진행된다.

정확한 양의 에너지를 적용하는 간단한 방법은 커패시터 뱅크를 자석으로 방전하는 것이다. 또한 4 사분면 PSU가 필요하지 않다. 단일 사분면 PSU를 사용하여 자석을 램프할 수 있다. 자석을 덤프해야할 때 이것은 역방향 방사 전류를 구동하기 위해 자석에 연결된 사전 충전된 커패시터 뱅크와 활성 스위치를 사용하여 간단히 분리된다. 자석의 큰 인덕턴스는 방사형 저항에 의해 분류되므로 PSU를 분리해도 큰 전압이 생성되지 않는다.

위의 개시 내용의 대부분은 급냉 검출 후 자석을 램프 다운하는 데 초점을 맞추었으며, 램프 다운 속도가 매우 중요한다. 램프 다운 시간이 주요 요인이 아닌 조건에서 자석을 제어하는 데 적용할 수 있는 동일한 기본 원리를 사용하는 기술도 있다.

예를 들어, PSU는 자석의 전류보다 작지만 동일한 방향으로 램프 다운 전류를 공급하도록 구성될 수 있다. 이로 인해 자석과 PSU 전류의 차이와 동일한 전류가 방사형 경로로 흐르고 이전과 같이 자석이 가열된다. 이로 인해 역전류 (또는 단순히 PSU 분리)에 비해 램프 다운이 느려지고 자석의 온도 상승이 감소한다.

추가 예로서, PSU는 (정상 상태, 램프 업 또는 램프 다운 중 어느 하나 동안) 코일에 전달되는 DC에 중첩된 AC 전류를 공급하도록 구성될 수 있다. AC 전류의 주기가 시간 상수 L/R보다 훨씬 짧은 경우에, AC 전류는 방사형 경로로 완전히 흐른다. 이로 인해 (DC 전류만 전달되는 경우와 비교하여) 나선형 경로의 전류에 영향을 주지 않고 자석이 가열된다.

중첩된 AC 전류는 이전 예와 함께 사용할 수도 있다. 예를 들어, DC 역전류와 AC 전류의 조합은 (즉, 총 전류가 코일 전류의 부호가 반대이고 자석의 시간 상수보다 짧은 주기인 평균값을 갖는 정현파 전류인 경우) 추가 가열로 코일을 램프 다운하는 데 사용할 수 있다. 대안으로, AC 전류는 자석의 전류보다 작지만 동일한 방향(즉, 총 전류가 코일 전류보다 작은 평균값을 가지며, 자석의 시간 상수보다 짧은 주기를 갖는 정현파 전류인 경우)인 DC 램프 다운 전류와 결합될 수 있다. 또 다른 대안으로, 순전히 AC 전류를 제공하여 자석을 램프 다운할 수 있다. 이것은 자석 전류와 동일한 전류가 AC 전류에 더해 방사형 경로로 흐르게 한다. 각각의 경우에, AC 전류를 추가하면 DC 전류만 사용하는 것에 비해 나선형 경로에서 더 큰 전류 (및 따라서 더 빠른 램프 다운)이 발생한다.

위의 예 (PSU를 종료하거나 수정된 전류를 제공)에서 논의한 것처럼 부분적으로 절연된 코일을 램프 다운하는 놀라운 특징은 코일의 턴투턴(turn to turn) 전압이 프로세서 전반에 걸쳐 (대형 코일에서조차, 몇 볼트 정도로) 낮게 유지된다는 것이다. 대형 절연 초전도 코일은 매우 높은 전압을 견딜 수 있는 고강도 절연이 필요하지만 부분 절연 코일이 경험하는 작은 전압은 훨씬 더 다양한 재료 (또는 단순한 진공 또는 공기 갭)에 의해 효과적으로 절연될 수 있다.

도 11은 (총 인덕턴스가 0.12H인 6개의 팬케이크 코일을 포함하는) 도 10에서 사용된 것과 동일한 자석의 각 코일에 걸리는 전압을 나타낸다. 전역 급냉의 시작 (즉, 도 10에서 주기 B의 끝과 주기 C의 시작)에 해당하는 시간에 발생하는 피크 전압은 약 0.1V이다. 대조적으로, 동일한 조건에서 등가 절연 코일의 예상 전압은 2kV 정도이고 큰 코일의 예상 전압은 최소 5kV이다 (전압은 V = -L dI/dt, 여기서 dI/dt는 대략적인 전송 전류 (테스트 코일의 경우 1.4kA)를 급냉에 걸린 시간 (테스트 코일의 경우 0.1kA)으로 나눈 값이다). 부분적으로 절연된 코일에서, 코일은 특히 높은 전압 발생없이 높은 전송 전류 및 인덕턴스로 작동할 수 있다. 이는 낮은 전송 전류 (일반적으로 50kA에 비교하여, 몇 킬로암페어) 및 높은 인덕턴스(즉, 더 많은 수의 턴)에서 큰 코일을 작동할 때 가장 실용적이다.

개방 회로 PSU로 전류 덤프 중에 부분 절연 코일의 두 턴 사이에 생성된 피크 전압은 V = I₀R_stab,으로 근사할 수 있다. 여기서 I₀는 전송 전류이고 R_stab은 코일의 나선형 경로에서 저항성 물질의 저항이다. 급냉은 상호 인덕턴스에 의해 코일 사이에서 전파된다.b즉, 피크 코일 전압이 한 번에 피크 전압을 초과하지 않는다. 실제적으로 큰 코일의 경우 피크 전압은 10V를 초과하지 않는다.

도 14는 2회전 코일에 대한 등가 회로를 나타낸다. (더 많은 코일을 직렬로 추가하고 각 코일 사이의 상호 인덕턴스를 추가하여 더 많은 턴으로 확장 할 수 있음) 이러한 도면에서 I₀는 전송 전류, R_tt는 턴투턴 저항 (즉, 방사형 경로 저항을 턴 수로 나눈 값), R_stab은 저항성 나선형 경로의 저항, L_turn은 각 턴의 인덕턴스, 및 R_HTS는 각 턴에서 HTS의 저항이다. (즉, 정상 작동 중에는 0이고 급냉 또는 거의 급냉 중에는 0이 아니다) M은 두 턴 사이의 상호 유도이고 K는 턴 사이의 결합 계수이다.

이것은 코일의 절연에 특히 중요한다. 코일 전체를 다른 구성 요소 ("접지 랩(ground wrap)")으로부터 절연 및 (하기에 상세히 설명할 "누수 절연(leaky insulation")이라고 알려진) 그것을 통해 다수의 전도성 채널을 갖는 절연 재료를 사용하는 부분 절연 설계 둘 모두에 중요하다. 저전압은 절연체가 (기존 절연 자석에 사용되는 것과 같은) Kapton™과 같은 고강도 재료일 필요가 없다는 것을 의미하지만 페인트, 광택제 또는 종이와 같은 단순한 재료를 사용할 수 있거나 절연 재료를 (적절한 지지 구조체, 또한 필요한 경우 절연체를 갖는) 공기 또는 진공 갭으로 대체할 수 있다.

절연 구조는 "항복(breakdown) 전압"에 의해 특정될 수 있으며, 그 이상에서는 구조가 절연을 중단하고 구조의 저항이 수 메가 옴에서 수 옴 또는 밀리 옴으로 떨어진다. 절연 코일의 경우, 이러한 항복 전압은 최소 2kV(예를 들어 반경이 50cm 이상인 대형 코일의 경우 최소 5kV)가 되어야 하며, 이는 절연체를 합리적으로 컴팩트하게 유지하면서 사용할 수 있는 재료를 상당히 제한한다. (항복 전압은 재료에 따른 비례 상수("유전 상수")를 갖는 재료의 두께에 거의 비례한다.)

부분적으로 절연된 코일의 경우, 10V 정도보다 큰 항복 전압만 필요하므로 "절연체"라고 합리적으로 불릴 수 있는 모든 재료를 사용할 수 있다.

대안으로, 물질에 가혹한 환경(예를 들어, 물질이 중성자 충격을 받는 핵융합로)에서, 이는 중성자 충격이 절연에 변화를 일으켜 유전 상수를 감소시키거나 물리적 간격을 유발하는 경향이 있기 때문에 절연이 더 이상 절연되지 않는 지점까지 저하되기 전에 절연을 더 오래 사용할 수 있도록 한다.

누설 절연의 예는 도 12a 및 도 12b에 나와 있다. 금속 스트립(901)은 적어도 HTS 케이블을 향하는 측면에 얇은 절연 코팅(902)이 제공되며, 여기서 절연 코팅은 금속 스트립의 각 측면에서 간격을 두고 윈도우 (또는 "관통홀")(903) 상에서 제거되거나 누락된다. 윈도우는 어떤 모양이든 가질 수 있으며 테이프의 가장자리까지 확장할 수 있다. 금속 스트립의 양쪽에 있는 윈도우의 위치는 도 12b와 같이 엇갈리게 되는데, 전류가 금속 스트립 길이의 일부를 따라 경로(910)를 따라야하기 때문에 (절연되지 않은 스트립 또는 각 측면의 윈도우가 서로 직접 마주보는 스트립과 비교하여) 저항이 증가한다.

리턴 림(return limbs)에서 서로 더 가깝고 코어에서 더 멀리 떨어져 있도록, 윈도우의 간격을 변경함으로써 리턴 림과 코어 사이의 턴투턴 저항의 필요한 차이를 얻을 수 있다. 추가 조정은 리턴 림과 비교하여 코어의 금속 스트립에 대해 다른 금속을 사용하거나 스트립의 기하학적 구조의 다른 측면을 변경함으로써 달성될 수 있다.

단단한 금속 스트립 보다는, 더 많은 조정을 허용하기 위해 여러 금속 트랙이 있는 층이 사용될 수 있다. 내부에 전도성 방사형 트랙이 배치된 절연층을 효과적으로 형성하며, 여기서 트랙의 간격과 길이에 따라 부분 절연층의 저항이 결정된다.

도 13a 내지 도 13e는 누수 절연층의 또 다른 예를 나타낸다. 누수 절연층은 5개의 층으로 구성되며, 순서는 다음과 같다.

· 제1 금속 연결층(1611);

· 제1 절연층(1621);

· 전기 전도층(1630);

· 제2 절연층(1622);

· 제2 금속 연결층(1612).

도 13a 내지 도 13c는 각각 제1 금속 연결층(1611), 전기 전도층(1630) 및 제2 금속 연결층(1622)의 레이아웃을 나타낸다. 도 13d 및 도 13e는 도 13a 내지 도 13c에서 D 및 E 선을 따른 횡단면이다.

연결층은 납땜으로 HTS 케이블에 쉽게 부착할 수 있도록 존재한다.

전기 전도층이 연속적인 금속 스트립인 이전 예와 대조적으로, 본 예에서 전기 전도층은 여러 전도 영역으로 분할된다. 이러한 영역에는 두 가지 유형이 있다. 정사각형 영역(1631)(실제로는 임의의 형태일 수 있음)은 금속 연결층 중 하나에만 비아(1606)에 의해 연결된다. 이러한 영역은 부분 절연층의 전기적 특성에 영향을 주지 않지만 각 절연층을 통한 열(thermal) 경로를 제공한다. 이들 영역의 크기와 이들 영역과 금속 연결층 사이의 연결의 수를 변경함으로써 부분 절연층의 열적 특성은 전기적 특성과 독립적으로 변경될 수 있다.

다른 영역(1632)은 각각 제1 절연층(1621)의 윈도우(1601)를 제2 절연층(1622)의 윈도우(1602)에 연결한다. 윈도우 사이의 저항은 영역(1632)의 기하학적 구조를 변경함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 영역(1632)이 도 13b에 도시된 바와 같이 긴 형태의 트랙(1633)을 포함하는 경우, 트랙의 폭을 증가 시키면 윈도우 사이의 저항을 감소시킬 수 있으며, (예를 들어, 비선형 트랙을 제공하거나 윈도우를 이동시킴으로써) 트랙의 길이를 늘리면 윈도우 사이의 저항이 증가한다.

제1 절연층의 윈도우(1601)는 제1 연결층 및 제1 절연층을 통해 드릴된 비아에 의해 형성되고, 이어서 금속(1603) (또는 다른 전기 전도성 재료)으로 도금되어 제1 연결층과 전기 전도층을 연결한다. 제2 절연층의 윈도우(1602)는 모든 층을 통해 비아(1602)를 드릴링함으로써 형성되고, 그 다음 금속(1604)으로 (또는 다른 전기 전도성 재료로) 도금된다. 제2 절연층의 윈도우(1602)를 통해 제1 연결층과의 연결이 형성되는 것을 방지하기 위해, 제1 연결층을 비아(1602) 주위에 에칭하여 전기적으로 절연시키고, 절연 캡(1605)을 비아(1602)의 단부에 배치함으로써 납땜 또는 HTS 케이블과의 접촉으로 인해 브릿징(bridging)이 발생하지 않도록 한다.

대안으로, 윈도우(1602)는 부분 절연층의 다른 면에서 드릴링되어 제2 연결층, 제2 절연층 및 전기 전도층을 통과하고 제1 절연층을 (완전히) 통과하지 않을 수 있다. 추가 대안으로서, 모든 윈도우는 모든 층을 통과하는 비아로부터 형성될 수 있으며, 제2 연결층의 에칭 및 제2 연결층 상의 절연 캡은 제1 절연층의 윈도우(1601)에 사용된다.

부분적으로 절연된 코일의 또 다른 예상치 못한 이점은 추가적인 급냉 안정성으로 인해 각 케이블 내의 비 초전도 전도성 요소에 대한 재료를 더 많이 선택할 수 있다는 것이다. 기존 코일에서, HTS의 스태빌라이저(즉, 각 테이프의 금속 또는 금속 클래딩의 얇은 층) 및 테이프를 연결하는 모든 재료는 모두 구리이다. 이는 매우 낮은 저항률을 가지며 높은 저항률 재료는 과도한 가열을 유발할 수 있다. 그러나 구리는 상대적으로 부드러운 금속이므로 고압에서 테이프에서 압착되거나 급냉 후 HTS 층의 손상을 초래할 수 있는 전단 응력 하에서 변형될 수 있다.

따라서 코일의 회전 및 부분 절연에서 구리를 줄이거나 제거하는 것이 바람직한다. 감소된 구리는 예를 들어 코일의 HTS 테이프 당 구리 두께가 10 미크론 미만이거나 (즉, 기존의 HTS 테이프에 비해 감소됨) 구리 두께가 5 미크론 미만(즉, 그 절반 미만)일 수 있다. 구리 대신 사용되는 금속 또는 기타 전기 전도체는 다음 중 하나 이상을 가질 수 있다.

· 구리에 비해 감소된 연성;

· 구리에 비해 증가된 전단 계수;

· 구리에 비해 증가된 영률;

· 구리에 비해 증가된 벌크 계수;

· 구리에 비해 증가된 브리넬 경도수(Brinell Hardness Number).

적합한 재료에는 스테인리스 스틸이 포함된다.

상기 개시는 다양한 HTS 자석 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들어 위에서 언급한 토카막 핵융합로 외에도 핵 자기 공명 영상(NMR/MRI) 장치의 HTS 코일, 자기장을 통한 비 자기 매체 내의 자기 장치 조작(예를 들어, 환자 내에서 의료 기기를 조작하기 위한 로봇 자기 탐색 시스템), 및 예를 들어 전자 항공기 용 전기 모터용 자석에 사용할 수 있다. 추가 예로서, 본 개시는 개시된 특징을 포함하는 HTS 자석 시스템을 포함하는 양성자 빔 치료 장치에 적용될 수 있으며, 여기서 HTS 자석 시스템은 PBT 장치의 가속기, PBT 장치의 사중극 또는 쌍극 조향 자석, 또는 PBT 장치의 다른 자석 내에서 사용된다.

901: 금속 스트립
902: 절연 코팅
903: 윈도우(관통홀)
901: 경로
1601: 윈도우
1602: 비아
1603: 금속
1605: 캡
1611: 제1 금속 연결층
1612: 제2 금속 연결층
1621: 제1 절연층
1622: 제2 절연층
1630: 전기 전도층
1633:트랙

Claims

HTS 필드 코일 및 전원 공급 장치를 포함하는 고온 초전도체(HTS) 자석 시스템에 있어서,
상기 HTS 필드 코일은,
HTS 재료 및 금속 스태빌라이저를 포함하는 복수의 턴들(turns); 및
전류가 전도층을 통해 턴들 사이에 공유될 수 있도록 상기 턴들을 분리하는 전기 전도층;을 포함하고,
상기 전원 공급 장치는,
상기 HTS 필드 코일의 램프-업(ramp-up) 동안 상기 HTS 필드 코일에 제1 전류를 제공하고,
상기 HTS 필드 코일의 램프-다운(ramp-down) 동안, 상기 제1 전류와 반대 방향으로 상기 HTS 필드 코일에 제2 전류를 제공하도록 구성된, HTS 자석 시스템.
제1항에 있어서,
상기 HTS 재료의 급냉(quench)을 검출 및/또는 상기 HTS 재료의 급냉을 유발할 수 있는 조건을 검출하도록 구성된 급냉 검출 시스템;을 포함하고,
상기 전원 공급 장치는 상기 급냉 검출 시스템에 의한 급냉 또는 급냉을 유발할 수 있는 조건의 검출에 응답하여 상기 HTS 필드 코일을 램프 다운하도록 구성된, HTS 자석 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 전류는 DC 전류인, HTS 자석 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 전류는 DC 및 AC 전류의 조합이며, 상기 전류가 상기 제1 전류와 부호가 반대인 평균값 및 상기 HTS 필드 코일의 시간 상수보다 짧은 주기를 갖는 정현파로 변하는, HTS 자석 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원 공급 장치는 4 사분면 전원 공급 유닛(PSU)을 포함하는, HTS 자석 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원 공급 장치는 단일 사분면 전원 공급 유닛(PSU) 및 커패시터를 포함하고, 상기 단일 사분면 PSU는 상기 제1 전류를 제공하도록 구성되고 상기 커패시터는 상기 제2 전류를 제공하도록 구성된, HTS 자석 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원 공급 장치는 다음 중 하나에 해당될 때까지 상기 제2 전류를 제공하도록 구성된, HTS 자석 시스템.
- 상기 HTS 필드 코일의 미리 정의된 부분에서 급냉 검출;
- 상기 HTS 필드 코일의 미리 정의된 부분에서 지정된 온도 검출;
- 상기 자석에 의해 생성된 자기장이 임계값 미만으로 감소했음을 검출; 및
- 상기 HTS 필드 코일의 HTS 재료의 전류가 임계값 미만으로 감소했음을 검출
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전원 공급 장치는 다음 중 하나 이상에 따라 상기 자석에 제공되는 전류를 제어하도록 구성된 피드백 시스템을 포함하는, HTS 자석 시스템.
- 상기 자석의 상기 HTS 재료에서의 전류;
- 상기 HTS 필드 코일의 온도; 및
- 상기 HTS 필드 코일의 자기장
HTS 필드 코일 및 전원 공급 장치를 포함하는 고온 초전도체(HTS) 자석 시스템에 있어서,
상기 HTS 필드 코일은,
HTS 재료 및 금속 스태빌라이저를 포함하는 복수의 턴들;
전류가 전도층을 통해 턴들 사이에 공유될 수 있도록 상기 턴들을 분리하는 전기 전도층;을 포함하고,
상기 전원 공급 장치는,
상기 HTS 필드 코일의 램프-업(ramp-up) 동안 상기 HTS 필드 코일에 제1 전류를 제공하고,
상기 HTS 필드 코일의 램프-다운(ramp-down) 동안, 상기 HTS 필드 코일에 상기 제1 전류와 동일한 방향이며 상기 필드 코일의 상기 HTS 재료에서의 전류보다 작은 제2 전류를 상기 HTS 필드 코일에 제공하도록 구성된, HTS 자석 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제2 전류는 DC 및 AC 전류의 조합이며, 상기 전류가 0보다 크고 상기 제1 전류보다 작은 평균값 및 상기 HTS 필드 코일의 시간 상수보다 짧은 주기를 갖는 정현파로 변하는, HTS 자석 시스템.
HTS 필드 코일 및 전원 공급 장치를 포함하는 고온 초전도체(HTS) 자석 시스템에 있어서,
상기 HTS 필드 코일은,
HTS 재료 및 금속 스태빌라이저를 포함하는 복수의 턴들;
전류가 전도층을 통해 턴들 사이에 공유될 수 있도록 상기 턴들을 분리하는 전기 전도층;을 포함하고,
상기 전원 공급 장치는,
상기 HTS 필드 코일에 DC 전류를 제공; 및
상기 필드 코일을 가열하기 위해 상기 DC 전류 외에 상기 HTS 필드 코일에 AC 전류를 제공하도록 구성되며, 상기 AC 전류는 상기 필드 코일의 시간 상수보다 짧은 주기를 가지며 상기 DC 전류보다 작은 크기를 갖는, HTS 자석 시스템.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 자석 시스템을 포함하는 토카막(tokamak)에 있어서,
상기 자석 시스템의 HTS 필드 코일은 상기 토카막의 토로이달(toroidal) 필드 코일 또는 폴로이드(poloidal) 필드 코일 중 하나인, 토카막.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 자석 시스템을 포함하는 양성자 빔 치료(PBT) 장치에 있어서,
상기 자석 시스템의 HTS 필드 코일은, 다음 중 어느 하나인 PBT 장치.
- 상기 PBT 장치의 가속기의 필드 코일;
- 상기 PBT 장치의 양성자 빔 조향 시스템의 쌍극 또는 사중극 자석
고온 초전도체(HTS) 필드 코일을 램프 다운하는 방법에 있어서,
상기 HTS 필드 코일은 HTS 재료와 금속 스태빌라이저를 포함하는 복수의 턴들 및 전류가 전도체를 통해 턴들 사이에 공유될 수 있도록 상기 턴들을 분리하는 전기 전도층을 포함하며,
상기 방법은 상기 HTS 재료에 흐르는 제1 전류에 반대되는 제2 전류를 상기 HTS 필드 코일에 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
제14항에 있어서,
상기 제2 전류는 상기 HTS 필드 코일에서의 급냉 또는 급냉을 유발할 수 있는 조건의 검출에 응답하여 인가되는, 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 제2 전류는 다음 중 하나에 해당될 때까지 인가되는, 방법.
- 상기 HTS 필드 코일의 미리 정의된 부분에서 급냉 검출;
- 상기 HTS 필드 코일의 미리 정의된 부분에서 지정된 온도 검출;
- 상기 자석에 의해 생성된 자기장이 임계값 미만으로 감소했음을 검출; 및
- 상기 HTS 필드 코일의 HTS 재료의 전류가 임계값 미만으로 감소했음을 검출
제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 전류는 DC 및 AC 전류의 조합이며, 상기 전류는 상기 제1 전류와 부호가 반대인 평균값 및 상기 HTS 필드 코일의 시간 상수보다 짧은 주기를 갖는 정현파로 변하는, 방법.
고온 초전도체(HTS) 필드 코일을 램프 다운하는 방법에 있어서,
상기 HTS 필드 코일은 HTS 재료와 금속 스태빌라이저를 포함하는 복수의 턴들 및 전류가 전도체를 통해 턴들 사이에 공유될 수 있도록 상기 턴들을 분리하는 전기 전도층을 포함하며,
상기 방법은 상기 HTS 재료에 흐르는 제1 전류보다 작은 제2 전류를 상기 HTS 필드 코일에 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
제18항에 있어서,
상기 제2 전류는 DC 및 AC 전류의 조합이며, 전류는 0보다 크고 상기 제1 전류보다 작은 평균값 및 상기 HTS 필드 코일의 시간 상수보다 짧은 주기를 갖는 정현파로 변하는, 방법.
고온 초전도체(HTS) 필드 코일을 가열하는 방법에 있어서,
상기 HTS 필드 코일은 HTS 재료와 금속 스태빌라이저를 포함하는 복수의 턴들 및 전류가 전도층을 통해 턴들 사이에 공유될 수 있도록 상기 턴들을 분리하는 전기 전도층을 포함하며,
상기 방법은 상기 HTS 필드 코일에 결합된 DC 및 AC 전류를 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
제20항에있어서,
상기 DC 전류는 상기 HTS 필드 코일의 상기 HTS 재료의 전류와 동일한, 방법.
고온 초전도(HTS) 자석에 있어서,
고온 초전도(HTS) 코일을 포함하며, HTS 코일은,
HTS 재료 및 금속 스태빌라이저를 포함하는 복수의 턴들;
상기 턴들을 분리하고 상기 턴들 사이에 전기적 연결을 제공하는 전기 전도층;
상기 HTS 코일을 실질적으로 둘러싸고 5kV 미만 및 10V 초과의 항복(breakdown) 전압을 갖는 절연 구조체를 포함하는, HTS 자석.
제22항에있어서,
상기 절연 구조체는 페인트 또는 광택제의 코팅인, HTS 자석.
제22항 또는 제23항에 있어서,
상기 절연 구조체는 가스 또는 진공으로 채워진 갭 및 상기 HTS 코일을 상기 자석의 다른 구성 요소에 구조적으로 연결하도록 구성된 지지 구조체를 포함하는, HTS 자석.
제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연 구조체는 2kV 미만, 1kV 미만, 500V 미만 또는 100V 미만의 항복 전압을 갖는, HTS 자석.
고온 초전도(HTS) 코일에 있어서,
HTS 재료 및 금속 스태빌라이저를 포함하는 복수의 턴들;
상기 턴들을 분리하는 부분 절연층을 포함하며, 상기 부분 절연층은,
인접한 턴들 사이에 전기 경로를 제공하는 전기 전도성 재료, 및
상기 부분 절연층을 통한 상기 전기 경로를 제한하는 절연 구조체;를 포함하며,
상기 절연 구조체는 5kV 미만 및 10V 초과의 항복 전압을 갖는, HTS 코일.
제26항에 있어서,
상기 절연 구조체는 가스 또는 진공으로 채워진 갭을 포함하는, HTS 코일.
제26항 또는 제27항에 있어서,
상기 절연 구조체는 인접한 턴들 사이의 최소 간격으로 나뉘어진 5kV 볼트보다 큰 유전 상수를 갖는 어떠한 재료도 포함하지 않는, HTS 코일.
제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 전도성 재료는,
각 면에 상기 절연 구조체를 갖는 전기 전도층; 및
상기 전기 전도층을 각각의 턴에 연결하기 위해 상기 절연 구조체를 통해 연장되는 복수의 전기 전도성 링크로 형성되는, HTS 코일.
제29항에 있어서,
상기 전기 전도층은 상기 절연 구조체의 일부에 의해 분리된 영역으로 분할되고, 각각의 영역은 제1 코일에 연결된 전기 전도성 링크를 제2 코일에 연결된 전기 전도성 링크에 연결하는, HTS 코일.
고온 초전도(HTS) 코일에 있어서,
HTS 재료 및 금속 스태빌라이저를 포함하는 복수의 턴들;
상기 턴들을 분리하는 부분 절연층을 포함하며, 상기 부분 절연층은,
인접한 턴들 사이에 전기적 경로를 제공하는 전기 전도성 재료;
상기 부분 절연층을 통해 상기 전기 경로를 제한하도록 배열되며, 가스 또는 진공으로 채워진 갭을 포함하는, HTS 코일.
고온 초전도(HTS) 코일에 있어서,
HTS 재료 및 금속 스태빌라이저를 포함하는 복수의 턴들; 및
상기 터들을 분리하는 부분 절연층;을 포함하고,
상기 턴들은 구리를 포함하지 않거나, 상기 턴들은 HTS 전도체 당 총 두께가 10 미크론 미만인 구리를 포함하는, HTS 코일.
제32항에 있어서,
상기 부분 절연층은 구리를 포함하지 않는, HTS 코일.
제32항 또는 제33항에 있어서,
상기 턴들 및/또는 상기 부분 절연층은 다음 중 하나 이상을 갖는 전기 전도체를 포함하는, HTS 코일.
- 구리에 비해 감소된 연성;
- 구리에 비해 증가된 전단 계수;
- 구리에 비해 증가된 영률;
- 구리에 비해 증가된 벌크 계수;
- 구리에 비해 증가된 브리넬 경도수(Brinell Hardness Number).
제34항에 있어서,
상기 턴들 및/또는 부분 절연층은 강철을 포함하는, HTS 코일.