KR20210136045A

KR20210136045A - 수송 전류 포화 hts 자석

Info

Publication number: KR20210136045A
Application number: KR1020217031025A
Authority: KR
Inventors: 그레그 브리틀스; 로버트 슬레이드; 로드 베이트맨
Original assignee: 토카막 에너지 리미티드
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-11-16
Also published as: US20220157501A1; JP7422780B2; CA3132611A1; SG11202109613VA; WO2020178594A1; MX2021010474A; IL286061A; JP2022523410A; CN113557579B; AU2020231077A1; BR112021017133A2; EP3935656A1; CN113557579A

Abstract

고온 초전도(HTS) 자석 시스템. HTS 자석 시스템은 HTS 필드 코일, 온도 제어 시스템, 전력 공급기 및 제어기를 포함한다. HTS 필드 코일은 HTS 물질로 구성된 복수의 턴들(turns) 및 전류가 저항 물질을 통해 턴들 사이에 방사형으로 공유될 수 있도록 상기 턴들을 전기적으로 연결하는 저항 물질을 포함한다. 온도 제어 시스템은 코일의 온도를 제어하도록 구성되며, 온도 제어 시스템은 HTS 물질의 자체 필드(self-field) 임계 온도 이하로 코일을 유지하도록 구성된다. 전력 공급기는 HTS 필드 코일에 전류를 제공하도록 구성된다. 제어기는 전력 공급기가 모든 HTS 물질의 임계 전류보다 큰 전류를 제공하게 하도록 구성된다.

Description

수송 전류 포화 HTS 자석

본 발명은 고온 초전도(HTS) 자석에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이러한 자석을 작동시키는 방법 및 방법을 구현하는 자석에 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 자체 임계 온도(외부 자기장이 없는 상태에서조차 재료가 초전도를 수행할 수 없는 온도)를 가지고 있다. HTS 재료의 거동은 BCS 이론에 의해 설명되지 않으며, 그러한 재료는 약 30K 이상의 자체 임계 온도를 가질 수 있다. (단, HTS 및 LTS 재료를 정의하는 것은 자체 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 기반으로 하는 세라믹인 "컵레이트(cuprate) 초전도체"이다. 다른 HTS 재료로는 철 프닉티드(iron pnictides) (예 : 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 마이크론이고, 기판(101)(전형적으로 두께가 약 50 마이크론인 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 마이크론 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 없고 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. TS 테이프는 적층될 수 있거나 (즉, HTS 층이 평행하도록 배열되거나) 케이블 길이를 따라 변할 수 있는 다른 배열의 테이프를 가질 수있다. 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 및 (또는 동등하게 유형-2 쌍)의 스택이다. HTS 케이블은 기재된 또는 박리된 테이프의 혼합으로 구성할 수 있다.

초전도 자석은 HTS 케이블 (또는 본 개시의 목적 상 단일-테이프 케이블로 취급될 수 있는 개별 HTS 테이프)를 코일로 배열하거나, HTS 케이블로 만들어진 코일의 섹션을 제공하여 함께 결합함으로써 형성된다. HTS 코일은 3개의 광범위한 분류로 제공된다.

· (HTS 케이블을 통해 "나선 경로"에서만 전류가 흐를 수 있도록) 턴 사이의 전기적 절연 물질을 갖는 절연체.

· 턴들이 방사형뿐만 아니라 케이블을 따라 전기적으로 연결되는 비절연체.

· (예를 들어, 구리와 비교하여) 저항이 높은 물질을 사용하거나 코일 사이에 간헐적인 절연체를 제공함으로써, 턴들이 제어된 저항으로 방사형으로 연결되는, 부분 절연체.

비절연 코일은 부분적으로 절연된 코일의 저저항 케이스로 간주될 수 있다.

이하의 설명에서 자석은 직렬로 연결된 많은 HTS 코일을 포함하는 것으로 정의된다. 코일 사이에는 저항 조인트가 존재할 것이다. 코일 자체는 완전히 초전도적일 수 있거나, 직렬 및 병렬로 연결된 개별 HTS 테이프의 여러 길이를 포함하는 케이블로 구성된 경우에는 작지만 0이 아닌 저항을 가질 수 있다. 따라서 자석은 기하학적 구조, 저장 에너지 및 회전 수와 잔류 저항 R에 의해 정의된 인덕턴스 L을 가질 것이다. 따라서 자석의 특성 충전 시간 상수(characteristic charging time)는 L/R이다.

전류가 나선형 고인덕턴스 경로 또는 방사형 저인덕턴스 경로를 통해 두 개의 경로를 취할 수 있기 때문에 비절연 또는 부분 절연된 HTS 자석에 에너지를 공급하거나 충전하는 것은 완전 절연 코일에 에너지를 공급하는 것보다 더 복잡하다. 나선형 경로는 코일이 완전히 초전도일 때 무시할 수 있는 저항을 갖는 반면 방사형 경로는 저항성을 갖는다. 전원 공급 중(즉, 전류가 흐르도록 전력 공급기에서 단자로 전압을 인가하여 코일을 램핑(ramping)하는 동안) 나선형 경로에서 전류를 변화시킴으로써 발생하는 유도 전압은 일부 전력 공급기 전류를 방사형 경로로 유도할 것이다. 정확한 전류 분할은 당업계에서 알려진 바에 따라 계산될 수 있다. 램프 속도가 증가하면, 방사형 경로에서 더 많은 전류가 흐르고 더 많은 열을 유발한다. 큰 코일에서, 최대 램프 속도는 이용 가능한 냉각 전력으로 설정된다. 즉, 램프 중 방사형 전류 흐름으로 인한 가열이 코일 온도가 비초전도가 될 정도로 너무 많이 증가하지 않아야 한다.

램핑 후 전원 전압은 자석의 나선형 경로의 잔여 저항을 통해 전류를 구동하는 데만 필요한 수준으로 떨어진다. 자석은 자기장이 안정화될 수 있는 충분한 시간 동안 자석이 작동 전류로 유지되는 "안정화 상태(stabilisation phase)"를 입력한다.

자기장의 불안정성은 (원하는 운동 전류에 부가되는) 각각이 자석의 자기장에 기여하는, 자석에 유도된 기생 전류에서 발생한다. 이 전류는 세 가지 유형으로 제공된다.

· "와전류(Eddy currents)"는 비초전도("정상") 구성 요소에 유도된 전류의 닫힌 루프이다.

· "커플링 전류"는 정상 매체에 의해 결합되는 근처의 초전도 구성 요소에 유도된 전류의 닫힌 루프이며, 이들은 하나의 초전도 구성 요소를 따라 정상 매체를 통해 흐른 다음, 다른 초전도 구성 요소를 따라 다시 정상 매체를 통과하여 루프를 완성한다.

· "히스테리시스 전류"라고도하는 "스크리닝 전류"는 초전도 물질에서만 전류 흐름의 닫힌 루프이다.

"전류의 닫힘 루프"라는 문구는 전류가 지정된 재료 내에서 완전히 흐르며 전원 공급 장치 또는 전류 리드에서 시작되거나 종료되지 않는다는 것을 의미한다.

자석의 자기장이 빠르게 변하지 않는 "안정 상태" 애플리케이션에서, 와전류와 커플링 전류는 그들이 통과하는 물질의 저항 때문에 빠르게(수 초 정도의 시간 상수로 지수적으로) 붕괴한다.

그러나 스크리닝 전류는 무기한 지속되며 (분, 시간 또는 심지어 월 단위로 시간 상수를 가지는) 긴 시간에 걸쳐 변화한다. 스크리닝 전류는 또한 자석의 램핑 이력에 따라 달라진다. 즉, 빠르게 램핑된 자석은 천천히 램핑된 동일한 자석과 다른 스크리닝 전류(따라서 다른 자기장 품질)를 가지며, 0 전류 상태에서 램핑된 5T를 생성하도록 구성된 자석은 이전의 안정된 3T 상태에서 램핑된 동일한 자석과 필드 품질이 다를 것이다.

따라서 초전도 자석에 의해 생성된 자기장은 이전의 램프 이력에 따라 달라진다. 자석의 온도를 초전도 전환 온도 이상으로 높임으로써 스크리닝 전류가 없는 초기 상태로 재설정할 수 있다

스크리닝 전류의 효과는 특히 ReBCO 또는 BSCCO 테이프를 사용하는 HTS 자석에서 두드러진다. 초전도 필라멘트의 큰 치수가 더 큰 선별 전류를 형성할 수 있기 때문이다. 스크리닝 전류에 의해 생성된 오염 자기 "스크리닝 필드"는 핵 자기공명(NMR) 및 자기공명 영상(MRI)과 같이 높은 필드 균일성과 안정성을 요구하는 애플리케이션에 기존 HTS 테이프 및 코일 기술의 적용에 심각한 문제이다.

스크리닝 전류의 영향을 줄이기 위한 여러 가지 방법이 있다. 첫 번째는 진폭을 감소시키는 진동 방식으로 자석을 위아래로 램핑하는 것이다. 이렇게 하면 스크리닝 전류가 뒤섞기게 된다(즉, 각 테이프 내에 많은 전류 루프가 생성된다). 잔류 전류는 서로를 상쇄시켜 순 스크리닝 장 오염을 감소시킨다. 관련된 방법은 별도의 소스("흔들리는 필드")로부터의 진동 자기장을 적용하는 것이다. 그러나 두 방법 모두 시간이 많이 걸리고 복잡하며 잔류 스크리닝 필드 오염은 여전히 민감한 NMR 측정에서 너무 큰 수준으로 존재한다.

잔류 스크리닝 전류장에 대처하기 위한 전류 해결책은 "시밍(shimming)"이다. 자석 시밍 공정은 자기장 편차를 측정한 다음 동일하며 반대로 보정하는 자기장을 부가하는 과정을 포함한다. 보정 필드의 소스는 독립적으로 전력이 공급된 (저항성 또는 초전도성) 코일 또는 코일 어레이, 또는 철 플레이트 또는 영구 자석과 같은 자화된 요소의 어레이일 수 있다. 보정 필드의 진폭은 심(shim) 코일의 전류를 변경하여 조정될 수 있기 때문에, 이전의 방법을 "능동" 시밍이라고 하고, 후자는 보정 필드가 고정되어 조정할 수 없기 때문에 "수동" 시밍(shimming)이라고 한다. 스크리닝 전류가 시간에 따라 변하기 때문에 시밍 프로세스는 초전도 자석의 수명 동안 여러 번 반복해야 할 수 있다.

차폐 전류에 의해 생성된 필드 및 정착 시간도 감쇠(damped) 진동 램프 알고리즘에 의해 줄일 수 있다. 이 경우 수송 전류는 목표값보다 백분율 X %(예를 들어, 10 %) 높게 상승된 다음 목표값보다 백분율 Y % 아래로 감소하며, 여기서 Y<X, (예를 들어, 8 %)는 목표값보다 Z % 높게 상승하며, 여기서 Z<Y<X(예를 들어, 6%), 그리고 목표값에 도달하기까지 정의된 단계들을 거치게 된다. 이 방법은 차폐 전류의 영향을 감소시키지만 완전히 제거하지는 않는다.또한 목표 전류를 자석의 최저 임계 전류값 이하로 설정해야 하기 때문에 최대 도달 가능한 자기장을 감소시킨다. 입자 가속기와 같은 일부 응용분야에서는, 필드를 단방향으로 램핑하여 이러한 필드 진동을 배제해야 한다.

일반적으로 NMR 또는 MRI에 사용되는 HTS 자석은 자기장 공간적 균일성과 시간적 안정성(통칭하여, "필드 품질")을 달성하기 위해 위의 모든 보정 방법을 조합해야 한다.

따라서 HTS 자석의 스크리닝 전류를 줄이거나 이상적으로 제거하는 더 나은 방법이 필요하다.

본 발명은, HTS 필드 코일 및 이의 동작 방법, HTS 필드 코일을 포함하는 HTS 자석 시스템 및 이의 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1관점에 따르면, 고온 초전도(HTS) 자석 시스템이 제공된다. HTS 자석 시스템은 HTS 필드 코일, 온도 제어 시스템, 전력 공급기 및 제어기를 포함한다. HTS 필드 코일은 HTS 물질로 구성된 복수의 턴들(turns) 및 전류가 저항 물질을 통해 턴들 사이에 방사형으로 공유될 수 있도록 상기 턴들을 전기적으로 연결하는 저항 물질을 포함한다. 온도 제어 시스템은 코일의 온도를 제어하도록 구성되며, 온도 제어 시스템은 HTS 물질의 자체 필드(self-field) 임계 온도 이하로 코일을 유지하도록 구성된다. 전력 공급기는 HTS 필드 코일에 전류를 제공하도록 구성된다. 제어기는 전력 공급기가 모든 HTS 물질의 임계 전류보다 큰 전류를 제공하게 하도록 구성된다.

제2관점에 따르면, 고온 초전도(HTS) 필드 코일을 동작하는 방법이 제공된다. HTS 필드 코일은 HTS 물질로 구성된 복수의 턴들(turns) 및 전류가 저항 물질을 통해 턴들 사이에 방사형으로 공유될 수 있도록 상기 턴들을 전기적으로 연결하는 저항 물질을 포함한다. 전류는 HTS 필드 코일의 수송 전류가 이 모든 HTS 물질의 임계 전류보다 크도록 HTS 필드 코일에 제공된다. HTS 필드 코일의 온도는 제어된다.

제3관점에 따르면, 고온 초전도(HTS) 도전체의 임계 표면을 결정하는 방법이 제공된다. 상기 HTS 도전체는 상기 HTS 도전체로 구성된 복수의 턴들(turns) 및 전류가 저항 물질을 통해 턴들 사이에 방사형으로 공유될 수 있도록, 상기 턴들을 전기적으로 연결하는 상기 저항 물질을 포함하는 HTS 필드 코일로 형성된다. HTS 필드 코일은 모든 HTS 도전체의 임계 전류보다 큰 수송 전류로 동작된다. 온도는 HTS 필드 코일 상의 하나 이상의 지점에서 측정된다. 필드 코일에 의해 생성된 자기장이 측정된다. HTS 도전체의 임계 표면으 상기 측정치로부터 결정된다.

제4관점에 따르면, 고온 초전도(HTS) 자석 시스템이 제공된다. HTS 자석 시스템은 복수의 HTS 필드 코일, 온도 제어 시스템, 전력 공급기 및 제어기를 포함한다. 각각의 HTS 필드 코일은 HTS 물질로 구성된 복수의 턴들(turns) 및 전류가 저항 물질을 통해 턴들 사이에 방사형으로 공유될 수 있도록 상기 턴들을 전기적으로 연결하는 저항 물질을 포함한다. 온도 제어 시스템은 각각의 코일의 온도를 제어하도록 구성되며, 온도 제어 시스템은 HTS 물질의 자체 필드(self-field) 임계 온도 이하로 각각의 코일을 유지하도록 구성된다. 전력 공급기는 HTS 필드 코일에 전류를 제공하도록 구성된다. 제어기는,

전력 공급기가 HTS 필드 코일 내의 모든 HTS 물질의 임계 전류보다 큰 전류를 각각의 필드 코일에 제공하도록,

온도 제어 시스템이 각각의 HTS 코일의 온도를 조정하여 자기장에 대한 각각의 HTS 코일의 기여도를 조정하게 하도록 구성된다.

본 발명은, HTS 필드 코일 및 이의 동작 방법, HTS 필드 코일을 포함하는 HTS 자석 시스템 및 이의 동작 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 HTS 테이프의 개략적인 도면이다.
도 2는 77K로 유지되는 부분 절연 HTS 코일에 대한 램프-업 테스트 결과를 나타낸다.
도 3은 40K로 유지되는 부분 절연 HTS 코일에 대한 램프-업 테스트 결과를 나타낸다.
도 4는 다양한 시작 온도에서 HTS 코일에 수행된 램프-업 테스트 결과들을 나타낸다.
도 5는 예시적인 HTS 자석 시스템의 개략적인 도면이다.

HTS 자석 내의 스크리닝 전류는 수송 전류(I)가 코일의 큰 부분에서 도체의 임계 전류(I_C)보다 작기 때문에 발생한다. 임계 전류(I_C)는 순간적인 환경 조건(예를 들어, 온도, 외부 자기장)이 주어진 초전도 동안 HTS 도체가 전달할 수 있는 최대 전류이다. 임계 전류는 자기장, 온도 및 HTS 도체 자체가 일반적으로 균일하지 않기 때문에 자석에 따라 달라진다. 대조적으로, HTS 도체의 "최대 임계 전류"는 도체가 절대 영도, 변형률 제로 및 외부 자기장 제로의 상태(즉, 이상적인 조건)에서 전달할 수 있는 전류이다. 이는 문헌에서는 단순히 "임계 전류"라고 부르기도 하지만 여기서는 그러한 의미로 사용하지 않는다.

현재 초전도 자석은 HTS 도체에서 전류가 누설되는 것을 방지하기 위해 자석 코일의 어느 부분에서든 최소 임계 전류보다 낮은 수송 전류로 동작한다. 이는 HTS 도체에서 전류가 누설되면 (현재 전류가 저항성 물질을 통해 흐를 때) 열이 발생하며, 이는 HTS 도체의 온도를 국소적으로 상승시켜 임계 전류를 더욱 감소시키고 감쇠(quench)를 야기할 수 있는 피드백 사이클을 잠재적으로 시작한다 (HTS 물질은 "핫 스팟(hot spot)"에서 더 이상 초전도 상태가 아닌 wlwjaRK지 가열되며, 자석이 그 에너지를 비초전도 영역으로 덤핑하여, 완화되지 않는 한 자석에 종종 손상이 생긴다). 코일로 만들어진 자석은 멀티 테이프 케이블을 사용하여 개별 테이프의 국소 결함 주위로 전류가 이탈하는 국소 핫 스팟(localized hot spots)에서 안정적으로 작동할 수 있다.

자석의 대부분은 스크리닝 전류에 의해 부분적으로 또는 완전히 점유되는 HTS에서 "예비(spare)" 전류 용량을 제공하는 1보다 작은 "작동 비율"(수송 전류와 임계 전류 사이의 비율(I/I_C))을 갖는다. 시간이 지남에 따라 수송 전류가 일정하게 유지되면 평형을 이룰 수 있지만 이는 스크리닝 전류가 제로 저항 매체를 통해 흐르기 때문에 일반적으로 매우 긴 시간 상수(분, 월 단위)에 걸쳐 발생한다.

본 개시의 제안은 HTS 자석 코일을 다른 영역(regime)에서 작동시키는 것이다. 즉, 수송 전류가 코일의 최소 임계 전류보다 낮은 대신, 수송 전류가 (전체 작동 기간 동안) 코일의 최대 임계 전류보다 크다. 그 결과, 코일의 모든 초전도 물질은 단일의 작동 계수를 가지며, 이는 스크리닝 전류가 배제된다("예비" 초전도 용량이 없다)는 것을 의미한다. 이 상태를 "포화" 상태라고 한다. HTS 자석에 관한 종래의 관념에 따르면 이는 좋지 않은 아이디어이다. 즉, 모든 코일이 사실상 하나의 큰 핫 스팟이 되어 코일 전체에 걸쳐 자석의 저항성 구성 요소로 전류가 누설되고 코일이 가열되어, 실질적인 이점 없이 추가적인 냉각이 필요하게 된다. 그러나 턴투턴 저항이 충분히 낮고 코일의 열전도율이 충분히 높으며, 정상 부위로의 전류 누출로 인한 가열에 대응할 수 있는 충분한 냉각이 제공된다면, 가능한 것으로 밝혀졌다. 그 결과, HTS 자석이 스크리닝 전류의 영향 없이 보다 균일한 감쇠 조건(강도와 온도)으로 작동하여 도체로부터 가능한 최대 필드를 생성하고 간단한 제어 메커니즘으로 작동할 수 있는 몇 가지 유리한 특징이 발생한다.

새로운 작동 모드는 부분적으로 절연된(또는 절연되지 않은) 코일에서만 가능하다. 부분적으로 절연된 코일의 전류가 HTS 도체를 벗어날 때, 처음에는 자석의 저항성 구성 요소(즉, HTS 테이프의 스태빌라이저 층 및 턴을 연결하는 저항성 구성 요소)를 통해 HTS에 평행한 나선형 경로로 흐른다. 그러나 이 나선 경로 흐름은 비초전도 나선 경로의 높은 저항으로 인해 방사형 경로(즉, 저항성 구성 요소를 통해 방사형으로 흐름)로 빠르게 붕괴된다. 즉, 포화 상태에서 작동할 때 코일에 의해 생성되는 자기장은 코일 모양과 코일 내 HTS의 임계 전류에만 의존한다. 저항성 구성 요소를 통과하는 방사형 전류가 자기장에 큰 영향을 미치지 않기 때문이다.

HTS의 임계 전류는 결국 다음에 따라 달라진다:

· HTS의 온도;

· HTS에서 외부 자기장(즉, HTS 내 전류 때문이 아닌 자기장);

· HTS의 변형.

이러한 모든 요인은 코일에 따라 달라진다.

다른 가변 자기장 소스로부터 격리된 자석의 경우, 코일의 각 회전의 외부 자기장은 서로의 회전에 의해 생성된 자기장에 의해서만 좌우될 것이며, 그리고 만약 자석이 변형에 대한 다른 가변 소스로부터 또한 격리된다면, 테이프의 변형은 오직 자석에 의해 생성된 자기장의 결과로의 변형에 의해서만 좌우될 것이다.

도 2는 액체 질소 수조에 의해 온도가 77 K로 유지되는 단일 작동 비율 영역에 진입할 때 모든 턴이 함께 납땜된 테이프를 사용하여 작은 비절연 팬케이크 코일의 거동을 보여준다. 전원 공급 장치(PSU) 전류(상단 그래프)는 0에서 400 A로 램핑되며, 약 200 A에 도달하면 코일의 HTS가 포화 상태가 된다. 즉, 중심 자기장(중간) 레벨이 꺼지고, 코일(하단)의 전압이 PSU 전류와 함께 상승하기 시작한다. 나머지 램프-업 동안, 그리고 수송 전류가 약 200 A 이하로 떨어지고 코일이 더 이상 포화 상태가 아닐 때까지 그 다음의 램프-다운 동안에 중심 자기장은 거의 일정하게 유지된다.

도 3은 한 쌍의 팬케이크 코일로 구성된 자석에 대해 수행한 유사한 시험 결과를 보여주고 있으며, 한 쌍의 팬케이크 코일은 저온 냉각기로 냉각되고 코일 온도를 40 K로 유지하도록 구성된 온도 제어 시스템으로 제어된다. 약 1.1 kA의 전류에 도달할 때까지 램프-업 동안 코일의 자기장이 증가한다. 그 이상에서 자기장은 PSU 전류가 약 2.6 kA를 초과할 때까지 거의 일정하게 유지되며, 이때 온도 제어 시스템은 방사형 전류 누설로 인한 과잉 열에 의해 압도된다. 코일의 온도가 점차 상승하여 코일의 임계 전류가 감소하고 코일에 의해 생성된 자기장이 감소한다. 이러한 현상은 코일의 자체-필드 임계 온도에 도달하고 자기장이 0에 도달할 때까지 ~1000초에 걸쳐 꾸준히 발생한다. 그리고 전원 공급 장치가 꺼진다.

도 4는 코일이 (지속적으로 램프되면서 전원에 의해 공급된 과잉 전류 하에서 가열되는 시점에서) 포화될 때까지 기본(base) 온도(히터가 꺼짐), 20 K, 30 K 및 40 K에서 각각 코일을 유지하도록 구성된 온도 제어 시스템을 가진 동일한 자석의 여러 램프들의 플롯을 나타낸다. 램프-업은 중심 자기장-코일 온도(B-T) 플롯에 표시된다. 각각의 경우에, 램프는 낮은 자기장(실질적 수직선 하부)에서 시작되며, 자기장은 HTS의 임계 전류 이하로 유지하면서 수송 전류가 증가함에 따라 증가한다. 그래프의 위쪽에서 수송 전류는 HTS를 포화 상태로 만들기 시작하고 코일이 포화 영역에 들어갈 때 자기장이 "롤 오버(rolls over)" 된다. 이 영역에서, 표시된 각 테스트는 코일의 램프 이력과 공급된 전류의 정확한 값에 관계없이 중심 자기장(B)과 코일 온도(T) 사이에 동일한 B-T 관계를 따른다 (각 그래프의 오른쪽 극단에 있는 "루프"는 테스트 종료에 따른 결과물이다). 이러한 히스테리시스 효과의 부족은 코일의 HTS 임계 전류에 의해서만 중심 자기장이 결정되고 일반적인 시나리오에 존재하는 스크리닝 전류로부터 간섭이 없기 때문에 발생한다.

온도는 자석을 통해 변하는 경향이 있다. 예를 들어 임계 전류가 낮은 지역은 근처의 저항성 물질을 통과하는 전류가 많아지고 따라서 가열이 많아지며, 냉각은 코일을 형성하는 재료의 열전도도와 냉각 시스템의 레이아웃에 따라 달라진다. 그러나 이러한 패턴은 일반적으로 일관된 온도 프로파일을 만들어낸다.

특성 온도(characteristic)가 자석 전체의 온도 프로파일을 나타내기 위해 선택된 경우(예를 들어, 자석의 특정 지점에서의 온도 또는 몇몇 해당 지점에서의 평균 온도), 포화 영역에서 자석에 의해 생성된 필드가 오직 이러한 온도에만 의존한다는 것을 보여준다(그리고 실험적으로 검증되었다, 도 4 참조).

HTS 물질은 자석 전체에서 초전도 상태를 유지하지만(즉, HTS의 최소 임계 전류는 0으로 떨어지지 않음), 특성 온도와 자기장 강도 사이의 관계는 도 4와 같이 온도가 증가하면 자기장이 감소하게 된다.

포화 모드에서 작동할 때 코일을 낮은 온도(최대 자기장)에서 자석의 임계 온도(자기장 없음)로 가열하여 HTS 자석의 자기장을 단조적으로 감소시킬 수 있다. 필드 스위프 속도 dB/dt는 온난화(warming) 속도 dT_magnet/dt에 의해 설정된다. 이러한 조건 하에서, 자기장은 자석의 전자기 시간 상수 τ=L/R보다 빠르게 변화될 수 있다. 여기서 L은 자석의 인덕턴스이고 R은 방사형 저항으로 종종 엄청나게 길다. 이 경우 자석의 저장된 에너지는 코일의 열로 발산되며, 허용되는 최대 자기장 스위프(sweep) 속도는 전적으로 열 설계(예를 들어, 온도를 얼마나 빨리 변화시킬 수 있는지)에 의해 결정된다. 마찬가지로, 가속 자기장 스위프 속도는 자석을 빠르게 냉각시키고 동시에 자석이 포화 상태에 있도록 잉여 전력 공급 전류를 제공함으로써 자기장의 단조로운(monotonic) 증가에 대해 달성될 수 있다.

이러한 영역에서 작동할 때 코일에 스크리닝 전류가 없으므로, 자기장 변화에 있어 유일한 지연은 자석이 가열 또는 냉각되는 데 걸리는 시간과 저항성 나선 경로의 전류가 방사 경로로 붕괴되는 데 걸리는 시간이다. 이 두 가지 모두 적절한 열 및 전기 코일 설계에 의해 제어될 수 있는 파라미터이며, 표시된 예에서는 20 K에서 수십 분이라는 시간 척도를 가진다.

따라서 자석은 자석의 특성 온도를 모니터링하거나 자기장을 직접 모니터링하여 원하는 자기장을 달성하기 위해 자석을 가열 또는 냉각하여 제어할 수 있다. 자석을 가열하면 HTS의 임계 전류가 감소하여 자기장 강도가 감소하며, 자석을 냉각하면 HTS의 임계 전류가 증가하여 자기장 강도가 증가한다.

온도만 모니터링하는 경우 특성 온도와 자기장 사이의 관계는 사전 보정된 룩업 테이블 또는 공식에 기초하여 결정될 수 있다. 측정된 온도를 순간 자기장과 연관시키고, 순간 자기장과 원하는 자기장 사이의 차이를 결정하고, 또는 원하는 자기장을 원하는 온도와 연관시키고, 원하는 온도와 측정된 온도 간의 차이를 결정하는데 사용되는지 여부에 상관없이 자석의 제어는 동등하다는 것을 이해할 것이다.

자석의 가열은 (자석의 저항 부분에 더 많은 전류가 유입되게 함으로써) 수송 전류를 증가시키거나, 코일과의 열 접촉에 제공되는 전용 히터를 사용하거나, 또는 자석의 극저온 냉각 시스템에 의해 제공되는 냉각(예를 들어, 유량)을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 자석의 냉각은 극저온 냉각 시스템의 냉각을 증가시키거나 (여전히 포화 범위에 있는 동안) 수송 전류 또는 히터에 공급되는 전원을 감소시킴으로써 달성될 수 있다.

(수송 전류를 증가시켜 자석을 가열하는) 상술한 제1 케이스에서, 결과는 매우 직관적이지 않다. 즉, 자기장을 증가시키면 전원 공급 전류가 감소하고 그 반대도 마찬가지라는 점에 유의해야 한다. 이는 포화 영역에서 자석을 작동할 경우에만 해당된다.

피드백 시스템은 가열 및 냉각을 통해 측정된 온도/필드을 제어하기 위해 구현된다. 즉, 측정된 온도가 너무 높거나 너무 낮으면 자석이 냉각 (또는 가해지는 열이 감소)되고, 측정된 온도가 너무 낮거나 전기장이 너무 높으면 자석이 가열(또는 가해지는 냉각이 감소)된다. 해당 기술분야에서 알려진 임의의 적절한 피드백 방식도 이러한 목적으로 사용될 수 있다.

자기장 모니터링으로 작동할 때, 자석의 외부 변형 및/또는 자기장이 가변적인 상황에서도 위에서 설명한 제어 방식을 사용할 수 있다. 이는 변형 및/또는 필드 센서가 포함된 경우 온도 모니터링을 통해, 그리고 룩업 테이블 또는 변형 및/또는 필드 효과를 설명하는 항들을 포함하는 공식을 통해 수행될 수 있다. 대안적으로, (상수 또는 가변 배경 필드 케이스에서) 온도와 원하는 필드 사이의 룩업 테이블를 사용하여 필요한 가열에 대한 초기 추정치를 구한 다음, 원하는 자기장에 도달하는 데 사용되는 모니터링된 자기장에 기초한 피드백 루프를 사용할 수 있다.

포화 영역에서 작동할 때 자기장 안정성은 HTS 임계 전류의 안정성, 즉 외부 자기장, 변형률 및 온도에 의해서만 결정된다.

다중 코일 시스템의 경우 동일한 원리가 적용된다. 각 개별 코일은 포화 모드에서 작동할 수 있다. 또한, 공간적으로 분포된 자기장 측정에 기초하여 개별 코일의 온도를 독립적으로 제어함으로써 자기장의 균일성을 제어할 수 있다. 제어 피드백 루프는 더 복잡하다. 센서 어레이는 모든 코일에 의해 생성되는 자기장의 균일성을 결정할 수 있는 방식으로 배치되어야 하며, 각 코일의 온도를 개별적으로 제어하여 각 개별 코일에 의해 기여되는 자기장 균일성을 조정할 수 있다. 자기장의 모양은 시밍에 대한 종래 기술에서 설명된 Legendre 다항식과 같은 공간 고조파의 가중 합을 사용하여 편리하게 설명될 수 있다. 그러나 필드 균일성을 결정하는 많은 다른 방법이 존재한다.

직렬로 연결된 코일 세트의 필드 균일성을 조정하려면 각 코일의 기여도를 독립적으로 조정해야 한다. 이는 포화 모드에서 작동하는 모든 코일의 온도에 영향을 미치는 수송 전류를 조정해서는 수행할 수 없다. 따라서 각 코일의 온도를 독립적으로 조정할 필요가 있다. 따라서 코일은 적어도 부분적으로 열적으로 서로 격리되어야 한다. 그런 다음 각 코일의 냉각을 제어하거나 히터와 같은 것을 사용하여 각 코일에 추가 열을 가함으로써 온도를 조정할 수 있다.

대안적으로, 자석은 기존의 상태에서 작동하는 코일과 포화 영역에서 작동하는 코일의 혼합을 가질 수 있으며, 후자는 필드 균일성을 보장하기 위해 조정될 수 있다.

위에서는 필드 균일성을 언급하고 있지만, 필요한 경우 자석 코일을 조정하여 다른 필드 프로파일을 달성할 수도 있다.

포화 영역은 또한 HTS 테이프의 품질을 테스트할 수 있는 편리한 방법을 제공한다. 주어진 코일 온도, 환경 및 코일 기하 구조에서 자기장은 HTS 테이프의 임계 전류에 의해 전적으로 결정되므로, HTS 테이프는 다른 온도의 포화 영역에서 실행되는 테이프의 코일에 의해 생성된 자기장을 측정하고 임계 전류 반응을 결정함으로써 테스트될 수 있다. 자기장은 코일 전체에 걸쳐 테이프의 통합된 임계 전류 밀도의 측정값을 제공하며, 추가적인 자기장 센서를 사용하여 임계 전류가 코일을 통해 어떻게 변화하는지 결정하여 HTS 테이프의 임계 표면을 얻을 수 있다(온도 및/또는 테이프 내 임계 전류의 자기장 변화에 대한 프로파일). 임계 전류가 알려지지 않은 HTS로 포화 영역에서 작동하려면 먼저 임계 전류에 대한 추정치 또는 상한을 결정하거나, 임계 전류가 수송 전류보다 낮을 가능성이 없는 매우 높은 수송 전류를 공급해야 한다. 대안적으로, 포화 영역의 온도/자기장 관계 특성이 관찰(즉, 도 4에 도시된 "롤 오버")될 때까지 코일 수송 전류를 램프-업할 수 있으며, 통합 임계 전류 및/또는 임계 표면(즉, 온도, 필드, 및 변형을 갖는 임계 전류의 변화)를 결정하도록 코일의 온도가 자체-필드 임계 온도로 상승함에 따라 측정치가 얻어질 수 있다.

포화 상태에서의 동작은 기존 영역에서의 동작과 비교해서 감쇠 가능성이 증가할 것이다. 냉각 시스템이 자석의 어느 부분에서든 저항성 재료의 전류 흐름에서 발생하는 추가 열을 상쇄할 수 없는 경우 열 폭주(thermal runaway)가 발생할 수 있다. 그러나 모든 HTS는 포화 상태에서 동작하기 때문에, 열 폭주에 동일하게 취약(즉, 열 마진이 균일)하다. 이것은 어떤 감쇠도 빠르게 전파되어 자석의 에너지가 자석의 부피 전체에 덤핑된다는 것을 의미한다. 이는 일반적으로 작동하는 HTS 자석의 감쇠보다 손상이 훨씬 적으며, 핫 스팟은 자석의 작은 부분일 뿐이며, 별도의 조치가 없는 한 자석의 저장된 모든 에너지가 그 곳으로 덤핑된다. 포화된 HTS 자석의 경우 최소 감쇠 에너지는 등가의 LTS 자석의 경우보다 훨씬 더 높아서, HTS 자석은 LTS 자석의 감쇠 동안 복원력을 갖는 동시에 HTS의 많은 이점을 가지고 동작할 수 있다. 요약하면, 감쇠(quenches)는 새로운 영역에서 일어날 가능성이 높지만, 감쇠로 인한 피해는 덜하다.

새로운 영역은 임의의 비절연 또는 부분 절연 코일에도 적용된다. 새로운 영역에서 코일의 성능은 높은 전기적 및 열적 전도율로 턴들 사이에 재료를 제공함으로써 최적화될 수 있지만, (과전류로부터 발생하는 열을 냉각하고 냉각 시스템으로 열을 전달하는 능력을 증가시키기 위해) 이러한 것들은 엄격하게 필요한 것은 아니며, 포화 상태에서 전기적 및 열적 전도율이 낮은 코일을 구동하고 코일이 감쇠되지 않도록 추가 냉각 전력을 제공하는 것도 동일하게 유효할 것이다. 이는 코일 전체에 걸쳐 온도 구배를 야기할 수 있지만, 코일의 온도 프로파일에 대해 대표적인 온도를 선택할 경우 전술한 바와 같이 온도/자기장 관계의 예측 가능성은 변경되지 않는다.

도 5는 상술한 제어 방식을 사용한 예시적인 HTS 자석 시스템을 나타낸다. 이 시스템은 이중 팬케이크 코일로 형성된 2개의 부분 절연 코일(501)로 구성되며, 각 코일은 온도 센서(502)와 자기장 센서(503)에 의해 모니터링된다. 이중 팬케이크의 측면에 냉각판(504)이 제공되어 HTS 코일의 열 전도가 양호하도록 하고, 코일을 가열하기 위해 히터(505)가 제공된다. HTS 자석 시스템은 HTS 코일로의 수송 전류를 제공하는 전력 공급기(미도시)와 온도 센서(502) 및 자기장 센서(503)로부터 입력을 수신하는 제어기(미도시)를 포함하며, 히터(505)를 사용하여 (자석을 포화 영역에서 유지하는 동안) 온도를 제어하고 PSU 전류를 조정함으로써 자석의 자기장 강도를 조절한다.

100: 테이프
501: 부분 절연 코일
502: 온도 센서
503: 자기장 센서
504: 냉각판
505: 히터

Claims

고온 초전도(HTS) 자석 시스템에 있어서,
HTS 물질로 구성된 복수의 턴들(turns) 및 전류가 저항 물질을 통해 턴들 사이에 방사형으로 공유될 수 있도록, 상기 턴들을 전기적으로 연결하는 상기 저항 물질을 포함하는 HTS 필드 코일;
상기 HTS 물질의 자체 필드 임계 온도 이하로 상기 코일을 유지하도록 구성된 적어도 하나의 극저온 냉각 시스템을 포함하며, 상기 코일의 온도를 제어하도록 구성된 온도 제어 시스템;
상기 HTS 필드 코일에 전류를 공급하도록 구성된 전력 공급기; 및
상기 전력 공급기가 모든 상기 HTS 물질의 임계 전류보다 큰 전류를 제공하게 하도록 구성된 제어기를 포함하는, HTS 자석 시스템.
제1항에 있어서,
상기 코일의 온도 및/또는 상기 코일에 의해 생성된 자기장을 측정하도록 구성된 센서를 포함하며,
상기 제어기는,
상기 코일의 자기장 강도를 결정하기 위해 상기 센서로부터의 판독 값을 모니터링하고;
상기 온도 제어 시스템이 상기 코일의 측정된 자기장 강도가 상기 코일의 원하는 자기장 강도보다 작은 상기 코일의 온도를 낮추고, 상기 코일의 측정된 자기장 강도가 상기 코일의 원하는 자기장 강도보다 큰 경우 상기 코일의 온도를 높이도록 함으로써, 상기 코일의 상기 자기장 강도를 조절하도록 추가 구성된, HTS 자석 시스템.
제2항에 있어서,
상기 온도 제어 시스템은 상기 전력 공급기를 포함하고, 상기 HTS 필드 코일에 공급되는 전류를 증가시켜 상기 HTS 필드 코일의 온도를 증가시키고 상기 HTS 필드 코일에 공급되는 전류를 감소시켜 상기 HTS 필드 코일의 온도를 감소시킴으로써, 상기 공급된 전류가 모든 상기 HTS 물질의 상기 임계 전류보다 크게 유지되도록 구성된, HTS 자석 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 온도 제어 시스템은 상기 HTS 필드 코일에 열 접촉하는 히터를 포함하는, HTS 자석 시스템.
고온 초전도(HTS) 필드 코일을 동작하는 방법에 있어서, 상기 HTS 필드 코일은, HTS 물질을 포함하는 복수의 턴들 및 전류가 저항 물질을 통해 턴들 사이에 방사형으로 공유될 수 있도록 상기 턴들을 전기적으로 연결하는 상기 저항 물질을 포함하며, 상기 방법은,
상기 HTS 필드 코일의 수송 전류가 모든 HTS 물질의 임계 전류보다 크도록 상기 HTS 필드 코일에 전류를 공급하는 단계; 및
상기 HTS 필드 코일의 상기 온도를 제어하는 단계를 포함하는, HTS 필드 코일 동작 방법.
제5항에 있어서,
상기 HTS 필드 코일의 온도 및 상기 HTS 필드 코일에 의해 생성된 자기장 중 하나를 모니터링하는 단계;
상기 모니터링의 결과로부터 상기 코일의 자기장 강도를 결정하고, 상기 측정된 자기장 강도가 상기 HTS 코일의 원하는 전계 강도보다 작은 경우 상기 코일의 온도를 감소시키고, 상기 측정된 자기장 강도가 상기 HTS 코일의 원하는 전계 강도보다 큰 경우 상기 코일의 온도를 증가시킴으로써, 상기 HTS 필드 코일의 상기 자기장 강도를 제어하는 단계를 포함하는, HTS 필드 코일 동작 방법.
제6항에 있어서,
상기 HTS 필드 코일의 상기 온도를 증가시키는 단계는,
상기 HTS 필드 코일에 열 접촉하는 히터에 공급되는 전력을 증가시키는 단계;
상기 HTS 필드 코일의 냉각 시스템에 의해 제공된 냉각을 감소시키는 단계; 및
상기 HTS 필드 코일에 제공된 상기 전류를 증가시키는 단계; 중 하나 이상을 포함하는, HTS 필드 코일 동작 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 HTS 필드 코일의 상기 온도를 감소시키는 단계는,
상기 HTS 필드 코일에 열 접촉하는 히터에 제공되는 전력을 감소시키는 단계;
상기 HTS 필드 코일의 냉각 시스템에 의해 제공된 냉각을 감소시키는 단계; 및
상기 전류가 모든 상기 HTS 물질에서 상기 HTS 물질의 상기 임계 전류보다 크게 유지되도록, 상기 HTS 필드 코일에 제공된 상기 전류를 감소시키는 단계; 중 하나 이상을 포함하는, HTS 필드 코일 동작 방법.
HTS 자석 시스템에 있어서,
턴들 사이의 전류를 방사적으로 공유할 수 있도록 충분한 전기 전도성을 갖는 저항 물질에 의해 분리된 HTS 물질의 복수의 턴들을 포함하는 HTS 필드 코일;
상기 HTS 필드 코일의 온도를 상기 HTS 물질의 자체 필드 임계 온도 이하로 유지하도록 구성된 냉각 시스템을 포함하는 온도 제어 시스템;
상기 HTS 필드 코일에 전류를 공급하도록 구성된 전력 공급기; 및
제어기를 포함하며, 상기 제어기는,
상기 전원 공급 장치가 상기 코일의 상기 HTS 물질을 포화시키도록 충분히 높은 전류를 공급하여 모든 상기 HTS 물질이 임계 전류에서 동작하도록 하며,
상기 전력 공급기에 의해 공급된 상기 전류를 증가시킴으로써 상기 HTS 필드 코일에 의해 생성된 상기 자기장을 감소, 및 상기 전력 공급기에 의해 공급된 상기 전류를 감소시킴으로써 상기 HTS 필드 코일에 의해 생성된 상기 자기장을 증가시키도록 구성된, HTS 자석 시스템.
고온 초전도(HTS) 자석 시스템에 있어서,
복수의 HTS 필드 코일들을 포함하며, 각각의 HTS 필드 코일은,
HTS 물질로 구성된 복수의 턴들(turns);
전류가 저항 물질을 통해 턴들 사이에 방사형으로 공유될 수 있도록, 상기 턴들을 전기적으로 연결하는 상기 저항 물질;을 포함하는, 복수의 HTS 필드 코일들;
상기 HTS 물질의 자체 필드 임계 온도 이하로 각각의 코일을 유지하도록 구성된 적어도 하나의 극저온 냉각 시스템을 포함하며, 각각의 코일의 온도를 제어하도록 구성된 온도 제어 시스템;
상기 HTS 필드 코일에 전류를 공급하도록 구성된 전력 공급기;
제어기를 포함하며, 상기 제어기는,
상기 전력 공급기가 각각의 필드 코일에 상기 HTS 필드 코일의 모든 상기 HTS 물질의 임계 전류보다 큰 전류를 제공하게 하며;
상기 온도 제어 시스템이 각각의 HTS 코일의 온도를 조정하여 상기 자기장에 대한 각각의 HTS 코일의 기여도를 조정하게 하도록 구성된, HTS 자석 시스템.
제10항에 있어서,
상기 복수의 HTS 필드 코일들에 의해 생성된 자기장을 측정하도록 구성된 자기장 센서 어레이를 포함하며, 상기 제어기는,
상기 측정된 자기장으로부터 상기 HTS 자석 시스템의 자기장 프로파일을 결정하고,
상기 온도 제어 시스템이 원하는 자기장 프로파일을 달성하기 위해 각각의 HTS 코일의 온도를 조정하게 하도록 추가 구성된, HTS 자석 시스템.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 전력 공급기는 각각의 HTS 필드 코일에 동일한 전류를 공급하도록 구성되며, 상기 제어기는 상기 전력 공급 전류를 조정함으로써 모든 상기 HTS 필드 코일들의 모든 상기 HTS 물질의 임계 전류보다 큰 전류로 유지하면서 모든 상기 코일들의 온도를 조정하도록 구성된, HTS 자석 시스템.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 온도 제어 시스템은 각각의 HTS 필드 코일에 대한 히터를 포함하며, 상기 온도 제어 시스템은 각 히터에 의해 각각의 코일에 제공되는 열을 제어함으로써 각각의 상기 HTS 필드 코일의 온도를 개별적으로 조정하도록 구성된, HTS 자석 시스템.
고온 초전도(HTS) 자석 시스템을 동작하는 방법에 있어서,
상기 HTS 자석 시스템은 복수의 HTS 필드 코일들을 포함하며, 각각의 HTS 필드 코일은 HTS 물질을 포함하는 복수의 턴들 및 전류가 저항 물질을 통해 턴들 사이에 방사형으로 공유될 수 있도록, 상기 턴들을 전기적으로 연결하는 상기 저항 물질을 포함하고, 상기 방법은,
상기 HTS 필드 코일의 수송 전류가 모든 상기 HTS 물질의 임계 전류보다 크도록 각각의 상기 HTS 필드 코일에 전류를 공급하는 단계; 및
각각의 상기 HTS 필드 코일의 온도를 제어함으로써 상기 HTS 자석 시스템을 제어하는 단계를 포함하는, HTS 자석 시스템 동작 방법.
제14항에 있어서,
상기 HTS 자석 시스템에 의해 생성된 자기장을 모니터링하는 단계;
원하는 자기장 프로파일을 달성하기 위해 각각의 HTS 필드 코일의 온도를 조정하는 단계를 포함하는, HTS 자석 시스템 동작 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
동일 전류가 모든 상기 HTS 필드 코일들에 공급되며, 각각의 상기 HTS 필드 코일의 온도를 제어하는 단계는 공급된 전류를 제어함으로써 모든 상기 HTS 필드 코일들의 온도를 조정하는 단계를 포함하는, HTS 자석 시스템 동작 방법.
제14항 내지 제16항에 있어서,
각각의 상기 HTS 필드 코일의 온도를 제어하는 단계는 각각의 HTS 필드 코일에 열 접촉하는 각각의 히터에 공급되는 전력을 제어하는 단계를 포함하는, HTS 자석 시스템 동작 방법.
고온 초전도(HTS) 도전체의 임계 표면을 결정하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
상기 HTS 도전체를,
상기 HTS 도전체로 구성된 복수의 턴들(turns);
전류가 저항 물질을 통해 턴들 사이에 방사형으로 공유될 수 있도록, 상기 턴들을 전기적으로 연결하는 상기 저항 물질;을 포함하는 HTS 필드 코일로 형성하는 단계;
모든 상기 HTS 도전체의 임계 전류보다 큰 수송 전류로 상기 HTS 필드 코일을 동작하는 단계;
상기 HTS 필드 코일 상의 하나 이상의 지점의 온도를 측정하는 단계;
상기 필드 코일에 의해 생성된 자기장을 측정하는 단계;
측정치로부터 상기 HTS 도전체의 임계 표면을 결정하는 단계를 포함하는, HTS 도전체의 임계 표면 결정 방법.
제18항에 있어서,
상기 HTS 필드 코일의 샘플의 상기 임계 전류를 결정하는 단계, 및 상기 결정된 임계 전류를 상기 수송 전류를 설정하는 데 사용하는 단계를 포함하는, HTS 도전체의 임계 표면 결정 방법.
제18항 또는 제19항에 있어서,
상기 수송 전류는 HTS 테이프의 예상되는 최대 임계 전류보다 큰 값으로 설정되는, HTS 도전체의 임계 표면 결정 방법.
제18항 또는 제19항에 있어서,
상기 측정된 온도와 자기장 강도 사이의 단조로운(monotonic) 관계가 관측된 때까지 상기 수송 전류가 증가하며, 상기 지점에서 상기 수송 전류가 모든 상기 HTS 테이프의 상기 임계 전류보다 큰 전류로 결정되는, HTS 도전체의 임계 표면 결정 방법.