RU2799587C2 - Quick reset of a partially insulated superconducting magnet - Google Patents

Quick reset of a partially insulated superconducting magnet Download PDF

Info

Publication number
RU2799587C2
RU2799587C2 RU2021117959A RU2021117959A RU2799587C2 RU 2799587 C2 RU2799587 C2 RU 2799587C2 RU 2021117959 A RU2021117959 A RU 2021117959A RU 2021117959 A RU2021117959 A RU 2021117959A RU 2799587 C2 RU2799587 C2 RU 2799587C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hts
current
excitation coil
coil
htsc
Prior art date
Application number
RU2021117959A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021117959A (en
Inventor
Роберт СЛЭЙД
Бас Ван Нюгтерен
Original Assignee
Токемек Энерджи Лтд
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Токемек Энерджи Лтд filed Critical Токемек Энерджи Лтд
Publication of RU2021117959A publication Critical patent/RU2021117959A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2799587C2 publication Critical patent/RU2799587C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: high-temperature superconductors.
SUBSTANCE: invention relates to a magnetic system using high-temperature superconductors (HTS). The system contains an HTS excitation coil and a power source. The HTS excitation coil comprises a plurality of turns containing the HTS material and a metal stabilizer, as well as an electrically conductive layer separating the turns so that current can be distributed between the turns through the conductive layer. The power source is configured to supply the first current to the HTS excitation coil during loading of the HTS excitation coil and to supply the second current to the HTS excitation coil, opposite in direction to the first current, during unloading of the HTS excitation coil.
EFFECT: optimization of control of a magnetic system with a high-temperature superconductor with the possibility of controlled unloading of HTS magnets.
21 cl, 14 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к магнитам с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), ВТСП-магнитам. В частности, изобретение относится к способу разгружения ВТСП-магнитов, например, в ответ на обнаружение нарушения сверхпроводимости, и устройству, реализующему этот способ.The present invention relates to high temperature superconductor (HTSC) magnets, HTS magnets. In particular, the invention relates to a method for unloading HTS magnets, for example, in response to the detection of a violation of superconductivity, and a device that implements this method.

Предпосылки изобретенияBackground of the invention

Сверхпроводящие материалы типично делятся на «высокотемпературные сверхпроводники» (ВТСП) и «низкотемпературные сверхпроводники» (НТСП). НТСП-материалы, такие как Nb и NbTi, являются металлами или металлическими сплавами, сверхпроводимость которых может быть описана теорией БКШ (Бардина-Купера-Шриффера). Все низкотемпературные сверхпроводники имеют критическую температуру (температуру, выше которой материал не может быть сверхпроводящим даже в нулевом магнитном поле) ниже примерно 30 К. Поведение ВТСП-материала не описывается теорией БКШ, и такие материалы могут иметь критические температуры выше примерно 30 К (хотя следует отметить, что именно физические различия в работе и составе сверхпроводников, а не критическая температура, определяют ВТСП- и НТСП-материал). Наиболее часто используемыми ВТСП являются «купратные сверхпроводники» - керамика на основе купратов (соединений, содержащих группу оксида меди), таких как BSCCO или ReBCO (где Re - редкоземельный элемент, обычно Y или Gd). Другие ВТСП-материалы включают пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборат магния (MgB2).Superconducting materials are typically divided into "high temperature superconductors" (HTSC) and "low temperature superconductors" (LTSC). LTSC materials such as Nb and NbTi are metals or metal alloys whose superconductivity can be described by the BCS (Bardin-Cooper-Schrieffer) theory. All low-temperature superconductors have a critical temperature (the temperature above which a material cannot be superconductive even in zero magnetic field) below about 30 K. The behavior of an HTS material is not described by BCS theory, and such materials may have critical temperatures above about 30 K (although it should be It should be noted that it is the physical differences in the work and composition of superconductors, and not the critical temperature, that determine the HTSC and LTSC materials). The most commonly used HTSCs are "cuprate superconductors" - ceramics based on cuprates (compounds containing a copper oxide group) such as BSCCO or ReBCO (where Re is a rare earth element, usually Y or Gd). Other HTS materials include iron pnictides (eg FeAs and FeSe) and magnesium diborate (MgB 2 ).

ReBCO типично производят в виде лент со структурой, показанной на фиг. 1. Такая лента 100 обычно имеет толщину приблизительно 100 микрон и включает в себя подложку 101 (типично электрополированный сплав Хастелой толщиной приблизительно 50 микрон), на который нанесена методом ионно-лучевого осаждения (IBAD), магнетронного распыления или другого подходящего метода последовательность буферных слоев, известных как буферный пакет 102, приблизительной толщиной 0,2 микрона. Эпитаксиальный слой 103 ВТСП-ReBCO (нанесенный методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) или другим подходящим методом) покрывает этот буферный пакет и типично имеет толщину 1 микрон. На слой ВТСП методом распыления или другим подходящим методом нанесен 1-2-микронный слой 104 серебра, и на ленту гальваническим методом или другим подходящим методом нанесен стабилизирующий слой 105 меди (медного стабилизатора), который часто полностью инкапсулирует ленту.ReBCOs are typically produced as tapes with the structure shown in FIG. 1. Such a tape 100 is typically about 100 microns thick and includes a substrate 101 (typically an electropolished Hastelloy about 50 microns thick) on which is deposited by ion beam deposition (IBAD), magnetron sputtering, or other suitable technique, a sequence of buffer layers, known as buffer pack 102, with an approximate thickness of 0.2 microns. An HTS-ReBCO epitaxial layer 103 (deposited by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or other suitable method) covers this buffer package and is typically 1 micron thick. A 1-2 micron layer 104 of silver is deposited on the HTS layer by sputtering or other suitable method, and a stabilizing layer 105 of copper (copper stabilizer) is applied to the tape by electroplating or other suitable method, which often completely encapsulates the tape.

Подложка 101 обеспечивает механическую основу, которая может подаваться по производственной линии и позволяет выращивать последующие слои. Буферный пакет 102 требуется для обеспечения биаксиально текстурированного кристаллического шаблона, на котором будет расти слой ВТСП, и предотвращает химическую диффузию элементов из подложки в ВТСП, что нарушает его сверхпроводящие свойства. Слой 104 серебра требуется для обеспечения перехода с низким сопротивлением от ReBCO к стабилизирующему слою, а стабилизирующий слой 105 обеспечивает альтернативный путь тока в случае, когда какая-либо часть ReBCO перестает быть сверхпроводящей (переходит в «нормальное» состояние).The substrate 101 provides a mechanical support that can be fed down the production line and allows subsequent layers to be grown. The buffer package 102 is required to provide a biaxially textured crystal template on which the HTS layer will grow, and to prevent chemical diffusion of elements from the substrate into the HTS, which destroys its superconducting properties. The silver layer 104 is required to provide a low resistance transition from the ReBCO to the stabilization layer, and the stabilization layer 105 provides an alternate current path in the event that any part of the ReBCO ceases to be superconductive (goes to the "normal" state).

Кроме того, может быть изготовлена «отслоенная» ВТСП-лента, которая не имеет подложки и буферного пакета, а вместо этого имеет слои серебра на обеих сторонах слоя ВТСП. Лента, которая имеет подложку, будет называться ВТСП-лентой «с подложкой».In addition, "delaminated" HTS tape can be made which does not have a backing and buffer package, but instead has silver layers on both sides of the HTS layer. A tape that has a backing will be referred to as "backed" HTS tape.

ВТСП-ленты могут быть скомпонованы в ВТСП-кабели. ВТСП-кабель содержит одну или более ВТСП-лент, которые соединены по своей длине через (электро)проводящий материал (обычно медь). ВТСП-ленты могут быть уложены стопкой (т.е. скомпонованы так, что слои ВТСП являются параллельными), или они могут иметь некоторую другую компоновку лент, которая может изменяться по длине кабеля. Примечательными особыми случаями ВТСП-кабелей являются одиночные ВТСП-ленты и ВТСП-пары. ВТСП-пары содержат пару ВТСП-лент, размещенных так, что слои ВТСП являются параллельными. Когда используется лента с подложкой, ВТСП-пары могут быть типа 0 (со слоями ВТСП, обращенными друг к другу), типа 1 (со слоем ВТСП одной ленты, обращенным к подложке другой) или типа 2 (с подложками, обращенными друг к другу). Кабели, содержащие более 2 лент, могут размещать некоторые или все ленты в ВТСП-парах. Уложенные стопкой ВТСП-ленты могут содержать различные компоновки ВТСП-пар, чаще всего либо пакет пар типа 1, либо пакет пар типа 0 и (или, эквивалентно, пар типа 2). ВТСП-кабели могут содержать смесь лент с подложкой и отслоенных лент.HTS tapes may be bundled into HTS cables. An HTS cable comprises one or more HTS tapes that are connected along their length through an (electro)conductive material (usually copper). The HTS tapes may be stacked (ie, stacked so that the HTS layers are parallel), or they may have some other tape arrangement that may vary along the length of the cable. Notable special cases of HTS cables are single HTS tapes and HTS pairs. HTS pairs comprise a pair of HTS tapes arranged so that the HTS layers are parallel. When tape with a substrate is used, HTS pairs can be type 0 (with the HTS layers facing each other), type 1 (with the HTS layer of one tape facing the substrate of the other), or type 2 (with the HTS layers facing each other) . Cables containing more than 2 tapes may place some or all of the tapes in HTS pairs. Stacked HTS tapes may comprise various arrangements of HTS pairs, most commonly either a stack of Type 1 pairs or a stack of Type 0 and (or equivalently, Type 2) pairs. HTS cables may contain a mixture of backed tapes and peeled tapes.

Вообще говоря, существуют два типа построения магнитных катушек - путем намотки или путем сборки нескольких секций. Намотанные катушки, как показано на фиг. 2, изготавливают путем обматывания ВТСП-кабеля 201 вокруг каркаса 202 в непрерывную спираль. Каркас имеет форму, обеспечивающую требуемый внутренний периметр катушки, и может быть конструктивной деталью конечной намотанной катушки или может быть удален после намотки. Секционные катушки, как показано схематично на фиг. 3, состоят из нескольких секций 301, каждая из которых может содержать несколько кабелей или предварительно формованных шин 311 и будет образовывать дугу общей катушки. Секции соединяют соединениями 302, образуя законченную катушку. В то время как витки катушек на фиг. 2 и 3 показаны разнесенными для ясности, обычно имеется материал, соединяющий витки катушки, например, они могут быть объединены путем заливки эпоксидной смолой.Generally speaking, there are two types of construction of magnetic coils - by winding or by assembling several sections. Wound coils, as shown in Fig. 2 is made by winding the HTS cable 201 around the frame 202 in a continuous helix. The frame is shaped to provide the required inner perimeter of the coil and may be a structural part of the final wound coil or may be removed after winding. Sectional coils, as shown schematically in FIG. 3 are composed of several sections 301, each of which may contain several cables or preformed busbars 311 and will form an arc of a common coil. The sections are joined by connections 302 to form a complete coil. While the turns of the coils in FIG. 2 and 3 are shown spaced apart for clarity, there is usually material connecting the turns of the coil, for example, they can be combined by pouring epoxy.

Фиг. 4 показывает разрез намотанной катушки конкретного типа, известного как «дисковая катушка» (или «галетная» катушка), где ВТСП-кабели 401 наматывают, формируя плоскую катушку, способом, аналогичным бобине ленты. Дисковые катушки могут быть выполнены с внутренним периметром, который имеет любую двухмерную форму. Часто дисковые катушки обеспечивают в виде «двойной дисковой катушки», как показано в разрезе по фиг. 5, которая содержит две дисковые катушки 501, 502, намотанные в противоположном направлении, с изоляцией 503 между дисковыми катушками и с соединенными вместе внутренними выводами 504. Это означает, что для возбуждения тока через витки катушки и создания магнитного поля напряжение должно подаваться только на внешние выводы 521, 522, которые обычно более доступны.Fig. 4 shows a section through a particular type of wound coil, known as a "disk coil" (or "biscuit" coil), where the HTS cables 401 are wound to form a flat coil in a manner similar to a tape spool. Disc coils can be made with an inner perimeter that has any two-dimensional shape. Often the disc coils are provided as a "double disc coil", as shown in the sectional view of FIG. 5, which contains two disc coils 501, 502 wound in opposite directions, with insulation 503 between the disc coils and with inner terminals 504 connected together. conclusions 521, 522, which are usually more accessible.

Катушки могут быть «изолированными» - имеющими электроизолирующий материал между витками катушки, или «неизолированными», когда витки катушки электрически соединены радиально, а также вдоль кабелей (например, путем соединения стабилизирующих слоев меди кабелей путем пайки или за счет непосредственного контакта). Также возможны «частично изолированные» катушки, где межвитковое сопротивление меньше сопротивления традиционного изолятора, такого как керамический или органический изолятор, но больше сопротивления между лентами в кабеле катушки, например, в 100-1015 раз больше сопротивления между лентами в кабеле. Отсутствие изоляции или частичная изоляция между витками замедляет скорость, с которой повышается температура локальной «горячей точки» (нормальной зоны), поскольку это позволяет току распределяться между витками.Coils can be "insulated" - having an electrically insulating material between the turns of the coil, or "non-insulated", when the turns of the coil are electrically connected radially, as well as along the cables (for example, by connecting the copper stabilizing layers of the cables by soldering or by direct contact). "Partially insulated" coils are also possible, where the turn-to-turn resistance is less than that of a traditional insulator such as a ceramic or organic insulator, but greater than the resistance between the ribbons in the coil cable, for example 100-1015 times the resistance between the ribbons in the cable. Lack of insulation, or partial insulation between turns, slows down the rate at which the temperature of a local "hot spot" (normal zone) rises, as this allows current to be shared between the turns.

Неизолированная ВТСП-катушка может быть смоделирована как имеющая три пути тока - два спиральных пути, которые следуют по ВТСП-лентам (один в ВТСП и один в металлическом стабилизаторе), и радиальный путь сквозь металл (и любой другой резистивный материал), соединяющий неизолированные или частично изолированные витки ВТСП-кабеля между выводами катушки (хотя это может быть смоделировано как единственный путь, в действительности он представляет сумму всех радиальных резистивных путей через магнит). Только ток, протекающий по спиральным путям, создает значительное осевое магнитное поле в центре катушки. Спиральный путь ВТСП может быть смоделирован в виде индукционной катушки, имеющей большую индуктивность и нулевое или пренебрежимо малое сопротивление, когда вся лента является сверхпроводящей. Спиральный путь медного стабилизатора находится параллельно пути ВТСП и имеет ту же самую индуктивность, но значительное сопротивление. По этой причине по нему протекает пренебрежимо малый ток, если только в частях спирального пути ВТСП не начинается нарушение сверхпроводимости. Если это случается, чрезмерный ток выше критического тока Ic спирального пути ВТСП распределяется между спиральным путем стабилизатора и радиальным путем согласно их относительным сопротивлениям и постоянным времени L/R. Радиальный путь тока может быть смоделирован как имеющий пренебрежимо малую индуктивность и гораздо большее сопротивление, чем спиральный путь, в то время как ВТСП является сверхпроводящим на всем протяжении.A bare HTS coil can be modeled as having three current paths - two helical paths that follow the HTS tapes (one in the HTS and one in a metal stabilizer) and a radial path through the metal (and any other resistive material) connecting bare or partially insulated turns of HTS cable between coil terminals (although this may be modeled as a single path, it actually represents the sum of all radial resistive paths through the magnet). Only the current flowing through the helical paths creates a significant axial magnetic field at the center of the coil. The spiral path of an HTS can be modeled as an induction coil having a large inductance and zero or negligible resistance when the entire tape is superconducting. The helical path of the copper stabilizer is parallel to the HTS path and has the same inductance but significant resistance. For this reason, a negligible current flows through it, unless superconductivity begins to break in parts of the HTSC spiral path. If this happens, the excessive current above the critical current Ic of the HTS spiral path is distributed between the stabilizer spiral path and the radial path according to their relative resistances and time constants L/R. The radial current path can be modeled as having negligible inductance and much more resistance than the helical path, while the HTS is superconducting throughout.

Одно потенциальное применение ВТСП-катушек возбуждения существует в плазменных камерах токамака, в частности, для термоядерных реакторов. В WO 2013/030554 описан подход, включающий применение компактного сферического токамака для использования в качестве источника нейтронов или источника энергии. Форма плазмы с небольшим аспектным отношением в сферическом токамаке улучшает время удержания частиц и обеспечивает генерацию полезной эффективной мощности в гораздо меньшей установке. Однако необходима центральная колонна небольшого диаметра, что представляет проблемы для проектирования магнита удержания плазмы. Катушки возбуждения с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП) являются перспективной технологией для таких магнитов.One potential application of HTS excitation coils exists in tokamak plasma chambers, in particular for fusion reactors. WO 2013/030554 describes an approach involving the use of a compact spherical tokamak for use as a neutron source or energy source. The shape of the plasma with a small aspect ratio in a spherical tokamak improves the particle confinement time and provides usable effective power generation in a much smaller setup. However, a small diameter central column is required, which presents problems for the design of the plasma confinement magnet. High temperature superconductor (HTSC) excitation coils are a promising technology for such magnets.

Другое потенциальное применение ВТСП-катушек возбуждения состоит в устройствах протонно-лучевой терапии. Протонно-лучевая терапия (ПЛТ), также известная как протонная терапия) является разновидностью лучевой терапии заряженными частицами, используемой при лечении злокачественных опухолей (и других состояний, которые реагируют на радиотерапию). В ПЛТ к месту лечения (например, опухоли) направляется пучок протонов.Another potential application of HTS excitation coils is in proton beam therapy devices. Proton Beam Therapy (PBT), also known as proton therapy) is a form of charged particle radiation therapy used in the treatment of cancer (and other conditions that respond to radiation therapy). In PBT, a beam of protons is sent to the site of treatment (for example, a tumor).

Другой, аналогичной терапией является терапия с захватом протонов бором (PBCT), в которой бор-11 вводится в целевое место, а пучок протонов используется для инициирования реакции p + 11B → 3α. Одно и то же устройство может быть использовано для подачи пучков протонов либо для ПЛТ, либо для PBCT.Another, similar therapy is boron proton capture therapy (PBCT), in which boron-11 is injected at the target site and a proton beam is used to initiate the p + 11 B → 3α reaction. The same device can be used to deliver proton beams for either PBT or PBCT.

Пучки протонов для ПЛТ и PBCT создают ускорителями частиц, такими как циклотроны или линейные ускорители. Ускорители, типично используемые для ПЛТ и PBCT, типично производят протоны с энергиями в диапазоне 60-250 МэВ, при этом наиболее мощная действующая в настоящее время установка имеет максимальную энергию 400 МэВ.Proton beams for PBT and PBCT are created by particle accelerators such as cyclotrons or linear accelerators. Accelerators typically used for PBT and PBCT typically produce protons with energies in the 60-250 MeV range, with the most powerful facility currently in operation having a maximum energy of 400 MeV.

Существует, вообще говоря, два типа конструкции для устройств ПЛТ, которые обеспечивают возможность изменения угла пучка. В первом типе конструкции, которая проиллюстрирована на фиг. 6, ускоритель 3001 установлен на гентри 3002, которая обеспечивает возможность его вращения вокруг пациента 3003 (обычно вокруг горизонтальной оси). Пациент помещен на подвижное ложе 3004, которое обеспечивает дополнительные степени свободы (например, поступательное движение и вращение вокруг вертикальной оси).There are, generally speaking, two types of designs for PMT devices that provide the ability to change the beam angle. In the first type of construction, which is illustrated in FIG. 6, the accelerator 3001 is mounted on a gantry 3002 which allows it to rotate around the patient 3003 (typically around a horizontal axis). The patient is placed on a movable bed 3004, which provides additional degrees of freedom (for example, translational movement and rotation around a vertical axis).

Второй тип конструкции проиллюстрирован на фиг. 7. Ускоритель 4001 является неподвижным, и луч направляется на пациента посредством управляющих магнитов 4002 (обычно включающих и четырехполюсные, и двухполюсные магниты), по меньшей мере некоторые из которых расположены на гентри 4003, так что луч может вращаться вокруг пациента 4004 (например, вокруг горизонтальной оси). Пациент помещен на подвижное ложе 4005.The second type of construction is illustrated in Fig. 7. The accelerator 4001 is stationary and the beam is directed towards the patient by means of steering magnets 4002 (typically including both four-pole and two-pole magnets), at least some of which are located on the gantry 4003 so that the beam can rotate around the patient 4004 (for example, around horizontal axis). The patient is placed on the movable bed 4005.

Любая конструкция требует, чтобы гентри удерживала электромагниты, способные управлять движением протонов с энергией луча, которая может быть вплоть до 400 МэВ. Это требует очень сильных магнитных полей, и, по сути, применение ВТСП-катушек возбуждения может в значительной степени уменьшать массу и размер электромагнитов и гентри, необходимой для их перемещения. ВТСП-катушки возбуждения могут быть использованы в ускорителе, четырехполюсных магнитах для управляющих магнитов или двухполюсных магнитах для управляющих магнитов.Either design requires the gantry to hold electromagnets capable of driving protons with beam energy that can be up to 400 MeV. This requires very strong magnetic fields and, in fact, the use of HTS field coils can greatly reduce the mass and size of the electromagnets and gantry needed to move them. HTS excitation coils can be used in the accelerator, four-pole magnets for control magnets or two-pole magnets for control magnets.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Изобретение охарактеризовано в прилагаемой формуле изобретения.The invention is characterized in the appended claims.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1 - это схематичное представление ВТСП-ленты;Fig. 1 is a schematic representation of an HTS tape;

Фиг. 2 - это схематичное представление намотанной ВТСП-катушки;Fig. 2 is a schematic representation of a wound HTS coil;

Фиг. 3 - это схематичное представление секционной ВТСП-катушки;Fig. 3 is a schematic representation of a sectioned HTS coil;

Фиг. 4 - это разрез дисковой катушки;Fig. 4 is a section of a disk coil;

Фиг. 5 - это разрез двойной дисковой катушки;Fig. 5 is a section of a double disk coil;

Фиг. 6 - это схематичное представление первого устройства ПЛТ;Fig. 6 is a schematic representation of a first PMT device;

Фиг. 7 - это схематичное представление второго устройства ПЛТ;Fig. 7 is a schematic representation of a second PMT device;

Фиг. 8 показывает результаты моделирования частично изолированной катушки;Fig. 8 shows the simulation results of a partially insulated coil;

Фиг. 9 показывает результаты моделирования примерной магнитной системы;Fig. 9 shows simulation results of an exemplary magnetic system;

Фиг. 10 показывает графики магнитного поля и температуры для катушки после простого выключения источника питания; Fig. 10 shows graphs of the magnetic field and temperature for the coil after simply turning off the power supply;

Фиг. 11 показывает напряжения для катушки во время того же процесса, который показан на фиг. 10;Fig. 11 shows the voltages for the coil during the same process as shown in FIG. 10;

Фиг. 12A и B показывают пример пропускающей (допускающей утечку) изоляции;Fig. 12A and B show an example of leaky insulation;

Фиг. 13A и B показывают дополнительный пример допускающей утечку изоляции;Fig. 13A and B show a further example of leaky insulation;

Фиг. 14 показывает схему, эквивалентную двухвитковой катушке.Fig. 14 shows a circuit equivalent to a two-turn coil.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Фиг. 8 показывает ток, напряжение и мощность в неизолированной катушке во время нагружения и установившемся режиме работы. Во время нагружения неизолированной катушки ток будет первоначально протекать главным образом по радиальному пути (период A на фиг. 8) и затем стабилизироваться. Величина тока, протекающего по радиальному пути, выше для более быстрых скоростей нагружения (поскольку выше напряжение, развиваемое по спиральному пути, L.dI/dt, это – период B). В конце нагружения dI/dt падает до нуля, и ток будет переходить на спиральный путь ВТСП с постоянной времени L/R (период C). Ток будет, по большей части, переноситься на спиральный путь с несколькими (приблизительно пятью) постоянными времени L/R после окончания нагружения. По сути, постоянная времени должна быть выбрана так, чтобы приводить в результате к разумному времени нагружения, например, постоянная времени 5-10 часов будет приемлемой для TF-катушки (катушки тороидального поля) токамака (давая время нагружения около 1-2 дней).Fig. 8 shows the current, voltage and power in an uninsulated coil during loading and steady state operation. During loading of a bare coil, the current will initially flow in a predominantly radial path (period A in Fig. 8) and then stabilize. The amount of current flowing in the radial path is higher for faster loading rates (since the voltage developed in the helical path, L.dI/dt, is higher, this is the period B). At the end of loading, dI/dt drops to zero and the current will transfer to the helical path of the HTS with time constant L/R (period C). The current will, for the most part, be transferred to a helical path with several (approximately five) L/R time constants after the end of loading. As such, the time constant must be chosen to result in a reasonable loading time, for example a time constant of 5-10 hours would be acceptable for a tokamak TF coil (giving a loading time of about 1-2 days).

В большом магните, чтобы избежать повреждения от нарушения сверхпроводимости (либо в изолированной, либо в неизолированной катушке), также может быть реализована активная схема защиты от нарушения сверхпроводимости. В этой схеме накопленная энергия магнита может быть сброшена в некоторый компонент, отличный от области нарушения сверхпроводимости магнита, прежде, чем в области нарушения сверхпроводимости может происходить достаточный рост температуры, вызывающий повреждение. Такой другой компонент может быть внешним сопротивлением или отдельным участком магнита, в котором нарушается сверхпроводимость на большей части холодной массы магнита (тем самым распределяя накопленную энергию магнита по большому объему и снижая общий рост температуры). Однако активный подход требует, чтобы время между возникновением нормальной зоны (также называемой «горячей точкой») и запуском разгружения («сброса») тока магнита было достаточно коротким, чтобы конечная температура горячей точки была меньше температуры, при которой может возникать повреждение катушки, например, около 200 К. Такой подход может также быть использован в небольших магнитах, обеспечивая дополнительную защиту от нарушений сверхпроводимости.In a large magnet, in order to avoid damage from superconductivity disruption (either in an insulated or non-insulated coil), an active superconductivity protection circuit can also be implemented. In this arrangement, the accumulated energy of the magnet can be dumped into some component other than the magnet's superconductivity failure region before sufficient temperature rise can occur in the superconductivity failure region to cause damage. Such other component may be an external resistance or a separate section of the magnet in which superconductivity is broken over most of the magnet's cold mass (thereby distributing the stored energy of the magnet over a large volume and reducing the overall temperature rise). However, the proactive approach requires that the time between the occurrence of a normal zone (also called a "hot spot") and the start of unloading ("reset") the current of the magnet be short enough that the final temperature of the hot spot is less than the temperature at which damage to the coil can occur, for example , about 200 K. This approach can also be used in small magnets, providing additional protection against superconductivity violations.

Вышеприведенное, а также обсуждение подходящих конструкций, обеспечивающих желаемую постоянную времени, обсуждается более подробно в находящейся одновременно на рассмотрении заявке GB1818817.7.The above, as well as a discussion of suitable designs to achieve the desired time constant, are discussed in more detail in co-pending GB1818817.7.

Хотя использование PI-катушек (частично изолированных катушек) продлевает время, доступное для сброса тока магнита, все еще важно, чтобы эта операция выполнялась как можно быстрее после обнаружения горячей точки. Было относительно небольшое обсуждение методов сброса тока для PI-катушек, поскольку в литературе PI-катушки, как правило, используются только для более мелких катушек, в которых суммарная энергия катушки является относительно низкой, и нарушение сверхпроводимости будет иметь тенденцию распространяться по всей катушке относительно быстро, означая, что сброс энергии рассеивается через катушку. Кроме того, PI-катушки являются по своей природе устойчивыми по сравнению с изолированными катушками и поэтому могут часто работать без защиты от нарушения сверхпроводимости, поскольку риск является низким. Однако, в больших катушках со значительной накопленной энергией, катушках с геометрией, позволяющей горячей точке охватывать все витки только в относительно небольшой части обмотки катушки, и/или катушках, предназначенных для долговременной работы в неблагоприятных средах (например, в катушках возбуждения поля для термоядерного реактора), важна активная защита от нарушения сверхпроводимости.Although the use of PI coils (partially insulated coils) extends the time available to reset the magnet current, it is still important that this operation be done as quickly as possible after a hot spot is detected. There has been relatively little discussion of current shedding methods for PI coils, as in the literature PI coils are generally only used for smaller coils where the total coil energy is relatively low and superconductivity disturbance will tend to propagate throughout the coil relatively quickly. , meaning that the energy dump is dissipated through the coil. In addition, PI coils are inherently robust compared to insulated coils, and therefore can often be operated without protection from superconductivity disturbance because the risk is low. However, in large coils with significant stored energy, coils with a geometry that allows the hot spot to cover all turns in only a relatively small portion of the coil winding, and/or coils designed for long-term operation in harsh environments (for example, field excitation coils for a fusion reactor ), active protection against violation of superconductivity is important.

Использование PI-катушек обеспечивает дополнительные преимущества при сбросе энергии из магнита. Фиг. 10 показывает графики магнитного поля (пропорционального току спирального пути) и температуры для катушки после простого отключения источника питания (т.е. делающего его разомкнутой цепью). В течение периода A источник питания включен (показано током 1001). В начале периода B источник питания выключается, вынуждая индуктивность катушки генерировать напряжение, которое продолжает возбуждать ток в каждом витке в замкнутом контуре, закорачиваясь обратно на начало витка через межвитковое сопротивление. Это вызывает омический нагрев, который уменьшает критический ток в ВТСП. Этот процесс продолжается в течение периода B (типично несколько секунд, в зависимости от многих факторов, в этом эксперименте – 14 секунд) до тех пор, пока в ВТСП в витке не нарушится сверхпроводимость и не создастся достаточное напряжение, чтобы выпускать ток своего контура в металлический стабилизатор по спиральному пути (период C). Поскольку он имеет гораздо более высокое сопротивление, чем межвитковое сопротивление, энергия магнитного поля витка быстро преобразуется в тепло в стабилизаторе, и температура витка растет равномерно по мере того, как ток спирального пути быстро падает до 0 (<1c).The use of PI coils provides additional benefits in releasing energy from the magnet. Fig. 10 shows graphs of the magnetic field (proportional to the spiral path current) and temperature for the coil after simply disconnecting the power supply (i.e. making it an open circuit). During period A, the power supply is on (shown by current 1001). At the beginning of period B, the power supply is turned off, forcing the inductance of the coil to generate a voltage that continues to drive current in each turn in the closed loop, shorting back to the beginning of the turn through the turn-to-turn resistance. This causes ohmic heating, which reduces the critical current in the HTS. This process continues for a period B (typically a few seconds, depending on many factors, 14 seconds in this experiment) until superconductivity is broken in the HTS turn and enough voltage is created to release the current of its circuit into the metal spiral path stabilizer (period C). Because it has a much higher resistance than the turn-to-turn resistance, the coil's magnetic field energy is rapidly converted to heat in the stabilizer, and the coil's temperature rises evenly as the spiral path current rapidly drops to 0 (<1c).

Однако, для эффективной защиты от нарушения сверхпроводимости, более длительный период B все еще является нежелательным - в случае нарушения сверхпроводимости этот период может быть достаточно длительным для возникновения значительного локального нагрева в локальной горячей точке где-либо еще в магните, приводя в результате к неприемлемо высокой пиковой температуре в этой горячей точке. Кроме того, магнит, такой как TF-магнит в токамаке, может содержать несколько катушек (например, отдельных ветвей), которые являются слабо термически и магнитно связанными. Желательно, чтобы при запуске сброса путем выключения источника питания все катушки испытывали одинаковую задержку перед нарушением сверхпроводимости. Вариации между катушками могут возникать вследствие производственных различий локальной температуры или различий магнитного поля. Если в катушках сверхпроводимость нарушается не одновременно, результирующие очень большие электромагнитные силы между катушками могут вызывать повреждение механической опорной конструкции магнита и/или самих катушек. Чтобы минимизировать это, желательно минимизировать вариации между задержкой между отключением PSU (блока подачи питания) и нарушением сверхпроводимости в каждой катушке, так чтобы любая вариация между продолжительностями задержки тоже минимизируется. Продолжительность этого периода может быть уменьшена путем увеличения сопротивления частично изолирующего слоя (и тем самым увеличения нагрева вследствие прохождения тока по радиальному пути в периоде B), но это будет иметь эффекты домино для других электрических свойств катушки, например, изменение постоянной времени для нагружения катушки, или более трудное обеспечение распределения тока между витками (что повысит вероятность горячей точки, вызывающей глобальное нарушение сверхпроводимости).However, for effective protection against superconductivity breakdown, a longer period B is still undesirable - in the case of superconductivity breakdown, this period can be long enough to cause significant local heating to occur at a local hot spot elsewhere in the magnet, resulting in unacceptably high peak temperature in this hotspot. In addition, a magnet, such as a TF magnet in a tokamak, may contain multiple coils (eg, separate legs) that are weakly thermally and magnetically coupled. It is desirable that when triggering a reset by turning off the power supply, all coils experience the same delay before breaking superconductivity. Variations between coils can be due to manufacturing differences in local temperature or magnetic field differences. If the coils do not break superconductivity simultaneously, the resultant very large electromagnetic forces between the coils can cause damage to the mechanical support structure of the magnet and/or the coils themselves. To minimize this, it is desirable to minimize the variation between the delay between PSU (power supply unit) shutdown and the breaking of superconductivity in each coil, so that any variation between delay times is also minimized. The duration of this period can be reduced by increasing the resistance of the partially insulating layer (and thereby increasing the heating due to the passage of current along the radial path in period B), but this will have domino effects on other electrical properties of the coil, such as changing the time constant for loading the coil, or making it more difficult to distribute the current between the turns (which would increase the likelihood of a hot spot causing global disruption of superconductivity).

Вместо того, чтобы отключать источник питания, предлагается подавать на катушку магнита большой обратный ток (т.е. в противоположном направлении по отношению к току, протекающему через катушку перед разгружением), например, с помощью четырехквадрантного PSU, который способен отводить ток от катушки магнита. Сверхпроводящий путь имеет большую индуктивность, и поэтому такой обратный ток будет протекать главным образом по радиальному пути во всех катушках TF-магнита. Это большое увеличение радиального тока вызывает значительный нагрев всех катушек, быстро «гася» весь магнит (а значит, рассеивая сброс энергии по большой площади).Instead of turning off the power supply, it is proposed to apply a large reverse current to the magnet coil (i.e. in the opposite direction to the current flowing through the coil before unloading), for example, using a four-quadrant PSU that is able to drain current from the magnet coil . The superconducting path has a large inductance, and therefore such a reverse current will flow mainly in a radial path in all coils of a TF magnet. This large increase in radial current causes significant heating of all coils, quickly "extinguishing" the entire magnet (and thus dissipating the waste energy over a large area).

Хотя подача обратного тока вместо простого отключения PSU может казаться контринтуитивной, важным различием является то, что избыточный радиальный ток будет нагревать весь объем магнита, что означает, что нарушение сверхпроводимости будет быстро распространяться по магниту, и сброс энергии будет рассеиваться по всему объему (или по меньшей мере по значительной доле). Концентрированный сброс энергии, который произойдет без какого-либо вмешательства, вызовет неприемлемые повышения температуры в этой небольшой области, повреждающие ВТСП. Если на значительном участке магнита нарушается сверхпроводимость, одинаковое количество энергии (плюс небольшой вклад от самого обратного тока) рассеивается по всему магниту, что ограничивает рост температуры в ВТСП. Кроме того, более равномерный нагрев магнита предотвращает формирование крутых градиентов температуры в магните. Если градиент температуры слишком высок, то отличающееся тепловое расширение соседних областей магнита вызовет конструктивное повреждение.While applying reverse current instead of simply turning off the PSU may seem counter-intuitive, an important difference is that excess radial current will heat the entire volume of the magnet, which means that the disruption of superconductivity will rapidly propagate through the magnet, and the waste energy will be dissipated throughout the volume (or at least to a significant extent). A concentrated release of energy, which will occur without any intervention, will cause unacceptable temperature rises in this small area, damaging the HTS. If superconductivity is broken in a significant area of the magnet, the same amount of energy (plus a small contribution from the reverse current itself) is dissipated throughout the magnet, which limits the temperature rise in the HTS. In addition, the more uniform heating of the magnet prevents the formation of steep temperature gradients in the magnet. If the temperature gradient is too high, then the differential thermal expansion of adjacent regions of the magnet will cause structural damage.

В существующих магнитах равномерный нагрев может быть достигнут с помощью «нагревателей для нарушения сверхпроводимости», т.е. нагревательных элементов, уложенных рядом с ВТСП-кабелем, которые могут включаться для подачи тепла катушке. Однако такие нагреватели занимают пространство и по существу уменьшают доступное пространство для ВТСП-проводника или для металлического стабилизатора. Метод «обратного тока» в действительности использует радиальный путь проведения тока в качестве «нагревателя для нарушения сверхпроводимости», что означает, что нагрев равномерно распределяется по катушке, и дополнительные нагревательные элементы не требуются.In existing magnets, uniform heating can be achieved using "heaters to break superconductivity", i.e. heating elements placed next to the HTS cable that can be turned on to supply heat to the coil. However, such heaters take up space and essentially reduce the available space for the HTS conductor or for the metal stabilizer. The "reverse current" method actually uses the radial current path as a "superconductive disruption heater", which means that the heat is evenly distributed throughout the coil and no additional heating elements are required.

Обратный ток может быть ограничен рабочим током магнита или задан на уровне рабочего тока магнита. Таким образом, максимальный нагрев достигается с помощью обратного тока без превышения конструктивных параметров компонентов, внешних по отношению к магниту, по сравнению с тем, что потребуется для нормальной работы магнита.The reverse current can be limited to the operating current of the magnet or set at the level of the operating current of the magnet. Thus, maximum heating is achieved with reverse current without exceeding the design parameters of the components external to the magnet compared to what would be required for normal operation of the magnet.

Вышеприведенное было описано со ссылкой на защиту от нарушения сверхпроводимости, но следует отметить, что вышеописанный метод сброса энергии может также быть применим к другим ситуациям, когда магнит разгружается, например, при выключении магнита в обычных условиях, в отсутствие какого-либо обнаруженного нарушения сверхпроводимости (или условиях, вероятно ведущих к нарушению сверхпроводимости).The above has been described with reference to protection against superconductivity breaking, but it should be noted that the above energy reset method can also be applied to other situations where the magnet is unloaded, such as turning off the magnet under normal conditions, in the absence of any detected superconductivity breaking ( or conditions likely to lead to disruption of superconductivity).

Фиг. 9 показывает результаты моделирования примерной частично изолированной катушки во время нагружения, установившегося режима работы и разгружения. В этом случае PSU (источник питания) моделируется как источник тока, т.е. ток, подаваемый PSU, задается в моделировании, а напряжение на PSU вычисляется.Fig. 9 shows simulation results of an exemplary partially insulated coil during loading, steady state operation, and unloading. In this case, the PSU (power supply) is modeled as a current source, i.e. the current supplied by the PSU is given in the simulation and the voltage across the PSU is calculated.

Во время нагружения ток PSU увеличивается устойчиво до 2,2 кА с постоянной скоростью. Напряжение PSU является положительным и составляет порядка 0,1 В. Ток в радиальном пути приблизительно пропорционален напряжению PSU (поскольку радиальный путь может быть смоделирован как простое сопротивление), а ток в спиральном пути увеличивается с постоянной скоростью. В момент времени T1, когда достигается желаемый ток, магнит переключается в установившийся режим работы, PSU устанавливается на неизменный ток, и ток радиального пути уменьшается с постоянной времени L/Rradial, как описано ранее. Напряжение PSU уменьшается до значения порядка нескольких милливольт, когда ток радиального пути затухает, поскольку спиральный путь имеет пренебрежимо малое сопротивление (в этом моделировании он моделируется как имеющий нулевое сопротивление, так что напряжение PSU стремится к нулю. На практике, оно, как правило, будет стабилизироваться около нескольких десятков-сотен милливольт). Во время нагружения и установившегося режима работы температура ВТСП является по существу постоянной ниже 20 К.During loading, the PSU current increases steadily to 2.2 kA at a constant rate. The PSU voltage is positive, on the order of 0.1 V. The current in the radial path is approximately proportional to the PSU voltage (because the radial path can be modeled as a simple resistance), and the current in the spiral path increases at a constant rate. At time T1, when the desired current is reached, the magnet switches to steady state, the PSU is set to a constant current, and the radial path current decreases with the time constant L/R radial as described previously. The PSU voltage decreases to a value on the order of a few millivolts as the radial path current decays because the helical path has negligible resistance (in this simulation it is modeled as having zero resistance, so the PSU voltage tends to zero. In practice, it will typically be stabilize around a few tens to hundreds of millivolts). During loading and steady state operation, the temperature of the HTSC is substantially constant below 20 K.

В момент времени T2 инициируется сброс магнита (либо в ответ на обнаружение нарушения сверхпроводимости, либо иным образом). PSU подает обратный ток (с быстрым изменением тока, моделируемым в этом случае как изменение тока в сторону понижения в десять раз быстрее первоначального нагружения), который протекает главным образом по радиальному пути. Напряжение PSU является отрицательным во время подачи этого тока, порядка -0,5 В. Температура ВТСП быстро растет. Моделирование заканчивается, когда температура ВТСП достигла приблизительно 55 К, так как во всей катушке будет нарушаться сверхпроводимость, и рост температуры становится слишком быстрым для используемой модели. Однако, в реальности, накопленная энергия магнита будет быстро преобразовываться в тепло, рассеиваться относительно равномерно по магниту, безопасно отключая его.At time T2, a magnet reset is initiated (either in response to the detection of a superconductivity violation or otherwise). The PSU supplies a reverse current (with a rapid current change, modeled in this case as a downward current change ten times faster than the initial load), which flows primarily along a radial path. The PSU voltage is negative during the application of this current, on the order of -0.5 V. The temperature of the HTS rises rapidly. The simulation ends when the HTS temperature has reached approximately 55 K, as the entire coil will break superconductivity and the temperature rise becomes too fast for the model being used. However, in reality, the stored energy of the magnet will quickly be converted into heat, dissipating relatively evenly throughout the magnet, safely shutting it down.

Обратный ток может подаваться в течение заданного времени или до тех пор, пока не будет достигнуто конкретное условие, например, при обнаружении нарушения сверхпроводимости на значительном участке магнита, обнаружении конкретной температуры на значительном участке магнита или обнаружении того, что ток спирального пути (или создаваемое катушкой магнитное поле) уменьшился(лось) ниже порогового значения.The reverse current may be applied for a predetermined time or until a particular condition is reached, such as when a violation of superconductivity is detected in a significant area of the magnet, a specific temperature is detected in a significant area of the magnet, or when a spiral path current (or generated by a coil) magnetic field) has decreased below the threshold value.

Скорость разгружения зависит от скорости нарастания обратного тока в PSU.The unloading rate depends on the rate of rise of the reverse current in the PSU.

Желательно иметь возможность управлять скоростью изменения тока как в фазе нагружения магнита, так и в фазе сброса. По этой причине предпочтителен PSU с управляемым по обратной связи выводом тока. Ток PSU может регулироваться на основе тока по спиральному пути, температуры магнита, магнитного поля, создаваемого катушкой, или любого другого подходящего свойства катушки.It is desirable to be able to control the rate of change of the current both in the loading phase of the magnet and in the reset phase. For this reason, a PSU with a feedback controlled current output is preferred. The PSU current can be adjusted based on the current in the spiral path, the temperature of the magnet, the magnetic field generated by the coil, or any other suitable property of the coil.

Источник питания может содержать несколько блоков подачи питания, каждый из которых подает питание катушке в течение разного периода. В частности, источник питания может содержать первый блок для подачи питания на катушку во время нагружения и установившегося режима работы и второй блок для подачи обратного напряжения на катушку во время разгружения.The power supply may contain several power supplies, each of which supplies power to the coil for a different period. In particular, the power source may include a first unit for supplying power to the coil during loading and steady state operation and a second unit for supplying reverse voltage to the coil during unloading.

Источник питания (или один или более блоков подачи питания источника питания) может быть частично расположен в криостате, содержащем ВТСП-магнит, и может содержать трансформатор, выполненный с возможностью переносить питание через криостат без наличия кабелей, проходящих через криостат, как описано в PCT/GB2018/050337.The power supply (or one or more power supply units) may be partially located in a cryostat containing an HTS magnet and may include a transformer configured to carry power through the cryostat without the presence of cables passing through the cryostat, as described in PCT/ GB2018/050337.

Когда разгружение магнита запускается в ответ на обнаружение нарушения сверхпроводимости или условий, вероятно ведущих к нарушению сверхпроводимости, это обнаружение может происходить любым практичным методом. Например:When magnet unloading is triggered in response to the detection of a superconductivity violation or conditions likely to lead to a superconductivity violation, this detection may be by any practical method. For example:

- обнаружение избыточного напряжения на ВТСП-материале в магните;- detection of excess voltage on the HTSC material in the magnet;

- использование вспомогательных ВТСП-лент, которые предусмотрены смежно с основной катушкой и выполнены с возможностью нарушать сверхпроводимость прежде основной катушки, например, как описано в международной патентной заявке PCT/GB2016/052712 или патентной заявке Великобритании GB1812120.2;- the use of auxiliary HTS tapes, which are provided adjacent to the main coil and are capable of destroying superconductivity before the main coil, for example, as described in International Patent Application PCT/GB2016/052712 or British Patent Application GB1812120.2;

- обнаружение температуры, деформации, магнитных полей или других условий в катушке магнита, например, посредством рассеивания Роли в волоконно-оптических кабелях, как описано в международной патентной заявке PCT/GB2017/053066, или посредством других детекторов температуры, деформации или магнитного поля, которые известны в уровне техники.- detection of temperature, strain, magnetic fields or other conditions in the magnet coil, for example, by means of Role dissipation in fiber optic cables, as described in International Patent Application PCT/GB2017/053066, or by other temperature, strain or magnetic field detectors that known in the art.

Важно не подавать обратный ток слишком долго, иначе активный сброс может нагревать магнит выше 200К и вызывать проблемы. В идеале система сброса должна ограничивать суммарную энергию, подаваемую к магниту, энергией, требуемой для повышения температуры всего магнита выше его критической температуры (т.е. превращения всех катушек из сверхпроводящих в нормальные). Это небольшая доля суммарной энергии, необходимой для роста температуры всего магнита до ~200К. По мере того как в катушках начинает нарушаться сверхпроводимость, собственная накопленная энергия магнита будет рассеиваться, вызывая глобальное нарушение сверхпроводимости.It is important not to apply reverse current for too long, otherwise an active reset can heat the magnet above 200K and cause problems. Ideally, the reset system should limit the total energy supplied to the magnet to the energy required to raise the temperature of the entire magnet above its critical temperature (ie, turn all coils from superconducting to normal). This is a small fraction of the total energy required to raise the temperature of the entire magnet to ~200K. As superconductivity begins to break in the coils, the magnet's own stored energy will be dissipated, causing a global breakdown in superconductivity.

Простым путем подачи правильного количества энергии является разряд батареи конденсаторов в магнит. Это также устраняет необходимость в четырехквадрантном PSU. Одноквадрантный PSU может быть использован для нагружения магнита. Когда необходимо выполнять сброс магнита, он просто отсоединяется с использованием активных переключателей и предварительно заряженной батареи конденсаторов, присоединенной к магниту, чтобы возбуждать обратный радиальный ток. Отметим, что при отсоединении PSU не создаются большие напряжения, поскольку большая индуктивность магнита шунтируется его радиальным сопротивлением.A simple way to supply the correct amount of energy is to discharge the capacitor bank into the magnet. It also eliminates the need for a four-quadrant PSU. A single quadrant PSU can be used to load the magnet. When a magnet needs to be reset, it is simply disconnected using active switches and a pre-charged capacitor bank attached to the magnet to induce a reverse radial current. Note that when the PSU is disconnected, no large voltages are created, since the high inductance of the magnet is shunted by its radial resistance.

Большая часть вышеописанного изобретения была сфокусирована на разгружении магнита после обнаружения нарушения сверхпроводимости, когда скорость разгружения имеет критическую важность. Также существуют использующие тот же основополагающий принцип методы, которые применимы к управлению магнитом в условиях, когда время разгружения не является первичным фактором.Much of the invention described above has focused on unloading the magnet after a superconductivity violation has been detected, when the speed of unloading is of critical importance. There are also methods using the same fundamental principle that are applicable to magnet control in conditions where unloading time is not a primary factor.

В качестве примера, PSU может быть выполнен с возможностью подавать ток разгружения, который меньше тока в магните, но течет в том же направлении. Это побудит проходить по радиальному пути ток, равный разнице между токами магнита и PSU, нагревающий магнит, как и прежде. Это приведет в результате к более медленному разгружению по сравнению с обратным током (или простым отсоединением PSU) и уменьшенному росту температуры в магните.As an example, the PSU may be configured to supply a discharge current that is less than the current in the magnet but flows in the same direction. This will cause a current equal to the difference between the currents of the magnet and the PSU to flow along the radial path, heating the magnet as before. This will result in slower discharge compared to reverse current (or simply disconnecting the PSU) and reduced temperature rise in the magnet.

В качестве дополнительного примера, PSU может быть выполнен с возможностью подавать переменный ток наложенным на постоянный ток, доставляемый к катушке (либо во время установившегося режима, нагружения, либо разгружения). Когда период переменного тока значительно меньше постоянной времени L/R, этот переменный ток будет протекать полностью по радиальному пути. Это приводит в результате к нагреву магнита без иного влияния на ток по спиральному пути (по сравнению со случаем, когда доставляется только постоянный ток).As a further example, the PSU may be configured to supply AC superimposed on the DC delivered to the coil (either during steady state, loading, or unloading). When the period of an alternating current is significantly less than the time constant L/R, this alternating current will flow entirely in a radial path. This results in heating of the magnet without otherwise affecting the current along the helical path (compared to the case where only direct current is supplied).

Наложенный переменный ток может также быть использован в комбинации с любым из предыдущих примеров. Например, комбинация обратного постоянного тока и переменного тока (т.е. когда суммарный ток является синусоидальным током со средним значением, которое противоположно по знаку току катушки, а период меньше постоянной времени магнита) может быть использовано для разгружения катушки с дополнительным нагревом. Альтернативно, переменный ток может быть скомбинирован с постоянным током разгружения, который меньше тока в магните, но протекает в том же направлении (т.е. когда суммарный ток является синусоидальным током со средним значением, которое меньше тока катушки, а период меньше постоянной времени магнита). В качестве дополнительной альтернативы, для разгружения магнита может быть подан чисто переменный ток - это вынудит проходить по радиальному пути ток, равный току магнита, в дополнение к переменному току. В каждом случае, добавление переменного тока приводит в результате к большему току по спиральному пути (и, следовательно, более быстрому разгружению) по сравнению с использованием только постоянного тока.The superimposed alternating current can also be used in combination with any of the previous examples. For example, a combination of reverse DC and AC (i.e. when the total current is a sinusoidal current with an average value that is opposite in sign to the coil current and the period is less than the magnet time constant) can be used to unload the coil with additional heating. Alternatively, an alternating current can be combined with a DC unloading current that is less than the current in the magnet but flows in the same direction (i.e. when the total current is a sinusoidal current with an average value that is less than the coil current and the period is less than the time constant of the magnet ). As a further alternative, pure alternating current can be applied to unload the magnet - this will force a current equal to the magnet current in addition to the alternating current to flow along the radial path. In each case, the addition of alternating current results in more current in the helical path (and hence faster unloading) compared to using direct current alone.

Удивительной особенностью разгружения частично изолированной катушки, как обсуждалось в вышеприведенных примерах (либо путем отключения PSU, либо путем подачи измененного тока) является то, что межвитковое напряжение катушки остается низким (порядка нескольких вольт, даже для больших катушек) на протяжении всего процесса. Большие изолированные сверхпроводящие катушки требуют усиленной изоляции, которая может выдерживать очень высокие напряжения, но небольшие напряжения, испытываемые частично изолированной катушкой, могут быть эффективно изолированы гораздо более широким множеством материалов (или даже простого вакуумного или воздушного зазора).A surprising feature of unloading a partially insulated coil, as discussed in the examples above (either by turning off the PSU or by applying a modified current) is that the turn-to-turn voltage of the coil remains low (on the order of a few volts, even for large coils) throughout the entire process. Large insulated superconducting coils require reinforced insulation that can withstand very high voltages, but the small voltages experienced by a partially insulated coil can be effectively insulated by a much wider variety of materials (or even a simple vacuum or air gap).

Фиг. 11 показывает напряжение на каждой катушке в одном и том же магните, который использован на фиг. 10 (который содержит 6 дисковых катушек с суммарной индуктивностью 0,12 Гн). Пиковые напряжения, которые возникают во время, соответствующее началу глобального нарушения сверхпроводимости (т.е. в конце периода B и начале периода C на фиг. 10), составляют примерно 0,1 В. В отличие от этого, ожидаемое напряжение для эквивалентной изолированной катушки в тех же условиях будет составлять порядка 2 кВ, а ожидаемое напряжение для большой катушки будет составлять по меньшей мере 5 кВ (напряжение может быть вычислено как V=-L dI/dt, где dI/dt является приблизительно током переноса (1,4 кА для исследуемой катушки), деленным на время, затрачиваемое на нарушение сверхпроводимости (0,1 кА для исследуемой катушки)). При частично изолированной катушке катушка может работать с высоким током переноса и индуктивностью без развития особенно высокого напряжения, что является наиболее практичным при работе большой катушки с низкими токами переноса (несколько килоампер по сравнению с типично 50 кА) и высокой индуктивностью (т.е. более высоким числом витков).Fig. 11 shows the voltage across each coil in the same magnet as used in FIG. 10 (which contains 6 disk coils with a total inductance of 0.12 H). The peak voltages that occur at the time corresponding to the onset of global superconductivity breakdown (i.e., at the end of period B and the beginning of period C in FIG. 10) are approximately 0.1 V. In contrast, the expected voltage for an equivalent insulated coil under the same conditions will be on the order of 2 kV, and the expected voltage for a large coil will be at least 5 kV (the voltage can be calculated as V=-L dI/dt, where dI/dt is approximately the transfer current (1.4 kA for the coil under test) divided by the time taken to break the superconductivity (0.1 kA for the coil under test)). With a partially insulated coil, the coil can handle high transfer current and inductance without developing a particularly high voltage, which is most practical when operating a large coil with low transfer currents (a few kiloamperes compared to typically 50 kA) and high inductance (i.e. more high number of turns).

Пиковое напряжение, создаваемое между двумя витками частично изолированной катушки во время сброса тока с разомкнутой цепью PSU может быть аппроксимировано как V=I0Rstab, где I0 является током переноса, а Rstab является сопротивлением резистивного материала в спиральном пути катушки. Нарушение сверхпроводимости распространяется между катушками за счет взаимной индуктивности, что означает, что пиковое напряжение катушки не превышает пикового напряжения для одиночного витка. Пиковое напряжение не будет превышать 10 В для любой реалистично большой катушки.The peak voltage developed between two turns of a partially insulated coil during PSU open circuit current reset can be approximated as V=I 0 R stab , where I 0 is the transfer current and R stab is the resistance of the resistive material in the coil's helical path. Superconductivity breakdown propagates between the coils by mutual inductance, which means that the peak voltage of the coil does not exceed the peak voltage for a single turn. The peak voltage will not exceed 10V for any realistically large coil.

Фиг. 14 показывает эквивалентную схему для катушки с 2 витками (и может быть расширена до большего числа витков путем добавления дополнительных катушек последовательно и взаимных индуктивностей между каждой катушкой). На этой фигуре I0 является током переноса, Rtt является межвитковым сопротивлением (т.е. сопротивлением радиального пути, деленным на число витков), Rstab является сопротивлением резистивного спирального пути, Lturn является индуктивностью каждого витка, а RHTS является сопротивлением ВТСП в каждом витке (т.е. 0 во время обычной работы и только ненулевым во время нарушения сверхпроводимости или почти нарушения сверхпроводимости). M является взаимной индуктивностью между двумя витками, а K является коэффициентом связи между витками.Fig. 14 shows the equivalent circuit for a coil with 2 turns (and can be expanded to more turns by adding more coils in series and mutual inductors between each coil). In this figure, I 0 is the transfer current, R tt is the turn-to-turn resistance (i.e., the radial path resistance divided by the number of turns), R stab is the resistive helical path resistance, L turn is the inductance of each turn, and R HTS is the HTS resistance. in each turn (i.e. 0 during normal operation and only non-zero during superconductivity breakdown or near superconductivity breakdown). M is the mutual inductance between the two turns and K is the coupling factor between the turns.

Это особенно важно для изоляции катушки, как для изоляции катушки в целом от других компонентов («заземляющая обертка»), так и для конструкций частичной изоляции, которые используют изолирующий материал, имеющий ряд проводящих каналов через него (известна как «допускающая утечку изоляция» и обсуждена более подробно ниже). Низкое напряжение означает, что изоляция не должна быть усиленным материалом, таким как Kapton™ (который используется в традиционных изолированных магнитах), но могут быть использованы более простые материалы, такие как краска, лак или даже бумага, или изолирующий материал может быть заменен воздушным или вакуумным зазором (с подходящими поддерживающими конструкциями, также изоляторами, если требуется).This is especially important for coil insulation, both for isolating the coil as a whole from other components (the "ground wrap"), and for partial insulation designs that use an insulating material that has a number of conductive channels through it (known as "leakable insulation" and discussed in more detail below). The low voltage means that the insulation does not need to be a reinforced material such as Kapton™ (which is used in traditional insulated magnets), but simpler materials such as paint, varnish or even paper can be used, or the insulating material can be replaced with air or vacuum gap (with suitable support structures, also insulators if required).

Изолирующие конструкции могут характеризоваться «напряжением пробоя», выше которого конструкция перестает изолировать, и сопротивление конструкции падает от порядка нескольких мегаОм до порядка нескольких Ом или миллиОм. Для изолированной катушки это напряжение пробоя должно быть по меньшей мере 2 кВ (по меньшей мере 5 кВ для больших катушек, например, с радиусом более 50 см), что серьезно ограничивает материалы, которые могут быть использованы при все еще сохранении изоляции разумно компактной (напряжение пробоя приблизительно пропорционально толщине материала, с константой пропорциональности («диэлектрической постоянной»), зависящей от материала).Insulating structures can be characterized by a "breakdown voltage" above which the structure no longer insulates and the resistance of the structure drops from on the order of a few megaohms to on the order of a few ohms or milliohms. For an insulated coil, this breakdown voltage must be at least 2 kV (at least 5 kV for large coils, e.g. with a radius greater than 50 cm), which severely limits the materials that can be used while still keeping the insulation reasonably compact (voltage breakdown is approximately proportional to the thickness of the material, with a constant of proportionality ("dielectric constant") depending on the material).

Для частично изолированной катушки требуется только напряжение пробоя больше 10 В или около того, что позволит использовать любой материал, который может быть обоснованно назван «изолятором».A partially insulated coil only requires a breakdown voltage greater than 10V or so, which will allow any material that can reasonably be called an "insulator" to be used.

Альтернативно, в средах, неблагоприятных для материалов (например, в термоядерном реакторе, где материалы будут подвергаться бомбардировке нейтронами), это обеспечит возможность использования изоляции дольше, прежде чем она разрушится до такой степени, что она больше не будет изолирующей, поскольку бомбардировка нейтронами будет иметь тенденцию вызывать изменения в изоляции, которые будут уменьшать ее диэлектрическую постоянную или привносить физические зазоры.Alternatively, in environments that are unfavorable to materials (e.g., in a fusion reactor where materials will be bombarded with neutrons), this will allow the insulation to be used longer before it breaks down to the point where it is no longer insulating, since neutron bombardment will have the tendency to cause changes in the insulation that will reduce its dielectric constant or introduce physical gaps.

Пример допускающей утечку изоляции показан на фиг. 12A и B. Металлическая полоса 901 снабжена тонким изолирующим покрытием 902 на по меньшей мере сторонах, обращенных к ВТСП-кабелям, где изолирующее покрытие удалено или отсутствует поверх окон (или «сквозных отверстий») 903 с интервалами на каждой стороне металлической полосы. Окна могут иметь любую форму и могут простираться до кромок ленты. Расположение окон на обеих сторонах металлической полосы является шахматным, как показано на фиг. 12B, что увеличивает сопротивление (по сравнению с неизолированной полосой или с полосой, где окна на каждой стороне были непосредственно напротив друг друга), поскольку ток должен проделывать путь 910 вдоль части длины металлической полосы.An example of leaky insulation is shown in FIG. 12A and B. The metal strip 901 is provided with a thin insulating coating 902 on at least the sides facing the HTS cables, where the insulating coating is removed or absent over windows (or "through holes") 903 at intervals on each side of the metal strip. The windows may be of any shape and may extend to the edges of the tape. The windows on both sides of the metal strip are staggered, as shown in FIG. 12B, which increases the resistance (compared to an uninsulated strip or a strip where the windows on each side were directly opposite each other) because the current must make a path 910 along a portion of the length of the metal strip.

Путем изменения расстояния между окнами так, чтобы они были ближе друг к другу в обратных ветвях («обводах») и дальше друг от друга в сердечнике, может быть достигнута требуемая разница в межвитковом сопротивлении между обратными ветвями и сердечником. Дальнейшая настройка может быть осуществлена путем использования другого металла для металлической полосы в сердечнике по сравнению с обратными ветвями или путем изменения других аспектов геометрии полосы.By varying the distance between the windows so that they are closer together in the return legs ("bypasses") and farther apart in the core, the desired difference in turn-to-turn resistance between the return legs and the core can be achieved. Further customization can be done by using a different metal for the metal strip in the core compared to the return legs, or by changing other aspects of the strip geometry.

Для обеспечения возможности еще более тонкой настройки, вместо сплошной металлической полосы можно использовать слой, имеющий несколько металлических дорожек, фактически формируя изолирующий слой с размещенными в нем проводящими радиальными дорожками, где расстояние между дорожками и их длина определяют сопротивление такого частично изолирующего слоя.To enable even finer tuning, instead of a solid metal strip, a layer having several metal tracks can be used, effectively forming an insulating layer with conductive radial tracks placed therein, where the distance between the tracks and their length determine the resistance of such a partially insulating layer.

Фиг. 13A-E показывают дополнительный пример слоя допускающей утечку изоляции. Слой допускающей утечку изоляции содержит 5 слоев, которыми представляют собой, по порядку:Fig. 13A-E show a further example of a leaky insulation layer. The leaky insulation layer contains 5 layers, which are, in order:

- первый металлический соединительный слой 1611;- the first metal connecting layer 1611;

- первый изолирующий слой 1621;- the first insulating layer 1621;

- электропроводящий слой 1630;- electrically conductive layer 1630;

- второй изолирующий слой 1622;- the second insulating layer 1622;

- второй металлический соединительный слой 1612.- the second metal connecting layer 1612.

Фиг. 13A-C показывают компоновку первого металлического соединительного слоя 1611, электропроводящего слоя 1630 и второго металлического соединительного слоя 1622 соответственно. Фиг. 13D и E являются разрезами по линиям D и E на фиг. 13A-C.Fig. 13A-C show the layout of the first metal bonding layer 1611, the electrically conductive layer 1630, and the second metal bonding layer 1622, respectively. Fig. 13D and E are sections taken along lines D and E in FIG. 13A-C.

Соединительный слой присутствует, чтобы обеспечить присоединение к ВТСП-кабелям путем низкотемпературной пайки.A bonding layer is present to allow connection to HTS cables by low temperature soldering.

В отличие от предыдущего примера, где электропроводящий слой является непрерывной металлической полосой, в этом примере электропроводящий слой разделен на несколько проводящих областей. Эти области бывают двух типов. Квадратные области 1631 (хотя на практике они могут быть любой формы) соединены межслойными соединениями 1606 только с одним из металлических соединительных слоев. Эти области не влияют на электрические свойства частично изолирующего слоя, но обеспечивают путь тепла (тепловой канал) через соответствующий изолирующий слой. Путем изменения размера этих областей и числа соединений между ними и металлическим соединительным слоем независимо от электрических свойств могут быть изменены тепловые свойства частично изолирующего слоя.Unlike the previous example, where the electrically conductive layer is a continuous metal strip, in this example, the electrically conductive layer is divided into several conductive regions. These areas are of two types. The square regions 1631 (although in practice they can be of any shape) are connected by interlayer connections 1606 to only one of the metal bonding layers. These areas do not affect the electrical properties of the partially insulating layer, but provide a heat path (thermal channel) through the corresponding insulating layer. By varying the size of these areas and the number of connections between them and the metal bonding layer, regardless of the electrical properties, the thermal properties of the partially insulating layer can be changed.

Другие области 1632, каждая, соединяют окно 1601 первого изолирующего слоя 1621 с окном 1602 второго изолирующего слоя 1622. Сопротивление между окнами может регулироваться путем изменения геометрии областей 1632, например, когда область 1632 содержит дорожку 1633, которая является вытянутой, как показано на фиг. 13B, увеличение ширины дорожки будет уменьшать сопротивление между окнами, а увеличение длины дорожки (например, за счет обеспечения нелинейной дорожки или за счет перемещения окон) будет увеличивать сопротивление между окнами.Other regions 1632 each connect window 1601 of first insulation layer 1621 to window 1602 of second insulation layer 1622. The resistance between windows can be adjusted by changing the geometry of regions 1632, such as when region 1632 contains a track 1633 that is elongated as shown in FIG. 13B, increasing the track width will decrease the inter-window resistance, and increasing the track length (eg, by providing a non-linear track or by moving the windows) will increase the inter-window resistance.

Окна 1601 в первом изолирующем слое образованы просверленными через первый соединительный слой и первый изолирующий слой сквозными отверстиями, которые затем покрывают металлом 1603 (или другим электропроводящим материалом), формируя межслойные соединения между первым соединительным слоем и электропроводящим слоем. Окна 1602 во втором изолирующем слое формируют путем сверления сквозного отверстия 1602 сквозь все слои, которое затем покрывают металлом 1604 (или другим электропроводящим материалом), формируя межслойное соединение. Чтобы предотвращать формирование соединения с первым соединительным слоем через окна 1602 второго изолирующего слоя, первый соединительный слой травят вокруг межслойного соединения 1602, электрически изолируя его, и на конец межслойного соединения 1602 помещают изолирующий колпачок 1605, гарантируя, что замыкание не возникает вследствие пайки или контакта с ВТСП-кабелем.Windows 1601 in the first insulating layer are formed through holes drilled through the first bonding layer and the first insulating layer, which are then plated with metal 1603 (or other electrically conductive material) to form interlayer connections between the first bonding layer and the electrically conductive layer. Windows 1602 in the second insulating layer are formed by drilling a through hole 1602 through all layers, which is then plated with metal 1604 (or other electrically conductive material) to form an interlayer connection. To prevent the formation of a connection with the first bonding layer through the windows 1602 of the second insulating layer, the first bonding layer is etched around the interconnect 1602, electrically insulating it, and an insulating cap 1605 is placed on the end of the interconnect 1602, ensuring that a short does not occur due to soldering or contact with HTS cable.

В качестве альтернативы, окна 1602 могут вместо этого быть просверлены с другой стороны частично изолирующего слоя так, чтобы они проходили сквозь второй соединительный слой, второй изолирующий слой и электропроводящий слой и не проходили сквозь (или не проходили полностью сквозь) первый изолирующий слой. В качестве дополнительной альтернативы, все окна могут быть сформированы из межслойных соединений, которые проходят сквозь все слои, с помощью травления второго соединительного слоя и изолирующего колпачка на втором соединительном слое, используемого для окон 1601 первого изолирующего слоя.Alternatively, windows 1602 may instead be drilled into the other side of the partially insulating layer so that they pass through the second bonding layer, the second insulating layer, and the electrically conductive layer and do not pass through (or not completely through) the first insulating layer. As a further alternative, all windows may be formed from interlayers that extend through all layers by etching the second bonding layer and an insulating cap on the second bonding layer used for the windows 1601 of the first insulating layer.

Другим неожиданным преимуществом частично изолированных катушек является то, что дополнительная стабильность нарушения сверхпроводимости обеспечивает возможность большего выбора материалов для несверхпроводящих проводящих элементов в каждом кабеле. В традиционных катушках как стабилизатор ВТСП (т.е. тонкий слой металла или металлической оболочки на каждой ленте), так и любой материал, соединяющий ленты, будет медью, поскольку она имеет очень низкое удельное сопротивление, а материалы с более высоким удельным сопротивлением будут вызывать чрезмерный нагрев. Однако медь также является относительно мягким металлом, так что при высоких давлениях она может выдавливаться из ленты или деформироваться при сдвиговых механических напряжениях, что, вероятно, будет ответственным за повреждение ВТСП-слоев после нарушения сверхпроводимости. Another unexpected benefit of partially insulated coils is that the added stability of superconductivity disruption allows for a greater choice of materials for the non-superconductive conductive elements in each cable. In traditional coils, both the HTS stabilizer (i.e. a thin layer of metal or metal sheath on each tape) and any material connecting the tapes will be copper as it has very low resistivity and higher resistivity materials will cause excessive heating. However, copper is also a relatively soft metal, so that at high pressures it can extrude from the tape or deform under shear stresses, which is likely to be responsible for damage to the HTS layers after superconductivity is broken.

Следовательно, предпочтительно уменьшать или устранять медь из витков катушки и частичной изоляции. Уменьшенное количество меди может составлять, например, менее 10 микрон толщины меди в расчете на каждую ВТСП-ленту в катушке (т.е. уменьшено по сравнению с традиционными ВТСП-лентами) или меньше 5 микрон толщины меди (т.е. менее половины от этого). Металлы или другие электрические проводники, используемые вместо меди, могут иметь одно или более из:Therefore, it is preferable to reduce or eliminate copper from coil turns and partial insulation. The reduced amount of copper can be, for example, less than 10 microns of copper thickness per HTS tape in a reel (i.e., reduced compared to traditional HTS tapes) or less than 5 microns of copper thickness (i.e., less than half of this). Metals or other electrical conductors used in place of copper may have one or more of:

- уменьшенной пластичности по сравнению с медью;- reduced ductility compared to copper;

- увеличенного модуля упругости при сдвиге по сравнению с медью;- increased modulus of elasticity in shear compared to copper;

- увеличенного модуля Юнга по сравнению с медью;- increased Young's modulus compared to copper;

- увеличенного модуля объемной упругости по сравнению с медью;- increased bulk modulus compared to copper;

- увеличенного числа твердости по Бринеллю по сравнению с медью.- increased Brinell hardness number compared to copper.

Подходящие материалы включают в себя нержавеющую сталь.Suitable materials include stainless steel.

Вышеприведенное раскрытие может быть применено к множеству ВТСП-магнитных систем. В дополнение к термоядерному реактору токамак, упомянутому выше в качестве примера, оно может быть применено для ВТСП-катушек в устройствах ядерной магнитно-резонансной томографии (ЯМР/МРТ), манипулирования магнитными устройствами в немагнитной среде посредством магнитных полей (например, роботизированных магнитных навигационных системах для манипулирования медицинскими устройствами внутри пациента) и магнитов для электродвигателей, например, для электронного летательного аппарата. В качестве дополнительного примера, раскрытие может быть применено к устройствам протонно-лучевой терапии (ПЛТ), содержащим ВТСП-магнитные системы, которые включают в себя раскрытые признаки, причем эти ВТСП-магнитные системы используются в ускорителе устройства ПЛТ, четырехполюсных или двухполюсных управляющих магнитах устройства ПЛТ или любом другом магните устройства ПЛТ.The above disclosure can be applied to a variety of HTS magnetic systems. In addition to the tokamak fusion reactor mentioned above as an example, it can be applied to HTS coils in nuclear magnetic resonance imaging (NMR/MRI) devices, manipulation of magnetic devices in a non-magnetic environment by means of magnetic fields (e.g. robotic magnetic navigation systems). for manipulation of medical devices inside the patient) and magnets for electric motors, for example, for an electronic aircraft. As a further example, the disclosure may be applied to proton beam therapy (PBT) devices comprising HTS magnet systems that include the disclosed features, these HTS magnet systems being used in the PBT device's accelerator, four-pole, or two-pole control magnets of the device. PMT or any other magnet of the PMT device.

Claims (54)

1. Магнитная система с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), содержащая ВТСП-катушку возбуждения и источник питания, при этом:1. Magnetic system with a high-temperature superconductor (HTSC), containing an HTSC excitation coil and a power source, while: ВТСП-катушка возбуждения содержит:The HTS excitation coil contains: множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор;a plurality of turns containing HTS material and a metal stabilizer; электропроводящий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через электропроводящий слой;an electrically conductive layer separating the turns so that current can be distributed between the turns through the electrically conductive layer; источник питания выполнен с возможностью:the power supply is configured to: во время нагружения ВТСП-катушки возбуждения подавать первый ток на ВТСП-катушку возбуждения;during loading of the HTSC excitation coil, apply the first current to the HTSC excitation coil; во время разгружения ВТСП-катушки возбуждения подавать второй ток на ВТСП-катушку возбуждения, противоположный по направлению первому току.during the unloading of the HTSC excitation coil, apply a second current to the HTSC excitation coil, opposite in direction to the first current. 2. Магнитная система с ВТСП по п. 1, содержащая:2. The HTS magnetic system according to claim 1, comprising: систему обнаружения нарушения сверхпроводимости, выполненную с возможностью обнаруживать нарушение сверхпроводимости в ВТСП-материале и/или обнаруживать условия, вероятно вызывающие нарушение сверхпроводимости в ВТСП-материале;a superconductivity violation detection system configured to detect superconductivity violation in the HTS material and/or detect conditions likely to cause superconductivity violation in the HTS material; при этом источник питания выполнен с возможностью разгружать ВТСП-катушку возбуждения в ответ на обнаружение нарушения сверхпроводимости или условий, вероятно вызывающих нарушение сверхпроводимости, системой обнаружения нарушения сверхпроводимости.wherein the power supply is configured to unload the HTS drive coil in response to detection of a superconductivity violation or conditions likely to cause superconductivity violation by the superconductivity violation detection system. 3. Магнитная система с ВТСП по п. 1 или 2, при этом второй ток является постоянным током.3. The HTS magnetic system according to claim 1 or 2, wherein the second current is direct current. 4. Магнитная система с ВТСП по п. 1 или 2, при этом второй ток является комбинацией постоянного и переменного токов, так что ток изменяется синусоидально со средним значением, противоположным по знаку первому току, и периодом меньше постоянной времени ВТСП-катушки возбуждения. 4. The HTS magnetic system according to claim 1 or 2, wherein the second current is a combination of direct and alternating currents so that the current varies sinusoidally with an average value opposite in sign to the first current and a period less than the time constant of the HTS excitation coil. 5. Магнитная система с ВТСП по любому предшествующему пункту, при этом источник питания содержит четырехквадрантный блок подачи питания (PSU).5. The HTS magnetic system according to any one of the preceding claims, wherein the power supply comprises a four-quadrant power supply unit (PSU). 6. Магнитная система с ВТСП по пп. 1, 2 или 3, при этом источник питания содержит одноквадрантный блок подачи питания (PSU) и конденсатор, при этом одноквадрантный PSU выполнен с возможностью подавать первый ток, а конденсатор выполнен с возможностью подавать второй ток.6. Magnetic system with HTSC according to paragraphs. 1, 2, or 3, wherein the power supply comprises a single-quadrant power supply unit (PSU) and a capacitor, wherein the single-quadrant PSU is configured to supply a first current and the capacitor is configured to supply a second current. 7. Магнитная система с ВТСП по любому из пп. 1-6, при этом источник питания выполнен с возможностью подавать второй ток до одного из:7. Magnetic system with HTSC according to any one of paragraphs. 1-6, wherein the power supply is configured to supply a second current to one of: обнаружения нарушения сверхпроводимости на предварительно заданном участке ВТСП-катушки возбуждения;detecting a violation of superconductivity in a predetermined section of the HTS excitation coil; обнаружения конкретной температуры на предварительно заданном участке ВТСП-катушки возбуждения;detecting a specific temperature in a predetermined section of the HTS excitation coil; обнаружения того, что создаваемое магнитом магнитное поле уменьшилось ниже порогового значения; иdetecting that the magnetic field generated by the magnet has decreased below a threshold value; And обнаружения того, что ток в ВТСП-материале ВТСП-катушки возбуждения уменьшился ниже порогового значения.detecting that the current in the HTS material of the HTS drive coil has decreased below a threshold value. 8. Магнитная система с ВТСП по любому предшествующему пункту, при этом источник питания содержит систему обратной связи, выполненную с возможностью управлять подаваемым на магнит током в зависимости от одного или более из:8. The HTS magnetic system according to any one of the preceding claims, wherein the power supply comprises a feedback system configured to control the current supplied to the magnet depending on one or more of: тока в ВТСП-материале магнита;current in the HTSC material of the magnet; температуры ВТСП-катушки возбуждения; иtemperature of the HTSC excitation coil; And магнитного поля ВТСП-катушки возбуждения.magnetic field of the HTSC excitation coil. 9. Магнитная система с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), содержащая ВТСП-катушку возбуждения и источник питания, при этом:9. Magnetic system with a high-temperature superconductor (HTSC), containing an HTSC excitation coil and a power source, while: ВТСП-катушка возбуждения содержит:The HTS excitation coil contains: множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор;a plurality of turns containing HTS material and a metal stabilizer; электропроводящий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через электропроводящий слой;an electrically conductive layer separating the turns so that current can be distributed between the turns through the electrically conductive layer; источник питания выполнен с возможностью:the power supply is configured to: во время нагружения ВТСП-катушки возбуждения подавать первый ток на ВТСП-катушку возбуждения;during loading of the HTSC excitation coil, apply the first current to the HTSC excitation coil; во время разгружения ВТСП-катушки возбуждения подавать второй ток на ВТСП-катушку возбуждения, который имеет то же направление, что и первый ток, и меньше тока в ВТСП-материале катушки возбуждения.while unloading the HTS field coil, apply a second current to the HTS field coil, which has the same direction as the first current and is less than the current in the HTS field coil material. 10. Магнитная система с ВТСП по п. 9, при этом второй ток является комбинацией постоянного и переменного токов, так что ток изменяется синусоидально со средним значением больше нуля и меньше первого тока и периодом меньше постоянной времени ВТСП-катушки возбуждения. 10. The HTS magnetic system of claim 9, wherein the second current is a combination of DC and AC such that the current varies sinusoidally with an average greater than zero and less than the first current and a period less than the time constant of the HTS drive coil. 11. Магнитная система с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), содержащая ВТСП-катушку возбуждения и источник питания, при этом:11. Magnetic system with a high-temperature superconductor (HTSC), containing an HTSC excitation coil and a power source, while: ВТСП-катушка возбуждения содержит:The HTS excitation coil contains: множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор;a plurality of turns containing HTS material and a metal stabilizer; электропроводящий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через электропроводящий слой;an electrically conductive layer separating the turns so that current can be distributed between the turns through the electrically conductive layer; источник питания выполнен с возможностью:the power supply is configured to: подавать постоянный ток на ВТСП-катушку возбуждения; иapply direct current to the HTSC excitation coil; And подавать переменный ток на ВТСП-катушку возбуждения в дополнение к постоянному току для того, чтобы нагревать катушку возбуждения, причем переменный ток имеет период меньше постоянной времени катушки возбуждения и величину меньше постоянного тока.supplying alternating current to the HTS field coil in addition to direct current in order to heat the field coil, wherein the alternating current has a period less than the time constant of the field coil and a value less than the direct current. 12. Токамак, содержащий магнитную систему по любому предшествующему пункту, при этом ВТСП-катушка возбуждения магнитной системы является одной из катушки возбуждения тороидального поля или катушки возбуждения полоидального поля токамака.12. A tokamak comprising a magnetic system according to any one of the preceding claims, wherein the HTS excitation coil of the magnetic system is one of a toroidal field excitation coil or a tokamak poloidal field excitation coil. 13. Устройство протонно-лучевой терапии (ПЛТ), содержащее магнитную систему по любому из пп. 1-10, при этом ВТСП-катушка возбуждения магнитной системы является одной из:13. The device for proton beam therapy (PBT), containing the magnetic system according to any one of paragraphs. 1-10, while the HTSC excitation coil of the magnetic system is one of: катушки возбуждения ускорителя устройства ПЛТ;excitation coils of the accelerator of the PMT device; двухполюсного или четырехполюсного магнита системы управления пучком протонов устройства ПЛТ.two-pole or four-pole magnet of the proton beam control system of the PMT device. 14. Способ разгружения катушки возбуждения с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), при этом ВТСП-катушка возбуждения содержит множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор, и электропроводящий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через электропроводящий слой, при этом способ содержит подачу второго тока на ВТСП-катушку возбуждения противоположно первому току, протекающему в ВТСП-материале.14. A method for unloading a high-temperature superconductor (HTSC) excitation coil, wherein the HTS excitation coil comprises a plurality of turns containing an HTS material and a metal stabilizer, and an electrically conductive layer separating the turns, so that current can be distributed between the turns through the electrically conductive layer, when In this method, the method comprises applying a second current to the HTS excitation coil opposite to the first current flowing in the HTS material. 15. Способ по п. 14, при этом второй ток подают в ответ на обнаружение нарушения сверхпроводимости или условий, вероятно вызывающих нарушение сверхпроводимости в ВТСП-катушке возбуждения.15. The method of claim 14, wherein the second current is applied in response to detection of a superconductivity violation or conditions likely to cause a superconductivity violation in the HTS drive coil. 16. Способ по п. 14 или 15, при этом второй ток подают до одного из:16. The method according to claim 14 or 15, wherein the second current is applied to one of: обнаружения нарушения сверхпроводимости на предварительно заданном участке ВТСП-катушки возбуждения;detecting a violation of superconductivity in a predetermined section of the HTS excitation coil; обнаружения конкретной температуры на предварительно заданном участке ВТСП-катушки возбуждения;detecting a specific temperature in a predetermined section of the HTS excitation coil; обнаружения того, что создаваемое магнитом магнитное поле уменьшилось ниже порогового значения; иdetecting that the magnetic field generated by the magnet has decreased below a threshold value; And обнаружения того, что ток в ВТСП-материале ВТСП-катушки возбуждения уменьшился ниже порогового значения.detecting that the current in the HTS material of the HTS drive coil has decreased below a threshold value. 17. Способ по любому из пп. 14-16, при этом второй ток является комбинацией постоянного и переменного токов, так что ток изменяется синусоидально со средним значением, противоположным по знаку первому току, и периодом меньше постоянной времени ВТСП-катушки возбуждения. 17. The method according to any one of paragraphs. 14-16, wherein the second current is a combination of direct and alternating currents such that the current varies sinusoidally with an average value opposite in sign to the first current and a period less than the HTS drive coil time constant. 18. Способ разгружения катушки возбуждения с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), при этом ВТСП-катушка возбуждения содержит множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор, и электропроводящий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через электропроводящий слой, причем способ содержит подачу второго тока на ВТСП-катушку возбуждения, который меньше первого тока, протекающего в ВТСП-материале.18. A method for unloading a high-temperature superconductor (HTSC) excitation coil, wherein the HTS excitation coil comprises a plurality of turns containing an HTS material and a metal stabilizer, and an electrically conductive layer separating the turns, so that the current can be distributed between the turns through the electrically conductive layer, and the method comprises applying a second current to the HTS excitation coil, which is less than the first current flowing in the HTS material. 19. Способ по п. 18, при этом второй ток является комбинацией постоянного и переменного токов, так что ток изменяется синусоидально со средним значением больше нуля и меньше первого тока и периодом меньше постоянной времени ВТСП-катушки возбуждения. 19. The method of claim 18, wherein the second current is a combination of DC and AC such that the current varies sinusoidally with an average greater than zero and less than the first current and a period less than the HTS drive coil time constant. 20. Способ нагрева катушки возбуждения с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП), при этом ВТСП-катушка возбуждения содержит множество витков, содержащих ВТСП-материал и металлический стабилизатор, и электропроводящий слой, разделяющий витки, так что ток может распределяться между витками через электропроводящий слой, причем способ содержит подачу комбинированного постоянного и переменного тока на ВТСП-катушку возбуждения.20. A method for heating a high-temperature superconductor (HTSC) excitation coil, wherein the HTS excitation coil comprises a plurality of turns containing an HTS material and a metal stabilizer, and an electrically conductive layer separating the turns so that current can be distributed between the turns through the electrically conductive layer, wherein the method comprises applying a combined direct and alternating current to an HTS excitation coil. 21. Способ по п. 20, при этом постоянный ток равен току в ВТСП-материале ВТСП-катушки возбуждения.21. The method of claim 20, wherein the DC current is equal to the current in the HTS material of the HTS drive coil.
RU2021117959A 2018-11-22 2019-11-21 Quick reset of a partially insulated superconducting magnet RU2799587C2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1819036.3 2018-11-22
GB1905168.9 2019-04-11

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2023117394A Division RU2023117394A (en) 2018-11-22 2019-11-21 QUICK RESET OF A PARTIALLY INSULATED SUPERCONDUCTING MAGNET

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021117959A RU2021117959A (en) 2022-12-22
RU2799587C2 true RU2799587C2 (en) 2023-07-06

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1101652A (en) * 1964-01-31 1968-01-31 Siemens Ag Superconductive coils
WO2007054366A1 (en) * 2005-11-14 2007-05-18 Zenergy Power Gmbh Primary part of a linear motor and linear motor therewith
US9117578B2 (en) * 2012-03-13 2015-08-25 Massachusetts Institute Of Technology No-insulation multi-width winding for high temperature superconducting magnets
US20160086707A1 (en) * 2013-06-17 2016-03-24 Massachusetts Institute Of Technology Partial Insulation Superconducting Magnet
RU171954U1 (en) * 2016-12-28 2017-06-22 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) MAGNETIC SYSTEM WITH A TWO-SECTION HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTING MAGNET
WO2017193129A1 (en) * 2016-05-06 2017-11-09 The Florida State University Research Foundation, Inc. Feedback control for no-insulation high-temperature superconducting magnet
RU2653693C2 (en) * 2013-02-18 2018-05-14 Открытое акционерное общество Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности (ВНИИ КП) Superconducting winding

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1101652A (en) * 1964-01-31 1968-01-31 Siemens Ag Superconductive coils
WO2007054366A1 (en) * 2005-11-14 2007-05-18 Zenergy Power Gmbh Primary part of a linear motor and linear motor therewith
US9117578B2 (en) * 2012-03-13 2015-08-25 Massachusetts Institute Of Technology No-insulation multi-width winding for high temperature superconducting magnets
RU2653693C2 (en) * 2013-02-18 2018-05-14 Открытое акционерное общество Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности (ВНИИ КП) Superconducting winding
US20160086707A1 (en) * 2013-06-17 2016-03-24 Massachusetts Institute Of Technology Partial Insulation Superconducting Magnet
WO2017193129A1 (en) * 2016-05-06 2017-11-09 The Florida State University Research Foundation, Inc. Feedback control for no-insulation high-temperature superconducting magnet
RU171954U1 (en) * 2016-12-28 2017-06-22 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) MAGNETIC SYSTEM WITH A TWO-SECTION HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTING MAGNET

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WANG Y et al.: "Influence of turn-to-tum resistivity and coil geometrical size on charging characteristics of no-electrical-insulation REBCO pancake coils", Superconductor Science and Technology, Techno House, Bristol, GB, vol. 29, no. 7, 24 May 2016, page 75006. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7280274B2 (en) Partially insulated HTS coil
EP3884505B1 (en) Rapid dump of partially insulated superconducting magnet
RU2754574C2 (en) Protection against superconductivity disruption in superconducting magnets
RU2799587C2 (en) Quick reset of a partially insulated superconducting magnet
RU2784406C2 (en) System for initiating failure of superconductivity of htsc magnet
US20230010097A1 (en) Hts linked partial insulation for hts field coils
US20230395296A1 (en) High temperature superconductor field coil
EA039430B1 (en) High temperature superconducting field coil
JP2024026128A (en) HTS magnet quench initiation system
Laverick LAVERICK: THE FUTURE OF SUPERCONDUCTING MAGNETS
Derrick Superconducting Magnets in High-Energy Physics: Large-scale magnets that dissipate no electrical power are under construction for high-energy physics research.