[发明专利]AC电流感应式失超保护系统

说明书

一种用于答复失超信号以开始从超导态到常导态的转变而使超导态中的超导体的至少一部分(110)失超的装置(100)，其包括：器件(120)，用于向超导体的至少一部分(110)提供具有预定强度和/或预定频率的交变(AC)电流，其中，用于提供AC电流的器件(120)包括配置成接收失超信号的控制终端(130)。用于提供AC电流的器件(120)配置成响应于在控制终端(130)处接收失超信号而激活，以使得AC电流流经超导体的至少一部分(110)，其中，预定强度和/或预定频率被选择成使得触发从超导态到常导态的转变。

技术领域

本发明涉及用于使超导体的至少一部分失超的装置和方法，更具体地，涉及AC电流感应式失超保护系统。

背景技术

超导性是欧姆电阻在材料冷却至低于临界温度Tc时消失的材料特性，临界温度Tc取决于例如材料。超导性对于涉及超高电流密度的应用，例如对于用于产生强磁场的磁体，起到尤其重要的作用。例如在核磁共振成像(MRI)、核磁共振(NMR)或加速器中，需要这种强磁体来引导带电粒子束。

为了维持超导态，不仅需要将温度保持在临界值之下。另外，可能的外部磁场以及流经磁体的电流必须低于各自的临界值。因此，在由温度、所施加的磁场和电流密度生成的配置空间内，超导态/常导态之间的转变与表面相关，且横越该表面会导致超导性消失的相变。

可能发生的是，超导体的具体部分经受至常导态的转变，例如，当温度、电流密度和/或所施加磁场局部急剧变化时。这种情况通常被称为失超。如果失超发生在超导磁体的线圈中，则线圈的常导部由于局部的焦耳加热而变热，并可在热区的温度过度升高的情况下损坏超导体。为了避免这些严重后果，需要如下所述的保护系统：该保护系统探测失超，并且在探测到失超时能够快速地提取存储于磁体中的能量，或者能够加强正常区域(导体的常导部)的传播，从而增加沉积热量且降低热区温度的体积。

在这种保护系统中，应当考虑两个方面以：(i)限制超导体中的热区温度；以及(ii)防止对地电压和横穿线圈的电压高。各自的目标限制取决于具体应用。对于加速器磁体，例如，温度目标值可以是400K，但是温度应优选低于300K(或低于100K)以限制线圈中的机械应力。为了防止高压，对地电压将取决于绝缘设计，例如，CERN处的加速器磁体使用以下对地电压：低于5kV且线圈的匝间电压低于500V，并且层间电压等于或小于2kV。取决于应用，这些值也在大范围内变化。在加速器应用中使用的磁体可能需要高达数十kA的电流，该电流必须在几百毫秒中进行放电以限制损坏系统的可能性。

常规保护系统例如为能量提取系统和失超加热器。能量提取系统的特征在于在探测到失超的情况下打开的开关机构；因而促使磁体电流通过能量提取电阻器，并且以时间常数L/R指数地进行放电，其中，R是外电阻，L是磁体的电感。从探测、确认、电源断开和最终保护系统的激活提取电流所需要的总时间对磁体保护至关重要。提取电阻器的尺寸受允许横穿电阻器的最大电压(U＝RT)的限制，因而系统的放电时间常数也受到该最大电压的限制。对于一些磁体，由于电压升得过高而不能提取电流和保护热区，电感对电阻的比率使得其无法通过提取电阻器进行保护。在这种情况下，磁体可由旨在提高失超传播速度从而在磁体线圈上更均匀地沉积热的替代系统来保护。

该系统的示例为失超加热器，即，在超导体外粘接至绝缘层的常导金属带。当探测到失超时，磁体通过对全部失超加热器施加电流来进行保护。通过焦耳加热生成的热例如在相邻的电缆中进行传播，并将该电缆变成常态。目的在于，在尽可能大的线圈体积中引发失超，以使得能量传遍线圈且保持低热区温度。然而，失超加热器依靠横穿绝缘层的热扩散、原本低效的过程，并且可受到高效的氦气冷却的极大影响。