[发明专利]用于低温系统的监控设备

说明书

一种用于在低温系统中使用的监控设备。监控设备包括第一导电元件(201)和第二导电元件(202)以及电流检测器(205)。第一导电元件包括高温超导HTS材料，并且被配置用于连接到电流源(203)并插入到低温系统中。第二导电元件包括HTS材料，并且通过第一接头和第二接头(204)并联连接到第一导电元件。电流检测器被配置为检测第二导电元件中的电流。当第一导电元件和第二导电元件中的每一个中的HTS材料处于超导状态时，在第一接头和第二接头之间的第一导电元件的电阻RT小于在第一接头和第二接头之间的第二导电元件的电阻与第一接头和第二接头的电阻之和RB，RT＜RB。

技术领域

本发明涉及一种用于低温系统的监控设备。具体地，本发明涉及一种用于监控超低温系统(例如，超导磁体)内的超导材料的临界电流的系统。该信息可用于检测超导系统中的失超。

背景技术

超导磁体是由超导材料的线圈形成的电磁体。由于电磁线圈的电阻为零，因此超导磁体可以以零损耗携带高电流(尽管非超导组件会造成一些损耗)，因此可以以比传统电磁体更低的损耗达到高磁场。

超导仅在某些材料中发生，并且仅在低温下发生。在由超导体的临界温度(在零施加磁场下该材料为超导体的最高温度)和超导体的临界场(材料在0K时是超导体的最高磁场)所定义的区域中，超导材料将充当超导体。超导体的温度和存在的磁场限制了超导体可以携带的电流，而不会使超导体变为电阻性的(或“普通(normal)”，在本文中是指“非超导”)。有两种类型的超导材料：I型超导体完全排除了磁通量渗透并且具有低临界场，II型超导体在被称为磁通量涡旋的局部普通区域内允许磁通量穿透低临界场上方的超导体。它们在上临界场处不再超导。该特征使它们能够被用于构造超导磁体的电线中。付出了巨大的努力将磁通量涡旋位点固定到原子晶格，这在较高的磁场和温度下改善了临界电流。

超导材料通常被分为“高温超导体”(HTS)和“低温超导体”(LTS)。LTS材料(例如，Nb和NbTi)是可以通过BCS理论描述其超导性的金属或金属合金。所有低温超导体都具有低于约30K的临界温度(即使在零磁场下，在其以上也无法使材料超导的温度)。HTS材料的行为未由BCS理论描述，并且这种材料可以具有高于约30K的临界温度(尽管应注意的是，定义HTS材料的是超导操作和组成方面的物理差异，而非临界温度)。最常用的HTS是“铜酸盐超导体”-基于铜酸盐(含有氧化铜基团的化合物)的陶瓷，例如，BSCCO或ReBCO(其中，Re是稀土元素，通常为Y或Gd)。其他HTS材料包括铁磷化物(例如，FeAs和FeSe)和二硼酸镁(MgB₂)。

ReBCO通常被制造为带，其结构如图1所示。这种带500通常约为100微米厚，并包括基板501(通常为约为50微米厚的电抛光的哈氏合金)，其上通过IBAD、磁控溅射或另一合适的技术在其上沉积了一系列缓冲层，该缓冲层被称为缓冲堆502，其厚度约为0.2微米。外延ReBCO-HTS层503(通过MOCVD或另一合适的技术沉积)覆盖15在缓冲堆上，并且通常为1微米厚。通过溅射或另一合适的技术在HTS层上沉积1-2微米的银层504，并通过电镀或另一合适的技术将铜稳定剂层505沉积在带上，这通常将带完全封装。

基板501提供了可以通过生产线输送的机械主干，并允许后续层的生长。需要缓冲堆502提供在其上生长HTS层的双轴纹理晶体模板，并防止元素从基板向HTS的化学扩散，该化学扩散破坏HTS的超导性质。需要银层504提供从ReBCO到稳定剂层的低电阻接口，并且在ReBCO的任何部分停止超导(进入“普通”状态)的情况下，稳定剂层505提供备选的电流路径。

在超导磁体中可能发生的一个问题是失超。当超导线或线圈的一部分进入电阻状态(有时被称为“变得普通”)时，就会发生失超。这可能是由于温度或磁场中的波动，或者超导体中的物理损坏或缺陷(例如，如果在聚变反应堆中使用磁体，由中子辐照引起的)。由于磁铁中存在高电流，即使超导体的一小部分变成电阻性，它也会迅速发热。所有超导线都设置有一些用于失超保护的铜稳定剂。如果超导体变得普通，则铜针对电流提供了备选路径。存在的铜越多，在失超导体区域周围形成的热点中温度升高就越慢。