Контрольно-измерительное устройство для криогенной системы
Контрольно-измерительное устройство для применения в криогенной системе. Контрольно-измерительное устройство содержит первый (201) и второй (202) проводящие элементы и детектор (205) тока. Первый проводящий элемент содержит высокотемпературный сверхпроводник, ВТСП, и предназначен для подключения к источнику (203) тока и введения в криогенную систему. Второй проводящий элемент содержит ВТСП и соединен параллельно с первым проводящим элементом посредством первого и второго стыков (204). Детектор тока выполнен с возможностью детектировать ток во втором проводящем элементе. Когда ВТСП в каждом из первого и второго проводящих элементов находится в сверхпроводящем состоянии, сопротивление RT первого проводящего элемента между первым и вторым стыками меньше, чем сумма RB сопротивления второго проводящего элемента между первым и вторым стыками и сопротивлений первого и второго стыков, RT<RB. Технический результат заключается в снижении нарушений сверхпроводимости. 6 н. и 24 з.п. ф-лы, 9 ил.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к контрольно-измерительному устройству для криогенной системы. В частности, изобретение относится к системе для измерения и контроля (мониторинга) критического тока сверхпроводящего материала внутри криогенной системы (например, сверхпроводящего магнита). Эта информация может быть использована для обнаружения нарушений сверхпроводимости в сверхпроводящих системах.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сверхпроводящий магнит представляет собой электромагнит, образованный из обмоток со сверхпроводящим материалом. Поскольку обмотки магнита имеют нулевое сопротивление, сверхпроводящие магниты могут нести большие токи с нулевыми потерями (хотя и будут некоторые потери из-за несверхпроводящих компонентов) и могут поэтому достигать полей высоких напряженностей с меньшими потерями, чем обычные электромагниты.
Сверхпроводимость возникает лишь в определенных материалах и только при низких температурах. Сверхпроводящий материал будет вести себя как сверхпроводник в области, определяемой критической температурой сверхпроводника (наивысшая температура, при которой материал является сверхпроводником в нулевом приложенном магнитном поле) и критическим полем сверхпроводника (наибольшее магнитное поле, в котором материал является сверхпроводником при 0К). Температура сверхпроводника и имеющееся магнитное поле ограничивают ток, который может проводиться сверхпроводником без того, чтобы сверхпроводник становился резистивным (или «нормальным», причем этот термин используется здесь в значении «несверхпроводящий»). Существует два типа сверхпроводящего материала: сверхпроводники I рода полностью исключают проникновение магнитного потока и имеют низкое критическое поле, а сверхпроводники II рода позволяют магнитному потоку проникать через сверхпроводник выше нижнего критического поля в пределах локализованных нормальных областей, называемых вихрями потока. Они перестают быть сверхпроводящими при верхнем критическом поле. Эта особенность позволяет использовать их в проводах для создания сверхпроводящих магнитов. Прилагаются значительные усилия, чтобы «прицепить» вихревые участки потока к атомной решетке, что улучшает критический ток при более высоких магнитных полях и температурах.
Сверхпроводящие материалы обычно подразделяются на «высокотемпературные сверхпроводники» (ВТСП) и «низкотемпературные сверхпроводники» (НТСП). НТСП, такие как Nb и NbTi, представляют собой металлы или металлические сплавы, сверхпроводимость которых может быть описана теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Все низкотемпературные сверхпроводники имеют критическую температуру (температуру, выше которой материал не может быть сверхпроводящим даже в нулевом магнитном поле) ниже примерно 30К. Поведение ВТСП не описывается теорией БКШ, и такие материалы могут иметь критические температуры выше примерно 30К (хотя следует отметить, что именно физические различия в составе и работе сверхпроводника, а не критическая температура, определяют ВТСП и НТСП материалы). Наиболее часто используемые ВТСП - это «купратные сверхпроводники» - керамика на основе купратов (соединений, содержащих группу оксида меди), такие как BSCCO или ReBCO (где Re - редкоземельный элемент, обычно Y или Gd). Другие ВТСП включают пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборат магния (MgB2).
ReBCO обычно изготавливается в виде лент со структурой, показанной на фиг. 1. Такая лента 500 обычно имеет толщину приблизительно 100 микрон и включает в себя подложку 501 (обычно из электрополированного хастеллоя толщиной приблизительно 50 микрон), на которую ионно-лучевым осаждением (IBAD), магнетронным распылением или другим подходящим методом нанесен ряд буферных слоев, известных как буферный пакет 502, с приблизительной толщиной 0,2 мкм. Эпитаксиальный слой 503 ВТСП - ReBCO (нанесенный методом MOCVD или другим подходящим методом) покрывает буферный пакет и обычно имеет толщину 1 микрон. На слой ВТСП нанесен слой 504 серебра толщиной 1-2 микрона магнетронным распылением или другим подходящим методом, а на ленту гальваническим или другим подходящим методом нанесен слой 505 медного стабилизатора, который часто полностью инкапсулирует ленту.
Подложка 501 обеспечивает механическую основу, которая может подаваться через производственную линию и позволяет выращивать последующие слои. Буферный пакет 502 необходим для обеспечения биаксиально текстурированного кристаллического шаблона, на котором наращивается слой ВТСП, и предотвращает химическую диффузию элементов из подложки в ВТСП, которая нарушает его сверхпроводящие свойства. Слой 504 серебра необходим для обеспечения низкорезистивной границы раздела от ReBCO к слою стабилизатора, а слой 505 стабилизатора обеспечивает альтернативный путь тока в том случае, когда какая-либо часть ReBCO прекращает быть сверхпроводящей (переходит в «нормальное» состояние).
Одной из проблем, которые могут возникнуть в сверхпроводящих магнитах, является нарушение сверхпроводимости. Нарушение сверхпроводимости происходит, когда часть сверхпроводящего провода или обмотки переходит в резистивное состояние (иногда известное как «становление нормальным»). Это может происходить из-за колебаний температуры или магнитного поля, или физического повреждения или дефектов в сверхпроводнике (например, из-за нейтронного облучения, если магнит используется в термоядерном реакторе). Из-за высоких токов, присутствующих в магните, когда даже небольшая часть сверхпроводника становится резистивной, она быстро нагревается. Все сверхпроводящие провода снабжены каким-то медным стабилизатором для защиты от нарушения сверхпроводимости. Медь обеспечивает альтернативный путь тока, если сверхпроводник становится нормальным. Чем больше присутствует меди, тем медленнее поднимается температура в горячем пятне, которое образуется вокруг области проводника с нарушенной сверхпроводимостью.
В НТСП-магнитах, когда происходит нарушение сверхпроводимости, «нормальная зона» будет распространяться быстро - порядка нескольких метров в секунду. Это происходит из-за низкой теплоемкости всех материалов при низкой температуре и того факта, что НТСП обычно работают намного ближе к своим критическим температурам. Это означает, что нарушение сверхпроводимости распространяется быстро в НТСП-магните, и накопленная энергия магнитного поля, рассеиваемая при нарушении сверхпроводимости, будет распространяться по всему магниту, равномерно нагревая его.
Электрическое поле (т.е. напряжение на единицу длины) внутри ВТСП-ленты находится в сильно нелинейной зависимости от транспортного тока:
,
где E0=1 мкВ/см - определенный критерий критического тока, IC - критический ток ленты, а n - экспериментальный параметр, который моделирует резкость перехода от сверхпроводящего к нормальному состоянию; n обычно находится в диапазоне 20-50 для ReBCO. В зависимости от значения n, напряжение пренебрежимо мало для меньших значений α=I/IC, чем примерно 0,8. Критический ток может быть уменьшен за счет температуры, внешних магнитных полей, деформации ленты и других факторов.
ВТСП эксплуатируются при высоких температурах и имеют более высокую удельную теплоемкость, поэтому энергия, необходимая для приведения участка провода в нормальное состояние, намного выше. Это означает, что нарушения сверхпроводимости в сконструированных должным образом ВТСП-магнитах гораздо менее вероятны, чем в НТСП-магнитах. Однако это также означает, что скорость распространения нормальной зоны намного медленнее - порядка нескольких миллиметров в секунду по сравнению с метрами в секунду в НТСП-магнитах. Поскольку нарушение сверхпроводимости будет первоначально влиять только на небольшой объем магнита, только эта область будет резистивной, и поэтому энергия, рассеиваемая во время нарушения сверхпроводимости, будет сбрасываться в этот небольшой объем (или, более конкретно, в медь, куда отводится ток из нормальной зоны). Это концентрирование энергии может привести к необратимому повреждению ВТСП-ленты, например, плавлению, дуговому разряду и т. д. Это дополнительно усугубляется тем, что ВТСП-магниты обычно охлаждаются косвенным образом, а не погружаются в ванну с жидким теплоносителем - поэтому охлаждающая способность «пятна» снижается по сравнению с НТСП-магнитами.
Энергия, запасенная в магнитном поле, определяется как:
То есть чем больше плотность потока и чем больше радиус, тем больше запасенная энергия магнита. Энергия, высвобождаемая большим магнитом, может быть примерно такого же порядка, что и многие килограммы тротила. Для НТСП-магнита эта энергия может быть рассеяна нагреванием всего магнита. Для ВТСП-магнита аналогичного размера без защиты от нарушения сверхпроводимости эта энергия может быть рассеяна в небольшой доле объема магнита. Как правило, большому ВТСП-магниту требуется активная система защиты от нарушения сверхпроводимости, содержащая фазу детектирования, в течение которой нарушение сверхпроводимости детектируется до того, как произошел значительный нагрев, после чего следует фаза рассеивания, в течение которой ток магнита быстро понижается до того, как температура горячего пятна поднимется слишком высоко.
Большинство построенных на сегодняшний день ВТСП-магнитов (с использованием проводников с покрытием из BSCCO и ReBCO) фактически не имеют защиты от нарушения сверхпроводимости. Это связано с тем, что в основном они являются небольшими, недорогими прототипами с небольшой запасенной энергией, а также потому, что, как уже упоминалось, нарушение сверхпроводимости в хорошо спроектированном ВТСП-магните должно иметь очень низкую вероятность. Поэтому решение о том, следует ли защищать ВТСП-магнит от нарушения сверхпроводимости, по сути, является экономическим: маленький прототипный магнит можно относительно легко отремонтировать в том редком случае, когда в нем произошло нарушение сверхпроводимости. Как следствие, технология защиты от нарушения сверхпроводимости для ВТСП-магнитов все еще остается несовершенной.
Одно из своих применений ВТСП-магниты находят в термоядерных реакторах типа токамака. Работающий термоядерный реактор типа токамака представляет собой очень «шумную» электромагнитную среду, в которой нужно проводить чувствительные электрические измерения. Это представляет проблему для систем детектирования нарушений сверхпроводимости в ВТСП, потому что электромагнитный шум может превосходить и затенять обычно небольшие напряжения, указывающие на то, что происходит нарушение сверхпроводимости, возможно, до тех пор пока не станет слишком поздно, чтобы предпринять превентивные действия.
Система детектирования нарушения сверхпроводимости для токамака была описана в WO2016/052712. Проводящий элемент в виде отрезка ВТСП-ленты, называемый «осведомительной лентой» (или «лентой-осведомителем», от англ. "canary tape"), вставляется в магнит токамака и термически соединяется с другими проводящими элементами (лентами) в магните, оставаясь при этом электрически изолированным от них. Осведомительная лента подключается к отдельному источнику питания и работает при более высокой доле своего критического тока, чем другие ленты в магнитопроводе, так что она перестает сверхпроводить при более низкой температуре (или более низком магнитном поле/деформации/ и т.д.), чем другие ленты. Напряжение начнет повышаться, когда температура осведомительной ленты превысит эту температуру, обеспечивая предупреждение о том, что возникло горячее пятно, и нарушение сверхпроводимости в магните неизбежно или идет полным ходом. Такая система также может использоваться для детектирования изменений температуры и/или магнитного поля в других криогенных или сверхпроводящих системах.
Однако напряжение на осведомительной ленте, вероятно, будет небольшим и трудно детектируемым, особенно в таких системах, как токамаки, которые по своей природе работают со значительным электромагнитным шумом. Существует также вероятность того, что осведомительная лента будет необратимо повреждена, если нарушение сверхпроводимости в осведомительной ленте не будет детектировано достаточно быстро.
Другое потенциальное использование ВТСП-магнитов - в установках протонной лучевой терапии. Протонная лучевая терапия (ПЛТ, также известная как протонная терапия) является типом терапии частицами, используемой при лечении рака (и других состояний, которые реагируют на лучевую терапию). В процессе ПЛТ пучок протонов направляется к месту лечения (например, к опухоли).
Другой, аналогичной терапией является бор-протонозахватная терапия (БПЗТ), при которой бор-11 вводится в целевое местоположение, а пучок протонов используется для инициирования реакции p+11B → 3α. Один и тот же аппарат можно использовать для обеспечения пучков протонов либо для ПЛТ, либо для БПЗТ.
Пучки протонов для ПЛТ и БПЗТ генерируются ускорителями частиц, такими как циклотроны или линейные ускорители. Ускорители, обычно используемые для ПЛТ и БПЗТ, обычно дают протоны с энергиями в диапазоне от 60 до 250 МэВ, причем самая мощная работающая в настоящее время установка имеет максимальную энергию 400 МэВ.
Вообще говоря, существует два типа конструкции установок ПЛТ, которые допускают изменение угла пучка. В конструкции первого типа, как проиллюстрировано на фиг. 8, ускоритель 3001 устанавливают на гентри 3002, которая позволяет ему вращаться вокруг пациента 3003 (обычно вокруг горизонтальной оси). Пациента помещают на подвижную кровать 3004, которая обеспечивает дополнительные степени свободы (например, поступательное движение и поворот вокруг вертикальной оси).
Второй тип конструкции проиллюстрирован на фиг. 9. Ускоритель 4001 неподвижен, а пучок направляется к пациенту через отклоняющие магниты 4002 (обычно включающие как квадрупольные, так и дипольные магниты), по меньшей мере некоторые из которых располагаются на гентри 4003, так что пучок может быть повернут вокруг пациента 4004 (например, вокруг горизонтальной оси). Пациент размещается на подвижной кровати 4005.
Любая конструкция требует, чтобы гентри удерживала электромагниты, способные отклонять протоны при энергии пучка, которая может достигать 400 МэВ. Это требует очень сильных магнитных полей, и поэтому использование ВТСП-магнитов может значительно уменьшить массу и размер электромагнитов и гентри, необходимой для их перемещения. ВТСП-магниты могут быть использованы в ускорителе, квадрупольных магнитах отклоняющих магнитов или дипольных магнитах отклоняющих магнитов.
Детектирование нарушения сверхпроводимости имеет особую важность в установке ПЛТ, поскольку движение гентри может мешать системам охлаждения и повышать вероятность возникновения горячих пятен. Кроме того, ВТСП-магниты располагаются относительно близко к пациенту, а значит первостепенно важно, чтобы энергия сбрасывалась контролируемым и безопасным способом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту изобретения предлагается контрольно-измерительное устройство для применения в криогенной системе. Контрольно-измерительное устройство содержит первый и второй проводящие элементы и детектор тока. Первый проводящий элемент содержит высокотемпературный сверхпроводник, ВТСП, и предназначен для подключения к источнику тока и введения в криогенную систему. Второй проводящий элемент содержит ВТСП и соединен параллельно с первым проводящим элементом посредством первого и второго стыков. Детектор тока выполнен с возможностью детектировать ток во втором проводящем элементе. Когда ВТСП в каждом из первого и второго проводящих элементов находится в сверхпроводящем состоянии, сопротивление, RT, первого проводящего элемента между первым и вторым стыками меньше, чем сумма, RB, сопротивления второго проводящего элемента между первым и вторым стыками и сопротивлений первого и второго стыков, RT<RB.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается контрольно-измерительная система, содержащая множество контрольно-измерительных устройств согласно первому аспекту и контроллер, выполненный с возможностью отслеживать токи, детектированные каждым контрольно-измерительным устройством.
Согласно третьему аспекту изобретения предлагается сверхпроводящий магнит, содержащий ВТСП-обмотку возбуждения и контрольно-измерительное устройство согласно первому аспекту или контрольно-измерительную систему согласно второму аспекту, причем упомянутый или каждый первый проводящий элемент размещен смежно с ВТСП-обмоткой возбуждения.
Согласно четвертому аспекту изобретения предлагается система защиты от нарушения сверхпроводимости для применения в сверхпроводящем магните, содержащая контрольно-измерительную систему согласно первому аспекту и систему для сброса энергии из сверхпроводящего магнита. Контроллер контрольно-измерительной системы выполнен с возможностью идентифицировать снижения критических токов первых проводящих элементов контрольно-измерительных устройств на основе токов, детектированных во вторых проводящих элементах соответствующих контрольно-измерительных устройств. Контроллер выполнен с возможностью идентифицировать условия, вероятно приводящие к нарушению сверхпроводимости, на основании быстрого снижения критических токов, иденцифицированного для одного или более контрольно-измерительных устройств. Контроллер контрольно-измерительной системы выполнен с возможностью запускать систему для сброса энергии из сверхпроводящего магнита в зависимости от идентификации условий, вероятно вызывающих нарушение сверхпроводимости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схематическая иллюстрация ВТСП-ленты;
Фиг. 2 - схематическая иллюстрация контрольно-измерительного устройства;
Фиг. 3 - эквивалентная схема для устройства по фиг. 2;
Фиг. 4А - график, показывающий ток, подаваемый на контрольно-измерительное устройство;
Фиг. 4B-4D - графики, показывающие ток через шунтирующую ленту контрольно-измерительного устройства;
Фиг. 5 - схематическая иллюстрация набора осведомительных лент;
Фиг. 6А и 6В - схематические иллюстрации изборождённых осведомительных лент; и
Фиг.7 - схематическая иллюстрация пары контрольно-измерительных устройств;
Фиг. 8 - схематическая иллюстрация установки протонно-лучевой терапии;
Фиг. 9 - схематическая иллюстрация другой установки протонно-лучевой терапии.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Как отмечалось выше, использование проводящего элемента в виде осведомительной ленты затруднено низким отношением сигнал/шум создаваемого напряжения, особенно в средах со значительными электрическими помехами (например, токамаки и другие магниты большой мощности, которые относятся к ряду основных потребителей ВТСП, и поэтому в противном случае были бы наиболее полезными системами для защиты с помощью осведомительной ленты). И хотя это может быть частично смягчено использованием более высоких токов в осведомительной ленте для наведения более высокого напряжения, когда осведомительная лента становится нормальной, создание измеримого напряжения в осведомительной ленте могло бы все еще потребовать, чтобы достаточный участок осведомительной ленты стал нормальным, так что очень вероятно повреждение осведомительной ленты. Хотя использование осведомительной ленты может предотвратить повреждение магнитов (так как она потеряет сверхпроводимость раньше основной обмотки магнита), необходимость балансировать между низким отношением сигнал/шум и необходимостью замены осведомительной ленты значительно снижает ее полезность (и даже при больших токах отношение сигнал/шум может быть недостаточным). По сути, желательно обеспечить осведомительную ленту с улучшенным отношением сигнал/шум.
Контрольно-измерительное устройство, содержащее осведомительную ленту, позволяющее косвенно измерять напряжение, показано на фиг. 2. Контрольно-измерительное устройство по фиг. 2 содержит первый проводящий элемент в виде осведомительной ленты 201 для введения в криогенную систему (например, включения в конструкцию обмотки сверхпроводящего магнита) и второй проводящий элемент в виде шунтирующей ленты 202. Оба проводящих элемента содержат ВТСП (в этом примере – в форме ленты) и выполнены имеющими минимальную индуктивность (например, отгибаются обратно на самих себя, чтобы минимизировать площадь образовавшегося контура). Будучи сверхпроводящим, ВТСП не будет иметь никакого сопротивления, но другие части осведомительной ленты 201 или шунтирующей ленты 202 могут быть резистивными (например, стыки, позволяющие ленте «поворачивать за угол»). Осведомительная лента 201 подключена к источнику 203 тока. Шунтирующая лента 202 соединена параллельно с осведомительной лентой посредством стыков 204, которые могут быть резистивными. Должен быть по меньшей мере некоторый резистивный (несверхпроводящий) материал, включенный в путь тока, который включает в себя шунтирующую ленту и стыки. Этот резистивный материал может присутствовать в стыках 204 и/или где-либо вдоль шунтирующей ленты 202. Для детектирования тока в шунтирующей ленте предусмотрен детектор 205 тока.
Фиг. 3 показывает эквивалентную схему для прибора по фиг. 2. Суммарное сопротивление RB стыков 204 и любых резистивных несверхпроводящих участков шунтирующей ленты 202 больше, чем сопротивление RT несверхпроводящих участков (если таковые имеются) осведомительной ленты 201 между стыками. Сопротивления HTSB и HTST участков ВТСП шунтирующей ленты и осведомительной ленты соответственно равны нулю, когда ток через ВТСП значительно меньше критического тока, т.е. когда обе ленты являются сверхпроводящими. Таким образом, когда источником 203 тока подается ток, он будет течь в осведомительной ленте 201, и лишь незначительная величина будет протекать в шунтирующей ленте 202, и поэтому детектором 205 тока будет детектироваться небольшой ток или его отсутствие.
Когда входной ток I составляет значительную долю критического тока IC осведомительной ленты 201 (например, I>0,8IC), сопротивление ВТСПT материала ВТСП в осведомительной ленте станет значительным и на осведомительной ленте появится напряжение.
где L - длина нормального участка. Это напряжение заставит ток течь через стыки 204 и шунтирующую ленту 202. Этот ток детектируется детектором 205 тока. На практике это приведет к уменьшению тока IT через осведомительную ленту и, следовательно, к более низкому напряжению, но принцип, согласно которому измеряемый ток будет течь через шунтирующую ленту, когда I близок к IC, остается независимо - фактический ток IB относительно сложен для вычисления, но его можно определить как решение системы совместных уравнений (например, закона Кирхгофа для тока и напряжения и приведенного выше выражения для VHTS, т.е. VВТСП), или измерено экспериментально в целях калибровки. Однако такая точная калибровка не требуется для базового функционирования контрольно-измерительного устройства (например, для простого детектирования нарушения сверхпроводимости), так как любой детектированный ток в шунтирующей ленте выше фонового шума указывает на то, что ток в осведомительной ленте близок к критическому току.
Поскольку полное нарушение сверхпроводимости не требуется для того, чтобы обеспечить измеримое напряжение на осведомительной ленте, контрольно-измерительное устройство согласно настоящему раскрытию может рассматриваться как «детектор критической поверхности» или «детектор критического тока», а не только как «детектор нарушения сверхпроводимости», т.е. система по настоящему раскрытию отслеживает критический ток осведомительной ленты или детектирует изменения в критическом токе, а не просто обнаруживает нарушения сверхпроводимости.
Преимущество описанного выше контрольно-измерительного устройства состоит в том, что, когда осведомительная лента помещена в сверхпроводящую обмотку возбуждения, чтобы детектировать условия, вызывающие снижение критического тока, шунтирующая лента может быть помещена в электромагнитно тихом месте вдали от магнита (т.е. там, где нет или мало электромагнитных помех), так что ток может измеряться с меньшим уровнем шума.
Основным примером, использованным в этом документе, будет сверхпроводящий магнит и применение осведомительной ленты для детектирования условий, которые могут привести к нарушению сверхпроводимости у такого магнита. Однако следует понимать, что раскрытое здесь контрольно-измерительное устройство может быть использовано во всем разнообразии криогенных или сверхпроводящих систем для того, чтобы детектировать изменения температуры, магнитного поля, потока нейтронов или ионизирующего излучения, деформации или других условий, которые могут менять критический ток ВТСП.
Основное преимущество устройства заключается в том, что его можно использовать в качестве распределенного датчика. Очень длинная осведомительная лента позволяет пользователю мониторить пространство большой величины. Размеры практически не ограничены, поскольку в сверхпроводнике в его сверхпроводящем состоянии отсутствуют омические потери или падения напряжения. Например, ведутся работы по использованию сверхпроводников для передачи тока на многие километры. Теоретически было бы возможно мониторить кабель для такой передачи, используя единственную осведомительную ленту по всей его длине, потенциально заменяя сотни или даже тысячи отдельных локализованных датчиков.
Для измерения тока в шунтирующей ленте могут использоваться различные методы, например:
• магнитное поле, создаваемое шунтирующей лентой, может быть измерено датчиком Холла, или же изменение магнитного поля может быть измерено по индукции в контуре, имеющем высокую взаимную индуктивность с шунтирующей лентой;
• тензометр может быть подключен к двум параллельным участкам шунтирующей ленты, и может быть измерена сила взаимодействия участков (которая будет зависеть от тока и может быть увеличена путем обеспечения дополнительного фонового поля, например, с использованием постоянных магнитов);
• другие методы измерения тока, известные в данной области техники.
Измерение тока может проводиться в области низкого поля вдали от магнита и/или внутри «магнитного экрана», такого как сверхпроводящий объемный магнит для экранирования любого фонового поля.
Различные улучшения могут быть проделаны в осведомительной ленте для того, чтобы получить больше сведений о состоянии магнита путем отслеживания тока в шунтирующей ленте.
Например, на осведомительную ленту может быть подан модулированный или переменный ток с пиковым значением, близким к ожидаемому критическому току осведомительной ленты во время нормальной работы магнита. Это может быть чисто переменный ток или комбинация переменного и постоянного токов (то есть модулированный ток), так что суммарный пиковый ток близок к критическому току. Использование чисто переменного тока позволяет пренебречь влиянием индуцированных токов в осведомительной ленте (поскольку они будут оказывать противоположное влияние на положительные и отрицательные токи осведомительной ленты), тогда как использование комбинации переменного и постоянного токов может позволить повысить чувствительность детектирования (поскольку ток проводит большую часть цикла вблизи критического тока ленты). График, показывающий примерную форму волны модулированного тока, показан на рисунке 4А. Фиг. 4B-4D показывают ток, измеренный в шунтирующей ленте, где критический ток имеет значения от B до D соответственно, как показано на фиг. 4A. В каждом случае ток протекает в шунтирующей ленте только тогда, когда ток в осведомительной ленте превышает критический ток. Этот пример упрощен тем, что любой ток в шунтирующей ленте отмечен как «1». На практике в шунтирующей ленте будет увеличивающийся ток по мере приближения тока осведомительной ленты к критическому току, но переход будет относительно резким. Как можно видеть, сигнал будет измеряться в течение доли периода критического тока, которая зависит от критического тока осведомительной ленты. Поскольку этот сигнал будет синхронизирован с подаваемым модулированным током, для повышения чувствительности измерения тока могут использоваться методы фазочувствительного («синхронного») детектирования, известные в данной области техники, например синхронный усилитель. Пока критический ток находится между минимальным и максимальным входным током, чем ниже критический ток в осведомительной ленте, тем выше будет коэффициент заполнения импульсной последовательности выходного сигнала (т.е. тем больше времени в течение каждого цикла будет детектироваться ток выше фонового шума).
Использование переменного или модулированного входного тока позволяет осуществлять постоянное слеживание за критическим током осведомительной ленты. В зависимости от изменений критического тока в отдельных лентах и разных критических токов разных лент могут быть сделаны выводы о разных свойствах магнита. Например, падение критического тока для одной осведомительной ленты или небольшой группы близко расположенных осведомительных лент, вероятно, обусловлено повышением температуры. Временное или внезапное падение в более широко разнесенной группе осведомительных лент (например, во всех лентах на одной обратной ветви), вероятно, обусловлено деформацией в магните или изменением магнитного поля, особенно если падение критического тока связанно с ориентацией осведомительной ленты. Постепенное снижение критического тока во времени для большого числа осведомительных лент может быть обусловлено нейтронным повреждением лент, там, где ленты используются в термоядерном реакторе. Поскольку осведомительные ленты располагаются в непосредственной близости от ВТСП-обмоток возбуждения магнита, снижения критического тока осведомительных лент могут быть использованы в качестве «лакмусовой бумажки» для мониторинга «здоровья» или устойчивости магнита, и если критический ток осведомительных лент падает ниже порогового значения или измеренные критические токи показывают другие нежелательные свойства, то может быть включена система защиты от нарушения сверхпроводимости, с помощью которой мощность сбрасывается из магнита (например, на резистивную нагрузку).
Альтернативно или дополнительно, множественные шунтирующие цепи могут быть присоединены к одной осведомительной ленте, причем каждая последующая шунтирующая цепь имеет более высокое сопротивление, и при этом общий критический ток всех шунтирующих лент, за исключением той, которая имеет наибольшее сопротивление, меньше, чем подаваемый на осведомительную ленту ток (и, следовательно, меньше пикового критического тока, т.е. критического тока при низкой температуре и в отсутствие внешнего магнитного поля, осведомительной ленты). Например, в случае, где подаваемый на осведомительную ленту ток равен 100 А, может быть предусмотрена шунтирующая цепь B1 со значением критического тока 50 А и сопротивлением R1, и может быть предусмотрена шунтирующая цепь B2 со значением критического тока, большим 50 А, и сопротивлением R2, большим, чем R1. Когда осведомительная лента становится нормальной, если сопротивление осведомительной ленты приблизительно равно R1, то приблизительно 50 А тока будет течь в В1 и небольшая его величина (в зависимости от отношения R2/R1) будет течь в В2. Когда сопротивление осведомительной ленты приблизительно равно R2, 50 А тока все еще будет течь в В1, а значительная часть оставшихся 50 А тока будет течь в В2. Когда сопротивление осведомительной ленты значительно больше, чем R2, 50 A тока будет течь в B1 и приблизительно 50 A тока будет течь в B2. Следовательно, путем измерения и калибровки токов, протекающих в B1 и B2, сопротивление осведомительной ленты (и, следовательно, серьезность любого снижения критического тока в осведомительной ленте) может быть определено с большей точностью, чем при одной шунтирующей ленте. Такой датчик является еще и самозащищающим, если сумма критических токов всех шунтирующих лент больше, чем подаваемый на осведомительную ленту ток.
В аналогичном варианте осуществления может быть обеспечено переменное сопротивление шунта, например, с помощью потенциометра, посредством преднамеренного делания участков шунтирующей ленты нормальными управляемым образом, или посредством нагревания преднамеренно размещенного стыка в шунтирующей цепи. Изменяя сопротивление шунта, можно определить сопротивление осведомительной ленты, так как зависимость тока шунта от сопротивления шунта будет определяться сопротивлением осведомительной ленты и (известным) входным током. Например, в том случае, где ток в шунтирующей ленте равен половине входного тока, сопротивление осведомительной ленты равно сопротивлению шунтирующей ленты.
При установке в магнит осведомительная лента может проходить через области с различными свойствами, например, более высокими или более низкими температурами или магнитными полями, которые будут вызывать изменение критического тока вдоль ленты во время нормальной работы магнита. Чтобы противодействовать этому эффекту и обеспечить равномерную чувствительность ленты по всей ее длине, ширина сверхпроводящей ленты в осведомительной ленте может модулироваться по ее длине для обеспечения практически постоянного значения критического тока во время нормальной работы. Альтернативно или дополнительно, могут быть получены более широкие отрезки осведомительной ленты путем спайки нескольких узких лент вместе.
Осведомительной лентой с постоянной шириной или осведомительной лентой с модулированной шириной, как описано в предыдущем абзаце, невозможно определить, где именно вдоль ленты произошло снижение критического тока. Это может быть достигнуто путем предоставления нескольких параллельных осведомительных лент, каждая из которых имеет «измерительную ширину» (то есть ширину, обеспечивающую уменьшенный критический ток, которая может модулироваться, как описано ранее, чтобы обеспечить практически постоянный IС) вдоль части ее длины и «нечувствительную ширину», которая больше «измерительной ширины» (и, следовательно, обеспечивает более высокий IC) на остальной части ее длины. Располагая такие дорожки так, чтобы участки «измерительной ширины» перекрывались только частично, можно определить местоположение снижения IC, т.е. снижение IC будет детектироваться только на тех лентах, которые имеют «измерительную ширину» в месте снижения IC. Одно примерное выполнение показано на фиг. 5, где 6 лент 5001, 5002, 5003, 5004, 5005, 5006 снабжены участками 5010 «измерительной ширины» и участками 5011 «нечувствительной ширины», чтобы сформировать линейный кодовый датчик с двоичным выходом, например, любое местоположение (с разрешением, равным длине участков «измерительной ширины» ленты 5006) может быть задано двоичным числом, причем лента 5001 обеспечивает самый левый бит, лента 5006 обеспечивает самый правый бит, а другие ленты выполнены соответственно. Например, событие снижения критического тока на каждой из линий 5021 и 5022 дало бы соответствующие двоичные выходные сигналы 001110 и 101011 (где «1» представляет ток, детектируемый на шунтирующей ленте, подключенной к этой осведомительной ленте).
Чтобы снизить ток, требуемый осведомительными лентами, и, таким образом, требование к проводникам для больших токов и их соответствующему охлаждению, осведомительные ленты могут быть выполнены имеющими относительно низкий критический ток (например, путем уменьшения ширины ленты или путем преднамеренного ухудшения характеристик ленты, например, посредством деоксигенации), так что меньший ток зонда все же приведет к чувствительному детектированию. Шунтирующая лента может быть снабжена более высоким критическим током, чем осведомительная лента, что приведет к тому, что осведомительная лента будет «самозащищающей», поскольку токи, достаточно высокие для повреждения осведомительной ленты во время серьезного снижения критического тока, будут полностью перенаправлены в шунтирующую ленту.
Все упомянутые выше уменьшения ширины могут быть достигнуты либо путем прорезания слоя ВТСП осведомительной ленты (например, лазером или гравировальным инструментом), либо путем локального нагрева осведомительной ленты с использованием лазера до той точки, при которой слой ВТСП осведомительной ленты ухудшается, без разрезания других слоев ленты. Подобные методы могут быть использованы для создания «изборождённой осведомительной ленты», где контур осведомительной ленты образуется в одной ленте путем вырезания нечетного числа линий, которые простираются от конца ленты практически до другого конца ленты, причем линии чередуются по тому концу, от которого они простираются. Фиг. 6А и 6В показывают примеры лент с 1 разрезом и 3 разрезами соответственно. Чем больше прорезанных линий, тем больше параллельных каналов ВТСП обеспечивается в ленте, и тем более чувствительной будет осведомительная лента. Это позволяет получить осведомительную ленту без каких-либо резистивных участков в осведомительной ленте - это означает, что на практике может быть достигнут идеальный случай, когда сопротивление осведомительной ленты между стыками равно нулю.
В таком случае для чувствительности осведомительной ленты выгодно, чтобы полное сопротивление RB шунтирующей ленты и стыков было как можно ближе к нулю, но все же было ненулевым. Однако столь низкое сопротивление может под влиянием электрического поля или изменения фонового поля позволить паразитным индуцированным токам протекать в контуре, создаваемом шунтирующей лентой и осведомительной лентой, что вызовет шум при измерениях. При более высоком сопротивлении эти индуцированные токи рассеиваются быстрее. На практике сопротивление шунтирующей ленты может быть выбрано так, чтобы уравновесить эти два фактора для достижения приемлемого отношения сигнал/шум, учитывая условия, в которых используется осведомительная лента. Сопротивление в шунтирующем контуре может быть измерено в целях калибровки путем намеренного уменьшения критического тока осведомительной ленты непостоянным образом (например, нагреванием или прикладыванием магнитного поля), сохраняя при этом шунтирующую ленту сверхпроводящей и подавая ток в осведомительную ленту.
Чтобы уменьшить влияние индуцированных токов на детектирование критического тока, осведомительные ленты и шунтирующие ленты могут быть предусмотрены попарно, причем каждый набор осведомительной ленты и шунтирующей ленты соединен с противоположным направлением, как показано на фиг. 7. Первая осведомительная лента 710 соединена с первой шунтирующей лентой 720 так, что верхняя ножка 721 шунтирующей ленты соединяется с левой ножкой 711 осведомительной ленты, а нижняя ножка 722 шунтирующей ленты соединяется с правой ножкой 712 осведомительной ленты. Вторая осведомительная лента 730 соединена со второй шунтирующей лентой 740 так, что верхняя ножка 741 шунтирующей ленты соединяется с правой ножкой 732 осведомительной ленты, а нижняя ножка 742 шунтирующей ленты соединяется с левой ножкой 731 осведомительной ленты. На обе осведомительные ленты подается ток в одном и том же направлении (например, от левой ножки 711, 731 к правой ножке 712, 732). Осведомительные ленты 710, 730 располагаются друг над другом, и шунтирующие ленты 720, 740 располагаются друг над другом. Таким образом, любые токи, индуцированные в контурах, образованных осведомительными лентами 710, 730 и шунтирующими лентами 720, 740, будут наводиться в противоположных направлениях, и поэтому объединение измерений токов в шунтирующих лентах 720, 740 позволит исключить индуцированные токи.
Осведомительная лента и/или шунтирующая лента не должны быть изготовлены из того же ВТСП-сверхпроводника, как и используемый в обмотках магнита или друг в друге. Фактически, хотя здесь использовались термины «осведомительная лента» и «шунтирующая лента», могут быть использованы неленточные ВТСП-сверхпроводники. Например, осведомительная лента и/или шунтирующая лента могут быть изготовлены из круглых многожильных проводов Bi-2212, форма и механические свойства которых могут позволить им легче встраиваться в выгодные места внутри магнита. В общем, осведомительная лента представляет собой первый проводящий элемент, содержащий ВТСП, а шунтирующая лента представляет собой второй проводящий элемент, содержащий ВТСП и соединенный параллельно с первым проводящим элементом.
Контрольно-измерительные устройства могут быть собраны в контрольно-измерительную систему, причем несколько таких устройств подключены к одному контроллеру, который отслеживает токи, обнаруживаемые в каждой шунтирующей ленте, чтобы определить, когда был снижен критический ток осведомительной ленты. Контроллер может идентифицировать (выявлять) причину снижения в зависимости от характера снижений критического тока, как описано выше. Контроллер может быть подключен к системе защиты магнита от нарушения сверхпроводимости и запускаться для сброса энергии из магнита (посредством системы сброса энергии, такой как сверхпроводящий переключатель и внешнее сопротивление, или другие сбросы энергии, известные в данной области техники), в зависимости от иденцифицированных снижений критического тока. Например, если критический ток отдельной осведомительной ленты падает ниже порогового значения (либо в виде абсолютного значения, либо в процентах от ожидаемого критического тока ленты), то может быть запущена система сброса энергии.
Контрольно-измерительные устройства в такой контрольно-измерительной системе могут быть соединены последовательно с одним источником тока, что приведет к прохождению одинакового тока через каждую осведомительную ленту. Альтернативно, контрольно-измерительные устройства могут быть соединены параллельно с одним источником тока, причем каждая осведомительная лента подключена через резистор, сопротивление которого намного больше (в идеале, по меньшей мере на порядок величины больше, то есть по меньшей мере в 10 раз больше, или по меньшей мере в 100 раз больше), чем значения сопротивления в контрольно-измерительном устройстве. Это приведет к тому, что ток будет разделяться между контрольно-измерительными устройствами в зависимости от этих сопротивлений. В качестве дополнительной альтернативы, контрольно-измерительная система может содержать наборы контрольно-измерительных устройств, соединенных последовательно, причем сами наборы подключены параллельно через резистор. В качестве еще одной альтернативы, могут быть предусмотрены отдельные источники питания для контрольно-измерительных устройств и/или для наборов контрольно-измерительных устройств, соединенных последовательно или параллельно.
Вышеупомянутое раскрытие может быть применено к разнообразию систем с ВТСП-магнитами. В дополнение к термоядерному реактору типа токамака, упомянутому выше в качестве примера, оно может использоваться для ВТСП-магнитов в установках ядерно-магнитно-резонансной визуализации (ЯМР/МРТ), манипулирования магнитными устройствами в немагнитной среде посредством магнитных полей (например, системы роботизированной магнитной навигации для манипулирования медицинскими устройствами внутри пациента) и магнитов для электродвигателей, например для электронных летательных аппаратов. В качестве дополнительного примера, раскрытие может быть применено к установкам протонно-лучевой терапии, содержащим системы ВТСП-магнитов, которые включают в себя раскрытые признаки, причем системы ВТСП-магнитов используются в ускорителе установки ПЛТ, квадрупольных или дипольных отклоняющих магнитах установки ПЛТ, или любом другом магните установки ПЛТ.
1. Контрольно-измерительное устройство для применения в сверхпроводящей или криогенной системе, содержащее:
первый проводящий элемент, содержащий высокотемпературный сверхпроводник, ВТСП, и предназначенный для подключения к источнику тока и введения в сверхпроводящую или криогенную систему;
второй проводящий элемент, содержащий ВТСП и соединенный параллельно с первым проводящим элементом посредством первого и второго стыков; и
детектор тока, выполненный с возможностью детектировать ток во втором проводящем элементе;
при этом, когда ВТСП в каждом из первого и второго проводящих элементов находится в сверхпроводящем состоянии, сопротивление, RT, первого проводящего элемента между первым и вторым стыками меньше, чем сумма, RB, сопротивления второго проводящего элемента между первым и вторым стыками и сопротивлений первого и второго стыков, RT<RB.
2. Контрольно-измерительное устройство по п. 1, в котором первый и/или второй проводящие элементы расположены в виде одной или более пар параллельных элементов, причем элементы каждой пары смежны друг с другом и выполнены с возможностью нести ток в противоположных направлениях.
3. Контрольно-измерительное устройство по любому предшествующему пункту, в котором детектор тока содержит один или более из:
проводящего контура вокруг второго проводящего элемента;
детектора магнитного поля;
датчика Холла; и
тензометра, связанного с двумя участками второго проводящего элемента, которые несут ток в разных направлениях.
4. Контрольно-измерительное устройство по любому предшествующему пункту, содержащее источник тока, выполненный с возможностью подавать ток в первый проводящий элемент.
5. Контрольно-измерительное устройство по п. 4, в котором источник тока модулируется так, чтобы обеспечивать периодически изменяющийся во времени ток.
6. Контрольно-измерительное устройство по п. 5, в котором детектор тока содержит фазочувствительный детектор.
7. Контрольно-измерительное устройство по п. 5 или 6, в котором детектор тока выполнен с возможностью измерять коэффициент заполнения импульсной последовательности тока во втором проводящем элементе.
8. Контрольно-измерительное устройство по любому из пп. 4-7, в котором источник тока выполнен с возможностью обеспечивать пиковый ток, составляющий по меньшей мере 80% критического тока части ВТСП первого проводящего элемента в ходе нормальной работы сверхпроводящей криогенной системы.
9. Контрольно-измерительное устройство по любому предшествующему пункту, в котором первый и/или второй проводящий элемент содержат ВТСП-ленту, имеющую слой ВТСП.
10. Контрольно-измерительное устройство по п. 9, в котором ширина слоя ВТСП варьируется в пределах участка первого проводящего элемента между стыками.
11. Контрольно-измерительное устройство по п. 9, в котором слой ВТСП разделен на множество полос, соединенных последовательно.
12. Контрольно-измерительное устройство по любому предшествующему пункту, в котором детектор тока заключен в магнитный экран.
13. Контрольно-измерительное устройство по п. 12, в котором магнитный экран содержит объемный сверхпроводник.
14. Контрольно-измерительное устройство по любому предшествующему пункту, содержащее третий проводящий элемент, содержащий ВТСП и соединенный параллельно с первым проводящим элементом посредством третьего и четвертого стыков, при этом, когда ВТСП в каждом из первого, второго и третьего проводящих элементов находятся в сверхпроводящем состоянии, сопротивление, RT, первого проводящего элемента между первым и вторым стыками меньше суммы, RB2, сопротивления третьего проводящего элемента между третьим и четвертым стыками и сопротивлений третьего и четвертого стыков, а сумма, RB2, сопротивления третьего проводящего элемента между третьим и четвертым стыками и сопротивлений третьего и четвертого стыков меньше, чем сумма, RB, сопротивления второго проводящего элемента между первым и вторым стыками и сопротивлений первого и второго стыков, RT<RB2<RB, и при этом пиковый критический ток ВТСП третьего проводящего элемента меньше, чем пиковый критический ток ВТСП первого проводящего элемента, и при этом детектор тока дополнительно выполнен с возможностью детектировать ток в третьем проводящем элементе.
15. Контрольно-измерительное устройство по п. 13, содержащее множество дополнительных проводящих элементов, содержащих ВТСП и соединенных параллельно с первым проводящим элементом.
16. Контрольно-измерительное устройство по любому из пп. 1-13, в котором второй проводящий элемент содержит переменное сопротивление.
17. Контрольно-измерительное устройство по п. 16, в котором переменное сопротивление является одним из:
потенциометра;
системы для контролируемого вынуждения ВТСП во втором проводящем элементе становиться нормальным; и
стыка или участка из материала с нормальной проводимостью, имеющего зависящее от температуры сопротивление, и устройства для управления его температурой.
18. Контрольно-измерительная система, содержащая множество контрольно-измерительных устройств по любому предшествующему пункту и контроллер, выполненный с возможностью отслеживать токи, обнаруженные каждым контрольно-измерительным устройством.
19. Контрольно-измерительная система по п. 18, в которой контроллер выполнен с возможностью идентифицировать снижения критических токов первых проводящих элементов контрольно-измерительных устройств на основе токов, обнаруженных во вторых проводящих элементах соответствующих контрольно-измерительных устройств.
20. Контрольно-измерительная система по п. 19, в которой контроллер выполнен с возможностью идентифицировать причину снижения критического тока на основе характера снижений критических токов, иденцифицированных для контрольно-измерительных устройств.
21. Контрольно-измерительная система по любому из пп. 18-20, в которой контроллер выполнен с возможностью идентифицировать условия, вероятно приводящие к нарушению сверхпроводимости, на основе быстрого снижения критических токов, иденцифицированных для одного или более из контрольно-измерительных устройств.
22. Контрольно-измерительная система по любому из пп. 18-21, в которой контрольно-измерительные устройства расположены одной или более парами, причем каждая пара содержит первое и второе контрольно-измерительное устройство, при этом:
первый и второй проводящие элементы первого контрольно-измерительного устройства расположены смежно с соответствующими первым и вторым проводящими элементами второго контрольно-измерительного устройства; и
первое и второе контрольно-измерительные устройства расположены так, что токи в первом проводящем элементе каждого контрольно-измерительного устройства протекают в одном и том же направлении, а токи во втором проводящем элементе каждого контрольно-измерительного устройства протекают в противоположных направлениях.
23. Контрольно-измерительная система по любому из пп. 18-22, в которой:
контрольно-измерительные устройства организованы в один или более наборов, при этом каждый набор содержит контрольно-измерительные устройства, имеющие первые проводящие элементы с различными рисунками областей измерения и областей неизмерения вдоль первого проводящего элемента;
области измерения имеют сниженный критический ток по сравнению с областями неизмерения; и
контроллер выполнен с возможностью идентифицировать местоположение условий, вызывающих снижение критического тока, на основе детектирования тока в поднаборе контрольно-измерительных устройств набора.
24. Контрольно-измерительная система по любому из пп. 18-23, в которой контрольно-измерительные устройства соединены последовательно.
25. Контрольно-измерительная система по любому из пп. 18-23, в которой контрольно-измерительные устройства соединены параллельно, причем каждое контрольно-измерительное устройство соединено последовательно с соответствующим резистором, имеющим по меньшей мере 10-кратное полное сопротивление контрольно-измерительного устройства.
26. Контрольно-измерительная система по любому из пп. 18-23, в которой контрольно-измерительные устройства организованы в одну или более групп, причем контрольно-измерительные устройства в каждой группе соединены последовательно с соответствующим резистором, имеющим по меньшей мере 10-кратное полное сопротивление контрольно-измерительных устройств группы, а группы соединены параллельно.
27. Сверхпроводящий магнит, содержащий ВТСП-обмотку возбуждения и контрольно-измерительное устройство по любому из пп. 1-17 или контрольно-измерительную систему по любому из пп. 18-26, причем упомянутый или каждый первый проводящий элемент размещен смежно с ВТСП-обмоткой возбуждения.
28. Система защиты от нарушения сверхпроводимости для применения в сверхпроводящем магните, содержащая контрольно-измерительную систему по п. 21 и систему для сброса энергии из сверхпроводящего магнита, при этом контроллер контрольно-измерительной системы выполнен с возможностью запускать систему для сброса энергии из сверхпроводящего магнита в зависимости от идентификации условий, вероятно вызывающих нарушение сверхпроводимости.
29. Термоядерный реактор типа токамака, содержащий сверхпроводящий магнит по п. 27, причем ВТСП-обмотка возбуждения представляет собой одну из обмотки возбуждения тороидального или полоидального поля.
30. Установка протонно-лучевой терапии, ПЛТ, содержащая сверхпроводящий магнит по п. 27, причем ВТСП-обмотка возбуждения представляет собой одну из:
обмотки возбуждения ускорителя установки ПЛТ;
дипольного или квадрупольного магнита системы отклонения пучка протонов установки ПЛТ.
