專利名稱：：超導(dǎo)快速開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明大體涉及磁體系統(tǒng)，并且具體的，涉及與超導(dǎo)磁體一起使用的非持久開(kāi)關(guān)。
背景技術(shù)：
：眾所周知，可以通過(guò)將》茲體》欠置在4及度^[氐溫的環(huán)境下(諸如通過(guò)將其封閉在冷卻器或裝有液態(tài)氦或其他冷卻劑的壓力容器中)而將其制成超導(dǎo)。才及度4氐溫將^茲體線圏中的電阻減小到可以忽略的等級(jí)。在斷開(kāi)最初連4妄到線圏的電源后，通過(guò)可忽略的電阻，電流將繼續(xù)相對(duì)不受阻礙的流過(guò)磁體線圈，從而保持磁場(chǎng)。為了在斷開(kāi)電源之后保持^茲體線圈中的電流流動(dòng)，一般需要在4氐溫環(huán)境中以與電源以及/F茲體線圈并聯(lián)連^妄的超導(dǎo)開(kāi)關(guān)來(lái)完成電子電路。超導(dǎo)開(kāi)關(guān)一般由超導(dǎo)導(dǎo)體組成，超導(dǎo)導(dǎo)體在被驅(qū)動(dòng)為非超導(dǎo)狀態(tài)或正常狀態(tài)時(shí)，具有足夠大的電阻以使來(lái)自電源的電流在"上升(rampup)"期間基本上流經(jīng)》茲體線圏。當(dāng)達(dá)到所需的》茲場(chǎng)電流時(shí)，開(kāi)關(guān)返回到其超導(dǎo)狀態(tài)，并且在電源下降(rampdown)時(shí)，磁體電流轉(zhuǎn)換為從電源中流出并流經(jīng)開(kāi)關(guān)。磁體當(dāng)前處于被稱為"持久模式"的狀態(tài)。超導(dǎo)開(kāi)關(guān)通常顯示四種特性。第一，必須能夠容易并快速的從超導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)換(切換)到正常狀態(tài)，以及反之亦然?？梢詫?shí)現(xiàn)其的方式有三種a)熱一通過(guò)將超導(dǎo)材料加熱到超過(guò)其轉(zhuǎn)換溫度；b)磁一通過(guò)施加大于才才沖十臨界磁場(chǎng)的》茲場(chǎng)；c)電一爿尋才才津+中的電流升高到超過(guò)它的臨界電流。熱方法是最常見(jiàn)的。第二，在其正常狀態(tài)中必須具有足夠高的電阻以〗吏在上升期間流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流可以被忽略，從而不會(huì)在冷卻環(huán)境中產(chǎn)生過(guò)多的熱量。第三，開(kāi)關(guān)必須穩(wěn)定。即，除了在需要的轉(zhuǎn)換階段期間以外，不準(zhǔn)從超導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正常狀態(tài)。第四，必須能夠承載與磁體線圏一樣高的電流。傳統(tǒng)的熱型持久開(kāi)關(guān)通過(guò)將超導(dǎo)材料加熱到超過(guò)其超導(dǎo)臨界溫度而工作。一種已知的熱持久開(kāi)關(guān)包括纏繞在超導(dǎo)導(dǎo)線周圍的電阻絲。通過(guò)向電阻絲施加電流從而將超導(dǎo)材料加熱到超過(guò)其臨界溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的超導(dǎo)材并+的正?；?。在超導(dǎo)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中的4兆戰(zhàn)之一是平衡超導(dǎo)狀態(tài)和電阻狀態(tài)之間的最小轉(zhuǎn)換時(shí)間的矛盾需求，以及需要低的熱量輸出以最小化冷卻劑的汽化。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)實(shí)施例，用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁體系統(tǒng)包括超導(dǎo)磁體、開(kāi)關(guān)、以及熱耦合到開(kāi)關(guān)的加熱器元件。超導(dǎo)》茲體^皮構(gòu)造為產(chǎn)生》茲場(chǎng)，以及開(kāi)關(guān)包括并聯(lián)連接到超導(dǎo)磁體的非感應(yīng)超導(dǎo)電流承載路徑。一般的，開(kāi)關(guān)被構(gòu)造為承載其為獲得超導(dǎo)》茲體的全,茲場(chǎng)所需要電流的一部分的電流電平。從以下結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述中，本發(fā)明的上述和其它方面、特征、和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見(jiàn)，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁體系統(tǒng)的電氣示意圖2是根據(jù)本發(fā)明可替換實(shí)施例的磁體系統(tǒng)的電氣示意圖3是示出了4艮據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于產(chǎn)生石茲場(chǎng)的示例性l喿作的流禾呈圖；以及圖4是實(shí)現(xiàn)保護(hù)元件的磁體系統(tǒng)的可替換實(shí)施例的電氣示意圖。具體實(shí)施例方式在下面的詳細(xì)描述中，對(duì)構(gòu)成本i兌明書一部分的附圖進(jìn)4亍參考，該附圖是通過(guò)示出本發(fā)明特定實(shí)施例的方式示出的。本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通^支術(shù)人員可以理解，可以使用其它實(shí)施例，并且在不背離本發(fā)明范圍的前4是下，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、電、以及程序方面的改變。為了方便，將使用示例性材料、尺寸、形狀、以及維度對(duì)磁體系統(tǒng)的各種元件和相關(guān)的超導(dǎo)開(kāi)關(guān)進(jìn)行描述。但是，本發(fā)明不限于所述實(shí)例并且其他構(gòu)造也是可能的并且包括在本公開(kāi)的教導(dǎo)中?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1，其示出了本發(fā)明的》茲體系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的電氣示意圖。具體的，磁體系統(tǒng)l0被示為包括開(kāi)關(guān)組件15和超導(dǎo)磁體20。開(kāi)關(guān)組件包括開(kāi)關(guān)25，其與磁體電連通，并熱耦合到加熱器元件30?？蛇x的射頻(RF)屏蔽件35^皮示為相對(duì)于開(kāi)關(guān)和加熱器元件而設(shè)置，并能有效減少這些元件之間的RF耦合。開(kāi)關(guān)組件的各個(gè)部件:被示為包括在殼體40中。電流源45可用于向》茲體20纟是供電流，以及加熱器電源50向加熱器元件30提供電流。在實(shí)施例中，磁體和開(kāi)關(guān)組4牛的各個(gè)部件均可位于適宜的冷卻環(huán)境(諸如容器55，其使得^茲體和開(kāi)關(guān)的超導(dǎo)屬性得到充分發(fā)揮)中。容器55可以使用設(shè)計(jì)用于容納液態(tài)氦或其他冷卻劑的合適的容器或結(jié)構(gòu)。殼體40可以由不導(dǎo)電的材料制成，并且通常用于容納開(kāi)關(guān)紐/f牛15的各個(gè)部j牛。在殼體和所包4舌的部^f牛老卩處于冷卻環(huán)境的實(shí)施例中，諸如圖l所示，殼體可以還包括保暖材料。這種保暖材^H皮構(gòu)造為阻止熱量從開(kāi)關(guān)25和加熱器元件30傳遞到容納在容器中的周圍的冷卻劑。減少向冷卻劑的熱傳遞減少了在石茲體充電和》文電過(guò)禾呈(3夸在下面詳細(xì)討i侖)中的昂貴的汽4匕。在一個(gè)實(shí)施例中，》茲體20和開(kāi)關(guān)25可以包4舌由例如NbTi、Nb3Sn等制成的適合的超導(dǎo)導(dǎo)線纏繞而成的線圏。f茲體通常能夠提供由電流源45提供的電流控制的一定范圍的》茲場(chǎng)，并且與開(kāi)關(guān)一起工作。開(kāi)關(guān)25包括并聯(lián)連接到磁體的非感應(yīng)電流承載路徑?？蛇x的，開(kāi)關(guān)4皮構(gòu)造為只岸義載其為獲得石茲體20的全;茲場(chǎng)所需電流的一部分(即，少于100%)的電流電平。通過(guò)非限定實(shí)例的方式，開(kāi)關(guān)能夠-故構(gòu)造為只承載其為獲得/磁體20的全》茲場(chǎng)所需電流的大約1%-20%,或更優(yōu)選的大約2%-7%的電流電平。一般的，用于形成磁體20的超導(dǎo)導(dǎo)線可具有從大約25〃m-125Aw到大約6英寸(或更大)的范圍內(nèi)的直徑?！菲濗w可以z使用傳統(tǒng)f茲體才支術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其細(xì)節(jié)對(duì)本發(fā)明不重要。開(kāi)關(guān)25可以由具有拔」供上述電-危7K載電平(currentcarryinglevel)的直徑的超導(dǎo)導(dǎo)線(例如，非包覆雙股纏繞導(dǎo)線)。通常開(kāi)關(guān)25沒(méi)有所需的最小導(dǎo)線直徑。在典型實(shí)施例中，用于開(kāi)關(guān)25的超導(dǎo)導(dǎo)線具有大約5^w-125的直徑，但是也可能是更大的直徑。進(jìn)一步參照?qǐng)D1,將對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的磁體系統(tǒng)的工作進(jìn)4亍描述。最初，容納在容器55中的冷卻劑對(duì);茲體20和開(kāi)關(guān)25進(jìn)行冷卻以使其處于超導(dǎo)狀態(tài)。這時(shí)，磁體系統(tǒng)可根據(jù)由電流源45才是供的電流電平來(lái)產(chǎn)生;茲場(chǎng)。在一些時(shí)候，需要磁體系統(tǒng)產(chǎn)生的^茲場(chǎng)有所改變。磁場(chǎng)的改變可通過(guò)加熱器電源50向加熱器元件30才是供電流，乂人而將開(kāi)關(guān)25加熱到其超導(dǎo)臨界溫度以上來(lái)完成。一旦達(dá)到臨界溫度，開(kāi)關(guān)就從超導(dǎo)狀態(tài)(閉合狀態(tài))轉(zhuǎn)換到非超導(dǎo)電阻狀態(tài)(斷開(kāi)狀態(tài))。當(dāng)開(kāi)關(guān)達(dá)到電阻狀態(tài)時(shí)，電流源45可以調(diào)節(jié)或者改變纟是供纟合》茲體20的電流量。當(dāng)所提供的電流達(dá)到特定或期望的電流值(由磁體產(chǎn)生的期望磁場(chǎng)來(lái)確定)時(shí)，關(guān)閉來(lái)自加熱器電源的功率。這使得加熱器元件30冷卻、從而使開(kāi)關(guān)25冷卻。在開(kāi)關(guān)冷卻時(shí)，其溫度降低到超導(dǎo)臨界溫度之下并轉(zhuǎn)換回超導(dǎo)狀態(tài)(閉合狀態(tài))。與使用持久開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)相反，在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換回超導(dǎo)狀態(tài)后，不切斷由電流源45向^茲體20提供的電流。相反，電流源45保持向》茲體提供電流，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)。由于開(kāi)關(guān)25沒(méi)有被設(shè)計(jì)為將磁體維持在持久模式，所以通常必須保持提供給磁體的功率。這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)不能承載磁體的全磁場(chǎng)電流電平。如果不保持向磁體提供電流，則產(chǎn)生的磁場(chǎng)爿尋減弱，并JU茲體^I尋最終消7磁。應(yīng)該注意，由于感應(yīng)電流噪聲的存在，持續(xù)的向磁體施加電流可能會(huì)影響所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。但是，開(kāi)關(guān)25短路掉了可能被引入到磁體中的任何噪聲。通過(guò)基本重復(fù)上述纟乘作可以再次改變由》茲體20產(chǎn)生的磁場(chǎng)。例如，加熱器電源50可再次向加熱器30提供電流，使開(kāi)關(guān)25被加熱到其超導(dǎo)臨界溫度以上。在開(kāi)關(guān)處于電阻狀態(tài)時(shí)，通過(guò)電流源45提供到磁體20的電流才艮據(jù)將產(chǎn)生的期望》茲場(chǎng)而改變。當(dāng)所施加的電流達(dá)到期望值時(shí)，關(guān)閉加熱器電源，以及開(kāi)關(guān)的溫度降低到超導(dǎo)臨界溫度之下。開(kāi)關(guān)25最終轉(zhuǎn)換回超導(dǎo)狀態(tài)(閉合狀態(tài))。電流源45再次繼續(xù)向》茲體提供電流。通過(guò)本文中4皮露的各種開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的好處包括4交快的充電時(shí)間和減少的冷卻劑汽化。通過(guò)減少開(kāi)關(guān)在超導(dǎo)狀態(tài)和電阻狀態(tài)之間轉(zhuǎn)才灸所需的時(shí)間量可以4是高整個(gè)》茲體充電時(shí)間。例如，開(kāi)關(guān)25經(jīng)歷的轉(zhuǎn)換時(shí)間明顯低于傳統(tǒng)持久開(kāi)關(guān)可能經(jīng)歷的轉(zhuǎn)換時(shí)間。開(kāi)關(guān)25經(jīng)歷的轉(zhuǎn)換時(shí)間(從冷卻或加熱狀態(tài))大約為0.5秒-1.5秒。由于形成開(kāi)關(guān)的導(dǎo)線的較小尺寸，所以這些轉(zhuǎn)換時(shí)間是可能的。^i夬充電時(shí)間的另一個(gè)原因是因?yàn)榭梢砸詾楸葌鹘y(tǒng)持久開(kāi)關(guān)中一般存在的電阻更高的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)25。例如，在實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)25可具有介于大約60ohm-500ohm之間或更高的電阻。較高的開(kāi)關(guān)電阻允許在充電階段向磁體施加更高的充電電壓。較高的充電電壓4爭(zhēng)4匕為在》茲體中達(dá)到所需電流電平的充電時(shí)間的減少。由于將冷卻劑保持在密封容器中是昂貴并且耗時(shí)的過(guò)程，所以需要最小化磁體系統(tǒng)中的冷卻劑汽化。汽化作為由諸如加熱元件30的開(kāi)關(guān)加熱裝置所產(chǎn)生的熱量造成的結(jié)果而發(fā)生。汽化還發(fā)生在^茲體充電階^史，這是因?yàn)樵谠撾A4殳開(kāi)關(guān)25處于電阻(非超導(dǎo))狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)處于電阻狀態(tài)時(shí)，有電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)。該電壓產(chǎn)生熱量，從而導(dǎo)致不期望的冷卻劑汽化。與傳統(tǒng)持久開(kāi)關(guān)相比，由于多個(gè)原因而可以減少由開(kāi)關(guān)25產(chǎn)生的汽化量。首先，開(kāi)關(guān)25通常比傳統(tǒng)持久開(kāi)關(guān)小得多，從而該開(kāi)關(guān)達(dá)到超導(dǎo)臨界狀態(tài)需要較少的熱量。較少的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)闇p少的汽化。另外，減少的充電時(shí)間最小化開(kāi)關(guān)保持在電阻狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度。這減少了有電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)的時(shí)間長(zhǎng)度，這減少了所產(chǎn)生的熱量以及相應(yīng)的汽4b量。由開(kāi)關(guān)25提供的另一好處是與傳統(tǒng)持久開(kāi)關(guān)中的連接要求相比，開(kāi)關(guān)和磁體20之間的連接要求不如傳統(tǒng)持久開(kāi)關(guān)嚴(yán)格。一般的，傳統(tǒng)持久開(kāi)關(guān)在連4妄到》茲體時(shí)需要注意，這是因?yàn)樵撨B4妻導(dǎo)致的過(guò)大電阻量是所不期望的。然而，本發(fā)明沒(méi)有任何這樣的要求，并且由開(kāi)關(guān)到》茲體的連^妾所產(chǎn)生的較高電阻可以包括在開(kāi)關(guān)的全部電阻中。才艮據(jù)一個(gè)實(shí)施例，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)涉及開(kāi)關(guān)25的較高的電阻。例如，當(dāng)對(duì)典型^茲體進(jìn)^f亍充電時(shí)，在開(kāi)關(guān)中流動(dòng)的4壬4可電流都可以表示實(shí)際》茲場(chǎng)的減少。這種測(cè)量可以通過(guò)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線中的電流而4#斷出。但是，得到變暖的持久開(kāi)關(guān)的有效電阻是略有困難的，所以不可能對(duì)這種效應(yīng)進(jìn)行非常精確的補(bǔ)償。開(kāi)關(guān)25使得與其較高的電阻成比例的最小化該問(wèn)題。將在下面舉例示出本發(fā)明的開(kāi)關(guān)和磁體系統(tǒng)的實(shí)施例提供的各種好處。將利用傳統(tǒng)持久開(kāi)關(guān)工作的^f茲體系統(tǒng)與利用開(kāi)關(guān)25工作的相同系統(tǒng)進(jìn)行比較。對(duì)于兩種類型的開(kāi)關(guān)，磁體20將從0特斯拉升高到9特斯拉，每隔0.01特斯拉就停止。以已知的方式對(duì)使用傳統(tǒng)持久開(kāi)關(guān)的》茲體系統(tǒng)進(jìn)行操作。傳統(tǒng)持久開(kāi)關(guān)的電阻為30ohm,以及由加熱器電源才是供的功率為75mW(35mA通過(guò)60ohm)。對(duì)這兩種i殳置，》茲體20具有5V的充電電壓、10享利(H)的感應(yīng)率、以及9特^^立時(shí)的50A的電流。使用開(kāi)關(guān)25的磁體系統(tǒng)的操作如下。每次上升過(guò)程停止時(shí)，開(kāi)關(guān)25被加熱以使其從超導(dǎo)狀態(tài)(閉合狀態(tài))轉(zhuǎn)換為電阻狀態(tài)(斷開(kāi)狀態(tài))。接下來(lái)電流源45向磁體20提供附加電流直到石茲體中的電流達(dá)到期望值。然后，切斷提供到加熱器元件30的電流，并允許開(kāi)關(guān)冷卻，以轉(zhuǎn)換回超導(dǎo)狀態(tài)(閉合狀態(tài))。電流源45甚至在開(kāi)關(guān)達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)之后再次仍然保持向磁體提供電流。停止上升過(guò)程使得可以在產(chǎn)生的磁場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)量。在這種情況中，進(jìn)行了900次獨(dú)立的測(cè)量。通過(guò)非限定性實(shí)例，開(kāi)關(guān)25的電阻為250ohm,以及由加熱器電源50提供的功率為20mW(30mA通過(guò)20ohm)。下表1提供了傳統(tǒng)持久開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)25兩者的測(cè)量時(shí)間的實(shí)例。更具體的，表1描述了將磁體上升到所需》茲場(chǎng)所需要的時(shí)間、斷開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)的時(shí)間(即，開(kāi)關(guān)從超導(dǎo)狀態(tài)(閉合狀態(tài))轉(zhuǎn)換到電阻狀態(tài)(斷開(kāi)狀態(tài))，并返回到超導(dǎo)狀態(tài)(閉合狀態(tài))所花費(fèi)的時(shí)間)、以及獲得900個(gè)獨(dú)立測(cè)量結(jié)果所需要的全部時(shí)間。注意所示出的時(shí)間都是近似的。表1事件傳統(tǒng)持久開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)25上升時(shí)間(t=LAI/V)100秒100秒每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的閉合和斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的時(shí)間60秒1.0秒900次測(cè)量的全部時(shí)間54,000秒900秒前述結(jié)果示出了4艮據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的上述開(kāi)關(guān)使得測(cè)量時(shí)間顯著加快。如表中所示，閉合和斷開(kāi)典型的持久開(kāi)關(guān)肆毛時(shí)大約60秒。這導(dǎo)致獲得900個(gè)測(cè)量結(jié)果的總時(shí)間為大約900分鐘。在這種情況中，開(kāi)關(guān)25比傳統(tǒng)持久開(kāi)關(guān)4丸行得快50倍。如上面所示，與傳統(tǒng)持久開(kāi)關(guān)相比，本發(fā)明的開(kāi)關(guān)和磁體系統(tǒng)的各種實(shí)施例還造成減少了的冷卻劑汽化。下面的表2提供了所涉及的兩種類型的開(kāi)關(guān)的液態(tài)氦汽化的各種參數(shù)的實(shí)例。與以上結(jié)合表1描述的開(kāi)關(guān)設(shè)置相同的開(kāi)關(guān)設(shè)置用于表2中的數(shù)據(jù)。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>這些結(jié)果示出了在操作開(kāi)關(guān)25所需的總能量方面可以實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)省。能量節(jié)省轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)氦的汽化減少。圖2是根據(jù)本發(fā)明可替換實(shí)施例的磁體系統(tǒng)的電氣示意圖。在該圖中，》茲體系統(tǒng)100包括]立于隔離真空105中的開(kāi)關(guān)組4牛15和超導(dǎo)》茲體20。冷卻器110可用于將開(kāi)關(guān)25和》茲體20冷卻到期望的超導(dǎo)溫度。具體的，冷卻器被示為具有與開(kāi)關(guān)熱接觸的熱鏈路(thermallink)115，和與》茲體熱4妄觸的熱《連路120。冷卻器110可<吏用i者如壓縮氣體冷卻器的已知冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其可向》茲體和開(kāi)關(guān)提供使這些元件處于超導(dǎo)所需的冷卻。隔離真空105是通常用于對(duì)容納在隔離真空中的各種部件與外界環(huán)境進(jìn)行熱隔離的一種結(jié)構(gòu)。對(duì)/磁體系統(tǒng)100的#:作可如下進(jìn)行。最初，冷卻器110對(duì)》茲體20和開(kāi)關(guān)25進(jìn)行冷卻以使其處于超導(dǎo)狀態(tài)。此時(shí)，i茲體系統(tǒng)可才艮據(jù)由電流源45提供的電流電平來(lái)產(chǎn)生》茲場(chǎng)。如前述，在》茲體產(chǎn)生》茲場(chǎng)時(shí)沒(méi)有從》茲體20斷開(kāi)由電流源提供的功率。在一些時(shí)^f夷，期望》茲體系統(tǒng)產(chǎn)生的》茲場(chǎng)有所改變?！菲潏?chǎng)的這種改變可以通過(guò)結(jié)合圖1所描述的方式相似的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。即，開(kāi)關(guān)25可被加熱到其超導(dǎo)臨界溫度以上。當(dāng)開(kāi)關(guān)達(dá)到電阻狀態(tài)時(shí)，電流源45可以調(diào)節(jié)或者改變向磁體20提供的電流的量。當(dāng)所提供的電流達(dá)到特定或期望電流值(由,茲體產(chǎn)生的期望》茲場(chǎng)確定)時(shí)，允許開(kāi)關(guān)冷卻并降低到超導(dǎo)臨界溫度之下，并轉(zhuǎn)換回超導(dǎo)狀態(tài)(閉合狀態(tài))。和前述一樣，在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換回超導(dǎo)狀態(tài)之后，未從》茲體20斷開(kāi)電流源45所^是供的功率。一^:的，電流源45保持向》茲體^是供電流，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)。由磁體20產(chǎn)生的磁場(chǎng)基本可以通過(guò)重復(fù)上述操作來(lái)改變。開(kāi)關(guān)25已經(jīng)^皮描述為由超導(dǎo)導(dǎo)線形成。^f旦是，這并不是必須的，并且可替換或額外地-使用能夠提供非感應(yīng)電流岸義載路徑的其他技術(shù)和結(jié)構(gòu)。例如，開(kāi)關(guān)25可以使用包括集成電路的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而電流承載路徑包括薄膜電流承載路徑。本文中披露的各種;茲體系統(tǒng)包括單個(gè)^茲體20和單個(gè)開(kāi)關(guān)組件15。然而，具有多個(gè)》茲體且每個(gè)f茲體者卩具有獨(dú)立的開(kāi)關(guān)紐J牛的》茲體系統(tǒng)也是可能的并包括在本公開(kāi)的教導(dǎo)中。已經(jīng)披露了其中超導(dǎo)磁體用于產(chǎn)生所需磁場(chǎng)的各種實(shí)施例。應(yīng)該理解，這才羊的f茲體可用一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)導(dǎo)線圏，或以一個(gè)或多個(gè)螺線管實(shí)現(xiàn)。圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的示例性操作的流程圖。方框300包括保持提供至超導(dǎo)磁體的電流，該超導(dǎo)磁體4皮構(gòu)造為產(chǎn)生》茲場(chǎng)。如果需要，由超導(dǎo)》茲體產(chǎn)生的》茲場(chǎng)可才艮據(jù)方框305、310、以及315的操作而改變。例如，在方框305處，非持久開(kāi)關(guān)可被加熱到臨界溫度。一般的，非持久開(kāi)關(guān)工作在超導(dǎo)模式中，并且并聯(lián)連接到超導(dǎo)磁體。因此，加熱使得非持久開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換到非超導(dǎo)模式。在方框310處，可以改變提供到超導(dǎo)磁體的電流以產(chǎn)生所需的磁場(chǎng)。接下來(lái)，允許開(kāi)關(guān)冷卻到臨界溫度之下，從而使得開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換回超導(dǎo)狀態(tài)(方框315)。如果需要，可以以不同的電流值重復(fù)方才匡300、305、310、以及315的才喿作以產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的不同^茲場(chǎng)。盡管根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例的各種處理和方法可以使用圖3所示的一系列操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，可以執(zhí)行更多或更少的操作。另外，應(yīng)該理解，圖3所示的操作順序僅是示例性的并且不需要單一順序的操作。作為緊急事件(例如,茲體電流源的功率停止或突然或非期望地失去)的結(jié)果，開(kāi)關(guān)可能會(huì)損壞。在停止期間，^磁體可產(chǎn)生高的內(nèi)部電壓并且局部溫度升高。這導(dǎo)致了線圈中的電和機(jī)械壓力，以及也可能損壞開(kāi)關(guān)。有各種原因可導(dǎo)致發(fā)生停止。例如，由于容器中的冷卻劑量不足或運(yùn)行的冷卻器故障可能使磁體系統(tǒng)失去冷卻動(dòng)力。不考慮緊急事件的發(fā)生，可能會(huì)在磁體和開(kāi)關(guān)的兩端產(chǎn)生大的電壓，這是由于這些元件是并聯(lián)連接的。由于開(kāi)關(guān)一般^皮實(shí)現(xiàn)為在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)只承載磁體電流的一部分，并且在其正常狀態(tài)是具有高電阻，因此，跨接開(kāi)關(guān)的較大電壓會(huì)導(dǎo)致在開(kāi)關(guān)中消耗大量的功率。這可能對(duì)開(kāi)關(guān)造成顯著的損壞。為防止或最小化諸如上述緊急事件對(duì)開(kāi)關(guān)造成的損壞，磁體系統(tǒng)可以利用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)元件、裝置、或電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，圖4是實(shí)觀/f呆護(hù)元件的,茲體系統(tǒng)的可替4灸實(shí)施例的電氣示意圖。在該圖中，》茲體系統(tǒng)400包括多個(gè)與圖1的系統(tǒng)10相同的部件。然而，^茲體系統(tǒng)400包括保護(hù)元件405，其并聯(lián)地電連接到》茲體20和開(kāi)關(guān)25。保護(hù)元件的一個(gè)目的是在諸如上述那些故障或緊急事件的情況中，限制通過(guò)開(kāi)關(guān)消耗的功率。具體的，保護(hù)元件可以限制跨接開(kāi)關(guān)的最大電壓。卩呆護(hù)元件可以〗吏用例如如圖4所示的一對(duì)二才及管來(lái)實(shí)現(xiàn)。以與圖1的系統(tǒng)的操作相似的方式對(duì)磁體系統(tǒng)400的進(jìn)行操作，但是，當(dāng)然具有由保護(hù)元件405提供的額外保護(hù)。應(yīng)該注意，本文種的各種開(kāi)關(guān)和》茲體系統(tǒng)中的4壬意一個(gè)還可以配置有一個(gè)或多個(gè)4呆護(hù)元件。盡管已經(jīng)參照公開(kāi)實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，但對(duì)本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在本發(fā)明范圍內(nèi)進(jìn)行各種改變是顯而易見(jiàn)的。應(yīng)該理解，參照一個(gè)實(shí)施例所描述的特征通?？梢杂糜谄渌膶?shí)施例。因此，將僅參照權(quán)利要求來(lái)適當(dāng)?shù)亟忉尡景l(fā)明。權(quán)利要求1.一種用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁體系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括超導(dǎo)磁體，被構(gòu)造為產(chǎn)生磁場(chǎng)；開(kāi)關(guān)，包括并聯(lián)連接到所述超導(dǎo)磁體的非感應(yīng)超導(dǎo)電流承載路徑，所述開(kāi)關(guān)被構(gòu)造為僅承載作為獲得所述超導(dǎo)磁體的全磁場(chǎng)所需要的電流的一部分的電流電平；以及加熱器元件，熱耦合至所述開(kāi)關(guān)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括電流源，；故構(gòu)造為在所述石茲場(chǎng)的產(chǎn)生期間向所述超導(dǎo)》茲體有效地提供持續(xù)電流。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括加熱器電源，與所述加熱器元件電連通，所述開(kāi)關(guān)能夠響應(yīng)于由所述加熱器元件產(chǎn)生的熱量而從超導(dǎo)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅瑢?dǎo)模式。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括非傳導(dǎo)殼體，用于容納所述開(kāi)關(guān)和所述加熱器元件。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁體系統(tǒng)，其中，所述殼體用于將容納冷卻劑的容器插入其中，所述殼體包括被構(gòu)造為阻止熱量從所述開(kāi)關(guān)和所述加熱器元件傳遞到所述冷卻劑的保暖材料。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第一熱鏈路，熱耦合到所述開(kāi)關(guān)，所述第一熱鏈路被構(gòu)造為將所述開(kāi)關(guān)有效冷卻到超導(dǎo)溫度；以及第二熱鏈路，熱耦合到所述超導(dǎo)》茲體，所述第二熱鏈路-故構(gòu)造為將所述超導(dǎo)f茲體有效冷卻到超導(dǎo)溫度。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括冷卻器，故構(gòu)造為提供所述第一熱鏈路和所述第二熱鏈路；以及冷卻器控制器，被構(gòu)造為控制所述冷卻器，并使所述第一熱鏈路和所述第二熱鏈路分別將所述開(kāi)關(guān)和所述超導(dǎo)》茲體冷卻到所需的超導(dǎo)溫度。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括射頻(RF)屏蔽件，相對(duì)于所述開(kāi)關(guān)和所述加熱器元件i殳置，以有效減少所述開(kāi)關(guān)和所述加熱器元件之間的RF信號(hào)的耦合。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體系統(tǒng)，其中，所述電流承載路徑是薄膜電流承載路徑。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體系統(tǒng)，其中，所述開(kāi)關(guān)包括非包覆雙股纏繞超導(dǎo)導(dǎo)線。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的磁體系統(tǒng)，其中，所述超導(dǎo)導(dǎo)線包括大約5//m-125^附的直徑。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體系統(tǒng)，其中，所述開(kāi)關(guān)被構(gòu)造為僅承載作為獲得所述超導(dǎo)石茲體的所述全,茲場(chǎng)所需的所述電流的大約1%-20%的電-充電平。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體系統(tǒng)，其中，所述開(kāi)關(guān)被構(gòu)造為僅承載作為獲得所述超導(dǎo)》茲體的所述全i茲場(chǎng)所需的所述電流的大約2%-7%的電-克電平。14.才艮據(jù)4又利要求1所述的》茲體系統(tǒng)，其中，所述超導(dǎo)》茲體包4舌螺線管。15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體系統(tǒng)，進(jìn)一步包括^f呆護(hù)元件，并聯(lián)連4妄到所述開(kāi)關(guān)，并^皮構(gòu)造為限制^爭(zhēng)4妄所述開(kāi)關(guān)的最大電壓。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的磁體系統(tǒng)，其中，所述保護(hù)元件包括電路。17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的磁體系統(tǒng)，其中，所述保護(hù)元件至少包4舌兩個(gè)二4及管。18.—種與超導(dǎo)》茲體一起使用的開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)包括非感應(yīng)超導(dǎo)電流7義載3各徑，用于并聯(lián)連^妄到所述超導(dǎo)f茲體，所述開(kāi)關(guān)^皮構(gòu)造為<又壽、載作為獲得所述超導(dǎo)》茲體的全f茲場(chǎng)所需的電;充的一部分的電5荒電平；以及加熱器元件，熱耦合到所述開(kāi)關(guān)。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的開(kāi)關(guān)，進(jìn)一步包括電流源，被構(gòu)造為在由所述超導(dǎo)；茲體產(chǎn)生》茲場(chǎng)期間向所述超導(dǎo)》茲體有效地提供持續(xù)電流。20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述開(kāi)關(guān)進(jìn)一步被構(gòu)造為響應(yīng)于由所述加熱器元件產(chǎn)生的熱量而/人超導(dǎo)才莫式轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅瑢?dǎo)模式。21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的開(kāi)關(guān)，進(jìn)一步包括非傳導(dǎo)殼體，用于容納所述非感應(yīng)超導(dǎo)電流承載路徑和所述加熱器元件。22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述殼體用于將容納冷卻劑的容器插入其中，所述殼體包括被構(gòu)造為阻止熱量從所述開(kāi)關(guān)和所述加熱器元件傳遞到所述冷卻劑的保暖材料。23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的開(kāi)關(guān)，進(jìn)一步包括第一熱鏈路，熱耦合到所述非感應(yīng)超導(dǎo)電流承載路徑，所述第一熱鏈i各-故構(gòu)造為將所述非感應(yīng)超導(dǎo)電流7K載^各徑有歲文冷卻到超導(dǎo)溫度。24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的開(kāi)關(guān)，進(jìn)一步包括冷卻器，被構(gòu)造為提供所述第一熱鏈路；以及冷卻器控制器，被構(gòu)造為控制所述冷卻器，并使所述第一熱鏈路將所述非感應(yīng)超導(dǎo)電流承載路徑冷卻到所需的超導(dǎo)溫度。25.才艮據(jù)4又利要求18所述的開(kāi)關(guān)，進(jìn)一步包括射頻(RF)屏蔽件，相對(duì)于所述非感應(yīng)超導(dǎo)電流承載路徑和所述加熱器元件而i殳置，以有歲丈減少所述非感應(yīng)超導(dǎo)電流7義載路徑和所述加熱器元件之間的RF信號(hào)的耦合。26.根據(jù)權(quán)利要求18所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述非感應(yīng)超導(dǎo)電流承載路徑包括薄膜電流承載路徑。27.根據(jù)權(quán)利要求18所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述非感應(yīng)超導(dǎo)電流承載路徑包括非包覆雙股纏繞超導(dǎo)導(dǎo)線。28.根據(jù)權(quán)利要求18所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述非感應(yīng)超導(dǎo)電流承載路徑被構(gòu)造為僅承載作為獲得所述超導(dǎo)》茲體的所述全磁場(chǎng)所需的所述電^i的大約1%-20%的電;:危電平。29.根據(jù)權(quán)利要求18所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述非感應(yīng)超導(dǎo)電流承載路徑被構(gòu)造為僅承載作為獲得所述超導(dǎo)磁體的所述全^茲場(chǎng)所需的所述電流的大約2%-7%的電流電平。30.根據(jù)權(quán)利要求18所述的開(kāi)關(guān)，進(jìn)一步包括保護(hù)元件，并聯(lián)連接到所述非感應(yīng)超導(dǎo)電流承載路徑，并#皮構(gòu)造為限制^爭(zhēng)4妄所述非感應(yīng)超導(dǎo)電流〃K載iE各徑的最大電壓。31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的磁體系統(tǒng)，其中，所述保護(hù)元件包括電路。32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的磁體系統(tǒng)，其中，所述保護(hù)元件至少包4舌兩個(gè)二4及管。33.—種用于產(chǎn)生》茲場(chǎng)的》茲體系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包4舌超導(dǎo)》茲體，^皮構(gòu)造為產(chǎn)生》茲場(chǎng)；用于在所述石茲場(chǎng)的產(chǎn)生期間保持^是供至所述超導(dǎo)^茲體的電流的裝置；非持久開(kāi)關(guān)，并聯(lián)連接到所述超導(dǎo)》茲體；用于選擇性地使所述非持久開(kāi)關(guān)在超導(dǎo)模式和非超導(dǎo)模式之間轉(zhuǎn)換的裝置；以及用于改變所述電流以產(chǎn)生所需》茲場(chǎng)的裝置。34.—種用于產(chǎn)生石茲場(chǎng)的方法，所述方法包4舌保持提供至被構(gòu)造為產(chǎn)生磁場(chǎng)的超導(dǎo)磁體的電流；以及通過(guò)以下步艱《改變所述i茲場(chǎng)(a)將并聯(lián)連接到所述超導(dǎo)磁體的非持久開(kāi)關(guān)加熱到臨界溫度，所述加熱使所述非持久開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換到非超導(dǎo)模式；(b)改變所述電流以產(chǎn)生所需》茲場(chǎng)；以及(c)使所述開(kāi)關(guān)冷卻到所述臨界溫度之下，使所述開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換到超導(dǎo)模式。35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，進(jìn)一步包括以所述電流的不同值重復(fù)4喿作(a)到(c)以產(chǎn)生相應(yīng)的不同i茲場(chǎng)。36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，進(jìn)一步包括以冷卻劑冷卻所述超導(dǎo),茲體和所述開(kāi)關(guān)。37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，進(jìn)一步包括冷卻所述超導(dǎo)》茲體和所述開(kāi)關(guān)。全文摘要一種用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁體系統(tǒng)可包括超導(dǎo)磁體、開(kāi)關(guān)、以及熱耦合到開(kāi)關(guān)的加熱器元件。超導(dǎo)磁體被構(gòu)造為產(chǎn)生磁場(chǎng)，以及開(kāi)關(guān)包括并聯(lián)連接到超導(dǎo)磁體的非感應(yīng)超導(dǎo)電流承載路徑。通常，開(kāi)關(guān)被構(gòu)造為僅承載其為獲得超導(dǎo)磁體的全磁場(chǎng)所需電流的一部分的電流電平。文檔編號(hào)H01F7/00GK101366093SQ200780001934公開(kāi)日2009年2月11日申請(qǐng)日期2007年1月5日優(yōu)先權(quán)日2006年1月6日發(fā)明者安德烈亞斯·阿曼,約斯特·代德里克斯,邁克爾·B·西蒙茲申請(qǐng)人:量子設(shè)計(jì)有限公司