專利名稱：具有高溫超導(dǎo)體的磁通泵及由它驅(qū)動(dòng)的超導(dǎo)電磁鐵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有HTc(高溫)超導(dǎo)開(kāi)關(guān)的整流器型磁通泵及一種由該磁通泵驅(qū)動(dòng)的HTc超導(dǎo)電磁鐵。
例如對(duì)于核自旋層析X射線攝影需要具有在相應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度下高時(shí)間穩(wěn)定性的高磁場(chǎng)。為此開(kāi)發(fā)了具有超導(dǎo)線圈的電磁鐵。幾十年來(lái)已公知這種由低溫(LTc)超導(dǎo)材料如鈮錫或鈮鈦制成的線圈。這種磁鐵須工作在約4°K溫度的溫度范圍。
大約十年以來(lái)公知了高溫型超導(dǎo)材料(HTc超導(dǎo)體)，它們?cè)诟哂谝簯B(tài)空氣的溫度時(shí)，即低于77°K的溫度時(shí)為超導(dǎo)體。也已制造出具有HTc超導(dǎo)線圈的電磁鐵，它可用于例如直至低于約40°K的溫度的高磁場(chǎng)。該較低的工作溫度是基于為此所使用的HTc超導(dǎo)材料、例如銅酸鉍(Wismutcuprate)如(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O10和Bi2Sr2CaCu2O8及稀土銅酸鹽REBa2Cu3O7(其中RE＝Nd，Gd，Sm，Er，Y)的HTc電流承載能力，僅在達(dá)到與主要磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)的有限工作溫度時(shí)才能滿足。
在這樣一種磁鐵的超導(dǎo)線圈中產(chǎn)生及流動(dòng)的短路超導(dǎo)電流在理想情況下將持續(xù)地被保持。為了在超導(dǎo)線圈中供給超導(dǎo)電流，譬如使用一種公知的磁通泵裝置。這樣一種磁通泵已在“Study of Full-Wave SuperconductingRectifier-Type Flux-Pumps”in IEEE Transactions on Magnetics，Vol.32(1966)pp.2699-2702 (“全波超導(dǎo)整流型磁通泵研究”，IEEE學(xué)報(bào)磁學(xué)第32卷，1996年，第2699-2702頁(yè))和“On Fully Superconducting Rectifiers and FluxPumps”，Cryogenics，Mai 1991，Seiten 262-275(“論全超導(dǎo)整流器及磁通泵”，《低溫學(xué)》，1991年5月，第262-275頁(yè))中公開(kāi)。
所述的現(xiàn)有技術(shù)僅涉及LTc型低溫超導(dǎo)，即涉及一些如前面已提到的鈮錫及鈮鈦材料。

圖1給出現(xiàn)有技術(shù)中一種整流器型磁通泵2的例子(出自上述IEEE學(xué)報(bào))，其中用11表示一個(gè)電磁鐵111的具有LTc超導(dǎo)體的超導(dǎo)線圈，其以公知方式使用于前面所提到的核自旋層析X射線攝影中。用12表示一個(gè)供給電能的電源，其在電磁鐵工作時(shí)向線圈11提供流過(guò)線圈的超導(dǎo)電流。用13表示一個(gè)變壓器，其具有初級(jí)線圈113及在該例中具有2個(gè)串聯(lián)的次級(jí)線圈213及313。用15及16表示兩個(gè)開(kāi)關(guān)，它們用于導(dǎo)通及關(guān)斷在各自次級(jí)線圈213及313的電流回路中流過(guò)的電流。在現(xiàn)有技術(shù)中這兩個(gè)次級(jí)線圈和開(kāi)關(guān)由LTc超導(dǎo)材料組成，但在將描述的本發(fā)明中它們由HTc超導(dǎo)材料組成。為了使變壓器13工作，電源12按其常規(guī)表示供給一個(gè)交流電，即供給電流方向依次交替變化的電流。相應(yīng)于該電流變化的周期，使開(kāi)關(guān)15及16斷開(kāi)和導(dǎo)通，并且總是彼此相反。由此就實(shí)現(xiàn)了對(duì)流過(guò)用20及21表示的導(dǎo)線的電流的整流。該電流用作電磁鐵的線圈11的供電電流。用23表示一個(gè)在此未作詳細(xì)描述的、用于保護(hù)磁通泵2的公知保險(xiǎn)裝置。用25表示一個(gè)用于控制電源12供電電流的變化周期及開(kāi)關(guān)15及16的換向周期的控制系統(tǒng)。
在圖1所示的公知磁通泵中開(kāi)關(guān)15及16是低溫(LTc)超導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。它們的“斷開(kāi)”及“接通”狀態(tài)將由在其中所含導(dǎo)體材料的“超導(dǎo)”或“常規(guī)導(dǎo)電”狀態(tài)來(lái)給出。超導(dǎo)狀態(tài)在相應(yīng)的低冷卻狀態(tài)下出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)相應(yīng)開(kāi)關(guān)元件的加熱，它將轉(zhuǎn)換到常規(guī)導(dǎo)電狀態(tài)，這相應(yīng)于一個(gè)斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。這種轉(zhuǎn)換是可逆的。
以公知的方式通過(guò)開(kāi)關(guān)15及16的周期性轉(zhuǎn)換，電磁鐵的線圈11或其電流回路逐漸由超導(dǎo)電流充電，相應(yīng)在電磁鐵的線圈11中逐漸產(chǎn)生一個(gè)符合要求的高磁場(chǎng)強(qiáng)度或高磁通的電磁鐵直流磁場(chǎng)，它在維持超導(dǎo)的情況下將是持久的。在較大范圍上該持久性適合于LTc超導(dǎo)及為此使用的上述材料。例如，一個(gè)核自旋層析X射線攝影中的超導(dǎo)體電磁鐵被充了一次電，其將在長(zhǎng)時(shí)間上恒定地保持其磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而該磁場(chǎng)可滿足對(duì)核自旋層析X射線攝影的磁場(chǎng)穩(wěn)定性的極高要求。再次充電例如約在100小時(shí)以后才需要進(jìn)行，其前提是無(wú)技術(shù)上的缺陷或工作上的故障。
另一方面，即對(duì)于在低溫區(qū)域用超導(dǎo)線圈工作的、以所需高峰值功率極快速提供電能的電儲(chǔ)能器給出建議(參見(jiàn)IEEE，ISPD99，多倫多，1999.05.26-28，第91-94頁(yè))，在這種儲(chǔ)能器的電控制系統(tǒng)中使用冷MOSFET(Cool MOSFET)作為那里所需的開(kāi)關(guān)。正是這些MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)直到1000V及約77°K的低溫時(shí)能有效地使用，因?yàn)樵谠摐囟确秶@種MOSFET具有很小的導(dǎo)通電阻。在它們內(nèi)部雖然因沖擊負(fù)荷形成大的電流通量但僅產(chǎn)生相當(dāng)小的電能無(wú)載損耗。因此在此應(yīng)用中，這些MOSFET在這種峰值能量存儲(chǔ)器工作時(shí)起到節(jié)能的作用。
在本發(fā)明中，變壓器13及MOSFET開(kāi)關(guān)位于被冷卻的介質(zhì)或空間中。其優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于在變壓器初級(jí)側(cè)上流過(guò)的小電流僅需要具有小橫截面的電導(dǎo)體以及該電導(dǎo)體僅使相當(dāng)小的熱量導(dǎo)入冷空間中。
對(duì)于本發(fā)明特別有意義的是，在接通開(kāi)關(guān)中同樣采用這些處于盡可能低的導(dǎo)通電阻范圍的MOSFET。這是由于在本發(fā)明中在磁鐵線圈11中流過(guò)的電流也繼續(xù)流過(guò)各個(gè)被接通的開(kāi)關(guān)，并在那里產(chǎn)生歐姆損耗。該損耗將降低所需的由磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的高磁場(chǎng)穩(wěn)定性。因此，根據(jù)本發(fā)明使用低溫下的MOSFET作為開(kāi)關(guān)以持續(xù)保持磁場(chǎng)穩(wěn)定是解決本發(fā)明技術(shù)問(wèn)題的最佳方案的優(yōu)點(diǎn)。
公知磁通泵的基本原理僅在一定程度上對(duì)于本發(fā)明中使用的高溫HTc超導(dǎo)材料是有效的。對(duì)于本發(fā)明所使用的這些材料的設(shè)計(jì)及裝置應(yīng)考慮許多特殊的或其它類型的條件及情況。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，對(duì)本發(fā)明的磁通泵或者本發(fā)明中這種磁通泵及超導(dǎo)電磁鐵的組合，在高恒定磁場(chǎng)方面采取措施，借助這些措施可用HTc超導(dǎo)體材料以有利的方式實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的裝置。
以下結(jié)合反映本發(fā)明公開(kāi)內(nèi)容的附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步補(bǔ)充說(shuō)明。
圖1表示一個(gè)在本發(fā)明中也予以考慮的、公知的電路結(jié)構(gòu)的原理圖。
圖2表示圖1中整流電路的一種變型。
圖3表示本發(fā)明位于同一個(gè)低溫恒溫器中的磁通泵及電磁鐵組合的原理結(jié)構(gòu)正視圖及其剖面I-I′。
圖4為對(duì)本發(fā)明磁通泵整流電路中的開(kāi)關(guān)給出的一種實(shí)施方式。
圖4A表示一個(gè)曲線圖。
圖5A及5B表示一個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)裝置的實(shí)施方式的正視圖及側(cè)視圖。
圖6表示工作曲線圖。
在圖1中表示出用于磁通泵2的、帶有兩個(gè)次級(jí)線圈的雙路整流電路。對(duì)于本發(fā)明此處也可使用一個(gè)同樣起整流功能的、在電子學(xué)中公知的、在其中設(shè)有二極管的橋式電路，且在這里作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式表示在圖2中。在圖2橋式電路中與圖1基本一致的元件具有相同的附圖標(biāo)記。用115及116表示總共包括四個(gè)開(kāi)關(guān)的橋式電路的另外兩個(gè)開(kāi)關(guān)。在該電路中僅需要變壓器13的一個(gè)次級(jí)線圈213。
本發(fā)明的一種優(yōu)選措施是，至少電磁鐵的超導(dǎo)線圈11及其所屬磁通泵設(shè)置在同一個(gè)低溫恒溫器100的真空室中。該措施的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)此僅僅需要一個(gè)供冷裝置及一個(gè)低溫恒溫器容器。
對(duì)于解決上述技術(shù)問(wèn)題的本發(fā)明，如權(quán)利要求1以及其從屬的進(jìn)一步改進(jìn)，一個(gè)要特別考慮的條件是本發(fā)明具有超導(dǎo)磁通泵及超導(dǎo)電磁鐵的裝置按照本發(fā)明最好使用適用于較高工作溫度的HTc超導(dǎo)材料，且對(duì)此必需這樣進(jìn)行操作，以各次之間為幾秒鐘的間隔方式用磁通泵對(duì)電磁鐵進(jìn)行再充電。這是需要的，因?yàn)閷?duì)于本發(fā)明使用HTc超導(dǎo)材料的裝置來(lái)說(shuō)僅當(dāng)采用這種短時(shí)相繼的充電才能在預(yù)定容差界限內(nèi)維持所要求的磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度的穩(wěn)定性。這實(shí)質(zhì)上是基于公知技術(shù)中所使用的LTc超導(dǎo)材料更換為本發(fā)明使用的HTc超導(dǎo)材料作出的考慮。還要考慮的是，在本發(fā)明采用HTc超導(dǎo)材料的裝置中，處于有利的較高溫度的磁通泵及磁鐵兩者工作在不同的溫度上，例如磁通泵工作在稍低于77°K，而電磁鐵工作在約40°K范圍內(nèi)。
基于本發(fā)明的構(gòu)思，對(duì)于變壓器的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)線圈使用了以銀矩陣中的Bi2212，Bi2223導(dǎo)體帶為基體的HTc超導(dǎo)體，和/或金屬載體帶上的YBaCuO導(dǎo)體作為優(yōu)選例。也可使用另外的HTc超導(dǎo)體材料及將它們作為導(dǎo)線使用。對(duì)于變壓器初級(jí)線圈也可使用HTc超導(dǎo)材料，但對(duì)于該線圈使用銅導(dǎo)線就夠了，銅導(dǎo)線甚至在77°K時(shí)具有很高的電導(dǎo)率，但不利的是帶來(lái)了焦耳熱損耗。作為初級(jí)線圈與各次級(jí)線圈的匝數(shù)比可選擇遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，最好大于100至1000。優(yōu)選使用的變壓器鐵心尤其可由薄鐵片、另一種軟磁材料制成，或者是鐵氧體。也可使用僅具有空氣線圈的變壓器。
圖3表示設(shè)在一個(gè)公用低溫恒溫器100中的本發(fā)明的裝置，該裝置基本上由電磁鐵111的超導(dǎo)線圈11以及具有開(kāi)關(guān)裝置15、16和變壓器13(包括初級(jí)線圈113與次級(jí)線圈213及313)的磁通泵2組成。圖示初級(jí)線圈與次級(jí)線圈彼此被繞在一起。附圖標(biāo)記12表示供電電源。附圖標(biāo)記413表示監(jiān)測(cè)變壓器13鐵心中磁通量的測(cè)量線圈。
圖4給出一種利用HTc超導(dǎo)電流導(dǎo)體的磁通泵的電路的實(shí)施方式，這里作為整流電路的開(kāi)關(guān)使用MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)元件。開(kāi)關(guān)15及16各包括多個(gè)并聯(lián)的MOSFET 151至15n或161至16n。要接通的電流均布在各個(gè)并聯(lián)的MOSFET上。該電流將確定應(yīng)選擇設(shè)置的各個(gè)待并聯(lián)的MOSFET的數(shù)量。
并且場(chǎng)效應(yīng)電極的接線端2151至215n彼此并聯(lián)，并與控制裝置25連接。相應(yīng)地這也適合于MOSFET元件161至16n及其場(chǎng)效應(yīng)電極接線端2161至216n。
西門子/Infineon公司的型號(hào)為BUZ 111S的元件特別適用于作為這種MOSFET元件。使用多個(gè)并聯(lián)的MOSFET元件151至15n或161至16n允許磁通泵電流回路內(nèi)達(dá)到很小的電流導(dǎo)通電阻。MOSFET元件的數(shù)量n這樣進(jìn)行選擇，使得在流過(guò)額定電流時(shí)并聯(lián)的MOSFET元件上的電壓降最高與在電磁鐵111的超導(dǎo)線圈11上可測(cè)出的電壓降具有相同數(shù)量級(jí)。這樣的電壓降為小于1mV至幾個(gè)mV的值。建議對(duì)市場(chǎng)上的MOSFET元件、如上述類型的元件在其導(dǎo)通電阻及在磁通泵的低工作溫度下的導(dǎo)通電阻方面逐個(gè)進(jìn)行挑選。在本發(fā)明磁通泵運(yùn)行條件下，最好這些MOSFET元件工作在60°K及130°K之間的溫度上。圖4A表示，在這樣的溫度范圍中該MOSFET元件可具有其導(dǎo)通電阻的最小值。這對(duì)本發(fā)明磁通泵來(lái)說(shuō)是最佳使用。
上述實(shí)施方式按其本質(zhì)也適用于圖2所示的帶有橋式電路的磁通泵整流電路。在此電路中，本發(fā)明的磁通泵借助四組MOSFET元件組15，16，115，116工作，而每組有n個(gè)并聯(lián)的MOSFET元件。
圖5A及5B表示開(kāi)關(guān)15，16的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)實(shí)施方式的正視圖及側(cè)視圖。
這兩組元件151至15n及161至16n或在本發(fā)明中根據(jù)圖2實(shí)施形式的四組MOSFET元件與一個(gè)共同的基板51形成良好的導(dǎo)熱連接或分布設(shè)置在多個(gè)由銅或另一種導(dǎo)熱材料制成的基板上。這種布置可以作到使這些MOSFET元件保持在所選擇的盡可能相等和/或恒定的工作溫度上。該工作溫度將通過(guò)帶有溫度傳感器220及必要時(shí)帶有基板和晶體管的輔助加熱器221的調(diào)節(jié)電路來(lái)保持。
這些并聯(lián)的MOSFET元件151至15n及161至16n譬如通過(guò)它們各自的漏極接線端(D)與導(dǎo)電基板51形成電連接。這些MOSFET元件各自的第二個(gè)源極接線端(S)與用于MOSFET 151至15n的饋電連接線315及用于MOSFET 161至16n的饋電連接線316形成電連接。場(chǎng)效應(yīng)控制電極(柵極)的接線端215借助連接導(dǎo)線1215彼此連接，并與控制系統(tǒng)25連接。相應(yīng)地，這也適用于場(chǎng)效應(yīng)控制電極216及其連接導(dǎo)線1216。
具有這樣的實(shí)際情況，即其中電磁鐵111的線圈11的工作溫度預(yù)定小于基板51的溫度，如4.2°K或20至30°K上。對(duì)于這種情況，建議在該溫度量級(jí)與對(duì)基板51及MOSFET最佳設(shè)置的溫度量級(jí)之間使用圖4中這樣的電連接點(diǎn)152作為磁鐵超導(dǎo)線圈11各個(gè)超導(dǎo)接線端饋線及導(dǎo)線20，21(也參見(jiàn)圖1)之間的過(guò)渡，其僅起到很小的熱傳遞作用。公知結(jié)構(gòu)的HTS超導(dǎo)電流輸送可對(duì)此適用。這可以是，例如來(lái)自Bi2212或YBaCuO的實(shí)心材料或AgAu矩陣中的Bi2223的單芯或多芯導(dǎo)體?？紤]到電路中設(shè)有的超導(dǎo)導(dǎo)線、例如315，316的情況，MOSFET的溫度應(yīng)低于這些導(dǎo)線的躍變溫度Tc，即為約60至80°K。
圖5B表示圖5A的側(cè)視圖，并使用圖5A中的附圖標(biāo)記。在圖5B中給出這樣一種實(shí)施方式基板51用這里所示的三個(gè)機(jī)械連接件52與平臺(tái)53連接。當(dāng)該平臺(tái)53與具有一個(gè)保持在很低溫度下的LTc磁鐵線圈的磁鐵也形成熱連接時(shí)，該實(shí)施方式是合適的。這些連接件52則也作成確定尺寸的熱傳導(dǎo)件或緩沖件，借助它們可使MOSFET基板51的溫度有目標(biāo)地保持在上述有利溫度上。也可考慮，在電路的MOSFET中出現(xiàn)一定程度的熱損耗，利用該熱損耗可使基板及必要時(shí)附加的加熱器221保持在所需的較高溫度上。這樣一種實(shí)施方式特別適用于將電路和超導(dǎo)磁鐵設(shè)置在一個(gè)公用的低溫恒溫器殼體中的整體結(jié)構(gòu)。
連接件52的厚度以及總橫截面應(yīng)這樣確定，即由基板經(jīng)這些熱阻沿散熱方向、即向著低溫方向流走的熱流大約等于或僅僅適度地大于由加熱器221所提供的熱量以及在導(dǎo)通每個(gè)開(kāi)關(guān)支路中的MOSFET元件15或16時(shí)流過(guò)最大電流值時(shí)附加產(chǎn)生的焦耳熱量。這是本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)所采用的措施，借助它使所述用于調(diào)節(jié)維持MOSFET溫度恒定的加熱器的功率減到最小。
最好這樣來(lái)確定所導(dǎo)走的熱量，即它約等于MOSFET產(chǎn)生的焦耳熱量的1.5至3倍。達(dá)到及維持基板給定溫度所需的熱量將由加熱器提供。
為確定本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，對(duì)于用于一個(gè)核自旋層析X射線攝影中磁鐵的、如圖5A的磁通泵，設(shè)置2×40個(gè)型號(hào)為BUZ111S的MOSFET。這樣一種MOSFET在70°K時(shí)約具有2.5mΩ。各個(gè)MOSFET安裝在如一個(gè)由銅制成的、與其有良好熱接觸的基板上。當(dāng)通過(guò)各個(gè)并聯(lián)的MOSFET元件組所流過(guò)的總額定電流為例如80安培時(shí)，在其中約出現(xiàn)0.4W的損耗功率。加上0.2W的加熱器的熱輸入總共約0.6W，通過(guò)上述機(jī)械連接件52從約70°K散發(fā)到約25°K。對(duì)于上述連接件，在使用如GFK(纖維增強(qiáng)塑料)這樣的塑料時(shí)要求一個(gè)值A(chǔ)/d＝4cm(A為總的橫截面；d為連接件厚度)；或者該連接件用特種鋼支承件，在其中GFK材料橫截面為4cm2、及鋼材料橫截面為0.2cm2、其高度為1cm的情況下，要求值A(chǔ)/d＝0.2cm。
此外，在本發(fā)明公知原理磁通泵的實(shí)施方式中，可對(duì)變壓器13的初級(jí)側(cè)供給具有交變符號(hào)的正弦、矩形波或類似的電壓。正弦頻率或矩形波脈沖序列相應(yīng)地在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制極(即作為開(kāi)關(guān)使用的導(dǎo)通或關(guān)閉的MOSFET元件的場(chǎng)效應(yīng)電極215，216)控制的協(xié)調(diào)。在使用上述或類似類型的MOSFET元件時(shí)，該控制用大于/等于8V的矩形波電壓脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明中采用一種公知原理磁通泵、而此處用MOSFET元件作為磁通泵整流電路中開(kāi)關(guān)的實(shí)施方式的一大優(yōu)點(diǎn)在于這些MOSFET元件可用高至若干MHz的頻率進(jìn)行控制。該高控制頻率可實(shí)現(xiàn)與公知實(shí)施方式相比變壓器13可作得很小。用于本發(fā)明的變壓器13也可使用鐵氧體鐵心或甚至作到無(wú)鐵心。變壓器的次級(jí)輸出電壓可根據(jù)允許的MOSFET元件的工作電壓來(lái)選擇，例如在型號(hào)BUZ 111S的情況下在圖1所示的雙路徑電路中至多為25V或在圖2的橋式電路中可達(dá)到50V。這一與本發(fā)明相聯(lián)系的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于，有可能實(shí)現(xiàn)此電磁鐵111明顯快速地充電及放電，即可以與HTc超導(dǎo)材料的開(kāi)關(guān)的實(shí)施方式相比較。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，設(shè)置了半導(dǎo)體二極管作為對(duì)由MOSFET元件組成的開(kāi)關(guān)15，16(115，116)的保護(hù)，它們以已極化了的導(dǎo)通方向與各自的開(kāi)關(guān)相并聯(lián)。
在電源12供電時(shí)電磁鐵111借助磁通泵2充電。對(duì)此可參看圖6。該圖在其行A至C中表示了下面所描述的過(guò)程。圖6左半部分的過(guò)程涉及電磁鐵的完全充電。圖6相對(duì)的右部分表示用于補(bǔ)償隨時(shí)出現(xiàn)的損耗所作的補(bǔ)充充電過(guò)程，即用于隨時(shí)穩(wěn)定電磁鐵磁場(chǎng)的過(guò)程。
如該圖行A左半部分所示，變壓器13的初級(jí)線圈113被供給在時(shí)間上不間斷、尤其是具有依次改變符號(hào)的梯形波電壓/電流脈沖。行B表示與行A脈沖相關(guān)的、在變壓器13的次級(jí)線圈213及313上形成的、彼此在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)的脈沖。行C表示磁鐵線圈111的充電上升過(guò)程。
反映電磁鐵111的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間穩(wěn)定變化的圖6右半部分與圖6左半部分的充電過(guò)程的區(qū)別在于，變壓器13中初級(jí)電流或磁通改變符號(hào)的時(shí)間延長(zhǎng)了，也就是補(bǔ)充充電的數(shù)量所需要的時(shí)間延長(zhǎng)了，這可由行C的右半部分看出。
為了保持電磁鐵磁場(chǎng)的時(shí)間穩(wěn)定性，電磁鐵111的充電或它的補(bǔ)充充電將根據(jù)圖6通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖頻率和/或脈沖幅值及相應(yīng)控制磁通泵整流電路的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。脈沖頻率最好通過(guò)或用調(diào)節(jié)電路來(lái)預(yù)先給定。
調(diào)節(jié)電路包括用于在磁鐵中或磁鐵旁邊作周期性NMR(核磁共振)磁場(chǎng)測(cè)量的措施。確定NMR頻率的實(shí)際值及額定值之差。該差值將通過(guò)在輸入端(即變壓器13的初級(jí)線圈113)控制磁通泵的脈沖頻率的相應(yīng)周期性變化來(lái)補(bǔ)償。
作為達(dá)到磁場(chǎng)穩(wěn)定的另一種變換措施，可以在保持所要求低溫的區(qū)域中通過(guò)電流測(cè)量或用霍耳傳感器檢測(cè)該偏差，并再轉(zhuǎn)換成校正的脈沖頻率。
相應(yīng)于圖6所示的過(guò)程，借助也可反向工作的磁通泵以可逆方式使一個(gè)已作了一次充電的電磁鐵111再放電。在這種情況下，在相同的脈沖方案讓充電時(shí)被接通并換向的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。
按照本發(fā)明，最好將磁通泵2及磁鐵111一起設(shè)置在一個(gè)公用的低溫恒溫器中。該低溫恒溫器的溫度可被調(diào)節(jié)到對(duì)于電磁鐵111設(shè)置的溫度上，例如前面所提到的值T0上，即這樣來(lái)設(shè)定參數(shù)磁鐵線圈11的HTc超導(dǎo)材料在所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中具有所需的電流承載能力。然后可考慮將開(kāi)關(guān)裝置的基板46保持在一個(gè)較高的溫度上，但要低于該超導(dǎo)材料的溫度Tc。
權(quán)利要求
1.一種帶有超導(dǎo)磁通泵(2)的裝置，該磁通泵有一個(gè)變壓器(13)，其次級(jí)側(cè)至少有一個(gè)位于帶有至少兩個(gè)可控制(25)的開(kāi)關(guān)(15，16；115，116)的次級(jí)整流電路中的超導(dǎo)線圈(213，313)，該磁通泵用于對(duì)一個(gè)電磁鐵(111)的超導(dǎo)線圈(11)供電，其特征在于各個(gè)次級(jí)側(cè)線圈(213，313)由HTc超導(dǎo)材料組成，且在次級(jí)整流電路中用MOSFET(15，16；115，116)作為可控開(kāi)關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該磁通泵(2)及電磁鐵(111)的超導(dǎo)線圈(11)一起設(shè)置在一個(gè)公用的低溫恒溫器(100)的真空室中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于對(duì)于各個(gè)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)(15，16；115，116)設(shè)有n個(gè)彼此相并聯(lián)的MOSFET(151至15n，161至16n；1151至115n，1161至116n)，其中n＝1，2，3，…。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于對(duì)在預(yù)定低溫工作溫度下使用的MOSFET，在其導(dǎo)通電阻方面作出選擇，以使得在整流電路中僅包括具有很小導(dǎo)通電阻的MOSFET。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所設(shè)置的MOSFET(151…116n)被安裝在由良導(dǎo)熱材料制成的基板(51)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于對(duì)該基板(51)設(shè)置一個(gè)用于調(diào)節(jié)/維持該基板(51)預(yù)定溫度的電加熱器(221)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5至6中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于在該基板(51)上設(shè)置一個(gè)用于MOSFET工作溫度調(diào)節(jié)電路的溫度傳感器(220)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于該基板(51)借助具有導(dǎo)熱性能的機(jī)械連接件(52)與一個(gè)所設(shè)的散熱器(53)相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于該散熱器是一個(gè)平臺(tái)(53)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于對(duì)所設(shè)的機(jī)械連接件(52)的數(shù)目及尺寸這樣作選擇，使得在開(kāi)關(guān)(151…116n)的MOSFET元件中產(chǎn)生的電損耗功率及必要時(shí)加熱器(221)的預(yù)定加熱功率隨時(shí)與由機(jī)械連接件(52)通過(guò)作為散熱器的平臺(tái)(53)所傳走的熱量相平衡。
11.根據(jù)權(quán)利要求8、9或10所述的裝置，其特征在于對(duì)于將帶有MOSFET的開(kāi)關(guān)的基板(51)與散熱器相連接的機(jī)械連接件(52)，就其散熱量來(lái)說(shuō)可這樣確定，使得在該裝置預(yù)定運(yùn)行情況其散熱效果能達(dá)到MOSFET所產(chǎn)生的焦耳熱量的1.5至3倍。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于變壓器(13)帶有鐵氧體磁心。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于設(shè)有一個(gè)無(wú)鐵心的變壓器。
14.權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述裝置的運(yùn)行方法，其特征在于對(duì)磁通泵(2)的變壓器(13)的供電借助電流脈沖(圖6，行A)來(lái)完成。
15.權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述裝置的運(yùn)行方法或根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于供電在電網(wǎng)頻率至MHz的頻率范圍中進(jìn)行。
16.權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述裝置的運(yùn)行方法或根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于電磁鐵(111)中的電流穩(wěn)定通過(guò)對(duì)磁通泵(2)變壓器(13)的供電脈沖頻率的調(diào)節(jié)(413)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
17.權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述裝置的運(yùn)行方法或根據(jù)權(quán)利要求14、15或16所述的方法，其特征在于電磁鐵(111)中的電流穩(wěn)定通過(guò)調(diào)節(jié)磁通泵(2)變壓器(13)的初級(jí)側(cè)電流幅度來(lái)實(shí)現(xiàn)。
18.權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述裝置的運(yùn)行方法或根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于對(duì)開(kāi)關(guān)的MOSFET(151…116n)保持預(yù)定的恒定溫度。
19.權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述裝置的運(yùn)行方法或根據(jù)權(quán)利要求14至18中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于通過(guò)調(diào)節(jié)加熱器(221)使基板(51)相對(duì)電磁鐵(111)線圈(11)的低溫工作溫度保持一個(gè)預(yù)定的溫度。
全文摘要
具有磁通泵(2)及由其供電的電磁鐵(111)的裝置,用于產(chǎn)生高恒定、高強(qiáng)度的磁場(chǎng)。在整流器型的磁通泵(2)中使用在HTc超導(dǎo)材料工作溫度下的MOSFET作為開(kāi)關(guān)。尤其是,磁通泵(2)及電磁鐵(111)的超導(dǎo)線圈(11)被一起設(shè)置在一個(gè)公用的低溫恒溫器的殼體中。
文檔編號(hào)H01F36/00GK1363937SQ0114288
公開(kāi)日2002年8月14日 申請(qǐng)日期2001年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月27日
發(fā)明者岡特·里斯, 弗洛里安·斯坦邁耶, 馬庫(kù)斯·維斯特 申請(qǐng)人:西門子公司