具有高温超导体的磁通泵及由它驱动的超导电磁铁

摘要

具有磁通泵(2)及由其供电的电磁铁(111)的装置,用于产生高恒定、高强度的磁场。在整流器型的磁通泵(2)中使用在HTc超导材料工作温度下的MOSFET作为开关。尤其是,磁通泵(2)及电磁铁(111)的超导线圈(11)被一起设置在一个公用的低温恒温器的壳体中。

说明书

本发明涉及一种具有HTc(高温)超导开关的整流器型磁通泵及一种由该磁通泵驱动的HTc超导电磁铁。

例如对于核自旋层析X射线摄影需要具有在相应磁场强度下高时间稳定性的高磁场。为此开发了具有超导线圈的电磁铁。几十年来已公知这种由低温(LTc)超导材料如铌锡或铌钛制成的线圈。这种磁铁须工作在约4°K温度的温度范围。

大约十年以来公知了高温型超导材料(HTc超导体)，它们在高于液态空气的温度时，即低于77°K的温度时为超导体。也已制造出具有HTc超导线圈的电磁铁，它可用于例如直至低于约40°K的温度的高磁场。该较低的工作温度是基于：为此所使用的HTc超导材料、例如铜酸铋(Wismutcuprate)如(Bi，Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀和Bi₂Sr₂CaCu₂O₈及稀土铜酸盐REBa₂Cu₃O₇(其中RE＝Nd，Gd，Sm，Er，Y)的HTc电流承载能力，仅在达到与主要磁场强度相关的有限工作温度时才能满足。

在这样一种磁铁的超导线圈中产生及流动的短路超导电流在理想情况下将持续地被保持。为了在超导线圈中供给超导电流，譬如使用一种公知的磁通泵装置。这样一种磁通泵已在“Study of Full-Wave SuperconductingRectifier-Type Flux-Pumps”in IEEE Transactions on Magnetics，Vol.32(1966)pp.2699-2702 (“全波超导整流型磁通泵研究”，IEEE学报磁学第32卷，1996年，第2699-2702页)和“On Fully Superconducting Rectifiers and FluxPumps”，Cryogenics，Mai 1991，Seiten 262-275(“论全超导整流器及磁通泵”，《低温学》，1991年5月，第262-275页)中公开。

所述的现有技术仅涉及LTc型低温超导，即涉及一些如前面已提到的铌锡及铌钛材料。图1给出现有技术中一种整流器型磁通泵2的例子(出自上述IEEE学报)，其中用11表示一个电磁铁111的具有LTc超导体的超导线圈，其以公知方式使用于前面所提到的核自旋层析X射线摄影中。用12表示一个供给电能的电源，其在电磁铁工作时向线圈11提供流过线圈的超导电流。用13表示一个变压器，其具有初级线圈113及在该例中具有2个串联的次级线圈213及313。用15及16表示两个开关，它们用于导通及关断在各自次级线圈213及313的电流回路中流过的电流。在现有技术中这两个次级线圈和开关由LTc超导材料组成，但在将描述的本发明中它们由HTc超导材料组成。为了使变压器13工作，电源12按其常规表示供给一个交流电，即供给电流方向依次交替变化的电流。相应于该电流变化的周期，使开关15及16断开和导通，并且总是彼此相反。由此就实现了对流过用20及21表示的导线的电流的整流。该电流用作电磁铁的线圈11的供电电流。用23表示一个在此未作详细描述的、用于保护磁通泵2的公知保险装置。用25表示一个用于控制电源12供电电流的变化周期及开关15及16的换向周期的控制系统。

在图1所示的公知磁通泵中开关15及16是低温(LTc)超导体开关。它们的“断开”及“接通”状态将由在其中所含导体材料的“超导”或“常规导电”状态来给出。超导状态在相应的低冷却状态下出现。通过对相应开关元件的加热，它将转换到常规导电状态，这相应于一个断开的开关。这种转换是可逆的。

以公知的方式通过开关15及16的周期性转换，电磁铁的线圈11或其电流回路逐渐由超导电流充电，相应在电磁铁的线圈11中逐渐产生一个符合要求的高磁场强度或高磁通的电磁铁直流磁场，它在维持超导的情况下将是持久的。在较大范围上该持久性适合于LTc超导及为此使用的上述材料。例如，一个核自旋层析X射线摄影中的超导体电磁铁被充了一次电，其将在长时间上恒定地保持其磁场强度，从而该磁场可满足对核自旋层析X射线摄影的磁场稳定性的极高要求。再次充电例如约在100小时以后才需要进行，其前提是无技术上的缺陷或工作上的故障。

另一方面，即对于在低温区域用超导线圈工作的、以所需高峰值功率极快速提供电能的电储能器给出建议(参见IEEE，ISPD99，多伦多，1999.05.26-28，第91-94页)，在这种储能器的电控制系统中使用冷MOSFET(Cool MOSFET)作为那里所需的开关。正是这些MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)直到1000V及约77°K的低温时能有效地使用，因为在该温度范围这种MOSFET具有很小的导通电阻。在它们内部虽然因冲击负荷形成大的电流通量但仅产生相当小的电能无载损耗。因此在此应用中，这些MOSFET在这种峰值能量存储器工作时起到节能的作用。

在本发明中，变压器13及MOSFET开关位于被冷却的介质或空间中。其优点在于：对于在变压器初级侧上流过的小电流仅需要具有小横截面的电导体以及该电导体仅使相当小的热量导入冷空间中。

对于本发明特别有意义的是，在接通开关中同样采用这些处于尽可能低的导通电阻范围的MOSFET。这是由于在本发明中在磁铁线圈11中流过的电流也继续流过各个被接通的开关，并在那里产生欧姆损耗。该损耗将降低所需的由磁场线圈产生的高磁场稳定性。因此，根据本发明使用低温下的MOSFET作为开关以持续保持磁场稳定是解决本发明技术问题的最佳方案的优点。

公知磁通泵的基本原理仅在一定程度上对于本发明中使用的高温HTc超导材料是有效的。对于本发明所使用的这些材料的设计及装置应考虑许多特殊的或其它类型的条件及情况。

本发明要解决的技术问题是，对本发明的磁通泵或者本发明中这种磁通泵及超导电磁铁的组合，在高恒定磁场方面采取措施，借助这些措施可用HTc超导体材料以有利的方式实现相应的装置。

以下结合反映本发明公开内容的附图对本发明作进一步补充说明。

图1表示一个在本发明中也予以考虑的、公知的电路结构的原理图。

图2表示图1中整流电路的一种变型。

图3表示本发明位于同一个低温恒温器中的磁通泵及电磁铁组合的原理结构正视图及其剖面I-I′。

图4为对本发明磁通泵整流电路中的开关给出的一种实施方式。

图4A表示一个曲线图。

图5A及5B表示一个MOSFET开关装置的实施方式的正视图及侧视图。

图6表示工作曲线图。

在图1中表示出用于磁通泵2的、带有两个次级线圈的双路整流电路。对于本发明此处也可使用一个同样起整流功能的、在电子学中公知的、在其中设有二极管的桥式电路，且在这里作为本发明的一个实施方式表示在图2中。在图2桥式电路中与图1基本一致的元件具有相同的附图标记。用115及116表示总共包括四个开关的桥式电路的另外两个开关。在该电路中仅需要变压器13的一个次级线圈213。

本发明的一种优选措施是，至少电磁铁的超导线圈11及其所属磁通泵设置在同一个低温恒温器100的真空室中。该措施的优点是：对此仅仅需要一个供冷装置及一个低温恒温器容器。

对于解决上述技术问题的本发明，如权利要求1以及其从属 的进一步改进，一个要特别考虑的条件是：本发明具有超导磁通泵及超导电磁铁的装置按照本发明最好使用适用于较高工作温度的HTc超导材料，且对此必需这样进行操作，以各次之间为几秒钟的间隔方式用磁通泵对电磁铁进行再充电。这是需要的，因为对于本发明使用HTc超导材料的装置来说仅当采用这种短时相继的充电才能在预定容差界限内维持所要求的磁铁磁场强度的稳定性。这实质上是基于公知技术中所使用的LTc超导材料更换为本发明使用的HTc超导材料作出的考虑。还要考虑的是，在本发明采用HTc超导材料的装置中，处于有利的较高温度的磁通泵及磁铁两者工作在不同的温度上，例如磁通泵工作在稍低于77°K，而电磁铁工作在约40°K范围内。

基于本发明的构思，对于变压器的一个或多个次级线圈使用了以银矩阵中的Bi2212，Bi2223导体带为基体的HTc超导体，和/或金属载体带上的YBaCuO导体作为优选例。也可使用另外的HTc超导体材料及将它们作为导线使用。对于变压器初级线圈也可使用HTc超导材料，但对于该线圈使用铜导线就够了，铜导线甚至在77°K时具有很高的电导率，但不利的是带来了焦耳热损耗。作为初级线圈与各次级线圈的匝数比可选择远远大于1，最好大于100至1000。优选使用的变压器铁心尤其可由薄铁片、另一种软磁材料制成，或者是铁氧体。也可使用仅具有空气线圈的变压器。

图3表示设在一个公用低温恒温器100中的本发明的装置，该装置基本上由电磁铁111的超导线圈11以及具有开关装置15、16和变压器13(包括初级线圈113与次级线圈213及313)的磁通泵2组成。图示初级线圈与次级线圈彼此被绕在一起。附图标记12表示供电电源。附图标记413表示监测变压器13铁心中磁通量的测量线圈。

图4给出一种利用HTc超导电流导体的磁通泵的电路的实施方式，这里作为整流电路的开关使用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)元件。开关15及16各包括多个并联的MOSFET 15₁至15_n或16₁至16_n。要接通的电流均布在各个并联的MOSFET上。该电流将确定应选择设置的各个待并联的MOSFET的数量。

并且场效应电极的接线端215₁至215_n彼此并联，并与控制装置25连接。相应地这也适合于MOSFET元件16₁至16_n及其场效应电极接线端216₁至216_n。

西门子/Infineon公司的型号为BUZ 111S的元件特别适用于作为这种MOSFET元件。使用多个并联的MOSFET元件15₁至15_n或16₁至16_n允许磁通泵电流回路内达到很小的电流导通电阻。MOSFET元件的数量n这样进行选择，使得在流过额定电流时并联的MOSFET元件上的电压降最高与在电磁铁111的超导线圈11上可测出的电压降具有相同数量级。这样的电压降为小于1mV至几个mV的值。建议对市场上的MOSFET元件、如上述类型的元件在其导通电阻及在磁通泵的低工作温度下的导通电阻方面逐个进行挑选。在本发明磁通泵运行条件下，最好这些MOSFET元件工作在60°K及130°K之间的温度上。图4A表示，在这样的温度范围中该MOSFET元件可具有其导通电阻的最小值。这对本发明磁通泵来说是最佳使用。

上述实施方式按其本质也适用于图2所示的带有桥式电路的磁通泵整流电路。在此电路中，本发明的磁通泵借助四组MOSFET元件组15，16，115，116工作，而每组有n个并联的MOSFET元件。

图5A及5B表示开关15，16的一种优选结构实施方式的正视图及侧视图。

这两组元件15₁至15_n及16₁至16_n或在本发明中根据图2实施形式的四组MOSFET元件与一个共同的基板51形成良好的导热连接或分布设置在多个由铜或另一种导热材料制成的基板上。这种布置可以作到使这些MOSFET元件保持在所选择的尽可能相等和/或恒定的工作温度上。该工作温度将通过带有温度传感器220及必要时带有基板和晶体管的辅助加热器221的调节电路来保持。

这些并联的MOSFET元件15₁至15_n及16₁至16_n譬如通过它们各自的漏极接线端(D)与导电基板51形成电连接。这些MOSFET元件各自的第二个源极接线端(S)与用于MOSFET 15₁至15_n的馈电连接线315及用于MOSFET 16₁至16_n的馈电连接线316形成电连接。场效应控制电极(栅极)的接线端215借助连接导线1215彼此连接，并与控制系统25连接。相应地，这也适用于场效应控制电极216及其连接导线1216。

具有这样的实际情况，即其中电磁铁111的线圈11的工作温度预定小于基板51的温度，如4.2°K或20至30°K上。对于这种情况，建议在该温度量级与对基板51及MOSFET最佳设置的温度量级之间使用图4中这样的电连接点152作为磁铁超导线圈11各个超导接线端馈线及导线20，21(也参见图1)之间的过渡，其仅起到很小的热传递作用。公知结构的HTS超导电流输送可对此适用。这可以是，例如来自Bi2212或YBaCuO的实心材料或AgAu矩阵中的Bi2223的单芯或多芯导体。考虑到电路中设有的超导导线、例如315，316的情况，MOSFET的温度应低于这些导线的跃变温度Tc，即为约60至80°K。

图5B表示图5A的侧视图，并使用图5A中的附图标记。在图5B中给出这样一种实施方式：基板51用这里所示的三个机械连接件52与平台53连接。当该平台53与具有一个保持在很低温度下的LTc磁铁线圈的磁铁也形成热连接时，该实施方式是合适的。这些连接件52则也作成确定尺寸的热传导件或缓冲件，借助它们可使MOSFET基板51的温度有目标地保持在上述有利温度上。也可考虑，在电路的MOSFET中出现一定程度的热损耗，利用该热损耗可使基板及必要时附加的加热器221保持在所需的较高温度上。这样一种实施方式特别适用于将电路和超导磁铁设置在一个公用的低温恒温器壳体中的整体结构。

连接件52的厚度以及总横截面应这样确定，即由基板经这些热阻沿散热方向、即向着低温方向流走的热流大约等于或仅仅适度地大于由加热器221所提供的热量以及在导通每个开关支路中的MOSFET元件15或16时流过最大电流值时附加产生的焦耳热量。这是本发明进一步改进所采用的措施，借助它使所述用于调节维持MOSFET温度恒定的加热器的功率减到最小。

最好这样来确定所导走的热量，即它约等于MOSFET产生的焦耳热量的1.5至3倍。达到及维持基板给定温度所需的热量将由加热器提供。

为确定本发明的一个优选实施方式，对于用于一个核自旋层析X射线摄影中磁铁的、如图5A的磁通泵，设置2×40个型号为BUZ111S的MOSFET。这样一种MOSFET在70°K时约具有2.5mΩ。各个MOSFET安装在如一个由铜制成的、与其有良好热接触的基板上。当通过各个并联的MOSFET元件组所流过的总额定电流为例如80安培时，在其中约出现0.4W的损耗功率。加上0.2W的加热器的热输入总共约0.6W，通过上述机械连接件52从约70°K散发到约25°K。对于上述连接件，在使用如GFK(纤维增强塑料)这样的塑料时要求一个值A/d＝4cm(A为总的横截面；d为连接件厚度)；或者该连接件用特种钢支承件，在其中GFK材料横截面为4cm²、及钢材料横截面为0.2cm²、其高度为1cm的情况下，要求值A/d＝0.2cm。

此外，在本发明公知原理磁通泵的实施方式中，可对变压器13的初级侧供给具有交变符号的正弦、矩形波或类似的电压。正弦频率或矩形波脉冲序列相应地在时间上实现了对控制极(即作为开关使用的导通或关闭的MOSFET元件的场效应电极215，216)控制的协调。在使用上述或类似类型的MOSFET元件时，该控制用大于/等于8V的矩形波电压脉冲来实现。

本发明中采用一种公知原理磁通泵、而此处用MOSFET元件作为磁通泵整流电路中开关的实施方式的一大优点在于：这些MOSFET元件可用高至若干MHz的频率进行控制。该高控制频率可实现：与公知实施方式相比变压器13可作得很小。用于本发明的变压器13也可使用铁氧体铁心或甚至作到无铁心。变压器的次级输出电压可根据允许的MOSFET元件的工作电压来选择，例如在型号BUZ 111S的情况下在图1所示的双路径电路中至多为25V或在图2的桥式电路中可达到50V。这一与本发明相联系的技术优点在于，有可能实现此电磁铁111明显快速地充电及放电，即可以与HTc超导材料的开关的实施方式相比较。

作为本发明的进一步改进，设置了半导体二极管作为对由MOSFET元件组成的开关15，16(115，116)的保护，它们以已极化了的导通方向与各自的开关相并联。

在电源12供电时电磁铁111借助磁通泵2充电。对此可参看图6。该图在其行A至C中表示了下面所描述的过程。图6左半部分的过程涉及电磁铁的完全充电。图6相对的右部分表示用于补偿随时出现的损耗所作的补充充电过程，即用于随时稳定电磁铁磁场的过程。

如该图行A左半部分所示，变压器13的初级线圈113被供给在时间上不间断、尤其是具有依次改变符号的梯形波电压/电流脉冲。行B表示与行A脉冲相关的、在变压器13的次级线圈213及313上形成的、彼此在时间上错开的脉冲。行C表示磁铁线圈111的充电上升过程。

反映电磁铁111的磁场强度随时间稳定变化的图6右半部分与图6左半部分的充电过程的区别在于，变压器13中初级电流或磁通改变符号的时间延长了，也就是补充充电的数量所需要的时间延长了，这可由行C的右半部分看出。

为了保持电磁铁磁场的时间稳定性，电磁铁111的充电或它的补充充电将根据图6通过调节脉冲频率和/或脉冲幅值及相应控制磁通泵整流电路的开关来实现。脉冲频率最好通过或用调节电路来预先给定。

调节电路包括用于在磁铁中或磁铁旁边作周期性NMR(核磁共振)磁场测量的措施。确定NMR频率的实际值及额定值之差。该差值将通过在输入端(即变压器13的初级线圈113)控制磁通泵的脉冲频率的相应周期性变化来补偿。

作为达到磁场稳定的另一种变换措施，可以在保持所要求低温的区域中通过电流测量或用霍耳传感器检测该偏差，并再转换成校正的脉冲频率。

相应于图6所示的过程，借助也可反向工作的磁通泵以可逆方式使一个已作了一次充电的电磁铁111再放电。在这种情况下，在相同的脉冲方案让充电时被接通并换向的开关断开。

按照本发明，最好将磁通泵2及磁铁111一起设置在一个公用的低温恒温器中。该低温恒温器的温度可被调节到对于电磁铁111设置的温度上，例如前面所提到的值T0上，即这样来设定参数：磁铁线圈11的HTc超导材料在所产生的磁场中具有所需的电流承载能力。然后可考虑将开关装置的基板46保持在一个较高的温度上，但要低于该超导材料的温度Tc。