ЦЕНТРАЛЬНАЯ КОЛОННА ОБМОТКИ ТОРОИДАЛЬНОГО ПОЛЯ
CENTRAL COLUMN OF WINDING OF TOROIDAL FIELD

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к высокотемпературным сверхпроводникам (ВТСП). В частности, настоящее изобретение относится к конструкции обмотки тороидального поля, содержащей ВТСП.
Предпосылки изобретения
2
Сверхпроводящие материалы обычно подразделяют на "высокотемпературные сверхпроводники" (ВТСП) и "низкотемпературные сверхпроводники" (НТСП). НТСП, такие как Nb и NbTi, являются металлами или сплавами металлов, сверхпроводимость которых можно описать теорией БКШ (Бардина - Купера - Шриффера). 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 30 К (хотя следует отметить, что именно физические различия в составе и работе сверхпроводника, а не критическая температура, характеризуют ВТСП и НТСП материалы). Наиболее часто используемыми ВТСП являются "купратные сверхпроводники" - керамики на основе купратов (соединений, содержащих группу оксида меди), такие как BSCCO или ReBCO (где Re - редкоземельный элемент, обычно Y или Gd). Другие ВТСП включают в себя пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборат магния (MgB).
ReBCO обычно изготавливают 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 ReBCO-ВТСП (нанесенный методом MOCVD (химического осаждения из паровой фазы металлоорганического соединения) 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 по производственной линии и позволяет выращивать последующие слои. Буферный пакет 502 необходим для обеспечения биаксиально текстурированного кристаллического шаблона, на котором наращивается слой ВТСП, и предотвращает химическую диффузию из подложки в ВТСП тех элементов, которые нарушают 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 перестает быть сверхпроводящей (переходит в "нормальное" состояние).
Кроме того, может быть изготовлена "отслоенная" ВТСП-лента, у которой отсутствуют подложка и буферный пакет, а вместо этого имеются слои серебра с обеих сторон слоя ВТСП. Лента с подложкой будет называться ВТСП-лентой "с подложкой".
На фиг.2 показана лента ReBCO 200 с иллюстрацией системы координат x, y, z, которая будет использоваться в этом документе. Ось у проходит по длине ленты (т.е. в направлении тока при использовании ленты), ось х проходит по ширине ленты (т.е. в плоскости ленты, перпендикулярной оси у), ось z перпендикулярна осям x и у (т.е. перпендикулярна плоскости ленты).
На фиг.3 показано поперечное сечение примерной ленты ReBCO в плоскости x/z. Сам слой ReBCO является кристаллическим, и главные оси кристалла ReBCO показаны для одной точки на ленте. Лента ReBCO показана в упрощенном виде со слоем ВТСП 301, медной оболочкой (покрытием) 302 и подложкой 303. Кристаллическая структура ReBCO имеет три главные оси, которые взаимно перпендикулярны, называемые в области техники осями a, b и с. Для целей этого раскрытия мы не принимаем в расчет любую зависимость критического тока от ориентации составляющей магнитного поля в плоскости ab, так что оси a и b можно считать взаимозаменяемыми и поэтому они будут рассматриваться только как плоскость a/b (т.е. плоскость, определяемая осями a и b). На фиг.3 плоскость a/b слоя ReBCO 301 показана в виде единой линии 310, перпендикулярной оси С 320.
Критический ток ленты зависит от толщины и качества кристалла ReBCO. Он также имеет приблизительно обратную зависимость от окружающей температуры, а также от величины приложенного магнитного поля. И наконец, он также зависит от ориентации приложенного магнитного поля относительно оси c. Когда вектор приложенного магнитного поля лежит в плоскости a/b 310, критический ток значительно выше, чем когда вектор приложенного магнитного поля совпадает с осью c 320. Критический ток плавно изменяется между этими двумя крайними значениями при ориентации поля "вне плоскости а/b". (На практике 5 может существовать более одного угла, при котором критический ток демонстрирует пик. Кроме того, амплитуда и ширина пиков изменяются как при приложенном поле, так и с температурой, но для целей данного объяснения можно рассматривать ленту с единственным доминирующим пиком, который определяет оптимальную ориентацию приложенного поля В, дающего максимальный критический ток).
Ленты ReBCO обычно изготавливают так, чтобы ось c находилась как можно ближе к перпендикуляру к плоскости ленты. Однако некоторые доступные в продаже ленты имеют ось c под углом до 35 градусов от перпендикуляра в плоскости х/у.
ВТСП-ленты могут быть скомпонованы в ВТСП-кабели. ВТСП-кабель содержит одну или более ВТСП-лент, соединенных по своей длине через проводящий материал (обычно медь). ВТСП-ленты могут быть уложены друг на друга (т.е. расположены в наборе таким образом, что слои ВТСП параллельны), или они могут иметь некоторую другую компоновку лент, которая может изменяться по длине кабеля. Достойными внимания специальными видами ВТСП-кабелей являются одиночные ВТСП-ленты и ВТСП-пары. ВТСП-пары содержат пару ВТСП-лент, расположенных так, что слои ВТСП параллельны. Если используется лента с подложкой, то ВТСП-пары могут быть 0-го типа  (со слоями ВТСП, обращенными друг к другу), 1-го типа (со слоем ВТСП одной ленты, обращенным к подложке другой ленты) или 2-го типа (с подложками, обращенными друг к другу). В кабелях, содержащих более двух лент, некоторые или все ленты могут компоноваться в ВТСП-парах. Уложенные пакетом ВТСП-ленты могут иметь различные компоновки ВТСП-пар, чаще всего это либо набор пар 1-го типа, либо набор пар 0-го типа и (или, что эквивалентно) пар 2-го типа. ВТСП-кабели могут содержать комбинацию ленты с подложкой и отслоенной ленты.
При описании обмоток поля в этом документе будут использоваться следующие термины:
"ВТСП-кабель" - кабель, содержащий одну или более ВТСП-лент. По этому определению одиночная ВТСП-лента может быть ВТСП-кабелем;
"виток" - секция ВТСП-кабеля в пределах обмотки поля, охватывающая внутреннюю часть обмотки поля (т.е. которая может быть смоделирована в виде полной петли);
"дуга" - непрерывный отрезок обмотки поля, который меньше всей обмотки поля;
"внутренний/внешний радиус" - расстояние от центра обмотки поля до внутренней/внешней части ВТСП-кабелей;
"внутренний/внешний периметр" - расстояние, измеренное вокруг внутренней/внешней части обмотки поля;
"толщина" - радиальная ширина всех витков обмотки поля, т.е. разность между внутренним и внешним радиусом;
0
0
"критический ток" - ток, при котором ВТСП стал бы обычным при данных температуре и внешнем магнитном поле (считается, что ВТСП "становится нормальным" в характеристической точке сверхпроводящего перехода, где лента генерирует Eвольт на метр. Выбор E является произвольным, но обычно принимается за 10 или 100 микровольт на метр).
"критическая температура" - температура, при которой ВТСП стал бы нормальным при данных магнитном поле и токе.
Вообще говоря, существует два вида построения обмоток магнитного поля - путем намотки или путем сборки нескольких секций. Намотанные обмотки, показанные на фиг.2, изготавливаются путем обматывания ВТСП-кабеля 201 вокруг формирователя 202 в виде непрерывной спирали. Формирователь имеет такую форму, чтобы обеспечивать требуемый внутренний периметр обмотки поля, и может быть конструктивной частью готовой намотанной обмотки или может быть удален после намотки. Секционные обмотки, схематически показанные на фиг.3, состоят из нескольких секций 301, каждая из которых может содержать несколько кабелей или предварительно сформированных шин 311 и будет образовывать дугу всей обмотки. Секции соединяют стыками 302 с образованием полной обмотки. Хотя витки обмотки на фиг. 2 и 3 показаны для ясности на расстоянии друг от друга, обычно имеется материал, соединяющий витки обмотки. Обмотки могут быть "изолированными", т.е. имеющими электроизоляционный материал между витками обмотки, "неизолированными", когда витки обмотки электрически соединены в радиальном направлении, а также вдоль кабелей (например, путем соединения медных стабилизирующих слоевкабелей низкотемпературной пайкой или прямым контактом), или "частично изолированными", когда материал между витками имеет промежуточное сопротивление между сопротивлением традиционного проводника, например, металла, и сопротивлением традиционного изолятора, такого как керамический или органический изолятор. Неизолированные обмотки как правило не пригодны для больших обмоток поля по причинам, которые будут обсуждены более подробно ниже.
На фиг.4 показано поперечное сечение намотанной обмотки специфического типа, известной как "плоская обмотка", в которой ВТСП-кабели 401 намотаны собразованием плоской обмотки, аналогично шпуле ленты. Плоские обмотки могут быть выполнены с внутренним периметром любой двухмерной формы. Часто плоские обмотки обеспечиваются в виде "двойной плоской обмотки", как показано в поперечном сечении по фиг.5, которая содержит две плоские обмотки 501, 502, намотанные в противоположном направлении, с изоляцией 503 между плоскими обмотки и соединенными между собой внутренними выводами 504. Это означает, что необходимо подавать напряжение только на внешние, обычно более доступные выводы 521, 522, чтобы возбудить ток через витки обмотки и создать магнитное поле.
Намотанные обмотки могут быть значительно проще в изготовлении, чем обмотки, собранные из состыкованных шин, однако имеются некоторые ограничения. Например, в магнитах с сильно асимметричными распределениямиполя вокруг обмотки целесообразно "ранжировать" кабели (или шины) в магните, обеспечивая больше ВТСП в областях с сильным полем (и, следовательно, низким критическим током на одну ленту) и меньше ВТСП в областях со слабым полем (а значит с высоким критическим током на одну ленту). Это явно невозможно в обмотке, которая намотана непрерывно из единого однородного кабеля, поскольку величина ВТСП в любом данном поперечном сечении через обмотку поля будет одинаковой вокруг всей обмотки (в пределах поперечного сечения единого кабеля).
Секционные обмотки можно легко изготовить, используя ранжированные кабели/шины, просто обеспечив разные количества ВТСП в каждой секции или в различных точках в каждой секции. Однако стыки, необходимые в секционных обмотках, создают значительную электрическую и инженерную проблему, поскольку их сопротивление должно быть минимизировано, они часто будут подвергаться большим механическим нагрузкам, и для них может потребоваться точноевыравнивание. Кроме того, из-за стыков секционная обмотка всегда будет иметь большее сопротивление, чем эквивалентная намотанная обмотка, поскольку весь ток должен пропускаться из ВТСП в один кабель/шину через короткое расстояние резистивного материала (такого как медь) на стыке, а затем обратно в ВТСП во второй кабель/шину. Известно, что сопротивление границы раздела ReBCO-Ag внутри отдельных ВТСП-лент является ограничивающим фактором в конструкции стыков ВТСП-кабелей/шин.
Сущность изобретения
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен ВТСП-узел для использования в обмотке тороидального поля, содержащей центральную колонну. ВТСП-узел содержит множество параллельных наборов ВТСП-лент, выполненных проходящими через центральную колонну, причем каждый набор содержит множество ВТСП-лент, расположенных так, что оси c всех лент в наборе параллельны друг другу, и так, что плоскости слоев ВТСП у ВТСП-лент перпендикулярны первому радиусу центральной колонны. Каждая ВТСП-лента имеет угол c, представляющий собой угол между перпендикуляром к плоскости слоя ВТСП у ВТСП-ленты и осью c данной ленты. Множество наборов содержит первую и вторую группу наборов. Каждый набор в первой группе наборов содержит ВТСП-ленты первого типа, имеющие первый угол с, а каждый набор во второй группе наборов содержит ВТСП-ленты второго типа, имеющие второй угол c, который больше первого угла c. Первая группа наборов расположена ближе к первому радиусу, чем вторая группа наборов.
Согласно другому аспекту центральная колонна для обмотки тороидального поля содержит множество вышеописанных ВТСП-узлов, причем ВТСП-узлы расположены как сегменты центральной колонны.
Согласно еще одному аспекту предложена обмотка тороидального поля, содержащая вышеописанную центральную колонну.
Дополнительные варианты осуществления представлены в п.2 и последующих пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематическое изображение ВТСП-ленты;
Фиг.2 - изображение ВТСП-ленты, показывающее оси координат;
Фиг.3 - схема ВТСП-ленты, показывающая плоскость a-b и ось c ленты;
Фиг.4 - схематическое изображение намотанной ВТСП-обмотки;
Фиг.5 - схематическое изображение секционной ВТСП-обмотки;
Фиг.6 - схематическое изображение поперечного сечения плоской ВТСП-обмотки;
Фиг.7 - схематическое изображение поперечного сечения двойной плоской ВТСП обмотки;
Фиг.8 - схематическое изображение поперечного сечения центральной колонны обмотки тороидального поля;
Фиг.9 - схематическое изображение обмотки тороидального поля;
Фиг.10 - схематическое изображение поперечного сечения сегмента примерной центральной колонны;
Фиг.11 - схематическое изображение поперечного сечения еще одной примерной центральной колонны;
Фиг.12 - схематическое изображение перехода между центральной колонной по фиг.11 и возвратными ветвями обмотки тороидального поля.
Подробное описание
Обмотка тороидального поля для плазменной камеры токамака (или других применений) содержит центральную колонну и множество возвратных ветвей. На фиг.8 показано поперечное сечение центральной колонны 801, которая разделена на N сегментов 802 (в этом примере N=8). Каждый сегмент образует угол 2α, где 2α=360/N градусов. Каждый сегмент 802 соответствует одной или более возвратным ветвям, и, как показано на фиг. 9, каждая из возвратных ветвей 902 образует обмотку с соответствующим сегментом 802.
Один способ изготовления обмотки тороидального поля заключается в изготовлении N D-образных намотанных обмоток с использованием упорядоченных ВТСП-кабелей, при этом "вертикаль" каждой D-образной обмотки представляет собой сегмент, составляющий 1/N центральной колонны, и сборке обмоток с образованием полной обмотки тороидального поля. Однако такая конструкция будет страдать от одной из двух проблем:
• Если отдельные обмотки расположены так, что ВТСП-ленты тщательно выровнены с магнитным полем (т.е. так, что оси c направлены приблизительно радиально от центральной колонны), то каждая намотанная намотка будет иметь ширину только одиночной ВТСП-ленты (или ширину двух ВТСП-лент, если используются двойные плоские обмотки, как в большинстве случаев), и требуемое число обмоток будет большим (например, больше 200). Такое устройство будет сложно в изготовлении и ограничивает пространство между возвратными ветвями, что затруднит работу с компонентами в пределах обмотки тороидального поля (например, с плазменной камерой и/или обмотками полоидального поля).
• Если обмотки сконструированы из нескольких лент по ширине (т.е. из пакетов двойных плоских обмоток), чтобы обеспечить возможность конструкции с меньшим количеством возвратных ветвей, то ВТСП-ленты во внешних плоских обмотках в каждом пакете не будут выровнены с магнитными полями (со степенью отклонения, возрастающей в направлении края пакета), что уменьшит критический ток ВТСП.
Далее предложена альтернативная конструкция, использующая несколько типов ВТСП-ленты, каждый из которых имеет разный угол c (угол между плоскостью c и перпендикуляром к плоскости ВТСП-ленты). Хотя эта проблема была установлена выше на примеренамотанных ВТСП-обмоток, специалисту в данной области будет понятно, что такую конструкцию также можно использовать в секционных ВТСП-обмотках, при этом центральная секция колонны обладает свойствами центральной колонны намотанных ВТСП-обмоток, представленных ниже.
На фиг.10 показано поперечное сечение одного сегмента 1001 примерной центральной колонны. Каждый сегмент может иметь одинаковую структуру. Сегмент 1001 содержит несколько параллельных наборов ВТСП-ленты 1011, 1012, 1013, 1014, 1015, 1016, которые ориентированы слоями ВТСП перпендикулярно радиусу 1010, проходящему через этот сегмент (например, через среднюю точку наборов, измеренную тангенциально). Хотя в данном примере показано шесть наборов, число наборов будет зависеть от размеров сегмента и ВТСП-ленты. Наборы могут быть частями одинарной или двойной плоской обмотки.
В наборах 1011-1016 используются два типа ВТСП-ленты. Первый тип ВТСП-ленты имеет угол c β, а второй тип ВТСП-ленты имеет угол c γ, который больше угла c β ВТСП-ленты первого типа. Наборы 1013, 1014 по направлению к центру сегмента выполнены из ВТСП-ленты первого типа. Наборы 1011, 1012, 1015, 1016 по направлению к внешним краям сегмента (по касательной) выполнены из ВТСП-ленты второго типа. Наборы слева от центра сегмента имеют по ось c, направленную влево, а наборы справа от центра сегмента имеют ось c, направленную вправо.
В общем тип ВТСП-ленты, используемой для каждого набора, можно выбирать, обеспечивая наилучшее выравнивание между плоскостями a/b ВТСП-лент в наборе и магнитным полем центральной колонны. Однако "наилучшее выравнивание" будет зависеть от конкретной конструкции центральной колонны. Учитывая только магнитное поле, наилучшее выравнивание, как правило, будет таким, при котором угол между осью c и радиусом центральной колонны минимизирован по направлению к радиально внешнемуконцу каждого набора (поскольку магнитное поле является максимальным по направлению к внешней стороне центральной колонны), но в зависимости от тепловых нагрузок и напряжений, испытываемых центральной колонной, может быть целесообразным минимизировать угол между осью c и радиусом центральной колонны в некоторой другой точке в наборе. Однако, в общем, наборы, находящиеся на большем расстоянии от радиуса 1010 центральной колонны, который перпендикулярен ВТСП-ленте, будут иметь больший угол c, чем наборы, находящиеся ближе к этому радиусу.
Можно использовать более двух типов ВТСП-ленты, каждый из которых имеет различный угол c, причем ВТСП-ленты, имеющие больший угол c, расположены дальше от радиуса, перпендикулярного ВТСП-лентам.
Число сегментов N можно выбирать, гарантируя, чтобымаксимальный угол c составлял приблизительно α, например, в пределах десяти градусов α. Для намотанных обмоток чем меньше сегментов, тем меньше возвратных ветвей. Чтобы улучшить однородность тороидального поля, можно увеличить число возвратных ветвей без уменьшения угла α сегмента путем обеспечения двух слоев сегментов, как показано на фиг. 11. На фиг. 11 показано поперечное сечение центральной колонны 1100, первый слой сегментов 1101 и второй слой сегментов 1102, каждый из которых сконструирован аналогично вышеописанному сегменту 1001. Первый слой сегментов 1101 расположен радиально снаружи от второго слоя сегментов и смещен от второго слоя сегментов 1102 на угол α сегмента, так что средняя точка каждого сегмента одного слоя находится на том же радиусе, что и стык между сегментами в другом слое. Такое расположение гарантирует, что возвратные ветви, соответствующие каждому сегменту, будут равномерно распределены вокруг обмотки тороидального поля.
Фиг.12 схематично иллюстрирует верхнюю часть центральной колонны по фиг.11, показывая переход от сегментов 1101, 1102 центральной колонны к соответствующим возвратным ветвям 1201, 1202. Возвратные ветви 1201, соответствующие внешним сегментам 1101 центральной колонны, имеют меньшую высоту, чем возвратные ветви 1202, соответствующие внутренним сегментам 1102 центральной колонны, обеспечивая возможность более легкой сборки обмотки тороидального поля. Это имеет дополнительное преимущество, заключающееся в отделении переходных областей между каждой возвратной ветвью и каждым сегментом центральной колонны, которые имеют свойство быть областями высокой тепловой нагрузки в обмотке тороидального поля. Возвратные ветви 1201, 1202 разнесены под равными углами и имеют одинаковый радиус в центральной плоскости. Опять же, хотя данная проблема была описана на примере намотанных обмоток, компоновку по фиг. 11 и 12 можно повторить в секционных обмотках.