[发明专利]超导系统

说明书

技术领域

本发明涉及用来磁化超导体的方法和设备，特别针对磁化超导磁通泵，以及新型的磁化超导体。

背景技术

超导磁通泵的概念相对来说较为直观：重复施加一弱磁场在超导体内部产生一较大俘获磁场，大小取决于超导体的体积以及通过的临界电流，与施加的励磁磁场无关。只要此超导体一直保持低温状态，产生的俘获磁场即可在无外加电流之下维持恒定。

此专利报告提出一新技术的实现方法，能使得产生1特斯拉以上的磁场更为容易。不仅如此，实施例中除了部分磁化磁场需相当程度与平面磁体达成垂直外，其磁场均可以范围内任意随时间或空间变化的，例如在空间中产生一均匀的磁化磁场或是一行波磁场。

广泛来说，此专利技术的实现采用能储存磁场的媒介，此媒介通常为一超导体。驱动此媒介以达成其磁化的是由一可变磁态的材料，例如可由顺磁态转变为铁磁或者逆磁态；当可变磁态材料产生磁相变时，其磁场的改变会在超导媒介中产生感应电流以磁化(或者去磁化)此超导媒介。此报告所阐述的技术之实现，如文中讨论之几何结构或者方法的实现，在广泛的应用中可见远瞻的前景。

发明内容

本发明的第一层面为改变超导体磁化的方法：自动化控制一磁场以生成一通过超导体表面或邻近表面的磁场波(特别是驻波)。

在一些实现方法中磁场波的上升时间和下降时间是不同的—例如上升时间可能比下降时间慢。上升和下降时间很重要，因为磁化是取决于感应电流产生之后的衰减(实践中的实际情况)。磁场强度的改变感应出方向相反的电流(如果没有衰减，这些电流会相互抵消，总的磁化强度在第一周期后就不会变化)。所施加的磁场波的周期必须与施加磁场波(行波或者驻波)间隔周期不同，时间上的不同可以是10％，50％，100％或者是200％。

电磁铁在实际应用中可起到增加超导体磁化强度的作用(在磁化过程中用来磁化超导体，直到超导材料表面由超导体产生的磁场强度大于外加磁场强度)。在此方法的应用中，外加磁场强度是幅值随时间变化的波，并且此波的幅值随着时间的增加而减小。虽然这会导致磁化时间增加，但最终获得的磁化磁场会更大。

在一些应用中本方法还由部分磁路组成，通过控制磁路可以实现对超导体的磁化(反磁化)或者退磁。此磁路包含一种铁磁物质，通过控制此物质来实现在磁化中或者磁化后减少损失，或者减少磁化强度的衰减。具体的控制是通过铁磁物质的温度(实现控制相对磁导率；在一些应用中控制还包括打开磁路，例如通过加热材料超过它的居里温度。

更具体一些，例如在磁化过程的开始阶段，由于超导体内部的磁化强度很小，磁路的作用就很明显，因为它增强了背景磁场。但随着超导体的充磁，它自己本身成为了一个磁场源，因此磁路的存在就不那么重要了，为了减小损耗，在这个阶段可以选择关掉磁路。磁路可选用温度可控的磁体材料，通过调节温度来控制磁路的开关。磁路可以类比于电路，磁路中有效地“电阻”可以通过调节磁导来控制，比方说控制磁性材料的相对磁导率。可以采用机械控制，直接移动磁路的一部分。但通过温度来控制铁磁材料的方法更理想一些(技术人员会知道即使是在居里点，很多磁性材料的磁导率也不是突然变化的)。

上述技术在磁成像仪器上特别有用，例如核磁共振仪(MRI)。在此类设备中超导体磁化强度的低衰减率是很重要的，可以通过控制磁化后的磁路来达成抵消磁化衰减的目的。因此当磁化强度衰减后，磁路中的磁场可以通过减低磁路中的磁阻来实现。通常情况下，磁化过程中或者磁化结束后都可以控制磁路。另外，磁路中的磁场强度是超导体磁化强度和磁路磁阻的函数，因此可以通过调节磁路来控制它。

在一些应用中，(彻底地)关掉(打开)磁路是很有用的。例如在转子和定子一起构成磁路的电动机中。因为定子受到变化磁场的影响会产生损耗。这种损耗可以通过加热磁性材料到居里点从而关掉磁路的方法来减少和消除。

上述的控制磁路特性的技术在此后提到的行波技术中也会用到。

另一层面上，此发明提供了一种改变超导体磁化强度的方法，通过(自动)控制磁体，最好是电磁体，来产生磁通波。在这种方法中，超导体被置放于包含铁磁材料的磁路中，通过改变铁磁材料的温度来在磁化过程中或者磁化后控制磁路。实际应用中，所产生的磁通波可以是行波或者驻波，也可以随时间衰减。此发明同时提供相应的设备来实现上述方法。

上述的方法有很广泛的应用，包括之前提及的MRI。例如在同步发电机或者电动机中，通过降低定子处的磁场来减少损耗。这种技术在大型的船用电机，风力发电机或者潮汐发电及中会用到。另外此项技术在消除和磁场分离上也有广阔前景。