Сверхпроводящий выключатель постоянного тока

 

Использование: в сверхпроводящей электротехнике и криоэлектронике, а именно в размыкателях (выключателях) многократного действия. Сущность изобретения: сверхпроводящий выключатель содержит ключевой элемент, состоящий из изолированных ветвей, и управляющий элемент ключевой элемент содержит две ветви, а управляющий элемент расположен на одной из ветвей сечением S₁ , причем сечение второй ветви S₂ удовлетворяет соотношению S₁≅ S₂≅ I_раб/j_с , где I_раб - полный рабочий ток, подводимый к ключевому элементу; j_с - критическая плотность тока сверхпроводящего материала ключевого элемента. 1 ил.

Изобретение относится к сверхпроводящей электротехнике и криоэлектронике, а именно к размыкателям (выключателям) многократного действия. Известно электрическое выключающее устройство, состоящее из сверхпроводящего сердечника и окружающей его сверхпроводящей катушки для создания магнитного поля, переключающего в нормальное состояние сердечник. Известен сверхпроводящий ключ, состоящий из соленоида, создающего управляющее магнитное поле, и сверхпроводящего ключевого элемента, расположенного в соленоиде, в котором с целью снижения затрат на управление за счет уменьшения величины управляющего магнитного поля ключевой элемент состоит из одной или нескольких параллельно соединенных фольговых лент, выполненных в виде последовательно соединенных колец, уложенных через изоляционные прокладки гармошкой одно под другим и расположенных в соленоиде так, что магнитное поле соленоида перпендикулярно плоскости колец. Однако энергия управления в известных устройствах может быть очень большой из-за необходимости создания критической напряженности магнитного поля в большом объеме внутри катушки, особенно при работе с большими тюками, требующими соответственно большого сечения ключевого элемента (сердечника). Наиболее близким к предлагаемому является мощный сверхпроводящий выключатель, содержащий ключевой элемент, состоящий из изолированных ветвей, и управляющий элемент, причем эти элементы через электрические полюса подключены к внешней цепи, а изолированные ветви сверхпроводящего материла представляют собой пакет в виде прямоугольной призмы, и края ветвей электрически соединены друг с другом определенным образом. Однако для нормальной работы известного устройства также необходимо создание критического магнитного поля во всем, довольно значительном, объеме, занимаемом ключевым элементом, который содержит не менее трех ветвей, причем при работе с большими величинами транспортных токов сечения ветвей и, следовательно, объем должны быть увеличены, что вызовет дополнительные затраты энергии управления. Целью изобретения является уменьшение энергии управления. Поставленная цель достигается тем, что в сверхпроводящем выключателе, содержащем ключевой элемент, состоящий из изолированных ветвей, и управляющий элемент, ключевой элемент (КЭ) содержит две ветви, а управляющий элемент (УЭ) расположен на одной из ветвей, причем сечение второй ветви S₂ удовлетворяет соотношению S₁ ≅ S₂ ≅ I_раб/j_c, где I_раб - полный рабочий ток, подводимый к ключевому элементу; j_c - критическая плотность тока сверхпроводящего материала ключевого элемента; S₁ - сечение ветви, содержащей управляющий элемент. Использование заявляемого выключателя позволяет производить переключения управляющими сигналами сравнительно меньшей энергии, так как процесс переключения разделяется на две стадии. Первая стадия проходит под действием критической напряженности магнитного поля УЭ на первую ветвь КЭ. Вторая стадия - переключение второй ветви - происходит уже без затрат дополнительной энергии, только под действием собственного тока, превысившего критическое значение, при этом данное устройство должно работать при условии постоянства транспортного тока через сверхпроводящий КЭ. Таким образом, положительный эффект заключается в уменьшении энергии управления выключателем за счет использования для переключения энергии тока, текущего в КЭ. Кроме того, УЭ создает критическую напряженность магнитного поля в меньшем, чем у прототипа, объеме, что энергетически выгоднее. На чертеже показан предлагаемый сверхпроводящий выключатель постоянного тока. Выключатель состоит из ключевого элемента 1, выполненного из сверхпроводника с критической плотностью тока j_с и разделенного на две ветви 2 и 3 с разными сечениями S₁ и S₂ соответственно, причем S₁ ≅ S₂. На ветви 2 расположен управляющий элемент 4 в виде соленоида. Устройство помещается в криогенную среду (на чертеже не показано). Диапазон рабочих токов выключателя определяется соотношением J_oS₂ < I_раб < j_o(S₁+S₂). При расчете выключателя минимальное сечение S₁ ветви 2 и отношение S₁/S₂ выбирается исходя из уровня возможных помех в управляющей и рабочей цепях, чтобы исключить неустойчивость в работе и самопроизвольное переключение. Сверхпроводящий выключатель работает в цепи постоянного тока следующим образом. В отсутствие управляющего сигнала рабочий ток распределяется по ветвям 2 и 3 на токи I₁ и I₂ в соответствии с их индуктивностями, причем обе ветви остаются сверхпроводящими, если I_раб < j_c(S₁+S₂). При подаче в УЭ 4 управляющего сигнала, создающего критическое магнитное поле в объеме ветви 2, последняя переходит в нормальное состояние. Ток I₁ этой ветви вытесняется в параллельную ветвь 3, где выполняется условие I₁ + I₂ = I_раб > jS₂, а эта ветвь также переходит в нормальное состояние, теперь уже под влиянием другого критического параметра. Для восстановления сверхпроводимости достаточно снять управляющий сигнал. Если предлагаемый выключатель работает как криотон в схеме с параллельными сверхпроводящими линиями, выключатель может перебросить ток в параллельные линии.

Формула изобретения

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий ключевой элемент, состоящий из изолированных ветвей, и управляющий элемент, отличающийся тем, что, с целью уменьшения энергии управления, ключевой элемент содержит две ветви, а управляющий элемент расположен на одной из ветвей сечения S₁, причем сечение второй ветви S₂ удовлетворяет соотношениям S₁ ≅ S₂ ≅ I_pаб / j_c , где I_раб - полный рабочий ток, подводимый к ключевому элементу; j_c - критическая плотность тока сверхпроводящего материала ключевого элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1