Импульсный высокотемпературный сверхпроводящий ключ

 

Использование: в сильноточной электронике, для генерирования мощных импульсов тока. Сущность изобретения: сверхпроводящий ключевой элемент выполнен в виде замкнутого проводника, в частности - трубы, и связан с цепью управляемого тока индуктивно, а в объеме, экранируемом сверхпроводящим ключевым элементом, размещен магнитопровод из материала с высокой магнитной проницаемостью 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к сильноточной электронике и может быть использовано для генерирования мощных импульсов тока как со сверхпроводящими накопителями энергии, так и с накопителями энергии на обычных проводниках; также в быстродействующих системах защиты сверхпроводящих накопителей энергии.

Известен мощный криотрон, содержащий малоиндуктивный сверхпроводящий ключевой элемент, выполненный из одинаковых тонкостенных трубок, параллельных одна другой, концы которых электрически соединены сверхпроводящими перемычками; силовые выводы ключевого элемента; охватывающую его сверхпроводящую обмотку управления; ее выводы, подключенные через блок управления к источнику электрической мощности. Переход ключевого элемента из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется при подключении к выводам обмотки управления блоком управления источника электрической мощности системы управления. Таким образом, в закрытом состоянии криотрона сверхпроводящий ключевой элемент находится в управляющем магнитном поле [1] Недостатками такого сверхпроводящего ключа являются малая эффективность для генерирования мощных импульсов, поскольку в качестве материала для ключевого элемента используется сверхпроводник с малым удельным сопротивлением, что не позволяет получить большую коммутируемую мощность при малых габаритах сверхпроводящего ключевого элемента; контактное включение сверхпроводящего ключевого элемента в коммутируемую цепь; недостаточно высокое быстродействие устройства для генерирования мощных импульсов тока.

Наиболее близким по технической сущности является сверхпроводящий ключ, изготовленный из высокотемпературной сверхпроводящей керамики YBaCuO, содержащий сверхпроводящий токонесущий ключевой элемент, по оси которого расположен медный провод для пропускания управляющего тока. Переход сверхпроводящего ключевого элемента в нормальное состояние управляется импульсным магнитным полем [2] Однако быстродействие этого сверхпроводящего ключа ограничивается инерционностью проникновения управляющего магнитного поля в сверхпроводящий ключевой элемент вследствие высокой индуктивности управляющей цепи. При контактном включении сверхпроводящего ключевого элемента в коммутируемую цепь создается тепловой разогрев контактов к высокотемпературной сверхпроводящей керамике, что существенно снижает токонесущую способность и коммутируемую мощность такого ключевого элемента.

Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия и импульсной коммутируемой мощности сверхпроводящего ключа.

Результат достигается тем, что в бесконтактном импульсном высокотемпературном сверхпроводящем ключе, содержащем ключевой элемент, проводник с управляемым током, его выводы, обмотку управления, создающую в объеме ключевого элемента магнитное поле, выводы которой подключены к блоку управления, ключевой элемент выполнен в виде замкнутого проводника и связан с цепью управляемого тока индуктивно, а в объеме, экранируемом сверхпроводящим ключевым элементом, размещен магнитопровод из материала с высокой магнитной проницаемостью.

В предлагаемом бесконтактном импульсном высокотемпературном сверхпроводящем ключе быстродействие определяется тем, что управляющее магнитное поле создается только в объеме сверхпроводящего ключевого элемента, а в конструкции прототипа управляющее магнитное поле создается во всем пространстве, поскольку используется магнитное поле прямого провода. Время быстродействия предлагаемого устройства время переключения составляет менее 100 нс, в то время как быстродействие прототипа 10 100 мкс. Время восстановления сверхпроводящего состояния ключа порядка микросекунды.

Экранирующий высокотемпературный сверхпроводящий ключевой элемент не имеет контактов и не требует специальной защиты от теплового перегрева током при переходе в нормальное состояние, поэтому сверхпроводящий ключевой элемент может работать на плотностях тока вплоть до критической, для прототипа рабочая плотность тока значительно ниже критической из-за разогрева сверхпроводника в местах контактных зон. Благодаря этому повышается импульсная коммутируемая мощность.

Время работы ключа в режиме размыкания определяется динамикой затухания токов в ключевом элементе, находящемся в нормальном состоянии; при использовании замкнутого магнитопровода это время составляет сотни микросекунд и более.

На фиг.1 схематично изображен бесконтактный импульсный высокотемпературный сверхпроводящий ключ, общий вид; на фиг.2 пример конкретного выполнения конструкции ключевого элемента; на фиг.3 импульс управляющего магнитного поля; на фиг. 4 импульсный ток различной амплитуды в управляемой цепи (1 5) (а); управляемое изменение напряжения на сверхпроводящем ключе при амплитуде управляющего поля Н 60 мТ (б).

Бесконтактный импульсный высокотемпературный сверхпроводящий ключ содержит сверхпроводящий ключевой элемент 1; проводник с управляемым током 2; его выводы 3; обмотку управления ключевого элемента 4; ее выводы 5, подключенные к блоку управления источника электрической мощности 6; магнитопровод 7.

Бесконтактный импульсный высокотемпературный сверхпроводящий ключ работает следующим образом.

В исходном состоянии ключевой элемент 1 является сверхпроводящим и служит экраном для проводника с управляемым током 2. Через проводник 2, имеющий малую индуктивность L_o, пропускаются импульсы тока I(t) от стабилизированного источника тока (не показан), подключаемого к выводам 3. С некоторой задержкой на обмотку управления 4, ее выводы 5, соединенные с блоком управления источника электрической мощности 6, подается импульс управляющего магнитного поля прямоугольной формы H(t) (фиг.3). Магнитный поток, создаваемый обмоткой управления 4, пронизывает сверхпроводящий ключевой элемент 1 и переводит его в нормальное состояние, при этом экранирование снимается и происходит значительное увеличение индуктивности проводника с управляемым током 2 от L_o до L_m >> L_o. Соответственно, у проводника с током появляется импульсный импеданс Z dL/dt, поддерживаемый в течение времени нарастания его индуктивности где τ время работы ключа в режиме размыкания.

Использование магнитопровода 7 позволяет увеличить индуктивность проводника с управляемым током L_m. В частности, в рабочей модели ключа исследованы три варианта ключа с различной индуктивностью проводника L_m при полностью снятом экранировании: без магнитопровода, с разомкнутым магнитопроводом и с замкнутым магнитопроводом. Индуктивность проводника в нормальном состоянии L выше при замкнутом магнитопроводе. Следовательно, повышая индуктивность проводника L_m, увеличиваем время работы ключа в режиме размыкания. Времена работы ключа в режиме размыкания для случаев без магнитопровода, с разомкнутым и с замкнутым магнитопроводами составляют 3, 10 и 240 мкс соответственно. Для генерирования подобными ключами длинных импульсов необходимо использовать конструкции с замкнутым магнитопроводом.

В предлагаемом устройстве в качестве конкретного примера замкнутого ключевого элемента 1 использовалась сверхпроводящая труба из высокотемпературной керамики BiPbSrCaCuO (фиг.2). Труба подвергалась воздействию магнитного поля квазиступенчатой формы с передним фронтом менее 100 нс. В качестве проводника с управляемым током 2 использовался соленоид. Связь параметров ключа в режиме холостого хода со свойствами сверхпроводящего ключевого элемента 1 в состоянии экранирования видна из анализа работы устройства в электротехническом приближении. Падение напряжения на соленоиде без учета активного сопротивления его обмотки представляется как u L_odI/dt + wL_kd(wI i)/dt, где первый член описывает изменение магнитного потока в зазоре между соленоидом и трубой, а второй изменение потока в трубе за счет снятия экранирования. Для тока в трубе справедливо выражение L_kd(wI i)/dt R_ki.

Следовательно, напряжение соленоида u L_odI/dt + wR_ki, L_k и R_k индуктивность и активное сопротивление ключевого элемента трубы 1, i ток в трубе, I,w ток и число витков в соленоиде соответственно. Первый член в правой части должен быть пренебрежимо мал. Значение второго члена зависит от полного активного сопротивления трубы и протекающего в ней тока. Мощность и импеданс ключа могут быть представлены как
P wR_ki·I,
Z wR_ki/I.

Рассмотрим простейший случай, приближенно описывающий предлагаемое устройство. R_k(t) скачкообразно изменяется от 0 до R_n, ток соленоида остается постоянным I I_o. Тогда в предположении полного экранирования при t 0 (i)O) wI_o) получаем для тока трубы
i(t) = wl_oexp(-t/τ), τ=L_к/R_к. z(t) =w²R_n exp(-t/τ).
Для импеданса ключа имеем
τ
Он существенным образом зависит от числа витков соленоида, нормального сопротивления экранирующего сверхпроводящего ключевого элемента 1 и действует в течение времени МГ затухания экранирующего тока в трубе. Активное сопротивление сверхпроводящего ключевого элемента-трубы определяется удельным сопротивлением материала при используемом способе управления переходом из сверхпроводящего состояния в нормальное. Предлагаемое устройство может работать как в импульсном, так и частотном режимах. Проводник с управляемым током 2 в таком устройстве может быть как сверхпроводником, так и обычным металлическим проводником.

Из представленных кривых u(t) (фиг.4) для различных токов через ключ при Н 60 мТ видно, что падение напряжения на ключе увеличивается с ростом амплитуды параметра I. Это увеличение имеет тенденцию насыщения. Скачкообразное появление напряжения на ключе связано с резким изменением резистивного состояния трубы при подаче управляющего импульса. Передний фронт импульсов u(t) время переключения ключа имеет порядок 100 нс. Оно характеризует быстродействие ключа и определяется двумя характеристиками: фронтом импульса управляющего магнитного поля и временем проникновения магнитного поля в стенку сверхпроводящего ключевого элемента-трубы. При включении управляющих импульсов магнитного поля одинаковой амплитуды с разной длительностью фронта 140 и 70 нс на ключе регистрировались сигналы u(t) с фронтом, равным 150 и 90 нс соответственно.

Время восстановления сверхпроводящего состояния ключа составляет 1 5 мкс и определяется бесконтактным способом включения сверхпроводящего ключевого элемента и токонесущими свойствами сверхпроводящего материала.

В предлагаемом бесконтактном импульсном высокотемпературном сверхпроводящем ключе быстродействие определяется тем, что управляющее магнитное поле создается только в объеме сверхпроводящего ключевого элемента, и составляет менее 100 нс.

Время восстановления сверхпроводящего состояния ключа составляет 1 5 мкс.

Импульсная коммутируемая мощность повышается за счет возможности работы ключа на плотностях тока вплоть до критической.

Время работы ключа в режиме размыкания определяется динамикой затухания токов в сверхпроводящем ключевом элементе, находящемся в нормальном состоянии; при использовании замкнутого магнитопровода это время составляет сотни микросекунд и более.

Формула изобретения

1. Импульсный высокотемпературный сверхпроводящий ключ, содержащий сверхпроводящий ключевой элемент, цепь управляемого тока и обмотку управления, создающую в объеме ключевого элемента магнитное поле, выводы которой подключены к блоку управления, отличающийся тем, что ключевой элемент выполнен в виде замкнутого проводника и связан с цепью управляемого тока индуктивно.

2. Ключ по п.1, отличающийся тем, что в объеме, экранируемом сверхпроводящим ключевым элементом, размещен магнитопровод из материалов с высокой магнитной проницаемостью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4