고온 초전도체를 갖는 유속 펌프 및 상기 유속 펌프에의해 동작되는 초전도 전자석

고온 초전도체를 갖는 유속 펌프 및 상기 유속 펌프에 의해 동작되는 초전도 전자석 {FLUX PUMP WITH HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR AND SUPERCONDUCTIVE ELECTROMAGNET OPERATED BY THE FLUX PUMP}

본 발명은 HT _c (Hochtemperatur고온) 초전도 스위치를 갖는 정류기 타입의 유속 펌프 및 상기 유속 펌프에 의해 동작되는 HT _c 초전도 전자석에 관한 것이다.

예컨대 핵스핀 단층 촬영을 위해서는 개별 자계 강도의 높은 시간상수를 갖는 높은 자계가 요구된다. 이를 위해, 초전도 코일을 갖는 전자석이 발달되었다. 니오븀-주석 또는 니오븀-티타늄과 같은 저온(LT _c ) 초전도 재료로 이루어진 코일은 수십년전부터 이미 공지되어 있다. 이와 같은 자석들은 대략 4K의 온도 범위 내에서 동작될 수 있다.

대략 십년전부터 액체 공기의 온도를 초과할때까지, 예컨대 77°K 미만의 온도에서 초전도를 나타내는 고온 타입의 초전도 재료(HT _c 초전도체)도 공지되어 있다. 또한 높은 자계에서 예컨대 대략 40K 이하의 온도에서 사용될 수 있는 HT _c 초전도 코일을 갖는 전자석도 이미 제조되었다. 이러한 낮은 동작 온도는, 사용된 HT _c 초전도 재료들, 예컨대 (Bi, Pb) ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O ₁₀ 및 Bi ₂ Sr ₂ CaCu ₂ O ₈ 과 같은 비스무트 구리산염과 RE=Nd, Gd, Sm, Er, Y 일 때 RE Ba ₂ Cu ₃ O ₇ 과 같은 희토류 구리산염의 HT _c 안전 전류량이 우세한 자계의 강도에 따라 제한된 개별 동작 온도에 이를때까지만 충분히 유지된다는데 기인한다.

이러한 자석의 초전도 코일 내에서 한번 생성되어 흐르는 단락 초전도 전류는 이상적인 경우에 계속해서 멈춘다. 이러한 초전도 전류를 초전도 코일 내로 공급하기 위해서는 예컨대 유속 펌프로 공지된 장치가 사용된다. 이러한 유속 펌프는 예컨대 IEEE Transactions on Magnetics, 제 32권(1996)의 2699-2702페이지에 실린 "Study of Full-Wave Superconducting Rectifier-Type Flux-Pumps" 및 Cryogenics, 1991, 5월, 262-275페이지에 실린 "On Fully Superconducting Rectifiers and Flux Pumps"에 공지되어 있다.

언급된 종래 기술은 단지 저온 (LT _c ) 타입의 초전도체, 예컨대 언급된 니오븀-주석 및 니오븀-티타늄과 같은 재료에만 관련된다. 종래 기술의 정류기 타입의 유속 펌프(2)에 대한 예인 도 1에서 전자석(111)의 LT _c 초전도체를 갖는 초전도 코일은 도면 부호 11로 표기되며, 상기 LT _c 초전도체는 이미 언급된 핵스핀 단층 촬영을 위해 공지된 방식으로 사용된다. 도면 부호 12는 전기 에너지를 공급하는 전원을 표기하며, 상기 전원에 의해 전자석의 동작시 코일(11) 내에서 흐르는 초전도 전류의 구조가 영향을 받게 된다. 도면 부호 13은 1차 코일(113)을 갖는 트랜스포머이고 이 예에서 도면 부호 2는 직렬로 연결된 2차 코일(213 및 313)을 표기한다. 도면 부호 15 및 16은 각각의 2차 코일(213 및 313)의 회로 내에서 흐르는 초전도 전류의 폐쇄 및 단속을 위한 2개의 스위치를 표기한다. 이러한 양 2차 코일 및 스위치는 종래 기술에서는 LT _c 초전도 재료로 이루어지지만, 본 발명에서는 HT _c 초전도 재료로 이루어진다. 트랜스포머(13)로 작용하기 위해서 상기 전원(12)은 통상적으로 말하는 교류, 즉 흐름의 방향이 주기적으로 변하는 전류를 공급한다. 이러한 반복된 흐름 방향의 교체에 상응하여 스위치(15 및 16)가, 더 정확히 말해서 서로 교체되면서 개방 및 폐쇄된다. 따라서, 도면 부호 20 및 21로 표기된 라인을 통해 흐르는 전류의 정류가 이루어진다. 상기 전류는 전자석의 코일(11)을 위한 공급 전류이다. 도면 부호 23은 여기서는 자세히 실시되지 않은, 유속 펌프(2)의 보호를 위한 공지된 안전 장치를 표기한다. 도면 부호 25는 전원(12) 및 스위치(15 및 16)의 공급 전류의 반복된 교체를 제어하기 위한 제어 시스템을 표기한다.

도 1의 공지된 유속 펌프에서 스위치(15 및 16)는 저온(LT _c ) 초전도 스위치이다. 상기 스위치들의 "개방" 및 "폐쇄" 상태는 상기 스위치 내에 함유된 전도재료의 상태에 의해 "초전도" 상태이거나 "정상 전도" 상태이다. 상기 초전도 상태는 이에 상응하여 저온 냉각된 상태에서 존재한다. 상기 냉각 상태는 개별 스위치 소자의 가열에 의해 개방된 스위치에 상응하는 정상 전도 상태로 변환된다. 이러한 변환은 가역적이다.

공지된 방식과 같이 스위치(15 및 16)가 주기적으로 변환될 때 전자석의 코일(11) 및 상기 코일(11)의 회로는 초전도 전류로 연속해서 충전됨으로써, 이에 상응하여 전자석의 코일(11) 내에서 높은 자계 강도 또는 높은 자속의 전자석 연속 필드가 연속으로 생성되며, 상기 연속 필드는 초전도 상태가 유지되는 동안 영구적이다. 더 광범위하게 볼 때 이러한 영구성은 LT _c 초전도 및 상기 LT _c 초전도를 위해 사용된, 이미 위에 언급된 재료에도 적용된다. 예컨대 핵스핀 단층 촬영의 한번 충전된 초전도 전자석은, 이러한 자계에 의해 핵스핀 단층 촬영을 위해 극도로 요구된 필드의 영구성이 지켜지도록 일정하게 오랫동안 그것의 자계 강도를 유지한다. 기술적 결함 또는 동작에 따른 오류가 없다는 것을 전제로 할 때, 재충전은 예컨대 대략 100 시간후에야 요구된다.

달리 말하면, 즉 초전도 권선에 의해 저온 영역에서 작동되는, 매우 신속하게 이용될 수 있는 높은 최대 출력을 갖는 전기 에너지용 전기 기억 장치에 있어서, 이러한 기억 장치(Cool MOSFET)의 전기 제어 시스템에서 거기에 필요한 스위치가 사용된다는 것이 공지되어 있다(IEEE, ISPD'99, Toronto 26-28. 1999년 5월, 91-94페이지). 이는 1000V 이하, 대략 77K의 저온에서 바람직하게 사용되는MOSFET이다. 왜냐하면, 이러한 온도 범위에 있는 MOSFET는 매우 적은 전기 순방향 저항을 갖기 때문이다. 따라서, 상기 MOSFET 에서 충격 동작시 높은 전류량에도 불구하고 이에 상응하는 전기 에너지의 고유 손실은 적게 생성된다. 따라서, 상기 MOSFET은 이러한 적용예에서 최대 출력 메모리의 동작시 에너지 절약을 위해 사용된다.

본 발명에서 트랜스포머(13) 및 MOSFET 스위치는 냉각된 매체 또는 냉각된 공간에 존재한다. 여기서, 트랜스포머의 1차 코일에 흐르는 작은 전류를 위해서는 단면이 작은 전기 라인이 필요하고 이에 상응하여 상기 라인은 냉각된 공간에 대한 적은 열 전도력을 갖는다는 장점이 제공된다.

특히 본 발명에서 중요한 점은 스위치가 폐쇄된 경우 MOSFET이 가장 적은 전기 체적 저항의 영역에서 동작된다는데 있다. 이는 본 발명에서 자석 코일(11) 내에서 흐르는 전류가 각각의 폐쇄된 스위치를 통해서도 연속해서 흘러서, 저항 손실을 야기하기 때문이다. 이러한 손실은 자계 코일(11)을 통해 생성될 수 있는 자계의 높은 상수를 감소시킨다. 본 발명에 따라, 자계를 연속해서 일정하게 유지시키는 스위치로서 저온에서 MOSFET를 사용함으로써 바람직하게 문제에 대한 최적화된 해결책이 제공된다.

공지된 유속 펌프의 기본 원리는 본 발명에서 제공된 고온 HT _c 초전도 재료의 용도에 어느정도 적합하다. 이에 따라, 본 발명에 따른 프로젝트 및 이러한 재료들을 갖는 장치에 있어서 상이한 조건들과 상황들이 고려될 수 있다.

본 발명의 목적은 본 발명에 따른 유속 펌프 및 상기 유속 펌프와 매우 일정한 자계를 갖는 초전도 전자석의 본 발명에 따른 조합에 있어서, 이에 상응하여 바람직하게 HT _c 초전도 재료를 갖는 장치를 구현할 수 있는 처리들을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에서도 관찰되는, 공지된 회로 구조의 기본 원리도.

도 2는 도 1의 정류기 회로에 대한 변형예.

도 3은 공통 저온 장치 내에 제공된 유속 펌프 및 전자석의 본 발명에 따른 조합의 기본 구조의 단면(I-I')에 대한 조망도.

도 4는 본 발명에 따른 유속 펌프의 정류기 회로의 본 발명에 따른 스위치에 대한 실시예.

도 4A는 다이아그램.

도 5A 및 5B는 MOSFET 회로 장치에 대한 실시예의 측면에서 본 조망도.

도 6은 조작 선도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

2: 유속 펌프11: 초전도 코일

111: 전자석100: 저온 장치

12: 전원13: 트랜스포머

131: 트랜스포머의 코어113: 1차 코일

213, 313: 2차 코일413: 픽업 코일

15, 16; 115, 116: 스위치20, 21: 라인

23: 안전 장치25: 제어 시스템

51: 기판52: 기계적 접속부

53: 플랫폼S: 소오스 단자

D: 드레인 단자15 ₁ ..., 16 ₁ ...: MOSFET

220: 서미스터221: 가열 장치

215, 216: 전계 효과 전극1215, 1216: 접속 라인

315, 316: 초전도 라인τ: 시간 간격

특히 본 발명의 하기 명세서를 부가로 설명하기 위해서 본 발명의 공개 내용도 포함하고 있는 하기 도면이 사용된다.

도 1에는 유속 펌프(2)에서 2개의 2차 코일을 갖는 양방향성 정류로서 표기된 회로가 도시된다. 본 발명에 있어서, 상기 회로가 배치된 곳에 마찬가지로 정류 작용을 하는 브리지 회로도 사용될 수 있는데, 상기 브리지 회로는 다이오드를 포함하는 전기 공학에 통상적으로 공지되어 있으며 본 발명의 실시예로서 도 2에 도시된다. 도 1과 적어도 일치하는 도 2의 브리지 회로의 세부 사항들은 이미 정해진 동일한 부호를 갖는다. 도면 부호 115 및 116은 전체적으로 4개의 스위치를 포함하는 브리지 회로의 2개의 부가 스위치를 표기한다. 상기 회로에서 트랜스포머(13)의 단지 하나의 2차 코일(213)이 필요하다.

본 발명의 바람직한 처리에 의해, 전자석의 적어도 초전도 코일(11) 및 상기 코일(11)의 관련 유속 펌프는 하나의 동일한 저온 장치(100)의 진공 챔버 내에 배치될 수 있다. 이러한 처리의 장점은 단지 하나의 냉각 공급 장치 및 단지 하나의저온 장치 용기만이 필요하다는데 있다.

위에 제시된 목적을 해결하는 청구항 1항에 따른 본 발명 및 종속항에 따른 본 발명의 개선예에 있어서, 본 발명에 따른 장치가 바람직하게 높은 동작 온도에서 초전도 유속 펌프, 초전도 전자석, 그리고 본 발명에 따른 HT _c 초전도 재료를 갖는다는 조건이 있으며, 이러한 조건을 만족시키기 위해서 유속 펌프에 의해 몇 초 간격으로 전자석이 재충전되도록 실행될 수 있다. 이는 HT _c 초전도 재료를 갖는 본 발명에 따른 장치에 있어서 미리 제공된 허용치 내에서 자석의 자계 강도의 요구된 상수가 상기와 같이 단기적으로 연속해서 따르는 재충전에 의해서만 유지될 수 있기 때문에 필요하다. 이는 공지된 방식으로 사용된 LT _c 초전도 재료를 본 발명에 따라 사용된 HT _c 초전도 재료로 교체하는데 있다. 또한 HT _c 초전도 재료를 갖는 본 발명에 따른 장치에서 유속 펌프 및 바람직하게 높은 온도에서의 자석은 상이한 온도, 즉 유속 펌프는 거의 77K, 전자석은 대략 40K의 범위 내에서 동작될 수 있다는 것이 고려된다.

본 발명에 따른 이론에 있어서, 트랜스포머의 하나 또는 다수의 2차 권선을 위해 Bi2212-, Bi2223 밴드 도체를 기본으로 하는 실버 매트릭스로 형성된 HT _c 초전도 도체가 제공되거나 및/또는 금속 지지 밴드 위에 있는 YBa-Cuo 도체가 바람직한 예로서 제공될 수 있다. 또한 다른 HT _c 초전도 재료도 와이어로 사용될 수 있다. 트랜스포머의 1차 권선에도 마찬가지로 HT _c 초전도 재료도 사용될 수 있지만, 이러한 코일을 위해서는 77K에서 매우 높은 비전도성을 갖지만, 불리하게도 줄(Joule)의 손실열을 발생시키는 구리선으로도 충분하다. 1차 코일 대 각각의 2차 코일의 수축비는 1 보다 훨씬 크고, 바람직하게는 대략 100 이상 1000 미만으로 선택될 수 있다. 바람직하게 사용되는 트랜스포머 코어는 특히 래미네이팅된 철, 다른 연자성 재료로 이루어지거나 페라이트이다. 또한 단지 공심 코일을 갖는 트랜스포머도 사용될 수 있다.

도 3에서 공통 저온 장치(100) 내에 1차 코일(113) 및 2차 코일(213 및 313)을 포함하는 트랜스포머(13)와 스위치 장치(15, 16)를 갖는 전자석(111) 및 유속 펌프(2)의 초전도 코일(11)로 이루어진 본 발명에 따른 장치가 제공된다. 상기 1차 코일 및 2차 코일은 서로 돌돌 말려있다. 도면 부호(12)는 공급 전원을 표기한다. 도면 부호 413은 픽업 코일을 표기하며, 상기 픽업 코일에 의해 여기에 제공된 트랜스포머(13)의 코어 내 자속이 모니터링될 수 있다.

도 4는 HT _c 초전도 도체 및 정류기 회로의 스위치로서 사용된 MOSFET 소자를 갖는 유속 펌프의 회로에 대한 실시예를 도시한다. 스위치(15 및 16)는 각각 n개의 MOSFET(15 ₁ 내지 15 _n 또는 16 ₁ 내지 16 _n )의 병렬 회로를 포함한다. 접속될 전류가 병렬 접속된 개별 MOSFET로 분포된다. 상기 전류는 개별적으로 병렬 접속될 MOSFET의 수를 결정한다.

전계 효과 전극(215 ₁ 내지 215 _n )의 단자도 서로 병렬 접속되고 제어 시스템(25)에 접속된다. 이는 MOSFET 소자(16 ₁ 내지 16 _n ) 및 상기 소자의 전계 효과 단자(216 ₁ 내지 216 _n )에도 적용된다.

상기와 같은 MOSFET 소자로는 지멘스/인피니언(Siemens/Infineon)의 BUZ 11S 타입의 소자가 적합하다. 병렬 접속된 다수의 MOSFET 소자(15 ₁ 내지 15 _n 및 16 ₁ 내지 16 _n )에 의해 유속 펌프의 회로 내에 흐르는 전류에 대한 매우 적은 도전 저항이 달성될 수 있다. MOSFET 소자의 수(n)는 정격 전류가 흐를 때 병렬 접속된 MOSFET 소자에서의 전압 강하가 적어도 전자석(111)의 초전도 코일(11)에 측정가능하게 존재하는 전압 강하와 동일한 치수가 되도록 선택된다. 이와 같은 전압 강하는 1mV 보다 작은 값에서부터 소수의 mV 미만의 값을 갖는다. 예컨대 주어진 타입의 통상적인 MOSFET 소자가 도전 저항, 더 정확히 말해서 유속 펌프의 동작 온도가 저온일 때의 도전 저항에 관련해서 개별적으로 선택되는 것이 적절하다. 본 발명의 유속 펌프의 동작시 상기 MOSFET 소자가 대략 60K 내지 130K의 온도에서 동작되는 것이 적절하다. 도 4A에서, 이러한 온도 범위 내에서 MOSFET 소자는 심지어 최소한의 순방향 저항을 갖는다. 이는 본 발명에 따른 유속 펌프에 있어서 최적으로 이용될 수 있다.

앞에 제시된 실시예는 의미에 따라서는 도 2에 따른 브리지 회로를 갖는 유속 펌프의 정류기 회로에 적용된다. 후자의 경우 본 발명에 따른 유속 펌프는 n 번 병렬 접속된 각각의 MOSFET 소자들의 4개의 그룹(15, 16, 115, 116)에 의해 동작된다.

도 5A 내지 5B는 스위치(15, 16)의 바람직한 실시예의 구조를 측면으로 조망한 것이다.

도 2에 따른 실시예에 있는 이러한 2개의 그룹(15 ₁ 내지 15 _n , 16 ₁ 내지 16 _n ), 그리고 본 발명의 4개의 그룹으로 된 MOSFET 소자는 예컨대 공통 기판(51)에 배치되어 열 전도율이 좋도록 접속되거나, 예컨대 구리나 열 전도율이 좋은 다른 재료들로 이루어진 다수의 기판에 분포되도록 배치된다. 이러한 배치에 의해, 상기 MOSFET 소자들은 가능한한 동일하거나 및/또는 일정하게 선택된 동작 온도로 유지될 수 있다. 상기 동작 온도는 서미스터(220) 및 경우에 따라서는 부가의 가열 장치(221)를 갖는 기판 및 트랜지스터용 제어 회로에 의해 유지된다.

각각의 드레인 단자(D)에는 전도성 기판(51)을 갖는 병렬로 접속된 MOSFET(15 ₁ 내지 15 _n , 16 ₁ 내지 16 _n )가 전도 접속된다. 상기 MOSFET의 각각 제 2 소오스 단자(S)는 MOSFET(15 ₁ 내지 15 _n ) 및 MOSFET(16 ₁ 내지 16 _n )을 위한 공급 라인 및 접속 라인(315, 316)에 전기 접속된다. 전계 효과 제어(게이트) 전극(215)의 단자들은 접속 라인(1215)에 의해 서로 접속되어 제어 시스템(25)에 접속된다. 이는 전계 효과 제어 전극(216) 및 상기 전극(216)의 접속 라인(1216)에도 적용된다.

실제로는 전자석(111)의 코일(11)의 동작 온도가, 상기 코일(11)이 예컨대 4.2K 또는 20 내지 30K 일때 기판(51)에 존재할 때 보다 더 낮게 제공되는 경우가 있다. 이러한 경우 상기 온도 레벨과 기판(51) 및 MOSFET를 위해 최적한 온도 레벨 사이에 도 4에 도시된 전기 접속부(152)가 자석의 초전도 코일(11)의 초전도 접속 공급 라인과 소량의 열 전달을 야기하는 라인(20, 21)(도 1 참조) 간의 전이부로서 사용되는 것이 적절하다. 이를 위해서는 공지된 구조에 따른 HTS 초전도체 전류 인입선이 적합하다. 이는 예컨대 Bi2212 또는 YBaCuO 매시브 재료(massive material) 또는 AgAu 매트릭스로 제공된 Bi2223 모노 필라멘트 도체 또는 멀티 필라멘트 도체로 이루어진 것일 수 있다. MOSFET의 온도는 회로 내에 제공된 초전도 라인(315, 316)을 고려해 볼 때 상기 라인의 천이 온도(T _c ) 보다 낮은 온도, 즉 대략 60 내지 80K에 놓여있다.

도 5B는 도 5A에 사용된 도면 부호를 갖는 도 5A에 대한 측면도이다. 도 5B의 실시예에서, 기판(51)은 도시된 3개의 기계적 접속부(52)에 의해 플랫폼(53)에 접속된다. 이 실시예는 플랫폼(53)이 예컨대 자석에 의해 매우 낮은 온도를 유지하는 LT _C 자력 코일에 열에 의해 접속될 경우에 적합하다. 그리고 나서, 접속부(52)는 명확하게 측정되는 열 교환기 내지 열 제어 장치로서 설계되며, 상기 열 교환기나 열 제어 장치에 의해 MOSFET의 기판(51)의 온도는 위에 제시된 적절한 온도로 유지될 수 있다. 이에 따라, 회로의 MOSFET 내에 어느 정도의 손실열이 나타나며, 상기 손실열에 의해 경우에 따라서 미리 제공된 가열 장치(221)에 대해 부가로 기판이 소정의 높은 온도로 유지될 수 있다. 상기와 같은 실시예는 회로와 초전도체 자석이 공통 저온 장치 하우징 내에 통합된 구조에 특히 적합하다.

접속부(52)의 두께 및 횡단면의 합은 기판의 열저항에 의해 히트 싱크나 저온 방향으로 흐르는 열 흐름이 가열 장치(221) 및 상기 가열 장치(221)에 대한 부가의 열량을 공급하는 열 흐름과 거의 동일하거나 약간 더 크도록 측정되며, 상기열량은 각각의 전도성 스위치 분기(15 또는 16)의 MOSFET 내에서 그 속에서 전류가 최대로 흐를 때 나타난다. 이는 본 발명의 개선예에 따라 제공된 처리인데, 이러한 처리에 의해 언급된 가열기의 전력은 MOSFET 소자의 일정 온도를 균일하게 유지시키기 위해 최소화될 수 있다.

바람직하게 열 방출은 MOSFET 내에서 생성된 열량의 1.5 내지 3 배가 되도록 측정된다. 기판의 설정 온도를 유지하거나 달성하기 위해서 요구되는 열량은 가열 장치에 의해 공급된다.

본 발명의 바람직한 실시예를 측정하기 위해서 도 5A에 따른 핵스핀 단층 촬영의 자석용 유속 펌프에 있어서 2 ×40의 BUZ111S 타입의 MOSFET가 제공된다. 상기와 같은 MOSFET은 70K에서 대략 2.5m를 갖는다. 상기 MOSFET은 예컨대 열에 의해 접촉이 잘 되는 구리로 이루어진 기판 위에 각각 설치된다. 병렬 접속된 각각의 MOSFET 소자의 그룹을 통해 전체적으로 흐르는 예컨대 80 암페어의 정격 전류에서 대략 0.4W의 손실 전력이 나타난다. 가열기에 의한 0.2W의 열 공급과 함께 전체적으로 0.6W가 예컨대 위에 언급된 기계적 접속부(52)를 통해 대략 70K로부터 대략 25K에까지 방출될 수 있다. 이에 따라, 위에 언급된 접속부에 있어서 GFK(섬유 강화된 플라스틱)와 같은 플라스틱에서는 A/d=4cm(A=전체 횡단면; d=접속부의 두께)의 값이고, GFK 재료에서 예컨대 1cm의 높이를 갖는 접속부의 지지 소자가 특수강일때는 Ad=0.2cm이며, 강에서는 0.2cm ² 의 횡단면을 요구한다.

공지된 유속 펌프에 따른 원리 중 하나에 대한 본 발명에 따른 실시예에서도트랜스포머(13)의 1차측에는 교대로 부호를 갖는 사인 전압 또는 직사각형 전압이 공급될 수 있다. 이에 상응하여 사인 주파수나 직사각형 펄스열은 시간적으로 통합되어 제어 전극, 다시 말해 스위치로 사용되어 도통되도록 개방되거나 차단될 MOSFET 소자의 필드 전극(215, 216)의 제어를 실행한다. 이러한 제어는 위에 제시되거나 유사한 타입의 MOSFET 소자에서 8 V 보다 크거나 같은 직사각형 전압 펄스에 의해 이루어진다.

유속 펌프의 정류기 회로 내에 있는 스위치로서 MOSFET 소자를 갖는 공지된 유속 펌프의 원리 중 하나에 대한 본 발명에 따른 실시예의 큰 장점은, 상기 MOSFET 소자가 주파수에 의해 소수의 MHz까지 제어될 수 있다는 것이다. 이러한 높은 제어 주파수에 의해, 공지된 실시예와 비교해 볼 때 트랜스포머(13)가 매우 작게 형성될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 트랜스포머(13)는 페라이트 코어로 형성되거나 심지어 코어 없이 형성될 수 있다. 트랜스포머의 이러한 2차 출력 전압은 MOSFET 소자의 허용되는 동작 전압에 상응하여 상기 MOSFET가 예컨대 BUZ 111S 타입일 때 도 1에 도시된 양방향성 회로에서는 25V 이하이거나, 도 2에 따른 브리지 회로에서는 50V 이하로 선택될 수 있다. 본 발명에 의해 제공되는 이러한 기술적 장점은 HT _C 초전도 재료를 갖는 스위치에 대한 실시예와 비교해 볼 때, 전자석(111)의 매우 신속한 충전 및 재방전을 가능하게 한다.

본 발명의 개선예로서 MOSFET 소자로 이루어진 스위치(15, 16)(115, 116)의 보호를 위해 반도체 다이오드가 제공되며, 상기 반도체 다이오드는 개별 스위치에도전 방향으로 양극화되어 병렬 접속된다.

유속 펌프(2)에 의해 전자석(111)은 전원(12)으로부터 공급될 전류에 의해 충전된다. 이것에 대해서는 도 6에서도 제시될 것이다. 도 6의 행(A 내지 F)에는 하기에 기술된 과정이 도시된다. 도 6의 왼쪽 절반부에서 실행되는 과정은 전자석의 완전 충전에 관한 것이다. 도 6의 오른쪽 절반부는 시간에 따라 나타나는 손실을 보정하기 위한 재충전 과정, 다시 말해 전자석(111)의 자계의 시간에 따른 안정화를 위한 과정에 관한 것이다.

트랜스포머(13)의 1차 권선(113)에는 행(A)의 왼쪽 절반부에서와 같이 특히 시간에 따라 연속적으로, 바람직하게는 연속해서 부호가 교체되는 사다리꼴형 전압 펄스/전류 펄스가 공급된다. 행(B)은 행(A)의 펄스에 속하는, 트랜스포머(13)의 2차 코일(213 및 313)에서 나타나는 시간적으로 서로 이격된 펄스를 보여준다. 행(C)은 자력 코일(111)의 충전의 증가를 보여준다.

전자석(111)의 자계 강도의 시간적인 안정화에 관한 도 6의 오른쪽 측면은 도 6의 왼쪽 절반부의 충전 과정과는 구별되는데, 상기 충전 과정에서 1차 전류나 트랜스포머(13) 내에서의 자기 흐름의 부호 교체가 시간적으로 연장되어 제공되며, 다시 말해 양적으로 재충전이 요구되는데, 이는 오른쪽 절반부의 행(C)에서 볼 수 있다.

전자석(111)의 충전 및 상기 전자석(111)의 자계의 시간 상수에 대한 재충전은 도 6에 따라 펄스 주파수 및/또는 펄스 진폭의 제어, 그리고 이에 상응하는 유속 펌프의 정류기 회로의 스위치의 제어에 의해 이루어진다. 펄스 주파수는 바람직하게 제어 회로에 의해, 또는 제어 회로와 함께 제공될 수 있다.

상기 제어 회로는 예컨대 자석 내 또는 자석에서의 주기적인 NMR 필드 측정을 위한 처리를 실행한다. 예컨대 NMR 주파수의 실제값과 목표값 간의 차이가 검출된다. 이때 나타나는 차이는 재차 이에 비례하는 펄스 주파수의 변경에 의해 보정되는데, 상기 펄스 주파수에 의해 유속 펌프의 입력부, 다시 말해 트랜스포머(13)의 1차 코일(113)이 제어된다.

필드 안정화를 달성하기 위한 대안적인 처리로서 요구되는 저온이 나타나는 영역 내에서 전류 측정에 의해, 또는 홀 센서에 의해 편차가 검출되어, 재차 보정된 펄스 주파수로 변환될 수 있다.

도 6의 과정에 상응하여 한번 충전된 전자석(111)은 연속해서 가변되는 방식으로 역 방향으로 동작되는 유속 펌프에 의해 재차 방전될 수 있다. 여기서, 동일한 펄스 다이아그램에서 충전시 폐쇄되었거나 전환된 각각의 스위치가 개방된다.

본 발명에 따라, 유속 펌프(2) 및 자석(111)은 바람직하게 공통 저온 장치 내에 함께 배치될 수 있다. 저온 장치 내의 온도는 전자석(111)을 위해 제공된 온도값, 예컨대 위에 언급된 값(T ₀ )으로 조절될 수 있는데, 즉 자석의 코일(11)의 HT _c 초전도 재료가 생성된 자계에서 필요한 안전 전류량을 갖도록 측정된다. 그리고 나서, 회로 장치의 기판(46)은 더 높은 온도로도 유지되지만, 초전도 재료의 온도(T _c ) 보다는 낮은 온도로 유지될 수 있다.

본 발명에 의해 본 발명에 따른 유속 펌프 및 상기 유속 펌프와 매우 일정한 자계를 갖는 초전도 전자석의 본 발명에 따른 조합에 있어서, 이에 상응하여 바람직하게 HT _c 초전도 재료를 갖는 장치를 구현할 수 있는 처리들이 제공된다.